JP6578658B2 - 光電変換装置及び画像生成装置並びに光電変換装置の出力の補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、光電変換装置及び画像生成装置並びに光電変換装置の出力の補正方法に関するものである。

光電変換装置として、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサのようなフォトダイオードを用いたイメージセンサが知られている。

また、フォトダイオードを用いたイメージセンサに対して、光電変換素子にフォトトランジスタを用いることによって高感度化を図ったイメージセンサが知られている（例えば特許文献１を参照。）。

しかし、光電変換素子としてフォトトランジスタを用いたイメージセンサは、フォトトランジスタの電流増幅率（ｈＦＥ）がチップごとにばらつき、同じ光入力強度でもチップが異なると出力値が異なるという問題があった。
また、フォトトランジスタのｈＦＥは温度依存性を持つため、周囲温度が変化した場合に同じ光入力強度でも出力値が異なるという問題があった。

本発明は、光電変換素子としてフォトトランジスタを用いた光電変換装置において、フォトトランジスタのｈＦＥのチップ間ばらつきや温度依存性による出力誤差を補正することを目的とする。

本発明に係る光電変換装置は、フォトトランジスタを含む画素セルと、前記フォトトランジスタと同じ温度特性をもち、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタを含むリファレンスセルと、前記画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換するアナログ−デジタル変換器と、前記リファレンスセルの出力と基準値に基づいて前記デジタル出力に対する補正量を演算する補正量演算部と、前記補正量に基づいて前記デジタル出力を補正する補正部と、を備えた光電変換装置であって、前記リファレンストランジスタのベース領域に互いに異なる電圧が印加されることによって出力特性が互いに異なる複数の前記リファレンスセルが備えられており、前記画素セルのエミッタ出力電流の大きさに応じていずれかの前記リファレンストランジスタを選択するリファレンスセル選択部がさらに備えられており、前記補正量演算部は前記リファレンスセル選択部が選択した前記リファレンスセルの出力を用いて前記補正量を演算することを特徴とする。

本発明の光電変換装置は、光電変換素子としてフォトトランジスタを用いた光電変換装置において、フォトトランジスタのｈＦＥのチップ間ばらつきや温度依存性による出力誤差を補正することができる。

光電変換装置の一実施形態を説明するための概略的なブロック図である。 画素セルの一例について説明するための回路図である。 画素セルの他の例について説明するための回路図である。 リファレンスセルの一例について説明するための回路図である。 リファレンスセルの他の例について説明するための回路図である。 補正量演算部の例について説明するためのブロック図である。 光電変換装置の他の実施形態を説明するための概略的なブロック図である。 光電変換装置のさらに他の実施形態を説明するための概略的なブロック図である。 光電変換装置のさらに他の実施形態を説明するための概略的なブロック図である。 光電変換装置の実施形態における光電変換アレイの例を説明するためのブロック図である。 フォトトランジスタを用いたイメージセンサにおける一般的な補正方法について説明するためのブロック図である。

本発明の光電変換装置において、例えば、上記アナログ−デジタル変換器は、上記リファレンスセルのアナログ出力信号もデジタル信号に変換し、上記補正量演算部は、上記リファレンスセルのアナログ出力信号が変換されたデジタル信号と上記基準値に基づいて上記補正量を演算するようにしてもよい。ただし、本発明の光電変換装置において、上記補正量演算部は、上記リファレンスセルのアナログ出力信号に基づいて上記補正量を演算してもよい。

また、本発明の光電変換装置において、例えば、複数の上記リファレンスセルが備えられており、上記補正量演算部は、上記リファレンスセルの配置位置に応じた出力を用いて対応する上記画素セルに対する上記補正量を演算するようにしてもよい。ただし、本発明の光電変換装置において、上記リファレンスセルは１つであってもよい。

また、本発明の光電変換装置において、例えば、上記リファレンストランジスタのベース領域に互いに異なる電圧が印加されていることによって出力特性が互いに異なっている複数の上記リファレンスセルが備えられており、上記画素セルのエミッタ出力電流の大きさに応じていずれかの上記リファレンストランジスタを選択するリファレンスセル選択部がさらに備えられており、上記補正量演算部は上記リファレンスセル選択部が選択した上記リファレンスセルの出力を用いて上記補正量を演算するようにしてもよい。

本発明の光電変換装置の他の態様は、フォトトランジスタを含む画素セルと、上記フォトトランジスタと同じ温度特性をもち、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタを含むリファレンスセルと、上記画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換するアナログ−デジタル変換器と、上記リファレンスセルの出力と基準値に基づいて上記アナログ−デジタル変換器が参照するリファレンスアナログ量を演算するリファレンスアナログ量演算部と、を備えたものである。

本発明の光電変換装置の上記他の態様において、例えば、複数の上記画素セルと、複数の上記リファレンスセルが備えられており、上記リファレンスアナログ量演算部は、上記リファレンスセルの配置位置に応じた出力を用いて対応する上記画素セルに対する上記リファレンスアナログ量を演算するようにしてもよい。ただし、本発明の光電変換装置の上記他の態様において、上記リファレンスセルは１つであってもよい。

また、本発明の光電変換装置の上記他の態様において、例えば、上記リファレンストランジスタのベース領域に互いに異なる電圧が印加されていることによって出力特性が互いに異なっている複数の上記リファレンスセルが備えられており、上記画素セルのエミッタ出力電流の大きさに応じていずれかの上記リファレンストランジスタを選択するリファレンスセル選択部がさらに備えられており、上記リファレンスアナログ量演算部は上記リファレンスセル選択部が選択した上記リファレンスセルの出力を用いて上記リファレンスアナログ量を演算するようにしてもよい。

本発明の光電変換装置において、例えば、上記リファレンスセルの上記リファレンストランジスタのベース領域は、ベース電位を外部から所望の大きさの電圧に設定できる端子子に接続されているようにしてもよい。なお、本発明の光電変換装置において、上記リファレンストランジスタのベース領域に印加される電圧は、例えば電源線から供給される電源電圧であってもよいし、電源電圧が予め設定された値に変換された電圧であってもよい。

本発明にかかる画像生成装置は、本発明の光電変換装置を備えたものである。画像生成装置としては、例えば、デジタルカメラ、車載用カメラ、医療用カメラ、静脈認証用カメラなどカメラを挙げることができる。

本発明に係る光電変換装置の出力の補正方法は、フォトトランジスタを含む画素セルと、上記フォトトランジスタと同じ温度特性をもち、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタを含むリファレンスセルとを配置し、上記リファレンスセルの出力と基準値に基づいて上記画素セルの出力を補正する。

本発明の実施形態について説明する。
本発明の実施形態はフォトトランジスタのｈＦＥのチップ間ばらつきや温度依存性による出力誤差を補正する。

フォトトランジスタと同じ温度特性をもつ補正用のリファレンストランジスタを含むリファレンスセルを用意する。ここで、フォトトランジスタの温度特性は温度変化に対するフォトトランジスタの電流出力特性である。

例えば、リファレンスセルについて、光信号強度を取得するための画素セルと同じ回路及び同じ方法でＡ／Ｄ変換（アナログ−デジタル変換）してデータを取る。リファレンスセル出力は本来理想的にはいくらの出力になるかは既知なので、ｈＦＥの製造ばらつきや温度特性によって理想値の何倍になったかを求めることができる。画素セルの出力についてデジタル乗算器にてその分を補正することによって、フォトトランジスタのｈＦＥのチップ間ばらつきや温度依存性による出力誤差を補正する。

上記ではＡ／Ｄ変換して得た情報を元に直接データを補正する方法を示した。これに対して、リファレンスセルからのアナログデータを用いてＡ／Ｄ変換器のリファレンス入力信号を生成し、そのリファレンス入力信号を用いて画素セルのアナログデータをＡ／Ｄ変換することでも同じ効果が得られる。これも本発明の一実施様態である。

本発明の実施形態の特徴をまとめると、光電変換素子にフォトトランジスタを用いたイメージセンサなどの光電変換装置において、リファレンスセルからのデータを用いてフィードバック制御を使用せずに増幅率の変動をリアルタイムに補正するものである。

ＣＭＯＳイメージセンサでは通常、画素セル出力は、光によってフォトダイオードに蓄積された電荷による電圧をＭＯＳトランジスタのソースフォロアを介して電圧として出力する。ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサでは、光によってフォトダイオードに蓄積された電荷を転送することで出力を得ている。

ＣＭＯＳイメージセンサとＣＣＤイメージセンサは共にフォトダイオードに電荷を蓄積し、それを信号としている。信号の大きさとしては、光電変換による電荷をフォトダイオードの容量で割った値が電圧として得られる。また、画素セル内で他の容量素子（ＦＤ）にフォトダイオードの電荷を転送し、ＦＤの容量値とフォトダイオードの容量値の比の分だけ電圧増幅して感度を上げている場合もある。一般的に、このことで得られるゲイン（利得）はせいぜい１桁倍〜１０倍程度である。

一方、フォトトランジスタを光電変換素子に用いた場合は、光電変換によって得られた電荷をフォトトランジスタの電流増幅機能で増幅するため、一般的に５０倍〜５００倍程度の信号増幅が見込まれる。光電変換素子としてフォトトランジスタを用いることで、本質的にＣＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサと比べて高感度なイメージセンサを提供できる。

しかしながら、フォトトランジスタにおける電流増幅率は常に狙い通りの値になるわけではなく、チップごとにばらつく。このばらつきの程度は無視できるレベルではなく、何らかの補正をすることが好ましい。また、フォトトランジスタにおける電流増幅率は温度によっても変化するので、温度変化に対する補正もすることが好ましい。

図１１に示された例を用いてフォトトランジスタを用いたイメージセンサの一般的な補正方法を説明する。

フォトトランジスタを用いた画素セルアレイ１０１に配置されているフォトトランジスタの電流増幅率のデータ（ｈＦＥ）が製品のテスト時にチップごとに測定される。また、フォトトランジスタの電流増幅率の温度に対する変化を示すデータ（ｈＦＥ温度係数）が製品のテスト時にチップごとに測定される。

上記のデータが例えば不揮発性メモリからなる記憶部１０３に記憶される。データが記憶された記憶部１０３は、そのデータを取得した画素セルアレイ１０１のチップと組み合わせで使用される。

画素セルアレイ１０１に配置されているフォトトランジスタのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器１０５によってデジタル信号に変換された後、増幅回路１０７によって増幅される。ゲイン量演算部１０９は、画素セルアレイ１０１のチップの温度を検知する温度検知部１１１からの温度データと記憶部１０３に記憶されたデータに基づいて、増幅回路１０７のゲインをどの程度補正すべきかを演算する。増幅回路１０７のゲインはゲイン量演算部１０９からの補正量情報に基づいて補正される。

以上のような手順で補正は可能である。しかし、記憶部１０３や温度検知部１１１を用意しなければならないこと、予め製品のテスト時にデータを取得しなければならないこと、データと画素セルアレイ１０１のチップをセットで扱うように管理しなければならないこと、などの不都合がある。

図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、光電変換装置の一実施形態を説明するための概略的なブロック図である。

この実施形態の光電変換装置は、フォトトランジスタを用いた画素セルが複数配列された画素セルアレイ１のほかに、１個以上のリファレンスセル３を備えている。リファレンスセル３はリファレンストランジスタを備えている。このリファレンストランジスタは、画素セルアレイ１に配置されているフォトトランジスタと同じ温度特性をもつように作成されたものである。

画素セルアレイ１のアナログ出力をデジタル出力に変換するＡ／Ｄ変換器５が設けられている。Ａ／Ｄ変換器５は、画素セルアレイ１からのデータを順にＡ／Ｄ変換器５で取得してデジタルデータにするのと同じように、リファレンスセル３からのデータも取得する。例えば、画素セルアレイ１の数が単に増えたかのように処理される。

リファレンスセル３からのデータは、リファレンスセル３に含まれているリファレンストランジスタのそのときの温度の特性が反映されている。基準となる温度における基準となるチップのデータを予め知っていれば、それと同じにするにはいくらのゲインをかけなければならないかを簡単に演算できる。

このゲインは補正量演算部７によって演算される。補正量演算部７は、リファレンスセル３の出力と基準値に基づいて、Ａ／Ｄ変換器５のデジタル出力に対する補正量を演算する。例えば増幅回路からなる補正部９は補正量演算部７が演算したゲイン（補正量）に基づいてＡ／Ｄ変換器５のデジタル出力を補正する。

リファレンスセル３からのデータの取得は、画素セルアレイ１に配列されている画素セルからのデータ取得と同じ周期で行なってもよいし、適宜間引いてもよい。リファレンスセル３の数が１つの場合はそのデータを用いる。リファレンスセル３の数が複数の場合、その中のいくつかの平均値を用いてもよいし、それぞれの値を画素セルアレイ１に配列されている画素セルのレイアウト位置に応じて選択的に用いてもよい。

図２は、画素セルの一例について説明するための回路図である。
画素セル１１は、例えば、バイポーラトランジスタからなるフォトトランジスタ１３を光電変換セルとして用い、セル選択スイッチ素子１５を付加し、電流としてその出力を得るようにしたものである。フォトトランジスタ１３のコレクタは電源線１７に接続されている。

制御線１９の電位が操作されることでセル選択スイッチ素子１５がオン／オフされる。セル選択スイッチ素子１５がオン状態で画素セル１１が選択されて出力線２１に電流が出力される。

セル選択スイッチ素子１５がオフ状態の時は、画素セル１１から出力線２１に電流が出力されない。光によって発生した電荷はフォトトランジスタ１３のベース電位に蓄積される。この状態で、セル選択スイッチ素子１５がオン状態の時と較べて、フォトトランジスタ１３のベース電位とエミッタ電位は互いに異なる値となっている。セル選択スイッチ素子１５がオン状態にされることによって、過渡的に出力電流が多くなり、次第に安定へと向かう。

図３は、画素セルの他の例について説明するための回路図である。
画素セル１１ａは、図２に示された画素セル１１と比較して、第２セル選択スイッチ素子２３をさらに備えている。

第２セル選択スイッチ素子２３はそのオン／オフが第２制御線２５によって制御される。第２セル選択スイッチ素子２３は、フォトトランジスタ１３、セル選択スイッチ素子１５間の端子と、バイアス線２７との間に接続されている。

画素セル１１ａにおいて、制御線１９によってそのオン／オフが制御され、出力線２１に接続されているセル選択スイッチ素子１５を導通させることでフォトトランジスタ１３からの電流を出力線２１へ流す構成は図２に示された画素セル１１と同じである。

セル選択スイッチ素子１５がオフ状態であって画素セル１１ａが選択されていないときは、セル選択スイッチ素子１５がオフ状態にされたときからある時間が経過した後、第２制御線２５によって第２セル選択スイッチ素子２３がオン状態にされる。第２セル選択スイッチ素子２３が導通されることによって、フォトトランジスタ１３からの電流はバイアス線２７へ流される。

ここである時間とは０以上の時間である。第２セル選択スイッチ素子２３がオン状態にされる時期は、例えば、セル選択スイッチ素子１５がオフ状態にされた直後であってもよいし、少し経過した後であってもよい。第２セル選択スイッチ素子２３は、オン状態にされた後、画素セル１１ａが選択される直前までの任意の時間だけ導通される。このことにより、選択されていない画素セル１１ａのフォトトランジスタ１３の状態を、図２に示された画素セル１１よりも柔軟に制御できる。例えば、画素セル１１ａは、フォトトランジスタ１３の露光時間、リセット時間、リセット電位などを制御できる。

なお、本発明の光電変換装置の実施形態に関わる画素セルは、上記に挙げた例に限られるものではなく、フォトトランジスタを光電変換素子として用いたものであればその形態は問われない。

図４は、リファレンスセルの一例について説明するための回路図である。
リファレンスセル３１は、図２に示された画素セル１１と比較して、フォトトランジスタ１３に替えてリファレンストランジスタ３３を備えている。リファレンスセル３１のその他の構成は、図２に示された画素セル１１と同じである。

リファレンストランジスタ３３は、図２に示された画素セル１１のフォトトランジスタ１３とおよそ同一の形状を備え、同じ温度特性を示すものである。例えば、リファレンストランジスタ３３は、エミッタ領域、コレクタ領域及びベース領域の構造に関してフォトトランジスタ１３と同じ構造を備えている。リファレンストランジスタ３３のベース領域は電源線１７に電気的に接続されている。これにより、リファレンストランジスタ３３のベース電位は電源電位に固定されている。

このように、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタ３３を含むリファレンスセル３１が作成される。そして、リファレンストランジスタ３３の出力を測定することにより、決まった条件下での出力に対してのズレを、リファレンスセル３１の出来具合や温度に関わる特性を包括した形で取得可能となる。

図５は、リファレンスセルの他の例について説明するための回路図である。
リファレンスセル３１ａは、図４に示されたリファレンスセル３１と比較して、リファレンストランジスタ３３のベース領域がバイアス線３５に接続されている点で異なる。

バイアス線３５は、リファレンストランジスタ３３のベース領域のベース電位を外部から所望の大きさの電圧に設定できる端子に接続されている。これにより、リファレンストランジスタ３３のベース電位を外部から設定でき、リファレンスセル３１ａが画素セルの特性をよく表すように最適なベース電位を設定可能となっている。

バイポーラトランジスタの電流増幅率ｈＦＥは、エミッタ出力電流が変化した場合に必ずしも同じ値を保持するとは限らない。バイポーラトランジスタによってはエミッタ出力電流の変化に応じて電流増幅率が大きく変化するものもある。

例えば、リファレンストランジスタ３３のベース領域に互いに異なる大きさのベース電位が供給されている複数のリファレンスセル３１ａが配置される。画素セル１１のフォトトランジスタ１３のエミッタ出力電流の大きさに応じて用いるリファレンスセル３１ａを選択することにより、エミッタ出力電流の変化に応じて電流増幅率が変化してしまうことによる誤差の補正も可能となる。

なお、本発明の光電変換装置の実施形態に関わるリファレンスセルは、上記に挙げた例に限られるものではなく、フォトトランジスタの特性をその出力として表現できるものであればその形態は問われない。

図６は、補正量演算部の例について説明するためのブロック図である。
補正量演算部７は、演算部７ａと基準値記憶部７ｂを備えている。

基準値記憶部７ｂには、基準値として、リファレンスセル３から得られる理想デジタル値（ＲＥＦｉｄｅａｌ）が記憶されている。この理想デジタル値は予め設計時に設定される。

演算部７ａは、リファレンスセル３のアナログ出力信号がＡ／Ｄ変換器５によって変換されたデジタル信号（ＲＥＦ）と理想デジタル値（ＲＥＦｉｄｅａｌ）に基づいて、補正部９のゲイン（補正量）を演算する。例えば、演算部７ａは、理想デジタル値をリファレンスセル３から得たデジタル値で除算（ＲＥＦｉｄｅａｌ÷ＲＥＦ）して得られる値を補正部９のゲインとして演算する。

増幅回路からなる補正部９は、補正量演算部７が演算したゲインに基づいてＡ／Ｄ変換器５のデジタル出力を補正する。

基準値記憶部７ｂに記憶されている理想デジタル値は複数のチップ間で同一値に設定されている。また、この設定された理想デジタル値は温度変化によって変動しない。したがって、図１に示された光電変換装置の実施形態は、画素セルアレイ１に配置されているフォトトランジスタのｈＦＥのチップ間ばらつきや温度依存性による出力誤差を補正することができる。

図７は、光電変換装置の他の実施形態を説明するための概略的なブロック図である。図７において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施形態の光電変換装置は、画素セルアレイ１と、リファレンスセル３と、Ａ／Ｄ変換器４１と、リファレンスアナログ量演算部４３を備えている。

リファレンスアナログ量演算部４３は、リファレンスセル３の出力と基準値に基づいてＡ／Ｄ変換器４１が参照するリファレンスアナログ量を演算する。Ａ／Ｄ変換器４１はリファレンスアナログ量演算部４３からのリファレンスアナログ量に基づいて画素セルアレイ１に配置されている画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換する。

リファレンスセル３の出力は電流である。リファレンスアナログ量演算部４３は電流電圧変換回路である。リファレンスアナログ量演算部４３が出力するリファレンスアナログ量は電圧である。

リファレンスアナログ量演算部４３は、設計時に設定したリファレンスセル３からの電流値（Ｉ）と、設計時に設定したＡ／Ｄ変換器４１のリファレンスアナログ量（Ｖ）の比（Ｉ／Ｖ）を基準値とする。リファレンスセル３からのアナログ信号はリファレンスアナログ量演算部４３によって適切な量に調整され、Ａ／Ｄ変換器４１のリファレンスアナログ量として使用される。

リファレンスアナログ量演算部４３がリファレンスアナログ量の演算に用いる基準値は複数のチップ間で同一値に設定されている。また、この設定された基準値は温度変化によって変動しない。したがって、図７示された光電変換装置の実施形態は、画素セルアレイ１に配置されているフォトトランジスタのｈＦＥのチップ間ばらつきや温度依存性による出力誤差を補正することができる。

リファレンスセル３の数が複数の場合、その中のいくつかの平均値を用いてもよいし、それぞれの値を画素セルアレイ１に配列されている画素セルのレイアウト位置に応じて選択的に用いてもよい。例えば、複数のＡ／Ｄ変換器４１が配置され、Ａ／Ｄ変換器４１ごとにリファレンスセル３が配置されてもよい。

リファレンスセル３からのデータはリファレンスセル３に含まれるリファレンストランジスタのそのときの温度の特性が反映されている。基準となる温度における基準となるチップの特性で、Ａ／Ｄ変換器４１のリファレンスアナログ量がちょうど良い値になるようにリファレンスアナログ量演算部４３の基準値が設定される。

この実施形態の光電変換装置の温度が変化したとき又は画素セルの特性が変化したときに、その変化に応じてリファレンスセル３からの出力も変化する。リファレンスセル３からの出力の変化に応じて、リファレンスアナログ量演算部４３が演算してＡ／Ｄ変換器４１が参照するリファレンスアナログ量も変化する。したがって、画素セルアレイ１に配置されている画素セルの出力に基づくＡ／Ｄ変換器４１のデジタル出力は適切な値に補正される。

図２を参照して説明した光電変換装置の実施形態、及び図５を参照して説明した光電変換装置の実施形態は、リファレンスセル３からの補正データを、フィードバックループを形成せずに用いることにより、ループの安定性の問題や時間遅れの問題から開放される。また、これらの光電変換装置の実施形態は、補正データをリアルタイムで取得して活用するので、図１１に示された一般的な光電変換装置の例と比較して、環境の変化にいち早く対応可能である。

図８は、光電変換装置のさらに他の実施形態を説明するための概略的なブロック図である。図８において、図１と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施形態の光電変換装置は、画素セルアレイ１と、複数のリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎと、Ａ／Ｄ変換器５と、補正量演算部７と、補正部９と、リファレンスセル選択部４５を備えている。ｎは２以上の正の正数である。

リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎは、例えば、それぞれ図５に示されたリファレンスセル３１ａによって構成されており、リファレンストランジスタ３３のベース領域に互いに異なる大きさのベース電位が供給されている。リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎは、互いに異なる大きさのベース電位が供給されていることにより、エミッタ出力電流の大きさが互いに異なっている。

リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのアナログ出力は、Ａ／Ｄ変換器５によってデジタル出力に変換された後、リファレンスセル選択部４５に入力される。リファレンスセル選択部４５に入力されるリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのデジタル入力の大きさは互いに異なっている。

リファレンスセル選択部４５には、画素セルアレイ１に配置されている画素セルのアナログ出力がＡ／Ｄ変換器５によって変換されたデジタル出力も入力される。なお、Ａ／Ｄ変換器５は、画素セルアレイ１に配置されている画素セルのアナログ出力とリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのアナログ出力について、同じ条件でデジタル変換する。

リファレンスセル選択部４５は、画素セルのフォトトランジスタからの電流をＡ／Ｄ変換したデジタル信号値に応じてリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのいずれかを選択する。例えば、リファレンスセル選択部４５は、リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのうち、アナログ出力のＡ／Ｄ変換後のデジタル信号値が画素セルの出力に基づくデジタル信号値に最も近いリファレンスセルを選択する。

補正量演算部７は、リファレンスセル選択部４５が選択したリファレンスセルの出力を用いて補正部９のゲインを演算する。補正部９は補正量演算部７が演算したゲインに基づいて、画素セルアレイ１に配置されている画素セルのアナログ出力がＡ／Ｄ変換器５によって変換されたデジタル出力値を補正する。

図９は、光電変換装置のさらに他の実施形態を説明するための概略的なブロック図である。図９において、図７、図８と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。

この実施形態の光電変換装置は、画素セルアレイ１と、複数のリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎと、Ａ／Ｄ変換器４１と、リファレンスアナログ量演算部４３と、リファレンスセル選択部４７を備えている。リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎの構成は、図８を参照して説明した光電変換装置の実施形態のものと同じである。

リファレンスセル選択部４７には、画素セルアレイ１に配置されている画素セルのアナログ出力（電流）と、リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのアナログ出力（電流）が入力される。リファレンスセル選択部４７に入力されるリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのアナログ出力の大きさは互いに異なっている。

リファレンスセル選択部４７は、画素セルのフォトトランジスタからの電流の大きさに応じてリファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのいずれかを選択する。例えば、リファレンスセル選択部４７は、リファレンスセル３−１，３−２，…，３−ｎのうち、電流値が画素セルのフォトトランジスタからの電流値に最も近いリファレンスセルを選択する。

リファレンスアナログ量演算部４３は、リファレンスセル選択部４７が選択したリファレンスセルの出力を用いてＡ／Ｄ変換器４１のリファレンスアナログ量を演算する。Ａ／Ｄ変換器４１はリファレンスアナログ量演算部４３が演算したリファレンスアナログ量に基づいて、画素セルアレイ１に配置されている画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換する。

図８を参照して説明した光電変換装置の実施形態及び図９を参照して説明した光電変換装置の実施形態は、フォトトランジスタのエミッタ出力電流の変化に応じて電流増幅率が変化してしまうことによる誤差の補正も可能となる。

図２や図３に示されたような光電変換機能を有する画素セルを２次元方向に複数配置し、光電変換アレイを形成することでイメージセンサを形成できる。
図１０は、光電変換装置の実施形態における光電変換アレイの例を説明するためのブロック図である。

画素セル１１−１１，１１−１２，…，１１−ｍｎが２次元方向に配列されている。例えば、画素セル１１−１１，１１−１２，…，１１−ｍｎは図２に示された画素セル１１と同じ構成のものである。ｍ，ｎは正の整数である。

例えば画素セルの配列に沿って複数のリファレンスセル３１−１，３１−２，…，３１−ｍが配列されている。例えば、リファレンスセル３１−１，３１−２，…，３１−ｍは図４に示されたリファレンスセル３１と同じ構成のものである。例えば、リファレンスセルは画素セルの配列の左端の１列に配列されている。

画素セル１１−１１，１１−１２，…，１１−ｍｎとリファレンスセル３１−１，３１−２，…，３１−ｍの配列に合わせて、行選択線１９−１，１９−２，…，１９−ｍと、列電流出力線２１−０，２１−１，…，１９−ｎが配置されている。

各セルからの出力電流は、電流電圧変換回路アレイ５ａで電圧に変換された後、Ａ／Ｄ変換回路アレイ５ｂに入力されてデジタルデータへと変換されて画像信号データとして出力される。光強度を出力する画素セルと同様にリファレンスセルのデータも取得される。

Ａ／Ｄ変換回路アレイ５ｂから出力された画像信号データの内、リファレンスセルから得られた情報を元に補正値を演算し、その補正値を用いて光強度を出力する画素セルのデータを補正する。

この実施形態例において、例えばＡ／Ｄ変換回路アレイ５ｂの消費電力が大きく、チップの温度がＡ／Ｄ変換回路アレイ５ｂの部分だけ高いような場合を想定する。このとき、チップ内に、Ａ／Ｄ変換回路アレイ５ｂから遠ざかるほど温度が低くなっていく温度勾配が形成される。

この実施形態例のように、列方向にリファレンスセルが配置されていると、同一行の画素セルの温度は同一行のリファレンスセルの温度と強い相関をもつ。したがって、同一行のリファレンスセルのデータを用いてその行の画素セルの出力の補正をすることにより、チップ内の温度勾配による画素セルの出力誤差を緩和できる。

図１０におけるリファレンスセルの配置例は一例であり、リファレンスセルの配置位置や、どのリファレンスセルのデータをどの画素セルのデータの補正に使用するかは上記実施形態に限られるものではない。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態での数値、材料、配置、個数等は一例であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

３ リファレンスセル
５ Ａ／Ｄ変換器
７ 補正量演算部
９ 補正部
１１，１１ａ，１１−１１，１１−１２，…，１１−ｍｎ 画素セル
１３ フォトトランジスタ
３１，３１ａ，３１−１，３１−２，…，３１−ｍ リファレンスセル
４１ Ａ／Ｄ変換器
４３ リファレンスアナログ量演算部
４５，４７リファレンスセル選択部

特開２０１２−２８９７５号公報

Claims (9)

1. フォトトランジスタを含む画素セルと、
   前記フォトトランジスタと同じ温度特性をもち、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタを含むリファレンスセルと、
   前記画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   前記リファレンスセルの出力と基準値に基づいて前記デジタル出力に対する補正量を演算する補正量演算部と、
   前記補正量に基づいて前記デジタル出力を補正する補正部と、を備えた光電変換装置であって、
   前記リファレンストランジスタのベース領域に互いに異なる電圧が印加されることによって出力特性が互いに異なる複数の前記リファレンスセルが備えられており、
   前記画素セルのエミッタ出力電流の大きさに応じていずれかの前記リファレンストランジスタを選択するリファレンスセル選択部がさらに備えられており、
   前記補正量演算部は前記リファレンスセル選択部が選択した前記リファレンスセルの出力を用いて前記補正量を演算することを特徴とする光電変換装置。
2. 前記アナログ−デジタル変換器は、前記リファレンスセルのアナログ出力信号もデジタル信号に変換し、
   前記補正量演算部は、前記リファレンスセルのアナログ出力信号が変換されたデジタル信号と前記基準値に基づいて前記補正量を演算する、請求項１に記載の光電変換装置。
3. 複数の前記画素セルと、複数の前記リファレンスセルが備えられており、
   前記補正量演算部は、前記リファレンスセルの配置位置に応じた出力を用いて対応する前記画素セルに対する前記補正量を演算する、請求項１又は２に記載の光電変換装置。
4. フォトトランジスタを含む画素セルと、
   前記フォトトランジスタと同じ温度特性をもち、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタを含むリファレンスセルと、
   前記画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   前記リファレンスセルの出力と基準値に基づいて前記アナログ−デジタル変換器が参照するリファレンスアナログ量を演算するリファレンスアナログ量演算部と、を備えたことを特徴とする光電変換装置。
5. 複数の前記画素セルと、複数の前記リファレンスセルが備えられており、
   前記リファレンスアナログ量演算部は、前記リファレンスセルの配置位置に応じた出力を用いて対応する前記画素セルに対する前記リファレンスアナログ量を演算する、請求項４に記載の光電変換装置。
6. 前記リファレンストランジスタのベース領域に互いに異なる電圧が印加されることによって出力特性が互いに異なる複数の前記リファレンスセルが備えられており、
   前記画素セルのエミッタ出力電流の大きさに応じていずれかの前記リファレンストランジスタを選択するリファレンスセル選択部がさらに備えられており、
   前記リファレンスアナログ量演算部は前記リファレンスセル選択部が選択した前記リファレンスセルの出力を用いて前記リファレンスアナログ量を演算する、請求項４又は５に記載の光電変換装置。
7. 前記リファレンスセルの前記リファレンストランジスタのベース領域は、ベース電位を外部から所望の大きさの電圧に設定できる端子に接続されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の光電変換装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光電変換装置を備えた画像生成装置。
9. フォトトランジスタを含む画素セルと、
   前記フォトトランジスタと同じ温度特性をもち、動作状態が電気的に固定されたリファレンストランジスタを含むリファレンスセルと、
   前記画素セルのアナログ出力をデジタル出力に変換するアナログ−デジタル変換器と、
   を備えた光電変換装置の出力の補正方法であって、
   前記光電変換装置には、前記リファレンストランジスタのベース領域に互いに異なる電圧が印加されることによって出力特性が互いに異なる複数の前記リファレンスセルが備えられており、
   前記画素セルのエミッタ出力電流の大きさに応じていずれかの前記リファレンストランジスタを選択し、選択した前記リファレンスセルの出力と基準値に基づいて前記デジタル出力に対する補正量を演算し、前記補正量に基づいて前記デジタル出力を補正することを特徴とする光電変換装置の出力の補正方法。

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