(57)【要約】【課題】  光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、本質的に広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供する。【解決手段】光電変換装置は、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタ４１をそれぞれ含む少なくとも１つの画素セル１１−１−１と、画素セル１１−１−１の出力電流を出力電圧に変換するＩＶ変換器１２−１とを備える。ＩＶ変換器１２−１は、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを圧縮する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタをそれぞれ含む少なくとも１つの光電変換手段と、
上記光電変換手段の出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えた光電変換装置であって、
上記電流電圧変換手段は、上記出力電流のダイナミックレンジに対して上記出力電圧のダイナミックレンジを圧縮することを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
上記電流電圧変換手段は、ダイオードを用いて上記出力電流を上記出力電圧に変換することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
上記電流電圧変換手段は、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタを用いて上記出力電流を上記出力電圧に変換することを特徴とする請求項１記載の光電変換装置。
【請求項４】
上記電流電圧変換手段はオペアンプを備えたことを特徴とする請求項２又は３記載の光電変換装置。
【請求項５】
アレー状に配置された複数の光電変換手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を電気信号に変換する光電変換装置に関し、また、当該光電変換装置を備えた画像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトダイオードを用いた画像生成装置（ＣＭＯＳイメージセンサなど）では、入射光によって発生した電荷をフォトダイオードの接合容量などに蓄積し、当該電荷を電気信号として取り出す。しかしながら、フォトダイオードに強い光があたった場合は、発生した電荷が接合容量に蓄積できる電荷量を超えてしまうので、検出できる入射光のダイナミックレンジが制限されていた。
【０００３】
ダイナミックレンジが制限されるという問題に対処するために、光を照射する時間もしくは光によって発生する電荷を蓄積する時間を変化させて複数の画像を撮影し、これらの画像を合成することで、弱い光の部分から強い光の部分まで飽和しない画像を取得する技術が知られている。このような技術の例として、特許文献１〜３の発明がある。
【０００４】
例えば、特許文献１の発明は、光電変換部と、該光電変換部から信号電荷を転送する転送手段と、転送された信号電荷を保持する容量手段と、該容量手段に保持された信号電荷に対応して信号を出力する増幅手段とを有する画素を複数有する固体撮像装置であって、前記容量手段は、第１の容量値の容量部と、前記容量手段の容量を該第１の容量値から第２の容量値へ増大させるために該容量部に並列に容量を付加する付加容量部と、を有し、前記増幅手段からの信号読出しは、前記信号電荷を前記容量部と前記容量部に並列接続された前記付加容量部とに保持して信号を読み出す第１の読出しモードと、前記信号電荷を前記容量部に保持して信号を読み出す第２の読出しモードと、を有し、前記第１の読出しモードによって得られた信号と、前記第２の読出しモードによって得られた信号とを加算処理することを特徴とする。
【０００５】
従来、同一の画素から蓄積時間の異なる２種類の信号を読み出し、この２種類の信号を組み合わせて、ダイナミックレンジを拡大させる場合には、ある蓄積時間で信号電荷の蓄積を行なった後に、再度、蓄積時間を変えて信号電荷の蓄積を行なう必要があるので、得られる信号は異なる蓄積期間の画像信号となるという問題点があった。特許文献１の発明によれば、この問題点を解消し、同じ蓄積期間の信号電荷を用いて、ダイナミックレンジの異なる画像信号を得ることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の発明など、例示した従来の画像生成装置では、ダイナミックレンジを拡大できるものの、光を照射する時間もしくは光によって発生する電荷を蓄積する時間を変化させて複数の画像を撮影し、これらの画像を合成するので、制御が複雑になり、さらに、余分なハードウェアまたはソフトウェアが必要になる。
【０００７】
また、従来の画像生成装置では、複数の画像を撮影する必要があるので、１回の撮影のみを行う場合よりも時間がかかる。このため、従来の画像生成装置は、高速に動く被写体の撮影には不利である。
【０００８】
本発明の目的は、画像生成装置のための光電変換装置であって、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、本質的に広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供し、また、当該光電変換装置を備えた画像生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の態様に係る光電変換装置は、
入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタをそれぞれ含む少なくとも１つの光電変換手段と、
上記光電変換手段の出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段とを備えた光電変換装置であって、
上記電流電圧変換手段は、上記出力電流のダイナミックレンジに対して上記出力電圧のダイナミックレンジを圧縮することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の光電変換装置によれば、画像生成装置のための光電変換装置であって、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、本質的に広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１の詳細構成を示す回路図である。
【図３】図２のＩＶ変換器２１−１の変換特性を概略的に示すグラフである。
【図４】図３のグラフの縦軸を対数で表したグラフである。
【図５】本発明の実施形態の第１の変形例に係る画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１Ａの詳細構成を示す回路図である。
【図６】本発明の実施形態の第２の変形例に係る画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１Ｂの詳細構成を示す回路図である。
【図７】図６のＩＶ変換器２１−１Ｂの変換特性を概略的に示すグラフである。
【図８】図７のグラフの縦軸を１／２乗して表したグラフである。
【図９】本発明の実施形態の第３の変形例に係る画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１Ｃの詳細構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る光電変換装置について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成を示すブロック図である。図１の光電変換装置は、２次元アレー状に配置された複数の画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎと、複数の行選択線１２−１〜１２−Ｍと、複数の列出力線１３−１〜１３−Ｎと、行セレクタ１０と、ＩＶ変換回路２０と、ＡＤ変換回路３０とを備える。
【００１４】
画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのそれぞれは、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を発生するフォトトランジスタをそれぞれ含む光電変換手段として動作する。画素セル１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎのそれぞれは、行選択線１２−１〜１２−Ｍのうちの１つに接続され、さらに、列出力線１３−１〜１３−Ｎのうちの１つに接続される。１つの列出力線１３−ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）には、異なる行選択線１２−１〜１２−Ｍにそれぞれ接続された画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎが接続され、行セレクタ１０は、行選択線１２−１〜１２−Ｍを用いて、画素セル１１−１−ｎ〜１１−Ｍ−ｎのうちの１つのみをイネーブルにする。イネーブルにされた画素セルは、光が入射したとき、入射光の強度に対応する大きさの出力電流を、列出力線を介してＩＶ変換回路２０に送る。
【００１５】
ＩＶ変換回路２０は、列出力線１３−１〜１３−Ｎにそれぞれ接続されたＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎを備える。ＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換する電流電圧変換手段として動作する。ＩＶ変換器２１−１〜２１−Ｎのそれぞれは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換するとき、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを圧縮する。
【００１６】
ＡＤ変換回路３０は、ＩＶ変換回路２０の出力電圧に対するアナログ／ディジタル変換などの処理を実行して、出力画像信号を生成する。
【００１７】
図２は、図１の画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１の詳細構成を示す回路図である。
【００１８】
図２の画素セル１１−１−１は、フォトトランジスタ４１及びスイッチ４２を備え、フォトトランジスタ４１のコレクタは電圧源ＶＣＣに接続され、フォトトランジスタ４１のエミッタはスイッチ４２を介して列出力線１３−１に接続される。スイッチ４２は、行選択線１２−１がハイレベルのときにオンになり、画素セル１１−１−１をイネーブルにする。
【００１９】
従来技術によれば、ＣＭＯＳイメージセンサの画素セルは、通常、入射光によってフォトダイオードに蓄積された電荷による電圧を、ＭＯＳトランジスタのソースフォロアを介して出力する。また、ＣＣＤイメージセンサの画素セルは、通常、入射光によってフォトダイオードに蓄積された電荷を転送して出力する。これらのイメージセンサは、いずれも、フォトダイオードに電荷を蓄積し、蓄積された電荷から出力信号を生成しているが、フォトダイオードに蓄積できる電荷量に制限があるので、そのダイナミックレンジはおよそ４桁程度に制限される。一方、フォトトランジスタはフォトダイオードよりも広いダイナミックレンジを有し、６桁程度のダイナミックレンジを有する入射光に対してリニアに変化する出力電流を生成することができる。図２の画素セル１１−１−１は、フォトトランジスタ４１を備えたことにより、広いダイナミックレンジを有する出力電流を生成する。
【００２０】
図２のＩＶ変換器２１−１は、画素セルの出力電流を出力電圧に変換するために、ダイオード５１を備える。列出力線１３−１はダイオード５１のアノードに接続され、ダイオード５１のカソードは接地される。ダイオード５１の両端の電位差が、ＩＶ変換器２１−１の出力電圧になる。フォトトランジスタ４１を用いることで、広いダイナミックレンジの入射光に対してリニアに変化する出力電流が得られても、出力電流をその広いダイナミックレンジのまま処理することは困難である。そこで、図２のＩＶ変換器２１−１は、画素セルの出力電流を出力電圧に変換し、このとき、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを所定の変換特性で圧縮する。
【００２１】
図３は、図２のＩＶ変換器２１−１の変換特性を概略的に示すグラフである。図４は、図３のグラフの縦軸を対数で表したグラフである。図２のＩＶ変換器２１−１がダイオード５１を備えたことにより、出力電圧Ｖは出力電流Ｉの対数として変化する（Ｖ＝Ｖ０・ｌｏｇ（Ｉ／Ｉ０），Ｖ０は電圧の初期値，Ｉ０は電流の初期値）。ＩＶ変換器２１−１によって変換された出力電圧は、広いダイナミックレンジの入射光を表しながら、圧縮されたダイナミックレンジを有するので、その後段の信号処理は容易になる。
【００２２】
他の画素セル及び他のＩＶ変換器も、図２の画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１と同様に構成される。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態の光電変換装置によれば、画像生成装置のための光電変換装置であって、光電変換装置の外部における複雑な制御又は処理を必要とせず、本質的に広いダイナミックレンジの画像を生成することができる光電変換装置を提供することができる。
【００２４】
本実施形態の光電変換装置によれば、光電変換手段としてフォトトランジスタを含む画素セルを使用し、画素セルの出力電流をＩＶ変換器により出力電圧に変換する際に、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを圧縮するので、広いダイナミックレンジの入射光を処理することができる。
【００２５】
本実施形態の光電変換装置によれば、フォトトランジスタのように増幅機能を有する光電変換手段を使用しているので、入射光が弱い場合であってもある程度大きな出力電流を生成し、後段の回路におけるノイズ要件を緩和できるという効果が期待できる。フォトトランジスタのように増幅機能は、光電変換装置の高感度化にも寄与する。
【００２６】
図５は、本発明の実施形態の第１の変形例に係る画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１Ａの詳細構成を示す回路図である。図５のＩＶ変換器２１−１Ａは、オペアンプ６１及びダイオード６２を備える。オペアンプ６１を使用することで、ＩＶ変換器２１−１Ａの出力端子における出力インピーダンスを小さくすることができる。また、オペアンプ６１を使用することで、ＩＶ変換器２１−１Ａの入力端子における入力インピーダンスを小さくすることもできる。
【００２７】
図６は、本発明の実施形態の第２の変形例に係る画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１Ｂの詳細構成を示す回路図である。図６のＩＶ変換器２１−１Ｂは、ダイオード接続されたＭＯＳトランジスタ７１を備える。図６のＩＶ変換器２１−１Ｂは、画素セルの出力電流を出力電圧に変換するとき、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを所定の変換特性で圧縮する。
【００２８】
図７は、図６のＩＶ変換器２１−１Ｂの変換特性を概略的に示すグラフである。図８は、図７のグラフの縦軸を１／２乗して表したグラフである。図６のＩＶ変換器２１−１ＢがＭＯＳトランジスタ７１を備えたことにより、出力電圧Ｖは出力電流Ｉの平方根に応じて変化する（Ｖ＝Ｖ０＋Ｋ√Ｉ，Ｖ０は電圧の初期値，Ｋは定数）。ＩＶ変換器２１−１Ｂによって変換された出力電圧は、広いダイナミックレンジの入射光を表しながら、圧縮されたダイナミックレンジを有するので、その後段の信号処理は容易になる。
【００２９】
図９は、本発明の実施形態の第３の変形例に係る画素セル１１−１−１及びＩＶ変換器２１−１Ｃの詳細構成を示す回路図である。図９のＩＶ変換器２１−１Ｃは、オペアンプ８１及びＭＯＳトランジスタ８２を備える。オペアンプ８１を使用することで、ＩＶ変換器２１−１Ｃの出力端子における出力インピーダンスを小さくすることができる。また、オペアンプ８１を使用することで、ＩＶ変換器２１−１Ｃの入力端子における入力インピーダンスを小さくすることもできる。
【００３０】
変形例．
本発明の実施形態は、以上に説明した実施形態に限定されない。例えば、ＩＶ変換器は、画素セルの出力電流を出力電圧に変換するとき、出力電流のダイナミックレンジに対して出力電圧のダイナミックレンジを圧縮するために、ダイオード及びＭＯＳトランジスタ以外の他の非線形素子を使用してもよい。
【００３１】
画素セルのそれぞれは、電流増幅機能をさらに備えてもよく、また、フォトトランジスタのベース電位をリセットする機能をさらに備えてもよい。
【００３２】
列出力線ごとに１つずつのＩＶ変換器を配置してもよく、また、２つ以上の列出力線で１つのＩＶ変換器を共用してもよい。後者の場合、列出力線を選択する機能をＩＶ変換器に追加する必要がある。
【００３３】
ＩＶ変換器ごとに１つずつのＡＤ変換器を配置してもよく、また、２つ以上のＩＶ変換器の出力電圧に対して１つのＡＤ変換器を配置し、ＡＤ変換器を時分割で共用してもよい。
【００３４】
以上説明した実施形態及び変形例に係る光電変換装置を用いて、センサ、撮像装置、事務機器、科学機器などの画像生成装置を提供してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１０…行セレクタ、
１１−１−１〜１１−Ｍ−Ｎ…画素セル、
１２−１〜１２−Ｍ，２１−１Ａ，２１−１Ｂ，２１−１Ｃ…行選択線、
１３−１〜１３−Ｎ…列出力線、
２０…ＩＶ変換回路、
２１−１〜２１−Ｎ…ＩＶ変換器、
３０…ＡＤ変換回路、
４１…フォトトランジスタ、
４２…スイッチ、
５１…ダイオード、
６１，８１…オペアンプ、
６２…ダイオード、
７１，８２…ＭＯＳトランジスタ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特許第３５９２１０６号公報
【特許文献２】特許第３８７５４６１号公報
【特許文献３】特許第４２８９２４４号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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