JP3766691B2 - マルチプレクスされてオーバサンプリングされるアナログ−デジタル変調のための方法および装置 - Google Patents
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Description
この発明は一般にアナログ−デジタル(A/D)変換に関し、より特定的には、たとえば光学撮像装置におけるアナログ入力のアレイを処理してデジタル出力を生成するのに適した、マルチプレクスされてオーバサンプリングされたアナログ−デジタル変調器に関する。
発明の背景
焦点面ビデオ撮像システムにおける現在のアプローチでは、画像情報を読出すためにピクセルデータのアナログマルチプレクシングのある形態を用いる。いわゆるビデオデータレートを規定するのはこのマルチプレクシングである。放送用テレビでは、たとえば、30ヘルツのピクセルデータレートが4メガヘルツビデオデータレートにマルチプレクスされる。この同じ状況が、ピクセルレートが通常3キロヘルツを下回りアナログマルチプレクシングが結果として生じるメガヘルツビデオレートと用いられる産業用および軍事用ビデオシステムにも存在する。
これらのマルチプレクシングのアプローチは、実際には焦点面センサと簡単には統合できない高速の回路を用いるアナログ−デジタル変換処理の使用を必要とする。さらに、これらのアプリケーションにおける典型的なA/Dコンバータは、消費者用のアプリケーションで用いるには高価すぎると一般に考えられている高速ビデオフラッシュコンバータを含む。
ニューヨーク、IEEEプレス(IEEE Press)、1992年、ジェームス・シー・キャンディおよびゲーバー・シー・テムズ(James C.Candy and Gabor C.Temes)編集の「オーバサンプリングデルタ−シグマデータコンバータ」(Oversampling Delta−Sigma Data Converters)に議論されているように、より低いサンプリングレートで増大した解像度を達成するために負のフィードバックおよびデジタルフィルタ処理と組合されて高いサンプリングレートでの粗い量子化を用いる、オーバサンプリングされたアナログ−デジタル(A/D)コンバータが既知である。このようなコンバータは、したがって最新の超大規模集積回路(VLSI)の速度および密度の利点を用い、同時に構成要素の精度に対する要件を低減することができる。
一般にデルタ−シグマ変調器として知られる1種のオーバサンプリングされるA/Dコンバータでは、アナログ入力はナイキスト周波数をはるかに上回るレートでサンプリングされ、積分器を介して量子化器に供給される。量子化された出力はフィードバックされ、入力から減じられる。このフィードバックによって、量子化された出力の平均値が平均のアナログ入力値を追従することとなる。
発明の概要
この発明は、ビデオカメラで用いれる光学撮像装置等のエネルギ撮像装置から導出されたアナログ入力のアレイを処理するのに適した低コストアナログ−デジタル(A/D)変換装置に向けられる。図1から図7に対応する実施例は、親出願連続番号第07/885,474号、現在の米国特許第5,248,971号に初めに開示される。さらなる実施例は、一部継続出願連続番号第08/211,047号、現在の米国特許第5,515,046号における図8から図11Bに対応して開示される。図12Aから図18はこの出願で開示される新しい実施例に対応する。
より特定的には、この発明は、光学撮像装置の焦点面センサ上に、またはそれに隣接して置かれることが可能であり、かつタイムマルチプレクスされてオーバサンプリングされる変換技術の使用に特徴付けられるA/D変換装置に向けられる。
好ましい実施例に従えば、エネルギ収集エレメントのアレイはオーバサンプリングされるA/D変調器によってサンプリングされるアナログ信号を発生し、この変調器は各入力についてナイキストレート(ナイキストレートは対象の最高信号周波数の2倍である)をはるかに上回るレートで入力の真の値のあたりで発振する単一ビット出力を生成する。好ましくは各エネルギ収集エレメントの近くに装着された複数個のピクセル処理装置が、複数個のフィードバックループを形成するために変換論理の共通ブロックを周期的に共有する。したがって、変換論理の共通ブロックは、エネルギ収集エレメントのすべてを表わす単一ビットストリームをその出力で生成する。
好ましい実施例に従えば、撮像装置は、1)入射するエネルギの量に関連するアナログピクセル信号を各々生成できるm個のエネルギ収集エレメントを含み、上述のm個のエネルギ収集エレメントは上述の焦点面の異なった区域からエネルギをそれぞれ収集するために装着され、さらに、2)上述のピクセル信号の異なった1つを各々積分するためのm個の積分器と、3)上述のm個の積分されたピクセル信号の各々に周期的に関連づけられ、上述の積分されたピクセル信号の各々が予め定められたしきい値を超えるかどうかを示す1ビット比較信号を発生するための共通比較器と、4)上述の1ビット比較信号を周期的にサンプリングするためのタイミング回路と、5)関連する上述の1ビット比較信号のサンプルに従って上述のアナログピクセル信号の各々から電荷を周期的に除去するための電荷除去回路と、6)上述の積分されたピクセル信号の各々に関連したNビット値を周期的に発生するための単一のNビットA/Dコンバータと、7)上述のビットストリーム出力を発生するために上述のアナログピクセル信号の各々に関連した複数個の上述のNビット値を生成するためのデシメータとを含む。
代替的な実施例において、単一の比較器は単一のNビットA/Dコンバータと置き換えられ、このコンバータの最上位ビットは比較信号として用いられる。
さらなるシステムの実施例に従えば、オーバサンプリングされる変調と関連する積分機能および各アナログ残余をストアするためのアナログ記憶エレメントは、感光性アレイと密な物理的関係で配置される積分エレメント(たとえば、CCD、CID、FET、電荷ウェル)のアレイで実現される。
この発明の新規な特徴は、添付の請求の範囲に特定的に述べられる。この発明は、添付の図面と関連して読まれれば以下の説明から最もよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
図1はアナログ信号とデシメータとの間に接続されるデルタ−シグマ変調器のブロック図である。
図2Aは、この発明に従うマルチプレクスされてオーバサンプリングされるアナログ−デジタル変調器の好ましい実施例を示すブロック図である。
図2Bは、図2Aの変調器に関連するタイミング図である。
図3Aは、この発明に従う好ましい光学撮像装置の実施例のブロック図である。
図3Bは、図3Aの撮像装置の概略図である。
図3Cは、図3Bのスイッチの別の位置を示す。
図3Dは、図3A、3Bおよび3Cの変調器に関連するタイミング図である。
図4Aは、別の好ましい光学撮像装置の実施例のブロック図である。
図4Bは、図4Aの撮像装置の概略図である。
図5は、別の好ましい光学撮像装置の実施例の概略図である。
図6は、この発明に従う光学撮像装置およびモニタシステムのブロック図である。
図7は、別の好ましいマルチ入力アナログ−デジタルオーバサンプリング変調器の実施例のブロック図である。
図8は、典型的な焦点面アナログ読出システムの概略図である。
図9は、この発明に従うアナログ−デジタル変調器のブロック図である。
図10Aは、図9の変調器を組込むマルチプレクスされてオーバサンプリングされるアナログ−デジタル変換システムの概略図である。
図10Bは、図10Aのシステムのタイミング図である。
図11Aは、図9の変調器を組込む別のマルチプレクスされてオーバサンプリングされるアナログ−デジタル変換システムの概略図である。さらに
図11Bは、図11Aのセンサ回路のCCD構造の上面図である。
図12Aは、この発明のデルタ−シグマ変調器を用いて実施される光学撮像装置の実施例のブロック図である。
図12Bは、図12Aの撮像装置のタイミング図である。
図13は、FET回路を用いる図12Aの撮像装置の概略図である。
図14は、図12Aの光学撮像装置の実施例の代替的な構成のブロック図である。
図15は、FET回路で実現されたカウンティングA/Dを用いる図14の撮像装置の概略図である。
図16は、FET回路を用いる第2の積分ループを有した代替的な光学撮像装置の実施例の概略図である。
図17は、積分器として用いられるFETで実現されるトランスインピーダンス増幅器と、電荷ウェルで実現される残余シンクとからなる光学撮像装置の実施例の概略図である。
図18は、フォトゲートのアレイからの入力を単一の2進ビットストリームへとマルチプレクスするためのCID構造を用いる光学撮像器の実施例の複数個のチャネルを示す。
好ましい実施例の説明
図1は、ニューヨーク、IEEEプレス、1992年、ジェームス・シー・キャンディおよびゲーバー・シー・テムズ編集の「オーバサンプリングデルタ−シグマデータコンバータ」で説明されるタイプの先行技術のオーバサンプリングA/D変調器20のブロック図である。変調器20は信号源22からのアナログ入力に応答してビットストリーム出力24を生成する。変調器20は、それにアナログ入力が与えられる+入力端子を有する減算器28を含む。減算器28の出力は、積分器30を介してNビットA/Dコンバータ32に接続され、これが出力ビットストリーム24を生成する。コンバータ32の出力から減算器28の−入力端子へのフィードバックループ33は、NビットD/Aコンバータ34を含む。単一ビットコンバータ32、34、すなわちN=1であるものを用いる変調器20の構成は、一般にデルタ−シグマ変調器と称する。コンバータ32および34を含む変調器20の部分は、量子化器26と称することが多い。
動作において、コンバータ32は積分器30の出力42に応答してビットストリーム出力24を生成する。コンバータ34は、出力42のいくぶん粗いアナログ推定を含むアナログ出力40を生成する。出力40は減算器28でアナログ入力22から減算され、量子化器誤差44を形成する。積分器30はこの誤差44を積分してその出力42で時間的に積分された量子化器誤差を形成する。ループの負のフィードバックは、変調器出力24での符号化された信号の表現の平均値が源22からの平均アナログ入力を追従するように、時間的に積分された量子化器誤差を最小にするように作用する。
デシメータ/ローパスフィルタ50は、変調器の粗い量子化によって生成されたノイズを除去し、ビットストリーム24を処理してその出力52でより低いレート(たとえばナイキストレート)での入力信号22のより細かい概算を生成する。上述の引用文献で述べられているように、オーバサンプリング変調器は、単純で比較的許容範囲の広いアナログ構成要素を用いることができ、最新の超大型集積回路(VLSI)技術でのその実現を容易にしている。
この発明は、基本的なデルタ−シグマ変調器の原理がアナログ信号入力のアレイを処理するためのタイムマルチプレクスされるシステムで利用できるという認識に基づいている。この認識は、コスト、信頼性およびサイズの多大な利点を有する最新の集積回路技術で実現できるビデオ撮像装置等の種々の装置の実現の改良につながる。
ここで、タイムマルチプレクスされるアナログ−デジタル変調器60におけるこの発明の最初の実施例を示す図2Aに注目する。変調器60は、変調器20のフィードバックループ33に類似した構成で、NビットA/Dコンバータ62、NビットD/Aコンバータ64および減算器66を含む。しかしながら、変調器60の積分器はアナログメモリ70、デマルチプレクサ72、マルチプレクサ74および加算器76を含む2次フィードバックループ68を含み、これらが併わせてサンプリングデータ積分器を形成する。
複数のアナログ信号80は、チャネル選択およびタイミング回路84のコマンドの下に入力マルチプレクサ82を介して減算器66にタイムマルチプレクスされる。チャネル選択およびタイミング84は、デマルチプレクサ72およびマルチプレクサ74に、各入力信号80についてメモリ70内の対応する記憶位置(たとえば信号80aは対応する記憶位置70aを有する)にアクセスするように命令できる。変調器20に類似した態様で、変調器60の出力はデシメータ/ローパスフィルタ86を介して処理される。
変調器60の概念は、図2Aと図2Bの変調器タイミング図とを参照して説明できる。図2Aに示されるチャネル選択ライン90を介して、チャネル選択およびタイミング84は、繰返す時間シーケンスで、入力マルチプレクサ82に信号80a、80b…および80mを減算器66に送るように、かつ対応する時間シーケンスでデマルチプレクサ72およびマルチプレクサ74にメモリ位置70a、70b…および70mにアクセスするように命令できる。チャネル選択シーケンスは、図2Bのハイのチャネル選択信号状況92a、92b…および92mによって示される。
ハイの信号状況92aの第1の部分の間に、チャネル選択およびタイミング84は、読出ライン94を介して、現在メモリ位置70aにストアされているアナログ残余(図1の変調器20の積分された量子化器誤差)がマルチプレクサ74を介して加算器76およびA/Dコンバータ62に読出されるように命令する。A/Dコンバータ62およびD/Aコンバータ64は、この現在の残余の量子化された推定値を減算器66に置き、デジタル的に符号化された表現をデシメータ86の入力95に置く。現在の推定値は、減算器66で入力信号80aの現在の値からの差を求められて(減算されて)、現在の誤差を形成し、これが加算器76で現在の残余と加算されて新しいアナログ残余を形成する。
ハイの信号状況92aの残りの部分の間、チャネル選択およびタイミング84は、書込ライン96を介してデマルチプレクサ72に新しいアナログ残余をメモリ位置70aに書込むように命令する。図2Bのタイミング図において、ハイのチャネル選択信号状況92aの読出および書込時間部分は、図2Aにおいて読出ライン94および書込ライン96に現れる読出/書込選択信号のハイ97およびロー98状況によって示される。新しいアナログ残余を形成して書込むためのこのプロセスは、図1の変調器20の粗い推定減算および積分に類似している。
メモリ70からの現在ストアされている残余の読出および新しい残余のメモリ70への書込みを含むこの処理は、他の入力信号80の各々についてその対応するハイチャネル選択状況92b…92mの間に繰返され、その後シーケンスが繰返される。したがって、各入力信号について、変調は結果として現在のアナログ残余が新しいアナログ残余に代えられ、量子化器誤差積分の履歴をそのまま維持する。これによって、複数のアナログ入力信号80のタイムマルチプレクスされてオーバサンプリングされるアナログ−デジタル変調が可能になる。
図2Bは図2Aの変調器60の一般的な残余読出/書込タイミング関係を示し、変調器60によって各入力信号80に充てられる接続時間または順序を、図示される特定のシーケンスに制限するように意図されるものではないことを理解されたい。
上述の引用文献で述べられるように、オーバサンプリングされる変調理論は、NビットA/Dコンバータ62およびD/Aコンバータ64の値Nを高い数で選択すると所与のオーバサンプリングレートでの変調器60によって達成される信号対ノイズ比(つまり解像度のビット数)が増大することを示す。逆に、この値を低い数(たとえば1)に選択すると、変調器60の構造が簡略化される。
図3Aおよび3Bはそれぞれ、この発明に従う、ビデオカメラ等の光学撮像装置100の焦点面101と一致して設けられるように意図される別の好ましい実施例のブロック図および概略図である。図2Aの変調器60とは対照的に、撮像装置100は感光性(可視、赤外および紫外を含む)画像コレクションアレイ102によって発生されたそのアナログ入力信号を有する。インターライン転送アレイ104は、これらの信号をマルチプレクスし、残余記憶アレイ108のカラムと関連する変調器106に転送する。(図示を明瞭にするために、図3Bの変調器106は図3Aの単一変調器106′として図示されている)。
図3Bの実施例において、インターライン転送アレイ104は、図2Aのマルチプレクサ82のm対1マルチプレクス機能を実行するように機能する。残余記憶アレイ108も同様にデマルチプレクサ72の1対mデマルチプレクス機能およびマルチプレクサ74のm対1マルチプレクス機能を実行する。より特定的には、アレイ102、104および108は各々1ないしxカラム(アレイ102、104に関しては焦点面101の上部に、およびアレイ108のカラムに沿って示される)と各カラム内のm要素、すなわちmロウとが直交した関係で配置される。変調器106は、転送アレイ104の各カラムと残余記憶アレイ108の関連したカラムとの間に配置される。
変調器106を介する電荷の流れを簡単にするために、各変調器の加算器110および減算器112は、図2Aの変調器60のそれらの対応する位置から移されている(数学的に等価な動作)。さらに、メモリ108のカラムは変調器60のように変調器フィードバックループのフィードフォワードレッグではなくフィードバックレッグに配置され、別個の記憶ウェル109が各変調器と関連付けられる。
アレイ102、104、および108ならびに記憶ウェル109は、好ましくは電荷制御素子(CCD)構造に製造される。このような構造、およびそのCCDウェルに沿って電荷を動かす方法は、撮像装置の分野では周知である。撮像装置100において変調された信号は、コレクションアレイ102によって焦点面101の画素(ピクセル)に関して集められた電荷電位である。コレクションアレイ102は、感光性コレクションウェル122(コレクションの文字Cによっても示される)を含み、各々が異なるピクセルと関連付けられる。各CCDコレクションウェル122のシリコンゲート表面に現れるフォトンは、ゲート下の半導体基板におけるデプレションウェルで集められた信号電荷を発生する。
これらの光誘起された電荷は予め定められた光学フレーム時間期間(たとえば典型的なテレビシステムでは1秒の1/30)にわたってコレクションウェル122に集められ、その後電荷の各カラムは隣接する転送カラムの転送ウェル128a、128b、…128mにパラレルシフトされる。各転送カラムを形成するCCDレジスタは集められた電荷電位をシリアルに下に変調器106へと転送する。インターライン転送アレイ104およびコレクションアレイ102のカラムは、その間での電荷のパラレルな転送を容易にするように介挿された関係で配置される。ピクセル選択およびタイミング回路138は、変調器106における変調に要求されるようにアレイ102、104および108のCCD構造に沿った電荷の流れを制御し、焦点面101からのビットストリームのエレメントのピクセル識別のためにデシメータ/ローパスフィルタ140にタイミングを与える。
記憶ウェル109および関連する記憶アレイカラム156に接続される変調器スイッチ135、136が図3Bの位置135′、136′にあるとき、転送アレイ104のカラム128からの電荷電位は、残余記憶アレイ108の関連するカラム156の出力記憶エレメント156mからの対応する現在の残余値とともに加算器110にシーケンシャルに与えられ得る。加算された電荷はA/Dコンバータ144およびD/Aコンバータ146によって形成されるアナログ量子化器において量子化され、結果として生じる推定値は加算された電荷から減算器112において差を求められて、新しい残余を形成し、これは残余記憶アレイ108のカラム156の入力記憶エレメント156aに移される。量子化が行なわれたとき、A/Dコンバータ144は推定値をデジタル的に符号化し、焦点面101からデシメータ140に転送されるようにそれをCCDレジスタ145に置いた。
転送アレイ104のカラム128からのm個の電荷電位すべてが対応する変調器106を介してシーケンシャルに処理された後、新しい残余値は、そこから電荷が転送された転送アレイカラム128のウェルに対応する残余記憶アレイカラム156のCCDウェルにあることが明らかである。最も最近のフレーム期間の間にコレクションアレイ102において集められた電荷電位は、別の変調サイクルを始めるように転送アレイ104を介して変調器106へともう転送されていてもよい。
上述の変調サイクルの代替例として、転送アレイ104のカラム128からの各電荷電位が、記憶アレイ108の対応するカラム156から現在の残余とともに、対応する変調器106に与えられた後、スイッチ135、136は図3C(変調器106の1つおよび関連する残余記憶アレイカラムの概略)の位置135″、136″に置かれ得る。各電荷電位が加算器110に与えられたままである一方で、これは変調器を介して複数回変調され得て、その度ごとに加算器110に記憶ウェル109から現在の残余値を読出し、結果として生じる新しい残余を減算器112から記憶ウェル109に書込む。その後、この処理の最終残余が残余記憶アレイカラム156に置かれ得て、その際スイッチは図3Aの位置135′、136′にあり、これは次の現在の残余を記憶アレイカラム156から加算器110にシフトする。同時に転送アレイ104からの次の電荷電位が変調器106に与えられ、スイッチは位置135″、136″に戻り、プロセスを繰返す。
これは、転送アレイ104のカラム128からの各電荷電位が複数回変調され、かつその最終残余が残余記憶アレイ108のカラム156の対応するウェルにストアされるまで続く。この態様で、より高いオーバサンプリングレートが達成されて電荷電位のデジタル表現の解像度を増す。
変調をコレクションアレイ102のフレーム期間に依存せずにピクセル電荷電位に関連することを可能にする上述のプロセスは、図3Dのタイミング図で簡単に視覚化することができ、これは図3B、図3Cとともに特定の電荷電位変調例を示す。図3Dにおいて、ピクセル選択ハイ信号状況150m、150m−1、…150aは、フレーム期間の終わりに転送アレイウェル128m、128m−1、…128aにコレクションアレイ102からパラレルシフトされた電荷電位の各々が加算器110に与えられる時間を示す。
スイッチ135、136のコマンド信号の信号状態152、153はそれぞれ、図3Cのスイッチの位置135″、136″および図3Bのスイッチの位置135′、136′が確立される時間を示している。さらに、読取/書込コマンドのハイの信号状態154およびローの信号状態155はそれぞれ、(記憶ウェル109または関連する記憶アレイカラム156からの)スイッチ136を介する加算器110への現在の残余の読取り、および減算器112からのスイッチ135を介する(記憶ウェル109または関連するカラム156への)新しい残余の書込みを示している。
最初は転送ウェル128mにあった電荷電位が加算器110に与えられ(ハイの信号状態150m)、残余記憶アレイのウェル156mにストアされた残余が加算器110に書込まれると(読取信号154)、スイッチ135、136はそれぞれ位置135′、136′から位置135″、136″に移動し、新しい残余が記憶セル109に書込まれる(書込信号155)。
この例では、その後に残余の読取りおよび書込みのサイクルがさらに3回続く。これらのサイクルの最後の書込コマンド(書込信号155′)の前に、スイッチコマンドは、最後の残余が記憶ウェル156aにストアされるように、スイッチを図3Bの135′、136′の位置に配置する状態153に移る。読取コマンド154′が終了し、これにより今述べたような変調サイクルのために記憶カラム156のその次の残余(最初はウェルm−1にあった)を加算器110に配置するまで、スイッチコマンドは状態153のままである。
図3Dのハイの信号状態150のシーケンスが続くと、ハイのピクセル選択信号150aの終了時に、フレーム期間の終わりにコレクションアレイカラムから転送アレイカラム128にシフトされた電荷電位の各々は、残余記憶アレイカラム156からのその対応する残余から始まり最後の残余が記憶アレイカラム156の対応するウェルに戻される4つの変調サイクルを循環することが明らかであるはずである。
変調器106がアレイ102、104の1つのカラムに当てられる図3Bの構成は本発明の一実施例であって、多数の均等な構成を考案することができる(たとえば、いくつかのCCDアレイカラムを1つの変調器に結合することができる)。撮像装置100の回路を単純化するために、A/Dコンバータ144およびD/Aコンバータ146を1ビットコンバータとして構成してもよい。
焦点面161上に構成される別の好ましい光学撮像装置の実施例160は、図4Aにブロック図で、図4Bに概略図で示されている。撮像装置160は、インターライン積分アレイ162が撮像装置100のインターライン転送アレイ104、記憶アレイ108、記憶ウェル109および加算器110とそれぞれ関連する転送機能、記憶機能、および積分機能を果たすという点において主に撮像装置100と異なっている。
撮像装置100と同様の態様で、インターライン積分アレイ162および感光性コレクションアレイ164は、x個のカラムの各々におけるm個のエレメントと直交して配列される。しかしながら、撮像装置160では、積分ウェル166の電荷は別の位置に送られるのではなく、その電荷に変調サイクルが行なわれ、結果として得られる新しい残余が、関連する積分ウェルに戻される。
したがって、連続するフレーム期間が終わりごとに、コレクションウェル168からの電荷は、空の転送ウェルからシフトされるのではなく対応する積分ウェル166の既存の電荷に加えられる。したがって、積分アレイ162は、変調残余の記憶装置としてだけではなく変調積分器としての役割をも果たす。
コレクションアレイ164および積分アレイ162のカラムは変調サイクルを介する積分アレイ162の電荷の循環を促進するために対によってインタリーブされる。したがって、図4Bからわかるように、電荷は矢印170によって示されるように2つの積分カラム169の頂部を横切り、底部にある変調器の残りを介して送られることができる。したがって、撮像装置160では、積分カラム169の対の各々と、NビットA/Dコンバータ174、NビットD/Aコンバータ176および減算器178を含む関連する変調器部分172とが、変調器の各々を形成する(明瞭に図示するために図4Aのブロック図には変調部分172′1つしか示していない)。
関連する対の積分アレイカラム169の積分された電荷が変調器部分172を介して処理されると、その電荷はそれぞれNビットA/Dコンバータ174およびNビットD/Aコンバータ176において量子化され、推定値が形成され、この推定値と減算器178において最初の電荷との差が求められ、新しい残余が形成され、この残余が関連する積分ウェルに戻される。感光性CCDウェル168から集められた電荷がそれぞれ対応する積分ウェル166における残余と加算される連続するフレーム期間の終わりごとにこの処理は継続され、新しい残余を形成しかつそれをストアするために変調が繰返される。1対の積分カラム169のすべての残余の変調は、フレーム期間ごとに1回、またはアナログ−デジタル変換プロセスの解像度を向上させるためにはフレーム期間ごとに複数回終了し得る。必要なのは、電荷がコレクションアレイ164からシフトされる前に新しい残余がその対応する積分ウェル166に戻されることだけである。
撮像装置100に関して上で述べたように、A/Dコンバータ174およびD/Aコンバータ176のビット数を所与のオーバサンプリングレートに関する信号対ノイズ比を向上させるために増加してもよく、または構造をより単純にするために減らしてもよい。ピクセル選択/タイミングエレクトロニクス180は、電荷をそのCCD構造に沿って移動させるためのインターライン積分アレイ162にタイミング信号を与え、かつ焦点面161からのビットストリームのエレメントを識別するためのデシメータ/ローパスフィルタ182にタイミング信号を与える。A/Dコンバータ174からの変調されたビットストリームは、CCDレジスタ184によって焦点面161のエッジに送られる。
焦点面201における別の好ましい撮像装置の実施例200は、図5に概略的に示されている。撮像装置200は、フレーム転送/積分アレイ202が、図4Bのインターライン積分アレイ162の場合のようにコレクションアレイとインタリーブされるのではなく、コレクションアレイ204から間隔が開けられているという点において撮像装置160と異なる。変調サイクルの間に電荷がカラム206にわたって通過するのを促進するために、フレーム転送/積分アレイ202のカラム206の各々は、その一方の端部が加算器208を介して関連するコレクションカラム210に折り重ねられ接続される。
フレーム/転送アレイ202のウェルの現在の残余は循環され、フレーム期間の終わりごとにコレクションアレイ204から下方向にシフトされる対応する電荷と積分され、変調サイクルの間に、折り重ねられたカラムにわたって通過するたびに新しい残余に変調される。アナログ−デジタルコンバータ212からの符号化されたビットストリームは、CCDレジスタ214を介して焦点面201のエッジに送られ、その後デシメータ/ローパスフィルタ216に送られる。
撮像装置200の焦点面201はまた、アレイ204にフォーカスされる画像に関連する他の信号入力を集めるための非感光性CCDウェル222のカラム220を有する(たとえば、マルチチャネルオーディオ、光強度制御)。これらの信号は、変調され、コレクションアレイ204の感光性ウェルからの変調とともにCCD出力レジスタ214にマルチプレクスされる。
これにより、焦点面201は、焦点面201に入射するエネルギパターンに応答するアナログ信号収集装置の構造を含み、撮像装置200によってエネルギパターンがそれを表わすマルチプレクスされたビットストリームに変調される。エネルギ検出機構は、焦点面にフォーカスされる画像を受取るための感光性装置と、画像に関連する信号を受取るためのアナログ信号検出装置との組合せによって規定される。
図6は、本発明に従った(たとえば、光学撮像装置の実施例100、160、200)撮像装置264からのビットストリーム262によって表わされる画像がディスプレイ266においてモニタされる光学撮像装置/モニタシステム260をブロック図で示している。ディスプレイ266は、オンまたはオフに駆動でき(たとえば、エレクトロ−イルミネッセンス、液晶)かつ撮像装置264の焦点スクリーンの画素に従って配列される可視ディスプレイエレメントを有する如何なるディスプレイであってもよい。
ピクセルドライバ268はビットストリーム262をデコードし(撮像装置264における符号化と反対のプロセスである)、ディスプレイ266のディスプレイエレメントのタイプに適切な対応する信号270を与える。クロック272、ロウ選択回路274およびカラム選択回路276は、撮像装置264の焦点面の画素の電荷電位がビットストリーム262にマルチプレクスされた態様に従って、信号270をディスプレイ266のディスプレイエレメントにデマルチプレクスする。
各々のディスプレイエレメントの平均輝度は、ピクセルの各々に関する撮像装置のデジタル出力信号のオンおよびオフの持続時間の平均である。人間の目では60ヘルツを上回る速さで変化する如何なるものも完全なものとして認識することができるため、(撮像装置264が60ヘルツを上回る変調速度で動作していると考えると)変調されたディスプレイエレメントは一定のレベルであるようにみえる。ビットストリーム262は、撮像装置264の焦点面の画素ごとの光の強度の独自のアナログスペクトルを含む。ナイキストサンプル間隔にわたるディスプレイエレメントの平均パルス密度は、サンプリングの解像度内の撮像装置264の焦点面の対応の画素における平均光強度と同じである。同様の態様で、後にディスプレイモニタに適用するためにビットストリーム262を磁気テープに記録することができるであろう。
所与のサンプリングレートに関して信号対ノイズ比を向上させる(ビット数の解像度を向上させる)ために、本発明の教示を上述の引用例に記載されるより高次の変調フィードバックループに拡張してもよい。しかしながら、より高次のループを用いると回路がより複雑となる。
これらのループの使用法を示している本発明の一実施例は、図7のマルチプレクスされたアナログ−デジタル変調器300のブロック図に示されている。図2Aおよび図2Bの変調器60と比較すると、変調器300は、量子化器の推定値がD/Aコンバータ304から減算器306にフィードバックされる第2のフィードバックループ302を有する。デマルチプレクサ310、メモリ312およびマルチプレクサ314は、ローカルフィードバックを加算器316に結合するこの第2のループのフィードフォワードレッグに配置される。タイミングの目的のために、第1のフィードバックループのデマルチプレクサ、メモリおよびマルチプレクサはフィードバックレッグに配置されている。
光学撮像装置100の実施例の上述の説明では、アレイ102、104、108および記憶ウェル109は好ましくは電荷制御素子(CCD)構造で製造されると述べた。次に、他の集積回路技術ではマルチプレクスされオーバサンプリングされたアナログ−デジタル変調の実施例が実現され得ることを示す。
図8は、撮像技術において典型的には焦点面アナログ読出として用いられるシステム400の概略図である。このシステムでは、積分/ダンプ回路402aは、キャパシタ406のバッファ処理されたソース404aからの光学信号を蓄積する。キャパシタ406にわたって発生した電圧は、FETソースフォロワ408のゲートに与えられる。
ソースフォロワ408は、FETのゲート412に与えられるサンプリング信号410およびバス414にマルチプレクスされるサンプリングされた電圧に応答して周期的にサンプリングされる。その後キャパシタ406は、その次の電荷およびサンプルサイクルのためにキャパシタ406をクリアするリセット信号415をFET416に与えることによって放電される。キャパシタ406がその次の電荷を蓄積している間に、他の信号源、たとえばソース404mがサンプリングされかつバス414にマルチプレクスされる。したがって、システム400は焦点面からマルチプレクスされたアナログ出力418を生成する。
図8の焦点面読出装置等のマルチプレクスされたアナログサンプリング回路を、本発明に従って、図9のブロック図に示されるマルチプレクスされオーバサンプリングされたアナログ−デジタル変調器450と置換えることが可能である。変調器450では、アナログ信号452aは、加算器456においてそれ自身と加算されるべき遅延454を介して信号をフィードバックすることによって積分される。積分された信号(現在の残余)は、読取信号465に応答してゲート464を介してバス462にその積分された信号を配置することによって周期的にNビットA/D460にマルチプレクスされる。NビットA/D460は、積分された信号を表わすデジタルビットストリーム出力468を生成し、NビットD/A470はフリップフロップ469で捕らえたビットストリーム468に応答してその量子化された推定値をバス472に置く。
量子化された推定値は、減算器482で、現在の残余から減算されるべき書込信号480によってゲート478を介してクロック処理され、アナログ信号452aの現在の値と加算され、加算器456の出力において新しいアナログ残余を形成する。積分、減算およびゲーティング機能は、他のアナログ信号の各々のために設けられる回路490、たとえばアナログ信号452mのための回路490mを含む。これらの回路490の各々は、回路490aに関して上で述べたようにバス462、472にタイムマルチプレクスされる。
したがって、アナログ信号452の各々に関して、回路490は、NビットA/Dの出力においてそれを表わすビットストリーム468を生成しかつ加算器456からの更新された残余値を生成する変調のために、NビットA/D460およびNビットD/A470を含むフィードバックループに周期的に接続される。
図9のマルチプレクスされオーバサンプリングされたアナログ−デジタル変調器は、たとえば、電荷変調装置(CMD)、バルクチャージ変調装置(BCMD)、ベース記憶画像センサ(BASIS)、静電誘導トランジスタ(SIT)、横(lateral)APS、縦(vertical)APS、ダブルゲートフローティングサーフィストランジスタ等の種々の集積回路技術において実現され得る。相補型金属酸化物半導体(CMOS)技術およびCCD/トランジスタ混合技術において実現するための特定の実施例は図10および図11にそれぞれ示されている。
図10Aは、NビットA/D504およびNビットD/A506を含むフィードバックループにマルチプレクスされる複数の積分/減算/ゲーティング回路502a〜502mを有するマルチプレクスされオーバサンプリングされたアナログ/デジタル変換システム500を示している。図10Aに加えて、システム500に関する以下の説明は図10Bのタイミング図を参照している。回路502aにおいて、アナログ信号508aは、ソースフォロワ512によってバッファ処理される積分キャパシタ510に集められる。チャネル選択信号a〜mは、回路502に連続的に与えられる。チャネルa選択期間の第1の部分の間、読取a信号514はハイになり、FET516を切換えて回路502aをバス518を介してNビットA/D504に接続する。
したがって、NビットA/D504は、キャパシタ510における電荷(現在のアナログ残余)を表わすビットストリームを出力522に配置する。フリップフロップ505によって捕らえられたビットストリームに応答して、NビットA/D506は、電圧Vest(量子化された推定値)をバス520に配置し、これにより減算キャパシタ524の下方の端部でこの電圧Vestが利用可能となる。減算キャパシタ524は、FET525によって積分キャパシタ510に接続される。
チャネルa選択期間の最後の部分で、書込a信号526はハイになり、これにより基準電圧VrefはFET525のゲートに配置される。その結果、量(Vest−Vref)/C(ここで、Cはキャパシタ524のキャパシタンスである)に等しい電荷が積分キャパシタ510から減算される(ここで、FET525はゲートとソースとの間に電圧降下がない理想的なトランジスタであると仮定する)。パルス526を書込む前に、短く明瞭なパルス528が、減算キャパシタ524と並列であるゲート532に配置される。これにより、減算キャパシタ524からすべての電荷が取除かれ、それを書込パルスのために準備する。
書込a信号526および読取a信号514がともにローであれば、アナログ信号508aは再びキャパシタ510において積分される。これにより、現在のアナログ残余の量子化された推定値が減算され、現在のアナログ信号が加えられ、キャパシタ510に新しいアナログ残余がストアされる。同様に、他のアナログ信号508mの各々がNビットA/D504およびNビットD/Aコンバータ506にマルチプレクスされる。図10A、図10Bにおいて、明瞭な信号528が書込信号526の各々が発生する前にハイとなるように、この明瞭な信号528は各々の回路502に共通であると仮定する。
図11Aは、マルチプレクスされオーバサンプリングされるアナログ−デジタル変調モードにおいて複数のセンサ回路602を組合せる活性ピクセルセンサ(APS)600を示している。実施例600は、CCD積分および減算をCMOSサンプリング、読取およびマルチプレクシングと組合せている。
代表的なセンサ回路602aでは、画像光線604によって生成されるアナログ信号は、充電サイクルの間にフォトゲート607および608の下のCCDウェル605および606において積分される。これらのウェルは、破線で示される電位609によって規定される。これらの2つのウェルの積分された電荷はその後転送ゲート610、611を介して送られ、加算されてCCDウェル612に送られ、このCCDウェル612から、加算された電荷に比例する電圧が感知ゲート614およびソースフォロワ615を介して利用可能である(FET617のゲートを介して与えられるタイミングプリチャージ616はウェル612を作り出すために必要である)。周期的に、この電圧はマルチプレクスされ、FET620に与えられる読取コマンドによってバス618を介してNビットA/D619に送られる。
図10Aのシステム500と同様に、NビットA/D619は、加算された電荷を表わすビットストリームを出力626に配置する。NビットD/A622は、フリップフロップ627で捕らえられたデジタル出力626に応答して、電圧Vestをバス628上に置き、CCDウェル612において加算された電荷からの量子化された推定値の減算を可能にする。
この減算を行なうために、CCDウェル605、606は、センサ回路602aのCCD構造の平面図である図11Bに示されるポテンシャル障壁630によって分割される。ポテンシャル障壁630の高さは、電圧Vestに比例する。信号はまた転送ゲート610、611に与えられ、この転送ゲート610.611はCCDウェル612における加算された電荷をCCDウェル605に流れさせ、ポテンシャル障壁にわたって流れる余分な電荷をCCDウェル606に流れさせる。0でないデジタル出力の場合、CCDウェル605はその後空にされ、ドレインゲート634に与えられる信号によって拡散部632に入る。したがって、減算された(空になった)電荷は、NビットA/D622の出力電圧に比例する。
したがって、量子化された推定値が減算され、その次の積分サイクルの間に入力信号604が積分されてCCDウェル605、606に送られ、新しい残余電荷が形成される。上述のようなウェル605、606および612の形成とそれらのウェル間の電荷の移動はCCD技術分野において周知である。
上述の説明から、マルチプレクスされオーサンプリングされたアナログ/デジタル交換に関する実施例は、ここでは、アナログ入力信号のアレイの各々(ここで用いられるようなアレイは一般に複数のもののことを指し、より特定的には、具体的にいうと、物理的な関係で配列される複数のもの、たとえば図3Aのアレイ102、104および108のような直交して配列される複数のもののことを指す)のための変調積分の履歴をそのまま維持するための手段を用いるものとして開示されていることが認識されるべきである。
説明された実施例はCCD、CID、FET、電荷ウェル等を含むさまざまな回路実現例を用いて実現され得る。したがって、以下の実施例は例示的な実現例であると意図され、この発明は示される特定の回路実現例に制限されない。
図12Aは、光学撮像装置700として用いられるデルタ−シグマ変調器の好ましい実施例のブロック図を示す。光学撮像装置700は、ピクセルセンサ信号702を各々発生する複数個のエネルギ収集エレメント(図示せず)と、別個の各エネルギ収集エレメントに対応する各ピクセルセンサ信号702を処理するための複数個のピクセル処理装置704と、各ピクセル処理装置704からの信号を連続的に処理するための変換論理706の共通ブロックとを含む。エネルギ収集エレメントは、焦点面に入射するエネルギパターンに対応するピクセルセンサ信号702a−702mを発生するために、たとえば直交して配列されたアレイとして形成される。
撮像装置の実施例700では、別個のピクセル処理装置、たとえば704aが各エネルギ収集エレメントと関連づけられ、関連のピクセルセンサ信号、たとえば702aを受信する。各ピクセル処理装置704は変換論理706の共通ブロックを時分割して、上述されたような、単一積分ループを各々有する複数個のデルタ−シグマ変調器を形成する。この時分割態様で積分ループを形成することによって、各ピクセル処理装置704がたとえば単一チップまたはハイブリッドとしてエネルギ収集エレメントの近くに装着されることができ、こうして撮像装置700のコストおよびサイズを最小にする。
共通のサンプリングバス708がピクセル処理装置704の各々からのサンプリングされた信号を周期的に受信し、変換論理706による処理の後、1ビットデジタル信号を共通の変換信号バス710に戻す。付加的に、変換論理706は入射するエネルギパターンを表わす2進出力ビットストリーム712を発生する。上述されたように、各サンプルの解像度、すなわち、各ピクセルセンサ信号702に関連したビットの数は変換論理706における信号をタイミングすることによって決定されるようなオーバサンプリングの量の関数である。
各ピクセル処理装置704は積分器714、サンプラ716および残余シンク718から主としてなる。各ピクセル処理装置704は共通バス708、710を介して変換論理706の単一ブロックと通信する。変換論理706は主として1ビットA/D記憶エレメント720、NビットA/Dコンバータ722、デシメータ724、ならびにチャネル選択およびタイミングエレメント726からなる。
周期的に、受信されたアナログピクセルセンサ信号702aは(図12Bに示されるようなチャネル選択およびタイミングエレメント726によって発生される書込信号W1の制御のもと)残余シンク718によって調節されて残余信号を発生する。この残余信号は積分器714によって連続的に積分されて積分された残余信号728を形成する。チャネル選択およびタイミングエレメント726によって発生された選択信号S1(図12Bを参照)の制御のもと、サンプラ716は積分された残余信号728とアナログ信号とを周期的に共通のサンプリングバス708を介して1ビットA/D記憶エレメント720にわたす。次に、チャネル選択およびタイミングエレメント726の制御のもと、1ビットA/D記憶エレメント720は共通のサンプリングバス708からのサンプリングされた積分された残余信号を予め定められたしきい値と比較し、単一ビットデジタル信号を発生する。この信号は次に残余シンク718への共通のコンバータ信号バス710上でラッチされ、与えられる。残余シンク718はチャネル選択およびタイミングエレメント726から発生したクリア信号(図12Bを参照)によって既知の状態に周期的にクリアされる。その後、共通のコンバータ信号バス710上のデジタル信号と周期的書込信号W1とが所与のピクセルセンサ信号702に対して(残余シンク718のANDゲートによって表わされるように)一致するときは必ず、ある量の電荷が積分器714に蓄積されている残余値から残余シンク経路730を介して残余シンク718によって除去される。
1ビットA/D記憶エレメント720によるサンプリングと本質的に同時に、NビットA/Dコンバータ722は共通のサンプリングバス708上のアナログ信号をサンプリングする。次に、NビットA/Dコンバータ722はデシメータ724に与えられるNビットデジタル出力732を発生する。処理の後、デシメータ724は、2進出力ビットストリーム712を発生する。
チャネル選択およびタイミングエレメント726の制御のもと、各ピクセル処理装置、すなわち、704a−704mに含まれる残余が1ビットA/D記憶エレメント720の出力に従って周期的にサンプリングされ、更新される。したがって、各々が1つのピクセルセンサ信号702a−702mに対応する複数個の積分ループが変換論理706の共有されるブロックを用いて形成され、結果として生じる2進出力ビットストリーム712はすべてのピクセルセンサ信号、すなわち702a−702mを表わす。
エレメント720は1ビットA/Dコンバータ記憶エレメントと称されている。しかしながら、1ビットA/Dコンバータは比較器とも説明されることができ、かつ記憶機能がフリップフロップ等で行なわれ得ることを認識されるべきである。また、図12Aが各サンプリングサイクルが始まる前にすべての残余シンク718a−718mをクリアする共通のクリア信号を示すが、タイミング図図12Bに示されるように、別個のクリア信号が各残余シンク718に与えられてもよい。
図12Aの実施例の等価ビット解像度は、1)オーバサンプリングレートと2)NビットA/Dコンバータ722の解像度N2との2つの係数に依存する。デルタ−シグマ変調器の当業者には周知であるように、1ビットコンバータでのオーバサンプリングは等価解像度N1ビットに増大させる。たとえば、周知の方式を用いると、16の係数によるオーバサンプリングが6ビットの解像度、すなわちN1=6を発生する。このデルタ−シグマ変調器の全体の解像度はオーバサンプリング解像度とNビットA/Dコンバータ722の解像度との和であり、すなわちN1+N2である。たとえば、16の係数によってオーバサンプリングされる積分ループで用いられる6ビットA/Dコンバータは12ビットの解像度を生じる。したがって、相対的に高い精度のコンバータが相対的に低い精度のコンポーネントから形成できる。
図13は、FET回路を用いる図12Aの光学撮像装置700の例示的実施例を示す。この図では、概略図がこれまでに説明されたエレメント、特定的には積分器714、残余シンク718、サンプラ716、および1ビットA/D記憶エレメント720のために示される。当業者はこの回路がこれまでに規定された機能をいかに行なうのか理解しているので、短い説明が各回路ブロックに対して行なわれるだけである。
積分器714は好ましくはフィードバックループに積分キャパシタC1を有するトランス−インピーダンス増幅器734から形成される。基準電圧VRが既知のバイアスをピクセルセンサ信号702の信号ソースに与えるために選択される。残余値に対応するノード736がトランスインピーダンス増幅器734への入力で形成され、トランスインピーダンス増幅器734では、ピクセルセンサ信号702からの入力と、積分キャパシタC1の第1の端部と、残余シンク経路730が合う。
残余シンク718は、これまでに説明されたAND機能を行なう二重ゲートFET738、すなわち、直列の2つのFETからなり、両方のゲートG1およびG2は残余シンク718を能動化するために能動化されなければならない。残余シンク718が能動化されると、残余値ノード736からの電荷が予め定められた大きさのC2と電圧V1とによって調整されるようにキャパシタC2へと流れ込む。上述のように、残余シンク718はクリア信号の制御のもとで周期的にクリアされる。図13に示されるように、この機能は、クリア信号を与えられるとキャパシタC2の電荷をシャントするクリアFET740で達成される。
サンプラ716はサンプリングFET742で形成される。サンプリングFET742は、サンプリング信号、たとえばS1が能動化されるときは必ず、積分された残余信号728をトランスインピーダンス増幅器734から共通のサンプリングバス708へとわたす。
1ビットA/D記憶エレメント720は比較器744およびフリップフロップ746からなる。サンプリング信号S1が能動化されるとき、積分された残余信号728を表わす、共通のサンプリングバス708上の信号はしきい値VCと比較される。この比較は、チャネル選択およびタイミングエレメント726の制御のもとでフリップフロップ746によってサンプリングされる単一ビットデジタル信号748を生じる。したがって、このサンプリングされた比較結果はフリップフロップ746に記憶され、フリップフロップ746の出力が共通のコンバータ信号バス710に出力される。
図14は、図12Aにこれまでに示された光学撮像装置の代替的な構成のブロック図を示す。光学撮像装置750において、1ビットA/D記憶エレメント720およびNビットA/Dコンバータ722のこれまでに説明された機能が単一NビットA/D記憶エレメント752に置換わる。この構成では、(NビットA/D記憶エレメント752または別個のフリップフロップ等によって代替的にラッチされる)Nビットデジタル出力732からのラッチされた最上位ビット(MSB)が共通のコンバータ信号バス710上のデジタル信号として用いられる。当業者は、NビットA/DコンバータからのMSB出力値が信号範囲の中央に設定されたしきい値を有する比較器の出力と本質的に等価であることを認識すべきである。あらゆる他の局面において、撮像装置750の性能および動作は撮像装置700のそれと本質的に等価である。
図15は、FET回路を用いる図14の光学撮像装置の概略図である。図15の回路は図13に示されるこれまでに説明された回路として主に作用する。相違点は、各ピクセル処理装置704を形成する図示されたものに類似したFET回路からのカウンティングA/DコンバータとしてのNビットA/D記憶エレメント752の実現に向けられる。ピクセル処理装置704を形成する回路からのカウンティングA/Dコンバータ752の主な回路上の相違点は積分キャパシタC3にかけてリセットFET754が付加された点である。リセットFET754はNビットA/D記憶エレメント752、すなわち、カウンティングA/Dコンバータのための各変換サイクルの初めで能動化される。カウントは、変換サイクルの終わりにNビット値がカウンタ758に蓄積されているように、比較器756からカウンタ758に蓄積される。上述のように、このNビット値のMSBは共通のコンバータ信号バス710に出力され、そこで関連の残余シンク718によって周期的にサンプリングされる。他の局面では、カウンティングA/Dコンバータ752の動作は当業者には馴染み深いはずである。
カウンティングA/Dコンバータ752の解像度はカウンタ758がフルスケールのアナログ入力に対応するフルスケールデジタル値に達するのに必要なカウント数、たとえばクロックパルスに依存する。たとえば、64カウントがフルスケール値に相当するならば、6ビットの解像度が達成される(N=6である場合2N=64)。このように、多数のクロックまたはサンプルがピクセル処理装置704の各調節に続いてカウンティングA/Dコンバータ752内に存在する。したがって、図示される概略図では、64サンプルが、残余シンク718を用いる残余の各調節に引続いて、S1の制御のもと、カウンティングA/D752に与えられる。上述のように、このデルタ−シグマコンバータの解像度はこれまでにN2と称されたこの解像度と、これまでにN1と称されたオーバサンプリングから生じる解像度との和によって決定される。
図16は、FET回路と用いる第2の積分ループを有した代替的な光学撮像装置の実施例760の概略図である。具体的に、選択されたオーバサンプリングレートを動作する第2の積分ループを用いたデルタ−シグマ変調器の場合、より高い精度のデジタル値が各アナログ入力ごとに決定され得る。
図16に示される実施例の多くが図13を参照して既に説明されたものに非常に似通っている。しかしながら、この実施例では、第2の積分ループ処理装置762が、第1の積分ループ処理装置764、すなわち、図13のピクセル処理装置の出力で動作するように付加されている。この実施例では、第1および第2の積分ループ処理装置764、762の両方が時分割で上述されたような共通のサンプリングバス708および共通のコンバータ信号バス710を介して変換論理706の共通ブロックを共有する。
図17は、積分器772として用いられる、FETで実現されるトランスインピーダンス増幅器と、チャージウェルで実現される残余シンク774とからなる光学撮像装置770を示す。撮像装置770において、積分器772はFET776、778とFET776のまわりのフィードバックループにおいて用いられる積分キャパシタC1とからなる。動作において、このFETで実現される積分器772は上述した積分器714として動作する。
この実施例では、電荷ウェルは残余シンク774を実現するために用いられる。この実施例は各ピクセル処理装置704に対する回路の量を最小にする傾向を有すると判断されている。電荷ウェル残余シンク774は、書込信号W1が転送ゲート784に周期的に供給されるときに電荷ウェル780、782の間で電荷を転送する。転送される電荷の量は電荷ウェル780、782の大きさに依存する。書込信号W1が転送ゲート784に周期的に供給されるとき、残余値ノード736から受取られる一定量の電荷が共通のコンバータ信号バス710上のデジタルフィードバック値に従って電荷ウェル780を介して電荷ウェル782へと流れる。この構成では、上述の実施例で説明されたようなクリア信号が必要とされない。代わりに、共通の信号バス710が0値を1ビットA/D記憶エレメント720からわたすときは必ず、転送される電荷が電荷ウェル782から自動的にダンプされる。したがって、チャネル選択およびタイミングエレメント726はこの実現例で簡略化される。
図18は、フォトゲートのアレイからの入力を単一2進ビットストリームへとマルチプレクスするのに適合されたCID(電荷注入装置)構造を用いる光学撮像装置800の複数個のチャネルの1つを示す。この構成では、変換論理802の共通ブロックが単一の半導体チップ上に直交アレイとして好ましくは形成される複数個のCIDで実施されるピクセル処理装置804で共有される。変換論理802は主として単一の共通比較器806、(機能が以下にさらに説明される)リセットFET808、ならびにチャネル選択およびタイミングエレメント810からなる。
ピクセル処理装置804は主として、共通のサンプリングバス708と共通のコンバータ信号バス710とを介して変換論理802に結合された、電荷ウェルが下に形成された複数個の直列に接続されたゲートからなる。これらのゲート各々の機能は、ピクセル処理装置の各々、たとえば、804aのためにチャネル選択およびタイミングエレメント810によって発生されるタイミング信号を示す表Iと関連して説明されると最もよく理解できる。
最初に、ステップ0で、バイアス信号PG1および制御信号PG2が能動化される間、フォトゲート812、814がフォトゲート812の下の電荷ウェル816とフォトゲート814の下の電荷ウェル818とにおいて光子を収集する。蓄積期間の後、PG2がステップ1で不能化され、電荷ウェル818から蓄積された電荷を電荷ウェル816へと転送させる。超過電荷がポテンシャル障壁820で溢れてゲート824の下の読出ウェル822に入る。ゲート824は、共通の比較器806に入力される共通のサンプリングバス708に結合される。共通の比較器806は、今まで共通のサンプリングバス708上にある電圧をしきい値、たとえば接地電位と比較し、比較された値DOを共通のコンバータ信号バス710上に出力する。共通のコンバータ信号バス710は第1の転送ゲート826に直接結合される。付加的に、共通の比較器806の出力、すなわちDOは、複数個のピクセル処理装置804内でサンプリングされたフォトゲート812、814の各々によって受取られたエネルギの量を表わす2進出力ビットストリーム712を形成する。電荷ウェル816、818に初めに蓄積された電荷量に依存して、変換はステップ2(しきい値の上の蓄積された電荷)かまたはステップ2A(しきい値の下の蓄積された電荷)のいずれかを続行する。蓄積された電荷がしきい値を超えない場合、処理はステップ2A−6Aを続行し、収集された光子から電荷が蓄積するのにより多くの時間を与える。
蓄積された電荷がしきい値を超え、信号DOを発生する場合、処理はステップ3に進み、第2の転送ゲート828が信号TXで能動化される。TXおよびDOが今や能動化されているので、電荷はここで電荷ウェル816および818から基板830にダンプされ得る。この電荷ダンピングはPG2制御信号が電荷ウェル816からの電荷のダンピングを能動化するときにステップ4で始まる。電荷ダンピングはTXが不能化されるときにステップ5で終了する。こうして、電荷ウェル816の容量に等しい電荷の一定量が、蓄積した残余がしきい値を超えるときにステップ5の終了によって除去されている。読出ウェル822の電荷は、読出ウェル822がリセットされるときにポテンシャル障壁720にかけて電荷ウェル816に戻される残余である。しかしながら、ステップ2A−5Aに示されるようにしきい値を超えないならば、電荷はさらに蓄積させられる。これは第1の転送ゲート826に対する制御信号であるDOが不能化されるためである。
最終ステップ、すなわちステップ6では、リセット信号がリセットFET808に与えられて、各読出ウェル822に蓄積された電荷をウェル816に戻し、共通のサンプリングバス708をクリアする。プロセスは次のピクセル処理装置、たとえば804bに付いてステップ0を続行する。各ピクセル処理装置、すなわち804a−804mとその関連のフォトゲート812、814がサンプリングされた後、サンプリングプロセスが繰返する。したがって、出力712は、フォトゲートのアレイによって受取られるエネルギを表わす2進ビットストリームである。
本発明の教示によって、優れた画像品質かつ低コストであらゆるデジタルビデオカメラ/レコーダを製造することができるようになる。この教示により、ビデオ/音声検出において従来用いられてきたあらゆるアナログエレクトロニクスを、2進出力を有するモノリシックな焦点面上の撮像装置と置換えることができるようになる。
好ましい実現例では、本質的にノイズを排除して記録およびディスプレイするための画像、音声およびカメラ制御を検出しかつそれとデジタル方式で処理するためにCCD(電荷結合素子)エレクトロニクスを用いることができる。2進出力は、変調されたフラットパネルディスプレイを直接駆動するために用いることができ、またはラスタスキャンアナログディスプレイをインタフェースさせるために従来のフィルタ処理とともに用いることができる。種々の集積回路技術で他の好ましい実施例を実現することもできる。
ここに記載した本発明の好ましい実施例は例示的なものであって、均等な結果を生み出すために種々の変形例および変更例が可能であり、これらはすべて添付の請求の範囲の範囲内に含まれるものとする。
Claims (7)
- アナログ信号のアレイを入力して、ビットストリームを発生して出力するための装置であって、
前記アナログ信号の異なった1つを各々積分するためのm個の積分器と、
前記m個の積分された信号の各々に周期的に関連づけられ、前記積分された信号の各々が予め定められたしきい値を超えるかどうかを示す1ビット比較信号を発生するための共通の比較器と、
前記1ビット比較信号を周期的にサンプリングするためのタイミング回路と、
関連づけられた前記1ビット比較信号のサンプルに従って前記アナログ信号の各々から電荷を周期的に除去するための電荷除去回路と、
前記積分された信号の各々に関連したNビット値を周期的に発生するための共通のNビットA/Dコンバータと、
前記ビットストリームを発生するために、前記積分された信号の各々に関連した複数個の前記Nビット値を処理するためのデシメータとを含む、装置。 - 入射するエネルギの量に関連したアナログ信号を各々生成できる、前記アナログ信号のアレイを生成するためのm個のエネルギ収集エレメントをさらに含み、前記m個のエネルギ収集エレメントは焦点面の異なった区域からエネルギをそれぞれ収集するために装着される、請求項1に記載の装置。
- 前記積分器および前記電荷除去回路は前記共通の比較器と結合して第1の積分ループを形成し、前記装置はさらに、前記共通の比較器と結合して第2の積分ループを形成する第2の組の積分器と第2の組の電荷除去回路とを含む、請求項1に記載の装置。
- アナログ信号のアレイを入力して、ビットストリームを発生して出力するための装置であって、
前記アナログ信号の異なった1つを各々積分するためのm個の積分器と、
前記m個の積分された信号の各々を周期的にサンプリングするためのタイミング回路と、
前記積分された信号の各々のサンプルに関連したNビット値を周期的に発生し、ストアするための共通のNビットA/Dコンバータと、
関連した前記ストアされたNビット値の各々の最上位ビットに従って前記アナログ信号の各々から電荷を周期的に除去するための電荷除去回路と、
前記ビットストリームを発生するために、前記積分された信号の各々と
関連した複数個の前記Nビット値を処理するためのデシメータとを含む、装置。 - 入射するエネルギの量に関連したアナログ信号を各々生成できる、前記アナログ信号のアレイを生成するためのm個のエネルギ収集エレメントをさらに含み、
前記m個のエネルギ収集エレメントは焦点面の異なった区域からエネルギをそれぞれ収集するために装着される、請求項4に記載の装置。 - 前記積分器および前記電荷除去回路は前記共通のNビットA/Dコンバータと結合して第1の積分ループを形成し、前記装置はさらに、前記共通のNビットA/Dコンバータと結合して第2の積分ループを形成する第2の組の積分器と第2の組の電荷除去回路とを含む、請求項4に記載の装置。
- アナログ信号のアレイを入力して、ビットストリームを発生して出力するための方法であって、
前記アナログ信号の各々を積分するステップと、
共通の回路で前記m個の積分された信号の各々を周期的にサンプリングして、前記積分された信号の各々が予め定められたしきい値を超えるかどうかを示す1ビット比較信号を発生するステップと、
関連した前記1ビット比較信号の周期的なサンプルに従って前記アナログ信号の各々から電荷を周期的に除去するステップと、
前記ビットストリームを発生するために、共通の回路で前記m個の積分された信号の各々に周期的に関連づけられるデジタル信号をデシメータに与えるステップとを含む、方法。
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