DE69922730T2

DE69922730T2 - Festkörperbildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE69922730T2
Application number: DE69922730T
Authority: DE
Inventors: Hiroki Ohta-ku Hiyama; Shigetoshi Ohta-ku Sugawa; Isamu Ohta-ku Ueno; Toru Ohta-ku Koizumi; Tetsunobu Ohta-ku Kochi; Katsuhito Ohta-ku Sakurai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1999-04-21
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-04-22
Also published as: EP0952730A3; DE69922730D1; EP0952730B1; US6963372B1; EP0952730A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, die als Bildeingabe- und Bildaufnahmeeinrichtung insbesondere bei einer Videokamera oder einer digitalen Stehbildkamera Verwendung findet.
In jüngerer Zeit sind verfeinerte Herstellungsverfahren zur Verringerung der Zellengröße eines fotoelektrischen Wandlerelements zur Erzielung einer höheren Auflösung entwickelt worden. Da jedoch bei einer solchen Verringerung der Zellengröße eines fotoelektrischen Wandlerelements auch der Pegel des Ausgangssignals des fotoelektrischen Wandlerelements abnimmt, ist bereits eine fotoelektrische Wandlereinrichtung mit Verstärkung in Betracht gezogen worden, bei der ein Fotoladungssignal vor der Abgabe verstärkt werden kann.
Derartige fotoelektrische Wandlereinrichtungen mit Verstärkung sind z.B. in Form einer Metalloxid-Halbleiteranordnung (MOS), einer MOS-Abbildungseinrichtung mit Verstärkung (AMI), eines Ladungsmodulationselements (CMD) und eines Bildsensors mit Basisspeicherung (BASIS), nicht jedoch in Form eines üblichen ladungsgekoppelten Bauelements der sogenannten CCD-Bauart bekannt. Im Falle einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung des MOS-Typs sammeln sich von einer als fotoelektrisches Wandlerelement dienenden Fotodiode erzeugte Fotoelektronen an der Gate-Elektrode eines MOS-Transistors, woraufhin die Ladung an der Gate- Elektrode unter Verwendung der von der Ladung an der Gate-Elektrode hervorgerufenen Potentialänderung verstärkt und in Abhängigkeit vom Ansteuersignal einer Operationsschaltung einer Ausgangseinheit zugeführt wird. Bei derartigen fotoelektrischen Wandlereinrichtungen des MOS-Typs kann ferner eine fotoelektrische Wandlereinrichtung eines komplementärsymmetrischen MOS-Typs (CMOS-Typ) im Rahmen einer Großintegrationsverarbeitung in CMOS-Logik hergestellt werden, wobei darüber hinaus auch periphere Schaltungsanordnungen auf dem gleichen Chip leicht in integrierter Bauweise ausgebildet werden können. Außerdem kann eine fotoelektrische Wandlereinrichtung des CMOS-Typs mit einer niedrigen Spannung betrieben werden, wodurch sich der elektrische Energieverbrauch verringert, sodass eine solche fotoelektrische Wandlereinrichtung einen geeigneten Bildsensor für ein tragbares Gerät darstellt. Da die Fotodioden, d.h., die fotoelektrischen Wandlerelemente des CMOS-Bildsensors und deren periphere Schaltungsanordnungen im Rahmen einer Großintegrationsverarbeitung in CMOS-Logik hergestellt werden, werden die Fotodioden und die peripheren Schaltungsanordnungen in ihrer Gesamtheit als CMOS-Bildsensor bezeichnet.
Der CMOS-Bildsensor besitzt in jeder Zelle (jedem Bildelement) einen MOS-Feldeffekttransistor oder mehrere MOS-Feldeffekttransistoren. Bei einer hochempfindlichen Bildsensoreinrichtung wird insbesondere ein solcher CMOS-Bildsensor verwendet, der einen MOS-Feldeffekttransistor zur Verstärkung (nachstehend als "MOS-Verstärker" bezeichnet), in dessen Gate-Bereich bei jedem Bildelement eine Fotoladung gespeichert wird, aufweist und ein von dem fotoelektrischen Wandlerelement erzeugtes Ladungsträgersignal in einer vorgegebenen Zeit auslesen kann.
Bei einem solchen CMOS-Bildsensor wird zwar der Ausgangssignalpegel durch Verstärkung der Fotoladung und Verwendung des in jedem Bildelement vorgesehenen MOS-Verstärkers angehoben, jedoch führen gleichzeitig Unregelmäßigkeiten der Schwellenspannungen Vth und der Verstärkung des MOS-Verstärkers zu einer Abnahme des Störabstands bzw. Signal-Rauschverhältnisses. Mit den derzeitigen Herstellungsverfahren können insbesondere Unregelmäßigkeiten der Schwellenspannungen Vth nicht unter Werte im Bereich von einigen Millivolt verringert werden. Weiterhin liegt die Sättigungsspannung des MOS-Verstärkers im Bereich von einigen Volt, da die Sättigungsspannung von der Versorgungsspannung abhängt. Der Störabstand, d.h., das Signal-Rauschverhältnis, ist daher im günstigsten Falle ein dreistelliger Zahlenwert, sodass der vom Markt geforderte Wert von 70 dB bis 80 dB nur mit erheblichen Schwierigkeiten zu erreichen ist.
Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP-A-04 061 573 ist eine zur Lösung dieses Problems ausgestaltete und in 14 dargestellte Leseschaltung bekannt, bei der eine kapazitive Begrenzerschaltung Verwendung findet. 15 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Bildelements einer aus dieser Druckschrift bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung. Nachstehend wird die Arbeitsweise dieser Bildaufnahmevorrichtung unter Bezugnahme auf das Ersatzschaltbild eines Bildelements gemäß 15 und in 16 dargestellte Signalverläufe kurz beschrieben.
Wie in 15 veranschaulicht ist, gehen vor dem Auslesen der Fotoladung aus einer Fotodiode D1 Signale ϕCRl, ϕCR2 und ϕCS1 zur Zeit t_31p auf einen hohen Pegel über, wodurch ein MOS-Schalter Q16 durchgeschaltet wird, sodass wiederum eine Vertikal-Signalleitung VL3 Massepegel annimmt und Kondensatoren C1 und C3 auf eine Spannung VSS zurückgestellt werden. Sodann geht das Signal ϕCR1 zur Zeit t_32p auf einen niedrigen Pegel über, während ein Rückstellsignal ϕRS auf einen hohen Pegel übergeht, wodurch die Gate-Elektrode eines MOS-Verstärkers Q2 auf eine Spannung VRS zurückgestellt wird.
Zur Zeit t_33p geht sodann das Rückstellsignal ϕRS auf einen niedrigen Pegel über, während ein Signal ϕV3 auf einen hohen Pegel übergeht, wodurch ein als Wählschalter dienender MOS-Feldeffekttransistor Q3 (der nachstehend auch als "MOS-Wählschalter" bezeichnet ist) durchgeschaltet und eine Betriebsspannung VDD der Drain-Elektrode des MOS-Verstärkers Q2 zugeführt werden. Somit liegt an der Vertikal-Signalleitung VL3 eine der Gate-Spannung des MOS-Verstärkers Q2 entsprechende Spannung VN (Rauschsignal) an.
Sodann geht das Signal ϕCR2 zur Zeit -t_34p auf einen niedrigen Pegel über, wodurch die Ausgangsseite des Kondensators C1 und eine Elektrode des Kondensators C3 in einen schwebenden bzw. potentialfreien Zustand versetzt werden. Hierbei geht das Signal ϕV3 zum Sperren des MOS-Wählschalters Q3 auf einen niedrigen Pegel über. Sodann geht das Signal ϕCR1 zur Rückstellung der Vertikal-Signalleitung VL3 auf einen hohen Pegel über, wodurch das Potential an der Ausgangsseite des Kondensators C1 und der einen Elektrode des Kondensators C3 den Potentialwert VSS – VN' annimmt, d.h., die Vorspannung VSS wird um die Spannung VN' verringert, die einen dem Verhältnis der Kapazität des Kondensators C1 zu der Gesamtkapazität der Kondensatoren C1 und C3 entsprechenden Teil der Spannung VN darstellt. Hierbei lässt sich VN' durch die nachstehende Gleichung (1) ausdrücken VN' = C1 × VN/(C1 + C3) (1)
Sodann geht das Signal ϕCR1 zur Zeit t_35p auf einen niedrigen Pegel über, während das der Gate-Elektrode des MOS-Wählschalters Q3 zugeführte Signal ϕV3 und ein der Gate-Elektrode eines zur Fotoladungsübertragung dienenden (und nachstehend auch als "MOS-Schalter" bezeichneten) MOS-Feldeffekttransistors Q1 zugeführtes Signal ϕVG auf einen hohen Pegel übergehen. Hierdurch wird der MOS-Schalter Q1 durchgeschaltet und die von der Fotodiode D1 gebildete Fotoladung einem Eingangskondensator CP zugeführt. Gleichzeitig wird der MOS-Wählschalter Q3 durchgeschaltet und die Drain-Elektrode des MOS-Verstärkers Q2 über den MOS-Wählschalter Q3 mit der Betriebsspannung VDD beaufschlagt, wodurch eine der Gate-Spannung des MOS-Verstärkers Q2 entsprechende Spannung VS an der Vertikal-Signalleitung VL3 auftritt (Fotoladungssignal).
Durch diesen Ablauf wird die Spannung am Kondensator C1 um eine Spannung VS' erhöht, die einen im Verhältnis der Kapazität des Kondensators C1 zu der Gesamtkapazität der Kondensatoren C1 und C3 entsprechenden Teil der Spannung VS darstellt, und nimmt somit den Wert VSS – VN' + VS' an.
Hierbei lässt sich die Spannung VS' in ähnlicher Weise wie die Spannung VN' durch die nachstehende Gleichung (2) ausdrücken: VS' = C1 × VS/(C1 + C3) (2)
Die am Kondensator C3 schließlich anstehende Endspannung VC3 ist somit gegeben durch: VC3 = VSS – C1 × (VN – VS)/(C1 + C3) (3)
Auf diese Weise wird ein Signal mit einem hohen Störabstand erhalten, bei dem Unregelmäßigkeiten bzw. Schwankungen der Schwellenwerte Vth eines zur Rückstellung verwendeten MOS-Feldeffekttransistors und eines MOS-Verstärkers in der durch den Begriff (VN – VS) der Gleichung gegebenen Weise verringert sind.
Außer Maßnahmen zur Verringerung von Strukturrauschen in Form der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung einer Bildaufnahmevorrichtung und eines zugehörigen Verfahrens zur Ansteuerung einer solchen Bildaufnahmevorrichtung ist zur Verbesserung des Störabstands eines CMOS-Bildsensors auch eine Vergrößerung der maximal zulässigen Ladung (Qsat) erforderlich, um den Störabstand in Bezug auf statistisches (weißes) Rauschen zu verbessern, das bei der Wiedergabe von beweglichen Bildern auftritt.
Bei einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit einem fotoelektrischen Wandlerelement, einem Übertragungsschalter und einem Feldeffekttransistor zur Verstärkung, in dessen Gate-Bereich die Fotoladung des fotoelektrischen Wandlerelements eines jeden Bildelements gespeichert wird, bestimmt die Kapazität eines mit der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors verbundenen (und dem Kondensator Cp bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel entsprechenden) Kondensators C die bei der Übertragung der von dem fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoladung zum Gate-Bereich des Feldeffekttransistors maximal übertragbare Ladungsmenge, d.h., die maximal zulässige Ladung Qsat.
Auf den Grund für diesen Umstand wird nachstehend näher eingegangen. Wenn die zu übertragende Ladung von Elektronen gebildet wird, sollte die Beziehung Vg (Gate-Spannung) > Vpd (von der Fotodiode erzeugte Spannung) für die Ladungsübertragung gelten. Da jedoch der Abfall der Gate-Spannung Vg bei der Übertragung einer Einheitsladung umgekehrt proportional zu der Kapazität C ist, tritt bei einer kleinen Kapazität C und Übertragung einer kleinen Ladung ein relativ hoher Spannungsabfall der Gate-Spannung Vg auf. Wenn es sich bei dem Feldeffekttransistor um einen MOS-Feldeffekttransistor handelt, ist die Gate-Kapazität des MOS-Feldeffekttransistors in der Kapazität C enthalten. Da sich die Gate-Kapazität eines MOS-Feldeffekttransistors jedoch in Abhängigkeit von seinem Betriebszustand ändert, verändert sich die maximal zulässige Ladung Qsat bei der Ladungsübertragung in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des MOS-Feldeffekttransistors.
Dieses Problem findet beim Stand der Technik keine Berücksichtigung. Bei dem in 16 veranschaulichten bekannten Ansteuerverfahren befindet sich z.B. bei der Ladungsübertragung durch Anlegen eines Impulses ϕVG an die Gate-Elektrode des MOS-Schalters Q1 die mit der Vertikal-Signalleitung VL3 verbundene Source-Elektrode des MOS-Verstärkers Q2 in einem schwebenden bzw. potentialfreien Zustand, sodass der Betriebszustand des MOS-Verstärkers Q2 nicht festgelegt ist. Da sich im Einschaltzustand des MOS-Verstärkers Q2 auch der MOS-Wählschalter Q3 bei der Ladungsübertragung im Durchschaltzustand befindet, wird der Drain-Elektrode des MOS-Wählschalters Q3 die Spannung VDD zugeführt, sodass der MOS-Verstärker Q2 in den Sättigungsbereich gelangt und die Gate-Kapazität im Vergleich zum Betrieb im linearen Bereich (Triodenbereich) verringert wird. Somit treten Probleme auf Grund der Unstetigkeit des schwebenden bzw. potentialfreien Zustands bei dem Auslesen der Fotoladung aus dem fotoelektrischen Wandlerelement und Änderungen im linearen Arbeitsbereich des MOS-Verstärkers Q2 auf.
Zur Vergrößerung der Empfindlichkeit bei der Fotoladungsübertragung von dem Kondensator C3 auf eine gemeinsame Ausgangsleitung muss weiterhin der Kondensator C3 eine Kapazität in der Größenordnung von einigen pF aufweisen. Außerdem muss zur Vergrößerung der Empfindlichkeit beim Auslesen der Fotoladung aus jedem Bildelement, die von einem Anteil des zweiten Begriffes von Gleichung (3), nämlich C1/(C1 + C3) bestimmt wird, der Kondensator C1 eine mehrfach größere Kapazität als der Kondensator C3 aufweisen. Auf Grund der durch die Chipgröße und die Herstellungskosten gegebenen Beschränkungen lässt sich jedoch nicht immer eine ausreichende Empfindlichkeit gewährleisten.
Ferner wird bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren des Auslesens von Fotoladungen beim Auslesen eines Rauschsignals die Ausgangsseite des Kondensators C1 auf die Spannung VSS zurückgestellt, während beim Auslesen eines Fotoladungssignals die Ausgangsseite des Kondensators C1 sich in einem schwebenden Zustand befindet. In diesem schwebenden Zustand wird für die Fotodiode D1 die Kapazität der parallel geschalteten Kondensatoren C1 und C3 zu der Kapazität des Kondensators C1. Wenn der Lesevorgang über eine ausreichend lange Zeit hinweg erfolgt, besteht somit kein Problem, jedoch sind bei Durchführung des Lesevorgangs in einer kurzen Zeit das Anfangspotential der Vertikal-Signalleitung bei der Abgabe eines Rauschsignals und das Anfangspotential der Vertikal-Signalleitung bei der Abgabe eines Fotoladungssignals unterschiedlich, was eine präzise Verringerung des Rauschens erschwert.
Außerdem muss bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren des Signalauslesens die Spannung zur Rückstellung der Vertikal-Signalleitung VL3 zum Einschalten des MOS-Verstärkers Q2 für jeden der Gate-Elektrode des MOS-Verstärkers Q2 zugeführten Signalpegel ausreichen, was die Rückstellspannung einschränkt.
Das Konzept der Rückstellung der Vertikal-Signalleitung VL3 ist nicht nur aus der vorstehend genannten Druckschrift, sondern auch z.B. aus der japanischen Patent-Offenlegungsschrift 58-48 577 und der japanischen Patentschrift 5-18 309 zur Verhinderung von Interferenzen zwischen Bildelementen wie Leckverlusten von Ladung bei einem fotoelektrischen Wandlerelement mit zerstörungsfreien Leseeigenschaften bekannt.
Nachstehend wird auf Betrieb und Wirkungsweise des aus diesen Druckschriften bekannten Standes der Technik unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild gemäß 17, das einen Sensorbereich einer aus diesen Druckschriften bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zeigt, das Schaltbild gemäß 18, das eine Horizontal-Schalteranordnung veranschaulicht, und die in 19 dargestellten Signalverläufe kurz eingegangen.
Zur Zeit t_0p geht ein Signal ϕP_v1 auf einen hohen Pegel über und mit einer Vertikal-Signalleitung V1 einer Sensoranordnung C^j _i verbundene MOS-Schalter S¹ ₁ bis S⁷⁶⁸ ₁ werden durchgeschaltet, wodurch Fotoladungen in Zellen (Bildelementen) C¹ ₁ bis C⁷⁶⁸ ₁ Signal-Ausgangsleitungen B1 bis B768 zugeführt werden.
Kurz nach der Zeit t_0p geht zur Zeit t_1p ein einer Horizontal-Signalleitung H1 zugeführtes Signal ϕP_H1 auf einen hohen Pegel über. Demzufolge werden MOS-Schalter Q¹ ₁ bis Q¹ ₃₂ in einer Horizontal-Schalteranordnung durchgeschaltet, wodurch Fotoladungen an der äußersten linken Signal-Ausgangsleitung in jeder von 32 Untergruppen, die jeweils 24 Signal-Ausgangsleitungen der Signal-Ausgangsleitungen B1 bis B768 umfassen, Multiplexer-Ausgangsleitungen A1 bis A32 zugeführt werden. Die Signale an den Multiplexer-Ausgangsleitungen A1 bis A32 werden jeweils über Verstärker T1 bis T32 abgegeben. Jeder der Verstärker T1 bis T32 umfasst zwei Differenztransistoren, die beide zwischen eine gemeinsame Konstantspannungsquelle und Masse geschaltet sind. Der Basis des einen Transistors wird ein analoges Bildelementsignal (Fotoladungssignal) zugeführt, während der Basis des anderen Transistors eine Dunkelspannung von einem vom Licht abgeschirmten Bildelement zugeführt wird. Sodann wird ein durch Subtraktion der Dunkelspannung von dem analogen Bildelementsignal erhaltenes Analogsignal abgegeben.
Danach geht das der Horizontal-Signalleitung H1 zugeführte Signal ϕP_H1 auf einen niedrigen Pegel über, während zur Zeit t_2p ein Signal ϕP_H2 an einer Horizontal-Signalleitung H2 auf einen hohen Pegel übergeht. Auf diese Weise werden die MOS-Schalter Q² ₁ bis Q² ₃₂ in einer Horizontal-Schalteranordnung durchgeschaltet und Bildsignale an den zweitäußersten linken Signal-Ausgangsleitungen in den jeweiligen 32 Untergruppen der Signal-Ausgangsleitungen B1 bis B768 Multiplexer-Ausgangsleitungen A1 bis A32 zugeführt. In ähnlicher Weise gehen die den Horizontal-Signalleitungen H3 bis H24 aufeinanderfolgend zuzuführenden Signale auf einen hohen Pegel über, sodass analoge Bildelementsignale der jeweiligen Untergruppen abgegeben werden. Nachdem das der letzten Horizontal-Signalleitung H24 zugeführte Signal ϕP_H24 einen niedrigen Pegel angenommen hat, geht das der Vertikal-Signalleitung V1 zugeführte Signal ϕP_V1 auf einen niedrigen Pegel über, womit die Abtastung sämtlicher Zellen beendet ist, die mit der Signalleitung V1 verbunden sind.
Danach vergeht vor Beginn des Auslesens der mit der Signalleitung V3 verbundenen Zellen eine Austastperiode. Während dieser Austastperiode nehmen die den Horizontal-Signalleitungen H1 bis H24 zugeführten Signale ϕP_H1 bis ϕP_H24 einen hohen Pegel an, wodurch sämtliche Signal-Ausgangsleitungen B1 bis B768 mit den entsprechenden Ausgangsleitungen A1 bis A32 verbunden werden. Gleichzeitig geht ein Signal ϕP_R an einer Auffrischungsleitung R auf einen hohen Pegel über und MOS-Schalter R1 bis R32 werden durchgeschaltet, wodurch die Multiplexer-Ausgangsleitungen A1 bis A32 an Massepotential gelegt werden. Auf diese Weise werden sämtliche Signal-Ausgangsleitungen B1 bis B768 an Masse gelegt, sodass von der vorherigen Abtastung verbliebene Restanteile von Bildelementsignalen gelöscht werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration treten jedoch Probleme auf, auf die nachstehend unter Bezugnahme auf 20 näher eingegangen wird. 20 veranschaulicht das Auslesen von Bildelementsignalen aus den mit der Vertikal-Signalleitung V1 verbundenen Zellen. In 20 ist die Signalspannung der Zelle C¹ ₁ mit VS1 bezeichnet, während die jeweiligen Signalspannungen der Zellen C² ₁ bis C²⁴ ₁ in ähnlicher Weise mit VS2 bis VS24 bezeichnet sind. Wenn weiterhin die parasitäre Kapazität der Signal-Ausgangsleitungen B1 bis B24 mit C11, die mit der Basis eines Transistors des Differenztransistors T1 verbundene parasitäre Kapazität mit C21, die gemeinsame Signal-Ausgangsleitung mit A1 und die der Basis des Transistors zugeführte Signalspannung mit VSO bezeichnet werden, lässt sich die Signalspannung VSO' beim Auslesen eines Signals an der Signal-Ausgangsleitung B1 durch die nachstehende Gleichung (4) ausdrücken: VSO' = (C21 × VSO + C11 × VS1)/(C21 + C11) (4)
Außerdem lässt sich die Signalspannung VSO'' beim Auslesen eines Signals an der Signal-Ausgangsleitung B2 durch die nachstehende Gleichung (5) ausdrücken: VSO'' = (C21 × VSO' + C11 × VS2)/(C21 + C11) (5)
Zur Verhinderung von Interferenzen zwischen benachbarten Bildelementen auf Grund der Rückstellung des Gate-Bereichs des MOS-Schalters R1 durch Anlegen des Rückstellimpulses ϕP_R nur während der Austastperiode ist eine Verringerung der Größe C21 × VSO' in Gleichung (5) erforderlich, indem der Kondensator C11 mit einer viel größeren Kapazität als der Kondensator C21 ausgestattet wird. Bei einer Vergrößerung der Kapazität des Kondensators C11 vergrößert sich jedoch auch die Kapazität bei der Übertragung eines Signals von einem Bildelement bzw. einer Zelle, wodurch die Empfindlichkeit abnimmt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Erfindung eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung mit
einer Vielzahl von Bildelementen, die jeweils ein fotoelektrisches Wandlerelement (PD), einen Feldeffekttransistor (M3), einen ersten Schalter (TX) zur Übertragung einer von dem fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoladung zu dem Gate des Feldeffekttransistors und eine erste Rückstelleinrichtung (M1, VR) zur Rückstellung des Gates des Feldeffekttransistors aufweisen,
Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) zur Übertragung eines Ausgangssignals der Feldeffekttransistoren,
an den Ausgangsleitungen angeordneten Lasteinrichtungen (I1) für die Feldeffekttransistoren, durch die jeder Feldeffekttransistor beim Auslesen eines der Fotoladung des fotoelektrischen Wandlerelements entsprechenden Signals als Source-Folger arbeitet, und
einer zweiten Rückstelleinrichtung (M8, VVR) zur Rückstellung der Ausgangsleitungen auf eine vorgegebene Spannung,
die gekennzeichnet ist durch
einen ersten Kondensator (CTN) zur Zwischenspeicherung eines Ausgangssignals des von der ersten Rückstelleinrichtung zurückgestellten Feldeffekttransistors (M3),
einen zweiten Schalter (M4) für die Übertragungssteuerung zu dem ersten Kondensator,
einen zweiten Kondensator (CTS) zur Zwischenspeicherung eines Ausgangssignals des Feldeffekttransistors nach der über den ersten Schalter erfolgten Verbindung des fotoelektrischen Wandlerelements mit dem Feldeffekttransistor, und
einen dritten Schalter (M5) für die Übertragungssteuerung zu dem zweiten Kondensator.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfasst die Erfindung eine Videokamera oder eine digitale Stehbildkamera mit der vorstehend beschriebenen Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung.
Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen der Erfindung lässt sich der Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) verbessern und der Dynamikbereich von Bildsignalen erweitern, die von einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung erhalten werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erfolgt, in denen gleiche Bezugszahlen und Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile und Bauelemente bezeichnen. Es zeigen:
1 Signalverläufe, die die Betriebssteuerung bei einem Erläuterungszwecken dienenden ersten Hintergrund-Beispiel veranschaulichen, das nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt,
2 ein Schaltbild eines Teils einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem ersten Hintergrund-Beispiel,
3 Signalverläufe, die die Betriebssteuerung bei einem Erläuterungszwecken dienenden zweiten Hintergrund-Beispiel veranschaulichen, das nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt,
4 ein Schaltbild eines Teils einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem zweiten Hintergrund-Beispiel,
5 Signalverläufe, die die Betriebssteuerung bei einem Erläuterungszwecken dienenden dritten Hintergrund-Beispiel veranschaulichen, das nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt,
6 ein Schaltbild eines Teils einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem dritten Hintergrund-Beispiel,
7 Signalverläufe, die die Betriebssteuerung bei einem Erläuterungszwecken dienenden vierten Hintergrund-Beispiel veranschaulichen, das nicht in den Schutzumfang der Erfindung fällt,
8 ein Schaltbild eines Teils einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem vierten Hintergrund-Beispiel,
9 eine Konzeptdarstellung des Aufbaus einer Vertikal-Abtastschaltung der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 8,
10 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Schaltbild des wesentlichen Aufbaus eines Bildelements,
12 Signalverläufe, die eine Betriebssteuerung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulichen,
13 ein Schaltbild des wesentlichen Teils eines Bildelements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14 ein Schaltbild einer bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung,
15 ein Schaltbild eines einzelnen Bildelements der bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 14,
16 Signalverläufe zur Veranschaulichung von Betrieb und Arbeitsweise der bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung,
17 eine schematische Darstellung eines Sensorbereichs einer weiteren bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung,
18 ein Schaltbild einer Horizontal-Schalteranordnung der bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung,
19 Signalverläufe zur Veranschaulichung von Betrieb und Arbeitsweise der bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, und
20 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines bei der bekannten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung auftretenden Problems.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und zu deren Erläuterung dienende Hintergrund-Beispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
Erstes, nicht in den Schutzumfang der Erfindung fallendes Hintergrund-Beispiel
Zur Erläuterung des technischen Hintergrunds wird zunächst ein Beispiel für die Betriebssteuerung einer in 2 dargestellten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung in Verbindung mit den Signalverläufen gemäß 1 näher beschrieben.
Die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2 weist hierbei den nachstehenden Schaltungsaufbau auf.
Jedes Bildelement umfasst eine Fotodiode 1, einen Übertragungsschalter 2, einen Rückstellschalter 3, einen Bildelementverstärker 4 und einen Zeilenwählschalter 5, wobei eine Vielzahl solcher Bildelemente in der in 2 veranschaulichten Weise miteinander verbunden sind. In 2 sind zwar nur vier Bildelemente dargestellt, jedoch ist in der Praxis eine Vielzahl von Bildelementen vorgesehen. Wenn der Zeilenwählschalter 5 durchgeschaltet wird, wird ein von einer Laststromquelle 7 und dem Bildelementverstärker 4 gebildeter Sourcefolger angesteuert, sodass Signale einer gewählten Zeile jeweiligen Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zugeführt werden. Diese Signale werden über jeweilige Übertragungsgates 8 in eine Signalspeichereinheit 11 eingespeichert. Die in der Signalspeichereinheit 11 zwischengespeicherten Signale werden sodann über eine Horizontal-Abtastschaltung 12 aufeinanderfolgend einer (nicht dargestellten) Ausgangseinheit zugeführt.
Nachstehend wird in Verbindung mit der in 1 veranschaulichten Betriebssteuerung näher auf die Arbeitsweise der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 2 eingegangen. Zunächst geht zur Zeit t₂₁ ein Signal ϕRES auf einen hohen Pegel über, wodurch das Gate des Bildelementverstärkers 4 auf ein Rückstellpotential (das Potential des Impulses ϕRES abzüglich des Schwellenpotentials) zurückgestellt wird. Sodann geht zur Zeit t₂₂ ein Signal ϕSEL auf einen hohen Pegel über, wodurch der von dem Bildelementverstärker 4 und der Laststromquelle 7 gebildete Sourcefolger angesteuert wird. Auf diese Weise tritt an der entsprechenden Vertikal-Ausgangsleitung 6 ein dem Rückstellpotential entsprechendes Rauschsignal auf und wird in der Signalspeichereinheit 11 zwischengespeichert, indem ein Signal ϕTN auf einen hohen Pegel übergeht und ein Übertragungsgate 13 durchgeschaltet wird. Nach dem Auslesen des Rauschsignals gehen die Signale ϕSEL und ϕTN zur Zeit t₂₃ auf einen niedrigen Pegel über, wobei das Potential der Vertikal-Ausgangsleitung 6 bei der Zuführung von Laststrom durch die Stromquelle 7 abfällt. Wenn das Potential der Vertikal-Ausgangsleitung 6 bis in die Nähe der Massespannung abgefallen ist, geht zur Zeit t₂₄ ein Übertragungssignal ϕTX auf einen hohen Pegel über, wodurch von jeder Fotodiode 1 eine Fotoladung dem Gate des Bildelementverstärkers 4 zugeführt wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird der Drain-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 keine Spannung zugeführt, sodass der Bildelementverstärker 4 im linearen Bereich (Triodenbereich) betrieben wird und die Gate-Kapazität des Bildelementverstärkers 4 somit einen Maximalwert annimmt. Sodann geht das Signal ϕTX zur Zeit t₂₅ wieder auf einen niedrigen Pegel über, woraufhin die Signale ϕSEL und ϕTS zur Zeit t₂₆ auf einen hohen Pegel übergehen und die Fotoladungen ausgelesen werden.
Durch Steuerung der Zeitdauer zwischen der Zeit t₂₅, bei der der Übergang des Signals ϕTX auf einen niedrigen Pegel erfolgt, und der Zeit t₂₆, bei der die Signale ϕSEL und ϕTS auf einen hohen Pegel übergehen, kann der Bildelementverstärker 4 in einem linearen Arbeitsbereich betrieben werden, wodurch ein Fotoladungssignal mit einem großen Dynamikbereich erhalten werden kann.
Wenn eine Fotoladung von der Fotodiode 1 zu dem Bildelementverstärker 4 gemäß diesem ersten Beispiel übertragen wird, kann die maximal zulässige Ladung im Vergleich zu einem üblichen Betriebsverfahren um 11% gesteigert werden, da der Arbeitsbereich des Bildelementverstärkers 4 auf den linearen Bereich (Triodenbereich) beschränkt ist.
Zweites, nicht in den Schutzumfang der Erfindung fallendes Hintergrund-Beispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Signalverläufe gemäß 3 ein Beispiel für Betrieb und Arbeitsweise einer in 4 dargestellten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung näher beschrieben.
Zunächst wird der Schaltungsaufbau der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 4 kurz beschrieben. Jedes Bildelement umfasst eine Fotodiode 1, einen Übertragungsschalter 2, einen Rückstellschalter 3, einen Bildelementverstärker 4 und einen Zeilenwählschalter 5, wobei eine Vielzahl solcher Bildelemente in der in 4 veranschaulichten Weise miteinander verbunden sind. In 4 sind zwar nur vier Bildelemente dargestellt, jedoch ist in der Praxis eine Vielzahl von Bildelementen vorgesehen. Wenn der Zeilenwählschalter 5 durchgeschaltet wird, wird ein von einer Lastspannungsquelle 7 und dem Bildelementverstärker 4 gebildeter Sourcefolger angesteuert, sodass die Signale einer gewählten Zeile jeweiligen Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zugeführt werden. Diese Signale werden über jeweilige Übertragungsgates 8 in eine Signalspeichereinheit 11 eingespeichert. Die in der Signalspeichereinheit 11 zwischengespeicherten Signale werden sodann über eine Horizontal-Abtastschaltung 12 aufeinanderfolgend einer (nicht dargestellten) Ausgangseinheit zugeführt. Außerdem sind Vertikalausgangsleitungs-Rückstellschalter 9 zur Rückstellung der Vertikal-Ausgangsleitungen 6 auf ein festes Potential vorgesehen. Die Unterschiede zwischen der Schaltungsanordnung gemäß 4 und der Schaltungsanordnung gemäß 2 bestehen darin, dass die Vertikalausgangsleitungs-Rückstellschalter 9 vorgesehen sind und dass den Gate-Elektroden der Rückstellschalter 9 gemäß 4 ein Rückstellimpuls ϕVR zugeführt wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Steuersignalverläufe gemäß 3 näher auf Betrieb und Wirkungsweise der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 4 eingegangen. Wenn zunächst zur Zeit t₃₁ das Signal ϕVR auf einen hohen Pegel übergeht, werden die Vertikal-Ausgangsleitungen 6 auf ein festes Potential (bei diesem Beispiel Massepotential) zurückgestellt. Nachdem das Signal ϕVR zur Zeit t₃₂ wieder auf einen niedrigen Pegel übergegangen ist, geht zur Zeit t₃₃ ein Signal ϕRES auf einen hohen Pegel über, wodurch das Gate des Bildelementverstärkers 4 auf ein Rückstellpotential zurückgestellt wird. Zur Zeit t₃₄ geht sodann das Signal ϕRES wieder auf einen niedrigen Pegel über, während Signale ϕSEL und ϕTN auf einen hohen Pegel übergehen. Auf diese Weise wird der von dem Bildelementverstärker 4 und der Laststromquelle 7 gebildete Sourcefolger angesteuert, sodass an der entsprechenden Vertikal-Ausgangsleitung 6 ein dem Rückstellpotential entsprechendes Rauschsignal auftritt und in der Signalspeichereinheit 11 zwischengespeichert wird, indem das Übertragungsgate 13 durchgeschaltet wird.
Nach erfolgtem Auslesen des Rauschsignals zur Zeit t₃₅ geht das Signal ϕVR zur Zeit t₃₆ wieder auf einen hohen Pegel über, sodass die Vertikal-Ausgangsleitungen 6 erneut auf Massepotential zurückgestellt werden. Während der Zeitdauer, in der die Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zurückgestellt werden, geht das Übertragungssignal ϕTX zur Zeit t₃₇ auf einen hohen Pegel über, wodurch eine Fotoladung von der Fotodiode 1 dem Gate des Bildelementverstärkers 4 zugeführt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Source-Elektrode des Bildelementverstärkers (MOS-Feldeffekttransistors) 4 auf dem Massepotential gehalten, auf das die Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zurückgestellt werden. Da außerdem der Drain-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 keine Spannung zugeführt wird, ist der Arbeitsbereich des Bildelementverstärkers 4 auf den linearen Bereich (Triodenbereich) begrenzt.
Nachdem die Übertragung der Fotoladung zum Gate des Bildelementverstärkers 4 zur Zeit t₃₈ erfolgt ist, gehen die Signale ϕSEL und ϕTS zur Zeit t₃₉ auf einen hohen Pegel über, sodass die Fotoladung der entsprechenden Vertikal-Ausgangsleitung 6 zugeführt und durch Durchschalten des Übertragungsgates 8 zu der Signalspeichereinheit 11 ausgelesen wird. Bei dem ersten Hintergrund-Beispiel ist es erforderlich, bei der Ladungsübertragung einen ausreichend großen Strom von der Stromquelle 7 zur Verringerung des Potentials an der Source-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 bis in die Nähe des Massepotentials zuzuführen oder eine Austastperiode nach dem Auslesen des Rauschsignals bis zur Übertragung der Fotoladung zu verlängern. Bei dem zweiten Hintergrund-Beispiel können dagegen die Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zurückgestellt werden, sodass keine derartigen Beschränkungen in Bezug auf den in Verbindung mit dem ersten Hintergrund-Beispiel beschriebenen Aufbau des fotoelektrischen Wandlerelements bestehen.
Wenn sich ferner das Potential der Vertikal-Ausgangsleitung 6 ändert, während sich das Gate-Potential des Bildelementverstärkers 4 im schwebenden Zustand befindet, tritt durch die Gate-Source-Kapazität des Bildelementverstärkers 4 eine Rückkopplungserscheinung auf. Bei dem zweiten Hintergrund-Beispiel ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, dass das Potential der Vertikal-Ausgangsleitung 6 stets ausgehend vom Massepotential ansteigt und dass das Verhältnis der Rückkopplungsspannung zu der Spannung der Fotoladung konstant gehalten und das Fotoladungs-Ausgangssignal linear gehalten werden.
Bei dem zweiten Hintergrund-Beispiel kann die maximal zulässige Ladung Qsat im Vergleich zu einem üblichen Betriebsverfahren um 13% gesteigert werden, da die Gate-Kapazität des Bildelementverstärkers 4 bei der Übertragung der Fotoladung zu dem Gate des Bildelementverstärkers 4 maximal ist.
Drittes, nicht in den Schutzumfang der Erfindung fallendes Hintergrund-Beispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Signalverläufe gemäß 5 ein Beispiel für Betrieb und Arbeitsweise der in 6 dargestellten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung näher beschrieben.
Zunächst wird auf den Schaltungsaufbau der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 6 näher eingegangen. Jedes Bildelement umfasst eine Fotodiode 1, einen Übertragungsschalter 2, einen Rückstellschalter 3, einen Bildelementverstärker 4 und einen Zeilenwählschalter 5, wobei eine Vielzahl solcher Bildelemente in der in 6 veranschaulichten Weise miteinander verbunden sind. In 6 sind zwar nur vier Bildelemente dargestellt, jedoch ist in der Praxis eine Vielzahl von Bildelementen vorgesehen. Wenn der Zeilenwählschalter 5 durchgeschaltet wird, wird ein von einer Laststromquelle 7 und dem Bildelementverstärker 4 gebildeter Sourcefolger angesteuert, sodass Signale einer gewählten Zeile jeweiligen Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zugeführt werden. Diese Signale werden über jeweilige Übertragungsgates 8 in eine Signalspeichereinheit 11 eingespeichert. Die in der Signalspeichereinheit 11 zwischengespeicherten Signale werden sodann über eine Horizontal-Abtastschaltung 12 aufeinanderfolgend einer (nicht dargestellten) Ausgangseinheit zugeführt. Außerdem sind ebenfalls Vertikalausgangsleitungs-Rückstellschalter 9 zur Rückstellung der Vertikal-Ausgangsleitungen 6 auf ein festes Potential vorgesehen. Die Unterschiede zwischen der Schaltungsanordnung gemäß 6 und der Schaltungsanordnung gemäß 4 bestehen darin, dass der Zeilenwählschalter 5 auf die Source-Seite des Bildelementverstärkers 4 geschaltet ist und dass über den Zeilenwählschalter 5 sowohl ein Rauschsignal als auch ein Fotoladungssignal auf die entsprechende Vertikal-Ausgangsleitung 6 ausgelesen werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Steuersignalverläufe gemäß 5 näher auf Betrieb und Arbeitsweise der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 6 eingegangen. Wenn zunächst zur Zeit t₅₁ ein Signal ϕRES auf einen hohen Pegel übergeht, wird das Gate des Bildelementverstärkers 4 auf ein Rückstellpotential zurückgestellt. Sodann gehen zur Zeit t₅₂ Signale ϕSEL und ϕTN auf einen hohen Pegel über, wodurch ein Rauschsignal zu der Signalspeichereinheit 11 ausgelesen wird. Nach dem Auslesen des Rauschsignals geht das Signal ϕTN zur Zeit t₅₃ wieder auf einen niedrigen Pegel über, während ein Signal ϕVR zur Zeit t₅₄ auf einen hohen Pegel übergeht, wodurch die Vertikal-Ausgangsleitung 6 zurückgestellt wird. Da hierbei das Signal ϕSEL auf einem hohen Pegel verbleibt, wird gleichzeitig das Potential an der Source-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 zurückgestellt und auf Massepotential festgehalten. In diesem Zustand geht das Signal ϕTX zur Zeit t₅₅ auf einen hohen Pegel über, sodass eine Fotoladung von der Fotodiode 1 dem Gate des Bildelementverstärkers 4 zugeführt wird. Bei der Zuführung der Fotoladung fällt das Gate-Potential des Bildelementverstärkers 4 zwar ab, jedoch verbleibt der Bildelementverstärker 4 während der Zuführung der Fotoladung stets im Einschaltzustand, da die Source-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 über den Zeilenwählschalter 5 an Massepotential gelegt wird. Nach der Übertragung der Fotoladung gehen die Signale ϕVR und ϕTX zur Zeit t₅₆ auf einen niedrigen Pegel über, während das Signal ϕTS zur Zeit t₅₇ auf einen hohen Pegel übergeht, sodass das Fotoladungssignal zu der Signalspeichereinheit 11 ausgelesen wird. Sodann gehen die Signale ϕSEL und ϕTS zur Beendigung des Lesevorgangs einer Zeile auf einen niedrigen Pegel über, woraufhin der Ablauf zum Lesevorgang der nächsten Zeile fortschreitet.
Da sich bei dem dritten Hintergrund-Beispiel der Bildelementverstärker 4 in der vorstehend beschriebenen Weise bei der Übertragung der Fotoladung von der Fotodiode 1 zu dem Gate des Bildelementverstärkers 4 stets im Einschaltzustand befindet, wird im Vergleich zum üblichen Betriebsverfahren eine Steigerung der maximal zulässigen Ladung Qsat um 43% erzielt.
Bei dem dritten Hintergrund-Beispiel weist die Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung zwar die Vertikalausgangsleitungs-Rückstellschalter 9 auf, jedoch können sie auch entfallen, wenn die Laststromquellen 7 einen ausreichend hohen Strom zuführen und das Potential an der Source-Elektrode der Bildelementverstärker 4 vor der Übertragung von Fotoladungen zu dem Gate der Bildelementverstärker 4 schnell auf Massepotential verringert wird.
Viertes, nicht in den Schutzumfang der Erfindung fallendes Hintergrund-Beispiel
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Signalverläufe gemäß 7 ein Beispiel für Betrieb und Wirkungsweise einer in 8 dargestellten Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung näher beschrieben.
Zunächst wird auf den Schaltungsaufbau der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 8 eingegangen. Jedes Bildelement umfasst eine Fotodiode 1, einen Übertragungsschalter 2, einen Rückstellschalter 3, einen Bildelementverstärker 4 und einen Zeilenwählschalter 5, wobei eine Vielzahl solcher Bildelemente in der in 8 veranschaulichten Weise ähnlich wie bei der Schaltungsanordnung gemäß 6 miteinander verbunden sind. In 8 sind zwar nur vier Bildelemente dargestellt, jedoch ist in der Praxis eine Vielzahl von Bildelementen vorgesehen. Wenn der Zeilenwählschalter 5 durchgeschaltet wird, wird ein von einer Laststromquelle 7 und dem Bildelementverstärker 4 gebildeter Sourcefolger angesteuert, wodurch Signale einer gewählten Zeile jeweiligen Vertikal-Ausgangsleitungen 6 zugeführt werden. Diese Signale werden über jeweilige Übertragungsgates 8, 14, 15 oder 16 in eine Signalspeichereinheit 11 eingespeichert. Die in der Signalspeichereinheit 11 zwischengespeicherten Signale werden sodann aufeinanderfolgend von einer Horizontal-Abtastschaltung 12 einer Ausgangseinheit zugeführt. Ferner sind auch Vertikalausgangsleitungs-Rückstellschalter 9 zur Rückstellung der Vertikal-Ausgangsleitungen 6 auf ein festes Potential vorgesehen. Bei dieser Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung werden Signale von gradzahligen Zeilen und Signale von ungradzahligen Zeilen unter Verwendung der Übertragungsgates 8, 14, 15 und 16 getrennt der Signalspeichereinheit 11 zugeführt. Auf diese Weise können Signale von zwei Zeilen während einer Horizontal-Austastperiode ausgelesen werden.
9 veranschaulicht den Aufbau eines Teils einer Vertikal-Abtastschaltung 10 der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 8. Mit Hilfe eines Signals ϕSEL1 zur Auswahl der gradzahligen Zeilen und eines Signals ϕSEL2 zur Auswahl der ungradzahligen Zeilen, die unabhängig voneinander vorgesehen sind, werden der Signalspeichereinheit 11 in einer einzigen Horizontal-Austastperiode Signale von zwei Zeilen zugeführt. Im einzelnen umfasst die Vertikal-Abtastschaltung 10 ein Vertikal-Schieberegister 17, das ein Impulssignal V(n) zur Auswahl eines n-ten Paares von benachbarten ungradzahligen und gradzahligen Zeilen abgibt, sowie mehrere Gruppen von NOR-Gliedern 18 bis 21, von denen jeweils ein Paar einem jeden gradzahligen/ungradzahligen Zeilenpaar entspricht. Ein Impulssignal ϕV(n) des in der Vertikal-Abtastschaltung 10 angeordneten Vertikal-Schieberegisters 17 wird einem Anschluss eines jeden der NOR-Glieder 18 bis 21 der n-ten Gruppe zugeführt, während den anderen Anschlüssen der NOR-Glieder 18 bis 21 jeweils die Zeilenwählsignale ϕSEL1 und ϕSEL2, ein Rückstellsignal ϕRES und ein Übertragungssignal ϕTX zugeführt werden, die sämtlich von der Vertikal-Abtastschaltung 10 erzeugt werden. Wenn das das n-te Zeilenpaar auswählende Impulssignal V(n) eingegeben wird, führen die NOR-Glieder 18 bis 21 den entsprechenden Zeilen Wählsignale ϕSEL1(n) und ϕSEL2(n) und sowohl der gradzahligen als auch der ungradzahligen Zeile des n-ten Paares zur Ansteuerung der jeweiligen Bildelemente ein Rückstellsignal ϕRES(n) und ein Übertragungssignal ϕTX(n) zu.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Steuersignalverläufe gemäß 7 näher auf Betrieb und Wirkungsweise der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 8 eingegangen. Mit Ausnahme der Signale ϕRES1 und ϕRES2, ϕTS1 und ϕTS2 sowie ϕTN1 und ϕTN2, die jeweils einer ungradzahligen Zeile bzw. einer gradzahligen Zeile zugeführt werden, werden sämtliche anderen Signale gleichzeitig an sowohl die gradzahligen als auch die ungradzahligen Zeilen angelegt. Wenn nun von einer ungradzahligen Zeile ausgegangen wird, geht zunächst ein Signal ϕRES zur Zeit t₆₀ auf einen hohen Pegel über, woraufhin das Gate des Bildelementverstärkers 4 auf ein Rückstellpotential (das Potential des Impulses ϕRES abzüglich des Schwellenpotentials) zurückgestellt wird. Sodann gehen die Signale ϕSEL1 und ϕTN1 zur Zeit t₆₁ auf einen hohen Pegel über und ein Rauschsignal der ungradzahligen Zeile wird zu der Signalspeichereinheit 11 ausgelesen. Nach dem Auslesen des Rauschsignals der ungradzahligen Zeile gehen die Signale ϕSEL1 und ϕTN1 zur Zeit t₆₂ auf einen niedrigen Pegel über, während die Signale ϕSEL2 und ϕTN2 zur Zeit t₆₃ auf einen hohen Pegel übergehen, wodurch das Rauschsignal der gradzahligen Zeile zur Zeit t₆₄ zu der Signalspeichereinheit 11 ausgelesen wird.
Nach dem Auslesen des Rauschsignals der gradzahligen Zeile gehen die Signale ϕSEL1, ϕSEL2 und ϕVR zur Zeit t₆₅ auf einen hohen Pegel über, wodurch die Vertikal-Ausgangsleitung 6 zurückgestellt wird. Bei dem vierten Hintergrund-Beispiel wird das Rückstellpotential vom Massepotential gebildet. In diesem Zustand geht das Signal ϕTX auf einen hohen Pegel über, sodass eine Fotoladung von der Fotodiode 1 zum Gate des Bildelementverstärkers 4 übertragen wird. Bei der Übertragung der Fotoladung fällt zwar das Gate-Potential des Bildelementverstärkers 4 ab, jedoch verbleibt der Bildelementverstärker 4 bei der Übertragung der Fotoladung stets im Einschaltzustand, da die Signale ϕSEL1 und ϕSEL2 auf hohem Pegel verbleiben und der Zeilenwählschalter 5 durchgeschaltet ist, sodass die Source-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 über den Zeilenwählschalter 5 an Massepotential gelegt ist. Die Fotoladungen der ungradzahligen Zeile und der gradzahligen Zeile werden durch aufeinanderfolgenden Übergang der Signale ϕSEL1 und ϕTS1 sowie ϕSEL2 und ϕTS2 auf einen hohen Pegel (zu den Zeiten t₆₇, t₆₈, t₆₉, t₇₀) zu der Signalspeichereinheit 11 ausgelesen.
Durch Wiederholung dieses Vorgangs werden Fotoladungssignale für ein Bild bzw. Halbbild aufeinanderfolgend ausgelesen.
Als Modifikation des vierten Hintergrund-Beispiels können durch Addition der Fotoladungssignale von aufeinanderfolgenden gradzahligen und ungradzahligen Zeilen auch Signale erhalten werden, die einem sich bewegenden Bild entsprechen.
Da sich bei einem üblichen Betriebsverfahren die Source-Elektrode des Bildelementverstärkers 4 bei der Übertragung einer Fotoladung zu dem Gate des Bildelementverstärkers 4 in einem schwebenden bzw. potentialfreien Zustand befindet, wird der Bildelementverstärker 4 bei der Übertragung einer großen Fotoladung in den Sperrzustand versetzt. Bei dem vierten Hintergrund-Beispiel wird dagegen der Bildelementverstärker 4 im Durchschaltzustand gehalten, wodurch im Vergleich zu dem üblichen Betriebsverfahren eine Steigerung der maximal zulässigen Ladung Qsat um 45% erzielt wird.
Bei dem vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Hintergrund-Beispiel wird durch in verschiedener Weise erfolgende Zuführung von Steuerimpulsen dem Gate eines als Bildelementverstärker 4 dienenden MOS-Transistors eine Fotoladung im optimalen Arbeitsbereich des MOS-Transistors zugeführt, sodass der MOS-Transistor im sogenannten Triodenbereich und damit im linearen Arbeitsbereich betrieben wird, wodurch wiederum die Möglichkeit besteht, die Fotoladung im Rahmen eines vergrößerten Dynamikbereiches des Bildelementverstärkers 4 auszulesen.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Betriebsverfahren zur Ansteuerung der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtungen lässt sich somit eine Vergrößerung der maximal zulässigen Ladung Qsat erzielen.
Die vorstehend beschriebenen ersten bis vierten Hintergrund-Beispiele können im allgemeinen bei einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung beliebiger Art Verwendung finden, die in jeder Bildelementeinheit ein fotoelektrisches Wandlerelement, einen Feldeffekttransistor, dessen Gate eine Fotoladung zugeführt wird, und einen Übertragungsschalter zur Steuerung der Verbindung zwischen dem fotoelektrischen Wandlerelement und dem Gate des Feldeffekttransistors aufweist, wobei die maximal zulässige Ladung Qsat, die von einem Verstärker des Source-Folgertyps bewältigt werden kann, erhöht und damit der Dynamikbereich vergrößert wird. Auf diese Weise lassen sich qualitativ hochwertige Bildsignale mit einem hohen Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) erhalten.
Erstes Ausführungsbeispiel
10 zeigt ein Blockschaltbild des Aufbaus einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, während 11 ein Schaltbild darstellt, das den grundsätzlichen Aufbau eines Bildelements veranschaulicht. Hierbei ist eine Vielzahl derartiger Bildelemente auf einem z.B, aus monokristallinem Silizium bestehenden einzigen Halbleitersubstrat in CMOS-Großintegrationsverarbeitung im Rahmen des Herstellungsverfahrens eines integrierten Halbleiterschaltkreises ausgebildet, die in ihrer Gesamtheit im allgemeinen als "CMOS-Sensor" bezeichnet werden. Weiterhin wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel auf Bildelemente S11 bis Smn der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung Bezug genommen, die in m Zeilen und n Spalten angeordnet sind, wobei jedoch keine Beschränkung auf die Anzahl der Zeilen und Spalten besteht.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 11 der grundsätzliche Aufbau eines jeden der Bildelemente S11 bis Smn näher beschrieben. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel liegt die Anode einer Fotoladungen erzeugenden Fotodiode PD an Masse. Die Kathode der Fotodiode PD ist mit dem Gate eines zur Verstärkung dienenden MOS-Transistors M3 (der nachstehend als "MOS-Verstärker" bezeichnet wird) über einen Ladungsübertragungsschalter TX verbunden. Außerdem ist mit dem Gate des MOS-Verstärkers M3 die Source-Elektrode eines zur Rückstellung des MOS-Verstärkers M3 vorgesehenen MOS-Transistors M1 verbunden (der nachstehend als "MOS-Rückstelltransistor" bezeichnet wird). Der Drain-Elektrode des MOS-Rückstelltransistors M1 wird eine Rückstellspannung VR zugeführt. Außerdem ist die Drain-Elektrode des MOS-Verstärkers M3 mit einem (nachstehend als "MOS-Wählschalter" bezeichneten) MOS-Transistor M2 zur Auswahl einer Zeile verbunden, der eine Betriebsspannung VDD zugeführt wird.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 10 der Aufbau der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Die Gate-Elektroden von Ladungsübertragungsschaltern TX der Bildelemente S11 bis Smn sind mit ersten Zeilenwählleitungen (Vertikal-Abtastleitungen) TX1 bis TXm verbunden, die jeweils in Horizontalrichtung verlaufen. So sind z.B. die Gate-Elektroden der Ladungsübertragungsschalter TX der Bildelemente S11 bis S1n in der ersten Zeile mit der ersten Zeilenwählleitung TX1 und in ähnlicher Weise die Gate-Elektroden der Ladungsübertragungsschalter TX von Bildelementen Si1 bis Sin (i ist eine beliebige ganze Zahl) in der i-ten Zeile mit der ersten Zeilenwählleitung Txi verbunden. Weiterhin sind die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M1 der Bildelemente S11 bis S11 mit einer zweiten Zeilenwählleitung (Vertikal-Abtastleitung) RES1 verbunden, die ebenfalls in Horizontalrichtung verläuft. Gleichermaßen sind die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M1 von Bildelementen Si1 bis Sin in der i-ten Zeile mit der zweiten Zeilenwählleitung RESi verbunden.
Außerdem sind die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M2 der Bildelemente S11 bis S1n mit einer dritten Zeilenwählleitung (Vertikal-Abtastleitung) SEL1 verbunden, die ebenfalls in Horizontalrichtung verläuft. Gleichermaßen sind die Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M2 von Bildelementen Si1 bis Sin in der i-ten Zeile mit der dritten Zeilenwählleitung SELi verbunden. Diese ersten, zweiten und dritten Zeilenwählleitungen Txi, RESi und SELi sind mit einer Vertikal-Abtastschaltung 71 verbunden, wobei ihnen Spannungssignale gemäß dem in 12 dargestellten und nachstehend näher beschriebenen Steuerablauf zugeführt werden. Im einzelnen werden der ersten, zweiten und dritten Zeilenwählleitung hierbei von der Vertikal-Abtastschaltung 71 Signale ϕTX1 bis ϕTXm, ϕRES1 bis ϕRESm und ϕSEL1 bis ϕSELm zugeführt.
Die Source-Elektroden der MOS-Transistoren M3 der Bildelemente S11 bis Sm1 sind mit einer Vertikal-Signalleitung V1 verbunden, die in Vertikalrichtung verläuft. Gleichermaßen sind die Source-Elektroden der MOS-Transistoren M3 von Bildelementen S1j bis Smj (j ist hierbei eine beliebige ganze Zahl) in einer j-ten Spalte mit einer Vertikal-Signalleitung Vj verbunden. Hierbei ist die nachstehend als Beispiel herangezogene Vertikal-Signalleitung V1 mit einer eine Last darstellenden Konstantstromquelle I1 verbunden und wird über einen MOS-Transistor M8 in dessen Durchschaltzustand mit einer Vertikalleitungs-Rückstellspannung VVR beaufschlagt, wodurch die Rückstellung der Vertikal-Signalleitung V1 erfolgt. Außerdem ist die Vertikal-Signalleitung V1 mit einem Kondensator CTN, durch den über einen Rauschsignal-Übertragungsschalter M4 die Zwischenspeicherung eines Rauschsignals erfolgt, sowie mit einem Kondensator CTS verbunden, durch den über einen Fotoladungssignal-Übertragungsschalter M5 die Zwischenspeicherung eines Fotoladungssignals erfolgt. Die andere Seite der Kondensatoren CTN und CTS liegt jeweils an Masse. Ein Knotenpunkt VIN zwischen dem Rauschsignal-Übertragungsschalter M4 und dem Kondensator CTN und ein Knotenpunkt VIS zwischen dem Fotoladungssignal-Übertragungsschalter M5 und dem Kondensator CTS werden über Kondensator-Rückstellschalter M9 und M10 in deren Durchschaltzustand jeweils mit einer Spannung VRCT beaufschlagt und sind außerdem zur Bildung der Differenz zwischen dem Fotoladungssignal und dem Rauschsignal über Horizontal-Übertragungsschalter M6 und M7 jeweils mit einem Differenzblock 73 verbunden. Die Gate-Elektroden der Horizontal-Übertragungsschalter M6 und M7 sind beide mit einer Spalten-Wählleitung H1 verbunden, die wiederum mit einer Horizontal-Abtastschaltung 72 verbunden ist. Eine identische Schaltungsanordnung zum Auslesen von Signalen ist für jede der anderen Vertikal-Signalleitungen V2 bis Vn gemäß 10 vorgesehen.
Weiterhin sind die Gate-Elektroden der für jede der Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn vorgesehenen Vertikalleitungs-Rückstellschalter M8, Rauschsignal-Übertragungsschalter M4 und Fotoladungssignal-Übertragungsschalter M5 jeweils mit Leitungen VRES, TN bzw. TS verbunden, denen jeweils Signale ϕVRES, ϕTN und ϕTS zugeführt werden.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 12 näher auf Betrieb und Wirkungsweise der Bildaufnahmevorrichtung gemäß 10 eingegangen, wobei zunächst als Beispiel das Auslesen von Signalen aus den Bildelementen der ersten Zeile beschrieben wird.
Vor dem Auslesen eines Fotoladungssignals aus einer jeden Fotodiode PD sind das den Gate-Elektroden der MOS-Rückstelltransistoren M1 der ersten Zeile zugeführte Signal ϕRES1 und das den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M8 zugeführte Signal ϕVRES zur Zeit t₇₁ auf einen hohen Pegel übergegangen. Auf diese Weise werden die Gates der MOS-Verstärker M3 auf die Spannung VR zurückgestellt, während die Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn auf die Spannung VVR zurückgestellt werden. Nachdem das den Gate-Elektroden der MOS-Rückstelltransistoren M1 zugeführte Signal ϕRES1 und das den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M8 zugeführte Signal ϕVRES zur Zeit t₇₁ auf einen niedrigen Pegel übergegangen sind, gehen das den Gate- Elektroden der MOS-Wähltransistoren M2 in der ersten Zeile zugeführte Signal ϕSEL1 und das den Gate-Elektroden der Rauschsignal-Übertragungsschalter M4 zugeführte Signal ϕTN zur Zeit t₇₂ auf einen hohen Pegel über. Auf diese Weise wird das Rückstellsignal VR von einem Rückstellrauschen überlagert, mit einer Verstärkung A durch die MOS-Verstärker M3 multipliziert und erfährt außerdem eine Verschiebung durch eine Gate-Source-Spannung VGS der MOS-Verstärker. Die sich ergebenden Rauschsignale werden dann zu den jeweiligen Kondensatoren CTN ausgelesen, wobei das Rauschsignal (die Rauschspannung) V1N sich durch folgende Gleichung ausdrücken lässt: V1N = A × (VR – VGS) (6)
Wie vorstehend beschrieben, verändert sich hierbei die Gate-Source-Spannung VGS in Abhängigkeit von der Schwellenspannung Vth des jeweiligen MOS-Verstärkers M3 in jedem Bildelement.
Danach gehen das den Gate-Elektroden der MOS-Wähltransistoren M2 zugeführte Signal ϕSEL1 und das den Gate-Elektroden der Rauschsignal-Übertragungsschalter M4 zugeführte Signal ϕTN zur Zeit t₇₃ auf einen niedrigen Pegel über.
Hierbei nehmen die Spannungen an den Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn allmählich ab, da eine Entladung mit einer von parasitären Kapazitäten CP der Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn und den Konstantstromquellen (I1) bestimmten Zeitkonstanten stattfindet. Obwohl nämlich die Spannung VVR zur Rückstellung der Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn auf einen ausreichend hohen Spannungswert eingestellt ist und sich die MOS-Verstärker M3 zu Beginn des Auslesens von Signalen im Sperrzustand befinden, nehmen auf Grund der Verbindung einer Konstantstromquelle (I1) mit jeder Vertikal-Abtastleitung die Spannungen der Vertikal-Abtastleitungen V1 bis Vn auf Grund des Konstantstroms ab, sodass schließlich die MOS-Verstärker M3 durchgeschaltet und auf diese Weise die Signale ausgelesen werden. Bezüglich des Pegels der Rückstellspannung für die Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn besteht daher keine Beschränkung.
Vor der Übertragung von Fotoladungen geht sodann das den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M8 zugeführte Signal ϕVRES zur Zeit t₇₄ wieder auf einen hohen Pegel über, sodass die Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn erneut auf die Spannung VVR zurückgestellt werden. Demzufolge wird die Anfangsspannung der Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn zum Auslesen von Fotoladungen auf den gleichen Spannungswert wie diejenige zum Auslesen von Rauschsignalen eingestellt. Auch wenn keine ausreichende Zeitdauer zwischen dem Auslesen von Rauschsignalen und der Übertragung von Fotoladungen eingehalten werden kann, sind somit das Anfangspotential an der Vertikal-Signalleitung bei der Abgabe eines Rauschsignals und das Anfangspotential an der Vertikal-Signalleitung bei der Abgabe eines Fotoladungssignals identisch, wodurch ein nachstehend noch näher beschriebener Vorgang zur Verringerung des Rauschens mit hoher Genauigkeit erfolgt.
Sodann geht das den Gate-Elektroden der Ladungsübertragungsschalter TX der ersten Zeile zugeführte Signal ϕTX1 zur Zeit t₇₅ auf einen hohen Pegel über, sodass die von den Fotodioden PD erzeugten Fotoladungen den Gates der jeweiligen MOS-Verstärker M3 zugeführt werden. Nachdem das den Gate-Elektroden der Ladungsübertragungsschalter TX zugeführte Signal ϕTX1 zur Zeit t₇₆ und das den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M8 zugeführte Signal ϕVRES zur Zeit t₇₇ auf einen niedrigen Pegel übergegangen sind, gehen die den Gate-Elektroden der MOS-Wählschalter M2 der ersten Zeile zugeführten Signale ϕSEL1 und das den Gate-Elektroden der Fotoladungssignal-Übertragungsschalter M5 zugeführte Signal ϕTS zur Zeit t₇₈ auf einen hohen Pegel über. Demzufolge wird das Fotoladungssignal (Fotospannung) Vsig um die Verstärkung A des entsprechenden MOS-Verstärkers M3 verstärkt und erfährt eine Verschiebung um die Gate-Source-Spannung des MOS-Verstärkers M3, woraufhin die sich ergebende Spannung zu dem Kondensator CTS ausgelesen wird. Die Ausgangsspannung V1S lässt sich hierbei durch folgende Gleichung (7) ausdrücken: V1S = A × (Vsig – VGS) (7)
Sodann gehen das den Gate-Elektroden der MOS-Wählschalter M2 zugeführte Signal ϕSEL1 und das den Gate-Elektroden der Fotoladungssignal-Übertragungsschalter M5 zugeführte Signal ϕTS zur Zeit t₇₉ auf einen niedrigen Pegel über. Zu diesem Zeitpunkt beginnen die Spannungen an den Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn allmählich abzufallen, da eine Entladung mit einer von parasitären Kapazitäten CP der Vertikal-Signalleitungen V1 bis Vn und den Konstantstromquellen (I1) bestimmten Zeitkonstanten stattfindet.
Sodann geht das den Gate-Elektroden der MOS-Transistoren M8 zugeführte Signal ϕVRES zur Zeit t₇₁₀ wieder auf einen hohen Pegel über, wodurch die Signalleitungen V1 bis Vn zurückgestellt werden. Durch diesen Vorgang werden die Rauschsignale und Fotoladungssignale der Bildelemente S11 bis S1n der ersten Zeile in den zur Speicherung von Rauschsignalen vorgesehenen Kondensatoren CTN und in den zur Speicherung von Fotoladungssignalen vorgesehenen Kondensatoren CTS gespeichert, die für die jeweiligen Spalten vorgesehen sind.
Anschließend gehen die Gate-Elektroden der Horizontal-Übertragungsschalter M6 und M7 in Abhängigkeit von den von der Horizontal-Abtastschaltung 72 zur Zeit t₇₁₁ zugeführten Signalen H1 bis Hn aufeinanderfolgend auf einen hohen Pegel über, wodurch die in den Kondensatoren CTN und CTS gespeicherten Spannungen aufeinanderfolgend dem Differenzblock 73 zugeführt werden. Der Differenzblock 73 bildet die Differenzen zwischen den Fotoladungssignalen V1S bis VnS und den entsprechenden Rauschsignalen V1N bis VnN und gibt diese Differenzen aufeinanderfolgend in Form einer Ausgangsspannung VOUT ab. Die Ausgangsspannung VOUT der ersten Spalte lässt sich z.B. in Form der nachstehenden Gleichung (8) ausdrücken, die durch Subtraktion der Gleichung (6) von der Gleichung (7) erhalten wird: VOUT = V1S – V1N = A × (Vsig – VR) (8)
Auf diese Weise werden Fotoladungssignale abgegeben, bei denen Änderungen bzw. Schwankungen der Schwellenspannungen Vth der MOS-Verstärker bei den jeweiligen Bildelementen reduziert ist. Weiterhin ist das Rückstellrauschen bei dem Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung (8) sowohl in der Größe Vsig als auch in der Größe VR enthalten, sodass sich das Rückstellrauschen aufhebt und nur die von den Fotodiode PD erzeugten Fotoladungen verstärkt und als Ausgangsspannungen VOUT abgegeben werden.
Mit dem vorstehend beschriebenen Vorgang ist das Auslesen von Fotoladungen aus den Bildelementen der ersten Zeile abgeschlossen. Danach geht vor dem Auslesen der Fotoladungen der zweiten Zeile ein den Gate-Elektroden der Rückstellschalter M9 und M10 zugeführtes Signal ϕCTR auf einen hohen Pegel über, sodass die Gates auf die Spannung VRCT zurückgestellt werden, woraufhin das Auslesen von Fotoladungen der Bildelemente S21 bis S2n der zweiten Zeile erfolgt. Sodann werden die Fotoladungen der Bildelemente S31 bis Smn der dritten bis m-ten Zeile aufeinanderfolgend in Abhängigkeit von den von der Vertikal-Abtastschaltung 71 zugeführten Signalen in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelesen, womit die Fotoladungen von sämtlichen Bildelementen ausgelesen sind.
Die Verstärkung A in Gleichung (8) besitzt etwa den Wert eins, da der Source-Folger-Verstärker von dem MOS-Verstärker M3 gebildet wird, dessen Last die Stromquelle I1 darstellt. Wenn somit die Verstärkung des Differenzblockes auf eins eingestellt wird, wird die reine Spannungsdifferenz zwischen einem Fotoladungssignal und einem Rauschsignal erhalten und abgegeben. Da somit Schwankungen der Schwellenspannungen der MOS-Verstärker M3 und Schwankungen der Schwellenspannungen der MOS-Rückstelltransistoren M1 sowie das Rückstellrauschen verringert werden, kann ein Bildsignal mit einem hohen Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) erzeugt werden.
In der vorstehend beschriebenen Weise findet bei dem ersten Ausführungsbeispiel das Auslesen eines Rauschsignals und eines Fotoladungssignals zu den Kondensatoren CTN und CTS auch ohne Einbeziehung einer kapazitiven Teilung statt, sodass die Kapazitäten der Kondensatoren CTN und CTS nicht von der parasitären Kapazität der Vertikal-Ausgangsleitungen beeinflusst werden und sich ein Festkörper-Bildaufnahmegerät mit geringen Abmessungen realisieren lässt, das mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen werden kann.
Zweites Ausführungsbeispiel
Nachstehend wird ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben.
13 zeigt ein Schaltbild, das den grundsätzlichen Aufbau eines Bildelements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, der nachstehend näher beschrieben wird. In 13 sind der Schaltungsanordnung gemäß 11 entsprechende Einheiten und Elemente mit den gleichen Bezugszahlen und Bezugszeichen bezeichnet, wobei eine Vielzahl derartiger Bildelemente in der in 10 veranschaulichten Weise angeordnet sind. Die Bildelemente und peripheren Schaltungsanordnungen sind in CMOS-Großintegrationsverarbeitung hergestellt und werden in ihrer Gesamtheit als "CMOS-Sensor" bezeichnet.
Die Fotodioden können zwar bei der Bildung einer Source-Drain-Diffusionsschicht ausgebildet werden, jedoch handelt es sich bei den Fotodioden in den Bildelementen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung um vergrabene Fotodioden des Vollverarmungstyps, sodass Prozesse zur Ausbildung der Fotodioden zusätzlich zu der üblichen CMOS-Großintegrationsverarbeitung vorgesehen sind. Mit Hilfe dieser Vollverarmungs-Fotodioden können Fotoladungen mit einer guten Linearität erhalten werden.
Gemäß 13 liegt die Anode einer Fotoladungen erzeugenden Fotodiode PD an Masse, während die Kathode der Fotodiode PD über einen Ladungsübertragungsschalter TX mit der Gate-Elektrode des MOS-Verstärkers M3 verbunden ist. Ferner ist mit der Gate-Elektrode des MOS-Verstärkers M3 die Source-Elektrode eines zur Rückstellung des Gates des MOS-Verstärkers M3 dienenden MOS-Rückstelltransistors M1 verbunden, während der Drain-Elektrode des MOS-Rückstelltransistors M1 eine Rückstellspannung VR zugeführt wird. Der Drain-Elektrode des MOS-Verstärkers M3 wird die Betriebsspannung VDD zugeführt, während die Source-Elektrode mit dem MOS-Wählschalter M2 verbunden ist, über den der MOS-Verstärker M3 mit der Vertikal-Signalleitung gekoppelt ist. Durch die Verbindung des MOS-Wählschalters M2 mit der Source-Elektrode des MOS-Verstärkers M3 kann im Vergleich zu der Bildelementschaltung gemäß 11 der Dynamikbereich auf der VDD-Seite vergrößert werden.
Bei Verwendung der Bildelemente gemäß 13 in Verbindung mit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß 10 lassen sich die gleichen Vorteile wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels erzielen, indem die Vorrichtung in der in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Weise betrieben wird.
Durch Ansteuerung der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend dem durch die Steuersignalverläufe gemäß 12 veranschaulichten Steuerablauf werden Rauschsignale der jeweiligen Bildelemente in der Zeitdauer zwischen der Zeit t₇₂ und der Zeit t₇₃ ausgelesen, Fotoladungssignale in der Zeitdauer zwischen der Zeit t₇₈ und der Zeit t₇₉ ausgelesen und die Ausgangssignale VOUT, die die Differenzen zwischen den Fotoladungssignalen und den Rauschsignalen darstellen, von dem Differenzblock 73 gebildet.
Die Ausgangssignale VOUT enthalten keine Anteile von Schwellenspannungen Vth der MOS-Transistoren M1 und M3, sodass das ein Problem darstellende Strukturrauschen des CMOS-Sensors herabgesetzt ist. Die beiden Größen Vsig und VR auf der rechten Seite von Gleichung (8) enthalten beide Rückstellrauschen, sodass sich das Rückstellrauschen aufhebt. Somit wird nur der Signalanteil der von der Fotodiode PD erzeugten Fotoladung in eine Spannung in Form der Ausgangsspannung VOUT umgesetzt. Auf diese Weise verringern sich auch Rauscherscheinungen auf Grund von Schwankungen der Schwellenspannung des Verstärkers, sodass ein Bildsignal mit einem hohen Störabstand (Signal-Rauschverhältnis) erhalten werden kann.
Außerdem kann der CMOS-Sensor einschließlich der Vertikal-Abtastschaltung und der Horizontal-Abtastschaltung eine hohe Integrationsdichte aufweisen, was die Herstellung eines Bildsensors mit geringen Abmessungen und einem niedrigen Energieverbrauch ermöglicht.
Da ferner vergrabene Fotodioden des Vollverarmungstyps Verwendung finden, können Fotoladungen mit guter Linearität erhalten werden.
Da bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel in der vorstehend beschriebenen Weise über einen Source-Folger eine Last für einen MOS-Verstärker gebildet und ein Signal in einem Kondensator zwischengespeichert werden, lässt sich eine höhere Empfindlichkeit mit einer geringeren Kapazität des Kondensators als bei einem Begrenzungskondensator C1 (14) erzielen. Demzufolge lässt sich die Chipgröße einer Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung verringern.
Zur Rückstellung einer jeden Vertikal-Signalleitung ist ein Schalter vorgesehen, wobei die Vertikal-Signalleitung vor dem Auslesen eines Fotoladungssignals und nach dem Auslesen eines Rauschsignals auf eine vorgegebene Rückstellspannung zurückgestellt wird. Auch wenn das Auslesen dieser Signale mit hoher Geschwindigkeit erfolgt, werden somit das Anfangspotential der Vertikal-Signalleitung bei der Abgabe eines Rauschsignals und das Anfangspotential der Vertikal-Signalleitung bei der Abgabe eines Fotoladungssignals identisch. Somit lassen sich Rauschstörungen mit hoher Genauigkeit auf einfache Weise verringern.
Indem eine Last für den MOS-Verstärker gebildet wird, fällt auch bei einer relativ hohen Einstellung der Rückstellspannung für die Rückstellung der Vertikal-Signalleitung und Vorliegen eines Sperrzustands des MOS-Verstärkers in einem Anfangsstadium des Auslesens eines Fotoladungssignals die Spannung der Vertikal-Signalleitung in Abhängigkeit von dem Konstantstrom der Last ab, sodass der MOS-Verstärker schließlich durchgeschaltet und das Fotoladungssignal ausgelesen werden. Demzufolge besteht in Bezug auf die an die Vertikal-Signalleitung anzulegende Rückstellspannung keine Beschränkung.
Darüber hinaus wird jede Vertikal-Signalleitung vor dem Auslesen von Rauschsignalen sowie vor dem Auslesen von Fotoladungen zurückgestellt, sodass die Vertikal-Signalleitung bei jedem Auslesen von Signalen aus einem Bildelement aufgefrischt wird. Auf diese Weise können Interferenzen zwischen benachbarten Bildelementen eingeschränkt und das Auftreten von Kreuzmodulation und Überstrahlungserscheinungen verhindert werden.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden zwar im wesentlichen bei den Schaltungsanordnungen NMOS-Transistoren verwendet, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern es können auch anstelle der NMOS-Transistoren PMOS-Transistoren Verwendung finden. Darüber hinaus sind die Feldeffekttransistoren nicht auf einen MOS-Typ beschränkt.

Claims

Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, mit einer Vielzahl von Bildelementen, die jeweils ein fotoelektrisches Wandlerelement (PD), einen Feldeffekttransistor (M3), einen ersten Schalter (TX) zur Übertragung einer von dem fotoelektrischen Wandlerelement erzeugten Fotoladung zu dem Gate des Feldeffekttransistors und eine erste Rückstelleinrichtung (M1, VR) zur Rückstellung des Gates des Feldeffekttransistors aufweisen, Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) zur Übertragung eines Ausgangssignals der Feldeffekttransistoren, an den Ausgangsleitungen angeordneten Lasteinrichtungen (I1) für die Feldeffekttransistoren, durch die jeder Feldeffekttransistor beim Auslesen eines der Fotoladung des fotoelektrischen Wandlerelementes entsprechenden Signals als Source-Folger arbeitet, und einer zweiten Rückstelleinrichtung (M8, VVR) zur Rückstellung der Ausgangsleitungen auf eine vorgegebene Spannung, gekennzeichnet durch einen ersten Kondensator (CTN) zur Zwischenspeicherung eines Ausgangssignals des von der ersten Rückstelleinrichtung zurückgestellten Feldeffekttransistors (M3), einen zweiten Schalter (M4) für die Übertragungssteuerung zu dem ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator (CTS) zur Zwischenspeicherung eines Ausgangssignals des Feldeffekttransistors nach der über den ersten Schalter erfolgten Verbindung des fotoelektrischen Wandlerelementes mit dem Feldeffekttransistor, und einen dritten Schalter (M5) für die Übertragungssteuerung zu dem zweiten Kondensator.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bildelemente jeweils einen vierten Schalter (M2) aufweisen, der zur Auswahl einer Zeile zwischen dem Feldeffekttransistor (M3) und einer Spannungsversorgungseinrichtung (VDD) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Bildelemente jeweils einen vierten Schalter (M2) aufweisen, der zur Auswahl einer Zeile zwischen dem Feldeffekttransistor (M3) und der Ausgangsleitung (V1 bis Vn) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der eine Steuerschaltung zur Steuerung des Schrittes der Übertragung eines Ausgangssignals des Feldeffekttransistors zu der Ausgangsleitung (V1 bis Vn) durch Einschalten des vierten Schalters (M2) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lasteinrichtung (I1) von einer Konstantstromquelle gebildet wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs der Vorrichtung, die zur Steuerung der zweiten Rückstelleinrichtung (M8, VVR) zur Rückstellung der Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) vor dem Auslesen von Signalen aus dem Feldeffekttransistor (M3) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Steuerschaltung die zweite Rückstelleinrichtung derart steuert, dass eine Rückstellung der Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) erfolgt, bevor Rauschsignale aus dem Feldeffekttransistor (M3) ausgelesen werden, und eine Rückstellung der Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) erfolgt, bevor Fotoladungen aus dem Feldeffekttransistor (M3) ausgelesen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das Rückstellpotential zur Rückstellung der Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) vor dem Auslesen von Rauschsignalen aus dem Feldeffekttransistor (M3) und das Rückstellpotential zur Rückstellung der Ausgangsleitungen (V1 bis Vn) vor dem Auslesen von Fotoladungen aus dem Feldeffekttransistor (M3) gleich sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs der Vorrichtung, die die zweite Rückstelleinrichtung (M8, VVR) derart steuert, dass die Ausgangsleitungen vor der Verbindung des fotoelektrischen Wandlerelementes mit dem Gate des Feldeffekttransistors zurückgestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der erste Kondensator (CTN) und der zweite Kondensator (CTS) mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung (V1 bis Vn) verbunden sind, der zweite Schalter (M4) zur Steuerung der Verbindung zwischen der gemeinsamen Ausgangsleitung und dem ersten Kondensator vorgesehen ist, der dritte Schalter (M5) zur Steuerung der Verbindung zwischen der Ausgangsleitung und dem zweiten Kondensator vorgesehen ist und die Steuerschaltung zur Steuerung der Schritte: Übertragung einer von dem von der ersten Rückstelleinrichtung (M1, VR) zurückgestellten Feldeffekttransistor (M3) abgegebenen ersten Spannung über den zweiten Schalter zu dem ersten Kondensator, und Übertragung einer von dem Feldeffekttransistor nach der über den ersten Schalter (TX) erfolgten Verbindung des fotoelektrischen Wandlerelementes (PD) mit dem Gate des Feldeffekttransistors abgegebenen zweiten Spannung über den dritten Schalter zu dem zweiten Kondensator ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das fotoelektrische Wandlerelement (PD) von einer Fotodiode gebildet wird, die nach der Übertragung der Fotoladung von dem fotoelektrischen Wandlerelement zu dem Gate des Feldeffekttransistors (M4) verarmt ist.
Videokamera oder digitale Stehbildkamera mit der Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.