DE69902663T2

DE69902663T2 - Reduzierung von streifenförmigen störungen in cmos bildsensoren

Info

Publication number: DE69902663T2
Application number: DE69902663T
Authority: DE
Inventors: F. Lyon; A. Mead; B. Merrill; M. Turner
Original assignee: Foveon Inc
Current assignee: Foveon Inc
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2003-01-09
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: EP1088444A2; EP1150494A3; WO1999066709A3; EP1150494A2; TW451584B; DE69910838D1; DE69902663D1; EP1088444B1; EP1150494B1; WO1999066709A2; DE69910838T2; KR20010071494A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildpunktsensor- Matrixstruktur, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist und die Folgendes aufweist: eine Vielzahl Bildpunktcensoren, die in einer Matrix angeordnet sind, eine Spaltenleitung für jede Spalte dieser Matrix, wobei jede dieser Spaltenleitungen mit den zu dieser Spalte gehörigen Bildpunktsensoren gekoppelt ist, eine Vielzahl Verbrauchergeräte, wobei jedes dieser Verbrauchergeräte einen mit einer entsprechenden der Spaltenleitungen gekoppelten ersten Anschluss hat, eine Vielzahl Spaltenwahlschalter, wobei jeder dieser Spaltenwahlschalter einen ersten und einen zweiten Anschluss hat, wobei der erste Anschluss dieser Spaltenwahlschalter mit einer entsprechenden der Spaltenleitungen gekoppelt ist, und eine gemeinsame Leitung, wobei diese gemeinsame Leitung mit dem zweiten Anschluss jedes dieser Spaltenwahlschalter und mit einem Pufferverstärker gekoppelt ist.

2. Stand der Technik

Integrierte Bildsensoren sind in der Technik bekannt. Neue Fortschritte in den Bildsensor-Technologien haben es möglich gemacht, dass diese Sensoren nach der komplementären Metalloxid-Halbleiter-Technologie (complementary metal oxide semiconductor - CMOS) hergestellt werden.
CMOS-Bildsensoren und Bildsensorschaltungen können auf eine ähnliche Weise organisiert werden, wie sie in der Parallelanmeldung, die bisher noch nicht veröffentlicht ist unter der Nummer 08/969,383, eingereicht am 13. November 1997, offenbart. Einzelne Bildpunktsensoren können auf eine Reihe verschiedener Arten ausgelegt werden. Eine mögliche Auslegung eines Bildpunktsensors ist in Fig. 1 dargestellt. Ein Bildpunktsensor 10 weist eine Fotodiode 12 auf, deren Anode mit einem festen Spannungspotenzial 14 verbunden ist (in Fig. 1 als Masse dargestellt). Die Kathode der Fotodiode 12 kann mit einem Verstärker 16 verbunden werden. Die Kathode der Fotodiode 12 kann auch über einen Rückstellschalter 20 mit einem Referenzpotenzial Vref 18 verbunden werden, so dass die Fotodiode 12 in Sperrrichtung betrieben wird. Der Ausgang des Verstärkers 16 ist an einem Zeilenwahlschalter 22 angebracht, der mit einer Zeilenwahlleitung 24 und einer Spaltenleitung 26 verbunden ist.
Der in Fig. 1 dargestellte Bildpunktsensor wird wie folgt betrieben. Zuerst wird der Bildpunktsensor 10 durch Einschalten des Rückstellschalters 20 rückgesetzt. Dann wird der Rückstellschalter 20 abgeschaltet, so dass die Integration des Fotostroms von der Fotodiode 12 beginnen kann. Der Strom von der Fotodiode 12 wird an der Kapazität des Eingangsknotens des Verstärkers 16 integriert, um ein Spannungssignal zu bilden. Zu gegebener Zeit wird die Spannung auf der Zeilenwahlleitung erhöht, wodurch die Zeilenwahlschalter 22 jedes Bildpunktsensors 10 in der Zeile aktiviert werden. Damit kann der Verstärker 16 die Spaltenleitung 26 ansteuern. Die Spaltenleitung 26 führt dann nach unten zu weiteren Schaltungen, die das Signal typischerweise verstärken und speichern und dann das Signal in eine digitale Form wandeln, damit es in einen digitalen Bildpunktstrom einbezogen werden kann.
Eine andere mögliche Auslegung eines Bildpunktsensors ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Auslegung eines Bildpunktsensors gestattet die Speicherung des Signals im Bildpunktsensor und wird deshalb als speichernder Bildpunktsensor 30 bezeichnet, während der Bildpunktsensor von Fig. 1 als nicht speichernder Bildpunktsensor bezeichnet wird. Der speichernde Bildpunktsensor 30 weist eine Fotodiode 32 auf, deren Anode mit einem festen Spannungspotenzial 34 verbunden ist (in Fig. 2 als Masse dargestellt). Die Kathode der Fotodiode 32 kann über einen Übertragungsschalter 38 mit einem Speicherkondensator 36 verbunden werden. Der Speicherkondensator 36 hat eine erste Platte, die mit dem Übertragungsschalter 38 verbunden ist, und eines zweite Platte, die mit einem festen Potenzial verbunden ist (in Fig. 2 als Masse 34 dargestellt). Die Kathode der Fotodiode 32 kann auch über einen Rückstellschalter 42 mit einem Referenzpotenzial Vref 40 verbunden werden, so dass die Fotodiode 32 in Sperrrichtung betrieben wird. Der Eingang eines Verstärkers 44 ist mit dem Speicherkondensator 36 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 44 ist an einem Zeilenwahlschalter 46 angebracht, der mit einer Zeilenwahlleitung 48 und einer Spaltenleitung 50 verbunden ist.
Der in Fig. 2 dargestellte Bildpunktsensor wird wie folgt betrieben. Zuerst wird der Bildpunktsensor 30 rückgesetzt, indem sowohl der Rückstellschalter 42 als auch der Übertragungsschalter 38 eingeschaltet werden. Dann wird der Rückstellschalter 42 abgeschaltet, so dass die Integration des Fotostroms von der Fotodiode 32 beginnen kann. Da der Übertragungsschalter 38 eingeschaltet ist, addiert sich während der Integration die Kapazität des Speicherkondensators 36 zur Kapazität der Fotodiode 32, wodurch die Ladungskapazität und dadurch der Intensitätsbereich des speichernden Bildpunktsensors erhöht wird. Dies verringert auch Schwankungen des Bildpunktausgangs aufgrund von Kapazitätsschwankungen, da die Kapazität des Gate-Oxids, aus dem der Speicherkondensator 36 gebildet ist, besser gesteuert wird als die Sperrschichtkapazität der Fotodiode 12.
Ist die Integration abgeschlossen (bestimmt durch die Belichtungssteuerungsschaltung; nicht dargestellt), wird der Übertragungsschalter abgeschaltet, wodurch der der integrierten Fotoladung im Speicherkondensator 36 entsprechende Spannungspegel getrennt wird. Kurz darauf wird die Fotodiode 32 selbst auf die Referenzspannung 40 rückgesetzt, indem der Rückstellschalter 42 erneut eingeschaltet wird. Diese Aktion verhindert eine Fortsetzung der Integration der Fotodiode 32 während des Ausleseprozesses und einen eventuellen Überlauf der überschüssigen Ladung in das Substrat, was die Integrität des Signals im Speicherelement beeinträchtigen könnte.
Nachdem der Rückstellschalter 42 erneut eingeschaltet worden ist, kann der Ausleseprozess beginnen. Zu gegebener Zeit wird die Spannung auf der Zeilenwahlleitung erhöht, wodurch die Zeilenwahlschalter 46 jedes Bildpunktsensors 30 in der Zeile aktiviert werden. Dadurch kann der Strom vom Verstärker 44 zur Spaltenleitung 50 fließen. Die Spaltenleitung 50 ist mit weiteren Schaltungen gekoppelt, die das Signal typischerweise verstärken und dann in eine digitale Form wandeln, damit es in einen digitalen Bildpunktstrom einbezogen werden kann.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Bildpunktsensormatrix mit der umgebenden Architektur zeigt. Die Bildpunktsensoren sind in einer Bildpunktsensormatrix 70 organisiert. Die Zeilenwahlleitung jeder Zeile Bildpunktsensoren ist mit einem Zeilendecodierer 72 verbunden. Je nach der Architektur der Bildpunktsensoren kann die Verbindung mit dem Zeilendecodierer auch mittels einer Übertragungswahlleitung hergestellt werden. Der Zeilendecodierer 72 empfängt einen Zeilenwahlimpuls 74 und aktiviert die Zeilenwahlschalter in der entsprechenden Zeile der Bildpunktsensoren. Auch hier kann je nach der Architektur der Bildpunktsensoren der Zeilendecodierer einen Übertragungsgateimplus 76 empfangen oder nicht, der die Übertragungsschalter in der entsprechenden Zeile der Bildpunktsensoren aktiviert. Es ist ebenfalls möglich, eine Matrix mit nur einer einzigen Zeile Bildpunktsensoren vorzusehen. Dies ist als lineare Bildgebungseinrichtung bekannt.
Der Ausgang jeder Zeile Bildpunktsensoren wandert über die Spaltenleitungen 50 nach unten zu Spaltenabtast- und -Multiplexschaltungen 87. Dieser Block verstärkt und multiplext jede der Spaltenleitungen, indem jeweils eine gewählt wird, was in einem Strom verstärkter Signale resultiert. Dieser Strom passiert einen Analog-/Digitalwandler 80, so dass der Ausgang ein Strom digitaler Informationen ist. Der Block 78 mit den Spaltenabtastschaltungen und dem Multiplexer kann auch die Signale vorübergehend speichern, z. B. um eine Subtraktion eines Störsignals in korrelierten Doppelabtastarchitekturen vorzunehmen. Sowohl die Spaltenabtastschaltungen mit dem Multiplexer 78 als auch der Zeilendecodierer 72 werden von einem Zähler 82 gesteuert.
Des Weiteren ist eine gemeinsame Rückstellleitung vorgesehen, die mit dem Rückstellschalter jedes Bildpunktsensors verbunden ist. Außerdem kann bei Auslegungen, die jeden Typ Bildpunktsensor verwenden, eine korrelierte Doppelabtastschaltung hinzugefügt werden, um die vom Bildpunktsensor erzeugte Störung zu verringern.
Die korrelierte Doppelabtastung kann auf zahlreiche verschiedene Arten durchgeführt werden, aber ihre Funktion lässt sich anhand des folgenden Beispiels allgemein darlegen. Fig. 4 ist ein Diagramm einer Schaltung, das ein Beispiel einer Spaltendoppelabtastschaltung 100 zeigt. Eine dieser Schaltungen kann an jeder Spaltenleitung angeordnet werden. Der Abtastprozess verläuft wie folgt. Zuerst wird der Signalpegel für jeden Bildpunktsensor ausgelesen und in der Abtastschaltung in der Spalte gespeichert. Danach wird der Übertragungsschalter (nur für diese Zeile) erneut eingeschaltet, wodurch der Referenzpegel der Abtastschaltung zur Verfügung gestellt wird. Diese Form der doppelten Abtastung gestattet die Beseitigung von Störungsquellen im Bildpunktsensor, die sich im Vergleich zur Zeit zwischen zwei Abtastungen langsam ändern.
Mit der ersten Signalspannung (V1), die links am Kondensator 104 anliegt, wird der Schalter 106 eingeschaltet. Die über den Kondensator 104 gespeicherte Spannung ist gleich der Signalspannung V1. Danach wird der Schalter 106 abgeschaltet und die Spannung an der ersten Platte des Kondensators 104 geht auf einen neuen Pegel (V2), der die Referenzspannung darstellt. Die Spannung über den Kondensator 104 ändert sich während dieser Zeit nicht, da ein vernachlässigbarer Strom in den Verstärker 102 oder durch den Schalter 106 fließt. Somit ändern sich beide Platten des Kondensators 104 um (V2-V1) und die Spannung am Eingang des Verstärkers 102 am Ende des Zyklus beträgt (V2-V1). Auf diese Weise können Störungen, Offsets etc. vom Ausgang der Matrix subtrahiert werden. Dem Durchschnittsfachmann ist bekannt, dass es noch andere zum Stand der Technik gehörige CDS-(correlated double sampling - korrelierte Doppelabtastung) Schaltungen und -Architekturen gibt. Eine CDS-Schaltung mit einer CMOS-aktiven Bildpunktsensormatrix wurde von Akimoto et al. in US-Patent Nr. 4,942,474 beschrieben.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel der Auslegung des Blocks 78 mit Spaltenabtastschaltungen und einem Multiplexer von Fig. 3 zeigt. Jede Spaltenleitung 120 ist mit einem Spaltenverstärker 122 gekoppelt, der eine CDS-Funktion enthalten kann. Der Spaltenverstärker 122 ist dann mit dem Multiplexer 124 gekoppelt. Der Multiplexer 124 empfängt den Eingang von einem Adresssignal 126, das auswählt, welche Spalte aktuell zum Ausgang geschickt werden sollte. Das Adresssignal 126 kann mit einem Zähler oder einer anderen Schaltung gekoppelt sein, die die Spaltenadresssequenz steuert. Ein Signal, das für die Spannung an der gewählten Spaltenleitung 120 repräsentativ ist, wird dann typischerweise an einen Analog-/Digitalwandler ausgegeben.
Fixierte Strukturstörungen (fixed pattern noise - FPN) sind sichtbare Artefakte, die durch Schwankungen in ausgegebenen Bildpunktwerten aufgrund von Geräte- und Verbindungs-Fehlanpassungen über einen Bildsensor verursacht werden. Es gibt mehrere verschiedene Arten fixierter Strukturstörungen, die häufigsten sind jedoch statistische Störungen und streifenförmige Störungen. Statistische Störungen weisen statistische Schwankungen der individuellen Bildpunkte auf. Streifenförmige Störungen dagegen weisen statistische Schwankungen von einer Spalte zur anderen auf, was in senkrechten auf dem Bild erscheinenden Balken resultiert. Der Begriff "streifenförmige Störungen" bezieht sich eigentlich nur auf in einer Dimension auftretende Streifen, da Streifen, die in anderen Dimensionen auftreten, normalerweise kein Problem sind.
Obwohl es mehrere Faktoren gibt, die die Intensität fixierter Strukturstörungen beeinflussen, stellen Differenzen der Offsets und Verstärkungsfaktoren zwischen den Verstärkern den wichtigsten Faktor dar. Im Allgemeinen resultieren Differenzen der Offsets und Verstärkungsfaktoren zwischen den Verstärkern der Bildpunktsensoren in statistischen Störungen, während Differenzen der Offsets und Verstärkungsfaktoren zwischen den Verstärkern der Spalten in streifenförmigen Störungen resultieren. Dies erklärt, warum streifenförmige Störungen bei ladungsgekoppelten Bildsensoren (wo die Spaltenverstärker nicht verwendet werden) ein geringeres Problem darstellen als in CMOS-Bildsensoren (wo die Spaltenverstärker normalerweise verwendet werden). Die statistischen Störungen können durch die Anwendung des korrelierten Doppelabtastens erheblich verringert werden; diese Technik hat jedoch auf streifenförmige Störungen nur einen geringen oder gar keinen Einfluss.
Ein weiteres Problem ergibt sich bei CMOS-Bildsensoren, die die korrelierte Doppelabtastung verwenden dadurch, dass die Anwendung der korrelierten Doppelabtastung kontraproduktiv sein kann. A. El Gamal, B. Fowler, H. Min und Xinqiao Liu: Modeling and Estimation of FPN Components in CMOS Image Sensors; Proceedings of SPIE, Januar 1998, Jhrg. 3301, S. 168-177, offenbaren, dass CDS zwar statistische Störungen aber streifenförmige Störungen kaum reduziert, so dass ein Bild resultiert, bei dem nahezu sämtliche Störungen als streifenförmige Störungen vorliegen. Fig. 6 und 7 sind Grauskalen- Bilder aus dem Artikel von E1 Gamal, die den ziemlich nachteiligen Effekt von CDS zeigen. Fig. 6 ist ein Grauskalenbild, das die in einem System ohne CDS erzeugten fixierten Strukturstörungen darstellt. Die Varianz der streifenförmigen Störungen beträgt 451.611, während die Varianz der statistischen Störungen 7.144.450 beträgt. Dies ergibt ein Varianzverhältnis statistische Störungen : streifenförmige Störungen von 15,8.
Fig. 7 ist ein Grauskalenbild, das die in einem System mit CDS erzeugten fixierten Strukturstörungen darstellt. Während Fig. 7 erheblich weniger statistische Störungen zeigt, sind die streifenförmigen Störungen sehr viel stärker ausgeprägt. Statistische Störungen sind im Allgemeinen weniger unangenehm als streifenförmige Störungen und sind nützlich zur Abdeckung der Intensität der streifenförmigen Störungen. Deshalb kann die Verringerung der statistischen Störungen ohne gleichzeitige Verringerung der streifenförmigen Störungen mehr Probleme verursachen als lösen. Die Varianz der streifenförmigen Störungen beträgt 80.900 und die Varianz der statistischen Störungen beträgt 4.155. Dies ergibt ein Varianzverhältnis statistischen Störungen. streifenförmige Störungen von 0,05. Je höher also das Varianzverhältnis ist, umso weniger auffällig sind die streifenförmigen Störungen. Weitere Untersuchungen haben ergeben, dass eine Architektur bevorzugt wird, bei der die fixierten Strukturstörungen aufgrund statistischer Schwankungen der Bildpunkte mindestens dem Hundertfachen der Varianz oder mindestens dem Zehnfachen des Effektivwertes (root mean squate - rms) der fixierten Strukturstörungen aufgrund streifenförmiger Störungen entsprechen, um die streifenförmigen Störungen hinreichend abzudecken.
Eine Bildpunktsensor-Matrixstruktur des zu Beginn beschriebenen Typs wird in der EP 0 665 685 A2 offenbart. Das Rücksetzen der Spalten bei diesem Sensor ist ziemlich kompliziert und die Verbrauchergeräte sind ziemlich teuer. Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Bildpunktsensor-Matrixstruktur mit einfachem Rücksetzen der Spalten und einem einfachen Verbrauchergerät vorzuschlagen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Architektur, die streifenförmige Störungen mit fixierter Struktur in CMOS-Bildsensoren verringert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Architektur, die ein schnelles Auslesen der Bildpunkte ohne Spaltenverstärker ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Architektur, die auf eine solche Weise funktioniert, dass der Effektivwert der fixierten Strukturstörungen aufgrund von statistischen Schwankungen der Bildpunkte mindestens dem Zehnfachen des Effektivwertes der streifenförmigen Störungen mit fixierter Struktur entspricht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Architektur, die die dynamische Verwendung eines Source-Folger-Verstärkertransistors des Bildpunktsensors gestattet, um Ladung auf einer Spaltenleitung zu speichern und Spaltensignale nur durch Ladungsteilung auszulesen, um dazu beizutragen, die anderen Aufgaben zu erfüllen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Architektur, die die effektive Kapazität einer gemeinsamen Ausgangsleitung verringert, um die Beruhigung zu beschleunigen und das Verwischen der Spaltensignale über eine Zeile zu verringern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die in Anspruch 1 offenbarte Erfindung bietet eine Lösung für die oben erläuterten Probleme. Einzelheiten und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 19 dargelegt.
Eine Bildpunktsensor-Matrixstruktur, die das Ausmaß der streifenförmigen Störungen mit fixierter Struktur verringert, enthält eine Vielzahl in einer Matrix angeordneter Bildpunktsensoren; eine Spaltenleitung für jede Spalte der Matrix, wobei jede Spaltenleitung mit den zu der betreffenden Spalte gehörigen Bildpunktsensoren gekoppelt ist; eine Vielzahl Verbrauchergeräte, wobei jedes Verbrauchergerät mit einer der Spaltenleitungen und mit einem Spaltenrückstell-Referenzpotenzial gekoppelt ist; eine Vielzahl Spaltenwahlschalter, wobei jeder Spaltenwahlschalter mit einer der Spaltenleitungen gekoppelt ist; und eine gemeinsame Leitung, wobei die gemeinsame Leitung mit den Spaltenwahlschaltern und einem Pufferverstärker gekoppelt ist.
Ein Pufferverstärker mit Verstärkungsfaktor eins kann mit der gemeinsamen Leitung und einer passiven Abschirmung gekoppelt werden, die die Funktion hat, die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung zu verringern. Die Spaltenwahlschalttransistoren können mit einer ringförmigen Auslegung konzipiert werden, um die Kapazität, die sie zur gemeinsamen Leitung hinzufügen, zu verringern. Die Verbrauchergeräte können mit relativ großer Länge und Breite (d. h. groß relativ zur Gerätemindestgröße bei dieser Technologie) konzipiert werden, um Schwankungen ihrer Ruheströme auf einem Minimum zu halten. Alternativ können die Verbrauchergeräte als Spaltenrückstellschalter betrieben werden.
Die Bildpunktwerte einer bestimmten Zeile können dann wie folgt ausgelesen werden: alle Spaltenleitungen in der Matrix werden auf ein Spaltenreferenzpotenzial, z. B. Masse, unter Verwendung der Spaltenrückstellschalter entladen; die Spaltenrückstellschalter werden abgeschaltet und eine Spaltenwahlleitung wird für eine entsprechende Zeile auf High getrieben, wodurch die Source-Folger mit den Spaltenleitungen verbunden werden; Warten, bis die Spaltenleitungen nach einer vorgegebenen Zeit geladen sind; Wählen immer nur einer Spaltenleitung zur Verbindung mit der gemeinsamen Leitung, wodurch die Ladungen zwischen der gewählten Spaltenleitung und der gemeinsamen Leitung geteilt werden; und Puffern der Spannungen auf der gemeinsamen Leitung. Ein FIR-Filter mit zwei Abgriffen kann mit dem Matrix-Verstärker gekoppelt werden, um Bildpunktwerte zu korrigieren, die bei schnellem Multiplexen verwischt werden können. Die Matrixstruktur kann so konzipiert werden, dass der Effektivwert der fixierten Strukturstörungen aufgrund von statistischen Schwankungen der Bildpunkte mindestens dem Zehnfachen des Effektivwertes der streifenförmigen Störungen mit fixierter Struktur entspricht, so dass eventuell erscheinende streifenförmige Störungen sehr viel weniger stark wahrnehmbar sind.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für einen CMOS- Bildpunktsensor ohne Speicherfunktion zeigt, wie er im Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 2 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel für einen CMOS- Bildpunktsensor mit Speicherfunktion zeigt, wie er im Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Bildsenasormatrix und der umgebenden Architektur zeigt, wie im Stand der Technik bekannt.
Fig. 4 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel einer Spaltendoppelabtastschaltung zeigt, wie sie im Stand der Technik bekannt ist.
Fig. 5 ist ein Schaltplan, der ein Beispiel des Blocks der Spaltenabtastschaltungen mit Multiplexer von Fig. 3 zeigt, wie im Stand der Technik bekannt.
Fig. 6 ist ein Grauskalenbild der fixierten Strukturstörungen, wie sie in einem System ohne CDS erzeugt werden.
Fig. 7 ist ein Grauskalenbild, das die in einem System mit CDS erzeugten fixierten Strukturstörungen zeigt.
Fig. 8 ist ein Schaltplan, der eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Fig. 9 ist ein Signalflussdiagramm, das die implizite Repräsentation der Spaltenausleseanordnung mit geteilten Ladungen als lineares zeitdiskretes Filter erster Ordnung darstellt.
Fig. 10 ist ein Signalflussdiagramm, das ein FIR-Filter mit zwei Abgriffen zur Korrektur des Verwischens des Bildpunktausgangs darstellt.
Fig. 11 ist ein Auslegungszeichnung, die einen Spaltenwahlschalter mit ringförmiger Auslegung zeigt.
Fig. 12A ist ein Auslegungsdiagramm der Draufsicht einer passiven Abschirmung auf mehreren Ebenen.
Fig. 12A ist ein Auslegungsdiagramm einer Seitenansicht der passiven Abschirmung auf mehreren Ebene entlang der Schnittlinie 12B-12B in Fig. 12A.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Dem Durchschnittsfachmann wird bewusst werden, dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur zur Veranschaulichung dient und in keiner Weise einschränkend ist.
Andere Ausführungsformen der Erfindung werden sich für den Fachmann ohne Weiteres als naheliegend aufzeigen.
Fig. 8 ist ein Schaltplan, der eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bildpunktsensoren 150 sind in einer Matrix organisiert wie im Stand der Technik bekannt. Fig. 8 zeigt eine Matrix mit drei Zeilen und drei Spalten, aber die vorliegende Erfindung kann mit einer Bildpunktmatrix angewendet werden, die jede beliebige Größe haben kann. Jeder Bildpunktsensor kann mit einer Spaltenleitung 152 und einer Zeilenwahlleitung 154 gekoppelt werden wie in Fig. 1 bis 2 dargestellt. Die Bildpunktsensoren 150 können von einem beliebigen Typ sein und sind nicht auf die in Fig. 1 bis 2 beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Im Multiplexerblock 156 werden die Spaltenleitungen 151 mit Verbrauchergeräten 158 gekoppelt, die einen Ruhestrom bereitstellen können. Die Verbrauchergeräte 158 können mit relativ großer Fläche hergestellt werden, um statistische Schwankungen ihrer Ruheströme zu verringern. Die Verbrauchergeräte sollten eine Länge und Breite in der Größenordnung von mindestens dem Mehrfachen der Mindestgröße der in der Technologie üblichen Geräte wie ein Rückstelltransistor haben und können sogar nach besser arbeiten, wenn ihre Gate-Flächen mindestens dem Hundertfachen der Gate-Fläche eines Transistors der Mindestgröße entspricht. Alternativ können die Verbrauchergeräte 158 mit einem ersten Potenzial wie Masse und mit einer Spaltenrückstellleitung 160 gekoppelt werden, wodurch die Verbrauchergeräte 158 als Spaltenrückstellschalter fungieren können.
Die Spaltenleitungen 152 sind auch mit Spaltenwahlschaltern 162 gekoppelt. Die Spaltenwahlschalter können eine Auslegung jedes beliebigen Typs wie etwa MOS-Transistoren sein. Die Spaltenwahlschalter werden von einem Decodierer aktiviert und mit einer gemeinsamen Leitung 164 auf eine solche Weise verbunden, dass dann, wenn das entsprechende Signal vom Decodierer empfangen wird, der Spaltenwahlschalter 162 aktiviert wird und das Signal von dieser Spalte auf die gemeinsame Leitung 164 fließt. Die gemeinsame Leitung 164 ist mit einem Pufferverstärker 166 gekoppelt, der das Signal verstärkt.
Die Verwendung eines einzigen Pufferverstärkers und nicht einer Vielzahl Spaltenverstärker verringert die streifenförmigen Störungen mit fixierter Struktur, da es keine Schwankungen bedingt durch den Offset und den Verstärkungsfaktor jedes Spaltenverstärkers mehr gibt. Ein Nachteil dieses Konzepts ist, dass die Beruhigungszeitkonstante der gemeinsamen Leitung hoher Kapazität, die nur von dem kleinen Verstärker im Bildpunktsensor getrieben wird, offensichtlich ziemlich langsam ist. Dies würde es normalerweise erschweren, eine hohe Bildpunktsignalrate zu erhalten. Wird jedoch das Multiplexen der Schaltung schnell durchgeführt, beruhigt sich die Spannung auf der gemeinsamen Leitung nicht auf einem asymptotischen Wert, sondern beruhigt sich statt dessen schnell auf einem Wert, der von der Ladungsteilung zwischen der Spaltenleitung und der gemeinsamen Leitung bestimmt wird, wobei eine Zeitkonstante eher durch den Spaltenwahlschalter als durch den Verstärker des Bildpunktsensors begrenzt wird. Es handelt sich nicht um den gleichen Wert, der ausgelesen würde, wenn die Schaltung mit einer niedrigen Multiplex-Geschwindigkeit betrieben würde, aber er steht mit diesem über eine einfache zeitdiskrete Funktion erster Ordnung in Beziehung.
Schließt der Spaltenwahlschalter gleichen sich die Potenziale auf der Spaltenleitung und der gemeinsamen Leitung durch Ladungsverschiebung von einer zur anderen wie erforderlich aus. Das endgültige Potenzial ist eine lineare Kombination der beiden Potenziale vor dem Schließen des Schalters, wobei das Spaltenleitungspotenzial mit 1 - b und das Potenzial der gemeinsamen Leitung mit b gewichtet wird, wobei b das Verhältnis der Kapazität der gemeinsamen Leitung zur Summe der Kapazitäten von gemeinsamer Leitung und Spaltenleitung ist. Fig. 9 zeigt diese Operation als Signalflussdiagramm eines rekursiven zeitdiskreten Filters erster Ordnung, in dem die Abtastverzögerung 186 der Speicherung des vorigen Signals der Spalte auf der gemeinsamen Leitung entspricht, und Multiplizierer 182 und 188 die genannten Gewichte sind. Werden die Spalten relativ schnell zur Zeitkonstante, die zu dem die Spaltenleitung treibenden Bildpunktsensor gehört, gewählt, dann ist dieses Filter ein gutes Modell der resultierenden durch den letzten Verstärker ausgelesenen Signale.
Die Anordnung mit Ladungsteilung zum Auslesen der Spalte ist also im Wesentlichen ein zeitdiskretes Filter, das die Bildpunktwerte verschmiert. Jeder verschmierte ladungsgeteilte Ausgangswert (n) ist die gewichtete Summe des idealen Spaltensignals w(n) und des vorigen Ausgangs x(n - 1), wobei das ideale Spaltensignal mit 1 - b und das vorige Signal mit b gewichtet wird, wobei b das Verhältnis der Kapazität der gemeinsamen Leitung zur Summe der Kapazitäten der gemeinsamen Leitung und der Spaltenleitung ist.
Nunmehr sei erneut auf Fig. 8 verwiesen, wo ein nicht rekursives (finite impulse response - FIR) Filter mit zwei Abgriffen 172 verwendet werden kann, um das Verschmieren oder Verwischen der Bildpunktwerte zu korrigieren. Es solches Filter ist in Fig. 10 dargestellt. Ein Eingang aus verschmierten Bildpunktwerten 192 wird vom Matrixverstärker empfangen und an eine Verzögerungseinheit 194 geschickt. Der Bildpunkteingang 192 wird außerdem an einen Multiplizierer 198 geschickt. Der Ausgang der Verzögerungseinheit 194 wird außerdem an einen Mulitplizierer 196 geschickt. Der Multiplizierer 198 multipliziert dann x(n) mit 1 + a, wobei a die Kapazität der gemeinsamen Leitung dividiert durch die Kapazität der Spaltenleitung ist. Ein Multiplizierer 196 multipliziert dann x(n - 1) mit -a. Ein Addierer 200 addiert die Ausgänge der Multiplizierer 196, 198, womit ein korrigierter Bildpunktausgang (1 + a)x(n) - ax(n - 1) erreicht wird, der theoretisch genau gleich ist dem ursprünglichen Spaltensignal w(n), wenn der Koeffizient korrekt gewählt wurde.
Selbst mit der Addition des FIR-Filters mit zwei Abgriffen gibt es immer noch einige kleinere Nachteile, die eingebracht werden, wenn die Schaltung mit den Verbrauchergeräten als Ruhestromquellen verwendet wird. Die Verbrauchergeräte sind immer noch eine potenzielle Ursache für streifenförmige Störungen. Die Ruheströme fließen immer während des Auslesens in allen Spalten, um die Spalten auf der korrekten Spannung geladen zu halten, so dass Energie in erheblichem Umfang verschwendet wird. Der als Source-Folger wirkende Bildpunktverstärker spricht in dem Zeitpunkt, in dem die Spalte gewählt wird und sich die Spannung auf der Spaltenleitung ändert, nicht linear an, was eine schwache Nichtlinearität in das resultierende zeitdiskrete Filter einbringt.
Um diese Problematik anzugehen, kann das gesamte System dynamisch betrieben werden, wobei die lineare Ladungsteilung als einziger Mechanismus verwendet wird, um das Signal auszugeben. Für jede Zeile werden alle Spaltenleitungen nach Masse entladen, wobei das Verbrauchergerät als ein Spaltenrückstellschalter verwendet wird. Der Spaltenrückstellschalter wird dann abgeschaltet und die Zeilenwahlleitung wird über eine vorgegebene Zeitspanne aktiviert, wodurch die Verstärker in den Bildpunktsensoren mit den Spaltenleitungen verbunden werden, wo sie eher gegen die Dynamik der Aufladung der Kapazität der Spaltenleitung als gegen eine Last durch die Stromquelle arbeiten. Die Spannungen auf den Spaltenleitung steigen logarithmisch an und zwar ca. 60 mv pro Einheit des Zehnerlogarithmus der Zeitdauer, während der sie eingeschaltet sind, und nicht exponentiell zu einer Asymptote.
Nach einer vorgegebenen Zeit werden die Spaltenrückstellschalter abgeschaltet. Die Leitungen werden auf Spannungen in einer bekannten vorgegebenen Beziehung zu den Signalen an den Eingängen der Bildpunktsensoren mit statistischen Schwankungen, die von den jeweiligen Verstärkern, aber nicht von den Spaltenleitungen abhängen, geladen, da die Kapazitäten der Spaltenleitungen gut angepasst sind. Dann wird jeweils eine Spaltenleitung zur Verbindung mit der gemeinsamen Leitung gewählt, wobei die Ladungen zwischen der gewählten Spaltenleitung und der gemeinsamen Leitung geteilt werden und dadurch eine sehr lineare zeitdiskrete gefilterte Version der Sequenz der Spaltensignale über die Zeile erzeugt wird, die wenig oder gar nicht von der Rate oder Dauer der Spaltenwahlsignale abhängt. Die Auslegung und die zeitliche Abstimmung des Spaltendecodierers, der die Spaltenwahlschalter treibt, müssen sorgfältig vorgenommen werden, wie unter Fachleuten bekannt ist, um sicherzustellen, dass keine Störimpulse auftreten, da diese ein unerwünschtes Teilen der Ladung mit Spalten verursachen können, die nicht gewählt werden sollen.
Ein weiteres potenzielles Problem, das angesprochen werden kann, ist die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung, die so hoch sein kann, dass dadurch die Ladungsteilung die Spaltensignale über die Zeile stark verwischen kann. Bezugnehmend auf Fig. 8 kann dem entgegengewirkt werden, indem ein Pufferverstärker mit dem Verstärkungsfaktor eins 168 auf ähnliche Weise wie der Matrixverstärker 166 mit der gemeinsamen Leitung gekoppelt wird. Der Ausgang dieses Verstärkers mit Verstärkungsfaktor eins 168 wird jedoch als passive Abschirmung 170 um die gemeinsame Leitung 164 verwendet, wodurch die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung und das Verwischen verringert werden. Die passive Abschirmung 170 kann auf mehrere Ebenen aus Metall über, unter und seitlich von der gemeinsamen Leitung 164 angeordnet werden, um die effektive Kapazität deutlich zu verringern.
Ein weiteres optionales Merkmal, das die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung verringert, besteht darin, die Gate- Elektrode jedes Spaltenwahlschalttransistors so zu konzipieren, dass sie ringförmig um den Ausgangsanschluss der gemeinsamen Leitung ausgelegt ist. Fig. 11 ist eine Auslegungszeichnung, die einen Wahlschalttransistor mit ringförmiger Auslegung zeigt. Die Gate-Elektrode 210 umgibt den Source/Drain-Anschluss 212 vollständig, so dass dieser eine geringe Kapazität relativ zum Source/Drain-Anschluss 214 hat, wodurch die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung, mit der der Source/Drain-Anschluss 212 verbunden ist, verringert wird.
Fig. 12A ist eine Teilauslegungszeichnung einer passiven Abschirmung auf mehreren Ebenen um die gemeinsame Leitung. Fig. 12B ist ein entsprechender Querschnitt entlang der Schnittlinie 12B-12B in Fig. 12A. Eine gemeinsame Leitung 220 auf der Metall-2-Ebene ist durch Öffnungen in den isolierenden Oxidschichten mit jedem ringförmigen Spaltenwahl-Schalt-MOS-Transistor über ein Metal-1-Plättchen 232 verbunden. Die passive Abschirmung enthält vorzugsweise mehrere umgebende Abschnitte: einen unteren Metall-1-Abschnitt 224 mit einer Öffnung um das Plättchen 232; flankierende Metall-2-Abschnitte 226 und 228; und einen oberen Metal-3-Abschnitt 230 (nur in Fig. 12B dargestellt). Das Gate 222 des ringsförmigen MOS-Transistors ist ebenfalls dargestellt wie auch die zum ringförmigen MOS-Transistor gehörigen Feldoxidbereiche 236 und der Dünnoxidbereich 234.
Es ist außerdem günstig, die Schaltung auf eine solche Weise zu konzipieren, dass die fixierten Strukturstörungen aufgrund statistischer Schwankungen der Bildpunkte mindestens die 100- fache Varianz (den 10-fachen Effektivwert) der fixierten streifenförmigen Störungen haben, so dass die statistische Struktur des Bildes eventuell vorhandene restliche Streifenstruktur abdeckt. Zum Stand der Technik gehörige Systeme mit CDS haben typischerweise einen stärkeren streifenförmigen als statistischen Fehler.
Um nochmals auf Fig. 8 zu sprechen zu kommen, kann es auch hilfreich sein, einen Kondensator 174, der mit jeder Spaltenleitung 152 verbunden ist, hinzuzufügen. Dieser Kondensator kann dann auf ein festes Spannungspotenzial z. B. Masse bezogen werden. Dies würde Verwischen weiter verringern und wäre besonders vorteilhaft, wenn die Bildpunktsensormatrix nur eine Zeile hat, eine als lineare Bildgebungsmatrix bekannte Konfiguration.

Claims

1. Auf einem Halbleitersubstrat angeordnete Bildpunktsensor- Matrixstruktur, die Folgendes aufweist:

eine Vielzahl Bildpunktsensoren (150), die in einer Matrix angeordnet sind;

eine Spaltenleitung (152) für jede Spalte dieser Matrix, wobei jede dieser Spaltenleitungen (152) mit den zu der betreffenden Spalte gehörigen Bildpunktsensoren (150) gekoppelt ist;

eine Vielzahl Verbrauchergeräte (158), wobei jedes dieser Verbrauchergeräte (158) einen mit einer entsprechenden der Spaltenleitungen (152) gekoppelten ersten Anschluss hat, jedes dieser Verbrauchergeräte (158) mit einer Spaltenrückstellleitung gekoppelt ist, wobei die Spaltenrückstellleitung (160) zur Steuerung jedes der Verbrauchergeräte (158) als Spaltenrückstellschalter arbeitet;

eine Vielzahl Spaltenwahlschalter (162), wobei jeder dieser Spaltenwahlschalter (162) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss hat, wobei der erste Anschluss jedes dieser Spaltenwahlschalter (162) mit einer entsprechenden der Spaltenleitungen (152) gekoppelt ist; und

eine gemeinsame Leitung (164), wobei diese gemeinsame Leitung (164) mit dem zweiten Anschluss jedes dieser Spaltenwahlschalter (162) und mit einem Pufferverstärker (166) gekoppelt ist.

2. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der jedes dieser Verbrauchergeräte (158) einen mit einem ersten Potenzial gekoppelten zweiten Anschluss hat.

3. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der jedes dieser Verbrauchergeräte (158) einen Ruhestrom bereitstellt.

4. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der jedes dieser Verbrauchergeräte (158) eine Fläche in der Größenordnung von mindestens dem Hundertfachen der Fläche einer in der Technologie üblichen Mindestgerätegröße hat, um regellose Schwankungen ihrer Ruheströme zu minimieren.

5. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der jeder dieser Spaltenwahlschalter (162) des Weiteren mit einem Spaltendecodierer gekoppelt ist.

6. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, die des Weiteren enthält:

einen Pufferverstärker (168) mit Verstärkungsfaktor eins mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Eingang mit der gemeinsamen Leitung (164) gekoppelt und der Ausgang mit einer passiven Abschirmung verbunden ist.

7. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 6, bei der die passive Abschirmung auf mehreren Lagen aus Metall um die gemeinsame Leitung (164) vorgesehen ist, um die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung (164) zu verringern.

8. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der die Spaltenwahlschalter (162) in einer ringförmigen Auslegung konzipiert sind, um die Kapazität auf ein Mindestmaß zu senken, die sie zur gemeinsamen Leitung (164) hinzufügen.

9. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, die des Weiteren ein mit dem Pufferverstärker (166) gekoppeltes FIR- Filter mit zwei Abgriffen enthält.

10. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der jeder dieser Bildpunktsensoren (150) ein nicht speichernder Bildpunktsensor ist.

11. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 10, bei der jeder dieser nicht speichernden Bildpunktsensoren Folgendes aufweist:

eine Photodiode mit einem mit einem ersten Potenzial gekoppelten ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss;

einen Halbleiter-Rückstellschalter mit einem mit dem zweiten Anschluss der Photodiode gekoppelten ersten Anschluss und einem mit einem Rückstellpotenzial, das die Photodiode umgekehrt vorspannt, verbundenen zweiten Anschluss;

einen Halbleiterverstärker mit einem mit dem zweiten Anschluss der Photodiode verbundenen Eingang und einem Ausgang; und

einen Zeilenwahlschalter mit ersten und zweiten Hauptanschlüssen und einem Steueranschluss, wobei der Steueranschluss mit einer Zeilenwahlleitung entsprechend der Zeile, in der sich der Bildpunktsensor befindet, gekoppelt ist, der erste Hauptanschluss mit dem Ausgang des Halbleiterverstärkers gekoppelt ist und der zweite Hauptanschluss mit der Spaltenleitung entsprechend der Spalte, in der sich der Bildpunktsensor befindet, gekoppelt ist.

12. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch nach Anspruch 1, bei der jeder dieser Bildpunktsensoren (150) ein speichernder Bildpunktsensor ist.

13. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 12, bei jeder dieser speichernden Bildpunktsensoren Folgendes aufweist:

ein kapazitives Speicherelement mit einem mit einem fixierten Potenzial gekoppelten ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss;

einen Halbleiter-Rückstellschalter mit einem mit dem zweiten Anschluss der Photodiode gekoppelten ersten Anschluss und einem mit einem Rückstellpotenzial, das die Photodiode umgekehrt vorspannt, gekoppelten zweiten Anschluss;

einen Halbleiterumschalter mit einem mit dem zweiten Anschluss der Photodiode gekoppelten ersten Anschluss und einem mit dem zweiten Anschluss des kapazitiven Speicherelements gekoppelten zweiten Anschluss;

einen Halbleiterverstärker mit einem mit dem zweiten Anschluss des kapazitiven Speicherelements verbundenen Eingang und einem Ausgang; und

14. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Pufferverstärker (168) mit Verstärkungsfaktor eins enthält, der einen Eingang und einen Ausgang hat, wobei der Eingang mit der gemeinsamen Leitung (164) gekoppelt ist und der Ausgang mit einer passiven Abschirmung gekoppelt ist, und bei der jeder der Bildpunktsensoren Folgendes aufweist:

15. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 14, bei der der Halbleiterverstärker ein MOS-Transistor ist und bei der der Ausgang des Halbleiterverstärkers der Source-Anschluss des MOS-Transistors ist.

16. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der der Effektivwert der fixierten Strukturstörungen aufgrund von statistischen Schwankungen der Bildpunkte mindestens dem Zehnfachen des Effektivwertes der streifenförmigen Störungen mit fixierter Struktur entspricht.

17. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Vielzahl Kondensatoren enthält, wobei jeder dieser Kondensatoren mit einer entsprechenden der Spaltenleitungen (152) und jeder dieser Kondensatoren des Weiteren mit einem fixierten Potenzial gekoppelt ist.

18. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, bei der jeder Spaltenwahlschalter (162) mit einem Spaltendecodierer gekoppelt ist.

19. Bildpunktsensor-Matrixstruktur nach Anspruch 1, die des Weiteren einen Pufferverstärker (168) mit Verstärkungsfaktor eins mit einem Eingang und einem Ausgang enthält, wobei der Eingang mit der gemeinsamen Leitung (164) gekoppelt und der Ausgang mit einer passiven Abschirmung (170) verbunden ist, wobei die passive Abschirmung (170) auf mehreren Lagen aus Metall um die gemeinsame Leitung (164) vorgesehen ist, um die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung (164) zu verringern.