JPS6281754A - 撮像用半導体装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像装置として使用しうる半導体装置に関
する。

（従来の技術とその問題点） 固体撮像装置は小型、軽量、長寿命、低消費電力等の利
点を有し、近時撮像管に代わり広く用いられている。第
４図に電荷結合素子（ＣＯＤ）により形成した、いわゆ
るインターライン転送方式（ＩＬＴ方式）の電子カメラ
用固体撮像装置の従来例を示す。

第４図において、半導体基板１上に、ｐｎダイオード又
はＭＯ９構造からなる受光素子２ａをそれぞれ列状に複
数個配列してなる受光素子列２が複数列設けられ、受光
素子２ａがマトリックス状に配置されている。各受光素
子列２に沿って垂直シフトレジスタ３．３、・・・が設
けられるとともに各垂直ソフトレジスタ３の一端に接し
て水平シフトレジスタ４か形成されている。

上記構成において、半導体基板１への露光に応し各受光
素子列２における各受光素子２ａに蓄積された電荷は、
一定時間間隔で図示しない転送ゲートを介して対応する
垂直ノットレジスタ３に転送される。各垂直シフトレジ
スタ３に転送された信号電荷は一行ずつ、すなわち各受
光素子列２中の横方向の同一線上に位置する受光素子２
ａｉからの信号電荷ごとに同期して順次水平ノットレジ
スタ４へ転送され、更に各行の信号電荷群が該水平ノッ
トレジスタ・１から出力増幅器５を介して順次読み出さ
れる。

ところで、この上うな撮像装置において、１回の撮像期
間中における半導体基板１への露光量が不充分な場合は
、出力信号が小さくなり、その結果出力信号の信号雑音
比Ｓ／Ｎが不満足な値となる。一方、上記露光量が過剰
になると、受光素子２ａから電荷が溢出し、いわゆるブ
ルーミングが生じる。従って、上記露光量は適正な値に
調整する必要がある。

そこで上記のような撮像装置において、露光量測定用の
測光素子を設け、該測光素子で検出される受光素子列へ
の露光量が所定値に達した時点で撮像を行うものが知ら
れている。ところが、その場合、上記測光素子は受光素
子列を有する半導体基板とは別体に構成されているので
、半導体基板へ入射する光量を、被写体と上記基板を結
ぶ光路内で測定することができず、従って正確な光量測
定が不可能であった。

又、第５図に示すように、半導体基板１の前方にハーフ
ミラ−６を設置し、撮像レンズ７を透過して半導体基板
ｌへ入射する光の一部をハーフミラ−６により測光素子
８側に反射させて測光するようにしたものが知られてい
る。この構成によれば、実質的に被写体と基板ｌを結ぶ
光路内で測光することができる。しかしながら第５図の
構成では、入射光の一部を反射させているので、それだ
け基板１に入射する光量が減少して感度が低下するとい
う問題がある。又レンズ７と基板１間にハーフミラ−６
を挿入しているので、入射光に収差が生じ、画質が悪化
する。

（問題点を解決するための手段） 本発明は以上のような不具合を解消することを目的とし
ている。そのため本発明に係る撮像用半導体装置は、半
導体基板上に、複数の受光素子を配列してなる受光素子
列、各受光素子から転送された信号電荷を順次出力部へ
転送するノットレジスタ及び上記受光素子列への露光量
を検出して各受光素子からノットレジスタへの信号電荷
の転送を規定する測光素子を形成したことを基本的な特
徴とする。

なお、上記測光素子は半導体基板上における受光素子列
領域の周辺部に設Ｌ′Ｉることかできる。その場合、北
記測光素子は半導体基数−にの上記受光素手配領域の周
辺部における対称位置に複数個設けることか好ましい。

又、上記受光素子列及びノットレジスタは例えば電荷結
合素子により形成することができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。この実施例は従来例同
様、ＩＬＴ方式のＣＯＤにより構成し第１図に示すよう
に、固体撮像装置の半導体基板ｌ上には、それぞれ複数
の受光素子２ａからなる複数の受光素子列２．２、・・
互いに平行にかつ図中左右方向に等間隔を置いて形成さ
れ、複数の受光素子２ａがマトリックス状に配置されて
いる。

各受光素子列２の右脇に沿ってそれぞれ垂直ノットレジ
スタ３が設けられるとともに各垂直シフトレジスタ３の
一端に接して水平シフトレジスタ４が形成されている。

該水平ソフトレジスタ４は出力増幅器５を介して信号出
力端子ＩＯに接続される。又、上記３受光素子列２とそ
れに対応する垂直ノットレジスタ３間にはそれぞれ転送
ゲート１１が介設されている。

そして、基板ｌ上における受光素子２ａ群の配列された
領域の周辺部における該受光領域の中心に対して対称な
位置に、４つの矩形状測光素子１２ａ〜１２ｄが設けら
れている。これら測光素子１２ａ〜１２ｄは、例えば各
受光素子２ａ同様にｎ＋不純物拡散領域からなるフォト
ダイオードとして形成されＡ− 上記各測光素子１２ａ〜１２ｄは、それぞれ各測光素子
１２ａ〜＋２ｄの出力を適当な増幅率で増幅する測光増
幅器１３ａ＝　１３　ｄ及び測光出力端子１４ａ〜１４
ｄを介して加算器１５に接続されている。

該加算器１５は、各測光出力端子１４ａ＝１４ｄから送
られる増幅後の測光出力Ｍｏｎ−１＝Ｍｏｎ−４を加算
するとともに該加算値を積分し、積分された測光出力Ｍ
ｏｎを比較５１６に出力する。

この比較器１６は測光出力Ｍｏｎが予め設定した基準値
Ｖｏに達した時点で、駆動回路１７に撮像規定信号を送
信する。基準値Ｖｏとしては１回の撮像のための適正露
光型が選定される。

駆動回路１７は、内部的に又は外部から供給される垂直
同期信号ＶＤ（第２図参照）及び上記撮像規定信号等に
基づいて各垂直シフトレジスタ３に垂直ソフトパルスΦ
Ｖを、水平シフトレジスタ４に水平シフトパルスΦＨを
、各転送ゲート１１に転送パルスΦＴをそれぞれ出力す
る。なお、上記加算器１５、比較器１６及び駆動回路１
７は基板ｌの外部に配置される。

第２図において、Ｌ記垂直同期パルスＶＤは一定時間間
隔を１〃いて高レベル■４と低レベルＬ、の間で切り換
えられ、このＶＤの１つの立ち下がり（ＨからＬへの切
り換わり）から次の立ち下がりまでｈ月周期をなす。Φ
Ｔは上記転送パルス、ΦＶは上記垂直シフトパルスであ
り、該垂直シフトパルスΦＶは転送周波数として、通常
転送周波数「ｖ（例えば１５．７５ＫＨ２）と、高速駆
動周波数ｒｃ（例えばＩＭＨｚ）を備えている。又、Ｓ
ｉｇは信号出力端子１０からの信号出力、Ｍａｎは上記
測光出力である。

以下、」二足撮像装置の各部における動作を時刻を追っ
て具体的に説明する。

時刻Ｔ、におけるＶＤの立ち下がりに同期して転送パル
スΦＴが高レベルとされ、その直後のＶＤの立ち上かり
に同期してΦＴが再び低レベルとされる。この転送パル
スΦＴにより時刻Ｔ１以前に各受光素子２ａに蓄積され
ていた電荷、すなわち残留電荷が各受光素子列２から転
送ゲート１１を介して対応する垂直シフトパルス３に転
送される。

それにより、時刻Ｔ、から各受光素子２ａに入射光量に
応じて新たに信号電荷が蓄積され始める。

又、時刻Ｔ１におけるＶＤの立ち下がりに同期して加算
器１５に初期基準値が設定され、加算器１５において時
刻Ｔ１から基板１への露光量に比例した測光出力Ｍｏｎ
の積分が開始される。更に駆動回路１７は、時刻Ｔ１１
以降各垂直ノットレジスタに高速駆動周波数［Ｃて垂直
シフトパルスΦＶを出力し、それにより各受光素子列２
から垂直シフトレジスタ３に転送された残留電荷が水平
ノットレジスタ４及び出力増幅器５を介して出力端子１
０に高速で掃き出される。なお、このようにして掃き出
される残留電荷は、画像信号としては利用されない。

時刻Ｔ２において測光出力Ｍａｎが基準値Ｖｏに達する
と、前述のように比較器１６から駆動回路１７に撮像規
定信号か送信される。それに応じて駆動回路１７は各転
送ゲート１１に転送パルスΦＴを出力する。この転送パ
ルスΦＴに基づいて、時刻Ｔ。

Ｔ２間に各受光素子２ａに蓄積された信号電荷が６＋＋
友十ス、肩ｉ直　パ）　ｒｋｌノ　・′ノ　７　々　ｑ
　に番昼弓６太ハ　ス　　　ｔヱお」二足残留電荷は高
速で掃き出されるので、該掃き出しは時刻Ｔ２以前に終
了する。

時刻Ｔ２において垂直ノットレジスタ３．３、・・に転
送された信号電荷は一時的に該垂直ノットレジスタ３．
３、・・・に保持される。時刻Ｔ３におけるＶＤの立ち
下がりに同期して再び各垂直ノットレジスタ３が作動さ
れ、それまで各垂直ノットレジスタ３に保持されてい１
こ信号電荷か通常転送周波数ｆｖで水平シフトレジスタ
４へ転送されろ。

更に該信号電荷が水平ノフ）・レジスタ４及び出力増幅
器５を介して出力端子１０に信号出力Ｓｉｇとして読み
出されろ。このようにして、第１周期における時刻Ｔ、
−Ｔ２間に各受光素子２ａに蓄積された信号電荷が、第
２周期Ｔ３　　Ｔ−中に読み出される。その際、１回の
信号電荷蓄積期間Ｔ、　Ｔ２における露光量は、常に基
め値ＶＯと等しくすることができろ。なお時刻Ｔ２−Ｔ
、間に各受光素子２ａに蓄積された電荷は、時刻Ｔ４か
ら開始される周期中に高速駆動で掃き出される。以上の
ような手順で、通常２周期ごとに１画像を得ろことがで
きる。

なお以上の説明では、ΦＶ１Φ■］はそれぞれｌ相のみ
としたが、使用されるＣＯＤの構造により、必要に応じ
それぞれ２相〜４相のパルスとすることができる。

又露先制御用の機械的シャッタを用い、時刻Ｔ１て該シ
ャッタが開、時刻Ｔ、で該シャッタが閉となるように露
光制御を行うことができる。

更に又各転送ゲート１１を省略し、各垂直ノットレジス
タ３の電極を転送電極に兼用するとともに垂直シフトパ
ルスΦ■のパルス値を適宜に変更することにより、各受
光素子２ａに蓄積された電荷を直接垂直ノットレジスタ
３へ転送することも可能である。

次に第２実施例を説明する。この第２実施例は第１実施
例と同様の撮像用半導体装置を有するが、光源としてス
Ｉ・ロポを使用した点で第１実施例と相違している。以
下、第３図のタイムチャートを参照しながら、第２実施
例の動作説明を行う。

第３図において、ＳＴはストロボ発光出力、■Ｄ〜Ｍｏ
ｎは前期第１実施例と同一のパルスあるいは信号を示す
。但し第２実施例では、垂直シフトパルスΦＶは通常転
送周波数ｆｖのみを有する。

時刻Ｔ、における垂直同期パルスＶＤの立ち下がりによ
り開始される第１周期中の時刻Ｔ２においてストロボ発
光が開始される。このストロボ発光に伴って、前記加算
器１５て測光出力Ｍｏｎの積分が行われる。

時刻Ｔ３において測光出力Ｍｏｎが基準値Ｖｏに達する
と、露光量が所定値になったものと見なしてストロボ発
光を停止する。実際にストロボ発光が終了するのは時刻
Ｔ、よりやや遅れるが、この遅れ時間は比較的僅かであ
る。なおストロボ発光出力中に点線で示しているのは、
露光制御を行わない場合のストロボ発光の出力タイミン
グである。

次に時刻Ｔ４におけるＶＤの立ち下がりに同期した転送
パルスΦＴにより、第１周期ＴＩＴ４におけるストロボ
発光期間中に各受光素子２ａに蓄積された電荷が対応す
る垂直シフトレジスタ３へ転送されろ。引続きこの電荷
は、第２周期Ｔ４−Ｔ５中に、各垂直シフトレジスタ３
から水平シフトレンスタ４及び出力増幅器５を介して出
力端子１０に順次転送され、出力信号Ｓｉｇとして読み
出される。このように光源としてストロボを用いた場合
にも、通常２周期ごどに１画像を得ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように本発明では、露光量制御用の測光素
子を受光素子と同一半導体基板上に設置して半導体基板
に入射する光を基板上で直接測定するようにしたので、
正確な露光量測定が行える。

又、従来のハーフミラ−は不要となるので、入射光に収
差が発生したり、露光量が減少することもない。更に又
、測光素子は受光素子と同一の製造］二程で製造できる
ので、測光素子を受光素子と同一半導体基板上に設ける
ことによって半導体基板の製造工数が増すことらない。

又、上記測光素子を受光素子群が配列された受光領域の
周辺部に設けるようにすれば、受光素子肝／′ｒＸ１万
１１九旧ナートナコト抜８尭沓ヱ昨ジロー抹埒上に容易
に測光素子を配置することができる。その場合、測光素
子を受光素子配列領域の周辺部における対称位置に複数
個設ければ、半導体基板全面に対する露光量をくまなく
測定することができるので、良好な露光制御が行えるよ
うになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る撮像用半導体装置の
正面説明図、 第２図は第１図の装置の動作タイミングを示すタイムチ
ャート、 第３図は本発明の第２実施例に係る撮像用半導体装置の
動作タイミングを示すタイムチャート、第４図は従来の
固体撮像装置における撮像用半導体装置の正面説明図、 第５図は従来の固体撮像装置の側面説明図である。 ｌ・・・半導体基板、２・・・受光素子列、２ａ・・・
受光素子、３・・・垂直シフトレジスタ、１２ａ〜＋２
ｄ・・・測光素子。 特許出願人　オリンパス光学工業株式会社ほか１名 代　理　人　弁理士　前出　葆　ほか１名第２図 口い、エーーヶ２□」 第３図 しい１□二や、ニー 第４図 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、複数の受光素子を配列してなる
   受光素子列、各受光素子から転送された信号電荷を順次
   出力部へ転送するシフトレジスタ及び上記受光素子列へ
   の露光量を検出して各受光素子からシフトレジスタへの
   信号電荷の転送を規定する測光素子を形成したことを特
   徴とする撮像用半導体装置。
2. （２）半導体基板上における受光素子列領域の周辺部に
   測光素子を設けた特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）半導体基板上の受光素子列領域の周辺部における
   対称位置に複数の測光素子を設けた特許請求の範囲第２
   項に記載の装置。
4. （４）受光素子列及びシフトレジスタが電荷結合素子か
   らなる特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載
   の装置。