JPS61226953A - イメ−ジセンサ - 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】 〔概　要〕 Ｍｌｆｉ　（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎ５ｕｌａｔｏｒ　５ｍｍ
１ｃｏｎｄｕａｔｏｒ　）構造の電荷転送装置を利用し
たイメージセンサにおいて、複数の電荷蓄積領域上の電
極を並列接続して電位変化検出・制御手段≦二接続し、
その出力で。

各電荷蓄積領域からＣＯＤよりなるシフトレジスタ部へ
電荷を転送するための転送ゲートを制御して、自動利得
制御を行なう。

〔産業上の利用分野〕

本発明は電荷転送装置を利用したイメージセンサに係り
、特に実時間でデバイスの光学的状態を感知し、これ（
＝よって電荷蓄積時間を決定する自動利得制御（ＡＧＣ
）機能を有する電荷転送装置の改良に関する。

本発明の用途としては、カメラ等のように、入力光信号
のダイナミックレンジが大きい分野で、その偉力を発揮
するものと考えられる。

〔従来の技術〕

第５図に、゛電荷結合装置を利用したイメージセンナ等
を模式的に示している。図において、半導体基＠１上に
多数の画素ダイオードＤ、が複数の列状に整列して配設
されており、各画素ダイオード列間に各画素ダイオード
Ｄ、の列毎に共通な第１の転送ゲートＴＧ１と水平方向
シフトレジスタ（電荷結合素子）　ＨＲ，、ＨＲ，、Ｈ
Ｒ，、ＨＲ，等が配設され、水平方向シフトレジスタの
一端部に各水平方向シフトレジスタＨＲ，，ＨＲ，、Ｈ
Ｅ３．ＨＲ，等に共通な第２の転送ゲートＴＧ２と垂直
方向シフトレジスタＶＲが配設され、該垂直方向のシフ
トレジスタＶＲの一端部に増幅器Ａが接続された構造を
備えてなる。なおりはバリア、ｍ１ｒｒＬ２は電荷転送
方向に示す矢印である。

ところが、第５図の電荷結合装置によるイメージセンナ
においては、光の入射によって画素ダイオードＤ、で発
生蓄積された電荷が唯単に各シフトレジスタによって順
次増幅器に送られ、電気信号として出力される機能しか
持っていない。

そのため取扱う光の強さが限られた範囲内に制限される
用途、例えばファクンミｊＪ装置等においては充分に機
能するが、光信号のダイナミックレンジが大きい場合１
例えばカメラ等に用いる時には被写体の照度により、光
量が過剰になることがある。この場合には電荷のオーパ
フロウ状態が生じることになる。一方光量が不足の場合
には電荷の不足による感度の低下が生じる等光センサと
して充分に機能を果たせないという問題かある。

そこで、本発明者による先の発明である特願昭５９−１
１１２２１号において、実時間でデバイスの光学的状態
を感知し、これによって電荷蓄積時間を決定する自動利
得制御（ＡＧＣ）＠能を具備せしめた電荷転送装置を提
案した。

第６図にこれを表わしており、図は模式平面図であり、
図において、１はＰ型シリコン基板、２は光信号の入射
により電子−ホール対即ち電荷を発生するフォトダイオ
ード（ＦＤ）、５は障壁ゲート（ＧＪ）、４は蓄積ゲー
ト（Ｇｓｒ）、５は転送グー）（Ｇｒ）、６はクリアー
・ゲートＣＧｃ）　、７はドレインＣＤ）、８は水平シ
フトレジスタ（ＨＥ）である。そして、１０は増幅器を
具備する自動利得制御手段であって、その出力により電
荷の蓄積時間を制御するようになっている。

かかる構造において、障壁ゲート６、蓄積ゲート４．転
送ゲート５にはそれぞれ所定のプラス電位が与えられ、
基板１の表向部に電位のプロファイルが形成される。

そして先ずクリアー・ゲート６を開いて蓄積ゲート４下
部の電位の井戸に蓄積されている電荷を完全にドレイン
７に放出させた後、所定のタイミングで前記クリアー・
グー１６を閉じ、それと同時にフォトダイオード２から
障壁ゲート３を介して流入する電荷が該蓄積ゲート４の
電位の井戸に蓄積され始め、転送ゲート５が開かれる所
定のタイミングまで蓄積が行なわれ、転送ゲート５が開
かれた時点で該蓄積電荷が水平シフトレジスタ８に転送
され、該水平シフトレジスタ８及び図示しない垂直シフ
トレジスタを介して順次図示しない信号出力用の増幅器
に送られ、該増幅器を介して電気信号として順次出力さ
れる。

上記構成においては光信号の入射によってフォトダイオ
ードに発生した電荷は蓄積ゲート４の下の半導体基板内
に形成された電位の井戸に流入されて一度蓄積されるの
で、該井戸に電荷が蓄積される速度を検知することによ
って入射光の強さを知ることができる。

上記電荷転送装置に８いては、該蓄積ゲート４に該蓄積
グー１４の電位が低下する傾斜即ち低下率を検出する増
幅器等を具備した自動利得制御手段１０を接続し、上記
電位の低下率に応じた信号をタイミング系に送り電荷蓄
積時間を、電位の低下率が大きい時即ち入射光が強い時
は短く、電位低下率が小さい時即ち入射光の弱い時は長
く調節する。

かくして、前記電位の井戸から電荷がオーパフロウする
の乞防止し、且つ電荷の不足を補って、受光精度及び受
光感度を向上している。

第６図において、通常においては蓄積ゲート４と端部が
オーバラップした状態で並んで配設される転送ゲート５
及びクリアー・ゲート６を、蓄積ゲート４から離して配
設し、該間隙部に電源（ルテヤネルの場合Ｖｃｃ　）に
直に接続される例えば一体構造のシールド・グー１１１
が設けられている。

（参照・・・Ｐチャネルの場合にも゛電源（例えば−Ｖ
ｎｎ）に接続） このシールド・ゲート１１によって、蓄積ゲート４と転
送ゲート５及びクリアー・ゲート６との間が電気的に遮
断されるので、従来転送ゲート１１又はクリアー・ゲー
ト１６の電圧の上昇及び下降時に発生していた蓄積ゲー
ト４の電位の上昇及び下降現象は完全１＝除去される。

すなわち蓄積ゲートと転送ゲート及びクリアー・ゲート
とが接して配設される構造の場合、制御信号の立ち下が
り時にそのオーバラップ部に寄生する結合容量ＣＩによ
って電荷蓄積前の蓄積ゲートの電位が低下することが防
止され、蓄積電荷量の減少或いは増幅器の直線性の良い
高レベル領域で電位の変化率の信号を供給することがで
きることにより蓄積ゲートの電位変化の検出感度が低下
することを防止できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記第６図の電荷転送装置においては、各画素
毎に電位の井戸から電荷がオーパフロウするのを防止し
、且つ電荷の不足を補って、受光精度及び受光感度を同
上することができるが、本質的にレベル表示素子として
の機能を求めたものである。そのため、カメラ等の測光
機能を有したイメージセンサ（何十或いは何百個もの画
素を必要とする）ζ；は、本センサ以外の手段により最
適露光量を決定しなければならず、光学装置が複雑にな
り、従来のＣＣＤセンチはイメージセンナとしてノ機能
を十分に発揮してない面があった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明においては、　Ｍｉｓ構造の複数の電荷蓄積ゲー
トを並列（二接綿するととも（二、電位変化検出手段を
含む自動利得制御手段に接続し、さらにその出力を転送
ゲートに接続する。

〔作　用〕

ブロクティング状態にあるＭＩＳ構造のキャパシタ中に
電荷が注入されると、ＭＩＳ電極の電位はこの注入電荷
に比例して変動する現象が知られている。

本発明はこの現象を利用するものであり、ＭＩＳ構造の
複数の電荷蓄積ゲートを並列に接続し、それらの平均電
位の変化を検出することにより、受光部からの電荷の平
均値をリアルタイムに検知することを可能とする。即ち
、蓄積電極下の電荷を一度出力ダイオード等に取り出す
ことなしに検知することができる。

そして、上記で検知された受光部からの電荷の平均値（
全画素を数ブロックに分けた部分平均値でも同様）が所
定の値となったとき１：転送ゲートをあけてＣＯＤレジ
スタ部に送り、出力ダイオード部に読み出される。また
、転送ゲートをあける時間と信号の大きさく前記あらか
じめわかっている所定の値）から露光量が算出でき、カ
メラ等の最適露光量の決定に利用することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例の要部を示す回路図であり、１
２は受光部のフォトダイオード（ＦＤ）、１３は障壁グ
ー）　（ＧＥ）、１４は蓄積グーＦＣＧＥＴ）、１５は
転送グー）　ＣＧＴ）、１６は第１のクリアー・ゲート
（ＧＣｌ）　、　１７は第２のクリアー・ゲート（ＧＣ
２）。

１８はＣＣＤ　＝磁荷転送部（ＣＯＤレジスタ）１９及
び２０はそれぞれ第１．第２のクリアー・グー）１６．
１７に対応するオーパフロウドレイン（拡散領域）であ
る。なお、図において１８ＡはＣＯＤの電極、１８Ｂは
電荷転送方向である。

、そして、障壁ゲート（ＧＢ）１５は所定のＤＣレベル
のラインＬ１に接続し、第１．第２のクリアー・グー）
　１６　、１７は所定の電位に制御されるラインＬ４及
びＬＩに接続し、オーパフロウドレイン１９゜２０はラ
インＬ８に共通接続している。またφ１．φ２は転送用
クロックで相補関係にある。

ここで最も特徴的な構成は蓄積ゲート（ＧＳＴ）１４及
び転送ゲート１５である。各画素の蓄積グー）　（ＧＥ
Ｔ）１４は、ラインＬ２に共通接続され、ラインＬ２は
自動利得制御手段（ＩＣ内でもＩＣ外でも良い）　５０
　Ｃ接続し、その出力は転送グー）（ＧＴ）Ｌ６に接続
している。

自動利得制御手段は電位比較器２１及びタイミング発生
回路２２ン有する。なお、Ｑｌはリセット用トランジス
タｔＱ２は増幅用トランジスタである。

動作は、まずリセット用トランジスタＱ１のゲートにリ
セットパルスを入力し、トランジスタＱ１をオンして、
Ｌ２と蓄積ゲート（ＧＳＴ）１４を所定の高電位（Ｖｃ
ｃ）にする。次にリセット入力が低レベルになるとＱｌ
がオフしてラインＬ２とこれに接続する各蓄積ゲート（
ＧＳＴ）１４がフロクテイング状態になる。各画素のフ
ォトダイオード（ＰＤ）１２１：８いて、入射光の強さ
に応じて発生した電荷は、パリアゲート１５を介して蓄
積ゲート（ＧＳＴ）１４下に蓄積される。電荷が蓄積さ
れるのに応じて、フロラティング状態の蓄積ゲートの電
位が低下しようとするが、各蓄積ゲートはラインＬ２に
並列接続しているから、各蓄積ゲート１４の下の蓄積電
荷の平均値に応じて各蓄積ゲート１４とこれに接続する
ラインＬ２の磁位が低下することになる。

そして、このラインＬ２の電位の低下はトランジスタＱ
、を介して電位比較回路２１に入力し、基準電圧Ｖｒａ
ｆと比較することによって、所定の電位までラインＬ、
の電位が低下、したがって各（全）蓄積電極下の電荷の
平均値が所定値（ＣＯＤの電荷転送か正常に行なわれる
範囲）になったとき、電位比較回路２１の出力が高レベ
ルとなり、この立上りをとらえてタイミング発生回路（
ＴＧ　）　２２は転送パルスを発生し、ラインＬ６を介
して転送ゲート（ＧＴ）１５Ｃ；加える。その結果、転
送ゲート１５が開き、各蓄積電極１４下の電荷はＣＯＤ
転送部（ＣＯＤレジスタ１８）に送られる。

第２図に第１図の縦断面構成を表わしており、下方に各
部のポテンシャルを示している。各部の記号１番号は第
１図と統一している。かかる構成において、障壁ゲート
１３．蓄積ゲート１４には所定のプラス電位が辱えられ
、基板ＳＵＢの表面には、図示太線のような電位のプロ
ファイルが形成される。

この状態で蓄積ゲート１４はフロラティング状態になさ
れ、それとともにフォトダイオード（ＦＤ）１２から障
壁ゲート１３を介して流入する電荷が該蓄積ゲート１４
の下の電位の井戸に蓄積され始め。

転送ゲート１５が開かれる所定のタイミングまで蓄積が
行なわれ、転送ゲート１５が開かれた時点（ポテンシャ
ルは図示破線のように下がる）で蓄積されていた電荷は
ＣＯＤレジスタ１８に転送される。

上記において、蓄積ゲート１４の電位は前述のように各
蓄積ゲート１４が並列接続されている関係で並列に接続
されている全蓄積ゲートの電荷の蓄積量の平均値に応じ
て低下することになる。そして、上述のように電荷の蓄
積の平均値が所定値に達すると転送パルスが転送ゲート
１５に加えられ、蓄積電荷が転送される。

第３図１＝、動作のタイミング波形図を示してあり、Ｒ
のリセットパルスの印加によりトランジスタＱ１が導通
して蓄積ゲート１４の゛磁位ｖａ　ｓ　ｒは高電位にプ
リチャージされ、リセットパルスが切れると蓄積ゲート
１４は高電位のフロラティング状態になる。

蓄積ゲート１４下に電荷が蓄積されるにつれてその電位
が低下するが、本実施例では前述のように蓄積ゲート１
４は全画素について並列接続されているから、全画素の
蓄積電荷の平均値に応じて（画面に対する入射光量に応
じて）低下し、それが所定値に達すると自動利得制御手
段６０が働き、転送パルスφｒｅが転送ゲート（ＴＧ）
に加えられ、転送ゲート１８が開いてＣＯＤレジスタに
蓄積されていた電荷が送り出される。

以上の動作において、画面に入射する光量が大な時には
速＜Ｖａｓｒが所定値に達するから、短かい周期（ｔｌ
）で転送ゲートか開き、また光量が小さな時には長い周
期（ｔ２）で転送ゲートが開くことになる。

このように本実施例のＣＣＤイメージセンサは、画面に
入射する光量の平均値で転送ゲートが開く周期が自動的
に変わり、常に所定量の電荷がＣＯＤレジスタに送られ
、電荷のオーパフロウが防止される。

また一方、転送パルスφＩＧの周期をもとに露光量を算
出することができ、これからカメラのシャッタ時間を決
定することができる。

次に、第４図に表わすのは、実施例のイメージセンサの
全体的平面図であり、第１図と同一部分には同一番号を
付して指示しである。図において、３１はＣＯＤレジス
タの出力ゲート、３２は出力回路である。斜＃１７ｆｒ
：施した部分は拡散領域を表わし、白枠（１５，１４，
１５，１６，１７，１８Ａ、５１　）はＭｉｓ構造の電
極である。なお、第４図の回路において、ＡＧＣが不要
な場合には、ラインＬ！に接続するｖｓｒに固定電位を
与えれば良い。

以上は、全画素を並列に接続しｃｃｎ受光部からの電荷
の全平均にリアルタイムに検知する例であったが、第７
図に表わすように画素全体をＢＬｌ　。

ＢＬ２．　ＢＬ５　、　ＢＬ４等と数ブロックに分割し
て各々の平均値（部分平均値）をとり、これらのうちの
１個のブロックの平均値を使用したり、２ブロック以上
の平均値を演算処理してＡＧＣをかけるようにすること
もできる。なお、第７図において、１４（ＧＥＴ）が第
１図１：示す蓄積ゲート１４に相当し、ブロック毎に並
列接続しており、第１図のラインＬに対応する各ブロッ
ク毎のラインＬ２１〜Ｌ２４を経由して第１図のトラン
ジスタＱ、　、　Ｑ、に相当してブロック毎に備えられ
るトランジスタＱｌｌ〜ＱＩ４１ＱＺＳ〜Ｑ！番の回路
に接続し、自動利得制御電圧Ｖ４６ｃ１〜ＶＡＯＣ４が
自動利得制御手段に接続される。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ＣＣ
Ｄ受光部からの電荷の平均値（全画素又は部分画素に対
する）をリアルタイムに検知することができ、蓄積電荷
の平均値（又は部分平均値）が所定値になったときに、
転送ゲートを開いて電荷を読み出すようシーして、電荷
のオーパフロウを防止することができる。また、転送パ
ルスの周期をもとに露光量を算出することができ、これ
を用いてカメラのシャッタ時間ン決定すること等が可能
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の要部構成図、第２図は本発明
の実施例の縦断面図による動作説明図、第３図は実施例
の動作波形図、第４図は実施例の全体的構成図、第５図
は従来のイメージセンサに用いる電荷結合装置の模式図
、第６図は、自動利得制御機能を持つ電荷転送装置の平
面図、第７図は本発明の実施例で、画素をブロックに分
割した構成図である。 主な符号 １２・・・フォトダイオード １３・・・パリアゲート（電極） １４・・・蓄積ゲート（電極） １５・・・転送ゲート（電極） １８・・・ＣＣＤＬ／ジスタ（電荷転送部）６０・・・
自動利得制御手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の受光素子と、 該各受光素子に対応して設けられ、対応す る受光素子で発生した電荷を漸次蓄積する ＭＩＳ構造の電荷蓄積領域と、 該各電荷蓄積領域に対応して設けられ、電 荷蓄積領域の電荷を複数段の電荷転送素子へ転送するた
   めの転送ゲートと、 該各電荷蓄積領域上の電極を所定電位にプ リチヤージすると共に該電極をフローテング状態にする
   プリチヤージ回路とを具備し、 前記蓄積領域上の電極を複数個共通接続し てその電位を前記転送ゲートの制御用信号として出力す
   るようにしたことを特徴とするイメージセンサ。 ２、複数の前記蓄積領域上の電極を複数のブロックに分
   割し、 各ブロック内の電極を共通接続し、 該共通接続した電極の電位をブロック毎に 出力するようになすことを特徴とする特 許請求の範囲第１項記載のイメージセン サ。