JP2006505159A - 光電センサ - Google Patents

Abstract

第一のトランジスタ（Ｔ１）または第一のダイオード（Ｄ１）を介して、第一の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}、Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}）に接続可能な、少なくとも１つのフォトダイオード（１）を具備する光電センサを開示する。前記フォトダイオード（１）は、第二のトランジスタ（Ｔ２）を介して読み出し増幅器（Ｔ３）の入力に接続可能である。第三のトランジスタ（Ｔ５）を介して、読み出し増幅器（Ｔ３）の入力は、第二のトランジスタ（Ｔ２）と読み出し増幅器（Ｔ３）の入力の間に配列されている第二の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}、Ｖ_{ｒｅｓｅｔ２}）に接続可能である。改良された光電センサは、読み出し時間まで積分信号値を一時的に保つための手段（Ｃ）を具備し、それによって大きなダイナミックレンジを有する改良された光電センサを提供、すなわち、感度を小信号では増加する一方で感度を大信号では低下させ、さらに前記光電センサは、追加的に次の積分の読み出し時間まで信号値をピクセルに保つこともできる（グローバルシャッタ露光制御）。

Description

本発明は、第一のトランジスタを介して第一の電位に接続可能な、少なくとも１つのフォトダイオードを具備する光電センサに関する。

撮像素子がＣＭＯＳテクノロジに実装されることが次第に増加している。ＣＣＤテクノロジとは異なり、このテクノロジは入力信号に応答して出力信号の非線形特性曲線を作成することを可能とする。

平均グレースケール分解能に非線形特性曲線を使用すれば、線形特性曲線で可能なものに比べ、撮像の飽和を起こさずに撮像中の高いコントラストを処理することが可能となる。

これまで、非線形特性曲線はさまざまな方法で作成されてきた。例えば、米国特許第４４７３８３６号には、対数圧縮による非線形特性曲線の作成について記載されている。国際公開第０１／４６６５５号パンフレットには、線形と対数圧縮を組み合わせた非線形特性曲線の作成について記載されている。その他の出典にはこの目的でいわゆるクランピングが使用されている（１９８３年６月Ｔ．Ｆ．Ｋｎｉｇｈｔマサチューセッツ工科大学博士論文）。原則として、これは高い光エネルギーで光電センサの感度を下げるものである。一方で、スキミング法により（参考：例えば、ビデオ技術の回路およびシステムに関するＩＥＥＥトランザクション、１９９７年８月Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．４）、低い光強度で感度を上げることも可能である。

パルス光源（フラッシュ照明）で光を当てる動画像やシーンを素早く記録するために、いわゆる、「グローバルシャッタ」露光制御を有するセンサが用いられている。これは、ピクセルの「サンプルアンドホールド」素子により、読み出し時まで積分信号値を記憶できるセンサのことである。

発明の概要

したがって、本発明の目的は、増加したダイナミックレンジと、「グローバルシャッタ」露光制御とを有する光電センサを提供することにある。これは基本的には、高光エネルギーでセンサの感度を制限し、他方では低光強度での感度を上げることを可能にするものである。本発明は、第一のトランジスタまたは第一のダイオードを介して第一の電位に接続可能な、少なくとも１つのフォトダイオードを具備する光電センサに関するものである。

この目的は、フォトダイオードを更に第二のトランジスタ、第三のトランジスタを介して読み出し増幅器の入力に接続することが可能であり、これらのトランジスタを介して、読み出し増幅器の入力を第二のトランジスタと読み出し増幅器の入力との間に更に配列されている第二の電位に接続することが可能であるということで達成される。更には、読み出し時間まで積分信号値を一時的に記憶させる手段（Ｃ２）も備えている。

したがって、本発明の最も重要な点は、低光強度での感度を上げる可能性と高光エネルギーでセンサの感度を下げる可能性とを組み合わせ、他方で「グローバルシャッタ」露光制御を保持することである。

本発明では、光電センサ素子（撮像素子）の一次元または二次元配列への一体化に適し、また低輝度の光信号に対する感度を上げ、高輝度の光信号に対する感度を下げることで非線形特性曲線を作成することが可能な回路を提案している。提案の回路は、二次元配列でも同じように使用することが可能であり、二重抽出法の信号タイミングを用いて読み出すことも可能である。

本発明の好適な第一の実施形態によれば、第一のトランジスタの場合、第一と第二の電位はほぼ同じ電圧レベルにある。第一のダイオードの場合、効果的なダイオード閾値電圧を制御するためには、第一の電位を、この場合、第二の電位と切り離して調整しなければならないので、この回路は不可能である。「サンプルアンドホールド」素子は、第二のトランジスタと読み出しバッファの入力に接続される漂遊容量によって製造するのが好ましい。これらの漂遊容量は同じように、小さな信号用の増幅モードで変換コンデンサを形成する。この変換コンデンサをよりよく制御するためには、接地電位への追加コンデンサをこのノードに接続するとよい。通常、この容量は数フェムトファラドの範囲に含まれる。小さい信号を増加できるようにするには、読み出しバッファの入力に接続された合計容量をフォトダイオードの漂遊容量より少なくする必要がある。

本発明の更なる好適な実施形態によれば、読み出し増幅器や読み出しバッファの出力は、行選択トランジスタを介して列バスに接続されている。一般的に、回路で用いられるトランジスタはすべてＭＯＳトランジスタとして設計されている。以下の説明は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ（ＮＭＯＳ）の実装をベースとしているが、本発明はＰ型ＭＯＳトランジスタや双方のトランジスタ型の組み合わせを実装する可能性も対象としている。当業者には周知であり、明白であるように、ＰＭＯＳトランジスタを実装すると、すべての電圧は指定された場所においてＮＭＯＳトランジスタに対して反転する。

本発明の更なる好適な実施形態は、フォトダイオードで生成した電流が積分時間の第一相において読み出し増幅器の入力にコンデンサだけを放電するように、第二のトランジスタのゲート電圧が制御され、積分時間の最終位相においてフォトダイオードで生成した電流の一部、または全部が第一のトランジスタのチャネル、または第一のダイオードによって相殺されるように、第一のトランジスタのゲート電圧、または第一のダイオードの場合には第一の電位が制御されることを特徴としている。この動作により、高輝度には感度を下げ、低輝度には感度を上げることを確実なものとなる。このようなセンサは、輝度によっては、積分時間全般を通じて第一相に留まったままになるか（低信号）、または最終位相まで続行する（大きい信号）。この場合、一般的には、第一のトランジスタのゲート電圧が第二のトランジスタのゲート電圧より低く、また、第一のトランジスタのゲート電圧が読み出しバッファの飽和信号より少なくとも閾値電圧分だけ高くなるように電圧が調整される。第一のトランジスタの代わりに、ダイオードを使用する場合、陽極電圧−ダイオード閾値電圧がゲート電圧−第二のトランジスタの閾値電圧より低く、また、陽極電圧−ダイオード閾値電圧が読み出しバッファの飽和信号より大きくなるようにダイオードの陽極電圧が調整される。その後、ゲート電圧（または、ダイオードの場合には、ゲート電圧と陽極電圧）に調整したほうが得策であることが判明したため、２つの電圧間の差は閾値電圧の公差＋電圧値の公差より大きく、特にこの差が、好ましくは＞１００ｍＶになるように選択される。これは、ｎＷ／ｃｍ^２−ｍＷ／ｃｍ^２の範囲にある典型的な光強度のためのものである。

積分時間後、第二のトランジスタが開いて、変換ノード（ストレージノード）がフォトダイオードから分離される。この位相では、読み出し位相の最後まで、第一のトランジスタのゲートは少なくとも閾値電圧分だけ接地電圧より大きい電位の状態に維持される。第一のダイオードの場合、後者が同様に第一の電位＋効果的なダイオード閾値電圧に調整される。これにより、フォトダイオードで蓄積した電荷キャリアがフォトダイオードを完全に放電しなくなるため、ストレージノードにオーバフローしなくなるが、フォトダイオードの電位が接地電圧に近い値に達すると、第一のトランジスタのチャネルまたは第一のダイオードにより相殺される（大きい光強度）。

本発明の更なる好適な実施形態では、第一のトランジスタおよび第二のトランジスタのゲート電圧は積分時間中に変更可能である。したがって、センサまたはセンサアレイの特性応答曲線（輝度の関数としての感度）は、必要に応じて、あるいはセンサセルのアレイ上に分布される入射光の強度に応じて、より可変的に調整することも可能である。「ホールド」位相中に、第一のトランジスタのゲート電圧が、少なくともフォトダイオードの完全放電を阻止する値ではあるが、積分位相中に第二のトランジスタのゲート電圧に用いられる最小値より低い値に留まることに注意すべきである。同様に、第一のダイオードもそれに応じて第一の電位を介して制御する必要がある。

本発明に係る光電センサのその他の好適な実施形態については、従属クレームに記載されている。

上述のように、本発明は更に光電センサを操作する方法に関するものである。特に、この方法の特徴は、第一のトランジスタのゲート電圧、または第一のダイオードの場合には第一の電位が調整または制御されて、積分時間の第一相においてフォトダイオードで蓄積した電荷キャリアが変換ノードコンデンサだけを放電するようにしてあり、等価な電位がフォトダイオードの出力および読み出し増幅器の入力に達した後の第二相において、フォトダイオードで蓄積した電荷キャリアがフォトダイオードコンデンサと前記変換ノードコンデンサの双方を放電し、フォトダイオードの出力が第一のトランジスタの閾値、または第一のダイオードのダイオード閾値以下に下がると、第三相において、フォトダイオードで蓄積した電荷キャリアが少なくとも部分的に第一のトランジスタまたは第一のダイオードを介して利用可能になり、そして積分時間が経過すると、第二のトランジスタが開いて、第一のトランジスタのゲート電圧、または第一のダイオードの場合には第一の電位が、フォトダイオードの完全放電を阻止するように調整されることである。この動作モードにより、前述の高輝度には感度を下げ、低輝度には感度を上げ、積分時間が経過してから読み出し時間まで、信号値をピクセルで保存することが可能になるという目的が実現する（「グローバルシャッタ」露光制御）。次に、ゲート電圧−閾値電圧が読み出し増幅器の入力に設定されるリセット電圧よりも低く、かつゲート電圧が読み出しバッファの飽和電圧より少なくとも閾値電圧分だけ高くなるように、リセット位相および積分位相中に第二のトランジスタのゲート電圧を調整するというように手順を適合させることが好ましい。第一のトランジスタのゲート電圧は、リセット位相中に積分位相中に使用される中で最も高い値に調整されるが、接地電圧より少なくとも閾値電圧分だけ高く、そして第二のトランジスタのゲート電圧より低い。ホールド位相中に、第一のトランジスタのゲート電圧はリセット位相中と同じ値に調整されるが、接地電圧より少なくとも閾値電圧分だけ高い。

上記に概説したように、前記方法の好適な実施形態によれば、第二のトランジスタのゲート電圧は、第一のトランジスタのゲート電圧より必ず大きい状態に留まるのではあるが、積分位相中に変更することは可能であり、第一のトランジスタのゲート電圧は、積分位相中に連続的に下がるのが好ましい。

また、第一のトランジスタのゲート電圧は、一定に保つことも積分時間中に連続的に下げることも可能である。更には、第二のトランジスタのゲート電圧が少なくとも一度切り換わって、このトランジスタのバルク電位に等しくなるようにし、そして再度元の値に切り換わるように手順を適合させることも可能である。

上述のように、本発明は更に光電センサの一次元または二次元配列に関し、また、このような配列を操作する方法に関する。

次に図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

Ａ）高い光強度で感度を下げることによる非線形特性曲線
積分型光検出器において、光学的に生成された電荷は、逆バイアスフォトダイオード１によって蓄積され、フォトダイオードの漂遊容量およびフォトダイオードに接続されたコンデンサ上に集積される。

積分コンデンサＣ１，Ｃ２が一定の信号レベルに達した後で特定の信号依存電流を取り除くと、高輝度での感度を下げることが実現可能となる（例えば、これについては、前述の国際公開第０１／４６６５５号パンフレットにおいて提案されている）。これを実現するには、図１乃至図３の１つに係るピクセル図においてＭＯＳトランジスタＴ１のゲートが積分位相中にバイアスされて、ＭＯＳトランジスタＴ１が意図した信号値を超えてサブスレッショルドコンダクタンス分だけ、積分コンデンサＣ１から信号依存電流を放電するようにすれば可能となる（閾値以下のコンダクタンス）。積分時間中に、このトランジスタＴ１のゲートのバイアシングは、さまざまな光強度に応じて効果的なさまざまな集積回数が得られるように適合させることが可能である。これは、Ｐ型基板対Ｎ型フォトダイオードならびにＮチャネルＭＯＳトランジスタを用いた実施形態において、以下のように実施される。

積分時間の開始前に、図１乃至図３におけるリセットトランジスタＴ１のゲートが、少なくともリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}を超えた閾値にバイアスされる。これにより、図１の積分コンデンサＣ１、または図２乃至図３のＣ１およびＣ２のそれぞれがリセット電位Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}に帯電する。積分時間の初めは、リセットトランジスタＴ１のゲートはリセット電位＋閾値電圧よりは低いが、読み出しバッファの飽和電圧より少なくとも閾値電圧分だけ高い値にバイアス（ＶＧ１）される。フォトダイオード１で蓄積した電流は、入射光度に対して線形に反応するが、積分コンデンサＣ１、またはＣ１およびＣ２をそれぞれ放電する。比較的高い光強度の場合は、積分コンデンサが積分時間内に値ＶＧ１−ＶＴＨ（Ｔ１の閾値電圧）に放電する。この時間以後、トランジスタＴ１はフォトダイオード１で生成した電流の一部を積分コンデンサから放電するようになる。積分コンデンサでの電圧がすぐにゆっくりと下がり始め、フォトダイオード１で生成した電流のすべてが、トランジスタＴ１によって相殺される値で最終的に安定するまで下がり続ける。積分時間の後半では、例えば、積分時間の９０％以降に、リセットトランジスタＴ１のゲートがさらに低い値のＶＧ２にバイアスされる。このため、フォトダイオード１で生成した電流の相殺が停止する。積分コンデンサは再び光電流によって放電されるようになる。積分時間の最後までタイムスパンの短い状態が続くため、最初の時間間隔において積分コンデンサをＶＧ１−ＶＴＨに放電した光強度に対する感度が下がるという結果になる。

特性曲線を要件に合わせるには、更に段階を追加すればよい。

Ｂ）小さな信号の感度を上げることによる非線形特性曲線
ＣＭＯＳテクノロジにおける集積光電センサの感度を上げるには、光生成された電荷を電圧信号に変換する変換容量を下げればよい。通常、静電容量は、フォトダイオードの漂遊容量およびフォトダイオードに接続された読み出し電子機器の漂遊容量によって形成される。これらの静電容量は、所定の技術で製造可能な最小の構造によって限られた範囲内でしか下げることができない。ＭＯＳトランジスタ、ならびにフォトダイオードと読み出しバッファ間に存在するこのトランジスタのゲート電圧の適切なバイアシングを追加することにより、変換コンデンサからフォトダイオードの漂遊容量を分離することが可能となる。

これを可能にする光電センサの回路の例を、図４に示す。

第一位相において、リセットトランジスタＴ５を閉じると、変換コンデンサＣ２がリセット電圧Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}に帯電する。トランジスタＴ２のゲートが、リセット位相中に定電圧ＶＧＴ２に維持される。この電圧は、リセットトランジスタＴ５を開くことによって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧−閾値電圧が変換ノードＮ３で達成されるリセット電圧よりも低くなるように選択される。しかし、ゲート電圧は、トランジスタＴ２のバルク電位よりも少なくとも閾値電圧分だけ高くなるように選択される。したがって、フォトダイオード１がリセット中にリセット電位に達することはないが、電位ＶＧＴ２−ＶＴＨで安定する。

フォトダイオードが収集する電荷キャリアにより、変換コンデンサＣ２を放電するトランジスタＴ２に電流が生成されるため、フォトダイオード１の逆バイアス電圧が維持される。この結果、フォトダイオード１の漂遊容量Ｃ１は放電されず、Ｃ２に蓄積された特定の量の電荷について生成される電圧信号が、変換コンデンサが直接フォトダイオード１に接続されたときよりも大きくなる。変換ノードＮ３での電圧がフォトダイオード（Ｎ１）での電圧よりも大きい間は、感度をこのように上げることができるが、この２つの電圧が等しくなるや否や、フォトダイオードの漂遊容量と変換ノードＮ３の漂遊容量が均等に放電するようになる。よって、信号が大きくなると感度が下がるのである。

積分時間の最後を決めるには、Ｔ２でのゲート電圧をバルク電位＋閾値電圧より低い電位に下げて電圧信号をＣ２上でサンプリングするか、またはリセットを読み出して誘導すればよい。フォトダイオードは更にホールド位相中に放電することがある。これによる影響は、フォトダイオードが完全に放電してしまい、光学的に生成された電荷が基板を通してストレージノードにオーバフローして出力中の信号値をゆがめてしまうことであろう。本発明はこの問題への解決を提供するものである。

感度を上げるために、積分時間中にトランジスタＴ２のゲート電圧を信号依存電荷注入を行うことによって変更することも可能である（例えば、ＶＧＴ２への繰り返し開閉など）。

本発明では、以下の手順を採り入れている。

本発明に係る光電センサの典型的な実施形態の回路図を図３に示す。本発明に係る光電センサは、ＭＯＳトランジスタＴ１を介してリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔに接続できるフォトダイオード１を備えている。また、このセンサは、フォトダイオードを読み出しバッファＴ３に接続するＭＯＳトランジスタＴ２を備えている。読み出しバッファＴ３の入力端子は、さらにＭＯＳトランジスタＴ５を経由してリセット電位に接続されている。

この独創的なセンサの制御は、トランジスタＴ２のゲート端子がリセット位相および積分位相中にバイアスされて、ゲート電圧−閾値電圧が読み出しバッファＮ３の入力に設定されているリセット電位よりも低くなるようにしてあるが、読み出しバッファＴ３の飽和信号よりも少なくとも閾値電圧分だけ高くなるようにしてある。

トランジスタＴ１のゲートは、その電位がＴ２のゲート電位より低くなるようにバイアスされるが、読み出しバッファＴ３の飽和信号より少なくとも閾値電圧分だけ高くなるようにしてある。２つのゲート電圧間の差は、閾値電圧の公差＋電圧値の公差より大きくなる（一般に、＞１００ｍＶ）。

積分位相中に、トランジスタＴ２の電位を変えることは可能であるが、必ずトランジスタＴ１のゲート電位より大きくしておかなくてはならない。

トランジスタＴ１のゲート電位は、積分位相中に下げてもよい。

積分時間の第一相において、フォトダイオード１で蓄積した電荷キャリアは、変換コンデンサＣ２だけを放電し、電荷キャリア１個当たり最大の電圧信号を生成する。光強度が比較的小さい場合、本発明に係るセンサは積分時間全般を通じてこの第一相に留まっている。

積分時間の第二相において、ノードＮ１とＮ３における電位は等しくなる。この第二相では、フォトダイオード１で収集した電荷キャリアは、フォトダイオード１の漂遊容量Ｃ１と変換コンデンサＣ２とを均等に放電し、電荷キャリア１個当たり中程度の電圧信号を生成する。光強度が中程度の場合には、本発明に係るセンサは積分時間の最後までこの第二相に留まっている。

積分時間の第三相において、フォトダイオード１の漂遊容量と読み出しノードの漂遊容量は、フォトダイオードで生成した電流の一部もしくは全部がトランジスタＴ１によって相殺されるまで放電される。この部分の特性曲線では対数応答または局所線形応答のどちらが所望されるかによって、Ｔ１のゲート電位は公知の技術により段階的にも連続的にも下げることが可能であり、また適切な固定値で保持することも可能である。

積分時間の最後は、バルクノードＮ３で確立する電圧信号が、Ｔ２のゲート電位をバルク電位＋閾値電圧（開Ｔ２）よりも低い値に下げることによってサンプリングされる。電圧信号が読み出されるまで、Ｔ１のゲート電位は、少なくとも閾値電圧分だけ接地電位より高い状態に留まる。これにより、フォトダイオードの漂遊容量を完全に放電することができなくなるため、余剰電荷がストレージノードにオーバフローしなくなる。Ｎ３における電圧信号が読み出しバッファによって読み出されると、ノード３はリセットトランジスタＴ５によりリセット電位Ｖｒｅｓｅｔとなり、トランジスタＴ１のゲートは積分時間開始時の値となる。

図５は代替回路を示しているが、ここでは、第一のトランジスタＴ１がダイオードＤ１に置き換えられている。このダイオードＤ１に類似のタスクを実行させるために、この場合、ダイオードＤ１とトランジスタＴ５のリセット電位を違うものにしなければならない。リセット電位Ｖｒｅｓｅｔ_１をダイオードＤ１に印加すると同時に（代替実施形態では、この電位は積分時間中に制御することが可能である）、リセット電位Ｖｒｅｓｅｔ_２をトランジスタＴ５またはＴ３にそれぞれ印加するのである。

図５に係るこのような回路では、積分コンデンサＣ１、Ｃ２が一定の信号レベルに達した後で特定の信号依存電流を取り除けば、高輝度に対する感度を下げることが実現可能となる（例えば、これは前述の国際公開第０１／４６６５５号パンフレットで行われている）。図５に係るピクセル図では、これは、意図した信号値を超えて、ダイオードＤ１が積分コンデンサＣ１から信号依存電流を閾値を超えるコンダクタンス分だけ放電するように、積分位相中にダイオードＤ１のリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔ_１を調整することによって行っている。積分時間中に、さまざまな光強度に応じて効果的なさまざまな積分時間が得られるようにダイオードＤ１における電圧Ｖｒｅｓｅｔ_１を適合させることも可能である。これは、Ｎ型フォトダイオード対Ｐ＋／Ｎ井戸型接合ダイオードＤ１を用いた実施形態のためのものである（一般に、閾値電位Ｖ_{ｏｎＤｉｏｄｅ}が０．３乃至０．７Ｖの範囲にあるもの）。

第一相において、リセットトランジスタＴ５を閉じると、変換コンデンサＣ２がリセット電圧Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}に帯電する。トランジスタＴ２のゲートは、リセット位相中、定電圧ＶＧＴ２に保持される。この電圧は、リセットトランジスタＴ５を開くことによって、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧−閾値電圧が変換ノードＮ３で達成されるリセット電圧よりも低くなるように選択される。しかしながら、このゲート電圧はトランジスタＴ２のバルク電位より少なくとも閾値電圧分だけ高くなるように選択される。その結果、フォトダイオード１はリセット中にリセット電位にはならないが、電位ＶＧＴ２−ＶＴＨで安定する。

この相では、図５のリセット電圧Ｖｒｅｓｅｔ_１は積分中に使用された中で最も高い値に設定される。この電圧−ダイオード（Ｄ１）の閾値電圧は、少なくとも読み出しバッファの飽和値より高くなるが、ゲート電圧−第二のトランジスタの閾値電圧よりは低くなる（図５のＴ２）。（一般に、＞１００ｍＶ）。フォトダイオード１で収集した電流は、入射光度に線形応答するが、ＭＯＳトランジスタＴ２のチャネルによって第一相で相殺され、コンデンサＣ２だけを放電する。Ｎ３での電位がＴ２のゲート電圧−閾値電圧より低い値に放電するや否や、コンデンサＣ１とＣ２は均等に放電される。比較的光強度が高い場合は、積分容量（Ｃ１＋Ｃ２）が積分時間内の値（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}−Ｖ_{ｏｎＤｉｏｄｅ}）に放電される。この時以降、ダイオードＤ１はフォトダイオード１で生成した電流の一部を積分コンデンサから放電するようになる。積分コンデンサにおける電圧は、フォトダイオード１で生成した電流のすべてがダイオードＤ１によって相殺される値で最終的に安定するまで、ゆっくりと下がり続ける。積分時間の別の位相では、例えば、積分時間の９０％以降では、リセット電圧Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}は更に低い値に設定される。このため、フォトダイオード１で生成した電流の相殺が停止する。積分コンデンサが再び光電流全体で放電されるようになる。タイムスパンの短い状態が積分時間の最後まで続くため、最初の時間間隔において積分コンデンサをＶ_{ｒｅｓｅｔ１}−Ｖ_{ｏｎＤｉｏｄｅ}に放電した光強度に対する感度が下がるという結果になる。

ここで、再び、特性曲線を要件に合わせるには、さらに段階を追加すればよい。

高輝度での感度を下げた光電センサの回路図である。 シャッタトランジスタおよび変換ノードコンデンサを備え、高輝度での感度を下げた光電センサの回路図である。 大きなダイナミックレンジを有する光電センサの回路図である（本発明に係る回路の好適な実装）。 低輝度での感度を上げた光電センサの回路図である。 第一のトランジスタがダイオードに置き換えられた、大きなダイナミックレンジを有する光電センサの回路図である。

符号の説明

１ フォトダイオード
２ 接地電位
Ｃ１ フォトダイオードコンデンサ
Ｃ２ 変換ノードコンデンサ
Ｔ１ リセットトランジスタ
Ｔ２ シャッタトランジスタ
Ｔ３ 読み出しトランジスタ
Ｔ４ 行選択トランジスタ
Ｔ５ センスノードＮ２のリセットトランジスタ
Ｎ１ ダイオードノード
Ｎ３ 変換ノード／ストレージノード
Ｖ_{ｒｅｓｅｔ} リセット電圧
Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１} ダイオードＤ１のリセット電圧
Ｖ_{ｒｅｓｅｔ２} トランジスタＴ５のリセット電圧
Ｖ_{ｏｎＤｉｏｄｅ} ダイオード閾値電圧
Ｄ１ リセットダイオード

Claims (16)

1. 第一のトランジスタ（Ｔ１）または第一のダイオード（Ｄ１）を介して、第一の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}、Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}）に接続可能な、少なくとも１つのフォトダイオード（１）を具備する光電センサであって、
   大きなダイナミックレンジを提供するために、更にフォトダイオード（１）を第二のトランジスタ（Ｔ２）、第三のトランジスタ（Ｔ５）を介して読み出し増幅器（Ｔ３）の入力に接続することが可能であり、これらのトランジスタを介して読み出し増幅器（Ｔ３）の入力を第二のトランジスタ（Ｔ２）と読み出し増幅器Ｔ（３）との間に更に配列されている第二の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}、Ｖ_{ｒｅｓｅｔ２}）に接続することが可能であり、
   読み出し時間まで積分信号値を一時的に記憶させる手段が存在することを特徴とする光電センサ。
2. 第一のトランジスタ（Ｔ１）が存在し、第一と第二の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}）がほぼ同じ電圧レベルにあることを特徴とする請求項１に記載の光電センサ。
3. 接地電位（２）への追加変換ノードコンデンサ（Ｃ２）が第二のトランジスタ（Ｔ２）と読み出し増幅器（Ｔ３）の入力との間に配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電センサ。
4. 読み出し増幅器（Ｔ３）の出力が行選択トランジスタ（Ｔ４）を介して列バスに接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光電センサ。
5. 使用するトランジスタ（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５）の少なくとも１つ、好ましくはすべてが、ＭＯＳトランジスタとして設計されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光電センサ。
6. 積分時間の第一相において、フォトダイオード（１）で生成した電流が読み出し増幅器（Ｔ３）の入力にコンデンサ（Ｃ２）だけを放電するように、第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧が制御され、積分時間の最終位相において、フォトダイオード（１）で生成した電流の一部、または全部が第一のトランジスタ（Ｔ１）のチャネル、または第一のダイオード（Ｄ１）によって相殺されるように、第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧、または第一のダイオード（Ｄ１）が存在するときには第一の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}）が、この場合、制御されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光電センサ。
7. 第一のトランジスタ（Ｔ１）の場合、第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧が第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧より低く、第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧が読み出しバッファの飽和信号より少なくとも閾値電圧分だけ高いか、または第一のダイオード（Ｄ１）の場合、第一のダイオード（Ｄ１）のダイオード陽極電圧が第一の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}）によって調整されて、この陽極電圧−ダイオード閾値電圧（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}−Ｖ_{ｏｎＤｉｏｄｅ}）が、ゲート電圧−第二のトランジスタ（Ｔ２）の閾値電圧より低くなるようにしてあり、そして第一のダイオード（Ｄ１）のダイオード陽極電圧（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}）が読み出しバッファの飽和信号より少なくともダイオード閾値電圧分（Ｖ_{ｏｎＤｉｏｄｅ}）だけ高いということを特徴とする請求項６に記載の光電センサ。
8. ２つのゲート電圧間の差が、閾値電圧の公差＋電圧値の公差より大きく、特にこの差が、好ましくは＞１００ｍＶになるように選択されることを特徴とする請求項６に記載の光電センサ。
9. 第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧と第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧が積分時間中に変更可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光電センサ。
10. 第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧、または第一のダイオード（Ｄ１）の場合には第一の電位（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ１}）と、第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧がそれぞれ調整または制御されて、積分時間の第一相において、フォトダイオード（１）で蓄積した電荷キャリアが変換ノードコンデンサ（Ｃ２）だけを放電するようにしてあり、等価な電位がフォトダイオード（１）の出力および読み出し増幅器（Ｔ３）の入力に達した後の第二相において、フォトダイオード（１）で蓄積した電荷キャリアがフォトダイオードコンデンサ（Ｃ１）と前記変換ノードコンデンサ（Ｃ２）の双方を放電し、第三相において、フォトダイオード（１）の出力が第一のトランジスタ（Ｔ１）の閾値以下か、または第一のダイオード（Ｄ１）のダイオード閾値以下に下がると、フォトダイオード（１）で蓄積した電荷キャリアが少なくとも部分的に第一のトランジスタ（Ｔ１）、または第一のダイオード（Ｄ１）を介して利用可能になり、積分時間が経過すると前記第二のトランジスタ（Ｔ２）が開いて、読み出し時間まで信号が変換コンデンサ（Ｃ２）に保持されるようにしてあり、そして第一のトランジスタ（Ｔ１）、または第一のダイオード（Ｄ１）がこの保持時間中に調整されて、フォトダイオードコンデンサ（Ｃ１）が完全に放電されないようにしてあることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電センサを操作する方法。
11. ゲート電圧−閾値電圧が読み出し増幅器（Ｔ３）の入力に設定されるリセット電圧より低くなるように、リセット位相および積分位相中に第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧が調整され、ゲート電圧が読み出しバッファの飽和電圧より少なくとも閾値電圧分だけ高いことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧は積分位相中に変化するが、第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧より大きい状態のまま留まり、好ましくは、積分位相中に第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧が連続的に下がることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
13. 第一のトランジスタ（Ｔ１）のゲート電圧が積分時間中に一定に保たれるか、または連続的に下がることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 第二のトランジスタ（Ｔ２）のゲート電圧が少なくとも一度切り換わって、このトランジスタ（Ｔ２）のバルク電位と等しくなるようにし、そして再びその元の値に切り換わるようにしてあることを特徴とする請求項１０、１１および１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の光電センサの一次元または二次元配列。
16. 請求項１５に記載の配列を操作する請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。

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