[发明专利]光学传感器电路和图像传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学传感器电路和一种图像传感器，并且更具体地涉及一种适合于实现根据入射光的照度而具有线性和对数输出特性并且其中动态范围较宽的MOS图像传感器的光学传感器电路，以及一种通过使用该光学传感器电路作为一个像素而产生的图像传感器。

背景技术

形成MOS图像传感器的像素的各种光学传感器电路分类成三种电路。第一种光学传感器电路是就入射光的照度(强度)变化而言具有线性输出特性的光学传感器电路，第二种光学传感器电路是就入射光的照度变化而言具有对数输出特性的光学传感器电路，以及第三种光学传感器电路是就具有低照度的入射光而言具有线性输出特性而就具有高照度的入射光而言具有对数输出特性的光学传感器电路。下文将简略地描述这些光学传感器电路，并且将就S/N比、动态范围、残留图像、在低照度的灵敏度等来评价它们的特性。

图21示出了具有线性输出特性的光学传感器电路的例子。光学传感器电路101包括用作光学传感器器件的光电二极管PD，其检测入射光(光信号)L1并且将它转换成电信号。光电二极管PD具有作为寄生电容(包括接线的杂散电容)的电容器C1。光学传感器电路101还包括对电容器C1进行充电和放电的MOS晶体管Q1、用于放大电容器C1的端子电压的MOS晶体管Q2和选择性地输出放大的端子电压(Vout)作为像素信号的MOS晶体管Q3。在下文中，MOS晶体管Q1称为“第一MOS晶体管Q1”，MOS晶体管Q2称为“第二MOS晶体管Q2”，而MOS晶体管Q3称为“第三MOS晶体管Q3”。电阻器R连接到第三MOS晶体管Q3的漏极端子。

所需电压V1、V2由电压控制器102施加到第一MOS晶体管Q1的栅极端子G1和漏极端子D1。类似地，所需电压V3、V4由电压控制器102等(像素选择电路等)施加到第三MOS晶体管Q3的栅极端子G3和电阻器R的输出端子T1。从电压控制器102输出的所需电压V1至V4的生成定时是由定时信号生成部分103来指令的。

将描述光学传感器电路101的操作。在第一MOS晶体管Q1的漏极电压V2被维持于高电平的状态下，第一MOS晶体管Q1的栅极电压V1在初始化的定时被设置到高电平。这消除了电荷保留于到第一MOS晶体管Q1的漏极的光电二极管PD的电容器C1的情况。然后，栅极电压V1被切换到低电平(0V)以截止第一MOS晶体管Q1。随后使光电二极管PD的电容器C1累积电荷。电荷的累积所产生的电容器C1的端子电压被施加到第二MOS晶体管Q2的栅极。然后，当在光电二极管PD中经过恒定的曝光时间之后，光信号作为电压Vout从第三MOS晶体管Q3的漏极输出。

在光学传感器电路101中，流过光电二极管PD的光电流主要是在光电二极管PD的电容器C1中充电的电荷的放电电流。因此，作为光学传感器电路101的传感器输出的输出电压Vout表现了与放电电流成比例的线性输出特性。光学传感器电路101可以基于曝光时间来控制传感器输出，并且因此成为存储型图像传感器。然而，在光学传感器电路101的电路配置中，输出电压Vout与入射光L1的强度成比例，而当强光入射时该电路饱和。因此，该电路因无法很大地加宽动态范围而存在问题。

在专利文献1的图7等中示出了具有与光学传感器电路101相似的电路配置的光学传感器电路。

接着，图22示出了具有对数输出特性的光学传感器电路的例子。在图22中，与参照图21所示部件基本上相同的部件以相同的标号来标示，并且省略对这些部件的重复具体描述。在光学传感器电路201中，取代了光学传感器电路101的第一MOS晶体管Q1而使用MOS晶体管Q21。在MOS晶体管Q21中，栅极电连接到漏极。MOS晶体管Q21对应于第一MOS晶体管Q1以代替它来使用，因此称为“第一MOS晶体管Q21”。光电二极管PD、电容器C1、第二MOS晶体管Q2、第三MOS晶体管Q3、电阻器R和其它电路配置与参照图21所示部件相同。在光学传感器电路201中，第一MOS晶体管Q21将光电二极管PD的传感器电流转换成在弱反相状态下具有对数特性的传感器电压。

在光学传感器电路201中，第一MOS晶体管Q21的栅极连接到晶体管的漏极，漏极和栅极电压被设置成同一恒定漏极电压V2，而第三MOS晶体管Q3被导通以输出光信号作为输出电压Vout。来自电压控制器102的高电平栅极电压被供应到第三MOS晶体管Q3的栅极端子G3。