JPH0260380A - 電荷蓄積形イメージセンサ回路 - 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
適当なり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ビツトのディジタ
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１
２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が受けている光り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の一方の人力に与えられ、
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
Ｉ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ビツトのデ
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〜ｌｌ１１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ＴＯ〜Ｔ＋ｗとする。これかられかるようにに、上述
のクロックパルスはこれらの電荷蓄積時間値ＴＯ〜Ｔｍ
の刻みに応じてその周期を経時的に変化させればよ（、
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ＪＲを所望
の目盛りで刻んだ各光強度値１０〜ｌｌ１１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肝はイメージセンサ
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ビツ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−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肝の周期が前述のよう
に経時的に変化しているため、第５図かられかるように
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肝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ＩＯの近くまで上げれば測定用クロックパルス肝の周
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
期を一定と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、−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
。

〔課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れかるように、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ビツトのイメージデータ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Ｖ
ｒ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ビツトのラッチ
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３１〜Ｓｎをそれぞれ
ラッチ指令として受け、８ビツトの入力バス２２に乗せ
られているカウンタ２３の計数値を時間信号３１〜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肝は前の第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Ｔ
Ｐ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３１〜Ｓ
ｎを受ける１個のオアゲート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３１
〜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図山）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Ｓ
ｅ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Ｔ
ｅ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ｌＯ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３ｏ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がディジタル北回
ｉｔ！ｆｆ＋２０のカウンタ２３に与えられ、その各ラ
ッチ２１には時間信号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Ｒ
１を逐次与えてその各段出力によりう・ンチ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ビツトの出力バス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３ｏ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１ｏ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
と最短電荷蓄積時間ＴｅＯ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Ｒ
１を与えることにより、１個のラッチ２１から８ビツト
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上のディジクル値を読の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
ツ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の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
を周期が経時的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
センサ内の光センザ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較性の高い
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、１０：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：ラソチ、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ニオアゲ
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、■０〜■ｍ：イメージデータのディ
ジタル他用光強度値、Ｌ：光センサへの入射光、ＭＰ：
測定用クロックパルス、ＲＰ：リセソトパルス、ＲＤ−
読み取りデータ、Ｒ１，）１２：読み取りパルス、Ｓ、
Ｓｌ−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、Ｔｌ試験指令、Ｔｏ−
Ｔｍ：イメージデータのディジタル他用電荷蓄積時間値
、■：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、シ、
ｖｌ〜ｖｎ：光センサの出力電圧、である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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。