(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス画像センサにおける画素（ＰＩＸ）を読み出すための方法であって、前記画素が、前記画素によって受信された光レベルを表す電圧レベル（Ｖｃｏｌ）を列導体（ＣＯＬ）に供給し、前記読み出し方法が、前記列導体から受信された前記電圧レベルと線形アナログ電圧ランプとの比較器（ＣＭＰ）による比較と、ランプ開始の瞬間（ｔｉ）と前記比較器の出力のトグリングの瞬間（ｔｂ）との間のクロックパルスのカウンティングとを含むランプ型コンバータによるアナログ−デジタル変換とを含む、方法において、
前記出力がトグルしなかった場合の高い光レベル（ＨＬ）又は前記出力がトグルした場合の低い光レベル（ＬＬ）間を区別するために、且つ第１又は第２の変換モードにそれぞれ従って前記電圧レベルを変換するために、前記ランプ開始の瞬間（ｔｉ）後の所定の時間（ｔｄ）後に前記比較器の前記出力の前記トグリングを検出する段階を含み、
−  前記第１の変換モードが、高い光レベルの変換を可能にする名目期間（ｄｎ）のランプ（ＲＭＰｎ）を用いる、名目変換時間窓（ＦＣＯＮＶ）中のカウンタによる単一のカウンティングを含み、
−  前記第２の変換モードが、前記名目変換時間窓の前記期間にわたる縮小された期間（ｄｒ）のｎ連続ランプ（ＲＭＰｒ）の確立と、各ランプ用に、前記ランプの前記開始と前記比較器の前記出力の前記トグリングとの間の前記カウンタによるカウンティングと、ｎカウンティングの結果の合計とを含み、ここで、ｎが１を超える整数であることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記検出段階が、前記名目変換時間窓における前記電圧レベルの前記アナログ−デジタル変換と並列に実行され、且つ名目期間の前記電圧ランプで開始し、及び前記比較器の前記出力が決定段階の終わりの前にトグルする場合に、名目期間（ｄｎ）の前記電圧ランプが、前記縮小された期間（ｄｒ）後に中断され、且つ前記ｎ連続ランプの第１のランプを構成する、請求項１に記載の読み出し方法。
【請求項３】
前記マトリックス画像センサの画素の各列に固有のカウンタを用いる、請求項２に記載の読み出し方法において、前記第２の変換モードにおいて、前記カウンティングが、ゼロにリセットした後で、縮小された期間の前記ｎ連続ランプの第１のランプで開始し、且つゼロにリセットせずに、縮小された期間のｎ−１の後続のランプのそれぞれで再開し、前記カウンタが、前記ｎカウンティングの蓄積による前記合計の結果を出力として供給することを特徴とする、方法。
【請求項４】
前記画素が、前記光レベルによって発生された電荷を受信する前に再初期化される電荷蓄積ノード（ＮＤ）を含み、前記方法が、再初期化レベルの第１の変換、前記画素によって受信された前記光レベルを表す有用なレベルの第２の変換、及び前記２つの変換の結果の減算を含む、請求項３に記載の読み出し方法において、高い光レベルに対応する有用なレベルの場合に、前記第２の変換モードに従って実行される前記再初期化レベルの前記変換の結果が、前記有用なレベルの前記変換の結果の減算の前にｎで除算されることを特徴とする、方法。
【請求項５】
前記検出段階が、前記アナログ−デジタル変換の前に実行され、且つ前記電圧レベルと名目電圧期間ランプとの比較、及び前記ランプ開始の瞬間（ｔｉ）後の所定の瞬間（ｔｒ）における前記比較器の前記出力の状態の検出を含む、請求項１に記載の読み出し方法。
【請求項６】
前記画素が、前記光レベルによって発生された電荷を受信する前に再初期化される電荷蓄積ノード（ＮＤ）を含み、前記方法が、再初期化レベルの第１の変換、前記画素によって受信された前記光レベルを表す有用なレベルの第２の変換、及び前記２つの変換の結果の減算を含む、請求項５に記載の読み出し方法において、前記減算が、
−  カウンティングモードへの、再初期化レベルの１つずつの前記第１の変換用に、及び次に、
−  対応する決定段階の結果（ＬＬ−ｅｎ）の関数として、ゼロへのリセットなしに且つ１つずつ又はｎずつのカウントダウンを用いる、カウントダウンモードへの前記有用なレベルの前記第２の変換用に、
前記カウンタを制御することによって、前記マトリックス画像センサの画素の各列に固有のアップカウンタ／ダウンカウンタにおいて直接実行されることを特徴とする、方法。
【請求項７】
前記電圧ランプが全て、前記画素を再初期化する段階中に、前記列導体の前記電圧レベルと等しい全く同じ開始レベル（ＶｒｅｆＲＭＰ）を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の読み出し方法。
【請求項８】
行及び列に組織された画素マトリックスを含むマトリックス画像センサであって、全く同じ列の画素が、読み出し回路に連結された列導体（ＣＯＬ）に連結され、読み出し用の選択された画素が、前記画素によって受信された光レベルを表す電圧レベル（Ｖｃｏｌ）を前記列導体に供給し、及び前記読み出し回路が、前記列導体から受信された前記電圧レベルと線形アナログ電圧ランプとを比較するための比較器（ＣＭＰ）と、ランプ開始の瞬間（ｔｉ）と前記比較器の出力のトグリングの瞬間（ｔｂ）との間をカウントするクロックパルス（Ｃｌｋ−ｒｅｆ）のカウンタ（ＣＮＴ）とを含むランプ型アナログ−デジタル変換器を含む、マトリックス画像センサにおいて、
前記読み出し回路が、前記ランプ開始の瞬間後の所定の時間（ｔｒ）後に、前記比較器の前記出力がトグルしなかったか又はトグルしたかに依存して、第１の変換モード又は第２の変換モードを選択するための回路を含み、
−  前記第１の変換モードが、高い光レベルの変換を可能にする名目期間（ｄｎ）のランプ（ＲＭＰｎ）を用いる、名目変換時間窓中の前記カウンタによる単一のカウンティングを含み、
−  前記第２の変換モードが、前記名目変換時間窓（ＦＣＯＮＶ）の前記期間（ｄｎ）にわたる縮小された期間（ｄｒ）のｎ連続ランプ（ＲＭＰｒ）の確立と、各ランプ用に、前記ランプの前記開始と前記比較器の前記出力（ＳＣＭＰ）の前記トグリングとの間の前記カウンタによるカウンティングと、ｎカウンティングの結果の合計とを含み、ここで、ｎが１を超える整数であることを特徴とする、マトリックス画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像センサの画素を読み出す方法に関し、特に、低輝度レベル及び高輝度レベルの両方で画像を収集するように意図された、大きいダイナミックレンジを備えた画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像センサは、行及び列に組織された画素マトリックスを含む。全く同じ列の画素は、列導体に連結され、この列導体は、それ自体、読み出しのために選択された画素によって列導体に印加される電圧レベルをデジタルに変換するために、読み出し回路に連結される。この電圧レベルは、画素によって受信された光レベルを表す。この変換は、ランプ型アナログ−デジタル変換器によって実行され、その変換器は、変換される電圧レベルを線形電圧ランプと比較するための比較器と、ランプが開始する瞬間から比較器がトグルするまで高周波数でカウントするカウンタとを含む。トグリングの瞬間におけるカウンタの内容は、変換される電圧レベルの数値を表す。
【０００３】
画素は、主としてフォトダイオード及びＭＯＳトランジスタ、例えば４つのトランジスタを含み、これらのトランジスタは、フォトダイオードにおける光によって生成された電荷の読み出しを駆動できるようにする。４つのトランジスタを備えた画素は、フォトダイオードから、前に再初期化電位に初期化された容量性蓄積ノードへと電荷を転送することによって動作する。一般に、画素の読み出しは、再初期化電位の、且つ次に画素によって受信された光レベルを表す蓄積ノードの電位の列導体へのキャリーオーバを含む。
【０００４】
周知の方法において、受信された電荷の転送後の有用なレベルに関する場合と同様に、蓄積ノードの再初期化レベルに関して同じようによく直面する相関ノイズである、画素の容量性蓄積ノードに関連するノイズを回避するために、２つのレベル、即ち再初期化レベル及び有用レベルのそれぞれにおけるアナログ−デジタル変換を実行することが可能であり、減算が２つの数値間で実行され、このようにして、この相関ノイズ成分を除去する。差を変換する前に電圧のアナログ減算を行うことがまた可能である。この場合に、差動変換を実行する前に、２つのサンプリングコンデンサが、列によって供給される電気信号をサンプリングするために用いられる（即ち、一方が再初期化後に、もう一方が電荷転送後に用いられる）。
【０００５】
読み出し回路は、センサのダイナミックレンジの、即ち測定することが望ましい照明範囲の関数として大きさが決定される。特に、ランプ期間は、カウンティング周波数、カウンタのビット数、及び所望の変換比率を考慮して、測定することが望ましい最高の照明レベルの変換を可能にするように決定される。
【０００６】
これらの画像センサのダイナミックレンジは、蓄積ノードの電位を列導体にコピーするために画素にフォロワとして実装されたトランジスタ、全ての列に共通の電流源、比較器を形成する大きい利得の増幅器等を含む、変換チェーンの様々なノイズ源によって、実際には低輝度レベルの方へと制限される。このチェーンノイズは、完全にランダムであり、測定される信号のレベルとは無関係である。それは、センサのダイナミックレンジを低い照明レベルへと増加させる能力に対して障害となる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、特に、列によって供給される２つの電圧レベルのそれぞれのアナログ−デジタル変換、及び得られた２つの数値間の減算を直接実行する読み出し回路に関する。実際には、これに関連して、理論的に、信号のｎ変換を実行すること及びこれらのｎ変換を平均することによって、この信号に存在するガウス雑音の量をｎ比率の累乗根において低減する方法が周知である。
【０００８】
しかし、ｎ変換の実行は、これらのセンサ用の広いダイナミックレンジ及び優れた分解能を得るように決定された、主としてランプの名目期間によって固定された画素を読み出すために必要な時間を倍増させる。
【０００９】
この問題を解決するために、本発明は、列によって供給される電圧レベルのアナログ−デジタル変換の段階において、低い照明レベル場合に、ｎ変換のそれぞれのための縮小された期間のランプを用いることによって、通常は単一変換用に割り当てられる時間においてｎ変換を実行しそれらを平均するために、このレベルが、低い又は高い照明レベルを表すかどうかを決定することを提案する。
【００１０】
結果として、本発明は、マトリックス画像センサにおける画素を読み出す方法であって、画素が、画素によって受信された光レベルを表す電圧レベルを列導体に供給し、読み出し方法が、列導体から受信された電圧レベルとアナログ電圧ランプとの比較器による比較と、ランプ開始の瞬間と比較器の出力のトグリングの瞬間との間のクロックパルスのカウンティングとを含むランプ型コンバータによるアナログ−デジタル変換を含む、方法を提案する。
【００１１】
本発明によれば、読み出し方法は、出力がトグルしなかった場合の高い光レベル又は出力がトグルした場合の低い光レベル間を区別するために、且つ第１又は第２の変換モードにそれぞれ従って電圧レベルを変換するために、ランプ開始の瞬間後の所定の時間後に比較器の出力のトグリングが検出される決定段階を含み、
−  第１の変換モードは、高い光レベルの変換を可能にする名目期間のランプを用いる、名目変換時間窓中のカウンタによる単一のカウンティングを含み、
−  第２の変換モードは、名目変換時間窓の期間にわたる縮小された期間のｎ連続ランプの確立と、各ランプ用に、ランプの開始と比較器の出力のトグリングとの間のカウンタによるカウンティングと、ｎカウンティングの結果の合計とを含み、ここでｎは１を超える整数である。
【００１２】
決定段階は、名目変換時間窓の開始の前に実行することができる。
【００１３】
しかしそれはまた、この名目変換時間窓の開始時に実行することができる。次に、それは、名目期間の電圧ランプで開始し、及び比較器の出力が決定段階の終わりの前にトグルする場合に、名目期間の電圧ランプは、縮小された期間後に中断され、且つｎ連続ランプの第１のランプを構成する。これに関連して、画素マトリックスの各列に固有のカウンタが存在する場合に、カウンタのゼロへのリセット後に、カウンティングが、縮小された期間のｎ連続ランプの第１のランプで開始するように対処することによって、第２の変換モードのｎカウンティングの合計を直接実行することと、ゼロにリセットせずに、縮小された期間のｎ−１の後続のランプのそれぞれで再開することとが可能である。名目変換時間窓の終わりに、カウンタは、ｎカウンティングの蓄積による合計の結果を出力として供給する。
【００１４】
読み出し方法が、再初期化レベルの第１の変換、画素によって受信された光レベルを表す有用なレベルの第２の変換、及び蓄積ノードのコンデンサと関係する相関ノイズを除去できるようにする、２つの変換の結果の減算を含む場合に、再初期化レベルは、第２の変換モードに従って変換される。
【００１５】
次に、本発明によれば、高い光レベルに対応する有用なレベル場合に、第２のモードに従って実行される再初期化レベルの変換の結果は、有用なレベルの変換の結果の減算の前にｎで除算される。
【００１６】
決定段階が、名目変換時間窓の開始の前に実行される場合に、画素マトリックスの各列に固有のアップカウンタ／ダウンカウンタを用いて、２つの変換の結果の減算（有用なレベル−再初期化レベル）をこのアップカウンタ／ダウンカウンタにおいて直接実行することが可能である。決定段階の結果に従って、第２の変換の前に、カウンタのカウンティング速度を１からｎに変更することが可能であり、関連するカウントダウンが開始する。
【００１７】
より正確には、再初期化レベル第１の変換用に、カウンタは、１つずつのカウンティングを伴うカウンティングモードにおいて構成される。次に、有用なレベルの第２の変換用に、カウンタは、この第２の変換用の決定段階の結果の関数として、ゼロへのリセットなしに、１つずつ又はｎずつのカウンティング速度でのカウントダウンモードにおいて構成される。
【００１８】
実際には、電圧ランプが全て、画素を再初期化する段階中に、列導体の電圧レベルと等しい全く同じ開始レベルを有するような対処がなされる。
【００１９】
本発明はまた、対応するマトリックス画像センサに関する。
【００２０】
本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な表示として提示され、且つ添付の図面に関連する以下の詳細な説明において提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】先行技術による読み出し方法を可能にする、マトリックス画像センサの画素及び後続の関連読み出し回路の従来の構造を示す。
【図２】読み出し回路の様々な信号の対応するタイムチャートである。
【図３】画素によって受信された光レベルに従って第１又は第２の変換モードを用いる、本発明による読み出し方法に従う画素用の読み出し信号のタイムチャートを表す。
【図４】本発明による読み出し方法を実行可能にする例示的な読み出し回路を示す。
【図５】有用なレベルが高い光レベルに対応する場合に、画素の再初期化レベル及びこの有用なレベルの読み出しを含む、本発明による読み出し方法を示すタイムチャートである。
【図６】有用なレベルが低い光レベルに対応する場合に、画素の再初期化レベル及びこの有用なレベルの読み出しを含む、本発明による読み出し方法を示すタイムチャートである。
【図７】本発明による読み出し方法の変形形態を示し、それに従って、適用される変換モードの決定がアナログ−デジタル変換の前に実行される。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、先行技術に従い、列導体によって供給される電圧レベルのアナログ−デジタル変換を実行する、画素マトリックスの列導体に連結された画素及びこの画素を読み出すための回路の従来構造を示し、図２は、対応する信号のタイムチャートを表す。
【００２３】
画素ＰＩＸは、フォトダイオードＤｐｈと、コンデンサが連結され、点によって示された容量性蓄積ノードＮＤと、フォトダイオードのカソードと蓄積ノードとの間の電荷転送用トランジスタＴ１と、蓄積ノードの電位を再初期化するためのトランジスタＴ２と、フォロワトランジスタＴ３と、行選択トランジスタＴ４とを含む。
【００２４】
トランジスタＴ１は、転送信号ＴＲＡによって制御される。トランジスタＴ２は、論理供給電圧であってもよいＶＲＥＦと表示された基準電位にそのドレインを連結する。それは、蓄積ノードＮＤの再初期化を制御する信号ＲＳＮＤによって制御される。フォロワトランジスタＴ３は、固定電位、例では電位ＶＲＥＦにそのドレインを連結する。そのソースは、行選択トランジスタＴ４に連結され、そのゲートは、蓄積ノードＮＤに連結される。行選択トランジスタＴ４は、マトリックスの全く同じ画素行の全ての行選択トランジスタのゲートを連結する行導体ＬＩにそのゲートを連結する。トランジスタＴ４のドレインは、トランジスタＴ３のソースに連結され、そのソースは、全く同じ画素列の全ての画素に共通の列ＣＯＬ導体に連結される。
【００２５】
列導体は、列の足部で読み出し回路に連結される。それはまた、一般に、画素読み出し段階の外側で電流源から列導体を分離できるようにするトランジスタ（図示せず）によって、電流源ＣＣに連結される。電流源は、一般に全ての列に共通である。
【００２６】
画素が選択された場合に、トランジスタＴ３は、電圧フォロワとして動作し、蓄積ノードＮＤの電位を列導体に転送する。
【００２７】
読み出し回路は、列導体に転送される電圧レベルＶｃｏｌを表す数値ＶＣＮＴを供給できるようにする。この値は、これらのデータのデジタル処理用の回路（図示せず）によって処理されるように、他の画素用に得られた他の値と共にメモリに配置される。好ましくは、最初に、蓄積ノードの再初期化後の電圧レベルを測定し、次に照明を表す電荷を蓄積するためのノードへの転送後の電圧レベルを測定し、２つの測定値は、差を計算される。
【００２８】
読み出し回路は、変換される電圧レベルＶｃｏｌを線形電圧ランプＲＭＰｎと比較するための比較器ＣＭＰと、ランプの開始の瞬間ｔｉから比較器の出力のトグリングの瞬間ｔｂまで高周波数でカウントするカウンタＣＮＴとを備えたアナログ−デジタル変換器を含む。この瞬間に、カウンタの内容ＶＣＮＴは、変換される電圧レベルの数値を表す。この内容は、メモリに配置され、且つ画素の照明の値を表す。実際には、カウンタの内容は、ランプの開始ｔｉの前にゼロに初期化され、カウンティングの開始は、ランプの開始と同期される。
【００２９】
比較器は、大きい利得でオートゼロを備えた差動増幅器であり、その１つの入力部が列ＣＯＬ導体に連結され、他の入力部がランプ信号を受信し、ランプ信号は、期間ｄｎにわたる線形電圧ランプＲＭＰｎを供給する。ランプ信号ＳＲＭＰは、線形ランプジェネレータ、例えば定電流源によって充電されるコンデンサを用いるジェネレータによって供給される。これは、同様にカウンタであってもよく、このカウンタには、たとえ小さい増分で行われても、線形電圧ランプを一次まで供給するデジタル−アナログ変換器が後に続く。
【００３０】
ランプジェネレータは、全ての読み出し回路、即ち、期間ｄｎの名目変換時間窓において同期され活性化されるマトリックスの全ての列に共通である。期間ｄｎ及びランプＲＭＰｎの傾斜は、カウンティング周波数、カウンタのビット数、及び所望の変換比率を考慮して、測定することが望ましい最高の照明レベルの変換を可能にするために、所与のセンサ用に決定される。ランプの終わりの瞬間ｔｆにおけるランプ電圧レベルは、測定することが望ましい最高の照明レベルに対応する。
【００３１】
比較器の出力ＳＣＭＰは、比較器の２つの入力部における電圧が、ランプの展開中に等しくなる場合にトグルする。初期のオートゼロ段階は、様々な列の比較器のオフセット電圧（「シフト」）を補償できるようにする。
【００３２】
簡潔に言えば、方法は、以下のように進む。
【００３３】
画素ＰＩＸのトランジスタＴ４のゲートを制御する信号ＳＥＬは、画素の読み出し用に確保された時間期間の全体にわたってアクティブレベルになる。
【００３４】
画素の容量性蓄積ノードＮＤは、トランジスタＴ２にパルスＲＳＮＤを印加して、それをオンにすることによって再初期化される。
【００３５】
列ＣＯＬは、フォロワトランジスタＴ３の閾値電圧内まで、再初期化レベルを蓄積ノードに充電する。
【００３６】
比較器のオートゼロ段階（信号ａｚ）が最初に実行される。
【００３７】
カウンタの内容ＶＣＮＴのゼロへのリセット（ＲＳ−ＣＮＴ）の後で、第１の変換用の名目変換時間窓ＦＣＯＮＶが開始する。カウンタは、ランプＲＭＰｎの開始（瞬間ｔｉ）から、列導体上の電圧レベルに依存する瞬間ｔｂにおける比較器のトグリングまで、クロック周波数Ｃｌｋ−ｒｅｆでカウントする。トグリングは、カウンティングを停止する。
【００３８】
トグリングの瞬間におけるカウンタの内容ＶＣＮＴは、画素蓄積ノードの再初期化レベルに対応する数値Ａを提供する。この第１の値はメモリに配置される。
【００３９】
線形ランプＲＭＰｎの終わりの瞬間ｔｆと一致する、名目変換時間窓の終わりは、再初期化レベルを読み出す段階の終わりを印す。
【００４０】
次に、フォトダイオードにおける光によって生成された電荷が、蓄積ノードに転送される（信号ＴＲＡ）。カウンタの内容ＶＣＮＴは、ゼロにリセットされ（ＲＳ−ＣＮＴ）、第２の変換用の名目変換時間窓ＦＣＯＮＶが、新しい線形ランプＲＭＰｎで開始する。
【００４１】
同じステップ、即ち、ランプＲＭＰｎの確立、カウンティング、比較器のトグリング、カウンティングの停止、カウンタの内容Ｂのメモリにおける配置は、説明したように、再初期化レベル読み出し段階に存在する。照明の数値測定は、差Ｂ−Ａである。
【００４２】
これに関連して、本発明は、変換時間の増加も読み出し回路面積の過度な増加もなしに、低い光レベルに対してカウンタのダイナミックレンジを改善できるようにする、即ち、有用な信号が弱い場合に信号対雑音比を改善できるようにする読み出しの方法を提案する。
【００４３】
本発明によれば、２つの変換モードが提供される。即ち、名目変換時間窓における単一変換、及びランプで開始し比較器の出力のトグリングで停止するカウンティングを備えた、前に説明したモードに対応する第１のモードと、同じ名目変換時間窓において、縮小された期間のランプとの比較によって多重変換に対処するもう１つのモードとが提供される。適用される変換モードの選択は、ランプ開始の瞬間後の所定の期間後における比較器の出力の状態を観察することに基づいている。出力がトグルした場合に、変換される有用なレベルは、多重変換を伴う第２のモードが適用される低い光レベルを表す。出力がトグルしなかった場合に、変換される有用なレベルは、高い光レベルを表し、単一変換を伴う第１の従来のモードが適用される。
【００４４】
本発明による読み出し方法を説明するために、最初に、列ＣＯＬ上の電圧レベルＶｃｏｌの読み出しのみを扱う。
【００４５】
図３は、低い光レベルを表す列電圧レベルの読み出しに対応するタイムチャートを左側に、且つ高い光レベルに対応する電圧レベルの読み出しに対応するタイムチャートを右側に示す。
【００４６】
これらのタイムチャートは、実装形態であって、適用される変換モードを決定する段階が、列によって供給される電圧レベルのアナログ−デジタル変換の段階に付随する実装形態における、本発明による読み出し方法に対応する。この実装形態において、適用される変換モードの決定は、ランプ開始のｔｉ後の瞬間ｔｒになされる。
【００４７】
各変換は、線形ランプとの比較、及びランプ開始の瞬間ｔｉに開始するカウンティングを含む。しかし、単一変換又は多重変換を伴う変換モードによれば、線形ランプは、名目期間ｄｎのランプＲＭＰｎ、又は期間ｄｎにわたるこのランプＲＭＰｒとの比較によってｎ変換を可能にする、縮小された期間ｄｒのランプＲＭＰｒである。従って、図３のタイムチャートの例において、右側に、窓ＦＣＯＮＶ中に名目期間ｄｎの線形ランプＲＭＰｎのみを含むランプ信号ＳＲＭＰを有する場合、左側に、名目変換時間窓ＦＣＯＮＶの期間ｄｎにわたってｎ連続線形ランプＲＭＰｒを含むランプ信号ＳＲＭＰを有する。
【００４８】
図２のタイムチャートと比較すると、図３のタイムチャートはまた、本発明による決定段階の追加を強調する。アナログ−デジタル変換の開始時におけるこの決定段階は、決定時間窓ＦＲの境界を定める信号ＤＴＬＬの存在によって明示される。読み出し回路は、決定窓の終わり（瞬間ｔｒ）における比較器の出力の状態を格納し、且つ比較器がトグルしたかどうかを示す論理レベルＬＬ−ｅｎを決定窓の終わりから提供する。
【００４９】
従って、例において、ＬＬ−ｅｎが、瞬間ｔｒに「０」を格納する場合に、これは、比較器の出力がｔｉとｔｒとの間にトグルしなかったことを意味する。従って、処理される有用なレベルは、高い光レベルＨＬを表す。線形ランプＲＭＰｎとの比較は、カウンティングが行われるように、瞬間ｔｉに開始し比較器の出力のトグリングの瞬間ｔｂまで継続し、ここでｔｉ＜ｔｒ＜ｔｂである。この瞬間ｔｂに、カウンタの内容ＶＣＮＴは、測定の結果である数値Ｙを含む。これは、本発明による第１の変換モードであり、それは、図１及び２に関連して前に説明した従来の変換に対応し、且つ図３の右側に表されている。
【００５０】
しかしＬＬ−ｅｎが、瞬間ｔｒに「１」を格納する場合に、これは、比較器の出力がｔｉとｔｒとの間でトグルしたことを意味する。従って、処理された有用なレベルは、低い光レベルＬＬを表す。本発明によれば、次に、ｎ変換が、ｎ結果の合計と共に、名目変換時間窓ＦＣＯＮＶの期間ｄｎにわたって実行される。ｎ変換のそれぞれは、縮小された期間ｄｒの線形ランプＲＭＰｒとの比較と、ランプ開始の瞬間ｔｉに開始し、且つ比較器の出力のトグリングの瞬間ｔｂに終了するカウンティングとからなり、ここでｔｉ＜ｔｂ≦ｔｒである。これは、本発明による第２の変換モードであり、図３の左に表されている。
【００５１】
実際には、瞬間ｔｒは、ランプ開始の瞬間ｔｉ（ここでは変換窓ＦＣＯＮＶの開始の瞬間である）以降、期間ｄｒが経過したようなものである。従って、期間ｄｒは、低レベルＬＬと高レベルＨＬとの間の弁別閾値を較正し、それは、縮小された期間のランプの偏位の大きさを決定する。
【００５２】
有利には、縮小された期間ｄｒのこれらのランプは、次の変換用にランプＲＭＰｎを再初期化するために、縮小された期間ｄｒ後にこのランプＲＭＰｎを中断することによって、名目期間ｄｎのランプＲＭＰｎに基づいて得られる。
【００５３】
縮小された期間のランプを用いたｎ変換のそれぞれが完了すると、対応するカウンティング値、即ち、ｎ＝８で示された例ではＸ１、Ｘ２、．．．Ｘ８が得られる。従って、これらのｎ値の合計は、デジタル処理回路が平均値を操作できるようにする。次に、この平均値では、チェーンノイズ（フォロワ、比較器等）に関係するガウス雑音の量は、第１の変換モードに従って単一変換が名目期間にわたり実行された場合より、ｎ係数の累乗根だけ明らかに低い。
【００５４】
図３の表現に対応する実際的な実装形態において、列ごとにカウンタＣＮＴが存在する場合に、結果は、ｎ変換と共にカウンタのレジスタに蓄積される。ｎ変換が完了すると、カウンタの内容ＶＣＮＴは、ｎ値の和と等しい。それは、その後、センサのデジタル処理回路ＤＳＰによって処理されるように格納することができる。カウンタにおけるこの蓄積は、ｎカウンティング値Ｘ１、Ｘ２、．．．Ｘ８のそれぞれの前に置かれた符号＋によって示されている。
【００５５】
その後、様々な処理が可能である。ｎによる除算が、回路ＤＳＰによって実行され得る。さもなければ、ｎ蓄積の結果は、カウンタのレジスタにおいてｋ（ここでｎ＝２ｋである）位置のみのシフティング後に格納され、従って除算を実行する。ｎ＝８＝２３の例において、３つの位置だけカウンタの内容を右に（最下位ビット（ＬＳＢ）側）にシフトすることで十分である。この場合に、ｋ位置だけの結果のシフティングは、信号ＬＬ−ｅｎが「１」に設定された場合に活性化され、そうでなければ非活性化される（ＬＬ−ｅｎ＝「１」：低レベル、及びＬＬ−ｅｎ＝「０」：高レベルを用いる変換）。
【００５６】
図４は、図３の信号タイムチャートに応じるこの列の画素を読み出す方法を実行できる列読み出し回路を表す。この回路は、比較器ＣＭＰ、カウンタＣＮＴ、並びに低い光レベルを検出すること及び第２の変換モードを駆動することを可能にするランプ駆動回路ＣＴＬＲＭＰ及び論理回路ＣＴＬＬＬを含む。ランプ駆動回路は、全ての列に共通のランプジェネレータから、正の傾斜の線形電圧ランプを受信する。
【００５７】
図１に提示されている先行技術の回路の制御要素及び信号と同一の、この読み出し回路用の制御要素及び信号は、同じ参照符号を有する。これらの共通要素は、画素列によって供給される電圧Ｖｃｏｌを入力として受信する比較器ＣＭＰ、及びランプ信号ＳＲＭＰである。
【００５８】
このランプ信号ＳＲＭＰは、大きい利得及びオートゼロを備えた増幅器（インバータ）を含む回路ＣＴＬＲＭＰによって送出される。増幅器の利得は、全ての読み出し回路に印加される線形電圧ランプＲＭＰに基づいて、所望の負の傾斜を備えた名目期間ｄｎの線形電圧ランプＲＭＰｎを送出するように決定される。この大きい利得の増幅器は、ランプ信号ＳＲＭＰの開始電圧レベルを固定する基準電圧ＶｒｅｆＲＭＰを入力部で受信する。それは、コンデンサを通して、正の傾斜の線形電圧ランプＲＭＰをもう一方の入力部で受信する。このランプは、比較器の入力部における期間ｄｎの線形ランプＲＭＰｎが、各名目変換時間窓ＦＣＯＮＶで開始するように、センサの全ての列に共通のジェネレータ（図示せず）によって供給され、且つ適切な方法で制御される。
【００５９】
レベルＶｒｅｆＲＭＰは、実際には、画素ＰＩＸの再初期化後に列によって供給される電圧レベルのサンプリングによって得られる。これは、画素のフォロワトランジスタの閾値電圧の変動と無関係に変換結果を供給できるようにする。従って、回路ＣＴＬＲＭＰは、増幅器ＡＭＰの基準入力に基づいて列電圧ＶｃｏｌをサンプリングするためのコンデンサＣｓを含む。このサンプリングコンデンサは、画素ＰＩＸの再初期化後に列電圧Ｖｃｏｌのレベルに充電される。実際には、比較器ＣＭＰオートゼロ制御信号ａｚが、サンプリング制御信号として用いられる。
【００６０】
増幅器ＡＭＰの出力は、その出力をランプ入力ＲＭＰにループバックすることによって、この基準レベルＶｒｅｆＲＭＰに初期化される。この初期化は、増幅器オートゼロとして印加される信号ＲＳＡＭＰによって制御される。この初期化の終わりに、負の傾斜の線形ランプＲＭＰｎは、この基準レベルから開始する。
【００６１】
増幅器ＡＭＰの出力のこの初期化は、各新しい窓ＦＣＯＮＶにおいて実行される。縮小された期間の一連のランプＲＭＰｒを生成するために名目ランプＲＭＰｎが用いられる本発明の例示的な実装形態において、この初期化はまた、低レベルを検出するための信号ＬＬ−ｅｎがアクティブである場合に、窓ＦＣＯＮＶの期間にわたって周期的にｎ回実行される。この場合に、カウンティングもまた、前のカウンティング値から周期的に再開され、且つ比較器の出力の各トグリングで停止される。
【００６２】
同じ読み出し回路を用いて、第１の変換モード又は第２の変換モードによる変換を保証するために、決定機能と共にこれらのカウンタ再初期化及び駆動機能は、図４にＣＴＬＬＬで表示された論理回路によって実行される。
【００６３】
決定機能は、フリップフロップＴＬＡＴによって実行され、フリップフロップＴＬＡＴは、データ入力Ｄとして比較器出力信号ＳＣＭＰを受信し、且つ駆動入力Ｇとして、全ての列に共通で、決定窓ＦＲの境界を定める信号ＤＥＣＬＬを受信する。フリップフロップのメモリ出力Ｑは、信号ＬＬ−ｅｎを供給し、信号ＬＬ−ｅｎは、窓ＦＲ中に出力信号ＳＣＭＰをコピーし、且つ窓ＦＲの終わりを印す信号ＤＴＬＬの立ち下がりエッジに基づいて、出力信号ＳＣＭＰをメモリに記憶する。
【００６４】
ランプ駆動回路ＣＴＬＲＭＰの増幅器再初期化機能は、信号ＬＬ−ｅｎの状態の関数として、再初期化制御信号ＲＳＡＭＰ−ｅｎを送信するか又は他の方法のための論理ゲートによって保証される。例において、図３に示されているレベルコンベンションを用いて、ＡＮＤゲートは、信号ＬＬ−ｅｎが、低レベル変換を示すそのアクティブレベルである場合に限り、信号ＲＳＡＭＰ−ｅｎをコピーして信号ＲＳＡＭＰを供給するために、望ましい機能を実行する。従って、例において、増幅器ＡＭＰの出力は、信号ＲＳＡＭＰ−ｅｎ及びＬＬ−ｅｎが同時に論理レベル「１」である場合は常に、ＶｒｅｆＡＭＰにループバックすることによって再初期化される。
【００６５】
低レベル検出ＬＬの場合に活性化されるＣｌｋ−ｒｅｆ信号送信／ディスエーブル機能は、信号ＳＣＭＰと信号ＲＳＡＭＰとの間のＮＯＲゲートによって保証され、ＮＯＲゲートの出力は、ＡＮＤゲートに入力として印加され、ＡＮＤゲートは、カウンタのクロック入力部ＣＫにおけるクロック信号Ｃｌｋ−ｒｅｆの送信をイネーブル又はディスエーブルにできるようにする。
【００６６】
従って、本発明による読み出し方法は、慣例的な設計技術を介し、順序論理回路によって容易に実行することができる。これらの回路は、様々な制御信号用に用いられるアクティブ論理レベルに従って変化してもよい。
【００６７】
表現されたタイムチャートに対応する実例において、ランプ信号ＳＲＭＰ再初期化時間、即ち信号ＲＳＡＭＰ−ｅｎ及びＲＳＡＭＰのパルスの高レベル期間は、ランプＲＭＰｒの期間ｄｒに等しく選択される。
【００６８】
１０２４のクロックチックをカウントできるようにする１０ビットカウンタが用いられる場合に、ｎ＝４変換を実行できるように、縮小された期間を較正することが可能である。期間ｄｒは、１２８のクロックチックをカウントするために必要とされる時間に対応する。次の１２８のクロックチックに対応する期間は、ランプ駆動回路の増幅器を再初期化するために用いられる（カウンティングは、この時間中はディスエーブルにされる）。窓ＦＣＯＮＶの終わりに、４つの連続する変換の合計が、カウンタで実行された。カウンタによって供給された結果を左に２ビットだけシフトすることによって、これらの４つの変換の平均値が得られる（４による除算）。１１ビットカウンタが使用される場合に、同じ原理によって８つの変換を実行することが可能であり、平均値は、３ビットだけ左にシフトすることによって得られる（８による除算）。１６３８４のクロックチックをカウントできるようにする１４ビットカウンタが使用される場合に、この方法で６４の変換及びそれらの合計を実行することができる。
【００６９】
本発明に従って画素を読み出す方法は、先行技術におけるように、２つの変換段階、即ち、蓄積ノード再初期化レベルを測定する第１の変換段階、及び画素によって受信された光量に対応する有用なレベルを測定する第２の変換段階を含むことができ、その後、２つの測定結果を減算すること、従って、画素の容量性蓄積ノードに関連するノイズを除去することを目標とする。次に、各変換段階用に、変換モードを選択できるようにする決定段階が関連付けられる。
【００７０】
実際には、蓄積ノードの再初期化レベルは、定義によって低い光レベルを表す。従って、本発明によれば、再初期化レベルを変換する段階は、このように、縮小された期間ｄｒのランプとの比較による多重変換を伴う第２の変換モードを用いる。
【００７１】
有用なレベルの変換段階は、それが、高い光レベルに対応する場合には第１の変換モードに従って、逆の場合には第２の変換モードに従って実行される。
【００７２】
２つの結果の減算を実行するために、これらの結果は均質でなければならない。
【００７３】
図５及び６は、有用なレベルが低い光レベル（図５）又は高いレベル（図６）を表す場合に起きることをそれぞれ示す。
【００７４】
図５に表される場合において、２つの変換は、両方とも、図３に関連して説明されているように、縮小された期間のｎ変換及びｎ結果の蓄積を用い、第２の変換モードによって実行される。２つの蓄積された結果の格納（デジタル処理回路による減算が後に続く）のための対処がなされてもよい。その後、ｎによる除算を実行することができる。
【００７５】
図６に表されている場合において、有用なレベルは、第１の従来の変換モードに従って実行される。再初期化レベルに対応する結果の減算は、再初期化レベル用に格納された結果のｎによる除算後にのみ行うことができる。
【００７６】
次に、各変換の最終結果を格納される論理信号ＬＬ−ｅｎの状態用の対処がなされる。従って、ＬＬ−ｅｎが、有用なレベル用に「１」に設定された場合に、回路ＤＳＰは、各名目変換窓が完了すると、２つの格納された結果の減算を実行する。ＬＬ−ｅｎが、有用なレベル用に「０」に設定された場合に、回路ＤＳＰは、最初に、再初期化レベルの測定に対応する結果のｋによる除算を、次に２つの結果の減算を実行する。
【００７７】
直前に説明した読み出し方法はまた、全ての列用に単一のカウンタが用いられる場合に適用され得ることが注目される。この場合に、ｎ変換のそれぞれのために、カウンティングの開始及び終わりにカウンタの値を格納するための対処がなされなければならない。その後、減算によって、ｎ変換のそれぞれのためのカウンティング値を、次に、これらのｎ変換の平均値を決定するのは、回路ＤＳＰである。
【００７８】
図７は、本発明による読み出し方法の変形形態を示し、そこでは、決定段階は、もはや変換に付随せず、むしろこの段階の前である。
【００７９】
それは、前のように、ランプ開始の瞬間又はわずかに前からランプの終わりまでの、縮小された期間のランプとの比較及び比較器の出力ＳＣＭＰのコピーオーバを用いる。このランプの終わりは、変換されるレベル用の名目変換時間窓の開始を印す。従って、コピーオーバ窓及び変換窓は重ならず、コピーオーバ窓は、変換窓の開始の前の瞬間ｔｒに終了する。
【００８０】
この決定段階中に、即ちコピーオーバ窓ＦＲの期間にわたって、カウンタがアクティブではないことが注目される。それは、名目変換時間窓ＦＣＯＮＶ中にのみ活性化される。
【００８１】
有利には、決定段階は、変換段階用に用いられる名目ランプをランプとして用いてもよく、次に、それは、既に説明した増幅器ＡＭＰを再初期化するための同じ機構に従って、ランプの開始の瞬間ｔｉ後に、期間ｄｒの満了で中断される。これは、図示されていることである。
【００８２】
しかし、決定段階は、それ自体のランプ、特により大きい傾斜を有するランプ、及び従ってより速い決定を可能にする、より短い期間を用いることが可能である。実際に、この決定段階では、正確に変換することではなく、後で用いられる変換モードを決定することのみが求められる。この特定のランプは、別の大きい利得の増幅器並びに初期化及びサンプリングを制御するための関連する信号を用いることによって、列に共通のランプジェネレータＲＭＰに基づいて供給することが可能である。
【００８３】
変換段階に先立つ決定段階を備えた読み出し方法のこの変形形態は、再初期化レベル変換によって得られた結果と、有用なレベルの変換によって得られた結果との間の減算をカウンタＣＮＴにおいて直接実行できるようにする。カウンタは、第１の変換（再初期化レベル）用のカウンティングモードにおいて、次に第２の変換（有用なレベル）用のカウントダウンモードにおいて用いられ、後者のために、窓ＦＣＯＮＶ中に信号ＬＬ−ｅｎの状態の関数として、１つずつ又はｎずつのカウントダウン速度のパラメータ化を用いる。
【００８４】
実際には、有用なレベルが低い光レベルを表す場合、信号ＬＬ−ｅｎは１に設定される。有用なレベルは、再初期化レベルと同じ多重変換モードに従って変換される。結果は均質である。次に、カウンタは、１つずつカウントダウンするためにパラメータ化される。
【００８５】
しかし、有用なレベルが高い光レベルを表す場合、信号ＬＬ−ｅｎは０に設定される。有用なレベルは、単一のカウンティングを用いる従来のモードに従って変換される。結果は均質ではない。次に、カウンタは、ｎずつカウントダウンするためにパラメータ化される。
【００８６】
カウンティング及び次にカウントダウンによって、カウンタにおいて結果の減算を実行することは、列ごとにカウンタが存在することを仮定する。これはまた、カウンタの内容が、第１の変換段階と第２の変換段階との間で再初期化されないこと、換言すれば、カウントダウンがカウンティングの結果に基づいて作動することを仮定する。
【００８７】
従って、この変形形態の実装形態は、特に各変換段階用にカウンタを正確にパラメータ化するために、少数の追加の又は修正された制御及び順序付け信号を必要とする。これは、第１の変換段階用のカウンティングモード及び第２の変換段階（有用なレベル）用のカウントダウンモードにおいてカウンタをパラメータ化するアップ／ダウン信号、並びに信号ＬＬ−ｅｎの状態の関数として、カウンタのカウンティング速度（カウンティングモードにおいて常に１つずつ、且つカウントダウンモードにおいて１つずつ又はｎずつ）を構成できるようにする信号を特に必要とする。これは、例えば、この目的のために設けられるカウンタのレジスタのパラメータ化によって実行されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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