JPH02108924A - 縦型オーバーフロードレインを備える固体撮像素子を用いた測光装置 - 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、縦型オーバーフロードレインを備える固体Ｓ
像素子を使用した測光装置に関する。

［従来の技術］ 従来、銀塩フィルムを使用して静止画を記録する銀塩ス
チルカメラや、銀塩フィルムを使用して動画を記録する
銀塩ムービーカメラや、撮像素子と磁気フロッピーディ
スク等の電子的メモリーを使用して静止画を記録する電
子スチルカメラや、撮像素子と磁気テープを使用して動
画を記録するビデオカメラ等種々のカメラがある。これ
らカメラのフィルムや撮像素子への露光量を最適に調節
するために測光装置が備えられる。今、電子スチルカメ
ラの撮像用ＣＯＤを測光用の素子として兼用する場合を
例にとって説明すると、囮影操作に伴う測光タイミング
でＣＯＤを駆動状態とし、更にダイナミックレンジ不足
を補うために動画搬影のだめのビデオカメラ同様、絞り
制御をしながら測光している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来技術では測光タイミング
においても露光制御時と同様にＣＯＤ駆動や絞り制御を
連続して行なわなければならず、１回の暗影動作におけ
るＣＯＤの駆動時間が長くなり、消費電力が増加して電
池電源による使用可能期間が短くなってしまう問題があ
った。

電子スチルカメラ以外でも又’ａｍ素子と測光素子とを
兼用しない場合であっても従来の測光方式では測光のた
めに電力を消費することに変わりが無いので上記同様の
問題がめった。

更に、画面を複数に分割してそれぞれに測光し、それぞ
れの出力を選択、組み合わせ、重みづけ、演算等の処理
をして適正な露光量を決定するような露光量決定方式（
以下、マルチパターン測光方式と称する）に用いるため
にＣＯＤの受光面を複数に分割した場合は、分割された
各受光部の測光出力を高速で出力するための信号処理回
路が必要で、この信号処理回路が回路を複雑にしていた
。

第７図は従来一般的に使用されている横型オーバーフロ
ードレインを備えたＣＯＤで、受光面を複数に分割する
場合の構造を示す模式図である。

７１．７２，７３．７４はそれぞれ分割されたオーバー
フロードレインの電極であり、それぞれａ、ｂ、ｃ、ｄ
の画素感光部の測光に使用されるものである。このよう
な構造の場合、素子表面にオーバーフロードレインを分
割してつくり込まなければないばかりでなく画素の感光
部をよけながら分割された各オーバーフロードレインを
接続しなければならず、微細な加工技術を必要とし、素
子の歩どまりを悪くしたり、性能を悪化させたりすると
いう問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点を鑑みてなされたも
ので、消費電力を増加させずに露光量を決定できる測光
装置を提供することを目的とする。

更に、マルチパターン測光を回路を複雑にして微細加工
を必要とすることなく実現するために好適な測光装置を
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため本発明にあっては、素子のサブ
ストレートをオーバフロードレインとした固体ｆｌｉｔ
像素子、即ち、一般的に使用されている縦型オーバーフ
ロードレイン構造を有する固体撮像素子を駆動停止手段
によって固体Ｒ＠水素子駆動を全て停止、即ちバイアス
もかけない停止状態とし、この完全停止状態で素子受光
部に結像された被写体像に対応して受光画素を構成する
フォトダイオードからオーバーフロードレインに流入す
る光電流を測定手段で測定することにより、光電を測定
する。更に、この測定出力に基づいて露光量を決定する
ように構成すれば自動露光制御が可能となる。

また固体撮像素子のサブストレート全面を覆って形成さ
れた電極を、暗影画面に分割設定した測光領域に対応し
て複数の電極領域に分割し、各電極分割領域毎に素子駆
動停止状態でオーバーフロードレインに流入する光電流
を測定する手段を設ければ簡単な素子構造で複雑で微ｍ
な加工を必要とせずにマルチパターン測光が可能な測光
装置を実現できる。

［作用］ このような構成を備えた測光装置では測光タイミングに
おいては、バイアスも掛けないような状態に完全にＣＣ
Ｄを停止させ、この停止状態で受光部からオーバーフロ
ードレインに流入する光電流を測定しているため、消費
電力を増加させずに測光を行なうことができる また暗影画面の中央部分のみを測光する中央重点測光、
画面全体を測光する平均測光等の各種測光モードについ
ては、ＣＯＤのサブストレート電極を画面に設定する測
光領域に対応して絶縁分割することによって、各分割電
極領域毎にオーバフロードレインに流入する光電流を測
定し、この測定結果の選択、組合せ、重みづけ、演算等
により最適の暗影条件を決定するマルチパターン測光方
式が可能でおる。

［実施例］ 第１図は本発明による測光装置の原理説明図であり、固
体撮像素子としてインタライン型ＣＯＤのｉ像部断面と
測光回路部を示している。

第１図において、まずインタライン型ＣＯＤの撮像部を
説明すると、１はｎ型シリコン基板（ｎ型サブスレトー
ト）であり、ｎ型シリコン基板１の表面側に電極１Ａが
形成されている。ｎ型シリコン基板１上にはｐ型領域２
が形成され、このｐ型領域２の中のｐレイヤー２ａの上
部には、光電変換用の受光画素を層成する光電荷蓄積層
３が作られ、またｐウェル２ｂの上部には垂直ＣＯＤ転
送レジスタ４が作られ、光電荷蓄積層３と垂直ＣＯＤ転
送レジスタ４との間には転送ゲート８が作られる。光電
荷蓄積層３と転送ゲート８の上部にうすいｐ型層３０が
作られる。

また、光電荷蓄積層３及び垂直ＣＣＤ転送レジスタ４の
表面側には５ｉｎ２でなる絶縁層が形成され、垂直ＣＯ
Ｄ転送レジスタ４上のＳｉＯ２絶縁層内には転送レジス
タ電極５が設けられ、更に垂直ＣＯＤ転送レジスタ４及
び転送ゲート８を覆って遮光層９を形成している。

このようなインタラインＣＣＤの撮像部構造に対する本
発明の測光回路部として電流電圧変換アンプ７が設けら
れ、ｐ型領域２を電流電圧変換アンプ７の一方に入力接
続すると共に、ｎ型シリコン基板１の電極１Ａを切換ス
イッチ６を介して電流電圧変換アンプ７又はバイアス電
源Ｖ　ＳＵＢに切換接続できるようにしている。

ここで、第１図に示したインクラインＣＯＤでなる固体
撮像素子の駆動状態にあっては、切換スイッチ６をバイ
アス電源Ｖ　ＳＯＢ側に切換えることでバイアス電圧Ｖ
　ＳＵＢをかけ、一方、垂直ＣＯＤ転送レジスタ４の電
極５には転送用の駆動パルスが印加されている。

このように第１図のインタライン型ＣＣＤの駆動状態に
おけるポテンシャル分布く電位分布）を第２図に示す。

第２図に示すインクラインＣＯＤの駆動状態における電
位分布にあっては、外部からの光を受けて光電荷蓄積層
３で生成された信号電荷がｐ型領域２のｐレイヤー２ａ
を越えるとｎ型シリコン基板１の電極１Ａに印加したバ
イアス電位Ｖ　ＳＵＢに流れ、垂直ＣＯＤ転送レジスタ
４には電荷が混入しないため、所謂ブレーミング現象は
起きない。

この第２図に示すようなポテンシャル分イ５をもつ構造
のｎ型シリコン基板１を縦型オーバーフロードレイン（
ＯＦＤ）という。

このようなｎ型シリコン基板１、即ちサブストレートを
縦型オーバーフロードレインとしたインタライン型ＣＯ
Ｄを駆動した状態にあっては、光電荷蓄積層３による最
大蓄積電荷は限られ、光電荷蓄積層３の発生電荷を垂直
ＣＯＤ転送レジスタ４により外部に読み出して露光量を
決定するためのダイナミックレンジは限られる。

これに対し光電荷蓄積層３からあふれ出してｎ型シリコ
ン基板１、即ちオーバーフロードレインに流出する光電
流は垂直ＣＯＤ転送レジスタ４への読み出しを行なわな
ければ全ての受光画素、即ち光電荷蓄積層３でオーバー
フローがおこり、その結果、オーバーフロードレインに
流出する電流はそのときの受光間に比例することになる
。

しかしながら、ｎ型シリコン基板１にバイアス電圧Ｖ　
ＳＯＢをかけた状態にあっては、オーバーフロードレイ
ンへ流出する電流はｐ型領域２の深部で発生する暗電流
の割合が大きく、光電荷蓄積層３から流出する微小な光
電流を測定することは事実上困難である。

ところが、オーバーフロードレインに流出する暗電流は
、ｎ型シリコン基板１にバイアス電圧をかけていない状
態では発生せず、無バイアス状態では光電荷蓄積層３か
ら流出した光電流４の測定が可能である。

そこで垂直ＣＯＤ転送レジスタ４に対するパルス駆動を
停止すると同時にｎ型シリコン基板１上のｐ型領域２に
対するバイアスの全て零とした状態を考える。

第３図は固体ｔｌｉｌ素像、即ちインタライン型ＣＣＤ
の駆動を停止し、且つバイアスを零としたときの光電荷
蓄積層３の直下における深さ方向のコンダクションバン
ドのポテンシャル分布を示す。

第３図において、Ｅｆは外部からの光が人らない平衡状
態でのフェルミレベルであり、遮光状態においては光電
荷蓄積層３は空となっており、図中のポテンシャル■の
状態にある。

この状態で光電荷蓄積層３に外部より光が入射すると、
光電荷は光電荷蓄積層３内のポテンシャルレベル■まで
蓄積され、その後、ｐ型領域２を越えて破線で示すよう
にｎ型シリコン基板１、即ちサブストレートまであふれ
出す。

この状態でｐ型領域２とｎ型シリコン基板１をショート
させれば、受光量に比例した光電流が流れるはずである
。勿論、光電荷蓄積層３に発生した光電荷は垂直ＣＯＤ
転送レジスタ４方向へもあふれ出すことが予想されるが
、この場合、垂直ＣＯＤ転送レジスタ４の転送駆動も同
時に停止されているため、垂直ＣＯＤ転送レジスタ４側
にあふれ出した電荷も結局はｎ型シリコン基板１へあふ
れ出すことになる。

第４図は第３図に示したインクライン型ＣＯＤの完全停
止状態、即ち垂直ＣＯＤ転送レジスタの駆動停止及び無
バイアス状態でｎ型シリコン基板１にあふれ出してくる
光電流を検出する第１図に示した電流電圧変換アンプ７
の原理説明図でおる。

第４図において、１０は低入力電流バイアスのオペアン
プであり、オペアンプ１０の開放電圧利得が非常に大き
いときには出力電圧ＶＯは、ｖｏ＝−ｒｐ−Ｒｆ’ （但し、Ｉｐは光電流 Ｒｆはフィードバック抵抗　） で表わされる。また、入力インピーダンスはフィードバ
ック抵抗１１の抵抗値Ｒｆを開放電圧利得で割った値と
なり、入力インピーダンスは非常に小さい値となるため
、近似的にｐ型領域２とｎ型シリコン基板１とのショー
ト電流を測定していると見做すことができる。

一方、第１図の素子構造に示したように、通常のインタ
ライン型ＣＣＤにおける縦型オーバーフロードレインを
バイアスするための電極１Ａは、素子裏側となるｎ型シ
リコン基板１の全面を覆って設けられ、ＷＲ像面全体に
均一なバイアスがかかるようにしている。

そこで、ｎ型シリコン基板１の電極１Ａを分ｖ１し、各
分割電極毎に第４図の電流電圧変換アンプ７を使用して
光電流の測定を行なった場合を考える。このとき第４図
に示したように、電流電圧変換アンプ７の入力インピー
ダンスが充分に小さければ１画素、即ち単一の光電荷蓄
積層３で発生した光電荷はその直下のオーバーフロード
レイン電極へ大部分が流れ、横方向への拡散が比較的少
ないといえる。

従って、ｎ型シリコン基板１の全面に形成されている電
極１Ａを分割した場合には、各分割電極で決まるオーバ
ーフロードレインに流れる光電流は素子躍像面に入射す
る光の２次元パターンをそのまま反映したものとなる。

従って、素子の裏面側のｎ型シリコン基板１上に形成さ
れた電極１Ａの電極分割形状を適宜の形状に定め、かつ
それらの出力に重みづけを行なったり、演算することに
より、中央重点測光、周辺重点測光、平均測光、マルチ
パターン測光（画面を複数の領域に分割し、それぞれの
領域の出力を演算して最適露出を算出するもの）等各種
方式の測光モードを簡単に設定することができる。

第５図は第１〜第４図に示した測光原理に基づく本発明
の一実施例を示した回路ブロック図である。

第５図において、１２は固体ｉｌＩｌ素像であり、固体
撮像素子１２に対しては暗影レンズ２１及びシャッター
１９を介して被写体像が結像される。

固体撮像素子１２は駆動パルス発生器１４及びパルスド
ライバ１５により駆動され、光電荷蓄積層、即ち受光画
素にシャッター１９の開放時間で決まる露光時間に亘っ
て蓄積された光電荷をパルスドライバ１５による垂直転
送駆動及び水平転送駆動によって発生光電荷に応じた信
号として出力する。

固体Ｖｊｉ像素子１２の出力は信号処理回路１３により
所定の映像信号に変換され、記録系２５に送られて１画
面のスチル画像データとしてディスクやメモリ等に記録
される。

固体撮像素子１２は第１図に示した構造を有し、ｐ型領
域２は所定の電位Ｖｓｓに固定されているものとする。

また、第１図に示したｎ型シリコン基板１の電極ＩＡ、
即ちオーバーフロードレイン電極はｎ個に分割されてお
り、各分割電極毎に測光回路１６に設けた測光アンプ１
６−１〜１６−〇に接続されている。この測光アンプ１
６−１〜１６−ｎは電流電圧変換とともに対数圧縮もほ
どこしている。測光アンプ１６−１〜１６−ｎの出力Ｖ
ｐｌ〜Ｖｐｎはインタフェース回路１７を介してマイク
ロプロセッサ（ＭＰＵ）１８に入力され、マイクロプロ
セッサ１８のプログラム制御のちとに暗影操作に伴う測
光から露出制御及びＩａ＠データの記録に関する一連の
処理動作を行なう。

更に、固体撮像素子１２に対しては電源ＶＤＤと所定電
位ＶＳＳを切換える切換スイッチ２２が設けられ、信号
処理回路１３に対しては電源ｙｃｃと所定電位Ｖｓｓを
切換えるスイッチ２３が設けられ、更に測光回路１６の
測光アンプ１６−１〜１６−ｎに対してはバイアス電源
ＶＳＵＢと所定電位ＶＳＳを切換える切換スイッチ２４
が設けられている。

更に、マイクロプロセッサ１８に対してはシャッターレ
リーズ釦の押込操作に伴うレリーズ信号が与えられ、ま
たインタフェース回路２０を介して撮影レンズ２１に対
する絞り制御、シャッター１９の制御ができるようにし
ている。

次に、第５図を参照して測光制御を含む一連の蹟影動作
を説明する。

まず露出制御に先立って測光動作を行なうため、スイッ
チ２２及び２３をＶＳＳ側に切換えて固体撮像素子１２
の駆動を停止し、同時にスイッチ２４をＶＳＳ側に切換
えて固体撮像素子１２を無バイアスとする。

このような固体蹟像素子１２の駆動を完全に停止した状
態で、固体！ａ像水素子２の分割されたオーバーフロー
ドレイン電極のそれぞれから流出する電流を測光回路１
６に設けた測光アンプ１６−１〜１６−ｎで測定し、そ
の測定出力電圧Ｖｐ１〜ｖｐｎをインタフェース回路１
７を介してマイクロプロセッサ１８が順次取り込み、マ
イクロプロセッサ１８上のＲＡＭ等に格納する。勿論、
この測光動作時においてはシャッタ−１９はマイクロプ
ロセッサ１８による制御のもとにインタフェース回路２
０を介して開放状態におかれている。

続いて、レリーズ釦の深押し操作によりマイクロプロセ
ッサ１８に対しレリーズ信号が与えられると、マイクロ
プロセッサ１８はシャッター１９を一旦閉じ、このシャ
ッター１９の開成状態でスイッチ２２をＶＯＯ側、スイ
ッチ２３をＶｃｃ側、更にスイッチ２４をバイアス電源
ｙ　ＳＯ３側に切換え、固体撮像素子１２、信号処理回
路１３、更に記録系２５を動作状態とする。

続いて、マイクロプロセッサ１８は既に得られている測
光回路１６による測光値によって決定された露出量を（
ｑるための絞り値及びシャッター時間に従って躍彰レン
ズ２１の絞り制御及びシャッター１９の駆動を行なって
露光し、シャッター１９を閉じた後に固体撮像素子１２
から暗影被写体に対応した光電荷蓄積量に対応した信号
出力を読み出して信号処理回路１３で所定の信号処理を
施して映像信号に変換し、記録系２５に出力して１画面
分のスチル画像データを記録する。

第６図は第５図の固体比像素子１２のオーバーフロード
レイン電極、即ち第１図に示したｎ型基板１を覆って設
けた電極１ＡをＰ１〜Ｐ５の５つの電極に分割した場合
を示す。

このような縦型オーバーフロードレイン電極の分割数及
び分割形状は任意に定めることができる。

例えば第６図にあっては、中央の電極Ｐ１を略丸型、周
囲の４つの電極Ｐ２〜Ｐ５を略矩形としており、例えば
中央重点測光を行ないたい場合には中央の電極Ｐ１の測
光結果により露出量を決めれば良い、また、平均測光に
あっては、全ての電極Ｐ１〜Ｐ５の測光出力を用いれば
良い。

ここで縦型オーバーフロー電極の分割数及び分割パター
ンは任意に定めることができるが、電（※分割状態にあ
っても必ず素子の縦型オーバーフロードレイン全面を覆
うように電極を形成しなければならない。

即ち、Ｒ像面の測光パターンに対応して特定の部分にの
み電極パターンを形成した場合には、電極が存在する部
分と電極が存在しない部分とて電位勾配がおき、固体撮
像素子を動作させたときに充分なオーバーフロードレイ
ンの効果が（ｑられなくなるので、オーバーフロードレ
イン電極は素子全面に設けた状態で分割しなければなら
ない。

更に、第５図の実施例におってはメカニカルシャッター
を使用しているが、純電子的にシャッター効果が得られ
る固体ｉ画素子を使用すれば、シャッター１９及び陽形
シーケンスにおけるシャッター制御を省略することがで
きる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、撮像用の固体
Ｖｉｉ像素子自体を使用して測光しているため、測光セ
ンサや光学系を別途必要とすることがなく、更に撮像用
の固体＠画素子を測光に使用していても測光時にあって
は、固体＠画素子自体の駆動は完全に停止し、また信号
処理回路自体も動作していないので極く僅かな電力消費
をもって測光を行なうことができ、撮像用の固体撮像素
子を測光に使用しても電池寿命を縮めてしまうことはな
い。

また、縦型オーバーフロードレイン電極を分割すること
により簡単な構造で微細加工することなしにマルチパタ
ーン測光を簡単に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明図； 第２図は第１図のＣＯＤ駆動状態のポテンシャル分布図
： 第３図は第１図のＣＯＤの駆動を停止すると共に無バイ
アスとした時のポテンシャル説明図；第４図は本発明に
用いる測光回路の原理説明図；第５図は本発明の一実施
例を示した回路ブロック図； 第６図は本発明の測光装置に用いるＣＯＤのオーバーフ
ロードレイン電極の分割状態を示した説明図、 第７図は横型オーバーフロードレインを備えるＣＯＤの
受光面を多分割する場合の模式図である。 １：ｎ型シリコン基板（ｎ型サブストレート）１Ａ：電
極（縦型オーバーフロードレイン電極）２：ｐ型領域 ２ａ：ｌ）レイヤー ２ｂ：ｌ）ウェル ３：光電荷蓄積層 ４：垂直ＣＣＤ転送レジスタ ５：転送レジスタ電極 ６：切換スイッチ ７：電流電圧変換アンプ ８：転送ゲート ９：！！光部 １０：オペアンプ １１：フィードバック抵抗（Ｒｆ） １２：固体撮像素子（インクライン型Ｃ０Ｄ）１３：信
号処理回路 １４：駆動パルス発生器 １５：パルスドライバ １６：測光回路 １６−１〜１６−ｎ：測光アンプ １７．２０：インタフェース回路 １８：マイクロプロセッサ（ＭＰＵ） １９：シャッター ２１：躍彰レンズ ２２．２３，２４　：スイッチ ２５：記録系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）素子のサブストレートをオーバーフロードレイン
   とした縦型オーバーフロードレインを備える固体撮像素
   子に於いて、 前記固体撮像素子の駆動を全て停止させる駆動停止手段
   と； 該駆動停止手段による前記固体撮像素子の駆動停止状態
   で前記オーバーフロードレインへ流入する光電流を測定
   する測定手段と； を設けたことを特徴とする縦型オーバーフロードイレン
   を備える固体撮像素子を用いた測光装置。
2. （２）前記固体撮像素子のサブストレートに対応して形
   成された縦型オーバーフロードレイン電極を、撮影画面
   に分割設定した測光領域に対応して複数の電極領域に分
   割し、該電極分割領域毎に前記測定手段を設けたことを
   特徴とする請求項１記載の縦型オーバーフロードレイン
   を備える固体撮像素子を用いた測光装置。