JPS6367976A - 固体撮像装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、例えばカメラの自動焦点制御装置などに用い
られる固体撮像装置に係り、特にモニタ用感光部で発生
した信号電荷を出力信号に変換する利得の設定に関する
ものである。

（従来の技術） カメラの自動焦点制御装置に用いられる固体ラインセン
サにあっては、被写体の輝度が大きい場合にも信号出力
レベルを適正に保つようにＡＧＣ（自動利得制御）機能
が要求されている。

その従来例について平面配置および回路接続の様子を第
５図（ａ）に示し、その一部分の断面構造を第５図（ｂ
）に示す。この固体ラインセンサの構成は撮像部とモニ
タ部とに大別される。

まず、撮像部から説明すると、１は例えばｐ型の半導体
基板、２□〜２ｎはそれぞれ上記基板１とは逆導電型（
ｎ型）の不純物層からなり互いに分離されてライン状に
配置されて設けられた感光画素であって、入射光強度に
応じて信号電荷を発生する。電荷蓄積部３□〜３ｎは上
記感光画素２□〜２ｎからの信号電荷を一時格納するも
のであり、感光画素２、〜２ｎに並列に設けられてなる
。出力ゲート４・・・は、感光画素２□〜２　の電荷を
前記電荷蓄積部３、〜３ｎへ出力するものであり、上記
両者間に設けられており、電荷転送レジスタ５は前記電
荷蓄積部３□〜３ｎからの信号電荷を格納したのち各電
荷を一端方向へ順次転送するものであり、例えばＣＣＤ
　（電荷結合素子）レジスタである。移送ゲート６・・
・は、前記電荷蓄積部３、〜３ｎの電荷を前記ＣＣＤレ
ジスタ５の各転送段へ移送するものであり、上記両者間
に設けられている。出力部７は前記ＣＣＤレジスタ５か
ら転送されてきた信号電荷を検出し、その電荷量に応じ
た出力電圧に変換するものである。

次に、モニタ部について説明すると、８は前記感光画素
２□〜２ｎに近接して並列に位置するモニタ用感光部で
あって、前記基板１とは逆導電型（ｎ型）の不純物層か
らなり、基板１とモニタ用感光部８とのｐ−ｎ接合によ
りフォトダイオードが形成されており、入射光強度に応
じて信号電荷を発生する。９は上記モニタ用感光部８の
近傍に設けられた浮遊拡散領域であって、前記基板１と
は逆電導型で高濃度のｎ＋型不純物層からなり、前記モ
ニタ用感光部８からの信号電荷を蓄積する。

１０は上記浮遊拡散領域９の近傍に設けられたドレイン
領域であって、前記基板１とは逆導電型で高濃度のｎ＋
型不純物層からなり、前記浮遊拡散領域９の蓄積電荷を
排出するためのものである。

そして、基板１上の絶縁膜２０内において、前記モニタ
用感光部８と浮遊拡散領域９との間（出力ゲート１１）
の上方に出力ゲート電極１２が設けられており、浮遊拡
散領域９とドレイン領域１０との間（リセットゲート１
３）の上方にリセットゲート電極１４が設けられている
。１５は前記浮遊拡散領域９の電位（蓄積電荷量により
決まる）を検出する電荷量検出手段であって、例えばソ
ースフォロワ回路である。これら浮遊拡散領域９、リセ
ットゲート電極１４、ドレイン１０およびソースフォロ
ワ回路１５からなる部分は、モニタ用感光部８からの信
号電荷を電圧信号に変換するための機構であり、この部
分をモニタ用出力部と呼ぶ。１６は上記ソースフォロワ
回路１５の出力電圧レベルを検知し、所定基準レベルを
検知したときに前記移送ゲート６・・・のゲート電極に
印加するための移送ゲート駆動パルスおよび前記リセッ
トゲート電極１４に印加するためのリセットゲート駆動
パルスを同時に発生して、移送ゲート動作およびリセッ
トゲート動作を同期させて行なわせるための動作信号発
生回路である。

なお、１７は基板１と同一導電型で高濃度のｐ＋型不純
物領域からなるチャネルストッパ、１８は前記絶縁膜２
０上で感光領域以外の領域に形成された光シールド膜、
１９は保護膜である。

上記固体ラインセンサにおいて、ドレイン領域１０には
所定の正電圧（リセット電圧）ｖＲが印加され、出力ゲ
ート電極１２には前記リセット電圧Ｖｎより低いゲート
電圧Ｖ。が印加されるものであり、第５図（ｂ）の基板
断面における電位分布は第６図に示すようになる。ここ
で、ｖｌｏはドレイン領域１０の電位、■１、は出力ゲ
ート１１の電位、■　　およびｖ１３Ｌはリセットゲー
ト電極８Ｈ １４の印加パルスが高電位および低電位のときに各対応
するリセットゲート１３の電位、ｖ９Ｒおよびｖ９ｓは
浮遊拡散領域９におけるリセット時および電荷蓄積時に
各対応する電位、ΔＱはモニタ用感光部８の信号電荷で
ある。

次に、上記固体ラインセンサにおける動作を説明する。

感光画素２、〜２ｎおよびこの近傍に位置するモニタ用
感光部８にそれぞれ光が入射すると、感光画素２□〜２
ｎでそれぞれの入射光強度に応じた信号電荷が発生し、
電荷蓄積部３、〜３　で信号電荷の蓄積が行なわれ、モ
ニタ用感光部８で上記感光画素２、〜２ｎの各入射光強
度の平均値にほぼ対応した入射光強度に応じた信号電荷
が発生するようになる。いま、動作信号発生回路１６か
らの駆動パルスにより移送ゲート６・・・お＝　　　７
　　− よびリセットゲート１３がそれぞれ一定期間開くことに
よって、感光画素２□〜２ｎから出力ゲート４・・・を
経て電荷蓄積部３、〜３ｎに蓄積されている電荷がＣＤ
Ｄレジスタ５に移送されると共に浮遊拡散領域９の電位
がドレイン領域１０の電位Ｖ　（−リセット電圧ｖＲ）
にリセットされると、Ｏ この後は時間の経過に伴って前記モニタ用感光部８の信
号電荷ΔＱが出力ゲート１１を越えて浮遊拡散領域９に
流入してその電位が下降する。この電位下降分（ｖ９Ｒ
−ｖ９８）は、モニタ用感光部８の入射光強度×経過時
間、換言すれば感光画素２□〜２ｎの各入射光の平均の
光強度×経過時間に比例する。従って、上記電位下降分
をソースフォロワ回路１５で検出することは、前記感光
画素２、〜２ｎの平均出力レベル、つまり前記電荷蓄積
部３□〜３ｎに蓄積されている現在の各電荷量の平均値
（平均電荷蓄積量）を検出することになる。そして、ソ
ースフォロワ回路１５の出力電圧が所定基準レベルに達
したとき、換言すれば前記平均電荷蓄積量が所定基準値
に達したとき、これを動作信号発生回路１６が検知して
駆動パルスを発生する。これによって、移送ゲート６・
・・が開いて電荷蓄積部３□〜３ｎの電荷がＣＣＤレジ
スタ５へ移送されると共に、リセットゲート１３が開い
て浮遊拡散領域９がリセットされる。従って、再び前述
したように感光画素２□〜２ｎで発生する信号電荷の蓄
積が行なわれると共にモニタ用感光部８で発生する信号
電荷が浮遊拡散領域９で蓄積されるようになり、以下、
上記した一連の動作が時系列に繰り返される。このよう
にして、感光画素２□〜２ｎで発生する信号電荷を、そ
の平均電荷蓄積量が一定の基準値に達した時に出力電圧
に変換することによって、出力電圧レベルが常に適正に
保たれるようになっている。

なお、ソースフォロワ回路１５の出力電圧に対する動作
信号発生回路１６の検知基準レベルを任意に設定制御す
ることによって、感光画素２□〜２　で発生する信号電
荷の蓄積時間（積分時間）を任意に決定することが可能
である。

−δ　　− （発明が解決しようとする問題点） ところで、現在、自動焦点制御装置に用いられる固体ラ
インセンサでは、使用可能光範囲を大きくする要求が強
くなって来ている。そのためには、ＡＧＣ機能が広い光
量範囲において機能することが必要であり、それには撮
像部のダイナミックレンジだけでなく、モニタ部のダイ
ナミックレンジも広い光量範囲に亘っていることが必要
となる。

しかしながら、上記従来例において、モニタ部の例えば
低輝度側のダイナミックレンジを広げるために、浮遊拡
散領域９の容量を小さくしてモニタ用出力部の信号電荷
を出力電圧に変換する利得を大きくしたとすると、高輝
度時には信号電荷が浮遊拡散領域９に蓄積しうる最大電
荷量をすぐに越えてしまうために、高輝度側のダイナミ
ックレンジが狭まってしまうという欠点がある。

そこで、本発明は、モニタ部のダイナミックレンジを低
輝度側、高輝度側の双方へ広げることが出来るようにし
て広い使用光量範囲でＡＧＣ機能を働かせることを可能
とした固体撮像装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的達成のため、本発明は、モニタ用感光部で発生
した信号電荷をモニタ用出力部において出力信号に変換
する利得を変化させることができるようにしたものであ
る。

（作　用） 本発明によれば、被写体輝度の高低つまり入射光強度の
大小に応じてモニタ用出力部の変換利得を変化させるこ
とが可能になる。そこで、入射光強度が小さい時には利
得を大きくし、逆に入射光強度が大きい時には利得を小
さくするようにすれば、モニタ部のダイナミックレンジ
は被写体が低輝度の時には低輝度側に、又高輝度の時に
は高輝度側に広がることとなって、結果として低輝度側
、高輝度側の双方に亘る広いダイナミックレンジを有し
ていることと同等になる。その結果、ＡＧＣ機能を広い
使用光量範囲で働かせることが可能になる。

（実施例） 以下、実施例により本発明を説明する。

第１図は本発明の第１実施例のモニタ用出力部の構成（
同図（ａ））を従来例の間部の構成（同図（ｂ））との
対比で示した等価回路図である。

同図において、モニタ用感光部（図示せず）で発生した
信号電荷の蓄積部である浮遊拡散領域９は、この浮遊拡
散領域９と基板（第５図１）とのｐ−ｎ接合によるダイ
オード２１および接地容量２２で等価的に表現されてい
る。第１図（ｂ）の従来例では、この浮遊拡散領域９は
、この浮遊拡散領域９、リセットゲート電極（第５図１
４）およびドレイン電極１０からなるリセット用トラン
ジスタスイッチ２３を介してリセット電源（ＶＲ）に接
続されている。これに対し、第１図（ａ）の本実施例で
は、浮遊拡散領域９は第１トランジスタスイツチ２５を
介して付加容量２７に接続され、この付加容量２７は第
２トランジスタスイツチ２６を介してリセット電源（ｖ
Ｒ）に接続されている。ここで、付加容量２７は、例え
ば浮遊拡散領域９と同様の構成であり、また第１および
第２のトランジスタスイッチ２５．２６は、例えばリセ
ット用トランジスタスイッチ２３と同様の構成であり、
共に同一基板上に形成されている。ソースフォロワ回路
１５は、従来例も本実施例も同一構成である。

本実施例の動作は、入射光強度つまり被写体の輝度の高
低により２つのモードに分かれる。

まず、低輝度モードにおいては、第２トランジスタスイ
ツチ２６が常時オン状態にされる。そして、第１トラン
ジスタスイツチ２５が、モニタ用感光部８からの電荷蓄
積期間中はオフ状態にされ、浮遊拡散領域９の電位が所
定の基準値に達した後のリセット期間中はオン状態にさ
れる。これにより、付加容量２７は常時リセット状態に
あることになり、電荷蓄積は浮遊拡散領域９の接地容量
２２のみで行なわれる。

一方、高輝度モードにおいては、第１トランジスタスイ
ツチ２５が常時オン状態にされる。そして、第２トラン
ジスタスイツチ２６が、電荷蓄積時にはオフ状態にされ
、リセット時にはオン状態にされる。これにより、電荷
蓄積は浮遊拡散領域９の接地容量２２と付加容量２７と
の双方で行なわれる。

従って、蓄積信号電荷量に対する浮遊拡散領域９の電位
下降率、つまり信号電荷を出力電圧に変換する利得は、
低輝度モードでは大きく、高輝度モードでは小さくなる
。

尚、上記モードの切り変えについては、人間の手操作で
行う方法や、撮像開始直後のサンプリングにおける浮遊
拡散領域９の電位下降率に基づきマイクロコンピュータ
で入射光強度を判定して自動的に適切なモードを切り変
える方法、或いはこれらを組合わせた方法など種々の形
態が考えられる。

第４図は、本実施例の上記各モードにおける入射光量（
照度×蓄積時間）と出力信号Ｖ。ＵＴとの関係を示す特
性図である。図中３６は低輝度モードの時、３７は高輝
度モードの時の各出力信号特性であり、３８は出力信号
Ｖ。Ｕ、の許容変動範囲である。この許容変動範囲３８
に対応する使用光量範囲は、低輝度モードでは利得が大
きいために比較的光量の少ない側の範囲３９となり、高
輝度モードでは逆に光量の多い側の範囲４ｏとなる。

従って、仮に電荷蓄積時間を一定として考えてみると、
モニタ部のダイナミックレンジは、低輝度時には低輝度
側に、又高輝度時には高輝度側に広がることになり、結
果として低輝度側から高輝度側に亘る広いダイナミック
レンジを有することと同等になる。換言すれば、低輝度
モードの使用光量範囲３９と高輝度モードの使用光量範
囲４０とを合成した広い光量範囲４１でＡＧＣ機能を働
かせることができるようになる。

尚、本発明はモニタ部のダイナミックレンジの拡張によ
る使用光量範囲の拡大を目指すものであるが、当然のこ
とながらその前提として、撮像部もモニタ部と同程度の
ダイナミックレンジを有していることが必要である。従
って、撮像部が初めから広いダイナミックレンジを有し
ている場合量＝　　１５　− 外は、撮像部についても上述と同様の構造の利得可変機
構を設けてダイナミックレンジを拡張する必要がある。

第２図は本発明の第２実施例のモニタ用出力部を示す等
価回路図である。上述の第１実施例と異なる点は、浮遊
拡散領域９には利得可変用トランジスタスイッチ２８を
介して付加容量２７を接続すると共に、浮遊拡散領域９
および付加容量２７の各々に対し互いに連動してオン・
オフするリセット用トランジスタスイッチ２９−１．２
９．を介してリセット電源（ｖＲ）を接続している点で
ある。そして、利得可変用トランジスタスイッチ２８の
オン・オフにより、低輝度モードと高輝度モードの利得
の切り換えを行ない、リセット用トランジスタスイッチ
２９−１．２９−２のオン・オフにより電荷蓄積期間と
リセット期間との切り換えを行なうようになっている。

本実施例によれば、浮遊拡散領域９と付加容量２７の各
々にリセット用トランジスタスイッチ２９−１，２９−
２が接続されているのでリセット速度が速く、またモー
ド切換えと電荷蓄積／リセットの切換えとが別個のトラ
ンジスタスイッチで独立して行なえるので、切換え制御
が容易であるという利点がある。

尚、第１、第２の実施例ではモードを低輝度と高輝度と
の２段階に分けて利得を切換えているが、付加容量を２
個以上設けて３段階以上の利得切換えを行なうことも当
然に可能である。

第３図は本発明の第３実施例のモニタ用出力部を示す等
価回路図である。本実施例は、ソースフォロワ回路１５
の出力電圧を外部接続の差動増幅器３１で増幅してから
動作信号回路（第５図１６）に加えるようにしたもので
、ｎ個のトランジスタスイッチ３２〜３２　とｎ個の帰
還抵抗３３−１−１　　　　　−ｎ 〜３３　とによって差動増幅器３１の増幅率をｎ段に切
換えることにより利得を変化させ得るようにしたもので
ある。

本実施例によれば、利得は外部接続の差動増幅器３１側
で自由に調整できるため、用途や条件に応じた柔軟な制
御ができ、また精密な制御も行ない易く、さらに固体ラ
インセンサ自体と利得可変用の増幅器とが別部品となっ
ているので製造も容易であるという利点がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、入射光に応じて
モニタ部で発生した信号電荷を出力信号に変換する利得
を、入射光強度に応じて異なる値とし得る構造としてい
るため、入射光強度が大きいときは低利得、強度が小さ
いときは高利得動作を行なうことにより、モニタ部のダ
イナミックレンジが拡張され、広い光量範囲に亘ってＡ
ＧＣ機能を働かせることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例のモニタ用出力部（同図（
ａ））と従来の固体ラインセンサ（同図（ｂ））とを対
比して示した等価回路図、第２図は本発明の第２実施例
のモニタ用出力部を示す等価回路図、第３図は本発明の
第３実施例のモニタ用出力部を示す等価回路図、第４図
は第１実施例の作用を示す出力特性図、第５図は従来の
固体ラインセンサの平面構造（同図（ａ））および断面
構造（同図（ｂ））を示す模式図、第６図は同従来例の
基板内電位分布図である。 １・・・半導体基板、２　　　・・・感光画素、１〜ｎ ３　　　・・・電荷蓄積部、７・・・出力部、８・・・
モニタ　−ｎ 用感光部、９・・・浮遊拡散領域、１０・・・ドレイン
領域、１４・・・リセットゲート電極、１５・・・ソー
スフォロワ回路、１６・・・動作信号発生回路、２２・
・・接地容量、２３．　２８．　２９−１．２．　３０
゜３２　　　・・・トランジスタスイッチ、２７・・・
付加ｌ−ｎ 容量、３１・・・差動増幅器、３２　　　・・・帰還抵
抗。 １〜ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、入射光強度に応じた信号電荷を発生する複数の感光
   画素と、この感光画素の近傍に設けられたモニタ用感光
   部と、このモニタ用感光部で発生した信号電荷を出力信
   号に変換するモニタ用出力部とを備えた固体撮像装置に
   おいて、前記モニタ用出力部における前記信号電荷を出
   力信号に変換する利得が可変であることを特徴とする固
   体撮像装置。 ２、前記利得が複数の値をとり得ることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の固体撮像装置。 ３、モニタ用感光部で発生した信号電荷を蓄積するため
   の複数の接地容量と、これら複数の接地容量のいくつか
   を組み合わせて前記モニタ用感光部に接続するためのス
   イッチと、前記接地容量の電位変化を出力信号に変換す
   る変換部とから前記モニタ用出力部が構成されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の固体撮像装
   置。 ４、前記モニタ用出力部が、前記モニタ用感光部に接続
   された第１の接地容量と、この第１の接地容量にスイッ
   チを介して接続された第２の接地容量とを備えたことを
   特徴とする特許請求の範囲第３項記載の固体撮像装置。 ５、前記モニタ用感光部で発生した信号電荷を蓄積する
   ための接地容量と、この接地容量の電位変化を出力信号
   に変換する、複数の増幅率に切換え可能な増幅器とから
   前記モニタ用出力部が構成されていることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の固体撮像装置。 ６、前記利得を入射光強度に応じて変化させる機構を備
   えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体
   撮像装置。