JP2003523153A - ビデオセンサチップの回路 - Google Patents

ビデオセンサチップの回路

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JP2003523153A JP2001560124A JP2001560124A JP2003523153A JP 2003523153 A JP2003523153 A JP 2003523153A JP 2001560124 A JP2001560124 A JP 2001560124A JP 2001560124 A JP2001560124 A JP 2001560124A JP 2003523153 A JP2003523153 A JP 2003523153A
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バウアー ロジャー
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Abstract

(57)【要約】 本発明はビデオセンサチップの回路に関する。これによればマトリックス状に配置された光感応画素（ピクセル）が設けられており、各画素はホトトランジスタを有し、このホトトランジスタの出力光電流は対数的に増幅され、電圧信号として評価回路へ供給される。この場合、画素（１２）および各画素（１２）に割り当てられた増幅器（２２）は１つの共通のコンポーネントにモノリシックに集積されている。その際に増幅器（２２）はビデオセンサチップの光感応面（１４）の外側に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は請求項１の上位概念に記載の構成を備えた回路に関する。
【０００２】 従来の技術 請求項１の上位概念に記載のビデオチップは公知である。この回路にはマトリ
ックス状に配置された光感応画素（ピクセル）が含まれており、これらのピクセ
ルによってビデオセンサチップの光感応領域が規定される。画素の各々はホトト
ランジスタを有しており、これは個々のホトトランジスタに作用する明るさに依
存して光電流を供給する。明るさの変化によってそれに比例した光電流の変化が
生じる。
【０００３】 画素のこの出力光電流を対数的に増幅し、電圧信号として評価回路へ供給する
ことが知られている。この種のビデオセンサチップはたとえば DE 42 09 536 C2
に記載されている。ただし対数特性曲線をもつ公知のビデオセンサチップの場
合、かなり広い光感応面積が必要とされるという欠点がある。これは寄生容量を
成すものであり、ホトトランジスタの電流がその弱い反転すなわち弱反転動作モ
ードにおいてかなり小さいとき、照射強度が弱い場合に明／暗の移行が生じると
、寄生容量の放電に起因して電圧出力のセッティングタイムないしはレスポンス
タイムが長くなる。
【０００４】 これによりいわゆるスミヤ作用が引き起こされ、これは画像繰り返し周波数が
高いときに殊に不都合である。
【０００５】 発明の利点 これに対し請求項１の特徴部分に記載の構成を備えた本発明による回路装置に
より得られる利点とは、光感応面積がかなり小さく、そのため寄生容量が小さく
て済み、スミヤ作用を伴うことなく高い画像繰り返し周波数で駆動可能なビデオ
センサチップを簡単に提供できることである。
【０００６】 画素および各画素に割り当てられた増幅器が１つの共通のコンポーネント内に
モノリシックに集積されており、この増幅器がビデオセンサチップの光感応面の
外側に配置されていることにより、光感応面に必要とされる所要面積を集積され
た光感応画素の配置部分に制限することができる一方、割り当てられた増幅器を
（光感応領域の外側に位置する）モノリシックに集積されたコンポーネントの別
の部分に設けることができる。
【０００７】 たとえば本発明の有利な実施形態によれば、増幅器は画素マトリックスの行ご
とおよび／または列ごとにスイッチオン可能なスイッチング手段を介して各画素
と接続されており、これによって有利には、かなり小さく抑えられた光感応領域
内に配置された画素をランダムにアドレッシングできるようになる。割り当てら
れた増幅器は光感応画素の出力信号を読み出す際、設計に従い行ごとおよび／ま
たは列ごとに接続される。それらの増幅器は画素（マトリックス）の外側に配置
されているので、それらを１次元でモノリシック集積コンポーネントに実装する
ことができる。これによりチップ面積が著しく節約されるようになる。
【０００８】 さらに有利には画素マトリックスの行ごとおよび／または列ごとに、１つの増
幅器を行および／または列のすべての画素のために付加接続可能である。これに
より有利には、ビデオセンサチップの電流消費が抑えられる。それというのも光
感応画素自体は付加的な電流供給を必要としないし、行および／または列ごとに
それぞれ１つの増幅器だけしか電流供給を必要としないからである。
【０００９】 本発明の別の有利な実施形態によれば、増幅器はトランスインピーダンス（tr
ansimpedance）増幅器として接続されている。増幅器をこのように構成すること
によりインピーダンス増幅器による周知の電圧変換が利用され、その際、出力イ
ンピーダンスはトランスインピーダンス増幅器のフィードバック区間により、殊
にそのフィードバック抵抗により決定される。
【００１０】 このような構成により、２光感応画素の光電流をそれに比例した電圧に変換で
きるようになり、その際、光電流がセンサ平面（ここでは小さいセンサ平面）の
寄生容量によって積分されることはない。
【００１１】 本発明のさらに有利な実施形態によれば、トランスインピーダンス増幅器のフ
ィードバック区間は弱い反転で動作するトランジスタにより形成されており、こ
の場合、有利には各光感応画素にこのような反転動作するトランジスタが割り当
てられており、これは個々の光感応画素といっしょに増幅器に付加接続可能であ
る。これにより、増幅器の入力信号すなわち光電流つまりは光電流に比例する明
るさと、増幅器の出力信号すなわち増幅器の出力側における電圧変位との間で対
数変換が行われるようになる。したがってフィードバック抵抗として接続された
トランジスタにより、線形の電流電圧変換ではなく対数変換が実現され、そのた
めいっそうひろい明るさの範囲をカバーできる。さらにこれにより、画素の光学
的セットリングタイムが短いという利点が損なわれることなく、高い出力ダイナ
ミックひいては高いコントラスト感度を保証することができる。このようにして
スミヤ作用を伴わずに著しく高い画像繰り返し周波数を実現できる。
【００１２】 従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
【００１３】 図面 次に、添付の図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明す
る。
【００１４】 図１は、第１の実施例による画素の回路を示す図である。
【００１５】 図２は、第２の実施例による画素の回路を示す図である。
【００１６】 図３は、図２による回路の特性図である。
【００１７】 図４は、図１および図２による回路の別の特性図である。
【００１８】 図５は、第３の実施例による画素の回路を示す図である。
【００１９】 実施例の説明 図１には、全体は描かれていないビデオセンサチップにおける光感応画素（ピ
クセル）１２の回路が示されている。ビデオセンサチップには、マトリクス状に
配置された複数の画素１２が含まれている。
【００２０】 画素１２はそれら全体としてビデオセンサチップの光感応面を成しており、そ
れらの画素１２各々は固有の部分平面１４を形成している（破線で描かれた領域
の内側）。
【００２１】 画素１２はホトトランジスタ１６を有している。ホトトランジスタ１６のソー
ス端子はスイッチング手段２０の第１のスイッチング接点１８を介して、トラン
スインピーダンス増幅器２２の反転入力側と接続されている。トランスインピー
ダンス増幅器２２の非反転入力側には基準電圧Ｕｒｅｆ１ が加わる。さらにホ
トトランジスタ１６のソース端子はフィードバック分岐２４を介して、トランス
インピーダンス増幅器２２の出力側２６と接続されている。フィードバック区間
２４内には、スイッチング手段２０のスイッチング接点２８と抵抗として接続さ
れたトランジスタ３０とが配置されている。ホトトランジスタ１６のドレイン端
子はトランジスタ３２，３４と接続されている。さらに画素１２にはトランジス
タ３６，３８から成るカレントミラー回路が設けられており、これらのトランジ
スタはホトトランジスタ１６のゲート端子と接続されている。
【００２２】 図１に示されている回路１０は以下の機能をもつ： ホトトランジスタ１６に光３７が当射されると光電流Ｉｐｈｏｔｏ が生成さ
れる。この光電流Ｉｐｈｏｔｏ は光３７の明るさに正比例する。行デコーダお
よび／または列デコーダを介してスイッチング手段２０が操作される。１つの相
応の制御パルスによりたとえば、ビデオセンサチップの画素１２のマトリックス
全体のうち１つの行に配置された画素１２におけるすべてのスイッチング手段２
０が制御される。これによりスイッチング接点１８，２８が閉じられる。このよ
うにして閉じられたフィードバック分岐２４内に位置するトランジスタ３０は電
流Ｉｐｈｏｔｏ を受け取り、それをトランスインピーダンス増幅器２２の出力
側における出力電圧Ｕｏｕｔ に変換する。トランジスタ３０は弱反転動作モー
ドではたらくので、光電流Ｉｐｈｏｔｏ と出力電圧Ｕｏｕｔ との間において対
数変換が行われることになる。
【００２３】 スイッチング接点１８，２８が同時に閉じられたことによる負帰還の増幅作用
は光電流Ｉｐｈｏｔｏ にしか作用を及ぼさない。それというのもホトトランジ
スタ１６のソース電圧は変化しないからである。ここではイマジナルアースもし
くは仮想接地の原理がはたらく。全体としてわかるのは、トランスインピーダン
ス増幅器２２は電流電圧変換器としてはたらくことであり、その際、増幅器２２
の出力インピーダンスは抵抗として接続されたトランジスタ３０をもつフィード
バック分岐２４によって決まり、（抵抗として接続されている）トランジスタ３
０によってトランスインピーダンスが実現される。光３７の明るさの変化により
光電流Ｉｐｈｏｔｏ はそれに比例して変化し、その結果、それに応じて変化し
た出力電圧Ｕｏｕｔ の電圧変位が出力側２６に短い反応時間で生じる。画素１
２内部において寄生容量に光電流Ｉｐｈｏｔｏ が加わらないので、そのような
寄生容量の充放電過程が電流電圧変換に影響を及ぼすことはない。フィードバッ
ク分岐２４内に配置されたトランジスタ３０によって対数変換が実現されるので
、高い出力ダイナミクスつまりは回路１０の高いコントラスト感度が得られるよ
うになる。
【００２４】 トランジスタ３２，３４を介してホトトランジスタ１６の動作点を調節するこ
とができる。これはホトトランジスタ１６が弱反転動作モードに常に保持される
ようにして調節される。トランジスタ３６を介して回路１０の電圧安定化が行わ
れる。この場合、カレントミラーのトランジスタ３６，３８は次のように設計さ
れている。すなわち、たとえトランジスタ３８に電流Ｉｄｅｔ が流れて強い反
転すなわち強反転動作モードにあったとしても、トランジスタ３６は弱反転動作
モードに必ず保持されるように設計されている。このような設計仕様によりホト
トランジスタ１６のゲート端子に一定の電位が生じるので、ホトトランジスタ１
６とトランジスタ３２を介したフィードバックははたらかなくなる。
【００２５】 図２には、図１に対し変形された回路１０の実施形態が示されており、ここで
は同じ部分には同じ参照符号が付されており、それらについては繰り返し説明は
しない。トランジスタ３６，３８から成るカレントミラー回路の設計仕様により
ホトトランジスタ１６のゲート端子に一定の電圧が生じるので、図２に示されて
いるようにトランジスタ３６，３８から成るカレントミラー回路を、ホトトラン
ジスタ１６のゲート端子に加わる基準電圧Ｕｒｅｆ２ と置き換えることができ
る。基準電圧Ｕｒｅｆ２ はここでは、ホトトランジスタ１６が弱反転動作モー
ドに常に保持されるよう選定されている。これによりトランジスタ３２，３６，
３８の形成が不要となる。これにより回路１０の構造が殊に画素１２の領域にお
いて簡単になる。
【００２６】 図３には回路１０の特性曲線が示されており、その際、出力電圧Ｕｏｕｔ が
対数で表された光電流Ｉｐｈｏｔｏ に対して示されている。ここに示されてい
るように、出力信号Ｕｏｕｔ はほぼ直線的な経過特性となる。
【００２７】 図４には、光電流Ｉｐｈｏｔｏ と出力電圧Ｕｏｕｔ との関係が時間軸ｔ上に
示されている。これによれば、コントラストが強いとき（明から暗になるとき）
および照射強度の弱い領域でのコントラストのとき（暗から僅かな暗になるとき
）に出力電圧Ｕｏｕｔ が急激に応答していることから、遅れのない跳躍的応答
の生じていることがわかる。跳躍的応答の遅延時間は最も不利な状況で０．４ｍ
ｓである。破線でライン４０が書き込まれており、これは光電流Ｉｐｈｏｔｏ
が０．１ｐＡのときの出力電圧Ｕｏｕｔ ここでは１．６Ｖに対応している。こ
の一定の光電流Ｉｐｈｏｔｏ ０．１ｐＡから出発して、それ相応に明るさが変
化することに起因して生じるそれに比例した光電流Ｉｐｈｏｔｏ がそれに対応
した跳躍的応答とともに示されている。これはトランスインピーダンス増幅器２
２の差分入力であるため、光電流Ｉｐｈｏｔｏ が高くなると出力電圧Ｕｏｕｔ
の絶対値が小さくなり、これは基準電圧Ｕｒｅｆ１ に対し差が大きいことに相
応する。
【００２８】 図５にはさらに別の変形回路が示されており、ここでも図１および図２と同じ
部分には同じ参照符号が付されており、それらについては繰り返しては説明しな
い。ここに描かれている変形回路によればホトトランジスタ１６のゲート端子は
、フィードバック区間４４を介して増幅器出力側４２と接続されている。このフ
ィードバック区間４４には、スイッチング手段２０のさらに別のスイッチング接
点４６が接続されている。これによれば、抵抗として接続されたトランジスタ３
０を介したフィードバック区間２４と同時にフィードバック区間４４も閉じられ
、ホトトランジスタ１６のゲート端子には光電流に依存する電圧電位が増幅器２
２の出力側４２を介して加えられる。この場合、電圧電位は光電流Ｉｐｈｏｔｏ に依存するので、ホトトランジスタ１６の動作は弱反転動作モードに保持され
る。これにより回路１０の安定性がさらに高まり、いわゆるスミヤ作用がなおい
っそう低減される。
【００２９】 図５には破線で別の実施形態が示されている。これによればフィードバック区
間４４に、弱反転で動作するトランジスタ３０の代わりに強反転で動作するトラ
ンジスタ５０を挿入接続することができる。これはスイッチング手段２０のスイ
ッチング接点４８を介して制御可能である。このような回路構成によれば、場合
によっては望まれる線形の変換を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施例による画素の回路を示す図である。
【図２】 第２の実施例による画素の回路を示す図である。
【図３】 図２による回路の特性図である。
【図４】 図１および図２による回路の別の特性図である。
【図５】 第３の実施例による画素の回路を示す図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年３月２６日（２００２．３．２６）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローラン コシャール スイス国 モルジェ アヴニュ ア−アン ドレ ７ Ｆターム(参考） 4M118 AA02 AA10 AB01 BA14 CA02 DD09 DD10 FA06 5C024 CX13 CY47 GX04 GX16 HX01 HX40

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マトリックス状に配置された光感応画素（ピクセル）が設け
    られており、 各画素は１つのホトトランジスタを有しており、該ホトトランジスタの出力光
    電流は対数的に増幅され電圧信号として評価回路へ導かれる、 ビデオセンサチップの回路において、 画素（１２）および各画素（１２）に割り当てられた増幅器（２２）が１つの
    共通のコンポーネント内にモノリシックに集積されており、 前記増幅器（２２）はビデオセンサチップの光感応面（１４）の外側に配置さ
    れていることを特徴とする、 ビデオセンサチップの回路。
  2. 【請求項２】 前記増幅器（２２）は、行ごとおよび／または列ごとにマト
    リックスに付加接続可能なスイッチング手段（２０）を介して画素（１２）と接
    続されている、請求項１記載の回路。
  3. 【請求項３】 行ごとおよび／または列ごとに、１つの増幅器（２２）を行
    および／または列のすべての画素（１２）のために付加接続可能である、請求項
    １または２記載の回路。
  4. 【請求項４】 前記増幅器（２２）はトランスインピーダンス増幅器として
    接続されている、請求項１から３のいずれか１項記載の回路。
  5. 【請求項５】 トランスインピーダンス増幅器（２２）のフィードバック区
    間（２４）は弱い反転で動作するトランジスタ（３０）により形成されている、
    請求項１から４のいずれか１項記載の回路。
  6. 【請求項６】 前記トランジスタ（３０）は光感応面（１４）内に配置され
    ており、各画素（１２）といっしょに前記増幅器（２２）に付加接続可能である
    、請求項５記載の回路。
  7. 【請求項７】 前記ホトトランジスタ（１６）は一定のゲート電圧で駆動さ
    れる、請求項１から６のいずれか１項記載の回路。
  8. 【請求項８】 前記ホトトランジスタ（１６）のゲート端子はトランジスタ
    （３６，３８）から成るカレントミラー回路と接続されている、請求項７記載の
    回路。
  9. 【請求項９】 前記ホトトランジスタ（１６）のゲート端子は一定の基準電
    圧源（Ｕｒｅｆ）と接続されている、請求項７記載の回路。
  10. 【請求項１０】 前記ホトトランジスタ（１６）のゲート端子は、フィード
    バック分岐（４４）を介して増幅器（２２）の出力側（４２）と接続されていて
    、該ホトトランジスタ（１６）のゲート電圧は光電流に依存する、請求項７記載
    の回路。
  11. 【請求項１１】 前記フィードバック分岐（４４）はスイッチング手段（２
    ０）のスイッチング接点（４６）を有する、請求項１０記載の回路。
JP2001560124A 2000-02-19 2001-02-14 ビデオセンサチップの回路 Pending JP2003523153A (ja)

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EP (1) EP1262061B1 (ja)
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KR (1) KR20020077911A (ja)
DE (2) DE10007689A1 (ja)
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