JP4770926B2 - Cmosイメージセンサの出力ルーティング構造 - Google Patents

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    • H04N25/13Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements
    • H04N25/134Arrangement of colour filter arrays [CFA]; Filter mosaics characterised by the spectral characteristics of the filter elements based on three different wavelength filter elements

Description

本発明は、概して、複数のサンプルホールド処理チャネルを有するCMOSイメージセンサの分野に関し、より具体的には、画素アレイから各々が1つの色のみを含む各サンプルホールド処理チャネルへと信号を経路付けるルーティングマトリクスを有するCMOSイメージセンサに関する。
CMOSイメージセンサの画像サイズ及びスピードが増大し続けるに連れて、マルチチャネル出力技術が使用されるようになっている。しかしながら、マルチチャネル出力を用いると、ビデオ信号はそれらの正しい順序に戻されなければならない。この作業はますます困難になりつつあり、また、最終的なビデオ信号列にノイズの問題を生じさせるようになっている。
従来技術は満足のいくものではあるものの、上述の欠点を含んでいる。従って、信号を再編成することが排除された、マルチチャネル出力を有するCMOSイメージセンサが望まれる。
本発明は、上記の問題の1つ以上が解決されたCMOSイメージセンサを提供することを目的とする。
本発明の一態様に従ったCMOSイメージセンサは、アレイ状に配列された複数の画素;複数のサンプルホールドアレイ;及び各画素からの信号を所定の順序でサンプルホールドアレイの1つに送るルーティングマトリクスを有している。
本発明の上述及びその他の態様、目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の好適実施形態の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を検討することにより、一層はっきりと理解され認識されることになる。
本発明は、読み出しにおける信号の再編成が排除され、サンプルホールド回路の出力における負荷を軽減することにより動作速度が高められ、また、大きい物理的表面積を有する画素アレイの実効的な有用性が高められるという利点を有する。
図1を参照するに、本発明に係るCMOSイメージセンサ10の上面図が示されている。センサ10は、行列状に配列された画素群の2次元アレイ20を含んでおり、各画素が特定の色を受光するように画素群の上方の全域にわたってカラーフィルタアレイ(CFA)(図示せず)が配置されている。好適な実施形態において、CFAは技術的に周知のバイエル(Bayer)型カラーフィルタである。行デコーダ30が画素群のアレイ20に電気的に接続されており、これは選択的に所定の行の画素群をルーティングマトリクス40へと読み出すように機能する。好ましくは、行は一度に一行ずつルーティングマトリクスに送られる。そして、ルーティングマトリクス40は画素アレイ20からの信号を複数のサンプルホールドアレイ50の1つへと経路付ける。なお、画素群は、何れの特定のサンプルホールドアレイ50にも1つの色のみが送られるように、サンプルホールドアレイへと経路付けられる。サンプルホールドアレイ50の数は所望のスピードに応じて4つ又はそれより多くに変更され得る。図3に示される低速構成においては、4つのサンプルホールドアレイ50が存在し、各アレイは1つの色のみを受け取る。スピードを2倍にするには8個のサンプルホールドアレイ50とすればよく、スピードを3倍にするには12個のアレイ50とすればよい。明確にしておくが、それぞれの構成において、以下にて詳細に説明されるように、各チャネルは1つの色のみを受け取る。技術的に周知の通り、信号は電子的な画像表現を作り出すために、サンプルホールドアレイ50から更なる処理回路(図示せず)へと送られる。
図2を参照するに、CMOSイメージセンサ10の典型的な画素60が概略的に示されている。画素60は、入射光を受光するフォトダイオード70を含んでいる。入射光は電荷に変換される。この電荷は、転送ゲート(TG)80によって浮遊拡散領域(FD)90へと転送され、浮遊拡散領域90によって電圧に変換される。この電圧は、信号振幅をバッファリングする増幅トランジスタ100に送られる。好適な実施形態において増幅器100の利得は1であるが、所望の設計に応じてその他の利得係数が使用されてもよい。行選択トランジスタ110は、特定の行の画素群がルーティングマトリクス40まで渡ることを可能にするための信号を行デコーダアレイ30(図1参照)から受信する。リセットゲートトランジスタ120は、別の画像信号を浮遊拡散領域90に渡す前に、浮遊拡散領域90をリセットし、それから如何なる残留電荷をも除去するように機能する。
図3を参照するに、画素群のアレイ20からルーティングマトリクス40への、そしてサンプルホールドアレイ50への接続が概略的に示されている。図3は、4つのサンプルホールドアレイのみを示しているが、上述のように、サンプルホールドアレイの数はスピードを高めるために増加されてもよい。概説すると、4つの色の各々は所定の順序で時間的に順々に特定のサンプルホールドアレイに送られる。例えば、4組のスイッチ群の1組を有効にすることにより、先ず色1が読み出される。各組内のスイッチの数は、各行内の画素の数をNとしてN/4によって決定される。色1を転送する際、スイッチS1、S5、S9及びS13等々を含む第1の組のスイッチ群が閉じられる(図の明瞭化のため、全てのスイッチは図示されていない)。この実施形態においては、4番目のスイッチごとに閉じられるように3つずつのスイッチがスキップされる。対応する第2の組のスイッチ群が第1の組のスイッチ群に接続されており、色1を転送する際、この組のスイッチ群(S’1、S’5、S’9及びS’13等々)も色1を特定のサンプルホールド回路50に転送するように実質的に同時に閉じられる。第2の組内のスイッチの数も、行内の画素の総数をNとしてN/4である。サンプルホールド回路50への転送の完了後、これら2組のスイッチ群(S1、S5、S9、S13、S’1、S’5、S’9、S’13等々)は開かれる。
そして、第2の色が、対応する第1及び第2の組のスイッチ群(S2、S6、S10及びS14、並びにS’2、S’6、S’10及びS’14等々)を用いて上述の手順を繰り返すことによってサンプルホールドアレイ50に転送される。第1の色が転送された後に第2の色が転送されるように、このプロセスは同期化される。同様に、この同期化手法にてそれぞれの色が転送されるように、色3(S3、S7、S11及びS15、並びにS’3、S’7、S’11及びS’15等々を用いる)及び色4(S4、S8、S12及びS16、並びにS’4、S’8、S’12及びS’16等々を用いる)も繰り返される。なお、バイエル(Bayer)パターンの場合、サンプルホールドチャネル1(50)の色は緑1であり、サンプルホールドチャネル2(50)は緑2を収容し、サンプルホールドチャネル3(50)は赤を収容し、そしてサンプルホールドチャネル4(50)は青を収容する。また、4チャネルの場合、サンプルホールドチャネル50からの色情報は、これに続いて取り付けられた外部信号処理回路によって各画素の全ての色情報(4色のチャネル)が実質的に同時に受信されるように、実質的に同時に出力される。なお、チャネルが8個の場合、クロックサイクルごとに連続する2つの色情報信号が外部処理回路に送り出される。当業者に認識されるように、チャネル数が増大すると、色情報信号の数もそれに従って上述のように増大する。
図4を参照するに、一般消費者が慣れ親しんでいる本発明の典型的な商業上の一実施形態を例示するために、本発明に係るイメージセンサ10を収容したデジタルカメラ130が示されている。
本発明に係るCMOSイメージセンサを示す上面図である。 本発明に係る典型的なCMOSアクティブ画素を示す概略図である。 画素群から4つのサンプルホールドアレイへのルーティングを例示する図である。 本発明の典型的な商業上の一実施形態を例示する、本発明に係るイメージセンサを収容したデジタルカメラを示す透視図である。
符号の説明
10 CMOSイメージセンサ
20 画素アレイ
30 行デコーダ
40 ルーティングマトリクス
50 サンプルホールドアレイ
60 典型的な画素
70 フォトダイオード
80 転送ゲート
90 浮遊拡散領域
100 画素増幅トランジスタ
110 行選択トランジスタ
120 リセットゲートトランジスタ
130 デジタルカメラ

Claims (3)

  1. (a)アレイ状に配列された複数の画素であり、前記アレイはN個の出力ラインを含む、複数の画素
    (b)m個のサンプルホールドアレイであり、mは4以上の整数である、サンプルホールドアレイ;及び
    (c)各スイッチがそれぞれの出力ラインとN/m個のバスのうちのそれぞれの1つとの間に接続された、第1の組のN個のスイッチと、各スイッチが前記N/m個のバスのうちのそれぞれの1つと前記m個のサンプルホールドアレイのうちのそれぞれの1つとの間に接続された、第2の組のN個のスイッチと、を有するルーティングマトリクスであり、前記複数の画素を電子的にグループ分けし、各グループ内の1つ以上の画素からの信号を所定の順序で時間的に順々にそれぞれのサンプルホールドアレイに送るルーティングマトリクス;
    を有し、1つのグループ内の各信号は、各サンプルホールドアレイによって受信される信号が同一の色を含むように、異なるサンプルホールドアレイに送られる、CMOSイメージセンサ。
  2. 前記複数の画素はグループを成すように前記ルーティングマトリクスによって電子的に接続されており、前記ルーティングマトリクスは実質的な繰り返しパターン又は繰り返しパターンで前記複数のサンプルホールドアレイに信号を送り、前記繰り返しパターンは、特定の信号群が前記ルーティングマトリクスから実質的に同時に送り出されるように時間的に同期化されている、請求項1に記載のCMOSイメージセンサ。
  3. (a)アレイ状に配列された複数の画素であり、前記アレイはN個の出力ラインを含む、複数の画素
    (b)m個のサンプルホールドアレイであり、mは4以上の整数である、サンプルホールドアレイ;及び
    (c)各スイッチがそれぞれの出力ラインとN/m個のバスのうちのそれぞれの1つとの間に接続された、第1組のN個のスイッチと、各スイッチが前記N/m個のバスのうちのそれぞれの1つと前記m個のサンプルホールドアレイのうちのそれぞれの1つとの間に接続された、第2組のN個のスイッチと、を有するルーティングマトリクスであり、前記複数の画素を電子的にグループ分けし、各グループ内の1つ以上の画素からの信号を所定の順序で時間的に順々にそれぞれのサンプルホールドアレイに送るルーティングマトリクス;
    を有し、1つのグループ内の各信号は、各サンプルホールドアレイによって受信される信号が同一の色を含むように、異なるサンプルホールドアレイに送られる、CMOSイメージセンサ、
    を有するデジタルカメラ。
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