JP2000101927A - 光統合方法からデジタル信号を発生させる画像センサ― - Google Patents
光統合方法からデジタル信号を発生させる画像センサ―Info
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は画像センサーにおける光検出器から
の電荷信号を直接読出し、起こり得る信号ひずみを最小
化させる包括的解決策を提供することである。 【解決手段】 開示された画像センサーは、各光検出器
用の時間測定回路を利用する。基準信号に達する各光検
出器の経過時間が測定され、その後デジタル信号として
読出されるデジタル表現へ変換される。
の電荷信号を直接読出し、起こり得る信号ひずみを最小
化させる包括的解決策を提供することである。 【解決手段】 開示された画像センサーは、各光検出器
用の時間測定回路を利用する。基準信号に達する各光検
出器の経過時間が測定され、その後デジタル信号として
読出されるデジタル表現へ変換される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は画像センサーシステ
ムに関し、特にＡ/ Ｄ変換器を利用しないで光強度信号
をデジタル信号へ直接変換する画像センサーに関する。
ムに関し、特にＡ/ Ｄ変換器を利用しないで光強度信号
をデジタル信号へ直接変換する画像センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】ターゲットを、その後に解析され、印刷
され、頒布され、保管される電子フォーマットへ変換す
る画像システムを必要とする多くの応用がある。一般に
は電子フォーマットはターゲットの画像である。画像シ
ステムの典型例はスキャナであり、ターゲットは本若し
くは記事からの１枚の紙である。スキャナを通して、紙
の電子若しくはデジタル画像が発生する。
され、頒布され、保管される電子フォーマットへ変換す
る画像システムを必要とする多くの応用がある。一般に
は電子フォーマットはターゲットの画像である。画像シ
ステムの典型例はスキャナであり、ターゲットは本若し
くは記事からの１枚の紙である。スキャナを通して、紙
の電子若しくはデジタル画像が発生する。
【０００３】一般には画像システムはターゲットを光学
的な画像へ変換するセンサーモジュールを含む。ターゲ
ットを光学的に画像へ変換するセンサーモジュールにお
いて鍵を握る要素は、画像センサー上に突き当たる光に
応答する光検出器のアレーから成る画像センサーであ
る。各光検出器からは、ターゲットから反射された光の
強度を表わす電子（電荷）信号が発生する。全ての光検
出器からの電子信号は読出され、それからアナログ- デ
ジタル変換器を通してデジタル化され、デジタル信号、
つまりターゲットの画像を発生させる。
的な画像へ変換するセンサーモジュールを含む。ターゲ
ットを光学的に画像へ変換するセンサーモジュールにお
いて鍵を握る要素は、画像センサー上に突き当たる光に
応答する光検出器のアレーから成る画像センサーであ
る。各光検出器からは、ターゲットから反射された光の
強度を表わす電子（電荷）信号が発生する。全ての光検
出器からの電子信号は読出され、それからアナログ- デ
ジタル変換器を通してデジタル化され、デジタル信号、
つまりターゲットの画像を発生させる。
【０００４】画像センサーにおける電子信号はシリアル
に読出され、電子信号は電子信号の質に悪影響を及ぼす
多くの回路を通過することは、本技術分野では周知のこ
とである。例えば、ＣＣＤセンサーにおいて、電子信号
は一方の電荷蓄積から他方の電荷蓄積へシリアルにシフ
トアウト（shift out)される。数十、たぶん数百若しく
は数千の電荷蓄積の進行中に、経路に沿った他の構成部
品の寄生キャパシタンス、インダクタンス及び抵抗によ
り生じる寄生効果のために、電子信号は他の不良に実施
された電荷蓄積若しくは劣化及びひずんだ電荷からノイ
ズを導入する。同様に上記悪影響はＣＭＯＳセンサーに
も存在する。したがって、電子信号の直接読出しを導く
解決策への強い要望がある。
に読出され、電子信号は電子信号の質に悪影響を及ぼす
多くの回路を通過することは、本技術分野では周知のこ
とである。例えば、ＣＣＤセンサーにおいて、電子信号
は一方の電荷蓄積から他方の電荷蓄積へシリアルにシフ
トアウト（shift out)される。数十、たぶん数百若しく
は数千の電荷蓄積の進行中に、経路に沿った他の構成部
品の寄生キャパシタンス、インダクタンス及び抵抗によ
り生じる寄生効果のために、電子信号は他の不良に実施
された電荷蓄積若しくは劣化及びひずんだ電荷からノイ
ズを導入する。同様に上記悪影響はＣＭＯＳセンサーに
も存在する。したがって、電子信号の直接読出しを導く
解決策への強い要望がある。
【０００５】Boyd Fowler とAbbas El Gamalによる米国
特許第5,461,425 号には、ピクセルレベルＡ/ Ｄ変換器
のあるＣＭＯＳ画像センサーが開示されており、光検出
器により発生した電子（アナログ）信号は各光検出器の
出力で接続され、センサー内の各光検出器の中間領域に
形成されたＡ/ Ｄ変換器により、シリアルビットストリ
ームへ変換される。よって、各光検出器（ピクセル要
素）の分離デジタルストリームはセンサーから出力さ
れ、寄生効果及びひずみは最小化される。
特許第5,461,425 号には、ピクセルレベルＡ/ Ｄ変換器
のあるＣＭＯＳ画像センサーが開示されており、光検出
器により発生した電子（アナログ）信号は各光検出器の
出力で接続され、センサー内の各光検出器の中間領域に
形成されたＡ/ Ｄ変換器により、シリアルビットストリ
ームへ変換される。よって、各光検出器（ピクセル要
素）の分離デジタルストリームはセンサーから出力さ
れ、寄生効果及びひずみは最小化される。
【０００６】独立したＡ/ Ｄ変換器を各光検出器に取付
けることは、高価な手法である。画像センサーが高解像
度であれば、例えば９インチ（２２. ８６ｃｍ）幅に対
して３００dpi のリニアアレー若しくは１０００ｘ１０
００のエリアアレーは、リニアアレーにおいて２７００
個のＡ/ Ｄ変換器が必要であり、エリアアレーでは百万
個のＡ/ Ｄアレーが必要である。大容量の８ビット若し
くは１２ビットＡ/ Ｄ変換器の実現は、アレーにおける
かなり大きな面積を占め、高コストなセンサーであるこ
とをもともと意味することになることは、本技術分野に
おいては周知のことである。よって、画像センサーにお
ける全ての光検出器用の個々のＡ/ Ｄ変換器を利用する
ことなしにではあるが、同じ機能を有する画像センサー
が望まれている。
けることは、高価な手法である。画像センサーが高解像
度であれば、例えば９インチ（２２. ８６ｃｍ）幅に対
して３００dpi のリニアアレー若しくは１０００ｘ１０
００のエリアアレーは、リニアアレーにおいて２７００
個のＡ/ Ｄ変換器が必要であり、エリアアレーでは百万
個のＡ/ Ｄアレーが必要である。大容量の８ビット若し
くは１２ビットＡ/ Ｄ変換器の実現は、アレーにおける
かなり大きな面積を占め、高コストなセンサーであるこ
とをもともと意味することになることは、本技術分野に
おいては周知のことである。よって、画像センサーにお
ける全ての光検出器用の個々のＡ/ Ｄ変換器を利用する
ことなしにではあるが、同じ機能を有する画像センサー
が望まれている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述の点に
鑑みてなされたものであり、スキャナー、デジタルカメ
ラ及びコンピュータビジョンシステムに利用される画像
センサーを提供することであり、本発明の重要な目的
は、起こり得る信号ひずみを最小限にするために、画像
センサーにおける光検出器からの電荷信号の直接読出し
用の包括的解決策を提供することである。
鑑みてなされたものであり、スキャナー、デジタルカメ
ラ及びコンピュータビジョンシステムに利用される画像
センサーを提供することであり、本発明の重要な目的
は、起こり得る信号ひずみを最小限にするために、画像
センサーにおける光検出器からの電荷信号の直接読出し
用の包括的解決策を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、夫々が入
射した光に応答し、リセット信号によりまとまってリセ
ットされた後に電荷信号を独立に発生する光検出器のア
レーと、時間マーク信号を受け、時間マーク信号を参照
してカウント数を発するカウンターと、基準信号及びカ
ウンターからのカウント数をまとめて受ける複数の時間
マーク測定モジュールと、夫々が時間マーク測定モジュ
ールの一つに接続され、モジュールからのデジタル表現
を受ける複数のレジスタ回路とから成り、夫々の時間マ
ーク測定モジュールは光検出器の１つに接続され、基準
信号及びカウンターからのカウント数を参照して光検出
器の１つからの電荷信号のデジタル表現を出力し、夫々
の時間マーク測定モジュールからのデジタル表現は順次
シフトアウトされデジタル信号を形成するセンサーにお
いてデジタル信号を発生させるシステムより達成され
る。
射した光に応答し、リセット信号によりまとまってリセ
ットされた後に電荷信号を独立に発生する光検出器のア
レーと、時間マーク信号を受け、時間マーク信号を参照
してカウント数を発するカウンターと、基準信号及びカ
ウンターからのカウント数をまとめて受ける複数の時間
マーク測定モジュールと、夫々が時間マーク測定モジュ
ールの一つに接続され、モジュールからのデジタル表現
を受ける複数のレジスタ回路とから成り、夫々の時間マ
ーク測定モジュールは光検出器の１つに接続され、基準
信号及びカウンターからのカウント数を参照して光検出
器の１つからの電荷信号のデジタル表現を出力し、夫々
の時間マーク測定モジュールからのデジタル表現は順次
シフトアウトされデジタル信号を形成するセンサーにお
いてデジタル信号を発生させるシステムより達成され
る。
【０００９】さらに上記の目的は、電荷信号を発生させ
る入射光子を光検出器において蓄積し、比較回路を利用
してあるレベルを有する基準信号と電荷信号を比較し、
電荷信号が基準信号のレベルに達したときに比較回路に
よりパルス信号を発生させ、基準信号のレベルに達した
電荷信号用のラッチ回路により経過時間が測定され、よ
ってラッチ回路がパルス信号を受けたときに測定結果が
得られ、レジスター回路における測定結果を出力用にダ
ンプさせることから成るセンサーでデジタル信号を発生
させる方法により達成される。
る入射光子を光検出器において蓄積し、比較回路を利用
してあるレベルを有する基準信号と電荷信号を比較し、
電荷信号が基準信号のレベルに達したときに比較回路に
よりパルス信号を発生させ、基準信号のレベルに達した
電荷信号用のラッチ回路により経過時間が測定され、よ
ってラッチ回路がパルス信号を受けたときに測定結果が
得られ、レジスター回路における測定結果を出力用にダ
ンプさせることから成るセンサーでデジタル信号を発生
させる方法により達成される。
【００１０】本発明の第一の態様によれば、画像センサ
ーは、一次元アレー若しくは二次元アレーのいずれかの
フォーマットにおける相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯ
Ｓ）若しくは電荷結合素子（ＣＣＤ）デバイスとして組
立てられる。画像センサーは複数の光検出器から成り、
各光検出器は突き当たる光に応答して、光統合における
電子漏れ電流若しくは電荷信号が生じる。各光検出器
は、電荷信号のデジタル表現を発生させる時間測定モジ
ュールに接続される。それから光検出器からの全ての電
荷信号のデジタル表現は、一連のレジスタ回路からのデ
ジタル信号として順次読出され、各レジスタ回路は一つ
の時間測定モジュールに結合している。
ーは、一次元アレー若しくは二次元アレーのいずれかの
フォーマットにおける相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯ
Ｓ）若しくは電荷結合素子（ＣＣＤ）デバイスとして組
立てられる。画像センサーは複数の光検出器から成り、
各光検出器は突き当たる光に応答して、光統合における
電子漏れ電流若しくは電荷信号が生じる。各光検出器
は、電荷信号のデジタル表現を発生させる時間測定モジ
ュールに接続される。それから光検出器からの全ての電
荷信号のデジタル表現は、一連のレジスタ回路からのデ
ジタル信号として順次読出され、各レジスタ回路は一つ
の時間測定モジュールに結合している。
【００１１】時間測定モジュール及びレジスタ回路はデ
ジタル回路であり、よって、画像センサーのサイズ及び
コストを著しく増加させることなしに、画像センサーに
一緒に組立てられる。本発明を利用する画像センサー
は、デジタルフォーマットにおいてだけでなく、高忠実
度な信号を発生する。先行技術でのシステムと本発明の
相違点の一つは、画像センサーはＡ/ Ｄ変換器を利用し
ないで直接デジタル信号が発生することである。本発明
の恩恵及び利点の一つは、信号の忠実度にある。先行技
術でのシステムでは、電荷信号は数十、たぶん数百若し
くは数千の回路を通過しなければならず、電荷信号にひ
ずみをもたらすさまざまな寄生効果を受ける。本発明を
利用すれば、電荷信号は光検出器の直後にデジタルフォ
ーマットへ変換され、ひずみの可能性を最小限に抑制す
る。
ジタル回路であり、よって、画像センサーのサイズ及び
コストを著しく増加させることなしに、画像センサーに
一緒に組立てられる。本発明を利用する画像センサー
は、デジタルフォーマットにおいてだけでなく、高忠実
度な信号を発生する。先行技術でのシステムと本発明の
相違点の一つは、画像センサーはＡ/ Ｄ変換器を利用し
ないで直接デジタル信号が発生することである。本発明
の恩恵及び利点の一つは、信号の忠実度にある。先行技
術でのシステムでは、電荷信号は数十、たぶん数百若し
くは数千の回路を通過しなければならず、電荷信号にひ
ずみをもたらすさまざまな寄生効果を受ける。本発明を
利用すれば、電荷信号は光検出器の直後にデジタルフォ
ーマットへ変換され、ひずみの可能性を最小限に抑制す
る。
【００１２】前述した事と共に他の目的は、以下説明及
び添付図面に例示された実施例からもたらされる結果に
より、本発明の課題において達成される。本発明の上記
及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付し
た特許請求項及び添付図面を参照してより理解される。
び添付図面に例示された実施例からもたらされる結果に
より、本発明の課題において達成される。本発明の上記
及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付し
た特許請求項及び添付図面を参照してより理解される。
【００１３】
【発明の実施の形態】図面を参照するにあたり、図面に
おいて同じ参照番号は同じものを指す。図１は画像シス
テム１００の体系的線図を示し、本発明に応用する。応
用にもよるが、画像システム１００は、これに限定され
たないが、ターゲット１１０を画像１２０へ光学的に変
換させるスキャナー、デジタルカメラ、若しくは画像捕
捉システムを含む。
おいて同じ参照番号は同じものを指す。図１は画像シス
テム１００の体系的線図を示し、本発明に応用する。応
用にもよるが、画像システム１００は、これに限定され
たないが、ターゲット１１０を画像１２０へ光学的に変
換させるスキャナー、デジタルカメラ、若しくは画像捕
捉システムを含む。
【００１４】画像システム１００がスキャナーであると
きには、一般にはターゲット１１０は１枚の紙である走
査対象物である。画像システム１００がデジタルカメラ
であるときには、ターゲット１１０は風景若しくは対象
物の集まりのような多くの考えられる有体物である。画
像システム１００が機械観察システムに利用される画像
捕捉システムであるときには、ターゲット１１０は検査
されるべき部品である。にもかかわらず、画像システム
１００からの結果はいつも同じである、つまりターゲッ
ト１１０のデジタル強度（白黒）画像１２０若しくはカ
ラー画像１２０である。
きには、一般にはターゲット１１０は１枚の紙である走
査対象物である。画像システム１００がデジタルカメラ
であるときには、ターゲット１１０は風景若しくは対象
物の集まりのような多くの考えられる有体物である。画
像システム１００が機械観察システムに利用される画像
捕捉システムであるときには、ターゲット１１０は検査
されるべき部品である。にもかかわらず、画像システム
１００からの結果はいつも同じである、つまりターゲッ
ト１１０のデジタル強度（白黒）画像１２０若しくはカ
ラー画像１２０である。
【００１５】典型的には、画像１２０はピクセルの配列
であり、各ピクセルは、８ビットフォーマットで表現さ
れるのなら０から２５５の間の値を有し、他のビットフ
ォーマット（１０ビット、１２ビット、１４ビット、１
６ビット）で表現されるのなら、さまざまな最大値を有
する。具体的に８ビットにおいて、ピクセルの集合体が
２５５の値を有していれば、集合体に相当するターゲッ
ト１１０のスポットは全て白である。逆に、ピクセルの
集合体は０の値を有していれば、集合体に相当するター
ゲット１１０のスポットは全て黒である。理解できるほ
どに、０と２５５の間の値を有するピクセルは、ターゲ
ット１１０における光反射率変動を表わす。画像システ
ム１００が色の再現が可能ならば、典型的には画像１２
０は三つの個々のグレースケール画像から成り、一般に
は夫々赤、緑及び青の強度画像を表す。換言すれば、タ
ーゲット１１０における各ドットは、画像システム１０
０により発生したカラー画像において[ ２３、４５、１
２９] のような三つの強度値ベクトルにより表わされ
る。
であり、各ピクセルは、８ビットフォーマットで表現さ
れるのなら０から２５５の間の値を有し、他のビットフ
ォーマット（１０ビット、１２ビット、１４ビット、１
６ビット）で表現されるのなら、さまざまな最大値を有
する。具体的に８ビットにおいて、ピクセルの集合体が
２５５の値を有していれば、集合体に相当するターゲッ
ト１１０のスポットは全て白である。逆に、ピクセルの
集合体は０の値を有していれば、集合体に相当するター
ゲット１１０のスポットは全て黒である。理解できるほ
どに、０と２５５の間の値を有するピクセルは、ターゲ
ット１１０における光反射率変動を表わす。画像システ
ム１００が色の再現が可能ならば、典型的には画像１２
０は三つの個々のグレースケール画像から成り、一般に
は夫々赤、緑及び青の強度画像を表す。換言すれば、タ
ーゲット１１０における各ドットは、画像システム１０
０により発生したカラー画像において[ ２３、４５、１
２９] のような三つの強度値ベクトルにより表わされ
る。
【００１６】実際の応用に関係なく、画像システム１０
０は少なくとも画像センサー１３０及び光学システム１
３２から成ることが、一般には理解されている。光学シ
ステム１３２はターゲット１１０からの画像光を集め、
画像光を画像センサー１３０上に集束させ、ターゲット
１１０の画像を画像センサー１３０上に印影させる。本
願で利用されるように、画像若しくは入射光は、前から
の光源により照射された（不透明）ターゲット１１０か
らの反射光、若しくは後の光源により照射された（透
明）ターゲット１１０からの透過光のいずれかを意味す
る。典型的には、複数の光検出器から成る画像センサー
１３０は、相補的金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）若しく
は電荷結合素子（ＣＣＤ）デバイスとして組立てられ、
リニアセンサーと呼ばれる一次元アレー、又はエリアセ
ンサーと呼ばれる二次元アレーとして配置される。光検
出器は光に対して高感度であり、各光検出器は画像光の
強度に関して比例した電荷信号を発生する。さらに本願
で利用されるように、電荷信号は入射光による光検出器
から発生した信号を意味する。より具体的には、電荷信
号はＣＭＯＳにおける放電信号、若しくはＣＣＤにおい
てモデル化された光検出器の電荷を帯びた信号（電子）
を意味する。
０は少なくとも画像センサー１３０及び光学システム１
３２から成ることが、一般には理解されている。光学シ
ステム１３２はターゲット１１０からの画像光を集め、
画像光を画像センサー１３０上に集束させ、ターゲット
１１０の画像を画像センサー１３０上に印影させる。本
願で利用されるように、画像若しくは入射光は、前から
の光源により照射された（不透明）ターゲット１１０か
らの反射光、若しくは後の光源により照射された（透
明）ターゲット１１０からの透過光のいずれかを意味す
る。典型的には、複数の光検出器から成る画像センサー
１３０は、相補的金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）若しく
は電荷結合素子（ＣＣＤ）デバイスとして組立てられ、
リニアセンサーと呼ばれる一次元アレー、又はエリアセ
ンサーと呼ばれる二次元アレーとして配置される。光検
出器は光に対して高感度であり、各光検出器は画像光の
強度に関して比例した電荷信号を発生する。さらに本願
で利用されるように、電荷信号は入射光による光検出器
から発生した信号を意味する。より具体的には、電荷信
号はＣＭＯＳにおける放電信号、若しくはＣＣＤにおい
てモデル化された光検出器の電荷を帯びた信号（電子）
を意味する。
【００１７】画像センサー１３０の操作はしばしば二つ
の工程から成り、第一の工程は光統合工程であり、第二
の工程は読出し工程である。光統合工程において、各光
検出器は画像光の入射光子を蓄積し、蓄積は電荷信号と
して反映される。光統合工程の後、光検出器は更なる光
子を取込まないようにマスクされる。その間に、光検出
器は読出し工程を開始し、各光検出器中の電荷信号は読
出し回路を経由して、電子信号として、個々に及びシリ
アルにデータバス若しくはビデオバスへ読出される。
の工程から成り、第一の工程は光統合工程であり、第二
の工程は読出し工程である。光統合工程において、各光
検出器は画像光の入射光子を蓄積し、蓄積は電荷信号と
して反映される。光統合工程の後、光検出器は更なる光
子を取込まないようにマスクされる。その間に、光検出
器は読出し工程を開始し、各光検出器中の電荷信号は読
出し回路を経由して、電子信号として、個々に及びシリ
アルにデータバス若しくはビデオバスへ読出される。
【００１８】データバスと結合して、全ての光検出器か
らの電子信号を、適当なデジタル信号へデジタル化し、
その後メモリ１５０に保存されるアナログ- デジタル
（Ａ/Ｄ）変換器がある。最終的に適当なデジタル画像
若しくは信号を出力するためのデジタル信号を調整し、
補正し、前処理し及び圧縮する画像システム１００の利
用に依存して、典型的には、画像システム１００は更
に、デジタル信号処理回路１６０を有する。
らの電子信号を、適当なデジタル信号へデジタル化し、
その後メモリ１５０に保存されるアナログ- デジタル
（Ａ/Ｄ）変換器がある。最終的に適当なデジタル画像
若しくは信号を出力するためのデジタル信号を調整し、
補正し、前処理し及び圧縮する画像システム１００の利
用に依存して、典型的には、画像システム１００は更
に、デジタル信号処理回路１６０を有する。
【００１９】上述したように、各光検出器にある電荷信
号は、読出し回路を経由して電子信号がデジタル化され
るデータバス若しくはビデオバスへ、電子若しくはピク
セル信号として個々にシリアルに読出される。具体的に
は、ＣＣＤタイプにおいて、光検出器で発生した電荷信
号は、対応する電荷蓄積（キャパシタ）に夫々保存さ
れ、一方の電荷蓄積から他方の電荷蓄積へシリアルにシ
フトアウトするのに対して、ＣＭＯＳタイプにおいて
は、各キャパシタに保存された電荷信号は読出しスイッ
チのアレーを通してビデオバスへ同時に読出されるが、
ビデオバスからシリアルにシフトアウトされる。リニア
アレーが数千の光検出器（キャパシタ）を有していれ
ば、このことは幾つかの電荷信号は数千のキャパシタを
移動して、最終的に読出されなければならないことを意
味している。前述したように、経路に沿って悪影響を受
けるので、最終の電子信号は移動中にひどくひずむ。
号は、読出し回路を経由して電子信号がデジタル化され
るデータバス若しくはビデオバスへ、電子若しくはピク
セル信号として個々にシリアルに読出される。具体的に
は、ＣＣＤタイプにおいて、光検出器で発生した電荷信
号は、対応する電荷蓄積（キャパシタ）に夫々保存さ
れ、一方の電荷蓄積から他方の電荷蓄積へシリアルにシ
フトアウトするのに対して、ＣＭＯＳタイプにおいて
は、各キャパシタに保存された電荷信号は読出しスイッ
チのアレーを通してビデオバスへ同時に読出されるが、
ビデオバスからシリアルにシフトアウトされる。リニア
アレーが数千の光検出器（キャパシタ）を有していれ
ば、このことは幾つかの電荷信号は数千のキャパシタを
移動して、最終的に読出されなければならないことを意
味している。前述したように、経路に沿って悪影響を受
けるので、最終の電子信号は移動中にひどくひずむ。
【００２０】図２は本発明を利用した画像システム２０
０の概略を示す。光検出器２０４に加えて、画像システ
ム２００における画像センサー２０２は、全ての光検出
器に対して経過時間測定を行うシステム２０６を有す
る。測定システムから、電子信号のデジタル表現が得ら
れ、レジスタ回路２０８へダンプされる。最終のデジタ
ル信号若しくは画像は、レジスタ回路２０８からのデジ
タル表現をシリアルに又は部分的にパラレルに読出すこ
とにより得られる。
０の概略を示す。光検出器２０４に加えて、画像システ
ム２００における画像センサー２０２は、全ての光検出
器に対して経過時間測定を行うシステム２０６を有す
る。測定システムから、電子信号のデジタル表現が得ら
れ、レジスタ回路２０８へダンプされる。最終のデジタ
ル信号若しくは画像は、レジスタ回路２０８からのデジ
タル表現をシリアルに又は部分的にパラレルに読出すこ
とにより得られる。
【００２１】先行技術のシステムと本発明のシステムと
の相違点の一つは、画像センサー２０２又は画像システ
ム２００には従来のＡ/ Ｄ変換器がないことである。画
像センサー２０２からの出力信号はデジタルフォーマッ
トである。画像センサーのサイズは大容量のＡ/ Ｄ変換
器を利用せずに、通常のサイズのままであることは理解
される。先行技術のシステムと本発明のシステムとの相
違点の別の一つには、全システム性能を向上させるため
の部分的にパラレルに出力する可能性にある。さらに、
光検出器で発生した電荷信号をデジタル信号へ変換させ
るための光検出器の光統合から測定された時間を利用す
る概念は、Ａ/ Ｄ変換器を通してアナログ信号をサンプ
リングする概念から、基本的には異なっている。
の相違点の一つは、画像センサー２０２又は画像システ
ム２００には従来のＡ/ Ｄ変換器がないことである。画
像センサー２０２からの出力信号はデジタルフォーマッ
トである。画像センサーのサイズは大容量のＡ/ Ｄ変換
器を利用せずに、通常のサイズのままであることは理解
される。先行技術のシステムと本発明のシステムとの相
違点の別の一つには、全システム性能を向上させるため
の部分的にパラレルに出力する可能性にある。さらに、
光検出器で発生した電荷信号をデジタル信号へ変換させ
るための光検出器の光統合から測定された時間を利用す
る概念は、Ａ/ Ｄ変換器を通してアナログ信号をサンプ
リングする概念から、基本的には異なっている。
【００２２】本発明の詳細な説明を容易にするために、
図３は図２の画像センサー２０２の一実施例を示し、図
２と共に理解される。図２のセンサーアレー２０４はｎ
個の光検出器３０２- １、３０２- ２、３０３- ３...
３０２- ｎから成る。各光検出器３０２はリセットコネ
クタ３０４にまとめて接続されている。適当なリセット
信号がリセットコネクタ３０４に加えられた際に、光検
出器３０２は全てクリアにされ、光統合工程を開始す
る、つまり画像光３０６からの光子を蓄積する。ＣＯＭ
Ｓセンサーにおいて、光検出器は、図４に示すように抵
抗器３５２及びキャパシタ３５４として単純にモデル化
されたフォトダイオードとしてみなされる。リセット信
号が“リセット”３５６に加えられたら、キャパシタ３
５４はトランジスタ３５８を通してＶccにより十分に充
電され、このことは、光検出器３５０は光統合の準備が
できていることを意味する。（キャパシタ３５４への電
荷はＶccにより停止される）画像光３０６からのより多
くの入射光が光検出器３５０に集まるにつれて、抵抗器
３５２の抵抗は減少する。キャパシタ３５４は抵抗器３
５２を通して放電を開始する。典型的には、光子強度が
強くなればなるほど、光子が光検出器に集まり、よって
抵抗器３５２の抵抗はより減少し、結果として放電信号
Ｖout がより速く生じる。換言すれば、Ｖout からの信
号は光検出器に集まった光子の比例し、本願では代わり
に電荷信号と呼ぶことにする。
図３は図２の画像センサー２０２の一実施例を示し、図
２と共に理解される。図２のセンサーアレー２０４はｎ
個の光検出器３０２- １、３０２- ２、３０３- ３...
３０２- ｎから成る。各光検出器３０２はリセットコネ
クタ３０４にまとめて接続されている。適当なリセット
信号がリセットコネクタ３０４に加えられた際に、光検
出器３０２は全てクリアにされ、光統合工程を開始す
る、つまり画像光３０６からの光子を蓄積する。ＣＯＭ
Ｓセンサーにおいて、光検出器は、図４に示すように抵
抗器３５２及びキャパシタ３５４として単純にモデル化
されたフォトダイオードとしてみなされる。リセット信
号が“リセット”３５６に加えられたら、キャパシタ３
５４はトランジスタ３５８を通してＶccにより十分に充
電され、このことは、光検出器３５０は光統合の準備が
できていることを意味する。（キャパシタ３５４への電
荷はＶccにより停止される）画像光３０６からのより多
くの入射光が光検出器３５０に集まるにつれて、抵抗器
３５２の抵抗は減少する。キャパシタ３５４は抵抗器３
５２を通して放電を開始する。典型的には、光子強度が
強くなればなるほど、光子が光検出器に集まり、よって
抵抗器３５２の抵抗はより減少し、結果として放電信号
Ｖout がより速く生じる。換言すれば、Ｖout からの信
号は光検出器に集まった光子の比例し、本願では代わり
に電荷信号と呼ぶことにする。
【００２３】図３における各光検出器３０２- １、３０
２- ２、３０２- ３... ３０２- ｎは、図４で説明した
フォトダイオードとしてみなされる。基準コネクタ３０
８は全ての光検出器の“リセット”にまとめて接続さ
れ、光統合用の全ての光検出器に準備をさせるリセット
信号が加えられる。光検出器の各出力は、光検出器の出
力が基準信号の大きさに達した際に信号を発する３１２
- １、３１２- ２、３１２- ３... ３１２- ｎの一つで
ある夫々のゲート回路を通して基準信号と比較される。
具体的には、例えばゲート回路は二つの信号を受け、一
つは一定電圧１００ｍＶを有する基準信号であり、他方
は電荷信号である。電荷信号が１００ｍＶに達したとき
のみ、ゲート回路は信号を出力する。
２- ２、３０２- ３... ３０２- ｎは、図４で説明した
フォトダイオードとしてみなされる。基準コネクタ３０
８は全ての光検出器の“リセット”にまとめて接続さ
れ、光統合用の全ての光検出器に準備をさせるリセット
信号が加えられる。光検出器の各出力は、光検出器の出
力が基準信号の大きさに達した際に信号を発する３１２
- １、３１２- ２、３１２- ３... ３１２- ｎの一つで
ある夫々のゲート回路を通して基準信号と比較される。
具体的には、例えばゲート回路は二つの信号を受け、一
つは一定電圧１００ｍＶを有する基準信号であり、他方
は電荷信号である。電荷信号が１００ｍＶに達したとき
のみ、ゲート回路は信号を出力する。
【００２４】基準信号はレベルＲを有していると仮定す
ると、対応する光検出器がレベルＲに達するにの十分な
光子を蓄積した際に、各ゲート回路３１２は夫々信号を
出力する。画像光３０６は画像ターゲットを記述する光
学情報から成り、だから光子強度は画像ターゲットによ
り分布されることは理解される。典型的には、反射光が
明るくなればなるほど、光子濃度は高くなる。画像光３
０６からの入射光３０２の蓄積速度、つまり統合時間は
光子強度に大きく依存する。画像ターゲットは均一のカ
ラーを有していないならば、全てのゲート回路３１２は
画像ターゲットからの反射光に比例して、いろいろな時
間に夫々の応答信号を発する。
ると、対応する光検出器がレベルＲに達するにの十分な
光子を蓄積した際に、各ゲート回路３１２は夫々信号を
出力する。画像光３０６は画像ターゲットを記述する光
学情報から成り、だから光子強度は画像ターゲットによ
り分布されることは理解される。典型的には、反射光が
明るくなればなるほど、光子濃度は高くなる。画像光３
０６からの入射光３０２の蓄積速度、つまり統合時間は
光子強度に大きく依存する。画像ターゲットは均一のカ
ラーを有していないならば、全てのゲート回路３１２は
画像ターゲットからの反射光に比例して、いろいろな時
間に夫々の応答信号を発する。
【００２５】ラッチ回路３１４- １、３１４- ２、３１
４- ３、... ３１４- ｎは、時間マーク値、つまり光検
出器における電荷信号のデジタル表現を夫々出力する。
具体的には、一旦全ての光検出器の光統合が開始する
と、時間マーク信号３２０における時間マークをカウン
トするカウンター３１１からのマーク時間信号コネクタ
３１０へ、時間マーク信号３２０が加えられる。対応す
るゲート回路が信号を出力する際に、各ラッチ回路３１
４はカウント数若しくは時間測定結果を夫々独立にラッ
チする。換言すれば、対応する光検出器が基準レベルに
達するのに十分な光子を蓄積した際に、一つのラッチ回
路はカウント数をラッチイン(latch in)する。当業者に
は回路３１２の実施が理解できる。一つの実施は多くの
ラッチをただ利用することであり、各ラッチは、デジタ
ル表現の精度に依存した１ビット信号を出力する。例え
ば、８ビットの精度では、各ラッチ回路は８つのラッチ
のみが必要であり、各ラッチには二進数の１ビットが必
要である。しかしながら、カウンター３１１は時間マー
ク信号における時間マークのカウントを継続し、光統合
の終わりにリセットされることを指摘しておく。
４- ３、... ３１４- ｎは、時間マーク値、つまり光検
出器における電荷信号のデジタル表現を夫々出力する。
具体的には、一旦全ての光検出器の光統合が開始する
と、時間マーク信号３２０における時間マークをカウン
トするカウンター３１１からのマーク時間信号コネクタ
３１０へ、時間マーク信号３２０が加えられる。対応す
るゲート回路が信号を出力する際に、各ラッチ回路３１
４はカウント数若しくは時間測定結果を夫々独立にラッ
チする。換言すれば、対応する光検出器が基準レベルに
達するのに十分な光子を蓄積した際に、一つのラッチ回
路はカウント数をラッチイン(latch in)する。当業者に
は回路３１２の実施が理解できる。一つの実施は多くの
ラッチをただ利用することであり、各ラッチは、デジタ
ル表現の精度に依存した１ビット信号を出力する。例え
ば、８ビットの精度では、各ラッチ回路は８つのラッチ
のみが必要であり、各ラッチには二進数の１ビットが必
要である。しかしながら、カウンター３１１は時間マー
ク信号における時間マークのカウントを継続し、光統合
の終わりにリセットされることを指摘しておく。
【００２６】本発明の更なる理解を容易にするために、
図１１は、二つの典型的なＣＭＯＳに基づく光検出器の
経過時間測定を示す。二つの光検出器はＶmax へ十分に
充電されたリセット信号によりリセットされ、ここでＶ
max は典型的には画像センサーへ印加された電圧であ
る。それから二つの光検出器は４０２で光子の蓄積を開
始する。両光検出器４０４及び４０６は光子を蓄積する
が、光検出器４０４は光検出器４０６よりは高強度の入
射光子を受け、したがって基準レベル４０８へ放電する
ための時間が少なくて済む。（点線で示す）一組の時間
測定４１０及び４１２は、夫々独立に光子の蓄積の時間
４１８及び４２０経過、つまり基準レベルに達した光検
出器４０４及び４０６により放電を測定する。光子強度
差のために、光検出器４０４は４１４で基準レベル４０
８に達するのに対し、光検出器４０４は４１６で基準レ
ベル４０８に達する。
図１１は、二つの典型的なＣＭＯＳに基づく光検出器の
経過時間測定を示す。二つの光検出器はＶmax へ十分に
充電されたリセット信号によりリセットされ、ここでＶ
max は典型的には画像センサーへ印加された電圧であ
る。それから二つの光検出器は４０２で光子の蓄積を開
始する。両光検出器４０４及び４０６は光子を蓄積する
が、光検出器４０４は光検出器４０６よりは高強度の入
射光子を受け、したがって基準レベル４０８へ放電する
ための時間が少なくて済む。（点線で示す）一組の時間
測定４１０及び４１２は、夫々独立に光子の蓄積の時間
４１８及び４２０経過、つまり基準レベルに達した光検
出器４０４及び４０６により放電を測定する。光子強度
差のために、光検出器４０４は４１４で基準レベル４０
８に達するのに対し、光検出器４０４は４１６で基準レ
ベル４０８に達する。
【００２７】図１２は、図３の時間マークコネクタ３１
０へ加えられた時間マーク信号４５０を示す。典型的に
は、時間マーク信号４５０はデジタル信号の必要な精度
で標準的に調整された周波数を有する一連のパルスであ
る。例えば、結果生じたデジタル信号は８ビットフォー
マットで表わされ、光子を基準信号のレベルへ蓄積させ
る光検出器の時間は０. １ミリ秒（ｍｓ）であると考え
られる。その後時間マーク信号４５０の周波数は少なく
とも以下のように決定される。
０へ加えられた時間マーク信号４５０を示す。典型的に
は、時間マーク信号４５０はデジタル信号の必要な精度
で標準的に調整された周波数を有する一連のパルスであ
る。例えば、結果生じたデジタル信号は８ビットフォー
マットで表わされ、光子を基準信号のレベルへ蓄積させ
る光検出器の時間は０. １ミリ秒（ｍｓ）であると考え
られる。その後時間マーク信号４５０の周波数は少なく
とも以下のように決定される。
【００２８】
【数１】
【００２９】これは２. ５５ＭＨｚに等しい。図１２で
説明したように、光検出器４０４は基準レベルに達する
までに短い時間で済むのに対して、光検出器４０６は基
準レベルに達するまでに長い時間がかかる。時間経過中
に、時間マーク信号４５０におけるパルスは時間フレー
ム４１８及び４２０内で夫々カウントされ、よって二つ
の夫々の値ＣH 及びＣL が存在することになる。例え
ば、ＣH は５つのパルスを測定したのに対し、ＣL は１
４のパルスを測定する。ＣH 若しくはＣL の値を光検出
器において、電荷信号のデジタル表現へマップさせるた
めに精度関数が必要であり、デジタル表現の必要な精度
により制御される。
説明したように、光検出器４０４は基準レベルに達する
までに短い時間で済むのに対して、光検出器４０６は基
準レベルに達するまでに長い時間がかかる。時間経過中
に、時間マーク信号４５０におけるパルスは時間フレー
ム４１８及び４２０内で夫々カウントされ、よって二つ
の夫々の値ＣH 及びＣL が存在することになる。例え
ば、ＣH は５つのパルスを測定したのに対し、ＣL は１
４のパルスを測定する。ＣH 若しくはＣL の値を光検出
器において、電荷信号のデジタル表現へマップさせるた
めに精度関数が必要であり、デジタル表現の必要な精度
により制御される。
【００３０】本発明の一実施例によれば、精度関数はカ
ウントダウン法である。図１３はカウントダウン法の概
念を説明する。各光検出器における各ピクセル信号のデ
ジタル表現はリセットされ十分に白色であり、例えば２
５５、つまり８ビット精度では１１１１１１１１であ
る。一つの光検出器に光子が蓄積されるにつれ、光子の
蓄積により光検出器が基準レベルに達するのを引き起こ
すまで、ピクセル信号の値は直線的にカウントダウンさ
れる。図に示すように、光検出器は光子が蓄積されるに
つれて放電され、基準レベル４２２に達したときに、光
検出器のラッチ回路は、値２１７、つまり１１０１１０
００１を出力する。基準レベルと交差する光検出器の経
過時間は０. ８ｍｓである。上記例においてＣH ＝５及
びＣL ＝４の場合は、夫々のラッチのデジタル出力は、
１０進法で夫々２５０及び２４１である。
ウントダウン法である。図１３はカウントダウン法の概
念を説明する。各光検出器における各ピクセル信号のデ
ジタル表現はリセットされ十分に白色であり、例えば２
５５、つまり８ビット精度では１１１１１１１１であ
る。一つの光検出器に光子が蓄積されるにつれ、光子の
蓄積により光検出器が基準レベルに達するのを引き起こ
すまで、ピクセル信号の値は直線的にカウントダウンさ
れる。図に示すように、光検出器は光子が蓄積されるに
つれて放電され、基準レベル４２２に達したときに、光
検出器のラッチ回路は、値２１７、つまり１１０１１０
００１を出力する。基準レベルと交差する光検出器の経
過時間は０. ８ｍｓである。上記例においてＣH ＝５及
びＣL ＝４の場合は、夫々のラッチのデジタル出力は、
１０進法で夫々２５０及び２４１である。
【００３１】図１３における基準レベル４２２は直線的
に増大していることを指摘しておくべきである。一実施
例によれば、直線的に増大する基準レベルは状況に応じ
て順応し、入射光が非常に弱いので、光検出器を放電４
２６させる期限時間４２４内に一定の基準レベルに達せ
ず、最終のデジタル出力においてデータを失ってしま
う。時間の経過と共に直線的に増大する基準により、放
電４２６は行われて基準に達し、一般的には低いピクセ
ル値を表わす出力を発生させる。当業者には、特定の応
用によるラッチの出力を調整するのに利用可能である他
の方法があることは理解される。例えば、基準信号は図
１４に示す一つの例４２８のように区分的に直線である
ように調整され、基準信号は最大統合時間を補正するよ
うに、若しくは画像センサーにおける感度補正を行うよ
うにプログラムされる。必要とされる一つの共通の補正
は、画像センサーと人間感知システムとの間の感度差に
起因するガンマ補正である。画像センサーにおける補正
を実施するために、基準信号を利用することは、補正が
ソフトウエアアプリケーション若しくは特別に設計され
た回路を通して、主に実行される先行技術でのシステム
とは基本的に異なる。
に増大していることを指摘しておくべきである。一実施
例によれば、直線的に増大する基準レベルは状況に応じ
て順応し、入射光が非常に弱いので、光検出器を放電４
２６させる期限時間４２４内に一定の基準レベルに達せ
ず、最終のデジタル出力においてデータを失ってしま
う。時間の経過と共に直線的に増大する基準により、放
電４２６は行われて基準に達し、一般的には低いピクセ
ル値を表わす出力を発生させる。当業者には、特定の応
用によるラッチの出力を調整するのに利用可能である他
の方法があることは理解される。例えば、基準信号は図
１４に示す一つの例４２８のように区分的に直線である
ように調整され、基準信号は最大統合時間を補正するよ
うに、若しくは画像センサーにおける感度補正を行うよ
うにプログラムされる。必要とされる一つの共通の補正
は、画像センサーと人間感知システムとの間の感度差に
起因するガンマ補正である。画像センサーにおける補正
を実施するために、基準信号を利用することは、補正が
ソフトウエアアプリケーション若しくは特別に設計され
た回路を通して、主に実行される先行技術でのシステム
とは基本的に異なる。
【００３２】図１５は、ルック- アップ- テーブルとし
て実施される精度関数の別の実施例を示す。カラム４３
０でのエントリは時間マーク信号における時間マークの
全ての可能なカウンターを含み, 出力カラム４４０は特
定の要望に合わせて調整可能な夫々のデジタル表現を含
む。カラム４３０若しくは４４０におけるエントリは直
線的である必要はないことを指摘しておく。まとめる
と、画像センサーの感度は、多様な方法で実施される精
度関数を利用して相対的に調整可能である。
て実施される精度関数の別の実施例を示す。カラム４３
０でのエントリは時間マーク信号における時間マークの
全ての可能なカウンターを含み, 出力カラム４４０は特
定の要望に合わせて調整可能な夫々のデジタル表現を含
む。カラム４３０若しくは４４０におけるエントリは直
線的である必要はないことを指摘しておく。まとめる
と、画像センサーの感度は、多様な方法で実施される精
度関数を利用して相対的に調整可能である。
【００３３】補正回路の説明を完全なものにするため
に、図５は、精度回路が実現される補正回路３７２の典
型的実施を示す。カウンター３１１からのカウンタ数字
又は図３の時間マーク信号３２０である入力信号３７０
は、所望により入力信号３７０を変化させる精度関数を
利用する補正回路３７２を通過する。入力信号３７０
が、典型的には均等に離れた時間マークを有する時間マ
ーク信号３２０であるときに、より具体的である。補正
回路３７２後、時間マーク信号３２０における時間マー
クは、カウント数は直線的に変化せずに、結果として非
直線的時間測定になるように変化する。入力信号３７０
がカウント数ならば、図１５のルック- アップ- テーブ
ルを実施する補正回路３７２を通して、修正されたカウ
ント数が発生する。補正回路３７２の実際の実施は、当
業者には明らかである。典型的にはデジタル信号であ
り、選択的には入力信号３７０に沿った調整信号３７４
は、デジタルアナログ（Ｄ/ Ａ）変換器を通して、基準
信号を制御するのに利用される。
に、図５は、精度回路が実現される補正回路３７２の典
型的実施を示す。カウンター３１１からのカウンタ数字
又は図３の時間マーク信号３２０である入力信号３７０
は、所望により入力信号３７０を変化させる精度関数を
利用する補正回路３７２を通過する。入力信号３７０
が、典型的には均等に離れた時間マークを有する時間マ
ーク信号３２０であるときに、より具体的である。補正
回路３７２後、時間マーク信号３２０における時間マー
クは、カウント数は直線的に変化せずに、結果として非
直線的時間測定になるように変化する。入力信号３７０
がカウント数ならば、図１５のルック- アップ- テーブ
ルを実施する補正回路３７２を通して、修正されたカウ
ント数が発生する。補正回路３７２の実際の実施は、当
業者には明らかである。典型的にはデジタル信号であ
り、選択的には入力信号３７０に沿った調整信号３７４
は、デジタルアナログ（Ｄ/ Ａ）変換器を通して、基準
信号を制御するのに利用される。
【００３４】図３を参照するに、各ラッチ回路３１４は
電荷信号のデジタル表現を発生させる。典型的には、上
記デジタル表現は読出し工程用の複数のレジスタ回路３
１６へ同時にダンプされる。各レジスタ回路３１６は一
つのラッチ回路３１４に接続され、夫々のデジタル表現
を受ける。それから、レジスタ回路３１６におけるデジ
タル表現は読出され、反射光若しくは画像ターゲットの
デジタル画像を発生させる。
電荷信号のデジタル表現を発生させる。典型的には、上
記デジタル表現は読出し工程用の複数のレジスタ回路３
１６へ同時にダンプされる。各レジスタ回路３１６は一
つのラッチ回路３１４に接続され、夫々のデジタル表現
を受ける。それから、レジスタ回路３１６におけるデジ
タル表現は読出され、反射光若しくは画像ターゲットの
デジタル画像を発生させる。
【００３５】レジスタ回路３１６における信号はデジタ
ルフォーマットであり、したがってレジスタ回路３１６
のデジタル表現を読出すための多くの方法があることを
指摘しておく。一つの共通方法は、レジスタ回路３１６
からデジタル表現をシリアルにシフトさせ、反射光のデ
ジタル画像を生じさせることである。別の方法は、各グ
ループ内でレジスタ回路３１６を幾つかのグループへセ
グメント化し、デジタル表現はシリアルにシフトアウト
させるのに対して、グループの出力はパラレルに読出さ
れる。シリアル及びパラレル読出しの上記組合せは、全
システム性能を非常に改善させる。
ルフォーマットであり、したがってレジスタ回路３１６
のデジタル表現を読出すための多くの方法があることを
指摘しておく。一つの共通方法は、レジスタ回路３１６
からデジタル表現をシリアルにシフトさせ、反射光のデ
ジタル画像を生じさせることである。別の方法は、各グ
ループ内でレジスタ回路３１６を幾つかのグループへセ
グメント化し、デジタル表現はシリアルにシフトアウト
させるのに対して、グループの出力はパラレルに読出さ
れる。シリアル及びパラレル読出しの上記組合せは、全
システム性能を非常に改善させる。
【００３６】図６は、本発明の一実施例によるレジスタ
回路の実施を示す。図２のデータレジスタ２１０に相当
するレジスタグループ３６０は、ラッチ回路３１４から
のデジタル表現を保存するのに利用され、各レジスタグ
ループ３６０は最終のデジタル信号の精度に依存するｎ
個のデータレジスタから成る。例えば、最終のデジタル
信号が８ビット精度であり、８つのレジスタは各レジス
タグループ３６０であり、それから夫々は一つのシフト
レジスタグループ３６２の一つのシフトレジスタに相当
する。その後各データレジスタにおけるデータは、図２
のシフトレジスタ２１２に相当するシフトレジスタ３６
２へダンプされる。シフトレジスタ３６２におけるデジ
タル表現は、パラレルにシリアルに読出される、つまり
一つの完全なピクセル信号を一度に読出すことが可能で
ある。１ピクセル信号においてｍビットあれば、当業者
には、デジタル表現の読出し速度はｍ倍増加することが
理解される。
回路の実施を示す。図２のデータレジスタ２１０に相当
するレジスタグループ３６０は、ラッチ回路３１４から
のデジタル表現を保存するのに利用され、各レジスタグ
ループ３６０は最終のデジタル信号の精度に依存するｎ
個のデータレジスタから成る。例えば、最終のデジタル
信号が８ビット精度であり、８つのレジスタは各レジス
タグループ３６０であり、それから夫々は一つのシフト
レジスタグループ３６２の一つのシフトレジスタに相当
する。その後各データレジスタにおけるデータは、図２
のシフトレジスタ２１２に相当するシフトレジスタ３６
２へダンプされる。シフトレジスタ３６２におけるデジ
タル表現は、パラレルにシリアルに読出される、つまり
一つの完全なピクセル信号を一度に読出すことが可能で
ある。１ピクセル信号においてｍビットあれば、当業者
には、デジタル表現の読出し速度はｍ倍増加することが
理解される。
【００３７】上記実施例をより理解するために、図７は
（ｎ+ ｌ）ビット精度で仮定された一つの電荷（ピクセ
ル）信号の読出しを示す。ｎ+ ｌデータレジスタ３７０
及びｎ+ ｌシフトレジスタ３７２がある。各データレジ
スタ３７０は夫々のラッチ回路からの出力の１ビット信
号を有する。例えば、出力（カウント数）は１６、つま
り８ビット精度では０００１０００であり、各桁は各デ
ータレジスタ３７０に保存され、それから夫々のシフト
レジスタへダンプされる。シフトレジスタにおけるビッ
ト信号は、パラレルにシリアルにシフトアウトされ、つ
まり信号の８ビットは一度に発生する。シフトレジスタ
を利用することの利点は、アナログ信号を発生する画像
センサーにおいては達成することは不可能である全シス
テム性能を改善させることにある。データレジスタにお
けるビット信号がシフトレジスタへダンプされるとすぐ
に、データレジスタは新しい露光による夫々のラッチ回
路から生じる一組の新しい値を取込むことができるよう
になる。全体として、信号処理能力速度は増加する。図
８において、第一の露光からの出力が読出された際に、
第二の露光が始まることを示す一組のタイミング線図を
示す。
（ｎ+ ｌ）ビット精度で仮定された一つの電荷（ピクセ
ル）信号の読出しを示す。ｎ+ ｌデータレジスタ３７０
及びｎ+ ｌシフトレジスタ３７２がある。各データレジ
スタ３７０は夫々のラッチ回路からの出力の１ビット信
号を有する。例えば、出力（カウント数）は１６、つま
り８ビット精度では０００１０００であり、各桁は各デ
ータレジスタ３７０に保存され、それから夫々のシフト
レジスタへダンプされる。シフトレジスタにおけるビッ
ト信号は、パラレルにシリアルにシフトアウトされ、つ
まり信号の８ビットは一度に発生する。シフトレジスタ
を利用することの利点は、アナログ信号を発生する画像
センサーにおいては達成することは不可能である全シス
テム性能を改善させることにある。データレジスタにお
けるビット信号がシフトレジスタへダンプされるとすぐ
に、データレジスタは新しい露光による夫々のラッチ回
路から生じる一組の新しい値を取込むことができるよう
になる。全体として、信号処理能力速度は増加する。図
８において、第一の露光からの出力が読出された際に、
第二の露光が始まることを示す一組のタイミング線図を
示す。
【００３８】図９は、図２のシフトレジスタ３７８のみ
が利用されたレジスタ回路の別の実施を示す。各シフト
レジスタ３７８は夫々のラッチ回路からの出力の１ビッ
トを受け、シフトレジスタ３７８におけるビット信号は
シリアルにシフトアウトされ、デジタル信号を発する。
上記実施の利点は、使用するレジスタ数が小さいことで
あるが、シフトレジスタ３７８における信号は完全にシ
フトアウトされるまで、光検出器は待つ必要がある。図
１０は、電流信号が完全にシフトアウトされるまで、次
の露光は起こらないことを示している一組の対応するタ
イミング図を示す。
が利用されたレジスタ回路の別の実施を示す。各シフト
レジスタ３７８は夫々のラッチ回路からの出力の１ビッ
トを受け、シフトレジスタ３７８におけるビット信号は
シリアルにシフトアウトされ、デジタル信号を発する。
上記実施の利点は、使用するレジスタ数が小さいことで
あるが、シフトレジスタ３７８における信号は完全にシ
フトアウトされるまで、光検出器は待つ必要がある。図
１０は、電流信号が完全にシフトアウトされるまで、次
の露光は起こらないことを示している一組の対応するタ
イミング図を示す。
【００３９】結果生じるデジタル画像若しくは信号は、
各光検出器への入射光の蓄積における時間測定から得ら
れ、経過時間測定システムはセンサーにおけるＡ/ Ｄ変
換器よりもずっと少ない領域ですむことが明らかであ
る。更に、電荷信号はデジタル化される前に多くの光検
出器を通過する必要はなく、本発明から生じたデジタル
画像における起こり得るひずみは最小化される。
各光検出器への入射光の蓄積における時間測定から得ら
れ、経過時間測定システムはセンサーにおけるＡ/ Ｄ変
換器よりもずっと少ない領域ですむことが明らかであ
る。更に、電荷信号はデジタル化される前に多くの光検
出器を通過する必要はなく、本発明から生じたデジタル
画像における起こり得るひずみは最小化される。
【００４０】図１６は本発明の実施例による回路レイア
ウトを示す。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ５０２の“リセ
ット”コネクタに加えられるリセットパルスは、全光検
出器５０４にＶccへ充電される。光（光子）強度に依存
して、露光された際にフォトダイオード５０４は放電過
程を開始する。対応するフォトダイオードが“基準”コ
ネクタ５０８で加えられた基準信号のレベルに放電され
た際に、比較器、つまりゲート回路５０６は信号を出力
する。
ウトを示す。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ５０２の“リセ
ット”コネクタに加えられるリセットパルスは、全光検
出器５０４にＶccへ充電される。光（光子）強度に依存
して、露光された際にフォトダイオード５０４は放電過
程を開始する。対応するフォトダイオードが“基準”コ
ネクタ５０８で加えられた基準信号のレベルに放電され
た際に、比較器、つまりゲート回路５０６は信号を出力
する。
【００４１】カウントされる時間マーク信号は、“カウ
ンター”コネクタ５１０に加えられる。上記実施例にお
いて、時間マーク信号は、精度関数が実施される直線性
補正ブロック５１２の基準として利用される。更に図に
示すようにカウンター５１４は“クロック”コネクタ５
１６でのシステムクロック信号により駆動される。ロー
ダ（ラッチ）５１８及びシフトレジスタ５２０の詳細な
回路を図１７に示す。結果生じるデジタル信号は、フォ
トダイオード５０４における電荷信号のデジタル表現を
シフトさせることにより得られる。
ンター”コネクタ５１０に加えられる。上記実施例にお
いて、時間マーク信号は、精度関数が実施される直線性
補正ブロック５１２の基準として利用される。更に図に
示すようにカウンター５１４は“クロック”コネクタ５
１６でのシステムクロック信号により駆動される。ロー
ダ（ラッチ）５１８及びシフトレジスタ５２０の詳細な
回路を図１７に示す。結果生じるデジタル信号は、フォ
トダイオード５０４における電荷信号のデジタル表現を
シフトさせることにより得られる。
【００４２】本発明は、その特徴を有して十分に、詳細
に説明された。本願での実施例の開示は例のみにより行
われ、構成要素の配置及び組合せにおける数多くの変形
は、請求された本発明の精神と範囲から逸脱することな
く実施できることは当業者には理解される。したがっ
て、本発明の範囲は前述の実施例の説明よりは、添付し
た特許請求の範囲により定義される。
に説明された。本願での実施例の開示は例のみにより行
われ、構成要素の配置及び組合せにおける数多くの変形
は、請求された本発明の精神と範囲から逸脱することな
く実施できることは当業者には理解される。したがっ
て、本発明の範囲は前述の実施例の説明よりは、添付し
た特許請求の範囲により定義される。
【図１】図１は画像センサーを利用した画像システムを
示す略線図を示す。
示す略線図を示す。
【図２】図２は本発明による画像センサーを利用した画
像システムを示す。
像システムを示す。
【図３】図３は本発明による図２に利用した画像センサ
ーの実施例を示す。
ーの実施例を示す。
【図４】図４はＣＭＯＳ画像センサーにおけるフォトダ
イオードの回路モデルを示す。
イオードの回路モデルを示す。
【図５】図５は、結果生じたデジタル信号を修正するた
めに、図３で利用可能な補正回路の一つの典型的実施を
示す。
めに、図３で利用可能な補正回路の一つの典型的実施を
示す。
【図６】図６は、画像センサーの信号スループット速度
を増加させるために、図３で利用可能なレジスタ回路の
一つの典型的実施を示す。
を増加させるために、図３で利用可能なレジスタ回路の
一つの典型的実施を示す。
【図７】図７は、図３の一つの光検出器用のデータレジ
スタ及びシフトレジスタから成るレジスタ回路の内部接
続を示す。
スタ及びシフトレジスタから成るレジスタ回路の内部接
続を示す。
【図８】図８は、レジスタ回路におけるデータレジスタ
及びシフトレジスタの使用により信号スループット速度
が改善されたことを示す一組のタイミング線図を示す。
及びシフトレジスタの使用により信号スループット速度
が改善されたことを示す一組のタイミング線図を示す。
【図９】図９は、シフトレジスタのみが利用された図３
におけるレジスタ回路の第二の実施を示す。
におけるレジスタ回路の第二の実施を示す。
【図１０】図１０は図９に対応する一組のタイミング線
図を示す。
図を示す。
【図１１】図１１は二つの典型的なＣＭＯＳに基づく光
検出器での経過時間測定を示す。
検出器での経過時間測定を示す。
【図１２】図１２は、図１１における経過時間測定によ
り測定された時間マーク信号を示す。
り測定された時間マーク信号を示す。
【図１３】図１３は電荷信号のデジタル表現を導き出す
ために利用されたカウントダウン法の概念を示す。
ために利用されたカウントダウン法の概念を示す。
【図１４】図１４は本発明で利用された基準信号の一例
を示す。
を示す。
【図１５】図１５は、図１１における経過時間測定を修
正させるために利用されたルック- アップ- テーブルを
示す。
正させるために利用されたルック- アップ- テーブルを
示す。
【図１６】図１６は本発明を実施する詳細な回路レイア
ウトを示す。
ウトを示す。
【図１７】図１７は本発明を実施する詳細な回路レイア
ウトを示す。
ウトを示す。
２００ 画像システム ２０２ 画像センサー ２０４ 光検出器 ２０６ 経過時間測定システム ２０８ レジスタ回路 ２１０ データレジスタ ２１２ シフトレジスタ ２１６ 補正回路 ２１８ カウンタ ２２０ デジタル信号処理回路
Claims (32)
- 【請求項１】 センサーにデジタル信号を発生させるシ
ステムであって、 夫々が入射した光に応答し、リセット信号によりまとま
ってリセットされた後に電荷信号を独立に発生する光検
出器のアレーと、 時間マーク信号を受け、時間マーク信号を参照してカウ
ント数を発するカウンターと、 カウンターからの基準信号及びカウント数をまとめて受
ける複数の時間マーク測定モジュールと、 夫々が時間マーク測定モジュールの１つに接続され、モ
ジュールからのデジタル表現を受ける複数のレジスタ回
路とから成り、 夫々の時間マーク測定モジュールは光検出器の１つに接
続され、基準信号及びカウンターからのカウント数を参
照して光検出器の１つからの電荷信号のデジタル表現を
出力し、 夫々の時間マーク測定モジュールからのデジタル表現は
順次シフトアウトされデジタル信号を形成することを特
徴とするシステム。 - 【請求項２】 光検出器のアレーは一次元の画像センサ
ーアレーとして配置されることを特徴とする請求項１記
載のシステム。 - 【請求項３】 光検出器のアレーは二次元のエリア画像
センサーとして配置されることを特徴とする請求項１記
載のシステム。 - 【請求項４】 基準信号は一定時間の間直線的に増加す
る大きさのレベルを有することを特徴とする請求項１記
載のシステム。 - 【請求項５】 基準信号は一定時間の間区分的に調整さ
れた大きさのレベルを有することを特徴とする請求項１
記載のシステム。 - 【請求項６】 夫々の時間マーク測定モジュールは、 基準信号及び光検出器の１つからの電荷信号を受け、電
荷信号が基準の大きさに達した際に信号を出力するゲー
ト回路と、 電荷信号が基準の大きさに達する経過時間を測定するよ
うにゲート回路からの信号を受けたときに、カウンター
からのカウント数を受け、カウント数をラッチインし、
電荷信号のデジタル表現を出力するラッチ回路から成
り、ここでデジタル表現は電荷信号が基準の大きさに達
したときのカウント数であることを特徴とする請求項１
記載のシステム。 - 【請求項７】 夫々のレジスタ回路は数多くのデータレ
ジスタ及びシフトレジスタから成り、データレジスタは
時間マーク測定モジュールの１つに結合し、モジュール
からのデジタル表現を受け、シフトレジスタはデータレ
ジスタに夫々結合し、データレジスタからのデジタル表
現を受けることを特徴とする請求項６記載のシステム。 - 【請求項８】 シフトレジスタにおけるデジタル表現は
シリアルにシフトアウトされることを特徴とする請求項
７記載のシステム。 - 【請求項９】 デジタル表現は信号のビットで表わさ
れ、信号のビットの夫々一つは一つのシフトレジスタで
あり、信号のビットはシストレジスタからパラレルにシ
フトアウトされることを特徴とする請求項７記載のシス
テム。 - 【請求項１０】 カウンターに結合した精度回路を更に
有し、カウンターからのカウント数に関して修正カウン
ト数を発生させることを特徴とする請求項１記載のシス
テム。 - 【請求項１１】 精度関数は、カウンターに結合し、カ
ウンターからのカウント数に応答し、カウンターからの
カウント数を参照して修正カウント数を発生させるルッ
ク- アップ- テーブルから成ることを特徴とする請求項
１０記載のシステム。 - 【請求項１２】 カウンターはデジタル表現での最も高
い数字からの時間マーク信号におけるカウント数に到達
することを特徴とする請求項１記載のシステム。 - 【請求項１３】 センサーにおいてＭビットデジタル信
号を発生させるシステムであって、 夫々がトランジスタに結合され、リセット信号によりリ
セットされたときにある電圧レベルに充電され、入射し
た光に応答し、光強度に比例した速度で前記電圧レベル
から夫々放電することにより電荷信号を発生させるＮ個
の光検出器のアレーと、 夫々が夫々Ｎ個の光検出器からの電荷信号を夫々受け、
電荷信号が基準信号の大きさに達したときにパルス信号
を発生させる基準信号をまとめて受けるＮ個のゲート回
路と、 時間マーク信号を受け、時間マーク信号における時間マ
ークを参照してカウント数を発生させるカウンターと、 夫々が各ゲート回路と更に夫々つながっており、パルス
信号が夫々のＮ個のゲート回路から受け取られるとすぐ
にカウント数を夫々ラッチインするカウント数をまとめ
て受けるＮ個のラッチ回路と、 夫々がＮ個のラッチ回路の１つに結合され、Ｎ個のレジ
スタ回路から順次シフトアウトされたカウント数を受
け、デジタル信号を発生させるＮ個のレジスタ回路とか
ら成ることを特徴とするシステム。 - 【請求項１４】 Ｎ個の光検出器、Ｎ個のゲート回路、
カウンター、Ｎ個のラッチ及びＮ個のレジスタ回路は、
センサーとしての相補的金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）
に組立てられることを特徴とする請求項１３記載のシス
テム。 - 【請求項１５】 各レジスタ回路は、 カウント数を保存するＭ個のデータレジスタと 夫々がＭ個のデータレジスタの一つに結合され、Ｎ個の
レジスタ回路の一つのＭ個のシフトレジスタからＮ個の
レジスタ回路の別の一つのＭ個のシフトレジスタへパラ
レルにシフトするＭ個のデータレジスタからのカウント
数を受けるＭ個のシフトレジスタから成ることを特徴と
する請求項１４記載のシステム。 - 【請求項１６】 夫々のレジスタ回路は夫々が二進法の
カウント数の１ビットを受けるＭ個のシフトレジスタか
ら成り、 夫々のＭ個のシフトレジスタにおけるカウント数の１ビ
ットはシリアルにシフトアウトしてＭビットデジタル信
号を形成することを特徴とする請求項１４記載のシステ
ム。 - 【請求項１７】 光検出器は一次元のアレーとして配置
されることを特徴とする請求項１４記載のシステム。 - 【請求項１８】 光検出器は二次元のアレーとして配置
されることを特徴とする請求項１４記載のシステム。 - 【請求項１９】 リセット信号はＮ個の光検出器が前記
電圧レベルに充電させるパルス信号であることを特徴と
する請求項１４記載のシステム。 - 【請求項２０】 基準信号は一定時間の間直線的に増加
することを特徴とする請求項１３記載のシステム。 - 【請求項２１】 基準信号は一定時間の間区分的に増加
することを特徴とする請求項１３記載のシステム。 - 【請求項２２】 システムはカウント数がＮ個のラッチ
回路に受け入れられる前に、カウント数を補正関数によ
り修正させる信号補正回路を更に有することを特徴とす
る請求項１３記載のシステム。 - 【請求項２３】 信号補正回路は入力エントリ及び夫々
の出力エントリを有するルック- アップ- テーブルから
成り、出力エントリからの対応する出力はＮ個のラッチ
回路により受けるべきカウント数に置き換わることを特
徴とする請求項２２記載のシステム。 - 【請求項２４】 補正関数はカウント数が信号補正シス
テムにより補正されるガンマ関数であることを特徴とす
る請求項２２記載のシステム。 - 【請求項２５】 光検出器から成るセンサーにおいてデ
ジタル信号発生させる方法であって、 光検出器における入射光子を蓄積して各光検出器におい
て電荷信号を発生させ、 比較回路を利用してあるレベルを有する基準信号と電荷
信号を比較し、 電荷信号が基準信号のレベルに達したときに比較回路に
よりパルス信号を発生し、 基準信号のレベルに達した電荷信号用のカウンターから
カウント数を受けるラッチ回路により経過時間を測定
し、 測定時間を表わす信号のビットを読出し工程用のレジス
タ回路へダンプさせることから成る方法。 - 【請求項２６】 光検出器において入射光子を蓄積する
ことは、 光検出器をある電圧レベルへ充電し、 光検出器を該電圧レベルから夫々放電させて、光検出器
において蓄積された入射光子に夫々比例した電荷信号を
発生させることを特徴とする請求項２５記載の方法。 - 【請求項２７】 ラッチ回路により経過時間を測定する
ことは、 カウンターによる時間マーク信号における時間マークを
カウントして測定結果を発し、 電荷信号が基準信号のレベルに達したらすぐに測定時間
をラッチインすることを特徴とする請求項２６記載の方
法。 - 【請求項２８】 ラッチ回路により経過時間を測定する
ことは、 補正関数回路に関して測定結果を更に修正させることを
特徴とする請求項２７記載の方法。 - 【請求項２９】 補正関数は測定結果が調整可能である
ようにする所定の関数であることを特徴とする請求項２
８の方法。 - 【請求項３０】 補正関数は測定結果が人間の可視化に
関して補正されるようにするガンマ関数であることを特
徴とする請求項２８記載の方法。 - 【請求項３１】 前記レジスタ回路は、数多くのデータ
レジスタ及び同じ数のシフトレジスタから成り、各デー
タレジスタはシフトレジスタの１つに結合し、シフトレ
ジスタはデータレジスタを通して信号のビットを受ける
ことを特徴とする請求項２５記載の方法。 - 【請求項３２】 測定時間を表わす信号のビットを読出
し工程用のレジスタ回路へダンプさせることは、 シフトレジスタからパラレルに信号のビットをシフトア
ウトさせることを特徴とする請求項３１記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/137,364 US6587145B1 (en) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | Image sensors generating digital signals from light integration processes |
| US137364 | 1998-08-20 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000101927A true JP2000101927A (ja) | 2000-04-07 |
Family
ID=22477074
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11229368A Pending JP2000101927A (ja) | 1998-08-20 | 1999-08-13 | 光統合方法からデジタル信号を発生させる画像センサ― |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6587145B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000101927A (ja) |
| CN (1) | CN1148945C (ja) |
| TW (1) | TW435041B (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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