JPH01241278A - 電荷注入装置イメージ・センサ - Google Patents

電荷注入装置イメージ・センサ

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JPH01241278A
JPH01241278A JP63289057A JP28905788A JPH01241278A JP H01241278 A JPH01241278 A JP H01241278A JP 63289057 A JP63289057 A JP 63289057A JP 28905788 A JP28905788 A JP 28905788A JP H01241278 A JPH01241278 A JP H01241278A
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JP
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image sensor
injection device
charge injection
charge
preamplifier
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JP63289057A
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Gerald J Michon
ジェラルド・ジョン・ミチョン
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
    • HELECTRICITY
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    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
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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】 発明の背景 この発明は電荷注入装置(CID)イメージ・センサミ
更に具体的に云えば、感知配列の各行に沿った全てのセ
ルの!1し列読出しを持つ新規な集積CIDイメージ・
センサに関する。
電荷注入装置(CI D)センサの感度が、装置の信号
の信号対雑音比によって制限されることがよく知られて
いる。感度を改善して、ダイナミック・レンジを一層広
くとることが出来る様にすると共に、−層低い入射光レ
ベルで動作出来る様にする為には、時間的な雑音レベル
をかなり下げることが必要である。CIDイメージ・セ
ンサの時間的な雑音は、典型的には、行選択マルチプレ
クサ及びビデオ増幅器の両方のジョンソン雑音と、信号
感知線に関連する静電容量とによって決定される。現在
のCIDイメージ・センサは電流感知方式を取入れてい
るが、これは比較的高い周波数で雑g電流がピークにな
る傾向を持つ。行の選択が多重化によって行なわれ、マ
ルチプレクサが1個のビデオ増幅器の入力に対(7、行
線の内の異なる1つを接続するから、信号線に帰因する
静電容量が比較的大きい。配列の各行の端に前置増幅器
のトランジスタを使うことが、任意の特定の時点に出力
を発生する為に、CID感知配列の1つのセルを選択す
る為の周辺回路に関連する静電容量並びに/又は雑音特
性を下げる上で非常にa効であることが実証されている
。時間的な雑音レベルを下げ、こうして感度を高めると
共にダイナミック・レンジを拡げるこの構成が、198
7年8月25日に付与された米国特許第4,689,6
88号に記載されている。CIDイメー ジ・センサの
時間的な雑音を更に減少し、感度を改溌し、ダイナミッ
ク・レンジを拡大することが依然として望ましい。
発明の要約 この発明では、感度・1しびにダイナミック・レンジを
高めた電荷注入装置(CI D)イメージ豐センザが、
n個の列に配置された同じ複数個(n個)のセルを夫々
持つ複に個(m個)の行をqするセルの2次元配列と、
(イ)複数個(n個)の列の全てに沿って全てのセルを
リセットし、(ロ)その後1(数個(m個)の行の各々
を逐次的に走査して、その時走査している行に沿った複
数個(n個)のセルの全部から略同時に、リセット後の
そのセルに入射した光子束の強度に応答する信号電圧を
関連する列線に発生させる動作を循環的に逐次的に行な
う周辺手段と、何れも関連した1つの列線の信号電圧を
増幅する腹数l(n個)の電圧前置増幅器手段と、何れ
も関連した1つの列線前置増幅器手段からの増幅された
信号電圧を記憶する複数個(n個)の手段と、複数個(
n個)の記憶手段の逐次的な手段に記憶された、増幅さ
れた信号電圧を逐次的に読出して、セルの配列が応答す
る光子束の強度を表わす少なくとも1つのビデオ信号を
発生する手段とをqする。
この発明の現在好ましいと考えられる実施例のイメージ
壷センサでは、選ばれた1つの行に沿ったiM数個(n
個)のセルの全部が同時に並列に、夫々同じ複数個(n
個)の記憶手段の関連した1つに読出され、この時、n
個の記憶手段の各々を逐次的に読取ることにより、その
行に対するビデオ信号が得られる。各列に於けるKTC
雑音に関係する、行が選択されなかった1組の信号も読
出す。外部の光入力が存在しない状態で、配列を読出し
、一定パターンの雑音に関係するビデオ電圧信号を求め
る。この代りに、注入の直後、光によって発生される信
号を積分する前に、任意の行からこの一定パターンの雑
音を読出すことが出来る。
この後の減算及び/又は相関−2倍化−標本化手段か、
こう云う信号を使って、最終的な処理済みのビデオ出力
信号に対するこの一定パターンの雑音及びKTC雑音の
寄与を減少する。
従って、この発明の目的は、センサ配列内のセルの各行
に於ける電荷の並列読出し、を利用した、新規な電荷注
入装置イメージ・センサを提供することである。
この発明の上記並びにその他の目的は、以下図面につい
て詳しく説明する所を読めば、明らかになろう。
発明の詳細な説明 最初に第1図について説明すると、CIDイメージ・セ
ンサ10が、m行に分けて配置された複数個のセルで形
成された配列11を有する。各々の行は別の1!数個(
m個)の個別のセルを持っている。即ちセルC1,1乃
至Cm、nからなるm×且配列である。配列11と共に
周辺電子回路手段12及び複数個(n個)のビデオ増幅
手段14を利用する。その各々が、配列11の二個の列
の内の1つに割当てられている。各々のセルC1゜J 
(行について1515m1列について1≦j≦n)は、
CID作像の分野で周知の様に、1対の結合電極を絶縁
して重ねた半導体部材の領域で構成される。各々の行電
極、図面では各セルの左側にある電極11aが、複数個
(m個)の行線R1゜R2,・・・・・・、 Ri、・
・・・・・、Rmの1つに接続され、各々の他方の71
i極、図面では右側の電極11’bが列電極であって、
複数個(二個)の列線C1,C2、・・・・・・、Cj
、・・・・・・、Cnの関連した1つに接続される。
周辺電子回路手段12が垂直(行)走査手段16を持ち
、これが循環的に行ストローブSrパルスを(センサ人
力10aに)受取って、個別の出力16a、 16b、
 −・−、16i、 −−−−−−、16mの逐次的な
付勢を開始し、関連する行線R1,R2、・・・・・・
、 Ri、・・・・・・、Rmを保持振幅(例えば、電
¥!i+11aの一■rボルト)から転送振幅(例えば
=0ボルト)へ作動する。水平(列)走査手段18が列
ストローブScを(センサ人力16bに)受取る。この
信号は、(イ)全ての列出力18a。
18b、・・・・・・、18j、・・・・・・、18n
をリセット振幅(例えば、電極11bのさ0ボルト)に
付能し、各セルの列部分(右側部分)からの全ての電荷
を注入し、次の後続の走査の為に配列の行(これは転送
振幅を持つ)をクリアし、(ロ)その後、全ての列線C
1,C2,・・・・・・、Cj、・・・・・・、  C
nを同時に動作振幅Vc (ここで0≦VC≦Vr)に
戻すか又は浮動させる。この後、任意の行線が転送振幅
に付勢される度に、記憶されている、光子によって誘起
された電荷(各セルの最後のリセット以降に収集された
)が、その行の全てのセルの各々の行電極11a(この
時転送振幅に付勢されている)の下にある電位井戸から
、同じセルの列電極11bの下にある電位井戸へ並列に
転送される。関連する列線に電圧変化が起り、この変化
は、セルCi、jによって列線nに誘起された信号電荷
を列線の静電容量で除した値と略等しい振幅を持つ。信
号電圧のこの変化が関連した列増幅器手段14によって
増幅される。
この発明の1つの原理として、全ての増幅器が4に列に
動作するから、特定の行に沿った任意の画素に誘起され
た信号電圧の増幅に利用し得る時点は行走査時間と等し
い。増幅時間を最大にすることにより、雑音帯域幅が最
小限に抑えられるから、イメージ・センサの感度が一層
高くなる。CIDイメージ・センサの時間的な雑音は、
典型的には、増幅器の雑音レベルによって左右される。
MOSFET増幅器装置を使う場合、雑音レベルは基本
的にはジョンソン(抵抗性)雑音電圧En−(4KTΔ
F/Gl、l)1/2によって決定される。こ\でKは
ボルツマン定数、Tは絶対温度、ΔFは増幅器の雑音帯
域幅、G□は前置増幅器全体の等価順方向トランスコン
ダクタンスである。トランスコンダクタンスと雑音帯域
幅が、周囲温度で動作する作像装置の設計で選択するこ
とが出来る只2つのパラメータであることが理解されよ
う。装置のGmはドレイン電流の平方根に比例し、増幅
器の(り得(Gm xRL 1こ’ でRL は負荷抵
抗)はドレイン電流の平方根に反比例するから、増幅器
の負荷抵抗を増加すると共に、増幅器の利得を増加する
ことによって、実効雑音帯域幅を減少するだけでなく、
同時に増幅器の消費電力を減少することも可能である。
100程度の利得を持つ典型的な集積回路増幅器を用い
ると、増幅4当たりの消費電力は約50マイクロワツト
にすることが出来る。n−1,300個の増幅器を侍つ
作(象装置では、全ての増幅器に対して65ミリワツト
の合計消費電力にすることは完全に受入れられるもので
ある。例として云うと、この同じ1,300個の列を持
つセンサでは、合計量−1,000個(’)行を用いる
この発明の別の考えとして、各々の列前買増幅器手段1
4の出力が、線記憶及び多重化手段20の同様な入力2
0a、20b、・・・・・・、20j、・・・・・・、
20nに接続される。手段20は、実質的に各々の行選
択期間の終りに(並列読出し信号電圧の最大増幅時間が
起った後に)発生する(センサ人力10cに)記憶スト
ローブSTR信号パルスに応答して、その時選択された
行に対するn個の列信号電圧の各々を記憶する。記憶ス
トローブ信号が逐次的な多重化動作をも開始する。この
時、関連する記憶位置から記憶されている信号振幅が逐
次的に読出される。即ち、第1の入力20aに対応する
第1の記憶位置が読出され、第2の人力20bに対応す
る第2の記憶位置が読出されると云う様になる。j番目
の人力20jに対応する3番目の位置がこの後で読出さ
れる。最後の列信号人力2Onに対応する最後の記憶位
置が読出されるまで、この過程が続けられる。この様に
逐次的に読出された信号が、センサ出力10dに現れる
出力ビデオ信号である。従って、各々の行(例えば、k
番L1の行)に対するビデオ信号を形成する直列の逐次
的な信号の読出しが、それからのビデオ信号を求めた特
定の行が非選択になった後、そ1、てその次の、垂直方
向に下側にある行(例えば、(k+1)番l」の行)が
選択されて、その信号が増幅される期間中に行なイつれ
る。
関連する行線R1,R2,・・・・・・、 Ri、・・
・・・・。
Rmに友々接続された複数個(m個)の出力22a、2
2b、・・・・・・、22i、・・・・・・、22mを
持つ行注入走査手段22を11用して、各々のセルC1
゜Xからの電荷を注入することが出来る。こ\でXは、
1番目の行に沿って0列の全部であり、こうしてセルは
その1番目の行に対する読出し期m)が終了した直後に
、電荷の注入によってクリアされる。こうして、循環的
な電荷注入により、複数個(m個)の行の各々のセルに
光子によって誘起された電荷を収集する為の時間が略同
じになる。
次に第2図について現在好ましいと考えられる実施例を
史に詳しく説明するが、センサ10′は、画素C1,1
乃至Cm、nの4×4の配4ダリ11だけを持つ場合が
示されている。各々の行線R1゜R2,・・・・・・、
Ri、・・・・・・、Rmが、複数個(m個)の行スイ
ッチング装置24a、24b、 ・・・・・・、241
、・・・・・・、24nの関連した1つのソース電極に
結合され、これらのスイッチング装置のドレイン電極が
並列に行駆動入力10′ eに結合されている。各々の
装置24のゲート電極が行(線)走査手段16の関連す
る出力16a、16b、・・・・・・。
161、・・・・・・、16nに結合されていて、垂直
走査入力10′ aの垂直人力パルスに応答して、循環
的な順序で互いに排他的に付勢される。行線Rは行電圧
で動作するが、この行電圧は列線見の電圧の大きさより
も大きさが大きく、この為、選択されていない全ての行
にある、行に接続された電極(左側の行電位井戸11a
に関連した)の下に信号電荷が記憶される。特定の1つ
の行走査出力、例えば、出力16iが選択された時にだ
け、関連する行スイッチング装2(24i)が関連する
行線(Ri、)の電位を略ゼロの大きさに変え(これは
セルCi、x (1≦X≦n)の電位井戸11a′に対
して示す)、これにより行電極の下に記憶された信号型
CIが、列に接続された電極11bの下の位置まで右向
きに移動する。
各々の列線C1,C2,・・・・・・、Cj、・・・・
・・、Cnに列リセット装置26a、26b、 ・・・
・・・、26j、・・・・・・、26nが接続されてお
り、各々の列リセット装置の制御電極が制御人力10′
 fに接続され、その被制御導電回路が関連する列線か
ら、列駆動電位入力端子10′ gに並列に接続されて
いる。記憶手段が動作した後、列は全て中間電位レベル
Vcにリセットされる。こ\で0≦vc≦■1であり、
電位Vcが、端子10′ fのリセット制御パルスによ
り、列駆動人力に供給される。
全ての列電極をリセットした後、列電極は副電圧VCで
浮動するに任せる。列リセット動作により、列電極Cに
導入されたKTC雑音のサンプルが、この後でビデオ出
力信号から減算する為に、相関二重標本化手段(図面に
示してないが、周知である)によって求められる。雑音
標本化動作を、m行の毎回の走査が終了した時、次のm
行の走査を開始する前に実施することが出来るのがを利
である。
任意の特定の行が選択される時、行電極の電位を略ゼロ
に下げることにより、第2図の1番目の行について示す
様に、その同じ行に沿った全てのセルに対し、行電極の
下にある電荷が列電極の下の位置(即ち、列電荷記憶キ
ャパシタ)に転送される。この時、各々の列線に電圧が
存在するが、これは(イ)行キャパシタから列キャパシ
タに転送された電荷と、(ロ)列の静電界ごとの商によ
って実質的に決定される。この電圧が各々の前置増幅器
14にある1対のカスケード接続のMOSFET  3
0の入力ゲート電極に印加される。即ち、セルC4,1
からの信号電圧が列線C1及び増幅器14−1のFET
カスコード30aのゲート電極に現れ、セルCi、2か
らの信号電圧が、増幅器14−2の装置30bの入力ゲ
ートに接続された列線C2に現れると云う様になる。全
ての第2段装置のゲート電極が略一定の電位Vg2に並
列に接続される。増幅された信号が関連する1つの負荷
抵抗32 a r’r至32nの両端に現れる。
この各々の抵抗は負荷抵抗RLを持っている。この発明
でカスコード接続を選んだのは、ソース共通形FET増
幅器に較べて、人力の静電8瓜が一層小さく、出力イン
ピーダンスが一層大きいからである。増幅された信号が
関連する1つの記憶手段の入力20a乃至20nに結合
される。各々の増幅2″i14の雑音帯域幅は、作像セ
ンサ10′を用いる装置の行(線)読取期間に見合って
、最小値に抑えられる。
大体各々の線読取期間の終りに発生する、入力10′ 
Cの共通に印加される記憶ストローブSTR信号パルス
により、入力20の増幅された画素信号が関連する画素
記憶手段20−1乃至20−nに夫々ストローブされる
。記憶された後、列リセット制御端子10′ fが付勢
され、全ての列線がリセットされる。この後、次の行(
例えば、(i+1)番l」の行)線が付勢され、その行
に沿ったセルが増幅する為の信号を発生している間、前
の(例えば、1番11の)行からの値が、逐次的な夫々
1つの画素記憶手段の出力2O−1b乃至2O−nbを
、多重化切換え手段34の逐次的に互いに排他的に付能
される1つを介して、ビデオ出力端子10′ dに逐次
的に結合することによって、画素記憶手段20から逐次
的に読I+:される。
この為、水平入力端子10′ bの水平入力パルスに応
答して、列画素走査手段18が逐次的に、且つ互いに排
他的にその出力18a、18b、・・・・・・。
18j、・・・・・・、18nを付勢し、互いに排他的
に、最初は装置34aを導電させて、1番目の画素記憶
手段の出力24−1bをビデオ出力に結合し、その後、
互いに排他的に、2番目の多重化切換え装置34bを付
能して導電させ、2番目の画素記憶手段の出力24−2
bをビデオ出力に接続すると云う様にする。列走査手段
18の多重化パルスの速度を調節して、人力10′ c
の次の記憶ストローブSTRパルスより前に、n個の列
記憶手段の全部を走査する。第1図に示す行注入走査手
段22等を利用した注入動作等により、全ての信号電荷
がクリアされた後に配列から読取られる雑音を減算する
ことにより、ビデオ信号から一層パターンの雑音が除か
れることが理解されよう。別個の行注入走査手段22を
使うことは、積分期間(電荷注入時刻と読取時刻の間の
期間)を電子的に制御して、電子露出制御及び同様な作
用を行なうことが出来る点でも、有利である。第1図に
見られる様に、カラー・フィルタを配列と一体化して、
種々の色信号がチップ上で分離されていて、別々の出力
に取出される様な1個の集積回路チップカラー・センサ
を形成することにより、カラー・ビデオ信号を発生する
ことも可能であることが理解されよう。追加の線記憶及
び多重化手段20′及び20′を利用して、追加のビデ
オ信号出力10d−1乃至10d−2に追加の2つのカ
ラー・ビデオ信号の各々を発生する。この為、赤−青−
緑のカラー・ストリップ系を利用する場合、別々の赤−
青一緑のカラー・ビデオ信号の各々が夫々のビデオ出力
端子10d、10d−1又は10d−2に得られる。各
々の行の読取に対する出力ポートを指定し直すことによ
り、集積回路チップ内でチエッカ−盤のカラー・フィル
タ信号を分離することも可能である。並列出力ボートを
使うことにより、1個の出力ポートを使う場合よりも動
作周波数が低くなり、これは雑音帯域幅が史に減少する
ので、更に有利である。
感知配列の各行にある全てのセルを並列に読出す様にし
た、この発明の現在好ましいと考えられる1実施例のC
IDイメージ・センサをかなり詳しく説明したが、当業
者にはいろいろな変更が考えられよう。従って、この発
明は特許請求の範囲の記載のみによって限定されるもの
であって、こ−で例として説明した好ましい実施例の特
定の細部及び計器によって制約されるものではないこと
を承知されたい。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明のCID作像配列及び周辺電子回路の
簡略ブロック図、 第2図はこの発明の現在好ましいと考えられる実施例の
CIDイメージ・センサの更に詳しいブロック図である
。 主な符号の説明 Cij:セル 11:配列 14;ビデオ増幅手段 16:行選択手段 18:列選択手段 R1:行線 Cj:列線 20:記憶及び多重化手段

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、入射光子束に対する感度及びダイナミック・レンジ
    を高くした電荷注入装置(CID)イメージ・センサに
    於て、 何れもn列に分けて配置された複数個(n)のセルを持
    つ複数個(m)の行に配置されていて、何れも当該セル
    に入射する光子束の大きさに応答して発生される電荷を
    一時的に記憶するセルの2次元配列と、 (イ)前記複数個(n個)の列の全部に沿って、全ての
    セルをリセットし、(ロ)その後、前記複数個(m個)
    の行の各々を逐次的に走査して、その時選択された該行
    に沿った複数個(n個)のセルの全部から並列に且つ略
    同時に、前記セルがリセットされた後に該セルが受取っ
    た光子束の強度に応答する信号電圧を関連する列線に発
    生させる動作を循環的に逐次的に行なう周辺電子回路手
    段何れも関連する1つの列線の信号電圧を増幅する複数
    個(n個)の電圧前置増幅器手段と、何れも関連する前
    置増幅器手段からの増幅された信号を記憶する複数個(
    n個)の記憶手段と、全ての記憶手段の逐次的なものに
    記憶されている増幅された信号電圧を逐次的に読出して
    、配列に入射した光パターンを表わす少なくとも1つの
    ビデオ信号を発生する手段とを有する電荷注入装置イメ
    ージ・センサ。 2、各々の前置増幅器手段が、少なくとも1つのMOS
    FET装置と、少なくとも1つの該装置に結合されてい
    て、その両端に該列からの増幅された信号が現れる負荷
    抵抗とを有する請求項1記載の電荷注入装置イメージ・
    センサ。 3、前置増幅器手段の等価トランスコンダクタンス(G
    _m)及び前記負荷抵抗の大きさが、各々の前置増幅器
    に、利得、実効雑音帯域幅及び消費電力の内の少なくと
    も2つからなる所望の1組が得られる様に選ばれている
    請求項1記載の電荷注入装置イメージ・センサ。 4、各々の前置増幅器手段が、逐次的に接続された複数
    個のMOSFET装置と、最後の前記装置に結合されて
    いて、その両端に該列からの増幅された信号が現れる負
    荷抵抗とを有する請求項1記載の電荷注入装置イメージ
    ・センサ。 5、前置増幅器手段の等価トランスコンダクタンス(G
    _m)及び負荷抵抗の大きさが、各々の前置増幅器手段
    に、利得、実効雑音帯域幅及び消費電力の内の少なくと
    も2つからなる所望の1組が得られる様に選ばれている
    請求項4記載の電荷注入装置イメージ・センサ。 6、各々の前置増幅器手段がカスコード形式に接続され
    た1対のMOSFET装置で構成される請求項4記載の
    電荷注入装置イメージ・センサ。 7、前置増幅器手段の等価トランスコンダクタンス(G
    _m)及び負荷抵抗の大きさが、各々の前置増幅器手段
    に、利得、実効雑音帯域幅及び消費電力の少なくとも2
    つからなる所望の1組が得られる様に選ばれている請求
    項6記載の電荷注入装置イメージ・センサ。 8、全ての記憶手段が、共通の記憶ストローブ信号に応
    答して、関連した増幅された信号を記憶する請求項1記
    載の電荷注入装置イメージ・センサ。 9、共通のストローブ信号が、任意の行に沿ったセルか
    ら電荷を読出す各々の期間の略終りに共通のストローブ
    信号が発生される請求項8記載の電荷注入装置イメージ
    ・センサ。 10、逐次的に読出す手段が、共通のストローブ信号が
    発生される度に、その後1回付能される請求項9記載の
    電荷注入装置イメージ・センサ。 11、任意の選択された行に沿った各々のセルの中に記
    憶される電荷を注入する手段を有する請求項1記載の電
    荷注入装置イメージ・センサ。 12、行に注入する手段が、読出されたばかりの行を逐
    次的に注入する為に選択する請求項11記載の電荷注入
    装置イメージ・センサ。 13、行に注入する手段が、注入の時刻と読出す時刻の
    間に、可変の積分期間を設定する様に制御可能である請
    求項12記載の電荷注入装置イメージ・センサ。 14、前記配列の少なくとも一部分を、入射光子束の複
    数個の異なる波長の各々に感度を持つ様にする手段を有
    し、異なる波長に感度を持つ配列のセルに関連した各々
    の前置増幅器手段及び記憶手段は、記憶されて増幅され
    た信号の同じ複数個の異なる組が利用出来る様にし、更
    に、各々の異なる組の信号を別々のビデオ・カラー信号
    として別々に読出される様にする手段を有する請求項1
    記載の電荷注入装置イメージ・センサ。 15、3種類の可視波長に感度を持つ請求項14記載の
    電荷注入装置イメージ・センサ。 16、配列がm=1,000行及びn=1,300列程
    度である請求項1記載の電荷注入装置イメージ・センサ
    。 17、前記配列と、前記周辺電子回路手段、電圧前置増
    幅器手段、記憶手段及び逐次的に読出す手段の内の少な
    くとも一部分とが、1個の半導体回路チップに集積され
    ている請求項1記載の電荷注入装置イメージ・センサ。
JP63289057A 1988-03-14 1988-11-17 電荷注入装置イメージ・センサ Pending JPH01241278A (ja)

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