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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Bildsensormatrizen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
CMOS-Bildsensormatrizen für
Standbildkameraanwendungen, die speziell zur Reduzierung streifenförmiger Festmuster-Störungen ausgelegt sind.
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2. Stand der Technik
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Integrierte Bildsensoren sind im
Stand der Technik bekannt. Neue Fortschritte in Bildsensortechnologien
haben die Herstellung dieser Sensoren mit komplementärer Metalloxid-Halbleiter-Technologie
(CMOS-Technologie) ermöglicht.
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CMOS-Bildsensoren und -Bildsensorschaltungen
können
in einer Weise angeordnet sein, die der in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung
Nr. 08/969,383, eingereicht am 13. November 1997, offenbarten ähnlich ist.
Für einzelne
Bildpunktsensoren sind mehrere unterschiedliche Ausführungsweisen möglich. Eine
mögliche
Bildpunktsensorausführung ist
in 1 abgebildet. Ein
Bildpunktsensor 10 umfasst eine Fotodiode 12,
deren Anode mit einem festen Spannungspotential 14 (in 1 als Masse dargestellt)
verbunden ist. Die Kathode der Fotodiode 12 kann mit einem
Verstärker 16 verbunden
werden. Die Kathode der Fotodiode 12 kann über einen
Rücksetzschalter 20 auch
mit einem Referenzpotential Vref 18 verbunden werden, so
dass die Fotodiode 12 in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Der Ausgang des Verstärkers 16 ist
an einem Zeilenanwahlschalter 22 angebracht, der mit einer
Zeilenanwahlleitung 24 und einer Spaltenleitung 26 verbunden
ist.
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Der in 1 abgebildete
Bildpunktsensor wird wie folgt betrieben. Zuerst wird der Bildpunktsensor 10 durch
Einschalten des Rücksetzschalters 20 rückgesetzt.
Dann wird der Rücksetzschalter 20 abgeschaltet,
so dass die Integration des Fotostroms von der Fotodiode 12 beginnen
kann. Der Strom von der Fotodiode 12 wird an der Eingangsknotenkapazität von Verstärker 16 zur
Bildung eines Spannungssignals integriert. Zur geeigneten Zeit wird
die Spannung an der Zeilenanwahlleitung erhöht, wodurch die Zeilenanwahlschalter 22 in
jedem Bildpunktsensor 10 in der Zeile aktiviert werden.
Dadurch kann der Verstärker 16 die
Spaltenleitung 26 treiben. Die Spaltenleitung 26 führt dann
zu weiteren Schaltungen, die typischerweise das Signal verstärken und
speichern und dann das Signal zur Aufnahme in einen digitalen Bildpunktstrom
in eine digitale Form umwandeln.
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Eine andere mögliche Bildpunktsensorausführung ist
in 2 abgebildet. Diese
Bildpunktsensorausführung
sieht die Speicherung des Signals im Bildpunktsensor vor und wird
daher als Speicher-Bildpunktsensor 30 bezeichnet, wohingegen der
Bildpunktsensor in 1 als
Nichtspeicher-Bildpunktsensor bezeichnet wird. Der Speicher-Bildpunktsensor 30 umfasst
eine Fotodiode 32, deren Anode an ein festes Spannungspotential 34 (in 2 als Masse dargestellt)
angeschlossen ist. Die Kathode der Fotodiode 32 kann über einen
Transferschalter 38 mit einem Speicherkondensator 36 verbunden werden.
Eine erste Platte des Speicherkondensators 36 ist mit dem
Transferschalter 38 verbunden und eine zweite Platte ist
mit einem festen Potential (in 2 als
Masse 34 dargestellt) verbunden. Die Kathode der Fotodiode 32 kann über einen
Rücksetzschalter 42 auch
mit einem Referenzpotential Vref 40 verbunden werden, so
dass die Fotodiode 32 in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Der Eingang eines Verstärkers 44 ist
mit dem Speicherkondensator 36 verbunden. Der Ausgang des
Verstärkers 44 ist
an einem Zeilenanwahlschalter 46 angebracht, der mit einer
Zeilenanwahlleitung 48 und einer Spaltenleitung 50 verbunden
ist.
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Der in 2 abgebildete
Bildpunktsensor wird wie folgt betrieben. Zuerst wird der Bildpunktsensor 30 durch
Einschalten des Rücksetzschalters 42 und
des Transferschalters 38 rückgesetzt. Dann wird der Rücksetzschalter 42 abgeschaltet,
so dass die Integration des Fotostroms von der Fotodiode 32 beginnen
kann. Da Transferschalter 38 eingeschaltet ist, erhöht die Kapazität des Speicherkondensators 36 während der
Integration die Kapazität
der Fotodiode 32, wodurch sie die Ladekapazität und deshalb den
Intensitätsbereich
des Speicher-Bildpunktsensors
erhöht.
Dies verringert Schwankungen im Bildpunktausgang aufgrund von Kapazitätsschwankungen,
weil die Gate-Oxid-Kapazität,
aus der Speicherkondensator 36 gebildet ist, besser gesteuert
wird als die Sperrschichtkapazität
der Fotodiode 32.
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Ist die Integration abgeschlossen
(bestimmt durch eine Belichtungssteuerschaltung; nicht dargestellt),
wird der Transferschalter abgeschaltet, wodurch der Spannungspegel,
der der integrierten Fotoladung am Speicherkondensator 36 entspricht,
getrennt wird. Kurz danach wird die Fotodiode 32 selbst durch
Wiedereinschalten des Rücksetzschalters 42 auf
die Referenzspannung 40 rückgesetzt. Diese Maßnahme verhindert,
dass die Fotodiode 32 während
des Auslesevorgangs die Integration fortsetzt und möglicherweise Überladung
in das Substrat überfließt, was
die Unversehrtheit des Signals am Speicherelement beeinträchtigen
könnte.
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Nachdem der Rücksetzschalter 42 wieder eingeschaltet
ist, kann der Auslesevorgang beginnen. Zur geeigneten Zeit wird
die Spannung auf der Zeilenanwahlleitung erhöht, wodurch die Zeilenanwahlschalter 46 in
jedem Bildpunktsensor 30 in der Zeile aktiviert werden.
Dadurch kann der Strom von Verstärker 44 zur
Spaltenleitung 50 wandern. Die Spaltenleitung 50 ist
mit weiteren Schaltungen gekoppelt, die typischerweise das Signal
verstärken und
dann das Signal zur Aufnahme in einen digitalen Bildpunktstrom in
eine digitale Form umwandeln.
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3 ist
ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine Bildpunktsensor-Matrix
und die umgebende Architektur zeigt. Die Bildpunktsensoren sind
in einer Bildpunktsensor-Matrix 70 angeordnet. Die Zeilenanwahlleitung
jeder Zeile Bildpunktsensoren ist an einen Zeilendekodierer 72 angeschlossen.
Je nach der Architektur der Bildpunktsensoren kann die Verbindung
mit dem Zeilendekodierer auch mittels einer Transferanwahlleitung
hergestellt werden. Der Zeilendekodierer 72 erhält einen
Zeilenanwahlimpuls 74 und aktiviert die Zeilenanwahlschalter
in der entsprechenden Zeile Bildpunktsensoren. Ebenfalls je nach der
Architektur der Bildpunktsensoren kann der Zeilendekodierer einen
Transfer-Gate-Impuls 76 erhalten oder nicht erhalten, der
die Transferschalter in der entsprechenden Zeile Bildpunktsensoren
aktiviert. Es ist auch möglich,
dass eine Matrix nur eine einzige Zeile Bildpunktsensoren umfasst.
Diese ist als Linear Imager (linearer Bildgeber) bekannt.
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Der Ausgang jeder Zeile Bildpunktsensoren wandert
in den Spaltenleitungen 50 weiter zu Spaltenabtast- und
Multiplex-Schaltungen 78. Dieser Block verstärkt jede
Spaltenleitung und multiplext sie eine nach der anderen rasch anwählend, was
zu einem Strom verstärkter
Signale führt.
Dieser Strom fließt durch
einen Analog-/Digital-Wandler 80, so dass der Ausgang ein Strom
digitaler Informationen ist. Die Spaltenabtastschaltungen und der
Multiplexerblock 78 können
die Signale auch vorübergehend speichern,
um z. B. eine Subtraktion eines Störungssignals in korrelierten
Doppelabtastarchitekturen durchzuführen. Sowohl die Spaltenabtastschaltungen
als auch der Multiplexer 78 und der Zeilendekodierer 72 werden
durch einen Zähler 82 gesteuert.
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Zusätzlich ist eine gemeinsame
Rücksetzleitung 84 vorhanden,
die mit dem Rücksetzschalter
jedes Bildpunktsensors verbunden ist. Außerdem kann bei Ausführungen,
die einen der Bildpunktsensortypen verwenden, eine korrelierte Doppelabtastschaltung
hinzugefügt
werden, um vom Bildpunktsensor erzeugte Störungen zu verringern.
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Korrelierte Doppelabtastung kann
in vielen unterschiedlichen Ausführungsweisen
erfolgen, aber ihre Funktion wird anhand des folgenden Beispiels allgemein
klar. 4 ist ein Schaltbild,
das ein Beispiel für
eine Spalten-Doppelabtastschaltung 100 zeigt. Eine dieser
Schaltungen kann auf jede Spaltenleitung gesetzt werden. Der Abtastvorgang
verläuft
wie folgt. Zunächst
wird der Signalpegel für
jeden Bildpunktsensor ausgelesen und im Abtastschaltkreis in der
Spalte gespeichert. Dann wird der Transferschalter wieder eingeschaltet
(nur für
diese Zeile), wodurch der Referenzpegel für die Abtastschaltung verfügbar wird.
Diese Art der Doppelabtastung erlaubt die Aufhebung von Störungsquellen
im Bildpunktsensor, die sich im Vergleich zu der Zeit zwischen den
zwei Abtastungen langsam verändern.
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Mit der ersten an der linken Seite
des Kondensators 104 anliegenden Signalspannung (V1) wird
ein Schalter 106 einge schaltet. Die über den Kondensator 104 gespeicherte
Spannung ist gleich der Signalspannung V1. Dann wird der Schalter 106 abgeschaltet,
und die Spannung auf der ersten Platte des Kondensators 104 steigt
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. Folglich ändern sich
beide Platten des Kondensators 104 um (V2–V1), und
die Spannung am Eingang des Verstärkers 102 beträgt am Ende
des Zyklus (V2–V1).
Auf diese Weise können
Störungen, Versätze usw.
vom Ausgang der Matrix subtrahiert werden. Der Durchschnittsfachmann
weiß,
dass es im Stand der Technik andere CDS- (korrelierte Doppelabtast-)
Schaltungen und -Architekturen vom Stand der Technik gibt. Eine
CDS-Schaltung mit
einer aktiven CMOS-Bildpunktsensormatrix wurde von Akimoto et al.
in U.S.-Patent Nr. 4,942,474, beschrieben.
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5 ist
ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für die Anordnung der Spaltenabtastschaltungen
und des Multiplexerblocks 78 von 3 zeigt. Jede Spaltenleitung 120 ist
an einen Spaltenverstärker 122 gekoppelt,
der eine CDS- (korrelierte Doppelabtast-) Fähigkeit aufweisen kann. Der
Spaltenverstärker 122 wird
dann mit dem Multiplexer 124 gekoppelt. Der Multiplexer 124 erhält einen
Eingang von einem Adresssignal 126, das wählt, welche
Spalte gegenwärtig
an den Ausgang geschickt werden soll. Das Adresssignal 126 kann
mit einem Zähler
oder einer, anderen Schaltung gekoppelt werden, das die Spaltenadressfolge
steuert. Dann wird ein der Spannung an der angewählten Spaltenleitung 120 entsprechendes
Signal typischerweise an einen Analog-/Digitalwandler ausgegeben.
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Festmuster-Störungen (fixed pattern noise – FPN) sind
ein sichtbares Artefakt, das durch Schwankungen von Ausgangsbildpunktwerten
aufgrund von Nichtübereinstimmungen
von Geräten
und Zusammenschaltungen über
einen Bildsensor hinweg verursacht wird. Es gibt mehrere verschiedene
Arten von Festmuster-Störungen,
aber die häufigsten
sind Zufallsstörungen
und streifenförmige
Störungen.
Zufallsstörungen
weisen Zufallsschwankungen der einzelnen Bildpunkte auf. Streifenförmige Störungen hingegen
weisen Zufallsschwankungen von Spalte zu Spalte auf, die dazu führen, dass
vertikale Balken im Bild erscheinen. Der Begriff 'streifenförmige Störungen'
bezieht sich wirklich nur auf die in einer Dimension auftretenden
Streifen, da in anderen Dimensionen auftretende Streifen gewöhnlich kein
Problem sind.
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Obwohl es mehrere Faktoren gibt,
die sich auf die Intensität
von Festmuster-Störungen
auswirken, besteht der herausragendste Faktor in den Unterschieden
der Versätze
und Verstärkungsfaktoren zwischen
Verstärkern.
Im Allgemeinen führen
Unterschiede von Versätzen
und Verstärkungsfaktoren zwischen
Bildpunktsensor-Verstärkern
zu Zufallsstörungen,
während
Unterschiede von Versätzen
und Verstärkungsfaktoren
zwischen Spaltenverstärkern zu
streifenförmigen
Störungen
führen.
Dies erklärt, warum
streifenförmige
Störungen
bei ladungsgekoppelten Bauelemente-Bildsensoren (bei denen keine Spaltenverstärker benutzt
werden) ein geringeres Problem sind als bei CMOS-Bildsensoren (bei denen im Allgemeinen
Spaltenverstärker
verwendet werden). Zufallsstörungen
können
durch die Nutzung korrelierter Doppelabtastung wesentlich verringert werden,
jedoch hat diese Technik eine geringe oder keine Auswirkung auf
streifenförmige
Störungen.
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Ein zusätzliches Problem tritt bei CMOS-Bildsensoren,
die korrelierte Doppelabtastung nutzen, insofern auf, als die Nutzung
von korrelierter Doppelabtastung kontraproduktiv sein kann. Modeling
and Estimation of FPN Components in CMOS Image Sensors von A. El
Gamal, B. Fowler, H. Min und Xinqiao Liu, Proceedings of SPIE, Januar 1998,
Bd. 3301, S. 168–177,
offenbart, dass die Anwendung von CDS (korrelierter Doppelabtastung) zwar
Zufallsstörungen
verringert aber streifenförmige Störungen nicht
stark verringert und daher ein Bild ergibt, bei dem nahezu die gesamten
Störungen
als streifenförmige
Störungen
erscheinen. 6 und 7 sind in dem Artikel von
El Gamal abgebildete Grauskalenbilder, die die etwas nachteilige
Wirkung von CDS zeigen. 6 ist
ein Grauskalenbild, das die in einem System ohne CDS erzeugten Festmuster-Störungen darstellt.
Die Varianz der streifenförmigen
Störungen
beträgt
451.611, während
die Varianz der Zufallsstörungen
7.144.450 beträgt.
Dies ergibt ein Verhältnis
Zufallsstörungen
: streifenförmige
Störungen
von 15,8.
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7 ist
ein Grauskalenbild, das die in einem System mit CDS erzeugten Festmuster-Störungen darstellt.
Während 7 erheblich weniger Zufallsstörungen enthält, sind
die streifenförmigen
Störungen
wesentlich ausgeprägter.
Zufallsstörungen sind
im Allgemeinen weniger störend
als streifenförmige
Störungen
und zur Überdeckung
der Intensität der
streifenförmigen
Störungen
nützlich.
Die Verringerung von Zufallsstörungen
ohne eine gleichzeitige Verringerung streifenförmiger Störungen kann deshalb mehr Probleme
verursachen als sie löst.
Die Varianz der streifenförmigen
Störungen
beträgt
80.900, und die Varianz der Zufallsstörungen beträgt 4.155. Dies ergibt ein Verhältnis Zufallsstörungen :
streifenförmige
Störungen
von 0,05. Je höher
das Varianzverhältnis
ist, umso weniger er kennbar sind daher die streifenförmigen Störungen.
Eine weitere Untersuchung hat ergeben, dass eine Architektur, in
der die Festmuster-Störungen
aufgrund von Zufallsschwankungen der Bildpunkte mindestens das 100-Fache der
Varianz oder mindestens das 10-Fache des Effektivwerts der Festmuster-Störungen aufgrund
von streifenförmigen
Störungen
betragen, bevorzugt ist, um die streifenförmigen Störungen einwandfrei zu überdecken.
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Eine Bildpunktsensor-Matrixstruktur
der anfangs beschriebenen Art wird in der EP-A-665 685 offenbart.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das streifenförmige Festmuster-Störungen in
CMOS-Bildsensoren verringert.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das ein schnelles
Bildpunktauslesen ohne Spaltenverstärker ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das so funktioniert,
dass der Effektivwert der Festmuster-Störungen aufgrund von Zufallsschwankungen der
Bildpunkte mindestens das 10-Fache des Effektivwerts der streifenförmigen Festmuster-Störungen beträgt.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das die dynamische
Nutzung des Source-Folger-Verstärkertransistors
eines Bildpunktsensors zum Speichern von Ladung auf den Spaltenleitungen
und das Auslesen von Spaltensignalen allein durch Ladungsteilen ermöglicht,
um zur Erfüllung
der anderen Aufgaben beizutragen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das die effektive
Kapazität
einer gemeinsamen Ausgangsleitung zur Beschleunigung des Einschwingens
und Verringerung der Unschärfe
der Spaltensignale über eine
Zeile hinweg verringert.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist in Anspruch
1 dargelegt.
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Kurzbeschreibung
der Figuren der Zeichnung
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1 ist
ein Schaltbild, das ein Beispiel für einen im Stand der Technik
bekannten CMOS-Bildpunktsensor ohne Speicherfähigkeit zeigt.
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2 ist
ein Schaltbild, das ein Beispiel für einen im Stand der Technik
bekannten CMOS-Bildpunktsensor mit Speicherfähigkeit zeigt.
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3 ist
ein Blockschaltbild, das ein Beispiel für eine im Stand der Technik
bekannte Bildsensormatrix und die umgebende Architektur zeigt.
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4 ist
ein Schaltbild, das ein Beispiel für eine im Stand der Technik
bekannte Spalten-Doppelabtastschaltung zeigt.
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5 ist
ein Schaltbild, das ein Beispiel für die im Stand der Technik
bekannten Spaltenabtastschaltungen und den Multiplexerblock von 3 zeigt.
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6 ist
ein Grauskalenbild, das die in einem System ohne CDS erzeugten Festmuster-Störungen darstellt.
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7 ist
ein Grauskalenbild, das die in einem System mit CDS erzeugten Festmuster-Störungen darstellt.
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8 ist
ein Schaltbild einer Bildpunktsensor-Matrixstruktur.
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9 ist
ein Signalflussdiagramm, in dem die implizite Darstellung der ladungsgeteilten
Spaltenausleseanordnung als linearer Diskrete-Zeit-Filter erster
Ordnung dargestellt ist.
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10 ist
ein Signalflussdiagramm, in dem ein Two-Tap-FIR-Filter zur Korrektur der Unschärfe im Bildpunktausgang
dargestellt ist.
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11 ist
eine Anordnungszeichnung, die einen Spaltenanwahlschalter mit ringförmiger Anordnung
zeigt. 12A ist ein Anordnungsdiagramm der
Draufsicht einer getriebenen Mehrebenenabschirmung.
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12B ist
ein Anordnungsdiagramm einer Seitenansicht einer getriebenen Mehrebenenabschirmung
entlang der Schnittlinie 12B–12B
in 12A.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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Dem Durchschnittsfachmann ist klar,
dass die folgende Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur zur
Veranschaulichung dient und keinerlei Einschränkung darstellt. Andere Ausführungsformen der
Erfindung sind für
solche Fachleute ohne Weiteres naheliegend.
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8 ist
ein Schaltbild, auf dem eine gegenwärtig bevorzugte Sensormatrixstruktur
abgebildet ist. Bildpunktsensoren 150 sind in einer im
Stand der Technik bekannten Matrix angeordnet. 8 zeigt eine Matrix, die drei Zeilen
und drei Spal ten aufweist, aber die vorliegende Erfindung kann für eine Bildpunktsensormatrix
beliebiger Größe verwendet
werden. Jeder Bildpunktsensor kann mit einer Spaltenleitung 152 und
einer Zeilenanwahlleitung 154 gekoppelt werden, wie in 1 und 2 dargestellt. Die Art der Bildpunktsensoren 150 ist
beliebig, und sie sind nicht auf die in 1 und 2 beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt.
Im Multiplexerblock 156 sind die Spaltenleitungen 152 an
Lastvorrichtungen 158 gekoppelt, die einen Vorstrom liefern
können. Die
Lastvorrichtungen 158 können
zur Verringerung von Zufallsschwankungen ihrer Vorströme mit einer relativ
großen
Fläche
hergestellt werden. Die Lastvorrichtungen sollten in der Größenordnung
von mindestens mehrmals der Länge
und Breite einer Vorrichtung der Technologie mit Mindestgröße, wie
z. B. einem Reset-Transistor (Rücksetztransistor)
liegen, und sie können
sogar noch besser funktionieren, wenn ihre Gate-Fläche mindestens
das Einhundertfache der Gate-Fläche
eines Transistors mit Mindestgröße beträgt. Alternativ
können
die Lastvorrichtungen 158 mit einem erstes Potential, wie
z. B. Masse, und einer Spaltenrücksetzleitung 160 gekoppelt
sein, wodurch die Lastvorrichtungen 158 als Spalten-Rücksetzschalter
wirken können.
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Die Spaltenleitungen 152 sind
auch mit Spaltenanwahlschaltern 162 gekoppelt. Die Ausführungsart
der Spaltenanwahlschalter 162 kann beliebig sein, wie z.
B. MOS-Transistoren. Die Spaltenanwahlschalter werden durch einen
Dekoder aktiviert und an eine gemeinsame Leitung 164 angeschlossen,
so dass der Spaltenanwahlschalter 162 beim Empfang des
geeigneten Signals vom Dekoder 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.
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Die Verwendung eines einzigen Pufferverstärkers an
Stelle von einer Vielzahl von Spaltenverstärkern verringert streifenförmige Festmuster-Störungen,
weil es keine Schwankungen aufgrund des Versatzes und der Verstärkung jedes
Spaltenverstärkers
mehr gibt. Ein Nachteil dieser Ausführung besteht darin, dass die
Einschwingzeitkonstante der gemeinsamen Leitung mit hoher Kapazität, die nur durch
den kleinen Verstärker
im Bildpunktsensor getrieben wird, offensichtlich ziemlich langsam
ist. Dadurch würde
es normalerweise schwierig, eine hohe Bildpunktsignalrate zu erhalten.
Wird jedoch das Multiplexen der Schaltung rasch durchgeführt, schwingt sich
die Spannung auf der gemeinsamen Leitung nicht auf einen asymptotischen
Wert ein, sondern sie schwingt sich statt dessen mit einer nicht
durch den Verstärker
des Bildpunktsensors, sondern durch den Spaltenanwahlschalter beschränkten Zeitkonstante schnell
auf einen Wert ein, der durch Ladungsteilen zwischen der Spaltenleitung
und der gemeinsamen Leitung bestimmt ist. Er ist nicht der gleiche
Wert, der bei Betrieb der Schaltung mit einer niedrigen Multiplexrate
ausgelesen würde,
sondern er ist durch eine einfache Diskrete-Zeit-Funktion erster
Ordnung verknüpft.
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Wenn der Spaltenanwahlschalter schließt, gleichen
sich die Potentiale auf der Spaltenleitung und der gemeinsamen Leitung
aus, indem sich die Ladungen je nach Bedarf von der einen zur anderen bewegen.
Das endgültige
Potential ist eine lineare Kombination der zwei Potentiale vor dem
Schließen des
Schalters mit Gewicht 1-b für
das Potential der Spaltenleitung und b für das Potential der gemeinsamen
Leitung, wobei b das Verhältnis
der Kapazität der
gemeinsamen Leitung zur Summe der Kapazitäten der gemeinsamen Leitung
und der Spaltenleitung ist. 9 zeigt
diesen Betrieb als Signalflussdiagramm eines rekursiven Diskrete-Zeit-Filters
erster Ordnung, in dem die Abtastverzögerung 186 der Erinnerung
an das vorherige Signal der Spalte auf der gemeinsamen Leitung entspricht,
und die Multiplizierer 182 und 188 die besprochenen
Gewichte sind. Werden die Spalten bezüglich der mit dem Bildpunktsensor,
der die Spaltenleitung treibt, verbundenen Zeitkonstante rasch angewählt, ist
dieser Filter ein gutes Modell der resultierenden Signale, die durch den
Endverstärker
ausgelesen werden.
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Die ladungsgeteilte Spaltenausleseanordnung
ist daher im Wesentlichen ein Diskrete-Zeit-Filter, der die Bildpunktwerte
verschmiert. Jeder verschmierte ladungsgeteilte Ausgangswert x(n)
ist die gewichtete Summe des idealen Spaltensignals w(n) und des
vorherigen Ausgangs x(n – 1)
mit Gewicht 1-b für
das ideale Spaltensignal und b für
den vorherigen Ausgang, wobei b das Verhältnis der Kapazität der gemeinsamen
Leitung zur Summe der Kapazitäten
der gemeinsamen Leitung und der Spaltenleitung ist.
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Wieder auf 8 Bezug nehmend kann dann ein Two-Tap-Filter
mit endlicher Impulsantwort (Two-Tap-FIR-Filter) zur Korrektur der
Verschmierung oder Unschärfe
der Bildpunktwerte verwendet werden. Ein solcher Filter ist in 10 dargestellt. Der Eingang 192 der
verschmierten Bildpunktwerte wird vom Matrixverstärker empfangen
und an eine Einheitverzögerung 194 geschickt.
Der Bildpunktwerteeingang 192 wird auch an einen Multiplizierer 198 gesandt.
Der Ausgang von der Einheitverzögerung 194 wird
auch an einen Multiplizierer 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. Multiplizierer 196 multipliziert
dann x(n – 1)
mit –a.
Ein Addierer 200 addiert die Ausgänge der Multiplizierer 196, 198 und
erreicht einen korri gierten Bildpunktwertausgang (1 + a)x(n) – ax(n – 1), der
theoretisch genau gleich dem ursprünglichen Spaltensignal w(n) ist,
wenn der Koeffizient a korrekt gewählt wird.
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Selbst mit dem Hinzufügen des Two-Tap-FIR-Filters
gibt es immer noch einige kleinere Nachteile, die die Schaltung
mit den als Vorstromquellen verwendeten Lastvorrichtungen mit sich bringt.
Die Lastvorrichtungen sind immer noch eine mögliche Ursache streifenförmiger Störungen.
Die Vorströme
fließen
bei Auslesungen zur Aufrechterhaltung der korrekten Spannungsladung
der Spalten immer in allen Spalten, was eine beachtliche Leistungsverschwendung
bedeutet. Der als Source-Folger wirkende Bildpunktsensorverstärker reagiert
zum Zeitpunkt der Spaltenanwahl und der Änderung der Spannung auf der
Spaltenleitung nicht linear, wodurch eine geringfügige Nichtlinearität in die
resultierenden Diskrete-Zeit-Filter eingebracht wird.
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Zur Behebung dieser Problemeatik
kann das gesamte System unter Anwendung linearer Ladungsteilung
als einzigen Mechanismus für
das Herausführen
des Signals dynamisch betrieben werden. Für jede Zeile werden alle Spaltenleitungen
unter Verwendung der Lastvorrichtung als Spaltenrücksetzschalter
nach Masse entladen. Der Spaltenrücksetzschalter wird dann abgeschaltet
und die Zeilenanwahlleitung eine vorgegebene Zeitdauer aktiviert, wobei
die Verstärker
in den Bildpunktsensoren mit den Spaltenleitungen verbunden werden,
wo sie gegen die Dynamik des Aufladens der Kapazität der Spaltenleitung
statt gegen eine Stromquellenlast arbeiten. Die Spannungen auf den
Spaltenleitungen nehmen um ungefähr
60 mV pro gemeinsame Log.-Einheit der Zeitdauer, in der sie eingeschaltet sind,
logarithmisch statt exponentiell zu einer Asymptote zu.
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Nach einer vorgegebenen Zeit werden
die Spaltenrücksetzschalter
abgeschaltet. Die Spaltenleitungen werden auf Spannungen in einem
bekannten vorgegebenen Verhältnis
zu den Signalen an den Eingängen
der Bildpunktsensorverstärker
mit Zufallsschwankungen aufgeladen, die von den jeweiligen Verstärkern abhängen, aber
nicht von den Spaltenleitungen, weil die Spaltenleitungskapazitäten gut
abgestimmt sind. Dann wird eine Spaltenleitung nach der anderen
zur Verbindung mit der gemeinsamen Leitung angewählt, wobei die Ladungen zwischen der
angewählten
Spaltenleitung und der gemeinsamen Leitung geteilt werden und dadurch
eine sehr lineare diskrete-Zeit-gefilterte Version der Folge Spaltensignale über die
Zeile hinweg mit wenig oder keiner Abhängigkeit von der Rate oder
Dauer der Spaltenanwahlsignale erzeugt wird. Ausführung und
zeitliche Steuerung des Spaltendekodierers, der die Spaltenanwahlschalter
treibt, müssen
mit der im Stand der Technik bekannten Sorgfalt erfolgen, um sicherzustellen,
dass keine Glitch-Impulse
auftreten, weil Glitchimpulse ungewolltes Spannungsteilen mit Spalten,
die nicht angewählt
werden sollen, verursachen können.
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Ein anderes mögliches Problem, das angegangen
werden kann, ist die effektive Kapazität der gemeinsamen Leitung,
die so hoch sein kann, dass sie die Ladungsteilung veranlasst, die
Spaltensignale über
eine Zeile hinweg stark unscharf zu machen. Auf 8 Bezug nehmend, kann dies durch Koppeln eines
Pufferverstärkers 168 mit
Verstärkungsfaktor eins
an die gemeinsame Leitung 164 in einer ähnlichen Weise wie beim Matrixverstärker 166 angegangen
werden. Der Ausgang aus diesem Pufferverstärker 168 mit Verstärkungsfaktor
eins wird jedoch als getriebene Abschirmleitung 170 um
die gemeinsame Leitung 164 verwendet, wodurch die effektive
Kapazität
der gemeinsamen Leitung 164 und die Unschärfe verringert
werden. Die getriebene Abschirmung 170 kann zur starken
Verringerung der effektiven Kapazität auf mehrere Metallebenen über, unter
und auf die Seiten der gemeinsamen Leitung 164 platziert werden.
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Ein anderes freigestelltes Merkmal,
das die effektive Kapazität
der gemeinsamen Leitung verringert, besteht darin, die Gate-Elektrode
jedes Spaltenanwahlschaltertransistors so auszuführen, dass sie in einer ringförmigen Weise
um den Ausgangsanschluss zur gemeinsamen Leitung angeordnet ist. 11 ist eine Anordnungszeichnung,
die einen Anwahlschaltertransistor mit ringförmiger Ausführung zeigt. Eine Gate-Elektrode 210 umgibt
einen Source-/Drain-Anschluss 212 vollständig, wodurch der Source-/Drain-Anschluss
212 eine im Vergleich zum Source/Drain-Anschluss 214 niedrige Kapazität aufweist,
was die effektive Kapazität
der gemeinsamen Leitung, mit der der Source-/Drain-Anschluss 212 verbunden
ist, verringert.
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12A ist
ein Teil einer Anordnungszeichnung einer getriebenen Mehrebenenabschirmung um
die gemeinsame Leitung. Fig. 128 ist ein entsprechender Querschnitt
entlang der Schnittlinie 12B–12B
in 12A. Die gemeinsame Leitung 220 auf
der Metall-2-Schicht ist durch das Metall-1-Polster 232 durch Öffnungen
in den isolierenden Oxidschichten mit jedem ringförmigen Spaltenanwahlschalter-MOS-Transistor
gekoppelt. Die getriebene Abschirmung weist vorzugsweise mehrere
umgebende Teilbereiche auf: einen unten liegenden Metall-l-Teilbereich 224 mit
einer Öffnung
um das Polster 232; flankierende Metall-2-Teilbereiche 226 und 228;
und einen oben liegenden Metall-3-Teilbereich 230 (nur in 12B dargestellt). Das Gate 222 des ringförmigen MOS-Transistors
ist ebenfalls dargestellt, wie auch die mit dem ringförmigen MOS-Transistor
verbundenen Feldoxidbereiche 236 und Dünnoxidbereich 234.
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Vorzugsweise wird die Schaltung auch
so ausgeführt,
dass die Festmuster-Störungen
aufgrund von Zufallsschwankungen der Bildpunkte mindestens das 100-Fache
der Varianz (das 10-Fache des Effektivwerts) der streifenförmigen Festmuster-Störungen betragen,
damit die Zufallstextur des Bilds jegliches restliche streifenförmige Muster überdeckt. Dem
Stand der Technik entsprechende Systeme mit CDS weisen typischerweise
einen größeren streifenförmigen Fehler
als Zufallsfehler auf.
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Auf 8 zurück Bezug
nehmend, kann es auch nützlich
sein, einen Kondensator 174 hinzuzufügen, der an jede Spaltenleitung 152 gebunden
ist. Dieser Kondensator kann dann auf ein festes Spannungspotential,
z. B. Masse, bezogen werden. Dies würde die Unschärfe weiter
verringern und wäre
besonders nützlich,
wenn die Bildpunktsensormatrix nur eine einzige Zeile hat, eine
als lineare Bildgebungsmatrix bekannte Konfiguration.
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Obwohl Ausführungsformen und Anwendungen
dieser Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann
offensichtlich, dass viel mehr Modifikationen als die oben genannten
möglich sind,
ohne von den hierin aufgeführten
erfinderischen Ideen abzuweichen.