JP2003018473A - フォトダイオードの初期電荷をサンプリングしてフォトダイオードに再転送する感光装置の動作方法 - Google Patents
フォトダイオードの初期電荷をサンプリングしてフォトダイオードに再転送する感光装置の動作方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ファットゼロ電荷を使用する感光素子におい
て、固定パターンノイズと熱ノイズを解消する。 【解決手段】 光誘導信号の蓄積前にフォトダイオード
１０に初期ファットゼロ電荷を供給することによりフォ
トダイオード１０を動作させる感光装置において、ファ
ットゼロ電荷により生成された実際のダークレベル信号
が、フォトダイオードからの読み出しごとにサンプリン
グされてから再びフォトダイオードに転送される。蓄積
後、サンプリングされたダークレベルはフォトダイオー
ドの全体信号レベルから差し引かれる。こうして、固定
パターンノイズと熱誘導ノイズとをいずれも防ぐ。
て、固定パターンノイズと熱ノイズを解消する。 【解決手段】 光誘導信号の蓄積前にフォトダイオード
１０に初期ファットゼロ電荷を供給することによりフォ
トダイオード１０を動作させる感光装置において、ファ
ットゼロ電荷により生成された実際のダークレベル信号
が、フォトダイオードからの読み出しごとにサンプリン
グされてから再びフォトダイオードに転送される。蓄積
後、サンプリングされたダークレベルはフォトダイオー
ドの全体信号レベルから差し引かれる。こうして、固定
パターンノイズと熱誘導ノイズとをいずれも防ぐ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばディジタル
カメラや文書走査装置において使用されるイメージセン
サデバイスに関し、より詳細にはＣＭＯＳ回路を介して
出力ラインに信号を出力するフォトダイオードのアレイ
を有する装置に関する。
カメラや文書走査装置において使用されるイメージセン
サデバイスに関し、より詳細にはＣＭＯＳ回路を介して
出力ラインに信号を出力するフォトダイオードのアレイ
を有する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ディジタル文書スキャナ及びディジタル
カメラにおいて見られるイメージセンサアレイは、通
常、集束した画像あるいは像保有文書をラスタスキャン
する線形アレイ型のフォトサイト(受光素子：photosit
e)を含み、各フォトサイトにより検出した顕微鏡画像領
域の集合体が画像信号電荷に変換される。画像信号電荷
は、蓄積された後、順次起動される多重（multiplexin
g）トランジスタを介して共通の出力ラインまたはバス
に転送される。
カメラにおいて見られるイメージセンサアレイは、通
常、集束した画像あるいは像保有文書をラスタスキャン
する線形アレイ型のフォトサイト(受光素子：photosit
e)を含み、各フォトサイトにより検出した顕微鏡画像領
域の集合体が画像信号電荷に変換される。画像信号電荷
は、蓄積された後、順次起動される多重（multiplexin
g）トランジスタを介して共通の出力ラインまたはバス
に転送される。
【０００３】現在、このような線形アレイ型フォトサイ
トを生成する2つの基本技術、すなわち電荷結合素子Ｃ
ＣＤ及びＣＭＯＳが一般に受け入れられている。ＣＭＯ
Ｓにおいては、フォトセンサはフォトダイオードの形で
あり、照射する光に応じて電荷を出力する。走査処理に
おいては、バイアス電荷及びリセット電荷が各走査周期
の間、所定の時間順序で印加される。本願の出願人によ
る米国特許第５，０８１，５３６号など、ある従来技術
特許には、ＣＭＯＳイメージセンサのフォトサイトから
画像信号電荷を転送する2段の転送回路が開示されてい
る。
トを生成する2つの基本技術、すなわち電荷結合素子Ｃ
ＣＤ及びＣＭＯＳが一般に受け入れられている。ＣＭＯ
Ｓにおいては、フォトセンサはフォトダイオードの形で
あり、照射する光に応じて電荷を出力する。走査処理に
おいては、バイアス電荷及びリセット電荷が各走査周期
の間、所定の時間順序で印加される。本願の出願人によ
る米国特許第５，０８１，５３６号など、ある従来技術
特許には、ＣＭＯＳイメージセンサのフォトサイトから
画像信号電荷を転送する2段の転送回路が開示されてい
る。
【０００４】フォトダイオードを使用して感光素子をデ
ザインする際、応答関数が非常に線形であるフォトダイ
オードの応答の中央部分に向かって生成されたフォトダ
イオードからの信号を使用することが望ましい。すなわ
ち、フォトダイオードのより低い応答部分からの光応答
信号は線形になりにくく、よって、特定の時間にダイオ
ードに蓄積された光の量の反射としては信頼性に欠け
る。応答がより線形であるフォトダイオードの中央部分
を活用するための1技術は、上記の特許において使用さ
れているように、所定のバイアス電荷すなわち「ファッ
トゼロ（fat zero）」電荷を、光エネルギが電荷として
フォトダイオードに蓄積され転送回路によって転送され
る各動作周期ごとに、フォトダイオードに注入するもの
である。ファットゼロバイアスは、実質的にフォトダイ
オード内に電荷を蓄積する（primesthe pump）ので、フ
ォトダイオード応答の非線形部分は使用されない。
ザインする際、応答関数が非常に線形であるフォトダイ
オードの応答の中央部分に向かって生成されたフォトダ
イオードからの信号を使用することが望ましい。すなわ
ち、フォトダイオードのより低い応答部分からの光応答
信号は線形になりにくく、よって、特定の時間にダイオ
ードに蓄積された光の量の反射としては信頼性に欠け
る。応答がより線形であるフォトダイオードの中央部分
を活用するための1技術は、上記の特許において使用さ
れているように、所定のバイアス電荷すなわち「ファッ
トゼロ（fat zero）」電荷を、光エネルギが電荷として
フォトダイオードに蓄積され転送回路によって転送され
る各動作周期ごとに、フォトダイオードに注入するもの
である。ファットゼロバイアスは、実質的にフォトダイ
オード内に電荷を蓄積する（primesthe pump）ので、フ
ォトダイオード応答の非線形部分は使用されない。
【０００５】米国特許第５，０８１，５３６号には、Ｃ
ＭＯＳベースのイメージセンサアレイにおいてフォトダ
イオードにバイアス電荷を注入する転送回路の基本アー
キテクチャが開示される。米国特許第５，１０５，２７
７号は、上記‘５３６特許の改良技術であり、分割クロ
ックトランジスタ起動パルスが転送回路に印加され、多
数のフォトダイオード間のばらつきを相殺する。
ＭＯＳベースのイメージセンサアレイにおいてフォトダ
イオードにバイアス電荷を注入する転送回路の基本アー
キテクチャが開示される。米国特許第５，１０５，２７
７号は、上記‘５３６特許の改良技術であり、分割クロ
ックトランジスタ起動パルスが転送回路に印加され、多
数のフォトダイオード間のばらつきを相殺する。
【０００６】米国特許第５，８１２，７０３号には、デ
ィジタルカメラなどの撮像装置であって、特定装置に固
有の固定パターンノイズを、装置の各フォトセンサに対
するノイズデータを不揮発性メモリに記憶することによ
って考慮する撮像装置が開示されている。
ィジタルカメラなどの撮像装置であって、特定装置に固
有の固定パターンノイズを、装置の各フォトセンサに対
するノイズデータを不揮発性メモリに記憶することによ
って考慮する撮像装置が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ファットゼロバイアス
を使用する感光素子の実際的な応用において、出力画像
信号の完全性に影響を与えうる2つの主なノイズ源は、
「固定パターンノイズ」と「熱ノイズ」である。これらのノ
イズタイプのうち前者は次の事実に関係する。すなわ
ち、任意の素子において、個々のフォトダイオード及び
異なるフォトダイオードに関連する回路の組の性能には
多少のばらつきがあり、異なる回路の組におけるこのよ
うな性能の差により信号に影響を及ぼす固定パターンノ
イズが生じ、ビデオ信号の特定の一部がどの特定の回路
の組を通過したかによって、出力信号に一貫したパター
ンのひずみが生じる。一方、熱ノイズは、導電体におけ
る電子のランダムな熱運動により、特定の回路の組から
の出力は経時的に変化しやすいという事実により生成さ
れる。
を使用する感光素子の実際的な応用において、出力画像
信号の完全性に影響を与えうる2つの主なノイズ源は、
「固定パターンノイズ」と「熱ノイズ」である。これらのノ
イズタイプのうち前者は次の事実に関係する。すなわ
ち、任意の素子において、個々のフォトダイオード及び
異なるフォトダイオードに関連する回路の組の性能には
多少のばらつきがあり、異なる回路の組におけるこのよ
うな性能の差により信号に影響を及ぼす固定パターンノ
イズが生じ、ビデオ信号の特定の一部がどの特定の回路
の組を通過したかによって、出力信号に一貫したパター
ンのひずみが生じる。一方、熱ノイズは、導電体におけ
る電子のランダムな熱運動により、特定の回路の組から
の出力は経時的に変化しやすいという事実により生成さ
れる。
【０００８】本発明の目的は、装置の動作中にフォトダ
イオードに印加される電荷の実際の値をサンプリング
し、これらの実際のサンプリング値を使用して次のビデ
オ信号を補正することにより、上記の従来からのノイズ
の問題を解決することである。
イオードに印加される電荷の実際の値をサンプリング
し、これらの実際のサンプリング値を使用して次のビデ
オ信号を補正することにより、上記の従来からのノイズ
の問題を解決することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の1態様によれ
ば、少なくとも1つのフォトダイオードと、このフォト
ダイオードに関連する記憶手段を有する感光装置の動作
方法が提供される。電荷がフォトダイオードに注入さ
れ、フォトダイオードから記憶手段に転送され、記憶手
段からフォトダイオードに再転送される。続いて、光信
号がフォトダイオードにおいて蓄積され、電荷と光信号
とが記憶手段を介してフォトダイオードから読み出され
る。
ば、少なくとも1つのフォトダイオードと、このフォト
ダイオードに関連する記憶手段を有する感光装置の動作
方法が提供される。電荷がフォトダイオードに注入さ
れ、フォトダイオードから記憶手段に転送され、記憶手
段からフォトダイオードに再転送される。続いて、光信
号がフォトダイオードにおいて蓄積され、電荷と光信号
とが記憶手段を介してフォトダイオードから読み出され
る。
【００１０】
【発明の実施の形態】本願明細書における決まりとし
て、図１に示す素子を文字の組み合わせにより示し、こ
の素子を動作させる信号は、図２においてΦと該素子を
表す下付き文字により示す。よって、例えば、トランジ
スタＳＨ１は、信号ΦSH1により動作する。
て、図１に示す素子を文字の組み合わせにより示し、こ
の素子を動作させる信号は、図２においてΦと該素子を
表す下付き文字により示す。よって、例えば、トランジ
スタＳＨ１は、信号ΦSH1により動作する。
【００１１】以下の説明においては、次の規則を適用す
る。すなわち、以下に説明する概略図及びタイミング図
において、概略図に示された回路素子と、タイミング図
に示されたその回路素子に関連する潜在的なあるいは他
の信号とは、いずれも同一の符号によって示される。
る。すなわち、以下に説明する概略図及びタイミング図
において、概略図に示された回路素子と、タイミング図
に示されたその回路素子に関連する潜在的なあるいは他
の信号とは、いずれも同一の符号によって示される。
【００１２】図1は、本発明の1態様による単一フォトセ
ンサ「セル」の概略図である。通常、数百という多数の
セルがフルカラー文書スキャナにおいて使用される。セ
ルは、符号１０で示される少なくとも１つのフォトダイ
オードと、関連する転送回路とを含む。この転送回路
は、図示される種々のゲート、より詳細には、中間ノー
ド１２、リセットノード１４、低電力単一利得（ユニテ
ィゲイン）増幅器１５、出力増幅器１６及び出力ライン
１８をすべて含み、出力ライン１８は、シフトレジスタ
（図示せず）によるデータ読み出しの間、最終的に画像
処理回路に接続する。さらに、サンプルホールド増幅器
１７を設けてもよい。図に点線で示した見かけの（phan
tom）種々のコンデンサ（capacitor）であるノード容量
（node capacitances）は、純粋に寄生容量でもよい
し、特定の値を有するように設計することもできる。フ
ォトセンサチップ内の転送回路の全体機能については、
上記の米国特許第５，１０５，２７７号に詳細に説明さ
れている。
ンサ「セル」の概略図である。通常、数百という多数の
セルがフルカラー文書スキャナにおいて使用される。セ
ルは、符号１０で示される少なくとも１つのフォトダイ
オードと、関連する転送回路とを含む。この転送回路
は、図示される種々のゲート、より詳細には、中間ノー
ド１２、リセットノード１４、低電力単一利得（ユニテ
ィゲイン）増幅器１５、出力増幅器１６及び出力ライン
１８をすべて含み、出力ライン１８は、シフトレジスタ
（図示せず）によるデータ読み出しの間、最終的に画像
処理回路に接続する。さらに、サンプルホールド増幅器
１７を設けてもよい。図に点線で示した見かけの（phan
tom）種々のコンデンサ（capacitor）であるノード容量
（node capacitances）は、純粋に寄生容量でもよい
し、特定の値を有するように設計することもできる。フ
ォトセンサチップ内の転送回路の全体機能については、
上記の米国特許第５，１０５，２７７号に詳細に説明さ
れている。
【００１３】転送回路の基本的動作については、参考と
して援用する上記米国特許により詳細が示されるが、要
約すると、中間ノード１２は、図においてＶFZで示され
るような「ファットゼロ」バイアス電荷をフォトダイオ
ード１０に注入可能な位置として機能する。上記の特許
に記載されるように、このバイアス電荷注入の目的は、
フォトダイオードに信号を線形の範囲で出力させること
である。中間ノード１２の下流において、リセットノー
ド１４及びこれに関連する回路により、リセット電圧Ｖ
R1の転送回路への供給が可能になる。このリセット電圧
ＶR1は、フォトダイオード１０から、転送回路、最終的
には増幅器１６を介して出力ライン１８に信号を引出す
ための大きさを有する。
して援用する上記米国特許により詳細が示されるが、要
約すると、中間ノード１２は、図においてＶFZで示され
るような「ファットゼロ」バイアス電荷をフォトダイオ
ード１０に注入可能な位置として機能する。上記の特許
に記載されるように、このバイアス電荷注入の目的は、
フォトダイオードに信号を線形の範囲で出力させること
である。中間ノード１２の下流において、リセットノー
ド１４及びこれに関連する回路により、リセット電圧Ｖ
R1の転送回路への供給が可能になる。このリセット電圧
ＶR1は、フォトダイオード１０から、転送回路、最終的
には増幅器１６を介して出力ライン１８に信号を引出す
ための大きさを有する。
【００１４】図を特に参照すると、本発明を本実施形態
において簡単にする回路素子がさらに設けられている。
以下に説明するように、これらの回路素子は、それらを
動作させる信号によって示されている。基本ファットゼ
ロ転送回路は、トランジスタＴ１及びＴ２を特徴とし、
ファットゼロ電圧ＶFZはトランジスタＦＺの作動により
フォトダイオードに注入される。上記の参考特許に記載
されるように、基本転送回路は、トランジスタＲ１が作
動すると電圧ＶR1によってリセットされる。
において簡単にする回路素子がさらに設けられている。
以下に説明するように、これらの回路素子は、それらを
動作させる信号によって示されている。基本ファットゼ
ロ転送回路は、トランジスタＴ１及びＴ２を特徴とし、
ファットゼロ電圧ＶFZはトランジスタＦＺの作動により
フォトダイオードに注入される。上記の参考特許に記載
されるように、基本転送回路は、トランジスタＲ１が作
動すると電圧ＶR1によってリセットされる。
【００１５】注入されたファットゼロバイアス電荷をサ
ンプリングして一時的に記憶する回路素子はコンデンサ
ＣC1である。コンデンサＣC1は、その一端部がサンプル
ホールドトランジスタＳＨ1に接続し、他端部にはトラ
ンジスタＲ２の作動により第2リセット電圧ＶR2が印加
される。（請求項では、コンデンサが電荷を一時的に保
持する記憶ノードを形成するとしているものもある。）
コンデンサＣC1の両側には寄生容量が存在するので、望
ましい性能を得るためにはこれを考慮しなければならな
い。
ンプリングして一時的に記憶する回路素子はコンデンサ
ＣC1である。コンデンサＣC1は、その一端部がサンプル
ホールドトランジスタＳＨ1に接続し、他端部にはトラ
ンジスタＲ２の作動により第2リセット電圧ＶR2が印加
される。（請求項では、コンデンサが電荷を一時的に保
持する記憶ノードを形成するとしているものもある。）
コンデンサＣC1の両側には寄生容量が存在するので、望
ましい性能を得るためにはこれを考慮しなければならな
い。
【００１６】ファットゼロバイアスをサンプリングする
回路のさらに下流側には、サンプルホールドステージを
形成する回路が設けられている。この回路は、コンデン
サＣ C2により特徴付けられ、サンプルホールドトランジ
スタＳＨ２及びトランジスタＲ３を介して生成されるリ
セット電圧ＶＲ３により境界を定められている。さら
に、画素（pixel）増幅器１６が設けられる。画素増幅
器１６は、他のフォトダイオード（図示せず）の出力と
ともに個別画像信号の共通ビデオラインへの読み出しを
助ける。
回路のさらに下流側には、サンプルホールドステージを
形成する回路が設けられている。この回路は、コンデン
サＣ C2により特徴付けられ、サンプルホールドトランジ
スタＳＨ２及びトランジスタＲ３を介して生成されるリ
セット電圧ＶＲ３により境界を定められている。さら
に、画素（pixel）増幅器１６が設けられる。画素増幅
器１６は、他のフォトダイオード（図示せず）の出力と
ともに個別画像信号の共通ビデオラインへの読み出しを
助ける。
【００１７】所定時における種々の回路素子の動作は、
図1に示される各接触部に最終的に接続されるクロッキ
ング手段（図示せず）により実行される。クロッキング
手段の本質的な性質については当業界で周知である。こ
のようなクロッキング手段には、例えば、適切にプログ
ラムされた汎用マイクロプロセッサを含む。
図1に示される各接触部に最終的に接続されるクロッキ
ング手段（図示せず）により実行される。クロッキング
手段の本質的な性質については当業界で周知である。こ
のようなクロッキング手段には、例えば、適切にプログ
ラムされた汎用マイクロプロセッサを含む。
【００１８】本発明に関する図1の回路の全体的な動作
は、以下のように要約できる。フォトダイオードの電荷
が出力ラインに転送される各動作周期において、まずフ
ァットゼロバイアス電荷がフォトダイオード１０に印加
され、転送回路の異なるノードが既知のレベルにリセッ
トされる。続いて、フォトダイオードのファットゼロ電
荷は、コンデンサＣC1によりサンプリングされる。これ
が、そのときにおけるフォトダイオードの実際の「ダー
クレベル」電荷の読み出し、すなわち画像に関連する光
がフォトダイオードに対して電荷を生成しない場合のフ
ォトダイオード１０における電荷量の読み出し処理であ
る。ダークレベルのサンプリング後、ファットゼロは電
荷保存方式（charge conserving fashion）でフォトダ
イオードに再び転送される。続いて、画像に関連する光
信号がフォトダイオード１０に蓄積され、この結果、サ
ンプリングされたダークレベル（サンプリングされたフ
ァットゼロと等価）と前記光信号との和である全体信号
が生成される。そして、この全体信号が、すべての増幅
器及びサンプリングされたゲートが開の状態で、充電さ
れたコンデンサＣC1を介して転送される。この結果、信
号レベル（ＣC1におけるサンプリングされたダークレベ
ルを全体信号レベルから差し引いた値）が記憶コンデン
サ(storage capacitor)ＣC2によりサンプリングされ、
ビデオ出力処理によって読み出されるまでここに保持さ
れる。実際には、特定時間における特定セルの実際のダ
ークレベルがサンプリングされるので、画像に起因する
「純粋な」光信号を分離でき、これにより固定パターン
ノイズと大部分の熱ノイズをいずれも解消することがで
きる。ファットゼロフォトダイオードのｋＴ／Ｃノイズ
は全体的にキャンセルされる。
は、以下のように要約できる。フォトダイオードの電荷
が出力ラインに転送される各動作周期において、まずフ
ァットゼロバイアス電荷がフォトダイオード１０に印加
され、転送回路の異なるノードが既知のレベルにリセッ
トされる。続いて、フォトダイオードのファットゼロ電
荷は、コンデンサＣC1によりサンプリングされる。これ
が、そのときにおけるフォトダイオードの実際の「ダー
クレベル」電荷の読み出し、すなわち画像に関連する光
がフォトダイオードに対して電荷を生成しない場合のフ
ォトダイオード１０における電荷量の読み出し処理であ
る。ダークレベルのサンプリング後、ファットゼロは電
荷保存方式（charge conserving fashion）でフォトダ
イオードに再び転送される。続いて、画像に関連する光
信号がフォトダイオード１０に蓄積され、この結果、サ
ンプリングされたダークレベル（サンプリングされたフ
ァットゼロと等価）と前記光信号との和である全体信号
が生成される。そして、この全体信号が、すべての増幅
器及びサンプリングされたゲートが開の状態で、充電さ
れたコンデンサＣC1を介して転送される。この結果、信
号レベル（ＣC1におけるサンプリングされたダークレベ
ルを全体信号レベルから差し引いた値）が記憶コンデン
サ(storage capacitor)ＣC2によりサンプリングされ、
ビデオ出力処理によって読み出されるまでここに保持さ
れる。実際には、特定時間における特定セルの実際のダ
ークレベルがサンプリングされるので、画像に起因する
「純粋な」光信号を分離でき、これにより固定パターン
ノイズと大部分の熱ノイズをいずれも解消することがで
きる。ファットゼロフォトダイオードのｋＴ／Ｃノイズ
は全体的にキャンセルされる。
【００１９】請求項に関連し、図示される実施形態の構
造及び機能を明確にするために、実施形態における「記
憶手段」とは、コンデンサＣC1ならびに増幅器１５を含
む。増幅器１５から読み出した電荷をコンデンサＣC1に
記憶する場合、本実施形態では、厳密に言えば、増幅器
１５の出力は、フォトダイオード１０から直接得られた
電荷ではなく、リセットノード１４に保持されて増幅器
１５に入力された、フォトダイオードからの電荷に関す
る、あるいはこの電荷を表す出力である。実質上の意味
では、本発明によれば、増幅器１５は、リセットノード
１４の電荷をフォトダイオード１０に正確に再転送する
ために役立つ。それでも、増幅器１５から電荷を読み出
し、これをＣC1に記憶することの効果は、後の読み出し
処理において、記憶された電荷値を差し引く場合など、
将来的な使用のためにフォトダイオードの電荷を測定し
て記憶することである。
造及び機能を明確にするために、実施形態における「記
憶手段」とは、コンデンサＣC1ならびに増幅器１５を含
む。増幅器１５から読み出した電荷をコンデンサＣC1に
記憶する場合、本実施形態では、厳密に言えば、増幅器
１５の出力は、フォトダイオード１０から直接得られた
電荷ではなく、リセットノード１４に保持されて増幅器
１５に入力された、フォトダイオードからの電荷に関す
る、あるいはこの電荷を表す出力である。実質上の意味
では、本発明によれば、増幅器１５は、リセットノード
１４の電荷をフォトダイオード１０に正確に再転送する
ために役立つ。それでも、増幅器１５から電荷を読み出
し、これをＣC1に記憶することの効果は、後の読み出し
処理において、記憶された電荷値を差し引く場合など、
将来的な使用のためにフォトダイオードの電荷を測定し
て記憶することである。
【００２０】図2は、本発明の1実施形態による、図1の
回路の全体動作を詳細に示す比較タイミング図である。
図示されるように、時間間隔Ａ〜Ｆで示される一連の動
作は繰り返しベースで発生し、この結果、各フォトダイ
オードに対し、連続する信号出力が生成される。入力ス
キャナの場合、周知のように、このような反復的信号出
力は、（コピーされる用紙上などに生成された）オリジ
ナル画像の相対運動に関して調整され、装置はオリジナ
ル画像の一連の小領域からの記録を連続的に行う。
回路の全体動作を詳細に示す比較タイミング図である。
図示されるように、時間間隔Ａ〜Ｆで示される一連の動
作は繰り返しベースで発生し、この結果、各フォトダイ
オードに対し、連続する信号出力が生成される。入力ス
キャナの場合、周知のように、このような反復的信号出
力は、（コピーされる用紙上などに生成された）オリジ
ナル画像の相対運動に関して調整され、装置はオリジナ
ル画像の一連の小領域からの記録を連続的に行う。
【００２１】単一のフォトダイオードに対する各動作周
期において、装置は以下のように動作する。まず時間Ａ
において、ＶFZ，φFZ及びφT1信号の印加によりフォト
ダイオードにファットゼロ電荷が（充填及び流出（fill
and spill）により）注入される。同時に、前の信号
（走査される画像の別の領域を記録した前回の動作周期
からの信号）の読み出しも行われる。ファットゼロ注入
の後、時間Ｂにおいて、中間ノードに対して充填及び流
出による転送を行い、前の信号から独立した既知のレベ
ルに中間ノードをリセットすることにより遅延（lag）
を回避する。続いて、時間Ｃにおいて、電荷の第1の順
方向転送により、ファットゼロ電荷を、記憶またはサン
プリングすべく、記憶コンデンサＣC1に送る。
期において、装置は以下のように動作する。まず時間Ａ
において、ＶFZ，φFZ及びφT1信号の印加によりフォト
ダイオードにファットゼロ電荷が（充填及び流出（fill
and spill）により）注入される。同時に、前の信号
（走査される画像の別の領域を記録した前回の動作周期
からの信号）の読み出しも行われる。ファットゼロ注入
の後、時間Ｂにおいて、中間ノードに対して充填及び流
出による転送を行い、前の信号から独立した既知のレベ
ルに中間ノードをリセットすることにより遅延（lag）
を回避する。続いて、時間Ｃにおいて、電荷の第1の順
方向転送により、ファットゼロ電荷を、記憶またはサン
プリングすべく、記憶コンデンサＣC1に送る。
【００２２】このようなダークレベルのサンプリング
後、時間Ｄにおいて、ファットゼロが電荷保存方式すな
わちＣＣＤでフォトダイオードに再転送される。時間Ｅ
はフォトダイオードの蓄積期間を表し、この期間には、
フォトダイオードに蓄積された光エネルギが統合され
て、使用可能な画像信号を形成する。ファットゼロと信
号電荷は、時間Ｆにおいて示されるように、再び転送さ
れる。このとき、すべての増幅器及びサンプリングされ
たゲートは開であり、記憶されたファットゼロダークレ
ベルとファットゼロプラス信号レベルとの差である信号
がこれらを通過し、記憶コンデンサＣC2においてサンプ
リングされる。この相関二重サンプリング信号は、画素
増幅器のそれぞれが連続的に読み出されるまでこのコン
デンサＣC2に保持される。
後、時間Ｄにおいて、ファットゼロが電荷保存方式すな
わちＣＣＤでフォトダイオードに再転送される。時間Ｅ
はフォトダイオードの蓄積期間を表し、この期間には、
フォトダイオードに蓄積された光エネルギが統合され
て、使用可能な画像信号を形成する。ファットゼロと信
号電荷は、時間Ｆにおいて示されるように、再び転送さ
れる。このとき、すべての増幅器及びサンプリングされ
たゲートは開であり、記憶されたファットゼロダークレ
ベルとファットゼロプラス信号レベルとの差である信号
がこれらを通過し、記憶コンデンサＣC2においてサンプ
リングされる。この相関二重サンプリング信号は、画素
増幅器のそれぞれが連続的に読み出されるまでこのコン
デンサＣC2に保持される。
【００２３】図示される装置を効果的に設計して動作さ
せるためには、転送回路の特定の実際的側面を考慮しな
ければならない。まず、異なる転送ゲートにおいて適当
なアナログレベルを設計し、回路に十分な信号範囲が提
供されるようにしなければならない。図2の期間Ｄに示
される逆方向転送は、本実施形態では、完全な転送効率
を伴わないＣＣＤタイプの転送である。すなわち、バケ
ツリレー転送（bucketbrigade transfer）におけるソー
スからドレインへの電荷の移動とは異なり、電荷はゲー
トからゲートに移動する。ゲートどうしが重複せず、ゲ
ート間に有限ゲート電圧差及び小さい記憶ノードがある
ため、転送効率は完全ではない。しかしながら、ファッ
トゼロ信号の一部あるいはほとんどがフォトダイオード
１０に戻る限りは、後の信号電荷転送は線形であり、す
べての電荷が保存されてリセットノード１４に戻され、
第２のサンプリングに使用される。したがって、第１及
び第２のサンプリングは、同一ファットゼロにより相関
される。
せるためには、転送回路の特定の実際的側面を考慮しな
ければならない。まず、異なる転送ゲートにおいて適当
なアナログレベルを設計し、回路に十分な信号範囲が提
供されるようにしなければならない。図2の期間Ｄに示
される逆方向転送は、本実施形態では、完全な転送効率
を伴わないＣＣＤタイプの転送である。すなわち、バケ
ツリレー転送（bucketbrigade transfer）におけるソー
スからドレインへの電荷の移動とは異なり、電荷はゲー
トからゲートに移動する。ゲートどうしが重複せず、ゲ
ート間に有限ゲート電圧差及び小さい記憶ノードがある
ため、転送効率は完全ではない。しかしながら、ファッ
トゼロ信号の一部あるいはほとんどがフォトダイオード
１０に戻る限りは、後の信号電荷転送は線形であり、す
べての電荷が保存されてリセットノード１４に戻され、
第２のサンプリングに使用される。したがって、第１及
び第２のサンプリングは、同一ファットゼロにより相関
される。
【００２４】本発明の別の可能な実施形態においては、
図１に示される低電力単一利得増幅器を選択可能なソー
スフォロワまたは他のタイプの電圧バッファ回路と置き
換えることができる。回路に沿った、ランダム処理によ
り誘導された第２増幅器のオフセット変化が問題でない
場合には、トランジスタＲ３及びコンデンサＣC2を除去
してもよい。コンデンサＣC2を使用してこのオフセット
を除去する場合は、Ｃ Hを用いて、信号サンプリングの
ためにゲートＳＨ２が閉じている場合に起こるサンプル
ホールド電荷注入効果を低減する。
図１に示される低電力単一利得増幅器を選択可能なソー
スフォロワまたは他のタイプの電圧バッファ回路と置き
換えることができる。回路に沿った、ランダム処理によ
り誘導された第２増幅器のオフセット変化が問題でない
場合には、トランジスタＲ３及びコンデンサＣC2を除去
してもよい。コンデンサＣC2を使用してこのオフセット
を除去する場合は、Ｃ Hを用いて、信号サンプリングの
ためにゲートＳＨ２が閉じている場合に起こるサンプル
ホールド電荷注入効果を低減する。
【００２５】上記の実施形態においては、すべての増幅
器の異なるイネーブル（enable）信号をクロックし、増
幅器が使用されない場合の電力を節減している。蓄積時
間が読み出し時間と重ならないように望む場合には、
（コンデンサＣC1の）中間ファットゼロ記憶ノード及び
関連するトランジスタ、増幅器及び記憶コンデンサは必
要ない。サンプリングは、コンデンサＣC2において実行
され、その後、第１の信号の蓄積終了後で、かつ次の信
号の蓄積開始前に読み出しがおこなわれる。この結果、
所与の走査速度またはデータ速度に対して応答性がより
低くなる。
器の異なるイネーブル（enable）信号をクロックし、増
幅器が使用されない場合の電力を節減している。蓄積時
間が読み出し時間と重ならないように望む場合には、
（コンデンサＣC1の）中間ファットゼロ記憶ノード及び
関連するトランジスタ、増幅器及び記憶コンデンサは必
要ない。サンプリングは、コンデンサＣC2において実行
され、その後、第１の信号の蓄積終了後で、かつ次の信
号の蓄積開始前に読み出しがおこなわれる。この結果、
所与の走査速度またはデータ速度に対して応答性がより
低くなる。
【００２６】図３は、本発明を組み込んだ感光装置の外
部可視部分を示す平面図である。同図では、例えば、デ
ィジタルコピ−器またはファクシミリに使用されるよう
な全ページ幅スキャナの、同様に設計された別のチップ
に周知の方法で接合可能なチップ１００が示されてい
る。図示されるように、線形アレイ型のフォトダイオー
ド１０が設けられ、各フォトダイオード１０は記録され
る画像の小領域に対応している。入力スキャナにおいて
は、記録されるオリジナルシート上の画像がこのアレイ
に対して移動し、あるいは移動させられることにより、
画像の連続する小領域を経時的に記録する。本発明は、
それぞれが関連するフィルタを有し、１原色の光を透過
させるフォトダイオード１０の線形アレイを３つ備える
カラー装置にも同様に適用できる。この場合、３つのフ
ォトダイオード１０は、それぞれが異なる色に対してフ
ィルタリングされるが、単一の中間ノード１２及び他の
回路を共有して単一のセルを形成することが可能であ
る。さらに、本発明は、ディジタルカメラなどのよう
に、フォトダイオードが２次元アレイに配置され、その
アレイの行または列(あるいはその一部)を接続してセル
を形成する装置にも適用が可能である。図３には、さら
に、多数の接続パッド１０２が示されている。チップ１
００及びこれを搭載するより大型の装置の特定デザイン
により、図１に示されるような種々の電圧入力は、チッ
プ外から発することもチップ内部で発することもある。
よって、パッド１０２への入力は、ある程度まではセル
への直接入力電圧でもありうるし（この場合、図２に示
すような個々の信号のクロッキングはマイクロプロセッ
サなどの外部装置により実行される）、あるいは単にオ
ンチップタイミングまたは図２に示すようなスイッチを
実行するクロッキングシステムに対する制御にもなりう
る。
部可視部分を示す平面図である。同図では、例えば、デ
ィジタルコピ−器またはファクシミリに使用されるよう
な全ページ幅スキャナの、同様に設計された別のチップ
に周知の方法で接合可能なチップ１００が示されてい
る。図示されるように、線形アレイ型のフォトダイオー
ド１０が設けられ、各フォトダイオード１０は記録され
る画像の小領域に対応している。入力スキャナにおいて
は、記録されるオリジナルシート上の画像がこのアレイ
に対して移動し、あるいは移動させられることにより、
画像の連続する小領域を経時的に記録する。本発明は、
それぞれが関連するフィルタを有し、１原色の光を透過
させるフォトダイオード１０の線形アレイを３つ備える
カラー装置にも同様に適用できる。この場合、３つのフ
ォトダイオード１０は、それぞれが異なる色に対してフ
ィルタリングされるが、単一の中間ノード１２及び他の
回路を共有して単一のセルを形成することが可能であ
る。さらに、本発明は、ディジタルカメラなどのよう
に、フォトダイオードが２次元アレイに配置され、その
アレイの行または列(あるいはその一部)を接続してセル
を形成する装置にも適用が可能である。図３には、さら
に、多数の接続パッド１０２が示されている。チップ１
００及びこれを搭載するより大型の装置の特定デザイン
により、図１に示されるような種々の電圧入力は、チッ
プ外から発することもチップ内部で発することもある。
よって、パッド１０２への入力は、ある程度まではセル
への直接入力電圧でもありうるし（この場合、図２に示
すような個々の信号のクロッキングはマイクロプロセッ
サなどの外部装置により実行される）、あるいは単にオ
ンチップタイミングまたは図２に示すようなスイッチを
実行するクロッキングシステムに対する制御にもなりう
る。
【図１】 本発明の１態様による単一フォトセンサ「セ
ル」の概略図である。
ル」の概略図である。
【図２】 本発明の１実施形態による、図１の回路の全
体的な動作を示す比較タイミング図である。
体的な動作を示す比較タイミング図である。
【図３】 本発明を組み込んだ感光装置の外部可視部分
を示す平面図である。
を示す平面図である。
１０ フォトダイオード、１２ 中間ノード、１４ リ
セットノード、１５低電力単位利得増幅器、１６ 出力
増幅器、１７ サンプルホールド増幅器、１８ 出力ラ
イン、ＣC1，ＣC2 コンデンサ、ＦＺ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ
３ トランジスタ、１００ チップ、１０２ 接続パッ
ド。
セットノード、１５低電力単位利得増幅器、１６ 出力
増幅器、１７ サンプルホールド増幅器、１８ 出力ラ
イン、ＣC1，ＣC2 コンデンサ、ＦＺ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ
３ トランジスタ、１００ チップ、１０２ 接続パッ
ド。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AB10 BA10 BA14 CA02
DD09 DD10 DD12 FA08
5C024 CX04 GX03 GX18 HX17 HX35
HX57 JX21
5C051 AA01 BA02 DA02 DB01 DB14
DC02 DC03 DC07 DE02 DE13
Claims (7)
- 【請求項１】 少なくとも１つのフォトダイオードと、
該フォトダイオードに関連する記憶手段とを有する感光
装置の動作方法であって、 フォトダイオードに電荷を注入するステップと、 該電荷をフォトダイオードから記憶手段に転送するステ
ップと、 該電荷を記憶手段からフォトダイオードに再転送するス
テップと、 フォトダイオードにおいて光信号を蓄積するステップ
と、 前記電荷と前記光信号とを記憶手段を介してフォトダイ
オードから読み出すステップと、を含む動作方法。 - 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、前記再
転送するステップは、電荷保存方式で実行されることを
特徴する方法。 - 【請求項３】 請求項１に記載の方法において、前記記
憶手段は第１のコンデンサと関連付けられていることを
特徴とする方法。 - 【請求項４】 請求項１に記載の方法において、前記第
１のコンデンサは前記フォトダイオードに対して直列に
設けられていることを特徴とする方法。 - 【請求項５】 請求項１に記載の方法において、前記記
憶手段は、前記フォトダイオードと前記第１のコンデン
サとのあいだに設けられた第１の増幅器を含むことを特
徴とする方法。 - 【請求項６】 請求項１に記載に方法であって、さら
に、 ファットゼロ電荷に関する電荷と、前記第１のコンデン
サから読み出した光信号を第２のコンデンサに記憶する
ステップをさらに含む方法。 - 【請求項７】 請求項６に記載の方法において、前記装
置は、前記フォトダイオードと前記第２のコンデンサと
のあいだに設けられた第２の増幅器を含むことを特徴と
する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/815,407 | 2001-03-22 | ||
| US09/815,407 US6646247B2 (en) | 2001-03-22 | 2001-03-22 | Photosensitive apparatus in which an initial charge on a photodiode is sampled and the retransferred to the photodiode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003018473A true JP2003018473A (ja) | 2003-01-17 |
| JP4318424B2 JP4318424B2 (ja) | 2009-08-26 |
Family
ID=25217706
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002071250A Expired - Fee Related JP4318424B2 (ja) | 2001-03-22 | 2002-03-15 | フォトダイオードの初期電荷をサンプリングしてフォトダイオードに再転送する感光装置の動作方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6646247B2 (ja) |
| JP (1) | JP4318424B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7880252B2 (en) | 2007-05-14 | 2011-02-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Solid-state image capturing device, solid-state image capturing apparatus, and electronic information device |
| CN117097335A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 南京天易合芯电子有限公司 | 一种高灵敏度接近光检测传感器 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6847400B2 (en) * | 2001-03-22 | 2005-01-25 | Xerox Corporation | Photosensitive apparatus wherein an initial charge on a photodiode is sampled and substracted during readout |
| US8569671B2 (en) * | 2008-04-07 | 2013-10-29 | Cmosis Nv | Pixel array capable of performing pipelined global shutter operation including a first and second buffer amplifier |
| US9052381B2 (en) * | 2010-05-07 | 2015-06-09 | Flir Systems, Inc. | Detector array for high speed sampling of an optical pulse |
| EP3035668A1 (en) * | 2014-12-16 | 2016-06-22 | IMEC vzw | In-pixel amplification device and method |
| US11153524B1 (en) * | 2020-09-22 | 2021-10-19 | Pixart Imaging Incorporation | High precision pixel circuit and method thereof |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5105277A (en) | 1990-12-24 | 1992-04-14 | Xerox Corporation | Process for canceling cell-to-cell performance variations in a sensor array |
| US5081536A (en) | 1990-12-24 | 1992-01-14 | Xerox Corporation | Image sensor array using two stage transfer having improved uniformity |
| US5148268A (en) | 1991-04-26 | 1992-09-15 | Xerox Corporation | Multiplexing arrangement for controlling data produced by a color images sensor array |
| US6031217A (en) * | 1997-01-06 | 2000-02-29 | Texas Instruments Incorporated | Apparatus and method for active integrator optical sensors |
-
2001
- 2001-03-22 US US09/815,407 patent/US6646247B2/en not_active Expired - Fee Related
-
2002
- 2002-03-15 JP JP2002071250A patent/JP4318424B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7880252B2 (en) | 2007-05-14 | 2011-02-01 | Sharp Kabushiki Kaisha | Solid-state image capturing device, solid-state image capturing apparatus, and electronic information device |
| CN117097335A (zh) * | 2023-10-18 | 2023-11-21 | 南京天易合芯电子有限公司 | 一种高灵敏度接近光检测传感器 |
| CN117097335B (zh) * | 2023-10-18 | 2024-01-26 | 南京天易合芯电子有限公司 | 一种高灵敏度接近光检测传感器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4318424B2 (ja) | 2009-08-26 |
| US20020134913A1 (en) | 2002-09-26 |
| US6646247B2 (en) | 2003-11-11 |
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