JP2012205308A - 二重の集積時間および条件付選択を備えるイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】二重の集積時間および条件付選択を備えるイメージセンサを提供する。
【解決手段】フォトダイオードから蓄積ノードへの第１の転送は第１の期間（Ｔｉ１）の後に、第２の転送は第１の期間とは異なる第２の期間（Ｔｉ２）の後に行う。第１の電荷転送後の蓄積ノードの電位を読取回路の第１のコンデンサ内で（ｓｈｓ１）、蓄積ノードを再初期化した後の電位を第２のコンデンサ内でサンプリングする（ｓｈｒ）。第２の転送後に取られる電位レベルを第１のコンデンサ内で条件付きで再サンプリングする（ｓｈｓ２）。第１の転送後の信号レベルを短いランプ期間（ＲＭＰ１）にわたりランプ型変換器の差動増幅器に適用し、終了時における増幅器の出力の状態に応じ再サンプリングを実行するかどうかに関する決定を下し、コンデンサ内でサンプリングした差動信号レベルの最終的ランプ（ＲＭＰ２）を用いた完全なアナログ−デジタル変換が終了する。
【選択図】図２

Description

本発明はイメージセンサに関し、より詳細には、画像を低輝度レベルにおいておよび高輝度レベルにおいて、同一時に集めることを目的とするイメージセンサに関する。

一般に、アクティブピクセルは、フォトダイオードと、フォトダイオードの中で光によって生じる電荷（ｃｈａｒｇｅ）の読取を制御することを可能にする３個、４個、または５個のＭＯＳトランジスタとからなる。４個のトランジスタを用いるピクセルは、まず光によって生じる電荷をフォトダイオードから容量性蓄積ノードに転送し、その後、蓄積ノードの電位を列導体に移すことによって動作し、電荷をフォトダイオードから蓄積ノードに転送する前に、トランジスタの１つが蓄積ノードの電位を再初期化する役割を果たす。５個のトランジスタを用いるピクセルは、フォトダイオードの電位を再初期化するためのトランジスタをさらに含む。

各画像フレームにおいて二重の集積期間（ｄｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）を有するセンサの動作形態について、特許公報ＷＯ２０１０／０６６８５０号に記載されている。第１の期間Ｔｉ１の後、フォトダイオードから生じる電荷を蓄積ノード内に転送する。次に、期間Ｔｉ１よりも長い第２の期間Ｔｉ２が終了する少し前に、蓄積ノードの電位を読取回路のコンデンサ内でサンプリングし、蓄積ノードの電位を再初期化し、再初期化電位を別のコンデンサ内でサンプリングし、第２の集積期間に由来する電荷をフォトダイオードから蓄積ノードに転送する。その後すぐに蓄積ノードの電位レベルを検査する。検査した電位レベルが、ピクセルが飽和する恐れを示す場合、ピクセルが受け取る輝度レベルを表すアナログ−デジタル変換をそれらの差に基づいて実行するために、既に蓄積しているサンプルを使用する。逆に、蓄積ノードの電位レベルが飽和の恐れがないことを示す場合、前に蓄積したレベルを第１のコンデンサ内で置換する第３のサンプリングを行い、第３のサンプルと第２のサンプルとの差のアナログ−デジタル変換を行うためにこの新しいサンプルを使用する。

したがって、第３の条件付サンプリングは、第２の集積期間中に集める電荷のレベルに応じて行う。その選択は、ピクセルの行（ｒｏｗ ｏｆ ｐｉｘｅｌｓ）を読み取る瞬間にピクセルごとに行う。

第２の集積期間が第１の集積期間よりも短くなるように備えることもできる。この場合、蓄積ノードに第２の転送を行う前に蓄積ノードの電位レベルに対して検査を行い、この電位は、より長い集積に由来する電位である。今度は、飽和の恐れがある場合、アナログ−デジタル変換を行う前に第３のサンプリングを行い、飽和の恐れがない場合は第３のサンプリングは行わず、第１のサンプルおよび第２のサンプルに基づいてアナログ−デジタル変換を行う。

デジタルに変換するのがより短い集積期間に由来するレベルである場合、より長い集積から生じる電荷レベルの変換結果と同じ尺度に値を当てはめるために、より長い期間のより短い期間に対する比を変換結果に乗じる。

第３のサンプリングを決めるためのこの検査は、欠点を示すことが指摘されている。

まず、列ごとに（かさばる）比較器が必要である。次いで、ピクセルの行を選択する瞬間に蓄積ノードの電位レベルを受け取る列導体の電位の絶対値に対して検査を行う。この電位を、飽和の恐れを定める閾値と比較する。したがってこの検査は、電位レベルの差分値（有用な電位レベルから再初期化レベルを引いたもの）ではなく絶対値に関する。このことは、使用すべき閾値の選択に関して不確実性を生み出す。さらに、飽和の恐れを検出するために比較器に適用しなければならない閾値の値に関し、他の不確実性がある。これらの不確実性は製造方法のばらつき、温度変化、様々なピクセルにおける読取トランジスタのオフセット電圧の差、ピクセル行列の様々な列に対応する比較器のオフセット電圧の差に関係する。したがって、飽和の恐れがあるかどうかを知ることを可能にする閾値を決定するために、かなりの余裕をもつことが必須である。そのように余裕をもつことは、ダイナミックレンジが失われること、つまり、センサが所与の集積期間にわたって実際に測定可能な照度の間隔が低減することを必然的に伴う。最後に、列導体の電位レベルをサンプリングする瞬間以外の瞬間にこの電圧比較を行う必要性は、余計な消費電流を必然的に伴う。事実、列導体は蓄積ノードの電位レベルをコピーしなければならない段階の間しか通電しない。ここでは列導体を、この比較よりも後にある検査中にも第３のサンプリング中にも通電しなければならない。

これらの欠点を回避するために、本発明は、第１のサンプルおよび第２のサンプルを蓄積した後かつ第３のサンプリングを予定している時点よりも前に、これらのサンプル間の差動電圧を検査するためにアナログ−デジタル変換器の一部を使用することを提案する。そのアナログ−デジタル変換器は、線形電圧ランプと、２つの入力上の電圧差がゼロになるとき電圧ランプのためにトグル式に切り換わる、大きな利得を有する差動増幅器とを使用するランプ型変換器である。本発明によると、固定期間のおよび既知の傾斜の短い線形電圧ランプを適用し、このランプが終わる前に増幅器がトグル式に切り換わる場合、照度が閾値を下回ったままであったとみなし、第１のコンデンサ内で新たなサンプリングを行うべきかに関する結論をそこから出す。第３のサンプリングは、行う場合、第１のサンプルを置換する。第３のサンプリングがあるか否かを問わず、第３のサンプリングのために確保された時点よりも後に記憶されるサンプルに対し、最終的なアナログ−デジタル変換を行う。

その結果、本発明は、行および列単位で編成されるピクセル行列を含むアクティブピクセルを用いたイメージセンサを提案し、同一列のピクセルは、それ自体が読取回路に連結される列導体に連結し、各ピクセルは、転送トランジスタにより蓄積ノードに連結されるフォトダイオード、および蓄積ノードを列導体に連結しまたは蓄積ノードを列導体から絶縁するための行選択トランジスタから構成され、センサが、同一集積サイクル中におよびピクセルの電荷の読取中に、フォトダイオードから蓄積ノードへの２度の電荷転送を実行するための手段であって、第１の転送は第１の集積期間の後に行い、第２の転送は第１の集積期間とは異なる第２の集積期間の後に行う、電荷転送を実行するための手段と、第１の電荷転送後に列導体によって取られる電位レベルの第１のサンプリングを、読取回路の第１のサンプリングコンデンサ内で行うための手段と、蓄積ノードを再初期化した後に列導体によって取られる電位レベルの第２のサンプリングを、読取回路の第２のコンデンサ内で行うための手段と、第２の電荷転送後に取られる電位レベルの第３の条件付サンプリングを第１のコンデンサ内で行うための手段とを含み、読取回路が、２つのコンデンサに連結される差動増幅器と、コンデンサの１つに線形電圧ランプを適用するための手段とを含むランプ型アナログ−デジタル変換器を含み、そのランプの効果は、コンデンサ内でサンプリングした電位に依拠する可変期間の後で増幅器をトグル式に切り換えさせるものであり、このセンサは、第１の電荷転送後に仮ランプをまず適用し、第３の条件付サンプリングを有効にまたは無効にするために仮ランプの終了時における増幅器の出力の状態を蓄積し、その後、２つのコンデンサ内でサンプリングした電圧間の差のアナログ−デジタル変換を行うために、第２の電荷転送後に最終的ランプを適用するための手段を含むことを特徴とする。

比較する段階を加速するために、仮ランプの傾斜は最終的ランプの傾斜よりも急勾配とすることができる。

仮ランプの終了時における増幅器の出力の状態は、第３のサンプリングをトリガしまたはトリガしない役割を果たすだけでなく、より長い集積期間のより短い期間に対する比を、最終的な変換の値にその後乗算しまたは乗算しない決定に関する情報項目を保持する役割も果たす。

ピクセル内の電子と、２つの集積期間について同じでない乗算係数との乗算を行うための手段を使ってピクセルを構築する場合、より長い期間中に使用する乗算係数のより短い期間中に使用する乗算係数に対する比を、最終的な変換の値に同様に乗じる。

一実施形態では、第１の集積期間の方が短い。ランプが終了する前に増幅器がトグル式に切り換わることは、そのランプの終了時のレベルによって決定される閾値を下回る照度のしるしであり、第３のサンプリングを施すことを可能にし、トグリングがないことは閾値を上回る照度のしるしであり、第３のサンプリングを無効にする。

好ましくは、仮ランプの期間は、仮ランプの開始時と終了時との間の電位変化が、最終的ランプの開始時と終了時との間の変化の小部分（ｆｒａｃｔｉｏｎ）であるように選択し、この小部分は２つの集積期間の比よりも低いかまたはその比に等しい（好ましくはその比よりも僅かに低い）。

別の実施形態では、第１の期間の方が長い。増幅器のトグリングは第３のサンプリングを施すことを不能にする。この場合、第１の電荷転送後の蓄積ノードの再初期化を、第２のコンデンサ内で再初期化電位を都度サンプリングしながら、２つの異なる再初期化電位レベルを用いて２つのステップで行う備えをすることが好ましく、再初期化レベルを２度サンプリングする間に仮テストランプを適用する。

本発明の他の特徴および利点が、以下に示し、添付図面を参照して与える詳細な説明を読むことによって明らかになる。

本発明によるセンサのピクセルおよび読取回路の構造を示す図である。 ピクセルおよび読取回路の動作タイムチャートを示す図である。 動作タイムチャートの改変形態を示す図である。 プログラマブル利得を有する増幅器を備える読取回路の改変形態を示す図である。

図１に、本発明によるセンサの、５個のトランジスタを有するアクティブピクセルと読取回路とを示す。ピクセルの構造は従来型のものである。このピクセルは、フォトダイオードＰＤと、（図１では単純な点で示し、実際にはＰ型層内のＮ型拡散によって具体化される）容量性蓄積ノードＮＤと、フォトダイオードのカソードと蓄積ノードとの間の電荷転送のためのトランジスタＴ１と、蓄積ノードの電位を再初期化するためのトランジスタＴ２と、フォトダイオードの電位を再初期化するためのトランジスタＴ３と、フォロアトランジスタＴ４と、行選択トランジスタＴ５とを含む。４個のトランジスタを用いるピクセルでは、トランジスタＴ３を省くことになる。

転送トランジスタＴ１は、転送信号ＴＲによって制御される。トランジスタＴ２は、自らのドレインが基準電位ＶＲＥＦに連結されており、再初期化制御信号ＲＳＴによって制御される。トランジスタＴ３は、フォトダイオードのカソードと電源電位Ｖｄｄとすることができる基準電位との間に連結される。トランジスタＴ３は、再初期化信号Ｒｐｈによって制御される。フォロアトランジスタＴ４は、自らのドレインが電源Ｖｄｄとすることができる固定電位に連結され、自らのソースが行選択トランジスタＴ５に連結され、自らのゲートが蓄積ノードＮＤに連結される。最後に行選択トランジスタＴ５は、自らのゲートが、同一行のピクセルのすべての行選択トランジスタを連結する行選択導体に連結され、この導体は、この行に固有の行選択信号ＳＥＬによって制御され、Ｔ５のドレインはフォロアトランジスタのソースに連結され、Ｔ５のソースは同一列のピクセルのすべてのピクセルに共通の列導体ＣＯＬに連結される。

列導体は、列の末端において（ａｔ ｔｈｅ ｆｏｏｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｕｍｎ）読取回路に連結される。列導体は、トランジスタＴ６を介して電流源にも連結される。トランジスタＴ６が信号ＥＮ＿ＰＩＸによってオンにされるとき、被選択ピクセルのトランジスタＴ４が電圧フォロアとして機能し、蓄積ノードが自らの電位を列導体に移す。この信号ＥＮ＿ＰＩＸは、列導体の電位をサンプリングする段階以外の消費を制限するために、電流源を列導体から絶縁する役割を果たす。

読取回路は、被選択ピクセルから生じる照度情報を読み取るために、一連の流れの様々な時点において列導体の電位値をサンプリングして保持するためのサンプリング手段を含む。これらのサンプリング手段はコンデンサＣｒおよびコンデンサＣｓ、ならびにこれらのコンデンサに列電位（ｃｏｌｕｍｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を印加することを可能にするためのそれぞれのスイッチＫｒおよびＫｓを含む。スイッチＫｒおよびＫｓは、全体を通してＳＨＲおよびＳＨＳで示す信号によってそれぞれ制御される。

この読取回路は、蓄積ノードＮＤを再初期化するための電位レベルであるコンデンサＣｒ上でサンプリングされる電位と、フォトダイオードから蓄積ノードに電荷を転送した後の有用な電位レベルであるコンデンサＣｓ上でサンプリングされる電位との間の差動電圧をデジタルに変換するアナログ−デジタル変換器も含む。

この変換器はランプ型変換器である。ランプ型変換器は、本質的に線形電圧ランプ発生器と、ランプの発生過程で２つの入力上の電圧が等しくなるときにトグル式に切り換わる、オートゼロを伴い大きな利得を有する差動増幅器ＡＭＰと、ランプ発生器に同期し、ランプが開始してから増幅器がトグル式に切り換わるまで高い頻度でカウントするカウンタＣＰＴとを含む。線形ランプ発生器は、コンデンサＣｓに連結される単純な点で示す。

そのような変換器は以下のように動作する。コンデンサ間の差動電圧を変換するために、コンデンサを差動増幅器の入力に連結し、（変換の開始を示す）初期時点においてそれらのコンデンサのもう一方の端子に線形電圧ランプを適用し、カウンタに始動パルスを印加する。差動増幅器の出力はトグル式に切り換わり、増幅器に連結されるコンデンサの２つの端子上で電圧が等しくなるときカウントを終了することを定める。カウンタのコンテンツは、この相等性を得るために必要であった時間を表し、電圧ランプは線形であり、その時間はランプを始動する初期時点において入力上にあった電位の差に比例する。カウンタのコンテンツは、ランプの終了後にメモリ内に入れられ、コンデンサの中で二重にサンプリングすることにより得られる照度値を表す。

ランプはすべての読取回路、つまり行列のすべての列に共通とすることができる。

カウンタは各読取回路内に個々に設けることができ、あるいはすべての列のために単一のカウンタを設けることもでき、その場合、ある列に関連する読取回路は、その列の差動増幅器がトグル式に切り換わる瞬間にカウンタのコンテンツを記憶することができるメモリを含む。

以下では、例として各読取回路内にカウンタがあるとみなす。

次に、画像フレームのうちのピクセルが受け取る照度を測定するための一連の流れの詳細を図２のタイムチャートに関して説明し、図１の残りの要素についても平行して説明する。

画像の捕捉は、同一フレームのうちの異なる値の２つの連続した集積期間Ｔｉ１およびＴｉ２を使用し、フレームごとに行う。大量の光を受け取るピクセルには、より短い期間にわたって集められる信号を使用し、より長い期間受け取るピクセルには、より長い期間にわたって集められる信号を使用する。その選択はピクセルごとに、およびフレームごとに行う。図２の場合、第１の期間Ｔｉ１の方が短い。

測定の流れは以下の通りである。必須ではないが、フォトダイオードを再初期化するためのトランジスタＴ３をピクセル内に設けると仮定する。そのようなトランジスタを設けない場合、フォトダイオードは、トランジスタＴ１およびＴ２を同時にオンにすることによって再初期化することになる。

ピクセルの行全体にわたり、再初期化一時的ノッチパルスＲｐｈをトランジスタＴ３のゲートに印加する。このノッチパルスは、フォトダイオードＰＤから電源電位Ｖｄｄに蓄積された電荷を空にするように働く。フォトダイオード内の電荷の集積は、このノッチパルスが続く限り回避される。ノッチパルスＲｐｈは各行に独立に与えられ、行ごとにオフセットされる。行に対応するタイムチャートだけを示す。

期間Ｔｉ１にわたり、フォトダイオードＰＤ内の電荷の第１の集積を行う。

この期間中の中間時点において、これらのトランジスタをオンにする短いノッチパルスＲＳＴ_ａが、行のすべてのピクセルのトランジスタＴ２のゲート上にもたらされる。蓄積ノードＮＤの電位が、行のすべてのトランジスタについて電位ＶＲＥＦに関係する固定値に再初期化される。

次に、第１の電荷転送ノッチパルスＴＲ_ａを、行の転送トランジスタＴ１の制御ゲートに印加する。フォトダイオードの中で光によって生じる電荷が蓄積ノードまで波及する。前記電荷は、このノードの電位を修正する。第１の電荷集積期間Ｔｉ１の終わりは、第１の転送ノッチパルスＴＲ_ａの終わりによって定められる。

次いで、第２の集積期間Ｔｉ２が始まる。フォトダイオードはノッチパルスＴＲ_ａの間にその電荷が空にされており、次に他の電荷を集積する。

期間Ｔｉ２が終わる前に、この行のピクセルを読み取るプロセスを保証するために、ピクセルの行を選択するためのノッチパルスＳＥＬを確立する。このノッチパルスは、行選択トランジスタＴ５をオンにする。行選択トランジスタＴ５をオンにすることは、フォロアトランジスタＴ４を活性化し、蓄積ノードＮＤの電位を（トランジスタのゲート・ソース間電圧まで）列導体ＣＯＬに移す。次いで、列導体が第１の電位レベルを取る。ノッチパルスＳＥＬは検討する行のピクセルを読み取る期間の全体にわたり活性状態のままであり、その後このノッチパルスＳＥＬは中断され、別の行に同様のノッチパルスを印加できるのはこの中断の後のみである。ただし、信号ＳＥＬは後続の様々な操作の間継続的でなく、サンプリングＳＨＲおよびＳＨＳの瞬間だけ散発的に活性化することも考えられる。簡潔にするために、すべての信号ＳＨＲおよびＳＨＳの期間を包含する継続的なノッチパルスを示している。ノッチパルスＳＥＬの間、以下の操作を行う。
−列導体上にある電位の第１のサンプルを読取回路の第１のコンデンサＣｓ内に集めるために、読取回路内のスイッチＫｓに制御ノッチパルスｓｈｓ１を印加し、この電位は第１の電荷の転送に由来し、よって第１の集積期間Ｔｉ１にわたるピクセルの照度に依拠する。
−ピクセルの行のトランジスタＴ２のゲートに第２の再初期化ノッチパルスＲＳＴ_ｂを印加し、蓄積ノードの電位を固定値に再初期化し、次いで再初期化済み列電位を表す第２のサンプルを取るために読取回路内のスイッチＫｒに制御ノッチパルスｓｈｒを印加し、そのサンプルを読取回路の第２のサンプリングコンデンサＣｒ内に蓄積する。
−ノッチパルスｓｈｒの終了後、仮変換（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）と呼ぶことができるランプ型アナログ−デジタル変換器による操作が開始し、この時点ではデジタル値を集める必要はなく、第１の集積期間にわたり受け取る照度の閾値を超えることまたは超えないことを検証するための情報ビットだけを集めればよいので、この操作は部分的な変換操作しか伴わず、コンデンサのうちの１つ、例えばコンデンサＣｓの端子に第１の線形電圧ランプまたは仮ランプＲＭＰ１を適用し、その仮ランプは時点ｔ_{ｃｏｎｖ１}から時点ｔ’_{ｃｏｎｖ１}までの固定期間を有し、ランプの傾斜は固定されており（仮ランプの傾斜は、最終的なアナログ−デジタル変換中に役目を果たすランプの傾斜よりも急勾配とすることができ、より急な傾斜は、ランプの終了時に増幅器の入力上の電位レベルによって定められる閾値をより速く得ることを可能にする）、この固定期間の後、変換器の入力増幅器ＡＭＰはトグル式に切り換わっているか、またはトグル式に切り換わっておらず、トグル式に切り換わっている場合、照度レベルは低く、閾値を下回り、トグル式に切り換わっていない場合はレベルが閾値を上回っており、トグリングまたは非トグリングに関する情報はメモリ内、例えば信号ＳＡＴを提供するフリップフロップ内に保持される。
−増幅器のトグリングに関するこの情報は、第３のサンプリングコマンドである制御ｓｈｓ２をその後適用することを可能にしまたは不能にする論理回路（ここではＡＮＤゲートおよびＯＲゲート）への入力になり、照度レベルが高い（時点ｔ’_{ｃｏｎｖ１}より前に比較器がトグル式に切り換わっていない）場合、その後のサンプリングｓｈｓ２を有効にせず、増幅器がトグル式に切り換わっている場合、サンプリングｓｈｓ２を有効にする。
−その後、行のすべてのピクセルに関して第２の転送ノッチパルスＴＲ_ｂを転送トランジスタＴ１のゲートに印加し、フォトダイオードの中で期間Ｔｉ２にわたり集積される電荷が蓄積ノードＮＤまで波及し、期間Ｔｉ２はノッチパルスＴＲ_ｂの終わりに終了し、この第２の電荷転送の後、列導体の電位は蓄積ノードの新たな電位を（ゲート・ソース間電圧まで）たどる。
−時点ｔ’_{ｃｏｎｖ１}よりも後の第３のサンプリングコマンドｓｈｓ２が、列導体の電位のサンプルをコンデンサＣｓの現在のコンテンツに代えてコンデンサＣｓ内に入れ、この電位は、第２の集積期間Ｔｉ２の終了時における、フォトダイオードの電荷が波及した後の蓄積ノードのレベルに相当する。
−最後に、コンデンサＣｒのコンテンツとコンデンサＣｓのコンテンツとの差の最終的なアナログ−デジタル変換を実行し、後者のコンテンツは、信号ｓｈｓ２が生成されたかどうかに応じて第２の集積期間または第１の集積期間に由来する有用な信号に相当し、この最終的な変換ステップは時点ｔ_{ｃｏｎｖ２}においてゼロから再び始まり、コンデンサ内に蓄積された差動電圧を変換することを可能にするのに十分な期間を有する、最終的な線形電圧ランプＲＭＰ２を使って実行する。

第１の変換ランプＲＭＰ１の傾斜および期間は、この期間の終了時における比較器のトグリングが、第２の集積期間を使用した場合にピクセルを飽和させるリスクを負う照度限界に対応するように選択する。仮ランプの終了時に差動増幅器の入力上で得られる電位レベルは、最終的ランプの終了時に得られる電位レベルの小部分に等しい。この小部分は、好ましくは期間Ｔｉ１の期間Ｔｉ２に対する比よりも僅かに少ない。

時点ｔ’_{ｃｏｎｖ１}より前に増幅器ＡＭＰがトグル式に切り換わっていない場合、変換器は第１の集積期間から生じる電位レベルを変換するが、あたかもその変換が第２の集積期間の結果に関連したかのように結果を同じ尺度に当てはめるために、変換結果に比Ｔｉ２／Ｔｉ１を乗じなければならない。したがって、この乗算を有効にまたは無効にするために、時点ｔ’_{ｃｏｎｖ１}において行う検査の結果ＳＡＴをメモリ内に保持する。

この乗算はセンサの外部で行ってもよい。

ピクセル内の電子と、２つの集積期間について同じでない乗算係数との乗算を行うための手段を使ってピクセルを構築する場合、より長い期間に使用する乗算係数のより短い期間に使用する乗算係数に対する比を、最終的な変換の値に同様に乗じる。

検査の期間は極端に短くてもよく、その結果、検査がピクセル読取プロセスを著しく遅くすることはないことが理解されよう。実際に、期間Ｔｉ２とＴｉ１との比が例えば１０の場合、比較器がトグル式に切り換わらなければならない照度閾値は低い（第１の集積時間で測定可能な照度の間隔の１０分の１）。したがって、比較器はこの閾値を得るために、とりわけランプの傾斜が急な場合、ランプが開始するすぐ後にトグル式に切り換わる。照度閾値のこの検出にはそれほど精度は必要ないので、ランプは急でもよい（定常性だけ必要である）。

異なる実施形態では、第１の集積期間Ｔｉ１が２つの期間のうちの長い方になるように備えることができる。第３のサンプリングｓｈｓ２の状態の検査も第１の電荷転送の結果に対して行うが、与えられる閾値は同じではなく、状態の感知が反転され、照度が閾値を超える場合は第３のサンプリングｓｈｓ２を行い、さもなければ第３のサンプリングｓｈｓ２は行わない。

図２に示すのと同じシーケンスを実行することが可能である。１つの欠点は、仮ランプＲＭＰ１の期間が最終的ランプＲＭＰ２の期間とほぼ同じになることを望まない場合、ランプの傾斜を大幅に増加させる必要があることである。事実、検出しようとする飽和の閾値は、より長い期間Ｔｉ１の照度に由来する閾値である。

あるいは、この欠点を回避するために、蓄積ノードの電位を再初期化することに関係する部分を以下の方法で修正することができる。単純な再初期化（ＲＳＴ_ｂ）と、その後に続く蓄積部の電位のサンプリングを行う代わりに、２度の連続再初期化ＲＳＴ_ｂ１およびＲＳＴ_ｂ２を、２つのサンプリング信号ｓｈｒ１およびｓｈｒ２によるコンデンサＣｒ内の２度の連続サンプリングとともに行い、第１の再初期化は、測定のゼロを定める高電位ＶＲＥＦでは全くなく、第３のサンプリングを調整する役割を果たす閾値に近い低電位ＶＲＥＦＢである電位、すなわちピクセルの飽和レベルに近い低電位を蓄積ノード内に確立する。第３のサンプリングｓｈｓ２の状態の検査は、ｓｈｓ１の間にサンプリングした有用なレベルと、ＶＲＥＦＢによって定められるこの低再初期化レベルとの差に対して行う。飽和閾値を下回るか上回るかを判定し、上回る場合に第３のサンプリングｓｈｓ２を課すには短い仮ランプＲＭＰ１で十分である。

第２の再初期化ＲＳＴ_ｂ２は、通常の再初期化レベルＶＲＥＦを使って行う。ランプＲＭＰ１の終了後、結果をコンデンサＣｒ内でサンプリングする。次に、集積時間Ｔｉ２の間に得た有用な電荷をノッチパルスＴＲ_ｂにより蓄積ノード内に移し、検査の結果に応じてサンプリングｓｈｓ２を行い、または行わない。

最終的ランプは、サンプリングパルスｓｈｓ２のために確保された時点よりも後の時点ｔ_{ｃｏｎｖ２}において、サンプリングパルスｓｈｓ２が有効にされているか否かを問わず適用する。この変換は、（閾値を下回る照度の場合）パルスｓｈｒ２およびｓｈｓ１によって確立されるサンプル間の差、または（閾値を上回る照度の場合）パルスｓｈｒ２およびｓｈｓ２によって確立されるサンプル間の差に関連する。第２の場合においてのみ、測定は、真の相関性がある二重サンプリングを用いた測定である。

列の末端にある読取回路についての可能な改善策は、列導体上の信号を条件付で増幅することにある。その条件は、第３のサンプリングｓｈｓ２の使用条件と同じである。この場合、図４に示すように、列導体とサンプリング回路（コンデンサＣｒ、ＣｓおよびスイッチＫｒ、Ｋｓ）との間に低雑音プログラマブル利得増幅器ＰＧＡを挿入する。固定期間の仮ランプによって検出される閾値を下回る照度の場合、第３のサンプリングに関する決定を行うだけでなく、信号に（１よりも大きい）利得Ｇ、例えば３２の利得を与えることに関する決定も行う。閾値を上回る照度の場合、増幅器ＰＧＡが単位利得を有するように増幅器ＰＧＡを制御する。

この改善策は、第２の集積期間よりも短い第１の集積期間を有するタイムチャートを要求する（図２）。

再初期化レベルの測定および電荷が波及した後の有用なレベルの測定の両方に増幅器があるので、この増幅器の起こり得るオフセットが読取を妨害することはない。弱い照度の場合、二重サンプリングは、真の相関性がある二重サンプリングのままである。

画像を捕捉するペースを加速するために、そのような利得を与えることにより、長い集積期間を減らすことが可能である。

条件付利得を使用しない場合、つまり強い照度の事例では、強い照度について行う測定を弱い照度と同じ尺度に当てはめることを望む場合、条件付利得Ｇに等しい乗算係数を強い照度について行う測定に適用することが可能である。

Claims (8)

1. 行および列単位で編成されるピクセル行列を含むアクティブピクセルを用いたイメージセンサであって、同一列の前記ピクセルは、それ自体が読取回路に連結される列導体（ＣＯＬ）に連結し、各ピクセルは、転送トランジスタ（Ｔ１）により蓄積ノードに連結されるフォトダイオード、および前記蓄積ノードを前記列導体に連結しまたは前記蓄積ノードを前記列導体から絶縁するための行選択トランジスタ（Ｔ５）から構成され、前記センサが、同一集積サイクル中におよびピクセルの電荷の読取中に、前記フォトダイオードから前記蓄積ノードへの２度の電荷転送を実行するための手段であって、前記第１の転送は第１の集積期間（Ｔｉ１）の後に行い、前記第２の転送は前記第１の集積期間とは異なる第２の集積期間（Ｔｉ２）の後に行う、電荷転送を実行するための手段と、前記第１の電荷転送後に前記列導体によって取られる電位レベルの第１のサンプリングを、前記読取回路の第１のサンプリングコンデンサ（Ｃｓ）内で行うための手段と、前記蓄積ノードを再初期化した後に前記列導体によって取られる前記電位レベルの第２のサンプリングを、前記読取回路の第２のコンデンサ（Ｃｒ）内で行うための手段と、前記第２の電荷転送後に取られる電位レベルの第３の条件付サンプリングを前記第１のコンデンサ内で行うための手段とを含み、前記読取回路は、前記２つのコンデンサに連結される差動増幅器と、前記コンデンサの１つに線形電圧ランプを適用するための手段とを含むランプ型アナログ−デジタル変換器を含み、前記ランプの効果は、前記コンデンサ内でサンプリングした前記電位に依拠する可変期間の後で前記増幅器をトグル式に切り換えさせるものである、イメージセンサにおいて、前記第１の電荷転送後に仮ランプ（ＲＭＰ１）をまず適用し、前記第３の条件付サンプリングを有効にまたは無効にするために前記仮ランプの終了時における前記増幅器の出力の状態を使用し、その後、前記２つのコンデンサ内でサンプリングした前記電圧間の差の最終的なアナログ−デジタル変換を行うために、前記第２の電荷転送後に最終的ランプ（ＲＭＰ２）を適用するための手段を含むことを特徴とする、センサ。
2. 前記最終的なアナログ−デジタル変換の結果に、前記より長い集積期間の前記より短い期間に対する比を乗算する必要性についての情報項目を提供するために、前記仮ランプの終了時における前記増幅器の前記出力の前記状態をメモリ内に保持することを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記仮ランプが前記最終的ランプよりも急な傾斜を有することを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のセンサ。
4. 前記第１の集積期間が前記第２の集積期間よりも短く、前記ランプが終了する前に前記増幅器が前記トグル式に切り換わることは、第３のサンプリングを施すことを可能にすることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ。
5. 前記最終的ランプの開始時と終了時との間の電位変化が、前記仮ランプの開始時と終了時との間の変化の小部分であるように前記仮ランプの前記期間を選択し、前記小部分は前記２つの集積期間の前記比よりも低いかまたは前記比に等しいことを特徴とする、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記第１の期間が前記第２の期間よりも長く、前記増幅器の前記トグリングは、前記第３のサンプリングを施すことを不能にすることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ。
7. 前記第１の電荷転送後の前記蓄積ノードの前記再初期化を、２つの異なる再初期化電位レベルを用いて、かつ前記第２のコンデンサ内で前記再初期化電位を都度サンプリングしながら２つのステップで行い、前記再初期化電位を２度サンプリングする間に前記仮テストランプを適用することを特徴とする、請求項６に記載のセンサ。
8. 前記列導体上の前記信号の条件付増幅手段（ＰＧＡ）を含み、前記条件は前記第３のサンプリングの使用条件と同じであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のセンサ。

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