JPS6386471A - 光電変換装置 - 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］ 本発明は光電変４１ｉ！素子からの信号を蓄積する蓄積
手段を有する光電変換装置に係り、特に暗信号のバラツ
キや駆動ノイズ等の不要成分を除去することを企図した
光電変換装置に関する。

［従来技術］ 第１０図は、従来の光電変換装置の一例を示す概略的構
成図である。

同図において、光センサＳ１〜Ｓｎからの読出し信号は
蓄積用コンデンサ０１〜Ｃｎに一旦蓄積される。そして
走査回路１０１の動作タイミングに従ってトランジスタ
Ｑ　ｓ　１〜Ｑｓｌが順次ＯＮ状態になることで、各読
出し信号は順次出力ライン１０２に現われ、アンプ１０
３を通して外部へ出力される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような従来例では、光センサの暗信
号や駆動ノイズ等の不要成分が読出し信号に含まれて出
力されるという問題点を有してぃた。

ここで駆動ノイズとは、光センサを駆動して信号を読出
す時に発生するノイズであり、素子形状等の製造上のバ
ラツキに起因するノイズや素子分離等に起因し光照射量
に依存するスミア等をいう。

また、暗信号とは光センサの暗電流であるが、そのバラ
ツキは光センサの蓄積時間および温度に大きく依存して
いる。

このような駆動ノイズや暗信号等の不要信号は、特に低
照度撮像時に問題となる。低照度撮像時においては撮像
による情報信号レベルが低くなるために、結果的にＳＮ
比が低下し、画質を劣化させるからである。したがって
１画質を改善するためには、上記不要信号を低減させる
ことが必要となる。

しかしながら、上述したように、暗信号は温度や蓄積時
間の依存性が大きく、駆動ノイズはその依存性が小さい
ために、これら不要信号を除去しようとすれば、両信号
を分離して補正係数を定めることが必要となり、そのた
めには多大のメモリを必要とする。その結果、信号処理
の複雑化、コストの上昇、撮像装置の大型化という問題
を生じさせていた。

［問題点を解決するための手段］ 本発明による光電変換装設は、 光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手段を有する光
電変換装こにおいて、 前記光電変換素子について該光電変４！！！！素子の読
出し信号を蓄積する第１蓄植手段と、当該光電変換素子
をリフレッシュした後の残存信号を蓄積する第２蓄植手
段とを設けるとともに、 第１および第２蓄積手段に蓄積された読出し信号および
残存信号の差分処理を行う差分処理手段を設けたことを
特徴とする。

［作用］ このように読出し信号からリフレッシュ後の残存信号を
差し引くことによって、光電変換素子の暗信号や駆動ノ
イズ等の不要成分を読出し信号から除去することができ
る。

光電変換素子としては、ＭＯＳ型、静電誘導型、ベース
蓄積型等の各種光センサを用いることかでさる。

また、光電変換素子のリフレッシュとは、光電変換素子
の光情報の消去を意味する。光センサの種類によって、
読出しと同時に光情報が消去されるもの、読出しによっ
ては光情報が消去されず繰返し読出し可能なものがある
。

［実施例］ まず、本実施例で使用される光電変換素子について説明
する。

第１１図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特
開昭８０−１２７６５号公報に記載されている光電変換
セルの概略的断面図、第１１図（Ｂ）は、その等価回路
図である。

両図において、ｎ＋シリコン基板１上に光電変換セルが
形成され配列されており、各光電変換セルは５ｉ０２　
、　Ｓｉ３　Ｎ４　、又はポリシリコン等より成る素子
分離領域２によって隣接する光電変換セルから電気的に
絶縁されている。

各光電変換セルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
−領域３上にはｐタイプの不純物をドーピングすること
でｐ領域４が形成され、ｐ領域４には不純物拡散技術又
はイオン注入技術等によってｎ中領域５が形成されてい
る。Ｐ領域４およびｎ中領域５は、各々バイポーラトラ
ンジスタのペースおよびエミッタである。

このように各領域が形成されたｎ−７域３上には酸化膜
６が形成され、ａ化膜６上に所定の面積を有するキャパ
シタ電極７が形成されている。

キャパシタ電極７は酸化膜６を挟んでｐＴＩ域４と対向
し、キャパシタ電極７にパルス電圧を印加することで浮
遊状態にされたＰ領域４の電位を制御する。

その他に、ｎ中領域５に接続されたエミッタ電極８、基
板１の裏面に不純物濃度の高いｎ中領域１１、およびバ
イポーラトランジスタのコレクタに電位を与えるための
コレクタ電極１２がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラトラ
ンジスタのベースであるｐ領域４は負電位の初期状態に
あるとする。このｐ領域４側から光１３が入射し、入射
光によって発生した電子・正孔対のうちの正孔がｐ領域
４に蓄積され、蓄積された正孔によってｐ領域４の電位
が正方向に上昇する（蓄精勤作）。

続いて、キャパシタ電極７に読出し用の正電圧パルスが
印加され、蓄積動作時のベース電位変化分に対応した読
出し信号が浮遊状態にしたエミッタ電極８から出力され
る（読出し動作）、ただし、ベースであるｐ領域４の蓄
積電荷量はほとんど減少しないために、読出し動作の繰
返しが可使である。

また、ｐ領域４に蓄積された正孔を除去するには、エミ
ッタ電極８を接地し、キャパシタ電極８に正電圧のリフ
レッシュパルスを印加する。このパルスを印加すること
でｐ領域４はｎ＋ｍ域５に対して順方向にバイアスされ
、蓄積された正孔が除去される。そして、リフレッシュ
パルスが立下がった時点でｐ領域４は負電位の初期状態
に復帰する（リフレッシュ動作）、以後、同様に蓄積、
読出し、リフレッシュという各動作が繰り返される。

しかしながら、リフレッシュ動作によってｐ領域４の電
位を初期状態に復帰させるには、十分長いパルス幅のリ
プレー２シユパルスを必要とする。

このために高速動作を達成するには、リフレッシュパル
ス幅を短かくすることが必要である。しかし、リフレッ
シュパルス幅を短かくすると、完全なリフレッシュ動作
が行われないために、残像に暗信号や駆動ノイズ等の不
要成分も加わってくる。

第１２図は、上記光電変換セルに印加するリフレッシュ
パルス幅ｔとリフレッシュ後の光電変換セル出力との関
係を示すグラフである。

同グラフにおいて、１＝０の時の出力は蓄精勤作後の読
出し信号であり、入射光の照度に対応したレベルの読出
し信号が示されている。

このような光電変換セルの出力レベルはりフレッシュ動
作によって低下するが、その低下の様子も、またリフレ
ッシュ後の残存信号のレベルも入射光の照度によって異
なっている。

すなわち、同一リフレッシュ動作を行った場合に、残存
信号レベルが一定値とはならず、高照度側はど残存信号
レベルが高くなっている。すなわち、残像があることを
示している。

また、高照度の場合では、残存信号レベルは低照度の場
合より高いが、初期の読出し信号に比べて大幅に低下し
ており、実質的には読出し信号に含まれる不要成分の割
合が低いことを示している。それに対して低照度の場合
は、残存信号レベルは低くなっているが、初期の読出し
信号レベルに比べると低下の幅は小さいために、読出し
信号に含まれる不要成分の割合が高くなっている。

このような特性を有する上記光電変換セルであっても、
次に詳述するように、初期の読出し信号からリフレッシ
ュ後の残存信号を差し引くことによって、上記特有の残
像成分だけではなく、前述した暗信号や駆動ノイズ等の
不要成分をも同時に除去することができる。以下１本発
明の詳細な説明する。

第１図は１本発明による光電変換装置の一実施例の基本
構成を説明するための回路図である。

第１図において、光電変換セルＳのエミッタ電極８は垂
直ラインＶＬに接続され、トランジスタＱｒを介して接
地されている。また垂直ラインＶＬはトランジスタＱｔ
ｘおよびＱｔ２を介して蓄積用コンデンサｃｔ１および
ｃｔ２にそれぞれ接続され、コンデンサｃｔ１およびｃ
ｔ２はトランジスタＱＳ１およびＱｓ２を介して出力ラ
イン２１および２２に各々接続されている。出力ライン
２１および２２は、差動アンプ２３の入力端子に接続さ
れている。

また、トランジスタＱＳＩおよびＱｓ２のゲート電極に
は走査回路からパルスφが印加され、トランジスタＱｔ
ｘおよびＱｔ２のゲート電極にはパルスφｔ１およびφ
ｔ２が各々印加されている。さらに、トランジスタＱｒ
のゲーＩｆ極にはパルスφＶＣが印加され、光電変換セ
ルＳのキャパシタ電極７には読出し又はリフレッシュパ
ルスφｒｃが印加されている。

次に、動作を説明する。

第２図は、第１図に示す回路の動作を説明するためのタ
イミングチャートである。

まず、パルスφｔ１．φｔ２およびφＶＣによってトラ
ンジスタＱｔｘ　、ＱｔｚおよびＱｒをＯＮ状還にして
、コンデンサＣＬ１およびｃｔ２をクリアする（期間Ｔ
１）。

続いて、トランジスタＱｔ１をＯＮにしたままで、パル
スφｒｃをキャパシタ電極７に印加することで、光電変
換セルＳの読出し信号がコンデンサｃｔｌにＭ積される
（期間Ｔ２）。

続いて、パルスφｒｅを印加したままで、トランジスタ
Ｑｔ１をＯＦＦにした後、パルスφＶＣによってトラン
ジスタＱｒをＯＮにする。このパルスφＶＣのパルス幅
によって光電変換セルＳのリフレッシュ動作が行われる
（期間Ｔ３）。

リフ、レッシュ動作が終了すると、パルスφｒｃを印加
したままで、パルスφｔ２によりトランジスタＱｔ２を
ＯＮとする。これによって、光電変換セルＳの残存信号
がコンデンサｃｔ２に蓄積される（期間Ｔ４）。

こうしてコンデンサｃｔｌおよびｃｔ２に読出し信号お
よび残存信号が蓄積されると、パルスφによってトラン
ジスタＱ３１およびＱＳ２をＯＮにし、読出し信号およ
び残存信号を出力ライン２１および２２を通して差動ア
ンプ２３に入力する。そして、差動アンプ２３からは、
読出し信号と残存信号との差に比例した信号５ｏｕｔが
出力される（期間Ｔ５）。

すでに述べたように、信号５ｏｕｔは暗信号や駆動ノイ
ズ等の不要成分および残像成分が除去された信号であり
、入射光の照度に正確に対応したものとなっている。特
に、低照度側での不要成分除去が効果的であり、Ｓ／Ｎ
向上に寄与している。

第３図は、本実施例の回路図である。

本実施例は、第１図に示す回路がｎ個配列された構成と
なっている。

同図において、光電変換セルＳ１〜Ｓｎのエミッタ電極
８は垂直ラインＶＬ、〜ＶＬｎに各々接続され、各垂直
ラインには第１図と同様の回路が接続されている。各垂
直ラインのトランジスタＱｒのゲート電極は共通に接続
され、パルスφＶＣが印加される。また、各トランジス
タＱｔｌのゲート電極および各トランジスタＱｔ２のゲ
ート電極も共通に接続され、それぞれパルスφｔ１およ
びφｔ２が印加される。

各光電変換セルに対応するトランジスタＱｓｘおよびＱ
１０のゲート電極は共に走査回路２４の並列出力端子に
接続され、それぞれパルスφ１〜φｎが印加される。ま
た各トランジスタＱＳ１は出力ライン２１に、各トラン
ジスタＱＳ２は出力ライン２２に各々接続され、百出カ
ラインは各々トランジスタＱｒｈを介して接地されてい
る。トランジスタＱｒｈのゲート電極には共にリセット
パルスφｒｈが印加される。

このような構成を有する本実施例の動作を第４図を参照
して簡単に説明する。

第４図は１本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

すでに説明したように、期ＭＴｚにおいて各光電変換セ
ルに対応するコンデンサＣｔｉおよびｃｔ２をクリアし
、期間Ｔ２において各コンデンサＣｔ１に各光電変換セ
ルの読出し信号を蓄積する。続いて、期間Ｔ３において
各光電変換セルをリフレッシュし、期ｔｔｔｌ　Ｔ　４
においてリフレッシュ後の各光電変換セルの残存信号を
各コンデンサｃｔ２に蓄積する。

こうして各光電変換セルの読出し信号および残存信号を
蓄積した後、走査回路２４からパルスφ１がトランジス
タＱＳ１およびＱＳ２のゲート電極に印加され、コンデ
ンサｃｔ１およびｃｔ２に蓄積された光電変換セルＳ１
の読出し信号および残存信号が出力ライン２１および２
２に各々現われ、差動アンプ２３で差分処理されて出力
される。出力ライン２１に現われた読出し信号には不要
成分が含まれているが、差動アンプ２３によって不要成
分が除去され、出力信号５ｏｕｔを得る。

光電変換セルＳ１の信号が出力されると、パルスφｒｈ
によってトランジスタＱｒｈがＯＮとなり、出力ライン
２１および２２に残留している電荷が除去される。

以下同様にして、パルスφ２〜φｎにより、光電変換セ
ルＳ２〜Ｓｎの読出し信号および残存信号が各々コンデ
ンサＣｔｌおよびｃｔ２から出力ライン２１および２２
に取り出され、差動アンプ２３を通して信号５ｏｕｔと
して順次出力される。

第５図は１本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロック
図である。

同図において、ライン状又はエリア状の撮像素子５０１
が第３図に示す本実施例に相当する。撮像素子５０１の
出力信号５ｏｕｔはＡＧＣ等の信号処理を行う信号処理
回路５０２を通してＮＴＳＣ信号等の標準テレビジョン
信号として出力される。− また、撮像素子５０１を駆動するための上記各社パルス
はドライバ５０３から供給され、ドライバ５０３は制御
部５０４からの制御信号に従ってパルスを出力する。ま
た、制御部５０４は露出制御手段５０５を制御して撮像
素子５０１に入射する光量を定める。

上述したように、本実施例である撮像素子５０１は、読
出し信号から残存信号を差し引くことによって入射光の
照度に正確に対応した出力信号５ｏｕｔを得ることがで
きるために、信号処理回路５０２によって適切なゲイン
が設定されるとともに、ノイズ成分がすでに除去されて
いることで信号処理も簡単となる。

なお、上記実施例では第７図に示す方式の光センサの場
合を説明したが、本発明は光センサの特定の方式に限定
されるものではない。

また、本発明は複数水平ライン信号処理方式のカラー撮
像装置にも応用することができる。

第６図は１本発明の他の実施例の回路図、第７図は、本
実施例における読出し回路Ｒｉの具体的回路図である。

なお１本実施例では２水平ライン信号処理方式の場合を
説明するが、３水平ライン以上の信号処理方式であって
も本質的には同じである。

第６図において、光センサＳはｍＸｎ個エリア状に配列
され、センサ表面にはモザイク状のＲＧＢ色フィルタが
配置されている。

光センサの出力は、列ごとに垂直ラインＶＬ。

〜ＶＬｎを通して読出し回路Ｒ１〜Ｒｎへ入力する。

第７図に示すように、任意の読出し回路ＲＥ（ｉ＝１．
２．・・・ｏｎ）において、垂直ラインＶＬｉはトラン
ジスタＱｔｌ〜Ｑｔ＋を介して蓄積用コンデンサＣｔｉ
〜ｃｔ４に接続され、コンデンサＣｔ１〜Ｃｔ４はトラ
ンジスタＱＳ１〜Ｑ１４を介して出力ライン６０１〜６
０４に各々接続されている０本実施例では２水平ライン
信号処理方式であるために、読出し信号を蓄積するコン
デンサと残存信号を蓄積するコンデンサとが各々２個ず
つ設けられている。

トランジスタＱｔＬ〜Ｑｔ４の各ゲート電極は、読出し
回路Ｒ１〜Ｒｎを通して各々共通に接続され、各ゲート
電極にはパルスφｔ１〜φＬ４が印加される。

また、読出し回路ＲｉのトランジスタＱｓ１〜ＱＳ４の
ゲート電極には、水平走査回路２４からパルスφｉが印
加され、トランジスタＱｓ１〜ＱＳ４は同時にＯＮ１０
　Ｆ　Ｆ動作を行う。

出力ライン６０１および６０２と出力ライン６０３およ
び６０４は、各々差動アンプ６０５と差動アンプ６０６
の入力端子に接続され、各差動アンプから信号０ＵＴ１
と０ＵＴ２が各々出力される。

また、垂直走査回路６０７およびインタレース回路６０
８によってフィールドが選択されるとともに、そのフィ
ールドにおける２水平ラインが順次選択され、選択され
た２水平ラインに光センサを駆動するためのパルスがイ
ンタレース回路６０８に入力するパルスＶｒ１およびＶ
ｒ２のタイミングで順次印加される。

次に、本実施例の動作を第８図を参照しながら説明する
。

第８図は１本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャートである。

本実施例では、２水平ラインにおける各光センサの読出
し信号および残存信号を水平ブランキング（ＨＢＬＫ）
期間に各読出し回路Ｒ１〜Ｒｎの蓄積コンデンサに転送
する。２水平ラインのうち第１水平ラインについての転
送は期間ＴａにパルスＶｒ１のタイミングで、第２水平
ラインについての転送は期間ＴｂにパルスＶｒ２のタイ
ミングで各々行われる。

°転送動作は第３図に示す実施例の場合とほぼ同様であ
るが、ＨＢＬＫ期間内に転送を行うために、ｌ水平ライ
ン方式の場合に比べて転送時間が短かくなる。そこで、
残存信号を蓄積するコンデンサのクリアと残存信号の蓄
積とをほぼ同一の期間Ｔ３　　’およびＴ３″で行って
いる。また、信号転送時に発生するスミアは転送時間に
比例するために、Ｔ２　　（Ｔ２　　’）、Ｔ３　　’
　（７３″）を短かくすることでスミアを抑ル１するこ
ともできる。

まず、期間Ｔａにおける期間Ｔ１でコンデンサｃｔ１お
よびｃｔ２がクリアされた後、期間Ｔ２でパルスＶｒｔ
によってパルスφｒｃ１が第１水平ラインに印加され、
第１水平ラインの各光センサの読出し信号が読出し回路
Ｒ１〜Ｒｎの各コンデンサｃｔ１に蓄積される。続いて
１期間Ｔ３　　’において、第１水平ラインの光センサ
がリフレー。

シュされ、リフレッシュ終了後の残存信号がコンデンサ
ｃｔ２に蓄積される。

続いて期間Ｔｂにおいて、第２水平ラインについての転
送がパルスＶｒ２によるパルスφｒｃ２の出力によって
第１水平ラインと同様に行われ、第２水平ラインの各光
センサの読出し信号および残存信号が各々コンデンサｃ
ｔ３およびｃｔ４に蓄積される。

こうして第１および第２水平ラインの読出し信号および
残存信号が読出し回路Ｒ１〜Ｒｎの各コンデンサＣｔ１
〜ｃｔ４に蓄積されると、水平走査回路２４からパルス
φ工〜φｎが読出し回路Ｒ１〜Ｒｎに順次出力され、差
動アンプ６０５からＲ，Ｇの点順次信号０ＵＴＩが、差
動アンプ６０６からＧ、Ｂの点順次信号０ＵＴ２がそれ
ぞれ不要成分が除去されて出力される。ただし、次のフ
ィールドでは０ＵＴ１がＧ、Ｂの点順次信号、０ＵＴ２
がＲ，Ｇの点順次＠号となる。

第９図は、本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロック
図である。

同図において、撮像素子９０１は第６図及び第７図に示
す光電変換装置である。撮像素子９０１の出力信号０Ｕ
ＴＩおよび０ＵＴ２は、サンプルホールド回路９０２を
経て信号処理回路９０３によってＮＴＳＣ信号が形成さ
れ出力される。

撮像素子９０１を駆動する各パルスはドライバ９０４か
ら供給され、ドライバ９０４は制御部９０５によって制
御されている。また、制御部９０５は露出制御手段９０
６を制御して撮像素子５０１に入射する光量を定める。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように本発明による光電変換装置は
、光電変換セルの読出し信号からりフレッシュ後の残存
信号を差し引くことによって、光電変換素子の暗信号や
駆動ノイズ等の不要成分を読出し信号から除去するとい
う簡単な方法で、高ＳＮ比の映像信号を得ることができ
るようになったために、光電変換装置を低コストかつコ
ンパクトに製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の一実施例の基本
構成を説明するための回路図、第２図は、第１図に示す
回路の動作を説明するためのタイミングチャート、 第３図は、本実施例の回路図、 第４図は１本実施例の動作を説明するためのタイミング
チャート、 第５図は、本実施例を用いた撮像装置の概略的ブロック
図、 第６図は、本発明の他の実施例の回路図、第７図は、本
実施例における読出し回路Ｒｉの具体的回路図、 第８図は１本実施例の動作を説明するためのりイミング
チヤード、 第９図は、木実流側を用いた撮像装置の概略的ブロック
図。 第１０図は、従来の光電変換装置の一例を示す概略的構
成図、 第１１図（Ａ）は、特開昭８０−１２７５９号公報〜特
開昭８０−１２７８５号公報に記載されている光電変換
セルの概略的断面図、第１１図（Ｂ）は、その等価回路
図、 第１２図は、上記光電変換セルに印加するリフレッシュ
パルス輻ｔとリフレッシュ後の光電変換セル出力との関
係を示すグラフである。 １・・・基板 ３・・・ｎ−エピタキシャル層 ４・・・ｐベース領域 ５−・・ｎ十エミッタ領域 ７ψ・拳キャパシタ電極 ８・・・エミッタ電極 １２・・・コレクタ電極 ２１．２２・・・出力ライン ２３・・争差動アンプ Ｓ１〜Ｓｎψ・・光電変換セル ｃｔｌ　、ｃｔ２　・・・蓄積用コンデンサ代理人　弁
理士　山　下　穣　平 第１図 メ 第２図 第４図 第５図 第９図 第１０図 第１１図 （Ａ） （Ｂ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電変換素子からの信号を蓄積する蓄積手段を有
   する光電変換装置において、 前記光電変換素子について該光電変換素 子の読出し信号を蓄積する第１蓄積手段と、当該光電変
   換素子をリフレッシュした後の残存信号を蓄積する第２
   蓄積手段とを設けるとともに、第１および第２蓄積手段
   に蓄積された読 出し信号および残存信号の差分処理を行う差分処理手段
   を設けたことを特徴とする光電変換装置。
2. （２）上記差分処理手段は差動アンプであり、上記読出
   し信号および残存信号を入力し、これらの信号の差に対
   応した信号を出力することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の光電変換装置。