(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光期間中にピクセルに入射する入射光の強度に関連した出力信号を送り出すための感光回路要素と、
前記感光回路要素に接続され、前記露光期間中の第１の持続時間において、前記感光回路要素の前記出力信号が、大きさが一定の第１の基準強度信号と交差するときに前記入射光の強度に対応する第１のデジタル・カウントを送り出し、前記露光期間中の、前記第１の持続時間の後に発生する第２の持続時間において、前記感光回路要素の前記出力信号が、前記第１の基準強度信号と大きさがランプ状に変化する信号との和である第２の基準強度信号と交差するときに前記入射光の強度に対応する第２のデジタル・カウントを送り出す変換回路要素と、
を備えている、アクティブ・ピクセル・センサ・システム。
【請求項２】
前記第２の持続時間におけるカウントが、前記第１の持続時間におけるカウントよりも高速にカウントされる、請求項１に記載のアクティブ・ピクセル・センサ・システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、一般に、イメージ・センサ（imaging sensor）に関するものであり、とりわけ、ＣＭＯＳアクティブ・ピクセル（active pixel）を利用したイメージ・センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アクティブ・ピクセル・センサ（ＡＰＳ）は、望遠鏡、デジタル・カメラ、及び、ビデオ・レコーダのようなさまざまなイメージング装置に利用されている。ＡＰＳは、関心を引くシーンからの入射光をアナログ形式で電気信号に変換することによって、そのシーンのイメージを捕捉する。典型的なＡＰＳは、半導体素子上に「ピクセル」または個別領域からなるアレイを備えており、各ピクセルには、感光素子が含まれている。ピクセルの各感光素子は、それに入射する光の強度に比例した個別電気信号を発生する。ピクセルの露光時間にわたって、電流が集積されて、電圧が生じる。このアナログ電圧は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル値に変換される。デジタル・イメージ・データは、メモリに記憶することが可能である。さらに、全ピクセルからのデジタル・イメージ・データをモニタ上に合成イメージとして表示し、用紙にプリント・アウトし、そのシーンにおける物体の特性に関する情報を得るために分析することが可能である。
【０００３】
従来のＡＰＳに用いられるピクセルは、２つのタイプのピクセルに分類することが可能である。第１のタイプのピクセルは、一般に、「アナログ・ピクセル」と呼ばれる。アナログ・ピクセルには、フォトダイオードまたはフォトトランジスタのような光センサが含まれており、増幅器を含むことが可能である。関連ＡＤＣは、ピクセル外に配置される。従って、光センサによって発生する電流は、アナログ信号として、ピクセルから外部ＡＤＣに伝送される。
【０００４】
第２のタイプのピクセルは、「デジタル・ピクセル」として知られている。デジタル・ピクセルには、光センサ及び増幅器だけではなく、ＡＤＣも含まれている。換言すれば、ＡＤＣは、光センサ及び増幅器と共に、ピクセル内に納められている。従って、光センサによって発生する電流の大きさは、ピクセル内においてデジタル化され、デジタル信号として、ピクセル外のコンポーネントに伝送することが可能である。
【０００５】
先行技術によるＡＰＳは、ピクセル・タイプに関係なく、さまざまなシーン・セグメントからの放射輝度を定量化することによって、関心を引くシーンのイメージングを行う働きをした。各シーン・セグメント毎に、特定ピクセルは、光センサから生じる電流によって駆動される光電圧を測定することによって、シーン・セグメントからの放射輝度を定量化する。光センサが、固定積分または露光時間期間にわたって、シーン・セグメントからの入射光にさらされる場合、光電圧の大きさは、光センサによってイメージングを施されているシーンからの放射輝度の強さによって決まることになる。
【０００６】
基本的に、イメージ・センサは、固定露光期間の終了時に、ＡＤＣを用いて、光電圧の大きさを定量化する。シーンからの放射輝度が、検出可能な最大レベルの場合、出力電圧は、飽和電圧ＶSATに等しい。平均照射レベルにおいて、平均電圧ＶMEANが出力される。最後に、検出可能な最低レベルにおける電圧は、リセット電圧ＶRESETである。ＶSAT及びＶRESETによって決まる限界に合わせて構成されたイメージ・センサは、結果として、ＶSATとＶRESETの間の光電圧を生じることになる、シーンの個別放射輝度を識別することが可能である。しかし、イメージ・センサによって検出できる識別可能なシーン放射輝度の量は、少なくとも部分的に、ＡＤＣの分解能によって決まる。画質に影響を及ぼすもう１つの要因として、固定露光期間長を短縮または延長することによって、放射輝度の感度を調整することが可能である。しかし、この調整は、高放射輝度のシーン・セグメントと低放射輝度のシーン・セグメントのいずれの感度を高めるかのトレード・オフである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
先行技術によるＡＰＳは、その意図する目的についてはうまく機能するが、必要なのは、シーンを高速で捕捉し、ボケ（blur）を伴わずにシーンを捕捉することができ、イメージを捕捉できるダイナミック・レンジ、すなわち、捕捉可能なシーンの最も明るい部分から最も暗い部分までが広いイメージ・センサである。こうした要求は、当該技術において長きにわたって懸案となっており、当事者は、長い間これらの要求を満たすことができなかった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、露光期間中にピクセルに入射する光の強度に関連した光信号を送り出すための感光回路要素と、前記感光回路要素に有効に接続されて、第１または第２のそれぞれの強度範囲の入射光に応答して、露光期間中の第１の持続時間または第２の持続時間における強度・時間信号を送り出し、この強度・時間信号に応答して、第１または第２のそれぞれの強度範囲の入射光の強度に関連した、第１のデジタル・カウントまたは第１と第２のデジタル・カウントの和を送り出す変換回路要素を備えた、アクティブ・ピクセル・センサ・システムが得られる。このシステムには、従来の「デジタル・ピクセル」方式に対して次のような改良点がある：シーンの捕捉が速くなり、結果として、ボケを伴わないシーンの捕捉が可能になる。また、この方式によって、イメージを捕捉できるダイナミック・レンジ、すなわち、捕捉可能なシーンの最も明るい部分から最も暗い部分までが改善される。
【０００９】
本発明によれば、さらに、露光期間中にピクセルに入射する光の強度に関連した光信号を送り出すステップと、第１または第２のそれぞれの強度範囲の入射光に応答して、露光期間中の第１の持続時間または第２の持続時間における強度・時間信号を送り出すステップによってアクティブ・ピクセルを検知する方法が得られる。この方法では、強度・時間信号に応答して、第１または第２のそれぞれの強度範囲の入射光の強度に関連した、第１のデジタル・カウントまたは第１と第２のデジタル・カウントの和を送り出すことによって、シーンを高速で捕捉し、ボケを伴わずにシーンを捕捉できるようにし、イメージを捕捉できるダイナミック・レンジ、すなわち、捕捉可能なシーンの最も明るい部分から最も暗い部分までを広く捕捉することが可能になる。
【００１０】
本発明の以上の及びその他の利点については、添付の図面に関連して検討すれば、下記の詳細な説明を読むことによって、当事者には明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
構成
ここで、図１を参照すると、システム回路要素１２及びピクセル回路要素１３を含むアクティブ・ピクセル・センサ（ＡＰＳ）・システム１０が示されている。複数のピクセル回路要素１３のために、１つのシステム回路要素１２が設けられている。
【００１２】
ピクセル回路要素１３には、感光回路要素１４と、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）回路要素１５が含まれている。感光回路要素１４には、一方の端部がアース１８に接続され、もう一方の端部がフローティング拡散ノード２０に接続された光センサまたはフォトダイオード１６が含まれている。フォトダイオード１６は、入射光２２に応答して、フローティング拡散ノード２０の電圧ＶFDを変化させる。
【００１３】
フローティング拡散ノード２０は、ソースが供給電圧Ｖｄｄ２６に接続され、ゲートがリセット入力２８に接続された、リセット・トランジスタ２４によって接続されている。
【００１４】
フローティング拡散ノード２０は、ソース・フォロワ増幅器として構成されたトランジスタ３０のゲートにも接続されている。
【００１５】
ソース・フォロワ・トランジスタ３０は、供給電圧Ｖｄｄ２６に接続されて、ＡＤＣ回路要素１５におけるアナログ比較器３２の入力の一方に強度信号を供給する。
【００１６】
アナログ比較器３２のもう一方の入力が、システム回路要素１２の加算器３４から基準・時間信号を受信するように接続されている。加算器３４は、第１の持続時間中に基準電圧ＶREF入力３６から第１の基準・時間信号を受信し、その後、第２の持続時間中に、ランプ発生器３８からの第２の基準・時間信号を加算するように接続されている。第１の基準・時間信号は、ＶREF,INITの定電圧であり、第２の基準・時間信号は、ＶRAMPの「単調に変化する」上昇電圧である。
【００１７】
アナログ比較器３２の出力は、デジタル記憶レジスタ４０のクロック入力３９に接続されている。比較器３２は、その入力差が０になると、３９に遷移信号を送り出す。デジタル強度記憶レジスタ４０の入力は、システム回路要素１２のカウンタ４２に接続されている。カウンタ４２は、クロック入力４４を有し、そのクロック入力４４はマルチプレクサ（ＭＵＸ）４６に接続されている。
【００１８】
ＭＵＸ４６は、クロック入力５０、または５２のどちらの入力をその出力４４に接続するかを制御するマルチプレクサ制御入力４８を備えている。低速（または通常）クロック入力は、クロック入力５０に供給され、高速クロック入力は、クロック入力５２に供給される。制御入力４８は、当初、マルチプレクサの通常クロック入力を選択するゼロである。制御信号４８は、ランプ発生器３８にも接続される。開始入力４８における０から１への遷移によって、同時に、ＭＵＸ４６が切り替えられ、ランプ発生器３８が始動する。
【００１９】
デジタル強度記憶レジスタ４０は、デジタル・ピクセル出力５４からデジタル・ピクセル値出力を送り出す。
【００２０】
ＡＰＳ１０は、時間・電圧チャートを参照することによって最もよく理解されるので、ＡＰＳ１０の動作方法について解説する前に、まず、時間・電圧チャートついて説明することにする。
【００２１】
ここで、図２を参照すると、一連の異なる時点Ｔ1１１１〜Ｔ4１１４が露光持続時間中における異なる時間を表した時間軸１１０と、リセット電圧（ＶRESET）１２１、初期基準電圧（ＶREF,INIT）１２２、及び、飽和電圧（ＶSAT）１２３を示す電圧軸１２０を備えた時間・電圧チャート１００が示されている。当事者には明らかなように、露光時間が長いと、極めて強度の低い入射光２２を検知することが可能になるが、とてつもない時間を要することになる。先行技術では、イメージを迅速に捕捉するため、低い強度は検知されなかった。
【００２２】
時間・電圧チャート１００において、初期基準電圧１２２は、一定部分１２６とランプ部分１２７を備えた基準電圧線１２５によって表示されている。一定部分１２６がランプ部分１２７になるポイントは、時点Ｔ3１１３として表示されており、時点Ｔ3１１３は、この時点から値を増す開始信号１３０によって設定される。開始信号１３０は、図１の開始信号４８に関する電圧・時間波形である。
【００２３】
時間・電圧チャート１００には、さらに、３つの典型的な放射輝度レベル線が含まれている。最高放射輝度レベル線１３２は、フォトダイオード１６を照射する最も明るい輝度の入射光２２を表している。最低放射輝度レベル線１３３は、フォトダイオード１６を照射する極めて低い輝度の入射光２２を表している。平均放射輝度レベル・ライン１３４は、フォトダイオード１６を照射する平均輝度の入射光２２を表している。
【００２４】
時点Ｔ1１１１は、最高放射輝度レベル線１３２と基準電圧線１２５の交差点と定義される。時点Ｔ4１１４は、最低放射輝度レベル線１３３と基準電圧線１２５の交差点と定義される。さらに、時点Ｔ2１１２は、平均放射輝度レベル線１３４と基準電圧線１２５の交差点と定義される。ピクセルに関する全露光持続時間は、Ｔ1１１１〜Ｔ5１１５である。
【００２５】
動作
ピクセルの検知の開始時に、リセット入力２８にリセット信号が加えられ、リセット・トランジスタ２４がオンになる。リセット・トランジスタ２４がオンになると、フローティング拡散ノード２０に供給電圧入力２６が印加される。これによって、アナログ比較器３２の第１の入力に初期値が供給される。この時点において、アナログ比較器３２の第２の入力は、初期基準電圧入力３６に印加されるＶREF,INITを受信している。比較器の出力は、当初、０である。ＭＵＸ４６の制御入力４８は、まず、カウンタ４２のクロック入力４４に低速クロック入力５０を供給するように設定されている。これによってデジタル強度記憶レジスタ４０に低速カウンタが供給される。
【００２６】
最高放射輝度レベルの入射光２２の場合、フォトダイオード１６は、図２の最高放射輝度レベル線１３２の大きい角度で示されるように、フローティング拡散ノード２０の電圧を急速に放電させる。
【００２７】
平均放射輝度レベル入射光２２の場合、フォトダイオード１６は、図２の平均放射輝度レベル線１３４によって示されるように、フローティング拡散ノード２０の電圧を放電させる。これによって、フォトダイオード１６は、最高放射輝度レベル線１３２よりも遅い放電を生じさせる。
【００２８】
フローティング拡散ノード２０が放電するにつれて、ソース・フォロワ・トランジスタ３０は、アナログ比較器３２に供給する電圧を低下させる。ソース・フォロワ・トランジスタ３０からの電圧が、初期基準電圧入力３６におけるＶREF,INITより降下すると、アナログ比較器３２は、時点Ｔ2１１２において、信号線３７の値をデジタル強度記憶レジスタ４０にクロックにより入力（clock in）し、入射光２２の平均放射輝度レベルに比例したカウントが、デジタル・ピクセル出力５４において示されることになる。
【００２９】
以上から明らかなように、あるシーンの放射輝度が、平均レベル未満の場合、デジタル強度記憶レジスタが停止になる前の、露光期間を延長する必要がある。この設計では、極めて低い放射輝度レベルの光を捕捉できるようにするには、極めて長い露光期間が必要とされるが、この場合、捕捉時間が長くなり、その結果、多数のピクセルによって検知されるイメージにボケが生じることになる。逆に、検知時間をより短い露光期間に制限すると、低放射輝度レベルの入射光を検出する能力が低下することになる。
【００３０】
最低放射輝度レベルの入射光２２に関する本発明においては、ＡＰＳ１０は、当初、最高及び平均放射輝度レベルの入射光について解説のように動作する。ヒューリスティック（heuristic）に決定される、時間Ｔ3１１３で表示された、所定の時間期間の経過後、開始電圧１３０が上昇し、ランプ発生器３８を始動させ、ＭＵＸ４６を低速クロック入力５０から高速クロック入力５２に切り替える。
【００３１】
従って、最低放射輝度レベルの入射光２２の場合、フォトダイオード１６は、図２の最低放射輝度レベル線１３３によって示されるように、フローティング拡散ノード２０の電圧を極めてゆっくりと放電させる（平均放射輝度線１３４と比較して）。
【００３２】
最低放射輝度レベルの入射光２２の場合、フローティング拡散ノード２０の放電につれて、ソース・フォロワ・トランジスタ３０は、アナログ比較器３２に供給される電圧をごく緩やかに低下させるので、露光時間Ｔ３より前にＶREF,INIT未満にまで降下することはない。ヒューリスティックに決定された時間Ｔ3１１３において、開始電圧１３０（開始信号４８）が上昇すると、ランプ発生器３８が上昇「ランプ」電圧を送り出し、これが、加算器３４によって初期基準電圧入力３６に加算されて、アナログ比較器３２の第２の入力における電圧が上昇する。Ｔ３において、マルチプレクサ４６の制御入力が、高速クロック５２を選択する。ＭＵＸ４６を介した高速クロック入力５２によって、カウンタ４２は、より高速のカウント、すなわち、所定時間間隔当たりの数がより多いカウントをデジタル強度記憶レジスタ４０に供給することになる。
【００３３】
当事者には明らかなように、露光持続時間は、少なくとも２つの部分に分割され、「ランプ」（または、所望の場合には複数ランプ）は、低輝度の光の解像度を最適化するカウンタ４２からのカウントに対応する、任意の線形または非線形上昇とすることが可能である。
【００３４】
ソース・フォロワ・トランジスタ３０からの電圧が、ランプ部分１２７において基準電圧線１２５の基準電圧未満にまで降下すると、アナログ比較器３２は、入射光２２の最低放射輝度レベルに比例したカウントで、時点Ｔ4１１４において、信号線３７の値をデジタル強度記憶レジスタ４０にクロックにより入力することになる。
【００３５】
従って、システム回路要素１２が追加されると、ＡＰＳ１０による極めて低い放射輝度レベルの場合の捕捉時間が短縮されることになる。時点Ｔ３後に選択される、より高速のクロックによって、低レベルの光に関する解像度が高くなり、ダイナミック・レンジが広くなる。
【００３６】
本発明の説明は特定の最良の態様に関して行われたが、もちろん、当事者には、以上の解説に鑑みて、多様な代替、修正、及び、変更が明らかになるであろう。従って、付属の請求項の精神及び範囲内にあるこうした代替、修正、及び、変更の全てが包含されるものとする。本明細書においてこれまでに述べ、あるいは、添付の図面において示された全ての事項は、例示のためのものであって、制限のためのものではないと解釈すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のデジタル・ピクセル設計の概略回路図である。
【図２】本発明の光の強度決定プロセスの時間・電圧図である。
【符号の説明】
１０：アクティブ・ピクセル・センサ・システム
１２：システム回路要素
１３：ピクセル回路要素
１４：感光回路要素
１５：ＡＤＣ回路要素
１６：光センサ
３４：加算器
３８：ランプ発生器
４０：デジタル記憶レジスタ
４２：カウンタ
４６：マルチプレクサ
【図１】
0004164790.tif 000002
【図２】
0004164790.tif 000003