(57)【要約】  時間積分型画素センサ（１００）は、光検出器（１０２）、コンデンサ（１０４）、比較器（１１０）、及び画素データバッファ（１１４）を有する。動作中、光検出器からの光電流は、コンデンサを充電し、また、光電圧を発生する。コンデンサによって検出される光電圧及び基準電圧（１０８）は比較器で比較される。光電圧が基準電圧を超える場合、グローバルコード値が画素データバッファにラッチされる。光検出器に入射する光パワーはラッチされたコード値から決定される。センサアレイは回路（１１６）と共に半導体デバイスに組み込まれて画素データバッファを読み出し、また、復号化する。基準電圧を時間的に変化させて、センサのダイナミックレンジを大きくし得る。
2005512464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間積分型画素センサであって、
光検出器と、
光検出器に電気的に接続する容量性部品と、
基準電圧を受け取るための第１入力部、容量性部品に電気的に接続する第２入力部、及び出力部を有する比較器部品と、
比較器出力に応答し、また、デジタルコード値を記憶するために動作可能な画素データバッファと、
からなる時間積分型画素センサ。
【請求項２】
前記比較器の第１入力部に電気的に接続して、基準電圧を供給するために動作可能な電圧基準供給部品と、
前記画素データバッファに接続して、デジタルコード値を供給するために動作可能なグローバルコード発生器と、
が更に含まれる請求項１に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項３】
前記電圧基準供給部品はデジタル−アナログ変換器からなる請求項２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項４】
前記画素データバッファに動作可能に接続されて、前記デジタルコード値を光パワーレベルに変換するために動作可能なプロセッサを更に含む請求項２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項５】
前記プロセッサは、メモリ中に記憶されたルックアップテーブルを用いる請求項４に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項６】
前記プロセッサは、Ｃが定数、Ｖｒｅｆが基準電圧、Ｎが画素データバッファに記憶されたデジタルコード値、Ｎ０が初期デジタルコード値である場合、Ｐ＝Ｃ・Ｖｒｅｆ／（Ｎ−Ｎ０）に基づき光パワーレベルＰを計算する、請求項４に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項７】
前記画素データバッファに接続する画素データメモリ復号器を更に含む請求項４に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項８】
前記電圧基準が、時間で変化する請求項２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項９】
電圧基準値のルックアップテーブルを記憶するためのテーブルメモリを更に含み、前記電圧基準値のルックアップテーブルは、前記グローバルコード発生器によって生成されるルックアップテーブルアドレスに基づきアクセスされて、電圧基準値を前記電圧基準供給部品に供給するために動作可能である、請求項８に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１０】
デジタルコード値のルックアップテーブルを記憶するためのテーブルメモリを更に含み、デジタルコード値の前記ルックアップテーブルは、前記グローバルコード発生器によって生成されるルックアップテーブルアドレスに基づきアクセスされて、デジタルコードを前記画素データバッファに供給するために動作可能である請求項２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１１】
前記画素データバッファは、前記バッファの各ビット用のラッチを含む請求項１に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１２】
時間積分型画素センサであって、
（ａ）複数の行及び複数の列を有する画素部品アレイであって、各画素部品には、
光検出器と、
光検出器に電気的に接続する容量性部品と、
基準電圧を受け取るための第１入力部、容量性部品に電気的に接続する第２入力部、及び出力部を有する比較器部品と、
比較器部品出力に応答して、デジタルコード値を記憶するために動作可能な画素データバッファと、
が含まれる前記画素部品アレイと、
（ｂ）前記比較器の第１入力部に電気的に接続して、基準電圧を供給するために動作可能な電圧基準供給部品と、
（ｃ）前記画素データバッファに動作可能に接続されて、デジタルコード値を供給するために動作可能なグローバルコード発生器と、
（ｄ）前記画素部品アレイにおける画素部品の行を選択するために動作可能な画素行復号器と、
（ｅ）前記画素部品アレイにおける画素部品の列を選択するために、また、それからデータを受信するために動作可能な画素列復号器と、
（ｆ）前記画素行復号器、前記画素列復号器、及び前記グローバルコード発生器を制御するための制御装置と、
が含まれる積分時間型画素センサ。
【請求項１３】
前記グローバルコード発生器はグローバルコード値を生成し、また、前記デジタルコード値は前記グローバルコード値から決定される請求項１２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１４】
前記デジタルコード値は、前記グローバルコード値によってアクセスされるルックアップテーブルから決定される請求項１３に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１５】
前記グローバルコード発生器は、グローバルコード値を生成し、また、前記基準電圧は、前記グローバルコード値から決定される請求項１２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１６】
前記基準電圧は、前記グローバルコード値によってアクセスされるルックアップテーブルから決定される請求項１５に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１７】
（ｇ）前記画素列復号器からデータを受信するために動作可能な画像プロセッサを更に含む請求項１２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１８】
前記時間積分型画素センサは、集積回路半導体デバイスとして形成される請求項１２に記載の時間積分型画素センサ。
【請求項１９】
受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器に入射する光の光パワーを検出するための方法であって、
グローバルコード発生器を動作する工程と、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記光電圧を基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が前記基準電圧を超える時、前記グローバルコード発生器の値を画素データバッファに記憶する工程と、
前記画素データバッファに記憶されたグローバルコード発生器の値から光パワーを決定する工程と、
からなる方法。
【請求項２０】
前記決定する工程には、
前記画素データバッファに記憶されたグローバルコード発生器の値を読み出す工程と、
グローバルコード発生器の値によってルックアップテーブルに索引付けする工程と、
が更に含まれる請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記決定する工程には、
前記画素データバッファに記憶されたグローバルコード発生器の値を読み出す工程と、
Ｋが定数、Ｖｒｅｆが基準電圧、ｔがグローバルコード発生器の値から決定される積分時間である場合、Ｐ＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／ｔに基づき光パワーＰを計算する工程と、
が更に含まれる請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器に入射する光の光パワーを検出するための方法であって、
グローバルコード値を得るためにグローバルコード発生器を動作する工程と、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記グローバルコード値から基準電圧値を決定する工程と、
前記基準電圧値に基づき基準電圧を生成する工程と、
前記グローバルコード値からデジタルコード値を決定する工程と、
前記光電圧を前記基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が、前記基準電圧よりも大きい場合、画素データバッファに前記デジタルコード値を記憶する工程と、
前記画素データバッファに記憶されたデジタルコード値から光パワーを決定する工程と、
からなる方法。
【請求項２３】
前記基準電圧値は、前記グローバルカウンタ値の単調減少関数である請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記基準電圧値は、光検出器に入射する光の光パワーが、前記画素データバッファに記憶されたデジタルコード値に比例するように選択される請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記グローバルコード値から基準電圧値を決定する前記工程には、前記グローバルコード値によって索引付けされた基準電圧値のルックアップテーブルから前記基準電圧値を取得する工程が含まれる請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記グローバルコード値からデジタルコード値を決定する前記工程には、前記グローバルコード値によって索引付けされたデジタルコード値のルックアップテーブルから前記デジタルコード電圧値を取得する工程が含まれる請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記画素データバッファに記憶された前記デジタルコード値は、光検出器に入射する光の光パワーに比例する請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記デジタルコード値は、前記グローバルコード値に等しい請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
画素センサアレイに入射する光の光パワーを検出するための方法であって、各センサには、画素データバッファと、受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器とが備えられ、前記方法には、
画素センサアレイの各画素センサに対して、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記光電圧が基準電圧に達するのに要する時間として、積分時間を測定する工程と、
前記積分時間から光パワーを決定する工程と、
からなる方法。
【請求項３０】
前記基準電圧は時間で変化する請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
画素センサアレイの各画素センサに関して、前記積分する工程には、容量性部品における光検出器の電気的出力を積分する工程が含まれる請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
画素センサアレイに入射する光パワーの最大値に基づき前記基準電圧レベルを設定する工程が更に含まれる請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
画素センサアレイに入射する光パワーの最小値に基づき前記基準電圧レベルを設定する工程が更に含まれる請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
デジタル−アナログ変換器によって前記基準電圧を生成する工程が更に含まれる請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記測定する工程には、
グローバルコード発生器を動作する工程と、
画素センサアレイの各画素センサに対して、
前記光電圧を基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が、前記基準電圧よりも大きい場合、画素データバッファに前記グローバルコード発生器の値を記憶する工程と、
からなる請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記決定する工程は更に、
前記アレイにおける画素データバッファの行及び列アドレスを復号化する工程と、
前記行及び列アドレスにおける画素データバッファからグローバルコード発生器の記憶された値を読み出す工程と、
グローバルコード発生器の記憶された値とグローバルコード発生器の初期値との間の差によってルックアップテーブルに索引付けする工程と、
からなる請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記決定する工程は、
前記アレイにおける画素データバッファの行及び列アドレスを復号化する工程と、
前記画素データバッファからグローバルコード発生器の記憶された値を読み出す工程と、
Ｃが定数、Ｖｒｅｆが基準電圧、Ｎがグローバルカウンタの記憶された値、Ｎ０がグローバルコード発生器の初期値である場合、Ｐ＝Ｃ・Ｖｒｅｆ／（Ｎ−Ｎ０）に基づき、光パワーＰを計算する工程と、
から更になる請求項３５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、画像検出のための技術及び装置に関し、特に、光電流のデジタル測定値を得るための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像化における主な問題は、画像センサアレイのダイナミックレンジが制限されていることである。その結果、画像が或る部分で飽和することがあっても、他の部分が露光不足になる場合がある。電荷結合デバイス（ＣＣＤ）等、代表的なフォトダイオード光検出器は、ｐｎ接合フォトダイオードアレイから構成される。各フォトダイオードは、それに関連する容量を有し、また、光が検出器に入射すると、その結果生じる光電流は、その容量を充電する。従って、電荷は、検出器に入射する光強度の時間積分である。ＣＣＤは、周期的にまた順次、その電荷を映像ラインに切り換え、その結果、一連のパルスになるが、これらは、アレイに入射する光パターンを表す電圧信号に変換し得る。積分時間が長過ぎると、デバイスは飽和する。積分時間が短か過ぎると、電圧信号は、デバイスのノイズに埋没する。
【０００３】
従って、感度を調整する一つの方法は、アレイに入射する光の強度に基づき積分時間を調整することである。このことは、例えば、切換速度を調整することによって、アレイ全体に対して包括的に行ない得る。これによって、アレイは、（アナログカメラの露光時間を調整する場合のように）様々な光レベルに対して調整することが可能になるが、単一画像内のダイナミックレンジは増加しない。
【０００４】
他の方法は、コンデンサの電圧が基準レベルに達するのに要する時間を測定することである。このような方式の一例が、非特許文献１与えられている。時間が長いことは、アレイに入射する光の強度が低いことを示し、一方、時間が短いことは、強度が高いことを示す。電圧基準レベルは、アレイ全体に共通であるが、アレイに入射する総強度に基づき調整してもよい。この方法は、積分時間が所定の時間間隔で比較器からの出力を問い合わせることによって測定されるため、計算集約型である。これらの間隔は、正確な測定を行うために、互いに極めて接近している必要がある。またこの方法では、各画素が読み出し回路を備える必要がある。更に、各センサ部品は、プリチャージトランジスタを必要とする。
【０００５】
更に、“局部的自動適応ＴＦＡセンサ”と呼ばれるデバイスが、非特許文献２に記載されている。このデバイスでは、積分時間が、局部照明強度に基づき、それぞれの画素に対して適合される。最初の積分時間の後、コンデンサ電圧が、飽和電圧の半分よりも僅かに小さい基準電圧と比較される。電圧が基準電圧よりも小さい場合、積分時間は２倍になる。このプロセスは、基準電圧を超えるまで繰り返される。従って、コンデンサの飽和が回避され且つ積分時間が延びて、露光不足が回避される。最終電圧及び積分時間を共に用いて、照明強度が決定される。この方法は、積分時間を比較し調整するための回路、及び積分時間の終了時に電圧を測定するための回路を必要とする。
【０００６】
前述の議論を考えると、当分野において更に、画像が部分的に飽和したり露光不足になったりしないような対象物の強度分布を表す画像を画像センサアレイに生成させる必要があることが分かる。
【非特許文献１】１９９８年１２月、ＩＥＥＥ画像処理議事録Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．１２、アンダース・アストレム（Ａｎｄｅｒｓ＿Ａｓｔｒｏｅｍ）、ロバート・フォルヒハイマ（Ｒｏｂｅｒｔ＿Ｆｏｒｃｈｈｅｉｍｅｒ）、及びペルエリク・ダニエルソン（Ｐｅｒ−Ｅｒｉｋ＿Ｄａｎｉｅｌｓｓｏｎ）による“近接センサ画像処理の背景内での強度マッピング”
【非特許文献２】１９９８年、ベルリン、シュプリンガーフェアラーク（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ＿Ｖｅｒｌａｇ）社、Ｄ．Ｅ．リッケン（Ｒｉｃｋｅｎ）、Ｗ．ゲスナ（Ｇｅｓｓｎｅｒ）（編集）、自動車用途のための先進マイクロシステム、１５７〜１７２頁における、Ｍ．ベーム（Ｂｏｅｈｍ）らによる“自動車用途のための薄膜・オン・エイシック（特定用途向けＩＣ）技術における高ダイナミックレンジ画像センサ”
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
新規性があると考えられる本発明の特徴は、添付の請求項において詳細に述べられている。しかしながら、本発明自体は、構成及び動作方法の双方に関して、その目的及び利点と共に、本発明の以下の詳細な説明を参照することによって最も良く理解することができ、本発明の以下の詳細な説明は、本発明の特定の典型的な実施形態について記述し、添付図面と共に解釈されるものである。
【０００８】
この発明では、多くの異なる形式の実施形態が可能であるが、具体的な実施形態を図示し、本明細書中に詳述する。本開示は、本発明の原理の一例として見なすべきものであり、図示し記述した具体的な実施形態に本発明を限定するものではないことを理解されたい。以下の説明において、同様の参照番号を用いて、図面の幾つかの図において、同一の、類似した、又は対応する部位を記述する。
【０００９】
ここで図１において、本発明の好適な実施形態の時間積分型画素構造１００を示す。画素構造１００には、光検出器１０２、及び容量Ｃｆｄを有する浮動拡散コンデンサ１０４が含まれる。動作中、光電流が、浮動拡散コンデンサを充電し、また、光電圧１０６を発生する。電荷は、転送ゲートを用いることなく光検出器から拡散コンデンサに直接移動し得る。浮動拡散コンデンサによって検出される光電圧１０６、及び基準電圧１０８は、比較器１１０へ入力として供給される。システムが、時間ｔ＝０でリセットされる場合、時間ｔでのコンデンサ両端の電圧Ｖは、光電流ｉの時間積分であり、
【００１０】
【数１】
2005512464.tif 000003
によって与えられる。ここで、Ｃｆｄは、浮動拡散コンデンサの容量であり、ｔはコンデンサの積分時間である。光電流は、
ｉ＝ＰｅＱＥλ／ｈｃ
によって与えられる。ここで、Ｐは、照明強度であり、ｑは、電子の電荷であり、λは、光の波長であり、ｃは、光の速度であり、ｈは、プランクの定数であり、ＱＥは、光検出器の量子効率である。従って、コンデンサ両端の電圧は、積分時間に関係する。
【００１１】
Ｖ＝ＰｑＱＥλｔ／Ｃｆｄｈｃ＝Ｐｔ／Ｋ
であり、ここで、Ｋ＝Ｃｆｄｈｃ／ｑＱＥλは定数である。照明強度Ｐｉの場合、基準電圧Ｖｒｅｆに達する時間は、
ｔｉ＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／Ｐｉ
である。
即ち、積分時間ｔ１後、浮動拡散コンデンサによって検出される光電圧１０６と基準電圧１０８とは、等しい。図１に示した画素構造において、グローバルカウンタ／コード発生
器１１８が、時間ｔ＝０でリセットされる。光電圧１０６が、特定の画素に対して基準電圧１０８を超える時、比較器１１０からの出力１１２は、値が変化する。その時、グローバルカウンタ値又はコード値は、ラッチされ、また、関連する画素データバッファ１１４に記憶される。カウンタ又はコード値をラッチすることにより、比較器出力を問い合わせる必要がなくなる。好適な実施形態において、カウンタ又はコード値は、画素データバッファ１１４に１０ビット値として記憶される。しかしながら、大きさが異なるバッファを用いてもよい。一般的に、大きいバッファは、高価であるが、精度が良くなる。一つのラッチが、バッファの各ビットに対して用いられ、また、図においてバッファの一体化部分であると仮定する。
【００１２】
図１に示した装置は、照明強度に関連する直接的なデジタル値（カウンタ又はコード値）を提供する。このことは、アナログ電圧が検出され、そして、アナログ−デジタル変換器を用いてデジタル値に変換される従来のシステムと対照的である。従来のシステムと比較して本発明のシステムは単純であることから、小型で安価なセンサを用い得る。
【００１３】
図１において、単一画素センサのみを示す。しかしながら、画素センサアレイが、ＣＭＯＳデバイス等の単一デバイスに組み込まれ、本発明と共に利用し得ることが考えられる。画素データメモリ復号器１１６を用いて、個々の画素センサからのデータを復号化し、また、プロセッサ（図示せず）にそれを送信する。
【００１４】
図２は、本発明のフォトダイオードセンサに対して光電圧を積分時間の関数として示すグラフである。この実施形態において、基準電圧は、時間の関数として変化する。基準電圧の時間変化に関する２つの例を図２に示す。第１のものは、“線形マッピング”と名付けた破線によって示し、第２のものは、“非線形マッピング”と名付けた直線によって示す。“線形マッピング”は、記憶されたデジタルコードとパワーとの間の線形の関係を提供するために選択し得る。非線形マッピングを用いる場合、センサのダイナミックレンジは、最大になる。非線形マッピングは、以下に述べる例において用いる。Ｐ１と名付けた直線は、積分時間と、光パワーＰ１の光に対する光電圧との間の関係を示す。好適な実施形態において、グローバルカウンタ／コード発生器（図１の１１８）は、時間ｔ＝０でゼロに設定される。時間ｔ１で、光電圧は、基準電圧Ｖｒｅｆに達し、また、比較器（図１の１１０）からの出力は、値が切り換わる。この時、グローバルカウンタは、画素データバッファ（図１の１１４）にラッチされる。その後、光電圧は、飽和レベルＶｓａｔに達する。Ｐ２と名付けた直線は、積分時間と、光パワーがＰ１よりも小さいＰ２の光に対する光電圧との間の関係を示す。時間ｔ２で、光電圧は、基準電圧Ｖｒｅｆに達し、また、比較器（図１の１１０）からの出力は、値が切り換わる。この時、グローバルカウンタは、画素データバッファ（図１の１１４）にラッチされる。従って、光パワーの小さい光が光検出器に入射する場合、基準電圧に達するのに要する積分時間は、長くなる。従って、基準電圧に達するのに要する積分時間は、強度即ち光パワーに逆比例する。同様に、Ｐ３と名付けた直線は、積分時間と、光パワーがＰ１又はＰ２よりも小さいＰ３の光に対する光電圧との間の関係を示す。時間ｔ３で、光電圧は、基準電圧Ｖｒｅｆに達し、また、グローバルカウンタ値は、画素データバッファにラッチされる。基準電圧が大きくなると、より長い積分時間が必要である。基準電圧が小さくなると、より短い積分時間が必要である。光が光検出器に入射しない時でさえ、僅かな電流と電圧が、電気的ノイズのためにセンサに存在する。電圧ノイズフロア未満の電圧レベルは、検出不能であるため、最小電圧基準レベルが、電圧ノイズフロアによって決定される。コンデンサによって蓄積し得る電荷の量には上限がある。この最大電荷に対応する電圧は、飽和電圧と呼ばれる。最大電圧基準レベルＶｍａｘは、飽和電圧によって決定される。
【００１５】
積分時間は、強度に逆比例し、また、光パワー即ち強度は、
Ｐｉ＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／ｔｉ
によって与えられる。
【００１６】
積分時間ｔｉは、グローバルカウンタ値が積分時間の開始時にゼロに設定されると、グローバルカウンタ値から直接決定し得る。もしくは、積分時間は、積分の終了時のカウンタ値Ｎｉと積分の開始時のカウンタ値Ｎ０との間の差から決定し得る。光パワーは、
Ｐｉ＝Ｃ・Ｖｒｅｆ／（Ｎｉ−Ｎ０）
によって与えられる。ここで、Ｃ＝Ｋ×ｆｃｏｕｎｔｅｒは、定数であり、ｆｃｏｕｎｔｅｒは、カウンタ周波数である。この計算は、プロセッサによって行われる。また画素データメモリ復号器１１６を用いて、グローバルカウンタ／コード発生器１１８を個々の画素センサに接続する。
【００１７】
測定し得る最小強度は、
Ｐｍｉｎ＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／Ｔｆｒａｍｅ
である。ここで、Ｔｆｒａｍｅは、連続する映像フレーム間の時間又は最大許容積分時間である。この強度未満では、カウンタは、フレーム周期内でラッチされない。
【００１８】
飽和強度は、
Ｐｍａｘ＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／Ｔｃｌｏｃｋ
である。ここで、Ｔｃｌｏｃｋは、カウンタ周期又は最小許容積分時間である。この強度を越えると、カウンタは、単一のカウンタサイクルでラッチされる。従って、電圧が一定であれば、単一画像内のダイナミックレンジは、
ＤＲ＝２０．ｌｏｇ１０（Ｔｆｒａｍｅ／Ｔｃｌｏｃｋ）ｄＢ
である。
【００１９】
画像のフレーム内ダイナミックレンジは、一つのフレームの間、基準電圧Ｖｒｅｆを変えることによって調整し得る。図２に示したように、最大限のダイナミックレンジを得るために、Ｖｒｅｆは、Ｔｃｌｏｃｋに等しい時間でＶｍａｘに等しくなり、また、Ｔｆｒａｍｅに等しい時間でＶｍｉｎに等しくなるように、変更し得る。電圧Ｖｒｅｆは、基準電圧１０８を供給するために、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）を用いて変更し得る。最大基準電圧が、Ｖｍａｘであり、また、最小基準電圧が、Ｖｍｉｎであれば、全ダイナミックレンジは、
ＤＲ＝２０．ｌｏｇ１０（ＶｍａｘＴｆｒａｍｅ／ＶｍｉｎＴｃｌｏｃｋ）ｄＢ
である。
【００２０】
例えば、５０Ｈｚフレームレート及び１０ＭＨｚクロックの場合、最大ダイナミックレンジは、Ｖｒｅｆが一定であれば、１０６ｄＢである。更に、基準電圧が、３００μＶ乃至１．５Ｖの範囲で変更され、また、追加の７４ｄＢのダイナミックレンジが加えられると、これによって、総レンジが１８０ｄＢになる。
【００２１】
センサの精度は、光電圧が一つのカウンタサイクル内でどの程度変化し得るかによって決定される。γ＜１の場合、ｎ番目のカウンタサイクルの前に時間ｔ＝（ｎ−γ）Ｔｃｌｏｃｋで電圧基準を超えると、カウンタ値は、値ｎでラッチされ、また、強度の誤差は、
誤差＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／｛（ｎ−γ）Ｔｃｌｏｃｋ｝−Ｋ・Ｖｒｅｆ／（ｎＴｃｌｏｃｋ）＝Ｋ・γＶｒｅｆ／｛ｎ（ｎ−γ）Ｔｃｌｏｃｋ｝＝γＰｉ／ｎ
によって与えられる。
従って、相対誤差は、ｎに逆比例する。強度が大きいと、相対誤差が最も大きくなる。誤差は、ｎを大きくすることによって低減し得る。このことは、クロック（カウンタ）速度を大きくすることによって又は基準電圧を上げることによって実現し得る。
【００２２】
図３において、個々の画素センサは、好適には、アレイ３０２に配置される。アレイの
各部品には、光検出器と、光検出器に電気的に接続する浮動拡散コンデンサと、比較器と、が含まれる。比較器は、基準電圧を受け取るための第１入力部、浮動拡散コンデンサに電気的に接続する第２入力部、及び出力部を有する。また各部品には、画素データバッファも含まれるが、画素データバッファは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）であってもよい。画素アレイは、標準メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等）にアドレス指定するために用いられる方法と同様の方法でアドレス指定される。各画素列は、好適にはそれ自体のデータバスに接続する。行アドレスは、ワード線３１４を用いて特定の画素行を選択する画素行アドレス復号器３０４に送信される。また画素列アドレス復号器３０６には、選択された行に応じて、選択された画素列からデータを受信するために又は選択された画素列にデータを送信するために用い得るデータ復号器も含まれる。これによって、個々の画素のアドレス指定が可能になり、その結果、データは、画素ビット線３１６を介して、画素に“書き込む”又は画素を“読み出す”ことができる。グローバルシーケンサ３１２が、システム制御装置３１０に接続する。グローバルシーケンサは、ルックアップテーブル３２６及び３３４に渡されるルックアップテーブルアドレス３２４及び３３４を生成する。ルックアップテーブル１、３２６を用いて、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）３２８に渡される電圧基準値にルックアップテーブルアドレス３２４を変換する。ＤＡＣ３２８は、画素アレイ３０２に渡される基準電圧１０８を生成する。ルックアップテーブル２、３３４を用いて、画素列復号器３０６を介して画素に渡されるシステム適合デジタルコード値に実際のカウンタ値を変換する。デジタルコード値は、実際のカウンタ値に線形的に関連付ける必要はない。デジタルコード値は、所定の電圧基準に対する各カウンタ値に関連する光パワーレベルに対応し得る。これによって、後で光パワーレベルを計算する必要がなくなる。更に、画素タイミング制御装置３０８は、行及び列復号器に接続して、アレイの個々の部品にアクセスするタイミングを制御する。画素ビットデータは、ビット線３１６を介して列復号器３０６によって検出され、また、データは、多重化データストリーム３２２として画像プロセッサ及びシステム制御装置３１０に送信される。画像プロセッサは、積分時間から各画素センサに対する光パワーへの変換を行い、また、色処理又は圧縮等、他の画像処理機能を実行し得る。処理された画像を表すデータは、３１８で画像プロセッサから出力される。変換は、ルックアップテーブルを介して、又は計算によって、又はその組み合せによって行ない得る。３１０に含まれるシステム制御装置は、画素タイミング＆制御装置３０８に渡される画素アレイタイミング＆制御信号３２０を供給する。画素タイミング＆制御装置３０８は、画素行復号器３０４及び画素列復号器３０６を制御する。また３１０に含まれるシステム制御装置は、グローバルカウンタ／コード発生器３１２の制御も行なう。
【００２３】
本発明の方法の一実施形態を表すフローチャートを図４に示す。動作は、開始ブロック４０２で始まる。画素センサは、例えば浮動拡散コンデンサを放電することによって、ブロック４０４でリセットされる。光検出器からの出力は、ブロック４０６で積分される。浮動拡散コンデンサを用いる場合、光検出器出力電流は、光電圧を生成するためにコンデンサによって積分される。判定ブロック４０８において、光電圧は、基準電圧と比較される。光電圧が基準電圧よりも小さい場合、判定ブロック４０８からの肯定分岐によって示すように、（画素センサに供給される）グローバルカウンタ／コード発生器の現在値は、ブロック４１０で画素データバッファに記憶される。そして、フローは、判定ブロック４１２に続く。光電圧が、基準電圧よりも大きい場合、判定ブロック４０８からの否定分岐によって示すように、フローは、ブロック４１２に続く。判定ブロック４０８は、比較器として実現し得る。従って、画素データバッファに記憶された最終値は、光電圧が基準電圧に達するカウンタ値である。こうして、この値は、画素データバッファにラッチされる。判定ブロック４１２において、積分の最大時間を越えたかどうか判断するために確認を行なう。最大時間を超えている場合、判定ブロック４１２からの肯定分岐によって示すように、画素データバッファを読み出す。最大時間を超えていない場合、判定ブロック４１２からの否定分岐によって示すように、システムは、その時間を超えるまで待機する。ブ
ロック４１４で、基準電圧に達したか否かに関わらず、画素データバッファを読み出す。ブロック４１６で、光パワーは、画素データバッファから読み出されたカウンタ値から決定される（即ち、基準電圧に達しなかった場合ゼロである）。この決定は、一体化されたプロセッサ又はセンサアレイ外部のプロセッサにおいて行なってよい。この決定は、上述したように、計算
Ｐｉ＝Ｃ・Ｖｒｅｆ／（Ｎｉ−Ｎ０）
を用い得る。
【００２４】
本発明の方法における他の選択的な実施形態を図５に示す。動作は、開始ブロック４０２で始まる。画素センサは、例えば浮動拡散コンデンサを放電することによって、ブロック４０４でリセットされる。光検出器からの出力は、ブロック４０６で積分される。浮動拡散コンデンサを用いる場合、光検出器出力電流は、光電圧を生成するために、このコンデンサで積分される。判定ブロック４２２において、光電圧は、基準電圧と比較される。光電圧が、基準電圧よりも大きい場合、判定ブロック４２３からの肯定分岐によって示すように、（画素センサに供給される）グローバルカウンタの現在値は、ブロック４１０で画素データバッファに記憶される。判定ブロック４２４で、積分の最大時間を越えているかどうか判断するために確認を行なう。最大時間を超えている場合、判定ブロック４１２からの肯定分岐によって示すように、画素データバッファは、ブロック４１４で読み出される。最大時間を超えていない場合、判定ブロック４２４からの否定分岐によって示すように、システムは、この時間を超えるまで待機する。光電圧が基準電圧よりも小さい場合、判定ブロック４２２からの否定分岐によって示すように、フローは、ブロック４１２に続く。判定ブロック４０８は、比較器として実現し得る。従って、画素データバッファに記憶された値は、光電圧が基準電圧に達するカウンタ値である。判定ブロック４１２で、積分の最大時間を越えているかどうかを判断するために確認を行なう。最大時間を超えていない場合、判定ブロック４１２からの肯定分岐によって示すように、画素データバッファが、読み出される。最大時間を超えていない場合、判定ブロック４１２からの否定分岐によって示すように、システムは、この時間を越えるまで待機する。ブロック４１４において、基準電圧に達したか否かに関わらず、画素データバッファが読み出される。ブロック４１６で、光パワーは、画素データバッファから読み出されるカウンタ値から決定される（即ち、基準電圧に達していなかった場合ゼロである）。計算は、カウンタ差Ｎｉ−Ｎ０によって索引付けされた又はカウンタ差から計算された積分時間によって索引付けされたルックアップテーブルを用いて行ない得る。
【００２５】
フレームの間、Ｖｒｅｆを変更することの他の利点は、積分時間を表す特定の組の連続したデジタルコードによってアクセスされる光強度レベルの範囲を変更する能力である。これによって、センサの感度を変更し得る。このことは、その組のコードに対してＶｒｅｆの平均勾配を大きくしたり小さくしたりすることによって、アクセス可能な強度レベルの範囲をそれぞれ大きくしたり小さくしたりして実現される。このことを図６に示す。図６は、積分時間の関数としての電圧のグラフを示す。積分時間は、変数ｎによって示したデジタルコードによって表される。強度Ｐ０の光は、デジタルコードｍによって示した時間に基準電圧Ｖｒｅｆ１又はＶｒｅｆ２に達する。基準電圧が、曲線Ｖｒｅｆ１（ｎ）に基づき時間の関数として変化する場合、強度Ｐ１の光は、デジタルコードｍ＋ｋによって示される時間に基準電圧Ｖｒｅｆ１（ｍ＋ｋ）に達する。他方、電圧基準が、曲線Ｖｒｅｆ２（ｎ）に基づき時間の関数として変化する場合、強度Ｐ２の光は、デジタルコードｍ＋ｋによって示される時間に基準電圧Ｖｒｅｆ２（ｍ＋ｋ）に達する。従って、電圧基準が、曲線Ｖｒｅｆ１（ｎ）に基づき時間の関数として変化する場合、デジタルコードｍ乃至ｍ＋ｋは、Ｐ１からＰ０までの強度を持つ光を表し、他方、電圧基準が、曲線Ｖｒｅｆ２（ｎ）に基づき時間の関数として変化する場合、デジタルコードｍ乃至ｍ＋ｋは、Ｐ２からＰ０までの強度を持つ光を表す。曲線Ｖｒｅｆ１（ｎ）の平均勾配は、Ｖｒｅｆ２（ｎ）のものよりも大きく、また、その結果、電圧基準関数Ｖｒｅｆ１（ｎ）を用いるセン
サの感度は高くなる。
【００２６】
光検出器出力を積分するためのコンデンサの使用、及びグローバルカウンタ値を画素データバッファにラッチするための比較器の使用に基づく典型的な実施形態に関して、本発明の説明を行なったことを当業者は認識されたい。しかしながら、本発明は、説明され請求項に記載されたものと等価なハードウェア又はソフトウェア構成部品を用いて実現し得るため、本発明は、そのように限定すべきではない。他の多くの変形例も当業者には明白であろう。
【００２７】
本発明について、具体的な実施形態と共に説明してきたが、多くの選択肢、修正、置換、及び変形が、前述の説明において当業者に明らかになることは明白である。従って、本発明は、添付請求項の範囲内にあるような選択肢、修正、及び変形を全て包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の側面に基づくフォトダイオードセンサのブロック図。
【図２】本発明の側面に基づくフォトダイオードセンサに対して光電圧を積分時間の関数として示すグラフ。
【図３】本発明の側面に基づくフォトダイオードセンサアレイを利用するシステムのブロック図。
【図４】本発明に基づく光パワーを検出する方法を示すフローチャート。
【図５】本発明に基づく光パワーを検出する他の方法を示すフローチャート。
【図６】本発明の側面に基づくフォトダイオードセンサに対して光電圧を積分時間の関数として示すグラフ。
【図１】
2005512464.tif 000004
【図２】
2005512464.tif 000005
【図３】
2005512464.tif 000006
【図４】
2005512464.tif 000007
【図５】
2005512464.tif 000008
【図６】
2005512464.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月10日(2003.11.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
時間積分型画素センサであって、
光検出器と、
光検出器に電気的に接続する容量性部品と、
基準電圧を受け取るための第１入力部、容量性部品に電気的に接続する第２入力部、及び出力部を有する比較器部品と、
比較器出力に応答し、また、デジタルコード値を記憶するために動作可能な画素データバッファと、
前記比較器の第１入力部に電気的に接続して、基準電圧を供給するために動作可能な電圧基準供給部品と、
前記画素データバッファに接続して、デジタルコード値を供給するために動作可能なグローバルコード発生器と、
前記画素データバッファに動作可能に接続して、前記デジタルコード値を光パワーレベルに変換するために動作可能なプロセッサと、が含まれ、
前記プロセッサは、Ｃが定数、Ｖｒｅｆが基準電圧、Ｎが画素データバッファに記憶されたデジタルコード値、Ｎ０が初期デジタルコード値である場合、Ｐ＝Ｃ・Ｖｒｅｆ／（Ｎ−Ｎ０）に基づき光パワーレベルＰを計算する、時間積分型画素センサ。
【請求項２】
受光のための、入力部及び電気的出力部を有する光検出器、に入射する光の光パワーを検出するための方法であって、
グローバルコード発生器を動作する工程と、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記光電圧を基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が前記基準電圧を超える時、前記グローバルコード発生器の値を画素データバッファに記憶する工程と、が含まれ、
判定する工程は更に、
前記画素データバッファに記憶されたグローバルコード発生器の値を読み出す工程と、
Ｋが定数、Ｖｒｅｆが基準電圧、ｔがグローバルコード発生器の値から決定される積
分時間である場合、Ｐ＝Ｋ・Ｖｒｅｆ／ｔに基づき光パワーＰを計算する工程と、
からなる方法。
【請求項３】
受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器に入射する光の光パワーを検出するための方法であって、
グローバルコード値を得るためにグローバルコード発生器を動作する工程と、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記グローバルコード値から基準電圧値を決定する工程と、
前記基準電圧値に基づき基準電圧を生成する工程と、
前記グローバルコード値からデジタルコード値を決定する工程と、
前記光電圧を前記基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が、前記基準電圧よりも大きい場合、画素データバッファに前記デジタルコード値を記憶する工程と、
前記画素データバッファに記憶されたデジタルコード値から光パワーを決定する工程と、からなり、
前記基準電圧値は、光検出器に入射する光の光パワーが、前記画素データバッファに記憶されたデジタルコード値に線形的に関係するように選択される、方法。
【請求項４】
受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器に入射する光の光パワーを検出するための方法であって、
グローバルコード値を得るためにグローバルコード発生器を動作する工程と、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記グローバルコード値から基準電圧値を決定する工程と、
前記基準電圧値に基づき基準電圧を生成する工程と、
前記グローバルコード値からデジタルコード値を決定する工程と、
前記光電圧を前記基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が、前記基準電圧よりも大きい場合、画素データバッファに前記デジタルコード値を記憶する工程と、
前記画素データバッファに記憶されたデジタルコード値から光パワーを決定する工程と、からなり、
前記画素データバッファに記憶された前記デジタルコード値は、光検出器に入射する光の光パワーに線形的に関係する、方法。
【請求項５】
画素センサアレイに入射する光の光パワーを検出するための方法であって、各センサには、画素データバッファと、受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器とが備えられ、前記方法には、画素センサアレイの各画素センサに対して、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記光電圧が基準電圧に達するのに要する時間として、積分時間を測定する工程と、
前記積分時間から光パワーを決定する工程と、からなり、
前記測定する工程は、
グローバルコード発生器を動作する段階と、画素センサアレイの各画素センサに対して、
前記光電圧を基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が、前記基準電圧よりも大きい場合、画素データバッファに前記グローバルコード発生器の値を記憶する工程と、からなり、
前記決定する工程は更に、
前記アレイにおける画素データバッファの行及び列アドレスを復号化する工程と、
前記行及び列アドレスにおける画素データバッファからグローバルコード発生器の記憶された値を読み出す工程と、
グローバルコード発生器の記憶された値とグローバルコード発生器の初期値との間の
差によってルックアップテーブルに索引付けする工程と、
からなる方法。
【請求項６】
画素センサアレイに入射する光の光パワーを検出するための方法であって、各センサには、画素データバッファと、受光のための入力部及び電気的出力部を有する光検出器とが備えられ、該方法は、画素センサアレイの各画素センサに対して、
光電圧を得るために光検出器の電気的出力を積分する工程と、
前記光電圧が基準電圧に達するのに要する時間として、積分時間を測定する工程と、
前記積分時間から光パワーを決定する工程と、からなり、
該測定する工程は、
グローバルコード発生器を動作する工程と、画素センサアレイの各画素センサに対して、
前記光電圧を基準電圧と比較する工程と、
前記光電圧が、前記基準電圧よりも大きい場合、画素データバッファに前記グローバルコード発生器の値を記憶する工程と、からなり
前記判定する工程は、更に、
前記アレイにおける画素データバッファの行及びアドレスを復号化する工程と、
前記画素データバッファからグローバルコード発生器の記憶された値を読み出す工程と、
Ｃが定数、Ｖｒｅｆが基準電圧、Ｎがグローバルカウンタの記憶された値、Ｎ０がグローバルコード発生器の初期値である場合、Ｐ＝Ｃ・Ｖｒｅｆ／（Ｎ−Ｎ０）に基づき、光パワーＰを計算する工程と、
からなる方法。
【国際調査報告】
2005512464.tif 000010