JPH08331457A - 光センサ回路 - Google Patents
光センサ回路Info
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- JPH08331457A JPH08331457A JP8083870A JP8387096A JPH08331457A JP H08331457 A JPH08331457 A JP H08331457A JP 8083870 A JP8083870 A JP 8083870A JP 8387096 A JP8387096 A JP 8387096A JP H08331457 A JPH08331457 A JP H08331457A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/04—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only
- H03F3/08—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light
- H03F3/082—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements with semiconductor devices only controlled by light with FET's
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03G—CONTROL OF AMPLIFICATION
- H03G3/00—Gain control in amplifiers or frequency changers
- H03G3/20—Automatic control
- H03G3/30—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices
- H03G3/3084—Automatic control in amplifiers having semiconductor devices in receivers or transmitters for electromagnetic waves other than radiowaves, e.g. lightwaves
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- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 人工感覚システムのための自動強度範囲制御
を与えるコンパクトな光センサ回路を提供する。 【解決手段】 画像アレイの各ピクセルに対して、光検
出器（１２）は対応する光センサ回路（１０）に入力光
電流を与える。光検出器（１２）は、出力電圧を与える
ために、および減衰器として働く１対の直列接続ＦＥＴ
（１４、１６）のゲートに入力を与えるために、接続さ
れている。減衰器はフロアバイアス電圧を与えるバイア
スソースに接続される。減衰器の出力は入力光電流に接
続される第３のＦＥＴ（１８）のゲートに接続される。
出力電圧は光検出器の光強度の関数として応答し、バイ
アス電圧は光センサ回路（１０）の通常の動作のための
光強度の範囲を決定する。適切なバイアス電流の光セン
サアレイにおいて、画像の場面のコントラストは増幅さ
れ、光センサ回路は全体の光強度に自動的に適応され
る。
を与えるコンパクトな光センサ回路を提供する。 【解決手段】 画像アレイの各ピクセルに対して、光検
出器（１２）は対応する光センサ回路（１０）に入力光
電流を与える。光検出器（１２）は、出力電圧を与える
ために、および減衰器として働く１対の直列接続ＦＥＴ
（１４、１６）のゲートに入力を与えるために、接続さ
れている。減衰器はフロアバイアス電圧を与えるバイア
スソースに接続される。減衰器の出力は入力光電流に接
続される第３のＦＥＴ（１８）のゲートに接続される。
出力電圧は光検出器の光強度の関数として応答し、バイ
アス電圧は光センサ回路（１０）の通常の動作のための
光強度の範囲を決定する。適切なバイアス電流の光セン
サアレイにおいて、画像の場面のコントラストは増幅さ
れ、光センサ回路は全体の光強度に自動的に適応され
る。
Description
【０００１】
【技術的分野】本発明は光センサ画像処理回路に関し、
特に、全体の光強度に自動的に適応する、高感度および
広いダイナミックレンジを有するコンパクトな光センサ
増幅回路に関する。
特に、全体の光強度に自動的に適応する、高感度および
広いダイナミックレンジを有するコンパクトな光センサ
増幅回路に関する。
【０００２】
【発明の背景】人工感覚装置（machine vision system
s）はさまざまな応用のために、光検出を画像処理およ
び特殊な機能と組合せる。このいわゆる「賢い」画像セ
ンサは、人工感覚アルゴリズムによってさらに処理され
得るさまざまな画像特徴を抽出するために、リアルタイ
ムで画像を集めて処理するために開発されている。最初
の画像処理工程は、後のデジタルプロセッサから著しい
負荷を取り除くのに重要であり、それによりより安価な
人工感覚装置を作成することができる。このような実験
的および商業的センサシステムは、画像検知のためにフ
ォトダイオードアレイを組み込んだ標準のＣＭＯＳ集積
回路として実現されている。
s）はさまざまな応用のために、光検出を画像処理およ
び特殊な機能と組合せる。このいわゆる「賢い」画像セ
ンサは、人工感覚アルゴリズムによってさらに処理され
得るさまざまな画像特徴を抽出するために、リアルタイ
ムで画像を集めて処理するために開発されている。最初
の画像処理工程は、後のデジタルプロセッサから著しい
負荷を取り除くのに重要であり、それによりより安価な
人工感覚装置を作成することができる。このような実験
的および商業的センサシステムは、画像検知のためにフ
ォトダイオードアレイを組み込んだ標準のＣＭＯＳ集積
回路として実現されている。
【０００３】人工感覚システムの多くの応用、特に野外
で用いられるものは、広範囲の光条件での動作が必要で
ある。たとえばエッジまたは物体検出のために確立され
たローパワーのアナログ特徴抽出ネットワークは、入力
として局部電圧信号を必要とする。さらに、ある場面の
異なる部分からの特徴を抽出するのに均一なしきい値感
度を与えるために、何らかの形の強度圧縮（たとえば対
数圧縮）が望ましい。しかし、対数圧縮は線形の応答を
有する、標準の電荷に基づく画像処理の使用を妨げる。
代替的には、連続時間アナログ回路は、クロッキングオ
ーバーヘッド（および他の関連する漏話）を減らすまた
はなくすという利点を備えた強度圧縮を与えることがで
きる。
で用いられるものは、広範囲の光条件での動作が必要で
ある。たとえばエッジまたは物体検出のために確立され
たローパワーのアナログ特徴抽出ネットワークは、入力
として局部電圧信号を必要とする。さらに、ある場面の
異なる部分からの特徴を抽出するのに均一なしきい値感
度を与えるために、何らかの形の強度圧縮（たとえば対
数圧縮）が望ましい。しかし、対数圧縮は線形の応答を
有する、標準の電荷に基づく画像処理の使用を妨げる。
代替的には、連続時間アナログ回路は、クロッキングオ
ーバーヘッド（および他の関連する漏話）を減らすまた
はなくすという利点を備えた強度圧縮を与えることがで
きる。
【０００４】先行技術において知られる最も簡単で最も
コンパクトな光センサ回路は、２個のダイオード接続さ
れるＦＥＴを直列に用いて、光電流を光強度に対して対
数的である電圧に変換する。この回路は広範囲の光レベ
ルで動作するが、感度は非常に低く、トランジスタしき
い値傾斜のたった２倍である。より多くのＦＥＴを直列
に加えてもその効果は制限されている。なぜならしきい
値電圧は回路の直接の電流動作範囲に対する制約となる
からである。この問題を回避する１つの方策は時間適合
であり、強度に基づく基準または利得／範囲制御信号を
各ピクセルに与える必要はない。静止している場面で
は、このような回路は各ピクセルに対する入射光強度を
すべて（または大部分）無効にするが、ピクセルの輝度
が変化した場合相対的に高い感度で応答する。これらの
回路の多くでは、適合率を調整するまたはピクセルを効
果的にリセットすることができる。状況によっては有用
であるが、時間的適合は完全に静止している場面の画像
データを必要とする応用では適さない。
コンパクトな光センサ回路は、２個のダイオード接続さ
れるＦＥＴを直列に用いて、光電流を光強度に対して対
数的である電圧に変換する。この回路は広範囲の光レベ
ルで動作するが、感度は非常に低く、トランジスタしき
い値傾斜のたった２倍である。より多くのＦＥＴを直列
に加えてもその効果は制限されている。なぜならしきい
値電圧は回路の直接の電流動作範囲に対する制約となる
からである。この問題を回避する１つの方策は時間適合
であり、強度に基づく基準または利得／範囲制御信号を
各ピクセルに与える必要はない。静止している場面で
は、このような回路は各ピクセルに対する入射光強度を
すべて（または大部分）無効にするが、ピクセルの輝度
が変化した場合相対的に高い感度で応答する。これらの
回路の多くでは、適合率を調整するまたはピクセルを効
果的にリセットすることができる。状況によっては有用
であるが、時間的適合は完全に静止している場面の画像
データを必要とする応用では適さない。
【０００５】他の先行技術のアナログシステムは、静止
画像を処理して、たとえば空間的局部平均を含めて、あ
る程度の平均強度を無効にすることができる。たとえ
ば、明るく照らされた領域またはある場面の影に対応す
る中央値強度を（対数的に圧縮された電圧信号から直
接）演算するために、非線形の抵抗グリッドを用いるこ
とができ、ピクセルの強度とその「地域的平均」との差
異を増幅することができる。このようなシステムは、信
号を局部的に利用するために（かつ増幅のために、信号
のバスアウトを避けるために）、各ピクセルに差動増幅
器を必要とする。別の既知のシステムは、フォトトラン
ジスタのアレイから直接電流を用いて、アレイ全体の線
形平均を計算する。平均電流は、各ピクセルの光電流か
ら電流モード信号として引算され、処理ネットワークに
「自動ゼロ化」出力を与える。この回路は相対的にコン
パクトであるよう設計され得るが、強度圧縮電圧モード
出力を与えない。先行技術の光センサ回路のこれらの制
限により、全体の光強度に自動的に適応する、高感度お
よび広いダイナミックレンジのコンパクトな光センサ増
幅回路が必要である。
画像を処理して、たとえば空間的局部平均を含めて、あ
る程度の平均強度を無効にすることができる。たとえ
ば、明るく照らされた領域またはある場面の影に対応す
る中央値強度を（対数的に圧縮された電圧信号から直
接）演算するために、非線形の抵抗グリッドを用いるこ
とができ、ピクセルの強度とその「地域的平均」との差
異を増幅することができる。このようなシステムは、信
号を局部的に利用するために（かつ増幅のために、信号
のバスアウトを避けるために）、各ピクセルに差動増幅
器を必要とする。別の既知のシステムは、フォトトラン
ジスタのアレイから直接電流を用いて、アレイ全体の線
形平均を計算する。平均電流は、各ピクセルの光電流か
ら電流モード信号として引算され、処理ネットワークに
「自動ゼロ化」出力を与える。この回路は相対的にコン
パクトであるよう設計され得るが、強度圧縮電圧モード
出力を与えない。先行技術の光センサ回路のこれらの制
限により、全体の光強度に自動的に適応する、高感度お
よび広いダイナミックレンジのコンパクトな光センサ増
幅回路が必要である。
【０００６】
【発明の概要】本発明は、人工感覚システムに自動強度
範囲制御を与えるコンパクトな光センサ回路を含む。こ
の回路は低いコストで高感度および完全なスタティック
動作を与えるために、標準のＣＭＯＳ集積回路技術で実
現し得る。光検出器アレイの各ピクセルが本発明の光セ
ンサ回路を含むことにより、各光センサ回路が場面の全
体の光強度に自動的に適応しながら画像のコントラスト
を増幅することができる。
範囲制御を与えるコンパクトな光センサ回路を含む。こ
の回路は低いコストで高感度および完全なスタティック
動作を与えるために、標準のＣＭＯＳ集積回路技術で実
現し得る。光検出器アレイの各ピクセルが本発明の光セ
ンサ回路を含むことにより、各光センサ回路が場面の全
体の光強度に自動的に適応しながら画像のコントラスト
を増幅することができる。
【０００７】本発明は自動露光制御を有し、移動する部
分がない、完全な電子カメラの作成を可能にする。一般
に、このようなカメラはストロボ「ワゴンホイール」の
ような、一般の動画イリュージョンがない画像をもたら
す。この光センサ回路は、たとえばあるタイプのロボッ
トのような、コンピュータ制御されるシステムに人工感
覚を与えるのに特に適する。
分がない、完全な電子カメラの作成を可能にする。一般
に、このようなカメラはストロボ「ワゴンホイール」の
ような、一般の動画イリュージョンがない画像をもたら
す。この光センサ回路は、たとえばあるタイプのロボッ
トのような、コンピュータ制御されるシステムに人工感
覚を与えるのに特に適する。
【０００８】本発明の基本の光センサ回路は、デケード
あたり少なくとも数１００ミリボルトの感度を有するこ
とができる。画像アレイの各ピクセルに対して、光検出
器は対応する光センサ回路に入力光電流Ｉinを与える。
光検出器は、出力電圧Ｖoutと、減衰器として働く１対
の直列接続されるＮＦＥＴのゲートへの入力とを与える
よう接続されている。減衰器はフロアバイアス電圧を与
えるバイアスソースに接続される。減衰器の出力は、ド
レインが入力光電流Ｉinおよび出力電圧Ｖoutに接続さ
れる第３のＮＦＥＴのゲートに接続されている。出力電
圧Ｖout は光検出器での光強度の対数関数に従い、バイ
アス電圧は光センサ回路の通常の動作の光強度範囲を決
定する。
あたり少なくとも数１００ミリボルトの感度を有するこ
とができる。画像アレイの各ピクセルに対して、光検出
器は対応する光センサ回路に入力光電流Ｉinを与える。
光検出器は、出力電圧Ｖoutと、減衰器として働く１対
の直列接続されるＮＦＥＴのゲートへの入力とを与える
よう接続されている。減衰器はフロアバイアス電圧を与
えるバイアスソースに接続される。減衰器の出力は、ド
レインが入力光電流Ｉinおよび出力電圧Ｖoutに接続さ
れる第３のＮＦＥＴのゲートに接続されている。出力電
圧Ｖout は光検出器での光強度の対数関数に従い、バイ
アス電圧は光センサ回路の通常の動作の光強度範囲を決
定する。
【０００９】本発明の主要な目的は、画像アレイのため
のコンパクトで低いコストの光センサ回路を提供するこ
とである。本発明の特徴は、電圧減衰器として機能する
１対の直列接続ＦＥＴである。本発明の効果として、光
強度に自動的に適応する、高感度および広いダイナミッ
クレンジを有する光センサ回路が与えられる。
のコンパクトで低いコストの光センサ回路を提供するこ
とである。本発明の特徴は、電圧減衰器として機能する
１対の直列接続ＦＥＴである。本発明の効果として、光
強度に自動的に適応する、高感度および広いダイナミッ
クレンジを有する光センサ回路が与えられる。
【００１０】本発明をより完全に理解するため、および
その利点のため、以下の好ましい実施例の詳細な説明に
おいて添付している図面を参照する。
その利点のため、以下の好ましい実施例の詳細な説明に
おいて添付している図面を参照する。
【００１１】
【好ましい実施例の詳細な説明】本発明は人工感覚シス
テムのためのコンパクトな強度圧縮光センサ回路を含
む。この回路は、完全なスタティック動作および自動的
強度適合の機能で高感度を与えるために、標準の低コス
トのＣＭＯＳ集積回路技術で実現されることができる。
人工感覚システムにおいて、光検出器アレイの各ピクセ
ルに対するコンパクトな光センサ回路は、全体の光強度
に自動的に適応しながら場面のコントラストを増幅す
る。
テムのためのコンパクトな強度圧縮光センサ回路を含
む。この回路は、完全なスタティック動作および自動的
強度適合の機能で高感度を与えるために、標準の低コス
トのＣＭＯＳ集積回路技術で実現されることができる。
人工感覚システムにおいて、光検出器アレイの各ピクセ
ルに対するコンパクトな光センサ回路は、全体の光強度
に自動的に適応しながら場面のコントラストを増幅す
る。
【００１２】図１は本発明の基本の光センサ回路１０を
示す。回路１０はデケードあたり少なくとも数１００ミ
リボルトの感度を有することができる。画像アレイの各
ピクセルに対して、たとえばフォトダイオードのような
光検出器１２は、対応する光センサ回路１０に入力光電
流Ｉinを与える。光検出器１２は回路１０に接続され
て、入力を１対の直列接続ＮＦＥＴ１４および１６に与
え、入力をＮＦＥＴ１８のドレインに与え、さらに出力
電圧Ｖout を与える。ＮＦＥＴ１４のソースは、フロア
バイアス電圧を与えるＶbiasのようなバイアスソースに
接続されている。ＮＦＥＴ１６のドレインはノード１３
で正の電源レール（たとえばＶDD）に接続されることが
でき、または回路１０の副産物として本発明の一部の実
施例において用いられることができる電流出力を与える
ことができる。
示す。回路１０はデケードあたり少なくとも数１００ミ
リボルトの感度を有することができる。画像アレイの各
ピクセルに対して、たとえばフォトダイオードのような
光検出器１２は、対応する光センサ回路１０に入力光電
流Ｉinを与える。光検出器１２は回路１０に接続され
て、入力を１対の直列接続ＮＦＥＴ１４および１６に与
え、入力をＮＦＥＴ１８のドレインに与え、さらに出力
電圧Ｖout を与える。ＮＦＥＴ１４のソースは、フロア
バイアス電圧を与えるＶbiasのようなバイアスソースに
接続されている。ＮＦＥＴ１６のドレインはノード１３
で正の電源レール（たとえばＶDD）に接続されることが
でき、または回路１０の副産物として本発明の一部の実
施例において用いられることができる電流出力を与える
ことができる。
【００１３】ＮＦＥＴ１６がＮＦＥＴ１４に比べて（集
積回路において物理的に）十分長くかつ狭く作成されて
いるのなら、かつＮＦＥＴ１４および１６がしきい値よ
り上で動作されているのなら、ＮＦＥＴ対１４および１
６はシングルエンデッドの電圧減衰器（フローティング
ゲートキャパシタ技術を使用しない）として機能する減
衰器を形成する。これらの条件のもとに、ＮＦＥＴ１６
は飽和状態にあり、ＮＦＥＴ１４はそのオーミック領域
にある。ＮＦＥＴ１４および１６を流れる電流は、その
量（Ｖout −Ｖbias−Ｖth）に対して２乗法則に従う傾
向にあり、ここでＶthはＮＦＥＴのしきい値電圧であ
る。ＮＦＥＴ１４の抵抗は同じ量（Ｖout−Ｖbias−Ｖ
th）を逆に辿る傾向にある。その結果、ＮＦＥＴ１４の
ドレインとＮＦＥＴ１６のソースとの共通ノード１５に
接続されているＮＦＥＴ１８のゲートでの電圧は、ほぼ
Ｖbias＋Ｋ（Ｖout −Ｖbias−Ｖth）と等しくなり、こ
こでＫは１より小さく、ＮＦＥＴ１４および１６の寸法
によって主に決定される（ただし基板効果のような高次
の効果はＫを乱す）。光電流ＩinはＮＦＥＴ１８がしき
い値で動作するよう十分小さいものとする。以上の条件
により、出力電圧Ｖou t は光強度の対数関数に従い、Ｎ
ＦＥＴ１８のしきい値傾斜の１／Ｋ倍の感度を有し、バ
イアス電圧Ｖbiasは回路１０の通常の動作のための光強
度の範囲を決定する。
積回路において物理的に）十分長くかつ狭く作成されて
いるのなら、かつＮＦＥＴ１４および１６がしきい値よ
り上で動作されているのなら、ＮＦＥＴ対１４および１
６はシングルエンデッドの電圧減衰器（フローティング
ゲートキャパシタ技術を使用しない）として機能する減
衰器を形成する。これらの条件のもとに、ＮＦＥＴ１６
は飽和状態にあり、ＮＦＥＴ１４はそのオーミック領域
にある。ＮＦＥＴ１４および１６を流れる電流は、その
量（Ｖout −Ｖbias−Ｖth）に対して２乗法則に従う傾
向にあり、ここでＶthはＮＦＥＴのしきい値電圧であ
る。ＮＦＥＴ１４の抵抗は同じ量（Ｖout−Ｖbias−Ｖ
th）を逆に辿る傾向にある。その結果、ＮＦＥＴ１４の
ドレインとＮＦＥＴ１６のソースとの共通ノード１５に
接続されているＮＦＥＴ１８のゲートでの電圧は、ほぼ
Ｖbias＋Ｋ（Ｖout −Ｖbias−Ｖth）と等しくなり、こ
こでＫは１より小さく、ＮＦＥＴ１４および１６の寸法
によって主に決定される（ただし基板効果のような高次
の効果はＫを乱す）。光電流ＩinはＮＦＥＴ１８がしき
い値で動作するよう十分小さいものとする。以上の条件
により、出力電圧Ｖou t は光強度の対数関数に従い、Ｎ
ＦＥＴ１８のしきい値傾斜の１／Ｋ倍の感度を有し、バ
イアス電圧Ｖbiasは回路１０の通常の動作のための光強
度の範囲を決定する。
【００１４】図２に示される光センサ回路２０は基本回
路１０の変形である。光センサ回路２０は、上記で述べ
たように電圧減衰器として働くＮＦＥＴ１４および１６
を含む。ノード１５での減衰器出力は、（回路１０のＮ
ＦＥＴ１８のような）相互コンダクタンス手段（または
トランスコンダクタ）２２に送られ、光センサ回路２０
は電流入力ノードから接地への抵抗と見られる。バイア
スノード２５は減衰器（ＮＦＥＴ対１４および１６）の
フロア電圧を与え、電流出力１３は上記で述べたように
実施例によっては用いることができる、回路１０の副産
物である。本発明のある局面に従って、ＮＦＥＴ１４お
よび１６が遮断されるのを防ぐために電流源Ｉaux を使
用することができ、バイアスノード２５および電流出力
ノード１３での電圧が十分高ければ、ＮＦＥＴ１４およ
び１６はソースフォロアとして動作する。
路１０の変形である。光センサ回路２０は、上記で述べ
たように電圧減衰器として働くＮＦＥＴ１４および１６
を含む。ノード１５での減衰器出力は、（回路１０のＮ
ＦＥＴ１８のような）相互コンダクタンス手段（または
トランスコンダクタ）２２に送られ、光センサ回路２０
は電流入力ノードから接地への抵抗と見られる。バイア
スノード２５は減衰器（ＮＦＥＴ対１４および１６）の
フロア電圧を与え、電流出力１３は上記で述べたように
実施例によっては用いることができる、回路１０の副産
物である。本発明のある局面に従って、ＮＦＥＴ１４お
よび１６が遮断されるのを防ぐために電流源Ｉaux を使
用することができ、バイアスノード２５および電流出力
ノード１３での電圧が十分高ければ、ＮＦＥＴ１４およ
び１６はソースフォロアとして動作する。
【００１５】図３は、自動強度制御機能を与えるため
に、光センサ画像アレイ３０に用いられる図１および図
２の基本回路を示す。光センサアレイ３０において、各
光センサ回路２０の各フォトダイオード１２および電流
出力１３は正電圧供給レール（ＶDD）に接続されてい
る。すべての光センサ回路２０のバイアスノード２５
は、バイアス電圧Ｖb0が接地より大きい共通の（グロー
バル）バス３２に接続されている。バス３２はスイッチ
３４によって、抵抗Ｒ（意図的にまたは寄生的）を介し
て電圧源Ｖbias、または電流源Ｉbiasに接続されること
ができる。これらの源は光センサアレイ３０に対して内
部的にまたは外部的に設けられ得る。
に、光センサ画像アレイ３０に用いられる図１および図
２の基本回路を示す。光センサアレイ３０において、各
光センサ回路２０の各フォトダイオード１２および電流
出力１３は正電圧供給レール（ＶDD）に接続されてい
る。すべての光センサ回路２０のバイアスノード２５
は、バイアス電圧Ｖb0が接地より大きい共通の（グロー
バル）バス３２に接続されている。バス３２はスイッチ
３４によって、抵抗Ｒ（意図的にまたは寄生的）を介し
て電圧源Ｖbias、または電流源Ｉbiasに接続されること
ができる。これらの源は光センサアレイ３０に対して内
部的にまたは外部的に設けられ得る。
【００１６】機能的な一例として、Ｉaux がアレイ３０
のすべてのピクセル（すなわち、フォトダイオード１２
および対応する光センサ回路２０）に対してゼロであ
る、図２および図３の回路を考えてみる。（理想的な）
ゼロ抵抗の電圧バイアスＶbiasが用いられたのなら、各
ピクセルは図１で示される回路のように動作する（すな
わち、アレイ３０の他のピクセルと独立して動作す
る）。しかし、電流源Ｉbiasが用いられるのなら、ピク
セルアレイ３０のバイアスノード２５の合計電流はＩ
biasによって制約される。各ノード２５の電流はその対
応するピクセルの量（Ｖ out −Ｖb0−Ｖth）の２乗にだ
いたい比例する。画像の場面の光強度が変化すると、Ｖ
b0は電流をＩbiasとバランスさせる値に自動的に落ちつ
く。その結果、画像内のコントラストに対して感度が高
く、平均の画像強度に対しては感度が著しく減少した、
電圧モード出力となる。したがって、光センサ回路２０
を有するアレイ３０は、自動強度範囲制御を有するセン
サのように働く。抵抗ＲがソースＶ biasと直列で用いら
れるのなら、コントラスト感度と平均感度との間でより
低い比率を得ることができる。スイッチ３４は、図３で
示されるように、２つ以上のモード間でトグルするのに
用いられる。したがって、当業者にとって、外部的に無
効にすることができる自動強度範囲制御を有するコンパ
クトピクセルのアレイを構成することができるのが、本
発明の重要な特徴であることが理解される。
のすべてのピクセル（すなわち、フォトダイオード１２
および対応する光センサ回路２０）に対してゼロであ
る、図２および図３の回路を考えてみる。（理想的な）
ゼロ抵抗の電圧バイアスＶbiasが用いられたのなら、各
ピクセルは図１で示される回路のように動作する（すな
わち、アレイ３０の他のピクセルと独立して動作す
る）。しかし、電流源Ｉbiasが用いられるのなら、ピク
セルアレイ３０のバイアスノード２５の合計電流はＩ
biasによって制約される。各ノード２５の電流はその対
応するピクセルの量（Ｖ out −Ｖb0−Ｖth）の２乗にだ
いたい比例する。画像の場面の光強度が変化すると、Ｖ
b0は電流をＩbiasとバランスさせる値に自動的に落ちつ
く。その結果、画像内のコントラストに対して感度が高
く、平均の画像強度に対しては感度が著しく減少した、
電圧モード出力となる。したがって、光センサ回路２０
を有するアレイ３０は、自動強度範囲制御を有するセン
サのように働く。抵抗ＲがソースＶ biasと直列で用いら
れるのなら、コントラスト感度と平均感度との間でより
低い比率を得ることができる。スイッチ３４は、図３で
示されるように、２つ以上のモード間でトグルするのに
用いられる。したがって、当業者にとって、外部的に無
効にすることができる自動強度範囲制御を有するコンパ
クトピクセルのアレイを構成することができるのが、本
発明の重要な特徴であることが理解される。
【００１７】図２に示される補助の電流源Ｉaux は本発
明の一部の実施例で必要となる。上記で説明したよう
に、ＮＦＥＴ１４および１６は、トランジスタがしきい
値以下にならなければ減衰器として機能する。画像の場
面のコントラストが制限されていることがわかってお
り、かつ十分に高いＩbiasが用いられているのなら、光
センサ回路２０は補助源Ｉaux なしで十分に動作でき
る。しかし、所望の光感度、動作モード、ＤＣ回路制
約、および画像場面の不定要素が、アレイ３０における
一部のピクセルを非常に薄暗いものにするようなら、Ｎ
ＦＥＴ１４および１６をしきい値以下およびしきい値以
上の動作の過渡領域に維持するために、低いＩau x 電流
を用いることができる。これはＩaux がゼロの場合に、
ピクセルの強度が下げられるとＶout が突然降下するの
を防ぐ。（これは、ＮＦＥＴ１４および１６がしきい値
以下の場合、定電圧をトランスコンダクタ２２に与え
て、緩衝されていない電圧出力で定電流シンクをもたら
すからである。）低いＩaux 電流であれば、ピクセル強
度が下げられると光感度は滑らかに、しかし実質的に減
少し、薄暗いピクセルの応答に対してソフトフロアを与
える。Ｉaux が増加すると、このフロアのレベルは上が
る。
明の一部の実施例で必要となる。上記で説明したよう
に、ＮＦＥＴ１４および１６は、トランジスタがしきい
値以下にならなければ減衰器として機能する。画像の場
面のコントラストが制限されていることがわかってお
り、かつ十分に高いＩbiasが用いられているのなら、光
センサ回路２０は補助源Ｉaux なしで十分に動作でき
る。しかし、所望の光感度、動作モード、ＤＣ回路制
約、および画像場面の不定要素が、アレイ３０における
一部のピクセルを非常に薄暗いものにするようなら、Ｎ
ＦＥＴ１４および１６をしきい値以下およびしきい値以
上の動作の過渡領域に維持するために、低いＩau x 電流
を用いることができる。これはＩaux がゼロの場合に、
ピクセルの強度が下げられるとＶout が突然降下するの
を防ぐ。（これは、ＮＦＥＴ１４および１６がしきい値
以下の場合、定電圧をトランスコンダクタ２２に与え
て、緩衝されていない電圧出力で定電流シンクをもたら
すからである。）低いＩaux 電流であれば、ピクセル強
度が下げられると光感度は滑らかに、しかし実質的に減
少し、薄暗いピクセルの応答に対してソフトフロアを与
える。Ｉaux が増加すると、このフロアのレベルは上が
る。
【００１８】本発明の光センサ回路は、図４に示される
光センサ回路４０のブロック図に示されるようにモデル
化され得る。光センサ回路４０は電流入力端子を介して
電流Ｉinを受取る。電流Ｉinはトランスコンダクタ
（Ａ）２２を介して接地（または低い電源レール）に送
られる。トランスコンダクタ（Ａ）２２は、電圧信号Ｖ
ou t の減衰である電圧Ｖatt によって制御される。Ｖ
att はバイアスノード２５の電圧の一部によってオフセ
ットされる。減衰器およびトランスコンダクタ（Ｂ）４
２は、Ｉout がＶout の単調増加関数であり、バイアス
ノード２５で電圧の単調減少関数であるよう、電流Ｉ
out をバイアスノード２５に与える。オプションとし
て、トランスコンダクタ（Ｂ）４２は、Ｉout の関数と
して表わすことができる電流ｆ（Ｉout ）を電流出力ノ
ード１３に流すことができる。増幅器４４は、電流入力
端子の電圧の何らかの関数として信号Ｖout を与える。
増幅器４４は（図１および図２のように）省略すること
ができる、または抵抗負荷が電圧出力に接続されるのを
可能にする単一利得バッファ（任意のレベルシフトを有
する）であってもよい、または、電流入力ノードで見ら
れるインピーダンスを減少するために用いられる電圧増
幅器であってもよい。本発明の重要な特徴は、アレイ３
０のような光センサアレイに対して自動的な強度範囲制
御を与えるために、電流または電流対電圧に対して制約
を与えるバイアス手段に接続されるグローバルバスと関
連して、減衰器およびトランスコンダクタ（Ｂ）４２の
並行動作の実施である。
光センサ回路４０のブロック図に示されるようにモデル
化され得る。光センサ回路４０は電流入力端子を介して
電流Ｉinを受取る。電流Ｉinはトランスコンダクタ
（Ａ）２２を介して接地（または低い電源レール）に送
られる。トランスコンダクタ（Ａ）２２は、電圧信号Ｖ
ou t の減衰である電圧Ｖatt によって制御される。Ｖ
att はバイアスノード２５の電圧の一部によってオフセ
ットされる。減衰器およびトランスコンダクタ（Ｂ）４
２は、Ｉout がＶout の単調増加関数であり、バイアス
ノード２５で電圧の単調減少関数であるよう、電流Ｉ
out をバイアスノード２５に与える。オプションとし
て、トランスコンダクタ（Ｂ）４２は、Ｉout の関数と
して表わすことができる電流ｆ（Ｉout ）を電流出力ノ
ード１３に流すことができる。増幅器４４は、電流入力
端子の電圧の何らかの関数として信号Ｖout を与える。
増幅器４４は（図１および図２のように）省略すること
ができる、または抵抗負荷が電圧出力に接続されるのを
可能にする単一利得バッファ（任意のレベルシフトを有
する）であってもよい、または、電流入力ノードで見ら
れるインピーダンスを減少するために用いられる電圧増
幅器であってもよい。本発明の重要な特徴は、アレイ３
０のような光センサアレイに対して自動的な強度範囲制
御を与えるために、電流または電流対電圧に対して制約
を与えるバイアス手段に接続されるグローバルバスと関
連して、減衰器およびトランスコンダクタ（Ｂ）４２の
並行動作の実施である。
【００１９】アレイ３０の１個のピクセル回路５０に対
する完全なトランジスタレベルの回路図の実施例が図５
に示される。上記で述べたように、ＮＦＥＴ１４および
１６は減衰器を形成し、ＮＦＥＴ１８は光電流を流す。
全体の光センサアレイ３０の電流源Ｉbiasは、図５の１
個のピクセル５０に対して示されるように、ＮＦＥＴ５
２の並列接続によって与えられる。この実施例におい
て、ＩbiasはＮＦＥＴ５２のゲートに与えられる電圧Ｖ
b1によって制御される。この構成の利点は、異なる大き
さの光センサアレイが、バイアスソースを調整または再
設計することなく構築できることである。ＮＦＥＴ５４
のゲートに与えられる電圧Ｖb2は、ＮＦＥＴ５４を通る
補助電流Ｉaux を制御する。ＰＦＥＴ５６および５８を
含むカレントミラーを用いてＮＦＥＴ１６を通る電流を
サンプルすることができ、これはアレイ３０にわたる平
均強度に相対する、ピクセル５０の強度を示す。理想的
には、ＰＦＥＴ５８のドレインを通る電流Ｉout は平均
アレイ強度に対して変わらない。Ｉout は別個の画像出
力として、またはたとえばしきい値のための比較器への
入力として用いることができる。代替的に、ＮＦＥＴ１
６を通るドレイン電流は、ドレイン電圧がＮＦＥＴ１６
を飽和状態に保つのに十分高いままであるのなら、直接
サンプリングすることができる。
する完全なトランジスタレベルの回路図の実施例が図５
に示される。上記で述べたように、ＮＦＥＴ１４および
１６は減衰器を形成し、ＮＦＥＴ１８は光電流を流す。
全体の光センサアレイ３０の電流源Ｉbiasは、図５の１
個のピクセル５０に対して示されるように、ＮＦＥＴ５
２の並列接続によって与えられる。この実施例におい
て、ＩbiasはＮＦＥＴ５２のゲートに与えられる電圧Ｖ
b1によって制御される。この構成の利点は、異なる大き
さの光センサアレイが、バイアスソースを調整または再
設計することなく構築できることである。ＮＦＥＴ５４
のゲートに与えられる電圧Ｖb2は、ＮＦＥＴ５４を通る
補助電流Ｉaux を制御する。ＰＦＥＴ５６および５８を
含むカレントミラーを用いてＮＦＥＴ１６を通る電流を
サンプルすることができ、これはアレイ３０にわたる平
均強度に相対する、ピクセル５０の強度を示す。理想的
には、ＰＦＥＴ５８のドレインを通る電流Ｉout は平均
アレイ強度に対して変わらない。Ｉout は別個の画像出
力として、またはたとえばしきい値のための比較器への
入力として用いることができる。代替的に、ＮＦＥＴ１
６を通るドレイン電流は、ドレイン電圧がＮＦＥＴ１６
を飽和状態に保つのに十分高いままであるのなら、直接
サンプリングすることができる。
【００２０】本発明の他の実施例において、光センサア
レイ６０における空間的に局部化された自動強度範囲制
御は、図３のグローバルバス３２を、図６に示される抵
抗手段Ｒのネットワークで置換えることによって得るこ
とができる。この実施例は、図２および図３の光センサ
回路２０を用いるが、各ピクセルに対してバイアスソー
スＩbiasを含む。抵抗Ｒは各隣接するピクセルのバイア
ス端子間に接続される。抵抗Ｒがゼロであるのなら、ア
レイ６０の明るい領域から暗い領域に電流の正味の流れ
があり、その結果、グローバルバスは感度として約１し
きい値傾斜でアレイ６０の平均強度に依存する電圧を運
ぶ。しかし、抵抗Ｒが十分に正であるのなら、異なる強
度の広く間隔があいている領域間の抵抗手段Ｒの大きい
直列の組合せは、アレイ６０の平均に基づく強度制御を
禁止する。したがって、抵抗Ｒの正の値によって、自動
強度制御が所与のピクセルの周りにおいて、平均強度に
主に作用する。抵抗Ｒが高ければ高いほど、さらに局部
化された強度平均化が行なわれる。バイアスノード２５
で、各光センサ回路５０は、減衰率に依存して、動作点
でのＮＦＥＴ１４のオーミック抵抗の何分の１のオーダ
で、適度な非線形の、しかし低い値の抵抗として現われ
る。その結果、ゲートが正の電源レールに接続されるＮ
ＦＥＴのような、ポリシリコン抵抗器またはＭＯＳトラ
ンジスタを用いることによって、適切な値の抵抗Ｒを得
ることができる。
レイ６０における空間的に局部化された自動強度範囲制
御は、図３のグローバルバス３２を、図６に示される抵
抗手段Ｒのネットワークで置換えることによって得るこ
とができる。この実施例は、図２および図３の光センサ
回路２０を用いるが、各ピクセルに対してバイアスソー
スＩbiasを含む。抵抗Ｒは各隣接するピクセルのバイア
ス端子間に接続される。抵抗Ｒがゼロであるのなら、ア
レイ６０の明るい領域から暗い領域に電流の正味の流れ
があり、その結果、グローバルバスは感度として約１し
きい値傾斜でアレイ６０の平均強度に依存する電圧を運
ぶ。しかし、抵抗Ｒが十分に正であるのなら、異なる強
度の広く間隔があいている領域間の抵抗手段Ｒの大きい
直列の組合せは、アレイ６０の平均に基づく強度制御を
禁止する。したがって、抵抗Ｒの正の値によって、自動
強度制御が所与のピクセルの周りにおいて、平均強度に
主に作用する。抵抗Ｒが高ければ高いほど、さらに局部
化された強度平均化が行なわれる。バイアスノード２５
で、各光センサ回路５０は、減衰率に依存して、動作点
でのＮＦＥＴ１４のオーミック抵抗の何分の１のオーダ
で、適度な非線形の、しかし低い値の抵抗として現われ
る。その結果、ゲートが正の電源レールに接続されるＮ
ＦＥＴのような、ポリシリコン抵抗器またはＭＯＳトラ
ンジスタを用いることによって、適切な値の抵抗Ｒを得
ることができる。
【００２１】図７は、図６に示されるシステムの変形で
ある、１次元光センサアレイのピクセル回路７０のトラ
ンジスタレベルの図である。トランジスタ１４、１６、
１８および５２は、上記で述べたように機能する。ＮＦ
ＥＴ６２および６４は隣接するピクセル間で抵抗手段と
して機能する。ＮＦＥＴ６２および６４のゲートはＶ
out ノードに接続されており、その結果ＮＦＥＴ６２お
よび６４の抵抗はＶoutによって変調される。画像の場
面では、回路７０は、線形の抵抗を有するアレイ６０と
似た態様で、低いまたは穏やかなコントラストの境界に
応答する。なぜなら、ＮＦＥＴ６２および６４の抵抗障
害（境界における２つの隣接するピクセルのＶout 値に
よって引き起こされる）はだいたいキャンセルされるか
らである。しかし、境界のコントラストが高ければ、暗
い側のピクセルはＮＦＥＴ６２および６４を遮断する傾
向にあり、境界近くの出力のエッジ強調歪み効果を制限
する。補助電流源Ｉaux は図７の回路では必要ない。な
ぜなら、ＮＦＥＴ６２および６４の動作は、ＮＦＥＴ５
２を通るバイアス電流とともに、ＮＦＥＴ１４および１
６を通る電流に対して下限を自動的に課すからである。
ある、１次元光センサアレイのピクセル回路７０のトラ
ンジスタレベルの図である。トランジスタ１４、１６、
１８および５２は、上記で述べたように機能する。ＮＦ
ＥＴ６２および６４は隣接するピクセル間で抵抗手段と
して機能する。ＮＦＥＴ６２および６４のゲートはＶ
out ノードに接続されており、その結果ＮＦＥＴ６２お
よび６４の抵抗はＶoutによって変調される。画像の場
面では、回路７０は、線形の抵抗を有するアレイ６０と
似た態様で、低いまたは穏やかなコントラストの境界に
応答する。なぜなら、ＮＦＥＴ６２および６４の抵抗障
害（境界における２つの隣接するピクセルのＶout 値に
よって引き起こされる）はだいたいキャンセルされるか
らである。しかし、境界のコントラストが高ければ、暗
い側のピクセルはＮＦＥＴ６２および６４を遮断する傾
向にあり、境界近くの出力のエッジ強調歪み効果を制限
する。補助電流源Ｉaux は図７の回路では必要ない。な
ぜなら、ＮＦＥＴ６２および６４の動作は、ＮＦＥＴ５
２を通るバイアス電流とともに、ＮＦＥＴ１４および１
６を通る電流に対して下限を自動的に課すからである。
【００２２】本発明は具体的な実施例によって記載され
ているが、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者
によってさまざまな変更および変形を行なうことができ
る。特に、示される実施例は吐き出し電流を与えるフォ
トダイオードを記載しているが、ＮＦＥＴをＰＦＥＴに
置換えかつＰＦＥＴをＮＦＥＴに置換えることにより、
電流をシンクするための相補的な実施例を構成すること
ができる。さらに、１次元の光センサアレイに対する原
理は２次元のアレイにも容易に拡張できる。したがっ
て、本発明は、前掲の特許請求の範囲内に入るこのよう
な変更および変形を含む。
ているが、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者
によってさまざまな変更および変形を行なうことができ
る。特に、示される実施例は吐き出し電流を与えるフォ
トダイオードを記載しているが、ＮＦＥＴをＰＦＥＴに
置換えかつＰＦＥＴをＮＦＥＴに置換えることにより、
電流をシンクするための相補的な実施例を構成すること
ができる。さらに、１次元の光センサアレイに対する原
理は２次元のアレイにも容易に拡張できる。したがっ
て、本発明は、前掲の特許請求の範囲内に入るこのよう
な変更および変形を含む。
【図１】本発明の基本光センサ回路の概略回路図であ
る。
る。
【図２】図１の光センサ回路の変形を示す概略ブロック
図である。
図である。
【図３】光センサアレイにおける図２の光センサ回路を
示す概略ブロック図である。
示す概略ブロック図である。
【図４】図２の光センサ回路の変形を示す概略ブロック
図である。
図である。
【図５】電流出力の使用を示す、本発明の光センサ回路
の代替の実施例の概略回路図である。
の代替の実施例の概略回路図である。
【図６】光センサアレイの代替の実施例を示す概略ブロ
ック図である。
ック図である。
【図７】本発明の光センサ回路の代替の実施例の概略回
路図である。
路図である。
１０ 光センサ回路 １２ 光検出器 １３ ノード １４ ＮＦＥＴ １６ ＮＦＥＴ １８ ＮＦＥＴ
Claims (10)
- 【請求項１】 光検出器アレイにおけるピクセルのため
の光センサ回路であって、 光強度に応答して、電流入力および電圧出力を与えるた
めの光検出器と、 バイアスノードに直列に接続され、ゲートが前記電流入
力に接続される第１および第２のＦＥＴを含む減衰器
と、 前記減衰器の出力を受取るために、前記電流入力と前記
第１および第２のＦＥＴ間の減衰器ノードとに接続され
る相互コンダクタンス手段とを含み、 前記電圧出力は前記光強度の関数として応答する、光セ
ンサ回路。 - 【請求項２】 前記相互コンダクタンス手段は前記電流
入力および接地間に接続される第３のＦＥＴを含み、前
記第３のＦＥＴのゲートは、前記第１および第２のＦＥ
Ｔ間の前記減衰器ノードに接続される、請求項１に記載
の光センサ回路。 - 【請求項３】 前記バイアスノードは、前記光検出器ア
レイにおける少なくとも１個の隣接する光センサ回路の
対応するバイアスノードに接続される、請求項１に記載
の光センサ回路。 - 【請求項４】 前記バイアスノードは、抵抗手段によっ
て、前記光検出器アレイの前記少なくとも１個の隣接す
る光センサ回路の前記対応するバイアスノードに接続さ
れる、請求項３に記載の光センサ回路。 - 【請求項５】 前記バイアスノードは、ゲートが前記電
流入力に接続される第４のＦＥＴによって、前記少なく
とも１個の隣接する光センサ回路の前記対応するバイア
スノードに接続される、請求項３に記載の光センサ回
路。 - 【請求項６】 前記バイアスノードは、前記光検出器ア
レイを電流源に接続するグローバルバスを含む、請求項
３に記載の光センサ回路。 - 【請求項７】 前記グローバルバスはバイアスモードを
選択的に切換えるためのスイッチング手段を含む、請求
項６に記載の光センサ回路。 - 【請求項８】 前記第１のＦＥＴは、ソースが前記バイ
アスノードに接続され、ドレインが前記減衰器ノードに
接続される第１のＮＦＥＴを含み、前記第２のＦＥＴ
は、ソースが前記減衰器ノードに接続される第２のＮＦ
ＥＴを含む、請求項１に記載の光センサ回路。 - 【請求項９】 前記減衰器ノードおよび前記第３のＦＥ
Ｔの前記ゲートに接続される補助電流源をさらに含む、
請求項８に記載の光センサ回路。 - 【請求項１０】 前記第３のＦＥＴは、ドレインが前記
電流入力に接続され、ソースが接地される第３のＮＦＥ
Ｔを含む、請求項８に記載の光センサ回路。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/469989 | 1995-06-06 | ||
| US08/469,989 US5572074A (en) | 1995-06-06 | 1995-06-06 | Compact photosensor circuit having automatic intensity range control |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08331457A true JPH08331457A (ja) | 1996-12-13 |
Family
ID=23865843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8083870A Withdrawn JPH08331457A (ja) | 1995-06-06 | 1996-04-05 | 光センサ回路 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5572074A (ja) |
| EP (1) | EP0748041A1 (ja) |
| JP (1) | JPH08331457A (ja) |
| CA (1) | CA2171159A1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014123982A (ja) * | 2008-06-12 | 2014-07-03 | S C Johnson & Son Inc | 動作検知回路を備える装置 |
| US9209210B2 (en) | 2011-11-03 | 2015-12-08 | Samsung Display Co., Ltd. | Photo-detecting pixel, photo-detecting apparatus, and method of driving the photo-detecting apparatus |
Families Citing this family (38)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE42918E1 (en) | 1994-01-28 | 2011-11-15 | California Institute Of Technology | Single substrate camera device with CMOS image sensor |
| US5471515A (en) | 1994-01-28 | 1995-11-28 | California Institute Of Technology | Active pixel sensor with intra-pixel charge transfer |
| US6570617B2 (en) | 1994-01-28 | 2003-05-27 | California Institute Of Technology | CMOS active pixel sensor type imaging system on a chip |
| FR2745457B1 (fr) * | 1996-02-23 | 1998-04-24 | Suisse Electronique Microtech | Reseau de cellules photosensibles et capteur d'images comportant un tel reseau |
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| BR9703233A (pt) * | 1997-05-30 | 1998-12-29 | Brasilia Telecom | Aperfeiçoamento introduzido em amplificador de transimpedancia |
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| US5917547A (en) * | 1997-07-21 | 1999-06-29 | Foveonics, Inc. | Two-stage amplifier for active pixel sensor cell array for reducing fixed pattern noise in the array output |
| US5929434A (en) * | 1997-08-13 | 1999-07-27 | Rockwell Science Center, Llc | Ultra-low noise high bandwidth interface circuit for single-photon readout of photodetectors |
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| US6246043B1 (en) | 1998-09-22 | 2001-06-12 | Foveon, Inc. | Method and apparatus for biasing a CMOS active pixel sensor above the nominal voltage maximums for an IC process |
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