JPH11155105A

JPH11155105A - イメージセンサ

Info

Publication number: JPH11155105A
Application number: JP9338006A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Shinozuka; 典之篠塚; Toshiaki Tanaka; 利明田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1997-11-21
Filing date: 1997-11-21
Publication date: 1999-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジが広く且つ感度が高く、し
かも光の利用率を大きくすることのできるイメージセン
サを提供する。【解決手段】複数のフォトダイオードＰＤ_ijが配列され
て成るフォトダイオードアレイ１０と、該フォトダイオ
ードアレイの中の各フォトダイオードＰＤ_ijを順次選択
する走査回路１１、１２及び１３と、該走査回路によっ
て選択されたフォトダイオードＰＤ_ijに流れる電流を対
数圧縮された電圧信号に変換するＭＯＳトランジスタＴ
Ｌ、とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学的な像に対応
した電気信号を得るためのイメージセンサに関し、特に
ＭＯＳ型イメージセンサのダイナミックレンジを拡大す
ると共に感度を向上させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＣＤ型やＭＯＳ型のイメージセ
ンサが開発されている。これらのイメージセンサは、例
えばフォトダイオードやフォトトランジスタといった光
電変換素子がマトリックス状に配列された光電変換素子
アレイを有する。この光電変換素子アレイに光が入射さ
れると、各光電変換素子には電荷が励起される。この電
荷はセンサ電流として外部に取り出され、これによって
入射光の強弱、つまり映像が検出される。ＣＣＤ型のイ
メージセンサは主に入射光によって励起された電荷を蓄
積し、この蓄積された電荷が出力端に転送され、センサ
電流として取り出される。

【０００３】一方、ＭＯＳ型のイメージセンサはフォト
ダイオードの接合容量に予め電荷が充電され、入射光に
よって放電された電荷が再充電時にセンサ電流として検
出され、これによって入射光の強弱が検出される。この
ような従来のＭＯＳ型イメージセンサの一例を図１０に
示す。このイメージセンサは、フォトダイオードアレイ
１０、垂直画素走査回路１１、スイッチ回路１２、水平
画素走査回路１３及び抵抗Ｒで構成されている。このイ
メージセンサには抵抗Ｒを介して電源Ｅが供給される。

【０００４】フォトダイオードアレイ１０は、二次元に
配列された画素Ｇ_ij（ｉ＝０，１，２，３であり、ｊ＝
０，１，２，３である）から構成されている。なお、通
常のフォトダイオードアレイは数十万画素で構成されて
いるが、本明細書では、説明を簡単にするために、４×
４画素のフォトダイオードアレイ１０が使用されるもの
とする。各画素Ｇ_ijはフォトダイオードＰＤ_ijと垂直ス
イッチとして動作するＭＯＳトランジスタ（以下、「垂
直ＭＯＳトランジスタ」という）ＴＶ_ijとで構成されて
いる。このフォトダイオードＰＤ_ijには、その接合容量
によって形成されるコンデンサＣ_ijが並列に挿入されて
いる。

【０００５】フォトダイオードＰＤ_ijのアノードは接地
され、カソードは垂直ＭＯＳトランジスタＴＶ_ijのソー
スに接続されている。このフォトダイオードＰＤ_ijに光
が入射されることにより電荷が励起され、センサ電流が
流れる。垂直ＭＯＳトランジスタＴＶ_ijは、フォトダイ
オードＰＤ_ij（及びコンデンサＣ_ij）と水平信号線Ｘ_i
とを電気的に接続するかどうかを制御する。

【０００６】垂直画素走査回路１１からは、４本の垂直
信号線Ｙ_jが出力されており、一定時間間隔Ｔで順次ア
クティブ（高レベル）にされる。各垂直信号線Ｙ_jに
は、垂直ＭＯＳトランジスタＴＶ_ijのゲートが接続され
ている。この垂直ＭＯＳトランジスタＴＶ_ijのドレイン
は水平信号線Ｘ_iに接続されている。

【０００７】スイッチ回路１２は、水平スイッチとして
動作する４個のＭＯＳトランジスタ（以下「水平ＭＯＳ
トランジスタ」という）ＴＨ_iで構成されている。各水
平ＭＯＳトランジスタＴＨ_iのソースは水平信号線Ｘ_iを
介して垂直ＭＯＳトランジスタＴＶ_ijのドレインに接続
され、ドレインは出力信号線Ｚに接続されている。この
出力信号線Ｚは出力端子に接続されている。

【０００８】また、水平画素走査回路１３からは、４本
の信号線ＸＡ_iが出力されており、一定時間間隔ｔ（ｔ
＝Ｔ／４）で順次アクティブ（高レベル）にされる。各
信号線ＸＡ_iは、それぞれスイッチ回路１２の水平ＭＯ
ＳトランジスタＴＨ_ijのゲートに接続されている。

【０００９】また、出力信号線Ｚは抵抗Ｒの一方の端子
に接続されており、この抵抗Ｒの他方の端子は電源Ｅに
接続される。この抵抗Ｒは、センサ電流に対応するコン
デンサＣ_ijへの充電電流を、その大きさに比例した電圧
信号に変換する。この抵抗Ｒで成る回路を、以下「リニ
ア変換回路」と呼ぶ。従って、出力端子からは、各画素
Ｇ_ijに照射された光の強さに応じた電圧信号が得られる

【００１０】以上の構成において、このイメージセンサ
の動作を説明する。先ず、垂直画素走査回路１２は、垂
直信号線Ｙ₀をアクティブにする。これにより、この垂
直信号線Ｙ₀に接続されている各垂直ＭＯＳトランジス
タＴＶ_i0がオンになり、コンデンサＣ_i0が水平信号線Ｘ
_iに電気的に接続される。次いで、水平画素走査回路１
３は、信号線ＸＡ₀をアクティブにする。これにより、
水平ＭＯＳトランジスタＴＨ₀がオンになり、コンデン
サＣ₀₀と抵抗Ｒとが電気的に接続される。

【００１１】この時点では、前回の走査で画素Ｇ₀₀が選
択されることによりコンデンサＣ₀₀に充電された電荷
は、今回の走査までの間にフォトダイオードＰＤ₀₀に入
射された光によって放電されている。従って、コンデン
サＣ₀₀と抵抗Ｒとが電気的に接続されることにより、電
源Ｅから抵抗Ｒを介して上記コンデンサＣ₀₀に充電が開
始される。この時、抵抗Ｒを流れる充電電流が電圧信号
として出力端子から取り出され、画素Ｇ₀₀に入射された
光の強さを表す信号として使用される。また、今回の走
査で画素Ｇ₀₀が選択されている間に、コンデンサＣ₀₀は
十分に充電される。以上のような構成により、イメージ
信号の検出とコンデンサＣ₀₀への電荷の充電を同時に行
うことが可能になるので、次回走査時に放電量を検出す
ることが可能になっている。

【００１２】以下、同様にして、水平信号線Ｘ₁→Ｘ₂→
Ｘ₃と順次アクティブにされることにより、垂直信号線
Ｙ₀に接続されている画素Ｇ_i0に照射された光の強さを
表す信号が電圧信号として順次取り出される。そして、
垂直信号線Ｙ₀に対する処理が終了すると、以下、順次
垂直信号線Ｙ₁→Ｙ₂→Ｙ₃と順次アクティブにされ、上
述したと同様の処理が行われる。そして、画素Ｇ₃₃に対
する処理が完了することにより１フレーム分の走査が完
了する。以上の処理が繰り返されることにより、このイ
メージセンサの出力端子には走査サイクル毎に新たなイ
メージ信号が出力される。

【００１３】この従来のＭＯＳ型のイメージセンサで
は、フォトダイオードを流れるセンサ電流に比例した電
圧信号が得られるので、リニア変換回路の抵抗値を適当
に選択することにより感度を大きくすることができる。
しかしながら、感度を一定に保ちつつ広範囲なセンサ電
流を検出しようとしても、上記電圧信号は電源電圧によ
り制限されるので、ダイナミックレンジを大きくするこ
とは難しい。この種のＭＯＳ型のイメージセンサのダイ
ナミックレンジは、一般に６０デシベル程度と狭いの
で、明暗の差が大きい映像を撮影すると映像中の明るい
部分と暗い部分とが潰れてしまうという問題がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】そこで、ダイナミック
レンジを拡大するために、各画素の光電変換素子に例え
ばＭＯＳトランジスタ等で成る対数変換回路を直列に接
続し、光電変換素子に流れるセンサ電流を対数圧縮され
た電圧信号として検出するイメージセンサが開発されて
いる。このイメージセンサは、ＭＯＳトランジスタに流
れる電流が小さいときは、その抵抗値が対数特性で変化
することを利用している。

【００１５】また、ダイナミックレンジを拡大するため
に、本出願人は、センサ電流が微少な場合はコンデンサ
への充電電流又はコンデンサからの放電電流に比例した
電圧を検出する線形応答領域を備え、センサ電流が大き
い場合にはＭＯＳトランジスタの負荷特性に対応した対
数特性を有する電圧を検出する対数応答領域を備えた光
センサ回路を、特願平８−２３９５０３号で提案した。

【００１６】しかしながら、ダイナミックレンジを拡大
するために開発されたこれらイメージセンサや光センサ
回路は、各画素に対数変換回路が設けられているので、
イメージセンサを集積回路化した場合に１画素の受光面
積が狭くなる。これにより、光の利用率が悪くなり、セ
ンサ感度が低下する。

【００１７】また、上記とは別に、イメージセンサから
の出力信号を対数アンプを用いて対数圧縮する回路、例
えば図１０に示したイメージセンサの出力端子に更に対
数アンプを設けた回路も従来から知られている。しかし
ながら、この回路ではイメージセンサ自体はリニア特性
を有し、このリニア特性で光電変換された信号が後段の
対数圧縮回路で対数圧縮されて出力されるだけであるの
で、イメージセンサのダイナミックレンジが拡大される
訳ではない。

【００１８】そこで、本発明の目的は、ダイナミックレ
ンジが広く且つ感度が高く、しかも光の利用率を大きく
することのできるイメージセンサを提供することにあ
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様に係るイメージセンサは、複数
の光電変換素子が配列されて成る光電変換素子群と、該
光電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する走
査回路と、該走査回路によって選択された光電変換素子
に流れる電流を対数圧縮された電圧信号に変換する対数
変換手段、とを備えている。

【００２０】このイメージセンサは、上記光電変換素子
群を構成する各光電変換素子が１次元に配列された場合
はリニアセンサ（１次元イメージセンサ）として使用す
ることができ、２次元に配列された場合はエリアセンサ
（２次元イメージセンサ）として使用することができ
る。光電変換素子としては、例えばフォトダイオード、
フォトトランジスタ等を使用できる。

【００２１】上記走査回路は、光電変換素子群を構成す
る各光電変換素子を順次選択することにより走査を行
う。これにより、各光電変換素子は、１走査周期毎に一
定時間だけ選択される。選択された光電変換素子は対数
変換手段と電気的に接続される。対数変換手段は、走査
回路で選択された１つの光電変換素子に流れる電流を対
数圧縮された電圧信号に変換する。走査回路は光電変換
素子を順次選択するので、この対数変換手段は、光電変
換素子群の外部に１個だけ設ければよい。

【００２２】従って、従来のイメージセンサのように、
各画素つまり光電変換素子毎に対数変換手段を設ける必
要がないので、イメージセンサを集積回路化した場合
に、従来の対数変換回路を有しないＭＯＳ型イメージセ
ンサと同等の受光面積を確保できる。従って、入射光の
利用効率を高めることができると共に、センサ感度の低
下を防止できる。また、光電変換素子に流れる電流が対
数圧縮された電圧信号に変換されるので、光強度に対す
るダイナミックレンジを拡大できる。この対数変換手段
としては、例えばＭＯＳトランジスタを用いることがで
きる。

【００２３】また、本発明の第１の態様に係るイメージ
センサは、前記走査回路によって選択された光電変換素
子に流れる電流を該電流に比例した電圧信号に変換する
リニア変換手段と、該リニア変換手段からの電圧信号と
前記対数変換手段からの電圧信号とを切り換えて出力す
る切換手段、とを更に備えて構成できる。

【００２４】この場合、前記リニア変換手段は、前記走
査回路で選択された光電変換素子が、光が入射されるこ
とによって放電された電荷の量に比例した電圧信号を出
力するように構成できる。

【００２５】上記リニア変換手段は、従来のＭＯＳ型イ
メージセンサと同様に、光電変換素子としての接合容量
に充電された電荷の放電量に応じた電圧信号を出力す
る。この構成によれば、入射光が小さい時はリニア変換
手段によって放電量に応じた電圧信号が、入射光が大き
い時は対数変換手段によって対数変換された電圧信号が
それぞれ出力されるように構成できるので、入射光が小
さいときは感度を大きく、入射光が大きいときはダイナ
ミックレンジを大きくすることができる。

【００２６】また、本発明の第１の態様に係るイメージ
センサは、照度を検出する照度センサを更に備え、前記
切換手段は、該照度センサからの信号に応じて前記対数
変換手段からの電圧信号又はリニア変換手段からの電圧
信号の何れかを出力するように構成できる。この構成に
よれば、イメージセンサに入射される光の強さに応じて
リニア変換手段と対数変換手段とが自動的に切り換えら
れるので、高感度且つダイナミックレンジの広いイメー
ジセンサを提供できる。

【００２７】また、本発明の第２の態様に係るイメージ
センサは、複数の光電変換素子が配列されて成る光電変
換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を
順次選択する第１の走査回路と、該第１の走査回路によ
って選択された光電変換素子に流れる電流を対数圧縮さ
れた電圧信号に変換して出力する対数変換手段と、該光
電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する第２
の走査回路と、該第２の走査回路によって選択された光
電変換素子に流れる電流を該電流に比例した電圧信号に
変換するリニア変換手段、とを備えている。

【００２８】この第２の態様に係るイメージセンサによ
れば、対数変換手段とリニア変換手段とは独立に動作す
ることができるので、高精度のイメージ信号を得ること
ができる。

【００２９】また、本発明の第３の態様に係るイメージ
センサは、複数の光電変換素子が配列されて成る光電変
換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を
順次選択する走査回路と、該走査回路によって選択され
た光電変換素子に流れる電流を、該電流に第１の特性で
比例する電圧信号に変換する第１リニア変換手段と、該
走査回路によって選択された光電変換素子に流れる電流
を、該電流に第２の特性で比例する電圧信号に変換する
第２リニア変換手段と、該第１リニア変換手段からの電
圧信号と該第２リニア変換手段からの電圧信号とを切り
換えて出力する切換手段、とを備えている。

【００３０】この第３の態様に係るイメージセンサによ
れば、光電変換素子に流れる電流を電圧信号に変換する
際に、異なるリニア特性で変換することができるので、
イメージセンサの感度を変更することができる。

【００３１】更に、本発明の第４の態様に係るイメージ
センサは、複数の光電変換素子が配列されて成る光電変
換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を
順次選択する走査回路と、該走査回路によって選択され
た光電変換素子に流れる電流を、第１の特性で対数圧縮
された電圧信号に変換して出力する第１対数変換手段
と、該走査回路によって選択された光電変換素子に流れ
る電流を、第２の特性で対数圧縮された電圧信号に変換
して出力する第２対数変換手段と、該第１対数変換手段
からの電圧信号と該第２対数変換手段からの電圧信号と
を切り換えて出力する切換手段、とを備えている。

【００３２】この第４の態様に係るイメージセンサによ
れば、光電変換素子に流れる電流を電圧信号に対数圧縮
する際に、異なる対数特性で変換することができるの
で、イメージセンサのダイナミックレンジを変更するこ
とができる。

【００３３】なお、上記本発明の第３の態様に係るイメ
ージセンサにおいて、照度を検出する照度センサを更に
備え、前記切換手段は、該照度センサからの信号に応じ
て前記第１リニア変換手段からの電圧信号又は第２リニ
ア変換手段からの電圧信号の何れかを出力するように構
成できる。また、上記本発明の第４の態様に係るイメー
ジセンサにおいて、照度を検出する照度センサを更に備
え、前記切換手段は、該照度センサからの信号に応じて
前記第１対数変換手段からの電圧信号又は第２対数変換
手段からの電圧信号の何れかを出力するように構成でき
る。

【００３４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１に本発明の
実施の形態１に係るイメージセンサの回路図を示す。こ
のイメージセンサの構成は、図２に示すように、従来の
技術の欄で説明したイメージセンサ（図１０参照）の抵
抗ＲがＭＯＳトランジスタＴＬで置き換えられているこ
とを除けば、従来のイメージセンサと同じである。従っ
て、同一部分には同一符号を付し、説明は省略する。

【００３５】このＭＯＳトランジスタＴＬのソースは出
力信号線Ｚに接続され、ドレインは電源Ｅに接続され、
ゲートは可変の電源Ｅ２に接続されている。電源Ｅ２の
電圧は、ＭＯＳトランジスタＴＬを対数特性で動作させ
るために、可変になっている。即ち、ＭＯＳトランジス
タＴＬが対数特性で動作する範囲外である場合に、この
電源Ｅ２の電圧を調整することにより、対数特性で動作
する範囲内にすることができる。このＭＯＳトランジス
タＴＬは、出力信号線Ｚに流れる電流、換言すれば走査
回路１１及び１３によって選択された画素Ｇ_ijのフォト
ダイオードＰＤ_ijに流れるセンサ電流を対数変換し、電
圧信号として出力する。このＭＯＳトランジスタＴＬ及
び可変電源Ｅ２で成る回路を、以下「対数変換回路」と
呼ぶ。

【００３６】この構成によれば、フォトダイオードＰＤ
_ijに流れるセンサ電流が対数圧縮された電圧信号として
出力されるので、光強度に対するダイナミックレンジを
拡大できる。

【００３７】なお、図１では、ＭＯＳトランジスタＴＬ
のゲートには可変電源Ｅ２からの電圧が印加されるよう
になっているが、必要に応じて別途設けた制御回路から
正電圧のパルスを供給するように構成してもよい。ま
た、電源Ｅの電圧がＭＯＳトランジスタＴＬのゲートに
供給されることにより該ＭＯＳトランジスタＴＬを対数
特性で動作させることができる場合は、電源Ｅをドレイ
ンとゲートとを直接接続することができる。この場合、
電源Ｅ２は省略できるのでイメージセンサの構成が簡単
になる。

【００３８】また、この実施の形態１に係るイメージセ
ンサが集積回路化される場合は、フォトダイオードアレ
イ１０、垂直画素走査回路１１、スイッチ回路１２、水
平画素走査回路１３及びＭＯＳトランジスタＴＬは同一
基板上に作成される。

【００３９】（実施の形態２）図３に本発明の実施の形
態２に係るイメージセンサの回路図を示す。このイメー
ジセンサは、上述した実施の形態１の構成に、従来の技
術の欄で説明したと同様の抵抗Ｒで成るリニア変換回路
及び信号選択回路１４が追加されて構成されている。

【００４０】リニア変換回路としての抵抗Ｒは、スイッ
チとして動作するＭＯＳトランジスタＴＳ１を介して出
力信号線Ｚに接続されている。同様に、対数変換回路と
してのＭＯＳトランジスタＴＬは、スイッチとして動作
するＭＯＳトランジスタＴＳ２を介して出力信号線Ｚに
接続されている。

【００４１】信号選択回路１４には、外部から選択信号
が入力される。また、信号選択回路１４からは、制御信
号ＣＳ１がＭＯＳトランジスタＴＳ１のゲートに、制御
信号ＣＳ２がＭＯＳトランジスタＴＳ２のゲートにそれ
ぞれ供給される。この信号選択回路１４は、外部からの
選択信号に応じて、制御信号ＣＳ１又は制御信号ＣＳ２
の何れか一方のみをアクティブにする。

【００４２】上記制御信号ＣＳ１がアクティブにされた
場合は、ＭＯＳトランジスタＴＳ１がオンになり、リニ
ア変換回路（抵抗Ｒ）が出力信号線Ｚに電気的に接続さ
れる。これにより、出力端子からは充電電流に比例した
電圧信号が得られる。一方、制御信号ＣＳ２がアクティ
ブにされた場合は、ＭＯＳトランジスタＴＳ２がオンに
なり、対数変換回路（ＭＯＳトランジスタＴＬ）が出力
信号線Ｚに電気的に接続される。これにより、出力端子
からは、フォトダイオードＰＤ_ijを流れるセンサ電流が
対数圧縮された電圧信号が得られる。

【００４３】外部から信号選択回路１４に供給される選
択信号は、例えばこのイメージセンサとは別個に設けら
れた照度センサ（図示しない）から得ることができる。
この照度センサを用いる場合、入射された光の一部をハ
ーフミラーを透過させてイメージセンサに導き、他部を
ハーフミラーで反射させて照度センサに導くように構成
できる。この場合、照度センサから入射光量の平均値に
相当する選択信号が得られる。

【００４４】信号選択回路１４は、選択信号が入射光量
が所定値以下であることを示していれば制御信号ＣＳ１
をアクティブにし、該所定値より大きいことを示してい
れば制御信号ＣＳ２をアクティブにする。これにより、
入射光が弱い時はリニア変換回路が選択されるのでコン
デンサＣ_ijへの充電電流が検出され、放電された電荷の
量に比例した電圧信号が得られる。一方、入射光が強い
ときは対数変換回路が選択されるのでフォトダイオード
ＰＤ_ijを流れるセンサ電流が検出され、該センサ電流が
対数圧縮された電圧信号が得られる。

【００４５】この実施の形態２に係るイメージセンサの
動作を示すタイミングチャートを図４に示す。図４は、
制御信号ＣＳ１が高レベルになることによってＭＯＳト
ランジスタＴＳ１がオンにされた場合に放電量検出動作
が行われ、制御信号ＣＳ２が高レベルになることによっ
てＭＯＳトランジスタＴＳ２がオンにされた場合に対数
変換動作が行われることを示している。放電量検出動作
の場合は、コンデンサＣ_ijが充電されるに連れて充電電
流が小さくなるので、出力端子からの出力信号のレベル
は徐々に小さくなる。一方、対数変換動作の場合は、フ
ォトダイオードＰＤ_ijに流れるセンサ電流自体が検出さ
れることになるので、出力端子からの出力信号のレベル
は保持される。なお、図４には示されていないが、放電
量検出動作に入る前には、１フレーム分の蓄積時間が設
けられる。

【００４６】この構成によれば、任意の画素における信
号検出方法を選択することが可能になるので、入射光が
弱いときは、放電量検出動作を行わせることにより感度
を向上させることができ、入射光が強い時は対数変換動
作を行わせることによりダイナミックレンジを拡大する
ことができる。

【００４７】なお、上記外部からの選択信号は、照度セ
ンサから得るのではなく、イメージセンサ自体から得る
ように構成することもできる。即ち、或る画素の放電量
検出動作時の出力信号がオーバーフローしている場合
（強い光が入力された場合）はその画素の出力は対数変
換動作で検出するようにし、逆に対数変換動作で得られ
た出力信号が弱い光の入力があったことを示している場
合は放電量検出動作によって信号を検出するように構成
する。この場合、前回の検出結果に基づいて今回の検出
方法が決定されることになる。この構成によれば、画素
単位で変換方法を選択することが可能になる。また、光
学系や照度センサも不要となるので、イメージセンサを
安価に構成できる。

【００４８】なお、この実施の形態２のイメージセンサ
では、任意の画素における放電量検出動作と対数変換動
作を同時に行うことはできない。また、放電量検出動作
と対数変換動作とを１フレーム毎に切り替えることが理
論的には可能であるが、対数変換動作に引き続いて放電
量検出動作を行うとコンデンサＣ_ijに電荷が充電されて
いないことから誤検出の可能性がある。この問題を解決
するためには、放電量検出動作から対数変換動作又は対
数変換動作から放電量検出動作に移行する際に１フレー
ム分の走査時間を犠牲にして充電サイクルを設ければよ
い。或るいは対数変換動作後にコンデンサＣ_ijを充電す
る時間を設ける回路を付加すればよい。

【００４９】また、この実施の形態２のイメージセンサ
は、次のように変形できる。即ち、ＭＯＳトランジスタ
ＴＬを抵抗に置き換えてイメージセンサを構成すること
ができる。この場合、抵抗値が異なる抵抗を用いれば、
入射光の強さに応じて感度の異なるイメージセンサを構
成できる。また、抵抗ＲをＭＯＳトランジスタに置き換
えてイメージセンサを構成できる。この場合、特性の異
なるＭＯＳトランジスタを用いれば、フォトダイオード
に流れるセンサ電流が異なる対数特性で電圧信号に変換
されるので、入射光の強さに応じてダイナミックレンジ
が変化するイメージセンサを構成できる。

【００５０】（実施の形態３）図５に本発明の実施の形
態３に係るイメージセンサの回路図を示す。このイメー
ジセンサは、２系統の水平画素走査回路を有し、リニア
変換回路と対数変換回路とが独立して機能するように構
成されている。

【００５１】このイメージセンサは、図１０に示した従
来のイメージセンサに、スイッチ回路１２０、水平画素
走査回路１３０及び対数変換回路としてのＭＯＳトラン
ジスタＴＬが追加されて構成されている。これら追加さ
れた回路の構成及び機能は実施の形態１と同じであるが
動作が異なる。

【００５２】この実施の形態３に係るイメージセンサの
動作を示すタイミングチャートを図６に示す。図６は、
垂直信号線Ｙ_jの信号が高レベルの間に、放電量検出動
作と対数変換動作とが並行して行われることを示してい
る。

【００５３】この実施の形態３が、実施の形態２と大き
く相違するところは、ＭＯＳトランジスタＴＨ_iをオン
にして放電量検出動作させながら、該ＭＯＳトランジス
タＴＨ_iと水平信号線Ｘ_iで接続されている、スイッチ回
路１２０内のＭＯＳトランジスタＴＨ_i’以外のＭＯＳ
トランジスタをオンにして対数変換動作させることが可
能な点である。以下、この相違点について具体例を挙げ
て説明する。

【００５４】今、上記実施の形態２の変形例で示したよ
うなイメージセンサ自体から選択信号を得る構成のイメ
ージセンサを考える。この場合、各画素について放電量
検出動作及び対数変換動作を行わせ、得られた２種類の
イメージ信号のうち好適な方を採用するように構成でき
る。このような動作を行わせるためには、上述した実施
の形態２の構成では、放電量検出動作と対数変換動作と
を同時に行わせることができないので、各動作を例えば
１フレーム毎に切り替える必要がある。このためには、
放電量検出動作から対数変換動作又はその逆に移行する
際に１フレーム分の走査時間を犠牲にして充電サイクル
を設けるか、或るいは対数変換動作後にコンデンサＣ_ij
を充電する時間を設ける必要がある。

【００５５】より具体的には、イメージセンサ全体の走
査は、例えば図７に示すような幾つかの方法で行うこと
ができる。第１の方法は、図７（Ａ）に示すように、全
画素を単位としてリニア特性による走査（放電量検出動
作）と対数特性による走査（対数変換動作）とを交互に
行う方法である。即ち、先ず最初にリニア特性で全画素
を走査する（ステップＳ１０）。次いで、対数特性で全
画素を走査する（ステップＳ１１）。次いで、全画素を
充電する（ステップＳ１２）。その後、ステップＳ１０
に戻り、同様の処理を繰り返す。

【００５６】第２の方法は、図７（Ｂ）に示すように、
１ラインの画素を単位としてリニア特性による走査と対
数特性による走査とを交互に行う方法である。即ち、先
ず最初にリニア特性で垂直信号線Ｙ_jに接続されている
画素を走査する（ステップＳ２０）。次いで、対数特性
で垂直信号線Ｙ_jに接続されている画素を走査する（ス
テップＳ２１）。次いで、垂直信号線Ｙ_jに接続されて
いる画素を充電する（ステップＳ２２）。次いで、次の
垂直信号線Ｙ₁を１つ進める（ステップＳ２３）。即
ち、「ｊ←ｊ＋１」を行う。その後、ステップＳ２０に
戻り、同様の処理を繰り返す。

【００５７】第３の方法は、図７（Ｃ）に示すように、
１画素を単位としてリニア特性による走査と対数特性に
よる走査とを交互に行う方法である。即ち、先ず最初に
リニア特性で１つの画素Ｇ_ijを走査する（ステップＳ３
０）。次いで、対数特性でその画素Ｇ_ijを走査する（ス
テップＳ３１）。次いで、その画素Ｇ_ijを充電する（ス
テップＳ３２）。次いで、画素Ｇ_ijを１つ進める（ステ
ップＳ３３）。即ち、「ｉ←ｉ＋１」を行い、「ｉ」が
最大値を超えたら「ｉ」を初期値に戻して「ｊ←ｊ＋
１」を行う。その後、ステップＳ３０に戻り、同様の処
理を繰り返す。

【００５８】しかし、実施の形態２に係るイメージセン
サは、１系統の読出手段しか備えていないので、上述し
た何れの方法を用いても、同じ画素がシリアルに２回走
査されることになる。図８は、上記第３の方法の場合に
おける走査される画素の時間的推移を示す。この図８に
示すように、実施の形態２に係るイメージセンサでは、
走査は、水平信号線Ｘ_iと垂直信号線Ｙ_jとで指定される
画素（Ｘ_i，Ｙ_j）をリニア特性で走査→同じ画素
（Ｘ_i，Ｙ_j）を対数特性で走査→画素（Ｘ_i+1，Ｙ_j）を
リニア特性で走査→同じ画素（Ｘ_i+1，Ｙ_j）を対数特性
で走査→・・・・というように時間の経過に連れて順次
進む。従って、単純にイメージセンサ全体を１回だけ走
査する場合に比べて走査時間が２倍がかかることにな
り、コンデンサＣ_ijへの充電時間をも考慮すると更に時
間がかかることになる。

【００５９】これに対し、実施の形態３に係るイメージ
センサでは、２系統の読出手段を備えており、走査はリ
ニア特性で走査するフェーズと対数特性で走査するフェ
ーズとで成る２段のパイプライン方式で進行する。図９
は、上記第３の方法の場合における走査される画素の時
間的推移を示す。この図９に示すように、実施の形態３
に係るイメージセンサでは、走査は、画素（Ｘ_i，Ｙ_j）
をリニア特性で走査すると並行してその１つ前の画素
（Ｘ_i-1，Ｙ_j）を対数特性で走査→画素（Ｘ_i+1，Ｙ_j）
をリニア特性で走査すると並行して画素（Ｘ_i，Ｙ_j）を
対数特性で走査→画素（Ｘ_i+2，Ｙ_j）をリニア特性で走
査すると並行して画素（Ｘ_i+1，Ｙ_j）を対数特性で走査
→・・・・というように時間の経過に連れて順次進行す
る。

【００６０】従って、各画素における放電量検出動作と
対数変換動作とが同時に行われることはない。また、放
電量検出動作に引き続いて対数変換動作が行われ、その
逆のシーケンスはないので、コンデンサＣ_ijに電荷が充
電されていないことに原因する誤検出もない。また、実
施の形態２のイメージセンサのように、放電量検出動作
から対数変換動作又は対数変換動作から放電量検出動作
に移行する際に１フレーム分の走査時間だけ待たなけれ
ばならないという問題が解決される。

【００６１】また、実施の形態２の場合と同様に、この
実施の形態３においても対数変換動作後にコンデンサＣ
_ijを充電しなければならない。しかし、この充電動作は
充電フェーズを設けて３段のパイプライン方式で進行す
るように構成することで一走査周期内で行うことができ
る。また、放電量検出動作によるイメージ信号と対数変
換動作によるイメージ信号とが略同時に得られるので、
後段の信号処理回路では所望のイメージ信号を使用する
ことができる。従って、実施の形態２のように、放電量
検出動作の結果がオーバーフローを示していたら次回は
対数変換動作に切り替えるという制御を省くことができ
る。

【００６２】なお、この実施の形態３のイメージセンサ
も、上記実施の形態２と同様に、以下のように変形でき
る。即ち、ＭＯＳトランジスタＴＬを抵抗に置き換えて
イメージセンサを構成することができる。この場合、抵
抗値が異なる抵抗を用いれば、入射光の強さに応じて感
度の異なるイメージセンサを構成できる。また、抵抗Ｒ
をＭＯＳトランジスタに置き換えてイメージセンサを構
成できる。この場合、特性の異なるＭＯＳトランジスタ
を用いれば、フォトダイオードに流れるセンサ電流が異
なる対数特性で電圧信号に変換されるので、入射光の強
さに応じてダイナミックレンジが変化するイメージセン
サを構成できる。

【００６３】以上説明した実施の形態１〜実施の形態３
では、リニア変換回路及び対数変換回路は１つだけ設け
られているが、画素の走査速度によってはこの構成では
十分に対応できないこともあり得る。この場合、画素を
複数のグループに分割し、各グループ毎にリニア変換回
路及び対数変換回路を設けるように構成できる。

【００６４】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
ダイナミックレンジが広く且つ感度が高く、しかも光の
利用率を大きくすることのできるイメージセンサを提供
できる。即ち、ＭＯＳ型イメージセンサに対数変換回路
を設けることによって対数圧縮された信号が得られるの
で、ダイナミックレンジの拡大を図ることができる。ま
た、フォトダイオードの接合容量に蓄積された電荷の放
電量を検出するリニア変換回路を併設したので弱い光を
確実に検出することができる高感度なイメージセンサと
して動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１に係るイメージセンサの
構成を示す回路図である。

【図２】本発明の実施の形態１に係るイメージセンサと
従来のイメージセンサの相違点を説明するための図であ
る。

【図３】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの
構成を示す回路図である。

【図４】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの
動作を説明するタイミングチャートである。

【図５】本発明の実施の形態３に係るイメージセンサの
構成を示す回路図である。

【図６】本発明の実施の形態３に係るイメージセンサの
動作を説明するタイミングチャートである。

【図７】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの
走査方法を示すフローチャートである。

【図８】本発明の実施の形態２に係るイメージセンサの
走査の進行を説明するための図である。

【図９】本発明の実施の形態３に係るイメージセンサの
走査の進行を説明するための図である。

【図１０】従来のイメージセンサの構成を示す回路図で
ある。

【符号の説明】

１０フォトダイオードアレイ１１垂直画素走査回路１２スイッチ回路１３水平画素走査回路１４信号選択回路１２０スイッチ回路１３０水平画素走査回路ＴＬ対数変換回路（ＭＯＳトランジスタ）Ｒリニア変換回路（抵抗）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光電変換素子が配列されて成る光電
変換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する
走査回路と、該走査回路によって選択された光電変換素子に流れる電
流を対数圧縮された電圧信号に変換して出力する対数変
換手段、とを備えたイメージセンサ。
【請求項２】前記走査回路によって選択された光電変換
素子に流れる電流を該電流に比例した電圧信号に変換す
るリニア変換手段と、該リニア変換手段からの電圧信号と前記対数変換手段か
らの電圧信号とを切り換えて出力する切換手段、とを更
に備えた請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】前記リニア変換手段は、前記走査回路で選
択された光電変換素子が、光が入射されることによって
放電された電荷の量に比例した電圧信号を出力する請求
項２に記載のイメージセンサ。
【請求項４】照度を検出する照度センサを更に備え、前記切換手段は、該照度センサからの信号に応じて前記
対数変換手段からの電圧信号又はリニア変換手段からの
電圧信号の何れかを出力する請求項１乃至請求項３の何
れか１項に記載のイメージセンサ。
【請求項５】複数の光電変換素子が配列されて成る光電
変換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する
第１の走査回路と、該第１の走査回路によって選択された光電変換素子に流
れる電流を対数圧縮された電圧信号に変換して出力する
対数変換手段と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する
第２の走査回路と、該第２の走査回路によって選択された光電変換素子に流
れる電流を該電流に比例した電圧信号に変換するリニア
変換手段、とを備えたイメージセンサ。
【請求項６】複数の光電変換素子が配列されて成る光電
変換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する
走査回路と、該走査回路によって選択された光電変換素子に流れる電
流を、該電流に第１の特性で比例する電圧信号に変換す
る第１リニア変換手段と、該走査回路によって選択された光電変換素子に流れる電
流を、該電流に第２の特性で比例する電圧信号に変換す
る第２リニア変換手段と、該第１リニア変換手段からの電圧信号と該第２リニア変
換手段からの電圧信号とを切り換えて出力する切換手
段、とを備えたイメージセンサ。
【請求項７】複数の光電変換素子が配列されて成る光電
変換素子群と、該光電変換素子群の中の各光電変換素子を順次選択する
走査回路と、該走査回路によって選択された光電変換素子に流れる電
流を、第１の特性で対数圧縮された電圧信号に変換して
出力する第１対数変換手段と、該走査回路によって選択された光電変換素子に流れる電
流を、第２の特性で対数圧縮された電圧信号に変換して
出力する第２対数変換手段と、該第１対数変換手段からの電圧信号と該第２対数変換手
段からの電圧信号とを切り換えて出力する切換手段、と
を備えたイメージセンサ。