JPH01109975A - イメージセンサの読出回路 - 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、受光量に応じたイメージセンサの出力を２外
部に読出すためのイメージセンサの読出回路に関する。

（従来の技術） 従来のイメージセンサの読出回路としては、例えば第５
図に示すような構成が知られている。

第５図において、イメージセンサは受光量に応じた光電
流を発生するフォトダイオード５ａ、５ｂ、・・・、５
ｎと、フォトダイオード５ａ〜５ｎの接合容量として得
られる並列接続された電荷蓄積用のコンデンサ９ａ、９
ｂ、　　・・・、９ｎとで構成され、フォトダイオード
５ａ〜５ｎのそれぞれは読出用のスイッチトランジスタ
４ａ、４ｂ。

・・・、４ｎを介して出力ラインに共通接続されている
。

また、イメージセンサ読出時のスイッチトランジスタ４
ａ〜４ｎによるスパイクノイズを打ち消すためにノイズ
キャンセル用のスイッチトランジスタ７ａ、７ｂ、　　
・・・、７ｎが設けられ、スイッチトランジスタ７ａ〜
７ｎの出力ラインとイメージセンサにおけるスイッチト
ランジスタ５ａ〜５ｎの出力ラインとをオペアンプ１に
入力し、両者の差動を取ることでスパイクノイズを除去
するようにしている。

その読出動作は第６図の信号波形図に示すように、例え
ばイメージセンサのフォトダイオード５ａを例にとると
、まずスイッチトランジスタ４ａをオンしてコンデンサ
９ａをプリチャージ電圧Ｖｐに充電する。続いてスイッ
チトランジスタ４ａをオフにして露光を開始すると、フ
ォトダイオード５ａの受光量に応じた光電流によりコン
デンサ９ａのプリチャージ電圧Ｖｐの放電が開始される
。

露光終了１爽の次のプリチャージタイミングでスイッチ
トランジスタ４ａをオンすると、受光量に応じた充電電
圧にあるコンデンサ９ａのプリチャージが開始され、そ
の時の充電電流に応じた信号がビデオ出力ＶＶとしてオ
ペアンプ１に与えられる。

同時にノイズキャンセル用のスイッチトランジスタ７が
オンされ、ノイズ出力Ｖｎがオペアンプ１に与えられる
ことから、ビデオ出力Ｖｖとノイズ出力ＶＮの差動をオ
ペアンプ１でとることで、ビデオ出力ＶＶに含まれるス
パイクノイズを除去することができる。

しかしながら、第５図の読出回路で得られる出力波形は
、第６図のｖｏｕｔに示したようにパルス状波形となっ
て処理が行ないにくい。そこで、この問題を改善するた
めに第７図のような読出回路の構成が考えられている。

第７図においては、イメージセンサ及びノイズキャンセ
ル用の出力ラインにキャパシタ６ａ、６ｂを設けると共
にバッファ１０．１１を介してオペアンプ１に入力し、
更にキャパシタ６ａ、６ｂの前段にリセット用のスイッ
チトランジスタ７を接続している。

第８図は第７図の読出回路の信号波形図である。

その読出動作は、例えばフォトダイオード５ａを例にと
ると、受光量に応じたフォトダイオード５ａの光電流に
よるコンデンサ９ａの充電状態く露光終了後）でスイッ
チトランジスタ５ａをオンすると、コンデンサ５ａの充
電電荷がキャパシタ６ａに分配されてバッファ１０がビ
デオ出力ＶＶを生じ、同時にスイッチトランジスタ７ａ
もオンすることからスパイクノイズがキャパシタ６ｂに
分配されてバッファ１１がノイズ出力ｖｎを生じ、オペ
アンプ１で差動をとることでビデオ出力ＶＶに含まれる
スパイクノイズが除去され、且つ外部処理が容易なボッ
クスカー型の出力波形を得ることができる。

その後にリセットパルスφ８を加えることによりスイッ
チトランジスタＢをオンしてフォトダイオード５ａのコ
ンデンサ９ａ、ビデオ出力ライン及びノイズ出力ライン
のキャパシタ５ａ、　６ｂをリセットする。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、このような従来の読出回路にあっては、
ノイズキャンセル用のスイッチトランジスタが必要であ
り、またビデオライン側のスイッチトランジスタとノイ
ズ出力ライン側のスイッチトランジスタで発生するスパ
イクノイズの間にばらつきがあるため、両者の差動をと
ってもビデオ出力に含まれるスパイクノイズを完全に打
消すことは困難であった。

また、第５図の回路方式は出力波形がパルス状であり外
部回路での処理が行ないにくく、この点は第７図の回路
方式で改善がなされているが、第７図の回路方式にあっ
ては、フォトダイオードに並列接続される信号蓄積用コ
ンデンサの信号電荷をビデオ出力ラインのキャパシタに
分配しており、フォトダイオードの発生電荷が有効に使
用されないという問題があった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、ノイズキャンセル用のスイッチトランジスタを必
要とせずに読出用スイッチトランジスタによるスパイク
ノイズを略完全に除去してＳ／Ｎ比の高い信号読出がで
きるイメージセンサの読出回路を提供することを目的と
する。

この目的２２達成するため本発明にあっては、受光量に
応じた光電流を発生する複数のフォトダイオードと、該
フォトダイオードに並列接続された電荷蓄積用コンデン
サとを備えたイメージセンサに於いて、前記フォトダイ
オードの各々を出力ラインに接続する第１のスイッチ素
子と二反転入力端子に信号転送用コンデンサとリセット
用の第２のスイッチング素子の並列回路を帰還接続する
と共に該反転入力端子に前記フォトダイオードの出力ラ
インを接続したオペアンプと：前記フォトダイオード毎
に、前記第１のスイッチ素子をオンして前記オペアンプ
の信号転送用コンデンサに前記電荷蓄積用コンデンサの
信＠電荷を転送し、該転送後に前記第１のスイッチ素子
をオフして前記信号転送用コンデンサの信号電荷に応じ
た読出信号を外部に出力し、該出力俊に前記第２のスイ
ッチ素子をオンして前記信号転送用コンデンサをリセッ
トする読出制御を繰り返す読出制御手段と；を設けるよ
うにしたものである。

［作用］ このような構成を備えた本発明の読出回路にあっては、
まず、オペアンプの帰還回路に設けた第２のスイッチ素
子をオフとし、この状態ででビデオ出力読出用の第１の
スイッチ素子ををオンにする。これによりフォトダイオ
ードの光電流によりコンデンサに蓄積された全電荷はオ
ペアンプのイマジナリ−ショート作用によって全て帰還
回路の信号転送用コンデンサに送られ、この転送後に読
出用の第１のスイッチング素子をオフに戻すことで、オ
ペアンプよりスパイクノイズ分が除去された読出信号を
得ることができる。

このときのスパイクノイズの除去は、第１のスイッチン
グ素子のオン、オフによるスパイクノイズ、つまりスイ
ッチオンによるスパイクノイズ及びスイッチオフによる
逆極性のスパイクノイズが共に信号転送用コンデンサに
移されるため、信号転送用コンデンサ自体においてオン
時のスパイクノイズとオフ時のスパイクノイズの相殺除
去が行なわれ、同じスイッチング素子のオン、オフで生
じたノイズの相殺除去であるため、スイッチ間のばらつ
きにより除去しきれないノイズが残るということがなく
、ノイズ成分を含まないＳ／Ｎ比の高い信号を読出すこ
とができる。

また、オペアンプ帰還回路に設けたリセット用の第２の
スイッチング素子をオンするまで信号電荷の転送を受け
た信号転送用コンデンサの充電状態が保持されるため、
オペアンプの出力から得られる読出信号の読み取りが簡
単且つ確実にできる。

更に、フォトダイオードの光電流により得た全電荷をオ
ペアンプの信号転送用コンデンサに転送しているために
、フォトダイオードの電荷蓄積用コンデンサや読出ライ
ン接続コンデンサの容量の影響（信号分配によるレベル
低下の問題）を受けることがなく、フォトダイオードに
並列接続される電荷蓄積用コンデンサの容量を増やして
飽和露光量を上げることで、ダイナミックレンジを容易
に広げることができる。

更に、ノイズキャンセル用のスイッチトランジスタが不
要となることで、回路構成を大幅に簡略化できる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示した回路図でおる。

第１図において、イメージセンサはフォトダイオード５
ａ、５ｂ、　　・・・、５ｎとフォトダイオード５ａ〜
５ｎのそれぞれに並列接続された接合容量としての電荷
蓄積用のコンデンサ９ａ、９ｂ。

・・・、９ｎで構成される。フォトダイオード５ａ〜５
ｎのアノード側は共通接地接続されると共に、カソード
側はそれぞれスイッチトランジスタ（第１のスイッチ素
子）４ａ、４ｂ、　　・・・、４ｎを介して読出用出力
ラインに共通接続される。

スイッチトランジスタ４ａ〜４ｎに対しては図示しない
読出制御手段より読出用の駆動パルスφ１゜φ２．・・
・、φｎが供給されている。

フォトダイオード５ａ〜５ｎをスイッチトランジスタ４
ａ〜４ｎを介して共通接続した読出用の出力ラインは、
読出用に設けたオペアンプ１の反転入力端子（−入力端
子）に接続される。オペアンプ１は出力端子から反転入
力端子への帰還回路に信号転送用コンデンサ２とリセッ
ト用のスイッチトランジスタ（第２のスイッチ素子）３
を並列接続しており、更に非反転入力端子（十入力端子
）に基準電圧として一定のプリチャージ電圧Ｖｐを印加
しており、更にプリチャージ電圧Ｖｐはキャパシタ６を
介してイメージセンサの出力ラインに与えられている。

オペアンプ１の帰還回路に設けたリセット用のスイッチ
トランジスタ３に対しては図示しない読出制御手段より
リセットパルスφｒが与えられており、所定のタイミン
グでスイッチトランジスタ３がオンしてコンデンサ２の
信号電荷を放電リセットするようにしている。

次に、第２図の信号波形図を参照して第１図の実施例の
読出動作を説明する。

ここで、説明を簡単にするため第１図のイメージセンサ
におけるフォトダイオード５ａの読出動作を例にとると
、第２図の区間Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄに示すように４つのタイ
ミングに分けて読出動作が行なわれる。

即ち、まず区間Ａにあってはオペアンプ１の帰還回路に
設けたリセット用のスイッチトランジスタ３及び読出用
のスイッチトランジスタ４ａは共にオフとなっており、
区間Ａの直前で行なわれたスイッチトランジスタ３のオ
ンによるリセットで信号転送用コンデンサ２の信号電荷
は放電リセット状態にあり、スイッチトランジスタ３を
次の読出動作のためにオフすると区間Ａに示すようにス
イッチ用トランジスタ３の電極間に生ずる浮遊容１ｃＸ
２により生じる信号電荷が出力ｖｏｕｔとして表われて
いる。

この状態で区間Ｂに示すように駆動パルスφ１をスイッ
チトランジスタ４ａに供給してオンすると、前回のスイ
ッチオンで電荷蓄積用コンデンサ９ａの信号電荷はプリ
チャージ電圧■ｐから受光量に応じたフォトダイオード
５ａの光電流による放電弁だけ低下した充電電圧を与え
る信号電荷の蓄積状態にあり、スイッチトランジスタ４
ａのオンにより電荷蓄積用コンデンサ９ａの信号電荷は
オペアンプ１のイマジナリショート作用によって帰還回
路に設けた信号転送用コンデンサ２にすべて転送される
。

このように区間Ｂにおけるスイッチトランジスタ４ａの
オンによりイメージセンサのコンデンサ９ａからオペア
ンプ１の帰還回路に設けたコンデンサ２に全電荷を転送
したならば、区間Ｃに示すようにスイッチトランジスタ
４ａをオフに居す。

この区間Ｃにおけるスイッチトランジスタ４ａのオフで
オペアンプ１の出力ｖｏｕｔはスイッチトランジスタ４
ａの浮遊容ｌＣｘ１にチャージされた分だけ上昇するよ
うになる。

一方、区間Ｂにおけるスイッチトランジスタ４ａのオン
、オフにより読出用出力ラインにスパイクノイズを発生
するが、スイッチオン時のスパイクノイズに対しスイッ
チオフ時のスパイクノイズが逆極性となり、いずれのス
パイクノイズについても帰還回路の信号転送用コンデン
サ２に送られるため、信号転送用のコンデンサ２自体に
おいてスパイクノイズの相殺除去が行なわれ、スイッチ
トランジスタ４ａのオフにより区間Ｃに至った状態では
オペアンプ１はスパイクノイズ分を含まない信号転送用
コンデンサ２の信号電荷に応じた出力ｖｏｕｔを生じて
おり、この区間Ｃのタイミングで外部的に読出信号を取
込み、区間Ａの信号との差をとることでスパイクノイズ
を持たないボックスカータイプの信号波形を得ることが
できる。

区間Ｃにおける信号読取りが終了すると、次の区間りに
おいてオペアンプ１の帰還回路に設けたスイッチトラン
ジスタ３がリセットパルスφｒを受けてオンし、信号転
送用コンデンサ２を放電リセットすることでオペアンプ
１の出力ｖｏｕｔはリセットレベルに立下がる。

以下、同様にしてイメージセンサのフォトダイオード５
ｂ〜５ｎについて同様な読出動作を繰り返す。

第３図は第１図の実施例における読出回路の他の実施例
を示した回路図である。この第３図の実施例にあっては
、まず第１図の実施例でオペアンプ１の帰還回路に設け
たスイッチトランジスタ３の代わりにパストランジスタ
１３を用いたことを特徴とする。即ち、パストランジス
タ１３はＮタイプとＰタイプのスイッチトランジスタを
並列接続したもので、このパストランジスタ１３を用い
ることにより駆動パルスがＰｃｈとＮＣｈで逆極性のノ
イズとなり、ノイズを相殺できるのでより正確なイメー
ジセンサの読取り信号を得ることができる。

また、第３図の実施例にあっては、第１図の実施例にお
けるイマジナリショート作用を持ったオペアンプ１の代
わりにインバータ１２を使用したことを特徴とする。

このインバータ１２は第４図の特性図に示すように、入
出カシヨード時の負荷曲線１４で与えられるＰ点の電圧
がイメージセンサのプリチャージ電圧Ｖｐと一致するよ
うにインバータ１２の電源電圧ｙ　ｃ　ｃ　＠　ａａ定
したもので、インバータ１２の遷移領域（反転領域）の
負性ゲインを利用して第１図でオペアンプ］を使用した
場合と同様の効果を得ることができる。このようにイン
バータ１２の遷移領域の負性ゲインを利用することによ
り第１図の実施例におけるオペアンプ１の部分の回路構
成を更に簡単にすることができる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように本発明によれば、読出用スイッ
チングトランジスタのオン、オフによるスパイクノイズ
を読出回路に設けたオペアンプの帰還回路の信号転送用
コンデンサに信号電荷を転送する際に、信号転送用コン
デンサ自身でノイズの相殺除去ができるため、従来のよ
うにノイズキャンセル用のスイッチトランジスタを設け
ることなく簡単な回路構成でスパイクノイズを除去でき
、また同じスイッチトランジスタのオン、オフによるス
パイクノイズの相殺除去であるため、スイッチトランジ
スタのバラ付きによりスパイクノイズが取りきれずにノ
イズ成分が残ることがなく、スパイクノイズ成分を持た
ないＳ／Ｎ比の高い読出信号を得ることができる。

更に、イメージセンサのフォトダイオードで発生した信
号電荷をすべて読出回路のコンデンサに転送して外部に
読出すため、イメージセンサ側の容量と読出回路の容量
とによる信号電荷の分配による悪影響を阻止でき、フォ
トダイオードの蓄積容量を増やすことで飽和露光量をあ
げたダイナミックレンジの広いイメージセンサを容易に
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した回路図、第２図は第
１図の動作を示した信号波形図、第３図は本発明の他の
実施例を示した回路図、第４図は第３図のインバータの
動作特性を示した説明図、第５図は従来回路の一例を示
した回路図、第６図は第５図の動作を示した信号波形図
、第７図は従来回路の他の例を示した回路図、第８図は
第７図の動作を示した信号波形図である。 １：オペアンプ ２：信号転送用コンデンサ ３：リセット用スイッチトランジスタ （第２のスイッチ素子） ４８〜４ｎ：読出用スイッチトランジスタ（第１のスイ
ッチ素子） ５ａ〜５ｎ二フオトダイオード ９ａ〜９ｎ：電荷蓄積用コンデレザ １２：インバータ １３：パストランジスタ 特許出願人　日本光学工業株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　受光量に応じた光電流を発生する複数のフォトダイオ
   ードと、該フォトダイオード毎に並列接続された電荷蓄
   積用コンデンサとを備えたイメージセンサに於いて、 前記フォトダイオードの各々を出力ラインに接続する第
   １のスイッチ素子と； 反転入力端子に信号転送用コンデンサとリセット用の第
   ２のスイッチ素子の並列回路を帰還接続すると共に該反
   転入力端子に前記フォトダイオードの出力ラインを接続
   したオペアンプと； 前記フォトダイオード毎に、前記第１のスイッチ素子を
   オンして前記オペアンプの信号転送用コンデンサに前記
   電荷蓄積用コンデンサの信号電荷を転送し、該転送後に
   前記第１のスイッチ素子をオフして前記信号転送用コン
   デンサの信号電荷に応じた読出信号を外部に出力し、該
   出力後に前記第２のスイッチ素子をオンして前記信号転
   送用コンデンサをリセットする読出制御を順次繰り返す
   読出制御回路と； を備えたことを特徴とするイメージセンサの読出回路。