图像传感器

摘要

提供一种图像传感器，使光电变换元件的输出，即图像信号为平坦的波形，并能够捕获高精度的图像信息。本发明的特征在于具有：光电变换元件；与光电变换元件对应设置的选择开关；对选择开关进行开/关控制的扫描电路；放大从光电变换元件输入的电信号和基准电压的差电压的差动放大器；电连接至差动放大器的2个输入端子的电阻。

权利要求

1.一种图像传感器，其特征在于，该图像传感器具有：

光电变换元件，将输入的光信号变换成具有与所述光信号的亮度等级相对应的电压的电信号；

选择开关，和该光电变换元件对应地设置，并使各光电变换元件的电信号的输出部和公共输出线之间打开/关闭；

扫描电路，根据所输入的脉冲，依次对所述选择开关进行开/关控制；

差动放大器，放大从一个输入端子输入的所述电信号和从另一输入端子输入的基准电压的差电压；

电阻，一端和输入所述电信号的该差动放大器的一个输入端连接，所述基准电压输入至该电阻的另一端，积累在所述光电变换元件中的电荷作为电流流动时，由该积累的电荷引起的电流的一部分，即通过所述电阻与所述电阻的电阻值相对应的电流流入到具有所述基准电压的基准电压线中。

2.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，在所述差动放大器中，所述一个输入端子的电位的上升取决于从选择开关供给的电流量、和流入到所述电阻的电流量的差值。

3.根据权利要求2所述的图像传感器，其特征在于，所述电阻的电阳值对应于所输入的光量进行设定。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，所述电阻由串联连接的多个电阻构成，并根据是否使各电阻间短路来调整电阻值。

5.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征在于，在同一衬底上形成所述光电变换元件、选择开关、差动放大器以及扫描电路从而集成化。

6.根据权利要求5所述的图像传感器，其特征在于，在纵向连接多个图像传感器并使用时，使用任意一个图像传感器的差动放大器，故所述扫描电路由能够纵向连接的移位寄存器构成，并设置用于共用公共输出线的端子，所述差动放大器的一个输入端子设置为外部端子。

说明书

图像传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及输入图像信息的装置，并涉及将光学的图像信息变换成电信号的图像传感器。

背景技术

[0002] 在现有的图像传感器中，已知专利文献1中图8所示结构的图像传感器。在该图像传感器中，用于将图像信息变换成电信号的多个光电变换元件111、112、…、11n的输出端子和读出开关元件121、122、…、12n的输入端子连接。上述读出开关元件各自的控制端子和扫描电路列103连接，而且读出开关元件各自的输出端子与第1公共线132连接。

[0003] 上述公共线132和开关元件B107的第1输入端子连接，控制电路106的输入端子和开关元件B107的控制端子连接，开关元件B107的输出端子和图像信号输出端子102连接。

[0004] 在扫描电路列103中，触发器按照n级串联，作为移位寄存器而构成，根据从操作用脉冲输入端子109按时序输入的脉冲，依次使读出开关元件121、122、…、12n为导通状态。

[0005] 这样，从光电变换元件111、112、…、11n输入的光电变换后的图像信号通过开关元件B107与上述脉冲同步地，依次从图像信号输出端子102输出。

[0006] 【专利文献1】特开平01-298863号公报

发明内容

[0007] 但是，象上述现有例子中所述的结构那样，在直接读出光电变换元件的输出的场合，根据安装衬底的配线电容或外装电路的负载电容，如图Y所示，根据照射的光量(和亮度等级对应)，由开关元件对存储在光电变换元件中的电荷放电，来自该光电变换元件的放电波形(图像信号)变弱而成为三角波形状。

[0008] 从而，上述图像传感器具有下述缺点，即，作为平坦的波形，不执行波形的捕获，即使是例如同一亮度等级的信号，三角波顶点的电位也会出现偏差，无法以高精度捕获信号波形。

发明内容

[0009] 鉴于这一情况而提出了本发明，本发明的目的在于提供一种图像传感器，使光电变换元件的输出，即图像信号为平坦的波形，并可以捕获高精度图像信息。

[0010] 本发明的图像传感器的特征在于，该图像传感器具有：光电变换元件，将输入的光信号变换成具有与所述光信号的亮度等级相对应的电压的电信号；选择开关，和该光电变换元件对应地设置，并使各光电变换元件的电信号的输出部和公共输出线之间打开/关闭；扫描电路，根据所输入的脉冲，依次对所述选择开关进行开/关控制；差动放大器，放大从一个输入端子输入的所述电信号和从另一输入端子输入的基准电压的差电压；电阻，一端和输入所述电信号的该差动放大器的一个输入端连接，所述基准电压输入至该电阻的另一端，积累在所述光电变换元件中的电荷作为电流流动时，由该积累的电荷引起的电流的一部分，即通过所述电阻与所述电阻的电阻值相对应的电流流入到具有所述基准电压的基准电压线中。

[0011] 本发明的图像传感器的特征在于，在上述差动放大器中，上述一个输入端子的电位的上升取决于从选择开关供给的电流量和流入到上述电阻的电流量的差值。

[0012] 本发明的图像传感器的特征在于，上述电阻的电阻值对应于所输入的光量而设定。

[0013] 本发明的图像传感器的特征在于，上述电阻由串联连接的多个电阻构成，根据是否使各电阻间短路来调整电阻值。

[0014] 本发明的图像传感器的特征在于，在同一衬底上形成上述光电变换元件、选择开关、差动放大器以及扫描电路从而集成化。

[0015] 本发明的图像传感器的特征在于，在纵向连接多个图像传感器并使用时，使用任意一个图像传感器的差动放大器，故上述扫描电路由能够纵向连接的移位寄存器构成，并设置用于共用公共输出线的端子，上述差动放大器的一个输入端子作为外部端子设置。

[0016] 如上所述，根据本发明，根据电阻，使现有的所有积累的电荷的一部分流入到基准电位，从而为了不积累部分三角波的部分而抑制变化角度以接近平坦状态，并抑制元件和周围的状态所引起的偏移，因而，能够获取较大的S/N比，并能够捕获高精度的图像信号。

[0017] 根据本发明，因为由选择开关的阻抗和电阻的电阻值来对电信号进行分压，所以通过调整电阻的电阻值，能够与执行图像捕获的对象相对应，即形成对象的亮度等级与捕获速度，以期望的灵敏度来提高S/N比。

[0018] 此外，根据本发明，通过在输入差动放大器的测定对象的电信号的端子与基准电位之间设置电阻，从而电信号的信号线始终(在不输出电信号的状态下也是)处于被复位到基准电压的状态，一直到输出电信号之前，没有来自外部的噪音所引起的电位变动，所以可以执行高精度的测定。

附图说明

[0019] 图1是表示本发明第1实施方式的图像传感器的结构例的方框图；

[0020] 图2是测定使本发明第1实施方式(以及第2、第3实施方式)的电阻GSIG的电阻值发生变化时的+侧输入端子的电位变化的曲线图；

[0021] 图3是说明图1的图像传感器的动作的时序图；

[0022] 图4是说明电阻RSIG的结构例的概念图；

[0023] 图5是说明串联连接了本发明第1实施方式的图像传感器而构成的第2实施方式的图像传感器的概念图；

[0024] 图6是表示本发明第3实施方式的图像传感器的结构例的方框图；

[0025] 图7是说明串联连接地使用本发明第3实施方式的结构的概念图；

[0026] 图8是表示现有例的图像传感器的结构例的方框图。

具体实施方式

[0027] <第1实施方式>

[0028] 以下，参照附图对本发明第1实施方式的图像传感器进行说明。图1是表示该实施方式的图像传感器的半导体电路的结构例的方框图。

[0029] 即，图1所示的图像传感器具有串联的多个(例如A1，A2，A3，…，An-1，An)将所输入的光信号变换成与亮度等级相对应的电压的电信号之光电变换元件，设置选择开关SW1，SW2，SW3，…，SWn-1，SWn，它们和各个光电变换元件A1，A2，A3，…，An-1，An分别对应，打开/关闭各光电变换元件的电信号的输出部和公共输出线2之间。这里，上述光电变换元件采用生成与所照射的光的光量相对应的电荷的光电晶体管(npn型)以及光电二极管等。而且，上述各选择开关由MOS晶体管(例如n沟道型MOS晶体管)形成，漏极(一端)与对应的光电变换元件的输出信号的输出部连接，源极与公共输出线2连接。通过打开选择开关，与选择开关连接的光电变换元件的输出部和公共输出线2电连接。即各光电变换元件串联地介于电源和选择开关的一端之间。

[0030] 扫描电路1是串联连接触发器而形成的移位寄存器，例如，构成所传送的数据的脉冲φSI从外部端子TSI输入，和规定周期的脉冲φck的上升边缘同步地传送该数据，依次输出脉冲φS1，φS2，φS3，…，φSn-1，φSn。这里，扫描电路1的输出脉冲φS1，φS2，φS3，…，φSn-1，φSn的端子分别和上述选择开关SW1，SW2，SW3，…，SWn-1、SWn的栅极连接。各个选择开关SW1，SW2，SW3，…，SWn-1、SWn如果分别输入对应的脉冲φS1，φS2，φS3，…，φSn-1，φSn，则从关闭状态变为打开状态，在输入脉冲的期间，为打开状态；在不输入脉冲的期间，为关闭状态。即，扫描电路1根据依次输入的脉冲φck的周期，按顺序对各个选择开关SW1，SW2，SW3，…，SWn-1，SWn进行开/关控制。而且，扫描电路1在将所移位的数据作为脉冲φSn输出时，同时将数据作为φS0，从外部端子TS0输出。

[0031] 复位及控制电路3以输出线4和基准电压线10相对于公共输出线2不同时连接的方式，执行让输出线4或者基准电压线10的任何一个和公共输出线2连接的控制。例如，复位及控制电路3在脉冲φck的L电平期间，连接公共输出线2和输出线4，在脉冲φck的H电平期间，连接公共输出线2和基准电压线10。

[0032] 开关5执行是否连接输出线4和信号输出端子6的控制。这里，开关5在例如输入了H电平的脉冲φCS期间，为打开状态，在不输入脉冲而输入L电平期间，为关闭状态。

[0033] 开关7执行是否连接输出线4和基准电压线10的控制。这里，开关7在例如脉冲φck的H电平期间，成为连接信号线4和基准电压线10的打开状态，在脉冲φck的L电平期间，成为断开信号线4和基准电压线10的关闭状态。上述开关5、7由例如MOS晶体管形成。

[0034] 基准电压发生电路9生成并输出与从光电变换元件输出的电信号AIN的电压电平相比较的基准电压VREF。而且，基准电压发生电路9通过电阻8，将基准电压VREF的基准电压信号从基准电压端子TREF输出。

[0035] 差动放大器18由运算放大器19、确定放大率的电阻20以及21构成。电阻21的一端和运算放大器19的-侧输入端子(差动放大器的另一输入端)连接，另一端和运算放大器19的输出端子连接，即介于-侧输入端子和输出端子之间。电阻20的一端和运算放大器19的-侧输入端子(差动放大器的一个输入端)连接，另一端和基准电压端子TREF连接。

[0036] 电阻RSIG的一端和运算放大器19的+侧输入端子连接，另一端和基准电压线10连接。

[0037] 而且，差动放大器18以由电阻20和21设定的放大率来放大基准电压VREF和从信号输入端子TAIN输入的电信号AIN的电位差，并将放大后的电信号VOUT从输出端子Tout输出。

[0038] 这里，通过电阻RSIG，对相对于基准电压VREF下拉上述+侧输入端子的效果进行说明。

[0039] 作为一个例子，说明从光电变换元件A1读入图像信号即电信号AIN，由差动放大器18放大和基准电压VREF的差电压的情形。

[0040] 如果开关SW1成为打开状态，则积累在光电变换元件A1的寄生电容中的电荷，即充电电压作为电信号AIN，通过公共输出线2、信号线4输出至运算放大器19的+侧输入端子。

[0041] 此时，因为积累在光电变换元件A1中的电荷作为电流流动，所以如图2所示，运算放大器19的+侧输入端子的电位开始逐渐上升。图2表示使电阻RSIG的电流值发生变化，测定+侧输入端子的电位变化，和时刻(横轴)-电压(纵轴)的关系。

[0042] 如上所述，上述积累的电荷引起的电流的一部分，即通过电阻RSIG与电阻RSIG的电阻值相对应的电流流入到基准电压线10中。

[0043] 因此，运算放大器19的+侧输入端子的电位，根据从开关SW1供给的电流、和通过电阻RSIG相对于基准电压线10流出的电流之差而上升。

[0044] 从而，运算放大器19的+侧输入端子的电位上升，但随着电位的上升，流入电阻RSIG的电流量增加，抑制了电位的上升，而且随着充电电荷的减少，电位的上升降低。

[0045] 因此，对应于由亮度等级或传感器的光的摄取时间(传感器的扫描速度)决定的、输入到光电变换元件中的光的光量，即对应于来自开关SW1的电流，适时地设定电阻RSIG的电阻值。例如，利用在使用环境中测定的光量的最大值和中间值，如图2所示使电阻值发生变化以进行电位变化的实验，基于该实验值，将最大值和中间值双方基本上呈现平坦变化的电阻值设定为最佳值。

[0046] 从而，相对于运算放大器19的+侧输入端子，在脉冲φclk为L电平的期间，即差动放大器21放大与基准电压VREF的差分，在对下一级电路输出输出信号VOUT期间，能够从图2读取到电信号AIN的波形与已有的三角波形状相比较处于平坦状态。

[0047] 即，在图2中，在没有作为负载电阻的电阻RSIG的场合，输出值为2000mV，在100ns时具有150mv的变化，但在添加了18kΩ的电阻RSIG时，输出值为1400mV，在100ns时具有10mV的变化。在添加了电阻值为18kΩ的电阻RSIG时，灵敏度(动态范围)下降
30％左右，但因为将变化量改善到6.7％(10mV/150mV)，所以可以断定整体的S/N比得到提高。

[0048] 接着，参照图1和图3，对一种实施方式的动作例进行说明。图3是说明图1的图像传感器的动作例的时序图。

[0049] 对于图1中示出的图像传感器的半导体元件，在使图像数据的获取动作开始时，因为使半导体元件处于使能状态，所以从未图示的端子供给H电平的φCS的脉冲。从而开关5成为打开状态，信号线4和信号输出端子6电连接。而且，信号输出端子6和端子TAIN电连接。

[0050] 然后，在时刻t1，从外部电路以规定周期开始输入脉冲φclk(时钟脉冲)，而且输入作为所传送的数据的H电平的脉冲φSI。

[0051] 因此，对扫描电路1输入脉冲φSI和脉冲φclk。因为脉冲φclk为H电平，所以开关7成为打开状态，信号线4和基准电压线10连接，信号线4的电位复位到电压VREF。

[0052] 而且，因为在复位及控制电路3中，脉冲φclk为H电平，所以将公共输出线2和基准电压线10连接，将公共输出线2的电位复位到电压VREF。

[0053] 接着，在时刻t2，脉冲φclk迁移到L电平。这里，扫描电路1由于脉冲φclk的下降而获取脉冲φSI的H电平的数据，作为H电平的脉冲φS1而输出。即扫描电路1和脉冲φclk的下降同步地输出H电平的脉冲φS1。

[0054] 此时，在复位及控制电路3中，因为脉冲φclk为L电平，所以将公共输出线2从基准电压线10断开，并与信号线4连接。

[0055] 而且，因为脉冲φclk为L电平，所以开关7成为关闭状态，信号线4与基准电压线10断开。

[0056] 此时，由于将H电平的脉冲φS1输入开关SW1，所以开关SW1成为打开状态。从而开关SW1的输出部和公共输出线2连接，积累在光电变换元件A1的寄生电容中的电荷，即充电电压作为电信号AIN，通过公共输出线2、信号线4，向运算放大器19的+侧输入端子输出。此时，是否将光线入射到各光电变换元件上，通过快门的关闭，根据是否覆盖光电变换元件的整个面而进行控制。

[0057] 这里，因为积累的电荷作为电流流动，所以如图3(或者图2)所示，运算放大器19的+侧输入端子的电位开始逐渐上升。

[0058] 但是，和电阻RSIG的电阻值对应的电流通过电阻RSIG，流入到基准电压线10。

[0059] 因此，运算放大器19的+侧输入端子的电位根据从开关SW1供给的电流和通过电阻RSIG流出的电流的差值而上升。

[0060] 从而，运算放大器19的+侧输入端子的电位上升，但随着电位的上升，流入到电阻RSIG的电流量增加，电位的上升得到抑制，而且随着充电电荷的减少，电位的上升降低。

[0061] 因此，对应于来自开关SW1的电流来设定电阻RSIG的电阻值，由此相对于运算放大器19的+侧输入端子，在脉冲φclk为L电平的期间，即差动放大器21对下一级电路输出输出信号VOUT期间，能够对电信号AIN的波形与已有的三角波形状进行比较，使之处于平坦状态。

[0062] 即，通过设置作为负载电阻的电阻RSIG，整体的动态范围的宽度窄，即灵敏度下降，但利用负载电阻能够将三角波的上部部分下拉到基准电位VREF，使其平坦化，所以提高了捕获图像信号(电信号AIN)时的整体的S/N比。

[0063] 接着，在时刻t3，如果脉冲φclk上升，成为H电平，则复位及控制电路3将公共输出线2与信号线4断开，连接到基准电压线10上，将公共输出线2的电位复位到电压VREF。

[0064] 而且，开关7在脉冲φclk为H电平时也成为打开状态，将信号线4连接到基准电压线10上，将信号线4的电位复位到电压VREF。

[0065] 此时，因为脉冲φS1为H电平，所以使积累在光电变换元件A1的寄生电容中的电荷放电，将光电变换元件A1的输出部的电位复位到电压VREF。

[0066] 接着，在时刻t4，脉冲φclk迁移到L电平。这里，扫描电路1由于脉冲φclk的下降而捕获脉冲φS1的H电平的数据。作为H电平的脉冲φS2而输出。即，扫描电路1与脉冲φclk的下降同步地将脉冲φS1从H电平向L电平迁移的同时，使该H电平的脉冲φS1(即作为φSI输入的数据)移位，作为H电平的脉冲φS2输出。

[0067] 此时，因为脉冲φclk为L电平，所以复位及控制电路3将公共输出线2与基准电压线10断开，连接到信号线4上。

[0068] 而且，因为脉冲φclk为L电平，所以开关7成为关闭状态，将信号线4与基准电压线10断开。

[0069] 此时，因为输入H电平的脉冲φS2，所以开关SW2关闭。从而，连接开关SW2的输出部和公共输出线2，通过公共输出线2、信号线4将存储在光电变换元件A2的寄生电容中的电荷，即充电电压作为电信号AIN向运算放大器19的+侧输入端子输出。

[0070] 这里，因为存储的电荷作为电流流动，所以如在时刻t2所说明的那样，运算放大器19的+侧输入端子的电位逐渐开始上升。

[0071] 在下面，因为和时刻t2的动作相同，所以省略详细的动作说明。

[0072] 如上所述，每当脉冲φclk从H电平向L电平变化，另外从L电平向H电平变化时，扫描电路1就使脉冲φSI的数据依次移位，使脉冲φS3，φS4，…，φSn-1，φSn和脉冲φS1及φS2同样地依次以H电平输出。从而，因为脉冲φS3，φS4，…，φSn-1，φSn分别依次以H电平输入，所以各开关SW3，…，SWn-1，SWn分别依次成为打开状态，在对应的时刻将光电变换元件A3，…，An-1，An的输出部连接至公共输出线2。

[0073] 然后，差动放大器18放大从开关SW3、…、SWn-1、SWn依次输入的电信号AIN的电压值和电压VREF的电位差，并作为输出信号VOUT而输出。

[0074] 而且，在制造半导体元件的操作工序中，以固定的电阻值形成上述电阻RSIG亦可，如图4所示，也可以按照可调整的方式形成电阻值。

[0075] 在图4(a)的结构中，电阻RSIG由串联的、各个电阻值不同或者相等的多个电阻形成，在多个操作工序的配线工序中，通过形成配线的金属掩模使规定电阻的两端短路(旁路)，并调整到与使用用途相对应的所需电阻值。这样，因为可以和对象的亮度等级或者动作速度对应，所以能够在各种用途中使用1种半导体元件，并能够降低制造成本。

[0076] 和图4(a)的相同，在图4(b)的结构中，电阻RSIG由串联的、各个电阻值不同或者相等的多个电阻形成，各电阻之间利用保险丝短路。因此，按照图4(b)的结构，在各个操作工序结束之后，能够任意切断保险丝，将电阻RSIG调整到所需的电阻值。

[0077] 因此，在半导体元件出厂之后，使用者自身也可以根据使用的用途调整电阻RSIG的电阻值，相对于图4(a)，能够提高通用性，无需改变金属掩模，并能够进一步降低制造成本。

[0078] 下面，和图4(a)相同，在图4(c)的结构中，电阻RSIG由串联的、各个电阻值不同或者相等的多个电阻形成。这里，在图4(c)的结构中，在各电阻之间设置控制开/关的开关。通过对各开关进行开/关控制，使任意电阻之间短路，能够将电阻RSIG调整到所需的电阻值。如图所示，电阻值控制电路通过输入表示是否打开或者关闭任一开关的控制信号，执行各开关的开/关控制。因此，在半导体元件出厂之后，使用者自身也可以根据使用的用途调整电阻RSIG的电阻值，相对于图4(a)，能够提高通用性，无需改变金属掩模，即可进一步降低制造成本。而且，在改变使用用途的场合，通过改变控制信号，能够再次调整电阻RSIG的电阻值，所以和图4(b)的结构相比，能够提高自由度。

[0079] <第2实施方式>

[0080] 图5是表示串联连接第1实施方式的图像传感器，并增加读取图像信息的点数的结构的概念图。

[0081] 第1芯片的外部端子TS0与第2芯片的外部端子TSI连接，第2芯片的外部端子TS0与第3芯片的外部端子TSI连接，…，第n-1芯片的外部端子TS0与第n芯片的外部端子TSI连接。从而输入到第1芯片的外部端子TS0的H电平的脉冲φSI作为数据，由脉冲φclk从第1芯片的扫描电路1，向第2芯片的扫描电路1、…、第n芯片的扫描电路1依次移位，将各芯片(半导体元件)的光电变换元件A1～An的数据从各芯片的信号输出端子6输出。

[0082] 在图5的结构中，采用第1芯片的差动放大器18放大从各芯片输出的电信号AIN。因此，将第1芯片至第n芯片的信号输出端子6连接至第1芯片的端子TAIN。芯片的选择操作按如下进行：向所使用的芯片，提供H电平的脉冲φCS并进行活性化处理，通过信号线4，将公共信号线2连接至信号输出端子6，通过各开关SW输出电信号AIN。根据这一结构，将从各芯片输出的电信号AIN输入至第1芯片，由第1芯片的差动放大器18，放大电信号AIN的电压和基准电压VREF的差值，并作为输出信号VOUT依次输出。

[0083] 而且，基准电压VREF连接所有芯片的基准电压端子TREF，连接并使用使电压稳定化的电容器12。从而利用电阻8使各芯片的基准电压发生电路9生成的电压VREF平均化。而且，如图5所示，也可以在外部设置基准电压发生电路13。

[0084] 各芯片内部的动作在第1实施方式中已进行了说明，故省略详细说明。

[0085] <第3实施方式>

[0086] 如图6所示，在半导体元件的内部未设置差动放大器18的场合，如图7所示，需要在外部设置差动放大器18A。该差动放大器18A和图1的差动放大器18相同，由运算放大器19A、电阻20A和电阻21A构成，由电阻20A和电阻21A的电阻值，设定放大率。

[0087] 而且，如图7所示，在连接使用多个芯片的场合，连接各芯片的基准电源端子TREF，象第2实施方式那样，使各芯片的基准电压VREF平均化。此时，和运算放大器19的+侧输入端子连接的电阻RSIG采用任一芯片，在图7中是第1芯片。因此，根据第3实施方式，采用第1芯片的电阻RSIG，将运算放大器19的+侧输入端子降低到基准电压VREF。因此，因为在公共连线后设置公共负载，所以芯片间的特性难以出现偏差，从而捕获高精度的图像信号。

[0088] 在第1至第3实施方式中，对通过将光照射至光电变换元件来积累电荷，并使电信号AIN的电压电平相对于基准电压VREF上升的结构进行了说明，但通过照射光，即使电信号AIN的电压电平相对于基准电压VREF下降的结构，也能够采用本发明。