JP4682191B2 - イメージセンサおよびカメラ - Google Patents

Description

本発明は、概してイメージ・センサの分野に関し、より詳細に述べればイメージ・センサから生成される好ましくないノイズを除去するための方法および装置に関する。

この分野で周知のとおり、ディジタル・カメラは、シーンの電子表現を取り込むためのイメージ・センサを含む。イメージ・センサ内においては、多くの電子デバイスと同様に、イメージの品質を低下させる好ましくないノイズが生成される。イメージ品質を向上させるためにこのノイズの除去が望ましいことは明らかである。

したがって、この好ましくないノイズを除去するための方法および装置が必要とされている。

本発明は、上に示した問題の１ないしは複数を克服することに指向されている。簡単に要約すると、本発明の１つの側面によれば、本発明は、イメージを表す信号に変換される入射光、を取り込むための複数のピクセルであってそれにおいてイメージ信号ならびにリセット・レベル信号の両方を表す信号にノイズが結合される複数のピクセルと、前記イメージ信号およびリセット・レベル信号内の前記ノイズに実質的に対応するか、あるいは等しく対応する複製ノイズを生成するダーク基準ピクセルと、前記イメージ信号およびリセット・レベル信号を読み出し、前記複製ノイズを用いてイメージ信号およびリセット・レベル信号からのノイズをキャンセルするか、あるいは実質的にキャンセルするサンプル・アンド・ホールド回路と、を包含し、前記サンプル・アンド・ホールド回路は、第１キャパシタと、前記第１キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第１キャパシタの一端を前記複数のピクセルのうちの一つに接続し、他端を前記ダーク基準ピクセルに接続する第１スイッチ対と、第２キャパシタと、前記第２キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第２キャパシタの一端を前記複数のピクセルのうちの一つに接続し、他端を前記ダーク基準ピクセルに接続する第２スイッチ対と、前記第１キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第１キャパシタの一端を差動オペアンプの第１出力端子に接続し、他端を前記差動オペアンプの第１入力端子に接続する第３スイッチ対と、前記第２キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第２キャパシタの一端を前記差動オペアンプの第２出力端子に接続し、他端を前記差動オペアンプの第２入力端子に接続する第４スイッチ対と、を含む、ことを特徴とする。

これらの、およびこのほかの本発明の側面、目的、特徴、および利点については、以下の好ましい実施態様の詳細な説明を検討することによって、また添付図面を参照することによってより明確に理解され、認識されることになろう。

本発明は、イメージ・センサのピクセル内において生成される好ましくないノイズをキャンセルするという利点を有する。

図１を参照すると、あらかじめ決定されたアレイに配列された複数のピクセル２０を有するイメージ・センサ１０が示されている。ピクセル２０からサンプリングされた値を読み出すために、複数のサンプル・アンド・ホールド回路３０が、それぞれイメージ・センサ１０のピクセル２０の行に接続される（ピクセルの各列について１つのサンプル・アンド・ホールド回路３０）。サンプル・アンド・ホールド回路３０は、以下に詳細を述べるとおり、ダーク基準ピクセル４０も含む。サンプル・アンド・ホールド回路３０には、サンプル・アンド・ホールド回路３０からの信号の変換ならびに増幅のためのオペアンプ５０が接続される。

図２を参照すると、本発明のピクセル２０およびそれに整合するサンプル・アンド・ホールド回路３０が示されている。各ピクセル２０は、フォトダイオード６０等の感光領域を有し、そこで入射光（矢印によって表現されている）を受光し、それが電荷パケットに変換される。転送ゲート７０は、フォトダイオード６０からの電荷を浮動拡散キャパシタ８０に転送するために選択的にアクティブ化され、そこで電荷が電圧信号に変換される。リセット・ゲート９０は、あらかじめ決定済みの充電レベルに浮動拡散キャパシタ８０をリセットするために、浮動拡散キャパシタ８０から電荷を流すべく機能する。ソース・フォロワ１００のトランジスタは浮動拡散キャパシタ８０に接続されており、浮動拡散キャパシタ８０からの信号を増幅するべく機能する。

リセット信号および実際のイメージ信号の両方を読み出すために、行選択スイッチ１１０がアクティブ化されて、浮動拡散キャパシタ８０のリセット・レベルを表す電圧信号をサンプル・アンド・ホールド回路キャパシタ１２０に渡すことが可能になる。これに関して、キャパシタ１２０に対して信号を渡すために、スイッチＳ_１およびＳ_３が閉じられ、キャパシタ１２０がリセット電圧レベルに対応するレベルまで充電される。その後、スイッチＳ_１およびＳ_３が閉じられる。ここで明瞭性のために記すが、この分野で周知のとおり、キャパシタ１２０および１３０は、それらの信号を電荷として蓄える。キャパシタ１２０に蓄えられた電荷は、以下に述べるとおり、オペアンプ５０（図１参照）によって読み出される。

さらにここで明瞭性のために記すが、好ましくないノイズは、電源１４０、グラウンド１５０、およびバイアス電圧１６０によって生成され、この好ましくないノイズが行選択トランジスタ１１０のノードＶｉに現れる。明らかであろうが、このノイズは、実際のイメージ信号およびリセット・イメージ信号の両方と混合される。そのため本発明は、以下に述べるとおり、読み出しの間にこのノイズをキャンセルする。

これに関連してダーク基準ピクセル４０が、電源１４０、グラウンド１５０、およびバイアス電圧１６０から生成されるノイズに等しい大きさのノイズまたは実質的に等しい大きさのノイズを含む基準電圧の生成に使用される。言い換えると、ダーク基準ピクセル４０の電源１７０、グラウンド１８０、およびバイアス電圧１９０は、ピクセルのノイズの複製または実質的な複製を行う。ダーク基準ピクセル４０のノイズは、リセットおよびイメージの読み出し両方の間に生成されるノイズをキャンセルする。明らかであろうが、これは、２つのキャパシタ１２０および１３０上の電圧が、ダーク基準ピクセルおよびピクセル両方からの電圧を用いて充電されることから達成され、それらの電圧は、いずれも同一もしくは実質的に同一の大きさのノイズを含み、キャパシタ１２０および１３０上においてノイズがキャンセルされるか、実質的にキャンセルされるように適時に相関される。

実際のイメージ信号をサンプリングするために、スイッチＳ２およびＳ４が閉じられ、フォトダイオード６０から検知された信号を表す浮動拡散キャパシタ８０から検知された電圧に対応するレベルまでキャパシタ１３０が充電される。その後、スイッチＳ２およびＳ４が開かれる。キャパシタ１２０および１３０からそれぞれの電荷を読み出すために、スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ７、およびＳ８が閉じられる。ここで気付かれるとおり、キャパシタ１２０上の信号はリセット・レベルを表し、キャパシタ１３０上の信号は、イメージに関する実際の信号を表す。前述したとおり、イメージ信号およびリセット信号に混合される電源１４０、グラウンド１５０、およびバイアス電圧１６０のノイズは、ダーク基準ピクセル４０の対応するノイズによってキャンセルされる。

オペアンプ５０（図１参照）がスイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ７、およびＳ８の出力に接続されており、キャパシタ１２０および１３０から検知したリセット信号ならびに実際のイメージ信号を表す電荷を増幅された電圧信号に変換する。

図３を参照すると、本発明のイメージ・センサ１０およびサンプル・アンド・ホールド回路３０についての代表的な商業的実施態様を例示する、一般消費者にとってなじみのあるカメラ２００の斜視図が示されている。

本発明のイメージ・センサおよびその関連サンプル・アンド・ホールド回路を示した平面図である。 ピクセルおよびサンプル・アンド・ホールド回路に対するその接続を示した詳細図である。 本発明のイメージ・センサについての代表的な商業的実施態様を例示するためのカメラの斜視図である。

符号の説明

１０ イメージ・センサ、２０ ピクセル、３０ サンプル・アンド・ホールド回路、４０ ダーク基準ピクセル、５０ オペアンプ、６０ フォトダイオード、７０ 転送ゲート、８０ 浮動拡散キャパシタ、９０ リセット・ゲート、１００ ソース・フォロワ、１１０ 行選択トランジスタ／スイッチ、１２０ サンプル・アンド・ホールド回路キャパシタ、１３０ イメージ信号キャパシタ、１４０ 電源、１５０ グラウンド、１６０ バイアス電圧、１７０ 電源、１８０ グラウンド、１９０ バイアス電圧、２００ カメラ。

Claims (3)

1. イメージを表す信号に変換される入射光、を取り込むための複数のピクセルであってそれにおいてイメージ信号ならびにリセット・レベル信号の両方を表す信号にノイズが結合される複数のピクセルと、
   前記イメージ信号およびリセット・レベル信号内の前記ノイズに実質的に対応するか、あるいは等しく対応する複製ノイズを生成するダーク基準ピクセルと、
   前記イメージ信号およびリセット・レベル信号を読み出し、前記複製ノイズを用いてイメージ信号およびリセット・レベル信号からのノイズをキャンセルするか、あるいは実質的にキャンセルするサンプル・アンド・ホールド回路と、
   を包含し、
   前記サンプル・アンド・ホールド回路は、
   第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第１キャパシタの一端を前記複数のピクセルのうちの一つに接続し、他端を前記ダーク基準ピクセルに接続する第１スイッチ対と、
   第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第２キャパシタの一端を前記複数のピクセルのうちの一つに接続し、他端を前記ダーク基準ピクセルに接続する第２スイッチ対と、
   前記第１キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第１キャパシタの一端を差動オペアンプの第１出力端子に接続し、他端を前記差動オペアンプの第１入力端子に接続する第３スイッチ対と、
   前記第２キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第２キャパシタの一端を前記差動オペアンプの第２出力端子に接続し、他端を前記差動オペアンプの第２入力端子に接続する第４スイッチ対と、
   を含む、ことを特徴とするイメージ・センサ。
2. 前記ダーク基準ピクセルは、電源、グラウンド、および／またはバイアス電圧から個別に、あるいは組み合わせで生成されるノイズを含む、請求項１に記載のイメージ・センサ。
3. イメージを表す信号に変換される入射光、を取り込むための複数のピクセルであってそれにおいてイメージ信号ならびにリセット・レベル信号の両方を表す信号にノイズが結合される複数のピクセルと、
   前記イメージ信号およびリセット・レベル信号内の前記ノイズに実質的に対応するか、あるいは等しく対応する複製ノイズを生成するダーク基準ピクセルと、
   前記イメージ信号およびリセット・レベル信号を読み出し、前記複製ノイズを用いてイメージ信号およびリセット・レベル信号からのノイズをキャンセルするか、あるいは実質的にキャンセルするサンプル・アンド・ホールド回路と、
   を包含し、
   前記サンプル・アンド・ホールド回路は、
   第１キャパシタと、
   前記第１キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第１キャパシタの一端を前記複数のピクセルのうちの一つに接続し、他端を前記ダーク基準ピクセルに接続する第１スイッチ対と、
   第２キャパシタと、
   前記第２キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第２キャパシタの一端を前記複数のピクセルのうちの一つに接続し、他端を前記ダーク基準ピクセルに接続する第２スイッチ対と、
   前記第１キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第１キャパシタの一端を差動オペアンプの第１出力端子に接続し、他端を前記差動オペアンプの第１入力端子に接続する第３スイッチ対と、
   前記第２キャパシタの両端に設けられる一対のスイッチを含み、前記第２キャパシタの一端を前記差動オペアンプの第２出力端子に接続し、他端を前記差動オペアンプの第２入力端子に接続する第４スイッチ対と、
   を含むイメージ・センサを含むカメラ。

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