JP4092629B2 - 半導体アナログ信号処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査方向に複数のセンサを配置し、走査と同期して時間的な遅延と加算を行うTDI(time delay and integration)型の半導体アナログ信号処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、TDI型の半導体アナログ信号処理装置に於いて、走査方向に配置するセンサ(画素)がN段、従って、TDI段数もN段にした場合、S/Nは√N倍で改善されることが知られている。
【0003】
これは、信号が単純加算されてN倍になるのに対し、雑音は位相が一致せずに電力加算され、振幅が√N倍になることに依る。
【0004】
ところで、センサに欠陥が含まれる確率は、TDI段数の増加に随伴して増加する為、欠陥センサに対する手当てが必須となり、通常、メモリなどに用いている欠陥画素非選択機能を用いることが多い。
【0005】
この欠陥画素非選択機能は、スイッチなどでセンサからの電流を遮断して信号も含めて全体が信号処理回路に入力されないようにする働きをするものであり、そのようにする理由は、通常、欠陥は過大な雑音を発生するので、電力加算を行うと、全体の雑音を支配するようになり、TDI効果を低減させてしまう為である。
【0006】
欠陥画素非選択を実施した場合、当然、信号レベルは加算画素数の如何に依って増減するから、出力信号レベルがばらつくことになる。TDIの多くは、CCD(charge coupled device)やBBD(bucket brigade device)などのアナログ遅延線で実現されるが、信号の多重化にもアナログ遅延線が多用されている。
【0007】
従来、TDI型の半導体アナログ信号処理装置に於いて、センサに欠陥が存在する場合、欠陥画素データに基づき、最終段の電荷増幅器などの増幅器を用いて検出容量を切り替え、利得を調整して出力信号レベルを揃えることが行われてきた。
【0008】
図7は従来の半導体アナログ信号処理装置を表す要部ブロック図であり、この図を参照し、240チャネル4段TDI回路を用いて毎秒30フレームで240×320画素表示を行う場合について説明する。
【0009】
図に於いて、1は入力回路、2は4段TDI回路、3は240段電荷転送型多重化回路、4はメモリ、5はタイミング・メモリ制御回路、6はゲイン可変増幅回路をそれぞれ示している。
【0010】
図から明らかであるが、この信号処理装置では、センサに接続される4段×240チャネルの960個の入力回路1が設けられ、入力回路1からの電荷を受け取ってTDIを行う240チャネルの4段TDI回路2が設けられ、4段TDI回路2からの電荷を多重化する240段電荷転送型多重化回路3が設けられ、多重化回路3の出力はゲイン可変増幅回路6で時間多重化された電圧信号出力に変換されるようになっている。
【0011】
また、メモリ4は4段×240チャネルの欠陥画素位置を記憶するメモリ、及び、240チャネルの各チャネルのゲインを記憶するメモリからなっていて、基本クロック信号、同期クロック信号、画素データ信号で駆動されるタイミング・メモリ制御回路5からの制御に依って、ゲイン可変増幅回路6に於けるゲイン制御を行うようになっている。
【0012】
この信号処理装置の場合、ビデオ信号周波数は最低でも240×320×30=2.3〔MHz〕となり、実質的には、有効走査効率などの制約を受けて3.4〔MHz〕以上になり、そして、ライン周波数は320×30÷0.7=14〔kHz〕程度となる。
【0013】
この為、出力部では、14〔kHz〕の周期で240個のゲイン・データをメモリ4から毎回読み出し、3.4〔MHz〕の速さでゲイン可変増幅回路6のゲインを切り替えなければならない。
【0014】
図8はゲイン可変増幅回路の具体例を説明する電荷増幅器の要部ブロック図であり、図に於いて、6Aは演算増幅器、6B1 〜6B3 は帰還用キャパシタ、SW1及びSW2は帰還用キャパシタの切り替えスイッチ、SWはリセット・スイッチをそれぞれ示している。尚、図8には、切り替えスイッチSW1及びSW2を切り替えた場合の帰還容量Cfに於ける容量値Cの変化を示す表を付記してある。
【0015】
演算増幅器6Aのオープン利得が充分に大きい場合、その出力電圧Vout は次式のようになる。
Vout =Qin/Cf
Qin:入力電荷量
Cf:帰還容量
【0016】
メモリ4中のゲイン・メモリから2ビットのデータでスイッチSW1及びSW2を制御することで、帰還容量Cfは、4Cから3C、2C、Cと整数倍で変えることができるので、電圧利得を1/4、1/3、1/2、1の4種類に変化させることができる。尚、実際の動作では、リセット動作及び検出容量切り替えを3.4〔MHz〕で行う。
【0017】
このように、従来の半導体アナログ信号処理装置に於いては、多重化された信号の高い周波数域(ライン周波数の多重化数倍)で利得を変更することが必要であり、TDI段数が増加すると可変すべき利得も増大するなど、回路が複雑化する旨の問題がある。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、欠陥画素データに基づいて、入力部で電荷を制御するようにし、出力部の利得を固定しても、揃った出力レベルが得られるようにして、回路構成を簡素化した半導体アナログ信号処理装置を実現しようとする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明に依る半導体アナログ信号処理装置に於いては、電荷転送型TDI回路に接続される複数の画素である入力部のそれぞれが入力制御部とスイッチで分離された複数の領域で構成された電荷蓄積部と移送制御部とからなり、欠陥画素データに基づき、欠陥画素に対応する入力制御部をオフにしてTDI回路への電荷の入力を阻止すると共に、正常画素の移送制御部及びスイッチを制御して前記欠陥画素の電荷を補う量の電荷を前記電荷転送型TDI回路に移送することが基本になっている。
【0020】
前記手段を採ることに依り、欠陥画素に起因するTDI回路に於ける信号レベルの変動を入力部で低減することができ、従って、出力部に於いて、多重化された信号の高い周波数域で利得を変更することは不要となり、その結果、回路は簡素化される。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の実施の形態を説明する為の半導体アナログ信号処理装置を表す要部ブロック図であり、図8に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0022】
図に於いて、21 ,22 ,23 ・・・・はTDI回路、111 ,112 ,113 ・・・・は分割入力回路、16はゲイン固定増幅回路、17は欠陥画素切り替え制御及び分割制御を行う為の制御ラインをそれぞれ示している。
【0023】
図示の信号処理装置の構成は、基本的に図8について説明した従来の信号処理装置と同じであるが、相違する点は、入力部が分割入力回路111 ・・・・で構成され、欠陥画素切り替え制御、及び、入力回路の分割制御が行われること、そして、出力部がゲイン固定増幅回路16で構成され、時間多重化された電圧信号を出力することである。
【0024】
従って、欠陥画素非選択に依る信号レベルの補償は入力部で行う為、出力部でのゲインを高速で切り替える必要はなく、ゲイン・データも起動時に各種データとともにメモリ4に書き込み、分割制御信号をラッチして入力部に常時供給することに依ってゲイン補償を行うことができる旨の利点があり、そして、ゲイン・データを毎ライン周期毎に読み出し、高速で切り替える必要がないことから、消費電力は低減され、スイッチング雑音の点でも有利である。
【0025】
図2は図1に見られるTDI回路及び入力部を説明する為の要部ブロック図であり、図1に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0026】
図に於いて、21Aはチャネル1に於ける1段目のTDI回路、111Aはチャネル1に於ける1段目の分割入力回路、21は入力制御部、22A,22B,22Cは電荷蓄積部、23A,23Bはスイッチ、24は移送制御部、25A及び25Bは電荷遅延加算部をそれぞれ示している。
【0027】
図では、チャネル1に於ける1段目の分割入力回路111AとTDI回路21Aとを示してあり、分割入力回路111Aは入力制御部21、電荷蓄積部22A〜22C、スイッチ23A及び23B、移送制御部24で構成され、この構成は他の段の分割入力回路、或いは、他のチャネルに於ける各段の分割入力回路についても同じであり、そして、分割入力回路111Aが接続されるTDI回路21Aは1ビット分、即ち、2段の電荷遅延加算部25A及び25Bで構成され、この構成も他のTDI回路について同様である。
【0028】
図1に見られる分割入力回路111Aでは、入力制御部21をオフにして欠陥画素からの信号成分の流入を防止することができ、そして、2個のスイッチ23A及び23Bの切り替えに依って、1、2/3、1/3の各量の電荷をTDI回路21 に入力することができる。
【0029】
ここで、簡明にする為、分割入力回路の電荷蓄積部を二等分した信号処理装置の動作について説明する。
【0030】
図3は4段の2等分分割入力回路からなる入力部及び4段TDI回路の1チャネル分を表す要部ブロック図であり、図1及び図2に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0031】
図に於いて、21A乃至21DはTDI回路21Aを構成する電荷遅延加算部、111A乃至111Dは2等分分割入力回路を示し、4段の2等分分割入力回路111A乃至111Dで1チャネル分の入力部111 が構成され、また、4段の電荷遅延加算部21A乃至21Dで1チャネル分のTDI回路21 が構成されている。
【0032】
図4は図3に示した信号処理装置の動作について説明する為の二等分分割入力回路からなる入力部を抜き出して表す要部ブロック図であり、図3に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0033】
図4(A)は、全画素が正常な場合の動作を表していて、入力制御部21は全てオンになっていて、TDI回路への電荷移送時には、スイッチ23Aをオフにし且つ移送制御部24をオンにすることで、、二等分分割入力回路の電荷蓄積部22A及び22Bに積分された電荷の半分をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1/2×4で2となる。
【0034】
図4(B)は、1画素が欠陥で3画素が正常な場合の動作を表していて、欠陥画素の入力制御部はオフにして電荷の入力を阻止し、そして、正常画素のうちの一つの画素に対応するスイッチ及び移送制御部をオンにして電荷蓄積部の全ての電荷をTDI回路に移送し、また、残りの正常画素の分については、図4(A)の場合と同様、電荷蓄積部に積分された電荷の半分をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1+1/2×2で2となる。
【0035】
図4(C)は、2画素が欠陥で2画素が正常な場合の動作を表していて、欠陥画素の入力制御部はオフにして電荷の入力を阻止し、そして、残りの正常画素の全てに於けるスイッチ及び移送制御部をオンにして電荷蓄積部の全ての電荷をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1×2で2となる。
【0036】
図4について説明した2等分分割入力回路をもつ入力部の場合、2画素の欠陥までは入力の分割の仕方を変更することで補償することができ、入力制御部21やスイッチ23Aの制御は、8ビットのメモリを用いることで実施できる。
【0037】
分割入力回路を作動させる為の画素情報は、信号処理装置の起動時にデータとして外部ROMなどから入力し、メモリ出力をラッチし、駆動波形などと論理合成して各入力部に供給すれば良い。
【0038】
前記したように、分割入力回路を2等分した場合には、TDI回路の段数の半分に相当する画素欠陥までしか補償できず、更に多くの欠陥画素について補償する場合には、入力部、即ち、分割入力回路の分割を更に多くすることが必要である。
【0039】
図5は4段の多分割入力回路からなる入力部及び4段TDI回路の1チャネル分を表す要部ブロック図であり、図1乃至図4に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0040】
図示された信号処理装置に於いて、各分割入力回路の電荷蓄積部22D、22C、22B、22Aは移送制御部24に近い側から全体の1/4、1/3、1/2となる部分にスイッチ23C、23B、23Aが形成されている。
【0041】
図6は図5に示した信号処理装置の動作について説明する為の多分割入力回路からなる入力部を抜き出して表す要部ブロック図であり、図5に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0042】
図6(A)は、全画素が正常な場合の動作を表していて、入力制御部21は全てオンになっていて、TDI回路への電荷移送時には、スイッチ23Cをオフにし且つ移送制御部24をオンにすることで、、多分割入力回路の電荷蓄積部22Dに積分された電荷、即ち、全体の1/4に相当する電荷をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1/4×4で1となる。
【0043】
図6(B)は、1画素が欠陥で3画素が正常な場合の動作を表していて、欠陥画素の入力制御部はオフにして電荷の入力を阻止し、そして、スイッチ23Bをオフ、移送制御部24をオンにして正常な3画素の分に於ける1/3に相当する電荷をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1/3×3で1となる。
【0044】
図6(C)は、2画素が欠陥で2画素が正常な場合の動作を表していて、欠陥画素の入力制御部はオフにして電荷の入力を阻止し、そして、スイッチ23Aをオフ、移送制御部24をオンにして正常な2画素の分に於ける1/2に相当する電荷をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1/2×2で1となる。
【0045】
図6(D)は、3画素が欠陥で1画素が正常な場合の動作を表していて、欠陥画素の入力制御部はオフにして電荷の入力を阻止し、そして、スイッチ23A乃至23Cをオン、移送制御部24をオンにして正常な1画素の分に於ける全ての電荷をTDI回路に移送する。この場合、TDI後の電荷は1/1×1で1となる。
【0046】
前記したところから、図4及び図6の何れの場合にも、TDI後の電荷、従って、ゲイン固定増幅回路16からはレベルが揃った電圧信号が出力されることが理解されよう。
【0047】
ところで、図6について説明した分割入力回路に於ける1/4、或いは、1/3などの分割の仕方を半導体装置に於けるレイアウト上の面積として実現することは、製造誤差などの点から充分な精度が得られないおそれがある。
【0048】
従って、そのような場合には、1/4、1/3、1/2、1/1の分母の最小公倍数を用い、同一構成の12分割とし、3/12、4/12、6/12、12/12として上記比率を実現させ、欠陥画素の補償を入力部で実施することが可能である。尚、入力回路に於ける分割の仕方に関する他の例を表1として纏めて掲示する。
【0049】
【表1】
【0050】
以上の説明に依って、本発明を実施した場合、出力レベルについて問題はないことが明らかになったが、TDI回路の重要な作用及び効果の一つである雑音の低減はどうなるかについて説明する。
【0051】
ここでは、さきに説明した図4に見られる入力部を参照し、4段のTDI動作について説明する。
【0052】
1段当たりの信号量をS、雑音をNとすると、4段加算後には、4S、√(4N2 )=2Nとなり、S/Nは2倍改善される。
【0053】
1画素非選択とすると、信号量は3S、雑音は√3N2 =1.732Nとなって、S/Nは1.73倍(√3倍)改善されるが、信号レベルは正常部分の3/4となる。
【0054】
一旦積分した電荷は、分割してもS/Nは保存されることから、入力部で信号電荷を二等分する場合を考えると、このとき、一段当たりの信号はS/2、雑音はN/2となり、4段加算後は、信号は2S、雑音は√(4×N2 /4)=Nとなり、S/Nは2倍改善される。
【0055】
1画素非選択とすると、信号は3S/2、雑音は√(3N2 /4)=0.866Nとなり、S/Nは、矢張り1.5/0.866=1.732倍(√3倍)改善されるが、信号レベルは正常部分の3/4となる。
【0056】
そこで、3画素の内、1画素の分割を止めた場合、信号はS+S/2+S/2=2Sとなり、雑音は√(N2 +N2 /4+N2 /4)=√(3/2)N=1.225となり、S/Nは2/1.225=1.633倍となる。
【0057】
前記したように、S/Nは若干劣化するが、信号レベルが揃う為、検出用増幅器などの非線形の映像への影響などが軽減される。
【0058】
次に、さきに説明した図6に見られる入力部を参照し、1画素が欠陥画素である場合の4段のTDI動作について更に説明する。
【0059】
正常な3画素について、積分した電荷の2/3を転送加算するものとすると、信号は3×2/3S=2S、雑音は√(3×4/9N2 )=2/√3Nとなり、S/Nは√3倍(1.732倍)となる。
【0060】
そこで、入力部を6個の同じ蓄積部で構成し、2/4=1/2のところと2/3のところにスイッチを設け、欠陥画素データに基づき、正常部分は1/2を転送し、欠陥画素を含む部分は入力を閉じ、正常な3画素からは2/3を転送するようにすれば、信号レベルも揃い、S/Nも劣化することはない。
【0061】
【発明の効果】
本発明に依る半導体アナログ信号処理装置に於いては、電荷転送型TDI回路に接続される複数の画素である入力部のそれぞれが入力制御部とスイッチで分離された複数の領域で構成された電荷蓄積部と移送制御部とからなり、欠陥画素データに基づき、欠陥画素に対応する入力制御部をオフにしてTDI回路への電荷の入力を阻止すると共に、正常画素の移送制御部及びスイッチを制御して前記欠陥画素の電荷を補う量の電荷を前記電荷転送型TDI回路に移送することが基本になっている。
【0062】
前記構成を採ることに依り、欠陥画素に起因するTDI回路に於ける信号レベルの変動を入力部で低減することができ、従って、出力部に於いて、多重化された信号の高い周波数域で利得を変更することは不要となり、その結果、回路は簡素化される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を説明する為の半導体アナログ信号処理装置を表す要部ブロック図である。
【図2】図1に見られるTDI回路及び入力部を説明する為の要部ブロック図である。
【図3】4段の2等分分割入力回路からなる入力部及び4段TDI回路の1チャネル分を表す要部ブロック図である。
【図4】図3に示した信号処理装置の動作について説明する為の二等分分割入力回路からなる入力部を抜き出して表す要部ブロック図である。
【図5】4段の多分割入力回路からなる入力部及び4段TDI回路の1チャネル分を表す要部ブロック図である。
【図6】図5に示した信号処理装置の動作について説明する為の多分割入力回路からなる入力部を抜き出して表す要部ブロック図である。
【図7】従来の半導体アナログ信号処理装置を表す要部ブロック図である。
【図8】ゲイン可変増幅回路の具体例を説明する電荷増幅器の要部ブロック図である。
【符号の説明】
1 入力回路
2 4段TDI回路
3 240段電荷転送型多重化回路
4 メモリ
5 タイミング・メモリ制御回路
6 ゲイン可変増幅回路
21 ,22 ,23 ・・・・ TDI回路
111 ,112 ,113 ・・・・ 分割入力回路
16 ゲイン固定増幅回路
17 欠陥画素切り替え制御及び分割制御を行う為の制御ライン
Claims (1)
- 電荷転送型TDI回路に接続される複数の画素である入力部のそれぞれが入力制御部とスイッチで分離された複数の領域で構成された電荷蓄積部と移送制御部とからなり、
欠陥画素データに基づき、欠陥画素に対応する入力制御部をオフにしてTDI回路への電荷の入力を阻止すると共に、正常画素の移送制御部及びスイッチを制御して前記欠陥画素の電荷を補う量の電荷を前記電荷転送型TDI回路に移送すること
を特徴とする半導体アナログ信号処理装置。
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