JP2019514307A

JP2019514307A - 撮像センサおよび画像情報を読み出すための方法

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Publication number: JP2019514307A
Application number: JP2018554738A
Authority: JP
Inventors: ヨナタン・ボレマンス; パウル・フーツハルクス; ピート・デ・ムール; マールテン・ロスムーレン; ニコラース・タック
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2017-04-06
Publication date: 2019-05-30
Also published as: US20190132541A1; WO2017182287A1; US10742916B2; EP3446476B1; EP3446476A1

Abstract

撮像センサが開示され、これは、少なくとも２つの電荷結合素子ＣＣＤサブアレイのセットであって、各サブアレイは、複数列および複数行に配置された画素を含み、各画素は、画素に入射する光の強度に比例する電荷を蓄積するように構成される、ＣＣＤサブアレイのセットと、列方向に画素の行間で、蓄積された電荷の転送を制御してタイミングを合わせ、蓄積された電荷を画素の各列において積分するための時間遅延積分ＴＤＩクロック回路とを備え、各ＣＣＤサブアレイはさらに、画素の各列の積分電荷を、電圧または電流に変換するための読み出し行を備え、読み出し行は、読み出しブロックによる信号の読み出しを可能にするトランジスタを含み、そして、選択された読み出し行から入力を受信し、該入力をデジタルドメインに変換するか、または、該入力を、ＣＣＤサブアレイのセットに基づいて画素値の組合せ表現に変換するように構成された読み出しブロックを備える。

Description

本発明は、撮像センサに関し、特に時間遅延積分のために用いられる撮像センサに関する。

時間遅延積分（ＴＤＩ）とスペクトルフィルタリングの組合せは、フィルタリングによってスペクトルの一部にある関心事との組合せにより、ＴＤＩの機能が必要である場合（センサに対する場面(scene)の直線運動、および複数回積分によってＳＮＲを改善する要望）に有用である。しかしながら、従来のＣＣＤＴＤＩ撮像センサは、１つのＣＣＤＴＤＩアレイを積分するだけである。よって、マルチスペクトルのカラーフィルタの組合せは、複数のＣＣＤＴＤＩセンサ（大型、高価、煩雑、拡大縮小がうまくいかない）または、フィルタホイール（煩雑で、フィルタが同時に使用できない）を必要とする。埋め込みＣＣＤ（ｅＣＣＤ）が、文献（2014 IEEE International Electron Devices Meeting, 15-17 Dec. 2014, pages: 4.6.1-4.6.4）に示されており、ＣＭＯＳとＣＭＯＳプロセス技術を組み合わせて、ＣＭＯＳ読み出しおよび制御を用いてＣＣＤゲートを処理することを可能にする。

本発明の目的は、改善されたＴＤＩ検出を可能にする撮像センサを提供することである。本発明の特定の目的は、ＴＤＩ検出の動的制御を可能にする撮像センサを提供することである。

本発明の第１態様によれば、撮像センサが提供され、これは、少なくとも２つの電荷結合素子ＣＣＤサブアレイのセットであって、各サブアレイは、複数列(columns)および複数行(rows)に配置された画素を含み、各画素は、画素に入射する光の強度に比例する電荷を蓄積するように構成される、ＣＣＤサブアレイのセットと、
列方向に画素の行間で、蓄積された電荷の転送を制御してタイミングを合わせ、蓄積された電荷を画素の各列において積分するための時間遅延積分ＴＤＩクロック回路とを備え、
各ＣＣＤサブアレイはさらに、画素の各列の積分電荷を、電圧または電流に変換するための読み出し行を備え、読み出し行は、読み出しブロックによる信号の読み出しを可能にするトランジスタを含み、そして、
選択された読み出し行から入力を受信し、該入力をデジタルドメインに変換するか、または、該入力を、ＣＣＤサブアレイのセットに基づいて画素値の組合せ表現に変換するように構成された読み出しブロックを備える。

電荷の積分に含まれる多数の行を用いると、得られる信号対ノイズ比が高い。しかしながら、ＣＣＤサブアレイが飽和し、即ち、フルウェルキャパシティ（ＦＷＣ）に到達するというリスクがある。こうして低い光強度では、積分のために多数の行を使用することが望ましいことがある。他方、高い光強度では、積分のために少ない数の行を使用することが望ましいことがある。

アイメック（ｉｍｅｃ）のモノリシック集積フィルタ技術を用いたｅＣＣＤ（例えば、文献（Lambrechts et al, A CMOS-compatible, integrated approach to hyper- and multispectral imaging, 2014 IEEE International Electron Devices Meeting, 15-17 Dec. 2014, pages 10.5.1-10.5.4）に概説される）は、同じダイ上にある多数のフィルタとＴＤＩを組合せて読み出すことを上手に実現している。本発明に係る構造により、ＴＤＩにおける画像取得特性の動的選択を提供することが可能である。行の数は、異なるＣＣＤサブアレイにおいて異なってもよく、これは、例えば、光条件が異なる波長帯域で異なる場合に使用できる。各波長帯域では、撮像センサは、飽和していないＣＣＤサブアレイを使用してもよい。また、同じ波長帯域について複数のＣＣＤサブアレイからの入力を組み合わせて、波長帯域についての信号対ノイズ比をさらに増加できる。こうして各波長帯域に対して良好な信号対ノイズ比が得られる。

読み出しブロックは、選択された読み出し行からの入力を受信し、該入力をデジタルドメインに変換する（例えば、列ごとのアナログ−デジタル（ＡＤＣ）変換器を使用することによって）か、または該入力を、ＣＣＤサブアレイのセットに基づいて画素値の組合せ表現に変換するように構成され、読み出しブロックは、同じ波長帯域について複数のＣＣＤサブアレイからの入力を加算したり、または読み出しブロックは、複数のＣＣＤサブアレイから単一の入力を選択するようにでき、選択された単一の入力は良好な信号対ノイズ比に対応することができる（一方、非選択入力は、例えば、飽和してもよい）。こうして読み出しブロックは、光強度のダイナミックレンジを提供するように構成できる。代替として、異なるサブアレイからのデータは、それ自体、オフチップ(off-chip)で送信してもよく、オフチップ読み出しシステムで組み合わせてもよい。

また、読み出しブロックまたは読み出しシステムは、複数の組合せ画素値が提供できるように、異なる波長帯域に関連付けられたＣＣＤサブアレイから入力を取り込むことができ、各画素値は、単一の波長帯域に対応することができる。

複数のＣＣＤサブアレイが同じ波長帯域について使用でき、複数のサブアレイが同じ波長帯域について選択できる。複数のＣＣＤサブアレイからの信号は、読み出しブロックまたは読み出しシステムにおいて組合せ可能であり、（組合せＣＣＤサブアレイの）フルウェルキャパシティ（ＦＷＣ）の倍数となり、従って撮像センサのダイナミックレンジが増加する。

各ＣＣＤサブアレイは、ＣＣＤサブアレイが特定のフィルタによって定義される波長帯域内の光を取り込むように、特定のフィルタに関連付けできる。

フィルタは狭い通過帯域フィルタでもよく、ハイパースペクトル撮像を可能にするために、種々のフィルタを備えた多数のＣＣＤサブアレイが設けられてもよい。

代替として、ＣＣＤサブアレイ内の各行は特定のフィルタに関連付けてもよく、ＣＣＤサブアレイ内の異なる行について異なるフィルタが設けられる。こうしてＣＣＤサブアレイは、ＣＣＤサブアレイに関連付けられたフィルタによって定義される波長の組合せについて電荷を積分できる。

ＣＣＤサブアレイのセットが、多数のＣＣＤサブアレイを備えてもよいことは理解すべきである。セット内のＣＣＤサブアレイは、各波長帯域について信号対ノイズ比を最適化する可能性を提供するために、異なる波長帯域に関連付けられた複数のＣＣＤサブアレイ、および各波長帯域についての複数のＣＣＤサブアレイを提供できる。読み出しブロックまたは読み出しシステムは、各波長帯域について選択された（例えば、非飽和の）ＣＣＤサブアレイからの入力を組み合わせて、各波長帯域についての光強度の表現を提供できる。

複数の読み出しブロックを設けてもよいことも理解すべきである。こうして撮像センサは、ＣＣＤサブアレイの複数のセットを備えてもよく、各セットは、個々の読み出しブロックに接続できる。こうして例えば、各読み出しブロックは、特定の波長帯域についてＣＣＤサブアレイを扱うことができる。

実施形態によれば、各ＣＣＤサブアレイは、ＣＣＤサブアレイ内の画素に照射される波長の予め定めた部分を選択するために、集積フィルタ、例えば、カラーフィルタ、マルチスペクトルフィルタまたはハイパースペクトルフィルタなどによって覆われる。フィルタは、各ＣＣＤサブアレイについて異なってもよく、サブアレイ内でも異なってもよい（特定の波長組合せを生成するために）。当業者によって理解されるように、望ましくない特性を持つ光が画素に到達することを防止するために、多くの異なるタイプのフィルタリング技術を使用してフィルタを設けてもよい。例えば、フィルタは、光の吸収、拡散または鏡面反射、例えば、ダイクロイックフィルタまたはファブリペローフィルタなどのフィルタの多層内の干渉、あるいは入射光の偏光に基づいた異なる透過率特性を利用してもよい。

実施形態によれば、セット内のＣＣＤサブアレイの少なくとも２つは、異なる数の行を有する。ＴＤＩ行／ステージは異なってもよく、入射光、量子効率およびスペクトルフィルタ透過の結果として画素内に生成される光電子の数に一致するように最適化できる。このことは飽和状態になるのを防止し、よって信号対ノイズ比を最大化するのを可能にする

実施形態によれば、セット内のＣＣＤサブアレイは、等しい数の行を有する。ＣＣＤサブアレイの数は、ある場合には同じスペクトル帯域について複数のサブアレイを選択することによって、ダイナミックレンジを増加させるように最適化できる。出力信号は、読み出しステージにおいて加算され、その結果、有効なフルウェルキャパシティの倍数が得られ（したがって、ダイナミックレンジが増加する）。

ＣＣＤサブアレイの数を変化させ、従って有効ＦＷＣを変化させることは、より小さなＦＷＣおよびダイナミックレンジのペナルティなしに、画素サイズを、即ち、より小さいピッチおよび分解能に向けて最適化するために使用できる。

実施形態によれば、セット内の複数のＣＣＤサブアレイは、同一のフィルタに関連付けられ、複数のＣＣＤサブアレイの行の数は対数的に増加する。対数的に増加する数の行（例えば、１，３，１０，３０）で適用される同じスペクトルフィルタとＣＣＤサブアレイを最終的に／任意に組み合わせることによって、広い入射信号に渡って最大信号対ノイズ比が得られる。

実施形態によれば、読み出し行は同じ読み出しブロックに接続され、読み出し行から読み出しブロックへの入力は、タイム・インターリーブ(time-interleaved)される。サブアレイの読み出しは、サブアレイ全てについて同じ読み出しを共有するためにタイム・インターリーブされてもよい。サブアレイ間の間隔は、読み出しの時間遅延を場面(scene)の有効な空間移動に一致させるように調整できる。全てのＣＣＤサブアレイは、最適化された値の個々の位相遅延でクロック動作してもよい。

実施形態によれば、読み出し行は、選択されたＣＣＤサブアレイに応じて、例えば、利得、分解能、入力レンジ、最下位ビットなどのパラメータを調整するように構成できる。読み出しパラメータの調整は、性能を最適化するために使用してもよい。

実施形態によれば、セット内のＣＣＤサブアレイの少なくとも２つは、異なる画素ピッチを有する。ＣＣＤサブアレイは、使用される最大の画素の全く同じピッチまたはピッチの一部を備えた画素で構成できる。例えば、２０μｍピッチ画素は、上部にスペクトルフィルタを備えた画素について使用でき、一方、２つの１０μｍ画素は、パンクロマティック(panchromatic)画素について使用できる。

実施形態によれば、セット内のＣＣＤサブアレイの少なくとも２つは、同じ波長をカバーし、同時に高い分解能および高いフルウェルキャパシタンスを達成するために、異なる画素ピッチを有する。

実施形態によれば、セット内のＣＣＤサブアレイの少なくとも２つは、増加したダイナミックレンジを達成するために、異なるフルウェルを備えた異なる画素タイプを有する。

実施形態によれば、撮像センサは、サブアレイの両側に読み出し行を備えてもよい。これは、ＣＣＤサブブロックの双方向読み出し用に使用でき、即ち、蓄積された電荷は、撮像センサに対して場面がどのように移動するかに応じて、画素の列に沿って両方向に移動できる。

実施形態によれば、撮像センサは、動的に選択可能な数の行を備えた１つ以上のサブアレイを備えてもよい。これは、アクティブ行の数の最適化を可能にする。異なるサブアレイからのデータの組合せの際、正確な結果を得るために、行の数の選択を考慮する必要がある。アクティブ行の数は、予想される場面について信号対ノイズ比を最大化するように、または撮像器の量子効率及び／又はフィルタ透過を補償するように設定できる。

本発明の第２態様によれば、第１態様に係る撮像センサを備えたカメラが提供される。こうして撮像センサは、カメラを用いて場面のＴＤＩ画像の取得を可能にするために、カメラの中に集積してもよい。

本発明の第３態様によれば、画像情報を読み出すための方法が提供され、前記方法は、
撮像センサの個々の画素に入射する光の強度を検出するステップであって、画素は、少なくとも２つのサブアレイに列および行に配置される、ステップと、
サブアレイ内の複数の画素から検出された光強度の情報を、複数の画素についての共通の光強度にビニング(binning)するステップと、
画像の読み出しのために少なくとも１つのサブアレイを選択するステップと、
少なくとも１つのサブアレイ内の画素からビニングされた情報を、共有読み出しブロックへの入力として読み出すステップと、
該入力を、デジタルドメインに、または２つ以上のサブアレイのセットについて画素値の組合せ表現に変換するステップと、を含む。

この第３態様の効果および特徴は、第１および第２態様に関連して上述したものと大部分は類似している。第１および第２態様に関して言及した実施形態は、第３態様と大部分は互換性がある。

該方法は、少なくとも２つのサブアレイが共通の読み出しブロックを共有できるようにし、該方法は、検出された光強度情報を読み出しブロックに提供することになる、どちらのサブアレイの選択を可能にする。

該方法によれば、画素の異なる設定で検出された光が、検出された光を画像に変換するために、共有読み出しブロックに引き渡される。こうして形成すべき画像は、どの画素情報が、共有読み出しブロックに引き渡されるかによって制御してもよい。

撮像センサの共有読み出しブロックを使用する方法は、異なるタイプの画素と共に使用でき、そのため撮像センサは、必ずしもＣＣＤサブアレイを備えることなく、追加または代替として、ＣＭＯＳ技術をベースとしたアクティブ画素センサを備えてもよい。該方法を用いて、デジタルＴＤＩをサポートできる（蓄積された電荷ではなく、数画素内に誘起された電圧がビニングされる）。

検出された光強度は、必ずしも列方向にビニング（または蓄積）される必要はない。むしろ、検出された光強度は、撮像センサによって設定された任意の他の構成においてビニングしてもよい。例えば、検出された光強度をビニングするために、２×２画素の設定を使用してもよい。上述のように、異なるサブアレイ内の異なる画素ピッチを使用する代わりに、アレイの行内の複数の画素からの情報のビニングを使用してもよい。

本発明概念の上記及び追加の目的、特徴および利点は、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態の下記の例示的および非限定的な詳細な説明を通じてより良く理解されよう。図面において、他に言及しない限り、類似の要素には類似の参照番号が使用される。

単一の行および複数の行を備えたサブアレイについての信号およびノイズ（図１）のシミュレーションを示すグラフである。横軸(bottom axis)には、フォトダイオードで発生した光電子の数が用いられる。単一の行および複数の行を備えたサブアレイについての信号対ノイズ比（図２）のシミュレーションを示すグラフである。横軸には、フォトダイオードで発生した光電子の数が用いられる。異なるスペクトル帯域についてＣＣＤサブアレイの行数がどのように異なるかを示すグラフである。本発明の実施形態に係る撮像センサの概略図である。本発明の実施形態に係る方法のフローチャートである。

本発明の詳細な実施形態を図面を参照して説明する。

同じチップ上に複数のＣＣＤＴＤＩアレイを使用することが提案されており、単一の読み出し(readout)を共有（してもよく、またはしなくてもよい）。各ＣＣＤサブアレイは、カラーフィルタまたはスペクトルフィルタでもよい専用の集積フィルタ（またはその組合せ）で処理される。

ＣＣＤサブアレイは、２０１４年ＩＥＥＥ国際電子デバイス会議、２０１４年１２月１５〜１７日、ページ４．６．１〜４．６．４に示されているように、埋め込みＣＣＤ（ｅＣＣＤ）に配置でき、これはＣＭＯＳとＣＣＤプロセス技術を組み合わせて、ＣＭＯＳ読み出しおよび制御を備えたＣＣＤゲートを処理することを可能にする。２０１４年ＩＥＥＥ国際電子デバイス会議、２０１４年１２月１５〜１７日、ページ４．６．１〜４．６．４においてＣＭＯＳプロセス技術をＣＣＤプロセス技術とどのように組み合わせるかの開示は、参照によりここに組み込まれる。

各ＣＣＤサブアレイの出力における電荷−電圧ステージまたは電荷−電流ステージの利用可用性は、所望のＣＣＤサブアレイを選択し、それを共有読み出しブロックに接続することを可能にする。画素サイズ、アレイ間隔、画素数およびバンク数は、ＳＮＲおよびダイナミックレンジを最適化するように最適化できる。

下記の例では、上記パラメータが特定の光条件に整合するように最適化できることが判る。

第１スペクトル帯域内の画素に光が到来することによって生じる光電子の予想される数が、第２スペクトル帯域内の半分であると仮定する（例えば、撮像器の量子効率（ＱＥ）、充填率(fill factor)、フィルタ透過率、…のため）。そして、両方のＴＤＩアレイの速度が構成で同じであるため（同じ場面が同じ速度で移動するため）、スペクトル帯域はより高速に充填するようになり、よって飽和（そのフルウェルキャパシティに到達する）が速くなる。これを回避するために、速度を増加させてもよいが、実際には第１帯域での画素で信号が少なくなる（従って信号対ノイズ比が少なくなる）。よって、第２帯域のＴＤＩ行／ステージの数を第１帯域の２倍にして、フルウェルキャパシティの同じ使用を確保することに意義がある。これは、同じ入力レンジを備えた同じ読み出しを使用することに関連している。代替として、読み出しパラメータは、どの帯域が選択されかに応じて調整できる。例えば、第１帯域を目標とする場合、類似の利得または分解能を達成するために、ＬＳＢサイズは５０％減少してもよく、あるいは各サブアレイについて異なる利得を備えた利得増幅器を実装してもよい。

第１帯域のフォトダイオードで予想される入射光が第２帯域の半分であると仮定するが、第２帯域についてのステージの最大数は、応用または技術の限界に基づいて達成される。例えば、フルウェルキャパシティは、画素の面積によって制限される。そして、第２帯域のＣＣＤサブアレイは、同じ等価フルウェルキャパシティを達成するために、２つのＣＣＤサブアレイに分割できる。信号は、読み出しステージにおいて追加できる。多くの行を備えた１つのサブアレイを、より少ない行を備えた複数のサブアレイに分割することにより、最大検出可能信号、よってダイナミックレンジを増加させることが可能になる。これは、パンクロマティック（ＰＡＮ）検出（かなり高い検出すべき強度を含む）に関して、マルチ（ＭＳ）／ハイパースペクトル（ＨＳＩ）フィルタの両方について同じ画素（同じピッチで）を使用する場合に特に関心がある。１つのサブアレイを少数のサブアレイに分割することにより、読み出しで使用されるＡＤＣの分解能を増加させることなく（これは高速において関連する）、得られる有効ビット数を増加させることも可能になる。それはまた、達成可能な最大信号対ノイズ比（ＳＮＲｍａｘ）を最大化するのに役立つ。これは、最大ＳＮＲがフルウェルで得られるためである（該ポイントでのノイズはショット雑音限界とされ、即ち、ｓｑｒｔ（ＦＷＣ）（ＦＷＣの平方根）であるためである）。よって、ＦＷＣが大きいほど、ＳＮＲｍａｘは大きくなる。

低い光レベルでの信号対ノイズ（ＳＮＲｌｏｗ）は、読み出しノイズによって支配されるため、（電荷／ＣＣＤタイプ）ＴＤＩは、ノイズレスの方法で異なる行において信号を蓄積し、電圧ドメインへの変換を行い、そしてサブアレイの端部で１回だけ（ノイズを追加する）ことによって、ＳＮＲｌｏｗを増加させるのに役立つ。これは、古典的なＴＤＩ動作であり、ＴＤＩ行が多いほど、ＳＮＲｌｏｗがより良くなる。しかしながら、複数の行は、（飽和に入る前に）得られる有効ＦＷＣを制限する。よって、ＳＮＲｌｏｗが最大になると、ＳＮＲｍａｘは制限される。１つのオプションは、選択可能な数の行である。より良い解決策は、異なる（理想的には対数的）数の行（例えば、１および１６）を備えた複数のサブアレイを有することである。ＳＮＲｍａｘは、単一行のサブアレイによってカバーされ、ＳＮＲｌｏｗは他のサブアレイによってカバーされる。実際、ＳＮＲは、入力光のより広いレンジに渡って最大化される（これは、最終的にパンクロマティック行との組合せでマルチ／ハイパースペクトル撮像器の場合に確かになる）。図１および図２のグラフは、典型的な例を示す。

異なる光強度が異なる波長において予想され（所定波長でのＱＥ＊フィルタ透過に起因して）、これは、所定波長について異なる数の行によって補償できる。１００個のハイパースペクトルフィルタを仮定した場合の最適な解決策は、対数的に増加する数の行（および各々の幾つか）例えば、１００ｘ１行（ＰＡＮ検出では、これらの幾つかが使用できる）、４０ｘ８行、２０ｘ１６行、１０ｘ３２行、５ｘ６４行、２ｘ１２８行、１ｘ２５６行を備えた多数（例えば、２００個）のサブアレイでもよい。このタイプのｅＣＣＤＴＤＩでは、予想される信号および波長性能（ＱＥ＊伝送効率）に従ってＰＡＮ／ＭＳ／ＨＳＩフィルタをマッピングできる。

他の可能性は、１つのサブアレイに異なるＨＳＩフィルタを適用することによって、サブアレイごとに異なる有効スペクトル応答を構築するためにＴＤＩ動作を使用することである。このことは、（１つのフィルタ技術を用いて）例えば、より広い（ＭＳ）タイプのフィルタ、またはフィルタの特別注文(custom)組合せ（異なる波長での信号の組合せが明確な弁別器(discriminator)である所定の応用の場合）を有することを可能にする。サブブロック当たりの行数で再生することにより、異なる重み付け係数（すなわち、サブブロック当たりの行数）を用いて異なる波長応答を混合することも可能になる。

上記の例の全てにおいて、最適な解決策は、読み出しすべき多くのサブアレイをもたらすことになる。これは、サブアレイごとにアナログ出力（および増幅／バッファ）を必要とするため、古典的なＣＣＤ技術を用いて実用的ではない。ＣＭＯＳ技術における埋め込みＣＣＤでは、高速で多くのサブブロックを読み出し可能なＣＭＯＳ読み出し電子回路の組合せで、ＴＤＩ行におけるノイズレスＴＤＩ動作から利益を受ける。

ここで図３を参照して、これは、撮像センサが複数の波長帯域について良好なＳＮＲで画像を取り込むように構成するために、ＣＣＤサブアレイの行の数が異なるスペクトル帯域についてどのように相違するかを示す。

ここで図４を参照して、撮像センサをより詳細に説明している。撮像センサは、複数の画素Ｐを備え、これらは、入射光を受光し、入射光を、画素Ｐでの入射光の強度に比例する電荷に変換するように構成される。

撮像センサは、複数のＣＣＤサブアレイを備える。各サブアレイは、Ｎ_Ｓによって示されるように、多数の行を備え、全体として撮像センサはＮ_Ｂ個の行を備える。行の数は、異なるサブアレイ間で相違してもよい。

画素Ｐは、画素サイズＰ_Ｓを有し、これも撮像センサ内の異なるサブアレイ間で相違してもよい。

各サブアレイは、サブアレイの両側にある読み出し行Ｒ_Ｔ，Ｒ_Ｂにそれぞれ関連付けられる。このことは、撮像センサが双方向読み出しのために作動でき、即ち、読み出しがサブアレイの両側で生ずることを意味する。

画素に蓄積された電荷は、サブアレイ内の隣接する行に転送され、行の各々に蓄積された電荷の積分が生ずる。電荷の転送は、ＴＤＩの実行を可能にするために、撮像センサに対する場面の移動と同期させることができる。

各サブアレイは、個々のフィルタＦに関連付けできる。フィルタは、撮像センサとモノリシックに集積してもよい。しかしながら、別個のフィルタを使用してもよく、または特定波長の光をサブアレイに転換させるために光学部品を使用してもよいことも理解すべきである。

読み出し行は、読み出しブロックによる信号の読み出しを可能にするトランジスタを備えてもよい。読み出し行からの信号は、列ラインＣ_Ｌ上で読み出しブロックに転送できる。

サブアレイは、隣接する読み出し行の間の間隔Ｓで配置してもよい。間隔Ｓは、例えば、１／Ｎ_Ｓまたは他の最適化された値だけ、読み出しの時間遅延を場面の有効な空間移動に一致するように構成できる。全てのＣＣＤサブアレイは、１／Ｎ_Ｓまたは他の最適化された値の個々の位相遅延でクロック動作する。

読み出しブロックまたは読み出しシステムの機能は、異なるサブアレイの信号を加算することであるが、信号が飽和（フルウェルキャパシティ）に到達していない場合だけである。サブアレイの１つまたは複数がフルウェルに到達している場合、この信号は追加すべきではなく、デジタルビット／フラグは、特定のブロック（または複数のブロック）が全体信号に寄与していない出力データとともに送信すべきである。このデジタルビット／フラグは、選択可能な数の行スキームにおいて選択された行の数を識別するためにも使用できる。

ここで図５を参照して、画像情報を読み出すための方法について説明する。該方法は、共有読み取りブロックを利用しており、これは画像情報を読み出すために撮像センサの複数のサブアレイによって使用される。該方法は、上述したような実施形態に係る撮像センサについて画像情報を読み出す際に使用できる。共有読み出しブロックの使用は、複数のサブアレイを有する撮像センサから画像情報を読み出すためにも使用でき、これは図３の撮像センサに関して上述したように必ずしも配置されていない。

こうして該方法は、撮像センサの個々の画素に入射する光の強度を検出するステップ１０２を含み、撮像センサは、少なくとも２つのサブアレイを備え、画素は、少なくとも２つのサブアレイの各々において複数列および複数行に配置される。

該方法はさらに、サブアレイ内の複数の画素から検出された光強度の情報を、複数の画素について共通の光強度にビニングするステップ１０４を含む。情報は、画素の任意の構成に従ってビニングできる。こうしてサブアレイ内の画素の列での光強度が蓄積でき、検出された光強度の情報のビニングが列方向に実行できる。しかしながら、特に画素が、ＣＭＯＳ技術をベースとしたアクティブ画素センサとして形成される場合、所望の構成における複数の画素が、浮遊拡散(floating diffusion)ノードを共有し、画素内で検出された光強度が浮遊拡散ノードにおいてビニングできる。こうして情報のビニングは、例えば、２×２画素構成について容易に行うことができ、サブアレイは、複数のこうした２×２画素構成を備えてもよく、そこでは検出された光強度の情報がビニングされる。サブアレイは、列の数で個別に構成でき、情報がサブアレイ内の画素間でどのようにビニングされるか。こうして２つのサブアレイは、同じ構成を有してもよく、異なる構成を有してもよい。

該方法はさらに、画像の読み出しのためにサブアレイの少なくとも１つを選択するステップ１０６を含む。あるサブアレイが選択された場合、選択されたサブアレイ内の画素からのビニングされた情報が、共有読み出しブロックへの入力として読み出される（ステップ１０８）。こうして読み出しブロックは、撮像センサでの１つまたは複数のサブアレイから情報を選択的に受信できる。

サブアレイは、例えば、上述したようにサブアレイの信号が飽和（フルウェルキャパシティ）に到達していないか否かに基づいて選択できる。しかしながら、サブアレイはまた、他の基準、例えば、サブアレイ内で検出される波長で選択してもよい。

該方法はさらに、該入力を、デジタルドメインに、または複数のサブアレイのセットについて画素値の組合せ表現に変換するステップ１１０をさらに含む。こうして読み出しブロックは、入力のアナログ−デジタル変換を実施でき、少なくとも１つの選択されたサブアレイからの画像情報がデジタル画像に変換されるようになる。しかしながら、読み出しブロックはまた、または代替として、アナログ−デジタル変換を実施する前に、検出された光強度を組合せ表現に最初に組み合わせるために、複数のサブアレイからの画素値を組み合わせてもよい（例えば、複数のサブアレイが共通の光波長を検出している場合）。

上記において、本発明は、限定された数の実施形態を参照して主に説明した。しかしながら、当業者に容易に理解されるように、上記開示したもの以外の他の実施形態も等しく、添付の請求項によって定義されるように、本発明の範囲内に入る可能性がある。

Claims

少なくとも２つの電荷結合素子ＣＣＤサブアレイのセットであって、各サブアレイは、複数列および複数行に配置された画素を含み、各画素は、画素に入射する光の強度に比例する電荷を蓄積するように構成される、ＣＣＤサブアレイのセットと、
列方向に画素の行間で、蓄積された電荷の転送を制御してタイミングを合わせ、蓄積された電荷を画素の各列において積分するための時間遅延積分ＴＤＩクロック回路とを備え、
各ＣＣＤサブアレイはさらに、画素の各列の積分電荷を、電圧または電流に変換するための読み出し行を備え、読み出し行は、読み出しブロックによる信号の読み出しを可能にするトランジスタを含み、そして、
選択された読み出し行から入力を受信し、該入力をデジタルドメインに変換するか、または、該入力を、ＣＣＤサブアレイのセットに基づいて画素値の組合せ表現に変換するように構成された読み出しブロックを備える、撮像センサ。
各ＣＣＤサブアレイは、ＣＣＤサブアレイ内の画素に照射される波長の予め定めた部分を選択するために、集積フィルタ（Ｆ）、例えば、カラーフィルタ、マルチスペクトルフィルタまたはハイパースペクトルフィルタなどによって覆われる請求項１記載の撮像センサ。
セット内のＣＣＤサブアレイの少なくとも２つは、異なる数の行を有する請求項１または２記載の撮像センサ。
セット内のＣＣＤサブアレイは、等しい数の行を有する請求項１または２記載の撮像センサ。
セット内の複数のＣＣＤサブアレイは、同一のフィルタに関連付けられる請求項１〜４のいずれかに記載の撮像センサ。
読み出し行は、同じ読み出しブロックに接続され、読み出し行から読み出しブロックへの入力は、タイム・インターリーブされる請求項１〜５のいずれかに記載の撮像センサ。
読み出し行は、選択されたＣＣＤサブアレイに応じて、例えば、利得、分解能、入力レンジ、最下位ビットなどのパラメータを調整するように構成できる請求項１〜６のいずれかに記載の撮像センサ。
セット内のＣＣＤサブアレイの少なくとも２つは、異なる画素ピッチを有する請求項１〜７のいずれかに記載の撮像センサ。
サブアレイは、双方向読み出し用に構成される請求項１〜８のいずれかに記載の撮像センサ。
動的に選択可能な数の行を備えた１つ以上のサブアレイを備える請求項１〜９のいずれかに記載の撮像センサ。
請求項１〜１０のいずれかに記載の撮像センサを備えるカメラ。
画像情報を読み出すための方法であって、
撮像センサの個々の画素に入射する光の強度を検出するステップであって、画素は、少なくとも２つのサブアレイに列および行に配置される、ステップと、
サブアレイ内の複数の画素から検出された光強度の情報を、複数の画素についての共通の光強度にビニングするステップと、
画像の読み出しのために少なくとも１つのサブアレイを選択するステップと、
少なくとも１つのサブアレイ内の画素からビニングされた情報を、共有読み出しブロックへの入力として読み出すステップと、
該入力を、デジタルドメインに、または２つ以上のサブアレイのセットについて画素値の組合せ表現に変換するステップと、を含む方法。