JPH03832B2

JPH03832B2 -

Info

Publication number: JPH03832B2
Application number: JP56114626A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kimura
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1981-07-22
Filing date: 1981-07-22
Publication date: 1991-01-09
Also published as: US4489350A; DE3226680C2; DE3226680A1; JPS5815375A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）この発明は固体撮像装置の改良に関する。

（従来の技術）近年、イメージセンサとして、旧来の撮像管に
かわつて固体撮像素子が利用される機会が多くな
つてきている。固体撮像素子は、一般に、IC化
された半導体光電変換セルのマトリクスにより構
成される。このため、固体撮像素子は、小型軽量
で丈夫であり、耐振性も高く、低消費電力で信頼
性も高いという特徴を有している。また、光電変
換セルの配列すなわち受光面の画素の配列は固定
されており、各セルの出力を取り出すクロツクパ
ルスも正確に規定されている。このため、光学系
で生じるひずみを除いて考えると、得られる画像
の図形ひずみも非常に少ない。

（発明が解決しようとする課題）固体撮像素子がたとえばテレビカメラに利用さ
れる場合を考えてみると、１画面についての画像
情報読出し周期は1/30秒に固定される。そして、
撮像素子に対する照射光量は、通常、光電変換セ
ルの飽和レベルと暗電流レベルとの中間の所定値
に調整される。画像情報読出し周期が比較的短か
くかつ一定しているときは、実用上これで差支え
はない。しかし、露光時間変更によつて露出調整
を行なう場合などのように画像情報読出し周期が
不特定に変化するときは、この変化に応じて前記
照射光量の所定値を変更しなければならないとい
う問題が生じる。画像情報読出し周期が非常に長
い場合は、撮像素子の飽和を避けるために、撮像
素子に対する照射光の強さを極単に少なくせねば
ならない。このような場合、画像情報読出し中に
露光量すなわち照射光束の時間積分値が変化して
ゆく。このため、その１画面について、最初に読
出されるセルの光電変換出力と最後に読出される
セルの光電変換出力とが大幅に変つてしまう。し
たがつて、撮像素子の受光面全域にわたつて均一
な感度を得ることができなくなる。

この発明は上記事情にかんがみなされたもの
で、情報の読出し周期にかかわらず撮像面の全域
にわたつて均一な感度を得ることのできる固体撮
像素子を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（発明の課題を達成するための手段）上記目的を達成するために、この発明に係る固
体撮像装置においては、使用される撮像素子の受
光面を構成する光電変換セルのうち、少なくとも
１つのセルを専用信号経路を介して高速読出し
し、読出されたセル情報利用して、光電変換セル
が飽和する前に前記受光面をしや光している。そ
して、しや光しながら全ての光電変換セルから画
像情報を読出している。

（作用）このようにすれば、画像情報読出し周期が長く
ても、各光電変換セル内の画像情報量が、読出し
中に変化することはない。したがつて、画面の全
域にわたつて均一な感度を有する固体撮像装置が
得られる。また、光電変換セルが飽和する前にし
や光が行なわれるため、露出オーバにより画像の
コントラストがくずれる恐れもない。

この発明によれば、最も光電変換感度の高い飽
和レベル寸前のところで撮像素子を動作させるこ
とができる。すなわち、光電変換セルの入力光量
対出力レベル特性が飽和しない範囲であつて最大
出力レベルの得られるところで前記しや光を行な
うことにより、高感度な固体撮像素置を得ること
ができる。

前記しや光を行なうために利用する光電変換セ
ルとしては、通常、撮像素子の受光面中央部分に
配置された複数のセルを用いることが好ましい。
一般的にいつて、受光面の中央領域にくる被写体
が最も明るいからである。また、上記複数セルの
各出力の平均レベルにもとづいて前記しや光のタ
イミングを決定すれば、受光面中央領域の平均照
射光量を、光電変換セルが飽和する寸前に設定で
きる。

前記しや光を行なう期間は、１画面分の画像情
報読出しに要する期間より長くてもよい。しか
し、連続的な撮像を行なう場合は、前記しや光
は、実質的にいつて画像情報読出し中にだけ行な
われた方が好ましい。

（実施例）次に図面を参照してこの発明の一実施例を説明
する。被写体１０の光学像は、レンズ系１２およ
びシヤツタ機構１４を介して、固体撮像素子１６
の受光面上に結像される。撮像素子１６は、規則
正しくマトリクス状に配列された複数の光電変換
セルEijと、行ｉ方向の電荷転送を行なうCCD垂
直シフトレジスタCjと、垂直シフトレジスタCjに
より読出された電荷を列ｊ方向に転送するCCD
水平シフトレジスタＲとを備えている。セルEij
の数は用途に応じて適宜決定される。高解像度が
要求されない用途の場合は、たとえばセル（画
素）数200×200くらいのCCDイメージセンサが、
撮像素子１６として使用される。第１図において
は、わかりやすくするために、８×８セルのイメ
ージセンサを示してある。

各セルEijには、照射光量に対応した電荷が蓄
積される。すなわち、セルEij全体には、前記被
写体１０の光学像に対応した電荷が分布する。こ
れらの電荷（画像情報）は、一定のクロツク・タ
イミングでもつて、垂直シフトレジスタCjおよび
水平シフトレジスタＲを介して取出される。すな
わち、シフトレジスタＲに水平／垂直電荷転送用
のクロツクパルスCKが与えられると、シフトレ
ジスタＲから、画像情報VIが時系列に沿つたシ
リアルデータとして読出される。

上述した画像情報VIの読出しに先立つて、撮
像素子１６の中央部分に点在するいくつかのセル
に蓄積された電荷量が、画像情報VIの信号経路
から独立した専用の信号経路を介して、抽出され
る。すなわち、セルＥ６４、Ｅ６６、Ｅ５５、Ｅ
４４およびＥ４６の出力（電荷量）は、図示しな
いバツフア回路を介してアナログ加算器（測光信
号検出手段）１８に与えられる。加算器１８の出
力信号、すなわち上記中央部分の点在セルに与え
られた光量に対応する測光信号Ｓ１８は、積分回
路２０に入力される。積分回路２０からは、加算
器１８に接続された５つのセルの平均電荷量に対
応した積分出力信号Ｓ２０が出力される。この信
号Ｓ２０は、撮像素子１６の受光面中央領域にお
ける平均光量を示している。信号Ｓ２０は比較回
路２２に入力される。比較回路２２には、所定基
準レベルVrefが与えられている。信号Ｓ２０の
レベルが基準レベルVrefを超えると、比較回路
２２はタイミング信号Ｓ２２を発生する。

基準レベルVrefは、セルEijの出力が飽和する
寸前のレベルに対応するように、実験的に決定さ
れる。すなわち、Vrefは、セルEijの入力光量対
出力レベル（蓄積電荷量）特性が飽和しない範囲
における最大レベルに相当する。

構成要素２０および２２は、撮像素子１６のう
ちの少なくとも１つの光電変換セルEijに結合さ
れ、この光電変換セルの出力レベルが所定のレベ
ルVrefに相当したときにタイミング信号Ｓ２２
を発生する第１手段を構成している。

タイミング信号Ｓ２２は、シヤツタ駆動回路２
４およびゲート回路２６に与えられる。駆動回路
２４は、シヤツタ開放信号Ｓ２３に応答して前記
シヤツタ機構１４を開放させ、タイミング信号Ｓ
２２に応答してシヤツタ機構１４を閉成させる。
また、ゲート回路２６は、タイミング信号Ｓ２２
が与えられてから撮像素子１６の全セルEijの電
荷読出しが終了するまで開いて、転送クロツクパ
ルスCKをシフトレジスタCj，Ｒに与える。

構成要素１４，２４，２６，CjおよびＲは、前
記第１手段（２０，２２）に結合され、タイミン
グ信号Ｓ２２が発生されたときに撮像素子１６の
受光面をしや光して、この受光面にある光電変換
セルEij内の画像情報を取り出す第２手段を構成
している。

第１図の装置は次のように動作する。ここで
は、スチール撮影が行なわれる場合を説明する。

第２図の時間ｔ１０以前では、撮像素子１６の
セルEijの電荷は全てゼロとする。時間ｔ１０に
おいてシヤツタ開放信号Ｓ２３がシヤツタ駆動回
路２４に与えられると、シヤツタ機構１４は開
く。すると、撮像素子１６の各セルEijには、被
写体１０の光学像の明るさ分布に応じた電荷が蓄
積され、各セルの出力（蓄積電荷量）はやがて飽
和することになる。通常は、撮像素子１６の受光
面中央部分が最も明るいので、この中央部分のセ
ルが一番早く飽和する。したがつて、中央セルの
積分出力Ｓ２０を飽和レベルの寸前に制限すれ
ば、他のセルが飽和されることは、ほとんどな
い。この制限レベルは、基準レベルVrefにもと
づいて決定される。すなわち、基準レベルVref
は、積分出力Ｓ２０の飽和レベルよりもわずかに
低いレベルに設定される。

時間ｔ１２において積分出力Ｓ２０が基準レベ
ルVrefを超えると、タイミング信号Ｓ２２の信
号レベルがロジツク〓０″からロジツク〓１″に
変化する。このロジツクレベル変化がシヤツタ駆
動回路２４に与えられると、シヤツタ機構１４は
閉じる。すると、撮像素子１４内の光電変換セル
Eijに対する電荷の蓄積は停止される。タイミン
グ信号Ｓ２２がロジツク〓１″になるとゲート回
路２６が開く。すると、シフトレジスタCj，Ｒに
クロツクパルスが送られ、シフトレジスタＲから
画像情報VIが出力される。シヤツタ機構１４は、
１画面分の画像情報VIの読出しが行なわれてい
る間は閉じている。このため、情報VIの読出し
中に各光電変換セルEijの電荷量が変化してしま
うことはない。画像情報VIの読出しが完了する
と、時間ｔ１０以前の状態にもどる。

上記動作の反復により、連続スチール撮影また
は動画の撮影も可能となる。この撮影反復周期が
ランダムであつても、画像情報VIの読出しは、
常に光電変換セルEijが飽和レベル寸前まで露光
された後に行なわれる。このため、高感度でＳ／
Ｎの良い固体撮像装置が得られる。また、この高
感度を維持しながら画像情報VIの読出し周期を
任意に設定できることから、従来にない長所が生
まれる。たとえば、読出した情報VIを一旦ICメ
モリに記憶させる場合を考えてみると、このIC
メモリのアクセスタイムを遅くさせることができ
るので、装置の低コスト化が可能になる。

なお、明細書で詳述され図面に図示された実施
例は、この発明を何ら限定するものではない。こ
の発明の趣旨および特許請求の範囲内において
種々の変更等が可能である。たとえば、撮像素子
１６は、必ずしもマトリクス状に配置された光電
変換セルを有するものに限定されない。被写体１
０が一次元的なものであれば、撮像素子１６とし
て一次元イメージセンサアレイを用いてもよい。

CCDイメージセンサのほかに、たとえば、
MOSトランジスタおよびフオトダイオードから
なる光電変換セルを含んだMOSイメージセンサ
あるいはBBDイメージセンサを、撮像素子１６
として用いてもよい。

撮像素子１６の受光面に光学像を与える光学系
は、必ずしもレンズ系１２に限定されない。この
光学系は、所望の光学像を撮像素子１６に与える
系であれば、どのような構成を有していてもよ
い。

タイミング信号Ｓ２２を発生させるために選択
される光電変換セルEijは、必ずしも撮像素子１
６の受光面中央にあるセルでなくてもよい。選択
されるセルの数も任意である。たとえば、１つの
中央セルE₅₅だけからタイミング信号Ｓ２２を作
ることもできる。

撮像素子１６のしや光法も、シヤツタ機構１４
に限定されない。回動できる鏡などを用いて、被
写体１０の光学像の光路を撮像素子１６の受光面
からそらせてもよい。あるいは、被写体１０が暗
所にある場合、被写体１０に対する照明を停止し
てもよい。撮像素子１６の感光動作が電気的にコ
ントロールできるのならは、シヤツタ駆動回路２
４の出力信号でもつてこのような撮像素子１６の
感光動作（電荷蓄積など）を禁止させてもよい。

また、撮像素子１６の各セルEijからの情報読
出しも、第１図に示したような信号電荷転送方式
のかわりに、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いて行なう
ことができる。たとえば、MOSイメージセン
サ・マトリクスの列および行にそれぞれＸ（水平）
走査用シフトレジスタとＹ（垂直）走査用シフト
レジスタとを配置する。そして、Ｘレジスタおよ
びＹレジスタによつて各セルのアドレスを順次指
定しながら、画像情報を読出すこともできる。

［発明の効果］この発明によれば、最も明るい被写体を受けや
すい受光面中央領域に１以上点在する複数光電変
換セルの平均出力レベル（１セル使用の場合は平
均にならない）が遮光タイミングの決定に用いら
れ、かつ受光面中央領域の平均照射光量が光電変
換セル飽和寸前に設定される。このため、露出オ
ーバーによる画像コントラストの崩れが確実に防
止され、かつ、最も光電変換感度の高い飽和レベ
ル寸前のところで光電変換セルを稼働させること
ができる。

また、前記平均照射光量を求めるための光電変
換セルは、その数が前記受光面の総セル数と比べ
ずつと少なく、かつ専用の信号経路を持つている
ので、このセルの読出し所要時間が総セル読出し
所要時間よりもずつと短くなる。すなわち、この
発明によれば前記平均照射光量検出の応答が早
い。

さらに、前記遮光が画像情報読出し期間中のみ
に制限されているので、この遮光の期間が連続撮
影の妨げになることはない。

従つて、この発明によれば、単発的な撮影に素
早く対応できるのみならず、連続撮影にも適した
固体撮像装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る固体撮像
装置を示す構成図、第２図は第１図に示される装
置の動作を説明するタイミングチヤートである。１０……被写体、１２……レンズ系（光学系）、
１４……シヤツタ機構、１６……固体撮像素子
（CCDイメージセンサ）、Eij……光電変換セル、
Cj……CCD垂直シフトレジスタ、Ｒ……CCD水
平シフトレジスタ、CK……クロツクパルス、VI
……画像情報、１８……アナログ加算器（測光信
号検出手段）、Ｓ１８……測光信号、２０……積
分回路、Ｓ２０……積分出力信号、２２……比較
回路、Vref……基準レベル（所定レベル）、Ｓ２
２……タイミング信号、２４……シヤツタ駆動回
路、２６……ゲート回路、Ｓ２３……シヤツタ開
放信号。

Claims

【特許請求の範囲】１複数の光電変換セルが配列された受光面を有
する撮像素子と；前記受光面上に点在するものであつて前記光電
変換セルの総セル数に比較して少数の光電変換セ
ルに与えられる光量に対応する測光信号を専用の
信号経路を介して検出する測光信号検出手段と；前記測光信号の大きさに対応した信号レベル
と、前記光電変換セルの入力光量対出力レベル特
性の飽和寸前の最大出力レベルに対応した所定レ
ベルとを比較し、この信号レベルが前記所定レベ
ルに相当したときにタイミング信号を発生する第
１手段と；前記タイミング信号が発生されたときに前記撮
像素子の受光面を遮光してこの受光面にある光電
変換セル内の画像情報を前記測光信号の信号経路
とは別の専用の信号経路を介して取り出すもので
あつて、前記画像情報が取り出されている間だけ
前記撮像素子の受光面の遮光を維持するシヤツタ
ー手段を含む第２手段とを具備したことを特徴と
する固体撮像装置。