JP5631555B2 - イメージセンサ及びその読出システム - Google Patents

Description

本発明は、オフィス環境用のディジタル文書スキャナやディジタルカメラ等で使用されるイメージセンサ及びその読出システムに関する。

イメージセンサアレイはディジタル文書スキャナやディジタルカメラで使用されるデバイスであり、通常、複数個のフォトサイトからなるリニアアレイとして構成されている。撮影したい画像又は文書上の画像をこのフォトサイトリニアアレイでラスタ走査すると、各フォトサイトで捉えられた微視的領域内の画像が画像信号電荷に変換される。その画像信号電荷は所定期間に亘る積分（蓄積）で増幅され、それにより得られた画像信号が、複数個設けた多重化トランジスタの順次作動によって共通の出力ライン乃至バス上に送出される。

フォトサイトリニアアレイ形成記述としては、現在、大別して二種類の基本技術が採用されている。ＣＣＤ（電荷結合デバイス）技術とＣＭＯＳ（相補型金属−酸化物−半導体）技術である。ＣＭＯＳの場合、その上への光入射に応じ電荷を出力するフォトダイオードで個々のフォトサイトを形成する。画像を走査する際には、走査サイクル毎に所定の順序及びタイミングでバイアス及びリセット電荷を印加する。本願出願人を譲受人とする米国特許（特許文献１）等の従来技術では、ＣＭＯＳイメージセンサ内のフォトサイトから画像信号電荷を二段階転送する回路が採用されている。

米国特許第５０８１５３６号明細書 米国特許第５１０５２７６号明細書 米国特許第５１４８２６８号明細書 米国特許第５４９３４２３号明細書 米国特許第５６５４７５５号明細書 米国特許出願公開第２００５／００９４２２２号明細書（Ａ１）

光感知デバイスの実用に当たってはノイズへの対策が肝要である。画像信号出力品質に悪影響を及ぼす主要なノイズとしては、固定パターンノイズ及びサーマルノイズの二種類がある。そのうち固定パターンノイズは、個々のフォトダイオード及びその周辺回路の特性がデバイス毎に若干異なり、そのデバイス間特性ばらつきによって出力信号中にノイズが現れる、という現象である。それによって発生する出力信号歪はデバイス毎に一定パターンであり、またどの周辺回路を通り抜けたビデオ信号であるかによって異なるパターンになる。他方のサーマルノイズは、導体内の電子がランダムに熱運動し、その結果個々の回路の出力に経時変動が現れる、という現象である。

ここに、本発明の一実施形態に係るイメージング装置は、第１フォトダイオードと、第１フォトダイオードに接続された第１積分増幅器と、第１積分増幅器を介した第１フォトダイオードからの電荷移動を制御するため第１フォトダイオードに随時接続される第１リセットコンデンサと、第１積分増幅器より下流にある第１ＣＤＳコンデンサと、第１ＣＤＳコンデンサより下流でホールドノードを形成するホールドコンデンサと、ホールドノードから所定タイミングで信号を読み出す画素増幅器であってそのモードをスタンバイモード、パワーモード及びパワーオフモード間で切替可能な画素増幅器と、を備える。

フォトダイオード及びそれに付随する読出回路をフォトサイト１個分示す図である。 図１に示した回路の１サイクル分の動作を示すタイミングチャートである。 フォトダイオード及びそれに付随する読出回路をフォトサイト複数個分示す図である。

図１に、本発明の実施形態に係るイメージング装置、特にそのフォトサイト１個分の回路を示す。この回路のうち符号１０で括られているのは、１個のフォトセンサ及びそれに付随する読出回路から構成されるフォトサイトである。そのフォトセンサとしては、露光環境下で受光し電荷を発生させるフォトダイオード２０が用いられている。また、そのフォトダイオード２０には積分増幅器２２及び積分コンデンサ（リセットコンデンサ）２４が接続されている。リセットスイッチ（ＲＸ）２６は、ハイレベル信号印加を受けてコンデンサ２４の両端を短絡させることで、ダイオード２０からの電荷移動を制御する。更に、増幅器２２、コンデンサ２４及びＲＸ２６は、読出値リセットスイッチ（ＰＤＸ）２８を介し、その下流の相関二重サンプリング（ＣＤＳ）コンデンサ３０に直列接続されている。そのコンデンサ３０の他端は、第２リセットスイッチＲ２Ｘ（図中Φ_R2Xで制御されているスイッチ）を介し、所定値の基準電圧Ｖ_RDを随時印加するための外部タップに接続される一方、増幅器３２及びホールドスイッチ（ＨＸ）３４を介し、その下流にあるホールドコンデンサ３６によって形成されたホールドノードにも接続されている。ビデオライン上への信号送出（読出）は、本願では画素増幅器３８を介して行われている。後に別の実施形態として説明する通り、フォトサイト１０を複数個設ける場合は、同一のホールドノード及び増幅器３８をフォトサイト間で共有することもできる。そして、図示の増幅器３８に対しては、その制御電圧としてスタンバイ入力Φ_STBY及び画素入力Φ_PIXELの二種類が供給されている。電圧Φ_PIXELの方が電圧Φ_STBYよりハイパワーである。

図２に、図１に示した回路の１サイクル（Φ_F１周期分）分の動作タイミングを示す。以下の説明及び各図中、Φ_RX、Φ_PDX、Φ_R2X及びΦ_HXは、その添え字で表されるフォトサイト構成部材に対しこの制御システムで印加される制御電圧、Φ_Sはクロック電圧である。

まず、図２中の期間Ａでは、ＲＸ２６に電荷を供給して積分コンデンサ２４の両端を短絡させる。すると、フォトダイオード２０内の電荷が積分増幅器２２を巡って流れ出す。ただ、電圧Φ_PDXがローレベル（ＰＤＸ２８が非導通状態）であるのでＣＤＳコンデンサ３０への電荷流入には至らない。従って、この段階では、ダイオード２０内の電荷が皆リセットされ、増幅器２２内に閉じこめられて“暗電圧”を発生させる。なお、コンデンサ２４の静電容量は例えば約９ｆＦとする。

その次の期間Ｂでは、ＰＤＸ２８に電荷を供給し電圧Φ_PDXをハイレベル（Ｖ_DD）に上昇させることによって、積分増幅器２２からＣＤＳコンデンサ３０の一端（向かって左側の電極）へと暗電圧を印加させる。また、それと同時にＲ２Ｘへの印加電圧Φ_R2Xをハイレベルに上昇させることによって、所定値の基準電圧Ｖ_RDをコンデンサ３０の他端（向かって右側の電極）に印加させる。従って、コンデンサ３０の両端間には、増幅器２２からの暗電圧（サーマルノイズ成分込み）−基準電圧Ｖ_RD、という値の電圧が現れる。コンデンサ３０の静電容量は例えば０．２７５ｐＦとする。

その次の期間Ｃでは、その受光によってフォトダイオード２０内に電荷を発生させ、その電荷を蓄積（積分）させる。この期間Ｃの長さは、積分増幅器２２の出力中に有用な信号が現れるよう設定しておく。その次の期間Ｄでは、電圧Φ_STBYを上昇させる（画素増幅器３８をパワーオフモードからスタンバイモードに切り替える）と共に、電圧Φ_PIXEL及びΦ_HXを上昇させる。すると、ＣＤＳコンデンサ３０からホールドコンデンサ３６に至る経路に電流が流れ始める。その一部は積分コンデンサ２４を通ったものであるが、増幅器２２の入力インピーダンスが高いためコンデンサ２４経由の電流はダイオード２０で発生した信号に限られ、コンデンサ３０は増幅器２２の出力によって電流的に駆動される。その結果として増幅器３２から得られる出力電圧の値は、信号電圧値−暗電圧値＋基準電圧Ｖ_RDとなる。当該信号電圧値は、ダイオード２０に流れる電流×積分時間／コンデンサ２４の静電容量で決まる。暗電圧値はそのダイオード２０の受光・電荷発生特性を反映している。

こうしたＣＤＳコンデンサ３０経由読出によれば、コンデンサ３０の左端電位を信号電圧値＋暗電圧値に保ちながら、同コンデンサ３０の右端電位を基準電圧Ｖ_RD＋暗電圧値に保つことができる。即ち、電圧Ｖ_RD印加側電極の電位を電圧Ｖ_RD＋暗電圧値に保つことで、暗電圧分を減ずること即ち固定パターンノイズをキャンセルすることができる。この手法はコンデンサ３０上での“相関二重サンプリング”として知られている。

期間Ｅでは、ＰＤＸ２８上の電圧Φ_PDXはローレベルに下がるがＨＸ３４上の電圧Φ_HXはハイレベルを保つので、ＣＤＳコンデンサ３０から増幅器３２を介しホールドノードに信号電圧が加わり、その電圧がそのノード上のホールドコンデンサ３６によって保持されることとなる。ＨＸ３４上の電圧Φ_HXは、電圧転送時過渡現象を排除できるよう、十分長くハイレベルに保つようにする。

期間Ｆでは、その持続時間が比較的短い画素パルスを電圧Φ_PIXELとして印加することで、画素増幅器３８をパワーオフモードからハイパワーモードへと所定タイミングで遷移させ、それによってホールドノード上のコンデンサ３６からビデオライン上への信号読出を行わせる。電圧Φ_PIXEL用のラインは、例えばチップ上或いは装置内にある複数個の増幅器３８を個別にアドレッシングできるように設けるとよい。これに対し、電圧Φ_STBY用のラインは、例えばチップ上或いは装置内にある全増幅器３８に共通接続するとよい。増幅器３８の出力端に現れる電圧が、スタンバイモードで例えば１０μＡ、ハイパワーモードで例えば１ｍＡなら、その比は１：１００となる。チップ上或いは装置内にある全増幅器３８を順繰りに作動させるにはシフトレジスタを用いればよい。

このように、本実施形態に係る装置及びシステムによれば、固定パターンノイズ分に相当する暗電圧を単一のＣＤＳコンデンサ３０上で減じ、信号電圧を残してホールドコンデンサ３６で保持させているため、相関処理（ＣＤＳ）された信号をその画素増幅器３８でまたその増幅器３８のセトリング時間１周期に相応する期間で読み出すことができる。これは、特許文献６（発明者：Ｔｓｅｎｇ）記載のシステムと対照的である。まず、特許文献６記載のシステムでは、第１ホールドコンデンサから信号電圧を読み出した後、第２ホールドコンデンサから暗電圧を読み出し、読出毎にそれらのコンデンサをリセットしなければならない。これに対し、本実施形態では、ホールドコンデンサが１個（３６）であるので１画素当たり読出所要時間及びホールドコンデンサリセット頻度が、特許文献６記載のシステムの半分で済む。また、特許文献６記載のシステムでは、ホールドコンデンサを２個使用しているため１サイクル中にコンデンサ２個分のサーマルノイズ（ｋＴ／Ｃノイズ）が発生するが、本実施形態では１個分しか発生しない。更に、特許文献６記載のシステムではその転送動作中にビデオ用増幅器の出力が完全にオフになるが、本実施形態ではその転送動作中に増幅器３８がスタンバイモードになるにとどまる。特許文献６記載のシステムにて、画素読出のオン期間中に第１及び第２ホールドコンデンサをリセットするのは、フローティングノードが発生して不均一化現象及び遅延効果が発生することを防ぐためである。これに対し、本実施形態では、スタンバイモードであるため内部モードが不定にならず、増幅器３８におけるフローティングノードの内部発生やそれによる画素間オフセットが発生しない。従って、本実施形態では、リセット及び読出を信号電圧，暗電圧それぞれについて行わねばならない特許文献６記載のシステムに比べ、画素読出速度が倍になる。

また、前掲の特許文献４に記載の増幅器も読出サイクル中の一時期にスタンバイモードになるが、そのリセット時静電容量が小さくいため、本実施形態のように大きめのホールドコンデンサを伴う増幅器では使用できないことが、一見して明らかである。具体的には、本実施形態におけるホールドコンデンサ３６の静電容量は例えば約０．２７５ｐＦ、画素増幅器３８の入力静電容量は例えば約０．０２ｐＦであり、その比が約１０：１と大きくなっている。一般的には、ホールドコンデンサの静電容量は理想的なホールドコンデンサとして機能する程度の大きさに止める一方、ホールドされている電圧にあまり影響が出ないようその接続先の増幅器の入力静電容量はあまり大きくしないものであるが、例えば図１に示した実施形態ではその逆をいっている。即ち、本実施形態では、そのコンデンサ３６の静電容量が大きいため、画素増幅器３８からコンデンサ３６への結合度が、前回読み出した画素値で変化する。また、スタンバイ中にデータが転送されなかった増幅器３８を完全にオフさせると、その内部ノードにフローティング、ドリフト又はブリードダウンが生じることがあり、それによっても当該結合度が変化する。本実施形態では、こうした可変結合によって、その出力レベルに暗電圧変動遅延効果を持たせている。即ち、約１０：１というホールドコンデンサ静電容量対画素増幅器入力静電容量比にすることで、少なくとも幾ばくかは、現実的で低ノイズなシステムとなる。

図３に、複数個のフォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを単一のホールドコンデンサ３６及び画素増幅器３８に出力する手法の例を模式的に示す。例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の各基本色毎に１個ずつ、都合３個のフォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂを（対応する半透明フィルタと共に）用い、ＲＧＢ三色からなる画像を走査する場合、それらのフォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ間の接続は、特許文献３記載のそれと概ね同様でよい。

図示例の場合、同一の画素増幅器３８につながる複数個の複数個のフォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ間で、その回路並びにクロック、制御乃至駆動信号をほぼ同形態（レプリカ）にしているため、複数個の画素乃至複数本のカラーローの高速読出を当該共通の増幅器３８で行うことができる。加えて、対応する基本色が異なる複数個のフォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ間でクロック、制御乃至駆動信号を互いにレプリカにしてあるので、その基本色毎に異なる積分時間を好適に鼎立させやすい。即ち、仮に多数のフォトサイトを単一のホールドノードに接続するのであれば、ホールドノードにおける信号電荷保持期間が、その転送元たるフォトダイオード毎に異なるタイミングとなるよう、それら多数のフォトサイトの動作をうまく調整、協調化しなければならない。これに対し、本実施形態では、フォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから転送されてくる信号を共通のホールドノードで保持させるのに、その転送タイミングを基本色間で別々にするだけでよいので、フォトサイト１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂそれぞれに対する積分時間の個別設定及び制御に、大きな自由度乃至幅が生まれる。

１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ フォトサイト、２０ フォトダイオード、２２ 積分増幅器、２４ 積分コンデンサ、２６ リセットスイッチ（ＲＸ）、２８ 読出値リセットスイッチ（ＰＤＸ）、３０ 相関二重サンプリング（ＣＤＳ）コンデンサ、３２ 増幅器、３４ ホールドスイッチ（ＨＸ）、３６ ホールドコンデンサ、３８ 画素増幅器、Ａ〜Ｆ サイクル内期間、Ｖ_DD，Ｖ_RD，Φ_RX，Φ_PDX，Φ_R2X，Φ_HX，Φ_S，Φ_F フォトサイト制御／駆動電圧、Φ_PIXEL，Φ_STBY 画素増幅器制御電圧。

Claims (5)

1. 第１フォトダイオードと、
   第１フォトダイオードに接続された第１積分増幅器と、
   第１積分増幅器を介した第１フォトダイオードからの電荷移動を制御するため第１フォトダイオードに随時接続される第１リセットコンデンサと、
   第１積分増幅器より下流にある第１ＣＤＳコンデンサと、
   第１ＣＤＳコンデンサより下流でホールドノードを形成するホールドコンデンサと、
   ホールドノードから所定タイミングで信号を読み出す画素増幅器であってそのモードを、前記第１積分増幅器から出力される信号電圧値と暗電圧値との和から暗電圧を除去した電圧を前記第１ＣＤＳコンデンサに保持する状態であるスタンバイモード、前記画素増幅器に電源電圧を印加して、前記ホールドコンデンサの端子電圧を増幅して出力する状態であるハイパワーモード及び前記画素増幅器に電源電圧を印加せず、前記ホールドコンデンサの端子電圧を出力しない状態であるパワーオフモード間で切替可能な画素増幅器と、
   を備えるイメージング装置。
2. 請求項１記載のイメージング装置であって、更に、暗電圧に所定の基準電圧を加えた電圧をＣＤＳコンデンサ上に閉じこめる制御システムを備えるイメージング装置。
3. 請求項２記載のイメージング装置であって、その制御システムが、第１積分増幅器からＣＤＳコンデンサへと電圧を送り、その電圧から暗電圧及び基準電圧を実質的に差し引かせることで、信号電圧を残存させるイメージング装置。
4. 請求項２記載のイメージング装置であって、その制御システムが、ホールドノード上にその信号電圧を保持させるイメージング装置。
5. 請求項１記載のイメージング装置であって、更に、
   第２フォトダイオードと、
   第２フォトダイオードに接続された第２積分増幅器と、
   第２積分増幅器を介した第２フォトダイオードからの電荷移動を制御するため第２フォトダイオードに随時接続される第２リセットコンデンサと、
   第２積分増幅器より下流にある第２ＣＤＳコンデンサと、
   を備え、ホールドコンデンサが、第２ＣＤＳコンデンサより下流でホールドノードを形成するイメージング装置。

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