(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各単位ピクセルで外部光の強さに応じて生成されるアナログデータ信号及び参照基準用のランプ信号を入力される比較器と、
クロック信号によって一定の単位ステップ電圧ずつ減少するランプ信号を前記ランプ信号として前記比較器に出力するランプ信号制御部と、
前記単位ステップ電圧の大きさを決定するための基準電圧を出力するデジタル／アナログ変換器と、
前記比較器の出力によって前記アナログデータ信号の値をデジタルデータ信号として貯蔵するラッチと、
前記ランプ信号によって計数を始めて、計数された値を前記ラッチへ出力するカウンタとを備えてなるＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、
前記デジタル／アナログ変換器は、
ａ）抵抗列を構成する各抵抗値の選定に加重特性を持たせて、電圧分圧により複数個のアナログ電圧を出力する分圧器と、
ｂ）デジタル制御コードに応じて前記抵抗列からのアナログ電圧のうちのいずれか一つを選択して出力するスイッチ部と、
ｃ）前記スイッチ部の出力をバッファリングして出力する出力手段とを備えてなる
ことを特徴とするＣＭＯＳ型イメージセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、
前記スイッチ部は、前記分圧器により分圧出力されたアナログ電圧を前記出力手段に導く複数の伝達経路を有し、前記デジタル制御コードに応じて、前記伝達経路のうちの唯一つの経路のみが選択される複数個のスイッチを備えてなる
ことを特徴とするＣＭＯＳ型イメージセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載のＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、
前記複数個のスイッチは、トランジスタで具現されている
ことを特徴とするＣＭＯＳ型イメージセンサ。
【請求項４】
請求項３に記載のＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、
前記出力手段は、出力端が負入力端に帰還接続されている演算増幅器を備えてなる
ことを特徴とするＣＭＯＳ型イメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＣＭＯＳ型イメージセンサ回路で用いられるデジタル／アナログ変換器に関し、特に、入力されるデジタル制御コードによってピクセル信号の増幅率が線型的に変化するようにしたデジタル／アナログ変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、イメージセンサは、光に反応する半導体の性質を用いて、画像を捕獲(capture)するデバイスをいう。自然界に存在する被写体の各部分は、光の明るさ及び波長などが互い異なるため、感知するデバイスの各画素で異なる電気的な値を呈するが、その電気的な値を信号処理が可能なレベルに作ることがイメージセンサの役割である。
【０００３】
近来、このようなイメージセンサは、各種保安装備、画像会議用カメラ、デジタルスチルカメラ、ＰＣカメラ、映像情報を伝達する機能を備えた次世代個人用携帯通信端末などに適用されて、脚光を浴びている。
【０００４】
イメージセンサには、ＣＣＤ(Charge-Coupled Device)型イメージセンサとＣＭＯＳ(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)型イメージセンサがあるが、現在、ＣＭＯＳ型イメージセンサは、ＣＣＤイメージセンサに比べて駆動方式が簡便であり、多様なスキャンニング(scanning)方式の具現が可能であり、シングルプロセシング(single processing)回路を一つのチップに集積し得るため、製品の小型化が可能であり、またＣＭＯＳテクノロジ(technology)を使用するため、製造コストを低減し得るし、電力消耗もＣＣＤに比べてはるかに小さいという長所があるので、その使用分野がますます拡張されている。
【０００５】
通常、ＣＭＯＳ型イメージセンサは、フォトダイオードから出力される被写体に対応するアナログデータ信号と、基準クロックによって一定に減少する参照信号としてのランプ(ramp)信号とを比較する比較器と、ランプ信号が出力される際に計数を始めるカウンタと、比較器で比較した結果の値に応じてカウンタでの計数値をデジタルデータ値で貯蔵するラッチとを備えて構成されている。
【０００６】
一方、上述した動作をするために、ＣＭＯＳ型イメージセンサには、各種の制御信号を出力するデジタル制御部があり、デジタル制御部は、デジタル／アナログ変換器を用いて、使用者がデジタル制御コードを入力して画像の明るさに応じて、貯蔵されるデジタルデータ値の範囲（例えば、０〜２５５）を決める機能を果たす。デジタル制御コードとは、使用者が任意に入力して、外部光の明るさに応じて貯蔵するデジタルデータ値の範囲を調節し得る制御コードである。
【０００７】
ＣＭＯＳ型イメージセンサでは、デジタルデータ値の範囲（例えば、０〜２５５）を決めるため、デジタル制御部にデジタル／アナログ変換器を具備し、デジタル／アナログ変換器から出力される出力電圧によって、基準クロックにより減少されるランプ信号の単位電圧が決定される。
【０００８】
例えば、入力されたデジタル制御コードが二進数の「００００１」である場合、貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲は、二進数の「００００００００〜１１１１１１１１」（十進数の０〜２５５）になり、入力されたデジタル制御コードが二進数の「０００１０」であれば、デジタルデータ値の範囲は、二進数の「００００００００〜０１１１１１１１」（十進数の０〜１２７）になる。また、入力されたデジタル制御コードが二進数の「００１００」であれば、デジタルデータ値の範囲は、二進数の「００００００００〜００１１１１１１」（十進数の０〜６３）になり、入力されたデジタル制御コードが二進数の「０１０００」であれば、デジタルデータ値の範囲は、二進数の「００００００００〜０００１１１１１」（十進数の０〜３１)になる。
【０００９】
デジタルデータ値の範囲が大きければ大きいほど、より明るく画面を貯蔵するが、デジタルデータ値が２５５の場合がは、１２７である場合より２倍ほど明るく画面を処理することになる。したがって、暗い所を明るく見るためには、デジタル制御コードの値を小さくして、貯蔵されるデジタルデータ値の範囲を大きくすればよい。
【００１０】
図４は、従来のＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられるデジタル／アナログ変換器を、説明の簡略のため、３ビットで具現した場合の回路図を示す。図４に示すように、デジタル／アナログ変換器は、基準電圧を均等に分ける分圧器部１０と、分圧された電圧を出力部にスイッチングするスイッチ部２０と、スイッチ部２０によって選定された電圧を出力する出力部３０とで構成されている。
【００１１】
分圧器１０は、基準電圧Ｖref と接地との間に直列に接続された８個の抵抗Ｒで構成される。スイッチ部２０は、デコードされたデジタル値により、ただ一つの経路のみが選択されるように、複数個のＮチャネルＭＯＳトランジスタで構成される。出力部３０は、出力端が負入力端（−）にフィードバック接続されてバッファをなす演算増幅器で構成される。このように演算増幅器を構成すれば、ゲインが１であるバッファとして動作する。
【００１２】
以下、図４を参照しながらデジタル／アナログ変換器の動作を例にして説明する。例えば、基準電圧Ｖref が「１Ｖ」であり、「００１」のデジタル制御コードがスイッチ部２０に入力されると、スイッチ部２０への入力信号の/b1（b1バー）、/b2（b2バー）、b3を入力されるスイッチがターンオンされて、出力部３０に１／８Ｖの電圧が出力される。また、デジタル制御コードを「００１」から「１００」に順次増加させると、デジタル／アナログ変換器の出力値もそれぞれ１／８Ｖ、２／８Ｖ、３／８Ｖ、４／８Ｖに増加することになる。すなわち、デジタル／アナログ変換器の抵抗値Ｒが一定であるため、入力されるデジタル制御コードに対して出力電圧も一定の間隔で増加する。
【００１３】
ところで、実際には、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおけるデジタル／アナログ変換器は、３２個の抵抗列を用いて、３２個の電圧値を出力し、デジタル制御コードは５ビットで構成することになる。それらの電圧値は、ＣＭＯＳ型イメージセンサの比較器に入力されるランプ信号の単位電圧ステップを決定することになる。ランプ信号は、クロックによって単位電圧（例えば、１／２５６Ｖ）ずつ減少することになるが、比較器に入力される前に、デジタル／アナログ変換器の出力値によって単位電圧の大きさが決定されることになる。
【００１４】
例えば、デジタル制御コードが２進数の「００００１」であれば、デジタル／アナログ変換器の出力は１／３２Ｖの電圧が出力され、この電圧値によってランプ信号の単位ステップ電圧は１／２５６Ｖが出力され、デジタル制御コードが２進数の「０００１０」であれば、デジタル／アナログ変換器の出力は２／３２Ｖの電圧が出力され、この電圧値によってランプ信号の単位ステップ電圧は２／２５６Ｖになる。以後、デジタル制御コードが順に「０００１１」〜「００１００」に増加されれば、ＣＭＯＳ型イメージセンサのランプ信号の単位ステップ電圧は、３／２５６Ｖ、４／２５６Ｖに増加することになる。
【００１５】
ここで、ランプ信号の単位ステップ電圧について説明すれば、それはランプ信号の一クロック当たり減少する電圧である。単位ステップ電圧が小さければ小さいほど、ランプ信号は多くのクロック数の間に減少し、単位ステップ電圧が大きければ大きいほど、少ないクロック数の間に減少することになるが、ランプ信号の一周期の減少の間に用いられるクロックの数がイメージセンサで貯蔵するデジタルデータ値の範囲となる。すなわち、デジタル制御コードが「００００１」であれば、比較器のランプ信号は、一クロック当たり１／２５６Ｖ電圧が減少し、結局２５５番のクロックまでの間、ランプ信号が減少して行くことになる。これは、貯蔵し得るデジタルデータ値の範囲が０〜２５５であるということを意味する。
【００１６】
図５は、ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられるデジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コードが２進数の「００００１」である場合におけるＣＭＯＳ型イメージセンサのランプ信号（線形減衰傾斜波形）を示す波形図である。図５を参照しながら説明すれば、デジタル制御コードが「００００１」である場合、クロックに従って単位電圧（１／２５６Ｖ）ずつランプ信号が減少することが分かる。したがって、この場合、ＣＭＯＳ型イメージセンサに貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲は、０〜２５５である。
【００１７】
図６は、ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられるデジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コードが２進数の「０００１０」である場合におけるＣＭＯＳ型イメージセンサのランプ信号を示す波形図である。図６を参照しながら説明すれば、デジタル制御コードが「０００１０」である場合、単位電圧が２／２５６Ｖで、その単位電圧ずつクロックによってランプ信号が減少して行き、この場合には、ＣＭＯＳ型イメージセンサに貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲は、０〜１２７である。また、図示してないが、デジタル制御コードが「００１００」であれば、単位電圧が４／２５６Ｖとなり、デジタルデータ値の範囲が０〜６３までの範囲を有することになる。一方、上述したように、貯蔵されるデジタルデータ値の範囲が大きいほど、画像についての情報がより明るく貯蔵される。
【００１８】
図７は、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、デジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コード（５ビット構成の場合）に対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲を示すグラフであり、［表１］は、これを図表で表したものである。
【００１９】
【表１】
0004133295.tif 000002
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
［表１］を参考しながら説明すると、デジタル制御コードを順次に増加させて行っても、貯蔵され得るデジタルデータ値の範囲は、同じ割合では順次に減少して行かない。したがって、被写体に対して貯蔵される画像の明るさは、デジタル制御コードを線形的に変化させても、線型的には変化されない。また、暗い所で画像をより明るく貯蔵するため、使用者がデジタル制御コードを操作しても、画像の明るさを精密には制御できない。
【００２１】
もちろん、デジタル制御コードが相対的に大きい値である場合（例えば、００１１０）には、デジタル制御コードを操作することによって、比較的精密に貯蔵される画像の明るさを操作できるが、その場合の微細調整はあまり意味がないし、逆に実際に必要な部分（例えば、デジタル制御コードが０００１〜０１００）では、精密に画像の明るさを調整すべく、貯蔵されるデジタルデータ値の範囲を精密に操作しようとしても、そうすることは困難である。
【００２２】
したがって、デジタルデータ値の範囲とデジタル制御コードとの間の関係を線型的になるようにして、貯蔵される画像の明るさを精密に調整できるＣＭＯＳ型イメージセンサが要求される。そこで、この発明は、上述した従来の問題に鑑みてなされたものであって、この発明は、貯蔵される画像の明るさに対して微細調整が可能な、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおけるデジタル／アナログ変換器を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
前記の従来の問題点を解決するため、この発明は、ＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、各単位ピクセルで外部光の強さに応じて生成されるアナログデータ信号及び参照基準用のランプ信号を入力される比較器と、  クロック信号によって一定の単位ステップ電圧ずつ減少するランプ信号を前記ランプ信号として前記比較器に出力するランプ信号制御部と、前記単位ステップ電圧の大きさを決定するための基準電圧を出力するデジタル／アナログ変換器と、前記比較器の出力によって前記アナログデータ信号の値をデジタルデータ信号として貯蔵するラッチと、前記ランプ信号によって計数を始めて、計数された値を前記ラッチへ出力するカウンタとを備えてなり、前記デジタル／アナログ変換器が、ａ）抵抗列を構成する各抵抗値の選定に加重特性を持たせて、電圧分圧により複数個のアナログ電圧を出力する分圧器と、ｂ）デジタル制御コードに応じて前記抵抗列からのアナログ電圧のうちのいずれか一つを選択して出力するスイッチ部と、ｃ）前記スイッチ部の出力をバッファリングして出力する出力手段とを備えてなることを特徴とする。
【００２５】
この発明は、貯蔵される画像の明るさに対して微細調整を可能にするために、使用者が入力するデジタル制御コードに応じて決められる、貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲が線型性を有するＣＭＯＳ型イメージセンサに関するものである。このため、ＣＭＯＳ型イメージセンサのデジタル／アナログ変換器では、入力されるデジタル制御コードによって出力される電圧が加重分布特性を持ちながら出力されるようにする。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、この発明の好ましい実施例を説明する。
【００２７】
図１は、デジタル／アナログ変換器がＣＭＯＳ型イメージセンサに適用されることを示すブロック回路図である。図１に示すように、ＣＭＯＳ型イメージセンサは、各単位ピクセルで外部光の強さに応じて生成されるアナログデータ信号及び参照基準用のランプ信号を入力される比較器６００と、比較器６００にランプ信号を出力するランプ信号制御部５００と、ランプ信号の変化単位電圧を決定するデジタル／アナログ変換器４００と、比較器６００の出力によってアナログデータ信号の値をデジタルデータ信号として貯蔵するラッチ７００と、ランプ信号によって計数を始めて、計数された値をラッチへ出力するカウンタ８００とで構成される。
【００２８】
上述したように、ＣＭＯＳ型イメージセンサでは、デジタルデータ値の範囲（例えば、０〜２５５）を決めるため、デジタル／アナログ変換器を備え、デジタル／アナログ変換器から出力される出力電圧に応じてランプ信号が基準クロックのステップごとに減少される単位電圧が決定されることになる。
【００２９】
図２は、この発明の好ましい実施例による、ＣＭＯＳ型イメージセンサ用デジタル／アナログ変換器を、説明の簡単のため、３ビットで具現した場合の回路図である。図２を参照しながら説明すると、デジタル／アナログ変換器は、分圧器部１００、スイッチ部２００、そして出力部３００で構成される。分圧器１００は、直列接続された複数個の抵抗で構成され、基準電圧Ｖrefを所定の分割比で分圧して各電圧をスイッチ部２００へ出力する。図示された分圧器１００は、３ビットのデジタル／アナログ変換器における場合の例であって、８個の抵抗を基準電圧Ｖrefと接地電位との間に直列接続した場合である。８個の抵抗の相対値は、Ｖref側から順に１２Ｒ、１２Ｒ、６Ｒ、６Ｒ、２Ｒ、２Ｒ、２Ｒ、６Ｒである。ここで、Ｒは、単位抵抗値（Unit Resistance）を表す。例えば、単位抵抗値がＲ＝１００オームであれば、２Ｒは２００オームになる。
【００３０】
スイッチ部２００は、デコードされたデジタル制御コードにより、ただ一つの経路のみが選択されでノードＮ７につながるように、複数個のスイッチ（ＮＭＯＳトランジスタ）が分圧器１００と出力部３００との間を連結する。
【００３１】
出力部３００は、出力端が負入力端（−）にフィードバックされてバッファをなす演算増幅器で構成されている。演算増幅器の出力側を負入力側（−）にフィードバックすると、正入力側（＋）の電圧がそのまま出力側に現れるバッファとして動作する。
【００３２】
以下、図２を参照しながら、デジタル／アナログ変換器の動作について説明する。基準電圧Ｖrefが「１Ｖ(ボルト)」であり、「１１０」の二進デジタル制御コードがスイッチ部２００に入力されると、スイッチ部２００で入力信号b1、b2、/b3を入力されるスイッチがターンオンされて、出力部３００に１／２Ｖ(ボルト)の電圧が出力される（分圧比＝（６Ｒ＋６Ｒ＋２Ｒ＋２Ｒ＋２Ｒ＋６Ｒ）／（１２Ｒ＋１２Ｒ＋６Ｒ＋６Ｒ＋２Ｒ＋２Ｒ＋２Ｒ＋６Ｒ）＝２４Ｒ／４８Ｒ＝１／２）。また、デジタル制御コードを「００１」から「１００」へと順に増加させれば、デジタル／アナログ変換器の出力電圧もそれぞれ１／８Ｖ、１／６Ｖ、５／２４Ｖ、１／４Ｖと順に増加することになる。すなわち、デジタル／アナログ変換器の分圧器１００を構成する抵抗列の各抵抗値を、均一分布ではなく、加重分布特性を持たせて所望の値に設定することによって、入力されるデジタル制御コードに対して出力アナログ電圧が一律に増加するのではなく、所望の変化特性で増加して出力される。なお、実際には、デジタル制御コードは、例えば、５ビットで構成し、分圧器の抵抗の数もそれに応じて、例えば、３２個設ける。図２の場合のデジタル制御コードに対するアナログ出力電圧およびデジタルデータ値の範囲の関係を［表２」に示す。この場合、Ｖref ＝１／４Ｖ(ボルト)と対応させれば、前記の［表１］と同様の数値関係で理解できる。
【００３３】
【表２】
0004133295.tif 000003
【００３４】
図３は、図２のデジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コードに対して、ＣＭＯＳ型イメージセンサが出力可能なデジタルデータ値の範囲に関するグラフである。図３から分かるように、デジタル制御コードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲が線型的に近い変化特性を呈し、これによって所望のデジタル制御コードを調節して画像の明るさをより細かく調節することができる。また、暗い所をよく見るために、デジタル制御コードを調節して画像の明るさの微細な調整が可能である。
【００３５】
結局、デジタル制御部のデジタル／アナログ変換器の抵抗列の各抵抗値の設定を調整して、デジタル制御コードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲が線型性を有するようにしようとするのであるが、抵抗列（例えば、３２個の抵抗器）の各抵抗値の選定によって、直線性の程度（ある程度の曲線性は許容するとして）を所望の特性に調整することができる。したがって、上述した３２個の抵抗器からなる抵抗列をいくつかの群に区分して、それぞれの群の中で各抵抗器の値に加重特性（非均一分布）を持たせて近似的に線形性を持たせることができ、さらに精密な線型性が要求されれば、全ての抵抗値の加重特性（相対値変化）を調整（例えば、等比級数的に選定するなど）して所望の線形性を得ることができる。
【００３６】
【発明の効果】
上述したデジタル／アナログ変換器は、外部光に応じて画像を貯蔵するイメージセンサ装置において、ランプ信号を利用してデジタル信号値として貯蔵される画像の明るさを所望の特性に調整することに使用することができる。この発明によるＣＭＯＳ型イメージセンサは、画像の明るさをさらに細かく調節することができ、特に、暗い所の画像に対する明るさの調整をさらに精密にすることができる。
【００３７】
【付言】
この発明は、上述の実施例に限られるものではない。この発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、多様に変更実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  デジタル／アナログ変換器がＣＭＯＳ イメージセンサに適用されることを示すブロック回路図である。
【図２】  ＣＭＯＳ型イメージセンサに用いられるこの発明の好ましい実施例によるデジタル／アナログ変換器を３ビット構成で具現した回路図である。
【図３】  この発明により具現されたデジタル／アナログ変換器において、入力されるデジタル制御コードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲の関係を示すグラフである。
【図４】  ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる従来のデジタル／アナログ変換器を３ビット構成で具現した回路図である。
【図５】  ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる従来のデジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コードが「１」である場合の、ランプ信号の電圧変化の様子を示す波形図である。
【図６】  ＣＭＯＳ型イメージセンサで用いられる従来のデジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コードが「２」である場合の、ランプ信号の電圧変化の様子を示す波形図である。
【図７】  ＣＭＯＳ型イメージセンサにおいて、従来のデジタル／アナログ変換器に入力されるデジタル制御コードに対して貯蔵可能なデジタルデータ値の範囲の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…分圧器、２００…スイッチ部、３００…出力部。
【図１】
0004133295.tif 000004
【図２】
0004133295.tif 000005
【図３】
0004133295.tif 000006
【図４】
0004133295.tif 000007
【図５】
0004133295.tif 000008
【図６】
0004133295.tif 000009
【図７】
0004133295.tif 000010