(57)【要約】特に画像センサの暗いシーンで生じるヒステリシス効果を大幅に低減することのできる回路装置、画像センサ装置および方法を提供する。
2004525588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光感応性素子（２０）と第１のトランジスタ（３０）と第２のトランジスタ（４０）とを備えており、
光感応性素子（２０）の端子（２１）は第１のトランジスタ（３１）の第１の電極（３１）と第２のトランジスタ（４０）の第１の電極（４１）とに接続される
センサセル用の回路装置（１０）において、
第２のトランジスタ（４０）の第２の電極（４２）が増幅器（５０）の第１の入力側（１）に接続され、第１のトランジスタ（３０）の第２の電極（３２）が増幅器（５０）の出力側（５１）に接続され、
各トランジスタの各第２の電極（４２、３２）と増幅器（５０）とを接続することによりフィードバック結合部が形成される
ことを特徴とするセンサセル用の回路装置。
【請求項２】
各トランジスタの各第２の電極（４２、３２）と増幅器（５０）とのあいだの接続が切り換えられる、請求項１記載の回路装置。
【請求項３】
接続を切り換えるために回路装置（１０）内に少なくとも１つの第３のトランジスタ（１１）および第４のトランジスタ（１２）が設けられている、請求項２記載の回路装置。
【請求項４】
増幅器（５０）としてオペアンプが設けられており、第２のトランジスタ（４０）の第２の電極（４２）が当該のオペアンプの反転入力側（１）に接続され、オペアンプの非反転入力側（６０）には基準電圧が印加される、請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項５】
各トランジスタの各第１の電極（３１、４１）はリセット電圧に接続され、当該のリセット電圧への接続は時間的に増幅器（５０）への接続より前に行われる、請求項１から４までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項６】
第１のトランジスタ（３０）および第２のトランジスタ（４０）はＭＯＳトランジスタとして設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項７】
光感応性素子（２０）はフォトダイオードとして設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサセル用の回路装置（１０）を複数個備えた画像センサ装置において、
回路装置（１０）のグループごとに１つずつ増幅器（５０）が設けられている
ことを特徴とする画像センサ装置。
【請求項９】
光感応性素子（２０）の信号を請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサセル用の回路装置（１０）または請求項８記載の画像センサ装置から読み出す方法において、
第１のステップで第１のトランジスタ（３０）の第１の電極（３１）とリセット電圧とを接続することにより光感応性素子（２０）のリセットを行い、
時間的に続く第２のステップで各トランジスタの各第２の電極（４２、３２）と増幅器（５０）との接続を形成する
ことを特徴とする光感応性素子の信号を装置から読み出す方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
画像センサセルまたは画像センサのための回路装置はすでに国際公開第９７／０２５２９号明細書から知られている。ここには画像記録チップ用の画像セルから画像情報を迅速に読み出すことのできる回路装置が記載されている。
【０００２】
本発明の利点
本発明の独立請求項に記載された特徴を有する回路装置、画像センサ装置および方法は、従来の技術に比べて、きわめて高い輝度差で迅速に変化する複数のシーンの内容についても、また高い輝度差を有する１つのシーン内の画像についても充分な分解能で表示を行うことができる。このように大きな輝度差や迅速なシーン交替は、例えばビデオセンサの迅速な視野角の変更（例えば車両で高架下の影を出入りするときなど）によって、または運動している明るい外部オブジェクト（暗いバックグラウンドを背にした自動車のライトなど）によって生じる。個々のピクセルにとっては、これらは長時間蓄積される効果を有さない。そこで輝度信号を個々の画像セルで対数的に圧縮することが上述の刊行物から知られている。これにより種々の照明状況に対してシーン内で発生するコントラスト差は高い輝度差があるにもかかわらず一定に維持される。ここで得られる大きなダイナミクス条件から、絞り制御部および露光時間制御部を省略できるため、システムの構造が簡単になる。ただしこうした周知の従来技術では、画像セル内の対数的圧縮そのものが輝度に依存する積分特性を有しており、迅速に変化する過程を僅かな照明で検出することが困難になるという欠点がある。ここで本発明の回路装置および画像センサ装置ではこの点は当たらない。なぜならフィードバック回路により、全ての駆動状態で一定の阻止電圧がフォトダイオードに印加されるからである。このために障害的な高い時定数を有する充放電現象は生じない。
【０００３】
また有利には、トランジスタの電極と増幅器とのあいだの接続が切り換えられる。これにより特に、本発明の回路装置を複数個接続した回路に対して１つの増幅器が用いられる場合、この増幅器を順次連続してそのつど回路装置に低オームで接続することができる。この結果、観察すべき回路装置の評価および読み出しに対して増幅器を利用することができる。
【０００４】
従属請求項に記載された手段により、本発明の独立請求項に記載された回路装置、画像センサ装置および方法の有利な実施形態および改善形態が得られる。
【０００５】
図面
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。
【０００６】
図１にはソフトインバージョン式で接続されたフォトダイオードを備えたＣＭＯＳトランジスタの等価回路図が示されている。図２には本発明に基づく回路装置の基本図が示されている。図３には本発明に基づく回路装置を複数個１列に配置した回路が示されている。
【０００７】
実施例の説明
図１には左方に中央センサエレメントが示されており、右方に中央センサエレメントの等価回路が示されている。中央センサエレメントは第１のトランジスタ３０を有しており、これは本発明では特にＭＯＳトランジスタまたはＣＭＯＳトランジスタとして設けられている。トランジスタは、本発明によれば特にｎウェル内に構成されたｐチャネルトランジスタであるが、もちろんｎチャネルタイプであってもかまわない。ｎチャネルタイプを使用する場合には、電圧の極性と電圧オフセットの方向とが相応に逆となる。
【０００８】
第１のトランジスタ３０は第１の電極３１および第２の電極３２を有している。さらに中央センサエレメントは光感応性素子２０を有しており、これは本発明では特にフォトダイオードとして構成されている。フォトダイオード２０は第１のトランジスタ３０の第１の電極３１に低オームで接続された端子２１を有している。図１の右方にはこのような中央センサエレメントの等価回路図が示されている。ここから見て取れるように、第１のトランジスタ３０（第１の電極３１および第２の電極３２）およびフォトダイオード２０は端子２１に接続されている。さらに図１の右方の等価回路図では第１のトランジスタ３０の内部抵抗３５が示されており、これを介してフォトダイオード２０で生じた電流が一定の状態で放出される（コンスタントドレイニング）。このことは図１の右方の等価回路図では電流源３６によって示されている。さらに等価回路図にはフォトダイオード２０の阻止層キャパシタ２２およびフォトダイオード２０の暗電流を表している電流源２３が示されている。第１のトランジスタ３０の内部抵抗３５はここを通って流れる電流の強度３６に依存している。第１のトランジスタ３０をソフトインバージョンモード（サブスレッショルド領域）で接続することにより光電流（電流源３６）が内部抵抗３５を介して持続的に導出される。内部抵抗３５を介した電圧降下は光電流の対数に比例して可変である。その変換率はサブスレッショルドの傾きに相応しているが、これはテクノロジに依存して１０年につき約６０ｍＶ〜１００ｍＶの値である。検出可能領域の下方限界値はこの場合にもダイオードのリーク電流、すなわち電流源２３によって表される暗電流によって定まる。上方限界値はきわめて高い電流が第１のトランジスタをサブスレッショルド領域から押し出すときの値である。室温ではこの配線状態であればこの程度の光強度を６０年〜７０年のあいだ検出および評価可能である。
【０００９】
内部抵抗３５および阻止層キャパシタ２２は露光に依存する時定数を生じさせる。これは低い光電流で内部抵抗３５に対する抵抗値が上昇すると特に大きな時定数の原因となる。これは特に暗いシーンに大きく影響する。第１のトランジスタ３０の第２の電極３２がアースへ置かれていると、ここから暗さの初期値に対して時間的に強く遅延する変動が生じ、数秒にわたって持続する。これにより暗い動画像でコントラスト損失が発生する。したがって第１のトランジスタ３０の第２の電極３２がアースへ置かれる場合、“内因的な積分特性”により上述の障害的な時間特性を考慮しなければならなくなる。これに代えて、サブスレッショルドとして接続されたトランジスタを備えた画像セルの構造に大きなコストのかかる外部コントロールのリセットアルゴリズムを設けることも考えられるが、こうすると積分特性が阻害され、またリセットモードによって付加的なアーチファクトが発生することになる。
【００１０】
本発明によれば、別の手段、すなわちフィードバック回路が設けられる。これにより全ての駆動状態で一定の阻止電圧がフォトダイオードに印加され、阻止層キャパシタ２２の充放電現象から障害的な高い時定数が生じることが回避される。可変の電位のかかるノードは増幅器出力側を介して充分に低いインピーダンスで充分に迅速に駆動される。また本発明によれば、このように接続されたフォトダイオードのマトリクスについて各フォトダイオードごとに１つずつ固有の増幅器を設けるのではなく、フォトダイオードまたは画像セルのグループごとに１つずつ増幅器を設ければよい。
【００１１】
図２には本発明の回路装置１０が示されている。この回路装置１０は光感応性素子２０またはフォトダイオード、第１のトランジスタ３０、および第２のトランジスタ４０を有している。第１のトランジスタは第１の電極３１および第２の電極３２を有している。第２のトランジスタ４０も同様に第１の電極４１および第２の電極４２を有している。フォトダイオード２０または光感応性素子は端子２１を有している。さらにこの回路装置１０はスイッチとして構成された第３のトランジスタ１１および第４のトランジスタ１２および第５のトランジスタ１３を有している。フォトダイオード２０の端子２１と第２のトランジスタ４０の第１の電極４１とはともにフォトダイオードの自由電極と称されるノードを形成している。第３のトランジスタ１１が導通しているとき、第１のトランジスタ３０の第１の電極３１とフォトダイオード２０のこの自由電極とのあいだに低オームの接続が形成される。この場合には図１に関連して説明した第１のトランジスタ３０の第１の電極３１とフォトセル２０の端子２１とのあいだの接続が生じる。
【００１２】
回路装置１０は第１の画像セル１００を有しており、これは図では破線の囲みの領域のコンポーネントとして示されている。第１の画像セル１００は第１の端子１０１、第２の端子１０２、第３の端子１１０、第４の端子１１１、および第５の端子１７０を有している。第１の画像セル１００の第３の端子１１０は第３のトランジスタ１１の制御電極と第４のトランジスタ１２とに接続されており、これにより第３の端子１１０に相応の電圧が印加されれば第３のトランジスタ１１および第４のトランジスタ１２が導通される。第４のトランジスタ１２が導通されると、第２のトランジスタ４０の第２の電極４２と第１の画像セル１００の第１の端子１０１とのあいだに低オームの接続が形成される。画像セル１００の第４の端子１１１は第５のトランジスタ１３の制御電極に接続されており、第１の画像セル１００の第４の端子１１１に相応の電圧が印加されると第５のトランジスタ１３が導通される。これにより第１の画像セル１００の第５の端子１７０と各自由電極２１、４１とのあいだに低オームの接続が形成される。第１の画像セル１００の第２の端子１０２は第１のトランジスタ３０の第２の電極３２に低オームで接続されている。
【００１３】
本発明によれば、回路装置１０は第２のトランジスタ４０の第２の電極４２が増幅器５０の第１の入力側１に低オームで接続可能となるように構成されている。こうして本発明により、一方では第１の画像セルの第１の端子１０１と増幅器５０の第１の入力側１とが接続され、他方では第４のトランジスタ１２が導通することにより第１の画像セル１００の第１の端子１０１と第２のトランジスタ４０の第２の電極４２とのあいだが低オームで接続される。これは相応のレベルの電圧を第１の画像セル１００の第３の端子１１０に印加することによって行われる。
【００１４】
さらに本発明によれば、第１の画像セル１００の第２の端子１０２は増幅器５０の第１出力側５１へ低オームで接続されている。本発明の増幅器５０は特にオペアンプとして構成されており、その第１の入力側１はオペアンプの反転入力側であり、第２の入力側６０は非反転入力側である。増幅器５０がオペアンプとして構成されている場合、非反転入力側には基準電圧が印加される。
【００１５】
増幅器５０の構造が比較的大きいことにより、増幅器を各画像セル１００ごとに設けて、複数の画像セルから成る画像センサを構成することはできない。したがって本発明によれば、増幅器５０は行列のかたちに配置された画像セルのマトリクスの各列に１つずつ使用される。この列はそれぞれの増幅器に対応する画像セルの１つのグループまたは回路装置１０の１つのグループに相当する。増幅器５０はフィードバック増幅器として設けられ、ここでフィードバック部はそれぞれその時点で読み出される画像セルまたは画像走査線に対して活性化される。
【００１６】
図３には本発明の回路装置１０を複数個接続して列のかたちにした回路が示されている。ここで第１の画像セル１００については概略的に端子１０１、１０２、１１０、１１１、１７０のみが示してある。さらに第２の画像セル２００および第３の画像セル３００が示されており、第２の画像セル２００は、第１の画像セル１００と同様に、第１の端子２０１、第２の端子２０２、第３の端子２１０、第４の端子２１１および第５の端子２７０を有している。同様に第３の画像セル３００も相応に、第１の端子３０１、第２の端子３０２、第３の端子３１０、第４の端子３１１および第５の端子３７０を有している。３つの画像セル１００、２００、３００は列のかたちに接続された複数の回路装置１０から成る画像セルを表している。また増幅器５０がオペアンプとして設けられており、その反転入力側（第１の入力側）１、非反転入力側（第２の入力側）６０、および出力側５１が示されている。第１の画像セル１００に相応して、各画像セル１００、２００、３００の各第１の端子１０１、２０１、３０１は増幅器５０の反転入力側１に接続されている。また各画像セル１００、２００、３００の各第２の端子１０２、２０２、３０２は増幅器５０の出力側５１に接続されている。
【００１７】
各画像セル１００、２００、３００の動作を以下に第１の画像セル１００を例にして説明する。第１の画像セル１００の第３の端子１１０により第１の画像セル１００が選択される。これはスイッチとしてのトランジスタ１１、１２、１３（ｐチャネルＭＯＳトランジスタ）を使用して、第１の画像セル１００の第３の端子１１０にゼロレベルを印加することにより行われる。こうして第２のトランジスタ４０の第２の電極４２および第１のトランジスタ３０の第２の電極３２が空き、結合された増幅器５０へ線路が通じる。増幅器５０の反転入力側１に通じる列は、ソースフォロワとして駆動される第２のトランジスタ４０の第２の電極４２に印加される出力電圧によって駆動され、ここで第２のトランジスタ４０の第１の電極４１（ゲート電極）はフォトダイオード２０の自由電極に接続される。当該の列に属する増幅器５０の出力電圧は増幅器５０の２つの入力側１、６０の電圧差が消去されるように調整され、第１の端子１０１に通じる線路の電位は外部で定義される時間的に一定の基準電圧レベルに相応し、これが増幅器５０の非反転入力側６０に印加される。第２のトランジスタ４０の第１の電極４１の電位および（第３のトランジスタ１１が導通することにより）第１のトランジスタ３０の第１の電極３１の電位またはフォトダイオード２０の自由電極の電位は相応に閾値電圧を小さくする。これによりフォトダイオード２０を介した剪断電圧は一定にとどまる。このため少なくとも所定の時間にわたって、つまり増幅器５０と各第２の電極３２、４２が接続されているあいだは、増幅器５０を介してフィードバック回路が作動される。フィードバック回路が作動している場合、第１の画像セル１００の第２の端子１０２に属する線路にかかる電位の読み出しフェーズの時間中、つまり理想的にフィードバック回路が作動されているとき、サブスレッショルド領域で動作する第１のトランジスタのソースドレイン電圧は、式
ＶＤＳ＝ＶＴＨ＋Ｖｓｌｏｐｅ＊ｌｏｇ（ＩＤＳ／Ｉ０）
に相応する。個々のピクセルすなわち各画像セル１００、２００、３００の輝度情報は列マルチプレクサ回路５５を介して読み出すことができる。列マルチプレクサ回路は図３に示されている。有利には各列に１つずつサンプルアンドホールド回路が使用されており、列ごとに、光電流によって定義されるノード電圧へいたるまでの振動（セトリングフェーズ）に対して均等な時間を得ることができる。ここで提案されているｐチャネルＭＯＳトランジスタの構成に対して、フィードバック増幅器の出力電圧はアースへ通じる光電流の対数に比例して可変である。典型的にはフィードバック増幅器の出力電圧領域の下方限界はアースレベルの上方に存在し、相応にフォトダイオード２０の自由電極の電位は充分に高く、これによりｐチャネルＭＯＳトランジスタとして設けられた第５のトランジスタ１３とリセット電圧との充分に低オームな接続が形成される。リセット電圧は第１の画像セル１００の第５の端子１７０または各画像セルの各第５の端子２７０、３７０に印加され、これらを介して図３に示した端子７０へ達する。ここで注意すべきなのは、ＭＯＳトランジスタのソースボディ電圧が高くて効果的なゲート電圧が形成されない場合、トランジスタをもはや充分に低オームのスイッチとして使用することができないということである。このとき増幅器５０の非反転入力側６０に印加される基準電圧を相応に調整しなければならない。
【００１８】
上述したように、フォトダイオード２０の自由電極は電圧に応じて、相応の画像セル１００、２００、３００が各第３の端子１１０、２１０、３１０を介してアドレシングされフィードバック結合されているあいだ安定して保持される。画像セル１００、２００、３００の読み出しサイクルの後、光電流により阻止層キャパシタ２２が充電される。このことは図１に示されている。
【００１９】
本発明によれば、続く読み出しサイクルの直前にフォトダイオード２０の自由電極が第５のトランジスタ１３を介してリセットされるという事実が利用される。第５のトランジスタ１３は有利に画像セル装置に集積され、リセット電圧へいたるまでの調整時間も充分に短い。本発明によれば特に、トランジスタエレメントが適切なジオメトリで配置されれば、行選択スイッチ（すなわち第１の画像セル１００の第３のトランジスタ１１および第４のトランジスタ１２、およびこれに相応する画像セル２００、３００のトランジスタ）は次の行のリセットスイッチを備えた第１の行（すなわち第１の画像セル１００の第５のトランジスタ１３、およびこれに相応する画像セル２００、３００のトランジスタ）から成る。このため独立に構成されるリセット回路に比べてメタライゼーショントラックを省略することができる。ピクセルピッチが均等である場合、すなわち各画像セル１００、２００、３００の反復幅が等しい場合、光センシングに大きな活性面を利用することができる。したがって本発明によれば、第１のステップで第１のトランジスタの第１の電極とリセット電圧とを接続することにより光感応性素子２０のリセットが行われ、時間的に続く第２のステップで、各第２の電極３２、４２と増幅器５０との接続が形成される。
【００２０】
本発明はＣＭＯＳ画像センサセルの接続と読み出しの手法に関している。本発明は２次元に配置されたフィールド（アレイ）での動作に適しており、対数的な圧縮をともなう光電流の電流電圧変換を行うことができる。ここでフォトダイオード２０の自由電極にかかる剪断電圧は、読み出し中、基準電圧の閾値に相応する電圧レベルで一定に保持される。フォトダイオード２０のｐｎ接合部を介してかかるこの一定の剪断電圧により、対数的な圧縮を行うＣＭＯＳ画像センサで周知の阻止層キャパシタ２２の放電遅延が回避され、画像再生時に彗星の尾のような光パルスが現れたり、光点の“ヒステリシス”が目に付いたりすることがなくなる。ダイオードの阻止電圧は画像センサアレイの各列に属するフィードバック回路の増幅器５０の作用によって安定化される。ただしこれは所定の時点で見ると各列のうち唯一の画像センサを電圧に応じて調整するのみであり、残りの画像セルのｐｎ接合部にかかる電位は浮いている。したがって本発明によれば、各画像セルの第５のトランジスタ１３の制御電極に印加されるリセットパルスを用いて、ｐｎ接合部にかかる電位をリセット電圧の安定した電圧値へ追従制御する。リセットパルスは行の読み出し前に行ごとに印加される。行の交番後、フォトダイオード２０のｐｎ接合部にかかる電圧は、サブスレッショルドモードで動作する第１のトランジスタを介して当該の列に属する増幅器により追従制御される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】フォトダイオードを備えたＣＭＯＳトランジスタの等価回路図である。
【００２２】
【図２】本発明に基づく回路装置の基本図である。
【００２３】
【図３】本発明に基づく回路装置を複数個１列に配置した回路を示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年3月3日(2003.3.3)
【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】
光感応性素子（２０）と第１のトランジスタ（３０）と第２のトランジスタ（４０）とを備えており、
光感応性素子（２０）の端子（２１）は第１のトランジスタ（３０）の第１の電極（３１）と第２のトランジスタ（４０）の第１の電極（４１）とに接続され、
第２のトランジスタ（４０）の第２の電極（４２）が増幅器（５０）の第１の入力側（１）に接続され、第１のトランジスタ（３０）の第２の電極（３２）が増幅器（５０）の出力側（５１）に接続され、
各トランジスタの各第２の電極（４２、３２）と増幅器（５０）とを接続することによりフィードバック結合部が形成される
センサセル用の回路装置（１０）において、
各トランジスタの各第１の電極（３１、４１）とリセット電圧とが接続され、当該の接続は増幅器（５０）との接続前に行われる
ことを特徴とするセンサセル用の回路装置。
【請求項２】
各トランジスタの各第２の電極（４２、３２）と増幅器（５０）とのあいだの接続が切り換えられる、請求項１記載の回路装置。
【請求項３】
接続を切り換えるために回路装置（１０）内に少なくとも１つの第３のトランジスタ（１１）および第４のトランジスタ（１２）が設けられている、請求項２記載の回路装置。
【請求項４】
増幅器（５０）としてオペアンプが設けられており、第２のトランジスタ（４０）の第２の電極（４２）が当該のオペアンプの反転入力側（１）に接続され、オペアンプの非反転入力側（６０）には基準電圧が印加される、請求項１から３までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項５】
第１のトランジスタ（３０）および第２のトランジスタ（４０）はＭＯＳトランジスタとして設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項６】
光感応性素子（２０）はフォトダイオードとして設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の回路装置。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサセル用の回路装置（１０）を複数個備えた画像センサ装置において、
回路装置（１０）のグループごとに１つずつ増幅器（５０）が設けられている
ことを特徴とする画像センサ装置。
【請求項８】
光感応性素子（２０）の信号を請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサセル用の回路装置（１０）または請求項７記載の画像センサ装置から読み出す方法において、
第１のステップで第１のトランジスタ（３０）の第１の電極（３１）とリセット電圧とを接続することにより光感応性素子（２０）のリセットを行い、
時間的に続く第２のステップで各トランジスタの各第２の電極（４２、３２）と増幅器（５０）との接続を形成する
ことを特徴とする光感応性素子の信号を装置から読み出す方法。
【国際調査報告】
2004525588.tif 000023
2004525588.tif 000024
2004525588.tif 000025
2004525588.tif 000026