JP2013236170A - 固体撮像装置および車載制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各画素の画素信号とともに種々の画像特徴量を出力する。
【解決手段】ＣＤＳ回路３は、スイッチにより接続／切り離し可能な２つのキャパシタを備え、画素から与えられるリセット電位と信号電位との差分に応じた画素信号を一方のキャパシタに生成した後、その電荷の一部を他方のキャパシタに分配して２つの独立した画素信号を生成する。平均回路１９は、各ＣＤＳ回路３の他方のキャパシタの一端を共通に接続しており、平均値信号を生成する。照度検出部２４は、各画素行の平均値信号を加算して、画素アレイ２の受光面の照度を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体撮像装置およびこれを用いた車載制御装置に関する。

車両には、運転者の操作負担を軽減するために、オートライト装置、オートワイパ装置、オートエアコン装置などが搭載されている。オートライト装置は、周囲の明るさに応じてライトを自動点灯／自動消灯するもので、周囲の明るさを検出する照度センサが必要である。オートワイパ装置は、降雨時にワイパの払拭動作を自動で行うもので、ウィンドシールドに付着した雨滴を検出する雨滴センサが必要である。オートエアコン装置は、車室内で日射を受ける位置に吹き出される空調風の温度や風量を制御するため、日射方位を検出する日射センサが必要である。

従来、こうした画像特徴量（照度、雨滴、日射）を検出するセンサにはＣＣＤカメラなどが用いられてきた。特許文献１には、ＣＣＤカメラから出力される画像データの画素当たりの照度変化量に基づいて雨滴の輪郭を検出する方法が記載されている。この雨滴検出方法は、雨滴検出領域の画面照度（ヒストグラムのピーク値または画面の全画素データの平均値）を算出し、画素当たりの照度変化量を画面照度に基づいて算出した閾値によって識別して雨滴の輪郭を検出している。

特開平１０−１４８６８１号公報

従来、画素当たりの照度変化量や画面照度の算出は画像処理により行われているので計算量が多くなる。このため、高速プロセッサや大容量メモリなどのハードウェア資源が必要となる。また、画像特徴量（照度、雨滴、日射）を検出する各種センサは何れも固体撮像装置を用いているが、検出する画像特徴量が異なるため、従来は別々の検出装置として設けられていた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、各画素の画素信号とともに種々の画像特徴量を出力可能な固体撮像装置およびこれを用いた車載制御装置を提供することにある。

本発明に係る固体撮像装置は、
光電変換素子（ＰＤ）、電荷蓄積部（ＦＤ）、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷を転送する電荷転送部（Ｍ１）、電荷状態をリセットするリセット部（Ｍ２）および前記電荷蓄積部の電荷に基づく電位を出力する出力部（１３）を有する画素（Ｐ）が行列状に配置されてなる画素アレイ（２）と、
前記画素アレイの画素列ごとに設けられ、同じ画素列に属する画素の出力部が共通に接続された垂直信号線（１１）と第１出力ノード（１４）との間に設けられた第１キャパシタ（Ｃｃ）、一端が第２出力ノード（１５）に接続された第２キャパシタ（Ｃｓｈ）、前記第１出力ノードと前記第２出力ノードとの間に設けられた第１スイッチ（Ｍｓｈ）、および前記第１出力ノードから引き出される第１出力ライン（１６）に設けられた第２スイッチ（Ｍr2）を備えたＣＤＳ回路（３）と、
前記画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路の第１出力ラインを共通に接続し、その共通接続ノード（２２）に生成される平均値信号を出力する特徴量演算回路（７）と、
前記各ＣＤＳ回路の第１スイッチをオン、第２スイッチをオフした状態で、前記リセット部により画素の電荷状態をリセットして当該画素からリセット電位が出力されているときと、前記電荷転送部により前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷を転送して当該画素から信号電位が出力されているときとで前記ＣＤＳ回路に与える基準電位の状態を相違させることにより、これらリセット電位と信号電位との差分に応じた画素信号を前記第２キャパシタに生成し、その後、前記第１スイッチをオフして前記第１キャパシタの電荷を初期化してから前記第１スイッチをオンして前記第２キャパシタの電荷の一部を前記第１キャパシタに分配し、前記第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンすることにより前記画素信号の平均値信号を生成する制御部（１８）とを備えたことを特徴とする。

本手段のＣＤＳ回路は、第１スイッチを介して接続可能な第１キャパシタと第２キャパシタを備えている。この構成によれば、リセット電位と信号電位との差分に応じた画素信号を第２キャパシタに生成した後、第２キャパシタの電荷の一部を第１キャパシタに分配することにより、第１出力ノードからも画素信号を出力可能となる。特徴量演算回路は、画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路の第１出力ラインを共通に接続している。従って、電荷の分配後、各ＣＤＳ回路の第１出力ラインに設けられた第２スイッチをオンすれば、共通接続ノードに画素信号の平均値信号が生成される。

本手段によれば、高速プロセッサや大容量メモリなどのハードウェア資源を追加することなく、ＣＤＳ回路を利用して画像特徴量である平均値信号を容易に生成することができる。また、第１出力ノードの画素信号を用いて平均値信号を生成するので、この平均値信号と第２出力ノードの画素信号とを並行して出力することができる。特徴量演算回路は、第２出力ノードの画素信号を順次入力して、２つの画素信号の絶対値差分信号、入力された画素信号のうち最大値をとる画素位置を示す最大位置信号などの種々の画像特徴量を出力することができる。

本発明に係る車載制御装置は、車両のウィンドシールド（２８）を通して外光が画素アレイ（２）の受光面に入射されるようにウィンドシールド近傍に取り付けられた固体撮像装置（１）を備えている。さらに、固体撮像装置の照度検出部（２４）で検出された画素アレイの受光面の照度に基づいて車両のライトを自動点灯および／または自動消灯するオートライト装置（２９）、固体撮像装置の雨滴検出部（２５）で検出された画素アレイの受光面に映る雨滴の量に基づいて車両用ワイパの払拭動作を自動で行うオートワイパ装置（３０）、または固体撮像装置の日射検出部（２６）で検出された画素アレイの受光面への日射方位に基づいて車室内への空調風の吹出状態を自動制御する車両用空調装置（３１）を備えている。本手段によれば、これらの車載制御装置の間で固体撮像装置を共通化できる。

本発明の第１の実施形態を示すＣＭＯＳイメージセンサの構成図 画素の構成図 ＣＤＳ回路の構成図 平均回路の構成図 差分回路の構成図 ＷＴＡ回路の構成図 タイミングチャート 本発明の第２の実施形態を示す車載制御装置の概略構成図 ＣＭＯＳイメージセンサの車両への取り付け状態を示す図

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について図１ないし図７を参照しながら説明する。
図１に示すＣＭＯＳイメージセンサ１（固体撮像装置）は、画素ＰがＭ行Ｎ列に行列状に配置されてなる画素アレイ２、ＣＤＳ回路３、垂直走査回路４、水平走査回路５、タイミング制御部６、特徴量演算回路７、ゲインコントロールアンプ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ（以下、ＧＣＡと称す）、Ａ／Ｄコンバータ９、出力データ処理部１０を備えて構成されている。画素アレイ２には画素列ごとに垂直信号線１１が配線されている。同じ画素列に属する画素Ｐは、当該画素列に対し設けられた垂直信号線１１に接続されている。なお、簡易表記のため、画素Ｐ、ＣＤＳ回路３などでは内部ノードをドットで示している。

画素Ｐは、図２に示すようにフォトダイオードＰＤ（光電変換素子）、静電容量をもつフローティングディフュージョンＦＤ（電荷蓄積部）、転送トランジスタＭ１（電荷転送部）、リセットトランジスタＭ２（リセット部）、増幅トランジスタＭ３および選択トランジスタＭ４から構成されている。これらのトランジスタＭ１〜Ｍ４は、例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタから構成されている。

転送トランジスタＭ１は、フォトダイオードＰＤのカソードとフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続されている。転送トランジスタＭ１は、Ｈレベルの転送信号φＴｒｎが与えられると、フォトダイオードＰＤで光電変換されて蓄積された電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送する。

リセットトランジスタＭ２は、リセット電圧線１２とフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続されている。転送トランジスタＭ１がオンしている時にＨレベルのリセット信号φＲｓｔが与えられると、リセットトランジスタＭ２は、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤの電荷状態をリセットする。

増幅トランジスタＭ３は、フローティングディフュージョンＦＤの電位をゲート電位とするソースフォロアの接続形態を持つ。選択トランジスタＭ４は、増幅トランジスタＭ３と垂直信号線１１との間に接続されており、Ｈレベルの選択信号φＳｅｌが与えられるとオンする。これら増幅トランジスタＭ３と選択トランジスタＭ４により出力部１３が構成されている。出力部１３は、Ｈレベルの選択信号φＳｅｌに従ってフローティングディフュージョンＦＤの蓄積電荷に基づく電位（リセット電位／信号電位）を出力する。

通常のＣＭＯＳイメージセンサでは、リセット電位は一定ではなく、画素ごとまたはフレームごとに揺らぐ（ｋＴ／Ｃノイズ）。ＣＤＳ回路３（相関二重サンプリング回路）は、この画素に生じるリセットノイズ、増幅トランジスタＭ３のしきい値のばらつきなどの画素固有の固定パターンノイズを除去するノイズ除去回路である。本実施形態のＣＤＳ回路３は、ノイズ除去機能のみならず、特徴量演算回路７とともに種々の画素特徴量（平均値信号、絶対値差分信号、最大位置信号）を生成する機能を有している。

図３は、ＣＤＳ回路３の構成を示している。垂直信号線１１とノード１４（第１出力ノード）との間にはキャパシタＣｃ（第１キャパシタ）が接続されている。ノード１５（第２出力ノード）とグランドとの間にはキャパシタＣｓｈ（第２キャパシタ）が接続されている。これらキャパシタＣｃとＣｓｈは、互いに等しい容量値を持つように構成されている。ノード１４、１５の間には、信号φＳＨをゲート信号とするＭＯＳトランジスタＭｓｈ（第１スイッチ）が接続されている。

垂直信号線１１とグランドとの間に接続されたＭＯＳトランジスタＭｂは、画素Ｐを構成する増幅トランジスタＭ３の負荷トランジスタであり、ゲートにバイアス電圧Ｖｂが与えられている。ＭＯＳトランジスタＭｃは、クランプ電圧Ｖｒ（基準電位に相当）を持つ電圧線とノード１４との間に接続されており、信号φＣをゲート信号とする。ＭＯＳトランジスタＭｃは、画素Ｐから出力されるリセット電位と信号電位の差分に応じた画素信号を生成する際に用いられる。

ＭＯＳトランジスタＭr1、Ｍr2、Ｍr3、Ｍr4は、それぞれ信号φＲ１、φＭ、φＲ２、φＲ２をゲート信号とし、少なくともキャパシタＣｃ、Ｃｓｈの電荷をゼロに初期化するときにオンされる。加えて、ＭＯＳトランジスタＭr1は、キャパシタＣｓｈの電荷の一部をキャパシタＣｃに分配して平均値信号を得る際にもオンされる。また、ノード１４から引き出される出力ライン１６（第１出力ライン）に設けられたＭＯＳトランジスタＭr2（第２スイッチ）は、キャパシタＣｃの電荷を特徴量演算回路７に取り出す際にもオンされる。

ＭＯＳトランジスタＭａはソースフォロアの接続形態を持ち、そのゲートとノード１５との間の出力ライン１７（第２出力ライン）にはＭＯＳトランジスタＭｙ（第３スイッチ）が接続されている。ＭＯＳトランジスタＭｙは、画素列ごとに与えられる信号φＹｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）をゲート信号とする。これらＭＯＳトランジスタＭａ、Ｍｙは、ノード１５の電位を特徴量演算回路７に取り出す際に用いられる。

図１に示す垂直走査回路４は、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等によって構成されており、各行ごとに上記リセット信号φＲｓｔ、転送信号φＴｒｎおよび選択信号φＳｅｌを出力する。水平走査回路５は、シフトレジスタ、アドレスデコーダ等によって構成されており、ＣＤＳ回路３と特徴量演算回路７に対し、信号φＹ１〜φＹｎ、φＣ、φＳＨ、φＭ、φＲ１、φＲ２、φＲ３、φＤｉｆｆ、φＤ、φＲｓ、φＭａｘ、φＲｍを出力する。

タイミング制御部６は、基準クロックに基づいて垂直走査回路４と水平走査回路５に対し、画素Ｐ、ＣＤＳ回路３、特徴量演算回路７、Ａ／Ｄコンバータ９および出力データ処理部１０の動作タイミングを指令する。垂直走査回路４と水平走査回路５とタイミング制御部６は、制御部１８を構成している。

特徴量演算回路７は、平均回路１９、差分回路２０およびWinner-Take-All回路２１（以下、ＷＴＡ回路と称す）から構成されている。出力データ処理部１０も、ＷＴＡ回路２１に関連して特徴量演算回路７の一部の機能を担っている。平均回路１９は、入力された全ての画素列の画素信号に基づいてその平均値信号を出力する。平均回路１９は、図４に示すようにコモンライン２２（共通接続ノード）を有している。コモンライン２２には、画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路３の出力ライン１６が共通に接続されている。ＭＯＳトランジスタＭｅは、コモンライン２２に生成された平均値信号を出力するように、ソースフォロアの接続形態を有している。コモンライン２２とグランドとの間には、信号φＲ３をゲート信号とするリセット用のＭＯＳトランジスタＭr5が接続されている。

差分回路２０は、ＣＤＳ回路３の出力ライン１７から順次出力される２つの画素信号の絶対値差分信号を出力する。差分回路２０は、図５に示すように、入力電圧と基準電圧Ｖrefとの差電圧に応じた電荷を蓄積するキャパシタＣｄを備えている。入力端とキャパシタＣｄの一端との間には、信号φＤｉｆｆをゲート信号とするＭＯＳトランジスタＭｆが接続されている。キャパシタＣｄの他端（ノード２３）と基準電圧Ｖrefを持つ電圧線との間には、信号φＤをゲート信号とするＭＯＳトランジスタＭｄが接続されている。ＭＯＳトランジスタＭｇは、ノード２３の電圧をゲート電圧とするソースフォロアの接続形態を有しており、そのソースとグランドとの間にはキャパシタＣo1が接続されている。信号φＲｓをゲート信号とするＭＯＳトランジスタＭr6、Ｍr7、Ｍr8は、キャパシタＣｄ、Ｃo1の電荷をゼロに初期化するときにオンされる。

ＷＴＡ回路２１は、各画素列に対応してＣＤＳ回路３の出力ライン１７から順次出力される画素信号のうちの最大値を出力する。ＷＴＡ回路２１は、図６に示すように、ソースフォロアの接続形態を持つＭＯＳトランジスタＭｈを備えている。入力電圧は、信号φＭａｘをゲート信号とするＭＯＳトランジスタＭｍを介してＭＯＳトランジスタＭｈのゲートに与えられる。ＭＯＳトランジスタＭｈのソースとグランドとの間にはキャパシタＣo2が接続されている。信号φＲｍをゲート信号とするＭＯＳトランジスタＭr9は、キャパシタＣo2の電荷をゼロに初期化するときにオンされる。なお、ＣＤＳ回路３および特徴量演算回路７を構成する各ＭＯＳトランジスタも、例えばＮチャネル型のＭＯＳトランジスタから構成されている。

図１に示すように、各画素列のＣＤＳ回路３の出力ライン１７から出力される画素信号は、ＧＣＡ８ａを介してＡ／Ｄコンバータ９に入力される。平均回路１９、差分回路２０、ＷＴＡ回路２１から出力される平均値信号、絶対値差分信号、最大値信号は、それぞれＧＣＡ８ｂ、８ｃ、８ｄを介してＡ／Ｄコンバータ９に入力される。Ａ／Ｄコンバータ９は、タイミング制御部６からのＡ／Ｄ開始信号に基づいて各信号をＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換値を出力データ処理部１０に出力する。

出力データ処理部１０は、照度検出部２４、雨滴検出部２５および日射検出部２６を備えており、加算回路をはじめとするロジック回路により構成されている。照度検出部２４は、平均回路１９から順次出力される全ての画素行についての平均値信号を加算して、画素アレイ２の受光面の照度を検出する。雨滴検出部２５は、各画素行について差分回路２０から順次出力される全ての隣接する画素同士の絶対値差分信号を加算するとともに、当該加算値を全ての画素行について加算することにより、画素アレイ２の受光面に映る雨滴の量を検出する。

日射検出部２６は、画素アレイ２を構成する全ての画素を対象として、ＷＴＡ回路２１から出力される最大値信号が増加した時の画素の位置を検出する。そして、ＷＴＡ回路２１に全ての画素信号を入力された後、最大値信号が最後に増加した時の画素の位置を最大位置信号として出力する。レンズ等を通して外部光が入射される画素アレイ２の受光面のうち、画素信号の最大位置に対応する方位を日射方位として検出する。

次に、本実施形態の作用を説明する。図７は、第１行目の画素行についてのＣＤＳ回路３と特徴量演算回路７のタイミングチャートである。期間１〜期間４は画素（１，１）〜画素（１，Ｎ）の画素信号の生成期間、期間５〜期間７は画素（１，１）〜画素（１，Ｎ）の平均値信号の生成期間、期間８〜期間１１は画素（１，１）と画素（１，２）との絶対値差分信号および画素（１，１）と画素（１，２）を対象とする最大値信号の生成期間である。

期間１は、画素Ｐ、ＣＤＳ回路３および特徴量演算回路７のリセット期間である。制御部１８は、画素Ｐの転送トランジスタＭ１とリセットトランジスタＭ２をオンして、フォトダイオードＰＤとフローティングディフュージョンＦＤの電荷状態をリセット電圧線１２の電圧ＶDDでリセットする。一方、ＣＤＳ回路３と特徴量演算回路７を構成するトランジスタのうちＭＯＳトランジスタＭｃ、Ｍｄを除くすべてのトランジスタをオンして、キャパシタＣｃ、Ｃｓｈ、Ｃｄ、Ｃo1、Ｃo2の電荷をゼロに初期化する。

期間２は、フォトダイオードＰＤの露光期間である。制御部１８は、転送トランジスタＭ１をオフし、リセットトランジスタＭ２を引き続きオンしてフローティングディフュージョンＦＤをリセットする。この期間では、ＣＤＳ回路３と特徴量演算回路７を構成する全てのトランジスタをオフする。

期間３は、フォトダイオードＰＤの露光期間であるとともに、画素Ｐからリセット電位を読み出す期間である。制御部１８は、画素ＰのリセットトランジスタＭ２をオフし、選択トランジスタＭ４をオンする。これにより、画素Ｐは、リセットされたフローティングディフュージョンＦＤの電荷に基づくリセット電位を出力する。一方、制御部１８は、ＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｓｈをオンしてキャパシタＣｃとＣｓｈを接続し、ＭＯＳトランジスタＭｃをオンしてノード１４にクランプ電圧Ｖｒを与える。この時、キャパシタＣｃにはクランプ電圧Ｖｒとリセット電位との差電圧が印加され、キャパシタＣｓｈにはクランプ電圧Ｖｒが印加される。

期間４は、画素Ｐから信号電位を読み出して画素信号を生成する期間である。制御部１８は、画素Ｐの選択トランジスタＭ４をオンしたまま転送トランジスタＭ１をオンする。これにより、画素Ｐは、フォトダイオードＰＤの電荷が転送されたフローティングディフュージョンＦＤの電荷に基づく信号電位を出力する。一方、制御部１８は、ＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｃをオフして、ノード１４に与える基準電位の状態を期間３とは相違させる。

その結果、画素Ｐから出力されるリセット電位と信号電位の差電圧をＶsigとして、ノード１４、１５の電圧Ｖout1（キャパシタＣｓｈの電圧）は（１）式のようになる。
Ｖout1＝Ｖｒ−（Ｃｃ／（Ｃｃ＋Ｃｓｈ））Ｖsig …（１）
キャパシタＣｃとＣｓｈの容量値は等しいので、（１）式は（２）式のようになる。
Ｖout1＝Ｖｒ−Ｖsig／２ …（２）
すなわち、キャパシタＣｓｈには、リセット電位と信号電位の差分に比例し、画素固有の固定パターンノイズが除去された画素信号が生成される。クランプ電圧Ｖｒは、電圧Ｖoutが正の値となるように適宜決定すればよい。

期間５は、キャパシタＣｓｈからキャパシタＣｃに電荷を分配する前の準備として、キャパシタＣｃの電荷をゼロにリセットする期間である。制御部１８は、ＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｓｈをオフした後、ＭＯＳトランジスタＭr1、Ｍr2、Ｍr5をオンする。

期間６は、キャパシタＣｓｈからキャパシタＣｃに電荷を分配する期間である。制御部１８は、ＭＯＳトランジスタＭr1をオンしたまま、ＭＯＳトランジスタＭr2、Ｍr5をオフしてからＭＯＳトランジスタＭｓｈをオンする。キャパシタＣｃとＣｓｈの容量値は等しいので、電荷は等分配され、ノード１４、１５の電圧Ｖout1（キャパシタＣｃ、Ｃｓｈの電圧）は（３）式のようになる。ＭＯＳトランジスタＭａを介したＣＤＳ回路３の出力電圧Ｖout2は、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧をＶthとして（４）式のようになる。
Ｖout1＝（Ｖｒ−Ｖsig／２）／２ …（３）
Ｖout2＝（Ｖｒ−Ｖsig／２）／２−Ｖth …（４）

期間７は、各画素列の画素信号の平均値信号を生成する期間である。制御部１８は、ＭＯＳトランジスタＭｓｈをオフしてキャパシタＣｓｈの電荷を保存した後、ＭＯＳトランジスタＭr2をオンする。これにより、平均回路１９のコモンライン２２を介して、全ての画素列のＣＤＳ回路３のキャパシタＣｃが並列に接続され、コモンライン２２に平均電圧が生成される。平均回路１９は、この平均電圧からＭＯＳトランジスタのしきい値電圧Ｖthだけ低い電圧、すなわち全ての画素列の画素信号の平均値信号を出力する。

期間８は、差分回路２０とＷＴＡ回路２１に、第１列目のＣＤＳ回路３の出力電圧Ｖ１を入力する期間である。制御部１８は、第１列目のＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｙをオンするとともに、差分回路２０のＭＯＳトランジスタＭｆ、ＭｄおよびＷＴＡ回路２１のＭＯＳトランジスタＭｍをオンする。これにより、差分回路２０のキャパシタＣｄは、Ｖ１−Ｖrefの電圧に充電される。また、ＷＴＡ回路２１は、Ｖ１−Ｖthの電圧を出力する。

期間９は、差分回路２０とＷＴＡ回路２１に、第２列目のＣＤＳ回路３の出力電圧Ｖ２を入力する期間である。制御部１８は、差分回路２０のＭＯＳトランジスタＭｄをオフした後、第２列目のＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｙをオンする。これにより、ノード２３の電圧はＶ２−Ｖ１＋Ｖrefとなり、差分回路２０はＶ２−Ｖ１＋Ｖref−Ｖthの電圧を出力する。この電圧は、未だ最終的な絶対値差分電圧ではない。一方、ＷＴＡ回路２１は、Ｖ２＞Ｖ１のときにはＶ２−Ｖthの電圧を出力し、Ｖ２≦Ｖ１のときには期間８で出力したＶ１−Ｖthの電圧を保持する。

期間１０、１１は、差分回路２０に対し期間８、９とは逆順で出力電圧Ｖ２、Ｖ１を入力する期間である。ＷＴＡ回路２１への出力電圧Ｖ１、Ｖ２の入力は不要である。期間１０において、制御部１８は、第２列目のＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｙを引き続きオンするとともに、ＭＯＳトランジスタＭｄをオンする。このとき、キャパシタＣｄはＶ２−Ｖrefの電圧に充電される。

期間１１において、制御部１８は、ＭＯＳトランジスタＭｄをオフした後、第１列目のＣＤＳ回路３のＭＯＳトランジスタＭｙをオンする。これにより、ノード２３の電圧はＶ１−Ｖ２＋Ｖrefとなる。期間９におけるノード２３の電圧がＶ２−Ｖ１＋Ｖrefだったので、Ｖ１−Ｖ２＋Ｖref＞Ｖ２−Ｖ１＋Ｖrefの場合すなわちＶ１＞Ｖ２の場合に限り、差分回路２０はＶ１−Ｖ２＋Ｖref−Ｖthの電圧を出力する。従って、期間１１における差分回路２０は、以下のようにＶ１とＶ２の最終的な絶対値差分電圧を出力する。
Ｖ１＜Ｖ２のとき：Ｖ２−Ｖ１＋Ｖref−Ｖth
Ｖ１＞Ｖ２のとき：Ｖ１−Ｖ２＋Ｖref−Ｖth

図７には示していないが、期間１２以降は画素列を１ずつ進めながら期間８〜期間１１の処理が繰り返される。例えば、期間１２〜期間１５では、画素（１，２）と画素（１，３）との絶対値差分信号および画素（１，１）から画素（１，３）を対象とする最大値信号が生成され、期間１６〜１９では、画素（１，３）と画素（１，４）との絶対値差分信号および画素（１，１）から画素（１，４）を対象とする最大値信号が生成される。

こうして出力された画素信号、平均値信号、絶対値差分信号および最大位置信号は、それぞれＧＣＡ８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄで適切なゲインにより増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ９でＡ／Ｄ変換されて出力データ処理部１０に与えられる。

照度は、画素アレイ２の受光面における平均的な明るさである。このため、照度検出部２４は、各画素列の平均値信号を全ての画素行について加算して照度を求める。雨滴の量は、画素アレイ２の受光面に映る雨滴の輪郭（エッジ）の量に応じた値となる。このため、雨滴検出部２５は、各画素行について全ての隣接する画素同士の絶対値差分信号を加算し、それをさらに全ての画素行について加算して雨滴の量を求める。日射方位は、画素アレイ２の受光面において入射光が最大となる画素位置に対応した方位である。日射検出部２６は、各画面において、ＷＴＡ回路２１から出力される最大値信号（日射の強さ）が最後に増加した画素位置を最大位置信号とする。

以上説明したように、本実施形態のＣＤＳ回路３は、ＭＯＳトランジスタＭｓｈを介して接続／切り離し可能なキャパシタＣｃ、Ｃｓｈを備えている。画素Ｐからリセット電位が出力されているときと信号電位が出力されているときとでノード１４に印加される基準電位の状態を相違させることにより、リセット電位と信号電位との差分に応じた画素信号がキャパシタＣｓｈに生成される。制御部１８は、キャパシタＣｓｈに画素信号を生成した後、キャパシタＣｓｈの電荷の一部をキャパシタＣｃに分配してＭＯＳトランジスタＭｓｈをオフするので、キャパシタＣｃに生成された画素信号とキャパシタＣｓｈに生成された画素信号を別々に利用可能となる。

画素列ごとに設けられたＣＤＳ回路３の出力ライン１６は、ＭＯＳトランジスタＭr2を介して特徴量演算回路７の平均回路１９のコモンライン２２に共通に接続されている。制御部１８は、キャパシタＣｃに画素信号を分配してＭＯＳトランジスタＭｓｈをオフした後、ＭＯＳトランジスタＭr2をオンすることにより、平均回路１９から画素信号の平均値信号を出力することができる。

この場合、平均値信号を画素行分だけ加算すれば受光面全体の照度が得られるので、高速プロセッサや大容量メモリなどからなるハードウェア資源を用いた画像処理が不要になる。また、画素信号の生成とほぼ同時に平均値信号が得られる。このため、外部に対し画素信号と平均値信号を並行して出力することができる。

キャパシタＣｃとＣｓｈの容量値は等しいので、ＣＤＳ回路３がＭＯＳトランジスタＭａを介して出力する画素信号のレベルと、平均回路１９がＭＯＳトランジスタＭｅを介して出力する平均値信号のレベルは、同じレベル基準を持っている。すなわち、ＣＤＳ回路３が出力する画素信号の平均電圧が、平均回路１９が出力する平均値信号の電圧に一致する。従って、ＧＣＡ８ａ、８ｂ相互のゲイン調節が不要になる。

特徴量演算回路７は、平均回路１９の他に、各画素列のＣＤＳ回路３から画素信号を順次選択的に入力して絶対値差分信号および最大位置信号を求める差分回路２０およびＷＴＡ回路２１を備えている。従って、本実施形態のＣＭＯＳイメージセンサ１は、画素ごとの明るさ（画素信号）に加え、照度、雨滴の量、日射方位、日射の強さなどの画像特徴量を出力することができる。これにより、外部に設けた処理回路による画素信号の処理負担が大幅に軽減される。

（第２の実施形態）
次に、第１の実施形態で説明したＣＭＯＳイメージセンサ１を車載制御装置に適用した第２の実施形態について図８および図９を参照しながら説明する。図９に示すように、車両２７の車室内においてウィンドシールド２８の上隅部近傍であってワイパの払拭領域内には、外光がウィンドシールド２８を通して画素アレイ２の受光面に入射するようにＣＭＯＳイメージセンサ１が取り付けられている。

図８に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１は、ライトＥＣＵ２９、ワイパ制御装置３０、エアコンＥＣＵ３１と組み合わされて、それぞれ車載制御装置３２、３３、３４を構成している。これらの装置は、ＣＡＮ（Controller Area Network）などの通信プロトコルに基づく車内ＬＡＮで接続されており、照度、雨滴の量、日射方位、日射の強さなどの画像特徴量を送受信することができる。

ライトＥＣＵ２９（オートライト装置）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１の照度検出部２４で検出された画素アレイ２の受光面の照度に基づいて、車両２７のヘッドライト、テールランプ等のランプ３５を自動点灯および／または自動消灯する。ワイパ制御装置３０（オートワイパ装置）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１の雨滴検出部２５で検出された雨滴の量に基づいて、ワイパモータ３６の駆動を制御してワイパの払拭動作を自動調節する。

エアコンＥＣＵ３１（車両用空調装置）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１の日射検出部２６で検出された画素アレイ２の受光面への日射方位に基づいて、ブロアモータ３７の駆動を制御して車室内への空調風の吹出状態を自動制御する。これにより、車室内で日射を受ける位置に吹き出される空調風の風量を増やすことができる。なお、コンプレッサモータの駆動を制御して空調風の温度を制御してもよい。

本実施形態によれば、これまで別々の固体撮像装置（例えばＣＣＤカメラ）を用いていた複数の車載制御装置が、１つのＣＭＯＳイメージセンサ１を共用化することができる。これにより、ウィンドシールド２８近傍に設けるセンサの数を低減でき、車載制御システムの簡素化を図ることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。

差分回路２０およびＷＴＡ回路２１は、それぞれ必要に応じて設ければよい。
平均回路１９は、全ての画素列の画素信号を対象として平均値信号を生成したが、一部の画素列を対象として画素信号の平均値信号を生成する構成としてもよい。

制御部１８は、ＷＴＡ回路２１に画素アレイ２の一部の画素の画素信号を入力し、その中の最大位置信号を生成してもよい。
出力データ処理部１０を構成する照度検出部２４、雨滴検出部２５、日射検出部２６は、それぞれ必要に応じて設ければよい。また、これらをＣＭＯＳイメージセンサ１の外部に設けてもよい。

照度検出部２４と雨滴検出部２５は、加算処理をした後で除算処理（シフト処理）を行ってもよい。
キャパシタＣｃとＣｓｈの容量値が異なる場合には、ＧＣＡ８ａ、８ｂのゲインを変更することにより相互のゲイン調節を行えばよい。例えば、ＧＣＡ８ａ、８ｂのゲインをキャパシタＣｃとＣｓｈの比率に応じたゲインとすればよい。また、一定電圧（Ｖth）だけレベルシフトした上でキャパシタＣｃとＣｓｈの比率に応じたゲインとしてもよい。

日射検出部２６は、ＷＴＡ回路２１で生成される最大値信号を出力してもよい。この最大値信号は日射の強さを表している。そこで、エアコンＥＣＵ３１は、最大値信号に基づいて車室内への空調風の吹出状態（風量、温度等）を自動制御してもよい。

白黒画像を例に説明したが、カラー画像を対象とする場合には、例えば以下のように構成すればよい。Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素ごとに別々にまたはＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素の全てについて平均値信号を求め、その平均値信号を用いて照度を検出すればよい。Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素ごとに絶対値差分信号を生成し、それらをＲ画素、Ｇ画素、Ｂ画素ごとにまたは全ての画素について加算する。この加算値に基づいて雨滴の量を検出すればよい。Ｒ画素、Ｇ画素、Ｂ画素ごとに個別に最大位置信号を生成し、これら最大位置信号の少なくとも１つを用いて日射方位を検出すればよい。

図面中、１はＣＭＯＳイメージセンサ（固体撮像装置）、２は画素アレイ、３はＣＤＳ回路、７は特徴量演算回路、１１は垂直信号線、１３は出力部、１４はノード（第１出力ノード）、１５はノード（第２出力ノード）、１６は出力ライン（第１出力ライン）、１７は出力ライン（第２出力ライン）、１８は制御部、２２はコモンライン（共通接続ノード）、２４は照度検出部、２５は雨滴検出部、２６は日射検出部、２８はウィンドシールド、２９はライトＥＣＵ（オートライト装置）、３０はワイパ制御装置（オートワイパ装置）、３１はエアコンＥＣＵ（車両用空調装置）、３２、３３、３４は車載制御装置、Ｐは画素、ＰＤはフォトダイオード（光電変換素子）、ＦＤはフローティングディフュージョン（電荷蓄積部）、Ｍ１は転送トランジスタ（電荷転送部）、Ｍ２はリセットトランジスタ（リセット部）、Ｃｃはキャパシタ（第１キャパシタ）、Ｃｓｈはキャパシタ（第２キャパシタ）、ＭｓｈはＭＯＳトランジスタ（第１スイッチ）、Ｍr2はＭＯＳトランジスタ（第２スイッチ）、ＭｙはＭＯＳトランジスタ（第３スイッチ）である。

Claims (12)

1. 光電変換素子（ＰＤ）、電荷蓄積部（ＦＤ）、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷を転送する電荷転送部（Ｍ１）、電荷状態をリセットするリセット部（Ｍ２）および前記電荷蓄積部の電荷に基づく電位を出力する出力部（１３）を有する画素（Ｐ）が行列状に配置されてなる画素アレイ（２）と、
   前記画素アレイの画素列ごとに設けられ、同じ画素列に属する画素の出力部が共通に接続された垂直信号線（１１）と第１出力ノード（１４）との間に設けられた第１キャパシタ（Ｃｃ）、一端が第２出力ノード（１５）に接続された第２キャパシタ（Ｃｓｈ）、前記第１出力ノードと前記第２出力ノードとの間に設けられた第１スイッチ（Ｍｓｈ）、および前記第１出力ノードから引き出される第１出力ライン（１６）に設けられた第２スイッチ（Ｍr2）を備えたＣＤＳ回路（３）と、
   前記画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路の第１出力ラインを共通に接続し、その共通接続ノード（２２）に生成される平均値信号を出力する特徴量演算回路（７）と、
   前記各ＣＤＳ回路の第１スイッチをオン、第２スイッチをオフした状態で、前記リセット部により画素の電荷状態をリセットして当該画素からリセット電位が出力されているときと、前記電荷転送部により前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷を転送して当該画素から信号電位が出力されているときとで前記ＣＤＳ回路に与える基準電位の状態を相違させることにより、これらリセット電位と信号電位との差分に応じた画素信号を前記第２キャパシタに生成し、その後、前記第１スイッチをオフして前記第１キャパシタの電荷を初期化してから前記第１スイッチをオンして前記第２キャパシタの電荷の一部を前記第１キャパシタに分配し、前記第１スイッチをオフ、第２スイッチをオンすることにより前記画素信号の平均値信号を生成する制御部（１８）とを備えたことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記第１キャパシタと前記第２キャパシタの容量値が等しいことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 前記制御部は、前記画素アレイの画素行ごとに、全ての画素列の画素信号の平均値信号を生成し、それを各画素列の画素信号とともに出力することを特徴とする請求項１または２記載の固体撮像装置。
4. 前記画素アレイの全ての画素行について出力された前記画素信号の平均値信号を加算し、前記画素アレイの受光面の照度を検出する照度検出部（２４）を備えたことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記ＣＤＳ回路は、前記第２出力ノードから引き出される第２出力ライン（１７）に第３スイッチ（Ｍｙ）を備え、
   前記特徴量演算回路は、前記画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路の第２出力ラインから出力される画素信号を入力し、入力された２つの画素信号の絶対値差分信号を出力するとともに、入力された画素信号のうち最大値をとる画素位置を示す最大位置信号を出力するように構成され、
   前記制御部は、前記第２キャパシタに画素信号を生成した後、前記各ＣＤＳ回路の第３スイッチを順次選択的にオンして前記絶対値差分信号と前記最大位置信号を生成することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の固体撮像装置。
6. 前記ＣＤＳ回路は、前記第２出力ノードから引き出される第２出力ライン（１７）に第３スイッチ（Ｍｙ）を備え、
   前記特徴量演算回路は、前記画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路の第２出力ラインから出力される画素信号を入力し、入力された２つの画素信号の絶対値差分信号を出力するように構成され、
   前記制御部は、前記第２キャパシタに画素信号を生成した後、前記各ＣＤＳ回路の第３スイッチを順次選択的にオンして前記絶対値差分信号を生成することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の固体撮像装置。
7. 前記ＣＤＳ回路は、前記第２出力ノードから引き出される第２出力ライン（１７）に第３スイッチ（Ｍｙ）を備え、
   前記特徴量演算回路は、前記画素列ごとに設けられた各ＣＤＳ回路の第２出力ラインから出力される画素信号を入力し、入力された画素信号のうち最大値をとる画素位置を示す最大位置信号を出力するように構成され、
   前記制御部は、前記第２キャパシタに画素信号を生成した後、前記各ＣＤＳ回路の第３スイッチを順次選択的にオンして前記最大位置信号を生成することを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載の固体撮像装置。
8. 前記制御部は、前記画素アレイの画素行ごとに、前記各画素列のＣＤＳ回路の第３スイッチを順次オンしながら隣接する画素同士の絶対値差分信号を生成し、
   各画素行について前記隣接する画素同士の絶対値差分信号を加算するとともに当該加算値を各画素行について加算することにより、前記画素アレイの受光面に映る雨滴の量を検出する雨滴検出部（２５）を備えたことを特徴とする請求項５または６記載の固体撮像装置。
9. 前記制御部は、前記画素アレイの画素行ごとに前記各画素列のＣＤＳ回路の第３スイッチを順次オンし、その動作を各画素行について継続して行うことにより最大位置信号を生成し、
   前記最大位置信号に基づいて前記画素アレイの受光面への日射方位を検出する日射検出部（２６）を備えたことを特徴とする請求項５または７記載の固体撮像装置。
10. 車両のウィンドシールド（２８）を通して外光が画素アレイ（２）の受光面に入射されるようにウィンドシールド近傍に取り付けられた請求項４記載の固体撮像装置（１）と、
    この固体撮像装置の照度検出部（２４）で検出された前記画素アレイの受光面の照度に基づいて車両のライトを自動点灯および／または自動消灯するオートライト装置（２９）とを備えたことを特徴とする車載制御装置。
11. 車両のウィンドシールド（２８）を通して外光が画素アレイ（２）の受光面に入射されるようにウィンドシールド近傍に取り付けられた請求項８記載の固体撮像装置（１）と、
    この固体撮像装置の雨滴検出部（２５）で検出された前記画素アレイの受光面に映る雨滴の量に基づいて車両用ワイパの払拭動作を自動で行うオートワイパ装置（３０）とを備えたことを特徴とする車載制御装置。
12. 車両のウィンドシールド（２８）を通して外光が画素アレイ（２）の受光面に入射されるようにウィンドシールド近傍に取り付けられた請求項９記載の固体撮像装置（１）と、
    この固体撮像装置の日射検出部（２６）で検出された前記画素アレイの受光面への日射方位に基づいて車室内への空調風の吹出状態を自動制御する車両用空調装置（３１）とを備えたことを特徴とする車載制御装置。

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