JP2953297B2 - 受光素子およびその駆動方法 - Google Patents
受光素子およびその駆動方法Info
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- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
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- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
- G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/50—Control of the SSIS exposure
- H04N25/53—Control of the integration time
-
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- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
- H04N25/77—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components
- H04N25/772—Pixel circuitry, e.g. memories, A/D converters, pixel amplifiers, shared circuits or shared components comprising A/D, V/T, V/F, I/T or I/F converters
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、CCDイメージセン
サ等に用いられる受光素子と、その駆動方法に関するも
のである。
サ等に用いられる受光素子と、その駆動方法に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来の受光素子と、その駆動方法の一例
を図3(a)および(b)にそれぞれ示す。受光素子
は、図3(a)に示すように、トランスファーゲート素
子1と電荷蓄積機能2を合わせ持つ、逆バイアスされた
ホトダイオード3により構成されている。このような受
光素子と電荷結合素子(CCD)とを組み合わせること
により、インターライン形CCDイメージセンサなどが
開発されている。
を図3(a)および(b)にそれぞれ示す。受光素子
は、図3(a)に示すように、トランスファーゲート素
子1と電荷蓄積機能2を合わせ持つ、逆バイアスされた
ホトダイオード3により構成されている。このような受
光素子と電荷結合素子(CCD)とを組み合わせること
により、インターライン形CCDイメージセンサなどが
開発されている。
【0003】実際の動作を図3(a)および(b)を使
って説明する。図中のVL1は0Vの電位に保たれ、V
H1は正の電位に保たれている。CCDと組み合わされ
た場合には、VH1はCCDのチャネル部と接続され
る。トランスファーゲート素子のゲート電極であるTG
端子には、図3(b)に示されるように、パルス電圧を
印加する。オン電圧であるVH0が印加されるとホトダ
イオードは逆バイアス状態となる。この後、TG端子に
トランスファーゲート素子のオフ電圧であるVL0電圧
を印加すると、ホトダイオードの一端であるPDOUT
端子の電位は、図3(b)に示すように入射光量に依存
して経過時間と共に電位が変化する。図3(b)でaと
記した曲線は、b,cに比べて入射光量が大きい場合で
あり、曲線cは最も入射光量が少ない場合に対応する。
時間Tが経過して、次のリセット電圧であるVH0電圧
が印加される直前にはそれぞれa0 ,b0 ,c0 の電位
となり、この電位から入射光量を測定できる。またTG
端子にVH0電圧を印加した際にVH1から流れ込む電
流の積分量を測定することでも入射光量の測定が行え
る。インターライン型CCDイメージセンサを構成する
場合には、TG端子にVH0電圧を印加する際に、CC
Dに混入する電荷量によって入射光量を測定することが
できる。
って説明する。図中のVL1は0Vの電位に保たれ、V
H1は正の電位に保たれている。CCDと組み合わされ
た場合には、VH1はCCDのチャネル部と接続され
る。トランスファーゲート素子のゲート電極であるTG
端子には、図3(b)に示されるように、パルス電圧を
印加する。オン電圧であるVH0が印加されるとホトダ
イオードは逆バイアス状態となる。この後、TG端子に
トランスファーゲート素子のオフ電圧であるVL0電圧
を印加すると、ホトダイオードの一端であるPDOUT
端子の電位は、図3(b)に示すように入射光量に依存
して経過時間と共に電位が変化する。図3(b)でaと
記した曲線は、b,cに比べて入射光量が大きい場合で
あり、曲線cは最も入射光量が少ない場合に対応する。
時間Tが経過して、次のリセット電圧であるVH0電圧
が印加される直前にはそれぞれa0 ,b0 ,c0 の電位
となり、この電位から入射光量を測定できる。またTG
端子にVH0電圧を印加した際にVH1から流れ込む電
流の積分量を測定することでも入射光量の測定が行え
る。インターライン型CCDイメージセンサを構成する
場合には、TG端子にVH0電圧を印加する際に、CC
Dに混入する電荷量によって入射光量を測定することが
できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の受光素子では、
入射光量が大きい場合にリセット周期である時間Tが経
過する前に、ホトダイオードの逆バイアス状態からの放
電による電位低下が完了してしまい、その入射光量近傍
の光量に対して同一の信号レベルしか与えない問題を抱
えていた。すなわち、一定光量以上では入射光量に対し
て感度を持たない飽和状態となってしまう。受光素子
は、想定する測定範囲で飽和しない条件を満たさなけれ
ばならず、このための感度抑制も必要となる。
入射光量が大きい場合にリセット周期である時間Tが経
過する前に、ホトダイオードの逆バイアス状態からの放
電による電位低下が完了してしまい、その入射光量近傍
の光量に対して同一の信号レベルしか与えない問題を抱
えていた。すなわち、一定光量以上では入射光量に対し
て感度を持たない飽和状態となってしまう。受光素子
は、想定する測定範囲で飽和しない条件を満たさなけれ
ばならず、このための感度抑制も必要となる。
【0005】又、CCDと組み合わせたイメージセンサ
においてはCCDの転送能力の制約条件も加わるので、
特性が抑制されてしまう。
においてはCCDの転送能力の制約条件も加わるので、
特性が抑制されてしまう。
【0006】飽和を解消する一つの手段として、リセッ
ト周期Tを短くすること(イメージセンサではシャッタ
モードと呼ばれている動作もこの一つの方法である)も
実施されているが、リセット動作により、それまでの蓄
積信号が消されてしまう破壊読み出しであるので、低照
度からの信号のように小さな電位変化のものではS/N
である感度の劣化を招く。
ト周期Tを短くすること(イメージセンサではシャッタ
モードと呼ばれている動作もこの一つの方法である)も
実施されているが、リセット動作により、それまでの蓄
積信号が消されてしまう破壊読み出しであるので、低照
度からの信号のように小さな電位変化のものではS/N
である感度の劣化を招く。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明は光電変換と生
成した電荷の蓄積を合わせて行う機能を持ち、逆バイア
スリセット後に浮動状態に保たれているホトダイオード
と、ホトダイオードに逆バイアスリセット電位を与える
スイッチ素子と、浮動状態に保たれた1つのホトダイオ
ード端に並列に接続された複数個のMOSトランジスタ
と、前記ホトダイオードの電位と外部から設定したしき
い値電位とを比較するために設けられた複数個の参照用
MOSトランジスタと、一対の前記複数個のMOSトラ
ンジスタと前記複数個の参照用MOSトランジスタより
構成され、ホトダイオードの電位を参照用MOSトラン
ジスタのゲート電極電位によって外部から設定したしき
い値電位と比較する複数個の比較器と、前記複数個の比
較器と、前記複数個の比較器それぞれに対応して設けら
れた計数素子とからなり、スイッチ素子によりホトダイ
オードがリセットされてからしきい値を越えるまでに要
した時間を数値として出力する構成を備えたことを特徴
とする受光素子およびスイッチ素子にパルス電圧を印加
することで一定周期でホトダイオードに逆バイアスリセ
ット電位を与えた直後から次のリセット電位付与までの
期間、ホトダイオードを浮動状態で光照射しながら保
ち、光照射量に応じた逆バイアス減衰変位動作をさせる
受光素子の駆動方法において、受光素子に具備された複
数個の比較器の各々の比較器の一つの入力端に異なるし
きい値電位を与え、前記複数個の比較器の別の入力端に
は全て逆バイアス印加後浮動状態に保たれたホトダイオ
ードの一端が接続され、比較器の出力信号を計数器入力
とすることでリセット電位付与からホトダイオードの電
位がしきい値と等しくなるまでの時間を数値として計数
出力することをリセット電位付与毎に行うことを特徴と
する受光素子の駆動方法である。
成した電荷の蓄積を合わせて行う機能を持ち、逆バイア
スリセット後に浮動状態に保たれているホトダイオード
と、ホトダイオードに逆バイアスリセット電位を与える
スイッチ素子と、浮動状態に保たれた1つのホトダイオ
ード端に並列に接続された複数個のMOSトランジスタ
と、前記ホトダイオードの電位と外部から設定したしき
い値電位とを比較するために設けられた複数個の参照用
MOSトランジスタと、一対の前記複数個のMOSトラ
ンジスタと前記複数個の参照用MOSトランジスタより
構成され、ホトダイオードの電位を参照用MOSトラン
ジスタのゲート電極電位によって外部から設定したしき
い値電位と比較する複数個の比較器と、前記複数個の比
較器と、前記複数個の比較器それぞれに対応して設けら
れた計数素子とからなり、スイッチ素子によりホトダイ
オードがリセットされてからしきい値を越えるまでに要
した時間を数値として出力する構成を備えたことを特徴
とする受光素子およびスイッチ素子にパルス電圧を印加
することで一定周期でホトダイオードに逆バイアスリセ
ット電位を与えた直後から次のリセット電位付与までの
期間、ホトダイオードを浮動状態で光照射しながら保
ち、光照射量に応じた逆バイアス減衰変位動作をさせる
受光素子の駆動方法において、受光素子に具備された複
数個の比較器の各々の比較器の一つの入力端に異なるし
きい値電位を与え、前記複数個の比較器の別の入力端に
は全て逆バイアス印加後浮動状態に保たれたホトダイオ
ードの一端が接続され、比較器の出力信号を計数器入力
とすることでリセット電位付与からホトダイオードの電
位がしきい値と等しくなるまでの時間を数値として計数
出力することをリセット電位付与毎に行うことを特徴と
する受光素子の駆動方法である。
【0008】
【実施例】本発明について図面を参照して説明する。図
1は本発明の第1の実施例を示す構成図である。リセッ
ト素子1、信号電荷の蓄積機能2を合わせ持つ逆バイア
ス状態のホトダイオード3に加えてホトダイオードの電
位変化を非破壊に読み出すためのMOSトランジスタ4
と外部からのしきい値電位印加を行うための参照用MO
Sトランジスタ5が付加されている。2つのMOSトラ
ンジスタ(4および5)は比較器を構成している。すな
わち、ホトダイオードの電位と外部から与えられるしき
い値電位とを比較してホトダイオードがリセット動作直
後で電位が高いためにMOSトランジスタ4がしきい値
電位を与えている参照用MOSトランジスタ5と比較し
てソース−ドレイン電流が多く流れる状況では出力端A
の電位はRL2に近く、反対に、ホトダイオード電位が
しきい値電位と比較して低いときにはRH2に近い出力
が出力端Bに出力される。比較器の後段に構成されてい
る計数器は計数器の入力端でもあるA端子の電位がRH
2に近い電位からRL2に近い電位に切り替わる時点か
らその逆のRL2に近い電位からRH2に近い電位に切
り替わる時点までの時間経過を数値として出力する機能
を担っている。具体的には、時間計数のためのマスター
クロックとして高周波を計数器の入力端Bに入力して上
記切り替わり時点間の時間経過を計数する。計数された
時間はリセット動作毎に出力端Dから出力される。
1は本発明の第1の実施例を示す構成図である。リセッ
ト素子1、信号電荷の蓄積機能2を合わせ持つ逆バイア
ス状態のホトダイオード3に加えてホトダイオードの電
位変化を非破壊に読み出すためのMOSトランジスタ4
と外部からのしきい値電位印加を行うための参照用MO
Sトランジスタ5が付加されている。2つのMOSトラ
ンジスタ(4および5)は比較器を構成している。すな
わち、ホトダイオードの電位と外部から与えられるしき
い値電位とを比較してホトダイオードがリセット動作直
後で電位が高いためにMOSトランジスタ4がしきい値
電位を与えている参照用MOSトランジスタ5と比較し
てソース−ドレイン電流が多く流れる状況では出力端A
の電位はRL2に近く、反対に、ホトダイオード電位が
しきい値電位と比較して低いときにはRH2に近い出力
が出力端Bに出力される。比較器の後段に構成されてい
る計数器は計数器の入力端でもあるA端子の電位がRH
2に近い電位からRL2に近い電位に切り替わる時点か
らその逆のRL2に近い電位からRH2に近い電位に切
り替わる時点までの時間経過を数値として出力する機能
を担っている。具体的には、時間計数のためのマスター
クロックとして高周波を計数器の入力端Bに入力して上
記切り替わり時点間の時間経過を計数する。計数された
時間はリセット動作毎に出力端Dから出力される。
【0009】図2には本発明の受光素子の駆動方法の1
つの実施例を示した。図2の各記号A、B、D、TG、
PDOUTは図1に構成図で示した受光素子の各端子の
入力電位もしくは電位変化を表している。リセット素子
のゲート電極に図2のTGと記したクロック電位を印加
する。TGクロック電位はリセット素子のオン電位であ
るVH0とオフ電位であるVL0の電位よりなり、周期
Tで繰り返されている。このリセット動作によりホトダ
イオードの一端であるPDOUTの電位はPDOUTと
して図2に示された様に電位変化していく。ホドダイオ
ードへの入射光量が大きい場合には逆バイアス状態すな
わち高電位状態から早い時間に低電位状態に変位し、低
入射状態ではCで示されている曲線のようにゆっくりと
電位変化していく。ここで、MOSトランジスタ4およ
び5で構成される比較器で、ホトダイオードの電位に換
算してPDOUT(図2)のRで示された破線のように
しきい値を与えた場合、入射光量に応じた時間経過後に
しきい値を越えることになる。aの曲線に対応する光量
が入射したことを想定するとAで実線で示したようにa
1のタイミングで立ち上がる矩形波となる。光量が異な
ると立ち上がりのタイミングもb1、c1で示したよう
に異なる。比較器の後段には計数器が接続されており、
図1のBの端子に図2のBのマスタークロックを入力し
て、出力として図2のDに示すような数値を出す。
つの実施例を示した。図2の各記号A、B、D、TG、
PDOUTは図1に構成図で示した受光素子の各端子の
入力電位もしくは電位変化を表している。リセット素子
のゲート電極に図2のTGと記したクロック電位を印加
する。TGクロック電位はリセット素子のオン電位であ
るVH0とオフ電位であるVL0の電位よりなり、周期
Tで繰り返されている。このリセット動作によりホトダ
イオードの一端であるPDOUTの電位はPDOUTと
して図2に示された様に電位変化していく。ホドダイオ
ードへの入射光量が大きい場合には逆バイアス状態すな
わち高電位状態から早い時間に低電位状態に変位し、低
入射状態ではCで示されている曲線のようにゆっくりと
電位変化していく。ここで、MOSトランジスタ4およ
び5で構成される比較器で、ホトダイオードの電位に換
算してPDOUT(図2)のRで示された破線のように
しきい値を与えた場合、入射光量に応じた時間経過後に
しきい値を越えることになる。aの曲線に対応する光量
が入射したことを想定するとAで実線で示したようにa
1のタイミングで立ち上がる矩形波となる。光量が異な
ると立ち上がりのタイミングもb1、c1で示したよう
に異なる。比較器の後段には計数器が接続されており、
図1のBの端子に図2のBのマスタークロックを入力し
て、出力として図2のDに示すような数値を出す。
【0010】図4には本発明の受光素子の駆動方法の1
つの実施例として、比較器に入力するしきい値電位を複
数与えて1,m,nの複数の交差時点を出力する例を示
す。PDOUT電位の読み取りは高インピーダンスのM
OSゲート接続により行うので非破壊読み出しが可能で
あり、複数回の読み取りが行える。しきい値の入力は比
較器を複数並列に接続してそれぞれに計数器を接続する
ことでも実現できるし、しきい値入力用のMOSトラン
ジスタ5に交流波を入力することでも可能である。
つの実施例として、比較器に入力するしきい値電位を複
数与えて1,m,nの複数の交差時点を出力する例を示
す。PDOUT電位の読み取りは高インピーダンスのM
OSゲート接続により行うので非破壊読み出しが可能で
あり、複数回の読み取りが行える。しきい値の入力は比
較器を複数並列に接続してそれぞれに計数器を接続する
ことでも実現できるし、しきい値入力用のMOSトラン
ジスタ5に交流波を入力することでも可能である。
【0011】
【発明の効果】この発明は受光素子の出力信号をホトダ
イオードの電位がしきい値を越えるまでの時間で計るこ
とで、従来の発生電荷を計数する方式では飽和してしま
って読みだせなかった光量大の信号も読み取ることがで
きる。また、電位の読み取りが非破壊で行えるので複数
回の読み取りが可能である。
イオードの電位がしきい値を越えるまでの時間で計るこ
とで、従来の発生電荷を計数する方式では飽和してしま
って読みだせなかった光量大の信号も読み取ることがで
きる。また、電位の読み取りが非破壊で行えるので複数
回の読み取りが可能である。
【図1】本発明の受光素子の実施例の構成図である。
【図2】本発明の受光素子の実施例の駆動方法を示す図
である。
である。
【図3】従来の受光素子の構成図および駆動方法を示す
図である。
図である。
【図4】本発明の第2の実施例を示す図である。
1 リセット素子 2 信号電荷蓄積機能 3 逆バイアスされたホトダイオード 4 ホトダイオードの電位読み取りのためのMOSトラ
ンジスタ 5 しきい値電位印加のための参照用MOSトランジス
タ 6 計数器
ンジスタ 5 しきい値電位印加のための参照用MOSトランジス
タ 6 計数器
Claims (2)
- 【請求項1】光電変換と生成した電荷の蓄積を合わせて
行う機能を持ち、逆バイアスリセット後に浮動状態に保
たれているホトダイオードと、 ホトダイオードに逆バイアスリセット電位を与えるスイ
ッチ素子と、 浮動状態に保たれた1つのホトダイオード端に並列に接
続された複数個のMOSトランジスタと、 前記ホトダイオードの電位と外部から設定したしきい値
電位とを比較するために設けられた複数個の参照用MO
Sトランジスタと、一対の前記複数個のMOSトランジスタと前記複数個の
参照用MOSトランジスタより構成され、ホトダイオー
ドの電位を参照用MOSトランジスタのゲート電極電位
によって外部から設定したしきい値電位と比較する複数
個の比較器と、 前記複数個の比較器と、前記複数個の比較器それぞれに
対応して設けられた計数素子とからなり、 スイッチ素子
によりホトダイオードがリセットされてからしきい値を
越えるまでに要した時間を数値として出力する構成を備
えたことを特徴とする受光素子。 - 【請求項2】スイッチ素子にパルス電圧を印加すること
で一定周期でホトダイオードに逆バイアスリセット電位
を与え、電位を与えた直後から次のリセット電位付与ま
での期間は光照射しながらホトダイオードを浮動状態に
保つことで光照射量に応じた逆バイアス減衰変位動作を
させる受光素子の駆動方法において、受光素子に具備さ
れた複数個の比較器の各々の比較器のしきい値電位を与
える入力端に異なるしきい値電位を与え、前記複数個の
比較器の別の入力端には全て逆バイアス印加後浮動状態
に保たれたホトダイオードの一端が接続され、各々の比
較器の出力信号を前記各々の比較器と対をなす計数器の
入力信号とすることでリセット電位付与からホトダイオ
ードの電位がしきい値と等しくなるまでの時間を数値と
して計数出力することをリセット電位付与毎に行うこと
を特徴とする受光素子の駆動方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6059712A JP2953297B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | 受光素子およびその駆動方法 |
US08/408,032 US5650643A (en) | 1994-03-30 | 1995-03-21 | Device for receiving light used in CCD image sensor or the like |
EP95104287A EP0675345B1 (en) | 1994-03-30 | 1995-03-23 | Device and method for receiving light used in ccd image sensor or the like |
DE69521234T DE69521234T2 (de) | 1994-03-30 | 1995-03-23 | Einrichtung und Verfahren zum Lichtempfang, mit Verwendung in einem CCD-Bildsensor oder ähnlichem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6059712A JP2953297B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | 受光素子およびその駆動方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07274072A JPH07274072A (ja) | 1995-10-20 |
JP2953297B2 true JP2953297B2 (ja) | 1999-09-27 |
Family
ID=13121101
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6059712A Expired - Lifetime JP2953297B2 (ja) | 1994-03-30 | 1994-03-30 | 受光素子およびその駆動方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US5650643A (ja) |
EP (1) | EP0675345B1 (ja) |
JP (1) | JP2953297B2 (ja) |
DE (1) | DE69521234T2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1675383A2 (en) | 2004-12-21 | 2006-06-28 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Image capturing apparatus and method for correcting nonlinear images |
Families Citing this family (76)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
IL119596A0 (en) * | 1996-11-11 | 1997-07-13 | Shefer Mordechai | Method of increasing the dynamic range of image sensors |
DE19729606C2 (de) * | 1997-07-10 | 2000-06-29 | Thomas Streil | Strahlungssensorvorrichtung |
GB2332270A (en) * | 1997-12-10 | 1999-06-16 | Mars Inc | Charge storage photoelectric measurement |
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