DE69729648T2 - Aktivpixelsensormatrix mit mehrfachauflösungsausgabe - Google Patents

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Description

  • Ursprung der Erfindung
  • Die hier beschriebene Erfindung wurde bei der Durchführung von Arbeit unter einem NASA-Vertrag ausgeführt und ist den Bestimmungen des Public Law 96-517 (35 USC 202) unterworfen, bei denen sich der Vertragspartner entschieden hat, das Eigentum vorzubehalten.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbildgebungsvorrichtungen. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Siliziumbildgebungsvorrichtung, die mittels eines CMOS-kompatiblen Verfahrens hergestellt werden kann, und auf spezifische verbesserte Techniken, die von einem derartigen System verwendet werden.
  • US-A-5262871 beschreibt einen Bildsensor mit der Fähigkeit für verschiedene Auflösungen, indem das gleichzeitige Auslesen von Gruppen von Pixeln in einer ausgewählten interessierenden Region und das Zusammenfügen der resultierenden Signale in ein einziges Superpixelsignal ermöglicht wird.
  • Hintergrund und Zusammenfassung
  • Viele Halbleiter können zum Erfassen eines Signals verwendet werden, das ein Bild angibt. Ladungskopplungsvorrichtungen (CCDs = Charge Coupled Devices), Photodiodenarrays, Ladungsinjektionsvorrichtungen (charge injection devices) und Hybridbrennebenen-Arrays (hybrid focal plane arrays) sind einige der üblicherweise verwendeten Vorrichtungen. CCD's werden häufig verwendet, da sie eine ausgereifte Technologie darstellen, für große Formate und sehr kleine Pixelgröße geeignet sind und rauschverringerte Ladungsdomänenverarbeitungstechniken, wie beispielsweise Binning und zeitverzögerte Integration ermöglichen.
  • CCD-Bildgebungsvorrichtungen leiden jedoch unter einer Anzahl von Nachteilen. Beispielsweise verringert sich die Signaltreue einer CCD, da der Ladungstransferwirkungsgrad auf mit der Anzahl von Stufen potenziert wird. Da CCDs viele Stufen verwenden, muss die CCD-Fertigungstechnik für einen sehr effizienten Ladungstransferwirkungsgrad optimiert werden. CCDs sind ebenfalls gegen Strahlungsschäden empfänglich, erfordern eine gute Abschirmung, um Unschärfe zu vermeiden, und weisen eine hohe Verlustleistung für große Arrays auf.
  • Das spezialisierte CCD-Halbleiterfertigungsverfahren ist bestimmt, den Ladungstransferwirkungsgrad der CCD zu maximieren. Dieses spezialisierte CCD-Verfahren war jedoch mit der komplementären Metalloxidhalbleiter-Verarbeitung ("CMOS"-Verarbeitung) inkompatibel, die herkömmlicherweise verwendet wurde. Die für die Bildgebungsvorrichtung erforderliche Bildsignalverarbeitungselektronik wird häufig in CMOS gefertigt. Demgemäß war es aufgrund der Inkompatibilität der Verarbeitungstechniken schwierig, chipinterne Signalverarbeitungselektronik in eine CCD-Bildgebungsvorrichtung zu integrieren. Wegen dieses Problems wurde die Signalverarbeitungselektronik häufig chipextern ausgeführt.
  • Typischerweise wird jede Spalte von CCD-Pixeln in eine entsprechende Zelle eines seriellen Ausgangsregisters transferiert, dessen Ausgabe von einem einzigen chipinternen Verstärker (z. B. einen Source-Folger-Transistor) verstärkt wird, bevor sie in einer chipexternen Signalverarbeitungselektronik verarbeitet wird. Diese Architektur begrenzt die Ausleseframerate, die der chipinterne Verstärker handhaben kann, proportional zu der Anzahl von Ladungspaketen geteilt durch die Anzahl von Pixeln in der Bildgebungsvorrichtung.
  • Die anderen Arten von Bildgebungsvorrichtungen weisen ebenfalls Probleme auf. Photodiodenarrays zeigen hohes kTC-Rauschen. Dies macht es unpraktisch, eine Diode oder einen Kondensatorknoten auf die gleiche Anfangsspannung am Anfang jeder Integrationsperiode zurückzusetzen. Photodiodenarrays leiden ebenfalls unter Verzögerung.
  • Ladungsinjektionsvorrichtungen weisen ebenfalls hohes Rauschen auf.
  • Hybridbrennebenen-Arrays zeigen weniger Rauschen, wobei sie jedoch für viele Anwendungen unerschwinglich aufwändig sind und relativ kleine Arraygrößen aufweisen.
  • Angesichts der obigen, von den Erfindern erkannten Problemen ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Bildgebungsvorrichtung bereitzustellen, die den niedrigen kTC-Rauschpegel einer CCD ohne die zugeordnete CMOS-Inkompatibilität und andere oben beschriebenen Probleme aufweist.
  • Viele Bildgebungsanwendungen, einschließlich Modellierung von biologischem Sehen, Stereo-Telemetrie, Mustererkennung, Zielverfolgung und progressive Übertragung von komprimierten Bildern, haben Bilddaten mit sich ändernder Auflösung verwendet. Die Verfügbarkeit dieser Daten ermöglicht dem Benutzer eine Einheit, z. B. ein Frame von Daten, mit der niedrigsten notwendigen Auflösung für die aktuelle Aufgabe zu erhalten. Dies kann unnötige Verarbeitungsschritte eliminieren, die mit dem Erhalten eines detaillierteren Bilds verbunden sind. In der Vergangenheit wurden derartige Bilddaten mit verschiedenen Auflösungen durch eine Bildpyramidenvorgehensweise erzeugt. Die beobachtete Szene wird mit der höchstmöglichen Auflösung für den Bildgeber, der verwendet wird, abgebildet. Die nächsten Gruppen von Pixelausgaben werden verarbeitet, um eine kombinierte Ausgabe zu erzeugen, die ein Frame/Bild mit niedrigerer Auflösung darstellt. Dieses Frame/Bild mit niedrigerer Auflösung wird ebenfalls gespeichert. Das Verfahren wird fortgesetzt, bis eine vorbestimmte Anzahl von unterschiedlichen Auflösungsniveaus erhalten wird. Das gewünschte Auflösungsniveau wird dann ausgelesen.
  • Viele vorhergehenden Versuche verwendeten Software, um den Bildinhalt neu anzuordnen. Der Aufbau solcher Multi-Resolution-Pyramide durch Software kann jedoch ein sehr rechenintensiver und zeitaufwändiger Teil einer Bildverarbeitungsaufgabe sein. Viele Computer werden in der Größenordnung von Hunderten von Millisekunden für ein 512 × 512 Pixelarray verbrauchen. Dies erfordert, dass jedes Auflösungsniveau einzeln verarbeitet und getrennt gespeichert wird. Die resultierende Verarbeitungszeit kann die Implementierung ein Multi-Resolution-Auslesen bei Systemen, bei denen Daten mit Videoraten erforderlich sind (z. B. 30 Frames pro Sekunde), schwierig machen. Das Problem wird sogar noch schlimmer für Bildverarbeitungsaufgaben, die an Bildern von großem Format durchgeführt werden (z. B. 1024 × 1024 Pixelarrays), wobei die Ausgabe von Millionen von Pixeln beteiligt sein kann.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Auslesesystem mit verschiedenen Auflösungen bzw. ein Multi-Resolution-Auslesesystem bereitzustellen, das Bilddaten mit einer gewünschten Auflösung und mit Geschwindigkeiten größer als oder gleich der oben erwähnten Videoraten bereitstellen kann.
  • In Anbetracht des obigen wird die Erfindung in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
  • Die Erfindung kann in einer Bildgebungsvorrichtung verkörpert sein, die als eine monolithische integrierte CMOS-Schaltung in einem CMOS-Halbleiterverfahren gemäß dem Industriestandard ausgebildet ist. Die integrierte Schaltung umfasst ein Brennebenen-Array von Pixelzellen, wobei jede der Zellen ein Photogate umfasst, das das Substrat zum Akkumulieren von durch Licht erzeugten Ladungen in einem darunterliegenden Abschnitt des Substrats in einem darunterliegenden Abschnitt überlagert, und eine Ladungskopplungsvorrichtung, die auf dem Substrat benachbart dem Photogate ausgebildet ist, die einen Abtastknoten und mindestens eine Stufe einer Ladungskopplungsvorrichtung zum Transferieren von Ladung von dem darunterliegenden Abschnitt des Substrats zu dem Abtastknoten aufweist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Abtastknoten des Abschnitts der Ladungskopplungsvorrichtung eine "Floating-Diffusion" bzw. einen erdfreien Diffusionsbereich und die Stufe der Ladungskopplungsvorrichtung ein Transfergate, das das Substrat zwischen der Floating-Diffusion und dem Photogate überlagert. Diese bevorzugte Ausführungsform kann ferner eine Vorrichtung zum periodischen Rücksetzen eines Potentials des Abtastknotens auf ein vorbestimmtes Potential einschließlich einer Drain-Vorspannung und ein Rücksetzgate zwischen der Floating-Diffusion und der Drain-Diffusion umfassen, wobei das Rücksetzgate mit einem Rücksetzsteuersignal verbunden ist.
  • Die Bildgebungsvorrichtung umfasst ebenfalls eine Ausleseschaltung mit mindestens einem Ausgangstransistor. Vorzugsweise ist der Ausgangstransistor ein Source-Folger- Ausgangsfeldeffekttransistor, der in jeder Pixelzelle ausgebildet ist, wobei die Floating-Diffusion mit seinem Gate verbunden ist. Die Ausleseschaltung kann ferner einen mit dem Source-Folger-Ausgangstransistor verbunden Feldeffekt-Last-Transistor und vorzugsweise eine korrelierte Doppelabtastschaltung mit einem zwischen dem Source-Folger-Ausgangstransistor und dem Lasttransistor verbundenen Eingangsknoten umfassen. Die Brennebene der Zellen ist ebenfalls vorzugsweise mit Reihen und Spalten organisiert, und die Ausleseschaltung weist mehrere Lasttransistoren und mehrere korrelierte Doppelabtastschaltungen auf. In diesem Fall ist jede Zelle in jeder Spalte von Zellen mit einem einzigen gemeinsamen Lasttransistor und einer einzigen gemeinsamen korrelierten Doppelabtastschaltung verbunden. Diese gemeinsamen Lasttransistoren und korrelierten Doppelabtastschaltungen sind an dem Boden der jeweiligen Spalten von Zellen angeordnet, mit denen sie verbunden sind.
  • Bei der bevorzugten Implementierung wird Ladung zuerst unterhalb des Bilderfassungselements einer Pixelzelle akkumuliert. Dieses Bilderfassungselement kann ein Photogate, eine aktive Pixelzelle oder eine aktive Photodiode sein, wobei jede dieser entweder im Strom- oder Spannungsmodus arbeiten kann. Zwecks Einfachheit wird das Bilderfassungselement hier als ein Photogate bezeichnet, und mit Bezug auf ein Photogate. Es ist ersichtlich, dass die Verwendung einer Photodiode bestimmte Unterschiede von dem Photogatebetrieb aufweisen wird. Die Photodiode erfordert ein Transfergate oder ein Photogate. Die Photodiffusion ist somit dementsprechend größer. Außerdem wird die Information in umgekehrter Reihenfolge ausgelesen – Ladung zuerst, dann Rücksetzniveau. Dieser Doppelabtastvorgang ist somit nicht korreliert und kompensiert somit kTC-Rauschen nicht.
  • Es sei nun zu der Beschreibung des bevorzugten Photogatemodus zurückgekehrt, bei dem die korrelierte Doppelabtastschaltung die Floating-Diffusion, nachdem sie zurückgesetzt wurde, an einem Kondensator direkt abtastet. Die akkumulierte Ladung wird dann an die Floating-Diffusion transferiert, und das Abtastverfahren wird wiederholt, wobei das Ergebnis bei einem anderen Kondensator gespeichert wird. Die Differenz zwischen den beiden Kondensatoren ist die Signalausgabe. In Übereinstimmung mit einer weiteren Verfeinerung wird dieser Differenz auf festgelegtes Musterrauschen korrigiert, indem sie von einer anderen Differenz subtrahiert wird, die zwischen den beiden Kondensatoren abgetastet wird, während sie vorübergehend kurzgeschlossen sind.
  • Die Bildgebungsvorrichtung kann ebenfalls eine das Substrat übelagernde Mikrolinsenschicht aufweisen. Diese Mikrolinsenschicht umfasst eine Brechungsschicht und einzelne in der Schicht ausgebildete Linsen, die mit einzelnen Zellen in Beziehung stehen. Jede einzelne Zelle weist eine Krümmung auf, um Licht zu einem photoempfindlichen Abschnitt der jeweiligen Zelle hin zu fokussieren.
  • Die oben erwähnte Pixelzellenstruktur kann ebenfalls vorteilhafterweise modifiziert werden, um die gleichzeitige Integration des Arrays zu ermöglichen, wodurch ein "Schnappschuss"-Bild bereitgestellt wird. Die Modifikation bringt ein Hinzufügen eines Speichergate mit sich, das das Substrat überlagert und imstande ist, die akkumulierte durch Licht erzeugte Ladung in einem benachbarten darunterliegenden Abschnitt des Substrats zu speichern. Außerdem umfasst der Abschnitt der Ladungskopplungsvorrichtung eine zusätzliche Stufe der Ladungskopplungsvorrichtung, die in Kombination mit der ursprünglichen Stufe Ladung von dem Abschnitt des unterhalb dem Photogate liegenden Substrats zu dem Abtastknoten transferiert. Diese zusätzliche Stufe umfasst ein zwischen dem Photogate und dem Speichergate angeordnetes Zwischentransfergate. Im Betrieb wird die unterhalb des Photogates akkumulierte Ladung zu dem Abschnitt des Substrats unterhalb dem Speichergate mittels der Aktion des Zwischentransfergate transferiert. Die Ladung wird dann zu der Floating-Diffusion über die Aktion des Transfergates nur während des Auslesens transferiert. Auf diese Weise kann das gesamte Array (oder ein Teil davon) gleichzeitig integriert und die akkumulierte Ladung gespeichert werden, bis sie auszulesen ist.
  • Jedes der oben beschriebenen Arrays oder ein Photodiodenarray kann ebenfalls modifiziert werden, um eine Fähigkeit zur Bildgebung mit verschiedenen Auflösungen aufzunehmen. Dies wurde mittels einer Mehrfachauflösungsschaltung oder Multi-Resolution-Schaltung durchgeführt, die mit jeder der Pixelzellen verbunden ist. Die Multi-Resolution-Schaltung verarbeitet das von jeder einer Gruppe von Zellen ausgegebene Bildsignal, wobei ein angrenzender Block innerhalb des Arrays gebildet wird. Die neuen Blöcke innerhalb des Arrays bilden die neuen Pixel des Bilds mit neuer Auflösung.
  • Genauer gesagt mittelt die Multi-Resolution-Schaltung vorzugsweise Bildsignale, die von einen Block bildenden Zellen ausgegeben werden, um eine Blockmittelwertausgabe zu erzeugen. Diese Blockmittelwertausgabe stellt ein Bildsignal mit niedrigerer Auflösung dar.
  • Ein bedeutender Vorteil eines Blockmittelwertbildungsverfahrens, das ein Bild mit niedrigerer Auflösung erzeugt, ist verringerte Verarbeitungszeit. Rauschverringerungstechniken sind ebenfalls möglich. Ein Blockmittelwertbildungsverfahren kann von der Multi-Resolution-Schaltung an den von der Pixelzelle gerade nach dem Rücksetzen ausgegebenen Signalen sowie auch an den Signalen, die ausgegeben werden, nachdem die durch Licht erzeugte Ladung akkumuliert und transferiert wurde, durchgeführt werden. Die beiden Blockmittelwerte, d. h. der Blockrücksetz-Mittelwert und der Blocksignalmittelwert werden dann differenziell verglichen, um ein verringertes Rauschausgangssignal zu erzeugen. Die Multi-Resolution-Schaltung kann ebenfalls konfiguriert sein, um die oben erwähnten Blockmittelwerte in Abhängigkeit von der Zeit zu mitteln. In diesem Fall verwendet das von den Pixelzellen ausgegebene Bildsignal eine Folge von diskreten Bildauslesungen, wobei jede Auslesung die von der Bildvorrichtung zu einer unterschiedlichen Zeit betrachtete Szene darstellt. Die nach jeder Auslesung erzeugten Blockmittelwerte werden für eine vorgeschriebene Anzahl von Iterationen gemittelt, um den zeitlichen Blockmittelwert zu erzeugen.
  • Die oben beschriebene Multi-Resolution-Schaltung könnte ebenfalls in einem Array verwendet werden, bei dem der aktive photoempfindliche Teil jeder Pixelzelle eine Photodiode ist.
  • Eine alternative Version der Schaltungsanordnung mit verschiedenen Auflösungen wird verwendet, um Gruppen der Photodioden untereinander zu verbinden, die ein Array bilden, um angrenzende Blöcke innerhalb des Arrays zu bilden und die Blockmittelwerte auszugeben. Wenn ein derartiges Array verwendet wird, könnte es außerdem weiter modifiziert werden, um eine Bildgebung mit niedrigem Licht zu ermöglichen. Insbesondere würde das modifizierte Photodiodenarray Pixelzellen aufweisen, die eine Photodiode, eine Floating-Diffusion, ein mit der Floating-Diffusion verbundenes Ausleseschaltungsmittel und ein Transfergate zwischen der Floating-Diffusion und der Photodiode umfassen. Die Multi-Resolution-Schaltung würde noch immer verwendet werden, um Blöcke zu bilden. Der Block würde jedoch über der Floating-Diffusion von nur einer der Zellen innerhalb eines Blocks ausgelesen werden. Dies verbessert das Ausgangssignal und ermöglicht eine Bildgebung bei schwachen Licht.
  • Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Vorteilen werden weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung aus der hier folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren offensichtlich.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Diese und weitere Aspekte der Erfindung werden nun ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das die Architektur einer bevorzugten einzelnen Brennebenenzelle darstellt;
  • 2 eine Draufsicht einer integrierten Schaltung, die ein Brennebenen-Array von Zellen der in 1 dargestellten Art aufweist;
  • 3A ein schematisches Diagramm der Zelle von 1;
  • 3B eine Draufsicht einer integrierten Schaltung, die ein Brennebenen-Array von Zellen einer von 1 ähnlichen Art darstellt, wobei jedoch der Last-FET und die Abtastschaltung von jeder Zelle entfernt und als gemeinsame Elemente an dem Boden jeder Arrayspalte aufgenommen sind;
  • 4 eine graphische Darstellung des Oberflächenpotentials in dem Ladungstransferabschnitt der Zelle von 3A;
  • 5 eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Brennebenen-Arrays von 2 mit einer Mikrolinsenschicht;
  • 5A eine Polymerfilterausführungsform;
  • 5B eine Leuchtstoffausführungsform;
  • 5C eine Ausführungsform, die eine Photonenfreisetzung von dem Leuchtstoff zeigt;
  • 6A, 6B und 6C Darstellungen verschiedener Block-Bildungs-Schemata in einem Array, das Multi-Resolution-Bildgebung in Übereinstimmung mit der Erfindung benutzt;
  • 7 ein Diagramm, das die Architektur einer integrierten Schaltung darstellt, die ein Brennebenen-Array mit der Fähigkeit zur Bildgebung mit verschiedenen Auflösungen bildet und eine spaltenparallele Vorgehungsweise benutzt;
  • 8 ein Diagramm, das das Herunterabtasten des Arrays von 7 um einen Faktor Drei darstellt;
  • 9 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Bildgebungsschaltung mit verschiedenen Auflösungen, die der Architektur von 7 zugeordnet ist;
  • 10 ein schematisches Diagramm einer zeitlichen Mittelwertbildungsschaltung, die in die Schaltung von 9 aufgenommen werden kann;
  • 11 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Bildgebungsschaltung mit verschiedenen Auflösungen, die der Architektur von 7 zugeordnet ist;
  • 12 ein schematisches Diagramm einer Modifikation an der alternativen Ausführungsform der Bildgebungsschaltung mit verschiedenen Auflösungen von 4, die eine Version einer Differentialausgabe aufnimmt;
  • 13 ein schematisches Diagramm einer Modifikation an der alternativen Ausführungsform der Bildgebungsschaltung mit verschiedenen Auflösungen von 4, die eine zweite Version einer Differentialausgabe beinhaltet;
  • 14 ein Diagramm, das die Architektur einer integrierten Schaltung darstellt, die ein Brennebenen-Array von Photodioden mit der Fähigkeit zur Bildgebung mit verschiedenen Auflösungen bildet und eine räumlich parallele Vorgehensweise benutzt; und
  • 15 ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform der Architektur von 14, die eine Bildgebungsfähigkeit mit niedrigem Licht beinhaltet.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Pixelzelle 10 eines Brennebenen-Arrays aus vielen derartigen Zellen, die in einer integrierten Schaltung ausgebildet sind. Jede Zelle 10 umfasst ein Photogate 12, einen dem Photogate 12 benachbarten Ladungstransferabschnitt 14 und eine dem Ladungstransferabschnitt 14 benachbarte Ausleseschaltung 16. 2 zeigt ein Brennebenen-Array aus vielen Zellen 10, die auf einem Siliziumsubstrat 20 ausgebildet sind.
  • 3A ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Zelle 10 und ihrer zugeordneten Verarbeitung. Jedes Pixel 10 umfasst einen Photogatebereich und seine zugeordnete Schaltungsanordnung (30–50) und Reihen-Decodiererelemente 55, 60. 3A zeigt das Photogate 12 mit einer relativ großen Photogateelektrode 30, die das Substrat überlagert. Der Ladungstransferabschnitt 14 umfasst eine Transfergateelektrode 35 benachbart der Photogateelektrode 30, eine Floating-Diffusion 40, eine Rücksetzelektrode 45 und eine Drain-Diffusion 50. Die Ausleseschaltung 16 umfasst einen Source-Folger-Feldeffekttransistor (Source-Folger-FET) 55, einen Reihenauswahl-FET 60, einen Last-FET 65 und eine korrelierte Doppelabtastschaltung 70.
  • Das Oberflächenpotentialdiagramm von 4 zeigt die Photogateelektrode 30, die von einem Photogatesignal PG auf einer positiven Spannung gehalten wird, um eine Potentialmulde 80 in dem Substrat 20 zu bilden, in der durch Licht erzeugte Ladung während einer Integrationsperiode akkumuliert wird. Die Transfergateelektrode 35 wird anfangs auf einer geringeren positiven Spannung durch ein Transfergatesignal TX gehalten, um einen Potentialberg 85 benachbart der Potentialmulde 80 zu bilden. Die Floating-Diffusion 40 ist mit dem Gate des Source-Folger-FET 55 verbunden, dessen Drain mit einer Drain-Versorgungsspannung VDD verbunden ist. Die Rücksetzelektrode 45 wird anfangs durch ein Rücksetzsignal RST auf einer Spannung gehalten, die der Spannung an dem Transfergate 30 entspricht, um einen Potentialberg 90 darunter zu bilden. Die mit der Drain-Diffusion 50 verbundene Drain-Versorgungsspannung VDD erzeugt eine konstante Potentialmulde 95 unterhalb der Drain-Diffusion 50.
  • Während der Integrationsperiode akkumulieren Elektronen in der Potentialmulde 80 unterhalb der Photogateelektrode 30 im Verhältnis zu dem auf das Substrat 20 einfallenden Photonenfluss. Am Ende der Integrationsperiode wird das Oberflächenpotential unterhalb der Floating-Diffusion 40 schnell auf ein Potentialniveau 100 geringfügig über der Potentialmulde 95 zurückgesetzt. Dies wird durch das Rücksetzsignal RST erreicht, das vorübergehend auf eine höhere positive Spannung ansteigt, um den Potentialberg 90 vorübergehend zu entfernen und eine nach unten gerichtete Potentialtreppe von dem Transfergatepotentialberg 85 zu der Drain-Diffusionspotentialmulde 95 bereitzustellen, wie es in der Zeichnung von 4 angegeben ist. Nachdem das Rücksetzgate 45 zu seinem Anfangspotential zurückgegeben wird (wobei der Potentialberg 90 wiederhergestellt wird), tastet die Ausleseschaltung 70 das Potential der Floating-Diffusion 40 kurz ab, und dann ist die Zelle 10 bereit, die durch Licht erzeugte Ladung von unterhalb der Photogateelektrode 30 zu transferieren. Zu diesem Zweck fällt das Photogatesignal PG auf eine geringere positive Spannung ab, um einen Potentialberg 105 unterhalb der Photogateelektrode 30 zu bilden und dadurch ein nach unten gerichtetes Treppenoberflächenpotential von der Photogateelektrode 30 zu der Potentialmulde 100 unterhalb der Floating-Diffusion 40 bereitzustellen. Dieser Vorgang transferiert die Ladung von unterhalb der Photogateelektrode 30 zu der Floating-Diffusion 40, wobei das Potential der Floating-Diffusion 40 von dem Niveau (100), auf das es zuvor zurückgesetzt wurde, auf ein neues Niveau 107 geändert wird, das die Menge der während der Integrationsperiode akkumulierten Ladung angibt. Dieses neue Potential der Floating-Diffusion 40 wird an der Source des Source-Folger-FET 55 abgetastet. Bevor jedoch die Ausleseschaltung 70 die Source des Source-Folger-FET 55 abtastet, kehrt das Photogate-Signal PG zu seiner anfänglichen (positiveren) Spannung zurück. Dieses gesamte Verfahren wird für die nächste Integrationsperiode wiederholt.
  • Die Ausleseschaltung 70 umfasst eine Signalabtast/Halteschaltung (S/H-Schaltung) einschließlich eines S/H-FET 200 und eines Signalspeicherkondensators 205, der durch den S/H-FET 200 und durch den Reihenauswahl-FET 60 mit der Source des Source-Folger-FET 55 verbunden ist. Die andere Seite des Kondensators 205 ist mit einer Source-Vorspannung VSS verbunden. Die eine Seite des Kondensators 205 ist ebenfalls mit dem Gate eines Ausgangs-FET 210 verbunden. Der Drain des Ausgangs-FET ist durch einen Spaltenauswahl-FET 220 mit einem Signalabtastausgangsknoten VOUTS und durch einen Last-FET 215 mit der Drain-Spannung VDD verbunden. Ein "Signalabtast/Halte" genanntes Signal (SHS-Signal) schaltet den S/H-FET 200 kurz an, nachdem die unterhalb der Photogateelektrode 30 akkumulierte Ladung zu der Floating-Diffusion 40 transferiert wurde, so dass der Kondensator 205 die Source-Spannung des Source-Folger-FET 55 speichert, die die Menge der zuvor unterhalb der Photogateelektrode 30 akkumulierten Ladung angibt.
  • Die Ausleseschaltung 70 umfasst ebenfalls eine Rücksetz-Abtast/Halteschaltung (Rücksetz-S/H-Schaltung) mit einem S/H-FET 225 und einem Signalspeicherkondensator 230, der durch den S/H-FET 225 und durch den Reihenauswahl-FET 60 mit der Source des Source-Folger-FET 55 verbunden ist. Die andere Seite des Kondensators 230 ist mit der Source-Vorspannung VSS verbunden. Die eine Seite des Kondensators 230 ist ebenfalls mit dem Gate eines Ausgangs-FET 240 verbunden. Der Drain des Ausgangs-FET 240 ist durch einen Spaltenauswahl-FET 245 mit einem Rücksetzabtastausgangsknoten VOUTR und durch einen Last-FET 235 mit der Drain-Spannung VDD verbunden. Ein "Rücksetzabtast/Halte" genanntes Signal (SHR-Signal) schließt den S/H-FET 225 kurz an, direkt nachdem das Rücksetzsignal RST das Rücksetzen des Potentials der Floating-Diffusion 40 veranlasst hat, so dass der Kondensator 230 die Spannung speichert, auf die die Floating-Diffusion zurückgesetzt wurde.
  • Die Ausleseschaltung liefert eine besondere Form einer korrelierten Doppelabtastung des Potentials der Floating-Diffusion, wobei die Ladung, die unterhalb dem Photogate 12 während jeder Integrationsperiode integriert wird, am Ende jeder Integrationsperiode aus dem Spannungsunterschied an den Ausgangsknoten VOUTS und VOUTR der Ausleseschaltung 70 erhalten werden kann. Dies minimiert die Auswirkungen von kTC-Rauschen, da die Differenz zwischen VOUTS und VOUTR von jeder Variation in der Rücksetzspannung RST unabhängig ist.
  • 5 zeigt eine transparente brechende Mikrolinsenschicht 110, die über dem Brennebenen-Array von 2 aufgetragen sein kann. Die Mikrolinse 110 umfasst sphärische Abschnitte 115, die über jeder Zelle 10 zentriert und gesteuert sind, um Licht zu der Mitte jedes Photogate 12 zu fokussieren. Dies hat den Vorteil, dass Licht verwendet wird, das ansonsten außerhalb der optisch aktiven Region des Photogate 12 fallen würde. Beispielsweise würde mindestens etwas von dem Licht, das gewöhnlicherweise entweder auf den Ladungstransferabschnitt 14 oder die Ausleseschaltung 15 einfällt (1), in dem Photogatebereich mit der Hinzufügung der Mikrolinsenschicht 110 abgetastet werden. Dies hat die Wirkung, die Fläche zu maximieren, nämlich die Abschnitte des Substrats, die den Nicht-Photogatebereich umfassen, werden auf einen anderen Punkt fokussiert.
  • 5A und 5B zeigen eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die Farbfilterung verwendet. Farbfilterung ermöglicht eine räumliche Farbtrennung in einer Bildgebungsvorrichtung. CCD-Vorrichtungen verwenden gewöhnlicherweise eine Art der Farbtrennung auf diese Art und Weise.
  • Das bevorzugte System ermöglicht einer Mehrzahl von Pixeln, unterschiedliche Farbfilter-Eigenschaften aufzuweisen, um einen Farbfilterungseffekt bereitzustellen. Typischerweise wird dies mittels Farbfilter in einer Arrayform durchgeführt: Beispielsweise abwechselnd grüne Filter gemischt mit roten und blauen Filtern. Ein beispielhafter Filtervorgang würde Grün/Rot/Grün/Blau/Grün/Rot/Grün/Blau verwenden, wobei dieses Muster für die Länge des Arrays fortgeführt wird.
  • Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung werden Farbfilter verwendet, um den Linsenvorgang von 5 zu ergänzen.
  • Das bevorzugte System verkörpert seinen Betrieb in einer der beiden in 5A und 5B gezeigten Formen. Die erste in 5A gezeigte Form verwendet ein Polymerfarbfilterarray. Derartige Polymerfarbfilterarrays sind in der Technik bekannt. Eine Schicht 600 ist vorzugsweise eine rote Schicht und wird zuerst über den gesamten Chip aufgetragen. Nach der Auftragung wird eine Ätztechnik verwendet, um den roten Filterbereich 600 überall mit Ausnahme der gewünschten Pixel 10 zu entfernen. Eine Planierungsschicht 602 deckt die entfernten Bereiche ab, um dadurch die Oberfläche zu planieren, wodurch die Oberfläche eben gemacht wird. Ein blaues Filter 604 wird als nächstes über dem Pixel 10A aufgetragen. Das blaue Filter 604 wird auf ähnliche Weise geätzt, so dass es nur das gewünschte Pixel 10A abdeckt. Der verbleibende Bereich wird durch eine zweite Planierungsschicht 606 planiert. Schließlich wird ein grünes Filter 610 über dieser planarisierten Schicht gebildet, das das Pixel 10B abdeckt. Die Planierungsschicht 602 ebnet den resultierenden Bereich, so dass das grüne Filter 610 nur das Pixel 103 abdeckt.
  • Jedes Pixel einschließlich der Polymerschicht wird durch Mikrolinsen 115A, 115B und 115C abgedeckt. Die Mikrolinsen modifizieren das ankommende Licht in Verbindung mit der Polymerschicht. Das Licht wird somit sowohl durch die Mikrolinsen 115A bis 115C als auch durch CFA-Teile 612, 606 und 600 geändert. Jedes Pixel empfängt somit vorzugsweise Licht, das durch die Linse und durch das Farbfilterarray geändert wurde.
  • Dieses Polymerfarbfilterarray opfert eine bestimmte Betrag der Auflösung der Szene. Jedes Pixel der Szene wird durch drei Pixel abgebildet, und somit sind einige der Pixel einer unterschiedlichen Farbe fest zugeordnet.
  • Eine in 5B gezeigte alternative Ausführungsform verliert keine Auflösung, sondern erfordert stattdessen mehrere Chips, um ein Bild zu bilden. Diese würden eine 3-Chip-Kamera bilden. Alle Pixel eines Chips 660 werden durch ein rotes Filter 620 abgedeckt. Somit bildet dieser Chip die rote Szene – entweder die roten Komponenten oder das Komplement der roten Komponenten – ab. Analog umfassen die anderen Chips grüne Filter und blaue Filter. Die drei Chips bilden zusammen das gesamte Bild.
  • Noch eine weitere Ausführungsform verwendet einen Wellenlängenumwandlungsleuchtstoff 650, wie in 5C gezeigt. Ein Wellenlängenumwandlungsleuchtstoff ist typischerweise abgestimmt, um Strahlen einer gewünschten Wellenlänge, z. B. UV- oder Röntgenstrahlstrahlung, anzunehmen. Typischerweise reagiert die Siliziumunterschicht nicht auf die gleiche Wellenlänge. Daher emittiert der Leuchtstoff ein Photon der geeigneten Art, um das darunterliegende Silizium 652 ordnungsgemäß anzuregen, wenn die Strahlung empfangen wird. Ein bevorzugtes Beispiel ist, dass der Leuchtstoff 650 gegen Röntgenstrahlen empfindlich ist, jedoch ein Photon aus grünem Licht emittiert, das von der Schaltungsanordnung 652 erfasst wird, die ein Sensor irgendeiner der hier beschriebenen Arten sein kann.
  • Obwohl die Ausführungsform von 5C die Verwendung des Wellenlängenumwandlungsleuchtstoffs über der gesamte Oberfläche der Vorrichtung in Betracht zieht, ist es ebenfalls möglich, einen Pixelationseffekt zu verwenden. Eine Lochmaske wird verwendet, um den Leuchtstoff zu maskieren. Der Leuchtstoff wird nun aufgetragen, wo es durch die Lochmaske erlaubt ist.
  • Es sollte ebenfalls offensichtlich sein, dass diese gleichen Techniken bei anderen Brennebenen- und Phatodiodenanwendungen aufgenommen sein können, und dass das obige Farbfilterarray nicht auf eine einzige Ausleseschaltung je Pixelsysteme begrenzt ist.
  • Vorzugsweise ist das 1 bis 4 entsprechende Brennebenen-Array in MOS-Silizium oder CMOS oder jeder anderen Technologie implementiert, die mit dem Industriestandard-CMOS-Fertigungsverfahren kompatibel ist. Vorzugsweise ist jeder FET ein MOSFET, wobei die FETs 55, 60, 65, 200 und 225 n-Kanalvorrichtungen und die FETs 210, 220, 225, 230, 240, 245 p-Kanalvorrichtungen sind. Die n-Kanal-MOSFETs und der unterhalb den Gateelektroden 30, 35, 45 liegende CCD-Kanal und die Diffusionen 40 und 50 können in einer p-Mulde lokalisiert sein, während die verbleibenden (p-Kanal) Vorrichtungen außerhalb der p-Mulde lokalisiert sind. Die an die Gates der p-Kanal-Last-FETs 215 und 235 angelegte Gatespannung VLP ist eine konstante Spannung von der Größenordnung von +2,5 Volt. Die an den n-Kanal-Last-FET 65 angelegte Gatespannung VLN ist eine konstante Spannung von der Größenordnung von +1,5 Volt.
  • Der Ladungstransferabschnitt 14 verwendet vorzugsweise nur eine einzige CCD-Stufe zwischen dem Photogate 12 und der Floating-Diffusion 40 bei der spezifischen Ausführungsform von 3A. Dies bedeutet, dass es keinen Verlust aufgrund von Ladungstransferunwirksamkeit und somit keine Notwendigkeit gibt, die Vorrichtung mit einem besonderen CCD-Verfahren zu fertigen. Als Ergebnis kann die Ausleseschaltung 70 sowie auch die Ausgangsschaltungsanordnung der FETs 55, 60 und 65 ohne weiteres als Standard-CMOS-Schaltungen implementiert werden, was sie relativ kostengünstig macht. Jede geeignete Architektur mit einer Ladungskopplungsvorrichtung kann benutzt werden, um den Ladungstransferabschnitt 14 zu implementieren, einschließlich einer CCD mit mehr als einer Stufe. Beispielsweise können zwei oder drei Stufen zum Puffern von zwei oder drei Integrationsperioden nützlich sein.
  • Weitere Implementierungen des Konzepts der Erfindung können ohne weiteres durch den Fachmann angesichts der vorhergehenden Offenbarung aufgebaut werden. Beispielsweise kann die Floating-Diffusion 40 eine Floating-Gateelektrode sein. Die Signal- und Rücksetzabtast- und Halteschaltungen der Ausleseschaltung 70 können jede geeignete Abtast- und Halteschaltung sein. Außerdem kann eine Abschirmung der Art, die in der Technik bekannt ist, benutzt werden, um eine das Photogate 12 umgebende Apertur festzulegen. Die Erfindung kann ebenfalls als eine vergrabene Kanal, n-Kanal-Mulde oder p-Kanal-Vorrichtung implementiert sein.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung, das zum Eliminieren von festem Musterrausch aufgrund von Variationen in der FET-Schwellenspannung über dem Substrat 20 nützlich ist, ist ein kurzschließender FET 116 über den Abtastkondensatoren 205, 235. Nachdem die akkumulierte Ladung als die Potentialdifferenz zwischen den Ausgangsknoten VOUTS und VOUTR gemessen wurde, wird ein Kurzschluss-Signal VM vorübergehend an das Gate des kurzschließenden FET 116 angelegt, und die VOUTS-VOUTR-Differenz wird erneut gemessen. Diese letztere Differenz ist ein Maß der Disparität zwischen den Schwellenspannungen der Ausgangs-FETs 210, 240, und kann als die feste Musterdifferenz bezeichnet werden. Die feste Musterdifferenz wird von der Differenz zwischen VOUTS und VOUTR subtrahiert, die an dem Ende der Integrationsperiode gemessen wird, um festes Musterrauschen zu entfernen.
  • Wie hier zuvor erläutert wurde, kann ein Floating-Gate anstatt der Floating-Diffusion 40 verwendet werden. Ein derartiges Floating-Gate wird schematisch in 3A durch eine vereinfachte Strichlinien-Floating-Gate-Elektrode 41 angegeben. Bei einer bevorzugten Implementierung betrug die Fläche des L-förmigen Photogates 12 (d. h. der Photogateelektrode 30) ungefähr 100 μm2; die Transfergateelektrode 35 und die Rücksetzgateelektrode waren jeweils etwa 1,5 μm mal etwa 6 μm; das Photogatesignal PG variierte zwischen etwa +5 Volt (seine positivere Spannung) und etwa 0 Volt (seine weniger positive Spannung; das Transfergatesignal TX betrug ungefähr +2,5 Volt, das Rücksetzsignal RST variierte zwischen ungefähr +5 Volt (seine positivere Spannung) und etwa +2,5 Volt (seine weniger positive Spannung); die Drain-Diffusion 50 wurde auf etwa +5 Volt gehalten.
  • Die Arraystruktur von 1 bis 4 kann modifiziert werden, um eine bevorzugte spaltenparallele Vorgehensweise aufzunehmen. Der Begriff spaltenparallele Vorgehensweise bezieht sich auf einen Abschnitt der Ausleseschaltung, der mit dem Boden an den Spalten des Arrays verbunden ist. Dies ermöglicht, dass eine gesamte Reihe des Arrays auf einmal verarbeitet wird. Diese Spaltenvorgehensweise ist im Gegensatz zu einer räumlich parallelen Verarbeitungsvorgehensweise, bei der jedes Pixel seine eigene Verarbeitungsschaltungsanordnung aufweist (z. B. die Ausführungsform von 1 bis 4), oder einer seriellen Verarbeitungsvorgehensweise, bei der die Ausgabe jedes Pixels sequenziell an einem einzigen Prozessor zur Verarbeitung gespeist wird.
  • 3B zeigt eine spaltenparallele Vorgehensweise, bei der der Last-FET 65 und die korrelierte Doppelabtastschaltung 70 von den einzelnen Pixelzellen 10 weggelassen sind. Stattdessen ist jede Zelle 10 in einer Spalte des Arrays mit einem gemeinsamen Last-FET 65 und der Abtastschaltung 70 verbunden. Die gemeinsamen Elemente sind vorzugsweise an dem Boden jeder Spalte des Arrays angeordnet. Diese parallele Spaltenarraystruktur weist einen bedeutenden Vorteil auf. Da der Last-FET 65 und die Abtastschaltung 70 aus den Pixelzellen 10 entfernt wurden, ist ein größerer photoempfindlicherer Zellenbereich verfügbar. Somit wird die Auflösung jeder Zelle 10 verbessert. Die spaltenparallele Arraystruktur wird durch Auswählen einer gesamten Reihe mittels einer konventionellen Reihen- und Spalten-Auswahlschaltungsanordnung 18, 19 ausgewählt. Das Auswählen einer Reihe führt unter anderem dazu, dass die akkumulierte Ladung von der Photogatepotentialmulde 80 jeder Zelle 10 in der Reihe zu ihrer zugeordneten Floating-Diffusion 40 transferiert wird. Danach "lesen" die Abtastschaltungen 70 am Boden jeder Spalte die verbundene Pixelzelle 10 auf der zuvor beschriebenen Art und Weise. Ein Standardmultiplexer 21 wird dann benutzt, um die "gelesenen" Pixelzellenwerte entweder parallel oder seriell auszugeben.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des aktiven Pixelsensorarrays ermöglicht ein Auslesen mit verschiedenen Auflösungen von Bilddaten. Diese Beschreibung beschreibt eine Hardwareimplementierung eines Systems, das Bilddaten mit einer benutzerdefinierten Auflösung innerhalb Videoframeraten auslesen kann, die durch Aufbauen und Speichern einer gesamten Bildpyramide betrieben werden.
  • Die vorliegende Technik verwendet eine Blockmittelwertbildung-Vorgehensweise, bei der ein lokaler Mittelwert eines Blocks von Pixeln genommen wird, um ein Superpixel für niedrigere Auflösung zu erzeugen. Die Intensität der Ausgabe von diesem "Superpixel" ist ein Mittelwert der Intensitäten aller Pixel innerhalb eines ausgewählten Blocks. Die Pixelblöcke können im allgemeinen von beliebiger Größe und Form und irgendwo innerhalb des Arrays angeordnet sein.
  • Beispielsweise könnte ein 36 × 36 = 576 Pixelarray in neun quadratische Superpixel aufgeteilt sein, die jeweils aus 12 × 12 = 144 Pixelblöcken aufgebaut sind. Die Ausgabe jedes Pixels innerhalb eines Superpixelblocks wird gemittelt, um eine einzige Ausgabe für den gesamten Block zu bilden. Jedes Superpixel umfasst darin das Ergebnis von 144 Pixeln; somit erzeugt dies ein Bild mit einer Auflösung, die 144-mal geringer als die Auflösung von der Auslesung von jedem getrennt verarbeiteten einzelnen Pixel ist. Außerdem müssen nur neun Datenpunkte (d. h. einer von jedem Superpixel) anstatt der 576 Datenpunkte verarbeitet werden, die erforderlich sind, wenn die Ausgabe von jedem Pixel verarbeitet werden würde. Dies führt zu gewaltigen Ersparnissen bei der Verarbeitungszeit. In einigen Fällen kann ein Bild mit niedrigerer Auflösung, wie das oben beschriebene, für den jeweiligen Bedarf ausreichen. Außerdem kann, sogar wenn letztendlich eine höhere Auflösung erforderlich ist, eine Auslesung mit niedrigerer Auflösung ausreichend sein, um die spezifischen Bereiche in dem Gesamtbild zu identifizieren, die von Interesse sind. In einem derartigen Fall wird diese Technik verwendet, um Bilddaten nur aus Pixeln innerhalb des interessierenden Bereichs zu verarbeiten. Hier muss das Bildsignal von jedem einzelnen Pixel nicht erneut verarbeitet werden; die gemittelte Ausgabe von Pixelblöcken innerhalb des Fensters wird stattdessen verwendet. Somit kann, wenn eine Auflösung ausreichend ist, die geringer als die maximal mögliche von der Bildgebungsvorrichtung ist, die Verarbeitungszeit einmal mehr verringert werden. Die Bilddaten mit niedrigerer Auflösung können verwendet werden, um einen interessierenden Bereich innerhalb des abzubildenden Fensters mit einer höheren Auflösung weiter zu identifizieren.
  • 6A bis 6C liefern ein Beispiel dieses Vorgangs. 6A zeigt ein 36 × 36 Pixelarray 500, das in neun 12 × 12 Superpixel 502 blockweise gemittelt ist. Ein interessierender Bereich in dem oberen linken Quadranten wird aus den dadurch erhaltenen Bilddaten mit niedrigerer Auflösung identifiziert. Dieser interessierende Bereich kann dann weiter identifiziert werden. 6B zeigt diesen interessierenden Bereich 504, der ungefähr eine 12 × 12 Pixelregion des Arrays 500 abdeckt. Dieser Bereich 504 wurde in neun Sub-Superpixel 508 blockweise gemittelt, die jeweils einen 4 × 4 Pixelblock aufweisen. Die von der in 6B dargestellten Bildgebungsvorrichtung bereitgestellten Bilddaten von dazwischenliegender Auflösung werden verwendet, um einen weiteren interessierenden Bereich 510 zu identifizieren. Dieser Bereich 510 wird, wie in 6C gezeigt, mit der höchsten Auflösung mittels des 2 × 2 Arrays von Pixeln 512 abgebildet. Der Begriff "höchste Auflösung" bedeutet hier, dass die Auslesung von jedem einzelnen Pixel in dem interessierenden Bereich im Gegensatz zu dem blockweise gemittelten verarbeitet wird.
  • Eine bevorzugte Architektur für das oben beschriebene aktive Pixelsensorarray mit Multi-Resolution wird in 7 gezeigt. Diese Architektur verwendet die zuvor erläuterte spaltenparallele Vorgehensweise. Ein 2D-Array 602 von aktiven Pixelsensoren umfasst eine an dem Abschnitt des Arrays – z. B. dem Boden des Arrays – angeordnete Ausleseschaltung 504 mit verschiedenen Auflösungen, wie in 7 gezeigt. Hier basiert der Begriff spaltenparallele Vorgehensweise auf der Schaltungsanordnung 604 mit verschiedenen Auflösungen, die mit dem Boden an den Spalten des Arrays 602 verbunden ist. Diese Konfiguration ermöglicht, dass eine gesamte Reihe des Arrays 602 auf einmal verarbeitet werden kann, wie es nachstehend erläutert wird.
  • Die spaltenparallele Vorgehensweise greift auf jedes Pixel in dem Array 602 durch eine herkömmliche Reihen- und Spalten-Auswahlschaltungsanordnung 606 zu. Die Reihen- und Spalten-Auswahlschaltungsanordnung 606 schaltet die Ausgaben von einer Reihe des Arrays 602 oder eines Abschnitts davon auf die mit dem Boden jeder Spalte verbundene Schaltungsanordnung 604 mit verschiedenen Auflösungen um. Die Schaltungsanordnung 604 mit verschiedenen Auflösungen umfasst einen Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt 608, der mit dem Array 602 verbunden ist, und einen Reihen- Mittelwertbildungsabschnitt 610, der mit dem Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt 608 verbunden ist.
  • Die bevorzugte Struktur, die verwendet wird, um die Ausgaben eines Blocks von Pixeln in dem Array 602 zu mitteln, wird in 8 gezeigt. Das folgende nimmt ein Beispiel an, bei dem das Array 602 in eine Reihe benachbarter 3 × 3 Pixelblöcke 603 aufgeteilt ist. Eine erste Reihe von Pixeln 606a wird ausgelesen, und jeweils drei gruppierte Pixel werden zusammen in der Spalten-Mittelwertbildungsschaltung 608 gemittelt. Diese 3-Pixel-Mittelwerte werden in dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 610 gespeichert. Dieses Verfahren wird von den nächsten beiden aufeinanderfolgenden Reihen 606b, 606c wiederholt, um eine Gesamtzahl von drei Reihen von Information zu erhalten, die nun in der Reihen-Mittelwertbildungsschaltung gespeichert sind.
  • Der Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 610 berechnet einen Mittelwert der drei Eingaben für jeden Block und gibt diesen aus. Dieser Mittelwert ist somit eine durchschnittliche Ausgabe für jeden der 3 × 3 Blöcke für die ersten drei Reihen 606a–c. Die Ausgabe des Reihen-Mittelwertbildungsabschnitts 610 wird von einem herkömmlichen Multiplexer 612 aufgenommen, der entweder eine serielle oder parallele Auslesung bereitstellen kann, wie gewünscht.
  • Das oben beschriebene Blockmittelwertbildungsverfahren wird dann für die nächsten drei Reihen des Arrays wiederholt, bis der gesamte Arrayblock gemittelt wurde. Es sei bemerkt, dass das gesamte Array nicht blockweise gemittelt werden muss. Wie es in der späteren Erläuterung der Schaltungsimplementierung dieser allgemeinen Architektur offensichtlich wird, kann ein Abschnitt des Arrays exklusiv von dem Rest des Arrays blockweise gemittelt werden, indem auf die Mittelwertbildung einiger der Pixel in einer Reihe verzichtet wird. Beispielsweise würde bei dem obigen Beispiel, wenn die Verarbeitung auf die ersten drei Pixel der ersten drei Reihen begrenzt wäre, nur der 3 × 3 Block in der oberen rechten Ecke des Arrays gemittelt und ausgelesen. Dies liefert eine programmierbare Fensterbildungsfähigkeit.
  • Ein zeitlicher Mittelwertbildungsabschnitt 611 kann optional zwischen dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 610 und dem Multiplexer 612 verbunden sein. Im Betrieb wird die Ausgabe von dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 610, die die oben erwähnten Blockmittelwerte für eine bestimmte Iteration der Bildauslesung von dem Pixelarray 602 darstellen, in dem zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt 611 gespeichert. Danach werden zusätzliche Ausgaben, die einer vorbestimmten Anzahl von Iterationen zugeordnet sind, gespeichert und gemittelt. Schließlich werden die zeitlich gemittelten Blockwerte an den Multiplexer 612 transferiert. Die Anzahl von gemittelten Iterationen hängt von der von der Bildgebungsvorrichtung erwarteten Framerate ab.
  • Es sei beispielsweise angenommen, dass die Gesamtverarbeitungszeit, um die blockweise gemittelten Werte von dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 610 zu erhalten, ungefähr 15 ms und die gewünschte Framerate ungefähr 30 ms beträgt. Diese beiden aufeinanderfolgenden Frames können durch den zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt 611 vor der Ausgabe an den Multiplexer 612 gemittelt werden. Obwohl dies immer noch Bilddaten mit der erwarteten Framerate bereitstellt, kann die zeitliche Mittelwertbildung der Bilddaten von dem Array 602 vorteilhafterweise bei einer Ereigniserfassungsanwendung verwendet werden. Wenn die beobachtete Szene sich sehr langsam ändert, kann es beispielsweise keine Differenz zwischen der Bildausgabe bei einer Iteration und der nächsten geben, die groß genug ist, um zu bestimmen, dass ein Ereignis aufgetreten ist. Die Mittelwertbildung einer Mehrzahl von Iterationen ermöglicht jedoch einen genaueren Vergleich mit einer nachfolgenden, auf ähnliche Weise gemittelten Ausgabe.
  • Die oben beschriebene Multi-Resolution-Ausleseschaltungsanordnungs-Architektur kann in einer Vielfalt von Wegen implementiert sein. Zwei bevorzugte Vorgehensweisen werden nun erläutert. Beide ordnen vorzugsweise die Schaltungsanordnung mit verschiedenen Auflösungen an dem Boden der Arrayspalten und greifen auf sie durch einen Satz von programmierbaren Schaltern zu. Jedes bekannte programmierbare Schaltnetzwerk kann für dieses Schalten verwendet werden.
  • Eine erste Implementierung verwendet eine Vorgehensweise mit passivem Kondensator, die schematisch in 9 gezeigt ist. Zwei Kondensatorbänke 702 und 704 sind durch einen Satz von programmierbaren Schaltern untereinander verbunden, um Signalmittelwertbildung durchzuführen. Die erste Bank 702 entspricht dem zuvor beschriebenen Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt 608, während die zweite Bank 704 dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 610 entspricht. Alle Kondensatoren in beiden Bänken 702, 704 weisen vorzugsweise den gleichen Kapazitätswert auf. Beispielsweise wurden Kondensatoren von 3 pf in einer geprüften Umgebung benützt, wobei jedoch bevorzugterweise der Kapazitätswert in einem Bereich von 1 bis 10 pf liegt. Die dritte Kondensatorbank 704', die in dem Strichlinien-Kästchen in 9 gezeigt ist, ist die optionale Kondensatorbank für die zeitliche Mittelwertbildungsschaltung 611. Kondensatoren, wie hier beschrieben, umfassen entweder lineare Doppel-Polykondensatoren oder lineare MOS-Kondensatoren oder reguläre MOS-Kondensatoren.
  • Der Betrieb dieser Schaltung wird nun anhand des Verfahrens zur Mittelwertbildung eines 3 × 3 Blocks erläutert. Die Schalter der ersten und vierten Spalten- Mittelwertbildungsabschnitte 706a und 706d sind geöffnet (d. h. die Auswahl wurde aufgehoben), während die anderen Schalter 706b und 706c geschlossen sind (d. h. ausgewählt). Signale, die von drei Pixeln des Arrays ausgegeben werden, die der ersten Reihe des zu mittelnden Blocks entsprechen, werden auf den Spalten-Mittelwertbildungsabschnitts-Kondensatoren 708a, 708b, und 708c durch "Gesamt-Pulsen" (globally pulsing, d.h. kurzzeitiges Schließen und danach Öffnen) der Signalauswahlschalter 710a, 710b und 710c abgetastet. Diese Leitungen wurden zu den Ausgängen der oben erwähnten Pixel umgeschaltet. Dies veranlasst, dass die drei gezeigten Mittelwertbildungsabschnitts-Kondensatoren 708a, 708b und 708c geladen werden. Da die Kondensatoren 708a, 708b und 708c zusammen durch die geschlossenen Spalten-Mittelwertbildungsabschnittschalter 706b und 706c verbunden sind, verteilt sich die Ladung erneut, so dass die Spannung an jedem Kondensator 708 im wesentlichen die gleiche ist. Als nächstes wird der Auswahlschalter der ersten Reihe 712a geschlossen, wodurch die drei Spalten-Mittelwertbildungskondensatoren 708a, 708b und 708c veranlasst werden, den Mittelwertbildungskondensator der ersten Reihe 714a zu laden. Alle anderen Auswahlschalter der ersten Reihe 712b und 712c bleiben während dieses Transfers offen. Das Verfahren wird dann für die zweite Reihe des gemittelten Blocks wiederholt. Dieses Mal ist jedoch der Auswahlschalter der zweiten Reihe 712b geschlossen, während die anderen offen bleiben. Dies lädt den Mittelwertbildungskondensator der zweiten Reihe 714b mit diesen Werten. Schließlich wird das Verfahren für die dritte Reihe des Blocks wiederholt, wobei der Mittelwertbildungskondensator der dritten Reihe 714c durch Schließen des Auswahlschalters der dritten Reihen 712c geladen wird. Nachdem alle drei Reihen- Mittelwertbildungskondensatoren 714a, 714b und 714c einzeln geladen wurden, wird die Ladung durch kurzes Schalten der Reihen-Mittelwertbildungsschalter 716a, 716b, 716c und 716d mit dem gleichen Muster wie die Spalten-Mittelwertbildungsschalter, d. h. die ersten 716a und vierten 716d werden offengelassen, während die zweiten 716b und dritten 716c hin- und hergeschaltet werden, neu verteilt. Dies gleicht die Ladung zwischen den Reihen-Mittelwertbildungskondensatoren 714a, 714b und 714c aus, so dass die Spannung an jedem Kondensator 714 den Mittelwert der ursprünglich an den einzelnen Kondensatoren 714 platzierten Spannungen darstellt. Somit ist der Betrag der Ladung an den Kondensatoren 714 für den Blockmittelwert repräsentativ. Der Blockmittelwert wird entweder an einen Multiplexer oder einen zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt (falls verwendet) durch kurzes Schalten des Ausgangsschalters 718a, 718b und 718c von irgendeinem der drei Reihen-Mittelwertbildungsabschnitts-Kondensatoren 714 ausgelesen.
  • Die Ladung in den Reihen-Mittelwertkondensatoren 714 wird von der Ausgangsleitung 720 durch Puffer 722 gepuffert, wie beispielsweise einem Source-Folger-Ausgangsverstärker, um jedes mögliche Laden von der Ausgangsleitung 720 zu verhindern. Die Ladungsverteilung zwischen den Spalten- und Reihen-Mittelwertbildungskondensatoren 708a, 708b und 708c, 714a, 714b und 714c während des Ladungstransferschritts kann durch Folger vermieden werden, wobei jedoch bevorzugterweise ein konstanter Faktor von 1/2 auf die Auslesung von dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 704 angewendet wird, um eine wahre Mittelwertspannung für den 3 × 3 Block zu erhalten. Der gleiche Faktor würde auf jeden gemittelten Block beliebiger Größe Anwendung finden.
  • Die Reihen-Mittelwertbildungskondensatoren 714 werden durch Gesamt-Pulsen (globally pulsing) der Reihen- Mittelwertbildungsrücksetzschalter 724 zurückgesetzt. Die Spalten- und Reihen-Mittelwertbildungsabschnitte 702, 704 sind dann bereit, einen weiteren Block oder Blöcke zu mitteln. Es sei bemerkt, dass es keine Notwendigkeit gibt, die Spalten-Mittelwertbildungskondensatoren 708 ähnlich den Reihen-Mittelwertbildungskondensatoren 714 zurückzusetzen, da die Pixel als eine direkte Spannungssteuerung für die Spalten-Mittelwertbildungskondensatoren 708 wirken.
  • Obwohl das oben beschriebene Verfahren die Mittelwertbildung eines einzigen 3 × 3 Blocks beschrieben hat, kann ein Fachmann erkennen, dass die Schaltung ebenfalls verwendet werden könnte, um mehrere Blöcke in einem beliebigen Muster auf dem Array durch Benutzen der geeigneten Schaltsequenzen zu mitteln. Die Blöcke sind jedoch vorzugsweise entweder quadratisch oder rechteckig, wobei die Anzahl von Reihen geringer als die Anzahl von Spalten ist, um die oben beschriebene Schaltungsanordnung zu verwenden.
  • Eine weitere Modifikation liefert eine differentielle Auslesung, wobei die Notwendigkeit, dass die Ausleseschaltung 70 (von 3) bei jeder Pixelzelle verwendet wird, vermieden wird. Dies hat den Vorteil, den photoempfindlichen Bereich der Zelle zu erhöhen. Dies wird durch Bereitstellen von zwei Bänken von Reihen-Mittelwertbildungs-Kondensatoren 704, 704' in dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt erreicht, wie in 9 gezeigt (in den gestrichelten Kästchen dargestellte zweite Bank). Die Rücksetzbank 704' und eine Signalbank 704 sind in der Konfiguration identisch. Beide Bänke 704, 704' sind mit dem Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt 702 verbunden. Die Bank 704' ist durch getrennte Reihen-Mittelwertbildungsrücksetzauswahlschalter 712' verbunden. Jeder Rücksetzkondensator 714' in der mit einer Rücksetzausgangsleitung 720' verbundenen Rücksetzbank 704' ist durch jeweilige Folger 722' verbunden, und die Ausgabe jedes Kondensators 714 in der Signalbank 704 ist letztendlich mit der Ausgangsleitung 720 verbunden. Diese Ausgangsleitungen 720, 720' sind ihrerseits jeweils mit den Eingängen eines Differentialverstärkers 726 verbunden. Der Ausgang des Differentialverstärkers 726 ist mit dem oben erwähnten zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt oder dem Multiplexer verbunden. Jeder der Reihen-Mittelwertbildungskondensatorenbänke 704, 704' in diesem modifizierten Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt würde identisch mit der zuvor beschriebenen Einzelbankversion arbeiten. Die Rücksetzbank 704' wird jedoch auf den Spalten-Mittelwertabschnitt 702 umgeschaltet, nur nachdem die Pixelzellen zurückgesetzt wurden (d. h. wie in Verbindung mit 3A beschrieben) und bevor irgendeine akkumulierte Ladung an den Floating-Diffusionsknoten 40 transferiert wurde. Umgekehrt wird die Signalbank 704 auf den Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt 702 umgeschaltet, sobald die akkumulierte Ladung zu der Floating-Diffusion 40 transferiert wurde. Auf diese Art und Weise stellt die Ladung an jedem Rücksetzkondensator 714' den durchschnittlichen Rücksetzwert eines Blocks dar, und die Ladung an jedem Kondensator 714 in der Signalbank 704 stellt den durchschnittlichen Signalwert des Blocks dar. Somit würde die Differenz dieser beiden Durchschnittswerte den Blockmittelwert frei von irgendwelchem kTC-Rauschen für die zuvor erläuterten Gründe darstellen.
  • Es sei bemerkt, dass das Eliminieren der Ausleseschaltung 70 (von 3A) ebenfalls das zuvor beschriebene vorteilhafte Merkmal der Erfindung eliminieren würde, das festes Musterrauschen unterdrückt. Bei der Ausleseschaltung 70 war ein kurzschließender FET 116 über die Abtastkondensatoren 205, 235 verbunden, um das Rauschen zu verringern. Das feste Musterrauschen kann ebenfalls unterdrückt werden, indem eine ähnliche Strategie bei der Multi-Resolution-Schaltung von 9 verwendet wird. Kreuzschienenschalter 728 können bei dieser Schaltung verwendet werden. Diese Schalter 728 verbinden, wenn geschlossen, die Signalbank 704 mit der Rücksetzbank 704'. Die Ausgabe von dem Differentialverstärker 726, die erhalten wird, wenn die Kreuzschienenschalter 728 geschlossen sind, wird von der Ausgabe subtrahiert, die an dem Ende der Integrationsperiode erhalten wird, bevor die Schalter 728 geschlossen sind. Das Ergebnis ist ein Signal, das nach festem Musterrauschen ausgeglichen wurde.
  • 10 zeigt Modifikationen des zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitts 611. Zeitliche Mittelwertbildungskondensatoren 732 sind mit dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt verbunden. Obwohl nur eine einzige Bank gezeigt ist, kann eine Einzel- oder Doppelkondensatorbankstruktur benutzt werden. Eine Einzelbankstruktur würde man verwenden, wenn die oben beschriebene Modifikation, um eine Differentialausgabe bereitzustellen, nicht verwendet würde. Es könnte ebenfalls der Fall sein, wobei die Differentialausgangsschaltung verwendet wird, wobei jedoch die Signalausgabe von den Differentialverstärkern in eine einzelne Bank des zeitlichen Mittelwertbildungskondensators 732 gespeist wird. Es kann jedoch vorteilhaft sein, zwei unabhängige Bänke von zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732 bereitzustellen, die jeweils mit der Rücksetzbank und der Signalbank des oben erwähnten Differential-Reihen-Mittelwertbildungsabschnitts verbunden sind. In diesem Fall würden die Rücksetz- und Signalausgangssignale von dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt nicht mit dem Differentialverstärker verbunden sein. Stattdessen würden die Rücksetz- und Signalausgaben von den beiden zeitlichen Mittelwertbildungsbänken mit diesem Verstärker verbunden sein. Die zeitliche Doppelmittelwertbildungs-Kondensatorbankstruktur weist den Vorteil auf, Signalrauschen zu unterdrücken, das innerhalb einer einzelnen Kondensatorbank erzeugt werden könnte.
  • Die folgende Einzelbankbeschreibung ist auf eine Doppelbankstruktur anwendbar. Mit einer Doppelbankstruktur wird das Verfahren in sowohl der Rücksetz-Bank (wenn die Pixel zurückgesetzt wurden) als auch der Signalbank (nachdem die Ladung in dem Pixel akkumuliert wurde) durchgeführt, und dann wird die Ausgabe von jedem differenziell verglichen.
  • 10 zeigt eine Bank von zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732, die zwischen dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt und dem Multiplexer verbunden sind. Der zeitliche Mittelwertbildungsabschnitt 730 ist wie der Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 704 (von 12) konfiguriert und ist ebenfalls auf eine Weise verbunden, die der Weise ähnlich ist, mit der der Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt 702 mit dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 704 verbunden ist. Es sei jedoch bemerkt, dass in dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt 730 vorzugsweise keine Puffer 722 verwendet werden, wenn er mit dem zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt 730 verbunden ist.
  • Die in 10 gezeigte Schaltung wird nun verwendet, um zu erläutern, wie drei getrennte Bildgebungsframes zeitlich gemittelt werden können. Sobald das zuvor beschriebene Blockmittelwertbildungsverfahren abgeschlossen ist, wird der erste zeitliche Auswahlschalter 734a geschlossen. Dies veranlasst die Ausgabe von dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt den ersten zeitlichen Mittelwertbildungskondensator 732a zu laden. Die anderen zeitlichen Auswahlschalter 734b und 734c bleiben während dieses Transfers offen. Dieses Verfahren wird wiederholt, sobald ein Blockmittelwert für die nächste Bildgeberauslesung bestimmt wurde, wobei jedoch dieses Mal der zweite zeitliche Auswahlschalter 734b geschlossen ist, während die anderen 734a und 734c offen bleiben. Dies lädt den zweiten zeitlichen Mittelwertbildungskondensator 732b. Das Verfahren wird ein drittes Mal für die nächste Iteration wiederholt, wobei der dritte zeitliche Mittelwertbildungskondensator 732c durch Schließen des dritten zeitlichen Auswahlschalters 734c' geladen wird. Nachdem alle drei der zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732a, 732b und 732c einzeln geladen wurden, wird die Ladung durch kurzes Schalten der zeitlichen Mittelwertbildungsschalter 736a, 763b, 736c und 736d in dem gleichen Muster wie die Spalten-Mittelwertbildungsschalter neu verteilt, d. h. der erste 736a und vierte 736d werden offengelassen, während der zweite 736b und dritte 736c hin- und hergeschaltet werden. Diese Verbindung gleicht die Ladung zwischen den Kondensatoren 732a, 732b und 732c aus, so dass die Spannung an jedem Kondensator den Mittelwert der Spannungen darstellt, die ursprünglich in ihnen einzeln gehalten wurde. Somit weist jeder der zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732 eine Ladung auf, die für den zeitlichen Mittelwert der drei Bildgebungsausleseiterationen repräsentativ ist. Dieser zeitliche Blockmittelwert wird an den Multiplexer (oder Differentialverstärker) durch kurzes Schalten des zeitlichen Mittelwertbildungsausgangsschalters 738 von irgendeinem der drei zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732 ausgelesen. Die zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732 werden von der Ausgangsleitung 740 durch Puffer 742 gepuffert. Eine Ladungsteilung zwischen den Reihen und zeitliche Mittelwertbildungskondensatoren zwischen dem Ladungstransferschritt schreibt vor, dass ein zusätzlicher Faktor von 1/2 vorzugsweise auf die Auslesung von dem zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt 730 angewendet wird.
  • Die zeitlichen Mittelwertbildungskondensatoren 732 können durch globales kurzes Schalten der zeitlichen Mittelwertbildungsrücksetzschalter 744 zurückgesetzt werden.
  • Die zweite bevorzugte Implementierung der Ausleseanordnung mit verschieden Auflösungen verwendet eine Bank von geschalteten Kondensator-Integratoren, die durch einen Satz von Schaltern untereinander verbunden sind. Durch geeignetes Einschalten zusätzlicher Kapazität von benachbarten Spalten werden geschaltete Kondensatorladungsintegratoren mit variabler Integrationsverstärkung verwirklicht. Diese variablen Verstärkungsintegratoren an dem Boden jeder Spalte werden für die lokale Mittelwertbildung verwendet, die in zwei Schritten fortfährt. Zuerst werden Pixel in einer gegebenen Reihe eines Blocks gemittelt. Dann werden die jeweiligen Reihen des Blocks zusammengemittelt. Die Integratoren empfangen vorzugsweise eine Differentialeingabe von dem Pixelsignal und einem Rücksetzniveau, und führen im wesentlichen eine korrelierte Doppelabtastung durch, um Pixel-kTC-Rauschen, 1/f-Rauschen und festes Musterrauschen aufgrund von Schwellenwertspannungsvariationen zu unterdrücken. Die Grundschaltung, die das Eintakt-Signal erzeugt, wird in 11 gezeigt.
  • Wie zuvor wird nach der Signalintegrationsperiode jede Reihe des Arrays parallel ausgelesen. Vor diesem Auslesen werden die Operationsverstärker 802 durch kurzes Schalten der Rücksetzschalter 804 sowie auch der Paare von Rückkopplungskondensator-Mehrfachschaltern zurückgesetzt. In der ersten Hälfte jedes Betriebszyklus werden die ersten Spalten-Mittelwertbildungskondensatorschalter 808 geschlossen, um eine Spalten-Mittelwertbildung durchzuführen.
  • Pixelzellenausgangssignale werden auf den Spalten-Mittelwertbildungskondensatoren 810 durch globales kurzes Schalten der Signalauswahlschalter 812 abgetastet. Ladung wird dann auf den Spalten-Mittelwertbildungskondensatoren 810 gemäß der gewünschten Blockgröße neu verteilt, indem ausgewählte Spalten-Mittelwertbildungsschalter 814 freigegeben werden. Beispielsweise würde mit Bezug auf 14 eine Konfiguration der Spalten-Mittelwertbildungsschalter 814 zur Mittelwertbildung eines 3 × 3 Blockmusters erfordern, dass die ersten und vierten Schalter 819 ebenfalls offen gelassen werden, während die zweiten und dritten Schalter 814 geschlossen sind.
  • Anschließend werden die zweiten Spalten-Mittelwertbildungs-Kondensator-Mehrfachschalter 816 gepulst bzw. kurz geschaltet, wobei die Ladung an die ersten Rückkopplungskondensatoren 818 transferiert werden. Die Auswahl des ersten Rückkopplungskondensators 818 wird durch Schließen nur des ersten Paars von Mehrfachrückkopplungskondensatorschaltern 805 durchgeführt. Bei jedem anschließenden Zyklus (n-Zyklus sind für einen n × n Block erforderlich) fährt das Spalten-Mittelwertbildungs- und -transferverfahren fort, wie gerade für jede Reihe des Blocks beschrieben. Am Ende jedes anschließenden Zyklus werden jedoch ausgewählte Mehrfachpaare von den Reihen-Mittelwertbildungsschaltern 820 gepulst. Die ausgewählten Reihen-Mittelwertbildungsschalterpaare 820 sind davon abhängig, welcher Zyklus gegenwärtig verarbeitet wird. Beispielsweise ist in dem zweiten Zyklus das Paar von Reihen-Mittelwertbildungsschaltern 820 geschlossen, die zwischen den ersten und zweiten Rückkopplungskondensatoren 820 verbunden sind. Wohingegen in dem dritten Zyklus diese Schalter 820 sowie auch die Reihen-Mittelwertbildungsschalter 820 zwischen den zweiten und dritten Kondensatoren 818 geschlossen sein würden, usw.. Das Ergebnis dieses Verfahrens besteht darin, dass jeder der beteiligten Rückkopplungskondensatoren eine Ladung aufweist, die den Blockmittelwert darstellt, nachdem der letzte Zyklus abgeschlossen ist.
  • Eine Ausgangsleitung 822 ist mit dem Knoten verbunden, der den Ausgang des Operationsverstärkers 802 und den Rückkopplungskondensator 818 durch einen Ausgangsschalter 823 verbunden. Der Blockmittelwert wird durch kurzes Schalten des Ausgangsschalters 823 einer der Integratoren ausgelesen. Es sei bemerkt, dass bei der oben beschriebenen Implementierung, bei der die Rückkopplungskondensatoren 818 von benachbarten Spalten zugeschaltet werden, die zu mittelnden Blöcke vorzugsweise entweder quadratisch oder rechteckig sind, wobei die Anzahl von Reihen geringer als die Anzahl von Spalten ist.
  • Um die Rauschleistung zu verbessern, ist eine differentielle anstatt der Mehrfachpixelausgabe bevorzugt. Eine Differentialausleseschaltung ist in 12 gezeigt. Die Modifikation fügt einen zusätzlichen Operationsverstärker 802', einen Rückkopplungskondensator 818', einen Rücksetzschalter 804' und einen Rückkopplungskondensatorschalter 806' hinzu, um eine Rücksetzsubschaltung 824 parallel mit der existierenden Signal-Subschaltung 824 zu bilden. Die Subschaltungen 824 (824') sind mit dem Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt durch getrennte zweite Spalten-Mittelwertbildungs-Kondensatorschalter 816, 816' verbunden. Jede der Rückkopplungs-Kondensatorsubschaltungen 824, 824' arbeitet identisch mit der Eintaktversion der zuvor beschriebenen Schaltung. Die Rücksetzsubschaltung 824' wird mit dem Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt geschaltet, nur nachdem die Pixelzellen zurückgesetzt wurden (d. h. wie in Verbindung mit 3A beschrieben) und bevor irgendeine akkumulierte Ladung an den Floating-Diffusions-Knoten 40 transferiert wurde. Umgekehrt müsste die Signalsubschaltung 824 nur auf den Spalten-Mittelwertbildungsabschnitt umgeschaltet werden, weil die akkumulierte Ladung zu der Floating-Diffusion 40 transferiert wurde. Auf diese Weise stellt die Ladung an jedem Rückkopplungskondensator 818' in den Rücksetzsubschaltungen 824' den durchschnittlichen Rücksetzwert eines Blockes dar, und die Ladung an jedem Rückkopplungskondensator 818 in den Signalsubschaltungen 824 stellt den durchschnittlichen Signalwert des Blocks dar.
  • Die Ausgabe von dem Operationsverstärker 802' jeder Rücksetzschaltung 824' ist durch einen Ausgangsschalter 821' mit der Rücksetzausgangsleitung 822' verbunden. Auf ähnliche Weise ist der Ausgang der Operationsverstärker 802 der Signalsubschaltung 824 durch einen Signalausgangsschalter 823 mit einer Signalausgangsleitung 822 verbunden. Diese Ausgangsleitungen 822, 822' sind ihrerseits jeweils mit den Eingängen eines Differentialverstärkers 826 verbunden. Der Ausgang des Differentialverstärkers 826 ist mit dem oben erwähnten zeitlichen Mittelwertbildungsabschnitt oder dem Multiplexer verbunden. Die Differentialausgabe der oben beschriebenen modifizierten Schaltung korrigiert pixelinduzierte Variation (z. B. kTC-Rauschen) und eliminiert ebenfalls Offsets in der Bank der integrierenden Operationsverstärker, die in dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt verwendet werden. Außerdem können Schalterdurchführungseffekte ebenfalls mit dieser Technik gelöscht werden (in der ersten Ordnung).
  • Eine weitere Differentialauslesemodifikation ist in 13 gezeigt. Obwohl nur eine der Kondensator-Integratorkonfigurationen gezeigt ist, wird die gleiche Änderung an allen Integratoren in der Multi-Resolution-Schaltung durchgeführt. Die modifizierte Kondensator- Integratorkonfiguration wird im wesentlichen auf die gleiche Art und Weise, wie oben beschrieben, mit der Ausnahme angewendet, dass das Pixelrücksetzniveau während der Zeit angelegt wird, wenn die ersten Spalten-Mittelwertbildungs-Kondensator-Mehrfachschalter 808 geschlossen sind, während das Pixelsignalniveau während der Zeit angelegt wird, wenn die zweiten Spalten-Mittelwertbildungs-Kondensator-Mehrfachschalter 816 geschlossen sind. Die Ergebnisse dieser geänderten Prozedur bestehen darin, eine Differentialspannung (Vreset – Vsignal) über den Rückkopplungskondensatoren 818 zu erzeugen. Somit kann das Differentialsignal zwischen dem Pixelsignal und den Rücksetzniveaus direkt von dem Integrator ausgelesen werden. Es gib keinen Bedarf für die Rücksetzsubschaltung 824' oder den Differentialverstärker 826 der vorhergehenden Ausführungsform (von 15).
  • Wenn ein zeitlicher Mittelwertbildungsabschnitt gewünscht ist, könnte er als eine Einzel- oder Doppelbankstruktur aufgenommen sein, wie es in Verbindung mit der ersten bevorzugten Implementierung der Multi-Resolution-Schaltung beschrieben ist. Die einzige Differenz würde darin bestehen, dass der zeitliche Mittelwertbildungsabschnitt vorzugsweise ähnlich dem Reihen-Mittelwertbildungsabschnitt der zweiten bevorzugten Implementierung der Multi-Resolution-Schaltung (d. h. von 14, 15 oder 16) konfiguriert und betrieben werden würde.
  • Die Ausleseschaltungsanordnungen mit verschiedenen Auflösungen können mit Videoraten betrieben werden. Dies kann durch die folgende Analyse gezeigt werden, die die Zeit vergleicht, die benötigt wird, um eine Bildausgabe (d. h. ein Frame) mit voller Auflösung als Funktion von einer niedrigen Auflösung bereitzustellen.
  • Wenn die Verarbeitung jeder Reihe in dem Array "a" Taktzyklen benötigt, würde es (n × a) tc benötigen, um eine Reihe von Blöcken unter der Annahme von n × n Blöcken zu verarbeiten. Mit anderen Worten müssten n Arrayreihen verarbeitet werden, um Blockmittelwerte für jeden Block in der horizontalen Richtung in dem Array zu erzeugen. Als nächstes, wenn jeder Blockmittelwert in "b" Taktzyklen ausgetastet wird, dann würde es m/n Blöcke in einer Reihe von Blöcken unter der Annahme eines m × m Arrays geben. Somit würden (m/n × b) tc benötigt werden, um eine gesamte Reihe von Blöcken auszutasten. Das Verfahren und die Ausgabe einer Reihe von Blöcken würde (n × a) + (m/n × b) tc benötigen. Somit würde die Gesamtzeit, um ein Bildframe zu verarbeiten und auszugeben, gleich m/n[(n × a) + (m/n × b)] tc sein, da es m/n Reihen von Blöcken in dem Array gibt.
  • Man glaubt, dass bei den oben beschriebenen Schaltungen "a" gleich drei Taktzyklen und "b" gleich einem Taktzyklus sein wird. Demgemäß würde bei einem 512 × 512 Array die Zeit, um ein Bildframe mit voller Auflösung zu erzeugen (d. h. n = 1), gleich 512[(3 + 512)] tc = 263680 tc sein. Wenn das Array jedoch um 4 heruntergetastet wird, so dass 128 × 128 Blöcke gemittelt werden, würde die Zeit, um das Bildframe mit niedriger Auflösung zu erzeugen, gleich 512/4[(4 × 3) + (512/4)] tc = 17920 tc sein. Dies bildet eine etwa 15fache Abnahme in der Zeit, die benötigt wird, um das Bild zu erzeugen. Unter der Annahme, dass tc = 1 μs ist, ist ersichtlich, dass der Rahmen von verringerter Auflösung in 17,9 ms ausgelesen werden kann. Unter der Voraussetzung, dass eine typische Videoframerate ungefähr 30 ms beträgt, ist ersichtlich, dass dieses Bildframe gut innerhalb von Videoframerahmen erhalten wird, wie gewünscht. Es sei ebenfalls bemerkt, dass die Framerate erheblich schneller als diejenige ist, die mittels Software-angetriebener Multi-Resolution-Systemen verfügbar ist.
  • Obwohl die Modifikation des zuvor offenbarten aktiven Pixelsensorarrays, um die spalten-parallele Schaltungsanordnung mit verschieden Auflösungen aufzunehmen, die die bevorzugte Art und Weise zum Implementieren einer Multi-Resolution-Fähigkeit in einem Sensorarray ist, sollte ersichtlich sein, dass das Konzept ebenfalls für andere Arten von Arrays angepasst werden kann. Beispielsweise könnte ein Array von Photodioden die spaltenparallele Vorgehensweise benutzen, um eine Multi-Resolution-Auslesung bereitzustellen. In diesem Fall würden die Ausgaben der Photodiodenpixelzellen auf die Schaltungsanordnung mit verschiedenen Auflösungen umgeschaltet und auf die gleiche Art und Weise verarbeitet werden. Das Benutzen der spaltenparallelen Vorgehensweise in einem Photodiodenarray auf diese Art und Weise würde die gleichen Vorteile vermitteln. Unter diesen sind eine Minimierung der aktiven Schaltungsanordnung, die in jeder Zelle erforderlich ist, die ihrerseits den Füllfaktor maximieren würde.
  • Ein Photodiodenarray kann ebenfalls mit einer räumlich parallelen Architektur verwendet werden (im Gegensatz zu einer spaltenparallelen Struktur), um eine Multi-Resolution-Fähigkeit bereitzustellen. Diese alternative Architektur kann verwendet werden, da es möglich ist, die Photodiodenstrukturen direkt zu verknüpfen. 14 zeigt, wie die räumlich parallele Vorgehensweise arbeitet, indem jede Photodiode 900 mit ihrem nächsten Nachbarn durch einen Satz programmierbare Schalter 902 verbunden wird. Schalter sind ebenfalls verbunden, die jeder Photodiode 900 ermöglichen, zu ihren diagonalen Nachbarn sowie auch zu ihren orthogonalen Nachbarn geschaltet zu werden. Das Nettoergebnis dieser Schaltungsfähigkeit besteht darin, die Verbindung von Gruppen von Photodioden zu ermöglichen, um die oben erwähnten Blöcke zu bilden. Es sei bemerkt, dass in dem Fall einer räumlich parallelen Architektur die Blöcke jede Konfiguration (z. B. rechtwinklig, L-förmig etc.) annehmen können, und nicht darauf begrenzt sein würden, quadratisch zu sein oder weniger Reihen als Spalten aufzuweisen, wie in dem Fall der spaltenparallelen Vorgehensweise. Außerdem können Blöcke mit unterschiedlichen Formen und Größen in unterschiedlichen Bereichen des Arrays für jedes Frame ausgebildet werden. Beispielsweise könnte ein Teil des Arrays ohne Blockierung bleiben, so dass ein Bild hoher Auflösung dieses Bereichs erhalten werden könnte, während ein anderer Bereich, bei dem ein Bild niedriger Auflösung annehmbar ist, blockweise gemittelt sein könnte.
  • Das Zusammenschalten der Photodiodenstrukturen 900 einer Gruppe von Pixeln in dem Array, sobald eine durch Licht erzeugte Ladung akkumuliert wurde, hat die Wirkung, die Signalausgabe durch die Photodioden 900 zu mitteln. Dies tritt auf, da der aktive photoempfindliche Oberflächenbereich jeder Photodiode 900 in einem Array typischerweise der gleiche ist, und die Kapazität einer Photodiode 900 linear mit ihrem photoempfindlichen Bereich ansteigt. Somit steigt, wenn mehr Photodioden 900 zusammengeschaltet werden, die Gesamtkapazität des "Superpixel" Blocks in einem ähnlichen Ausmaß an. Beispielsweise würde bei einem 3 × 3 Block die gesamte Blockkapazität das neunfache derjenigen einer einzelnen Photodiode 900 in dem Array sein. Außerdem ist die durch eine Photodiode 900 ausgegebene Spannung gleich der akkumulierten Ladung geteilt durch ihre Kapazität. Wenn die Photodioden 900 nach der Integrationsperiode untereinander in einem Block verbunden werden, wird die durch den Block ausgegebene Spannung gleich der Summe der akkumulierten Ladung jeder Photodiode 900 geteilt durch die Photodiodenkapazität (die die gleiche für jede Photodiode in dem Block sein würde) mal der Anzahl von Photodioden 900 in dem Block. Somit wird die Spannung des durch die untereinander verbundenen Photodioden 900 den Mittelwert der Spannungssignale darstellen, die von der Photodiode einzeln ausgegeben werden müssten.
  • Eine weitere Anwendung eines räumlich parallelen Netzwerks von untereinander verbundenen Photodioden 900 ist Bildgebung mit niedrigem Lichtniveau. 15 zeigt ein Transfergate 904, das zwischen der Photodiode 900 und einer Floating-Diffusion 906 verwendet wird. Die Floating-Diffusion 906 weist im Vergleich zu der Photodiode 900 einen kleinen Oberflächenbereich auf. Wenn Bedingungen mit niedrigem Licht angetroffen werden, wird der Detektorbereich durch Umschalten in benachbarte Photodioden mittels der programmierbaren Schalter 902 erhöht, um ein größeres "Superpixel" genau wie zuvor zu erzeugen. Der Block der untereinander verbundenen Photodioden wird durch einen einzigen Floating-Diffusions-Ausgangsknoten 908 und nicht direkt von den verbundenen Photodioden 900 ausgelesen, indem nur ein Transfergate 904 innerhalb des Blocks gepulst wird. Das kurze Schalten des Transfergates 904 ändert die Kapazität des Blocks im wesentlichen in die Kapazität der Floating-Diffusion 906 und nicht in die größere kombinierte Kapazität der untereinander verbundenen Photodioden 900. Die akkumulierte Ladung bleibt die gleiche, wobei jedoch die Kapazität erheblich verringert wird, und die aus der Floating-Diffusion 906 ausgelesenen Spannung wird beträchtlich größer als diejenige sein, die durch direktes Lesen der untereinander verbundenen Photodioden 900 oder irgendeiner Photodiode 900 erhalten werde könnte. Demgemäß wird Empfindlichkeit (d. h. das verbesserte Spannungssignal von dem Block) auf Kosten der Auflösung (d. h. aufgrund der Blockmittelwertbildung, die stattfindet, wenn die Photodioden 900 untereinander verbunden sind) erreicht.
  • Obwohl die Erfindung ausführlich mit Bezug auf die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist ersichtlich, dass Variation und Modifikation davon ohne Abweichen von dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können. Beispielsweise könnten die in Verbindung mit der zweiten bevorzugt Implementierung der Multi-Resolution-Ausleseschaltung beschriebenen geschalteten Kondensator-Integratoren durch geschaltete Kondensatorfilter ersetzt werden. Die geschalteten Kondensatorfilter würden ausgestaltet sein, um eine Tiefpassfilterung und einen Pixelgewichtungsvorgang anstatt nur einer einfachen Signalmittelwertbildung durchzuführen. Auf diese Art und Weise kann eine anspruchsvollere Blockverarbeitungsprozedur verwirklicht werden.

Claims (18)

  1. Bildvorrichtung mit verschiedenen Auflösungen, die monolithisch auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, mit: einem Brennebenen-Array (602) von aktiven Pixelzellen (10), die in Reihen und Spalten angeordnet sind, wobei jede der Zellen ein Photoabtastelement (30), um empfangene Strahlung in ein Bildsignal umzuwandeln, einen Transistor und einen Ausgang für das Bildsignal umfasst; einer Spalten-Auswahlschaltung (19, 55–70, 710a...c), die mit den Zellen gekoppelt ist, um eine oder mehrere Spalten von Zellen zu einer Zeit zum Auslesen auszuwählen; einer Reihen-Auswahlschaltung (18, 60), die mit den Zellen gekoppelt ist, um eine Reihe der Zellen zu einer Zeit zum Auslesen auszuwählen; und einer Mehrfachauflösungsschaltung (604), die in einer spaltenparallelen Konfiguration mit jeder der Zellen (10) gekoppelt ist, mit einer Spalten-Mittelwertbildungsschaltung (608, 702, 706a...c, 708a...c) zum Kombinieren der Bildsignalausgaben von jeder Zelle innerhalb einer oder mehreren Gruppen von Zellen, die zum Auslesen von der Reihen-Auswahlschaltung (18) und der Spalten-Auswahlschaltung (19, 710a...c) ausgewählt werden, um einen Spaltenmittelwert für jede Gruppe zu bilden, und einer Reihen-Mittelwertbildungsschaltung (610, 704, 712a...c, 714a...c zum sequentiellen Kombinieren der Spaltenmittelwerte für jede Gruppe über eine Folge von Reihen, die von der Reihen-Auswahlschaltung ausgewählt werden, um dadurch ein oder mehrere Blockmittelwertsignale jeweils für einen angrenzenden Block innerhalb des Arrays zu bilden; und ein Mittel (706a...d, 716a...d) zum Variieren der Anzahl von Zellen in dem angrenzenden Block, um verschiedene Ausgangsbildauflösungen zu erzeugen.
  2. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jede Zelle (10) aufweist: ein Photoabtastelement (12, 30), um eine elektrische Ladung als Antwort auf eine Bildszene zu erzeugen, einen dem Photoabtastelement benachbarten Abschnitt einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (14, 35–50) mit einem Abtastknoten (40) und eine Ladungskopplungsstufe (35) zum Transferieren der Ladung von dem Photoabtastelement zu dem Abtastknoten, der eine Bildsignalausgabe ausgibt, die für die Bildszene kennzeichnend ist.
  3. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrfachauflösungsschaltung (604) ein Element (608, 610) aufweist, das arbeitet, um die mehr als einem Block innerhalb des Arrays zugeordneten Bildsignale zu verarbeiten.
  4. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrfachauflösungsschaltung (604) im Stande ist, gleichzeitig mit mindestens zwei Zellen innerhalb einer Reihe des Arrays verbunden zu werden.
  5. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jede der Zellen (10) eine Photodiode (30) umfasst.
  6. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jede der Zellen umfasst: ein Photogate (30), das über dem Substrat (20) liegt und imstande ist, erzeugte Photoladung in einem darunter liegenden Abschnitt (80) des Substrats zu akkumulieren; einen Abschnitt einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (14), der auf dem Substrat (20) benachbart dem Photogate ausgebildet ist, einen Abtastknoten (40) und mindestens eine Stufe einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (35) umfasst, die imstande ist, Ladung von dem darunter liegenden Abschnitt (80) des Substrats zu dem Abtastknoten zu transferieren, wodurch ein Abtastknotenpotential (107), das für die Menge der transferierten Ladung repräsentativ ist, und eine Bildsignalausgabe aus dem Abtastknoten erzeugt werden; und ein Mittel (45) zum periodischen Zurücksetzen eines Potentials (107) des Abtastknotens auf ein vorbestimmtes Potential (100), um ein Rücksetzsignal aus dem Abtastknoten zu erzeugen.
  7. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Mehrfachauflösungsschaltung (604) ferner ein Mittel (704') zum Kombinieren und Mittelwertbilden der Rücksetzsignale von der Zelle umfasst, die den Block bilden, um einen Blockrücksetz-Mittelwert zu erzeugen.
  8. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Mehrfachauflösungsschaltung (604) umfasst: ein Mittel (726) zum differentiellen Vergleichen des Blockmittelwerts und des Blockrücksetz-Mittelwerts, um einen differentiellen Blockmittelwert zu erzeugen; und ein Mittel (726) zum Ausgeben eines Signals, das für den differentialen Blockmittelwert repräsentativ ist.
  9. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das von den Zellen (10) des Brennebenen-Arrays ausgegebene Bildsignal eine Folge von diskreten Bildauslesungen ist, wobei jede Auslesung die von dem Brennebenen-Array erfasste Bildszene zu einer unterschiedlichen Zeit darstellt, und wobei die Spalten-Mittelwertbildungsschaltung (608, 702) und die Reihen-Mittelwertbildungsschaltung ferner umfassen: ein Mittel (611, 732) zum Kombinieren und Mittelwertbilden der Blockmittelwerte, die in einer vorgeschriebenen Anzahl aufeinanderfolgender Bildauslesungen erzeugt werden, um einen zeitlichen Blockmittelwert zu erzeugen; und ein Mittel zum Ausgeben eines Signals, das für den zeitlichen Blockmittelwert repräsentativ ist.
  10. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Mehrfachauflösungsschaltung (604) umfasst: eine erste Spalte (702) von Kondensatoren (708a–c), die jeweils mit den Spalten aktiver Zellen gekoppelt sind; einen ersten Satz von Schaltern (710a–c), die die erste Spalte von Kondensatoren untereinander verbinden und die erste Spalte von Kondensatoren mit den Spalten aktiver Zellen koppeln, um eine Spaltenmittelwertbildung für Spalten von Zellen in dem angrenzenden Block zu erzeugen; eine zweite Spalte (704) von Kondensatoren, die jeweils mit der ersten Spalte von Kondensatoren gekoppelt sind; und einen Satz von Schaltern (712a–c), die die zweite Spalte (704) von Kondensatoren untereinander verbinden und die erste Spalte (702) von Kondensatoren mit der zweiten Spalte von Kondensatoren koppeln, um eine Reihenmittelwertbildung für Reihen von Zellen in dem angrenzenden Block zu erzeugen.
  11. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der jedes Photoabtastelement eine Photodiode (900) ist, und ferner mit: einer Floating-Diffusion bzw. einem erdfreien Diffusionsbereich (906), die innerhalb des Substrats gebildet ist, einem Pixelausleseschaltungsmittel (908), das mit der Floating-Diffusion verbunden ist, und einem Transfergate (904), das über dem Substrat zwischen dem Floating-Diffusionsknoten (906) und der Photodiode liegt.
  12. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der die Mehrfachauflösungsschaltung imstande ist, mehr als einen Block innerhalb des Arrays zu bilden, wobei jeder Block von jeder beliebigen vorgeschriebenen Form und Größe ist.
  13. Verfahren zum Durchführen einer Bilderzeugung mit verschiedenen Auflösungen in einem Brennebenen-Array (602) aus Pixelzellen (10), die in Reihen und Spalten angeordnet sind, wobei jede der Zellen ein Bildsignal ausgibt, wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Auswählen einer einzelnen Reihe von Pixelzellen und Auswählen einer oder mehrerer Spalten von Pixelzellen in der ausgewählten Reihe; Lesen von Signalen, die von jeder ausgewählten Zelle ausgegeben werden; Verbinden benachbarter Pixelzellen, um eine oder mehrere angrenzende Gruppen innerhalb der ausgewählten Reihe zu bilden; Kombinieren und Mittelwertbilden der von den ausgewählten Pixelzellen, die jede Gruppe bilden, ausgegebenen Signale, um einen Spaltenmittelwert für jede Gruppe zu erzeugen; Speichern des Spaltenmittelwerts für jede Gruppe; sequentielles Auswählen und Auslesen nachfolgender vorbestimmter Reihen von Pixelzellen, um jeweilige Spaltenmittelwerte der Gruppen in jeder Reihe zu erzeugen; Speichern der jeweiligen Spaltenmittelwerte; Mittelwertbilden jeweiliger Spaltenmittelwerte jeder Gruppe über die ausgewählten Reihen, um jeweilige Blockmittelwerte für Blocke benachbarter Pixelzellen in ausgewählten Reihen und Spalten zu erzeugen; und Ausgeben eines Signals, das für jeden Blockmittelwert repräsentativ ist.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, ferner mit einem Bilden mehrerer Blöcke und eines Blockmittelwerts für jeden der Blöcke.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Brennebenen-Array (602) der Zellen (10) umfasst: ein monolithisches Halbleitersubstrat einer integrierten Schaltung (20), in dem die Zellen ausgebildet sind, wobei jede der Zellen ein Photogate (30) umfasst, das über dem Substrat liegt, das imstande ist, erzeugte Photoladung in einem darunterliegenden Abschnitt (80) des Substrats zu akkumulieren, einen Abschnitt einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (14), der auf dem Substrat benachbart dem Photogate ausgebildet ist, mit einem Abtastknoten (40) und mindestens einer Stufe der ladungsgekoppelten Vorrichtung (35), die imstande ist, Ladung von dem darunter liegenden Abschnitt des Substrats an den Abtastknoten zu transferieren, wodurch ein Abtastknotenpotential (107), das für die Menge der transferierten Ladung repräsentativ ist, und ein von dem Abtastknoten ausgegebenes Bildsignal erzeugt wird, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: periodisches Zurücksetzen eines Potentials (100) des Abtastknotens auf ein vorbestimmtes Potential, um ein Rücksetzsignal aus dem Abtastknoten zu erzeugen; Kombinieren und Mittelwertbilden der Rücksetzsignale aus den den Block bildenden Zellen, um einen Blockrücksetzmittelwert zu erzeugen; differentielles Vergleichen des Blockmittelwerts und des Blockrücksetzmittelwerts, um einen differentiellen Blockmittelwert zu erzeugen; und Ausgeben eines Signals, das für den differentiellen Blockmittelwert repräsentativ ist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das von den Zellen (10) des Brennebenen-Arrays (602) ausgegebene Bildsignal eine Folge diskreter Bildauslesungen ist, wobei jede Auslesung die Szene darstellt, die von der Bildvorrichtung zu einer unterschiedlichen Zeit betrachtet wird, und wobei das Mittel zum Kombinieren und Mittelwertbilden der von den Zellen eines Blocks ausgegebenen Bildsignale einen Blockmittelwert für jede Bildauslesung erzeugt, wobei das Verfahren ferner umfasst: Kombinieren und Mittelwertbilden der in einer vorgeschriebenen Anzahl aufeinanderfolgender Bildauslesungen erzeugten Blockmittelwerte, um einen zeitlichen Blockmittelwert zu erzeugen; und Ausgeben eines Signals, das für den zeitlichen Blockmittelwert repräsentativ ist.
  17. Bildvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem die Mehrfachauflösungsschaltung (604) umfasst: eine Spalte von geschalteten Kondensator-Integratoren, die jeweils einen Kondensator (810) und einen Integrator (802) aufweisen und jeweils mit den Spalten von aktiven Zellen gekoppelt sind; und einen Satz von Schaltern (808, 812, 814), die die Spalte von geschalteten Kondensator-Integratoren untereinander verbinden, um Kapazität zwischen zwei benachbarten Spalten umzuschalten und die Spalte von geschalteten Kondensator-Integratoren mit den Spalten von aktiven Zellen zu koppeln, um einen Blockmittelwert von Zellen in dem angrenzenden Block zu erzeugen.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem die Pixelzellen (10) jeweils aufweisen: eine Photodiode (900), eine Floating-Diffusion (906), eine Pixel-Ausleseschaltung (908), die mit der Floating-Diffusion gekoppelt ist, und ein Transfergate (904), das zwischen der Photodiode und der Floating-Diffusion angeordnet ist, und wobei das Array ein Mittel (902) aufweist, um Photodioden benachbarter Pixelzellen untereinander zu verbinden, um einen angrenzenden Block zu bilden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Verbinden der benachbarten Photodioden, um deren Signale zu mitteln; Steuern des Transfergate (904) einer einzelnen ausgewählten Pixelzelle in dem angrenzenden Block, um die Floating-Diffusion (906) zu verwenden, um ein Signal von einer jeweiligen Photodiode abzutasten; und Auslesen des abgetasteten Signals aus der Pixelausleseschaltung (908) in der einzelnen ausgewählten Pixelzelle, um ein gemitteltes Signal der untereinander verbundenen benachbarten Photodioden in dem angrenzenden Block mit einer verringerten Ausgangskapazität darzustellen.
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