JPS6281755A - 電子的撮像装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は固体撮像装置として使用しうる半導体装置に関
する。

（従来の技術とその問題点） 固体撮像装置は小型、軽量、長寿命、低消費電力等の利
点を有し、近時撮像管に代わり広く用いられている。第
５図に電荷結合素子（ＣＯＤ）により形成した、いわゆ
るインターライン転送方式（ＩＬＴ方式）の電子カメラ
用固体撮象装置の従来例を示す。

第５図において半導体基板ｌ上に、ｐｎダイオード又は
ＭＯ８構造からなる受光素子２ａをそれぞれ列状に複数
個配列してなる受光素子列２が複数列設けられ、複数の
受光素子２ａがマトリックス状に配置されている。各受
光素子列２の右脇に沿って垂直シフトレジスタ３．３、
・・・が設けられるとともに各垂直シフトレジスタ３の
一端に接して水平シフトレジスタ４が形成されている。

上記構成において、半導体基板ｌへの露光に応じ各受光
素子列２中の各受光素子２ａに蓄積された電荷は、一定
時間間隔で図示しない転送ゲートを介して対応する垂直
シフトレジスタ３に転送される。各垂直シフトレジスタ
３に転送された信号電荷は引続き一行ずつ、すなわち各
受光素子列２中の横方向の同一線上に位置する受光素子
２ａｎからの信号電荷ごとに同期して順次水平シフトレ
ジスタ４へ転送され、更に各行の信号電荷群が該水平シ
フトレジスタ４から出力増幅器５を介して読み出される
。

ところで上記のような撮像装置において、１回の撮像期
間中における半導体基板ｌへの露光量が不充分であると
出力信号が小さくなり、その結果出力信号の信号雑音比
Ｓ／Ｎが不満足な値となる。

一方、上記露光量が過剰になると、受光素子２ａから電
荷が溢出し、いわゆるブルーミングが生じる。従って、
上記露光量は適正な値に調整する必要がある。

そこで、露光量測定用の測光素子を設け、該測光素子で
検出される露光量が所定値に達した時点で１回の撮像を
終了するようにした撮像装置が知られている。ところが
、その場合上記測光素子は受光素子を有する半導体基板
とは別体に構成されているので、半導体基板へ入射する
光量を、被写体と上記基板とを結ぶ光路内で測定するこ
とができず、正確な光量測定が不可能であった。

又第６図に示すように、半導体基板ｌの前方にハーフミ
ラ−６を設置するとともに該ハーフミラ−６の側方に測
光素子７を配置し、撮像レンズ８を透過して半導体基板
１へ入射する光の一部を測光素子７側に反射させて測光
するようにしたものが知られており、この構成によれば
、実質的に被写体と基板ｌを結ぶ光路内で測光すること
ができろ。しかしながら第６図の構成では、入射光の一
部を反射させているので、基板ｌに入射する光量が減少
して感度が低下するという問題がある。又レンズ８と基
板１間にハーフミラ−６を挿入しているので、入射光に
収差が生じ、画質も悪化する。

本発明は以上のような不具合を解消することを目的とし
ている。そのため本発明に係る撮像用半導体装置は、半
導体基板上にそれぞれ複数の受光素子を列状に配列して
なる複数の受光素子列及び各受光素子列に対応して設け
られ各受光素子列から転送された信号電荷を順次出力部
へ転送する複数のシフトレジスタを形成するとともに、
該半導体基板上における受光素子列領域内に測光素子を
設け、該測光素子により受光素子列への露光量を検出し
て各受光素子列から各シフトレジスタへの信号電荷の転
送を規定するようにしたことを基本的な特徴とする。

その場合、各シフトレジスタは対応する受光素子列に沿
って形成することが好ましい。

そして測光素子はいずれか２つの隣接する受光素子列間
、特に受光素子列領域の中央に位置する２つの受光素子
列間に設けることが好適である。

更に、受光素子列領域内への測光素子の配置を容易にす
るため、測光素子の両側においてそれぞれ各受光素子列
に対応するシフトレジスタを各受光素子列の基板外方側
に沿って形成することが好まし７い。

又、上記測光素子を直線」二に複数個配列するとともに
各測光素子に対し上記直線上の中心から離間するにつれ
て小さくなる係数を設定し、各測光素子出力とそれに対
応する係数の乗算値を加算した値を全測光素子出力とす
ることが好適である。

あるいは、測光素子を直線上に複数個配列するとともに
上記直線上の中心から離間するにつれてその面積を小さ
くし、各測光素子出力の和を全測光素子出力としても良
い。

なお、上記各受光素子及びシフトレジスタは例えば電荷
結合素子により形成することができる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。この実施例は従来例同
様、ＩＬＴ方式のＣＯＤにより構成した電子カメラ用撮
像装置に関する。

第１図に示すように、半導体基板ｌ上には、従来例同様
それぞれ複数の受光素子２ａからなる複数の受光素子列
２．２、・・・が図中左右方向に等間隔を置いて互いに
平行に形成され、複数の受光素子２ａがマトリックス状
に配置されている。しかしながら、本実施例では従来例
と異なり左側の２列の受光素子列２．２に対応する垂直
シフトレジスタ３．３は、各受光素子列２の左脇に沿っ
て受光素子列２と平行に配置されろ一方、右側の２列の
垂直シフトレジスタ３．３は、それぞれ対応する受光素
子列２の右脇に沿って受光素子列２と平行に配置されて
いる。各受光素子列２と対応する取直シフトレジスタ３
間にはそれぞれ転送ゲート１０が介設されている。又、
各垂直シフトレジスタ３の一端は水平シフトレジスタ４
に接続され、該水平シフトレジスタ４は出力増幅器５を
介して信号出力端子１１に接続されている。

基板ｌ上における中央の２列の受光素子列２．２間の間
隙には、各受光素子列２の伸びる方向（第１図上下方向
）に長辺を有する矩形状の測光素子１２が設けられてい
る。この測光素子１２は、例えば各受光素子２ａと同様
に１１＋不純物拡散領域からなろフォトダイオードとし
て形成される。」二足のように測光素子Ｉ２の両側にお
いて、それぞれ各垂直シフトレジスタ３を対応する受光
素子列２の基板１外方側、つまり測光素子Ｉ２と反対側
の脇に沿って配置すれば、中央の２列の受光素子列２．
２間にはシフトレジスタ３は配置されず、測光素子１２
が配置されるのみであるから、受光素子列２．２・・・
の配列を乱すことなしに測光素子１２を受光領域内に設
けることができろ。

上記測光素子Ｉ２は、測光増幅器１３、測光出力端子１
４及び積分器１５を介して比較器１６に接続されている
。この比較器１６は積分器１５から送信される測光出力
の積分値Ｍａｎが予め設定した基ｑ値ＶＯと等しくなっ
た時点て、撮像規定信号を駆動回路１７に出力するよう
になっている。なお、基準値Ｖｏとしては１回の撮像期
間における受光領域への適正な露光量に見合った値が選
定される。

駆動回路１７は、その内部又は外部に設けられた回路に
より発生される垂直同期パルスＶＤ（第２Ｍ糸昭）乃ｒ
ドトスー堝Ｑ用宝（ご陽等に届づいて２垂直ソフトレン
スタ３に垂直ノットパルスΦＶを、水平シフト・レンス
タ４に水平シフトパルスΦ）−１を、各転送ゲートＩＯ
に転送パルスΦＴをそれぞれ出力する。なお、上記比較
器１６及び駆動回路１７は基板１の外部に配置される。

第２図において、上記垂直同期パルスＶＤは一定時間間
隔を置いて高レベルＩ−（と低レベルＩ、の間で切り換
えられ、このＶＤの１つの立ち下がり（ＨからＬへの切
り換イっり）から次の立ち下がりまでが１周期をなす。

ΦＴは上記転送パルス、ΦＶは上記垂直ソフトパルスで
ある。この取直ンフトパルスΦ■は転送局Ｉ！ｌｌとし
て、信号型ダｊ出力用の通常転送周波数ｆｖ（例えば１
５．７５ＫＨｚ）と、残留電荷掃き出し用の高速駆動周
波数ｆｃ（例えば１．　Ｍｌｌｚ）とを備えている。Ｓ
ｉｇは信号出力端子１１からの信号出力、Ｍｏｎは上記
測光出力の積分値である。

以下、上記撮像装置の各部における動作を時刻を追って
具体的に説明する。

時刻Ｔ、におけるＶＤの立ち下がりに同期して転送パル
スΦＴが低レベルＬから高ジノベル［Ｉに切り換えられ
、その直後のＶＤの立ち上がりに同期してΦＴが再び低
レベルＬとされる。この転送パルスΦＴにより時刻Ｔ１
以前に各受光素子２ａに蓄積されていた電荷、すなわち
残留電荷が各受光素子列２から各転送ゲート１０を介し
て対応する垂直ノフトレノスタ３に転送される。それに
より、時刻Ｔ１から各受光素子２ａに露光量に応じて新
たに信号電荷か蓄積され始めろ。

又、時刻Ｔ、におけるＶＤの立ち下がりに同期して積分
器１５の出力が初期基準値とされ、積分器１５において
露光量に比例した測光出力の積分が開始される。更に駆
動回路１７は、時刻Ｔ１以降各垂直シフトレジスタ３に
高速駆動周波数ｆｃ−Ｉ　ＭＨｚの垂直シフトパルスΦ
■を出力し、それにより各受光素子列２から垂直シフト
レジスタ３に転送された残留電荷が水平シフトレジスタ
４及び出力増幅器５を介して出力端子１１に高速で掃き
出される。なお、このようにして掃き出される残留電荷
は、画像信号としては利用されない。

時刻Ｔ、において測光出力の積分値Ｍｏｎが基準値ＶＯ
に達すると、前述のように比較器１６から駆動回路１７
に撮像規定信号が出力されろ。それに応じて駆動回路１
７は各転送ゲート１０に転送パルスΦＴを出力する。こ
の転送パルスΦＴに基づいて、時刻ＴＩＴ２間に各受光
素子２ａに蓄積された信号電荷が対応する垂直シフトレ
ジスタ３に転送される。なお上記残留電荷は高速で掃き
出されるので、該掃き出しは時刻Ｔ２以前に終了する。

時刻Ｔ２において各垂直シフトレジスタ３に転送された
信号電荷は一時的に各垂直ノフトレノスタ３に保持され
る。時刻Ｔ３におけるＶＤの立ち上がりに同期して各垂
直シフトレジスタ３が通常転送周波数ｆｖ＝　１５．７
５ｋＨｚ″？：駆動され、それまで各垂直シフトレンス
タ３に保持されていた信号電荷が水平シフトレノスタ４
へ転送される。更に該信号電荷が水平シフトレジスタ４
及び出力増幅器５を介して出力端子１１に読み出される
。このようにして、第１周期における時刻Ｔ、−Ｔ、間
に各受光素子２ａに蓄積された信号電荷が、第２周期Ｔ
３−Ｔ、中に読み出される。その際、１回の撮像期間Ｔ
、−Ｔ、における露光量は、常に基準値Ｖｏと等しくな
る。時刻ＴｔＴ４間に各受光素子２ａに蓄積された電荷
は、時刻Ｔ４から開始される周期中に高速駆動周波数ｆ
ｃで掃き出される。

なお以上の説明では、Φ■、ΦＨはそれぞれｌ相のみと
したが、使用されるＣＯＤの構造により、それぞれ２相
〜４相のパルスとされる。

又、露光制御用の機械的シャッタを用い、時刻Ｔ１て該
ンヤソタが開、時刻Ｔ２で該シャッタが閉となるように
露光制御を行うことができる。

更に又、各転送ケート１０を省略し、各垂直シフトレジ
スタ３の電極を転送電極に兼用するとともに垂直シフト
パルスΦＶのパルス値を適宜に変更することにより、各
受光素子２ａに蓄積された電荷を直接垂直シフトレジス
タ３へ転送することも可能である。

次に第２実施例を説明する。この第２実施例は第１実施
例と同様の構成を有しくそのため説明を第１実施例と相
違している。以下第３図のタイムヂャートを参照しなが
ら、第２実施例の動作説明を行う。

第３図において、ＳＴはストロボ発光出力、ＶＤ。

ΦＴ１ΦＶ、Ｓｉｇ及びＭｏｎは前期第１実施例と同一
のパルスあるいは信号を示す。但し第２実施例では、垂
直シフトパルスΦＶは通常転送周波数ｆｖのみを有する
。

時刻Ｔ、における垂直同期パルスＶＤの立ち下がりと同
時に開始される第１周期中の時刻Ｔ２においてストロボ
による発光が開始される。このストロボ発光に基づいて
前記積分器１５て測光出力の積分が行われる。

時刻Ｔ３において測光出力の積分値Ｍｏｎが基準値ＶＯ
に達し、露光量が所定値になるとストロボ発光を停止す
る。実際にはストロボ発光は時刻Ｔ３よりやや遅れて終
了する。なおストロボ発光出力中に点線で示しているの
は、測光出力に基づくストロボ発光の中断を行わない場
合の出力状態である、 次に時刻Ｔ４におけるＶＤの立ち上がりに同期した転送
パルスΦＴにより、第１周期Ｔ、−Ｔ、におけるストロ
ボ発光期間中に各受光索子２ａに蓄積された電荷が対応
する垂直シフトレジスタ３へ転送される。引続きこの電
荷は、第２周期Ｔ、−Ｔ５中に、各垂直シフトレジスタ
３から水平シフトレジスタ４及び出力増幅器５を介して
出力端子１１に順次転送され、出力信号Ｓｉｇとして読
み出される。このように光源としてストロボを用いた場
合にも、通常２周期ごとに１回の撮像を行うことができ
る。

次に、第３実施例を説明する。

第４図に示すように、第３実施例においては第１図の第
１実施例における測光素子１２を３個に分割し、各測光
素子１２ａ、　１２ｂ、　１２ｃを第１実施例と同一位
置、すなわち中央の２・列の受光素子列２．２間に直線
上に配列している。そして各測光素子１２ａ、１２ｂ、
１２ｃはそれぞれ測光増幅器１３ａ、１３ｂ、１３ｃ及
び測光出力端子１４ａ、　１４ｂ、　１４ｃを介して加
算器１５に接続されている。該加算器１５においては、
直線上の中心に位置する測光素子１２ａからの出力Ｍｏ
ｎ−１に大きな係数が乗算されるとともに、直線上の端
部寄りに位置する測光素子１２ｂ１１２ｃの出力には中
心の測光素子１２ａに対する係数に比して小さな係数が
乗算される。更に加算器１５において測光出力と係数の
各乗算値が加算された後該加算値が積分される。積分さ
れた全測光出力Ｍｏｎは比較器１６へ人力される。

この第３実施例においては、受光領域の中心に位置する
測光素子１２ａからの出力信号に対し端部寄りに位置す
る測光素子１２ｂ、１２ｃからの出力信号より大きな係
数を乗算するようにしたので、全測光出力Ｍｏｎに対し
中心の測光素子＋２ａからの測光出力Ｍｏｎ−１が大き
く反映されることになり、それによって一層好ましい測
光が行える。なお、これについては、各測光素子の面積
を受光領域の中心から離れるにつれて小さくなるように
変化させることにより同等の効果を得ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明では、受光素子列と同一半
導体基板上に測光素子を形成し、更に該測光素子を基板
上の受光素子列形成領域内に設けて、受光素子列に入射
する光量をより直接的に測定できるようにしたので、正
確な露光調整が行えるようになる。

又、測光素子はいずれか２つの隣接する受光素子列間に
設けろことができるが、その場合、受光素子列領域の中
央に位置する２つの受光素子列間に測光素子を設ければ
、受光素子列領域の中央で測光を行えるので、好適な露
光制御が可能になる。

又、各シフトレジスタを対応する受光素子列に沿って形
成する場合、上記測光素子の両側において、それぞれ各
受光素子列に対応するシフトレジスタを各受光素子列の
測光素子と反対側、つまり基板の外方側に沿って形成す
れば、測光素子の介設される２つの受光素子列間にはシ
フトレジスタは配置されないので、受光素子列の配列を
乱すことなく受光素子列領域に測光素子を容易に組み込
むことができる。

丁ｌこ　　　ｌ−λ−泪１１＃−麦竿木宵填　ト２−盲
暢儒ｕＷｌｌｌ各測光素子に対し上記直線上の中心から
離間するにつれて小さくなる係数を設定し、各測光素子
出力とそれに対応する係数の乗算値を加算した値を全測
光素子出力とすれば、全測光出力に対し直線上の中心に
位置する測光素子の出力が大きく反映されるので、一層
良好な測光が可能となる。これについては、上記直線上
の中心から離間するにつれて測光素子の面積を次第に減
少させることによっても同等の効果を得ることができる
。

なお、上記測光素子は受光素子と同一の製造工程で製造
できるので、測光素子を受光素子と同一半導体基板上に
設けることによって、半導体基板の製造工数が増すこと
はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る撮像用半導体装置の
正面説明図、 第２図は第１図の装置の動作タイミングを示すタイムチ
ャート、 第３図は本発明の第２実施例に係る撮像用半導体装置の
動作タイミングを示すタイムチャート、第４図は本発明
の第３実施例に係る撮像用半導体装置の正面説明図、 第５図は従来の固体撮像装置における撮像用半導体装置
の正面説明図、 第６図は従来の固体撮像装置の側面説明図である。 ｌ・・・半導体基板、２・・・受光素子列、２ａ・・・
受光素子、 ３・・・垂直シフトレジスタ（シフトレジスタ）、１２
・・・測光素子。 特許出願人　オリンパス光学工業株式会社ほか１名 代　理　人　弁理士　青白　葆　ほか１名第２図 りい□に、□よ― 第３図 りい１□ニ、２ニー 第４図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上にそれぞれ複数の受光素子を列状に
   配列してなる複数の受光素子列及び各受光素子列に対応
   して設けられ各受光素子列から転送された信号電荷を順
   次出力部へ転送する複数のシフトレジスタを形成すると
   ともに、該半導体基板上における受光素子列領域内に測
   光素子を設け、該測光素子により受光素子列への露光量
   を検出して各受光素子列から各シフトレジスタへの信号
   電荷の転送を規定するようにしたことを特徴とする撮像
   用半導体装置。
2. （２）各シフトレジスタが対応する受光素子列に沿って
   形成された特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）いずれか２つの隣接する受光素子列間に測光素子
   が設けられた特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の
   装置。
4. （４）受光素子列形成領域の中央に位置する２つの受光
   素子列間に測光素子が設けられた特許請求の範囲第３項
   に記載の装置。
5. （５）測光素子の両側においてそれぞれ各受光素子列に
   対応するシフトレジスタが各受光素子列の基板外方側に
   沿って形成された特許請求の範囲第２〜４項のいずれか
   に記載の装置。
6. （６）測光素子が直線上に複数個配列されるとともに各
   測光素子に対し上記直線上の中心から離間するにつれて
   小さくなる係数が設定され、各測光素子出力とそれに対
   応する係数の乗算値を加算した値が全測光素子出力とさ
   れる特許請求の範囲第３〜５項のいずれかに記載の装置
   。
7. （７）測光素子が直線上に複数個配列されるとともに上
   記直線上の中心から離間するにつれてその面積が小さく
   され、各測光素子出力の和が全測光素子出力とされる特
   許請求の範囲第３〜５項のいずれかに記載の装置。
8. （８）各受光素子及びシフトレジスタが電荷結合素子に
   より形成された特許請求の範囲第１〜７項のいずれかに
   記載の装置。