JPH0693767B2 - 電荷蓄積形イメージセンサ回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は各光センサが受ける光量を表す信号値が電荷の
形で蓄積され、この電荷蓄積時間を表すディジタル値を
光量信号値として取り出すイメージセンサ、例えばカメ
ラ等の光学器械の自動焦点装置用に適する電荷蓄積形イ
メージセンサとその周辺回路に関するものである。

〔従来の技術〕

上述の電荷蓄積形のイメージセンサとしては、CCD方式
のものなどがよく知られているが、多くの場合その各光
センサが受ける光の強度を表す光電信号値を電荷の形で
その光センサ内に蓄積して置き、所定の電荷蓄積時間後
にこの電荷をアナログな電圧値ないしは電流値の形で改
めて取り出すようになっている。本発明における電荷蓄
積形のイメージセンサは、各光センサの電荷蓄積量が所
定値に達するまでの電荷蓄積時間から各光センサが受け
ている光強度を測定するもので、この電荷蓄積時間を適
当なクロックパルスで計数することによって簡単にディ
ジタル値に変換することができ、かつ各光センサが受け
る光強度を高精度のデータ例えば８ビットのディジタル
値の形で取り出すことができる。第３図はその原理回路
図を示すものである。

フォトダイオード11がイメージセンサを構成する１個の
光センサであって、その接合容量であるキャパシタ12に
電荷が蓄積される。フォトダイオード11は１対の電源電
圧点V,E間に逆バイアス方向に接続されており、測定開
始に当たってはスイッチ１を短時間内オンさせてキャパ
シタ12を電源電圧点Ｖに充電する。この際、フォトダイ
オード11の出側電圧ｖは一旦接地電位Ｅつまりゼロにリ
セットされるが、スイッチ１のオフ後はフォトダイオー
ド11が受けている光Ｌの強度に比例するその光電流によ
ってキャパシタ12が放電されるに従って上昇して行く。

この電圧ｖはコンパレータ２の一方の入力の与えられ、
その他方の入力に与えられている基準電圧Vrと比較され
る。このコンパレータ２の出力である時間信号Ｓは、図
で細線でその波形が示されているように、スイッチ１の
オンによりローの状態にリセットされるが、電圧ｖが上
昇して基準電圧Vrに達したときハイの状態に切り換わ
る。従って、この時間信号Ｓがローの状態である時間Ｔ
が前記の電荷蓄積時間であって、容易にわかるようにフ
ォトダイオード11が受ける光強度にほぼ反比例する関係
になるが、その時間値によって光強度の値を代表するこ
とができる。

この光強度従って電荷蓄積時間Ｔの値を高精度でディジ
タル化するには、容易にわかるようにそれを短い周期の
クロックパルスで刻んで計数すればよいが、実用上はこ
のクロックパルスの周期を経時的に変化させるのが便利
である。第４図はこれを説明するためのもので、光強度
１と電荷蓄積時間Ｔとの関係は、光強度の目盛りを線形
とするとこのようにほぼ双曲線になる。

測定すべき光強度Ｉの範囲を図のIRとし、これに対応す
る範囲TR内の電荷蓄積時間Ｔを例えば８ビットのディジ
タル値に変換したいときには、まず光強度範囲IRを均等
目盛りないしは対数目盛りで256個に分割する。図では
この分割された光強度値が10〜Imで示されており、それ
らに対応する電荷蓄積時間値をそれぞれT0〜Tmとする。
これからわかるようにに、上述のクロックパルスはこれ
らの電荷蓄積時間値T0〜Tmの刻みに応じてその周期を経
時的に変化させればよく、第５図の測定用クロックパル
スMPに例示するように順次その周期が増大する波形とさ
れる。

かかる測定用クロックパルスMPを用いて電荷蓄積時間Ｔ
を計数することにより、光強度の測定範囲IRを所望の目
盛りで刻んだ各光強度値I0〜Imをそれに対応するディジ
タル値に簡単に変換することができる。もちろん、この
測定用クロックパルスMPはイメージセンサ内のすべての
光センサが受ける光強度値をディジタル化するために共
通に用いられ、これによってイメージセンサが受けるイ
メージ内の光強度分布を光センサごとに例えば８ビット
のディジタル値で表現したイメージデータを得ることが
できる。

なお、前述のカメラ等の自動焦点装置では、それ用のイ
メージセンサはその関連回路や焦点合わせ用の回路とと
もに１個の集積回路装置内にふつう１対作り込まれ、イ
メージセンサとその関連回路で作られたイメージデータ
は、集積回路内で焦点合わせ用回路に直接供給されると
ともに、それを利用してイメージセンサ上に対象のイメ
ージを結像させる光学系の位置調整などに使えるよう、
適当なラッチ回路等を介して外部にも読み出せるように
される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように電荷蓄積形のイメージセンサを用い、その
各光センサの電荷蓄積時間を周期が経時的に変化する測
定用クロックパルスで計数することによって高精度のイ
メージデータを得ることができる。ところが、ふつうは
集積回路装置内に作り込まれるイメージセンサでは、そ
の多数個の光センサの光検出特性にばらつきが発生する
ことがあるので、イメージセンサの品質管理のために上
述のイメージデータを利用してこのばらつきの程度を試
験しようとすると、充分な精度で試験ができない問題が
ある。これを前の第４図および第５図を参照して説明す
る。

イメージセンサ内の光センサの特性のばらつきをできる
だけ高い精度で試験するには、第４図の光強度の測定範
囲IRの中央部分に相当する光強度において試験するのが
本来望ましいので、例えば図でＩで示した強度の一様な
光をイメージセンサに与え、それに対応する電荷蓄積時
間Ｔの光センサごとのばらつき±dTを測定する。イメー
ジセンサが明らかに不良である場合は別として、品質管
理のため測定したいこの電荷蓄積時間Ｔのばらつき±dT
はもちろんかなり小さな値である。

ところが、測定用クロックパルスMPの周期が前述のよう
に経時的に変化しているため、第５図からわかるように
このばらつき±dTを測定したい電荷蓄積時間Ｔの付近
で、測定用クロックパルスMPの周期がかなり長くなって
いるので、ばらつきdTの値が電荷蓄積時間Ｔのディジタ
ル値にあまり反映されない結果となるのである。

試験時にイメージセンサに与える一様光の光強度を最大
値I0の近くまで上げれば測定用クロックパルスMPの周期
は短くなるが、電荷蓄積時間Ｔが短くなってしまうので
測定精度も落ちてしまう。また、測定用クロックパルス
MPの基本周期をうんと短くすれば問題を解決できるが、
各光センサの電荷蓄積時間Ｔを表すディジタル値が大き
くなってしまうので、それを扱うラッチなどの回路の全
体構成が著しく不経済についてしまう。さらには測定用
クロックパルスMPの周期を一定にすることでも問題は解
決するが、所望の目盛りの光強度を表すディジタル値を
得るには、一旦ディジタル化された電荷蓄積時間をそれ
ぞれもう一度変換してやらねばならなくなる。

本発明はかかる問題を解決して、電荷蓄積形イメージセ
ンサ回路から所望の光強度目盛りで測定したイメージデ
ータを取り出すとともに、その中の光センサの特性のば
らつきを正確に試験できるようにすることを目的とす
る。

〔問題を解決するための手段〕

本発明によればこの目的は、電荷蓄積形イメージセンサ
回路を、電荷蓄積形光センサをアレイ状に配列してなる
イメージセンサと、イメージセンサ内の各光センサの電
荷蓄積時間をクロックパルスで計数することによりディ
ジタル値に変換するディジタル化回路と、ディジタル化
回路に与えるべきクロックパルスを経時的に周期が変化
する測定用クロックパルスと所定周期をもつ試験用クロ
ックパルスとに切り換えるクロックパルス切換回路と、
イメージセンサ内の光センサ中の最短の電荷蓄積時間を
検出してその経過を示すタイミング信号を発するタイミ
ング発生回路とから構成し、イメージセンサが受けるイ
メージの検出時にはクロックパルス切換回路から測定用
クロックパルスをディジタル化回路に与え、イメージセ
ンサの試験時にはタイミング発生回路からのタイミング
信号に基づきクロックパルス切換回路から試験用クロッ
クパルスをディジタル化回路に与えて、このディジタル
化回路から各光センサの電荷蓄積時間を表すディジタル
値をそれぞれ出力させることにより達成される。

〔作用〕

本発明は上記構成からわかるように、クロックパルス切
換回路を設け、このクロックパルス切換回路からイメー
ジの検出時には周期が経時的に変化する測定用クロック
パルスを，イメージセンサの試験時には所定の周期をも
つ試験用クロックパルスをそれぞれディジタル化回路に
与え、このディジタル化回路によりイメージセンサ内の
各光センサの電荷蓄積時間を測定用クロックパルスを用
いて所望の光強度目盛りで測定したイメージデータに，
試験用クロックパルスを用いてイメージセンサ内の各光
センサの特性のばらつきを正確に測定できるディジタル
値にそれぞれ変換して出力させるようにしたものであ
る。

イメージセンサの試験時にディジタル化回路に与えるべ
き試験用クロックパルスには、各光センサの特性のばら
つきをできるだけ精密に測定する上では、例えば充分に
短い一定の周期をもたせるのが望ましいが、この周期を
短くすればする程ディジタル化回路により変換されたデ
ィジタル値が大きくなるので、ディジタル化回路の変換
容量を大きくしなければならない。そこで本発明では、
上記構成にいうタイミング発生回路を設け、それにイメ
ージセンサ内の光センサ中の最短の電荷蓄積時間を検出
させて、このタイミング発生回路からの最短電荷蓄積時
間の経過を示すタイミング信号に基づいて試験用クロッ
クパルスをディジタル化回路に与えるようにする。

これによって、イメージセンサの試験時には各光センサ
のばらつきそのものを示すディジタル値がディジタル化
回路から得られることになり、ディジタル化回路の変換
容量を大きくする必要がなくなり、あるいはこの変換容
量を一定とすれば試験用クロックパルスの周期を充分短
く選定して高い精度でばらつきを測定することができ
る。

本発明はこのように、イメージの検出時にはそれに適す
る測定用クロックパルスを用いて最も望ましい形でイメ
ージデータを取り、このイメージデータへの変換に必要
な程度の最低容量をもつディジタル化回路を用いて、イ
メージセンサの試験時に高精度で各光センサの特性のば
らつきを測定できるようにすることにより、前述の課題
の解決に成功したものである。

〔実施例〕

以下、図を参照しながら本発明の実施例を具体的に説明
する。第１図は本発明による電荷蓄積形イメージセンサ
回路の実施例を関連回路とともに示すもので、それに関
係する信号類の波形が第２図に示されている。第１図は
前述のカメラ等の自動焦点装置用の図で一点鎖線で囲ん
で示した集積回路装置60に１対組み込むに適するイメー
ジセンサを示すものであるが、図には簡略化のためその
内の１個のイメージセンサ10とそれに関連する回路のみ
が示されている。

第１図の集積回路装置60内には、図示しない焦点合わせ
用回路等が含まれており、これらの回路にはイメージセ
ンサ10が受けるイメージの検出時に図示の回路からこの
例では８ビットのイメージセンサIDが与えられるが、イ
メージセンサ10の試験時には図の右側に示された例えば
マイクロコンピュータである試験装置50が集積回路装置
60に接続されるものとする。

イメージセンサ10内には前に第３図で説明したフォトダ
イオード11とその接合容量であるキャパシタ12とからな
る電荷蓄積形の光センサがｎ個例えば数十個程度配列さ
れており、これらの光センサは一端に電源電圧Ｖを共通
に受け、それらの他端には前述のスイッチ１として電界
効果トランジスタがそれぞれ接続されていて、イメージ
センサの動作開始に当たって第２図（ａ）に示すリセッ
トパルスRPを共通に受けて一斉にオン操作される。各光
センサの他端の電圧v1〜vnはそれぞれコンパレータ２の
一方の入力に与えられ、これらのコンパレータ２の他方
の入力に共通に与えられている基準電圧Vrとそれぞれ比
較される。

ある光センサからの電圧ｖは、第２図（ｂ）に示すよう
にリセットパルスRPと同時にゼロにリセットされた後、
その光センサが受けている光の強度に応じた傾斜で漸次
上昇し、これを受けているコンパレータ２の出力である
前述の時間信号Ｓは、第２図（ｃ）に示すように電圧ｖ
の値が基準電圧Vrに達したときローからハイの状態に変
化し、この時間信号Ｓがローである時間が前述のように
電荷蓄積時間Ｔである。

ディジタル化回路20内にはそれぞれ８ビットのラッチ21
がｎ個設けられており、これらのラッチ21はｎ個のコン
パレータ２からの時間信号S1〜Snをそれぞれラッチ指令
として受け、８ビットの入力バス22に乗せられているカ
ウンタ23の計数値を時間信号S1〜Snのローからハイの立
ち上がりに同期してそれぞれラッチないしは記憶する。
このように各ラッチ21に記憶されるカウンタ23の計数値
が、取りも直さず電荷蓄積時間Ｔに対応したディジタル
値であって、これを読み取るための出力バス24がこれら
のラッチ21に共通に設けられる。

クロックパルス切換回路30は、上述のカウンタ23にその
計数値を進めるためのカウントパルスとして、測定用ク
ロックパルスMPまたは試験用クロックパルスTPを切り換
えて与える機能的には図示のような１個の切換スイッチ
であって、実際には数個の論理ゲートを組み合わせて構
成され、試験装置50からの試験指令TTが例えばハイのと
きに試験用クロックパルスTPをカウンタ23に与える。測
定用クロックパルスMPは前の第５図に示したようにその
周期が経時的に増大する波形をもち、図では簡略に示さ
れた可変周期クロックパルス発生回路３によりクロック
回路５からの高い周波数のクロックパルスに基づいて作
られる。試験用クロックパルスTPは例えば第２図（ｅ）
に示すように一定の短い周期をもつクロックパルスであ
って、この例では試験装置50からクロックパルス切換回
路30に与えられる。

タイミング発生回路40はこの試験用クロックパルスTPの
供給開始の時期を指定する第２図（ｄ）のタイミング信
号TSを作るもので、この例では時間信号S1〜Snを受ける
１個オアゲート41で構成されている。容易にわかるよう
に、このオアゲート41は時間信号S1〜Snがそれぞれ示す
電荷蓄積時間中の最短時間が経過した時にその出力がロ
ーからハイに変わり、この出力がそのままタイミング信
号TSとして試験装置50に与えられる。第２図（ｂ）には
電荷蓄積時間が最短の光センサからの電圧veが，同図
（ｃ）には最短電荷蓄積時間Teをもつ時間信号Seがそれ
ぞれ破線で示されている。なお、この例ではタイミング
信号TSは測定用クロックパルスMPの開始用にも利用され
ており、タイミング信号TSがハイのときに限りクロック
回路５からクロックパルスがアンドゲート４を介して可
変周期クロックパルス発生回路３に与えられる。また、
図示は省略したが、最短電荷蓄積時間Teがクロック回路
５からのクロックパルスを計数することにより別に計時
され、可変周期クロックパルス発生回路３の測定用クロ
ックパルスMPの開始周期の設定に利用される。

以上のように構成された本発明による電荷蓄積形イメー
ジセンサ回路では、イメージセンサ10が受けるイメージ
を検出する際には試験回路50は接続されておらず、クロ
ックパルス切換回路30に試験指令TTが与えられないの
で、測定用クロックパルスMPがディジタル化回路20のカ
ウンタ23に与えられ、その各ラッチ21には時間S1〜Snの
表す各光センサの電荷蓄積時間ＴとTeとの差を経時的に
周期が変化する測定クロックパルスMPで計数したイメー
ジデータIDが記憶される。これを出力バス24を介して読
み取るには、その下側に示されたシフトレジスタ６に読
取パルスR1を逐次与えてその各段出力によりラッチ21を
１個ずつ開き、その記憶しているイメージデータIDを順
次８ビットの出力バス24に乗せさせればよい。

次にイメージセンサ10の試験を行なう際には、試験装置
50を集積回路装置60に図示のように接続するとともに、
イメージセンサ10に所定の光強度をもつ一様光を投射す
る。つぎに、まず試験指令TTをハイにしてクロックパル
ス切換回路30を図示の切換位置に置いた上で、リセット
パルスRPをスイッチ１に送ってイメージセンサ10に一様
光の測定動作を開始させる。イメージセンサ10内の最短
電荷蓄積時間Teをもつ光センサからの時間信号Seがロー
からハイの状態に変わったとき、タイミング発生回路40
からタイミング信号TSが試験装置50に与えられるので、
試験装置50はこれに基づいて直ちに試験用クロックパル
スTPをクロックパルス切換回路30に送り、各光センサの
電荷蓄積時間Ｔを最短電荷蓄積時間Teの差をこの試験用
クロックパルスTPで計数したディジタル値をディジタル
化回路20の各ラッチ21に記憶させる。

この計数と記憶に要する時間はごく短くてよいから、試
験装置50は試験用クロックパルスTPの供給開始後の所定
の短時間後に、読取パルスR1のシフトレジスタ６に与え
ることにより各ラッチ21の記憶ディジタル値を読み取り
を開始することができる。１個の読取パルスR1を与える
ことにより、１個のラッチ21から８ビットのディジタル
値が出力バス24に乗せられるが、この例ではこのディジ
タル値をシリアルに試験装置50に読み取るため、出力バ
ス24に８段構成のシフトレジスタ７が接続されており、
読取パルスR1に同期して出力バス24上のディジタル値を
読み込むようになっている。従って試験装置50は、読取
パルスR1を１個発したつど別の読取パルスR2をシフトレ
ジスタ７にシフトパルスとして８回与えながら、このシ
フトレジスタ７に一時記憶されたディジタル値を読取デ
ータRDとして１ビットずつ読み取ればよい。

以上の実施例では、イメージセンサの試験時に試験装置
を集積回路装置に接続する例を説明したが、もちろんこ
の試験装置のもつ機能を一部ないしはほとんど全部は、
集積回路装置ないしはイメージセンサ回路側にあらかじ
め組み込んでおくことでもよい。かかる態様ないしは以
上説明された実施例に限らず、本発明はその要旨内で種
々変形された態様で実施をすることができる。

〔発明の効果〕

本発明においては、電荷蓄積形イメージセンサ内の各光
センサの電荷蓄積時間をディジタル化回路によりクロッ
クパルスで計数することによりディジタル値に変換する
に際して、クロックパルス切換回路を設けてディジタル
化回路に与えるべきクロックパルスを測定用クロックパ
ルスと試験用クロックパルスとに切り換えるようにした
ので、イメージの検出時には各光センサの電荷蓄積時間
を周期が経時時に変化する測定用クロックパルスを用い
て所望の光強度目盛りで計数したイメージデータに変換
することができ、イメージセンサの試験時には所定の周
期をもつ試験用クロックパルスを用いて光センサの電荷
蓄積時間をその特性のばらつきを正確に表すディジタル
値に変換することができる。

さらに本発明ではタイミング発生回路を設けてイメージ
センサ内の光センサ中の最短の電荷蓄積時間を検出さ
せ、この最短電荷蓄積時間の経過を示すタイミング信号
に基づいて上述の試験用クロックパルスを発するように
したので、イメージセンサの試験時に各光センサの電荷
蓄積時間を短周期をもつ試験用クロックパルスを用いて
その特性のばらつきを示すディジタル値に直接に変換
し、イメージセンサ内の光センサの特性のばらつきを高
精度で測定することができる。

このように本発明は、イメージの検出時にはそれに適す
る測定用クロックパルスを用いて最もその用途に望まし
い形でイメージデータを取り、しかもイメージセンサの
試験時には試験用クロックパルスを用いて非常に高い精
度で各光センサの特性のばらつきを簡単に測定できる特
長を備える。これらの特長はカメラ等の光学器械のイメ
ージセンサを用いる自動焦点装置にとくに有用であり、
本発明によってその焦点合わせ精度を向上するととも
に、イメージセンサに対する品質管理レベルを上げて動
作信頼性の高い集積回路装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

図はすべて本発明に関連し、第１図は本発明による電荷
蓄積形イメージセンサ回路を関連回路とともに示す実施
例回路図、第２図はその主な信号の波形図、第３図は電
荷蓄積形光センサの原理回路図、第４図はその光強度・
電荷蓄積時間特性線図、第５図は測定用クロックパルス
の波形図である。図において、 1:光センサの動作開始用スイッチないしは電界効果トラ
ンジスタ、2:コンパレータ、3:可変周期クロックパルス
発生回路、4:アンドゲート、5:クロック発生回路、6:イ
メージデータの読み取り用シフトレジスタ、7:光センサ
の特性ばらつきデータの読み取り用シフトレジスタ、1
0:イメージセンサ、11:光センサを構成するフォトダイ
オード、12:光センサを構成するキャパシタないしはフ
ォトダイオードの接合容量、20:ディジタル化回路、21:
ラッチ、22:入力バス、23:カウンタ、24:出力バス、30:
クロックパルス切換回路、40:タイミング発生回路、41:
オアゲート、50:試験装置ないしはマイクロコンピュー
タ、60:集積回路装置、dT:電荷蓄積時間のばらつき、I:
光強度、ID:イメージデータ、IR:イメージ検出時の光強
度範囲、I0〜Im:イメージデータのディジタル化用光強
度値、L:光センサへの入射光、MP:測定用クロックパル
ス、RP:リセットパルス、RD:読み取りデータ、R1,R2:読
み取りパルス、S,S1〜Sn:光センサの時間信号、Se:最短
電荷蓄積時間をもつ時間信号、T:電荷蓄積時間、Te:最
短電荷蓄積時間、TP:試験用クロックパルス、TR:イメー
ジ検出時の電荷蓄積時間範囲、TT:試験指令、T0〜Tm:イ
メージデータのディジタル化用電荷蓄積時間値、V:イメ
ージセンサ用電源電圧、ve:最短電荷蓄積時間をもつ光
センサの出力電圧、Vr:基準電圧、v,v1〜vn:光センサの
出力電圧、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電荷蓄積形光センサをアレイ状に配列して
   なるイメージセンサと、このイメージセンサ内の各光セ
   ンサの電荷蓄積時間をクロックパルスで計数することに
   よりディジタル値に変換するディジタル化回路と、この
   ディジタル化回路に与えるべきクロックパルスを経時的
   に周期が変化する測定用クロックパルスと所定周期をも
   つ試験用クロックパルスとに切り換えるクロックパルス
   切換回路と、イメージセンサ内の光センサ中の最短の電
   荷蓄積時間を検出してその経過を示すタイミング信号を
   発するタイミング発生回路とを備え、イメージセンサが
   受けるイメージの検出時にはクロックパルス切換回路か
   ら測定用クロックパルスをディジタル化回路に与え、イ
   メージセンサの試験時にはタイミング発生回路からのタ
   イミング信号に基づきクロックパルス切換回路から試験
   用クロックパルスをディジタル化回路に与えて、各光セ
   ンサの電荷蓄積時間を表すディジタル値をそれぞれ出力
   するようにした電荷蓄積形イメージセンサ回路。