JP2660596B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電荷結合型固体撮像デバイスをイメージセ
ンサに適用する撮像装置に関し、特に、高輝度の被写体
光学像を効果的に撮像するためのデバイス技術及び回路
技術に関する。

［従来の技術］ 従来の撮像装置を、電子スチルカメラ等の静止画撮像
装置について述べると、イメージセンサとして電荷結合
型固体撮像デバイスを適用し、該固体撮像デバイスの受
光領域の前面に絞り機構、シャッター機構及び撮像レン
ズ等の撮像光学系が配置され、これらの撮像光学系を通
ってきた被写体光学像を該受光領域中にマトリクス状に
配列・形成された複数の光電変換素子で受光するように
構成されている。

更に、受光領域中に形成された上記複数の光電変換素
子に隣接して電荷転送路が形成されており、露光によっ
て光電変換素子に集積した画素信号を該電荷転送路を介
して走査読出しする。

尚、絞り機構及びシャッター機構は、被写体の輝度及
び移動速度に対して最適の撮像状態から得られるよう
に、絞りの開口量及びシャッター速度を制御する。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来の撮像装置では、前記高輝度の被写体を
撮像する場合、下記の理由により撮像精度が低下する問
題があった。

即ち、機械式の絞り機構は、開口量を小さくするにし
たがって絞り精度が低下するという機構的な課題があ
り、又、機械的なシャッター機構には高速のシャッター
開閉動作に限界がある等の問題に起因して、高精度の露
光制御を実現することが困難であった。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みて成され
たものであり、特に、機械式絞り機構の精度に依存する
ことなく高輝度被写体の撮像を行い得る撮像装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために本発明は、電荷結合
型固体撮像デバイスを用いて撮像を行う撮像装置におい
て、前記シャッター機構が開放動作する露光期間に、前
記電荷転送路へ混入するスメア成分を、前記シャッター
機構が閉じた後に画素信号として読み出すための駆動信
号を供給する手段を有することとした。即ち、例えば光
電変換素子が形成されるＰウエル中に発生して電荷転送
路に漏れ込む電荷、更に前記信号電荷を転送する電荷転
送路へ乱反射等によって漏れ込むスメア成分を画素信号
として読み出すことで撮像を実現する。

［作用］ このような制御手段を有する本発明によれば、露光期
間中に光電変換素子に発生する信号電荷量に比較して転
送チャンネルに漏れ込むスメア成分の電荷量は極めて微
量であるため、信号電荷量と光電変換素子以外から発生
する電荷量との倍率に対応してシャッタ時間を長時間開
放又は絞り径を大きくすることができ、機械的な精度に
影響されなくなる。従って、高輝度被写体の低速シャッ
ター撮像及び高精度の露光制御が可能になる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明による撮像装置の実施例
を説明する。尚、第１図は電荷結合型固体撮像デバイス
の概略構成図、第２図は受光領域の一部平面図、第３図
は電荷結合型固体撮像デバイスの要部の縦断面図、第４
図はポテンシャルレベルの制御を説明する模式的縦断面
図、第５図は電子スチルカメラの概略構成図である。

本実施例の特徴は、画素に相当する光電変換素子に発
生した信号電荷を映像信号として使用せず、光電変換素
子以外の領域に発生したスネア成分を利用して映像信号
を得るようにした構成にあるが、説明の便宜のため第１
図を参照して電荷結合型固体撮像デバイス全体の構成を
説明し、次いで回路構成及び作用を説明する。

この電荷結合型固体撮像デバイスはインターライン方
式のデバイスであり、例えば電子スチルカメラの撮像光
学系を介して結像する被写体光学像を受光領域１で受光
する。そして、受光領域１にマトリクス状に配列・形成
されているフォトダイオード等の光学変換素子群に発生
した信号電荷を、走査回路２から所定タイミングで供給
される４相駆動信号φ1,φ2,φ3,φ４に同期して電荷転
送路が読み出すように構成されている。

３は水平電荷転送路であり、受光領域１中の上記電荷
転送路から転送されてくる信号電荷を２相駆動信号φ1
1,φ12に同期して出力端子４へ直列に転送する。

更に、第２図を参照して受光領域１の構造を詳述する
と、半導体基板の表面側に形成されたＰ形不純物層（Ｐ
ウエル）内に複数のｎ形不純物層をマトリクス状に形成
することにより、複数のフォトダイオードPd11〜Pd1n、
Pd21〜Pd2n、Pd31〜Pd3n……が形成されている。

これらのフォトダイオード（以下、Pdijで総称する）
の間には、信号電荷を転送するための複数の電荷転送路
L1,L2,L3……（以下、Ljで総称する）が形成されてい
る。又、それぞれのフォトダイオードPdijと電荷転送路
Ljを除く図中の点線で囲まれた斜線部分がチャンネルス
トッパとなっている。

電荷転送路Ljの上面には、水平方向に伸びるポリシリ
コン層からなる複数の転送電極G1,G2,G3……（以下、Gj
で総称する）が並設され、相互に隣接する４本の転送電
極を１組として後述する所定タイミングの４相駆動方式
に基づく駆動信号φ１〜φ４が印加される。即ち、各列
に沿って並ぶフォトダイオード（例えば、Pd11,Pd12,Pd
13……Pd1n）に対して２本の転送電極（例えばG1,G2）
が対応づけられており、相互に隣接する転送電極は部分
的に重なり合って不要のポテンシャル障壁ができないよ
うにしてある。尚、各フォトダイオードPdijに発生する
信号電荷は、トランスファーゲートTg11,Tg12,Tg13……
を介して対応する電荷転送路Ljへ出力されるようになっ
ている。

次に、第３図に基づいて受光領域１の断面構造を説明
する。

即ち、ｎ形基板11の表面にＰ形拡散領域12（以下、Ｐ
ウエルという）が形成されている。Ｐウエル12中にフォ
トダイオードPdが形成され、Ｐウエル12とｎ形基板11と
の間に逆バイアス電圧を印加し、Ｐウエル12を空乏化し
ている。

又、Ｐウエル12中には前記電荷転送路Ljが形成され、
その上部にはポシリコン層からなる前記転送電極Gj、ア
ルミ遮閉板13が形成されている。そして、前記フォトダ
イオードPdと電荷転送路Ljとの間にはトランスファーゲ
ートTGが形成され、フォトダイオードPdに発生した信号
電荷を電荷転送路Ljに転送するように構成されている。
尚、第３図でフォトダイオードPdの左側および電荷転送
路Ljの右側には、それぞれチャンネルストップ14が形成
されている。

次に、受光時のポテンシャル井戸について説明する。
光学的被写体像である光ｈνがフォトダイオードPdに入
射すると、フォトダイオードPdに信号電荷が集積する。
通常の撮影時には、蓄積された信号電荷をトランスファ
ーゲートTGを介して電荷転送路Ljに転送する。そして、
電荷転送路Ljのポテンシャル井戸を第３図で点線で示し
た深さから実線で示した深さに制御して信号電荷を蓄積
した後、第１図について説明したように駆動信号φ１〜
φ４により水平電荷転送路３方向に順次転送して読み出
す。

前記通常の撮像時に対し、高精度・高輝度被写体撮像
時には下記のような受光並びに電荷転送を行う。

即ち、高輝度被写体を撮像する時は、電荷転送路Ljの
ポテンシャル井戸を第３図に実線で示すように予め所望
深さに設定しておく。但しこの設定は、電荷転送路Ljの
全経路にわたって行うのではなく、第４図に示したよう
に間欠的に設定する。

受光時には光ｈνがフォトダイオードPdに入射すると
共に、漏洩光が電荷転送路Ljに入射する。フォトダイオ
ードPdに信号電荷が発生するものの、トランスファーゲ
ートTgを駆動しないので、フォトダイオードPdに発生し
た信号電荷は電荷転送路Ljに転送されない。一方、フォ
トダイオードPdに入射光があると、フォトダイオードPd
の下部のＰウエル12中に不要電荷が発生する。又、電荷
転送路Ljに入射する漏洩光によって、垂直電荷転送路Lj
中にも不要電荷が発生する。これらの不要電荷は、本発
明でいう信号電荷以外の電荷に相当するものであり、従
来はスメアの原因になるものとしてｎ形基板11に掃き出
されていたものである。

しかし、本実施例では掃き出されていた不要電荷、換
言すれば信号電荷以外の電荷を積極的に利用することに
より、高輝度の被写体を高露光精度で撮像することを可
能にする。

もし仮りに、シャッタ速度を1/60sec、F5.6、光量400
0Luxの条件で出力100％の映像が得られる固体撮像デバ
イスの信号電荷に対し、不要電荷（スメア成分）が0.1
％であったとすると、不要電荷に対し信号電荷は1000倍
である。従って、不要電荷により映像を得るためのシャ
ッタスピードは、1/60sec×1000で決定されるようにな
り、16.7secの長時間ロングシャッタが可能になる。
又、同様に、絞りを開けてもよい。同様にして、信号電
荷に対し不要電荷が0.01％の固体撮像デバイスでは、10
000倍のシャッタスピートになり、167secの長時間ロン
グシャッタが可能になる。同様に絞りを開けてもよい。
このように本実施例では、不要電荷を利用して高精度な
露光及び高輝度被写体撮影を行うのであるが、これは電
荷転送路Ljのポテンシャル井戸を制御することにより可
能になる。

即ち、駆動信号φ１〜φ４のレベルを固定することに
よって、電荷転送チャンネルLjのポテンシャル井戸を第
４図に示すように間欠的に深くし、且つトランスファー
ゲートTgをハイレベルにする。この結果、絞り機構、シ
ャッタ機構を開いた状態でフォトダイオードPdに光ｈν
が入射しても、フォトダイオードPdに蓄積された信号電
荷が電荷転送路Ljに転送されなくなる。

一方、露光期間中に、Ｐウエル12に発生した電荷は電
荷転送路Ljに流れ、漏洩入射光に対応して電荷転送路Lj
に発生した電荷とともに蓄積される。

しかし、駆動信号φ１〜φ４の位相を変えない限り、
電荷転送路Ljは電荷転送を行わないので、電荷転送路Lj
に蓄積される電荷量は次第に増加する。所定時間経過後
にシャッタ機構を閉じると、これに連動して駆動信号φ
１〜φ４がパルス状に順次レベル変化し、第４図につい
て説明すれば電荷転送路Ljの内、駆動信号φ2,φ４を印
加した電極下のポテンシヤル井戸が深く制御され、駆動
信号φ1,φ３が印加された電極下に蓄積されていた電荷
が転送される。このような電荷転送が各電荷転送路Ljに
ついて行われ、第１図で説明したように水平電荷転送路
３に転送される。

フォトダイオードPdに蓄積されている信号電荷につい
ては、当業者間に知られたVOD構造によってｎ形基板11
に掃き出すようにする。即ち、ｎ形基板11に通常動作時
に対し高レベルの電圧を印加し、フォトダイオードPdを
構成するｎ層、Ｐウエル12、ｎ形基板11とでnpnトラン
ジスタと同様の構造を実現し、信号電荷をｎ形基板11に
掃き出すようにする。この際、フォトダイオードPd下部
のポテンシャルはその周囲、即ち、チャンネルストップ
14の領域や電荷転送路Lj下部のポテンシャルより高いの
で、信号電荷が電荷転送チャンネルLjに流入しない。

次に、前記高輝度被写体の撮像を行う得る機能を有す
る電子スチルカメラの一例を説明する。

第５図は電子スチルカメラの概略構成図である。

この電子スチル・カメラでは、イメージセンサ21とし
て前記構成のものが設けられている。電荷結合型固体撮
像デバイス21は、シャッタ機構22が開閉する間に撮像レ
ンズ23、絞り機構24、ビームスプリッタ25を通ってきた
被写体光を受け、光学画像を電気信号に変換して映像信
号処理回路30に出力する。

シャッタ機構22及び絞り機構24は、電荷結合型固体撮
像デバイス21への露光量を調節するために設けられてい
る。この露光量を決めるために、ビームスプリッタ25に
よって取り出された被写体光の一部は受光素子26に導か
れ、受光素子26からの出力は露光制御回路27に入力され
る。露光制御回路27は、受光素子26からの信号出力に基
づき、被写体輝度に対応した絞り値とシャッタ秒時とを
演算し、絞り機構24とシャッタ機構22の駆動を制御す
る。尚、露光制御回路27の作動は、マイクロコンピュー
タで構成されたシステムコントローラ28によって制御さ
れる。

ここで高輝度被写体撮影について述べる。電荷結合型
固体撮像デバイス21において、各フォトダイオードに発
生する信号電荷と前記Ｐウエル12及び電荷転送路Ljから
発生する電荷との比は一定である。従って、露光制御回
路27及びこれを管制するシステムコントローラ28につい
て高輝度被写体撮影の切り換えを行えば、電荷の量が例
えば前例のように1000倍であれば、受光素子26からの信
号出力に基づきシャッタ時間を1000倍に設定する。この
際、シャッタ時間を前記よりも短くして絞りを開いても
よい絞り値も設定されるが、通常撮影と同様の絞り値で
よい。

又、この電子スチルカメラには、クイックリターンミ
ラーやペンタプリズムからなるファインダー光学系も組
み込まれているが、図面の煩雑化を避けるためにこれら
の図示は省略してある。

システムコントローラ28は、露光制御回路12の他にCC
D駆動回路29、映像信号処理回路30、記録制御回路31の
作動を制御する。即ち、レリーズボタン32aの半押し信
号がレリーズ操作検出回路32からシステムコントローラ
28に供給されたとき、システムコントローラ28は露光制
御回路27に測光タイミング信号を出力する。これによ
り、露光制御回路27は受光素子26から被写体輝度情報を
取り込み、絞り値、シャッタ秒時を算出する。この算出
は、ロングシャッタ時も同様に行われる。

更に、レリーズボタン32aが押圧された信号がレリー
ズ操作検出回路32からシステムコントローラ28に入力さ
れると、露光制御回路27で算出された絞り値、シャッタ
秒時にしたがって絞り24、シャッタ22が駆動され、電荷
結合型固体撮像デバイス21には適正な露光量で被写体光
が照射されるようになる。

CCD駆動回路29は、システムコントローラ28からのタ
イミングクロックTPに同期して電荷結合型固体撮像デバ
イス21を駆動する。このタイミングクロック1/60秒、即
ち標準テレビジョン方式における１垂直走査期間（１フ
ィールド期間;1V）に等しい周期を有している。

この電子スチル・カメラは、フレーム撮像方式で映像
信号を取り込むために、CCD駆動回路29は電荷結合型固
体撮像デバイス21に対して第１フィールドパルスＦSA、
第２フィールドパルスＦSB、垂直転送パルスφｖ（前記
駆動信号φ１〜φ４に相当）、水平転送パルスφＨ（前
記駆動信号φ11〜φ12に相当）を供給する。そして、第
１フィールドパルスＦSA、第２フィールドパルスＦSBの
各々は、前記タイミングクロックTPの２倍の周期に等し
く、互いに位相が半周期ずれている。又、垂直転送パル
スφｖ、水平転送パルスφＨの各々は、タイミングクロ
ックTPの１周期（1V）の間に、電荷結合型固体撮像デバ
イス21から各フィールド毎の映像信号を送り出す。

映像信号処理回路30は、電荷結合型固体撮像デバイス
21からシリアルに出力されてくる映像信号を、例えばNT
SC方式に準拠した出力信号に変換する。こうして得られ
た出力信号は、記録制御回路31によって制御されるバッ
ファ回路33を介して記録装置34に供給される。記録装置
34には、例えばバッファ回路33から供給されてくる出力
信号をディジタル変換した後、カード型の半導体メモリ
に書き込む装置からなり、これにより静止画像の映像デ
ータを記録しておくことができるようになる。尚、前記
記録装置34として、スチルビデオフロッピーに前記出力
信号を磁気記録するディスク装置を用いてもよい。

尚、本発明は、適宜の電荷結合型固体撮像デバイスに
適用することができる。又、スメア成分の電荷によって
のみ撮影の効果を得るためには、半導体基板側からの暗
電流の影響を低減することが好ましいので、電荷転送路
を出来るだけ半導体基板の表層部分に形成することが効
果的である。

又、この本発明は、カラー撮像を行う電荷結合型固体
撮像デバイスに適用することができる。

［発明の効果］ 以上に説明したように、本発明に係る撮像装置は、イ
メージセンサの光電変換素子に発生する信号電荷に対し
所定比で発生する信号電荷以外のスメア成分の電荷によ
り撮影を行うようにしたものである。従って、機械的構
造の絞り機構によりイメージセンサの受光を厳格に調節
することなく、前記所定比に対応してシャッタ時間を長
くすることができるので、高精度の高輝度被写体撮影が
可能になり、撮像装置の多目的利用を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明を適用した撮像装置の実施例を
示すものであって、 第１図はイメージセンサの概略構成図、 第２図は受光領域の要部の平面図、 第３図はイメージセンサの受光領域の縦断面図、 第４図は電荷転送路のポテンシャル井戸の制御を示す模
式的断面図、 第５図は電子スチルカメラの概略構成図である。 図中の符号； １……受光領域、 ２……走査回路、 ３……水平電荷転送路、 ４……出力端子、 11……ｎ形基板、 12……Ｐウエル、 13……遮閉板、 14……チャンネルストッパ、 21……電荷結合型固体撮像デバイス、 22……シャッタ機構、 23……絞り機構、 27……露光制御回路、 28……システムコントローラ、 Pd……フォトダイオード、 Lj……電荷転送路、 φｖ、φＨ……駆動信号、 ｈν……入射光。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シャッター機構と絞り機構を通ってくる被
   写体光学像を、電荷結合型固体撮像デバイスの受光領域
   に形成された複数の光電変換素子によって撮像し、これ
   らの光電変換素子に発生した画素信号を電荷転送路を介
   して走査読出しする撮像装置において、 前記シヤッター機構が開放動作する露光期間に、前記電
   荷転送路へ混入するスメア成分を、前記シャッター機構
   が閉じた後に画素信号として読み出すための駆動信号を
   供給する手段を有することを特徴とするデジタル電子ス
   チルカメラ。