JP2000358198A - 固体撮像装置 - Google Patents
固体撮像装置Info
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
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- Signal Processing (AREA)
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Abstract
ができる、平面構成の固体撮像装置を提供する。 【解決手段】 1つの画素領域PJ,Kは9つの小ブロッ
クに区分されており、1つのブロックはフォトダイオー
ド12Aとパルス発生器20Aを含む。他の8つのブロ
ックは、第1ビット出力〜第8ビット出力を得るための
カウンタ51〜58をそれぞれ含む。カウンタ51〜5
8から得られた第1ビット出力〜第8ビット出力は、水
平走査回路34によるON/OFF制御に従い、スイッ
チSWを介して外部に出力される。垂直走査回路44
は、固体撮像装置SIDに含まれる行方向の画素領域群
を選択する。
Description
気信号を直ちにデジタル信号として取り出す固体撮像装
置に関するものである。
て信号伝送や各種の信号処理を行うことにより、SN比
の劣化を極めて少なくすることができる。かかる観点か
ら、撮像装置においても、できるだけ初期の信号処理段
階にて映像信号をデジタル化し、その後に各種の処理を
行おうとする試みがなされている。
変換された信号を、できるだけ早くデジタル信号に変換
する場合でも、固体撮像素子の画素から得られる各々の
アナログ情報を時系列のアナログ情報として一度素子外
に取り出した後に、AD(アナログ・デジタル)変換器
によりデジタル信号に変換していた。
う以前の撮像素子におけるアナログ信号処理は従来通り
であり、そこでの問題は何ら解決されずに残ることにな
る。すなわち、各種の雑音が重畳してSN比を十分に高
めることができないなど、良好な撮像ができないという
欠点がみられた。
された画素毎の電気信号を、デジタル信号に直接変換し
て信号処理するよう構成した固体撮像装置が本出願人に
より既に提案されている(特公平7−99868号「固
体撮像装置」)。
るフォトン(光子)の数をデジタル的に計測して、画素
ごとのデジタル信号を送出するものであって、図1に示
すような構成を備えている。すなわち、まず複数の光セ
ンサ部8Aを直線状に配置してラインセンサを形成し、
このラインセンサを約10μmの厚さに薄片化して、所
定枚数だけ垂直方向に貼り合わせることにより、2次元
像の撮像が可能な固体撮像装置を構成している。ここ
で、垂直走査回路16は、各ラインセンサ毎に備えられ
ている水平走査回路14のいずれか一つを指定して水平
走査線を特定する機能を果たしている。
上に光センサ部8Aをマトリクス状に配列するにあた
り、各々のラインセンサ相互を電気的に絶縁して重ね合
わせることにより、通常の2次元走査を可能にしてい
る。
示したような従来の固体撮像装置は、2次元像の撮像を
行うためには、薄片化したラインセンサを電気的に絶縁
しながら積み重ねなければならないので、高度な技術を
要するばかりでなく、生産効率も上がらないという問題
がある。
ねることなく2次元像の撮像を可能にするために、平面
基板上に、光センサ部・カウンタ・水平走査回路・垂直
走査回路等を全て実装した平面構成を採ることを考え
た。
は、1画素に対応する平面領域中に、光センサおよびそ
の他の多数の回路を含ませなければならないので、入射
光を直接検出するための面積、すなわち開口部の比率が
非常に小さくなってしまうという問題が生じる。
鑑み、高度な技術を要することなく、生産効率の向上を
可能とした、平面構成の固体撮像装置を提供することに
ある。
開口部の比率を上げることができる、平面構成の固体撮
像装置を提供することにある。
めに、本発明に係る固体撮像装置は、入射フォトン数に
応じたパルス状信号を送出する受光手段を、平面基板上
に2次元的に、複数個配列してなる固体撮像装置であっ
て、1画素に対応する平面領域内に、前記受光手段と、
前記受光手段から送出されたパルス状信号を計数する手
段とを配置したものである。
に加えて、前記受光手段の開口率を上げる手段を備える
ことも可能である。ここで、前記受光手段の開口率を上
げる手段として、撮像面を形成する複数の画素領域と、
これら画素領域のそれぞれに対応する前記受光手段とを
接続する光ファイバを用いることができる。また、前記
受光手段の開口率を上げる手段として、撮像レンズの後
段に配置した拡大光学系と、該拡大光学系からの出力光
を導入するために前記受光手段の入射表面に貼り付けた
マイクロレンズとを用いることも可能である。さらに、
前記受光手段の開口率を上げる手段として、1画素領域
の全入射表面にわたって光電変換膜を貼付し、該光電変
換膜と前記受光手段との間に電荷収集用電極を配置する
ことも可能である。
まず本実施の形態における回路構成を説明し、その後
に、具体的な基板上の画素配置について説明する。
の光検知回路を示す。本図において、12Aは光検出素
子であるフォトダイオード、11Aは蓄積電荷を放電す
るためのFETスイッチ、9Aは放電時定数決定用のオ
ン(ON)抵抗である。20Aはパルス発生回路であ
り、フォトダイオード12Aからの出力電圧がスレッシ
ュホールド電圧を超えた時にパルスを出力すると共に、
フォトダイオード12Aを初期状態に戻すためのリセッ
トパルスを発生する。51〜58は、第1ビット出力〜
第8ビット出力を得るための2進カウンタである。
路を含んだラインセンサを示す。本図は、通常のICプ
ロセスに従って単一の基板上にラインセンサを構成する
態様を表している。
電時定数を決めるオン抵抗、20A〜20Nはパルス発
生回路、30A〜30Nはパルス発生回路20A〜20
Nからそれぞれ送出されるパルス信号をカウントするカ
ウンタ回路(具体的には、フリップフロップを縦続接続
してある)である。
り、これらのフォトダイオードはフォトンが到来する受
光面上に1列に配列してある。なお、これらフォトダイ
オード12A〜12Nの替わりに、光導電膜などの光電
変換素子あるいは高速光電子増倍素子(例えば、アバラ
ンシェフォトダイオード、または光電面とマイクロチャ
ンネルプレートの組合わせ等)から成る光検出素子を用
いることも可能である。
ド12A〜12Nに蓄えられた電荷をリセットするため
の放電用のスイッチである(具体的には、図2に示した
ように、FETスイッチを用いる)。24は水平走査回
路であり、カウンタ回路30A〜30Nからデジタル計
数値を逐次読み出すと同時にリセットを行う。この読み
出しを行う為の方法として、従来から知られているアド
レススイッチング手法を用いるのが好適である。
合は、まず1フレーム時間に相当する1/30秒間につ
いて、入射フォトン数に対応したパルス信号をカウンタ
回路30A〜30Nに導入し、カウントが終了した時点
で水平走査回路24を用いて、これら各カウンタ回路3
0A〜30Nからそれらの計数値を逐次読み出す。そし
て、計数値の読み出し後に各カウンタ回路30A〜30
Nを零にリセットし、以下同じ動作を繰り返す。このこ
とにより、受光面における照度を各画素単位でデジタル
信号に直接変換し、出力することができる。
に配置することにより、2次元センサを構成する(図示
せず)。
模式的に示した平面図である。本図において、SIDは
平面基板上に形成された固体撮像素子(Solid Imaging
Device)であり、マトリクス状に配置されたM行N列の
画素領域P1,1〜PM,Nを含んでいる。本図の右側には、
1つの画素領域PJ,Kを拡大して描いてある。また、3
4は水平走査回路、44は垂直走査回路、SWは水平走
査回路34により制御されるスイッチである。
域PJ,Kは9つの小ブロックに区分されており、中央の
ブロックにはフォトダイオード12Aとパルス発生回路
20A(図2参照)が含まれている。そして、上記中央
のブロックを取り囲む8つの周辺ブロックには、それぞ
れ、第1ビット出力〜第8ビット出力を得るためのカウ
ンタ51〜58(図2参照)が含まれている。これらカ
ウンタ51〜58から得られた第1ビット出力〜第8ビ
ット出力は、水平走査回路34によるON/OFF制御
に従い、スイッチSWを介して外部に出力される。この
とき、垂直走査回路44は、本固体撮像素子SIDに含
まれる行方向(図4の横方向)の画素領域群を選択す
る。すなわち、水平走査回路34と垂直走査回路44に
より1つの画素領域PJ,Kが選択され、この画素領域P
J,Kから各ビット出力が得られる。
画素領域群が選択される状態を説明した図である。本図
において、図4と同じ構成要素には、同じ符号を付して
ある。この図5から明らかなように、各カウンタ51〜
58の出力端と出力取り出し線との間にはFETスイッ
チがそれぞれ接続されており、垂直走査回路44から出
力されるゲート制御信号により各FETスイッチがON
/OFFされる。かくして、選択された特定の画素領域
PJ,Kからは、第1ビット出力B1〜第8ビット出力B
8がスイッチSW(図4)に供給される。図6は、この
状態を別の視点から描いたものである。
域内の中央部に受光手段を配置し、その受光手段を取り
囲むように受光手段から送出されたパルス状信号を計数
する手段を配列した例を説明したが、配列のやり方はこ
れに限られるわけではなく、さまざまなバリエーション
が考えられる。
び他の複数の回路を平面的に構成することにより、第1
ビット出力B1〜第8ビット出力B8から成る並列信号
を画素毎に順次(すなわち時系列的に)出力することが
できる。
撮像素子SIDそのものについて述べたものであるが、
図4〜図6に示した平面構成だけでは、撮像素子として
の開口率が限定されてしまう。
より開口率を上げるために、図7に示すように、光電変
換膜70を固体撮像素子SIDの入射光線側に貼り付け
ることにより、実質的な開口率を100%にしている。
すなわち、フォトダイオード12Aの上に電荷収集用の
画素電極72を設けると同時に、その画素電極72の上
に光電変換膜70を積層したものである。
換膜70で変換された電子(または正孔)をフォトダイ
オードの部分のみに集めることができ、光信号を無駄な
く利用することができる。
ンズも大型のものが必要となる。一方、撮像装置全体を
敢えて大型化するという考え方はあり得ないので、撮影
レンズの後段に拡大光学系を用いるという発想はなかっ
た。しかるに、画素単位毎に処理を行うようにした本撮
像素子SIDでは、1画素領域の面積に対して、フォト
ダイオード(感光部)の占める割合が非常に小さくなる
ので、それと共に撮像素子自体が大型化してしまうこと
になる。この場合には、大型の撮影レンズを用いればよ
いのであるが、レンズ自体が大きくなり、特殊なものを
設計しなければならないことになる。
図8に示すように、撮像素子SIDの前段側に拡大光学
系68を設け、さらに撮像素子SIDの直前にマイクロ
レンズ66を設けることにより、1画素領域に入射した
光をフォトダイオード(感光部)のみに集中させる構成
としてある。
小型のものを用いて通常の焦点面を小さくしたまま、撮
像素子SIDの大きさに見合った拡大光学系68で像を
拡大し、さらに1画素領域内の必要な部分にだけ光を集
めるために、画素単位にマイクロレンズ66を設ける。
いる小型の撮影レンズ60を利用でき、かつ入射光も無
駄なく利用できるため、外見上は小型の撮像素子で撮影
し、別の処理回路で画像処理したのと同等の効果が得ら
れる。その上、1画素内での画像処理を自由に行えると
いう大きなメリットが付加される。
れた映像を拡大光学系68で必要な大きさまで拡大し、
その後マイクロレンズ66によってフォトダイオード部
分に集光させることにより、各画素内の光感度のある部
分のみに光情報を集めることができると同時に、撮影レ
ンズは通常の一般的な小型レンズを使用できる、という
格別な効果が得られる。
は、「通常の焦点面」と記載してある)から撮像素子S
IDまでの距離が長くなるという問題がある。
を小型化するため、図9に示すように、光ファイバOP
TFの一方の端面を撮像素子SIDの各画素領域のフォ
トダイオードに接続し、かつ各光ファイバOPTFの相
対的位置関係が変わらないように、他方の端面をできる
だけ小さく束ね、その面を撮像面とする。これにより、
撮像面を小さくできるので、従来の小型撮影レンズ60
を使うことができると共に、入射光を無駄なく各画素の
受光部(フォトダイオード)に導くことができる。その
結果として、撮影レンズ60と撮像素子SIDとの間の
距離を、図8の場合より短くすることが可能である。
イバOPTFの一方の端面を画素領域のピッチに等しく
配置し、他方の端面をできるだけ小面積に配列した構成
としてあるので、受光面に入射した光は各々の光ファイ
バOPTFを通り、所定のフォトダイオードに無駄なく
導かれる。
度な技術を要することなく、生産効率の向上を可能とし
た、平面構成の固体撮像装置を実現することができる。
ず開口部の比率を上げることができる、平面構成の固体
撮像装置を実現することができる。
示す回路図である。
インセンサの構成図である。
た平面図である。
た平面図である。
た平面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 入射フォトン数に応じたパルス状信号を
送出する受光手段を、平面基板上に2次元的に、複数個
配列してなる固体撮像装置であって、 1画素に対応する平面領域内に、前記受光手段と、前記
受光手段から送出されたパルス状信号を計数する手段と
を配置したことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載の固体撮像装置におい
て、さらに加えて、 前記受光手段の開口率を上げる手段を備えたことを特徴
とする固体撮像装置。 - 【請求項3】 請求項2に記載の固体撮像装置におい
て、 前記受光手段の開口率を上げる手段として、撮像面を形
成する複数の画素領域と、これら画素領域のそれぞれに
対応する前記受光手段とを接続する光ファイバを用いた
ことを特徴とする固体撮像装置。 - 【請求項4】 請求項2に記載の固体撮像装置におい
て、 前記受光手段の開口率を上げる手段として、撮像レンズ
の後段に配置した拡大光学系と、該拡大光学系からの出
力光を導入するために前記受光手段の入射表面に貼り付
けたマイクロレンズとを用いたことを特徴とする固体撮
像装置。 - 【請求項5】 請求項2に記載の固体撮像装置におい
て、 前記受光手段の開口率を上げる手段として、1画素領域
の全入射表面にわたって光電変換膜を貼付し、該光電変
換膜と前記受光手段との間に電荷収集用電極を配置した
ことを特徴とする固体撮像装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP11168897A JP2000358198A (ja) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | 固体撮像装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP11168897A JP2000358198A (ja) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | 固体撮像装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2000358198A true JP2000358198A (ja) | 2000-12-26 |
Family
ID=15876603
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11168897A Pending JP2000358198A (ja) | 1999-06-15 | 1999-06-15 | 固体撮像装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JP2000358198A (ja) |
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-
1999
- 1999-06-15 JP JP11168897A patent/JP2000358198A/ja active Pending
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