(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の行及び列を形成するように配置された複数の光電性ピクセルより成り、アクティブ領域、少なくとも１行のピクセルより成る第１の光学的暗領域、及びアクティブ領域に隣接し少なくとも１列のピクセルより成る第２の光学的暗領域を有するイメージングアレイと、
イメージングアレイに結合され、第１の光学的暗領域から出力される信号から初期暗電流オフセット値を発生し、第２の光学的暗領域から出力される信号を用いて調整された暗電流オフセット値を発生する補償回路とを備え、
補償回路は、
イメージングアレイの出力信号を受ける入力ノードと、
入力ノードが受ける、第１の光学的暗領域から出力される信号に応答して該信号を平均することにより初期暗電流オフセット値を発生し、第２の光学的暗領域から出力される信号に応答して該信号を平均することにより調整された暗電流オフセット値を発生する積分回路とを有し、
入力ノードがアクティブ領域からの出力信号を受ける時に積分回路の出力は入力ノードに該出力信号とは反対の極性で結合されるため該出力信号から調整された暗電流オフセット値が減算されることを特徴とするイメージング装置。
【請求項２】
イメージングアレイはさらに、少なくとも１行のピクセルより成る第３の光学的暗領域を有し、この第３の光学的暗領域はアクティブ領域の第２の光学的暗領域とは反対側に位置している請求項１のイメージング装置。
【請求項３】
補償回路は、さらに
入力が入力ノードに結合され、出力が積分回路に結合されたバッファ回路と、
基準電圧を入力ノードに選択的に結合する基準電圧回路とを有する請求項１のイメージング装置。
【請求項４】
基準電圧回路は、第１のスイッチ回路を介して入力ノードに結合されている請求項３のイメージング装置。
【請求項５】
第１のスイッチ回路は、入力ノードが第１または第２の光学的暗領域からの出力信号を受ける時閉じられる請求項４のイメージング装置。
【請求項６】
積分回路の出力は、第２のスイッチ回路を介して入力ノードに結合される請求項３のイメージング装置。
【請求項７】
第２のスイッチ回路は、入力ノードがアクティブ領域からの出力信号を受ける時閉じられる請求項６のイメージング装置。
【請求項８】
補償回路は、アクティブ領域が入射光に露出される度に初期暗電流オフセット値を求める請求項１のイメージング装置。
【請求項９】
イメージングアレイからのデータを補償回路に転送する制御回路をさらに具備する請求項１のイメージング装置。
【請求項１０】
複数の行及び列を形成するように配置された複数の光電性ピクセルより成り、画像を捕捉するために入射光に露出されるアクティブ領域、アクティブ領域に隣接し少なくとも１行の光電性ピクセルより成る第１の光学的暗領域、及びアクティブ領域に隣接し少なくとも１列の光電性ピクセルより成る第２の光学的暗領域を有し、第１及び第２の光学的暗領域の光電性ピクセルは入射光から遮蔽されているイメージングアレイと、
イメージングアレイに結合され、第１の光学的暗領域から出力される信号から初期暗電流オフセット値を発生し、第２の光学的暗領域から出力される信号から調整された暗電流オフセット値を発生する補償回路とより成り、
補償回路は、
イメージングアレイからの出力信号を受信するように結合されたバッファ回路と、
基準電圧をバッファ回路の入力に選択的に結合する基準電圧回路と、
入力がバッファ回路の出力に結合され、第１の光学的暗領域から出力される信号に応答して該出力信号を平均することにより初期暗電流オフセット値を発生し、第２の光学的暗領域からの出力信号に応答して該出力信号を平均することにより調整された暗電流オフセット値を発生する積分回路とを有し、
積分回路の出力はバッファ回路がアクティブ領域からの出力信号を受ける時にバッファ回路の入力に該出力信号とは反対の極性で結合されるため該出力信号から調整された暗電流オフセット値が減算されることを特徴とするイメージング装置。
【請求項１１】
イメージング装置はカメラである請求項１０のイメージング装置。
【請求項１２】
基準電圧回路は、補償回路が第１または第２の光学的暗領域からの出力信号を受ける時に閉じられる第１のスイッチ回路によりバッファ回路の入力に結合される請求項１０のイメージング装置。
【請求項１３】
積分回路の出力は、補償回路がアクティブ領域からの出力信号を受ける時に閉じられる第２のスイッチ回路を介してバッファ回路の入力に結合される請求項１０のイメージング装置。
【請求項１４】
バッファ回路は、イメージングアレイからのアナログ出力信号に対してサンプル／ホールド動作を行ってアナログ出力信号を発生するサンプル／ホールドユニットを含む請求項１０のイメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は一般的にイメージングセンシングに関し、さらに詳細には、暗電流の補償に関する。
【０００２】
【背景】
電荷結合デバイス（ＣＣＤ）及び相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）イメージング装置のようなソリッドステート・イメージング装置は、デジタルカメラ、コピー機及びスキャナーのような種々の電子装置に使用されている。イメージング装置は、多数のフォトダイオードが垂直列と水平行のピクセル・マトリックス状に配置されたものである。動作時、フォトダイオードは光源に露出される。例えば、デジタルカメラのシャッターが開くと、フォトダイオード・アレイが露光される。入射光子は電子に変換され、フォトダイオード上に電荷として蓄積される。これらの電荷は、フォトダイオード・マトリックスに露光された光画像をあらわす。フォトダイオードの電荷は、電荷をデジタルデータに変換するプロセッサーに転送される。例えば、カメラのフォトダイオード・アレイにより捕捉された画像は、処理後、視認及び／または印刷のためメモリに蓄積される。
【０００３】
ＣＣＤアレイにより捕捉された画像の標準的転送方法は、１行の各ピクセルを読み取り、その後次行の各ピクセルを逐次読み取ることより成る。この方法は、アレイの各ピクセルの読み取り終了まで繰り返される。フォトダイオード・アレイ全体の露光は同時だが、フォトダイオードの電荷は直列に転送されるため、アレイの露光とフォトダイオードの最後のピクセルの電荷の転送との間には実質的な時間が存在する。さらに、ソリッドステート・イメージング装置は揮発性である。即ち、フォトダイオードは漏洩電流の影響を受けやすいため、電荷が経時的に失われる。この電荷のロスは、アレイが暗状態、即ち露光されていない時に特に顕著である。暗状態のフォトダイオードの漏洩電流を暗電流と呼ぶ。この暗電流は、温度、製造変数、及びフォトダイオードが暗状態にある時間の長さ（露光及び読み取り時間）の関数である。従って、アレイの露光から最後のフォトダイオードの読み取りまでの時間に、可変エラーが導入される。暗電流は、イメージング装置につきものである。即ち、暗電流は、露光（「積分」と呼ばれることもある）時及び入射光のない時の両方に存在する。
【０００４】
暗電流をなくするかあるいは補償する種々のアプローチが提案されている。例えば、１９９７年３月４日発行の米国特許第５，６０８，４５５号（発明の名称："Interline Transfer CCD image Sensor with Reduced Dark Current"）は、画像ピックアップ領域と水平転送パスとの間の光学的暗領域を用いるＣＣＤイメージセンサーを記載している。このＣＣＤイメージセンサーは、アクティブアレイの暗画像を捕捉し蓄積する。露光画像のデータ転送時、アクティブアレイに蓄積された暗画像は暗電流エラーの補償に使用される。転送動作または物理的処理のばらつきを制御することによる他の暗電流補償方法も提案されている。
【０００５】
上記理由及び、本願明細書を理解すれば当業者に明らかになるであろう他の理由により、イメージング装置の暗電流エラーの正確な減少が当該技術分野において要望されている。
【０００６】
本発明によると、複数の行及び列を形成するように配置された複数の光電性ピクセルより成り、アクティブ領域、少なくとも１行のピクセルより成る第１の光学的暗領域、及びアクティブ領域に隣接し少なくとも１列のピクセルより成る第２の光学的暗領域を有するイメージングアレイと、イメージングアレイに結合され、第１の光学的暗領域から出力される信号から初期暗電流オフセット値を発生し、第２の光学的暗領域から出力される信号を用いて調整された暗電流オフセット値を発生する補償回路とを備え、補償回路は、イメージングアレイの出力信号を受ける入力ノードと、入力ノードが受ける、第１の光学的暗領域から出力される信号に応答して該信号を平均することにより初期暗電流オフセット値を発生し、第２の光学的暗領域から出力される信号に応答して該信号を平均することにより調整された暗電流オフセット値を発生する積分回路とを有し、入力ノードがアクティブ領域からの出力信号を受ける時に積分回路の出力は入力ノードに該出力信号とは反対の極性で結合されるため該出力信号から調整された暗電流オフセット値が減算されることを特徴とするイメージング装置が提供される。
【０００８】
【実施例の詳細な説明】
本発明の以下の詳細な説明において、本願の一部であり、本発明の特定の実施例を例示する添付図面を参照する。これらの実施例は、当業者が本発明を実施できるように十分に詳しく記載されている。他の実施例も可能であり、本発明の範囲から逸脱することなく構造的、論理的及び電気的な設計変更を行うことができる。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味で理解すべきでなく、本発明の範囲は、頭書の特許請求の範囲と、特許請求の範囲が当然受けるべき均等物の全範囲とにより規定される。
【０００９】
図１を参照して、該図に示すイメージング装置は、アレイの転送動作時の暗電流を補償する。イメージング装置１００は、フォトダイオードのような光電性セルまたはピクセルのアレイ１０２と、光電性セルが経験するエラーを減少させる補償回路１０６と、イメージング装置の動作とアレイからのデータ転送を制御する制御回路１０４とより成る。オプションとして設けることができる処理回路１０５は、アレイから転送されるデータを処理し、そして／または蓄積する。同様に、補償回路の出力信号を外部で処理するためにイメージング装置から出力することも可能である。
【００１０】
上述したように、光電性アレイ１０２は、アレイに露光される光画像を捕捉する。このアレイは、多数の行列を形成する光電性セルまたはピクセルより成り、漏洩（暗）電流を有する。光源によるアレイの露光と、アレイからのピクセル電荷の転送との間には可変の時間差があるため、可変の（増加する）暗電流が発生し、これがピクセル上に蓄積される電荷エラーを誘起する。当業者に知られているように、暗電流はデバイス温度と積分時間の関数である。即ち、環境変数及び動作変数が共に暗電流の影響を変化させる。
【００１１】
イメージング装置の１つの実施例において、補償回路１０６はアレイの転送動作における暗電流の変化を補償する。転送回路を説明する前に、アレイ１０２についてさらに詳しく説明する。図２は、アレイ１０２の１つの実施例を示す。このアレイは、多数の行及び列を形成するように配置されたマトリックス状の光電性ピクセル１０７より成る。このアレイは、イメージング装置の動作時光に露光されるアクティブ領域１０８を有する。光電性素子１０７は、ＣＭＯＳフォトダイオードのような（これに限定されない）ソリッドステート光電性デバイスの任意のものでよい。アレイに隣接して設けられる光学的暗領域１１０は、複数行の光電性ピクセルより成る。当業者は、本発明の記載を参照すれば、光学的暗領域１１０をアクティブ領域１０８の片側または両側に設けてもよいことがわかるであろう。１つの領域１１０のみが本発明にとって必要である。
【００１２】
光学的暗領域１１０と、アクティブ領域１０８との違いは、光学的暗領域の光電性ピクセルは入射光から遮蔽されていることである。これは、アルミニウムのような金属層をピクセル上に配置することにより可能となる。第２の光学的暗領域１１２はアレイの一方の端縁部に位置し、複数列の光電性ピクセルより成る。光学的暗領域１１４をアレイの反対側の端縁部に配置することが可能であり、これは複数列のピクセルより成る。アレイからの読み取り動作時、各行から電荷が直列に読み取られる。例えば、アレイ１０２の読み取りは、先ず、上方右隅に位置するピクセル１０７（行１５０（ａ）、列１１１（ａ））から電荷を読み取った後、行１５０（ａ）に位置するピクセルの電荷を列１１１（ｎ）に到達するまで直列に読み取ることにより行う。その後、同じ方法により、次列からのデータを、行１５０（ｎ）からの読み取りが終了するまで継続する。上述の転送動作により電荷が左から右へシフトされるが、アレイの右から左へ、上方から下方へ、下方から上方へ、またはそれらを組み合わせた形でデータの読み取りを行うことが可能である。以下に説明するように、選択した転送方式とは無関係に、データをアクティブ領域１０８から読み取る前に、光学的暗領域１１０からのデータの読み取りを行う。
【００１３】
当業者に知られているように、光電性素子１０７は、入射光への露光前に所定のレベルに充電することができる。このようにすると、アレイのピクセルは所定の初期電荷を有し、これが入射光への露光により変化する。積分前のアレイの調整はイメージング装置のアーキテクチャーにより異なるが、本発明にとってこれは限定的ではない。電荷の減少は、特定のピクセルが露光される光の強度に比例する。理想的な光イメージング装置において、得られた電荷から所定の電荷（オフセットファクタ）を差し引くことにより、入射光により露光された画像を求めることができる。しかしながら、現在のイメージング装置は漏洩電流によるエラーを有する。漏洩電流は温度のファクタであり、漏洩電流の蓄積効果はデータが漏洩電流に曝される時間に応じて変化する。これらの変数の予想は容易でないため、ピクセル上の電荷から所定レベルの電荷を差し引くだけでは入射光による画像を正確に表わすことができない。
【００１４】
図３を参照して、補償回路１０６の１つの実施例は、捕捉した各画像の初期暗電流オフセット値を発生し、データ転送動作時、調整された暗電流オフセット値を調整する。補償回路は、アレイでのピクセルから電荷を受ける入力ノード１２０を有する。オプションとして用いる結合キャパシタ１２４は、電荷をノード１２１に結合する。この補償回路は、補償回路にアレイのどの領域が結合されるかに応じて２つのモードのうちの１つで動作する。即ち、光学的暗領域が補償回路に結合されている時は、第１の動作モードを実行する。アクティブ領域１０８が補償回路に結合されている時は、第２の動作モードを実行する。第１の動作モードは、アクティブ領域から読み取るデータから減算する暗電流オフセット値を発生するために利用する。
【００１５】
図３に示す補償回路は、サンプル／ホールド・バッファ１２６、リセット可能積分回路１２８、スイッチ回路１３５、スイッチ回路１３０、基準電圧回路１３４、及びスイッチ回路１３２より成る。スイッチ回路１３０、１３２、１３５は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）のような電気的に制御されるスイッチでよく、これらはそれぞれ制御ライン１３１、１３３、１３６により作動される。これらのスイッチは、コントローラ１０４により制御可能である。基準電圧回路１３４は補償回路の外部に設けてもよく、アレイのピクセルが経験する初期暗電流に近似の基準電圧を与える。光学的暗領域１１０から補償回路１０６へ転送中の第１の動作モード時では、スイッチ回路１３２が閉位置にあるため、基準電圧回路１３４からの基準電圧はノード１２１に結合されている。この基準電圧は、光学的暗領域のピクセル電荷により発生し入力ノード１２０を介してノード１２１に結合された電圧から減算される。その結果得られたノード１２１上の電圧は、光学的暗領域のピクセル上の電荷により発生する電圧と基準電圧の差を表わす。ノード１２１上の電圧はバッファ回路１２６によりサンプリングされ、閉じたスイッチ１３５を介して積分回路１２８に結合される。積分回路１２８は、光学的暗領域１１０のピクセル上の電荷により発生する電圧と基準電圧の差を全ピクセルにつき積分（平均）してこの領域の電荷の転送時に経験する平均暗電流を表す値を求める。この平均暗電流を表わす値は、暗電流オフセット値として積分回路１２８内に維持され、このオフセット値はアクティブ領域１０８からのデータ転送時に利用される。
【００１６】
電荷をアクティブ領域１０８から補償回路に転送する際、スイッチ回路１３０は閉位置で、スイッチ回路１３２、１３５は開位置にある。ピクセルデータはアクティブ領域１０８から入力ノード１２０に結合されるため、積分回路１２８からの暗電流オフセット値がノード１２１において減算される。第２の動作モード時、積分回路１２８は暗電流オフセット値を変化させない。従って、ノード１２２で得られるデータは、領域１０８のピクセルから読み取られ、暗電流変数を表すオフセット値によりオフセットされた電荷を表わす。上述したように、暗電流は時間の関数であるため、オフセット値は、転送動作が行１５０（ｎ）に接近するにつれて生じる全ての暗電流エラーを正確に除去しない。暗領域１１２及び／または１１４は、転送動作が連続行を順次進行するにつれてオフセット値を調整するように設けられている。
【００１７】
暗電流オフセット値を調整するために、領域１１２及び／または１１４に位置するピクセルからの電荷は、上述したように、スイッチ１３５を介して積分回路１２８に結合される。１つの実施例において、スイッチ１３２、１３５は閉位置に、またスイッチ１３０は開位置にあり、積分回路１２８はアレイの複数行のピクセルが連続して読み取られる際、各行の領域１１２及び／または１１４に位置するピクセルが読み取られる度に暗電流オフセット値を調整する。あるいは、スイッチ１３２は開位置に、またスイッチ１３０、１３５を閉位置にしてもよい。この実施例によると、積分回路はオフセット値を調整する前にノード１２１上の電荷を補償する。両方の実施例において、領域１１２及び／または１１４はノード１２１に結合されるオフセット値を調整するために使用される。
【００１８】
当業者は本願の教示を検討すればわかるであろうが、光学的暗領域１１２、１１４の一方または両方を用いてオフセット値を調整することが可能である。補償回路は、任意の画像を捕捉する度に初期暗電流リセット値を求めて、製造時のばらつき及び温度変化の両方に起因する暗電流のばらつきを補償する。さらに、アクティブ領域のデータ転送にかかる時間に起因する暗電流のばらつきは、各行のピクセルの転送を行う際オフセット値を調整することによって補償する。従って、補償回路は、暗電流の変化を自動的に調整する相関二重サンプル式暗電流補償回路を提供する。
【００１９】
補償回路のノード１２２上の出力信号は、アレイ領域１０８のピクセル上に蓄積され、暗電流変化によりオフセットされた電荷を表わす。しかしながら、出力電圧は、依然として、アレイを入射光により露光する前のアレイのピクセル上の初期電荷の残留分を含む。初期電荷の値と露光後のピクセル電荷との差は、入射光の強度をより正確に表わす。このデータを抽出するために、第２の動作モード時基準電圧回路１３４を用いて初期電荷値をなくすることができる。即ち、両方のスイッチ１３０、１３２を、アクティブ領域１０８の転送中に閉位置にする。従って、基準電圧と積分回路１２８からのオフセット値とを共に用いて、ノード１２０上の電荷から画像を抽出する。あるいは、初期電荷を別の処理回路により出力ノード１２２から除去することも可能である。
【００２０】
図４は、補償回路１０６の別例を示す。アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１５２は、サンプル回路１２６の出力接続部に結合されている。従って、ノード１２２の出力信号はデジタルである。同様に、リセット可能積分器１２８はデジタル入力を使用し、アナログの出力電圧を与える。デジタル出力を与えるリセット可能積分器を図５に示す。蓄積回路１５５により、出力信号から積分器により与えられるオフセット値を除去する。
【００２１】
イメージング装置１００を単純化した形で説明することにより、本発明を説明した。イメージング装置１００に別のコンポーネントや特徴部分を設けることができることは明らかである。例えば、補償回路の出力ノード１２２を別の内部処理回路１０５に結合し、そして／または外部の装置に結合することも可能である。１つの実施例において、イメージング装置はカメラであり、内部処理回路は多数の画像を捕捉し保存するために使用される。カメラは、外部のプロセッサ、プリンタまたは捕捉した画像を転送するネットワークと通信できるようにしてもよい。同様に、イメージング装置は、スキャナー、コピー機または同様な装置でもよい。さらに、スイッチ回路１３０、１３２、１３５は残りの回路に組込み可能な制御機能を表わす。即ち、積分回路１２８はノード１２２をサンプリングし、制御信号に応答してノード１２１に出力信号を結合する回路を含むようにしてもよい。
【００２２】
特定の実施例を図示説明したが、当業者は、図示説明した特定の例の代わりに同一目的を達成すると思われる任意の構成を使用できることがわかるであろう。本願は、本発明の任意の変形例または設計変更をカバーするものと意図されている。従って、本発明は特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されるものであることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明の１実施例のイメージング装置を示すブロック図である。
【図２】  図２は、図１のイメージング装置のイメージングアレイを示す。
【図３】  図３は、図１のイメージング装置の補償回路を示す。
【図４】  図４は、図１のイメージング装置の別の補償回路を示す。
【図５】  図５は、図１のイメージング装置の別の補償回路を示す。
【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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