JP2003219274A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
固体撮像素子及び撮像装置Info
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Abstract
用途に用いられる複数の光電変換領域と、前記光電変換
領域が形成されている半導体基板の温度温情を得る温度
回路とを有する固体撮像素子であって、前記固体撮像素
子外部へ信号を出力する第1の端子を有し、前記複数の
光電変換領域からの信号と、前記温度測定回路からの信
号は、共通の前記第1の端子から出力されることを特徴
とする固体撮像素子を提供する。
Description
号を受光する固体撮像素子及びそれを用いた撮像装置に
関するものである。
を配置した光電変換領域やフォトダイオ−ドからの信号
を読み出す読み出し回路を形成した固体撮像素子(例え
ば、測定用のAFセンサ)は、周囲温度の影響によっ
て、特性が変化する。
子の温度を測定する温度測定回路を有している。
のAFセンサ等の異なる用途のセンサを同一の半導体基
板上に形成した固体撮像素子がある。
像素子内に光電変換領域や読み出し回路の他に温度測定
回路まで配置すると回路規模が増大する課題や、回路が
多くなり配線が増えることによるノイズ等の課題が生じ
る。
のセンサを同一の半導体基板上に形成した固体撮像素子
にも当てはまる。
めに、一手段として、各々が複数の光電変換部を有し、
異なる用途に用いられる複数の光電変換領域と、前記光
電変換領域が形成されている半導体基板の温度温情を得
る温度回路とを有する固体撮像素子であって、前記固体
撮像素子外部へ信号を出力する第1の端子を有し、前記
複数の光電変換領域からの信号と、前記温度測定回路か
らの信号は、共通の前記第1の端子から出力されること
を特徴とする固体撮像素子を提供する。
領域と、前記光電変換領域が形成されている半導体基板
の温度情報を得る温度回路と、前記光電変換領域を駆動
する駆動回路とを有する固体撮像素子であって、前記光
電変換領域からの信号を前記固体撮像素子外部へ出力す
るための第1の端子と、前記駆動回路を駆動するための
ディジタル信号を前記固体撮像素子内部へ入力するため
の第2の端子とを有し、前記光電変換領域からの信号と
前記温度測定回路からの信号は、共通の前記第1の端子
から出力されるとともに、前記第2の端子は、前記第1
の端子が配置されている辺と対向する辺に配置されてい
ることを特徴とする固体撮像素子を提供する。
なる用途に用いられる複数の光電変換領域と、前記複数
の光電変換領域を駆動する駆動回路とを有する固体撮像
素子であって、前記複数の光電変換領域からの信号を前
記固体撮像素子外部へ出力するための第1の端子と、前
記駆動回路を駆動するためのディジタル信号を前記固体
撮像素子内部へ入力するための第2の端子とを有し、前
記複数の光電変換領域からの信号は、共通の前記第1の
端子から出力されるとともに、前記第2の端子は、前記
第1の端子が配置されている辺と対向する辺に配置され
ていることを特徴とする固体撮像素子を提供する。
像素子からの信号を処理する信号処理回路とを有するこ
とを特徴とする撮像装置を提供する。
て図面を用いて詳細に説明する。
説明するための図である。
に複数の回路部を形成した固体撮像素子(CMOSプロ
セスによって形成したCMOSセンサ)、101は位相
差検出型の測距を行うための複数の光電変換部を含む光
電変換領域を有するAF回路ブロック、102は測光を
行うための複数の光電変換部を含む光電変換領域を有す
るAE回路ブロック、103は固体撮像素子の温度を監
視するための温度計回路ブロック、104は出力信号を
選択するためのマルチプレクサ(MPX)、105は蓄
積時間を制御するためのAGC回路、106は各回路ブ
ロックの基準電位を発生するための電源回路である。
O)と光電変換領域を駆動するための駆動回路であるタ
イミング発生器(T/G)で構成されるロジック回路で
ある。ここで、ロジック回路からは、シフトパルス(φ
H)を共通にAF回路ブロック101とAE回路ブロッ
クに印加するとともに、スタ−トパルスをAF回路ブロ
ックとAE回路ブロックに別々に印加する構成となって
いる。つまり、シフトパルスは、AF回路ブロックとA
E回路ブロックの両方に同時に印加されるが、スタ−ト
パルスがAF回路ブロックとAE回路ブロックに個別に
印加できるようになっているために、例えば、AF回路
ブロックからの信号を読み出した後に、AE回路ブロッ
クからの信号を読み出すことが可能となる。
幅回路、109は外部に設けられたADコンバータ内蔵
のマイコンである。
(3つの位置でオートフォーカス)を行うために、11
0のAF回路ペア3組で構成されている。110のAF
回路ペアは110Aと110Bの2つのAFリニアセン
サ回路で構成され、位相差検出方式によるオートフォー
カスを可能としている。102のAE回路ブロックは、
4分割評価測光(全体測光と3点スポット測光)を行う
ために、110のAE回路4つと、Is補償回路、信号
増幅回路、シフトレジスタで構成されている。
ニアセンサ回路(110A、110B)の具体的な回路
図を示す。同図に示したCMOSリニア型AFセンサ
は、本出願人により特開2000−180706号、特
開2000−78472号等で提案した回路である。同
図において、1は光電変換を行う光電変換部であるPN
接合フォトダイオード、2はPNフォトダイオードの電
位をVRESにリセットするリセット用MOSトランジ
スタ、3はPNフォトダイオードで発生した電荷を増幅
するための差動増幅回路、4は差動増幅回路の出力電圧
をメモリーするためのMOS容量、5はメモリスイッチ
用MOSトランジスタ、6は4のメモリーに保持された
電荷の増幅読み出しを行うためのソースフォロワ回路で
ある。ここで、6のソースフォロワ回路の出力を3の差
動増幅回路にフィードバックかけることにより、出力電
圧のオフセットバラツキとゲイン低下を抑えることが可
能となる。
力するためのMOSスイッチであり、6と7でクランプ
回路を構成している。9〜12はスイッチ用MOSトラ
ンジスタ、13は最小値検出用差動増幅器、14は最大
値検出用差動増幅器であり、それぞれの差動増幅器は電
圧フォロワ回路を構成している。15は最小値出力用M
OSスイッチ、16は最大値出力用MOSスイッチ、1
7はORゲート、18、19は定電流用MOSトランジ
スタ、20は走査回路(シフトレジスタ)である。14
の最小値検出回路には最終段がNMOSのソースフォロ
ワ回路、15の最大値検出回路には最終段がPMOSの
ソースフォロワ回路が用いられている。21は画素から
のAF信号が出力される共通出力線である。
小値検出回路の前段にフィードバック型のノイズクラン
プ回路を設けることにより、フォトダイオードで発生す
るリセットノイズと、センサアンプ、最大値検出回路、
最小値検出回路で発生するFPNの除去が可能となって
いる。また、最終出力段がソースフォロワ形式である電
圧フォロワ回路を画素毎に構成し、最大値出力時には各
電圧フォロワの出力段の定電流源をオフにして、定電流
源に接続された出力線に共通接続することにより、映像
信号の最小値を得ることができる。
ロワの出力段の定電流源をオンにして、20のシフトレ
ジスタを駆動パルス(φH,φHs)で走査させて、各
電圧フォロワ回路を出力線に順番に接続することによ
り、シリアルなAF像信号を得ることができる。この動
作により、最大値検出回路とAF像信号出力回路が兼用
となるため、チップの小型化が可能となる。
光電流対数圧縮出力型のAE回路の回路図を示す。同図
において、112はCMOS差動増幅器、113は光電
変換部であるPN接合フォトダイオード、114はPN
接合ダイオード、115はシフトレジスタで制御される
MOSスイッチである。113のPN接合フォトダイオ
ード両端の電位は基準電位Vcになるため、両端間の電
位はゼロバイアス状態となる。従って、空乏層の広がり
が抑えられるため、空乏層からの暗電流の発生が抑えら
れる。フォトダイオードで発生した光電流が114のP
N接合ダイオードを流れることにより、電流電圧変換さ
れる。
り、次式に従う対数変換出力が行われる。
/Is) ここでkはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは素電荷
量、IPは光電流、I Sはダイオードの逆方向飽和電流
である。
もばらつくことが理解できる。従って、ばらつきを抑え
るために、111のIS補正回路が必要となる。また、
上式から解るようにVOUTはTに依存するため、正確
な測光値を求めるためには、固体撮像素子の温度の正確
な測定が必須となる。
す。同図において、116はPN接合ダイオード、11
7は定電流源、118はCMOS差動増幅器である。本
実施例における温度計回路はPN接合ダイオードの内蔵
電圧の温度特性(約−2mV/℃)を利用した回路であ
り、次段のCMOS増幅回路により、R2/R1倍のゲ
インを掛けてMPXへ出力する。固体撮像素子の温度を
直接測定することで、固体撮像素子の暗電流補正のデー
タとAE回路の感度の補正データして用いること可能と
なる。それにより、高精度な測光性能と測距性能の実現
が可能となる。
温度計回路が同一半導体基板上に形成されており、それ
ぞれの回路からの出力信号をマルチプレクス回路で選択
することにより、共通の出力端子からそれぞれの信号を
固体撮像素子から時系列に出力することを特徴とする。
また、AF回路とAE回路のそれぞれのシフトレジスタ
用制御パルス(φHs、φH)を兼用させたことも特徴
である。制御パルスの兼用により、107のロジック回
路の縮小化が可能となる。
の動作シーケンスを図5の動作フローチャートを用いて
説明する。
回路ブロック(AF回路、AE回路、温度計回路他)を
スタンバイ状態とする。
ードに蓄積されている電荷のリセットを行う。
出しを行う。この温度信号読み出しと同時にAF用フォ
トダイオードでの光電荷の蓄積を開始する。また、蓄積
開始と同時に、全画素あるいは一部の画素からの最大値
信号と最小値信号のモニタによる蓄積時間制御を行う。
AGC回路において最大値信号と最小値信号の差分演算
を行い、その差信号と基準電位(VBB)の比較演算に
よりコンパレータ出力が反転するまで蓄積は続けられ
る。但し、システムで設定された最大蓄積時間に達した
場合には、コンパレータ出力が反転しない状態でも、そ
の時点で蓄積は終了される(超低輝度撮影状態の場合、
超低コントラスト被写体の場合等)。
増幅回路のゲインが決定され、AF回路ブロックからの
AF像信号を増幅して外部へ出力する。このように、蓄
積時間制御とゲイン制御により、センサのダイナミック
レンジを拡大することで幅広い輝度範囲でのオートフォ
ーカスが可能となる。
を切り替えて、AE信号の読み出しを行う。本実施の形
態では多分割AEであるため、AE用のシフトレジスタ
を駆動させて順次読み出しを行う。
を切り替えて、2度目の温度信号の読み出しを行い、そ
の後、電源を切断してセンサ動作を終了させる。
出力とAE信号出力の前と後で、計2回行う駆動である
ことを特徴とする。これはAE回路とAF回路が動作す
る前後で固体撮像素子の温度が異なることでの温度測定
誤差を低減させるためである。撮像装置の電源をオンし
た直後において固体撮像素子の温度は周囲温度と同じで
あるが、その後、消費電流による発熱により固体撮像素
子温度は上昇する。十分時間が経ち、パッケージの放熱
と固体撮像素子の発熱の均衡がとれると、固体撮像素子
温度は一定になる。
固体撮像素子の温度を推測する方法や、温度測定を一回
しか行わない場合には、固体撮像素子の測定温度に誤差
が生じる。この測定誤差を低減するためには、本実施の
形態に提案したように、固体撮像素子自身の温度を数回
測定する手段が有効となる。固体撮像素子の温度による
補正を行うためには、最も簡単には2つの温度信号の平
均値を用いてAE信号とAF信号の温度補正を行えばよ
いが、2つの温度信号に重み付けを行うことにより更に
正確な温度補正が可能となる。
度信号の出力が可能であり、小型かつ高性能な測光と測
距の両方の用途を持った固体撮像素子が実現できた。ま
た、本実施の形態における駆動により、正確な固体撮像
素子の温度測定が可能となった。
たが、CMOSセンサのみならず、例えばCCD、BA
SIS、SIT、CMD、AMI等にも当然ながら応用
可能である。
説明するための動作フローチャートである。
て温度出力を2回行っていたが、本実施の形態では温度
出力を3回行う駆動であることを特徴とする。1回目と
2回目の温度信号を用いてAF用補正データとし、2回
目と3回目の温度信号を用いてAE用補正データとす
る。本実施の形態により、更なる正確な温度補正が可能
となる。また、本実施の形態においては温度出力を3回
行っているが、4回以上読み出しても良い。
形態1と同じである。
形態1以上に正確な固体撮像素子温度出力が行える測光
と測距の両方の用途を持った固体撮像素子が実現でき
た。
説明するための固体撮像素子の回路ブロック図である。
した駆動パルスの兼用以外に、AF回路用シフトレジス
タとAE回路用シフトレジスタを兼用したことを特徴と
する。本実施例のように、駆動パルスと駆動回路を兼用
することにより、固体撮像素子の縮小がさらに可能とな
る。
回路の基準電位と温度計回路の基準電位を兼用すること
が可能であるため、電源回路の縮小化によるチップサイ
ズの縮小も同時に実現できる。
体撮像素子よりさらに縮小化された測光と測距の両方の
用途を持った固体撮像素子が実現できた。
説明するための固体撮像素子の平面レイアウトを示した
ものである。実施の形態1で説明した図1と同じ構成に
ついては、同じ番号を付している。
出力端子群、120はアナログ系の入出力端子群であ
る。119のディジタル系入出力端子は、ディジタル回
路電源用のDVDD端子と接地電位用のDGND端子、
マスタークロック入力用のMCLK端子、マイコンから
の通信信号入力用のCLK1端子とCLK2端子、マイ
コンへの通信信号出力用のMON端子から成る。
グ回路電源用のAVDD端子と接地電位用のAGND端
子、アナログ信号(AE信号、AF信号、温度信号)出
力用のSOUT端子、基準電圧モニタ用のVc端子とV
RES端子とVGR端子から成る。
z以上と高速であるため、立ち上がり時と立下り時のク
ロックノイズの影響が大きくなる。そのため、本実施の
形態において、ディジタル系の端子は固体撮像素子の上
側に配置し、アナログ系の端子は固体撮像素子の下側に
配置する(つまり、ディジタル系入出力端子を、アナロ
グ系入出力端子が設けられている辺と対向する辺に設け
る)ことで、アナログ信号へクロックノイズがのる影響
を低減している。
同様にAE信号、AF信号、及び温度信号をMPXを介
して共通の出力端子(SOUT)から固体撮像素子外部
へ出力しているため、それぞれを別々の出力端子から出
力する場合と比較して、いずれかの回路からの信号を読
み出すための配線長は、長くしなければならない(本実
施の形態では、AF回路からの信号を読み出す配線は、
引き伸ばされている)。
号を読み出す配線と、他のディジタル信号を入出力する
配線とが交差する可能性があるが、本実施の形態では、
ディジタル系の端子は固体撮像素子の上側に配置し、ア
ナログ系の端子は固体撮像素子の下側に配置するように
することによって、各回路(AE回路、AF回路、温度
計回路)からの信号を読み出す配線と、ディジタル信号
を入出力する配線とは交差することがないようにした。
とアナログ系の端子群とを対向する別々に辺に設けると
ともに、AE回路、AF回路及び温度計回路からの信号
を共通の出力端子より出力するように構成したことによ
り、ディジタル系信号とアナログ系信号の干渉がなくな
るため、ノイズの低減された出力信号を得ることが可能
となるとともに、小型化を実現することが可能となっ
た。
1、AF回路ブロック102、温度計回路103とが固
体撮像素子内に設けられた構成を説明したが、固体撮像
素子内に温度計回路を設けず、AE回路ブロックとAF
回路ブロックを設けた構成であってもよいし、また、上
記で説明したようなAE回路ブロックAF回路ブロック
を設けず、被写体画像を最終的に得るための被写体像を
撮像する撮像回路ブロック(複数の光電変換部を2次元
状に配列した構成)と温度計回路とを設ける構成であっ
ても良い。また、上記で説明したような温度計回路ブロ
ックとAF回路ブロックを設けず、AE回路ブロックと
撮像回路ブロックとを設ける構成であっても良い。
した測光回路ブロック、測距回路ブロック、及び温度計
回路を有した固体撮像素子を用いた撮像装置について説
明する。図9は、実施の形態5を説明するための固体撮
像素子をレンズシャッタディジタルコンパクトカメラ
(撮像装置)に用いた場合の一実施形態を示すブロック
図である。図8において、201はレンズのプロテクト
とメインスイッチを兼ねるバリア、202は被写体の光
学像を固体撮像素子204に結像するレンズ、203は
レンズ202を通った光量を可変するための絞り、20
4はレンズ202で結像された被写体を画像信号として
取り込むための固体撮像素子である。
説明した固体撮像素子である。例えば、図1の実施形態
のものを用いるものとする。206は固体撮像素子20
4や固体撮像素子205から出力される画像信号、測光
信号、測距信号をアナログ−ディジタル変換するA/D
変換器、208はA/D変換器207より出力された画
像データに各種の補正やデータを圧縮する信号処理部、
209は固体撮像素子204、撮像信号処理回路20
6、A/D変換器207、信号処理部208等に各種タ
イミング信号を出力するタイミング発生部、210は各
種演算とカメラ全体を制御する全体制御・演算部、21
1は画像データを一時的に記憶するためのメモリー部で
ある。
出しを行うためのインターフェース部、213は画像デ
ータの記録または読み出しを行うための半導体メモリー
等の着脱可能な記録媒体、214は外部コンピュータ等
と通信するためのインターフェース部である。
ルコンパクトカメラの撮影時の動作について説明する。
バリア201がオープンされるとメイン電源がオンさ
れ、次にコントロール系の電源がオンし、更にA/D変
換器207等の撮像系回路の電源がオンされる。
ら出力された信号をもとに三角測距法により被写体まで
の距離の演算を全体制御・演算部210で行う。その
後、レンズ202の繰り出し量を算出し、レンズ202
を所定の位置まで駆動させて合焦させる。
像素子205のAEセンサから出力された信号をA/D
変換器207で変換した後、信号処理部208に入力
し、そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部2
10で行う。
し、その結果に応じて全体制御・演算部210は絞り2
03とシャッタスピードを調節する。
子204での本露光が始まる。露光が終了すると、固体
撮像素子204から出力された画像信号はA/D変換器
207でA−D変換され、信号処理部208を通り全体
制御・演算210によりメモリー部211に書き込まれ
る。その後、メモリー部211に蓄積されたデータは全
体制御・演算部210の制御により記録媒体制御I/F
部212を通り着脱可能な記録媒体213に記録され
る。また、外部I/F部214を通り直接コンピュータ
等に入力してもよい。
はディジタルコンパクトカメラだけでなく、銀塩カメラ
等にも使用できる。
が可能となる。
る。
ローチャートである。
ャートである。
る。
る。
る。
Claims (13)
- 【請求項1】 各々が複数の光電変換部を有し、異なる
用途に用いられる複数の光電変換領域と、前記光電変換
領域が形成されている半導体基板の温度情報を得る温度
回路とを有する固体撮像素子であって、 前記固体撮像素子外部へ信号を出力する第1の端子を有
し、 前記複数の光電変換領域からの信号と、前記温度回路か
らの信号は、共通の前記第1の端子から出力されること
を特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項2】 請求項1において、前記複数の光電変換
領域は、測光用の光電変換領域と測距用の光電変換領域
であることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項3】 請求項1又は2において、前記光電変換
領域を駆動するための駆動回路と、前記駆動回路を駆動
するためのディジタル信号を前記固体撮像素子内部へ入
力するための第2の端子とを有し、前記第2の端子は、
前記第1の端子が配置されている辺と対向する辺に配置
されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項4】 請求項3において、前記駆動回路は、前
記複数の光電変換領域からの信号を出力するための複数
の走査回路に共通の駆動パルスを印加することを特徴と
する固体撮像素子。 - 【請求項5】 請求項2において、前記第1の出力端子
から温度回路からの信号、測距用の光電変換領域からの
信号、測光用の光電変換領域からの信号、温度回路から
の信号の順番に読み出すように制御する駆動回路を有す
ることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項6】 複数の光電変換部を有する光電変換領域
と、前記光電変換領域が形成されている半導体基板の温
度情報を得る温度回路と、前記光電変換領域を駆動する
駆動回路とを有する固体撮像素子であって、 前記光電変換領域からの信号を前記固体撮像素子外部へ
出力するための第1の端子と、前記駆動回路を駆動する
ためのディジタル信号を前記固体撮像素子内部へ入力す
るための第2の端子とを有し、 前記光電変換領域からの信号と前記温度測定回路からの
信号は、共通の前記第1の端子から出力されるととも
に、前記第2の端子は、前記第1の端子が配置されてい
る辺と対向する辺に配置されていることを特徴とする固
体撮像素子。 - 【請求項7】 請求項6において、前記光電変換領域用
の電源信号を前記固体撮像素子内部へ入力する第3の端
子と、前記駆動回路用の電源信号を前記固体撮像素子内
部へ入力する第4の端子とを有し、前記前記第4の端子
は、前記第3の端子が配置されている辺と対向する辺に
配置されていることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項8】 請求項6又は7において、前記第1の端
子と、前記光電変換領域及び前記温度回路とを接続する
配線と、前記第2の端子と前記駆動回路とを接続する配
線は、交差していないことを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項9】 各々が複数の光電変換部を有し、異なる
用途に用いられる複数の光電変換領域と、前記複数の光
電変換領域を駆動する駆動回路とを有する固体撮像素子
であって、 前記複数の光電変換領域からの信号を前記固体撮像素子
外部へ出力するための第1の端子と、 前記駆動回路を駆動するためのディジタル信号を前記固
体撮像素子内部へ入力するための第2の端子とを有し、 前記複数の光電変換領域からの信号は、共通の前記第1
の端子から出力されるとともに、前記第2の端子は、前
記第1の端子が配置されている辺と対向する辺に配置さ
れていることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項10】 請求項9において、前記複数の光電変
換領域は、測光用の光電変換領域と測距用の光電変換領
域であることを特徴とする固体撮像素子。 - 【請求項11】 請求項1乃至10のいずれか1項の固
体撮像素子と、前記固体撮像素子からの信号を処理する
信号処理回路とを有することを特徴とする撮像装置。 - 【請求項12】 請求項11において、前記固体撮像素
子からの信号に基づいて、測光及び測距のための演算を
行う制御回路を有することを特徴とする撮像装置。 - 【請求項13】 請求項11又は12において、被写体
像を結像するレンズを有することを特徴とする撮像装
置。
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2002
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