JP2003018466A

JP2003018466A - 光センサ

Info

Publication number: JP2003018466A
Application number: JP2001239921A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Shinozuka; 典之篠塚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】【目的】残像を抑制するべく、光電変換素子の寄生容
量に残留する電荷を放電させて初期化する簡単な手段を
講ずるようにした光センサを提供する。【構成】光検知時の入射光量に応じて光電変換素子に
流れるセンサ電流をトランジスタのオーバフロードレイ
ン動作による弱反転状態で対数特性をもって電圧信号に
変換して、その変換された電圧信号に応じたセンサ出力
を生ずるようにした光センサにおいて、光検知に先がけ
てパルス光を照射することにより光電変換素子の寄生容
量に電荷を注入して初期化する手段を設けるようにす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入射光量に応じて光電
変換素子に流れるセンサ電流を対数特性をもったセンサ
信号に変換して出力する、ＣＭＯＳ型イメージセンサの
画素単位となる光センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＭＯＳ型イメージセンサにあっ
ては、その１画素分の光センサが、図１６に示すよう
に、撮影に際しての光検知時における入射光Ｌｓの光量
に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォ
トダイオードＰＤと、そのフォトダイオードＰＤに流れ
るセンサ電流をオーバフロードレイン動作による弱反転
状態で対数出力特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換する
トランジスタＱ１と、その変換された電圧信号Ｖｐｄを
ハイインピーダンスをもって増幅するトランジスタＱ２
と、画素読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセ
ンサ信号を出力するトランジスタＱ３とによって構成さ
れ、ダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感
度で行わせることができるようになっている。そして、
光検知に先がけて、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ
を所定時間だけ定常よりも高い値に切り換えることによ
ってドレイン・ソース間のインピーダンスを低下させ
て、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの残留電荷を放
電させて初期化することにより、センサ電流に急激な変
化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じ
た電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少
ない場合でも残像が生ずることがないようにしている
（特開平１０−９００５８号公報参照）。

【０００３】オーバフロードレインの構造としては、図
１７に示す横方向にＭＯＳトランジスタを形成した横形
のものと、図１８に示すダイオードの下にｎ^＋ｐｎトラ
ンジスタを形成する縦形のものとが知られている。図１
９は、入射光Ｌｓの入射時における電荷ｑの流れによる
横形オーバフロードレインの動作状態を模擬的に示して
いる。図２０は、入射光Ｌｓの入射時における電荷ｑの
流れによる縦形オーバフロードレインの動作状態を模擬
的に示している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電
流をトランジスタのオーバフロードレイン動作による弱
反転状態で対数特性をもって電圧信号に変換して、その
変換された電圧信号に応じたセンサ信号を出力するよう
にした光センサにあって、初期化時にそのトランジスタ
のゲート電圧を定常値よりも高い値に切り換えるように
するのでは、その電源電圧を低インピーダンスをもって
段階的に切り換える電圧切換回路を必要として、光セン
サの構成が複雑になっていることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、光検知時の入
射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトラ
ンジスタのオーバフロードレイン動作による弱反転状態
で対数特性をもって電圧信号に変換するようにした光セ
ンサにあって、そのトランジスタの電源電圧を段階的に
切り換える電圧制御を行うようなことなく簡単に初期化
を行わせるようにするべく、光検知に先がけてパルス光
を照射することにより光電変換素子の寄生容量に電荷を
注入して初期化する手段を設けて、残留電荷による容量
性の残像の発生を抑制するようにしている。

【０００６】

【実施例】本発明による光センサにあっては、図１に示
すように、その基本的な構成が、入射光Ｌｓの光量に応
じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダ
イオードＰＤと、そのフォトダイオードＰＤに流れるセ
ンサ電流を弱反転状態で対数特性をもって電圧信号Ｖｐ
ｄに変換するトランジスタＱ１と、その変換された電圧
信号Ｖｐｄをハイインピーダンスをもって増幅するトラ
ンジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングで
もってセンサ信号を出力するトランジスタＱ３とによっ
て構成されている。ここでは、ＭＯＳ型のトランジスタ
Ｑ１〜Ｑ３を用いるようにしている。図中、Ｃはフォト
ダイオードＰＤの接合容量、配線容量などからなる寄生
容量である。

【０００７】このような光センサにあっては、図２に示
すように、入射光量に応じてフォトダイオードＰＤに流
れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示すが、
センサ電流が少ないときにはフォトダイオードＰＤの寄
生容量Ｃの充電に応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出
力特性を示すようになっている。図中、ＷＡは非対数応
答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。

【０００８】トランジスタＱ１の対数動作としては、以
下のとおりである。

【０００９】いま、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧ
をそのドレイン電圧ＶＤ以下の値に設定して、トランジ
スタＱ１を弱反転状態で動作させると、入射光Ｌｓによ
って生じた電荷が、フォトダイオードＰＤの電圧がトラ
ンジスタＱ１のしきい値以下になると、トランジスタＱ
１のドレインＤに排出されるようになり（オーバフロー
ドレイン動作）、対数出力特性を示すようになる。

【００１０】図５は、オーバフロードレインが動作して
いるときの入射光Ｌｓの入射時におけるトランジスタＱ
１の電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示してい
る。

【００１１】このような対数出力特性を有している光セ
ンサでは、入射光量が少ない場合、トランジスタＱ１の
抵抗値が対数的に増大するために、センサ信号の出力に
際して寄生容量Ｃに蓄積された電荷の放電速度が遅くな
り、残留電荷による容量性の残像が生じてしまう。その
場合、明るい状態から急に暗い状態に変化したときに残
像の発生が顕著となり、また、暗い背景に動く輝点があ
ると尾を引く現象が顕著に表われることになる。

【００１２】このように構成された光センサにあって、
特に本発明では、パルス発光源１を設けて、光検知に先
がけてパルス光ＰＬを照射することによりフォトダイオ
ードＰＤの寄生容量Ｃに電荷を注入して、残留電荷によ
る容量性残像の発生を抑制するようにしている。

【００１３】なお、対数出力特性をもった光センサにバ
イアスライトを常に照射するようにすると、そのバイア
スライトよりも光量が少ない入射光Ｌｓで発生するよう
な残像が抑制されるが、入射光Ｌｓの光量が少ない領域
での出力感度が低下してしまうという問題が生ずる。す
なわち、バイアスライトの光量を１とすると、それ以下
の光量ｌが入射した場合に、Ｌｏｇ（１＋ｌ）となっ
て、Ｌｏｇ（ｌ）のときよりも感度が大きく減衰する。
そして、バイアスライトの光量よりも暗い被写体を撮像
することができなくなってしまう。

【００１４】そのため、常にバイアスライトを照射する
のではなく、光検知時の入射光Ｌｓに応じたセンサ信号
の出力タイミングと同期して、光検知に先がけてパルス
光ＰＬを照射することによりフォトダイオードＰＤの寄
生容量Ｃに一時的に過剰な電荷を注入するようにすれ
ば、その後の入射光Ｌｓによる電荷の蓄積期間で行われ
る過剰電荷の排出量と入射光Ｌｓによる電荷の発生量と
の割合が常に同じ飽和状態になることから、一定の放電
曲線による出力特性が得られるようになり、それにより
センサ信号の出力感度を低下させるようなことなく残像
の発生を抑制できるようになる。

【００１５】図４は、そのときの一定の放電曲線による
出力特性を示している。図中、ａはパルス光ＰＬの照射
による注入電荷と入射光Ｌｓによる発生電荷との関係に
よる放電曲線を、ｂは明時における信号出力の状態を、
ｃは暗時における信号出力の状態を示している。ｔ１は
発光期間ｔｍをもったパルス光ＰＬの照射時点、ｔ２は
センサ信号の出力時点であり、Ｔは光検知時の入射光Ｌ
ｓによる寄生容量Ｃにおける電荷の蓄積期間である。

【００１６】図３は、その光センサにおける各部信号の
タイムチャートを示している。ここで、ｔ１はパルス光
ＰＬの照射による初期化のタイミングを、ｔ２はセンサ
信号の出力のタイミングを示している。初期化時に、パ
ルス光ＰＬを照射して寄生容量Ｃに残留する電荷を放電
させる期間ｔｍとしては、例えば１画素分の読出し速度
が１００ｎｓｅｃ程度の場合に５μｓｅｃ程度に設定さ
れる。図中、ＴはフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに
おける電荷の蓄積期間を示しており、その蓄積期間Ｔは
ＮＴＳＣ信号の場合１／３０ｓｅｃ（または１／６ｓ
ｅｃ）程度となる。

【００１７】光検知に先がけてパルス光ＰＬが照射され
ると、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃにおける残留
電荷の上に大量の新たな電荷が注入されることになる。

【００１８】図６は、そのときのトランジスタＱ１にお
ける電荷ｑの流れによる動作状態を模擬的に示してい
る。この場合、被写体からの入射光Ｌｓにパルス光ＰＬ
が重畳した光ＰＬｓがフォトダイオードＰＤに照射され
て、大量の電荷ｑがソースＳから注入され、電荷ｑがド
レインＤから排出されている。

【００１９】そして、バルス光ＰＬの照射が終了するこ
とにより残留電荷が放電して初期化が行われると、その
時点から直ちに入射光Ｌｓの光量に応じた電荷の蓄積が
行われ、先のパルス光ＰＬの照射時に蓄積され電荷が放
電されて、入射光Ｌｓによって発生する電荷とつり合う
点に向けて信号の収束が行われる（図４参照）。その場
合、放電曲線は入射光Ｌｓの光量によって一定の曲線を
描くため、残像を生ずることがなくなる。そして、周期
的に初期化を行って、所定のタイミングでセンサ信号の
読出しを行わせることにより、毎回同じ出力値が得られ
て、入射光量に対する出力値の再現性が確保される。

【００２０】図７は、光検知に先がけてパルス光ＰＬを
照射したときの光センサにおけるセンサ電流に対するセ
ンサ出力の特性を示している。この場合には、入射光Ｌ
ｓによる電荷蓄積の初期の段階で、オーバフロードレイ
ン動作が行われるだけの電荷がパルス光ＰＬの照射によ
って既に蓄積されているので、センサ電流が少ない場合
にあってもセンサ出力がほぼ対数応答特性を示すことに
なる。

【００２１】このように、本発明によれば、光検知に先
がけてパルス光を照射することによりフォトダイオード
ＰＤの寄生容量Ｃに残留する電荷を放電させて初期化を
行わせるだけで、残像の発生が抑制された光検知を行わ
せることができるようになる。

【００２２】したがって、従来のように、電源電圧を低
インピーダンスをもって段階的に切り換える電圧切換回
路を設けて、初期化時にトランジスタＱ１のドレイン電
圧ＶＤを光検知時の定常値よりも低い値に切り換えるよ
うにする場合に比して、所定のタイミングでパルス光を
照射するだけの簡単な手段を設けるだけで初期化を容易
に行わせることができる。

【００２３】図８は、横形オーバフロードレイン構造を
有するＣＣＤ転送型の固体撮像素子としての光センサを
示している。

【００２４】図９は、その横形オーバフロードレインに
おける入射光Ｌｓの入射時における電荷ｑの流れによる
動作状態を模擬的に示している。

【００２５】その横形オーバフロードレイン構造を有す
るＣＣＤ転送型の光センサは、入射光Ｌｓによってフォ
トダイオード部で発生した電荷は、電圧がＭＯＳトラン
ジスタ部のしきい値以下になるとそのトランジスタ部の
ドレインに排出されるようになる。

【００２６】その際、フォトダイオード部の寄生容量に
電荷がない状態からフォトダイオード部の電圧がトラン
ジスタ部のしきい値と同じになるまでは、センサ出力は
入射光量に比例したほぼ線形の非対数特性を示すように
なる（図２のＷＡ領域）。そして、フォトダイオード部
の電圧がトランジスタ部のしきい値よりも低くなると、
電荷がトランジスタ部のドレインに排出されてオーバフ
ロードレイン動作状態になる。このときのセンサ出力は
トランジスタ部をサブスレッショルド領域で利用するこ
とから、対数出力特性を示すようになる（図２のＷＢ領
域）。

【００２７】したがって、先にバルス光を照射すること
によって電荷を大量に発生させて、入射光Ｌｓによる電
荷蓄積の初期の段階からオーバフロードレインが動作す
るような状況にしておけば、オーバフロードレインに利
用するトランジスタ部のサブスレッショルド領域の特性
から、センサ出力は対数特性を示すようになる（図７参
照）。その場合、入射光量が少ない領域では完全な対数
特性とはならない。

【００２８】図１０は、縦形オーバフロードレイン構造
を有するＣＣＤ転送型の固体撮像素子としての光センサ
を示している。

【００２９】図１１は、その縦形オーバフロードレイン
における入射光Ｌｓの入射時における電荷ｑの流れによ
る動作状態を模擬的に示している。

【００３０】その縦形オーバフロードレイン構造を有す
るＣＣＤ転送型の光センサは、入射光Ｌｓによってフォ
トダイオード部で発生した電荷は、電圧がｎ^＋ｐｎトラ
ンジスタ部のしきい値以下になるとそのトランジスタ部
のドレインに排出されるようになる。

【００３１】その際、フォトダイオード部の寄生容量に
電荷がない状態からフォトダイオード部の電圧がトラン
ジスタ部のしきい値と同じになるまでは、センサ出力は
入射光量に比例したほぼ線形の非対数特性を示すように
なる（図２のＷＡ領域）。そして、フォトダイオード部
の電圧がトランジスタ部のしきい値よりも低くなると、
電荷がトランジスタ部のドレインに排出されてオーバフ
ロードレイン動作状態になる。このときのセンサ出力は
トランジスタ部をサブスレッショルド領域で利用するこ
とから、対数出力特性を示すようになる（図２のＷＢ領
域）。

【００３２】したがって、先にバルス光を照射すること
によって電荷を大量に発生させて、入射光Ｌｓによる電
荷蓄積の初期の段階からオーバフロードレインが動作す
るような状況にしておけば、オーバフロードレインに利
用するトランジスタ部のサブスレッショルド領域の特性
から、センサ出力は対数特性を示すようになる（図７参
照）。その場合、入射光量が少ない領域では完全な対数
特性とはならない。

【００３３】通常、ＣＣＤ転送型の光センサでは、入射
光Ｌｓによる光電荷を蓄積するに際して、初期の蓄積電
荷は零になっている。それは、図１２に示すように、光
電荷の蓄積の開始時に、初期電荷をドレインに排出する
ことで蓄積電荷のクリアを行うことによる。または、図
１３に示すように、センサ信号の読み出しのために蓄積
電荷が転送された結果として蓄積電荷がクリアされると
いうことによる。したがって、初期の蓄積電荷がないこ
とから、オーバフロードレインが機能するまではセンサ
出力は直線的に変化することになる（図２のＷＡ領
域）。図１４は、その初期時における電荷の蓄積状態を
模擬的に示している。

【００３４】したがって、入射光Ｌｓによる光検知の初
期の段階で電荷の蓄積が行われることなく、その初期の
段階からオーバフロードレインが機能するようにパルス
光ＰＬを照射して大量の電荷を発生させておくようにす
れば（図６参照）、最初から対数特性をもったセンサ出
力が得られるようになる（図７参照）。

【００３５】図１５は、対数出力特性を有する光センサ
を画素単位に用いたイメージセンサ２を用いた撮像装置
の構成例を示している。

【００３６】それは、被写体３からの光をレンズ４をイ
メージセンサ２に入射させて、駆動制御回路５の制御下
でイメージセンサ２から各画素のセンサ信号を時系列的
に読み出して、そのセンサ信号を信号処理回路６により
を多値量子化するようにした撮像装置にあって、パルス
発光源１を設けて、駆動制御回路５によりイメージセン
サ２の駆動と同期をとりながら所定のタイミングでパル
ス発光させて、そのパルス光をイメージセンサ２に照射
させて各画素の初期化を行わせるようにしている。

【００３７】パルス発光源１としては、パルス発光が可
能なＬＥＤやレーザダイオードなどが用いられる。ま
た、電球光をチョッパなどを用いてパルス光とするよう
にしてもよい。

【００３８】ここでは、塵挨によってパルス光の光量が
低下することがないように、パルス発光源１をレンズ４
の内側の撮像装置内部に一体的に設けてコンパクト化を
図るようにしている。

【００３９】また、パルス発光源１に可視光以外の光、
例えば近赤外線や近紫外線のようなイメージセンサ２に
は感度を有するが人間の目では感知できない光を発する
ものを用いるようにして、周期的に発光するパルス光が
レンズ４を通して人間の目に触れることがないようにし
ている。

【００４０】

【発明の効果】以上、本発明は、光検知時の入射光量に
応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタ
のオーバフロードレイン動作による弱反転状態で対数特
性をもって電圧信号に変換して、その変換された電圧信
号に応じたセンサ出力を生ずるようにした光センサにあ
って、光検知に先がけてパルス光を照射することにより
光電変換素子の寄生容量に電荷を注入して初期化する手
段を設けたもので、簡単な手段によって容量性の残像の
発生を有効に抑制することができるという利点を有して
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光センサの一実施例を示す電気回
路図である。

【図２】その光センサにおけるパルス光照射による初期
化を行わないときのセンサ電流に対するセンサ信号の出
力特性を示す図である。

【図３】その光センサにおける各部信号のタイムチャー
トである。

【図４】光センサにパルス光を照射したときの信号出力
の放電曲線を示す特性図である。

【図５】光センサにおけるオーバフロードレインが動作
しているときの電荷の流れによる動作状態を模擬的に示
す図である。

【図６】光センサにおけるパルス光を照射したときの電
荷の流れによる動作状態を模擬的に示す図である。

【図７】光検知に先がけてパルス光を照射したときの光
センサにおけるセンサ電流に対するセンサ出力の特性を
示す図である。

【図８】横形オーバフロードレイン構造を有するＣＣＤ
転送型の固体撮像素子としての光センサを示す図であ
る。

【図９】横形オーバフロードレインにおける電荷の流れ
による動作状態を模擬的に示す図である。

【図１０】縦形オーバフロードレイン構造を有するＣＣ
Ｄ転送型の固体撮像素子としての光センサを示す図であ
る。

【図１１】縦形オーバフロードレインにおける電荷の流
れによる動作状態を模擬的に示す図である。

【図１２】光電荷の蓄積の開始時に蓄積電荷をドレイン
に排出するときの電荷の流れによる動作状態を模擬的に
示す図である。

【図１３】センサ信号の読み出しのために蓄積電荷が転
送されるときの電荷の流れによる動作状態を模擬的に示
す図である。

【図１４】初期時における電荷の蓄積状態を模擬的に示
す図である。

【図１５】対数出力特性を有する光センサを画素単位に
用いたイメージセンサを用いた撮像装置の構成例を示す
ブロック図である。

【図１６】従来の光センサを示す電気回路図である。

【図１７】一般的な横形オーバフロードレイン構造を示
す図である。

【図１８】一般的な縦形オーバフロードレイン構造を示
す図である。

【図１９】一般的な横形オーバフロードレイン構造にお
ける電荷の流れによる動作状態を模擬的に示す図であ
る。

【図２０】一般的な縦形オーバフロードレイン構造にお
ける電荷の流れによる動作状態を模擬的に示す図であ
る。

【符号の説明】

１パルス発光源２イメージセンサ３被写体４レンズ５駆動制御回路６信号処理回路Ｑ１対数特性変換用のトランジスタＱ２増幅用のトランジスタＱ３出力用のトランジスタＰＤフォトダイオードＣ寄生容量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4M118 AA02 AA05 AA10 AB01 BA14 BA16 CA03 CA07 DA02 FA06 FA13 FA14 GA05 5C024 AX01 CX43 EX00 GX03 GZ02 5F049 MA01 NA04 NB05 RA08 5J092 AA01 AA56 CA00 CA18 FA00 HA10 HA19 HA29 HA44 MA21 QA02 TA01 TA02 TA06 UL02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光検知時の入射光量に応じて光電変換素
子に流れるセンサ電流をトランジスタのオーバフロード
レイン動作による弱反転状態で対数特性をもって電圧信
号に変換して、その変換された電圧信号に応じたセンサ
出力を生ずるようにした光センサにおいて、光検知に先
がけてパルス光を照射することにより光電変換素子の寄
生容量に電荷を注入して初期化する手段を設けたことを
特徴とする光センサ。
【請求項２】光センサがＣＣＤ転送型のものであるこ
とを特徴とする請求項１の記載による光センサ。
【請求項３】パルス光が可視光以外の波長を有してい
ることを特徴とする請求項１の記載による光センサ。