JP2004072542A

JP2004072542A - 光センサ

Info

Publication number: JP2004072542A
Application number: JP2002230687A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Mori; 森　賢一
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【課題】積分（露光）時間によらず、常に一定のダイナミックレンジを保証して、低輝度環境における信頼度を高める。
【解決手段】この光センサは、被写体の光信号を電気信号に変換して出力するものであって、増幅器１１、光電変換素子（受光素子）１２、積分容量１３、及びリセットスイッチ１４を含む積分型の通常画素１０と、暗電流算出手段２０と、暗電流除去手段３０とを備えている。暗電流算出手段２０は、遮光された状態の光電変換素子から出力される電流信号を積分することによって、受光素子１２の暗電流信号を算出するものである。暗電流除去手段３０では、通常画素１０の受光素子１２で被写体の光信号を変換した電流信号から暗電流算出手段２０において算出された暗電流信号を差し引くように作用する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被写体からの光信号を電気信号に変換する光センサに関し、特に、暗電流特性を有する光電変換素子の暗時出力の影響を除去するようにした光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に光センサの暗時出力は、基本的に半導体接合領域の接合リークであり、結晶の不均一性、不完全性により増加することが知られている。単位時間あたりの暗時出力は被写体の周辺輝度にかかわらず一定である。このため、積分型の光センサにおいては積分時間が長くなるほど暗時出力による蓄積電荷は多くなる。
【０００３】
被写体からの光信号を電気信号に変換する光センサを構成する場合、こうした半導体素子の暗時出力の影響を除去するために従来から種々の工夫がなされている。
【０００４】
第一の従来技術は、光信号の持続時間に応じた暗時出力を、あらかじめ外付けメモリに記憶しておく方法である。この方法は、光センサが被写体からの光信号を受光したとき、光電変換素子から出力される電流を一定時間積分し、その積分値を画素信号として読み出す際に、外付けされたＣＰＵなどを用いて光信号の持続時間に応じた暗時出力値をメモリから読み出すことにより、画素データから暗時出力値を差し引くようにしている。
【０００５】
しかし、第一の従来技術では、積分された画素データの中には暗時の電流出力も含まれているために、積分時間が長くなるほど暗時出力の全信号に占める割合が増え、本来のダイナミックレンジが狭くなるという問題があった。また、外付けのＣＰＵで暗時出力の除去を実施するためには、積分時間に応じた暗時出力を記憶しておく必要があり、システムに大きな負荷がかかる。さらに、データ読み出し後の処理時間も長くなるという問題があった。
【０００６】
第二の従来技術は、例えば特開平１０−１１５５５２号公報、あるいは特開平１−１６５２７５号公報などにより開示されているものである。この方法は、通常画素とは別に遮光された受光素子（遮光画素）を設けておき、通常画素に対応する受光素子の光電流から遮光画素の暗時出力の電流成分を差し引くことで、暗時出力の影響を除去するようにしたものであって、第一の従来技術と比較した場合、半導体素子の暗時出力が容易に除去できるという利点がある。
【０００７】
ところが、遮光画素の暗時出力が光電荷の積分量として差し引かれているわけではないことから、暗電流の除去効果において、光源の変動分や高周波のノイズの影響を受けて、誤差が生じやすいという問題があった。
【０００８】
そこで、出願人は特開平１−１５６６３１号公報に開示されるような、第一受光素子と第一積分容量とを並列的に設け、元信号に応じて第一受光素子により検出した光電流を第一積分容量に積分し、その積分値を規格値発生回路からの規格値と比較し、当該積分値が規格値に達するまでの時間を待って、元信号を時間量に変換するようにした光センサを開発した（以下、この光センサを第三の従来技術という）。
【０００９】
このような光センサにおいては、第一受光素子と略々同じ構造を持ち、かつ遮光された第二受光素子を、第一容量と略々同じ容量値をもつ第二容量と並列的に設け、その並列回路を規格値発生回路と直列に接続し、規格値発生回路からの暗時出力の積分値とを合わせた値を規格値として前述の積分値と比較することにより、暗時出力をうち消すようにしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した第三の従来技術では、受光素子からの画素信号の中に暗時出力が含まれることになる。そのため、被写体からの光信号に対する積分時間が長くなるほど本来のダイナミックレンジが狭くなって、低輝度環境における光センサの信頼度が低減するという課題があった。
【００１１】
この発明の目的は、積分（露光）時間によらず、常に一定のダイナミックレンジを保証することによって、低輝度環境においても信頼度の高い光センサを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、被写体からの光信号を電気信号に変換する光センサが提供される。この光センサは、遮光された状態の光電変換素子から出力される電流信号を積分することによって暗電流信号を算出する暗電流算出手段と、前記被写体の光信号を変換した電流信号から前記暗電流算出手段において算出された暗電流信号を差し引く暗電流除去手段と、から構成される。
【００１３】
また、この発明の光センサは、被写体からの光信号を受光する第一の光電変換素子と、前記第一の光電変換素子とほぼ同一の暗電流特性を有する第二の光電変換素子と、前記第一の光電変換素子から前記光信号に応じて出力される電流を画素信号として蓄積する第一の積分回路と、前記第二の光電変換素子を遮光した状態で前記第二の光電変換素子から出力される電流を遮光時画素信号として蓄積する第二の積分回路と、前記第一の積分回路に蓄積された画素信号から前記第二の積分回路に蓄積された遮光時画素信号を差し引く暗電流除去回路と、から構成される。
【００１４】
この光センサでは、積分型の通常画素の光電荷から遮光画素の暗時出力を差し引いた光電荷が、通常画素の積分容量に蓄積されるため、積分時間が長くなっても一定のダイナミックレンジが保証できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係る光センサの基本構成を示すブロック図である。
この光センサは、被写体の光信号を電気信号に変換して出力するものであって、増幅器１１、光電変換素子（受光素子）１２、積分容量１３、及びリセットスイッチ１４を含む積分型の通常画素１０と、暗電流算出手段２０と、暗電流除去手段３０とを備えている。受光素子１２は、アノードが接地され、カソードが増幅器１１の入力側に接続されたフォトダイオードなど半導体接合素子として構成されるものであって、一般に、その半導体接合領域接合リークとして暗時出力電流（暗電流）が生じ、結晶欠陥などによりその値は増加する。
【００１６】
暗電流算出手段２０は、遮光された状態の光電変換素子から出力される電流信号を積分することによって、受光素子１２における暗電流信号を算出するものである。また、暗電流除去手段３０では、通常画素１０の受光素子１２で被写体の光信号を変換した電流信号から暗電流算出手段２０において算出された暗電流信号を差し引くように作用する。したがって、受光素子１２で測定された電流信号に対応して積分容量１３に蓄積される電気信号に基づいて、暗電流成分を除去した正確な被写体像に応じた電圧値を出力できる。
【００１７】
つぎに、光センサの具体的な構成と作用効果について説明する。
（実施の形態１）
図２は、この発明の実施の形態１に係る光センサの構成を示す回路図である。
【００１８】
右側のブロックは通常画素１０を構成するものであり、図１に示すものと同一である。この通常画素１０に対して、その受光素子１２のカソード側で容量素子（コンデンサ）３１を介して遮光状態にされた画素（遮光画素）が設けられている。この遮光画素は、図１の暗電流算出手段２０に対応するものであって、増幅器２１、第二の光電変換素子である受光素子２２、積分容量２３、及びリセットスイッチ２４から構成されている。
【００１９】
この遮光画素に対して直列に接続された容量素子３１は、通常画素１０の積分容量２３の入力側電位を、遮光画素の出力側電位（図１のＶ２）だけ差し引くように機能している。ここで増幅器１１と増幅器２１との間に容量素子３１を挿入して、両者を接続することによって、積分容量１３と積分容量２３での蓄積電荷の差分に相当する電位Ｖ１が通常画素１０の画素信号として出力される。
【００２０】
いま、仮に容量素子３１によって通常画素１０と遮光画素とが接続されていない場合を考えると、積分容量２３には暗時出力のみによって生じた電荷が、積分容量１３には暗時出力と被写体からの光の強度に対応した信号電荷との両方が蓄積されてしまう。
【００２１】
ここでは、測定動作の開始に先立って、それぞれのリセットスイッチ１４，２４を同時にオンさせる。このことにより、増幅器１１，２１の入力側電位は入力＝出力となる中間電位に初期化される。ここで、増幅器１１，２１は、ゲインがマイナス無限大の反転増幅器である。その後、リセットスイッチ１４，２４をオフして、センシング動作が開始される。
【００２２】
通常画素１０に光が入射すると受光素子１２に電荷が発生し、その電荷量が積分容量１３に蓄積される。もし容量素子３１を介して遮光画素が接続されていなければ、この蓄積される電気信号の積分値には受光素子１２で生じた暗時出力も含まれることになる。しかし、ここではセンシング時に、容量素子３１による差分動作がリアルタイムに行われることになって、以下に説明するように、通常画素１０の出力側電位Ｖ１が理論上、光電荷による蓄積量のみの電位変動として出力される。
【００２３】
図３は、各受光素子１２，２２に接続された積分容量１３，２３の出力側の電位（Ｖ１，Ｖ２）の変化を示す図である。横軸は、電荷蓄積開始からの経過時間を示す時間軸、縦軸は、出力側の電圧Ｖ１，Ｖ２の大きさ（電位）を示すものであって、初期電位Ｖｉｎｉｔと最大電位Ｖｍａｘとの間がダイナミックレンジとなる。電位Ｖ２は暗時出力のみを抽出したものであって、初期電位Ｖｉｎｉｔから時間の経過とともに変化していく。一方、通常画素の出力電位Ｖ１は、図３の暗電流を含む出力Ｖ０から暗電流信号出力である電位Ｖ２を差し引いた電位として変化していく。
【００２４】
このように、実施の形態１の光センサでは、被写体からの光信号に対する積分時間が長くなった場合でも、容量素子３１による差分動作がリアルタイムに行われることにより、ダイナミックレンジが狭くならず、低輝度での被写体画像に対する光センサの信頼度を高めることができる。
（実施の形態２）
一般に、被写体のおかれた状態が高輝度であれば、積分容量１３における積分時間は短くてよい。したがって、そのような被写体像を電気信号に変換する場合には、受光素子１２における暗時出力をほとんど無視することができる。
【００２５】
また、複数の画素を配列して被写体像を得る光センサでは、各画素を構成する受光素子毎に暗電流の大きさが異なることから、逆に容量素子３１を付加することにより固定パターンノイズ（ＦＰＮ）が強調されてしまう可能性もある。したがって、光センサでは一律に暗電流を除去しないことが望まれている。
【００２６】
図４は、この発明の実施の形態２に係る光センサの構成を示す回路図である。実施の形態２の光センサは、容量素子３１と通常画素１０との間に選択スイッチ３２を挿入した点で、実施の形態１の回路構成と異なっている。選択スイッチ３２は、例えば被写体からの光信号の輝度が基準の大きさより小さい場合にオンされる。
【００２７】
したがって、被写体像が高輝度である時には選択スイッチ３２をオフして、暗時出力除去を選択せずにセンシング動作を実行し、低輝度時のみに暗時出力除去を実行しながらセンシングを行うことができる。暗時出力除去を選択するかどうかを決定するために、図示しない輝度信号測定手段を設けて、予め被写体輝度を測定しておき、選択スイッチ３２のオンオフを決定しておくことが好ましい。
【００２８】
また、複数画素を配列して使用して被写体像を得る光センサであって、各画素を構成する受光素子毎に暗電流の大きさが分かっている場合には、暗電流が大きい受光素子に対してのみ選択スイッチをオンすることで、ＦＰＮを低減することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の光センサによれば、積分（露光）時間が長くなった場合にも、光電変換素子における暗時出力の影響を除去できるため、被写体のおかれた環境が低輝度の場合であっても、一定のダイナミックレンジが保証でき、信頼度の高い測定ができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る光センサの基本構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る光センサを示す回路構成図である。
【図３】各受光素子に接続された積分容量の出力側の電位（Ｖ１，Ｖ２）の変化を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る光センサを示す回路構成図である。
【符号の説明】
１０　通常画素
１１　増幅器
１２　受光素子（第一の光電変換素子）
１３　積分容量
１４　リセットスイッチ
２０　暗電流算出手段
２１　増幅器
２２　受光素子（第二の光電変換素子）
２３　積分容量
２４　リセットスイッチ
３０　暗電流除去手段
３１　容量素子（コンデンサ）
３２　選択スイッチ

Claims

被写体からの光信号を電気信号に変換する光センサにおいて、
遮光された状態の光電変換素子から出力される電流信号を積分することによって暗電流信号を算出する暗電流算出手段と、
前記被写体の光信号を変換した電流信号から前記暗電流算出手段において算出された前記暗電流信号を差し引く暗電流除去手段と、
を備えることを特徴とする光センサ。
被写体からの光信号を受光する第一の光電変換素子と、
前記第一の光電変換素子とほぼ同一の暗電流特性を有する第二の光電変換素子と、
前記第一の光電変換素子から前記光信号に応じて出力される電流を画素信号として蓄積する第一の積分回路と、
前記第二の光電変換素子を遮光した状態で前記第二の光電変換素子から出力される電流を遮光時画素信号として蓄積する第二の積分回路と、
前記第一の積分回路に蓄積された画素信号から前記第二の積分回路に蓄積された遮光時画素信号を差し引く暗電流除去回路と、
を備えることを特徴とする光センサ。
前記暗電流除去回路は、前記第二の積分回路の出力側と前記第一の光電変換素子との間を接続する容量素子であることを特徴とする請求項２記載の光センサ。
前記暗電流除去回路は、前記容量素子に対して直列にスイッチング素子を備えていることを特徴とする請求項３記載の光センサ。
前記スイッチング素子は、前記被写体からの光信号の輝度が基準の大きさより小さい場合にオンされることを特徴とする請求項４記載の光センサ。