DE69834241T2

DE69834241T2 - Farbbildmonochip CMOS-Sensor mit Doppel- oder Multilinielesestruktur

Info

Publication number: DE69834241T2
Application number: DE69834241T
Authority: DE
Inventors: Datong Fremont Chen; Tai-Ching Cupertino Shyu; Xinping San Jose He
Original assignee: Omnivision Technologies Inc
Current assignee: Omnivision Technologies Inc
Priority date: 1998-03-04
Filing date: 1998-09-15
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2018-09-16
Also published as: EP0940976A3; US6035077A; DE69834241D1; ATE324008T1; TW407427B; EP0940976B1; EP0940976A2

Description

Verwandte Anmeldungen
Dies ist eine „Continuation-in-part"-Anmeldung der älteren Anmeldung mit der Seriennummer 09/034,865, die am 4. März 1998 eingereicht wurde, wobei die Priorität von deren Anmeldetag hiermit gemäß 35 U.S.C. §120 in Anspruch genommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Bildsensoren und insbesondere einen Monochip-CMOS-Bildsensor mit einer neuartigen zwei- oder mehrfachen Lesestruktur und einer hochempfindlichen Verschachtelungsfarbstruktur.
Hintergrund der Erfindung
Die Technologie der integrierten Schaltkreise hat verschiedene Gebiete revolutioniert, einschließlich Computer, Steuerungssysteme, Telekommunikation und Bildgebung. In dem Gebiet der Bildgebung hat der Sensor mit einem ladungsgekoppelten Baustein (CCD) die Herstellung von relativ preisgünstigen und kleinen tragbaren Videokameras ermöglicht. Dennoch sind die integrierten Festkörper-CCD-Schaltkreise, die für eine Bildgebung benötigt werden, relativ schwierig herzustellen und deshalb teuer. Zusätzlich wurde der Signalverarbeitungsanteil des Bildsensors typischerweise auf einem separaten integrierten Chip unterge bracht, aufgrund der verschiedenen Prozesse, die bei der Herstellung von integrierten CCD-Schaltkreisen im Vergleich zu integrierten MOS-Schaltkreisen beteiligt sind. Somit umfasst eine CCD-Bildgebungsvorrichtung wenigstens zwei integrierte Schaltkreise: einen für den CCD-Sensor und einen für die Signalverarbeitungslogik.
Einige der weiteren Nachteile der CCD-Technologie werden in „Active Pixel Sensors – Are CCD's Dinosaurs?" von E. R. Fossum, Proceedings of the SPIE – The International Society for Optical Engineering, Vol. 1900, 1993, Seiten 2–14 diskutiert. Darin wird erwähnt, dass obwohl CCDs aufgrund ihrer hohen Sensitivität, ihrer hohen Quanteneffizienz und ihrem großen Format die Technologie der Wahl für gegenwärtige Implementierungen von Bildgebung und spektroskopischen Instrumenten geworden sind, ist es bekannt, dass sie eine besonders schwierig zu beherrschende Technologie sind. Der Bedarf für eine nahezu perfekte Ladungstransfereffizienz macht die Strahlung von CCDs (1) „weich", (2) bei großen Feldgrößen schwer reproduzierbar herzustellen, (3) inkompatibel mit den Anforderungen von Miniaturinstrumenten an eine Integration von Auf-dem-Chip („on-chip") Elektronik, (4) schwierig den spektralen Antwortbereich durch die Verwendung von alternativen Materialien zu erweitern, und (5) beschränkt in ihrer Ausleserate.
Eine alternative preisgünstige Technologie für CCD-integrierte Schaltkreise ist der integrierte Metalloxidhalbleiterschaltkreis (MOS). Nicht nur sind Bildgebungsvorrichtungen, die eine MOS-Technologie verwenden im Vergleich mit CCD-Bildgebungsvorrichtungen preiswerter herzustellen, sofern für bestimmte Anwendungen sind MOS-Vorrichtungen besser in ihrer Leistung. Zum Beispiel können die Bildpunktelemente in einer MOS-Vorrichtung kleiner gemacht werden und bieten deshalb eine höhere Auflösung als CCD-Bildsensoren. Zusätzlich kann die notwendige Signalverarbeitungslogik neben den Bildgebungsschaltkrei sen integriert werden, wodurch einem einzelnen integrierten Chip ermöglicht wird, eine vollständige eigenständige Bildgebungsvorrichtung zu bilden.
Beispiele von MOS-Bildgebungsvorrichtungen sind detailliert in „A ¼ Inch Format 250K Pixel Amplified MOS Image Sensor Using CMOS Process" von Kawashima et al., IEDM 93-575 (1993) und in „A Low Noise Line-Amplified MOS Imaging Devices" von Ozaki et al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 38, Nr. 5, Mai 1991 beschrieben. Zusätzlich beschreibt das US-Patent Nr. 5,345,266 von Denyer mit dem Titel „Matrix Array Image Sensor Chip" einen MOS-Bildsensor. Die in diesen Publikationen offenbarten Vorrichtungen bietet einen grundsätzlichen Aufbauansatz für MOS-Bildgebungsvorrichtungen. Zusätzlich sind MOS-Ansätze für Farbbildgebungsvorrichtungen in „Color Filters and Processing Alternatives for One-Chip Cameras", von Parulski, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-32, Nr. 8, August 1985 und in „Single-Chip Color Cameras With Reduced Aliasing" von Imaide et al., Journal of Imaging Technology, Vol. 12, Nr. 5, Oktober 1986, Seiten 258–260 beschrieben.
Bei den MOS-Festkörperfarbbildsensoren wird oft ein komplementäres Farbfiltermuster verwendet. Felder aus Bildpunkten können gefertigt werden, um Farbe zu detektieren indem sie mit regulären Mustern von Farbfilter-Patches bedeckt werden, die als Farbfiltermuster bekannt sind. Die Filter-Patches können direkt auf dem Sensor hergestellt werden oder auf einem transparenten Substrat, das später auf den Chip geklebt wird. Farbfiltermuster können Farben wie zum Beispiel Rot (R), Grün (G), Blau (B), Gelb (Ye), Cyan (Cy) und Magenta (Mg) umfassen. Die Bildpunkte unterhalb der Farbfiltermuster emittieren Signale, wenn sie dem Lichttyp ausgesetzt werden, der durch den Farbfilter-Patch angegeben wird. Somit kann ein rotes Signal von einem Bildpunkt unterhalb des roten Filter-Patchs erhalten werden, ein blaues Signal kann von einem Pixel unterhalb eines blauen Filter-Patchs kommen, usw.
Jedoch erzielen einige Bildsensoren kein standardisiertes Rot-, Grün- und Blausignal von Rot-, Grün- und Blau-gefilterten Bildpunkten. Stattdessen benutzen sie Kombinationen von anderen Farben, um die Standardfarben zu erhalten. Zum Beispiel kann Rot (R) gemäß der Gleichung R = (W + Ye) – (G + Cy) gebildet werden, wobei die Farbfilterbildpunktsignale W = Weiß, Ye = Gelb, G = Grün und Cy = Cyan sind. In Fällen wie diesen werden die vier Bildpunktsignale, die verarbeitet werden, von einem 2 × 2-Block von einem von jedem Bildsensortyp erhalten, statt einer 1 × 4-Zeile von Bildpunktsensoren, die dazu tendieren, das Farbbild zu verzerren. Der 2 × 2-Block repräsentiert ein Problem für standardisierte Bildpunktabtastverfahren, weil Standardverfahren jede Zeile einzeln abtasten. Demgegenüber kommt der 2 × 2-Block aus Bildpunkten von Abschnitten aus zwei separaten Zeilen. Somit kann das System die Daten nicht verarbeiten, wenn es jede Zeile abtastet. Es muss warten, bis die nächste Zeile auch abgetastet wird, um die fehlende Information zu erhalten, die es benötigt, und es muss irgendwie die Daten von der vorhergehenden Zeile speichern, bis es dieses tut.
So wie die Farbsignale in solchen Fällen eine Kombination der Signale von einem 2 × 2-Bildpunktblock sein können, wird das Chrominanzsignal, das mit der Farbe des Bildes korreliert, manchmal auch aus einer Kombination aus Signalen von Bildpunkten von zwei separaten Zeilen ermittelt. Tatsächlich ist dies für das Chrominanzsignal in vielen Systemen der Fall, selbst bei denjenigen, die R-, G- und B-Filter verwenden, um die Farbsignale direkt zu ermitteln. Deshalb ist es in solchen Systemen notwendig, die Daten von zwei separaten Zeilen irgendwie gleichzeitig zur Verfügung zu haben, so dass die erforderlichen Kombinationen verarbeitet werden können. Bei den meisten Vorrichtungen des Standes der Technik wird eine externe einzeilige Verzögerungszeile (zum Beispiel eine CCD-Verzögerungszeile) für diesen Zweck verwendet. Die Verzögerungszeile tastet in einer Zeile ab und hält die Daten bis die nächste Zeile abgetastet werden kann, um die benötigte Information bereitzustellen.
Bei dem Fortschreiten von CCD- zu MOS-basierenden Implementierungen wurden Verfahren zum Implementieren der Schaltungen benötigt, die einfach auf einem einzelnen MOS-Chip hergestellt werden können. Dieser Ansatz des Verwendens einer externen Verzögerungszeilenvorrichtung in den MOS-Farbbildgebungssensoren, der von der alten CCD-Technologie übertragen wurde, benötigte von Natur aus die Verwendung von Komponenten die außerhalb des MOS-Schaltkreises liegen und die manchmal auf einem separaten Chip sein müssen, zusätzlich zu einer Erhöhung der relativen Komplexität der Implementierung. Es ist ein generelles Prinzip, dass ein Energieverbrauch und Kosten gesenkt werden, falls die Anzahl von Chips und komplexen Komponenten, die notwendig sind um die Aufgabe zu erfüllen, reduziert wird. Die vorliegende Erfindung ist auf eine Lösung gerichtet, die die benötigten Daten von zwei Zeilen von Bildpunkten gleichzeitig ohne Verwendung einer externen Verzögerungszeilenvorrichtung bereitstellt, und die auf einem einzelnen Chip mit dem MOS-Sensorfeld integriert werden kann.
Zusätzlich sind die Farbfiltermuster, die in den MOS-Farbbildgebungssensoren des Standes der Technik verwendet werden, von denen die benötigten Daten erhalten werden, oft nicht optimiert. Man kann sich jede Farbe als eine Mischung aus drei Primärfarben vorstellen: Rot, Blau und Grün. Jedoch ist es im Stand der Technik bekannt, dass Menschen Rot, Grün und Blau nicht gleichartig verarbeiten. Stattdessen beziehen sich Menschen auf die drei Primärfarben ungefähr gemäß: 0,6 Grün + 0,3 Rot + 0,1 Bau. Somit ist für das menschliche Auge Grün die wichtigste Farbe, Rot ist die nächstwichtigste und Blau ist die am wenigsten wichtige. Basierend auf dieser Erkenntnis sollten Bildpunktfelder ein Farbfiltermuster (auch als Farbkodierungsschema bezeichnet) haben, das stärker entlang der Zeilen von Grün dann Rot oder Blau gewichtet ist. Farbkodierungsschemata des Standes der Technik haben versucht, dies auf verschiedene Wege zu erreichen.
Der Stand der Technik hat gezeigt, dass Schachbrettmuster besser sind als lineare Muster. Eines der üblichsten Schemata verwendet eine Matrix, in der jeder zweite Bildpunkt Grün (G) ist und die verbleibenden Bildpunkte ein Schachbrettmuster in alternierendem Rot (R) und Blau (B) bilden. Ein weiteres Muster verwendet ein Schachbrettmuster von gleichen Anteilen von Cyan (Cy), Gelb (Ye), Weiß (W) und Grün (G). Ein anerkannter Vorteil einer Verwendung der Farben Cyan, Gelb und Grün ist, dass nur zwei Filterfertigungsmaskenschritte benötigt werden, da Grün durch Überlagern von Gelb und Cyan entsteht, im Gegensatz zu drei benötigten Schritten für einen RGB-Filter. Die vorliegende Erfindung offenbart ein unterschiedliches Farbfiltermuster, das Grün, Gelb und Cyan verwendet, welches für eine Empfindlichkeit optimiert ist.
Uns ist das US-Patent Nr. 5,043,821 bekannt, das ein Speicherfeld für ein Bildpunktfeld offenbart, in dem jeder Bildpunkt eine korrespondierende Speicherzelle hat. Uns ist auch die als EP 0 757 497 veröffentlichte europäische Patentanmeldung bekannt, die ein Bildpunktfeld mit einer Farbmaske mit den Farben A, B, C und D beschreibt mit aufeinander folgenden Zeilen, die als ABAB, CDCD, ABAB, DCDC etc. angeordnet sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbbildmonochip-MOS-Bildsensor mit einer neuartigen zweizeiligen Lesestruktur, die ein simultanes Auslesen von Zeilensignalen aus zwei benachbarten Zeilen von Bildpunkten erlaubt, so dass Kombinationen von Signalen von Bildpunkten in benachbarten Zeilen erhalten werden können, ohne die Verwendung einer externen Verzögerungszeilenvorrichtung. Der Sensor umfasst ein Bildpunktfeld mit einem darüber überlagerten verbesserten Farbfiltermuster, einer zweizeiligen Lesestruktur mit einer ersten Menge von Speicherkondensatoren einer ersten Menge von Schaltern zum selek tiven Ablegen von Signalen aus einer ersten Zeile des Bildpunktfeldes an der ersten Menge von Speicherkondensatoren, einer zweiten Menge von Speicherkondensatoren, einer zweiten Menge von Schaltern zum selektiven Ablegen von Signalen aus einer Zeile, die zu der ersten Zeile des Bildpunktfeldes benachbart ist, an der zweiten Menge von Speicherkondensatoren, und wenigstens eine dritte und vierte Menge von Schaltern für ein selektives Auslesen der Signale aus den Speicherkondensatoren an Ausgabezeilen als eine Menge von Zeilensignalen. Die zweizeilige Lesestruktur kann wiederholt werden, um vierzeilige Signale bereitzustellen. Die Kondensatoren, MOS-Schalter und der Verstärker der Lesestruktur werden einfach als Teil eines MOS-Bildsensors auf einem Einzelchip hergestellt. Auch benötigt das verbesserte Farbfiltermuster der Vorrichtung, welches Grün, Gelb und Cyan umfasst, nur zwei Filterfertigungsmaskenschritte und ist auf eine optimale Empfindlichkeit ausgerichtet. Zusätzlich kann die Empfindlichkeit der Vorrichtung durch Verwendung einer hochsensitiven Verschachtelungsfarbstruktur (engl.: „interlace color structure") im wesentlichen leicht verdoppelt werden.
Gemäß eines Aspekts der Erfindung wird ein Farbbildmonochip-MOS-Bildsensor bereitgestellt, umfassend:
ein Bildpunktfeld, das aus einer Vielzahl von individuellen Bildpunkten gebildet ist, die als Zeilen und Spalten organisiert sind,
eine Lesestruktur, die wenigstens zwei Ausgabezeilen hat und mit dem Bildpunktfeld verbunden ist, um ein simultanes Lesen von Bildpunkten aus einer ersten Zeile und einer zweiten Zeile zu einem anfänglichen Taktpunkt und ein simultanes Lesen von Bildpunkten aus der zweiten Zeile und einer dritten Zeile zu einem späteren Taktpunkt zu ermöglichen, wobei die Lesestruktur umfasst:

(a) eine erste Menge von Speicherkondensatoren, wobei die erste Menge von Speicherkondensatoren wenigstens zwei Kondensatoren hat, die mit jeder Spalte des Bildspunktfelds verbunden sind;
(b) eine erste Menge von Schaltern zum selektiven Ablegen von Signalen aus einer ersten Zeile des Bildpunktfelds an der ersten Menge von Speicherkondensatoren zu dem anfänglichen Taktpunkt, wobei das Signal von jedem individuellen Bildpunkt der ersten Zeile in den Speicherkondensatoren der ersten Menge von Speicherkondensatoren gespeichert wird, die zu dem anfänglichen Taktpunkt mit der Spalte des individuellen Bildpunkts verbunden sind, wobei die erste Menge von Schaltern auch selektiv Signale von einer dritten Zeile des Bildpunktfeldes an der ersten Menge von Speicherkondensatoren zu dem späteren Taktpunkt anlegt;
(c) eine zweite Menge von Speicherkondensatoren, wobei die zweite Menge von Speicherkondensatoren wenigstens zwei Kondensatoren hat, die mit jeder Spalte des Bildpunktfelds verbunden sind; und
(d) eine zweite Menge von Schaltern zum selektiven Ablegen von Signalen von einer zweiten Zeile des Bildpunktfelds an der zweiten Menge von Speicherkondensatoren, wobei das Signal von jedem individuellen Bildpunkt der zweiten Zeile in den Kondensatoren von der zweiten Menge von Speicherkondensatoren gespeichert wird, die mit der Spalte des individuellen Bildpunkts verbunden sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgenannten Aspekte und viele der begleitenden Vorteile dieser Erfindung werden leichter erkannt, wenn sie durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden, wenn sie zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen berücksichtigt werden, in welchen:
1 ist ein Blockdiagramm eines Farbbildmonochip-CMOS-Sensors, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
2 ist ein schematisches Diagramm einer vereinfachten einspaltigen, zweizeiligen Bildpunktlesestruktur, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist und zum Zwecke der Illustration gezeigt wird;
3 ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der einspaltigen, zweizeiligen Bildpunktlesestruktur, die in 2 gezeigt ist, illustriert;
4A ist ein Diagramm eines Farbfiltermusters des Standes der Technik, das in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann;
4B ist ein Diagramm eines zweiten Farbfiltermusters des Standes der Technik;
4C ist ein Diagramm eines erfindungsgemäßen Farbfiltermusters;
5A und 5B sind schematische Diagramme einer sechsspaltigen nicht-verschachtelten (engl.: „non-interlaced") Lesestruktur mit vier Lesekanälen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
6 ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur illustriert, die in 5B gezeigt ist;
7A und 7B sind schematische Diagramme einer sechsspaltigen verschachtelten (engl.: „interlaced") Lesestruktur mit vier Lesekanälen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
8A ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur der 7B bei einem Lesebetrieb eines geraden Felds illustriert;
8B ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur der 7B für einen Lesebetrieb eines ungeraden Felds illustriert;
9 ist ein Taktdiagramm, das den Gesamttaktverlauf der Lesebetriebe der geraden und ungeraden Felder der 8A und 8B für einen Frame eines TV-Takts illustriert;
10 ist ein schematisches Diagramm einer sechsspaltigen verschachtelten Lesestruktur mit zwei Lesekanälen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;
11A ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur der 10 für einen Lesebetrieb eines geraden Felds illustriert;
11B ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur der 10 für einen Lesebetrieb eines ungeraden Felds illustriert;
12 ist ein schematisches Diagramm eines sechsspaltigen Bildpunktfelds, das in Kombination mit der Lesestruktur der 5B eine hochsensitive verschachtelte Farbstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
13A ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur der 12 für einen Lesebetrieb eines geraden Felds illustriert; und
13B ist ein Taktdiagramm, das den Betrieb der Lesestruktur der 12 für einen Lesebetrieb eines ungeraden Felds illustriert.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Mit Bezug auf die 1 umfasst ein Blockdiagramm eines Farbbildmonochip-CMOS-Sensors ein Bildsensorfeld 101. Die Gewinnung von Information von dem Bildsensorfeld wird von dem peripheren Schaltkreis der 1 durchgeführt und die Ausgabe wird gemäß des bekannten NTSC-Schemas durchgeführt. Dieses Schema erlaubt es, die Ausgabesignale des Schaltkreises durch eine konventionelle Einrichtung zu übertragen und anzuzeigen.
Die Signale von dem Sensorfeld 101 werden von einer Sensorlesestruktur 201 verarbeitet, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, erlaubt diese neuartige Lesestruktur das simultane Lesen von zweizeiligen Signalen aus zwei separaten Zeilen von Bildpunkten, ohne die Verwendung einer externen Verzögerungszeilenvorrichtung. Die Sensorlesestruktur 201 gibt Zeilensignale SIG1, SIG2, SIG3 und SIG4 aus, die durch Signalverstärker 305 verstärkt werden. In einer tatsächlichen Ausführungsform werden die Signalverstärker 305 gemäß der anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 08/538,441 mit dem Titel „IMPROVED CHARGE AMPLIFIER FOR MOS IMAGING ARRAY AND METHOD OF MAKING SAME" von Shyu et al., eingereicht am 3. Oktober 1995, und der anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 08/617,313 mit dem Titel „IMPROVED CHARGE AMPLIFIER FOR MOS IMAGING ARRAY AND METHOD OF MAKING SAME" von Shyu et al., eingereicht am 18. März 1996, wobei beide zusammen als US 6,351,283 B1 veröffentlicht sind, gebildet.
Verstärkte Zeilensignale SIG1', SIG2', SIG3' und SIG4' der den Signalverstärker 305 werden dann durch einen Prozessor 307 verarbeitet, der eine Verstärkung durch eine automatische Verstärkungsregelung und eine Schwarzkalibrierung durchführt. Die Schwarzkalibrierung versucht, den Anteil des Signals zu eliminieren, der existiert, wenn kein Licht detektiert wird, so wie es im Stand der Technik bekannt ist, wodurch ein besseres Nullreferenzsignal erreicht wird, so dass die spätere Signalverarbeitung verbessert wird. Die Verstärker zur automatischen Verstärkungssteuerung (AGC; „automatic gain control") verstärken die Signale auf ein gesteuertes Niveau für eine weitere Verarbeitung.
Die verarbeiteten Zeilensignale SIG1" bis SIG4" des Prozessors 307 gehen zu der Farbmatrix 309. Die Farbmatrix 309 kombiniert die Zeilensignale in verschiedenen Verhältnissen gemäß der Matrixgleichungen und führt auch eine Gammakorrektur durch, um die Ausgabefarbsignale abzuleiten, wie zum Beispiel Grün (G'), Rot (R'), Blau (B') oder das Luminanzsignal (Y'). Der „Strich" zeigt an, dass das Signal einer Gammakorrektur unterzogen wurde. Die roten (R') und blauen (B') Ausgabefarbsignale können als Funktionen der Differenz zwischen zwei Zeilensignalen ermittelt werden, so wie es nachfolgend detailliert beschrieben wird. Das Luminanzsignal (Y') wird aus einer linearen Matrixfunktion gebildet, durch die die anderen Signale mit verschiedenen Anteilen kombiniert werden. Der Prozessor 311, der die Luminanzsignalverarbeitung durchführt, nimmt das Signal Y' von der Farbmatrix 309 und gibt das Signal YH zusammen mit einem Feedback-Signal aus, das zu dem AEC-Detektor 317 geht. Das YH-Signal ist das Luminanzsignal mit hochfrequenten Komponenten.
Die Farbsignale G', R' und B' gehen von der Farbmatrix 309 zu dem Prozessor 313, der den Chromatizitätssignalprozess durchführt, wobei sie verarbeitet werden, um die Signale –(R – Y) und –(B – Y) zu erzeugen, aus denen das Chromasignal gebildet wird. Das Chromasignal wird durch Quadratur gebildet, wobei die beiden Farbdifferenzsignale (R – Y) und (B – Y) auf einen Farbunterträger moduliert werden. In alternativen Systemen werden manchmal I- (in Phase) und Q- (Quadratur) Farbdifferenzsignale anstelle von (R – Y) und (B – Y) verwendet, obwohl letztere diejenigen sind, die am häufigsten in Verbraucherkameras verwendet werden. Die Phase und die Amplitude des Chromasignals geben den Farbton und die Sättigung an.
Der NTSC-Kodierer 315 erhält Steuerungstaktsignale SYNC und BLANK von einem Videotaktgenerator 319 und erhält auch Steuersignale FSC, HUE und SATURATION. Das YH-Signal von dem Luminanzsignalprozess 311 und die Farbdifferenzsignale –(R – Y) und –(B – Y) von dem Chromatizitätssignalprozess 313 gehen an den NTSC-Kodierer 315, wo sie verarbeitet werden, um die Ausgabesignale CVBS („composite video with blank and sync") und das Y + C-kombinierte Signal zu erzeugen. Das Basisband-Luminanzsignal (Y) entspricht der Helligkeit des Bildes und das Quadratur-modulierte Chrominanzsignal (C) entspricht der Farbe des Bildes.
Der Prozessor 311, der den Luminanzsignalprozess durchführt, gibt ein Feedback-Signal an den AEC-Detektor 317 aus, der ein Steuersignal an den Controller 321 ausgibt, der die AEC- und AGC-Steuerung durchführt. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass AEC als automatische Belichtungssteuerung (engl.: „automatic exposure control") bezeichnet wird. Der Videotaktgenerator 319 gibt die Taktsignale SAMPLE und PRECHARGE aus, die jeweils an die Abtastungs- und Vorladungsbereiche des Feldzeilencontollers 151 zum Zweck des Steuerns des Abtastens des Bildsensorfelds 101 gehen. Der Feldzeilencontroller 151 umfasst auch einen Zeilentreiberabschnitt. Der Videotaktgenerator 319 gibt auch ein Taktsignal an den Controller 321 aus, der die AEC- und AGC-Steuerung durchführt. Der Controller 321 gibt Steuersignale an den Abtastungstaktzähler 323 und an den Vorladungstaktzähler 325 aus. Der Abtastungstaktzähler 323 und der Vorladungstaktzähler 325 sind jeweils mit dem Abtastungs- und dem Vorladungsbereich des Feldzeilencontrollers 151 verbunden. Das Bildsensorfeld 101 wird durch den Feldzeilencontroller 151, die Zeilenkalibrierungszellen 153 und die Spaltenkalibrierungszellen 155 gesteuert.
Wie bereits erwähnt, ist es wünschenswert, dass die Sensorlesestruktur 201 imstande ist, zwei Zeilensignale von zwei separaten Zeilen in einer solchen Weise zu lesen, dass die benötigten Datenanteile von beiden Zeilen zu einer geeigneten Zeit zur Verarbeitung verfügbar sind. Vorrichtungen des Standes der Technik verwenden Verzögerungszeilen für diesen Zweck, wobei zum Beispiel eine Zeile von Bildpunkten durch Abtastung in die Verzögerungszeile gebracht wird und für eine erforderliche Zeit vorgehalten wird, bis die zweite Zeile abgetastet werden kann. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass die Verzögerungszeile oft außerhalb des MOS-Bildgebungssensors ist, was die Anzahl von Chips und die Komplexität der Implementierung erhöhen kann. Somit gibt es einen Bedarf nach einer Struktur, die leicht auf dem gleichen Chip wie das MOS-Sensorfeld herzustellen ist, und die die benötigten Signale von zwei separaten Zeilen von Bildpunkten während eines spezifischen Verarbeitungsintervalls verfügbar macht.
Bezugnehmend auf 2 wird eine vereinfachte einspaltige, zweizeilige Sensorbildpunktlesestruktur 201 zum Zwecke der Illustration gezeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist. Diese Struktur illustriert das Verfahren, mit dem die vorliegende Erfindung zwei Zeilensignale aus zwei Zeilen von Bildpunkten simultan lesen kann und somit die benötigten Datenanteile von den beiden Zeilen während des spezifischen Verarbeitungsintervalls bereitstellt. Wie nachfolgend erläutert wird, bildet die Struktur der 2 den Baustein eines beliebig großen Bildsensorfelds.
Die Sensorlesestruktur 201 liest ein Bildpunktsensorfeld 101, das eine einzelne Spalte von Bildpunkten 103 umfasst, die als Bildpunkte 103A, 103B, 103C und 103D bezeichnet werden. Die Bildpunkte 103A bis 103D werden jeweils durch Bildpunktsteuersignale P1, P2, P3 und P4 gesteuert. In einem Farbbildsensor ist jeder Bildpunkt durch einen Farbfilter-Patch bedeckt. Die Signale von den Bildpunkten 103A bis 103D werden abwechselnd durch einen Signalverstärker 205 verstärkt. Der Signalverstärker 205 kann gemäß der oben genannten anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 08/538,441 mit dem Titel „IMPROVED CHARGE AMPLIFIER FOR MOS IMAGING ARRAY AND METHOD OF MAKING SAME" von Shyu et al., eingereicht am 3. Oktober 1995 und der anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 08/617,313 mit dem Titel „IMPROVED CHARGE AMPLIFIER FOR MOS IMAGING ARRAY AND METHOD OF MAKING SAME" von Shyu et al., eingereicht am 18. März 1996, gebildet werden.
Die verstärkten Bildpunktsignale werden temporär auf Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 gespeichert. Das Ablegen der verstärkten Bildpunktsignale auf den vier Kondensatoren wird durch Mengen von Schaltern SW1 und SW2 gesteuert. Der Schalter SW1 legt Signale auf Kondensatoren C1 und C2 ab der und Schalter SW2 legt Signale auf Kondensatoren C3 und C4 ab. Die Schaltermenge SW4 legt Signale von dem Kondensator C2 auf dem Zeilensignal SIG1 und von dem Kondensator C4 auf dem Zeilensignal SIG2 ab. Die Zeilensignale SIG1 und SIG2 werden weiterhin durch den Signalverstärker 305 verstärkt und werden zu verstärkten Zeilensignalen SIG1' und SIG2'. Es ist anzumerken, dass in der bevorzugten Ausführungsform Kondensatoren verwendet werden, um die verstärkten Bildpunktsignale zu speichern. Jedoch ist zu erkennen, dass jeder Typ von Speicherzellen zum Speichern des Signals verwendet werden kann. In der Tat umfassen die meisten Typen von Speicherzellen, wie zum Beispiel DRAMs, SRAMs und EEPROMs, einen Kondensator oder eine kondensatorähnliche Vorrichtung. Somit bezeichnet der Begriff Kondensator, so wie er hier verwendet wird, jeden Typ von Speicherzelle, der verwendet werden kann, um Signale zu speichern.
In verschiedenen Ausführungsformen können die Bildpunkte 103A, 103B, 103C und 103D entweder passive Bildpunkte oder aktive Bildpunkte sein. Für passive Bildpunkte würde der Verstärker 205 grundsätzlich ein Ladungsverstärker sein und die Verstärker 305 könnten auch Ladungsverstärker sein. Falls die Bildpunkte 103A, 103B, 103C und 103D jedoch aktive Bildpunkte sind, könnte der Verstärker 205 aus einem Spannungspuffer oder einem Spannungsverstärker gefertigt sein oder könnte aus dem Schaltkreis insgesamt weggelassen werden. Wie in 2 illustriert ist, sind zusätzlich Abtastungspuffer 207 gezeigt, um zwischen die Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 und den Verstärkern 305 gekoppelt zu werden. Die Abtastungspuffer 207 geben eine Spannung anstelle einer Ladung aus, womit den Verstärkern 305 ermöglicht wird, Spannungsverstärker anstelle von Ladungsverstärkern zu sein. In einer Ausführungsform, in der Abtastungspuffer 207 nicht umfasst sind, sind die Verstärker 305 grundsätzlich Ladungsverstärker.
Das Ziel des Schaltkreises in 2 ist, auf den Zeilensignalen SIG1 und SIG2 simultan Signale von zwei Bildpunkten von benachbarten Zeilen abzulegen. Zum Beispiel wird Bildpunkt 103A erst simultan mit Bildpunkt 103B gelesen, dann wird Bildpunkt 103B simultan mit Bildpunkt 103C gelesen und schließlich wird Bildpunkt 103C simultan mit Bildpunkt 103D gelesen. Dieses simultane Lesen wird durch Speichern der Signale von jedem Bildpunkt auf zwei Kondensatoren erreicht. Zwei Kondensatoren werden für jedes Signal benötigt, weil jedes Bildpunktsignal (mit der Ausnahme des ersten und letzten Bildpunkts in der Spalte) zweimal gelesen wird. Zum Beispiel wird Bildpunkt 103B simultan mit Bildpunkt 103A und dann mit Bildpunkt 103C gelesen.
Der Betrieb des Schaltkreises in 2 wird durch die in 3 gezeigten Taktdiagramme illustriert. Wie 3 zeigt, wird zu Beginn der Taktperiode 1 das Bildpunktsteuersignal P1 zu demselben Takt hoch wie die Schaltermenge SW1. Dies bewirkt, dass das Signal von Bildpunkt 103A durch den Signalverstärker 205 verstärkt wird und auf den Kondensatoren C1 und C2 gespeichert wird. Somit wird das Signal von Bildpunkt 103A auf zwei Kondensatoren gespeichert und diese beiden gespeicherten Signale werden als gespeichertes Bildpunktsignal 103A' auf Kondensator C1 und als gespeichertes Bildpunktsignal 103A'' auf Kondensator C2 bezeichnet. Während die Taktdiagramme der 3 diese Signale bei einer unverzüglichen Übertragung zeigen, ist es selbstverständlich, dass die tatsächliche Übertragung dieser Signale aufgrund der Ladung der Kondensa toren und ähnlicher Phänomene, die in den Diagrammen nicht gezeigt sind, transiente Perioden umfasst. Nachdem das Bildpunktsignal 103A' und das Bildpunktsignal 103A'' gespeichert sind, werden dann die Ausgabeschaltermengen SW3 hoch, was bewirkt, dass das gespeicherte Bildpunktsignal 103A' von dem Kondensator C1 an das Zeilensignal SIG1 übertragen wird. Obwohl die Taktdiagramme für Zeilensignale SIG1 und SIG2 die Namen derjenigen Bildpunktsignale zeigen, die an die Zeilensignale übertragen werden nachdem die Ausgabeschaltermengen SW3 oder SW4 aktiviert werden, ist es selbstverständlich, dass die benannten Signale nicht notwendigerweise auf den Zeilensignalen für die gesamte in dem Diagramm gezeigte Taktperiode verbleiben, und dort nur zum Zwecke der Illustration so gezeigt sind, als ob die Ladung von jedem der Kondensatoren an jedes der Zeilensignale übertragen worden wäre. Das Zeilensignal SIG1 und das Zeilensignal SIG2 werden simultan erhalten, obwohl während der Taktperiode 1 das Zeilensignal SIG2 nicht als mit einem Signal geladen gezeigt wird.
Zu Beginn der Taktperiode 2 wird das Bildpunktsteuersignal P2 zur gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW2 hoch. Dies bewirkt, dass das Signal von dem Bildpunkt 103B auf den Kondensatoren C3 und C4 gespeichert wird, und diese beiden gespeicherten Signale werden. als gespeichertes Bildpunktsignal 103B' und gespeichertes-Bildpunktsignal 103B'' bezeichnet. Als nächstes wird die Ausgabeschaltermenge SW4 hoch, was bewirkt, dass das gespeicherte Bildpunktsignal 103B'' von dem Kondensator C4 an das Zeilensignal SIG2 übertragen wird, und simultan auch bewirkt, dass das gespeicherte Bildpunktsignal 103A'', das während der Taktperiode 1 gespeichert wurde, von dem Kondensator C2 an das Zeilensignal SIG1 übertragen wird. Somit enthalten die Zeilensignale SIG1 und SIG2 an dem Punkt während der Taktperiode 2 an dem SW4 hoch wird, jeweils die Signale der Bildpunkte 103A und 103B, die in benachbarten Zeilen sind, so wie es das Ziel des Systems ist.
Zu dem Beginn der Taktperiode 3 wird das Bildpunktsteuersignal P3 zu dem gleichen Zeitpunkt wie die Schaltermenge SW1 hoch. Dies bewirkt, dass das Signal von dem Bildpunkt 103C auf den Kondensatoren C1 und C2 gespeichert wird, und diese beiden gespeicherten Signale werden jeweils als gespeichertes Bildpunktsignal 103C' und gespeichertes Bildpunktsignal 103C'' bezeichnet. Als nächstes wird die Ausgabeschaltermenge SW3 hoch, was bewirkt, dass das Bildpunktsignal 103C' von dem Kondensator C1 zu dem Zeilensignal SIG1 übertragen wird, und simultan auch bewirkt, dass das gespeicherte Bildpunktsignal 103B', das während der Taktperiode 2 gespeichert wurde, von dem Kondensator C3 an das Zeilensignal SIG2 übertragen wird. Somit enthalten die Zeilensignale SIG1 und SIG2 zu dem Zeitpunkt während der Taktperiode 3, wenn SW3 hoch wird, jeweils die Signale von den Bildpunkte 103C und 103B, die in benachbarten Zeilen sind, so wie es das Ziel des Systems ist.
Während der Taktperiode 4 wiederholt sich der Prozess so wie er es während der Taktperiode 2 tat, um zu bewirken, dass die Zeilensignale SIG1 und SIG2 jeweils die Signale von den Bildpunkten 103C und 103D enthalten, die in benachbarten Zeilen sind, so wie es das Ziel des Systems ist. Der Prozess der 3 wird wiederholt, bis alle Zeilen des Bildpunktfelds verarbeitet sind.
Bezugnehmend auf 4A ist ein Farbfiltermuster des Standes der Technik gezeigt. Dieses Farbkodierungsschema des Standes der Technik ist eines der häufigsten und verwendet ein halb grünes (G) Muster, das schachbrettartig mit Rot (R) und Blau (B) bestückt ist. Das Farbfiltermuster der 4A kann in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. 4B zeigt ein anderes Farbkodierungsschema des Standes der Technik, das gleiche Anteile von Cyan (Cy), Gelb (Ye), Weiß (W) und Grün (G) verwendet, mit dem Vorteil, dass nur zwei Filterherstellungsschritte benötigt werden, im Gegensatz zu den drei für einen RGB-Filter benötigten, da Grün durch Überlagern von Gelb und Cyan gebildet wird. In 4B kann die Farbe Rot (R) gemäß der Gleichung R = (W + Ye) – (G + Cy) gebildet werden und Blau (B) kann gemäß B = (W + Cy) – (Ye + G) gebildet werden.
Im Gegensatz dazu zeigt 4C ein erfindungsgemäßes Farbkodierungsschema für die vorliegende Erfindung, dass dieselben Anteile von grünen (G) Komponenten wie das Farbkodierungsschema der 4A des Standes der Technik verwendet, aber Gelb (Y) und Cyan (Cy) anstelle von Rot (R) und Blau (B) verwendet, um den Rest aufzufüllen. Ähnlich zu dem Farbkodierungsschema der 4B des Standes der Technik wird im Hinblick auf die Filterfertigungsmaskenschritte Grün durch Überlagern von Gelb und Cyan gebildet, womit nur zwei Filterfertigungsmaskenschritte erforderlich sind.
Falls der Farbfilter eine ideale spektrale Charakteristik hat, kann die Farbe Gelb weiterhin die Kombination aus Grün und Rot sein. Ähnlich kann Cyan die Kombination aus Grün und Blau sein. Die spezifischen Gleichungen, die von der bevorzugten Ausführungsform für das Farbkodierungsschema der 4C verwendet werden, sind Ye = Godd + αR (wobei Ye gelbe Bildpunkte sind, Godd grüne Bildpunkte neben den gelben Bildpunkten sind, die alle in Zeilen mit ungerader Numerierung liegen, R Rot ist und α eine Konstante ist), und Cy = Geven + βB (wobei Cy cyanfarbene Bildpunkte sind, Geven grüne Bildpunkte neben den cyanfarbenen Bildpunkten sind, die alle in Zeilen gerader Numerierung liegen, B Blau ist und β eine Konstante ist) und G = Godd/2 + Geven/2. Ein Auflösen der ersten Gleichung nach R ergibt: R = (Ye – Godd)/α, und ein Auflösen der zweiten Gleichung nach B ergibt: B = (Cy – Geven)/β. Ebenso sind im Hinblick auf die Ortsfrequenzkomponenten die verwendeten Gleichungen: für den Y-Kanal – Fx = 1/δx, Fy = 1/δy und für den C-Kanal – Fx = 1/2δx, Fy = 1/2δy; wobei δx die Breite einer Bildpunktkomponente und δy die Länge einer Bildpunktkomponente ist.
Bezugnehmend auf die 5A und 5B wird eine sechsspaltige, zweizeilige nicht-verschachtelte (progressive Abtastung) Lesestruktur 201 gemäß der vorlie genden Erfindung gebildet und umfasst sechs Spalten von vier Zeilen von Bildpunkten 103. Jedes der Farbkodierungsschemata der 4A, 4B oder 4C oder andere können verwendet werden. Wie gezeigt, ist für jeden Bildpunkt in jedem Block aus vier Bildpunkten in 5A vorgesehen, eine von vier Farben, CLR1, CLR2, CLR3 oder CLR4 zu haben. In dem Farbkodierungsschema der 4A sind die Farben CLR1 und CLR4 die gleichen (Grün), während in dem Farbkodierungsschema der 4C die Farben CLR2 und CLR3 die gleichen sind (Grün).
In der in 5B illustrierten Ausführungsform wird die zweizeilige Lesestruktur verdoppelt, um vier Lesekanalzeilensignale bereitzustellen. Die erste Spalte aus Bildpunkten hat Bildpunkte 103A bis 103D, die zweite Spalte hat Bildpunkte 103E bis 103H usw. bis zur sechsten Spalte, die Bildpunkte 103U bis 103X hat. Jede Zeile aus Bildpunkten wird durch ein Bildpunktsteuersignal P1, P2, P3 oder P4 gesteuert. Alle Bildpunkte in der ersten Zeile, umfassend die Bildpunkte 103A, 103E, 103I, 103M, 103Q und 103U, werden durch das Bildpunktsteuersignal P1 gesteuert. Die Bildpunkte in der zweiten, dritten und vierten Zeile werden jeweils ähnlich durch Bildpunktsteuersignale P2, P3 und P4 gesteuert.
Die Signale von den Bildpunkten in jeder der sechs Spalten von Bildpunkten werden alternierend durch sechs Signalverstärker 205 verstärkt. Wie vorher im Hinblick auf 2 beschrieben, können die Signalverstärker 205 Ladungsverstärker oder Spannungsverstärker sein und die Bildpunkte können aktiv oder passiv sein und es kann auch Abtastpuffer geben, die hinter den Kondensatoren eingesetzt werden. Die verstärkten Bildpunktsignale werden temporär in 24 Kondensatoren C1 bis C24 gespeichert, vier für jede Spalte, umfassend Kondensatoren C1 bis C4 für die erste Spalte, Kondensatoren C5 bis C8 für die zweite Spalte usw. bis zur sechsten Spalte, bei der die Signale in den Kondensatoren C21 bis C24 gespeichert werden. Das Ablegen der verstärkten Bildpunktsignale auf den 24 Kondensatoren wird durch zwei Mengen von Schaltern SW1 und SW2 gesteuert. Die gespeicherten Bildpunktsignale auf den Kondensatoren C1 bis C24 werden zu Zeilensignalen SIG1, SIG2, SIG3 und SIG4 durch zwölf Mengen von Ausgabeschaltern übertragen, zwei für jede Spalte, umfassend Schaltermengen SW3 und SW4 für die erste Spalte, Schaltermengen SW5 und SW6 für die zweite Spalte usw. bis zur sechsten Spalte, für welche die Ausgabe durch Schaltermengen SW13 und SW14 gesteuert wird. Die Zeilensignale SIG1 und SIG2 nehmen die Ausgabe von der ersten, dritten und fünften Spalte auf, während die Zeilensignale SIG3 und SIG4 die Ausgaben von der zweiten, vierten und sechsten Spalte aufnehmen. Die Signale auf den Zeilensignalen SIG1 bis SIG4 werden durch Signalverstärker 305 verstärkt und werden zu verstärkten Zeilensignalen SIG1' bis SIG4'.
Das Ziel der Schaltung in den 5A und 5B ist, auf den Paaren von Zeilensignalen SIG1 und SIG2 oder SIG3 und SIG4 simultan Signale von Bildpunkten von benachbarten Zeilen abzulegen, so dass sie weiter verarbeitet werden können. Zum Beispiel werden während einer zweiten Taktperiode (unter der Annahme, dass die erste Taktperiode verwendet wurde, um eine erste Menge von Werten zu speichern) die ersten und zweiten Bildpunkte von der ersten Spalte simultan gelesen, dann werden die ersten und zweiten Bildpunkte von der zweiten Spalte simultan gelesen usw., bis zur sechsten Spalte, bei der die ersten und zweiten Bildpunkte von dieser Spalte simultan gelesen werden.
Insbesondere wird mit Bezug auf die 5A und 5B von der ersten Spalte Bildpunkt 103A simultan mit Bildpunkt 103B jeweils an den Zeilensignalen SIG1 und SIG2 gelesen, dann wird von der zweiten Spalte Bildpunkt 103E simultan mit Bildpunkt 103F jeweils an den Zeilensignalen SIG3 und SIG4 gelesen, dann wird von der dritten Spalte Bildpunkt 103I simultan mit Bildpunkt 103J jeweils an den Zeilensignalen SIG1 und SIG2 gelesen usw. bis zur sechsten Spalte, bei der Bildpunkt 103U mit Bildpunkt 103V jeweils an den Zeilensignalen SIG3 und SIG4 simultan gelesen wird.
Während der dritten Taktperiode werden die zweiten und dritten Bildpunkte von jeder Spalte in einer ähnlichen Weise simultan gelesen. Dann werden in einer vierten Taktperiode die dritten und vierten Bildpunkte von jeder Spalte simultan gelesen. Dieses simultane Lesen von Bildpunkten aus verschiedenen Zeilen wird durch die Verwendung von Speicherkondensatoren C1 bis C24 erreicht, die die Signale von jedem Bildpunkt auf zwei Kondensatoren während verschiedenen Taktperioden speichern. Für jedes Signal werden zwei Kondensatoren benötigt, weil jedes Bildpunktsignal (mit der Ausnahme des ersten und letzten Bildpunkts in jeder Spalte) zweimal gelesen wird. Zum Beispiel wird Bildpunkt 103B simultan mit Bildpunkt 103A gelesen und dann später mit Bildpunkt 103C.
Der Betrieb des Schaltkreises der 5A und 5B wird durch das in 6 gezeigte Taktdiagramm illustriert. Nie in 6 gezeigt ist, synchronisiert ein H-SYNC-Signal die Lesezeiten der verarbeitenden Schaltung. Zu Beginn der Taktperiode 1 wird das Bildpunktsteuersignal P1 zum gleichen Zeitpunkt wie die Schaltungsmenge SW1 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der ersten Bildpunktzeile, umfassend die Bildpunkte 103A, 103E, 103I, 103M, 103Q und 103U, durch den Signalverstärker 205 verstärkt werden und in Zweiermengen auf Kondensatoren gespeichert werden. Insbesondere speichern die Kondensatoren C1 und C2 die Bildpunktsignale 103A, die Kondensatoren C5 und C6 speichern das Bildpunktsignal 103E, die Kondensatoren C9 und C10 speichern das Bildpunktsignal 103I und so weiter bis zu den Kondensatoren C21 und C22, die das Bildpunktsignal 103U speichern. Somit wird jedes der Bildpunktsignale auf zwei Kondensatoren gespeichert und diese beiden gespeicherten Bildpunktsignale werden als gespeicherte Bildpunktsignale 103A' und 103A'' für den Bildpunkt 103A bezeichnet, als gespeicherte Bildpunktsignale 103E' und 103E'' für Bildpunkt 103E usw.
Als nächstes werden die Ausgabeschalter mit ungeraden Zahlen SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 in aufeinander folgender sequentieller Reihenfolge aktiviert, was bewirkt, dass die Signale von den Kondensatoren C1, C5, C9, C13, C17 und C21 alternierend auf Zeilensignalen SIG1 und SIG3 abgelegt werden. Somit werden die Bildpunkte einer speziellen Zeile sequentiell gelesen. Bei dieser Ausführungsform kommen die Signale, die auf dem Zeilensignal SIG1 abgelegt werden, von den Kondensatoren C1, C9 und C17, welche wiederum von den Bildpunkten 103A, 103I und 103Q kommen, welche alle Farbbildpunkte CLR1 sind. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG3 kommen von den Kondensatoren C5, C13 und C21, die von den Bildpunkten 103E, 103M und 103U kommen, welche alle Farbbildpunkte CLR3 sind. Somit nimmt das Zeilensignal SIG1 das Farbsignal CLR1 der ersten Zeile auf und das Zeilensignal SIG3 nimmt das Farbsignal CLR3 der ersten Zeile auf.
Obwohl die Taktdiagramme die Namen der Bildpunktsignale zeigen (Signal 103A' ist mit A' abgekürzt, etc.), die zu den Zeilensignalen übertragen werden, nachdem die Ausgabeschaltermengen SW3 bis SW14 aktiviert werden, ist es selbstverständlich, dass die benannten Signale nicht notwendigerweise auf den Zeilensignalen für die gesamte in dem Diagramm gezeigte Taktperiode verbleiben und dort nur zum Zwecke der Illustration gezeigt werden, so als ob die Ladung von jedem der Kondensatoren zu jedem der Zeilensignale übertragen wird. Zeilensignale SIG1 und SIG2 werden simultan erhalten, so wie auch die Zeilensignale SIG3 und SIG4, obwohl die Ausgabezeilen SIG2 und SIG4 während der Taktperiode 1 nicht mit einem Signal geladen werden.
Zu Beginn der Taktperiode 2 wird das Bildpunktsteuersignal P2 zu der gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW2 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der zweiten Zeile der Bildpunkte 103B, 103F, 103J, 103N, 103R und 103V (die Farbbildpunkte CLR2 und Farbbildpunkte CLR4 umfassen) durch den Signalverstärker 205 verstärkt werden und in Zweiermengen auf Kondensatoren gespeichert werden. Insbesondere speichern die Kondensatoren C3 und C4 das Bildpunktsignal 103B, die Kondensatoren C7 und C8 speichern das Bildpunktsignal 103F, die Kondensatoren C11 und C12 speichern das Bildpunktsignal 103J usw., bis zu den Kondensatoren C23 und C24, die das Bildpunktsignal 103V speichern. Somit wird jedes der Bildpunktsignale auf zwei Kondensatoren gespeichert und diese beiden gespeicherten Bildpunktsignale werden jeweils als gespeicherte Bildpunktsignale 103B' und 103B'' für den Bildpunkt 103B, als gespeicherte Bildpunktsignale 103F' und 103F'' für Bildpunkt 103F usw. bezeichnet. Als nächstes werden die Ausgabeschalter mit geraden Zahlen SW4, SW6, SW8, SW10, SW12 und SW14 in aufeinander folgender Reihenfolge aktiviert, was bewirkt, dass die Signale von den Kondensatoren C4, C8, C12, C16, C20 und C24 abwechselnd auf den Zeilensignalen SIG2 und SIG4 abgelegt werden und auch simultan bewirkt, dass die Signale von den Kondensatoren C2, C6, C10, C14, C18 und C22, die während der Taktperiode 1 gespeichert wurden, abwechselnd auf Zeilensignalen SIG1 und SIG3 abgelegt werden.
Die Signale, die auf dem Zeilensignal SIG1 abgelegt werden, kommen von den Kondensatoren C2, C10 und C18, die während der Taktperiode 1 gespeichert wurden, welche wiederum von den Bildpunkten 103A, 103I und 103Q der ersten Zeile kommen, die alle Bildpunkte mit der Farbe CLR1 sind. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG2 kommen von den Kondensatoren C4, C12 und C20, die während der Taktperiode 2 gespeichert wurden, welche wiederum von Bildpunkten 103B, 103J und 103R der zweiten Zeile kommen, die alle Bildpunkte mit der Farbe CLR2 sind. Somit enthalten die Zeilensignale SIG1 und SIG2 an den Punkten in der Taktperiode 2, wenn die Schaltermengen SW4, SW8 und SW12 aktiviert werden, simultan jeweils Signale von den Bildpunkten 103A und 103B, dann 103I und 103J und dann 103Q und 103R. Dies sind alles simultane Lesungen der Bildpunkte mit der Farbe CLR1 der ersten Zeile mit benachbarten Bildpunkten mit der Farbe CLR2 der zweiten Zeile, wie es das Ziel des Systems ist.
In ähnlicher Weise kommen die Signale auf dem Zeilensignal SIG3, die zu alternierenden Zeiten von den simultanen Signalen auf den Ausgabezeilen SIG1 und SIG2 abgelegt werden, von den Kondensatoren C6, C14 und C22, die während der Taktperiode 1 gespeichert wurden, welche wiederum von den Bildpunkten 103E, 103M und 103U der ersten Zeile kommen, die alle Bildpunkte der Farbe CLR3 sind. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG4 kommen von den Kondensatoren C8, C16 und C24, die während der Taktperiode 2 gespeichert wurden, welche wiederum von den Bildpunkten 103F, 103N und 103V der zweiten Zeile kommen, welche alle Bildpunkte der Farbe CLR4 sind. Somit enthalten die Zeilensignale SIG3 und SIG4 an den Punkten während der Taktperiode 2, wenn die Schaltermengen SW6, SW10 und SW14 aktiviert werden, simultan jeweils Signale von den Bildpunkten 103E und 103F, dann von 103M und 103N und dann von 103U und 103V. Dies sind alles simultane Lesungen von Bildpunkten der ersten Zeile mit der Farbe CLR3 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR4, so wie es das Ziel des Systems ist. Somit ist die gesamte Ausgabe während der Taktperiode 2 ein simultanes Lesen der Bildpunkte der ersten Zeile mit der Farbe CLR1 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR2 jeweils auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2, welche sich abwechseln mit Lesungen von Bildpunkten der ersten Zeile mit der Farbe CLR3 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR4 jeweils auf Ausgabezeilen SIG3 und SIG4, in fortlaufender Reihenfolge der Bildpunkte in 5A von links nach rechts bewegend.
Zu Beginn der Taktperiode 3 wird das Bildpunktsteuersignal P3 zu der gleichen Zeit wie die Schaltungsmenge SW1 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der dritten Zeile der Bildpunkte 103C, 103G, 103K, 103O, 103S und 103W (die Bildpunkte der Farbe CLR1 und Bildpunkte der Farbe CLR3 umfassen) durch den Signalverstärker 205 verstärkt werden und in Zweiermengen auf Kondensatoren gespeichert werden. Insbesondere speichern die Kondensatoren C1 und C2 das Bildpunktsignal 103C, Kondensatoren C5 und C6 speichern das Bildpunktsignal 103G usw., bis zu den Kondensatoren C21 und C22, die das Bildpunktsignal 103W speichern. Somit wird jedes der Bildpunktsignale auf zwei Kondensatoren gespeichert und für den Bildpunkt 103C werden diese beiden gespeicherten Bildpunktsignale jeweils als gespeicherte Bildpunktsignale 103C' und 103C'' bezeichnet, und für den Bildpunkt 103G werden sie als gespeicherte Bildpunktsignale 103G' und 103G'' bezeichnet usw. Als nächstes werden die Ausgabeschalter mit ungeraden Nummern SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 in aufeinander folgender Reihenfolge aktiviert, was bewirkt, dass die Signale von den Kondensatoren C1, C5, C9, C13, C17 und C21 abwechselnd auf Zeilensignalen SIG1 und SIG3 abgelegt werden, und auch simultan bewirkt, dass die Signale von den Kondensatoren C3, C7, C11, C15, C19 und C23, die während der zweiten Taktperiode gespeichert wurden, abwechselnd auf Zeilensignalen SIG2 und SIG4 abgelegt werden.
Die Signale, die auf dem Zeilensignal SIG1 abgelegt werden, kommen von den Kondensatoren C1, C9 und C17, die während der Taktperiode 3 gespeichert wurden, die wiederum von den Bildpunkten der dritten Zeile 103C, 103K und 103S kommen, die alle Bildpunkte der Farbe CLR1 sind. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG2 kommen von den Kondensatoren C3, C11 und C19, die während der Taktperiode 2 gespeichert wurden, welche wiederum von den Bildpunkten 103B, 103J und 103R der zweiten Zeile kommen, welche alle Bildpunkte der Farbe CLR2 sind. Somit enthalten die Zeilensignale SIG1 und SIG2 an den Punkten während der Taktperiode 3, wenn die Schaltermengen SW3, SW7 und SW11 aktiviert werden, simultan jeweils Signale von den Bildpunkten 103C und 103B, dann von 103K und 103J und dann von 103S und 103R. Dies sind alles simultane Lesungen von Bildpunkten der dritten Zeile mit der Farbe CLR1 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR2, so wie es das Ziel des Systems ist.
In ähnlicher Weise kommen die Signale auf dem Zeilensignal SIG3, die zu abwechselnden Zeiten von den simultanen Signalen auf den Zeilensignalen SIG1 und SIG2 abgelegt werden, von den Kondensatoren C5, C13 und C21, die während der Taktperiode 3 gespeichert wurden, welche wiederum von Bildpunkten 103G, 103O und 103W der dritten Zeile kommen, die alle Bildpunkte der Farbe CLR3 sind. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG4 kommen von den Kondensatoren C7, C15 und C23, die während der Taktperiode 2 gespeichert wurden, welche wiederum von Bildpunkten 103F, 103N und 103V der zweiten Zeile kommen, welche alle Bildpunkte der Farbe CLR4 sind. Somit vergleichen die Zeilensignale SIG3 und SIG4 zu den Punkten während der Taktperiode 3, wenn die Schaltermengen SW5, SW9 und SW13 aktiviert sind, simultan jeweils Signale von den Bildpunkten 103G und 103F, dann von 103U und 103N und dann von 103W und 103V. Dies sind alles simultane Lesungen von Bildpunkten der dritten Zeile mit der Farbe CLR3 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR4, so wie es das Ziel des Systems ist. Somit ist die vollständige Ausgabe während der Taktperiode 3 eine simultane Lesung von Bildpunkten der dritten Zeile mit der Farbe CLR1 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR2 auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2, welche sich abwechseln mit simultanen Lesungen von Bildpunkten der dritten Zeile mit der Farbe CLR3 mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile mit der Farbe CLR4 auf Zeilensignalen SIG3 und SIG4, in fortlaufender Reihenfolge der Bildpunkte in 5A von links nach rechts bewegend.
Während der Taktperiode 4 (nicht dargestellt) wiederholt sich der Prozess so wie er es während der Taktperiode 2 getan hat, um simultane Lesungen der Bildpunkte der dritten Zeile mit der Farbe CLR1 mit benachbarten Bildpunkten der vierten Zeile mit der Farbe CLR2 auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2 zu ermöglichen, welche sich abwechseln mit simultanen Lesungen der Bildpunkte der dritten Zeile mit der Farbe CLR3 mit benachbarten Bildpunkten der vierten Zeile mit der Farbe CLR4 auf Zeilensignalen SIG3 und SIG4, in fortlaufender Reihenfolge der Bildpunkte in 5A von links nach rechts bewegend.
Die 7A und 7B illustrieren eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7A ist identisch mit der 5A, mit der Ausnahme, dass eine neue fünfte Zeile von Bildpunkten hinzugefügt wurde, so wie sie für die Taktbeschreibung der 8A, 8B, 11A und 11B wie nachfolgend beschrieben benötigt wird. Die neue fünfte Zeile von Bildpunkten ist für Bildpunkte 103Y, 103Z, 103a, 103b, 103c und 103d vorgesehen, die von links nach rechts verlaufen. Wie oben für die 5A und 5B beschrieben wurde, ist die 7B an ein Bildpunktfeld angeschlossen, wie zum Beispiel das in 7A gezeigte, so dass das Zeilensignal SIG1 schließlich Signale mit der Farbe CLR1 trägt, die Signalzeile SIG2 Signale mit der Farbe CLR2 trägt, die Signalzeile SIG3 Signale mit der Farbe CLR3 trägt und die Signalzeile SIG4 Signale mit der Farbe CLR4 trägt.
Die Schaltung der 7B kann grundsätzlich als eine verschachtelte Lesestruktur bezeichnet werden. Grundsätzlich führt eine verschachtelte Lesestruktur separate gerade und ungerade Feldleseoperationen durch, so wie es in größerem Detail nachfolgend beschrieben wird. 7B ist ähnlich zu der 5B, außer dass nur zwei Kondensatoren mit jeder Spalte aus dem sechsspaltigen Bildpunktfeld verknüpft sind, anstelle von vier Kondensatoren, so wie es in 5B gezeigt ist. So wie es im Zusammenhang mit 5B bereits beschrieben wurde, können die Signalverstärker 205 Ladungsverstärker oder Spannungsverstärker sein und die Bildpunkte können aktiv und passiv sein und es kann Abtastungspuffer geben, die nach den Kondensatoren eingefügt werden. Zum Zwecke der Illustration wurde das Nummerierungsschema der Kondensatoren der 5B beibehalten, wobei die gerade nummerierten Kondensatoren entfernt wurden. Somit sind mit der ersten Spalte Kondensatoren C1 und C3 verknüpft, mit der zweiten Spalte sind Kondensatoren C5 und C7 verknüpft usw., bis zur sechsten Spalte, mit der die Kondensatoren C21 und C23 verknüpft sind. Im Ergebnis werden nur die ungerade nummerierten Schalter SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13, die an die ungerade nummerierten Kondensatoren angeschlossen sind, zum Schalten der Signale aus den Kondensatoren benötigt. So wie es für 5B beschrieben ist, nehmen die Signalzeilen SIG1 und SIG2 die Ausgaben von der ersten, dritten und fünften Spalte auf, während die Signalzeilen SIG3 und SIG4 die Ausgaben von der zweiten, vierten und sechsten Spalte aufnehmen.
Der Betrieb der Lesestruktur der 7A und 7B wird durch die in den 8A, 8B und 9 gezeigten Taktdiagramme illustriert. Die 8A und 8B sind grundsätzlich ähnlich mit 6, außer dass 8A Taktdiagramme für einen geraden Feldlesebetrieb und 8B Taktdiagramme für einen ungeraden Feldlesebetrieb zeigt. 9 zeigt das Gesamttaktdiagramm sowohl für 8A als auch für 8B für einen Frame eines TV-Takts.
So wie es in 8A gezeigt ist, synchronisiert ein H-SYNC-Signal die Lesezeiten der verarbeitenden Schaltung. Zu Beginn der Taktperiode 1 wird das Bildpunktsteuersignal P1 zur gleichen Zeit wie die Schaltungsmenge SW1 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der ersten Zeile von Bildpunkten, umfassend die Bildpunkte 103A, 103E, 103I, 103M, 103Q und 103U durch den Signalverstärker 205 verstärkt werden und jeweils auf den Kondensatoren C1, C5, C9, C13, C17 und C21 gespeichert werden. Als nächstes wird das Bildpunktsteuersignal P2 zu der gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW2 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der zweiten Zeile von Bildpunkten, umfassend Bildpunkte 103B, 103F, 103J, 103N, 103R und 103V durch die Signalverstärker 205 verstärkt werden und jeweils auf Kondensatoren C3, C7, C11, C15, C19 und C23 gespeichert werden. Als nächstes werden die Ausgabeschalter SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 in aufeinander folgender Reihenfolge aktiviert, was bewirkt, dass die Signale von benachbarten Bildpunkten, die auf den Kondensatoren gespeichert wurden, simultan auf Paaren der Signalzeilen SIG1 und SIG2 oder SIG3 und SIG4 abgelegt werden. Es ist anzumerken, dass die Signalzeile SIG1 alle Bildpunktsignale der Farbe CLR1 aufnimmt (von den Bildpunkten 103A, 103I und 103Q), während die Signalzeile SIG2 alle Bildpunktsignale der Farbe CLR2 aufnimmt (von den Bildpunkten 103B, 103J und 103R). Auch nimmt die Signalzeile SIG3 alle Bildpunktsignale der Farbe CLR3 auf (von den Bildpunkten 103E, 103M und 103U), während die Signalzeile SIG4 alle Bildpunktsignale der Farbe CLR4 aufnimmt (von den Bildpunkten 103F, 103N und 103V). In dieser Weise wird während der Taktperiode 1 die gesamte erste Zeile von Bildpunkten auf die Signalzeilen SIG1 und SIG3 ausgelesen, während die gesamte zweite Zeile von Bildpunkten auf die Signalzeilen SIG2 und SIG4 ausgelesen wird. Dadurch wird das Ziel des Systems erreicht, durch simultanes Auslesen von Bildpunkten der ersten Zeile mit benachbarten Bildpunkten der zweiten Zeile, ähnlich zu der obigen Beschreibung der 6, während der Taktperiode 2.
So wie es in 8A illustriert ist, wiederholt sich während der Taktperiode 2 der Prozess, der während der Taktperiode 1 auftrat, außer dass während der Taktperiode 2 das Bildpunktsteuersignal P3 zu der gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW1 hoch wird und danach das Bildpunktsteuersignal P4 zu der gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW2 hoch wird. Dies bewirkt, dass die Bildpunktsignale von der ersten und vierten Zeile von Bildpunkten in der gleichen Weise auf den Kondensatoren gespeichert werden, wie die erste und zweite Zeile während der Taktperiode 1. Die Schalter SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 werden dann in aufeinander folgender Reihenfolge aktiviert. Dies bewirkt, dass die Bildpunktsignale von benachbarten Bildpunkten in der dritten und zweiten Zeile des Bildpunktfelds simultan auf Paare von Signalzeilen SIG1 und SIG2 oder SIG3 und SIG4 ausgelesen werden.
Der Prozess wiederholt sich in Taktperiode 2 der 8B, außer dass das Bildpunktsteuersignal P5 zu der gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW1 hoch wird, woraufhin das Bildpunktsteuersignal P4 zu der gleichen Zeit wie die Schalter menge SW2 hoch wird. Die Schalter SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 werden dann in aufeinander folgender Reihenfolge aktiviert. Dies bewirkt, dass Bildpunktsignale von benachbarten Bildpunkten in den Zeilen fünf und vier des Bildpunktfeldes simultan auf Paare von Signalzeilen SIG1 und SIG2 oder SIG3 und SIG4 ausgelesen werden.
9 illustriert die Gesamttaktbetriebe der 8A und 8B koordiniert für einen Frame eines TV-Takts. In dem Beispiel der 9 werden ungefähr 480 Zeilen von Bildpunkten in dem ausgelesenen Bildpunktfeld angenommen, wodurch ungefähr 240 Perioden in jedem der geraden und ungeraden Felder benötigt werden. Es ist gezeigt, dass ein Steuersignal V-SYNC zuerst das Auslesen der geraden Felder koordiniert und dann das Auslesen der ungeraden Felder koordiniert. Das gerade Feld und das ungerade Feld kombinieren sich, um einen Frame eines TV-Takts zu bilden.
So wie es oben beschrieben wird, weicht der Lesebetrieb für die Taktdiagramme der 8A und 8B für die Verschachtelungsstruktur von derjenigen der Taktdiagramme der 6 für eine Nicht-Verschachtelungsstruktur ab, indem in den 8A und 8B jedes Bildpunktsignal nur einmal gespeichert werden braucht, wobei in 6 jedes Bildpunktsignal zweimal gespeichert werden muss. Dies ist der Fall, weil in 6 für eine Nicht-Verschachtelungsstruktur jeder Bildpunkt erst mit dem benachbarten Bildpunkt in der Zeile davor verglichen wird, und dann in der nächsten Taktperiode mit dem benachbarten Bildpunkt in der Zeile danach verglichen wird. Somit wird Zeile 1 zunächst mit Zeile 2 verglichen, dann wird Zeile 2 mit Zeile 3 verglichen, dann wird Zeile 3 mit Zeile 4 verglichen, usw. Im Gegensatz dazu wird in den 8A und 8B für eine Verschachtelungslesestruktur jeder Bildpunkt nur mit einem benachbarten Bildpunkt für eine gegebene Lesung eines geraden oder ungeraden Felds verglichen. Somit wird in dem geraden Feld Zeile 1 mit Zeile 2 verglichen, dann wird Zeile 3 mit Zeile 4 verglichen, dann wird Zeile 5 mit Zeile 6 verglichen, usw., während für das ungerade Feld Zeile 2 mit Zeile 3 verglichen wird, dann wird Zeile 4 mit Zeile 5 verglichen, usw. Somit wird sowohl bei der Nicht-Verschachtelungsstruktur als auch bei der Verschachtelungslesestruktur jedes Bildpunktsignal zweimal gespeichert, obwohl es in der Nicht-Verschachtelungsstruktur zweimal zur gleichen Zeit gespeichert wird, während es in der Verschachtelungsstruktur einmal während des geraden Felds und einmal während des ungeraden Felds gespeichert wird. Im Ergebnis benötigt die Schaltung der 7B nur halb so viele Speicherkondensatoren wie sie von 5B benötigt werden.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 10 illustriert. 10 illustriert einen Verschachtelungsschaltkreis, der grundsätzlich ähnlich zur 7B ist, in der nur die Hälfte der Anzahl der Kondensatoren der 5B benötigt wird. 10 unterscheidet sich von 7B darin, dass nur zwei Lesekanalsignalzeilen, SIG1 und SIG2, verwendet werden, anstatt der vier Lesekanalsignalzeilen SIG1 bis SIG4, die in 7B verwendet werden. Somit sind alle Schalter SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 nur an die Signalzeilen SIG1 und SIG2 gekoppelt. Im Ergebnis werden die Signale von allen Bildpunkten 103 entweder auf der Signalzeile SIG1 oder auf der Signalzeile SIG2 abgelegt.
Die 11A und 11B illustrieren die Taktdiagramme des geraden und ungeraden Felds für den Schaltkreis der 10. Die Taktung für den H-SYNC, die Bildpunktsteuersignale P1 bis P4 und die Schalter SW1, SW2, SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 sind identisch mit denjenigen für die geraden und ungeraden Felder der 8A und 8B.
So wie es in 11A illustriert ist, werden während der Taktperiode 1 die Bildpunktsignale von der gesamten ersten Zeile der Bildpunkte (von den Bildpunkten 103A, 103E, 103I, 103M, 103Q und 103U) auf die Signalzeile SIG1 ausgelesen und die Signale von der gesamten zweiten Zeile der benachbarten Bildpunkte (von den Bildpunkten 103B, 103F, 103J, 103N, 103R und 103V) werden simultan auf die Signalzeile SIG2 ausgelesen. Während der Taktperiode 2 werden die Bildpunkte von der dritten und vierten Zeile der Bildpunkte simultan auf das Paar der Signalzeilen SIG1 und SIG2 ausgelesen. 11B wiederholt diesen Prozess, außer dem Auslesen der dritten und zweiten Zeile der Bildpunkte während der Taktperiode 1, und der fünften und vierten Zeile der Pixel während der Taktperiode 2.
Somit illustrieren die 5B, 7B und 10 alle verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, die es erlauben, dass zwei oder mehr Zeilen aus Bildpunkten simultan unter Verwendung einer Technologie ausgelesen werden, wie zum Beispiel Kondensatoren oder anderen Speicherzellen, die außerhalb der Bildpunkte aber auch leicht auf einem MOS-Chip herzustellen sind. Die Schaltung der 7A mit vier Lesekanälen hat verschiedene Vorteile gegenüber der Schaltung der 10, die nur zwei Lesekanäle hat. Wie oben beschrieben, kann mit vier Lesekanälen jede der vier Farben des Bildpunktfelds in einen separaten Lesekanal geleitet werden. Diese Struktur erlaubt es, die Farbverarbeitungsschaltungen gegenüber der Zwei-Lesekanalstruktur dramatisch zu vereinfachen. In der Zwei-Lesekanalstruktur liest jeder Kanal zwei Farben, die dann vor Durchführung einer Farbverarbeitung getrennt werden müssen.
Ein weiterer Vorteil der Schaltung der 7B gegenüber derjenigen der 10 ist, dass die Geschwindigkeitsanforderung halbiert wird. Dies ist der Fall, weil mit vier Kanälen anstelle von zwei Kanälen jedes Bildpunktsignal auf einem entsprechenden Kanal zweimal so lange verbleiben kann und die gleiche Gesamtausleserate erreicht wird. Zum Beispiel wird das Signal von dem Bildpunkt 103A auf der Signalzeile SIG1 abgelegt, wenn der Schalter SW3 hoch ist, aber nicht entfernt, bis der Schalter SW7 hoch ist, so wie es für die Signalzeile SIG1 während der Taktperiode 1 in 8A zu sehen ist. Im Gegensatz dazu wird das Signal von dem Bildpunkt 103A, wie in 11A während der Taktperiode 1 zu sehen ist, auf der Signalzeile SIG1 abgelegt, wenn der Schalter SW3 hoch ist, und ent fernt, wenn der Schalter SW5 hoch ist. Somit ist das Bildpunktsignal von dem Bildpunkt 103 imstande, auf der Signalzeile SIG1 in 8A zweimal so lang zu verbleiben, wie in der 11A.
12 illustriert eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 12 ist ähnlich zu der 5A, mit der Ausnahme, dass jede Zeile des Bildpunktfelds verdoppelt wurde, um eine hochempfindliche Verschachtelungsfarbstruktur zu erzeugen, so wie es nachfolgend detailliert beschrieben wird. Jede Zeile des Bildpunktfeldes der 5A wird in 12 in zwei separaten Zeilen wiederholt gezeigt, wobei die erste Zeile als eine gerade Zeile vorgesehen ist und die zweite Zeile als eine ungerade Zeile vorgesehen ist. Somit ist die erste Zeile von 5A, die die Bildpunkte 103A, 103E, 103I, 103M, 103Q und 103U umfasst, nun in 12 mit einer geraden Zeile, umfassend Pixel 103A_e, 103E_e, 103I_e, 103M_e, 103Q_e und 103U_e (der Index „e" bedeutet „gerade"), und einer ungeraden Zeile, umfassend die Bildpunkte 103A_o, 103E_o, 103I_o, 103M_o, 103Q_o und 103U_o (der Index „o" bedeutet „ungerade") gezeigt. In ähnlicher Weise umfassen die nächsten beiden Zeilen Bildpunkte 103B_e, 103F_e, 103J_e, 103N_e, 103R_e und 103V_e und Bildpunkte 103B_o, 103F_o, 103J_o, 103N_o, 103R_o und 103V_o und die nächsten beiden Zeilen umfassen Bildpunkte 103C_e, 103G_e, 103K_e, 103O_e, 103S_e und 103W_e und 103C_o, 103G_o, 103K_o, 103O_o, 103S_o und 103E_o. In ähnlicher Weise haben die Steuersignale für Auslesungen der Zeilen gerade und ungerade Bestimmungen, umfassend Steuersignale P1_e und P1_o für jeweils die erste und zweite Zeile, Steuersignale P2_e und P2_o für jeweils die dritte und vierte Zeile und Steuersignale P3_e und P3_o für jeweils die fünfte und sechste Zeile. Die Anzahl der Zeilen und Spalten in 12 ist nur zum Zwecke der Illustration gezeigt, da eine tatsächliche Ausführungsform unterschiedliche Anzahlen von Zeilen und Spalten haben kann.
Wie es in 12 illustriert ist, werden auch die Farbbestimmungen, die für jeden der Bildpunkte von dem Feld der 5A vergeben werden, in Bezug auf die Bildpunktstruktur der 12 verdoppelt. Somit bestimmen die Bildpunkte der ersten und zweiten Zeilen von links nach rechts abwechselnd die Farben CLR1 und CLR3, während die Bildpunkte der dritten und vierten Zeile abwechselnd für die Farben CLR2 und CLR4 bestimmt sind und die Bildpunkte der fünften und sechsten Zeile abwechselnd für die Farben CLR1 und CLR3 bestimmt sind. Zusätzliche Zeilen würden nach diesem Muster fortfahren.
Das Bildpunktfeld der 12 wird in Kombination mit der Lesestruktur der 5B als eine Verschachtelungslesestruktur verwendet, in der separate Lesebetriebe für gerade und ungerade Felder durchgeführt werden, so wie es mit Bezug auf die 13A und 13B nachfolgend beschrieben wird. Die 13A und 13B illustrieren die Taktdiagramme des geraden und ungeraden Felds für die Bildpunktfelder und die Lesestruktur der 12, so wie sie in Kombination mit der Lesestruktur der 5B verwendet wird. Alle Taktsignale, die in den 13A und 13B gezeigt sind, sind ähnlich zu den Taktsignalen, die vorher in 6 illustriert sind. Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Taktsignalen für die 13A und 13B und für die 6 ist, dass während in 6 Signale von Bildpunkten von benachbarten Zeilen simultan auf Paaren von Zeilen abgelegt werden, so dass sie weiter verarbeitet werden können, werden in den 13A und 13B Signale von Bildpunkten von Zeilen, die durch eine einzelne Zeile voneinander getrennt sind, simultan auf Paaren von Zeilen abgelegt, so dass sie weiter verarbeitet werden können. Während in 6 Signale simultan von der ersten und zweiten Zeile und dann der zweiten und dritten Zeile ausgelesen werden, werden somit in 13A Signale von der ersten und dritten Zeile und dann von der dritten und fünften Zeile ausgelesen, während in 13B Signale von der zweiten und vierten Zeile und dann von der vierten und sechsten Zeile ausgelesen werden, so wie es nachfolgend detailliert beschrieben wird.
Wie in 13A gezeigt ist, synchronisiert ein H-SYNC-Signal die Lesezeiten der verarbeitenden Schaltung. 9 illustriert den Gesamt-TV-Takt. Zu Beginn der Taktperiode 1 wird das Steuersignal P1_e zu der gleichen Zeit wie Schaltermenge SW1 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der ersten Zeile der Bildpunkte, umfassend Bildpunkte 103A_e, 103E_e, 103I_e, 103M_e, 103Q_e und 103U_e von den Signalverstärkern 205 verstärkt werden und in Zweiermengen auf Kondensatoren gespeichert werden. Somit wird jedes Bildpunktsignal auf zwei Kondensatoren gespeichert und diese beiden gespeicherten Bildpunktsignale werden als gespeichertes Bildpunktsignal 103A_e' und 103A_e'' für den Bildpunkt 103A_e bezeichnet, Bildpunktsignale 103E_e' und 103E_e'' für den Bildpunkt 103E_e usw.
Als nächstes werden Ausgabeschalter mit ungeraden Zahlen SW3, SW5, SW7, SW9, SW11 und SW13 in aufeinander folgender sequentieller Reihenfolge aktiviert, was bewirkt, dass die Signale von der ersten Zeile sequentiell gelesen werden. In dieser Ausführungsform, sind die Signale, die auf den Zeilensignalen SIG1 abgelegt werden alle Bildpunktsignale der Farbe CLR1. Die Signale auf den Zeilensignalen SIG3 sind alle Bildpunkte der Farbe CLR3. Somit nimmt das Zeilensignal SIG1 die Signale der Farbe CLR1 der ersten Zeile auf und das Zeilensignal SIG3 nimmt die Signale der Farbe CLR3 der ersten Zeile auf.
Zu Beginn der Taktperiode 2 wird das Bildpunktsteuersignal P2e zur gleichen Zeit wie die Schaltermenge SW2 hoch. Dies bewirkt, dass die Signale von der dritten Zeile der Bildpunkte 103B_e, 103F_e, 103J_e, 103N_e, 103R_e und 103V_e (welche Bildpunkte der Farbe CLR2 und Bildpunkte der Farbe CLR3 umfassen) durch die Signalverstärker 205 verstärkt werden und in Zweiermengen auf den Kondensatoren gespeichert werden. Somit wird jedes Bildpunktsignal auf zwei Kondensatoren gespeichert und diese beiden gespeicherten Bildpunktsignale werden gespeicherte Bildpunktsignale 103B_e' und 103B_e'' für den Bildpunkt 103B_e und gespeicherte Bildpunktsignale 103F_e' und 103F_e'' für den Bildpunkt 103F_e usw. bezeichnet. Als nächstes werden die Ausgabeschalter mit geraden Zahlen SW4, SW6, SW8, SW10, SW12 und SW14 in aufeinander folgender Reihenfolge aktiviert, was bewirkt, dass die Signale von der dritten Zeile abwechselnd auf Zeilensignalen SIG2 und SIG3 abgelegt werden und auch simultan bewirkt, dass die Signale von der ersten Zeile, die während der Taktperiode 1 gespeichert wurden, abwechselnd auf den Zeilensignalen SIG1 und SIG3 abgelegt werden.
Die Signale, die auf dem Zeilensignal SIG1 abgelegt werden, sind alle Bildpunkte der Farbe CLR1. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG2 sind alle Bildpunkte der Farbe CLR2. Somit umfassen die Zeilensignale SIG1 und SIG2 an den Punkten in der Taktperiode 2, wenn die Schaltermengen SW4, SW8 und SW12 aktiviert werden, simultan Signale von den Bildpunkten 103A_e und 103B_e, dann von 103I_e und 103J_e und dann von 103Q_e und 103R_e. Dies sind alles simultane Lesungen der Bildpunkte der ersten Zeile der Farbe CLR1 mit Bildpunkten der dritten Zeile der Farbe CLR2, die jeweils durch einen einzelnen Bildpunkt der zweiten Zeile getrennt sind, so wie es das Ziel des Systems ist.
In ähnlicher Weise sind die Signale auf dem Zeilensignal SIG3 alle Bildpunkte der Farbe CLR3. Die Signale auf dem Zeilensignal SIG4 sind alle Bildpunkte der Farbe CLR4. Somit umfassen die Zeilensignale SIG3 und SIG4 an den Punkten während der Taktperiode 2, wenn die Schaltermengen SW6, SW10 und SW14 aktiviert werden, jeweils simultan Signale von den Bildpunkten 103E_e und 103F_e, dann von 103M_e und 103N_e und dann von 103U_e und 103V_e. Dies sind alles simultane Lesungen der Bildpunkte der Farbe CLR3 der ersten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR4 der dritten Zeile, die durch einen einzelnen Bildpunkt der zweiten Zeile getrennt sind, so wie es das Ziel des Systems ist. Somit ist die vollständige Ausgabe während der Taktperiode 2 eine simultane Lesung der Bildpunkte der Farbe CLR1 der ersten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR2 der dritten Zeile jeweils auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2, abwechselnd mit simultanen Lesungen der Bildpunkte der Farbe CLR3 der ersten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR4 der dritten Zeile jeweils auf Zeilensignalen SIG3 und SIG4, in aufeinander folgender Reihenfolge der Bildpunkte in 12 von links nach rechts bewegend.
Der Prozess wiederholt sich in ähnlicher Weise während der Taktperiode 3, so dass die vollständige Ausgabe während der Taktperiode 3 simultane Lesungen der Bildpunkte der Farbe CLR1 der fünften Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR2 der dritten Zeile auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2 sind, abwechselnd mit simultanen Lesungen der Bildpunkte der Farbe CLR3 der fünften Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR4 der dritten Zeile auf Zeilensignalen SIG3 und SIG4 in aufeinander folgender Reihenfolge der Bildpunkte in 12, von links nach rechts bewegen.
Die Taktsignale der 13B sind identisch mit denjenigen der 13A, mit der Ausnahme, dass die vorgesehenen ungeraden Zeilen, die die zweite, vierte und sechste Zeile der 12 umfassen, ausgelesen werden. Somit ist die vollständige Ausgabe während der Taktperiode 2 der 13B die simultane Lesung der Bildpunkte der Farbe CLR1 der zweiten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR2 der vierten Zeile auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2, abwechselnd mit simultanen Lesungen der Bildpunkte der Farbe CLR3 der zweiten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR4 der vierten Zeile auf Bildsignalen SIG3 und SIG4, in aufeinander folgender Reihenfolge der Bildpunkte in 12 von links nach rechts bewegen. In ähnlicher Weise ist die vollständige Ausgabe während der Taktperiode 3 eine simultane Lesung der Bildpunkte der Farbe CLR1 der sechsten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR2 der vierten Zeile auf Zeilensignalen SIG1 und SIG2, abwechselnd mit simultanen Lesungen der Bildpunkte der Farbe CLR3 der sechsten Zeile mit Bildpunkten der Farbe CLR4 der vierten Zeile auf Zeilensignalen SIG3 und SIG4, in aufeinander folgender Reihenfolge der Bildpunkte in 12 von links nach rechts bewegen.
Durch Verdoppeln der Farbstruktur der Zeilen in dem Feld ist das hochempfindliche Schema, das in den 12, 13A und 13B illustriert ist, imstande, dass die geraden und ungeraden Felder komplementäre Mengen jeder zweiten Zeile lesen, anstatt zu erfordern, dass jedes Feld jede Zeile liest. Weil jedes Feld dadurch nur halb so viele Zeilen liest wie anderenfalls notwendig wäre, kann die maximale Belichtungszeit für die Bildpunkte, die vorher nur erlaubte ein Feld zu lesen, nun erlauben, in der gleichen Zeit zwei Felder zu lesen. Alternativ kann die Belichtungszeit für die Bildpunkte zum Lesen jeder Zeile verdoppelt werden. Das Endresultat ist, dass die Leseempfindlichkeit der Vorrichtung als Ganzes insgesamt verdoppelt wird. Zusätzlich erlaubt dieses Leseschema, dass die horizontale Auflösung die gleiche bleibt, während die geringere vertikale Auflösung, die aus dem Lesen nur jeder zweiten Zeile resultiert, durch Verwendung einer vertikalen Aperturkorrektur tatsächlich kompensiert werden kann. Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustriert und beschrieben wurde, ist es anzuerkennen, dass darin verschiedene Veränderungen gemacht werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können in der Lesestruktur der 5B durch Ändern des Takts und des Ablegens der Schalter SW3 bis SW14 die Signalzeilen SIG1 bis SIG4 selbst für Kombinationen von Farben von mehr als einem Bildpunkt dienen, wie zum Beispiel SIG1 für Cy + G, SIG2 für Ye + Mg, SIG3 für Cy + Mg und SIG4 für Ye + G, wobei Cy Cyan ist, Ye Gelb ist und Mg Magenta ist, so wie es bei vielen CCD-Farbbildsensoren verwendet wird.
Als weiteres Beispiel wurde die vorliegende Beschreibung im Zusammenhang mit dem Lesen von benachbarten Zeilen eines Bildpunktfeldes gegeben. Jedoch ist es anzuerkennen, dass benachbarte Spalten genauso leicht gelesen werden können, wobei der Unterschied zwischen einer Zeile und einer Spalte für ein Bildpunktfeld lediglich ein semantischer ist. Obwohl die Speichervorrichtungen, die verwendet werden, um die Bildpunkte zu speichern, Kondensatoren sind, ist es auch anzuerkennen, dass jedes Schaltungselement, das eine Speicherfähigkeit hat, verwendet werden kann, wie zum Beispiel DRAMs, SRAMs, EEPROMs und dergleichen. Auch kann die hier beschriebene Struktur leicht auf mehr Zeilen als die gezeigten angepasst werden. Während eine Farb-TV-Verarbeitung normalerweise zweizeilige Strukturen verwendet, können andere Anwendungen viel mehr verwenden. Auch kann die Lesung von verschieden beabstandeten Zeilen oder mit verschiedenen Lesestrukturen durchgeführt werden, während dennoch die gleichen grundsätzlichen Prinzipien anwendbar sind, während die Ausführungsform der hochempfindlichen Verschachtelungsfarbstruktur so illustriert wird, dass unter Verwendung der Lesestruktur der 5B jede zweite Zeile während der geraden und ungeraden Felder gelesen wird. Somit ist die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern sollte nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Ein Farbbildmonochip-MOS-Bildsensor umfassend: ein Bildpunktfeld (101), das aus einer Vielzahl von individuellen Bildpunkten gebildet ist, die als Zeilen und Spalten organisiert sind, eine Lesestruktur (201), die wenigstens zwei Ausgabezeilen hat und mit dem Bildpunktfeld verbunden ist, um ein simultanes Lesen von Bildpunkten von der ersten Zeile und einer zweiten Zeile zu einem anfänglichen Zeitpunkt und ein simultanes Lesen von Bildpunkten von der zweiten Zeile und einer dritten Zeile zu einem späteren Zeitpunkt zu ermöglichen, wobei die Lesestruktur umfasst: (a) eine erste Menge von Speicherkondensatoren (C1, C2), wobei die erste Menge von Speicherkondensatoren wenigstens zwei Kondensatoren hat, die mit jeder Spalte des Bildpunktfelds verbunden sind; (b) eine erste Menge von Schaltern (SW1) zum selektiven Anlegen von Signalen von einer ersten Zeile des Bildpunktfelds an der ersten Menge von Speicherkondensatoren (C1, C2) zu dem anfänglichen Zeitpunkt, wobei das Signal von jedem individuellen Bildpunkt der ersten Zeile in den Kondensatoren von der ersten Menge von Speicherkondensatoren gespeichert wird, die zu dem anfänglichen Zeitpunkt mit der Spalte des individuellen Bildpunkts verbunden sind, wobei die erste Menge von Schaltern auch selektiv Signale von einer dritten Zeile des Bildpunktfelds an der ersten Menge von Speicherkondensatoren zu dem späteren Zeitpunkt anlegt; (c) eine zweite Menge von Speicherkondensatoren (C3, C4), wobei die zweite Menge von Speicherkondensatoren wenigstens zwei Kondensatoren hat, die mit jeder Spalte des Bildpunktfelds verbunden sind; und (d) eine zweite Menge von Schaltern (SW2) zum selektiven Anlegen von Signalen von einer zweiten Zeile des Bildpunktfelds an der zweiten Menge von Speicherkondensatoren (C3, C4), wobei das Signal von jedem individuellen Bildpunkt der zweiten Zeile in den Kondensatoren von der zweiten Menge von Speicherkondensatoren gespeichert wird, die mit der Spalte des individuellen Bildpunkts verbunden sind.
Bildsensor nach Anspruch 1, wobei wenigstens zwei der Zeilensignale an den Ausgabezeilen (SIG1, SIG2) zu festgelegten Zeitpunkten Signale von Bildpunkten von benachbarten Zeilen und der selben Spalte simultan umfassen.
Bildsensor nach Anspruch 2, wobei die simultanen Zeilensignale auf den Ausgabezeilen (SIG1, SIG2) abwechselnd mit einer anderen Menge von simultanen Zeilensignalen an einer zweiten Menge von Ausgabezeilen (SIG3, SIG4) angelegt werden und wobei die Zeilen des Bildpunktfelds unterteilt werden in Erst- und Zweit-Zeilen-Gruppen, wobei die Erst-Zeilen-Gruppe und die Zweit-Zeilen-Gruppe in einer abwechselnden Weise verschachtelt sind, um das Feld zu bilden, und ein Farbfiltermuster, das abwechselnde erste und dritte Farbfilter auf der Erst-Zeilen-Gruppe und abwechselnde zweite und vierte Farbfilter auf der Zweit-Zeilen-Gruppe umfasst.
Bildsensor nach Anspruch 1, des weiteren umfassend eine dritte Menge von Schaltern (SW3, SW4 ..., SW14) zum selektiven Auslesen der Signale von der ersten und zweiten Menge von Speicherkondensatoren auf eine Menge von Ausgabezeilen als Zeilensignale.
Bildsensor nach Anspruch 1, wobei die referenzierten ersten und zweiten Zeilen des Bildpunktfelds (101) einander benachbart sind und wobei die referenzierten ersten und zweiten Zeilen von einer dritten Zeile gefolgt sind.
Bildsensor nach Anspruch 5, wobei die Signale von den Bildpunkten der ersten und zweiten Zeilen während eines geraden Felds simultan ausgelesen werden und die Signale von den Bildpunkten der zweiten und dritten Zeilen während eines ungeraden Felds simultan ausgelesen werden.