JPH0432589B2 - - Google Patents

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JPH0432589B2
JPH0432589B2 JP58127577A JP12757783A JPH0432589B2 JP H0432589 B2 JPH0432589 B2 JP H0432589B2 JP 58127577 A JP58127577 A JP 58127577A JP 12757783 A JP12757783 A JP 12757783A JP H0432589 B2 JPH0432589 B2 JP H0432589B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本考案は、縦形オーバーフロードレインを備え
たMOS型固体撮像素子を用いた電子スチルカメ
ラに関するものである。更に詳しくは、本発明
は、被写体輝度に対するダイナミツクレンジの拡
大が可能な外部シヤツター付電子スチルカメラに
関するものである。
〔発明の背景〕
固体撮像装置に於いて、ビデオ動作を行なう
（1/60secで連続的に露光、読出しを行なう）場
合、被写体輝度に対するダイナミツクレンジを拡
大する、即ち、ハイラチチユード（高寛容度）化
する為に、撮像素子にKNEE特性を与える様駆
動するものは、IT−CCD（Interline Transfer−
CCD）、FT−CCD（Frame Transfer−CCD）で
は公知である。しかしMOS型でKNEE特性を与
えるものは、これまで提案されていない。これ
は、次のようなことに起因している。MOS型撮
像素子は、周知のように、マトリツクス状に配置
された光電変換素子（フオトダイオード）に対し
て垂直スイツチングFET（電界効果トランジス
タ）が１対１に設けられると共に、各列に対応し
て水平スイツチングFETが設けられ、FETを選
択的にON・OFFさせることによつて、各画素に
蓄積された電荷を順次読み出す構成（同じ列の画
素は共通の垂直信号線を通つて読み出される）と
なつている。即ち、MOS型撮像素子においては、
CCD型撮像素子の用に全画素の電荷を同時に転
送することはできず、ある画素の信号を読み出し
ているときには他の画素は電荷を蓄積している状
態であり、比ず、画素毎に露光している時点に違
いが生じてしまう。このようにMOS型撮像素子
では、撮像面全域を同時に露光制御できないた
め、露光期間中に光電変換特性を変更することは
考えられていなかつたのである。
また、最近固体撮像素子を用いて静止画像を例
えばフロツピーデイスク等の記録媒体に記録する
電子スチルカメラが提案されているが、これに関
してハイラチチユード化する為に、撮像素子に
KNEE特性を与える様に駆動するものは提案さ
れていない。
ここで、IT−CCD、FT−CCD、MOS型固体
撮像素子を比較すると、歩留り、性能の点で
MOS型が優れ、電子スチルカメラ用の撮像素子
として好適であるが、より優れた静止画像を得る
為には、撮像素子のハイラチチユード化が必要と
なつてくる。
〔本発明の目的〕
本発明は、縦形オーバーフロードレインを備え
るMOS型固体撮像素子を撮像素子として用いる
外部シヤツター付電子スチルカメラに於いて、撮
像素子からの映像出力信号にKNEE特性を持た
せることによつて、被写体輝度に対するダイナミ
ツクレンジを拡大してハイラチチチュード化する
ことを目的とする。
〔本発明の概要〕
本発明は、MOS型固体撮像素子の縦形オーバ
ーフロードレイン構造内のPWELLの電位を露光期
間中に変化させて撮像出力信号にKNEE特性を
与える制御手段を設け、被写体輝度に対するダイ
ナミツクレンジを広くすることを技術的な特徴と
している。
〔実施例の説明〕
第１図は本発明において使用されるMOS型固
体撮像素子の一例を示す要部の構成断面図であ
る。ここでは、受光部、垂直ゲート及び垂直信号
線を横切る平面で切つた時の素子の断面図を示し
ており、厚味方向（基板方向）にN+−PWELL−ｎ
基板という縦形のトランジスタを構成する配置構
造となつている。受光部１は、そこに照射される
光４を電荷に変え、蓄積する働きをする。垂直ゲ
ート２は受光部１に蓄積された信号電荷を垂直信
号線３に移す働きをする。前記縦方向のトランジ
スタを使つてMOS型固体撮像素子はオーバーフ
ローする電荷をｎ基板に排出しているがこのよう
な構造を縦形オーバーフロードレイン構造と称し
ている。
第２図は、第１図において、一点鎖線ａ−a′の
断面に対応する各部のポテンシヤル状態を示した
図である。また、第３図、第４図は、PWELLの電
圧を変えた直後のポテンシヤル状態を示した図で
ある。
第２図において、PWELLのポテンシヤルVp1は、
垂直ゲート２の下でのポテンシヤルVGより僅か
に低くなつており、受光部１（ここはフオトダイ
オードが構成される）における蓄積可能な最大信
号電荷量はQn1で表わされる。
ここで、PWELLのポテンシヤルVp1を、第３図に
示すようにVp2（Vp1＞Vp2）に変化させた場合、
PWELL上にはフオトダイオードが形成されている
為に、PWELLのポテンシヤルが変わつても、蓄積
可能の信号電荷量はQn1のままであつても、ｎ基
板に流れず、受光部１に留まることとなる。
これに対して、PWELLのポテンシヤルを、第４
図に示すようにVp3（Vp1＜Vp3）に変化させた場
合は、受光部１に留まつていた信号電荷は、垂直
ゲート２を通つて垂直信号源３側に流れ出す。こ
の場合、この垂直信号線３上に捨てられた不要電
荷は、読み出しの際の第１ライン目の走査の時に
外部へ取り出されるが、この時は、垂直ブランキ
ング期間中なので、何んら画像に影響しない。
第４図に示すような条件の下では、受光部１で
蓄積可能な最大信号電荷量は、Qn2（Qn1＞Qn2）
となる。
すなわち、MOS型固体撮像素子において、
PWELLに与える電圧を制御することによつて、蓄
積可能の信号電荷量を変更することが可能とな
る。
次に蓄積可能な最大電荷量を時間的に変化させ
ることで、撮像出力信号にKNEE特性が得られ
る事について説明する。
公知のIT−CCDにおいては、オーバーフロー
コントロールゲート（OFCG）に与える電圧を変
える事により、最大電荷量が変わる。すなわち、
第６図に示す露光時間とOFCG電圧VOFCGの関係
を示す線図において、時刻t1までVOFCG＝V1（０
Ｔt1）、T1からt2までの間、VOFCG＝V2（t1Ｔ
T2）とした場合、OFCG、受光部（フオトダ
イオード）、トランスフアーゲート（TG）の部
分のポテンシヤル状態は、VOFCG＝V1の時が第７
図、VOFCG＝V2の時が第８図に示す通りとなる。
すなわち、VOFCG＝V1（第７図）の時は、蓄積可
能な最大信号電荷量はQn2と少ないが、VOFCG＝
V2（第８図）の時は、最大信号電荷量はQn1と大
きくなる。 第９図は光の強度に対しての受光部
に蓄えられる電荷量と、露光時間t2までの時間と
の関係を示す線図である。この図において、光の
強度と信号電荷の発生とは比較関係にあるため、
直線の傾きが光の強度に比較して示される。ここ
で、時刻t1で発生する信号電荷量がQn2である、
光の強度をI0とし、Qn1＝2Qn2とする。この光の
強度I0より弱い光に関しては、VOFCGが時間的に
変化しても影響を受けず、第９図に示すように信
号電荷量は直線的に増加する。次に光の強度Ｉ
が、I0＜Ｉ＜3I0である場合について考えると、
この強度Ｉにおいては、時刻t1に達する以前のt0
において、最初のポテンシヤル井戸が飽和してし
まう。しかしながら、時刻t1になると、ポテンシ
ヤル井戸が大きくなるため、再び信号電荷はQn1
に向かつて増加しはじめる。すなわち、Ｉ3I0
の光強度では、t1〜t2の時間で信号電荷量がQn1
まで達しないが、Ｉ＞3I0の光強度では飽和して
しまう。
第１０図は、これを縦軸に信号電荷量、横軸に
光強度をとつて示した線図である。この図から明
らかな通り、露光時間t2の間ずつと、VOFCG＝V2
なる電圧にして、ポテンシヤル井戸を大きくした
場合、Ｉ＝1.5I0まで飽和してしまうのに対し、
VOFCGの電圧を時間的に変える事により、Ｉ＝3I0
まで飽和しないようにでき、映像出力信号に対し
KNEE特性を得ることができたことがわかる。
本発明に係る電子スチルカメラに用いられる
MOS型固体撮像素子に関しては、PWELLの電圧
VPWELLを、露光時間t2内において、第５図に示す
ように変化させることにより、IT−CCDの場合
と同様に信号電荷量と光強度の関係が、第１０図
に示されるKNEE特性になる。ここで、MOS型
固体撮像素子の場合、余分な信号電荷を垂直信号
線３に流すようにした点がIT−CCDと異なつて
いる。
ここで第５図に示すPWELLの電位V1，V2につい
て考えると、第５図において、時刻t1までは、
PWELL電位V1（V1によつて決定される最大電荷量
Qn2）が印加されており、Qn2の電荷量が通常光
の信号電荷に対して使用される事がわかり、ま
た、時刻t1からt2の間はPWELL電位V2（V2によつて
決定される最大電荷量Qm1）が印加され、Qn1−
Qn2の電荷量が高輝度物体側の信号電荷に対して
使用される事がわかる。
従つて、PWELL電位V1を増大させると、通常光
の信号電荷量が増えるために、結果として高輝度
側を占める信号成分を減らし、また、逆に、V1
を減少させると通常光の信号電荷量が減り、結果
として、高輝度側の信号を強調することができ
る。
また、第５図においては、０〜t1までの時間が
通常光の露光時間となり、t1〜t2までの時間が高
輝度光の露光時間であつて、t1〜t2までの時間を
短かくした方が、より高輝度側の情報が得られ、
よりダイナミツクレンジを広げることができる。
本発明に係る電子スチルカメラにおいては、
MOS型固体撮像素子のPWELL電位V1を制御するた
めの機構と、露光時間t1を変える機構を備えるこ
とにより、撮影者に対し、より画像の自由度を与
えるいる。
第１１図は、本発明に係る電子スチルカメラの
全体の動作を示すタイミングチヤートである。
まず、シヤツターボタンを押すと、(ロ)に示す水
平シフトレジスタ用のパルスφHがMOS型固体撮
像素子に印加され、メカニカルシヤツターが閉じ
た状態で不要電荷が排出される。
次に、(イ)に示す垂直同期信号VDに一致した(ハ)
に示すシヤツター開信号により、レンズシヤツタ
ーが開き、受光部１に光が入り露光状態となる。
その時、同時にPWELLの電位VPWELLが(ホ)に示すよ
うに変化して、第１の状態（第４図の状態）と
し、ポテンシヤル井戸の小さい状態で露光する。
そして所定の時間t1の後（KNEE特性が変化す
る）、PWELLの電位を元の状態にもどし、第２の状
態（第２図の状態）とし、ポテンシヤル井戸を大
きくする。その後、シヤツタースピードの時間t2
で(ニ)に示すシヤツター閉信号により、レンズシヤ
ツターが閉じる。そして、この動作が終了後の最
初の垂直同期信号に合せて、(ヘ)に示すように映像
信号が出力される。この場合、メカニカルシヤツ
ターが開いている間に読み出しが成されていない
ため、スミアは生じず、また、レンズシヤツター
を使う事により、全面素同時露光を可能としてい
るため、全画素に同一のKNEE特性を得ること
ができる。
ところで、実際の電子カメラにおいては、シヤ
ツタースピードが変化してもKNEE特性が変化
してはならない。そのため、シヤツタースピード
t2が変化しても常にt1／t2＝一定に設定されなけ
ればならない。
第１２図はこれを実現するための電気回路図で
ある。この図において、Vpは測定系から得られ
る光強度を対数圧縮した電圧であつて、コンパレ
ータCP1及びコンパレータCP2の一方の入力端に
印加されている。コンパレータCP1，CP2の他方
の入力端には、それぞれ直流電圧VBがスイツチ
SW1，SW2及び抵抗R1，R2、コンデンサＣで構
成される積分回路を介して印加される。
第１３図は、スイツチSW1，SW2は閉じられ
た以後のコンデンサＣの電圧変化VC1，VC2を示
した線図である。コンパレータCP1からは、時間
t1の時点でパルスが生じ、またコンパレータCP2
からは、時間t2の時点でパルスが出力される。コ
ンパレータCP1，CP2のそれぞれの条件式を(1)
式、(2)式に示す。
Vp＝VB｛１−exp（−t1／R1Ｃ）｝ ……(1) Vp＝VB｛１−exp（−t2／R2Ｃ）｝ ……(2) (1)式、(2)式より、(3)式の関係が得られる。
VB｛１−exp（−t1／R1Ｃ）｝＝VB｛１−exp（−
t2／R2Ｃ）｝ ∴t1／t2＝R1／R2＝一定（Vpに対し） ……(3) (3)式から明らかなように、t1／t2の値が光強度
を示す電圧Vpによらず一定値とすることができ
る。また、このt1／t2の値は、抵抗値R1又はR2を
変えることによつて変化させることができる。従
つて、第１２図に示す回路によつて、シヤツター
タイムが変つても、KNEE特性を変えずに撮影
することが可能となる。
なお、MOS型固体撮像素子のPWELLに印加する
電圧Vpは、露光時間に対して、第１４図に示す
ように曲線的に変化する電圧信号でも良く、これ
によつて、入射光強度に対して対数圧縮させた映
像信号を得ることも可能である。
また、上記において、レンズシヤツターを使用
しているが、その理由は、MOS型固体撮像素子
の各受光部に対して、同一時点での露光開始及び
同一の露光時間を可能とするためであり、
KNEE特性を得るうえで必要である。
第１５図は本発明に係る電子スチルカメラの全
体構成を示すブロツク図であつて１１はレンズ、
１２はレンズシヤツタで絞りを兼ね、かつ結像面
全域に同時に露光の開始及び終了の制御が可能で
ある。１３はシヤツター駆動手段、１４は縦形オ
ーバーフロードレインを備えるMOS型固体撮像
素子、１５は該MOS型固体撮像素子１４を制御
する駆動回路、１６は映像信号処理回路、１７は
記録信号処理回路、１８は記録ヘツド移動機構、
１９は記録ヘツド移動用のDCモータでヘツド位
置制御回路２０により駆動制御される。２１は記
録ヘツド、２２は磁気シート等の記録媒体、２３
は記録媒体を回転駆動する為のDCモータであつ
て回転数及び位相を制御する回転制御回路２４に
よつて制御される。２５はSPD等の測光素子で
被写体の明るさに応じた信号を露光量演算用測光
回路２６に出力する。２７は全てのタイミングを
決定するタイミング信号発生手段、２８は同期信
号発生手段、２９はKNEE特性変更手段で前記
時間t1とt2の比等を連続的に変化させるものであ
る。３０はレリーズ釦に連動するレリーズスイツ
チである。３１はMOS型固体撮像素子１４の
PWELL電位を制御するPWELL電圧制御回路である。
〔本発明の効果〕
以上説明したように、本発明は、縦形オーバー
フロードレイン構造のMOS型固体撮像素子の駆
動と、この撮像素子の撮像面の全域に亘つて同時
に露光制御可能のシヤツターとによつて、撮像素
子にKNEE特性を与えることができるようにし
たもので、被写体輝度に対するダイナミツクレン
ジを拡大することが可能な電子スチルカメラが実
現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図はMOS型固体撮像素子の一例を示す要
部の構成断面図、第２図〜第４図は第１図におけ
るａ−a′断面に対応するポテンシヤル状態説明
図、第５図はPWELL電位と露光時間との関係を示
す線図、第６図はIL−CCDにおいて、OFCG電
圧と露光時間の関係を示す線図、第７図及び第８
図はそのポテンシヤル状態の説明図、第９図、第
１０図はKNEE特性に関連した説明図、第１１
図は本発明に係る電子スチルカメラの動作を示す
タイミングチヤート、第１２図はシヤツタスピー
ドが変化してもKNEE特性が変化しないように
するための電気回路図、第１３図及び第１４図は
第１２図の動作波形図、第１５図は本発明に係る
電子スチルカメラの全体構成を示すブロツク図で
ある。 １……受光部、２……垂直ゲート、３……垂直
信号線、４……光。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 複数の画素に共通の信号出力線をもち、縦形
    オーバーフロードレインを備えるMOS型固体撮
    像素子と、この撮像素子の撮像面全域に同時に露
    光制御可能なシヤツター手段と、前記撮像素子の
    PWELLの電位を露光期間中に変化させて撮像素子
    出力信号にKNEE特性を与える制御手段とを備
    えたことを特徴とする電子スチルカメラ。
JP58127577A 1983-07-15 1983-07-15 電子スチルカメラ Granted JPS6020687A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58127577A JPS6020687A (ja) 1983-07-15 1983-07-15 電子スチルカメラ
US06/629,321 US4626915A (en) 1983-07-15 1984-07-10 MOS solid-state image pickup device having vertical overflow drains

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58127577A JPS6020687A (ja) 1983-07-15 1983-07-15 電子スチルカメラ

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Publication Number Publication Date
JPS6020687A JPS6020687A (ja) 1985-02-01
JPH0432589B2 true JPH0432589B2 (ja) 1992-05-29

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