JPH02287122A - 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〕 本発明は光センサの電荷蓄積時間からそれが受ける光強
度を測定するための光センサ回路、とくにイメージセン
サ等の中に複数個組み込まれる電荷蓄積形の光センサに
適する回路に関する。

〔従来の技術〕

光センサは最も簡単にはそれが受ける光の有無を検出す
るために利用されるが、より高度な利用面ではその受光
量を１密に測定する要がある０例えば通常のイメージセ
ンサでは、その各光センサが受ける光の明暗を各１ビツ
トのデータとして表す程度の精度で対象のイメージを検
出できればよい場合が多いが、最近のカメラの自動焦点
等の用途では、対象のイメージのもつパターンすなわち
光強度分布を各８ビツトの精度のデータで表すことが要
求されるようになって来た。

かかる光強度の正確な測定には、光センサからの出力を
そのまま取り出すよりも、センサを電荷蓄積形に構成し
てその電荷蓄積時間を測定する方が、測定精度上および
データのディジタル化上有利である０本発明はかかる電
荷蓄積形光センサの回路に関し、第３図にその従来回路
を１．第４図にその主な信号の波形をそれぞれ示す。

第３図で一点鎖線で囲んで示された光センサ回路５０は
、上述の自動焦点装置に用いられるイメージセンサに組
み込まれる電荷蓄積形光センサｌの１個分を示す、光セ
ンサｌはフォトダイオードｌａとその小さな接合容量１
ｂとからなり、フォトダイオード１ａが受ける光りの強
度に比例する光電流が接合容量１ｂに蓄積される。光セ
ンサ１に直列にその動作開始用のトランジスタ２が接続
され、この直列回路が電源電位点Ｖｄと接地電位点Ｅと
の間に複数個の光センサ回路５０に共通に設定された動
作開始電圧Ｖｏを介して接続される。

従って、トランジスタ２が第４図（ａ）に示すリセット
パルスＲＰによりオン操作されたとき、光センサ１の接
合容量１ｂが電源電圧Ｖｄと動作開始電圧ＶＯとの差電
圧により充電される。このとき、光センサｌとトランジ
スタ２との相互接続点の電位である光センサ電圧Ｖは、
第４図（ロ）に示すように動作開始電圧Ｖｏにセットさ
れ、その後は光センサ１の光電流により接合容量１ｂが
放電されるに伴って図示のように立ち上がって行く。

コンパレータ３はこの先センサ電圧Ｖをその一方の入力
に受け、その他方の入力に与えられている複数個の光セ
ンサ回路に共通な基準電圧Ｖｒと比較するもので、その
出力から取り出されるストローブ信号Ｓは、第４図（Ｃ
）に示すようにリセットパルスＲＰによってｈの状態に
立ち上がった後、光センサ電圧Ｖが動作開始電圧Ｖｏか
ら基準電圧Ｖｒにまで上昇したときしの状態に立ち下が
る。容易にわかるように、このストローブ信号Ｓがｈの
状態にある第４図（Ｃ）に示す期間Ｔが光センサスの電
荷蓄積時間であって、それが受ける光りの強度をこの電
荷蓄積時間Ｔによってほぼ逆比例関係ではあるが測定で
きることになる。

第３図の例では、この電荷蓄積時間Ｔをクロックパルス
ＣＰのパルス数で計数してディジタル化するようになっ
ている。このため、例えば８ビツトのラッチ４が各光セ
ンサ回！５０に付属して設けられ、間挿に８ビツト構成
のカウンタ５が複数個の光センサ回路５０に対して設け
られて、各ラッチ４と共通のバス６を介して接続される
。

このカウンタ５は、複数個の光センサ回路５ｏがリセッ
トパルスＲＰにより一斉に動作開始した時、これを図示
のように受けてリセットないしはクリアされて、クロッ
クパルスＣＰの計数を開始する。

この計数値をバス６を介して受けている各ラッチ４は、
対応する光センサ回路５０からの上述のストローブ信号
Ｓをラッチ指令として受け、ストローブ信号Ｓがこの例
ではへから−に変化した時のバス６上の計数値を読み込
んで記憶する。

従って、各ラッチ４内にはそれに対応する光センサｌが
受けている光強度を表す電荷蓄積時間Ｔが８ビツトのデ
ィジタルデータとして記憶されることになり、このデー
タは例えば別のバス７を介して計算機やマイクロプロセ
ッサに適宜読み取ることができる。なお、クロックパル
スＣＰの周期は光強度の最小測定限界に対応する最長電
萄蓄積時間Ｔ内にカウンタ５がちょうどカウントアツプ
するように決められ、この周期が順次長（なる１変周期
クロックパルスを用いれば、光強度の測定可能範囲を非
常に広い範囲に拡大できる。

〔発明が解決しようとする！！Ｉ題〕

以上の従来の光センサ回路によって、光センサが受ける
光強度をその電荷蓄積時間から例えば６ビツト程度まで
の精度で測定できるが、これ以上に測定精度を高めよう
とすると、電荷蓄積時間の検出に上述のようにコンパレ
ータを利用しているので、その動作特性に生じ得るばら
つきによって精度が制約されてしまう問題がある。

例えば、いま仮に第３図の光センサ回路５ｏに与える電
源電圧Ｖｄを５Ｖ、動作開始電圧Ｖｏを２Ｖ。

基準電圧Ｖｒを２．５■にそれぞれ設定したとする。

この場合、コンパレータ３ば光センサ電圧Ｖが２Ｖから
２．５ｖに立ち上がったときに動作してストローブ信号
Ｓの状態を変化させるが、この際の光センサ電圧Ｖの０
．５ｖの変化“に対して、その実際の動作には第４図ｂ
）でΔＶで示すように±０．０１　Ｖ程度、つまり±２
％程度の誤差ないしはオフセットがふつう存在し、これ
に応じて電荷蓄積時間Ｔには第４図（Ｃ）に７１７で示
したように同じく±２％程度の誤差が発生することにな
る。

従って、電荷蓄積時間Ｔを表すラッチ４のデータは８ビ
ツト構成ではあるが、この場合のデータの信鯨性は実際
には６ビツト程度しか保証されないことになる。もちろ
ん、かかるコンパレータ３に生じるオフセットを個別補
償することは原理上は可能であるが、補償のための回路
調整に手間が掛かり、とくに集積回路装置としてのイメ
ージセンサ内に多数個の光センサ回路が作り込まれる場
合には、それらのコンパレータに生じ得るオフセットを
個別調整によって一々補償することは非常に手間が掛か
り実際上器よ不可能に近い。

また、コンパレータのオフセットは長期の使用中に漸次
変化することがあるので、測定精度を維持するためにこ
れを再調整によって補償することは実際上不可能である
。

本発明はかかる問題点を解決して、電荷蓄積時間を検出
するためのコンパレータの動作特性に若干のオフセット
誤差が発生しても、これを自動的に補償して測定精度を
実質的に向上できる光センサ回路を得ることを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によればこの目的は、光センサの電荷蓄積状態に
応じて変化する光センサ電圧を基準電圧と比較して電荷
１８時間の経過後にその出力の論理状態を変化させるコ
ンパレータと、測定開始に先立ちコンパレータの２入力
に互いに等しい電圧ヲ与えるコンパレータ校正回路と、
コンパレータ校正回路の動作中のコンパレータ出力の論
理状態を起重する記憶手段と、光強度の測定中にこの記
憶手段の記憶内容に応じて補正された基準電圧を光セン
サ電圧き比較すべき電圧としてコンパレータに与える基
準電圧補正回路とで光センサ回路を構成することにより
達成される。

なお、上記構成中のコンパレータ校正回路からコンパレ
ータに与える電圧は、動作開始電圧とするのが回路構成
上有利である。また、記憶手段は最も簡単には１個のフ
リップフロップで構成できる。さらに、基準電圧補正回
路による基準電圧の補正量は、コンパレータのオフセッ
トのばらつきの程度に応じて設定するのが合理的である
。

〔作用〕

光センサの電荷蓄積時間から光強度を測定する際に光セ
ンサ電圧を基準電圧と比較するコンパレータは、その２
入力に受ける電圧の大小関係に厳密に応じてその出力で
ある上述のストローブ信号の状態を変化させるのが理想
的であるが、実際にはこの電圧比較動作には僅かな誤差
があって、再入力電圧の差があるオフセット値を越えた
とき始めてその出力状態を変化させる。このオフセット
が電荷蓄積時間測定上の誤差の主原因であって、実際に
は正または負の値を取り得る。

本発明はこの点に着目して、オフセット値が正か負かを
上記構成中のコンパレータと、コンパレータ校正回路と
、記憶手段により判定した上で、基準電圧補正回路によ
ってこの判定結果に応じてコンパレータに与える基準電
圧を補正することにより、オフセット値を等価的に自動
補償することに成功したもので、これによって電荷蓄積
時間の測定誤差を敞分の１に減少させて前述の所期の課
題を解決することができる。

もちろん、この基準電圧を補正すべき量はコンパレータ
のオフセット値のばらつきないし分布状況により異なっ
て来るが、例えばこの分布が通常のように正負対称ない
わゆる３σ限界をもつ正規分布の場合、補正量を例えば
その標準偏差値σに等しく設定し、オフセットの正負の
判定結果に応じて基準電圧をこの値だけ大または小な値
に補正すれば、オフセット値を自動補償して電荷蓄積時
間の測定誤差を減少できる。オフセットの分布状態がこ
れと異なる場合、基準電圧はもちろんそれに則して適宜
補正される。

なお、本発明回路では上述のオフセット値の正負の判定
のために、まずコンパレータ校正回路により測定開始に
先立ってコンパレータの２入力に互いに等しい電圧２例
えば動作開始電圧を与え、この状態でのコンパレータの
出力の論理状態すなわちオフセットの正負の判定結果を
記憶手段１例えばフリップフロップに記憶させて置き、
この記憶内容に応じて基準電圧補正回路に上述の補正さ
れた基準電圧値を発生させる。

〔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図は本発明による光センサ回路５０の実施例
回路を示し、例えば前の第３図中の相当部分のみを抽出
して示すもので、第２図にその主な信号の波形等が示さ
れている。なお、これらの図中で第３図および第４図と
の共通部分には同じ符号が付けられている。

第１図において、フォトダイオード１ａとその接合容量
１ｂとからなる光センサ１．動作開始用の電界効果トラ
ンジスタ２および光センサ電圧Ｖを一方の入力に受ける
コンパレータ３は、第３図の場合と同じであるが、本発
明に基づきこのコンパレータ３の他方の入力側にはコン
パレータ校正回路１０と基準電圧補正回路３０が、その
出力側には記憶手段２０がそれぞれ設けられている。リ
セットパルスＲＰは従来と同じくトランジスタ２に与え
られ、これに関連して動作制御用の信号Ｒ１が記憶手段
２０に、信号Ｒ２がコンパレータ校正回路１０と基準電
圧補正回路３０にそれぞれ与えられる。

第１図のように、この例でのコンパレータ校正回路ｌＯ
は電界効果トランジスタ１１とそのゲートに接続された
インバータ１２とからなり、制御信号Ｒ２は第２図（Ｃ
）のように当初は〜の状態にあるので、これをインバー
タ１２を介して受けているトランジスタ１１は当初はオ
ン状態にあって、コンパレータ３の他方の入力にこの例
では動作開始電圧Ｖｅを与えている。

この状態で第２図（ａ）に示すリセットパルスＲＰがト
ランジスタ２に従来と同様に光センサ回路５０に対する
動作開始指令として与えられると、このトランジスタ２
がオンしてコンパレータ３の一方の入力にも同じ動作開
始電圧Ｖｅを与える。しかし、このようにコンパレータ
３の２入力に互いに等しい電圧が与えられても、その動
作には前述のように常にオフセントがあるので、その出
力であるストローブ信号Ｓは実際には−または−の状態
を取り、このストローブ信号Ｓの論理状態にコンパレー
タ３が持つオフセット値の正負の判定結果がいわば反映
されるでいることになる。

この実施例での記憶手段２０は、このストローブ信号Ｓ
をＤ入力に受ける単一のフリップフロップ２１で構成さ
れており、そのトリガ入力Ｔに受けている制御信号Ｒ１
がつぎに第２図中）に示すように−から−に変わったと
き、同図回に示すようにストローブ信号Ｓの−または−
の状態に応じてセットまたはリセットされ、これによっ
てコンパレータ３のオフセットの正負の判定結果がこの
フリップフロップ２１内に記憶されたことになる。

なお、この実施例ではコンパレータ３のオフセットの正
負の判定を上述のように動作開始電圧Ｖｅを利用して行
なうようにしたが、より厳密には第３図の基準電圧Ｖｒ
の下でするのが最も望ましく、容易にわかるようにこの
ためにはコンパレータ校正回路ｌＯ内にインバータ１２
で操作される電界効果トランジスタをもう１個追加すれ
ばよい。

つぎに、第２図（Ｃ）に示す制御信号Ｒ２が当初の−か
らｈの状態に変化したとき、コンパレータ校正回路１０
の動作は打ち切られ、基準電圧補正回路３０から補正さ
れた基準電圧がコンパレータ３の他方の入力に与えられ
る。

基準電圧補正回路３０は、１対のトランジスタ３１およ
び３２による補正された２個の基準電圧Ｖａおよびｖｂ
の切り換え機能と、これによって選択された電圧をトラ
ンジスタ３３によりコンパレータ３の他方の入力に賦与
する機能とを備え、この内の制御信号Ｒ２によりゲート
制御されるトランジスタ３３はコンパレータ校正回路１
０のトランジスタ１１と交互に開閉制御される。１対の
トランジスタ３１および３２は記憶手段２０がオフセッ
トの正負の判定結果を記憶したときに一方が選択されて
おり、前者３１は記憶手段２０のフリップフロップ２１
の補のＱ出力を受け、コンパレータ３のオフセットが負
で従ってフリップフロップ２１がリセットされていると
きにオン動作して、正規の基準電圧Ｖｒよりも高く補正
された基準電圧Ｖａを選択し、後者３２はフリップフロ
ップ２１のＱ出力を受け、コンパレータ３のオフセント
が正でフリップフロップ２１がセットされているときに
オン動作して、基準電圧Ｖｒより低−く補正された基準
電圧ｖｂを選択する。

上述の補正量は、前述のようにコンパレータ３のオフセ
ット値の分布が正負対称な正規分布の場合は例えばその
標準偏差値グにほぼ等しく設定され、いまこの補正量を
ｄＶ＝σと置くと、上述の補正された基準電圧はＶａ　
ｗ　Ｖｒ　＋　ｄＶおよびＶｂ＝Ｖｒ−ｄＶにそれぞれ
設定される０例えば、オフセット値のばらつきないしは
３σ限界が前述のように０．０１Ｖの場合、コノ補正値
ｄＶを０．００３〜０．００５　Ｖニ設定するのが好適
である。

前述のように制御信号Ｒ２が第２図（Ｃ）のように−か
ら１に切り換わったとき、コンパレータ校正回路１０の
トランジスタ１１はオフし、かわりに基準電圧補正回路
３０のトランジスタ３３がオンして、上述の補正された
基準電圧Ｖａまたはｖｂがコンパレータ３の他方の入力
に与えられる。この後、リセットパルスＲＰが第２図（
ａ）のように％から−に復帰したときに光センサ１の受
けている光りの測定が開始され、光センサ電圧Ｖは同図
（ｅ）のようにリセットパルスＲＰが−になったときに
セットされていた動作開始電圧Ｖｅから立ち上がって行
く。

一方、コンパレータ３からのストローブ信号Ｓは、第２
図（ｆ）のように制御信号Ｒ２が％になると同時にｎの
状態にセットされており、光センサ電圧Ｖが同図（ｅｌ
のように補正された基準電圧Ｖａまたはｖｂまで立ち上
がったときに−の状態に変わり、リセットパルスＲＰが
−になってからこの時点までが光センサｌの電荷蓄積時
間になるのは従来と変わらない、しかし、本発明回路で
は、この電荷蓄積時間つまりストローブ信号Ｓの波形の
−への立ち下がり時点は、補正された基準電圧がＶａか
ｖｂかで異なって来ることになり、図ではその様子がＳ
ａとｓｂでそれぞれ示されている。

以上の例示かられかるように、本発明回路では光センサ
１の電荷蓄積時間を検出するコンパレータ３の動作にオ
フセットがあっても、その値が正の場合には光センサ電
圧Ｖを比較すべき基準電圧Ｖｒが低めに補正され、負の
場合には逆に高めに補正されるので、コンパレータ３の
オフセットの大部分を自動補償して光強度の測定精度を
実質的に向上することができる。

１例として、前述のように動作開始電圧Ｖｅと基準電圧
Ｖｒの差、つまり光センサ電圧Ｖの変化範囲が０．５■
で、コンパレータ３のオフセットが最大で０．ＩＶの場
合、電荷蓄積時間で表された光強度の測定精度は従来は
前述のように６ビツト程度までであったが、本発明回路
の採用によりこの精度を８ビツトまで確実に高めること
ができる。もちろん、同じオフセント条件で光センサ電
圧の変化範囲をこれより大きく取ることにより、測定精
度をさらに高めることができる。

以上説明した実施例に限らず、本発明は種々の態様で実
施できる。実施例では単一の光センサ回路を示したが、
実際には第３図で示したようにイメージセンサ内にかか
る光センサ回路が多数個組み込まれる場合が多い、コン
パレータ校正回路。

記憶手段および基準電圧補正回路は、本発明の要旨の範
囲内で公知技術を適宜組み合わせて種々の形態に構成で
き、基準電圧の補正態様もコンパレータのオフセットの
ばらつきの程度や分布の様子に応じて適宜な選択が可能
である。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明では、光センサの電荷蓄積時間から
光強度を測定するため光センサ回路を、光センサの電荷
蓄積状態に応じて変化する光センサ電圧を基準電圧と比
較して電荷蓄積時間の経過後にその出力の論理状態を変
化させるコンパレータと、測定開始に先立ちコンパレー
タの２入力に互いに等しい電圧を与えるコンパレータ校
正回路と、コンパレータ校正回路の動作中のコンパレー
タ出力の論理状態を記憶する記憶手段と、光強度の測定
中にこの記憶手段の記憶内容に応じて補正された基準電
圧を光センサ電圧と比較すべき電圧としてコンパレータ
に与える基準電圧補正回路とで構成したので、光強度の
測定開始前にまずコンパレータ校正回路を動作させてコ
ンパレータのオフセット値の正負を判定し、その結果を
記憶手段に記憶させ、基準電圧補正回路によってこの判
定結果に応じてコンパレータに与える基準電圧を補正し
た状態で測定することにより、オフセット値を等価的に
自動補償することができる。

二のようにコンパレータのオフセット（ｔｉ　ヲ補１す
ることにより、光センサの電荷蓄積時間で表された光強
度の測定誤差を従来の数分の１に減少させて、測定精度
を電荷蓄積時間のディジタル値にして例えば従来の６ビ
ツト程度から８ビツトにまで向上することができる。ま
た、本発明回路ではこの補償が自動的になされるので、
とくに集積回路化されたイメージセンサ等に多数個の光
センサ回路を作り込む場合、それらを−々調整する手間
を一切省くことができる。

本発明の場合、このオフセット値の補償は必ずしも完全
でな（上述のように等価ないしは確率的なので、精度向
上の効果は数倍程度ではあるが、多数個の光センサから
なるイメージセンサのイメージ検出精度を実用上はぼ完
全な程度にまで向上することができる。かかる特長をも
つ本発明回路は、とくにカメラ等の自動焦点調整に通用
して、１対のイメージセンサが捉えた被写体のイメージ
を高精度で相互比較しながら厳密な焦点合わせを可能に
する上で著効を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図が本発明に関し、第１図は本発明に
よる光センサ回路の実施例回路図、第２図はその主な信
号の波形図等である。第３図以降は従来技術に関し、第
３図は従来の光センサ回路を関連回路とともに示す回路
図、第４図はその主な信号の波形図である０図において
、 ｌ：光センサ、１ａ：フォトダイオード、ｌｂ：電荷蓄
積用接合容量、２：動作開始用電界効果トランジスタ、
３：コンパレータ、４：ラッチ、５：カウンタ、６．７
：バス、１０：コンパレータ校正回路、１１４校正電圧
賦与用電界効果トランジスタ、１２：インバータ、２０
：記憶手段、２１：フリップフロップ、３０：基準電圧
補正回路、３１．３２　：補正された基準電圧選択用電
界効果トランジスタ、３３：補正された基準電圧の賦与
用電界効果トランジスタ、ＣＰ：クロックパルス、Ｅ：
接地電位点、Ｌ：光センサへの光、ＲＰ：動作開始指令
としてのリセットパルス、Ｒ１，Ｒ２ｊ制御信号、Ｓ：
電荷蓄積時間測定用ストローブ信号、Ｓａ、Ｓｂ：補正
された基準電圧に基づくストローブ信号の波尾、Ｔ：電
荷蓄積時間、ΔＴ：電荷蓄積時間の測定誤差、Ｖ：光セ
ンサ電圧、Ｖａ、Ｖｂ：補正された基準電圧、ｖｄ：電
源電位点、ｖｅ：動作開始電圧、ｄｖ：基準電圧の補正
量、６Ｖ：コンパレータの動作オフセット値、稟１図 Ｓ＆ 第Ｚ肥

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光センサの電荷蓄積時間からそれが受ける光強度を測定
   するための回路であって、光センサの電荷蓄積状態に応
   じて変化する光センサ電圧を基準電圧と比較して電荷蓄
   積時間の経過後にその出力の論理状態を変化させるコン
   パレータと、測定開始に先立ちコンパレータの２入力に
   互いに等しい電圧を与えるコンパレータ校正回路と、こ
   のコンパレータ校正回路の動作中のコンパレータ出力の
   論理状態を記憶する記憶手段と、光強度の測定中にこの
   記憶手段の記憶内容に応じて補正された基準電圧を光セ
   ンサ電圧と比較すべき電圧としてコンパレータに与える
   基準電圧補正回路とを備えてなる光センサ回路。