JPS60125081A - 自動露出制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分デｆ） 本発明は、ＣＯＤを露出泪として用いた自動露出制御装
置に関する。

（従来技術） 近年、半導体技術の向上に伴い、固体撮像素子を用いｌ
ζ単板式の家庭用カラースチルカメラが脚光をあびてき
ている。これは、単板式のスチルカメラが小型軽量、低
消費電力、高信頼性、長寿命。

量産性、均一性等固体撮像素子のもつ特徴を最大限に牛
か１ｉるからである。ところで、この種の固体撮像素子
としては、大別すると光ダイオードの信号をスイッチマ
トリクスＣ順次読み出ｔ　Ｍ　ＯＳ形と、画素の信号を
ＣＯＤシフトレジスタで送り出すＣＣＤ形と、水平走査
のみＣＯＤにしたＣＰＤ形がある。このうら、ＣＣＤは
Ｍ　ＯＳ電極のみでメモリと走査の両機能を持つ１．：
め、走査回路が要らず回路的には非常に簡単なデバイス
であることから、多用にされるようになってきている。

ＣＯＤを用いた中板式カラースチルカメラの実用化を図
るためには、感磨、解（象庇、ダイナミックレンジ及び
残像等の撮像素子どし・ての基本性能を実現づるのはも
とより、固体１最像素子特有のブルーミングやスミア現
象を抑圧或いは除去する必要がある。このため、各メー
カ共ＣＯＤ素子の構造に独自の工夫をこらしている。ブ
ルーミング抑圧に素子構造上で平面的にオーバーフロー
ドレインを用いるのは感度や垂直ＣＯＤのダイナミック
レンジを犠牲にしたり、パターンを複１１にする等の不
具合を有する。このＩ、：め、一般のインターライン形
ＣＯＤでｎ型基板にｐウェルを用いて縦方向にオーバー
フロードレインを形成するようにしたものが開発された
（ＴＶ学会技術報告ＥＤ６２４　（１９８２））。この
縦形オーバーフロートレイン構造は、基板とｐウェル間
に基板バイアス電圧を印加し、受光部に生じた過剰電荷
を基板（Ａ−バー７０−ドレイン）に抑キ出４゛ことに
よりブルーミングの抑制を行うようにしている。第１図
は縦形Ａ−バー７０−ドレイン構造のＣＯＤの一構成例
を示づ電気回路図である。図において、１は光ダイオー
ドの１素子で、例えば３８４Ｘ４９０個の光ダイオード
素子によりマトリクスが形成されている。２は１個のユ
ニツＩ−ヒルで、ぞの具体的構成は第２図に示すような
等価回路で表わされる。即ち、Ｄは光ダイオード素子、
Ｑｌは縦方向オーバーフロードレイン、ＶＳｂは光ダイ
オードと該オーバーフロードレイン間に印加された基板
バイアス電圧、Ｑ２は縦方向ＣＯＤの１単位である。Ｒ
１乃至Ｒｎ（ｎは整数）は縦方向ＣＯＤレジスタ、３は
これら縦方向レジスタの出力を受ける水平方向ＣＯＤレ
ジスタである。該レジスタの出力はバッファアンプ４を
介して出力Ｖｏとして取出される。

第３図はこのような構成の縦形オーバーフロードレイン
構造の基板バイアス電圧ｖＳｂと出力電圧Ｖｏとの関係
を、光ダイオードに印加するセット電圧ＶＨをパラメー
タとして示しＩζ特性曲線図である。図の「１はＶＨ＝
１３Ｖのときの特性、ｆ２はＶＨ”１１Ｖのときの特性
、ｆ３はＶＨ＝９Ｖのときの特性をそれぞれ示している
。図より明らかなように、基板バイアス電圧Ｖｓｂを大
きくするにつれて出力Ｖｏは低下し、ＶＳＩ）がある箇
以上になると出力Ｖｏはほとんど０になる。即ち、基板
バイアス電圧ｖＳｂを調ｒａ−’）’ることにより出力
電圧Ｖｏの大きさを制御す°ることができることを示し
ている。このとき、出力Ｖ（＋として現れない電荷はＪ
べて前記し！、：縦形オーバーフロードレインに流れ込
むことになる。この現象を更に具体的に説明する。

第４図は縦形オーバーフ［１−ドレイン構ＴＩ　ＣＣＤ
の構成を示づ図、第５図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第４
図のＡ−Ｂ線、Ｃ−Ｄ線で切った断面を示す図である。

これらの図において、Ｄは光画像情報を受けて受光量に
応じＩこ電仙■に変換する光ダイオード素子で、これら
受光素子の集合が受光部１０を構成する。１１は該受光
部で１ｑられＩこ光電変換信号を外部に転送するための
転送ＣＣＤである。該転送ＣＯＤは、第１図で説明した
縦方向ＣＣＯレジスタＲｉ　（ｉは１！Ｉ！数）を構成
し、該レジスタを通過した画像信号は、更に水平方向Ｃ
ＯＤレジスタ３を経て外部に出力されることになる。

１２は受光部１０で発生した過剰電荷を吸収りる縦形オ
ーバーフロードレイン、１３は受光部１０とオーバーフ
ロートレイン１２間に基板バイアス電圧■Ｓｂを印加°
するためのオーバーフローコント−ロールグー１〜であ
る。これらは縦形オーバーフロードレイン（Ｍ造では画
素の位置に縦方向に配置されているが、この図では見易
くりるために水平方向に書いである。尚、１４は転送ゲ
ートである。

ＣＯＤの受光部１０の各光ダイオード素子は大川光に応
じた電荷を発生し蓄積する。ところが特定の受光部に強
烈な光が入った場合、電荷があふれ近くの他の受光部に
入り込むことがある。このような現象（ブルーミング）
は、画像品質を落としてしまう。そこで、このような現
象が起きることを防止Ｊるため、各受光部に隣接してＡ
゛−バーフロードレイン１２を設けておき、Δ−バーフ
ローコントロールゲート１３に印加する電圧の値を調整
して、第３図に示した特性を利用して、過剰電荷をオー
バーフロートレイン１２の方へ流し込んでやるのである
。即し、Ａ−バー７０−コントロールゲート１３に印加
１゛る電圧の値により、ＣＯＤ内には第５図に示すよう
にオーバーフロードレイン１２に流れる電流バス１１と
転送ＣＣＤ　１１に流れる電流パス１２及び曲の受光部
に流れる電流パスｉ３ができる。そこで、Ａ゛−バーフ
ロードレイン１２と受光部１０との間の電位を転送ＣＣ
Ｄ１１と受光部１０と間の電位や画素間の障壁の電位よ
りも低く設定づることにより、あふれ！ご電荷をオーバ
ーフロードレイン１２の方に流し他の受光部や転送ＣＯ
Ｄに流れ込まないようにしている。尚、Ａ−バーフロー
：１ントロールグートに印加づる電位を充分低くＪるど
、受光部には全く電荷はＳ積せず、１゛べての電荷をオ
ーバーフロードレイン１２に流すようにづることかでき
、その電流値は受光量に比例している。

（発明の目的） 本発明の目的は、前述したような縦形オーバーフロード
レイン構造ＣＯＤの特性をうまく利用し’ＵＳＣＣＤ自
体を用いて自動露出制御装置として利用できるようにす
ることである。

（発明の構成） この目的を達成する本発明は、光画像情報を受けで受光
量に応じた電荷量に変換する受光部と、該受光部で得ら
れた光電変′Ｓ括号を外部に転送する転送ＣＯＤと、受
光部に生じム：過剰電荷を吸収゛す゛るオーバーフロー
ドレインと、該オーバーフロードレインと前記受光部と
の間に設けられたオーバーフローコン［・ロールゲート
とで構成され、該オーバーフローコンＦ・ロールゲート
の受光部に対する電位を転送ゲートの受光部に対震る電
位よりも低くして受光部に発生する電荷をすべてオーバ
ーフロードレインに流し込み、−でのときの電流値によ
り受光部の露出時間を制御するＪ：うにしたことを特徴
どＪるものである。

（実施例） 第６図は本発明の一実施例を示り構成図である。

図において、Ｌｌ、Ｌ２は光学レンズ、２０は絞り、２
１は縦形オーバーフロードレイン構造のＣＯＤ、２２は
Ｃ０Ｄ２１のオーバーフローコントロールゲートに印加
する制御電圧（基板バイアス電圧）ＶＳＩ）の印加時間
を制御覆る蓄積時間制御回路、２３は受光部からオーバ
ーフロ−トレインに流れる電流ｒ×を取出して対数変換
する対数変換回路である。このように電流イに号）Ｘを
対数圧縮するのは、光量の変化のダイナミックレンジが
広いため、通常の増幅器では対応しきれないからである
。２４は該対数変換回路の出力をディジタルデータに変
換りるＡ／Ｄ変換器、２５は該Ａ／Ｄ変換器の出力を受
けて各種演鋒制御を行うＣＰＵである。該ＣＰＵとして
は、例えばマイクロコンピュータが用いられる。２６は
ＣＰＵ２５にスタート信号を与えるレリーズ、２７はＣ
ＰＵ２５の制御信号を受けて絞り２０にｒｉ３．適な絞
り」を与える絞り制御回路、２８は同じ＜ＣＰＬＪ２５
の制御信号を受（プてストロボ周期を決めるストロボ制
御回路である。ＣＰＵ２５は、又、前記蓄積時間制御回
路２２にも制御信号を与えている。

このように構成された装置の動作を説明りれば、次の通
りである。

レリーズ２６からスター１〜信号が入るとＣＰ　ＬＪ２
５は動作を開始する。ＣＣＤ２１の受光部１０（第４図
参照）に外部からの光が入ると、該受光部は入射光に応
じた電荷を発生Ｊる。このとき、オーバーフローコン１
−ロールゲー）−１３（第４図参照）に適当な制御電圧
ｖＳｂを印加して、オーバーフロードレイン１２（第４
図参照）の電位を転送ゲー１−１４　（第５図参照）の
（れよりも充分に低くしておけば、前述したように、づ
べての発生電荷がオーバーフロートレイン１２の方に流
れ込む。この時の電流ｌｘは、対数変換回路２３により
対数圧縮された後、続＜　Ａ　、／　Ｄ変換器２４によ
りディジタルデータに変換される。この変換されたディ
ジタルデータは、ＣＰＵ２５に入って逆対数変換処理さ
れ、ＣＰＬＩ２５は流れる電流Ｉ×の値を知る。前述し
たように、すべての発生電荷がオーバーフロードレイン
１２に流れ込む場合には、■×は受光量に比例している
。従って、ＣＰＵ２５はｌｘから入射してくる受光■を
知ることができる。受光量が分ると、ＣＰｔＪ２５は絞
り制御回路２７に最適絞りのための制御ｎ信号をもえる
と共に、蓄積時間制御回路２２に制御信号を与える。

ここで、蓄積時間とは受光部１０に所定量の電荷を蓄積
するに要づ゛る時間をいい、受光量が多ければ一定量の
電荷を蓄積するに要りる時間は短くなるし、受光量が少
ないと１ｉｉ１−Ｆｉｉの電荷を蓄１１１Ｊ？ｌるに要
する時間は長くなる。ＣＰＵ２５はこのような受光量に
応じた蓄ｆａ時間を演鋒によりめ、蓄積時間制御回路２
２に制御ｆεｑを送る。以上の操作で測光、露出制御動
作を終了４゛る。

蓄積時間制御回路２２は、Ａ−バーフローコントロール
ゲート１３に印加する制御電圧Ｖｓｂの値を前記測光、
露出制御部の（ｆｆｉと異ならしめ、受光部１０に蓄積
される電荷がＡ−バー７０−ドレイン１２或いは転送Ｃ
ＣＤ１１の倒れにも漏ねないようにしておく。被写体Ｘ
から発せられた画像情報は受光部１０で光電変換され、
所定の蓄積時間が経過すると、蓄積時間制御回路２２は
（、ＣＤ　２１に転送パルスを印加し、受光部１０の電
荷を転送ＣＣＤ１１に移づ。以、にの操作は、カメラの
シャッタ動作に相当していることがわかる。即も、Ｃ０
Ｄ２１を用いることににす、自動露出制御とシャッタ動
作を行わせることがＣきる。この場合、メカニカルシャ
ッタではなく、電子シレッタとして（幾能する。第７図
は、第６図に示Ｊ装置の動作を示すタイミングチャート
である。Ｐｉはオーバーフロー：７ントロールグート１
３に印加づる制御電圧Ｖｓｂのタイミング波形を、Ｐｌ
は転送パルスをそれぞれ示づ。ＰｌのΔ領域とＣ領域は
測光露出制御モード領域を、Ｂ領１１はシ（・ツタ動作
モード領域をそれぞれ示している。Ｐｌのｔｓは、前記
した蓄積時間を示している。番偵時間経過後に、転送パ
ルスが出ツノされ、受光部１０に蓄積された電荷が、光
電変換信号として転送ＣＯＤにトランスファされる。こ
の蓄積時間ｔｓは、前述したように受光量が少なければ
長くなり、受光量が多ければ短くなる。このような制御
を行うことにより、Ｉ；目、：最適レベルの画伯情報が
１１られることになる。

尚、受光量が少なく、正確な露出ＬＩＪ御が行えないよ
うな場合は、発生電荷を一定時間受光部に蓄積しておき
、しかる後この電荷をＡ−バー７【］−ドレインに流し
込むときの電流値【Ｘを測定してから受光量をめるよう
にしてもよい。ｍｅ、図は、このときにおける各部の動
作を示すタイジングチ１フートである。ここでのＰ＋１
．、Ｌ第７図のＰｌに示すと同様、オーバーフロー］ン
トロールゲート１３に印加づる制御電圧ＶＳＩＩのタイ
ミング波形を、Ｐｌはオーバーフロービレ。インに流れ
込む電流【−×の波形を、Ｐ３は第７し１の１）２に示
すと同様、ＣＯＤの転送パルスをそれぞれ示している。

即ち、測光づるときにまず測光のための蓄積時間ｔ１を
設けて、ぞの間電荷を受光部１０に蓄積しておき、ｔｌ
が経過づるとオーバーフ１」−ドレイン１２に流し込み
、そのときの電流Ｉ×を第６図に示１回路でめる。Ｉ×
がまると、ＣＰＬＩ２５は演綽処理により受光量を正確
にめることができる。

受光量をめた後のシャッタ動作等については第７図につ
いて説明したのと同様である。尚、上述の説明ではＣＯ
Ｄを電子シャッタとして用いる場合について説明したが
、シ（？ツタ部については従来装置と同様、メカニカル
シャッタを用いてもよい。

（発明の効果） 以−り詳細に説明したように、本発明によれば、Ａ−バ
ー７［」−コントロールグー１〜に印加Ｊるｌ’制御電
圧（基板バイアス電圧）の大きさを加減してＡ−バーフ
ロードレインに流れ込む電荷のｈｌににり受光端を知り
、この受光量に応じＣ露出時間を制ａｌｌすることがで
き、且つ、Ａ−バー７［」−コントロールゲートに印加
するタイミング、転送ＣＯＤへの電荷転送のタイミング
を簡単な回路で精疾よくコントロールできる。又、本発
明によれば、ＣＯＤを露出計としてのみならｆ％子ラシ
ャツタしても用いることができ、この場合、−メカ二）
ＪＪレンジ７ツタでは困ａな極めて高速の（例えば１／
１０万秒）シルツタ速１良を実現することができる。

そして小形のスチール７Ｊメラを実現することん（でき
る。従来、ビデオカメラ等では受光量を計測１゛るのに
映像信号のレベルを用いているが、このような方法を用
いると信号読出しに少なくとも１７・７６０秒かかり、
映像信号のダイナミックレンジが狭いＩζめ、露出制御
のダイナミックレンジも狭くなっていた。本発明によれ
ば、１４；めτ高速の露出制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は縦形オーバーフロードレイン構造ＣＯＤの一構
成例ｉ示−４電気回路図、第２図はユニツｉ・セルの構
成を示゛づ図、第３図は基板バイアス電圧Ｖ、Ｓｂと出
力電圧Ｖｏとの関係を示す特性図、第４図は縦形オーバ
ーフロートレイン構造ＣＣＤの構成を示す図、第５図は
での断面図、第６図は水弁用の一実施例を示′？１′ｍ
気的構成図、第７図及び第８図は各部の動作を示Ｊター
ｒミングチャ−１〜である。 １・・・光ダイオード素子 ２・・・：１ニツトセル ３・・・水平方向ＣＯＤレジスタ ４・・・バッファアンプ、１０・・・受光部１１・・・
転送Ｃ０Ｄ １２・・・オーバーフロードレイン １３・・・Ａ−バーフローニコン［〜ロール−ゲート１
４・・・転送ゲー］・ ２０・・・絞り ２１・・・縦形Ａ−バーフ［」−ドレイン構造Ｃ０Ｄ２
２・・・蓄積時間制御回路 ２３・・・対数変換回路　２４・・・△／Ｄ変換器２５
・・・（’、　Ｐ　Ｕ　２　（３・・・レリーズ２７・
・・絞り制御回路　２８・・・スト１コボ制御回路Ｒ１
〜Ｒ１１・・・縦方向ＣＯＤレジスタＤ・・・光ダイオ
ード素子 Ｑｌ・・・縦方向Ａ−バーフロードレインＱ２・・・縦
方向ＣＣＤ　Ｖｓｂ・・・基板バイアス電圧Ｘ・・・被
写体 ｒ１許出願人　小西六写真工業株式会社代　理　人　弁
理±　１ｔ　島　藤　治ゝ＼−−ノ′「 −〜　ｎ Ｑ−Ｑ−工 ＬＣＬ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光画像情報を受けて受光用に応じた電荷量に変換する受
   光部と、該受光部で得られた光電変換信号を外部に転送
   する転送ＣＣＩ）と、受光部に４１じた過剰電荷を吸収
   するオーバーフロートレインと、該オーバーフロートレ
   インと前記受光部との間に設けられｌＳオーバーフロー
   コントロ〜ルゲートとで構成され、該Ａ−バーフローコ
   ン１−ロールゲートの受光部に対づる電位を転送ゲート
   の受光部に対する電位よりも低くして受光部に発生する
   電荷をすべてオーバーフロートレインに流し込み、その
   ときの電流値により受光部の露出時間を制御りるように
   し！こことを特徴とりる自動露出制御Ｉ装置。