JP5589053B2

JP5589053B2 - 複数の画素を有するアレイ及び画素情報転送方法

Info

Publication number: JP5589053B2
Application number: JP2012284842A
Authority: JP
Inventors: アルベルトテウヴィーセン
Original assignee: Harvest Imaging BVBA
Current assignee: Harvest Imaging BVBA
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: EP2611142B1; CN103281493B; US20140183332A1; CN103281493A; EP2611142A1; US9040894B2; JP2013138432A

Description

本発明は、医用画像処理、車両用画像処理、機械視覚又はマシンビジョン(machine vision)、暗視、ディジタル写真又はディジタルカムコーダ(又はビデオカメラ)の画像処理等における画像検出に関連する。本発明は放射又は輻射(radiation)を検出するための装置及び方法等に関連し、特に画素列上で検出された放射を速やかに読み取る装置及び方法等に関連する。

画像センサの1つのタイプは能動画素センサ又はアクティブピクセルセンサ(active
pixel sensor：APS)である。APS画像センサは、典型的には、金属酸化膜半導体(MOS)製造技術、特に相補型金属酸化膜半導体(CMOS)製造技術を用いて製造され、一般に(C)MOS画像センサと言及される。CSMO画像センサは、入射放射又は入射光(incident
radiation)(光子)を光電効果により電荷(電子)に変換することで光を検出する。CMOS画像センサは、典型的には、受光器、光受信器又は光検出器(例えば、フォトダイオード)と複数のCMOSトランジスタとを画素毎に含んでいる。

既存のCMOS画像センサは、3トランジスタ(3T)及び4トランジスタ(4T)画素手段(pixel
implementation)を含むが、これらに限定されない。4つより多い数のトランジスタを備えた画素手段が使用されてもよい。この種の画像センサの画素回路は典型的にはソースフォロワトランジスタを含み、ソースフォロワトランジスタはカラムライン上の光検出器の電圧を蓄積又はバッファリングするために使用される。

図1には既存の画素の構成が示されている。図1は、単なる例示として、CSMO画像センサ用の4T画素10を示している。画素における全てのトランジスタはMOSトランジスタである。図1に示されている画素10は光検出器又はフォトディテクタ11を有し、図示の例では入射光を電子の電荷に変換するピンフォトダイオード(Pinned Photodiode：PPD)が図示されている。更に、画素10は、光検出器11で生成された電荷を検出ノード16に転送するサンプルホールドトランジスタ12と、検出ノードを初期値にリセットするリセットトランジスタ13と、転送されて来た電荷を電圧に変換するソースフォロワトランジスタ14と、カラムラインに電圧を実際に設定する選択トランジスタ15とを有する。

図2には、従来の構成のCMOS画像センサ20が示されている。画像センサ20はn行m列に配置された画素10の2次元アレイ21を有する。図2に示す例の場合、7個の行(ロー)及び10個の列(カラム)がある。アレイに属する画素10は適切な任意のタイプの画素であってよく、例えば図1に示されているような画素でもよい。

典型的な従来のシステムの場合、アレイ21の1つのカラム又は列に並んでいる全ての画素10は、画素10により生成され保存されている画素情報を読み出すためのカラムバスOUTに接続されている。CMOS画像センサからの画素情報は典型的には行毎に順番に読み出される。この順番に読み出すことは水平及び垂直スキャン回路により実現される。それらのディジタル回路は図2には示されていない。

従来の読み出し方は、アレイの最上位から、アレイの最下位から又は任意に選択された行から始まってよいが、何れにせよ行が次々に読み出される。これは、第1の行に属する画素の画素情報が最初に読み出され、その後に2番目の行(典型的には、第1の行に隣接している)に属する画素の画素情報、3番目の行等が読み出されることを意味する。

センサを読み出すそのような方法で使用される従来のタイミングは次のとおりである(図1に示されるような画素毎に4つのトランジスタが備わっているピンダイオードの実施形態の場合)：
a)特定の行に属する全ての画素がリセットトランジスタ13によりリセットされる。

b)選択トランジスタ15が活性化され又はアクティブにされ、ソースフォロワトランジスタ14にバイアス電流が与えられる。

c)そのカラムのアナログ回路22によりリセットレベルがサンプリング又は取得される。

d)サンプルホールドトランジスタ12が活性化され又はアクティブにされ、フォトダイオード11から検出ノードへ電子が転送される。

e)そのカラムのアナログ回路22により、実際のビデオレベルがサンプリング又は取得される。

f)2つのサンプル(リセットレベル及び実際のビデオレベル)が利用可能であった場合、アナログ領域でそれらの差分が取得される。

g)AD変換器23によりアナログ信号がディジタル領域に変換される。

h)ディジタル出力バス24によりディジタルデータが多重化され転送される。

1ラインの画素から画素情報を読み出すためにa)からh)までの全サイクルが必要とされ、ライン全体についての時間がかかる。簡単な計算から、6000行及び4000行のセンサを例にとると、5フレーム/秒の場合、総フレーム時間は200msとなるので、利用可能なライン時間全体は1/(4000*5)＝0.05msとなる。

センサからの情報全体には関心がなく、1列分の情報にしか関心がない場合でも、センサ全体が読み出されなければならない。読み出し方法がライン毎のシステムに基づいているからである。上述の場合、1列分の画素から画素情報を読み出すのに200msもかかってしまう。

本発明の実施の形態の課題は、画素列のデータ読み出し方法が改善された(例えば、高速化された)方法及びシステム等を提供することである。

開示される発明によるアレイは、
光を検出する複数の画素を有するアレイであって、
前記画素は行列形式に論理的に並べられ、
当該アレイは画素値を行毎に読み出すように形成され、
当該アレイは当該アレイに属する異なる行にある第1の画素群を有し、該第1の画素群は1つより多い画素を含み、
前記第1の画素群に属する画素の各々は、各自の画素情報を水平行バスラインに移す切替可能なデータ経路を有し、
前記第1の画素群に属する画素の各々は、同じ行に属するが異なる列に属する別の画素に関連付けられ、該別の画素は、前記水平行バスラインにある前記画素情報を前記別の画素に関連付けられているカラムラインに与えるように形成され、
前記第1の画素群に属する複数の画素に対する前記別の画素は全て異なる列にあるように選択されている、アレイである。

開示される発明によれば、画素列のデータ読み出し方法が改善された(例えば、高速化された)方法及びシステム等を提供することができる。

従来の4T画素を示す図。読み出し回路を備えた従来の画素アレイを示す図。本発明の実施の形態による画素アレイを示す図。電荷を行バスラインに移す本発明の実施の形態による4T画素を示す図。 2次元画像処理アレイにおける本発明の実施の形態による画素アーキテクチャの一部を概略的に示す図(これにより、最も右側の列は情報を水平行バスに移し、情報は隣接する画素の垂直カラムラインに生じる)。本発明の実施の形態による画素の典型的な動作における様々なスイッチのタイミングチャートを示す図。本発明の実施の形態により如何にして列情報を行情報に移すかを概略的に示す図。 2次元画像処理アレイにおける本発明の実施の形態による画素アーキテクチャの一部を概略的に示す図(これにより、フォーカス画素の行及びフォーカス画素の列が提供され、フォーカス画素の列は自身の情報を水平行バスに転送し、情報は、行読み出し動作により隣接する画素の垂直カラムラインに生じ、フォーカス画素の行も行読み出し動作により読み出される。本発明の実施の形態によるフォーカス画素の読み出しは数個のライン読み出ししか必要としない)。 2次元画像処理アレイにおける本発明の実施の形態による画素アーキテクチャの一部を示す図(同時に読み出されるべき画素が複数の行及び列に分散している)。

＜発明の概要＞
本発明の実施の形態の課題は、画素列のデータ読み出し方法が改善された(例えば、高速化された)方法及びシステム等を提供することである。

この課題は本発明による方法及び装置により達成される。

第1の実施の形態により提供されるアレイは、光を検出する複数の画素(P_i,j)を有し、前記画素(P_i,j)は行列形式に論理的に並べられている。当該アレイは画素値を行毎に読み出すように形成されている。本発明の実施の形態では、当該アレイ(31)は当該アレイに属する異なる行にある第1の画素群(35)を有し、該第1の画素群(35)(P_i,j)は1つより多い画素(P_i,j)を含む。前記第1の画素群(35)に属する画素の各々(P_i,j)は、各自の画素情報を水平行バスラインに移す切替可能なデータ経路(41)を有する。前記第1の画素群(35)に属する画素の各々(P_i,j)は、同じ行に属するが異なる列に属する別の画素(36)に更に関連付けられ、該別の画素(36)は、前記水平行バスラインにある前記画素情報を前記別の画素に関連付けられているカラムライン(34)に与えるように形成されている。前記第1の画素群に属する複数の画素(40)に対する前記別の画素(36)は全て異なる列にあるように選択されている。これにより、画素情報を移す必要がある全ての画素を同時に読み出すことができる。

異なる行に属する画素の画素情報(例えば、ある列に属する画素の画素情報)を、1つの行に属する複数の列にある情報に変換し、1つの行の1回の読み出しにより、その列に属する複数の画素の情報を提供できる。これは列をなす画素の画素情報の読み出しを高速化できる。

本発明の実施の形態によれば、水平行バスラインは水平リセットラインでもよい。これは、如何なる補足的な行バスも必要ないこと、既存の行バスを再利用できること、という利点をもたらす(ただし、水平リセットラインに適切にパルスが印加されることが仮定されている)。

代替的に、水平行バスラインは、画素列からのデータを別の列へ移す専用水平ライン(dedicated horizontal line)でもよい。

別の画素に切替可能な経路が設けられてもよく、切替可能な経路は、別の画素が関連付けられている行バス及び列バスの間を接続する。この場合において、切替可能な経路にスイッチが設けられていてもよい。

本発明の実施の形態によるアレイの場合、第1群の画素又は第1の画素群はフォーカス画素(focus pixel)を有する。

第2の実施の形態によれば、本発明は本発明の第1の実施の形態による画素アレイを有する撮像装置を提供する。

第3の実施の形態により本発明が提供する方法は、
画素配列又は画素アレイ(31)に属する少なくとも2つの異なる行にある(例えば、ある列に属する)第1の画素群(35)の画素情報を転送する方法であって、前記画素アレイ(31)は論理的に行列形式に並べられた複数の画素(P_i,j)を有し、前記第1の画素群(35)に属する画素の各々は、行バスラインに関連付けられかつ同じ行に属するが異なる列に属する別の画素(36)に関連付けられている。当該方法は、前記第1の画素群(35)に属する画素各々の前記画素情報を対応する行バスラインに転送するステップと、前記行バスラインにある前記画素情報を、同時に読み出すために、前記第1の画素群(35)に属する画素に関連付けられている前記別の画素(36)のカラムライン(34)に転送するステップとを有する。

本発明の実施の形態による方法の場合、画素情報を行バスラインに転送する際に、画素情報をリセットラインに転送してもよい。代替的に、画素情報を行バスラインに転送する際に、第1の画素群のデータを第2の画素群のデータに変換するために専用の行バスラインに、画素情報を転送してもよい。

本発明の実施の形態による方法の場合、行バスラインにある画素情報を各自のカラムラインに転送する際に、行バスライン及びカラムライン間の選択的な経路を閉じてもよい、すなわち電気的に導通させてもよい。経路を閉じることはトランジスタをONに切り替えることを含む。

本発明の実施の形態による本方法は第1の画素群に属する画素各々の画素情報を同時に読み出すステップを更に含んでもよい。

特許請求の範囲に規定されている独立請求項及び/又は従属請求項に関する本発明の特定の好ましい実施の形態が説明される。特許請求の範囲で明示的に言及されている場合だけでなく、従属請求項に規定されている特徴は、適切であれば独立請求項に規定されている特徴及び他の従属請求項に規定されている特徴と組み合わせられてもよい。

従来技術よりも優れた本発明及びその有利な効果を要約する観点から、本発明の所定の課題及び利点が上記において説明された。しかしながら、そのような課題又は効果の全てが本発明の如何なる特定の実施の形態でも達成されるとは限らないことが、当然に理解されるべきである。従って、本願により教示又は示唆されているような他の課題又は効果を達成する必要なしに、本発明は、本願で教示された1つの利点又は複数の利点をもたらす又は最適化する方法で実施又は実行されてもよいことを、当業者は認識するであろう。

本発明に関する上記及び他の形態は以下の説明を参照することで更に明確かつ明瞭になるであろう。

本発明は単なる一例としての添付図面を参照しながら詳細に説明される。

図1-9についての説明は「図面の簡単な説明」の欄に記載されている。

図面は単なる概略を示しているに過ぎず、限定的なものではない。図示の便宜上、図中、ある要素のサイズは強調又は誇張されており、寸法を描いたものではない場合がある。寸法及び相対的な寸法は本発明を実施する際の実際の縮図には必ずしも対応しない。

特許請求の範囲に何らかの符号がある場合、それらを本発明の範囲を限定するように解釈してはならない。

異なる図面における同じ参照符号は同じ又は類似する要素を示す。

＜一般的な説明＞
以下、特定の実施の形態及び所定の図面に関連して本発明を説明するが、本発明はそれらによっては限定されず、特許請求の範囲によってのみ規定される。

明細書及び特許請求の範囲における第1、第2等の用語は、同様な要素を区別するために使用されており、時間的な順序、空間的な順序、ランキングによる順序又はその他の任意の方法による順序を必ずしも示していない。そのように使用されている用語は適切な状況であれば交換可能に使用されてよいこと、及び説明される本発明の実施の形態は本願で説明又は図示された順序とは異なる順序で実施されてもよいことが、理解されるべきである。

更に、明細書及び特許請求の範囲における最上位(top)、最下位(bottom)、上(over)、下(under)等のような用語は、記述的又は分類的な目的で使用され、必ずしも相対的な位置関係を規定しているわけではない。そのように使用されている用語は適切な状況であれば交換可能に使用されてよいこと、及び説明される本発明の実施の形態は本願で説明又は図示されたものとは異なる向き又は位置関係で実施されてもよいことが、理解されるべきである。

特許請求の範囲で使用されている「有する(comprising)」という用語は、その後の後に続く手段に限定されるように解釈されるべきはなく、他の要素又はステップを排除していないことに留意を要する。従って、特徴、属性、整数(integer)、ステップ又は要素のように言及されたものの存在を指定しているものとして解釈されるべきであり、特徴、属性、整数、ステップ、要素又はそれらのグループが存在すること又はそれらの追加を排除していない。従って、「A手段及びB手段を有する装置」という表現の範囲は、手段A及び手段Bのみから成る装置に限定されない。本発明に関し、その装置に関連しているに過ぎない手段又は要素がA及びBであることを意味している。

本明細書において「一実施形態」又は「実施の形態」という言い回しは、その実施の形態に関して説明されている特定の特徴、構造又は性質が本発明による少なくとも1つの実施の形態に含まれていることを意味する。従って本明細書を通じていくつも登場している「一実施形態において」又は「実施の形態において」という言い方は、必ずしも同じ実施の形態を指しているとは限らない。更に、本開示から当業者にとって明らかであるように、特定の特徴、構造又は性質は1つ以上の実施の形態において適切な如何なる方法で組み合わせられてもよい。

同様に、本発明の実施の形態に関する説明において、本発明の様々な特徴は、しばしば、開示内容の説明の流れの観点から及び1つ以上の様々な発明形態の理解を促す観点から、単独の実施の形態、単独の図面又は単独の説明に一緒にグループ化されていることが、理解されるべきである。しかしながら、この説明の仕方が、特許請求の範囲に記載されている発明が各請求項で明示的に規定されている要素以外の要素を必要とする意図を反映しているものとして、解釈されてはならない。従って、明細書に続く特許請求の範囲は詳細な説明に明示的に含まれており、各請求項は本発明の別個の実施形態として成立する。

更に、本願で説明される或る実施の形態は、他の実施の形態の一部の特徴を含むが他の特徴を含んでおらず、異なる実施の形態の特徴の組み合わせは本発明の範囲に該当し、様々な実施の形態を形成することが意図されており、この点は当業者に理解されるであろう。例えば、後述する請求項において、請求項に登場している如何なる実施の形態も任意の組み合わせで使用されてよい。

留意すべきことに、本発明の所定の特徴又は実施形態を説明する際に特定の用語又は専門用語が使用されていることは、その用語が、その用語が関連している本発明の特徴又は実施の形態に関する何らかの特定の特徴を含むように明細書のその場所で定義し直されているように、解釈されてはならない。

本願で行われている説明では、多数の具体的な詳細な事項が説明されている。しかしながら、本発明はそのような具体的な詳細によらずに実施されてもよいことが、理解されるべきである。また、周知の方法、構造及び技法は、本説明の理解を曖昧にしてしまわないように詳細には説明されていない。

本発明に関し、到来する及び検出される輻射、放射又は光(radiation)は、例えば、可視光線、UV光線(紫外線)、赤外光線、X線、ガンマ線等のような任意のタイプの電磁放射であってよい。或いは入射光(impinging
radiation)は、低い又は高いエネルギの電子、光子、ハドロン(hadron)等を含む粒子又はその他の粒子であってもよい。

本発明の実施の形態は撮像装置(imager)に関連し、例えばCMOS撮像装置に関連するがこれらに限定されず、撮像装置は光(電磁波、放射又は輻射)を検出する画素の配列又はアレイを有する。典型的には、そのようなアレイでは、画素は行列形式の配列に組織されている。「列又はカラム(column)」及び「行(row)」という用語は、一緒に接続又は連結されている一群のアレイ素子を記述するために使用されている。そのような接続又は連結は行及び列のカーテシアン配列(Cartesian
array)の形式であってもよいが、本発明はその例に限定されない。本願では、非カーテシアン配列(non-Cartesian array)も想定されており、本発明の範囲に含まれている。従って「行」及び「列」は広義に解釈されるべきである。広く解釈することを促すため、「論理的に組織された行及び列」という表現が使用されてもよい。従って、「行」が円を表し、「列」が円の半径を表し、その円及び半径が「論理的に組織された」行及び列として記述されてもよい。これは、位相幾何学的又はトポロジ的に線が交わるように一群の画素が互いに接続又は連結されることを意味するが、物理的又は幾何学的な配置は必ずしもそうなっていなくてよい。本明細書を通じて、「水平」及び「垂直」という用語(「行」及び「列」という用語にそれぞれ関連する)は、座標系を提供するため及び単なる説明の簡明化のために使用されている。それらが装置の実際の物理的な方向を指していることは必須でない。

当業者に理解されるように、列及び行は、相互に可換であり、本願においてそれらの用語は可換であるように意図されている。物理的な方向とは別に、「列又はカラム」は画素のアレイにおける第1の方向を示し、その方向に沿って隣接する画素は、典型的には次のスキャン動作で読み出されるように配置される。「行」は第2の方向を示し、第2の方向に沿って隣接する画素は、典型的には同時に読み出されるように配置されている。行方向及び列方向(又はカラム方向)は異なる方向であり、例えば直交する方向である。

例えば、リセットラインや選択ラインのような画素アレイにおける様々なラインの具体的な名称は、説明を促すため及び特定の機能に言及するために使用される一般的な名称である。留意すべきことに、説明される具体的な構造の適切な理解を促すことのみのためにそれら全ての用語が使用されており、個々の言葉の選択は、如何なる方法によっても本発明を限定するように解釈してはならない。

＜具体的な説明＞
図3には本発明の実施の形態による撮像装置30が示されている。撮像装置30は、第1の動作モードの場合は画像の画素により取得された画像データを行毎に読み取り、第2の動作モードの場合は(リマッピング処理による)異なる行に属する複数の画素により取得されたデータを同時に読み取る。

この場合において、本発明の実施の形態による撮像装置30は、光、電磁波、放射又は輻射を検出するための画素32、40の配列又はアレイ31を有する。図3に示す実施の形態では、3×4の次元のn×m撮像装置が示されており、すなわち水平方向に3行及び垂直方向に4列のアレイが示されている。各々の行は、列の数より多くない(例えば、列の数に等しい)数の画素32、40を有し、図示の例では4つの画素を有する。各々の列は、行の数より多くはない(例えば、行の数に等しい)数の画素32、40を有し、図示の例では3つの画素32、40を有する。しかしながら、図3に示されている数は説明の簡明化のための一例にすぎない。実際の撮像装置では、多くの場合、アレイ31よりも多い数の行及び列があり、例えば800行×600列、1600行×900列、4000行×6000列等であるが、他の行/列の関係が使用されてもよい。実際の例では、約500000画素以上の画素32を有する撮像装置となる。6Mないし20M個の画素の撮像装置は本願出願時点においては希な又は卓越したものである。

画素のアレイ31に属する各々の画素32、40は行i及び列jに関連付けられている。「行i及び列jに関連付けられている」というのは、画素が行i及び列jの部分を形成していること、或いは行i及び列jに関連する画素がアレイ31の(i,j)の場所に位置することを意味する。アレイ31の(i,j)の場所にある画素はP_i,jにより表される。画素P_i,jが行及び列に関連付けられているだけでなく、列ライン又はカラムラインが列に関連付けられ、行ラインが行に関連付けられている。

従来の読み出し方の場合、画素P_i,jは、画素情報を出力するために、例えばトランジスタにより実現されるスイッチ33により、画素P_i,jに関連付けられている列jのカラムライン34jに接続可能である。1つの列jの中の画素P_i,j(i＝1，．．．，n)は各自のスイッチ33によりカラムライン34jに接続可能である。動作している間、列jに属する1つの画素P_i,jが読み出し時に選択され(読み出される行iに属するものが選択され)；行iに属する複数の画素も同時に選択され；(アレイに列がm個あった場合)これらの画素P_i,1，．．．，P_i,mの画素情報が、関連するカラムライン34₁，．．．，34_mに与えられ、カラムライン34₁，．．．34_mが読み出される。その情報の処理はアナログ領域、ディジタル領域又はそれら双方において実行可能である。

通常のセンサ動作の場合(例えば、静止画アプリケーション又はビデオアプリケーションの場合)、撮像装置30は行毎に順番に読み出される。これは、行iに属する全ての画素P_i,jが画素情報を各自が関連付けられているカラムライン34_jに与えられる。これらのカラムラインは並列的に又は同時に読み出されてもよい。従って、読み出し時等の場合に、別の行i＋1に属する全ての画素が各自のデータを各自が関連するカラムライン34_jに与える。

本発明の実施の形態によれば、アレイ31の特定の列jに属する少なくとも3画素、少なくとも4画素、少なくとも10画素、少なくとも12画素等のような少なくとも2つの画素の第1の群35(第1の画素群又は第1群の画素)が同時に読み出されることを可能にするように、アレイ31が形成されている。図3に示す実施の形態の場合、第1の群35はアレイ31の画素の内の右側の列により形成されているが；本発明はこの例に限定されない。同時に読み出されるべき列に属する第1の画素群35は、右側の列とは異なる別の列で提供されることが可能であり、及び/又は第1の画素群35は列に属する全ての画素P_i,jより少ないものとして規定されてもよい。

本発明の実施の形態による適合画素(adapted pixel)40は、少なくとも3画素、少なくとも4画素、少なくとも10画素、少なくとも12画素等のような少なくとも2つの画素の第1の群35に属する画素であり、適合画素40には例えば切り替え可能なデータ経路又はデータパス41が与えられ、データ経路41は、画素40の行に関連付けられている水平行バス(horizontal
row bus)に画素情報を転送するように意図されており、画素情報を読み出す際に通常使用されるラインである垂直カラムラインには転送しないように意図されている。最終的に、垂直カラムライン34₁，．．．，34₃は第1の画素群35に属する画素の画素情報を同時に読み出すために使用されるが、第1の画素群35に属する様々な画素の画素情報は水平行バスを介して複数の垂直カラムライン34₁，．．．，34₃に転送される。データ経路41は、列選択スイッチを含む又はから成る切り替え可能なデータ経路であってもよい。

図4には、切り替え可能なデータ経路が設けられた本発明の実施の形態による4T画素40の具体例が示されている。画素40は例えば図示の例ではピンフォトダイオード(pinned
photodiode：PPD)であるフォトレセプタ(受光器又は光受信器又は光検出器)42を有し、フォトレセプタ42は入射光を電荷に変換する。更に、画素40は、フォトレセプタ42で生成された電荷を検出ノード48に転送するサンプルホールドトランジスタ43と、検出ノードを初期値にリセットするリセットトランジスタ44と、検出ノード48の電圧を蓄積又はバッファリングするソースフォロワトランジスタ45と、ソースフォロワトランジスタの出力電圧をカラムライン34に与える選択トランジスタ46と、データパス41とを有し、データパス41はソースフォロワトランジスタの出力電圧を行バスライン50に与える別の選択トランジスタ47を有する。

フォトレセプタ42はグランド(接地)とサンプルホールドトランジスタ43のソースとの間に接続されている。サンプルホールドトランジスタ43のゲートは転送ラインTXに接続され、サンプルホールドトランジスタ43のドレインはリセットトランジスタ44のソース及びソースフォロワトランジスタ45のゲートに接続されている。リセットトランジスタ44のドレインは電源供給ラインVDDに接続されている。リセットトランジスタ44のゲートはリセットラインRSTに接続されている。ソースフォロワトランジスタ45のドレインも電源供給ラインVDDに接続されている。ソースフォロワトランジスタ45のソースは選択トランジスタ46のドレインに接続されている。選択トランジスタ46のゲートは行選択ラインRSに接続されている。選択トランジスタ46のソースはカラムラインOUTに接続されている。

リセットトランジスタ44は検出ノード48の電圧をリセットするのに使用される。サンプルホールドトランジスタ43はフォトレセプタ42の電荷を転送するのに使用される。ソースフォロワトランジスタ45は検出ノード48からの信号を受信して増幅する。選択トランジスタ46は読み出しの際に画素40を選択するために使用される。

本発明の実施の形態では、画素40に補助的なデータパス41が設けられ、データパス41はソースフォロワトランジスタ45のソースに接続さている。この補助的なデータパス41は水平行バスライン60に接続されるように形成され、画素40が適切に活性化される又はアクティブにされる場合に、画素情報が水平行バスライン60に転送されるようにする。本発明の特定の実施の形態では、補助的なデータ経路41にはカラム選択スイッチ47が設けられている。カラム選択スイッチ47がONに切り替わると、ソースフォロワトランジスタ45のゲート容量にある画素情報が、画素40の補助的なデータ経路41が接続されている行バスライン60に転送される。上記の例は特定のタイプの4T画素として示されているが、本発明はその例に限定されない。本発明の実施の形態は3T画素、5T画素又はその他の画素のような他のタイプの画素を含む(ただし、画素情報が水平バスラインに転送されるように、それらの画素が水平行バスラインに接続されているものとする)。

図5は本発明の実施の形態によるアレイ31の一部分を示す。大きなアレイのうちの2つの行及び3つの列が示されている。右側の列に関連する画素は本発明の実施の形態による画素40であり、画素情報を行バスラインに提供する補助的なデータ経路41が備わっていることが、図5から分かる。しかしながら本発明は同時に読み出されるように形成されている右列に属する第1の画素群の例に限定されない；本発明の実施の形態による補助的なデータ経路41と共に第1の画素群は任意の列に属していてもよく、たとえ複数の列に分散していてもよい。

動作時にあっては、図6の例に図示されているように、先ず、特定の行に属する全ての画素がリセットされている。これは、特定の行に関連付けられているリセットラインRST及び転送ラインTXをハイレベル(例えば、VDDに等しいレベル又はVDDより高いレベル)に設定することで行われる。リセットラインRSTをハイレベルに設定するとリセットトランジスタ44がオン(on)になり、転送ラインTXをハイレベルに設定するとサンプルホールドトランジスタ43がオン(on)になり、これによりフォトレセプタ42に印加される電圧を一定の初期値に設定する。

次に、リセットラインRST及び転送ラインTXをローレベル(例えば、接地レベル)に設定し、これにより、リセットトランジスタ44をオフ(off)にし、サンプルホールドトランジスタ43もオフ(off)にし、蓄積期間(integration
phase)を開始する。リセットラインRST及び転送ラインTXがローレベルである間、画素40はフォトレセプタ42に集まった光を蓄積又は総合し、フォトレセプタ42はリセットレベルから減少方向に放電する。蓄積期間の終わりに、リセットラインRSTは再び活性化又はアクティブにされ、リセットトランジスタ44により検出ノードをリセットする。リセットトランジスタ44を閉じた後、検出ノードに生じている電圧がアナログ領域でサンプリング又は取得され、保存される。次に、転送ラインTXがハイレベルに設定され、光生成情報の読み出し期間を開始する。転送ラインTXをハイレベルにすることは、サンプルホールドトランジスタ43をオンにし、フォトレセプタ42に生じている電荷が、ソースフォロワトランジスタ45のゲートに接続されているノードの寄生容量に移されることを引き起こす。転送ラインTXがローレベルに設定されると、これにより、サンプルホールドトランジスタ43はオフになる。ソースフォロワトランジスタ45により生じた電圧がアナログ領域で改めてサンプリング又は取得され、保存される。

図6に示されている動作状態は単なる一例にすぎず、本発明を限定することは意図されていないことが、当業者に自明である。異なる画素が異なる動作原理を有するかもしれないが、特定の画素でさえ異なる動作モードを有してよい。

アレイの行に属する画素の画素情報の一般的な読み出しの場合、行選択ラインRSがハイレベル(例えば、VDD)に設定され、そのラインの画素情報を読み出すために、その行に属する各々のソースフォロワトランジスタ45を関連するカラムラインに接続する。

しかしながら、本発明の実施の形態では、ある列の第1の画素群に属する少なくとも2つの画素(例えば、少なくとも3画素、少なくとも4画素、少なくとも10画素、少なくとも12画素)の画素情報をできるだけ速やかに読み出すことが望まれる。これらの画素は例えば着目画素又はフォーカス画素(focus
pixel)と言及され、ディジタルカメラのような画像処理装置が着目しているか否かを判定することを支援する。

ここで、図5に示す例を考察する。この例では、右側の列が同時に読み出されるべき第1の画素群35を含み、右側の列を選択している列選択ラインCSが、或いは一般的に言えば、本発明の実施の形態により第1の画素群35の画素情報が同時に読み出されるべき列を選択している列選択ラインCSが、ハイレベル(例えば、VDD)に設定される。これを行うことで、第1の画素群の画素情報は関連付けられている行バスラインに与えられ、これは、第1の画素群35に属する複数の画素の画素情報の各々が個々の行バスラインに与えられることを意味する。第1の画素群35の中の第1の画素の画素情報は、その第1の画素が関連付けられている第1の行に関する第1の行バスラインに与えられ、第1の画素群35の中の第2の画素の画素情報は、その第2の画素が関連付けられている第2の行に関する第2の行バスラインに与えられ、以下同様であり、この場合において第1の行バスライン及び第2の行バスラインは物理的に異なる行バスラインである。

第1の画素群35に属する各々の画素P_i,x(xは第1の画素群35の列を表す)には特定の行iが関連付けられている。第1の画素群35に属する各々の画素P_i,xに関し、関連する特定の行iにおいて、特定の列(j≠x)にある転送画素36が設けられ、転送画素36はi番目の行バスラインにある画素情報を特定の列jに転送するように形成されている。異なる行バスラインに関連する転送画素36は異なるカラムラインに関連付けられている。これは、第1の行及び第1の列に関連する転送画素36が、第1の行バスラインに生じている画素情報を第1の列に関連するカラムラインに転送するように形成されていることを意味する。第2の行及び第1の列とは異なる第2の列に関連する転送画素36は、第2の行バスラインに生じている画素情報を第2の列に関連するカラムラインに転送するように形成されている。以下同様である。

P_k,lで指定される転送画素36は、具体的には、データ経路50と共に、関連するk番目の行バスラインと関連するi番目のカラムラインとを接続するように形成される。データ経路50は選択可能なデータ経路であり、例えば列選択トランジスタ51により与えられるデータ経路である。そのような列選択トランジスタ51は列選択ラインCSにより駆動され、列選択ラインCSは、関連するカラムラインに画素情報が与えられるようにデータ経路を導通させるためにハイレベル(例えば、VDD)に設定される。列選択ラインは、第1の画素群35に属する画素40の補助的なデータ経路41をオンにして切り替える列選択ラインと同じであってもよい。これは有利なことに、第1の画素群35に属する画素の画素情報が関連する行バスラインに転送される場合に、対応する転送画素36が自動的にオンに切り替わり、画素情報を行バスラインから関連するカラムラインへ転送できる。

図5に示す実施の形態の場合、第1の画素群35に属する画素40には、選択トランジスタ46及び別の選択トランジスタ47が備わっている。別の選択トランジスタ47は、第1の画素群35に属する画素の画素情報を、第1の画素群35に属する画素40が関連している列とは異なる列に関するカラムラインに転送する一方、選択トランジスタ46は関連するカラムラインを通じて画素40の通常の読み出しを可能にする。特定の実施の形態において、例えば第1の画素群35が着目画素(focus
pixels)であった場合、その着目している情報を可能な限り速やかに取得することが望まれる。従って、これらの画素の同時読み出しが常に望まれ、これらの画素の後続の読み出しは必要ない。そのような場合、選択トランジスタ46はそのままにされ、本発明の実施の形態による同時読み出しのためのデータ経路41のみが設けられる必要がある。

図7は、ある列に設けられかつ同時に読み出されるべき第1の画素群35の画素情報に何が起こるかを概略的に示しており：画素情報は、ある行にある第2の画素群に関連するカラムラインに転送され、画素情報は1つのラインの1回の読み出し動作で読み出されることができる。矢印は、ある特定の列の情報がどのようにして行情報に移されるかを示す。

4000行及び6000列を有する撮像装置に関する上記の例の場合、第1の画素群に属する複数の画素についての読み出し時間は、200msではなく0.05msに等しいことになる。

本発明の実施の形態は、1ライン時間に列全体を読み出すこと、1ライン時間に一部の列を読み出すこと、1ライン時間に複数列の複数の部分を読み出すこと等に適用できる。選択的に、複数の列の複数の部分が1つより多いライン時間の間に読み出されてもよいが、本発明の実施の形態によれば、複数の列の複数の部分に含まれている多数のラインを従来方式で読み出すのに必要な時間よりも短い時間で読み出すことができる。

原則として、1つの行に属する全ての画素が列情報を転送するのに利用可能である。本発明の実施の形態のアイディアに関する制限は1つの行の画素の利用可能性に関連し：ある列の中にありかつ同時に読み出される必要が或る画素数と少なくとも同数の画素が、1つの行の中でデータ転送に利用可能でなければならない。本発明の実施の形態による解決手段は配線で接続されている(hardwired)。読み出される必要のある列の場所を変更/選択することは許容されない。

本発明の実施の形態による画素、アレイ及び方法の応用例は、例えば、画総センサのアクティブ領域の中で分散した着目画素を有していない画総センサと共に与えられる。完全な画像ではなく着目した情報を取得する場合、その画像を取得するまでの時間は1つ又は高々数個のライン時間まで短縮できる。一例として、着目画素は複数列及び複数行に存在してもよい。そのような例は図8に示されており、着目画素が、影付きの画素で示されている或る列(の一部分)及び影付きの画素で示されている或る行(の一部分)の画像にわたって分散している。列(1つ以上)は、本発明の実施の形態により1つ以上の行の読み出しにより得られる。図示の例の場合、その列の着目画素の読み出しは、1行の読み出しに変換される。行の中の着目画素の読み出しは1行の読み出しによって実行されてもよい。従って、図示の例において、本発明は、その例に限定されず、例えば2つのラインを読み出すのに必要とされてもよく；より一般的には数本のライン(例えば、10ライン)の読み出しが必要とされてもよい。

図9には別の例が示されており、同時に読み出されるべき画素40が複数の行及び列に分散されている。同時に読み出されるべき画素40は図9において影が付されている。画素情報を行バスラインに転送するようにそれぞれ形成されている全ての画素40に関し、対応する画素36が同じ行に設けられており、画素36は行バスラインからの情報を取得しかつそれを読み出すためにカラムラインに与える。このように、アレイの中での画素40の配置又はレイアウトに依存して、これらの画素は、本発明の実施の形態により1回又は数回のライン読み出し動作で読み出すことが可能である。

有利なことに、本発明の実施の形態では、追加的な新たな水平バス(いわゆる行バス)は一切必要ない。この目的のために、既に利用可能になっているリセットラインを使用できるからである。しかしながら、代替実施形態では、専用の行バスが設けられてもよい。

外部水平ラインが新たなバスとして追加される場合、行−列スイッチは短絡回路で置換可能である。しかしながらこの解決手段の欠点は通常の画素のバス容量を増やしてしまうことである。別の制限は、この例の場合、既存のリセットラインが行バスを置換するために使用できないことである。

以上、本発明は図面及び詳細な説明により説明及び記述されてきたが、そのような説明及び記述は単なる例示又は具体例として考察されるべきであり、限定ではない。上記の説明は本発明の所定の実施形態を詳細に論じている。しかしながら、上記の説明がどのように詳細に論じられていたとしても、本発明は様々な方法で実施されてよいことが、理解されるであろう。本発明は開示された実施の形態に限定されない。

30 撮像装置
31 アレイ
32、40 画素又はピクセル
33 スイッチ
34 カラムライン
35 画素群
36 同一行にありかつ異なる列にある画素
41 データ経路
P_i,j 画素

Claims

光を検出する複数の画素を有するアレイであって、
前記画素は行列形式に論理的に並べられ、
当該アレイは画素値を行毎に読み出すように形成され、
当該アレイは当該アレイに属する異なる行にある第1の画素群を有し、該第1の画素群は1つより多い画素を含み、
前記第1の画素群に属する画素の各々は、各自の画素情報を水平行バスラインに移す切替可能なデータ経路を有し、
前記第1の画素群に属する画素の各々は、同じ行に属するが異なる列に属する別の画素に関連付けられ、該別の画素は、前記水平行バスラインにある前記画素情報を前記別の画素に関連付けられているカラムラインに与えるように形成され、
前記第1の画素群に属する複数の画素に対する前記別の画素は全て異なる列にあるように選択されている、アレイ。
前記第1の画素群は前記アレイの1つの列に属する複数の画素を含む、請求項1に記載のアレイ。
前記水平行バスラインは水平リセットラインである、請求項1又は2に記載のアレイ。
前記別の画素に、前記水平行バスラインと前記別の画素が関連付けられている列バスとの間を接続する切り替え可能な経路が設けられている、請求項1-3の何れか1項に記載のアレイ。
前記切り替え可能な経路にスイッチが設けられている、請求項4に記載のアレイ。
前記第1の画素群が着目画素を含む、請求項1-5の何れか1項に記載のアレイ。
請求項1-6の何れか1項に記載の画素のアレイを有する撮像装置。
画素アレイに属する少なくとも2つの異なる行にある第1の画素群の画素情報を転送する方法であって、前記画素アレイは論理的に行列形式に並べられた複数の画素を有し、前記第1の画素群に属する画素の各々は、行バスラインに関連付けられかつ同じ行に属するが異なる列に属する別の画素に関連付けられ、当該方法は、
前記第1の画素群に属する画素各々の前記画素情報を対応する行バスラインに転送するステップと、
前記行バスラインにある前記画素情報を、同時に読み出すために、前記第1の画素群に関連付けられている前記別の画素のカラムラインに転送するステップと
を有する方法。
前記行バスラインに転送するステップにおいて、前記画素情報をリセットラインに転送する、請求項8に記載の方法。
前記カラムラインに転送するステップにおいて、前記行バスライン及び前記カラムラインの間の選択可能な経路を閉じる、請求項8又は9に記載の方法。
前記第1の画素群に属する各々の画素の画素情報を同時に読み出すステップを更に有する請求項8-10の何れか1項に記載の方法。