(57)【要約】【目的】各画素からセンサ信号を時系列的に読み出すに際して、各画素における入射光に応じた電荷蓄積時間の制御をなすことにより疑似的なシャッタ機能を働かせて、各画素が読み出されるまでの間に受光が進むことによって生ずるセンサ信号のばらつきを抑制する。【構成】入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流に応じてトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって光電変換素子の寄生容量に電荷の蓄積を行わせ、その充電電圧に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路からなる画素をマトリクス状に配設して、各画素のセンサ信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサにおいて、予め全ての画素における対数特性変換用のトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値になるように同時に切り換えて初期化する手段を設け、初期化してから一定時間が経過した時点で各画素のセンサ信号の読出しを開始するようにする。【選択図】        図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流に応じてトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって光電変換素子の寄生容量に電荷の蓄積を行わせ、その充電電圧に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路からなる画素をマトリクス状に配設して、各画素のセンサ信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサにおいて、予め全ての画素における対数特性変換用のトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値になるように同時に切り換えて初期化する手段を設け、初期化してから一定時間が経過した時点で各画素のセンサ信号の読出しを開始するようにしたことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
一定光量を入射したときの画素の出力が所定値Ｈとなるような補正値を用いた加減算処理によって各画素から読み出されるセンサ信号のオフセット補正を行わせたうえで、そのオフセット補正されたセンサ信号が所定値Ｈよりも大きければそのまま出力し、所定値Ｈ以下であれば、Ｍ＝要求される暗時の出力÷｛Ｈ−（暗時の出力−Ｈ）｝の式から求まるＭの値を用いて、Ｈ−｛Ｈ−（画素の出力−Ｈ）｝×Ｍなる演算を行った結果を出力するようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサ。
【請求項３】
一定光量を入射したときの画素の出力が所定値Ｈとなるような補正値を用いた加減算処理によって各画素から読み出されるセンサ信号のオフセット補正を行わせたうえで、そのオフセット補正されたセンサ信号が所定値Ｈよりも小さければそのまま出力し、所定値Ｈ以上であれば、Ｍ＝（任意の入射光量時の出力−Ｈ）÷｛Ｈ−（明時の出力−Ｈ）｝の式から求まるＭの値を用いて、Ｈ＋（画素の出力−Ｈ）×Ｍなる演算を行った結果を出力するようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流により光電変換素子の寄生容量の充電を行って、その充電電圧に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路を画素とするイメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳ型のイメージセンサにあっては、その１画素分の光センサ回路が、図１に示すように、入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、フォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流により、サブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数出力特性をもってフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの充電を行わせるトランジスタＱ１と、その充電された電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセンサ信号Ｖｏを出力するトランジスタＱ３とからなり、対数出力特性をもたせることによってダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感度で行わせることができるようにしている。
【０００３】
このような構成によるイメージセンサでは、光センサ回路におけるフォトダイオードＰＤに充分な光量をもって入射光Ｌｓが当たっているときには、トランジスタＱ１には充分なセンサ電流が流れることになり、そのトランジスタＱ１の抵抗値もさほど大きくないことから、イメージセンサとして残像を生ずることがないような充分な応答速度をもって光信号の検出を行わせることができる。
【０００４】
しかし、フォトダイオードＰＤの入射光Ｌｓの光量が少なくなってトランジスタＱ１に流れる電流が少なくなると、トランジスタＱ１はそれに流れる電流が１桁小さくなるとその抵抗値が１桁大きくなるように設定されていることから、トランジスタＱ１の抵抗値が増大し、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃとの時定数が大きくなってその寄生容量Ｃを放電させるのに時間がかかるようになる。そのため、入射光Ｌｓの光量が少なくなるにしたがって、残像が長時間にわたって観測されることになる。
【０００５】
そのため、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流に応じてトランジスタＱ１のサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって光電変換素子の寄生容量に電荷の蓄積を行わせ、その充電電圧に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路を画素単位として、複数の画素をマトリクス状に配設したイメージセンサにあって、撮影に先がけてトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ撮影時の定常値よりも低く設定することにより寄生容量Ｃに電荷を注入して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された残留電荷の影響を受けることがないように初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じた電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少ない場合でも残像が生ずることがないようにしている（特開２０００−３２９６１６号公報参照）。
【０００６】
このようなイメージセンサでは、光センサ回路からなる画素を複数マトリクス状に配設して、Ｘ−Ｙアドレス走査方式によって各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すようにする場合、その読出し期間中に各画素の受光むらを生じてセンサ信号がばらついてしまうことになる。
【０００７】
各画素の時系列的な読出し期間中に受光むらが生じないようにするためには、イメージセンサに全ての画素が一斉にシャッタを閉じるグローバルシャッタ機能をもたせる必要があるが、そのシャッタ機能を実現するには画素ごとにセンサ信号を一時的に蓄積するしゃ光されたアナログメモリが必要になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、低輝度から高輝度にわたってダイナミックレンジの広いセンサ信号を得ることができるように対数出力特性をもたせた光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにあって、シャッタ機能をもたせるために各画素のセンサ信号をそれぞれ一時的に蓄積するしゃ光されたアナログメモリを画素毎に設けるのでは、全体の構成が複雑になってしまうことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流に応じてトランジスタのサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって光電変換素子の寄生容量に電荷の蓄積を行わせ、その充電電圧に応じたセンサ信号を出力する光センサ回路からなる画素をマトリクス状に配設して、各画素のセンサ信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサにあって、画素毎にセンサ信号をそれぞれ一時的に記憶するしゃ光されたアナログメモリを設けることなく、各画素における電荷蓄積の制御をなして疑似的なシャッタ機能を働かせるようにするべく、全画素を同時に初期化してから一定時間を経過した時点で各画素のセンサ信号の読出しを開始する手段をとるようにしている。
【００１０】
そして、その時系列的な各画素の読出し走査の期間中に、各画素が読み出されるまでの間に受光が進むことによって生ずるセンサ信号のばらつきを演算処理によって補正して、各画素のセンサ信号を正規化する手段をとるようにしている。
【００１１】
【実施例】
本発明によるイメージセンサにあっては、基本的に、前述した図１に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
【００１２】
そして、その光センサ回路にあって、撮影に先がけて、対数特性変換用のトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ撮影時の定常値（Ｈレベル）よりも低い電圧値｛Ｌレベル：トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧからしきい値（０．５〜０．８Ｖ程度）を引いた電圧値以下｝に設定することにより寄生容量Ｃに電荷を注入して、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの残留電荷の影響を受けることがないように初期化するようにしている。
【００１３】
図２は、そのときの光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。ここで、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２は光信号検出のタイミングを示している。トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを定常値（ハイレベルＨ）から低い電圧（ローレベルＬ）に切り換える所定時間ｔｍとしては、例えば１画素分の読出し速度が１００ｎｓｅｃ程度の場合に５μｓｅｃ程度に設定される。図中、Ｔは入射光に応じたフォトダイオードＰＤにおける寄生容量Ｃの蓄積期間を示している。
【００１４】
このような光センサ回路にあっては、図３に示すように、入射光量に応じてフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示すが、センサ電流が少ないときにはフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの蓄積動作に応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出力特性を示すことになる。図中、ＷＡは非対数応答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。
【００１５】
このようなものにあって、初期化時にＭＯＳトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤがローレベルＬに切り換えられると、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がトランジスタＱ１のしきい値よりも大きければトランジスタＱ１が低抵抗状態になる。それにより、そのときのソース側の電位がドレイン電圧ＶＤと同じになり（実際にはしきい値分の電位差が残る）、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃが充電状態になる。
【００１６】
図４は、初期化時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【００１７】
そして、ｔｍ時間の経過後にそのドレイン電圧ＶＤが定常のハイレベルＨに切り換えられて光信号の検出が行われると、ソース側の電位がドレイン電圧ＶＤよりも低くなって、そのときのゲート電圧ＶＧとドレイン電圧ＶＤとの間の電位差がしきい値よりも大きければＭＯＳトランジスタＱ１が低抵抗状態になり、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃが放電状態になる。
【００１８】
図５は、光信号検出時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【００１９】
このように光信号の検出に先がけてフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃを充電させて初期化したのちにその寄生容量Ｃを放電させるようにすると、その初期化のタイミングから一定の時間経過した時点でのフォトダイオードＰＤの端子電圧Ｖｐｄは入射光Ｌｓの光量に応じた値となる。すなわち、初期化後には入射光Ｌｓの光量の変化に追随した一定の時定数による放電特性が得られるようになる。
【００２０】
その際、長時間放置すればドレイン電圧ＶＤからトランジスタＱ１を通して供給される電流とフォトダイオードＰＤを流れる電流とは同じになるが、前に残った電荷がなければ常に同じ放電特性が得られるので残像が生ずることがなくなる。
【００２１】
図６は、このような光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各画素のセンサ信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサの具体的な構成例を示している。
【００２２】
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、Ｄ１１〜Ｄ４４からなる４×４の画素をマトリクス状に配設して、各１ライン分の画素列を画素列選択回路１から順次出力される選択信号ＬＳ１〜ＬＳ４によって選択し、その選択された画素列における各画素を、画素選択回路２から順次出力される選択信号ＤＳ１〜ＤＳ４によってスイッチ群３における各対応するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４が逐次オン状態にされることによって各画素のセンサ信号Ｖｏが時系列的に読み出されるようになっている。図中、４は各画素における前記トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ用電源であり、６はドレイン電圧ＶＤ用電源である。
【００２３】
そして、そのイメージセンサにあって、各１ライン分の画素列の選択に際して、その選択された画素列における各画素の前記トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルＨおよび初期化時のローレベルＬに切り換える電圧切換回路５が設けられている。
【００２４】
このように構成されたイメージセンサにあって、本発明では、図示しないＥＣＵの制御下において、各１フレーム分の撮影に先がけて、予め全ての画素Ｄ１１〜Ｄ４４におけるドレイン電圧ＶＤをハイレベルＨからローレベルＬになるように同時に切り換えて初期化を行わせたうえで、その全画素を初期化してから一定時間が経過した時点で各画素のセンサ信号の時系列的な読出しを開始するようにしている。
【００２５】
図７は、全画素を初期化してから一定時間が経過した時点で各画素のセンサ信号の時系列的な読出しを行わせるときの制御タイミングを示している。
【００２６】
ｔ０時点からｔ１時点までの期間Ｔ１において、全ての画素におけるドレイン電圧ＶＤがハイレベルＨからローレベルＬに切り換えられて初期化が行われる。そして、初期化期間Ｔ１が経過したｔ１時点で全ての画素におけるドレイン電圧ＶＤがハイレベルＨに立ち上がり、そのｔ１時点から各画素における入射光に応じた電荷の蓄積動作が開始される。そして、初期化後一定期間Ｔ２が経過したｔ３時点で各画素の時系列的な読出しの走査が開始され、その走査期間Ｔ３が経過したｔ４で全ての画素におけるセンサ信号の読出しが完了する。
【００２７】
したがって、このような各画素におけるセンサ信号の時系列的な読出しを行わせると、最初の画素が読み出されるまでの入射光に応じた蓄積時間はＴ２となり、最後の画素が読み出されるまでの入射光に応じた蓄積時間はＴ２＋Ｔ３となって、最初の画素の蓄積時間と最後の画素の蓄積積間とではＴ３の時間差が生じてしまう。
【００２８】
図８は、入射光量によってフォトダイオードＰＤの端子間電圧Ｖｐｄが時間とともにどのように変化していくかを測定した結果を示している。
【００２９】
入射光量が多くなってフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が増大すると、フォトダイオードＰＤの端子間電圧Ｖｐｄの特性が下方に移動していく。また、放電曲線は入射光量に対して同じカーブを描くため、入射光量が不変であれば一定時間が経過したときの画素出力は同じになり、容量性の残留電荷の影響をキャンセルできることになる。したがって、残像の発生が抑制される。
【００３０】
しかし、入射光量が少ない場合には、画素出力は対数特性から外れることになり、蓄積時間の変化が出力の変化としてあらわれてしまう。この蓄積時間の変化による出力の変化は暗い場合に顕著となる。
【００３１】
図９は、入射光に応じた蓄積時間を変えたときの画素におけるフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流に対する出力電圧の特性の変化状態を示している。図中、ＴＡは蓄積時間が２ｍＳのときの特性を示し、ＴＢは蓄積時間が４ｍＳのときの特性を示している。
【００３２】
このように、イメージセンサにおける全画素の初期化が一斉に行われてから一定時間の経過をまって各画素のセンサ信号を時系列的に順次読み出していく場合に、最初に読み出される画素のセンサ信号と後から読み出される画素のセンサ信号とでは、入射光量の少ない領域において変動してしまうことになる。
【００３３】
また、各画素のセンサ信号が時系列的に順次読み出されていく間に入射光量が変化してしまうと、画素の出力特性が図１０に示すように変動してしまうことになる。
【００３４】
そのため、本発明では、全画素を同時に初期化してから一定時間を経過した時点から各画素のセンサ信号を時系列的に順次読み出す際に、各画素が読み出されるまでの間に受光が進むことによって生ずるセンサ信号のばらつきを演算処理によって補正して、各画素のセンサ信号を正規化する手段をとるようにしている。
【００３５】
具体的には、図１１に示すように、画素から読み出されたセンサ信号Ｂを正規化されたセンサ信号Ａに補正する場合、一定光量を入射したときの画素の出力が所定値Ｈとなるような補正値を用いた加減算処理によって各画素から読み出されるセンサ信号のオフセット補正を行わせたうえで、そのオフセット補正されたセンサ信号が所定値Ｈよりも大きければそのまま出力し、所定値Ｈ以下であれば、Ｍ＝要求される暗時の出力÷｛Ｈ−（暗時の出力−Ｈ）｝の式から求まるＭの値を用いて、Ｈ−｛Ｈ−（画素の出力−Ｈ）｝×Ｍなる演算を行った結果を出力するようにする。
【００３６】
図１１中、Ｉｍは画素に一定光量の光を入射したときのフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流の値を示している。
【００３７】
図１２は、図１１に示すセンサ信号Ｂをオフセット補正させたさせたときの状態を示している。
【００３８】
図１３は、図１１に示すセンサ信号Ｂを、オフセット補正したうえで、Ｍの値を用いた演算処理をなして正規化したときの状態を示している。
【００３９】
図１４は、図１１に示す画素から読み出されたセンサ信号Ｂを正規化されたセンサ信号Ａに補正する場合の処理のフローを示している。
【００４０】
ここでは、各画素のアドレス位置に応じたオフセット補正値および乗数Ｍの値が予めメモリＬＵＴに設定されている。
【００４１】
また、図１５に示すように、画素から読み出されたセンサ信号Ｂを正規化されたセンサ信号Ａに補正する場合、一定光量を入射したときの画素の出力が所定値Ｈとなるような補正値を用いた加減算処理によって各画素から読み出されるセンサ信号のオフセット補正を行わせたうえで、そのオフセット補正されたセンサ信号が所定値Ｈよりも小さければそのまま出力し、所定値Ｈ以上であれば、Ｍ＝（任意の入射光量時の出力−Ｈ）÷｛Ｈ−（明時の出力−Ｈ）｝の式から求まるＭの値を用いて、Ｈ＋（画素の出力−Ｈ）×Ｍなる演算を行った結果を出力するようにする。
【００４２】
図１６は、図１５に示すセンサ信号Ｂをオフセット補正させたさせたときの状態を示している。
【００４３】
図１７は、図１５に示すセンサ信号Ｂを、オフセット補正したうえで、Ｍの値を用いた演算処理をなして正規化したときの状態を示している。
【００４４】
図１８は、図１５に示す画素から読み出されたセンサ信号Ｂを正規化されたセンサ信号Ａに補正する場合の処理のフローを示している。
【００４５】
なお、図１９に示すように、入射光量が少ない領域および入射光量が多い領域ともにばらつきの生じている画素のセンサ信号Ｂを正規化されたセンサ信号Ａに補正する場合には、前述と同様に、図１４および図１８に示す処理を順次行わせればよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、従来のようにしゃ光されたアナログメモリ群を用いたグローバルシャッタ機能をもたせることなく、対数特性出力型の光センサ回路を画素に用いたイメージセンサから各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すに際して、予め全ての画素における対数特性変換用のトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値になるように同時に切り換えて初期化してから一定時間が経過した時点から各画素のセンサ信号の読出しを行わせるようにすることにより、疑似的なシャッタ機能を発揮させることができるようになる。
【００４７】
そして、その各画素の読出し期間中に、各画素が読み出されるまでの間に受光が進むことによって生ずるセンサ信号のばらつきを演算処理によって補正して正規化することにより、受光むらのないセンサ信号を容易に得ることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイメージセンサに用いられる１画素分の光センサ回路を示す電気回路図である。
【図２】光センサ回路における各部信号のタイムチャートである。
【図３】光センサ回路の初期化を行わせたときのフォトダイオードに流れる入射光に応じたセンサ電流に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図４】光センサ回路の初期化時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
【図５】光センサ回路の光信号検出時におけるトランジスタＱ１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
【図６】光センサ回路を画素に用いた本発明に係るイメージセンサの具体的な構成例を示すブロック図である。
【図７】イメージセンサの全画素を同時に初期化してから一定時間が経過した時点で各画素の時系列的な読出しを行わせるときの制御タイミングを示すタイムチャートである。
【図８】入射光量が変化したときの光センサ回路におけるフォトダイオードの端子電圧の変化状態を示す特性図である。
【図９】入射光に応じた蓄積時間を変えたときの光センサ回路におけるフォトダイオードに流れるセンサ電流に対する出力電圧の変化状態の一例を示す特性図である。
【図１０】入射光に応じた蓄積時間を変えたときの光センサ回路におけるフォトダイオードに流れるセンサ電流に対する出力電圧の変化状態の他の例を示す特性図である。
【図１１】画素から読み出されるセンサ信号とその正規化されるセンサ信号との関係の一例を示す特性図である。
【図１２】図１１に示す画素から読み出されたセンサ信号をオフセット補正したときの状態を示す特性図である。
【図１３】図１１に示す画素から読み出されたセンサ信号をオフセット補正したうえで、所定の演算処理によって正規化したときの状態を示す特性図である。
【図１４】図１１に示す画素から読み出されたセンサ信号を正規化するときの処理のフローを示す図である。
【図１５】画素から読み出されるセンサ信号とその正規化されるセンサ信号との関係の他の例を示す特性図である。
【図１６】図１５に示す画素から読み出されたセンサ信号をオフセット補正したときの状態を示す特性図である。
【図１７】図１５に示す画素から読み出されたセンサ信号をオフセット補正したうえで、所定の演算処理によって正規化したときの状態を示す特性図である。
【図１８】図１５に示す画素から読み出されたセンサ信号を正規化するときの処理のフローを示す図である。
【図１９】画素から読み出されるセンサ信号とその正規化されるセンサ信号との関係のさらに他の例を示す特性図である。
【符号の説明】
Ｑ１  対数特性変換用トランジスタ
Ｑ２  増幅用トランジスタ
Ｑ３  出力用トランジスタ
ＰＤ  フォトダイオード
Ｃ    寄生容量
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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