DE10116827A1 - Bildsensor - Google Patents

Abstract

Offenbart ist ein Bildsensor, bestehend aus Lichtsensorschaltungen, welche derart angeordnet sind, dass sie ein Feld von Pixeln bilden, von denen jedes in einem fotoelektrischen Umwandlungselement einesn Sensorstrom erzeugt, der proportional zu der Menge von darauf einfallendem Licht ist, und den Sensorstrom durch einen Transistor vom MOS-Typ mit einer logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umwandeln, wobei ein Mittel zum Überwechseln einer Drain-Spannung des Transistors für jede Lichtsensorschaltung für eine spezifizierte Zeit zu einem Wert, welcher niedriger als ein normaler Wert ist, um eine Ladung zu entfernen, welche sich in einer parasitischen Kapazität des fotoelektrischen Umwandlungselements akkumuliert ist, um die Schaltung von einem Erfassen eines Lichtsignals zu initialisieren. Der Bildsensor kann ein Spannungssignal erhalten, welches der Menge an einfallendem Licht entspricht, selbst dann, wenn der Sensorstrom schnell geändert worden ist, wodurch die Möglichkeit eines Auftretens eines Nachleuchtens eines jeden Pixels selbst bei einer geringen Menge an einfallendem Licht beseitigt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bildsensor, welcher gebildet ist aus einer Matrix von Lichtsensorschaltungen, von denen jede ein Einheitspixel repräsentiert und in der Lage ist, in einem fotoelektrischen Umwandlungs­ element einen zur darauf fallenden Lichtmenge proportionalen Sensorstrom zu erzeugen und den Sensorstrom unter Verwendung eines Transistors vom MOS-Typ mit einer logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umzuwandeln.

Die japanische Offenlegungsschrift der ungeprüften Anmeldungen KOKAI Nr. 219443 (1993) und die japanische Veröffentlichung der geprüften Anmeldungen KOKOKU Nr. 46481 (1995) offenbaren einen herkömmlichen Bildsensor vom MOS-Transistortyp, bei welchem eine Lichtsensorschaltung für ein Pixel, wie in Fig. 1 gezeigt ist, eine Fotodiode PD umfasst, welche als ein fotoelektrisches Umwandlungselement zur Erzeugung eines Sensor­ stroms arbeitet, der zur Menge an darauf fallendem einfallendem Licht Ls proportional ist, welche einen Transistor Q1 umfasst, der eine logarith­ mische Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand aufweist, um den in der Fotodiode erzeugten Sensorstrom unter Verwen­ dung der Eigenschaft seines Unterschwellenbereichs in ein Spannungs­ signal Vpd umzuwandeln, welche einen Transistor Q2 umfasst, um das Spannungssignal Vpd zu verstärken, und welche einen Transistor Q3 umfasst, um ein Sensorsignal nach Maßgabe eines Zeitgeberimpulses eines Auslesesignals Vs auszugeben, und welcher gekennzeichnet ist durch seinen breiten dynamischen Bereich, den man erhält, indem man der Aus­ gabe eine logarithmische Charakteristik gibt, wodurch die hohe Empfind­ lichkeit einer Lichtsignalerfassung erreicht wird.

Die Bildsensoren des Standes der Technik, welche Lichtsensorschaltungen als jeweilige Pixel verwenden, in denen in einem fotoelektrischen Umwand­ lungselement ein Sensorstrom proportional zum einfallenden Licht erzeugt wird und unter Verwendung eines Transistors vom MOS-Typ mit einer logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umgewandelt wird, weisen jedoch immer noch ein Problem dahingehend auf, dass bei einer verringerten Menge an einfallender Beleuchtung, welche auf das fotoelektrische Umwandlungs­ element fällt, ein unerwünschtes Nachleuchten eines jeden Pixels auftritt.

Die oben erwähnte Lichtsensorschaltung kann einen Sensorstrom in dem Transistor Q1 erzeugen, während eine ausreichende Menge an Licht Ls auf die Fotodiode PD fällt, und kann daher ein Lichtsignal bei einer Antwortge­ schwindigkeit erzeugen, welche ausreicht, dass kein Nachbild des Pixels aufgrund eines relativ geringen Widerstandwerts des Transistors Q1 er­ zeugt wird. Jedoch ist der Transistor Q1 derart eingestellt, dass er mit einem um eine Größenordnung erhöhten Widerstand arbeitet, wenn ein Strom darin um eine Größenordnung abnimmt. Daher bewirkt eine Ab­ nahme des in dem Transistor Q1 fließenden Stroms mit einer Abnahme der auf die Fotodiode PD fallenden Menge an einfallendem Licht Ls, dass der Transistor Q1 seinen Widerstand schnell erhöht. Eine Zeitkonstante der Schaltung, welche eine parasitische Kapazität C (Verbindungskapazität plus Verdrahtungsstreukapazität) der Fotodiode PD mit dem erhöhten Wider­ stand enthält, ist erhöht, um die Zeit zu verlängern, welche für ein Entfer­ nen einer in der parasitischen Kapazität C akkumulierten elektrischen La­ dung notwendig ist. Als Folge kann dann, wenn die Menge an einfallendem Licht Ls abnimmt, für eine längere Dauer ein Nachbild zu sehen sein.

Fig. 5 zeigt Eigenschaften eines veränderlichen Spannungssignals Vpd, wenn sich der Sensorstrom in der Fotodiode PD schnell von einem Wert IE-10A auf einen Wert IE-15A ändert.

Das Diagramm zeigt, dass dann, wenn ein Sensorsignal bei einem Intervall von 1 /30 Sekunden ausgegeben wird, ein Spannungssignal Vpd nicht innerhalb der obigen Dauer mit einem Sensorstrom IE-12A, welcher der verringerten Menge an einfallendem Licht entspricht, das auf die Fotodiode PD fällt, gesättigt werden kann. Mit anderen Worten ist die zum Sättigen des Spannungssignals Vpd notwendige Zeit entsprechend einem mit einer verringerten Menge an auf die Fotodiode PD einfallendem Licht Ls ver­ ringerten Wert eines Sensorstroms verlängert.

Falls ein Sensorsignal nach Maßgabe von Zeitgeberimpulsen eines Lesesig­ nals Vs, wie in Fig. 13 gezeigt ist, ausgegeben wird, erscheint daher eine Ausgabe mit einem derartigen Nachleuchten, welches zu einem früheren Zeitpunkt von einem höheren Pegel sein kann. In Fig. 13 bezeichnet Vpd' ein inverses verstärktes Spannungssignal, welches durch den Verstär­ kungstransistor Q2 erzeugt wird.

ABRISS DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bildsensor bereitzu­ stellen, welcher gebildet ist aus einem Feld von Lichtsensorschaltungen, von denen jede ein Einheitspixel repräsentiert und in der Lage ist, in einem fotoelektrischen Umwandlungselement einen Strom zu erzeugen, welcher proportional zu der auf sie einfallenden Einfallslichtmenge ist, und in der Lage ist, den Strom unter Verwendung eines Transistors vom MOS-Typ mit einer logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen inver­ tierten Zustand in ein entsprechendes Spannungssignal umzuwandeln, und welcher weiter mit einem Mittel versehen ist, um die Schaltung vor einem Erfassen eines Lichtsignals durch Entfernen einer in einem parasitischen Kondensator des fotoelektrischen Umwandlungselements akkumulierten Ladung zu initialisieren, indem man eine Drain-Spannung des Transistors für eine spezifizierte Zeit von einem normalen auf einen niedrigeren Pegel schaltet.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bildsensor bereitzustellen, welcher aus Lichtsensorschaltungen besteht, die derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixelschaltungen bilden, von denen jede in der Lage ist, in einem fotoelektrischen Element einen zur darauf fallenden Einfallslichtmenge proportionalen Strom zu erzeugen und den Strom durch Verwendung eines Transistors vom MOS-Typ mit einer logarithmischen Aus-Charakteristik in einem schwachen invertierten Zu­ stand in ein entsprechendes Spannungssignal umzuwandeln. Dieser Bild­ sensor ist weiterhin mit einer Spannungs-Umschalteschaltung versehen, welche Drain-Spannungen der Transistoren für alle Pixel für eine spezifi­ zierte Zeit von einem normalen auf einen niedrigeren Pegel ändert, um Ladungen zu entfernen, welche in parasitischen Kapazitäten von jeweiligen fotoelektrischen Umwandlungselementen akkumuliert sind, wodurch alle Pixel initialisiert werden, bevor Lichtsignale von ihnen erfasst werden. Selbst wenn die Sensorspannung mit einer verringerten Beleuchtung schnell abnehmen würde, kann daher jede Sensorschaltung sofort ein Spannungssignal erhalten, welches der zu diesem Moment einfallenden Lichtmenge entspricht, wodurch die Möglichkeit eines Auftretens von Nachleuchten des Pixels bei einer verringerten Menge an einfallendem Licht beseitigt wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bildsensor bereitzustellen, welcher aus Lichtsensorschaltungen besteht, die derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von mehreren entsprechenden Pixeln bilden, wobei Sensorsignale in einer Zeitfolge derart ausgelesen (abgetas­ tet) werden, dass Pixelzeilen durch eine Pixelzeilen-Auswahlschaltung eine nach der anderen nacheinander ausgewählt werden, und dass Pixel durch eine Pixel-Auswahlschaltung in der ausgewählten Pixelzeile nacheinander ausgewählt werden, und wobei jedes Pixel in jeder auszuwählenden Pixel­ zeile bei der Zeitfolge, die für ein Lesen eines jeden Pixels aus der Zeile angepasst ist, derart initialisiert wird, dass eine Drain-Spannung eines MOS-Transistors für ein Zielpixel durch eine Spannungs-Umschalteschal­ tung für eine spezifizierte Zeit von einem normalen auf einen niedrigeren Pegel geändert wird, um eine Ladung zu entfernen, welche in einer parasiti­ schen Kapazität eines betroffenen fotoelektrischen Umwandlungselements akkumuliert ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein elektrisches Schaltbild einer Lichtsensorschaltung für ein Pixel, welches als eine Einheitskomponente eines Bildsen­ sors gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Fig. 2 ist ein Zeitdiagramm von Signalen, welche in der Lichtsensor­ schaltung erzeugt werden sollen.

Fig. 3 ist eine Mimikdarstellung eines Betriebszustands eines Tran­ sistors Q1 mit einem Fluss einer elektrischen Ladung (q) darin, wenn die Lichtsensorschaltung initialisiert wird.

Fig. 4 ist eine Mimikdarstellung eines Betriebszustands eines Tran­ sistors Q1 mit einem Fluss einer elektrischen Ladung (q) darin, wenn ein Lichtsignal der Lichtsensorschaltung erfasst wird,

Fig. 5 zeigt charakteristische Kurven eines Spannungssignals (Vpd), welches sich mit einer Änderung eines Sensorstroms einer Fotodiode (PD) in der Lichtsensorschaltung ändert.

Fig. 6 zeigt charakteristische Kurven eines Spannungs-(Vpd)-Ver­ stärkungssignals, wenn der Lichtsignal-Auslesevorgang bei einem spezifizierten Intervall durch die Lichtsensorschaltung wiederholt wird.

Fig. 7 zeigt Ausgabecharakteristika von Pixelsignalen (Vo) mit einer Änderung der Menge an einfallendem Licht (Ls), welches auf eine Fotodiode der Lichtsensorschaltung fällt.

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm eines Bildsensors gemäß einer Aus­ führungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 9 ist ein Zeitdiagramm von Signalen von Abschnitten des Bild­ sensors der vorliegenden Erfindung.

Fig. 10 ist ein Zeitdiagramm von Signalen von Abschnitten des Bild­ sensors während der Zeit einer simultanen Initialisierung aller Pixel in dem Bildsensor.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm eines Bildsensors gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 12 ist ein Zeitdiagramm von Signalen von Abschnitten des Bild­ sensors der vorliegenden Erfindung.

Fig. 13 zeigt Ausgabecharakteristika eines Sensorsignals, welches nach Maßgabe eines spezifizierten Zeitgeberimpulses bei der verringerten Menge an einfallendem Licht, das auf eine Licht­ sensorschaltung ohne Initialisierung des Bildsensors fällt, gelesen wird.

BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG

Fig. 1 veranschaulicht eine Lichtsensorschaltung, welche ein Einheitspixel repräsentiert, das als eine Einheitskomponente in einem Bildsensor ver­ wendet wird, der die vorliegende Erfindung verkörpert.

Die Lichtsensorschaltung umfasst eine Fotodiode PD zur Erzeugung eines Sensorstroms, welcher der Menge an einfallendem Licht Ls proportional ist, wenn ein Lichtsignal erfasst wird, welcher einen Transistor Q1 umfasst, um den in der Fotodiode PD fließenden Sensorstrom unter Verwendung seiner logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen inver­ tierten Zustand in eine entsprechende Spannung Vpd umzuwandeln, wel­ cher einen Transistor Q2 umfasst, um das Spannungssignal Vpd zu ver­ stärken und welcher einen Transistor Q3 vom MOS-Typ umfasst, um nach Maßgabe eines Zeitgeberimpulses eines Auslesesignals Vs ein Sensorsignal auszugeben. Dieser Sensor ist in der Lage, ein Lichtsignal bei einer hohen Empfindlichkeit aufgrund seines breiten dynamischen Bereichs zu erfassen, den man durch Verwenden seiner logarithmischen Ausgabecharakteristik erreicht.

Die Lichtsensorschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, sich selbst vor einem Erfassen eines Lichtsignals durch Entfernen einer elektrischen Ladung, welche in einer parasitischen Kapazität C der Foto­ diode PD akkumuliert ist, zu initialisieren, indem sie eine Drain-Spannung VD des Transistors Q1 vom MOS-Typ für eine spezifizierte Periode auf einen Pegel ändert, der niedriger als ein normaler ist. Dies versetzt die Lichtsensorschaltung in die Lage, unmittelbar selbst dann ein Spannungs­ signal zu erhalten, welches der Lichtmenge entspricht, die zu dieser Zeit auf sie fällt, wenn sich ein Sensorstrom schnell verändert. Daher kann die Lichtsensorschaltung kein Nachleuchten des Pixels bewirken, selbst mit einer geringen Menge an einfallendem Licht Ls.

Fig. 2 zeigt ein Zeitdiagramm von Signalen, welche bei verschiedenen Abschnitten der Lichtsensorschaltung erzeugt werden. In Fig. 2 ist t1 der Initialisierungs-Zeitgeberimpuls und t2 ist der Lichtsignalerfassungs-Zeitge­ berimpuls. Eine spezifizierte Zeit tm, für welche die Drain-Spannung VD des Transistors Q1 von einem normalen Wert (hoher Pegel H) zu einem niedri­ geren Spannungswert (niedriger Pegel L) geschaltet und bei dem niedrigen Pegel L gehalten wird, wird beispielsweise im Falle eines Lesens eines Pixels bei einer Geschwindigkeit von etwa 100 Nanosekunden auf etwa 5 Mikrosekunden eingestellt. In Fig. 2 bezeichnet T eine Periode zur Akkumu­ lation einer Ladung in einer parasitischen Kapazität C der Fotodiode PD, welche Periode etwa 1/30 (oder 1/60) Sekunde für ein NTSC-Signal be­ trägt.

In der Lichtsensorschaltung wird der Transistor Q1 dann, wenn die Drain-Spannung VD des Transistors Q1 vom MOS-Typ zur Initialisierung der Schaltung zu dem niedrigen Pegel L umgeschaltet worden ist, in den Nied­ rigwiderstandszustand gebracht, falls ein Potential zwischen der Gatterspannung VG und der Drain-Spannung VD größer ist als eine Schwelle des Transistors Q1. Daher wird das Source-Seitenpotential in diesem Augen­ blick gleich der Drain-Spannung VD (in der Praxis verbleibt immer noch ein Unterschied zwischen Potentialen), was bewirkt, dass die Verbindungs­ kapazität C der Fotodiode C entladen wird.

Fig. 3 veranschaulicht schematisch den Betrieb der Lichtsensorschaltung durch einen Fluss einer elektrischen Ladung q des Transistors Q1 bei der Initialisierung der Schaltung.

Sobald die Drain-Spannung VD des Transistors Q1 mit einem Verstreichen der Zeit tm auf den normalen Wert (hoher Pegel H) geändert worden ist und dann ein Lichtsignal erfasst wurde, wird das Source-Seitenpotential niedriger als die Drain-Spannung VD. Falls der Unterschied zwischen der Gate-Spannung VG und der Drain-Spannung größer als die Schwelle ist, erreicht der Transistor Q1 vom MOS-Typ den Niedrigwiderstandszustand und gestattet der Verbindungskapazität C der Fotodiode, wieder geladen zu werden.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch den Betrieb der Lichtsensorschaltung durch einen Fluss einer elektrischen Ladung q des Transistors Q1 beim Erfassen eines Lichtsignals. Die Verbindungskapazität C der Fotodiode PD wird zur Initialisierung der Lichtsensorschaltung vor einer Erfassung eines Lichtsignals entladen und dann geladen. In diesem Falle wird die Ausgangs­ spannung Vpd (eine Anschlussspannung der Fotodiode PD) mit einem Verstreichen einer spezifizierten Zeit vom Initialisierungszeitpunkt an zu einem Wert, welcher der Menge an einfallendem Licht Ls entspricht. Mit anderen Worten kann die Lichtsensorschaltung nach einer Initialisierung in Antwort auf eine Veränderung der Menge an einfallendem Licht eine Entla­ decharakteristik mit einer spezifizierten Zeitkonstanten erhalten.

Falls in diesem Falle die Lichtsensorschaltung für eine lange Zeit so gelas­ sen wird, wie sie ist, wird ein Strom, welcher von der Drain-Spannung VD durch den Transistor Q1 hindurch zugeführt wird, gleich einem Strom, der in der Fotodiode PD fließt. Somit kann stets die gleiche Entladecharak­ teristik beibehalten werden, sofern keine Ladung zurückbleibt. Dies besei­ tigt die Möglichkeit eines Nachleuchtens von Pixeln.

Die Lichtsensorschaltung kann daher ein Sensorsignal erhalten, welches der Menge an einfallendem Licht Ls entspricht, ohne Nachleuchten des Pixels durch Erfassung eines Lichtsignals mit einem Verstreichen einer spezifizier­ ten Zeit nach Initialisierung der Schaltung.

Fig. 5 veranschaulicht die Änderungscharakteristika eines Spannungssig­ nals Vpd mit einem schnell von IE-10A auf IE-15A geänderten Strom, in dem Falle einer Erfassung eines Lichtsignals bei einem Zeitpunkt von 1/30 Sekunde nach der Initialisierung.

Fig. 6 zeigt Charakteristika des verstärkten Spannungssignals Vpd, wenn Lichtsignale wiederholt bei einem Intervall von 1/30 Sekunde gelesen wurden. Das Diagramm zeigt, dass die Signalcharakteristika, die jede 1/30 Sekunde erhaltenen werden, dem Sensorstrom entspricht, der zu der Menge an einfallendem Licht proportional ist, das auf die Fotodiode PD fällt, ohne ein Nachleuchten des Pixels.

Fig. 7 zeigt die Ausgabecharakteristika des Sensorsignals, welche durch Verändern der auf die Fotodiode fallenden Menge an einfallendem Licht Ls erhalten wurden. Das Diagramm zeigt, dass das Sensorsignal bei dem Sensorstrom von IE-13A oder höher eine vollständig logarithmische Aus­ gabecharakteristik aufweist. Es wird ebenso gefunden, dass das ausgege­ bene Sensorsignal bei dem Sensorstrom von weniger als IE-13A nicht logarithmisch ist, jedoch kein Nachleuchten verursacht.

Das Diagramm zeigt weiterhin, dass die in Fig. 7(a) gezeigte Ausgabe­ charakteristik erhalten werden kann, indem die Schwelle des niedrigen Pegels L eingestellt wird, auf welchen die Drain-Spannung VD des Transis­ tors Q1 umgeschaltet werden muss, und indem die Drain-Spannung ver­ ringert wird, bis der Transistor Q1 den Zustand eines vollständig niedrigen Widerstands erreicht. Im Gegensatz dazu kann die in Fig. 7(b) gezeigte normale logarithmische Ausgabecharakteristik erhalten werden, indem man die Steuer/Regelspannung VD auf den gleichen Wert einstellt, den die Gate-Spannung VG aufweist.

Daher ist die Ausgabecharakteristik von Fig. 7(a) von dem Nachleucht-Effekt frei, jedoch ist die Lichtsignalerfassungsempfindlichkeit bei einer kleinen Menge an einfallendem Licht reduziert, während die Ausgabecha­ rakteristik von Fig. 7(b) eine hohe Erfassungsempfindlichkeit bei einer kleinen Menge an einfallendem Licht aufweisen kann, jedoch durch ein nennenswertes Nachleuchten begleitet wird. Mit anderen Worten, es be­ steht eine Einbußebeziehung zwischen der Erfassungsempfindlichkeit und dem Nachleuchten.

Daher ist es wünschenswert, die Drain-Spannung VD des Transistors unter der folgenden Bedingung auf einen Wert in einem Zwischenbereich zwi­ schen der in Fig. 7(a) gezeigten Ausgabecharakteristik und der logarithmi­ schen Ausgabecharakteristik, wie sie in Fig. 7(b) gezeigt ist, einzustellen:
Für die Anwendungen, bei welchen das Nachleuchten zugelassen ist, muss die Drain-Spannung des Transistors auf einen Wert eingestellt sein, bei welchem man die höhere Erfassungsempfindlichkeit erhält. Im Gegensatz dazu muss die Drain-Spannung für die Anwendungen, bei welchen das Nachleuchten vermieden werden muss, auf einen Wert eingestellt sein, bei welchem kein Nachleuchten erzeugt werden kann. In der Praxis ist die Drain-Spannung VD auf einen Wert eingestellt, welcher so ausgewählt ist, dass man unter Berücksichtigung der aktuellen Anwendung und des tat­ sächlich gewährbaren Nachleuchtens die höchste Erfassungsempfindlich­ keit erhält.

Die vorliegende Erfindung ist auf einen Bildsensor gerichtet, welcher aus einer Anzahl der oben beschriebenen Lichtsensorschaltungen gebildet ist, die derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixeln (d. h. Lichtsen­ sorschaltungen) bilden, wobei Sensorsignale von jeweiligen Pixeln durch Abtasten in einer Zeitfolge gelesen werden und die Pixel in einer Zeit ini­ tialisiert werden können, welche auf das Auslese-Abtasten jeweiliger Sensorsignale angepasst ist.

Fig. 8 veranschaulicht einen Bildsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Bildsensor ist gebildet aus 4 × 4 Pixeln D11-D44, welche in einer Matrix von Pixelschaltungen angeordnet sind, in welcher eine Pixelzeile nach der anderen mit jeweiligen Auswahlsignalen LS1-LS4, die nacheinander von einer Pixelzeilenauswahlschaltung 1 ausgegeben werden, ausgewählt wird und in jeder ausgewählten Pixelzeile ein Pixel nach dem anderen als jeweili­ ges Sensorsignal derart ausgelesen wird, dass Auswahlsignale DS, welche nacheinander von einer Pixelauswahlschaltung 2 ausgegeben werden, entsprechende Schalter SW1-SW4 einschalten, um Sensorsignale in einer Zeitfolge zu lesen. In Fig. 8 bezeichnet Bezugszeichen 4 eine Stromquelle für eine Gate-Spannung VG des Transistors Q1, und Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Stromquelle für eine Drain-Spannung VD des Transistors Q1.

Der Bildsensor der vorliegenden Erfindung ist mit einer Spannungs-Um­ schalteschaltung 5 versehen, durch welche eine Drain-Spannung VD eines jeden Transistors Q1 für jedes Pixel von einem normalen Hoch-Pegel H durch die Wirkung eines spezifizierten Zeitgeberimpulses beim Auswählen einer jeden Zeile von Pixeln zu einem initialisierenden niedrigeren Pegel L geändert wird.

Der Betrieb des oben beschriebenen Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben werden, welche ein Zeitdiagramm von Signalen zeigt, die bei jeweiligen Abschnitten des Bild­ sensors erzeugt werden.

Wenn das Pixelzeilenauswahlsignal LS1 den hohen Pegel H erreicht hat, wird die erste Pixelzeile einschließlich Pixel (Lichtsensorschaltungen) D11, D12, D13 und D14 ausgewählt und die Pixelauswahlsignale DS1-DS4 erreichen, während einer spezifizierten Periode, während der das Signal LS1 auf dem hohen Pegel H bleibt, nacheinander den hohen Pegel H, um das aufeinander folgende Lesen von Sensorsignalen D11, D12, D13 und D14 zu beginnen.

Sobald das Pixelzeilenauswahlsignal LS1 zu dem niedrigen Pegel geändert worden ist, wird ein nächstes Pixelzeilenauswahlsignal LS2 zu dem hohen Pegel H geändert, um die zweite Pixelzeile auszuwählen, welche Pixel D21, D22, D23 und D24 enthält. Für eine spezifizierte Periode T1, während der das Signal LS2 auf dem hohen Pegel bleibt, erreichen die Pixelauswahlsig­ nale DS1-DS4 nacheinander den hohen Pegel H, um das aufeinander fol­ gende Lesen von Sensorsignalen D21, D22, D23 und D24 zu beginnen. Auf ähnliche Weise wird mit zu dem hohen Pegel H geänderten Pixelzeilen­ auswahlsignalen LS3 (LS4) die dritte (vierte) Pixelzeile ausgewählt und dann erreichen die Pixelauswahlsignale DS1-DS4, während einer spezifi­ schen Periode T1, während der das Signal LS1 auf dem hohen Pegel H verbleibt, nacheinander den hohen Pegel H, um das aufeinander folgende Lesen von Sensorsignalen D31, D32, D33 und D34 (D41, D42, D43 und D44) zu beginnen.

Wenn das Pixelzeilenauswahlsignal LS1 zum niedrigen Pegel L geändert worden ist, wird die Drain-Spannung VD1 für die Pixel D11, D12, D13 und D14 in der ersten ausgewählten Zeile für eine spezifizierte Periode T2 zu dem niedrigen Pegel geschaltet, um die Pixel initialisiert und auf den nächs­ ten Zyklus eines Lesens von Sensorsignalen vorbereitet zu machen, wel­ cher Zyklus mit Verstreichen einer Zykluszeit T3 ausgeführt werden wird.

Wenn das Pixelzeilenauswahlsignal LS2 nach der Periode T1 zum niedrigen Pegel L geändert worden ist, wird die Drain-Spannung VD1 für die Pixel D21, D22, D23 und D24 in der zweiten ausgewählten Zeile für die spezifi­ zierte Periode T2 zum niedrigen Pegel geschaltet, um die Pixel für den nächsten Sensorsignal-Lesezyklus zu initialisieren, welcher mit Verstreichen einer Zykluszeit T3 ausgeführt werden soll.

Auf ähnliche Weise wird die Drain-Spannung VD3 (VD4) für die Pixel D31, D32, D33 und D34 (D41, D42, D43 und D44) in der dritten (vierten) ausgewählten Zeile zu dem niedrigen Pegel geschaltet, um die Pixel für den nächsten Sensorsignal-Lesezyklus zu initialisieren, welcher mit Verstreichen einer Zykluszeit T3 ausgeführt werden soll, sobald das Pixelzeilenauswahl­ signal LS3 (LS4) nach der Periode T1 zu dem niedrigen Pegel L geändert worden ist.

Obwohl die Drain-Spannung VDX zu dem niedrigen Pegel L geschaltet wird, um jede Lichtsensorschaltung zu initialisieren, wobei das Pixelzeilenaus­ wahlsignal LSX (X = 1-4) mit Verstreichen der Periode T1 auf den niedrigen Pegel reduziert ist, kann die Initialisierungszeit innerhalb der Dauer T4 liegen, für welche die Pixelzeilenauswahl pausiert, wobei das Pixelzeilen­ auswahlsignal sich auf dem niedrigen Pegel L befindet.

Beim Initialisieren eines jeden Pixels in dem in Fig. 8 gezeigten Bildsensor können alle Pixel D11 bis D44 gleichzeitig vor einem Lesen von Sensorsig­ nalen aus jeweiligen Pixeln initialisiert werden.

Fig. 10 zeigt ein Zeitdiagramm von Signalen, welche bei jeweiligen Ab­ schnitten des Bildsensors erzeugt werden, wenn alle Pixel D11-D44 zur gleichen Zeit initialisiert werden.

Die Zeitfolge eines Auftretens von Signalen bei jeweiligen Abschnitten wird durch Betreiben der Pixelzeilenauswahlschaltung 1, der Pixelauswahlschal­ tung 2 und der Spannungs-Umschalteschaltung 5 unter der Steuerung/Regelung einer Steuer/Regelschaltung (nicht dargestellt) entschieden.

Ein Initialisieren eines jeden Pixels bei der Zeitfolge, welche für ein Ab­ tasten zum Lesen eines jeden Sensorsignals geeignet ist, kann eine Über- oder Unterladungs-Akkumulationsdauer für ein gesamtes System des Bildsensors vermeiden.

Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Bildsensor zu realisieren, welcher einen breiten dynamischen Bereich seiner logarithmi­ schen Ausgabecharakteristik aufweist, ohne das Nachleuchten der Pixel zu verursachen.

Fig. 11 zeigt einen Bildsensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In diesem Falle sind Abtast-und-Halte-Schaltungen SH1-SH4 an der Aus­ gangsseite von Pixeln in jeweiligen auswählbaren Pixelzeilen vorgesehen.

Wie in Fig. 12 gezeigt ist, wird jedem der Abtast-und-Halte-Schaltungen SH1-SH4 ein Abtast-und-Halte-Signal SHS gegeben, welches nacheinander Sensorsignale für jedes Pixel einer ausgewählten Pixelzeile hält.

Der derart aufgebaute Bildsensor kann Sensorsignale von jeweiligen Pixeln in der ausgewählten Pixelzeile stabil ausgeben.

Ein Bildsensor gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung verwendet eine Mehrzahl von Lichtsensorschaltungen, welche derart an­ geordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixelschaltungen bilden, wobei jede von ihnen in einem fotoelektrischen Umwandlungselement einen Sensor­ strom erzeugt, welcher proportional zur darauf fallenden Lichtmenge ist, und den Strom durch einen Transistor vom MOS-Typ mit einer logarithmi­ schen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umwandelt. Jede Lichtsensorschaltung ist weiter mit einem Mittel versehen zur Veränderung der Drain-Spannung des Transistors für eine spezifizierte Zeit auf einen Wert, welcher niedriger als ein normaler Wert ist, um die Schaltung vor einem Erfassen eines Lichtsignals durch Entfernen einer Ladung zu initialisieren, welche in einer parasitischen Kapa­ zität des fotoelektrischen Umwandlungselements akkumuliert ist, wodurch ein Sensorsignal ohne die Wirkung einer Restladung erhalten wird.

Ein Bildsensor gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist gebildet aus einer Anzahl von Lichtsensorschaltungen, welche derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixelschaltungen bilden, von denen jede in einem fotoelektrischen Umwandlungselement einen Sensorstrom erzeugt, welcher zu der darauf fallenden Lichtmenge propor­ tional ist, und den Strom unter Verwendung eines Transistors vom MOS- Typ mit einer logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umwandelt. Jede Lichtsensor­ schaltung ist weiterhin mit einer Spannungs-Umschalteschaltung versehen, durch welche die Drain-Spannung des Transistors für eine spezifizierte Zeit auf einen Wert geschaltet wird, welcher niedriger als ein normaler Pegel ist, um vor einem Erfassen eines Lichtsignals eine Ladung zu entfernen, welche in einer parasitischen Kapazität des fotoelektrischen Umwandlungselements akkumuliert ist, wodurch selbst bei einer schnellen Änderung des Sensor­ stroms ein Sensorsignal entsprechend der Menge an einfallendem Licht erhalten wird. Dies beseitigt die Möglichkeit eines Auftretens eines Nach­ leuchtens von jedem Pixel, auf welches eine geringe Menge an Licht fällt.

Ein Bildsensor gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist gebildet aus einer Anzahl von Lichtsensorschaltungen, welche derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixeln bilden, einer Pixel­ zeilenauswahlschaltung zur aufeinander folgenden Auswahl von Pixelzeilen sowie einer Pixelauswahlschaltung zur aufeinander folgenden Auswahl von Pixeln in jeder ausgewählten Pixelzeile, wobei Sensorsignale in einer Zeit­ folge von jeweiligen Pixeln abgetastet und gelesen werden können. Dieser Bildsensor ist weiterhin mit Spannungs-Umschalteschaltungen für jede Lichtsensorschaltung (Pixel) versehen, durch welche die Drain-Spannung eines jeden Transistors vom MOS-Typ für eine spezifizierte Zeit auf einen Wert geschaltet wird, welcher niedriger als ein normaler Wert ist, um vor einem Auswählen einer jeden Pixelzeile eine Ladung zu entfernen, die in einer parasitischen Kapazität des fotoelektrischen Umwandlungselements akkumuliert ist. Die Initialisierung eines jeden Pixels kann bei einer Zeitfolge durchgeführt werden, welche für ein Lesen eines jeden Sensorsignals geeignet ist.

Offenbart ist ein Bildsensor, bestehend aus Lichtsensorschaltungen, welche derart angeordnet sind, dass sie ein Feld von Pixeln bilden, von denen jedes in einem fotoelektrischen Umwandlungselement einen Sensorstrom er­ zeugt, der proportional zu der Menge von darauf einfallendem Licht ist, und den Sensorstrom durch einen Transistor vom MOS-Typ mit einer logarithmi­ schen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umwandeln, wobei ein Mittel zum Überwechseln einer Drain-Spannung des Transistors für jede Lichtsensorschaltung für eine spezifizierte Zeit zu einem Wert, welcher niedriger als ein normaler Wert ist, um eine Ladung zu entfernen, welche sich in einer parasitischen Kapazität des fotoelektrischen Umwandlungselements akkumuliert hat, um die Schal­ tung vor einem Erfassen eines Lichtsignals zu initialisieren. Der Bildsensor kann ein Spannungssignal erhalten, welches der Menge an einfallendem Licht entspricht, selbst dann, wenn der Sensorstrom schnell geändert worden ist, wodurch die Möglichkeit eines Auftretens eines Nachleuchtens eines jeden Pixels selbst bei einer geringen Menge an einfallendem Licht beseitigt wird.

Claims (5)

1. Bildsensor, welcher eine Anzahl von Lichtsensorschaltungen um­ fasst, von denen jede ein Einheitspixel repräsentiert und in der Lage ist, in einem fotoelektrischen Umwandlungselement einen zur darauf fallenden Lichtmenge proportionalen Sensorstrom zu erzeugen und den Strom durch einen Transistor vom MOS-Typ mit einer logarith­ mischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umzuwandeln, sowie ein Mittel umfasst, um eine Ladung, welche sich in einer parasitischen Kapazi­ tät des fotoelektrischen Umwandlungselements angesammelt hat, durch Ändern einer Drain-Spannung des Transistors auf einen Wert, welcher niedriger als ein normaler Wert ist, zu entfernen, um jedes Pixel vor einem Erfassen eines Lichtsignals zu initialisieren.

2. Bildsensor, umfassend eine Anzahl von Lichtsensorschaltungen, welche derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixeln bil­ den, wobei jede der Schaltungen in der Lage ist, in einem fotoelek­ trischen Umwandlungselement einen Sensorstrom zu erzeugen, welcher zur darauf fallenden Menge an Licht proportional ist, und den erzeugten Strom unter Verwendung eines Transistors vom MOS- Typ mit einer logarithmischen Ausgabecharakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umzuwan­ deln, und umfassend eine Spannungs-Umschalteschaltung, um für eine spezifizierte Zeit eine Drain-Spannung der Transistoren vom MOS-Typ für alle Pixel auf einen Wert zu ändern, welcher niedriger als ein normaler ist, um vor einem Erfassen eines Lichtsignals von jedem Pixel eine Ladung zu entfernen, welche sich in einer parasiti­ schen Kapazität des fotoelektrischen Elements akkumuliert hat.

3. Bildsensor, umfassend eine Anzahl von Lichtsensorschaltungen, welche derart angeordnet sind, dass sie eine Matrix von Pixeln bil­ den, wobei jede der Schaltungen in der Lage ist, in einem fotoelek­ trischen Umwandlungselement einen Sensorstrom zu erzeugen, welcher der darauf fallenden Menge an Licht proportional ist, und den Strom durch einen Transistor vom MOS-Typ mit einer logarith­ mischen Charakteristik in einem schwachen invertierten Zustand in ein Spannungssignal umzuwandeln, eine Pixelzeilenauswahlschal­ tung, um nacheinander Pixelzeilen auszuwählen, eine Pixelauswahl­ schaltung, um nacheinander Pixel in einer ausgewählten Zeile auszu­ wählen, wobei beide der Auswahlschaltungen miteinander zusam­ menwirken, um nacheinander Sensorsignale von jeweiligen Pixeln in einer Zeitfolge abzutasten und zu lesen, sowie eine Spannungs- Umschalteschaltung, um eine Drain-Spannung der Transistoren vom MOS-Typ für jeweilige Pixel in einer auswählbaren Pixelzeile für eine spezifizierte Zeit auf einen Wert zu ändern, welcher niedriger als ein normaler Wert ist, um vor einem Auswählen jeder der Pixelzeilen eine Ladung zu entfernen, welche sich in einer parasitischen Kapazi­ tät des fotoelektrischen Elements akkumuliert hat.

4. Bildsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, dass jede der Lichtsensorschaltungen gebildet ist aus einem ersten Transistor zur Umwandlung eines in dem fotoelektrischen Umwandlungselement fließenden Sensorstroms in ein Spannungs­ signal unter Verwendung seiner logarithmischen Ausgabecharak­ teristik in einem schwachen invertierten Zustand, einem zweiten Transistor zur Verstärkung des Spannungssignals und einem dritten Transistor zur Ausgabe eines Sensorsignals, welches dem verstärk­ ten Spannungssignal entspricht, zu einem spezifizierten Zeitpunkt.

5. Bildsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtast-und-Halte-Schaltung an einer Ausgabeseite eines jeden Pixels in jeder Pixelzeile vorgesehen ist.