JPH03262932A - 電荷蓄積形光センサ回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電荷蓄積形の光センサが受ける光の強度を正
確に検出ないし測定できる光センサ回路とくに多数個を
イメージセンサの形で半導体集積回路装置に組み込むに
適するものに関する。

〔従来の技術〕

光センサは単に光の有無を検出するだけの目的にも用い
られるが、最近の多くの用途では光の強さを正確に１例
えば８〜１６ビツトデータで表せる程度の精度で測定で
き、かつ非常に低い光強度も測定できることが要求され
、さらに前述のイメージセンサの形で利用する場合には
、各光センサを極力小形化して集積回路装置内に多数個
配列することが要求される。

本発明が対象とする電荷蓄積形光センサはこの要求を満
たしうるもので、例えば数十μ角程度の微小なフォトダ
イオードが発生する微弱な光電流をそのダイオード接合
容量に電荷の形で蓄積することにより、非常に暗い光を
受けた場合にもその強度を定量的に測定できる。

また、光センサが受ける光強度は広範囲例えば１：１Ｇ
”〜１０”の範囲内で変化するのがふつうなので、この
光強度を電荷蓄積時間の形で測定することにより、光セ
ンサの測定範囲を広げかつ測定精度を向上できる。もち
ろん、この電荷蓄積時間の形での測定には光センサに若
干の回路を組み合わる必要がある０本発明は光センサと
かかる関連回路を含む光センサ回路に関し、以下その代
表的な従来例を第５図を参照しながら説明する。

第５図の上部に示された電荷蓄積形光センサ１０は、光
りを受けるフォトダイオード１１とその接合容量１２と
からなり、１対の電源電位点ＶｄとＥ間に初期化トラン
ジスタ２０とともに直列接続される。

この初期化トランジスタ２０は、集積回路装置内に簡単
に組み込めるように電界効果トランジスタで権威され、
そのゲートに第６図（ａ）に示す短パルス状の検出開始
指令５Ｔを受けてオン動作することによって、光センサ
１０との接続点の電位Ｖを例えば第６図（ロ）のように
接地電位Ｅに初期化する役目を果たすものである。

光センサ１０のフォトダイオード１１は逆バイアス方向
に電源電圧Ｖｄを受けているので、上の電位Ｖの初期化
と同時にその接合容量１２は電源電圧Ｖｄに充電され、
初期化トランジスタ２０がオフの状態になると光りを受
けるフォトダイオード１１の光電流により放電されるの
で、上述の電位Ｖは第６図（ロ）のように光電流つまり
光りの強度に応じた傾斜で図示のように上昇して行く。

コンパレータ３０はこの可変電位Ｖを基準値ｏｒと比較
するもので、それから取り出される第６図（Ｃ）に示す
検出信号ＤＳの論理状態は、上述の初期化と同時に〜に
セットされ可変電位Ｖの値が基準値ｏｒを越えたとき１
に立ち上がる。この検出信号ＤＳが〜の状態にある時間
、正確には検出開始指令ＳＴの立ち下がりから検出信号
ＤＳが箋に立ち上がるまでの時間Ｔが電荷蓄積時間であ
って、光りの強度が高い程短くなる逆関係にはなるが、
この電荷蓄積時間Ｔによって光センサｌＯが受ける光強
度を表すことができ、例えばクロックパルスで刻むこと
によりその長さを正確に測定できる。

第５図の従来例では、さらに光センサ回路１０の感度が
切り換え可能になっている。初期化トランジスタ２０に
付属する初期値切換スイッチ２１はこのためのもので、
その切り換え位置が図示の状態のときは可変電位Ｖを接
地電位Ｅに初期化するが、図と反対の切り換え位置にあ
るときはこれを接地電位Ｅより高い初期値ｅＯに初期化
する。第６図（イ）はこの場合の可変電位Ｖを、同図（
ｅ）は検出信号ＤＳをそれぞれ示し、光センサ１０が受
ける光強度が同じ時の電荷蓄積時間Ｔは可変電位Ｖを接
地電位Ｅに初期化した同図（Ｃ）の場合より図示のよう
に当然短くなる。

なお、光センサ回路としての感度は、これとは逆に所定
の電荷蓄積時間Ｔ内に測定できる光強度になるから、上
のように可変電位Ｖの初期値ｅＯをコンパレータ３０の
基準値ｏｒにできるだけ近付けて設定し、光強度が低く
可変電圧Ｖが上昇する傾斜が緩やかな場合にも、所定の
電荷蓄積時間Ｔ内に基準値ｏｒに達し得るようにするこ
とによって検出感度を上げることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上説明した従来の電荷蓄積形光センサ回路においては
、原理的には光センサが受ける光強度をその電荷蓄積時
間の形で測定することにより測定精度を高め、測定可能
範囲を広げ、かつ可変電位の初期値を適宜に設定するこ
とにより測定感度を上げることができるが、実際には光
センサ回路の動作がかなりばらつくことがあり、このば
らつきがとくに大きく出ると上述の効果が充分に得られ
なくなってしまう問題がある。

この問題の原因を種々調査した結果、第５図の初期化ト
ランジスタ２０のゲートがもつ静電容量のために、可変
電圧Ｖが第６図（ロ）と（ロ）で破線で示すように接地
電位巳ないしはあらかじめ設定された初期値ｅＯからか
なりずれた状態で初期化される場合があることが判明し
た０図かられかるように、この初期化が正しくなされな
いと、これに応じて同図（Ｃ）と（ｅ）の破線で示す検
出信号ＤＳから得られる電荷蓄積時間が図のＴｏになっ
て、正しい電荷蓄積時間Ｔに対し測定誤差ΔＴが発生す
る。

このように可変電圧Ｖの初期化が所期の値からずれる原
因は、検出開始指令ＳＴ壱ｒＢ、にして初期化トランジ
スタ２０をオン動作させた時、そのゲートの静電容量が
充電されてドレインよりもゲートの電位が高くなってい
るが、検出動作を開始させるため検出開始指令ＳＴをｒ
−にするとゲートが強制的に接地電位Ｅに直かれるので
、ゲートの静電容量の充電状態が残ってドレインの電位
すなわち可変電位Ｖの初期値が所期の値より低まる傾向
になる点にあるものと考えられる。

もちろん、かかるゲートの静電容量の充電状態は、光セ
ンサｌＯ内の接合容量１２やコンパレータ３０内のトラ
ンジスタのゲートの静電容量により一部吸収され、オフ
状態にある初期化トランジスタ２０を介しても若干は放
電されうるが、完全には解消されないで必ず若干は残り
、この充電状態の残存程度が光センサ１０やコンパレー
タ３０内の静電容量や初期化トランジスタ２０の特性の
ばらつきに応じて変わって来るので、光センサ回路の動
作特性にばらつきが出てくるのである。

本発明のｍＭは、かかる問題点を解決して電荷蓄積形光
センサ回路内の可変電位の初期化状態を一定にすること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上述のｍｉＩは本発明によれば、一端が定電位に固定さ
れ他端から経時的に変化する電荷蓄積状態を表す可変電
位が取り出される電荷蓄積形の光センサと、光センサの
他端に接続され検出開始指令をゲートに受ける電界効果
トランジスタで構成され検出開始指令に基づきオン動作
して可変電位を所定の初期値に設定する初期化トランジ
スタと、光センサから可変電位を受けその傭を基準値と
比べて両値の大小に応じ出力の論理状態を反転させるコ
ンパレータと、初期化トランジスタのゲートと同等な静
電容量をもち一端が光センサの他端に接続され他端に検
出開始指令の補信号を受ける補償回路手段とにより光セ
ンサ回路を構成し、コンパレータ出力から光センサが受
けた光強度を電荷蓄積時間の形で表す検出信号を取り出
すことにより解決される。

なお、上記構成中の補償回路手段に初期化トランジスタ
のゲートと同等な静電容量をもたせるには、それを初期
化トランジスタとサブストレート領域を共有しゲートも
同等のサイズに形成された電界効果トランジスタないし
その一部で構成するのがとくに有利である。

また、上記構成中のコンパレータには可変電位を受ける
インバータを用い、その動作しきい値を可変電位と比較
すべき基準値としてコンパレータと同等な動作をさせる
ことが可能である。

〔作用〕

本発明の光センサ回路に組み込まれる補償回路手段は、
前項の構成にいうように初期化トランジスタと同等な静
電容量をもちかつそれとともに光センサに接続される機
能的にはＩＩＭのキャパシタであって、可変電位が前述
のように所望の初期値から低下しようとする瞭にこれを
押し上げて低下分を補償することにより、可変電位があ
らかじめ設定された初期値からずれないようにする作用
を営むものである。

かかる補償作用を行なわせるため、本発明では光センサ
に一端が接続されるこの補償回路手段の他端に前項の構
成にいうよう初期化トランジスタのゲートに対する検出
開始指令の補信号を与えることにより、検出開始指令に
よる初期化トランジスタのゲートの充電に起因する可変
電位の低下分と同程度でかつそれとは逆方向の作用を可
変電位に対して及ぼさせる。

本発明はかかる構成により、可変電位の初期化に際して
それが予定の初期値よりも低下しようとする分を補償回
路手段によって正確に持ち上げることにより課題を解決
するものである。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の具体実施例を説明する
。第１図は本発明の電荷蓄積形光センサ回路５０をそれ
を集積回路装置に複数個組み込んだイメージセンサの形
で示し、第２図には補償回路手段４０を初期化トランジ
スタ２０とともにチップ内に組み込んだ状態例が、第３
図には関連する主な信号の波形がそれぞれ示されている
。

第１Ｗｉで一点鎮線で膨んで示された各光センサ回１１
５０内の電荷薔積形の光センサｌＯはフォトダイオード
１１と接合容量１２とから構成され、その一端が共通接
続されてフォトダイオード１１に対して逆バイアスを掛
ける電源電圧Ｖｄの定電位に固定される。初期化トラン
ジスタ２０はｎチャネル形の電界効果トランジスタで、
そのドレインが光センサｌＯの他端と接続され、そのソ
ースは初期値ｓＯを指定する電位点に共通接続される。

各光センサ回路５０内の初期化トランジスタ２０のゲー
トには検出開始指令ＳＴが共通に与えられる。光センサ
ｌＯと初期化トランジスタ２０の接続点から取られる可
変電位Ｖはコンパレータ３０に与えられて共通な基準値
ｅｒとの大小が比較され、その結果が検出信号ＤＳとし
て光センサ回路５０から出力される。

本発明に用いる補償回路手段４０は前述のように機能上
は光センサ１０に接続されるキャパシタであるが、この
例では初期化トランジスタ２０とサブストレート領域お
よびドレインを共有する電界効果トランジスタの部分が
これに利用される。

第２ＷＪはかかる補ｆｆｉ回路手段４０と初期化トラン
ジスタ２０の詳細を示すもので、同図（萄にはこれらを
組み込んだ半導体チップの断面が、同図（ロ）にはその
上面がそれぞれ示されている。

この実施例では初期化トランジスタ２０がｎチャネル形
なので、通例のようにｎ形の基板１の表面の厚い酸化膜
２の窓範囲にｎ形のウェル３をやや広いめに拡散し、こ
れを共通サブストレート領域として初期化トランジスタ
２０と補償回路手段４０を作り込む０両者のために２個
の同面積のゲート５をウェル３を覆う薄いゲート酸化膜
４上に設け、これをマスクとして１対のソース・ドレイ
ン層６をｎ形で拡散し、かつサブストレート接続層７を
ｎ形で拡散する。

これにより、補償回路手段４０が、初期化トランジスタ
２０と並べて、第１図で模式的に示されたようにそれと
ドレインおよびサブストレートを共有する電界効果トラ
ンジスタの部分の形で作り込まれる。なお、第２図には
第１図に対応する接続の要饅が示されている。

第１ｓのように、この補償回路手段４０の一端は初期化
トランジスタ２０とともに光センサｌＯに接続され、そ
の他端としてのゲートに検出開始指令ＳＴの補信号をイ
ンバータ４１を介して受ける。

以上で回路構成の説明を終え、ついでその動作を第３図
の波形図を参照して説明する。第３図は第６図と同じ要
領で、ただし可変電位Ｖに対する初期値ＳＯがコンパレ
ータ３０の基準値ｅｒに近付けて設定された場合の波形
を示すものである。

第３図（ａ）の検出開始指令ＳＴがｒＢ、になると、初
期化トランジスタ２０がオンして同図（ロ）の可変電位
Ｖは初期値ｅＯに初期化され、同時にコンパレータ３０
から導出される同図（Ｃ）の検出信号ＤＳは「しになる
。

いま、この状態における初期化トランジスタ２０と補償
回路手段４０のゲートを介して可変電位Ｖが取られる両
者の接続点側に誘起される電荷の状態を表すため、両者
を１し静電容量Ｃをもち互いに直列接続された２個のキ
ャパシタと考え、両キャパシタのそれぞれ相互接続点側
に発生する電荷をＱ２およびＱ４とする。

さて、二〇状簾では初期化トランジスタ２０および補償
回路手段４０のゲートにはそれぞれｒＢ、および〜が掛
かっており、両キャパシタの相互接続点の電位はｅＯで
あるから、ｒＨ，の電圧をＶｄとすると、Ｑ２−−Ｃ（
Ｖｄ−ｅＯ）、　　　Ｑ４＝ＣｅＯとなり、両電荷の和
をＱとすると、 Ｑ＝−ＣＶｄ＋２　ＣｅＯ（１） となる。

次に、第３図（ａ）の検出開始指令ＳＴが１．から「恥
に変わると初期化トランジスタ２０がオフするが、この
際の可変電位Ｖの値を仮にＸで表すと、今度は初期化ト
ランジスタ２０と補償回路手段４０のゲートにはそれぞ
れｔ、と〜、が掛かっているから、Ｑ２−ＣＸ、　　Ｑ
４−−Ｃ（Ｖｄ−Ｘ）であり、従って次式が成立する。

Ｑ　−−Ｃｖａ＋２　Ｃｘ　　　　　　　（２）もちろ
ん、（１）式と伐）式の電荷Ｑは互いに等しいとすべき
であるから、Ｘ＝ｅＯとなり、従って本発明の補償回路
手段４０によって可変電位Ｖが初期値ｅＯに常に正しく
初期化されることがわかる。

なお、以上では補償回路手段４０の権能を数式で説明し
たが、よりわかりやすくは、可変電位Ｖが検出開始指令
ＳＴが％の間に設定された初期値ｅＯから検出開始指令
ＳＴの１．への変化につれて低下しようとするのを、補
償回路手段４０がこれを押し上げて低下分を補償する機
能を果たすといってよい。

また、補償回路手段４０と初期化トランジスタ２０のゲ
ートの静電容量を同等にするのは、上の数式による説明
からも容易にわかるように、可変電位Ｖに対する補償量
をその低下分と正確に釣り合わせるためである。

このように本発明による光センサ回路５０では、第３図
ら）の可変電位Ｖは、図で破線で示す従来のように゛ず
れることなく、所望の初期値ｅｏに正確に初期化された
後に立ち上がる。この可変電位Ｖがコンパレータ３０に
与えられた基準値ｓｒを越えたときに同図（Ｃ）の検出
信号ＤＳがｒａ、に変わり、検出開始指令ＳＴのｔ、へ
立ち下がりからこの時点までの時間が光センサｌＯの電
荷蓄積時間Ｔになるのは従来と同じである。

第４図は本発明による光センサ回路の適用例を示すもの
である。この例でも、図で枠で示された光センサ回路５
０を複数個並べてイメージセンサが構成され、光検出感
度を初期値切換スイッチ２１により切り換え得るように
なっている。その下側に示された回路は各光センサ回路
５０から検出信号ＤＳを受け、それが示す各電荷蓄積時
間をディジタルデータに変換するものである。検出開始
指令ＳＴはカウンタ６０に与えられてその計数値をクリ
アするので、イメージセンサ内の光センサ回路５０が一
斉に動作を開始すると同時にカウンタ６０はクロックパ
ルスＣＰの計数を開始し、その計数値が例えば８ビツト
のバス６１を介して各光センサ回路５０ごとに設けられ
たラッチ７０に与えられる。各ラッチ７０は対応する光
センサ回路５０から検出信号Ｏ５を受け、その〜から１
への立ち上がりに同期してバス６１上の計数値を読み取
るので、イメージセンサの動作が終了した時には光セン
サ回路５０の電荷蓄積時間が対応するラッチ７０内にデ
ィジタル値で一時記憶されていることになる。

続出指定回路８０はこの一時記憶内容の読み出し用のデ
コーダで、指定データＳＤを受けてそれにより指定され
たラッチ７０に読出指令ＩＩＳを送り、その記憶内容を
検出データＯＤとして例えば８ビツトのバス７１上に乗
せさせる。従って、イメージセンサの検出結果を利用す
る装置ないしは回路は、続出指定回路８０に指定データ
ＳＩ）を与えることにより、各光センサ回路５０が受け
る光強度を表す電荷蓄積時間をディジタルな検出データ
ＤＯの形でバス７１を介して順次に読み取ることができ
る。なお、この適用例はカメラ等の光学器械の自動焦点
装置用に小形で精密なイメージセンサを集積回路装置内
に組み込むのに好適である。

以上説明した実施例に躍らず、本発明は種々な態様で実
施をすることができる０例えば補償回路手段４０は実施
例におけるように電界効果トランジスタ部分として構成
するかわりに本質的には単純ナキャパシタであってよく
、コンパレータ３０ニついても適宜な動作しきい値をも
つインバータ回路で直き換えることが可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したとおり本発明では、電荷蓄積時間を表す可
変電位を発する光センサと、検出開始指令を受けたとき
可変電位を指定初期値に設定する初期化トランジスタと
、可変電位を基準値と比較するコンパレータを備え、光
センサが受ける光の強度を電荷蓄積時間の形で表す検出
信号をコンパレータから取り出す電荷蓄積形光センサ回
路に対して、初期化トランジスタのゲートと同等な静電
容量をもち一端が光センサに接続され一他端に検出開始
指令の補信号を受ける補償回路手段を設けることにより
、以下の効果が得られる。

（萄初期化トランジスタのゲートの静電容量に影響され
て可変電位が所望の初期値より低く初期化されようとす
るのを補償回路手段により押し上げて低下分を正確に補
償できるので、可変電位を常に正しく初期化して光強度
の測定精度を高めることができる。なお、かかる補償は
光センサ内の接合容量やコンパレータ内のキャパシタン
ス等に影響されることなく常に正確になされる。

（ロ）可変電位を指定初期値からずれることなく正しく
初期化できるので、指定初期値をコンパレータによる比
較基準値に思い切って近付けても回路を正確に動作させ
ることができ、この点を利用して光センサ回路の光強度
検出感度を従来より格段に高めることができる。

（Ｃ）光センサ回路を多数偏配列してイメージセンサを
構成する場合、これに共通に与える指定初期値どおりに
各光センサ回路が正確に動作するので、イメージセンサ
全体の動作特性のばらつきを従来より格段に減少させる
ことができる。

かかる特長をもつ本発明の電荷蓄積形光センサ回路は、
カメラの自動焦点装置用やファクシミリ装置の原稿読み
取り用等に数十偏以上の光センサからなるイメージセン
サを集積回路装置の敞膳角のチップ内に組み込む用途に
と（に適し、かかるイメージセンサの光強度の測定精度
を８ないし１６ビツトのディジタルデータ化に充分耐え
る程度にまで向上し、光センサごとの検出感度のばらつ
きを従来より１桁程度減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図が本発明に関し、第ｔｍは本発明の電荷
蓄積形光センサ回路をイメージセンサに組み込んだ形で
示す実施例回路図、第２図は補償回路手段を電界効果ト
ランジスタ部分で構成した例を初期化トランジスタとと
もに示す半導体チップの断面図と上面図、第３図は第１
図の実施例の動作を示す主な信号の波形図、第４図は本
発明による光センサ回路の適用例を示すイメージセンサ
と関連回路の回路図である。第５図以降は従来技術に関
し、第５図は従来の電荷蓄積時間センサ回路の回路図、
第６図はその動作を示す主な信号の波形図である。これ
らの回において、 １：半導体基板、２二酸化膜、３：初期化トランジスタ
と補償回路手段に共用のサブストレート領域としてのウ
ェル、４：ゲート酸化腰、５：初期化トランジスタおよ
び補償回路手段用ゲート、６：ソース・ドレイン層、７
：サブストレート接続層、１０：光センサ、１１：光セ
ンサ用フォトダイオード、１２：フォトダイオードの接
合容量、２０：初期化トランジスタ用の電界効果トラン
ジスタ、２１：初期値切換用スイッチ、３０：コンパレ
ータ、４０：補償回路手段、４１：インバータ、５０：
光センサ回路、６０：カウンタ、６１：バス、７０：ラ
ッチ、７１：バス、８０：続出指定回路、ＣＰ：クロッ
クパルス、ＤＯ：検出データ、ＤＳ：検出信号、ΔＴ：
電荷蓄積時間の測定誤差、Ｅ：接地電位、ｅＯ：可変電
位に対し指定される初期値、ｅｒ：コンパレータ用比較
基ＩＩ、Ｌ　：光センサが受ける光、Ｒ１読出指令、Ｓ
Ｄ：読み出し用指定データ、Ｓ！＝検出開始指令、Ｔ：
電荷蓄積時間、ｉ・：誤差を含む電荷蓄積時間、ｖｄ：
電源電位、Ｖ：可変電位、である。 第２図 第３（３）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 一端が定電位に固定され他端から経時的に変化する電荷
   蓄積状態を表す可変電位が取り出される電荷蓄積形の光
   センサと、光センサの他端に接続され検出開始指令をゲ
   ートに受ける電界効果トランジスタとして構成され、検
   出開始指令に基づきオン動作して可変電位を所定の初期
   値に設定する初期化トランジスタと、光センサから可変
   電位を受けその値を基準値と比較して、両値の大小に応
   じ出力の論理状態を反転させるコンパレータと、初期化
   トランジスタのゲートと同等な静電容量をもち一端が光
   センサの他端に接続され他端に検出開始指令の補信号を
   受ける補償回路手段とを備えてなり、コンパレータの出
   力から所定の論理状態をとる時間により光センサが受け
   る光強度を表す検出信号を取り出すようにしたことを特
   徴とする電荷蓄積形光センサ回路。