(57)【要約】【課題】  電子画像デバイスのイメージセンサに関する背景技術の問題点を解決する。【解決手段】  電子画像デバイスのイメージセンサは、ピクセル検出器のアレイを含む。各ピクセル検出器は、入射する光を検出しかつこの検出される光の強度の時間積分を表す信号を供給するように構成されかつ配列される光センサ（２）を含む。信号発生デバイス（４）は、予め決められた関数に従って変わる基準信号を発生するように構成されかつ配列される。比較器（６）は、光センサ信号を受信するように接続される第１の入力（１８）と、基準信号を受信するように接続される第２の入力（２０）と、捕捉信号を供給するための出力（２２）とを有する。比較器（６）は、光センサの信号と基準信号とを比較することによって決定される時間に捕捉信号を発生するように構成されかつ配列される。読出しデバイス（１０）は、捕捉信号を受信する時点で読出し信号を捕捉するように構成されかつ配列される。読出し信号は、積分される検出光強度の対数を表す。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子画像デバイスのためのイメージセンサであって、該イメージセンサはピクセル検出器のアレイを含み、各ピクセル検出器は、
ａ．入射光を検出するように構成されかつ配列される、該検出される光の強度の時間積分を表す光センサ信号の光センサ出力を有する光センサデバイスと、
ｂ．予め決められた関数に従って変わる基準信号を発生するように構成されかつ配列される信号発生デバイスと、
ｃ．該光センサ信号を受信するように接続される第１の入力及び該基準信号を受信するように接続される第２の入力を有する検出デバイスと、を含み、該検出デバイスは、該光センサ信号と該基準信号とを比較しかつ該比較から捕捉の瞬間を決定するように構成されかつ配列され、
ｄ．該捕捉の瞬間において出力信号を捕捉するように配列される出力デバイスを含み、前記出力信号は該積分される光強度の対数を表すイメージセンサ。
【請求項２】
該光センサは、キャパシタンスと、該検出される光強度に依存して電流を導くように配列される光センサ素子とを含み、前記光センサ信号は、該光センサ電流による荷電または放電に伴う該キャパシタンス上の電圧を表す、請求項１記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記キャパシタンスへ初期電圧を印加するリセットデバイスを含み、前記キャパシタンスは続いて前記光センサ電流によって放電される、請求項２記載のイメージセンサ。
【請求項４】
前記基準信号は非線形関数に従って変わる、先行する任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項５】
該基準信号の変化速度は時間と共に低下する、請求項４記載のイメージセンサ。
【請求項６】
該基準信号Ｖｓの形式は関数［ｔ＝（ＣΔＶｓ／Ｉｒｅｆ）ｅｘｐ（−ΔＶｓ／Ｓ）］によって定義され、但しｔは時間であり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｉｒｅｆは基準電流であり、Ｓは選択可能な定数である、先行する任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項７】
該検出デバイスは、該光センサ信号と該基準信号との差が予め決められた値に達する時点を検出することによって該捕捉の瞬間を決定する、先行する任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項８】
該検出デバイスは、該光センサ出力を該出力デバイスへ接続しかつ該光センサ出力を該出力デバイスから切断するように動作可能なスイッチングデバイスを含む、先行する任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項９】
該検出デバイスは、該光センサ信号を受信するように接続される第１の入力、該基準信号を受信するように接続される第２の入力及び捕捉信号の出力を有する比較器と、該光センサ信号を受信するように接続される第１の入力、該捕捉信号を受信するように接続される第２の入力及び該出力信号の出力を有するスイッチ素子とを含み、該比較器は、該捕捉の瞬間において捕捉信号を発生するように構成されかつ配列され、該スイッチ素子は、該光センサ信号を該スイッチ出力へ接続するように配列されかつ捕捉信号を受信する時点で該光センサ信号を該スイッチ出口から切断するように動作可能である、先行する任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項１０】
該比較器は、該基準信号と該光センサ信号との差がゼロであるときに捕捉信号を発生するように構成されかつ配列される、請求項９記載のイメージセンサ。
【請求項１１】
該スイッチ素子は、ゲートが該比較器出力へ接続され、ソースが前記光センサ信号を受信するように接続されかつドレインが該スイッチ出力へ接続されるｎチャネルＭＯＳＦＥＴである、請求項９または請求項１０記載のイメージセンサ。
【請求項１２】
インデックス信号を発生するための手段を含み、前記出力デバイスは前記インデックス信号を該捕捉の瞬間において捕捉するように配列される、請求項１から８における任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項１３】
該検出デバイスは、該光センサ信号を該出力デバイスへ接続するように構成されて配列されかつ該捕捉の瞬間において該光センサ信号を該出力デバイスから切断するように動作可能なスイッチ素子を含む、請求項１から８における任意の請求項記載のイメージセンサ。
【請求項１４】
該スイッチ素子は、ゲートが該基準信号を受信するように接続され、ソースが該光センサ信号を受信するように接続されかつドレインが該出力デバイスへ接続されるトランジスタスイッチを含む、請求項１３記載のイメージセンサ。
【請求項１５】
該トランジスタスイッチはｐチャネルＭＯＳＦＥＴである、請求項１４記載のイメージセンサ。
【請求項１６】
該トランジスタスイッチは、該基準信号と該光センサ信号との差がしきい値より小さい場合に、該光センサ信号を該出力デバイスから切断するように構成されかつ配列される、請求項１５記載のイメージセンサ。
【請求項１７】
ピクセル検出器のアレイを含むイメージセンサを有する電子画像デバイスにおいて画像を検出する方法であって、
ａ．各ピクセル検出器における光センサで入射光を検出し、該検出される光の強度の時間積分を表す光センサ信号を供給することと、
ｂ．予め決められた関数に従って変わる基準信号を発生することと、
ｃ．該光センサ信号と該基準信号とを比較し、該比較から捕捉の瞬間を決定することと、
ｄ．該捕捉の瞬間において出力信号を捕捉すること、を含み、前記出力信号は該積分される光強度の対数を表す方法。
【請求項１８】
該捕捉の瞬間は、該光センサ信号と該基準信号との差が予め決められた値に達する時点を検出することによって決定される、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
該光センサは該検出される光強度に依存する電流を導き、前記光センサ信号は、前記光センサ電流によって荷電または放電されるキャパシタンス上の電圧を表す、請求項１７または請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記キャパシタンスへ初期電圧を印加し、続いて前記光センサ電流により前記キャパシタンスを放電することを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
該基準信号は非線形関数に従って変わる、請求項１７から２０における任意の請求項記載の方法。
【請求項２２】
該基準信号の変化速度は低下する、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
該基準信号Ｖｓの形式は関数［ｔ＝（ＣΔＶｓ／Ｉｒｅｆ）ｅｘｐ（−ΔＶｓ／Ｓ）］によって定義され、但しｔは時間であり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｉｒｅｆは基準電流であり、Ｓは選択可能な定数である、請求項２１または請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
該捕捉の瞬間において該光センサ信号を捕捉することを含み、前記出力信号は該捕捉される光センサ信号に関連づけられる、請求項１７から２３における任意の請求項記載の方法。
【請求項２５】
該捕捉の瞬間において、前記出力デバイスを前記光センサ信号から切断することを含む、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
該捕捉の瞬間において捕捉信号を発生しかつ該捕捉信号を受信する時点で該光センサ信号を捕捉することを含む、請求項２４または請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
インデックス信号を発生しかつ該捕捉の瞬間において前記インデックス信号を捕捉することを含み、前記出力信号は該捕捉されるインデックス信号に関連づけられる、請求項１７から２３における任意の請求項記載の方法。
【請求項２８】
該捕捉の瞬間において捕捉信号を発生しかつ該捕捉信号を受信する時点で該インデックス信号を捕捉することを含む、請求項２７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子画像デバイスのイメージセンサに関し、かつ検出方法に関する。また本発明は、このようなイメージセンサを有する画像デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ等の電子画像デバイスのイメージセンサは、概して、感光性画素検出器（「ピクセル検出器」）のアレイから成る。イメージセンサ上に当たる光はピクセル検出器によって検出され、ピクセル検出器はこれらの検出器の各々に当たる光の量に対応する出力信号を発生する。ピクセル検出器の出力信号はデジタル化され、画像情報を含む電子ファイルに格納される。イメージセンサは、単一画像を撮るためのスチルカメラ、またはビデオカメラもしくは他の任意の電子画像デバイスの何れかに組み込まれてもよい。
【０００３】
多くの電子画像デバイスはＣＣＤセンサを使用し、ＣＣＤセンサは予め決められた期間に渡ってピクセル検出器の各々の光電流を積分することによって入射光を測定し、その検出器を通って流れた電荷の測定値を得る。デジタルカメラ、携帯電話及びパーソナルコンピュータ等のデバイスに組み込むことのできる低コスト電子画像センサの巨大市場は、既存のＣＣＤセンサを凌ぐ幾つかの優位点を有するシングルチップＣＭＯＳセンサの開発にも拍車をかけてきている。しかしながら、ＣＭＯＳセンサの大部分はＣＣＤセンサと同じ検出戦略を使用していて、光電流を集積する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
各ピクセル内の光電流を集積することは、対象画像の輝度が比較的低いダイナミックレンジを有する比較的一様な照明条件下では良く機能する。しかしながら自然の光景は、例えば６デケードの超大型ダイナミックレンジを有する可能性がある。これは、ダイナミックレンジが比較的小さい線形出力を有する従来のピクセル積分を使用するイメージセンサにとって問題となる。
【０００５】
低いダイナミックレンジのカメラであっても、複数の積分時間を使用した上で複合画像を生成すれば、高いダイナミックレンジの光景を捕捉することは可能である。しかしながら、当然ながらこれはスロープロセスであり、多くのアプリケーション（例えば、ビデオ捕捉）にとって不適である。
【０００６】
線形ピクセル検出器のダイナミックレンジを拡大する代替方法は、Ｓｔｏｐｐａ他によって考案されている（Ｄａｖｉｄ  Ｓｔｏｐｐａ、Ａｎｄｒｅａ  Ｓｉｍｏｎｉ、Ｌｏｒｅｎｚｏ  Ｇｏｎｚｏ、Ｍａｓｓｉｍｏ  Ｇｏｔｔａｒｄｉ、Ｇｉａｎ−Ｆｒａｎｃｏ  Ｄａｌｌａ  Ｂｅｔｔａ共著「１３２ｄＢのダイナミックレンジを有する新しいＣＭＯＳイメージセンサ」ＩＥＥＥ  ＪＳＳＣ  ３７（１２）１８４６−１８５２ページ（２００２年））。ダイナミックレンジの増大を達成するために、各ピクセル内に比較器が集積される。比較器は、ピクセル内の電圧をしきい値電圧と比較する。
【０００７】
ピクセル電圧がしきい値に達していれば、比較器は、ピクセル内の２つのキャパシタを、共にこのイベントが発生する時間を表す２つのアナログ入力電圧から切断する。積分プロセスの終わりでは、ピクセル電圧と上記２つの時間電圧とが各ピクセルからサンプリングされる。これらの３つのアナログ電圧は、次に各々８ビットにデジタル化され、ピクセル内の光電流を符号化する２４ビット信号が生成される。
【０００８】
上述のシステムによって生成される、ピクセル当たりの大きいビット数は、高ダイナミックレンジ信号を線形フォーマットで表そうとする結果の典型である。カメラの場合、問題は、その目的が人の視覚系の性能との一致にあるという事実によって倍加される。これは、カメラが輝度の１％の変化に感応しなければならないことを意味する。
【０００９】
高ダイナミックレンジ信号の表示に関しては、対数尺度の使用が優れた戦略である場合の多いことは認識される。カメラの場合、これが有用である基本的理由は、他にも下記があると思われる。
【００１０】
（ｉ）光景形成の物理的プロセスは、情報はオブジェクトの反射率画像に含まれるが、光景のダイナミックレンジは輝度変化によって決定づけられることを意味する。これらの２つの量は乗法的であることから、対数表現の生成は、準同形フィルタリング及びトーンマッピング等の大部分のプロセスにおける最初の重大なステップであり、その目的は、低いダイナミックレンジを有するデバイス上でオブジェクトを認識できるように、または光景を表示できるように、輝度変化の影響を減らすことにある。
【００１１】
（ｉｉ）人の視覚系は、広範囲の照明に渡る約１％のコントラスト変化を感受する。画像の対数フォーマットは、可能な限り最少のビット数において情報を捕捉する。例えば、対数フォーマットを使用すれば、４デケードにおける１％の変化を、線形フォーマットにおける１００万ではなく１０００のダイナミックレンジを有する信号によって表現することができる。ダイナミックレンジのこの劇的低減は、カメラの電子機器設計を著しく単純化しかつ生成されるデータ量を低減させる。
【００１２】
これらの優位点は、高いダイナミックレンジの光景の画像化を達成する有益な手法が対数応答を有するイメージセンサを使用する点にあることを示唆している。これは、シングルチップカメラ上でのビデオレート捕捉を包含するアプリケーションにおいて特に有益である場合がある。
【００１３】
従って、高いダイナミックレンジの対数型イメージセンサは、理想的には、自然風景の撮像に必要とされるカメラシステムにおける使用に適するべきものであるように思われる。しかしながら、高ダイナミックレンジカメラに対する巨大市場の可能性にも関わらず、対数型のカメラは比較的不遇のままであって開発は進んでいない。その理由は、「シリコン製網膜」のように、既存の対数型カメラは、各ピクセル検出器内のしきい値下で動作するＭＯＳＦＥＴを使用して各ピクセル検出器内の光電流の対数に比例する出力電圧を生成することにある。この回路は正しい機能性を有するものであるが、そのメカニズムには２つの重要な問題点がある。第１の問題点は、しきい値下で動作する個々のＭＯＳＦＥＴの特性に大きな変動があることである。結果として生じる、固定パターンノイズとして知られるピクセル応答の可変性は、光電流を１桁分変更することに等しい可能性がある。
【００１４】
固定パターンノイズを補正することによって出力画像の品質を向上させる技術も考案されてきているが、他にも重要な問題点が残っている。これは、光電流が１桁変化すると、出力電圧が典型的には６０ｍＶ未満だけ変化することである。従って、出力信号の最大変化は僅か０．３Ｖである。これは、ピクセル検出器からの出力信号が一時的ノイズの影響を受けやすいことを意味する。
【００１５】
対数ピクセルからの出力電圧のダイナミックレンジを増大させる技術は、２つ提案されている。その第１は、負荷トランジスタの代わりとしてのフローティングゲートデバイスの使用を基礎とする（Ｓ．Ｃｏｌｌｉｎｓ、Ｊ．Ｎｇｏｌｅ、Ｇ．Ｆ．Ｍａｒｓｈａｌｌ共著「高利得トリミング可能対数型ＣＭＯＳピクセル」Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３６、（２１）１８１６ページ（２０００年））。この手法は出力電圧のダイナミックレンジを増大させるが、未熟なフローティングゲートデバイス技術に依存している。
【００１６】
さらに、ピクセル内の電圧揺動の増大は、光電流が急激に下がる場合に対数ピクセルにおいて既に観察されている遅い応答時間を際立たせる。
【００１７】
対数ピクセルの出力電圧揺動を増大させると主張する代替手法は、Ｌａｉ、Ｌａｉ及びＫｉｎｇによって提案されている（Ｌｉａｎｇ−Ｗｅｉ  Ｌａｉ、Ｃｈｅｎｇ−Ｈｓｉａｏ  Ｌａｉ、Ｙａ−Ｃｈｉｎ  Ｋｉｎｇ共著「出力電圧揺動が高くピクセル内固定パターンノイズが低減した新しい対数応答ＣＭＯＳイメージセンサ」ＩＥＥＥ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ４（１）、１２２−１２６ページ（２００４年））。このセンサは、他の点では従来的な対数ピクセルにおいてフォトダイオードではなくバイポーラフォトトランジスタを使用する。この変更はピクセルの出力電圧揺動を増大させるが、この増大は応答が対数でない領域において発生する。ピクセル検出器の特性をさらに詳しく調べると、この応答は照度の単純な対数関数ではないことが分かる。実際に、バイポーラトランジスタは光電流を増幅し、高照度では、負荷トランジスタは対数応答の取得に必要とされる弱い反転ではなく適度の反転へ駆動される。
【００１８】
要するに、高ダイナミックレンジの光景を捕捉するのに適するイメージセンサを生成するために対数応答を有するピクセルを使用することには明らかな優位点があるように思われる。しかしながら、このタイプの応答を有する既存のピクセルは、固定パターンノイズに害され、証明されていない技術に依存し、もしくは擬似的な対数応答しかもたらさない。
【００１９】
本発明の目的は、上述の問題点の少なくとも幾つかを緩和するイメージセンサを提供することにある。
【００２０】
本発明のある態様によれば、電子画像デバイスのためのイメージセンサが提供されていて、本イメージセンサはピクセル検出器アレイを含み、各ピクセル検出器は、入射光を検出するように構成されかつ配列される、検出される光強度の時間積分を表す光センサ信号の光センサ出力を有する光センサデバイスと、予め決められた関数に従って変わる基準信号を発生するように構成されかつ配置される信号発生デバイスと、光センサ信号を受信するように接続される第１の入力及び基準信号を受信するように接続される第２の入力を有し、光センサ信号と基準信号とを比較して該比較から捕捉の瞬間を決定するように構成されかつ配列される検出デバイスと、該捕捉の瞬間に出力信号を捕捉するように配列される出力デバイスとを含み、前記出力信号は積分される光強度の対数を表す。
【００２１】
本イメージセンサは、光強度の広いダイナミックレンジを表す対数出力を供給する能力を有し、過度に大きいデータファイルを生成することなくレンジ全体に渡って１％の輝度変化に感応する。本イメージセンサは高速捕捉レートのケイパビリティも有し、ビデオキャプチャに適する。またこれは、真の対数応答をもたらすことから、既存の対数センサの既知の問題点の多くを回避または緩和し、過剰な固定パターンノイズに害されず、未熟な技術の使用に依存しない。本イメージセンサはロバストであって信頼性が高く、既存のセンサを凌ぐ大幅に向上したパフォーマンスを提供する。
効果的には、光センサは、キャパシタンスと検出される光強度に依存して電流を導くように配列される光センサ素子とを含み、前記光センサ信号は、光センサ電流による荷電または放電に伴うキャパシタンス上の電圧を表す。
【００２２】
効果的には、本イメージセンサは、前記キャパシタンスへ初期電圧を印加するリセットデバイスを含み、前記キャパシタンスは続いて前記光センサ電流によって荷電または放電される。
【００２３】
効果的には、基準信号は非線形関数に従って変わる。好適には、前記基準信号の変更速度は時間と共に低下する。効果的には、基準信号Ｖｓの形式は関数［ｔ＝（ＣΔＶｓ／Ｉｒｅｆ）ｅｘｐ（−ΔＶｓ／Ｓ）］によって定義される。但し、ｔは積分プロセス開始からの経過時間（ｔ＞０）であり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｉｒｅｆは基準電流であり、ΔＶｓは基準信号のその開始値から時間ｔにおけるその値までの変化であり、Ｓは選択可能な定数である。
【００２４】
効果的には、検出デバイスは、光センサ信号と基準信号との差が予め決められた値に達する時点を検出することによって捕捉の瞬間を決定する。例えば、上記予め決められた値はゼロであってもよく、またはトランジスタスイッチのしきい値電圧に対応するものであってもよい。
【００２５】
効果的には、検出デバイスは、光センサ出力を出力デバイスへ接続しかつ光センサ出力を出力デバイスから切断するスイッチングデバイスを含む。
【００２６】
ある実施形態では、検出デバイスは、光センサ信号を受信するように接続される第１の入力、基準信号を受信するように接続される第２の入力及び捕捉信号の出力を有する比較器と、光センサ信号を受信するように接続される第１の入力、捕捉信号を受信するように接続される第２の入力及び出力信号の出力を有するスイッチ素子とを含み、該比較器は、該捕捉の瞬間に捕捉信号を発生するように構成されかつ配列され、該スイッチ素子は光センサ信号をスイッチ出力へ接続するように配列されかつ捕捉信号を受信する時点で光センサ信号をスイッチ出口から切断するように動作可能である。効果的には、該比較器は、基準信号と光センサ信号との差がゼロのときに捕捉信号を発生するように構成されかつ配列される。
【００２７】
スイッチ素子は、ゲートが比較器出力へ接続され、ソースが光センサ信号を受信するように接続されかつドレインがスイッチ出力へ接続されるｎチャネルＭＯＳＦＥＴであってもよい。或いは、比較器入力を切換することにより、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴが使用されてもよい。
【００２８】
別の実施形態では、本イメージセンサはインデックス信号を発生するための手段を含み、前記出力デバイスは、捕捉の瞬間において前記インデックス信号を捕捉するように配列される。
【００２９】
別の実施形態では、該検出デバイスは、光センサ信号を出力デバイスへ接続するように構成されて配列されかつ捕捉時点で光センサ信号を出力デバイスから切断するように動作可能なスイッチ素子を含む。
【００３０】
スイッチ素子は、ゲートが基準信号を受信するように接続され、ソースが光センサ信号を受信するように接続されかつドレインが出力デバイスへ接続されるトランジスタスイッチを含んでもよい。トランジスタスイッチは、好適には、ピクセル放電の場合はｐチャネルＭＯＳＦＥＴであり、ピクセル荷電の場合はｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。トランジスタスイッチは、好適には、基準信号と光センサ信号との差がしきい値に満たないときは光センサ信号を出力デバイスから切断するように構成されかつ配列される。
【００３１】
この実施形態の１つの優位点は、ピクセル当たりの必要なトランジスタ数が低減されることにある。これにより、デバイスのコストは下がり、より高いピクセル密度をもたらすことができる。
【００３２】
本発明の別の態様によれば、ピクセル検出器アレイを含むイメージセンサを有する電子画像デバイスにおいて画像を検出する方法が提供されていて、本方法は、各ピクセル検出器における光センサで入射光を検出しかつ検出される光強度の時間積分を表す光センサ信号を供給することと、予め決められた関数に従って変わる基準信号を発生することと、光センサ信号と基準信号とを比較することと、該比較から捕捉の瞬間を決定することと、該捕捉の瞬間において出力信号を捕捉することを含み、前記出力信号は積分される光強度の対数を表す。
【００３３】
効果的には、捕捉の瞬間は、光センサ信号と基準信号との差が予め決められた値に達する時点を検出することによって決定される。
【００３４】
効果的には、光センサは検出される光強度に依存する電流を導き、前記光センサ信号は、前記光センサ電流によって荷電または放電されるキャパシタンス上の電圧を表す。好適には、光センサは検出される光強度に比例する電流を導く。
【００３５】
本方法は、キャパシタンスに初期電圧を印加することと、続いて光センサ電流によってキャパシタンスを放電することを含んでもよい。
【００３６】
基準信号は、非線形関数に従って変わってもよい。前記基準信号の変更速度は、好適には低下する。基準信号Ｖｓの形式は、好適には関数［ｔ＝（ＣΔＶｓ／Ｉｒｅｆ）ｅｘｐ（−ΔＶｓ／Ｓ）］によって定義される。但し、ｔは積分プロセス開始からの経過時間（ｔ＞０）であり、Ｃはキャパシタンスであり、Ｉｒｅｆは基準電流であり、ΔＶｓは基準信号のその開始値から時間ｔにおけるその値までの変化であり、Ｓは選択可能な定数である。
【００３７】
効果的には、本方法は捕捉の瞬間に光センサ信号を捕捉することを含み、前記出力信号は、この捕捉される光センサ信号に関連づけられる。好適には、本方法は、捕捉の瞬間に前記出力デバイスを前記光センサ信号から切断することを含む。効果的には、捕捉の瞬間に捕捉信号が発生され、捕捉信号を受信する時点で光センサ信号が捕捉される。
【００３８】
或いは、本方法は、インデックス信号を発生することと、捕捉信号を受信する時点で前記インデックス信号を捕捉することを含んでもよく、前記出力信号は捕捉されるインデックス信号に関連づけられる。効果的には、捕捉の瞬間に捕捉信号が発生され、捕捉信号を受信する時点でインデックス信号が捕捉される。
【００３９】
任意のアナログ信号のノイズ耐性を増大させる最も信頼性の高い方法は、最も早い機会にその振幅を増大させることである。ピクセル検出器回路のコンテキストでは、これは、可能性として最も大きい出力信号レンジを有する回路を設計することを意味する。さらに、理想的なピクセル回路は、既存のリニアセンサにおけるピクセル可変性及び一時的ノイズの効果を低減するためにダブルサンプリング技術を活用することが可能であるべきである。これは、対数応答を使用する既存のピクセル回路とは異なり、理想の対数型ピクセル回路は光電流を積分すべきであることを示唆する。
【００４０】
ピクセル内の光電流を予め決められた積分時間に渡って積分することにより、線形応答がもたらされる。本発明では、対数応答は、光センサ信号を予め決められた関数に従って変わる基準信号と比較することにより決定される可変時間に渡って光電流を積分することで達成される。
【００４１】
次に、添付の図面を参照して、本発明の所定の実施形態を例示的に説明する。
カメラのイメージセンサは、従来的にピクセル検出器のアレイを含む。図１は、本発明の第１の実施形態による電子画像センサにおいてこのようなアレイの一部を形成するピクセル検出器の略回路図である。
【００４２】
本ピクセル検出器は、光センサデバイス２と、信号発生器４と、比較器６と、トランジスタ切断スイッチ８と、読出し回路形式の出力デバイス１０と、トランジスタリセットスイッチ１２とを含む。比較器６及びトランジスタ切断スイッチ８は、出力デバイス１０の入力へ接続される出口１３を有する検出デバイスを形成する。この実施形態では、トランジスタ切断スイッチ８はｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。
【００４３】
光センサデバイス２は、キャパシタ１６と並行して接続される光検出器１４を備える。必要なキャパシタンスＣは、図に示すように別のキャパシタによって、かつ／または他の回路成分の内在的キャパシタンスによって供給されることが可能である。ここでは定電流源として示されている光検出器１４は、例えばフォトダイオードであっても、フォトトランジスタであってもよい。光センサデバイス２は、接続部１７において、キャパシタ電圧ＶＣによって表される光センサの出力信号を供給する。この出力信号は、比較器６の第１の入力１８へ接続される。信号発生器４は、比較器の第２の入力２０へ接続される。光センサ２へは、接続部１７を介してリセットスイッチ１２も接続される。
【００４４】
比較器６は捕捉信号の出力２２を有し、これは、スイッチの動作を制御する切断スイッチ８のゲートへ接続される。切断スイッチ８は、その通電の間、光センサ２の出力信号ＶＣを接続部１７を介して出力デバイス１０の入力２４へ接続する。この実施形態では、出力デバイス１０は従来型の選択可能なソースフォロワ読出し回路を備え、これは、ソースフォロワトランジスタ２６と、選択トランジスタ２８と、バイアストランジスタ３０と、出力ノード３２とを備える。出力デバイス１０は、スイッチ出口１３において、出口から電流を引き出すことなく電圧を検出するように設計される。選択トランジスタ２８は、ピクセルのローまたはカラムにおけるどのピクセルが電流源に接続されるかを選択する。
【００４５】
使用に際して、画像収集プロセスは、トランジスタリセットスイッチ１２のゲートへ低いリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔを印加してスイッチを通電させることにより開始される。これにより、接続部１７を介して光センサ２へ高い電圧ＶＤＤが印加され、よってキャパシタ１６が荷電される。次にリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔは上昇し、リセットスイッチ１２は通電を停止し、キャパシタ１６は光検出器１４を介して放電できるようになる。キャパシタ１６の放電速度は光検出器１４を介する電流Ｉｐｈに依存し、電流Ｉｐｈは光検出器に入射する光の強度に依存する。よって、図２に示すように、接続部１７における電圧ＶＣは低下する。比較器入力の電流は無視できるものとすると、リセット電圧が上昇した後の時間ｔにおける電圧ＶＣは次式によって与えられる。
【００４６】
ＶＣ＝ＶＤＤ−Ｉｐｈ．ｔ／Ｃ
【００４７】
従って光センサ２は、接続部１７において、検出される光強度の時間積分を表す出力信号ＶＣを供給する（比例定数はマイナスである）。光センサ２の出力信号ＶＣは、切断スイッチ８を介してスイッチ出口１３から出力デバイス１０の入力２４へ印加され、かつ比較器６の第１の入力１８へ印加される。
【００４８】
比較器６の第２の入力２０へ接続される信号発生器４は、予め決められた非線形関数に従って変わる時間依存性基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）を発生するように構成されかつ配列される。図２は、後に詳述する上記関数の適切な一形式を示したものである。基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）は時間ｔに伴って増大し、基準信号の変更速度は時間と共に低減することが分かる。
【００４９】
従って比較器６は、図２に示すように、第１の入力１８を介して光センサ信号ＶＣを受信し、第２の入力２０を介して基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）を受信する。比較器の出力２２は、切断スイッチ８のゲートへ接続される。比較器６は、電圧ＶＣが基準電圧Ｖｒｅｆ（ｔ）より高いときは比較器出力が高く、切断スイッチ８が通電し、よって光センサ信号ＶＣが出力デバイス１０へ印加されるように配列される。しかしながら、ＶＣがＶｒｅｆ（ｔ）より低いとき、比較器出力は低く、切断スイッチ８は通電を停止し、よって光センサ信号ＶＣは出力デバイス１０から切断される。
【００５０】
使用に際して、光センサの出力信号ＶＣは高値で始まって降下し、一方で基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）は低値で始まって上昇する。比較器６は、これらの２つの入力信号を比較して転移点、即ちＶＣ＝Ｖｒｅｆ（ｔ）であるときを検出する。図２に示す例では、これは、時間約４ｍｓの後に発生する。本明細書では「捕捉の瞬間」と称しているこの瞬間において、比較器の出力電圧は変わる。出力２２における電圧変化は、切断スイッチ８を制御する捕捉信号を供給する。捕捉信号がトランジスタ切断スイッチ８のゲートへ印加されると、切断スイッチ８の通電は停止し、よってソースフォロワトランジスタ２６のゲートは光センサ信号ＶＣから隔離される。これにより、出力デバイス１０は光センサ信号ＶＣから切断される。従って、出力デバイス１０はこの切断の瞬間に光センサ信号ＶＣを捕捉し、出力ノード３２に読出し信号を供給する。基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）の形式を定義する関数は、捕捉される出力信号ＶＣが光電流の対数に比例し、延いては検出される積分された光強度の対数に比例するように設計される。図３は、これを描いたものである。
【００５１】
イメージセンサアレイにおける全てのピクセル検出器からの出力信号は従来型の電子プロセッサ（不図示）へ供給され、上記電子プロセッサはこれらの信号をデジタル化して結合し、画像ファイルを形成する。このファイルは閲覧されてもよく、かつ／または後に閲覧するために格納されてもよい。本捕捉プロセスは、必要であれば、ビデオ信号を供給するために適切な間隔で反復されることが可能である。
【００５２】
基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）に異なる関数を使用すれば、光電流とピクセル出力電圧との間に異なる関係性を達成することができる。図２に示す基準信号を比較器の入力電圧として使用することにより、ソースフォロワ上へサンプリングされる電圧が光電流の対数に比例するピクセル検出器を生成することが可能である。或いは、対数応答ではなく線形応答が必要とされれば、これは単に、比較器へ供給される基準電圧を図２に示すような放電用ピクセルのための形式から一定の低電圧値へ変えることによって達成されることが可能である。従って、２種類の応答間で容易に切換が可能である。
対数応答の供給に必要な比較器基準電圧は、任意の波形発生器に使用されるものに類似する手法を使用して生成されることが可能である。例えば、基準電圧を生成するために、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）及びデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）が使用されることが可能である。
【００５３】
新しいピクセル検出器を基礎とするイメージセンサは、下記の優位点を有する場合がある。
【００５４】
（ｉ）従来の対数型イメージセンサのそれより高い出力電圧レンジ。よって出力画像は、一時的ノイズ及びピクセル間変動の双方による被害が少なくなる。
【００５５】
（ｉｉ）積分応答。これは、既存の設計とは異なり、ピクセル応答時間が低い光レベルに限定されないことを意味する。
【００５６】
（ｉｉｉ）１％のコントラスト感受性を得ることに一致するショットノイズが制限された信号対雑音比。
【００５７】
図８は、本発明の第２の実施形態による電子画像センサの一部を形成するピクセル検出器の略回路図である。本ピクセル検出器は、光センサ１０２と、第１の信号発生器１０４と、比較器１０６及びトランジスタ切断スイッチ１０８を備える検出デバイスと、読出し回路を備える出力デバイス１１０と、トランジスタリセットスイッチ１１２とを含む。
【００５８】
光センサ１１２は、キャパシタ１１６と並行して接続される光検出器１１４を備える。光検出器１１４は、例えばフォトダイオードであっても、フォトトランジスタであってもよい。光センサ１０２は、接続部１１７において、キャパシタ電圧ＶＣによって表される信号を供給する。この光検出器信号は、比較器１０６の第１の入力１１８へ接続される。信号発生器１０４は、比較器の第２の入力１２０へ接続される。光センサ１０２へは、接続部１１７を介してリセットスイッチ１１２も接続される。
【００５９】
比較器１０６は捕捉信号の出力１２２を有し、出力１２２は、スイッチの動作を制御する切断スイッチ１０８のゲートへ接続される。切断スイッチ１０８は、第２の信号発生器１２３の出力を出力デバイス１１０の入力１２５へ接続するように配列される。上記出力は、キャパシタ１２４を介して接地へも結合される。出力デバイス１１０もやはり従来型の選択可能なソースフォロワ読出し回路を備え、これは、ソースフォロワトランジスタ１２６と、選択トランジスタ１２８と、バイアストランジスタ１３０と、出力ノード１３２とを含む。
【００６０】
第２の信号発生器１２３は、インデックス信号を、例えば時間依存ランプ電圧Ｖｔｉｍｅの形式で発生する。切断スイッチ１０８は、通電している間、このインデックス信号を出力デバイス１１０の入力１２５へ接続する。
【００６１】
画像収集プロセスは、トランジスタリセットスイッチ１１２のゲートへ低いリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔを印加してスイッチを通電させることにより開始される。これにより、接続部１１７を介して光センサ１０２へ高い電圧ＶＤＤが印加され、よってキャパシタ１１６が荷電される。次にリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔは上昇し、リセットスイッチ１１２は通電を停止し、キャパシタ１１６は光検出器１１４を介して放電できるようになる。
【００６２】
キャパシタ１１６の放電速度は光検出器１１４を介する電流Ｉｐｈに依存し、電流Ｉｐｈは光検出器に入射する光の強度に依存する。よって、接続部１１７における電圧ＶＣは低下し、リセット電圧が上昇した後の時間ｔにおける電圧ＶＣは次式によって与えられる。
【００６３】
ＶＣ＝ＶＤＤ−Ｉｐｈ．ｔ／Ｃ
【００６４】
従って光センサ１０２は、接続部１１７において、検出される光強度の時間積分を表す信号ＶＣを供給する。光センサの信号ＶＣは、比較器１０６の第１の入力１１８へ印加される。
【００６５】
比較器１０６の第２の入力１２０へ接続される第１の信号発生器１０４は、例えば図２に示すように、予め決められた非線形関数に従って変わる時間依存性基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）を発生するように構成されかつ配列される。基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）は時間ｔに伴って増大し、基準信号の変更速度は時間と共に低減する。基準信号は、積分が停止する時点が光電流の対数に比例するように設計される。
【００６６】
従って比較器１０６は、第１の入力１１８を介して光センサ信号ＶＣを受信し、第２の入力１２０を介して基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）を受信する。比較器の出力１２２は、切断スイッチ１０８のゲートへ接続される。比較器１０６は、電圧ＶＣが基準電圧Ｖｒｅｆ（ｔ）より高いときは比較器出力が高く、切断スイッチ１０８が通電し、よってインデックス信号Ｖｔｉｍｅが出力デバイス１１０へ印加されるように配列される。しかしながら、ＶＣがＶｒｅｆ（ｔ）より低いとき、比較器出力は低く、切断スイッチ８は通電を停止し、よってインデックス信号Ｖｔｉｍｅは出力デバイス１１０から切断される。
【００６７】
使用に際して、光センサの信号ＶＣは高値で始まって降下し、一方で基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）は低値で始まって上昇する。比較器１０６は、これらの２つの入力信号を比較して２つの信号の転移、即ちＶＣ＝Ｖｒｅｆ（ｔ）であるときを検出する。捕捉の瞬間において、比較器の出力は高値から低値へ変わる。出力１２２におけるこの電圧変化は捕捉信号として作用し、トランジスタ切断スイッチ１０８のゲートへ印加される。切断スイッチ１０８は通電を停止し、よってソースフォロワトランジスタ１２４のゲートは第２の信号発生器によって発生されるインデックス信号Ｖｔｉｍｅから隔離される。出力デバイス１１０はこの捕捉の瞬間にインデックス信号Ｖｔｉｍｅを捕捉し、出力ノード１３２に出力信号を供給する。基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）の選択される形式に依存して、出力信号は光電流の対数に比例し、延ては検出される積分された光強度に比例する。
【００６８】
図９は、本発明の第３の実施形態によるピクセル検出器の略回路図である。この実施形態が使用するピクセル当たりのトランジスタ数は先の２つの実施形態より少なく、よってコスト及びサイズの点でこれらの実施形態を遙かに凌ぐ優位点を提供する。多数のピクセル素子を使用するイメージセンサにおいて、これは特に重要である。
【００６９】
本ピクセル検出器は、光センサデバイス２０２と、信号発生器２０４と、トランジスタスイッチを備える検出デバイス２０８と、出力デバイス２１０と、トランジスタリセットスイッチ２１２とを含む。トランジスタスイッチ２０８は、出力デバイス２１０の入力へ接続される出口２１３を有する。この実施形態では、トランジスタスイッチ２０８はｐチャネルＭＯＳＦＥＴであり、これは、ゲート電圧がソース電圧よりトランジスタしきい値電圧に等しい量だけ少ない場合にのみ通電する。ゲート電圧がソース電圧から上記しきい値電圧を減算した値以上であれば、トランジスタ２０８は通電を停止する。
【００７０】
光センサデバイス２０２は、キャパシタ２１６と並行して接続される光検出器２１４を備える。必要なキャパシタンスＣは、図に示すように別のキャパシタによって、かつ／または光検出器２１４または他の回路成分の内在的キャパシタンスによって供給されることが可能である。ここでは定電流源として示されている光検出器２１４は、例えばフォトダイオードであっても、フォトトランジスタであってもよい。光センサデバイス２０２は、接続部２１７において、キャパシタ電圧ＶＣによって表される光センサの出力信号を供給する。この出力信号は、トランジスタスイッチ２０８のソースへ接続される。スイッチ出口２１３は、トランジスタスイッチ２０８のドレインにおける電圧によってもたらされる。光センサ２０２へは、接続部２１７を介してリセットスイッチ２１２が接続される。
【００７１】
信号発生器２０４は切断スイッチ２０８のゲートへ接続され、スイッチの動作を制御する。ゲートへ印加される基準電圧がソースへ印加される光センサ電圧からしきい値電圧を減算した値より低い場合、スイッチは通電し、よって出力デバイス２１０の入力２２４へ光センサの出力信号ＶＣが印加される。上記基準電圧が光センサ電圧からしきい値電圧を減算した値より高い場合、スイッチは通電を停止し、入力２２４は光センサの出力信号から隔離される。
【００７２】
出力デバイス２１０は従来型の選択可能なソースフォロワ読出し回路を備え、これは、ソースフォロワトランジスタ２２６と、選択トランジスタ２２８と、バイアストランジスタ２３０と、出力ノード２３２とを備える。出力デバイス２１０は、スイッチ出口２１３において、出口から電流を引き出すことなく電圧を検出するように設計される。選択トランジスタ２２８は、ピクセルのローまたはカラムにおけるどのピクセルが電流源に接続されるかを選択する。
【００７３】
使用に際して、画像収集プロセスは、トランジスタリセットスイッチ２１２のゲートへ低いリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔを印加してスイッチを通電させることにより開始される。これにより、接続部２１７を介して光センサ２０２へ高い電圧ＶＤＤが印加され、よってキャパシタ２１６が荷電される。次にリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔは上昇し、リセットスイッチ２１２は通電を停止し、キャパシタ２１６は光検出器２１４を介して放電できるようになる。キャパシタ２１６の放電速度は光検出器２１４を介する電流Ｉｐｈに依存し、電流Ｉｐｈは光検出器に入射する光の強度に依存する。よって、接続部２１７における電圧ＶＣは低下する。
【００７４】
リセット電圧が上昇した後の時間ｔにおける電圧ＶＣは、次式によって与えられる。
【００７５】
ＶＣ＝ＶＤＤ−Ｉｐｈ．ｔ／Ｃ
【００７６】
従って光センサ２０２は、接続部２１７において、検出される光強度の時間積分に比例する出力信号ＶＣを供給する（比例定数はマイナスである）。光センサ２０２の出力信号ＶＣは、切断スイッチ２０８を介して出力デバイス２１０の入力２２４へ印加される。
【００７７】
信号発生器２０４は、予め決められた非線形関数に従って変わる時間依存性基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）を発生するように構成されかつ配列される。これは、例えば図２に示すものに類似する、しきい値電圧を考慮して修正されたものであってもよい。基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）は時間ｔに伴って増大し、基準信号の変更速度は時間と共に低下する。
【００７８】
トランジスタスイッチ２０８は、ソース端子で光センサ信号ＶＣを受信し、かつゲート端子で基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）を受信する。トランジスタスイッチ２０８のドレイン端子は、スイッチ出口２１３へ接続される。基準電圧Ｖｒｅｆが光センサ電圧ＶＣからしきい値電圧Ｖｔｈを減算した値より低い場合（即ち、Ｖｒｅｆ＜ＶＣ−Ｖｔｈのとき）、トランジスタスイッチ２０８は通電し、出力デバイス２１０へ光センサ信号ＶＣが印加される。
【００７９】
しかしながら、基準電圧Ｖｒｅｆが光センサ電圧ＶＣからしきい値電圧Ｖｔｈを減算した値以上である場合（即ち、Ｖｒｅｆ≧ＶＣ−Ｖｔｈのとき）、トランジスタスイッチ２０８は通電を停止し、よって光センサ信号ＶＣは出力デバイス２１０から切断される。言い替えれば、光センサ電圧ＶＣと基準電圧Ｖｒｅｆとの差がしきい値電圧Ｖｔｈより小さい場合（即ち、ＶＣ−Ｖｒｅｆ＜Ｖｔｈのとき）、出力デバイスは光センサから隔離される。ｐチャネルＭＯＳＦＥＴの場合、しきい値電圧は負の数として与えられることがある点は留意されるべきである。
【００８０】
従って、出力デバイス２１０は捕捉の瞬間に光センサ電圧ＶＣをサンプリングし、出力ノード２３２に読出し信号を供給する。基準信号Ｖｒｅｆ（ｔ）の形式を定義する関数は、捕捉される出力信号ＶＣが検出される積分された光強度の対数に比例するように設計される。
【００８１】
本イメージセンサは、制御されない照明状態または超広ダイナミックレンジの輝度を有する状態において使用するために設計される、具体的にはカメラ（静止及びビデオ画像用）を含む様々なアプリケーションにおける使用に適する。これらには、例えば、交通監視カメラ、保安用カメラ、ナンバープレート識別カメラ及び車内で使用するための暗視カメラが含まれてもよい。また本イメージセンサは、例えばマシンビジョン用の様々なロボットアプリケーションにも有益である場合がある。
次に、図４から７を参照して、適切な基準信号を生成する関数の考案方法を説明する。第１の導関数は、積分が停止する時点が対数応答を与えるセンサ（図８参照）に関連している。
【００８２】
光電流は、時間ｔのキャパシタンス上へ積分されるものとする。これによって引き起こされる電圧変化の大きさは、
【００８３】
｜ΔＶ｜＝（Ｉｐｈｔ／Ｃ）
【００８４】
である。
【００８５】
目的は、光電流Ｉｐｈの対数に比例する時間ｔｓにおいて積分プロセスを停止することにある。これは、
【００８６】
ｔｓ＝Ｓ  Ｌｎ（Ｉｐｈ／Ｉｒｅｆ）
【００８７】
を求めることを意味し、これは、
【００８８】
Ｉｐｈ＝Ｉｒｅｆ  ｅｘｐ（ｔｓ／Ｓ）
【００８９】
と等価である。
【００９０】
この時点における電圧変化は、
【００９１】
｜ΔＶ｜ｓ＝（Ｉｐｈｔｓ／Ｃ）＝（ＩｐｈＳ／Ｃ）Ｌｎ（Ｉｐｈ／Ｉｒｅｆ）
【００９２】
である。これは、光電流と、積分が停止される時点または時間表示信号がサンプリングされる時点の電圧変化との関係式が、
【００９３】
｜ΔＶ｜ｓ＝（ＳＩｐｈ／Ｃ）Ｌｎ（Ｉｐｈ／Ｉｒｅｆ）
【００９４】
であることを意味する。光電流を除去すると、
【００９５】
｜ΔＶ｜＝（Ｉｒｅｆｔ／Ｃ）ｅｘｐ（ｔ／Ｓ）
【００９６】
がもたらされる。
【００９７】
ここで、キャパシタンスは典型的には１ｐＦであり、特定の時点は０から２０ｍｓの範囲である。この時点において、電圧変化はほぼ１Ｖでなければならない。これは、Ｉｒｅｆが典型的な光電流より大きくなることを意味する。これは、式、
【００９８】
ｔｓ＝Ｓ  Ｌｎ（Ｉｐｈ／Ｉｒｅｆ）
【００９９】
から正の時間を取得するためには、変数Ｓが負でなければならないことを意味する。従って、上記式は、電圧に関連して、
【０１００】
｜ΔＶ｜＝（Ｉｒｅｆｔ／Ｃ）ｅｘｐ（−ｔ／｜Ｓ｜）
【０１０１】
の形式に書き直し、電圧変化が最終的に時間と共に低減し始めることを明確にするほうがよい。
【０１０２】
ｔ＝０及びｔ＝無限大における迅速検査は、これらの双方の時点で関数はゼロであることを示す。また関数は、ｔ＝│Ｓ│のときに最大値を有し、この値は、
【０１０３】
｜ΔＶ｜＝（Ｉｒｅｆ｜Ｓ｜／Ｃ）ｅｘｐ（−１）
【０１０４】
である。
【０１０５】
基準電圧は、比較器が積分プロセスを超迅速に停止する可能性を回避するように適合化されるべきである。これを実行するための１つの手法は、基準電圧をｔ＝│Ｓ│までそれがこの最大変化と等価であるように保持し、この時点の後に限って変化を許容するというものであると思われる。よって、変化は、
【０１０６】
ｔ＜│Ｓ│のとき、｜ΔＶ｜＝（Ｉｒｅｆ｜Ｓ｜／Ｃ）ｅｘｐ（−１）
【０１０７】
その他のとき、｜ΔＶ｜＝（Ｉｒｅｆｔ／Ｃ）ｅｘｐ（−ｔ／｜Ｓ｜）
【０１０８】
になる。
【０１０９】
このピクセルの場合の唯一の問題点は、それが時間を表す信号を必要とすることにある。従って、外部から供給される時間依存信号が２つ存在する。信号が時間を表現する必要性は、ピクセル自体の内部電圧が光電流の対数を表すように積分プロセスを停止することによって回避することができる。
【０１１０】
（図１に示すように）ピクセル電圧が対数応答を与えるセンサの場合、適切な基準信号を生成する関数は次のようにして導出される。
光電流Ｉｐは、キャパシタンスＣ上へ積分されるものとする。これは、時間ｔにおける電圧変化の大きさが、
【０１１１】
｜ΔＶ｜＝（Ｉｐｔ／Ｃ）
【０１１２】
によって与えられることを意味する。
その目的は、キャパシタンス上の電圧変化の大きさが光電流の対数に比例するように、積分プロセスを時間ｔｓにおいて停止することにある。これは、電圧が、
【０１１３】
｜ΔＶ｜ｓ＝Ｓ  Ｌｎ（Ｉｐ／Ｉｒｅｆ）
【０１１４】
だけ変化した時点で積分を停止し、または電圧をサンプリングしたいという希望を意味する。上記式は、
【０１１５】
Ｉｐ＝Ｉｒｅｆ  ｅｘｐ（｜ΔＶ｜ｓ／Ｓ）
【０１１６】
と等価である。電圧変化の大きさに関するこれらの２式を等式化すると、
【０１１７】
｜ΔＶ｜ｓ＝（Ｉｐｔｓ／Ｃ）＝Ｓ  Ｌｎ（Ｉｐ／Ｉｒｅｆ）  （Ａ１）
【０１１８】
になる。これを書き直すと、
【０１１９】
ｔｓ＝（ＳＣ／Ｉｐ）Ｌｎ（Ｉｐ／Ｉｒｅｆ）
【０１２０】
になる。
上記時間は、下記のように、この方程式における電圧変化の大きさから決定する方が容易である。
【０１２１】
ｔ＝（Ｃ｜ΔＶ｜／Ｉｒｅｆ）ｅｘｐ（−｜ΔＶ｜／Ｓ）
【０１２２】
このように、電圧変化の式を時間の関数として取得することは望ましいことではあるものの、特定の電圧変化がキャパシタ上への電荷積分の終了をもたらす時点を決定することがより容易である。
【０１２３】
何れにしても、値Ｖｉｎｉｔで始動するキャパシタを荷電するピクセルの場合は、
【０１２４】
Ｖｒｅｆ（ｔ）＝Ｖｉｎｉｔ＋｜ΔＶ｜（ｔ）
【０１２５】
であり、キャパシタが値Ｖｉｎｉｔの光電流を放電されれば、
【０１２６】
Ｖｒｅｆ（ｔ）＝Ｖｉｎｉｔ−｜ΔＶ｜（ｔ）
【０１２７】
である。
【０１２８】
提案している技術は、光電流がキャパシタ上へ積分されること、及び式（Ａ１）における状態が発生すれば、電荷積分を終了させるために各ピクセル内の比較器が使用されることを仮定してモデリングされている。Ｃ＝２０ｆＦ、Ｉｒｅｆ＝１０ｆＡ及びＳ＝０．１５の各値を使用して達成される結果を、図４から７に示す。
【０１２９】
図４は、荷電用ピクセル検出器において光電流の対数に比例するピクセル出力電圧を生成するために必要とされる基準電圧Ｖｒｅｆ（ｔ）を示したものである。図５における結果は、これらの変数値の場合、積分が停止する時点の出力電圧は６デケードを超える輝度レンジに渡って光電流の対数に比例すること、及び出力電圧は、光電流のデケード当たりの変化に対して３００ｍＶより大きく変化することを示す。
【０１３０】
同等に重要な点として、図６は、これらの変数の場合、出力電圧は、１ｐＡという小さい光電流に対して２０ｍｓ未満で生成されることを示す。図７は、この小さい光電流であっても、キャパシタ上には、ショットノイズを制限された信号対雑音比が３００を超える十分な電荷が積分されることを示す。これは、１％より優れたコントラスト感受性を達成するという所望される目的に一致している。
【０１３１】
対数ピクセルを生成する従来方法を凌ぐ本手法の１つの決定的な優位点は、光電流のデケード当たりの変化に対する出力電圧の変化が、従来設計ではデケード当たり６０ｍＶ未満であるのに対して、デケード当たり３００ｍＶを超えることにある。デケード当たりの出力電圧のこの変化は、変数Ｓによって制御される。これは、上記変化がデバイス変数ではなく回路の設計者によって制御されることを意味する。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明の第１の実施形態による電子画像センサの一部を形成するピクセル検出器を示す略回路図である。
【図２】図１に示すタイプの放電用ピクセル検出器の比較器基準電圧入力を示すグラフである。
【図３】放電用ピクセル検出器の出力応答を示すグラフであり、該検出器の対数応答を示している。
【図４】荷電用ピクセル検出器において対数応答を生成するために必要な比較器基準電圧を示すグラフである。
【図５】荷電用ピクセル検出器の出力電圧を光電流の関数として示すグラフであり、光電流と出力電圧との対数的関係性を示している。
【図６】積分が停止する時点を光電流の関数として示すグラフである。
【図７】該ピクセル検出器のショットノイズの信号対雑音比を示すグラフである。
【図８】本発明の第２の実施形態による電子画像センサの一部を形成するピクセル検出器の略回路図である。
【図９】本発明の第３の実施形態による電子画像センサの一部を形成するピクセル検出器の略回路図である。
【符号の説明】
【０１３３】
２  光センサ
４  信号発生デバイス
６  比較器
１０  読出しデバイス
１８  第１の入力
２０  第２の入力
【図１】
2009514294.tif 000003
【図２】
2009514294.tif 000004
【図３】
2009514294.tif 000005
【図４】
2009514294.tif 000006
【図５】
2009514294.tif 000007
【図６】
2009514294.tif 000008
【図７】
2009514294.tif 000009
【図８】
2009514294.tif 000010
【図９】
2009514294.tif 000011
【国際調査報告】
2009514294.tif 000012
2009514294.tif 000013