特許 5767320 感光素子、感光素子の読み込み方法、及び感光素子の読み込み回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5767320

(24)【登録日】2015年6月26日

(45)【発行日】2015年8月19日

(54)【発明の名称】感光素子、感光素子の読み込み方法、及び感光素子の読み込み回路

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/378 20110101AFI20150730BHJP

   H04N 5/372 20110101ALI20150730BHJP

   H04N 5/374 20110101ALI20150730BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20150730BHJP

【ＦＩ】

   H04N5/335 780

   H04N5/335 720

   H04N5/335 740

   H01L27/14 A

【請求項の数】19

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2013-512714(P2013-512714)

(86)(22)【出願日】2010年6月1日

(65)【公表番号】特表2013-532421(P2013-532421A)

(43)【公表日】2013年8月15日

(86)【国際出願番号】CN2010073442

(87)【国際公開番号】WO2011150553

(87)【国際公開日】20111208

【審査請求日】2012年12月11日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】512164975

【氏名又は名称】博立▲碼▼杰通▲訊▼（深▲せん▼）有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＢＯＬＹ ＭＥＤＩＡ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ（ＳＨＥＮＺＨＥＮ）ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】特許業務法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】胡 笑平

【審査官】 木方 庸輔

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００８−５４６３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０４６５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２３１００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２１５２４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５１７５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０６４７５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０４Ｎ ５／３０ − ５／３７８ ，

Ｈ０１Ｌ ２１／３３９ ，

Ｈ０１Ｌ ２７／１４ − ２７／１４８ ，

Ｈ０１Ｌ ２９／７６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画素アレイと読み込み回路を含む感光素子であって、
前記画素アレイでは、二つの隣接画素を接続し、且つ接続された前記二つの隣接画素間の電荷転送を実現する転送ゲートが、少なくとも一部の画素に配置されており、前記転送ゲートは、一個の画素の電荷を隣接する画素の一つに重ね合わせるように構成されていることを特徴とし、
前記読み込み回路が前記画素アレイの中の一個の画素の電荷を読み込み、それぞれの画素は前記読み込み回路に接続されており、前記電荷が、この画素自体の電荷、この画素に隣接する画素からの転送電荷、この画素自体の電荷とその一個又は一個以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、又はこの画素に隣接する二つ又は二つ以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせの少なくとも１種であることを特徴とする感光素子。

【請求項2】

前記少なくとも一部の画素の中の一個の画素に前記転送ゲートによって接続される隣接画素は、前記一個の画素の上下左右四つの方向のそれぞれの隣接画素を含むことを特徴とする請求項１に記載の感光素子。

【請求項3】

前記転送ゲートが、前記画素アレイにおけるそれぞれの二つの隣接画素の間に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の感光素子。

【請求項4】

前記読み込み回路が、接続された画素自体の電荷を読みだしてこの画素自体の電荷をクリアした後、この画素の隣接画素から転送された電荷を読み込むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の感光素子。

【請求項5】

前記読み込み回路が、能動画素読み込み回路、受動画素読み込み回路、又は能動画素と受動画素の複合読み込み回路の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の感光素子。

【請求項6】

前記能動画素が３Ｔ、４Ｔ、５Ｔ、又は６Ｔ能動画素を含むことを特徴とする請求項５に記載の感光素子。

【請求項7】

前記読み込み回路の共有方式が、４点共有方式、６点共有方式、又は８点共有方式のいずれかであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の感光素子。

【請求項8】

一個の読み込み回路を共有する一個の画素グループでは、この読み込み回路に接続されない画素からこの読み込み回路に接続される画素までの間の転送の数が４つの画素を超えないことを特徴とする請求項７に記載の感光素子。

【請求項9】

前記画素アレイにおける画素が単色感光、多色感光、又は可視光と赤外光を含むマルチスペクトル感光が要求する予め設定されたパターンに従って繰り返し配列されており、
前記予め設定されたパターンが、ベイヤパターン、ハニカムパターン、単色パターン、ＣｙＹｅＭｇＸパターンのいずれかであって、ＣｙＹｅＭｇＸパターンのＸが、Ｒ、Ｇ、Ｂにおける任意の１種の色彩であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の感光素子。

【請求項10】

感光素子の画素アレイにおける少なくとも一部の画素の間に、二つの隣接画素を接続し、且つ接続された前記二つの隣接画素の間の電荷を転送するステップであって、前記二つの隣接画素の間の電荷の転送が、一個の画素の電荷を隣接する画素の一つに重ね合わせるように構成されていることを特徴とするステップと、
一個の画素からこの画素の電荷を読み込むステップであって、それぞれの画素は読み込み回路に接続されており、読み込まれる前記電荷がこの画素自体の電荷、この画素に隣接する画素からの転送電荷、この画素自体の電荷とその一個又は一個以上の隣接画素から転送された電荷の重ね合わせ、又はこの画素に隣接する２つ又は２つ以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせの少なくとも１種である、読み込みステップと、
を含むことを特徴とする感光素子の読み込み方法。

【請求項11】

一個の前記画素から、この画素に隣接する画素からの転送電荷を読み込むステップが、画素自体の電荷を読みだしてこの画素をクリアした後に行われることを特徴とする請求項１０に記載の読み込み方法。

【請求項12】

サンプリング及びサブサンプリングプロセスを含んでおり、
前記サンプリング及びサブサンプリングプロセスが、前記画素アレイにおける隣接する同行異列、異行同列、又は異行異列の画素間でそれぞれ合併とサンプリングを行って第一合併画素のサンプリングデータを取得するための第一合併プロセスと、
前記第一合併プロセスが取得した前記第一合併画素のサンプリングデータに対して合併とサンプリングを行い、第二合併画素のサンプリングデータを取得するための第二合併プロセスと、
を含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の読み込み方法。

【請求項13】

前記第二合併プロセスによって取得された前記第二合併画素のサンプリングデータに対して合併とサンプリングを行い、第三合併画素のサンプリングデータを取得するための第三合併プロセスを更に含んでおり、
前記第三合併プロセスの合併とサンプリング方式が、色彩空間変換方式、バックエンドデジタル画像拡大縮小方式のいずれかを含み、
前記色彩空間変換方式が、ＲＧＢからＣｙＹｅＭｇＸ空間への変換、ＲＧＢからＹＵＶ空間への変換、又はＣｙＹｅＭｇＸからＹＵＶ空間への変換を含んでおり、ＣｙＹｅＭｇＸのＸが、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれか一種類の色彩であることを特徴とする請求項１２に記載の読み込み方法。

【請求項14】

前記第一合併プロセス又は前記第二合併プロセスの画素の合併とサンプリングの方式が、同一又は異なる色彩画素間の電荷累積方式又は異なる色彩画素間の信号平均方式であり、その中で、異なる色彩画素間の画素合併方式が色彩空間変換方式に従うことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の読み込み方法。

【請求項15】

前記第一合併プロセス又は前記第二合併プロセスの、色彩に基づく合併とサンプリングの方式が同色合併方式、異色合併方式、複合合併方式、又は余った色彩を選択的に放棄する方式のいずれかを含んでおり、且つ前記第一合併プロセスと前記第二合併プロセスにおいて少なくとも一つの合併プロセスが、同色合併方式ではないことを特徴とする請求項１２に記載の読み込み方法。

【請求項16】

前記第一合併プロセス又は第二の合併プロセスで機能する、位置に基づく合併とサンプリングのプロセスの方式が、バスに直接出力される信号自動平均方式、行飛ばし又は列飛ばし方式、及び逐次サンプリング方式の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１２に記載の読み込み方法。

【請求項17】

感光素子の画素アレイにおける画素電荷を読み込むための感光素子の読み込み回路であって、
前記画素アレイでは、隣接画素を接続し、且つ接続された前記隣接画素の間の電荷転送を実現する転送ゲートが、少なくとも一部の画素に配置されており、前記転送ゲートは、一個の画素の電荷を隣接する画素の一つに重ね合わせるように構成されていることを特徴とし、
前記読み込み回路が、前記画素アレイの中の一個の画素の電荷を読み込み、それぞれの画素は前記読み込み回路に接続されており、前記電荷が、この画素自体の電荷、この画素に隣接する画素からの転送電荷、この画素自体の電荷とその一個又は一個以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、またはこの画素に隣接する２つ又は２つ以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、の少なくともいずれか一種であることを特徴とする読み込み回路。

【請求項18】

前記画素アレイにおける少なくとも一部の画素に接続される前記読み込み回路が、能動画素と受動画素の両方の複合読み込み回路であることを特徴とする請求項１７に記載の読み込み回路。

【請求項19】

前記読み込み回路には画素のクリア又はリセット信号が配置されており、前記画素に対するクリア又はリセットの機能を有することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の読み込み回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は感光素子（光増感素子）と、その読み込み方法と、その読み込み回路に関し、特に、大型アレイ高性能感光チップの感光画素の設計、製造、読み込み方法及びその半導体加工プロセスに関する。本発明は、熟慮された（成熟した）ＣＣＤ感光チップ技術及び熟慮されたＣＭＯＳ感光チップ技術を組み合わせて、新たな感光素子を発明した。

【背景技術】

【0002】

本発明は本発明者による、発明の名称「マルチスペクトル感光素子及びその製造方法」（特許文献１、ＰＣＴ／ＣＮ２００７／０７１２６２）と、発明の名称「マルチスペクトル感光素子及びその製造方法」（特許文献２、中国特許出願第２００８１０２１７２７０．２号）と、「マルチスペクトル感光素子及びそのサンプリング方法」（特許文献３、中国特許出願第２００９１０１０５９４８．２号）に続く出願であり、更に具体的な、且つ好適な半導体回路とチップレベル、並びに新たな感光素子に適用される半導体製造技術の提供を旨とする。

【0003】

周知の通り、従来の感光チップ技術は、主に、ＣＣＤ(ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ)とＣＭＯＳ(ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ)という２種類に分けられる。他の半導体技術、例えばインジウム・カドミウムを用いる半導体技術が赤外光を応答するチップの製造に用いられる(非特許文献１、「Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙｓ」 ， Ｍ．Ｋｉｍａｔａ， ｉｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｍ． Ｈｅｎｉｎｉ ａｎｄ Ｍ． Ｒａｚｅｇｈｉ， ｐｐ． ３５２−３９２， Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ．， ２００２)、しかしながら、それらは 主流には ならない。

【0004】

ＣＣＤとＣＭＯＳは、本質的には、シリコンを基礎とする半導体技術上に確立されている。それらの間の主な差異は、画素の読み込み方式が異なることである。このように読み込み方式が異なっているため、ＣＣＤ加工プロセスは従来のＣＭＯＳ半導体加工プロセスから逸脱しており、半導体技術における特殊な支流（ブランチ）となり、即ち、ＣＣＤ半導体技術である。

【0005】

ＣＣＤ感光チップは、主に以下の三種類の画素読み込み方式を用いる。即ち、図９(ａ)に示すようなフレーム転送方式（Ｆｒａｍｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）、図９(ｂ)に示すような線間転送方式（インターライン転送、Ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）及び図９(ｃ)に示すようなフレーム線間転送方式（フレームインターライン転送、Ｆｒａｍｅ Ｉｎｔｅｒｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）である。この三種類の方式は、いずれも感光画素と感光画素との間、又は感光画素と非検出光転送画素（非感光転送画素）との間に電荷を高速、高い忠実度で転送する必要がある、このため、ＣＣＤ半導体製造プロセスは、以下のような特殊性を有するようになる。（１）高電圧、一般的には正負（±）１８Ｖ左右、（２）高純度、画素の間の一致性が非常によいことを要求する、（３）高加工精度：画素の 間の大きさ、深度等の指標上では必ず完全一致を要求する。ＣＣＤ加工工程の複雑さと数の多さに加えて、標準的ではない特性（非通用性）は、ＣＣＤデバイスの高コストを導き、感光素子と処理手段（処理デバイス）とを集積しにくくしている。更に、高電圧がＣＣＤデバイスの高電力消費をもたらす。

【0006】

ＤＲＡＭに類似する、ＣＭＯＳの中の行選択制御手段（制御手段）と行選択制御手段とは、それぞれの画素電圧を一つずつ直接読み込みバス上におく（入力する、put on）。各画素における信号（画素信号）は、行選択制御信号と行選択制御信号を使用することによって（介して）、順次に読み込まれる。このような感光素子を製造するための半導体加工工程は、標準なＣＭＯＳ加工工程に非常に近い為に、非常に多くの半導体工場で加工できて、これでコストが低くなる点が遊離である。更に、低電圧で稼働するために、電力消費が少ない。ＣＭＯＳ感光チップ技術の迅速な発展によって、ＣＭＯＳ感光チップ技術が、主な技術指標でＣＣＤ技術を超えるようになり、現在もっとも主要な感光チップ技術となっている。

【0007】

これに加えて、ＣＭＯＳ感光チップの画素は、主に受動画素（パッシブ画素、被動画素）と能動画素（アクティブ画素、主動画素）として設計される。能動画素は、より高い信号対雑音比と感度を有する為に、受動画素よりも広く応用される。しかし、読み込みコンデンサＦＤ(読込キャパシタ浮動拡散、Ｒｅａｄｉｎｇ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｆｌｏａｔｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ)、及び、３Ｔ、４Ｔ、更に５Ｔ／６Ｔのサンプリング増幅回路が、感光面積比例因子(Ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ)を低減させるために、能動画素の中で用られる必要がある。この結果、単位面積上の有効画素の数が、低減されて、信号対雑音比と感度の改良が更に制限される。そのため、最近は、例えば４点によって共有された４点共有４Ｔ能動画素のような、共有される（シェアされる）読み込み回路（ｓｈａｒｅｄ ｒｅａｄｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）が、開発されている。一般に、共有読み込み回路が使用されるとき、読み込みコンデンサＦＤもまた使用されるが、このような共有が一定の副作用（不利な点）をもたらす。第１の副作用は、一個の読み込みコンデンサ又は読み込み回路において一個のデバイスが問題を出す（フォルトとなる）と、一群の画素が欠陥画素（ｄｅａｄ ｐｉｘｅｌ）となる。また、読み込みコンデンサの共有によって、異なる色彩画素の間の相互干渉（ｃｒｏｓｓ ｔａｌｋｉｎｇ）が増加し、色彩が十分に鮮やかにならない。

【0008】

ＣＭＯＳ読み込み技術のもう一つの問題は、画素アレイが非常に大きい場合、最適なフレームレートを得るために非常に高周波数のピクセルクロックが必要となる点である。しかし、ピクセルクロックは、ＡＤ転換速度のような他の条件に制限される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】国際出願ＰＣＴ／ＣＮ２００７／０７１２６２号

【特許文献2】中国特許出願第２００８１０２１７２７０．２号

【特許文献3】中国特許出願第２００９１０１０５９４８．２号

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】「Ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙｓ」 ， Ｍ．Ｋｉｍａｔａ， ｉｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ｅｄｉｔｅｄ ｂｙ Ｍ． Ｈｅｎｉｎｉ ａｎｄ Ｍ． Ｒａｚｅｇｈｉ， ｐｐ． ３５２−３９２， Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｌｔｄ．， ２００２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

このために、ＣＣＤの感光チップ技術とＣＭＯＳの感光チップ技術のいずれかの改良が望まれている。

【0012】

本発明の目的は、ＣＣＤ感光素子とＣＭＯＳ感光素子の特長を併せ持つ新しい感光素子及びその読み込み方法を提供し、それにより、製造加工、読み込み等の方面に利便性を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の技術的解決策は以下を含む。

【0014】

画素アレイと読み込み回路を含む一種の感光素子が開示される。前記画素アレイは、少なくとも一部の指定された画素間に、隣接画素を接続し、そして接続画素間で電荷転送を実現する転送ゲート（転送門）が配置（配置）されている。前記読み込み回路は、画素アレイの中の一個の画素からこの画素の電荷を読み込むことに用いられ、前記電荷はこの画素自体の電荷、この画素に隣接する画素からの転送電荷、この画素自体の電荷とその一個又は一個以上の隣接画素から転送された転送電荷の重ね合わせ（重畳、積み重ね）、この画素の２つ又は２つ以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、のうちの少なくとも一種であることを特徴とする。

【0015】

前記少なくとも一部の指定された画素のなかの一個の画素に前記転送ゲートを経由して接続される前記隣接する隣接画素は、この画素の上下左右４つの方向のそれぞれの隣接画素を含む。

【0016】

前記感光素子によれば、前記転送ゲートが、前記画素アレイにおけるすべての二つの画素の間に配置される。

【0017】

前記感光素子によれば、前記読み込み回路がそれに接続された画素自体の電荷を読みだして、この画素自体の電荷をクリア（リセット）した後、この画素の隣接画素から転送された転送電荷を読む。

【0018】

前記感光素子によれば、前記読み込み回路が能動画素読み込み回路、受動画素読み込み回路、又は能動画素と受動画素の複合（ハイブリッド、混成、混合）読み込み回路のいずれかを含むことができる。

【0019】

前記感光素子によれば、前記能動画素が３Ｔ、４Ｔ、５Ｔ、又は６Ｔ能動画素のいずれかを含むことができる。

【0020】

前記感光素子によれば、前記読み込み回路の共有方式が無共有方式、４点共有方式、６点共有方式、８点共有方式、又は任意の数の点を共有する方式のいずれかを含むことができる。

【0021】

前記感光素子によれば、前記読み込み回路の共有方式が４点共有方式、６点共有方式、８点共有方式、又は任意点共有方式である場合に、一個の読み込み回路を共有する一個の画素では、この読み込み回路に接続されない画素からこの読み込み回路に接続される画素までの間の転送距離が４つの画素を超えない。

【0022】

前記感光素子によれば、単面単層、単面二重層、単面多層、両面二重層、両面多層感光素子を含むことができる。

【0023】

前記感光素子の感光方式によれば、正面感光（正面検出）、背面感光（背面検出）、又は両面感光（両面検出）の方式（感光性）の少なくとも一つのものを含むことができる。

【0024】

前記感光素子によれば、前記画素アレイにおける画素が単色感光、多色感光、又は可視光と赤外光を含むマルチスペクトル感光が要求する予め設定されたパターンに従って繰り返し配列される。

【0025】

前記感光素子によれば、前記予め設定されたパターンがベイヤパターン（Bayer pattern，貝葉パターン）、ハニカム状パターン（honeycomb pattern, セルラーパターン）、単色パターン、ＣｙＹｅＭｇＸパターンを含むことができる。ここで、Ｘは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）における任意の１種の色彩であってよい。

【0026】

本発明は更に感光素子の読み込み方法を開示する。この方法は、
前記感光素子の画素アレイにおける少なくとも一部の指定された画素の間に、隣接する隣接画素を接続し、且つ接続された画素の間の電荷の転送を実現する転送ゲートを配置するステップと、
画素アレイの中の一個の画素からこの画素の電荷を読み込むステップであって、前記電荷が、この画素自体の電荷、この画素の隣接画素からの転送電荷、この画素自体の電荷とその一個又は一個以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、またはこの画素の２つ又は２つ以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、の中の少なくとも１種であることを特徴とする電荷を読み込むステップを含む。

【0027】

前記読み込み方法によれば、前記画素の隣接画素からの転送電荷を読み込むステップが、画素自体の電荷を読みだして、この画素の電荷をクリア（リセット）した後に行われてもよい。

【0028】

さらに前記読み込み方法によれば、サンプリング及びサブサンプリングプロセス（下位のサンプリング工程）を含むことができる。前記サンプリング及びサブサンプリングプロセスは、前記画素アレイにおける隣接する同行異列、異行同列、又は異行異列の画素間で、合併とサンプリングを行い、第１合併画素（最初に結合された画素）のサンプリングデータを取得するための第１合併プロセス（第一の結合工程）と、第１合併プロセスが取得した第１合併画素のサンプリングデータに対して合併とサンプリングとを行い、第２合併画素のサンプリングデータを取得するための第２合併プロセス（第二の結合工程）を含むことができる。

【0029】

前記読み込み方法によれば、更に、第２合併プロセスが取得した第２合併画素のサンプリングデータに対して合併とサンプリングとを行い、第３合併画素のサンプリングデータを取得するための第３合併プロセスを含むことができる。

【0030】

前記読み込み方法によれば、前記第１合併プロセス又は第２合併プロセスの画素の合併とサンプリングの方式が、同一又は異なる色彩画素間の電荷累積方式、又は異なる色彩画素間の信号平均方式であることができる。そのうち、異なる色彩画素間の画素合併方式が色彩空間変換の方式に従うことで、色彩の再構築（再建）の要求を満たすことができる。

【0031】

前記読み込み方法によれば、前記第１プロセス又は第２合併プロセスの、色彩に基づく合併とサンプリングの方式を、同色合併方式、異色合併方式、複合合併方式、又は余った色彩を選択的に放棄する方式のいずれかとすることができる。このとき、第１合併プロセスと第２合併プロセスにおいて、少なくとも一個の合併プロセスは、同色合併方式ではない。

【0032】

前記読み込み方法によれば、前記第１合併プロセス又は第２の合併とサンプリングのプロセスの、位置に基づく合併とサンプリングの方式を、バスに直接出力される信号自動平均方式、行飛ばし又は列飛ばし方式、及び逐次サンプリング方式の少なくとも１種を含むとすることができる。

【0033】

前記読み込み方法によれば、前記第３の合併とサンプリングのプロセスにおける合併とサンプリングの方式を、色彩空間変換方式、バックエンドデジタル画像拡大縮小方式のいずれかとすることができる。

【0034】

前記読み込み方法によれば、前記色彩空間変換を、ＲＧＢからＣｙＹｅＭｇＸ空間までの変換、ＲＧＢからＹＵＶ空間までの変換、又はＣｙＹｅＭｇＸからＹＵＶ空間までの変換のいずれかとすることができる。その中で、Ｘは、(赤)、Ｇ(緑)、Ｂ(青)のいずれか１色である。

【0035】

前記読み込み方法によれば、その全画像（全図）サンプリングの方式を、プログレッシブ走査プログレッシブ読み込み方式、又はプログレッシブ走査インターレース又はインターライン読み込み方式とすることができる。

【0036】

本発明は更に、前記感光素子の画素アレイにおける画素電荷を読み込むための感光素子の読み込み回路を開示する。前記画素アレイでは、少なくとも一部の画素の間に隣接画素を接続し、且つ接続された画素の間の電荷転送を実現する転送ゲートを配置する。前記読み込み回路が読み込む前記画素電荷は、この画素自体の電荷、この画素に隣接する画素からの転送された電荷、この画素自体の電荷とその一個又は一個以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、この画素の２つ又は２つ以上の隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、のうちの少なくとも１種である。

【0037】

前記画素アレイにおける少なくとも一部の画素に接続される前記読み込み回路は、能動画素と受動画素の混合読み込み回路（複合読み込み回路、hybrid reading circuit）である。

【0038】

前記読み込み回路によれば、画素のクリア又はリセット信号が提供され、画素に対するクリア又はリセットの機能を有する。

【発明の効果】

【0039】

技術的効果
本発明の有益な技術効果は以下の通りである。

【0040】

１、本発明の感光素子は、画素アレイの少なくとも一部の画素の間に転送ゲートが配置されることによって、２つの画素の間が相互の電荷転送を行うことができるようになり、読み込み回路が一個の画素からこの画素自体の電荷、この画素の隣接画素からの転送電荷、この画素自体の電荷とその隣接画素からの転送電荷の重ね合わせ、又は２つ以上隣接画素からの転送電荷の重ね合わせを読み込むことができ、これで以下を実現できる。即ち、

【0041】

（１）低い読み込みの電圧のみが要求される。電荷転送が隣接画素の間のみに行われるために、高電圧は必要ない。感光素子の電力消費の低減が達成される。

【0042】

（２）加工工程の簡略化（簡単化、単純化）され、且つ感光感度が改善される。電荷転送が画素の間で行われるために、本発明の感光素子では、読み込みコンデンサを配置する必要がない。読み込みコンデンサの省略は、一方では、感光面積の増加となり、感光感度を向上させる。他方では、読み込みコンデンサの加工を省略できるために、加工プロセスも簡略化される。また、電荷転送が隣接画素間で行われて、画素の間の不一致性が一定の偏差（deviation,偏り）をもたらすが、このような偏差の重畳がそれほど高くなく、このために、画素間の同一性（一致性）の要求を低減して、加工の精度要求を低減した。

【0043】

（３）能動画素若しくは受動画素の選択の柔軟性が提供される。能動画素の特長は信号対雑音比の高さ（High SNR）であり、一方、受動画素の特長は低電力消費である。両者それぞれの特長は、通常両立させにくい。しかし、本発明は、電荷転送によって、サブサンプリング時の電荷の重ね合わせ（重畳）が実現されて、サブサンプリング時の信号が増強され、これにより能動画素と受動画素の特長の両立が実現できる。能動画素の高電力消費は、主にその増幅回路（拡大回路）の配置によるが、本発明では、能動画素が全画像の写真を取る場合のみに使用され、プレビュー又はサブサンプリングの場合に、増幅回路を付けない受動画素を用いる。これで正常に使用する電力消費を低減するとともに、高画素写真を取る時の高信号対雑音比が保証される。これで本発明は、能動画素と受動画素の特長をあわせるようになる。

【0044】

本発明では、隣接画素の概念を提案する。この概念は、読み込み回路共有と画素転送の観点（角度）から提出される。一般的には、画素が空間に分布することにより、いくつかの小さいブロック（グループ、群）に分割され、各ブロックが一個又は複数の読み込み回路を共有する。画素合併は、ブロック内のみに行われる。通常、同一な画素合併ブロックにある組み合わされる画素を、隣接画素として参照する（称する）。

【0045】

本発明では、画素転送は、（水平又は垂直方向に沿って）隣接する２つの画素の間のみで行われる。このため、一個の画素を、隣接しない一個の画素に転送する必要があるとき、更なる伝達転送が必要となる。転送の回数を、「転送距離（転送距離）」と称する。４点画素マトリックス（４点画素配列、４点画素アレイ）を例とすると、電荷をマトリックスにおける左上角の画素に転送することを実現しようとすると、右上角画素の電荷が、一回同行間の転送のみを行う必要があり、これで左上角画素に転送でき、左下角画素の電荷が、一回同列間の転送のみを行う必要があり、左上角画素までに転送できる。即ち、右上角画素、左下角画素から左上角画素までの転送距離がいずれも１である。右下角画素にとって、一回同行間の転送を行う必要があり、まず電荷を左下角画素までに転送し、又は一回同列間の転送を行う必要があり、まず電荷を右上角画素に転送し、そして右上角画素又は左下角画素を介して左上角画素までに転送する。即ち、右下角画素から左上角画素までの転送距離が２である。つまり、一個の画素が転送目的の画素に隣接していないと、この画素の電荷がその隣接画素を仲介して、転送目的の画素までに最終に転送できる。本発明では、転送方向が制限されず、一個の画素がそのいずれかの方向の隣接画素に対して電荷転送を行わない。制御回路が複雑にならないために、転送距離が４つの画素を超えないようにする。

【0046】

上記の説明は、主に二次元の画素転送を目的としたものである。多層感光素子のために、同一の光照射方向にある異なる層の面の感光画素が、類似する画素転送を行なってもよい。

【0047】

読み込み回路が電荷を読み込む時に、一個の画素からこの画素自体の電荷、又はこの画素の隣接画素からの転送された転送電荷を読み込んでよい。通常、転送目的地を意味する転送先の画素のために、その感光信号を失わない場合、まずこの転送先の画素自体の電荷を読み出し、そしてこの画素をリセット（クリア）し、そして隣接画素の電荷をこの転送先の画素の電荷に転送する。このような方式は、主に電荷の単一性を保持するためである。しかし、この単一性が必要ではなく、読み込む時に、同様に電荷重ね合わせ読み込みの方式を用いてもよく、電荷重ね合わせが、転送先の画素自体の電荷とその隣接画素からの転送電荷の重ね合わせでよく、２つ又は２つ以上の転送された画素の電荷が転送先の画素に重ね合わされてもよい。同一色彩の画素にとって、その重ね合わせは要求されない。しかし、異なる色彩の画素に対しては、色彩再構築の要求を満たすために、通常、２種類の色彩の画素のみが重ね合わされる。

【0048】

読み込み回路が、画素間で共有を行わなくてもよい。好ましくは、多点共有方式を用いてもよい。即ち、読み込み回路を転送目的画素上に配置し、この転送目的画素に隣接する隣接画素の電荷が、転送目的画素に転送されることによって、最初に読み込まれる。そしてその後、転送目的画素上に配置された読み込み回路によって、その電荷が読み込みまれる。ここで、一個の読み込み回路を共有する転送目的画素及びその隣接画素を一個の画素群（画素グループ）と称する。

【0049】

本発明の画素は、能動画素と受動画素の特長が組み合わされている。好適には、画素アレイの中の読み込み回路に接続されている各画素にとって、その接続した読み込み回路は、能動画素読み込み回路、受動画素読み込み回路、又は能動画素読み込み回路と受動画素読み込み回路を同時に含んでおり、信号選択方式によってその一個を選択的に接続し、各画素が同時に能動画素と受動画素の読み込み機能を有する回路であってよい。

【0050】

結論として、本発明はＣＣＤ感光チップ技術とＣＭＯＳ感光チップ技術の特長をあわせもっており、物理的に更に優れた方式で、更に進歩した感光素子が実現された。

【0051】

本発明は、画素の間の電荷転送、特に二次元の画素間の電荷転送（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）の画素読み込み方式を初めて開示している。これで、読み込みコンデンサＦＤを付けない画素を実現し、且つ能動画素と受動画素の混合を実現できる。電荷信号が、読み込みコンデンサＦＤを用いない前提の下で重畳合併を実現できる。

【0052】

従来のほとんど全てのサブサンプリングでは、合併とサンプリングがほとんど電圧又は電流信号の平均のみで実行されている。このような方式は、Ｎ個の点を合併する場合に、最大でも信号対雑音比をＮ^１／２（√Ｎ倍、ルートＮ倍）増加させる。しかしながら、電荷の重畳の方法を用いることで、信号対雑音比がＮ×Ｎ^１／２（Ｎ×ルートＮ倍、Ｎ×√Ｎ倍）増加させることができ、信号の平均方法よりＮ倍高くなる。つまり、Ｎ個の信号を電荷累積の方法で合併し、理論上、Ｎ^３の信号を平均する効果を達成できる。これが信号対雑音比を上げる効果的な手段である。

【0053】

本発明によれは、電荷の重ね合わせ（電荷累積、電荷重畳）を主とし、信号平均を従（副）とするサブサンプリング方式を用いることで、任意のＭ×Ｎ因子のサブサンプリングを容易に実現する。

【0054】

本発明によれば、設計最適化の要求に基づいて、読み込みコンデンサＦＤを省略することにより、共有読み込み回路を、４点共有、８点共有等、Ｎ点を共有するＮ点共有読み込み回路に拡張することができる。

【0055】

本発明は、サブサンプリングを少なくとも２つのプロセスに分ける。即ち前述の第１の合併とサンプリングのプロセスと、第２の合併とサンプリングのプロセスである。第１の合併とサンプリングのプロセスと第２の合併とサンプリングのプロセスが、通常、画素の行の（合併）サンプリングと列の（合併）サンプリングの間に行われる。主にアナログ信号に対し行われ、電荷の重ね合わせ（累積）部分を除いて、通常、第１の合併とサンプリングのプロセスのみに行われる以外に、その順序と内容とを一般に交換してもよい。また、第３の合併とサンプリングのプロセスを含んでよく、第３の合併とサンプリングのプロセスがアナログ−デジタル変換の後に行われ、主にデジタル信号に対して行われる。

【0056】

第１の合併とサンプリングのプロセスでは、画素アレイにおいて２つのすぐ隣に隣接する画素が結合される（合併される）。一方、隣接する画素の合併が完成したとき、合併後に得られた画素を第１合併画素（第一結合画素）として参照する。第１合併画素は、ただ本発明を便宜的に説明するためのものであり、この概念を用いて第１の合併プロセスを行った後の画素を示すもので、物理的には画素アレイに１つの「第１合併画素」が存在することを示すものではない。２つの隣接する画素の合併とサンプリング後のデータを「第１の合併画素のサンプリングデータ」と称する。ここで、隣接とは、２つの画素の間が水平、垂直、又は対角方向から見て近接しており、中間に他の画素がないことをいう。隣接する場合には、同行異列、異行同列、又は異行異列を含む。一般的に、このような合併では、信号が少なくとも２つの画素の信号平均となるが、ノイズがＮ^１／２（ルートＮ、Ｎの正の平方根）低減し、このため、合併後、少なくとも信号対雑音比を Ｎ^１／２ （ルートＮ）倍上げることができる。またこのような合併は、同一な又は異なる色彩の画素の間で行われてもよい。他方、２つの合併する画素の色彩が異なってもよい。即ち色彩の累積（重ね合わせ）又は平均化が行われる。色彩の三原色原理として知られているとおり、２種類の原色の累積がもう１種類の原色の補色であり、つまり、２種類の異なる原色の画素が合併すると、もう１種類の原色の補色を生じる。色彩空間の変換は、原色空間から補色空間への変換（移動）だけが要求される。異なる補色によって色彩の再構築が完成される。即ち、本発明によれば、異なる色彩の画素の合併を実現することができて、信号対雑音比を向上させ、それとともにカラーの再構築を行うことができる。サブサンプリングのプロセス全体もこれによって最適化され、大データ量の画素アレイの高速需要に更に適応する。色彩空間変換のための１つの基本的な要求は、変換後の色彩の組合が、（挿入値等の手段を介する）要求されたＲＧＢ（又はＹＵＶ、 又はＣＹＭＫ）色彩を再構築できることである。

【0057】

通常、画素アレイは複数の画素を含んでおり、第１の合併とサンプリングではただ２つの画素を合併するため、合併で形成された第１の合併画素は複数存在する。異なる第１の合併画素にとって、それが用いた色彩合併方式は、同一であってもよく、異なってもよい。第１の合併全体が同一の色彩を持つ画素の間で行われる場合に、それを同色合併方式と称する。第１の合併全体が異なる色彩間で行われる場合に、それを異色合併方式と称する。第１の合併の一部が同一の色彩間で行われ、一部が異なる色彩間で行われる場合に、それを複合合併方式と称する。画素アレイにおける余った色彩を放棄（放棄は選択的なものであり、例えば、これによって色彩の再構築に影響してはいけない）する場合に、このような色彩合併方式を余剰カラー（余剰の色彩）の選択的放棄方式と称する。

【0058】

第２の合併プロセスは、複数の第１の合併画素に対する操作である。同様に、色彩が同一な第１の合併画素を合併してもよく、色彩が異なる第１の合併画素を合併してもよい（この場合に、三原色全部の重ね合わせとなってカラーを再構築できない可能性がある）。

【0059】

上述の同色合併、異色合併、複合合併等の方式は、合併とサンプリングとを色彩に基づいて分類したものである。これに加えて、合併とサンプリングの位置の選択した角度から、第１の合併プロセスと第２の合併プロセスの合併とサンプリングの方式は、同じバスに直接出力する信号自動平均方式、行飛ばし（行スキップ）又は列飛ばし（列スキップ）方式、逐次サンプリング方式（一対一サンプリング方式）、及びこれらの方式の２種又は３種の組み合わせを含む。第１の合併とサンプリングのプロセスのみで行われる電荷累積部分を除き、第１の合併プロセスと第２の合併プロセスは、順序が異なる以外に、その方式は同一であって、交換可能である。

【0060】

バスに直接出力する信号自動平均方式とは、合併する必要がある信号(色彩が同一又は異なる)、データ収集バスに同時に出力し、（電圧）信号の自動平衡によって、合併する必要がある信号の平均値を取得する。行飛ばし又は列飛ばし方式とは、行又は列を飛ばす（スキップする）ことによってデータ量を低減する方式によって、（合併と）サンプリングを実現する。逐次サンプリング方式とは、実際にはいずれの合併も行わずに、これによって元の画素又は第１の合併画素を読み込む。この３つの方式が同時に使用されてもよい。例えば、行飛ばし又は列飛ばし方式がバスに直接出力する信号自動平均方式又は逐次サンプリング方式と同時に使用されてもよい。

【0061】

第３の合併とサンプリングのプロセスのサブサンプリング方式は、色彩空間変換方式、バックエンドデジタル画像拡大縮小方式、及びこの２つの方式の連続した使用を含む。第１と第２合併プロセスは主にアナログ信号で行われるが、第３のサブサンプリングプロセスは主にデジタル信号で行われる。即ちアナログ・デジタル変換の後に行われる。異なる空間位置にある３つ又は４つの色彩画素を、同一な点の値として、また一個の色彩空間に転換する。これにより、水平方向及び（又は）垂直方向においてデータの減少を実現でき、これでサブサンプリングの効果が達成される。デジタル画像拡大縮小方式は、最も直感的に理解できる、一般に利用可能なサブサンプリング方式である。

【0062】

電荷の重ね合わせ（電荷累積）は合併とサンプリングとにおいて効果的な手段である。しかし、それが合併する画素が空間上隣り合う必要がある。従来の、サブサンプリングが行われない原因は、従来のサブサンプリングが単に同一の色彩の画素の間で行われるが、合併される画素の間に他の画素を隔てていると、電荷累積を実現できない。多重層感光素子は、色彩のパターンが非常に豊かであるため、電荷累積の実現がより簡単である。発明者らによる「マルチスペクトル感光素子及びそのサンプリング方法」（中国出願番号：２００９１０１０５９４８．２）は、色彩空間変換の方法を用いて、電荷累積のサブサンプリング方式を初めて実現した。しかしながら、多くの場合、この画素合併の方式は、全部又は一部が、異なる色彩を有する画素の間で行われる。さらに、色彩空間変換を用いた後、ある特殊なサブサンプリング因子（Ｍ×Ｎ）のために、行飛ばしと列飛ばしの方式を更に用いる必要がある。

【0063】

本発明によれば、画素アレイの製造が簡略化される上、読み込み回路が柔軟で簡略化される。特に、サブサンプリングは、電荷累積によって、同一色彩の画素の間で行うことができる。この特徴は、感光素子が弱い光の環境下での性能を向上させるために特別な価値がある。必要であれば、感度は、解像度を犠牲にする方法で、倍増される。例えば、色彩が同一な４つの画素を、電荷累積の方式で合併した後、改善される信号対雑音比の理論的な上限は４×４^１／２＝８倍である。一方、従来の信号平均方式を用いて四点合併した後、改善される信号対雑音比の理論的な上限は４^１／２ ＝２倍である。

【0064】

本分野の技術者にとって、本発明の上述及びそのほかの目的及び特長は、以下に示す好適な、複数の図面を参照する実施例の細部を読んだ後、明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0065】

【図1】図１は、ＣＭＯＳ受動画素のための読み込み（サンプリング）回路である。

【図2】図２は、ＣＭＯＳ ３Ｔ能動画素のための読み込み（サンプリング）回路である。ＰＤが感光ダイオードであり、ＦＤが感光しない読み込み転送コンデンサである。

【図3】図３は、ＣＭＯＳ ４Ｔ能動画素の読み込み（サンプリング）回路である。

【図4】図４（ａ）は、二相ＣＣＤの画素の設計図であって、二相ＣＣＤの横断面図である。図４（ｂ）は、二相ＣＣＤの電荷転送工程の模式的な図であって、二相パルスΦ１とΦ２の作用下のチャネル電位（channel potential）である。

【図5】図５（ａ）は、ＣＭＯＳ能動画素の行選択読み込み回路の回路図である。図５（ｂ）は、ＣＭＯＳ受動画素の行選択読み込み回路の回路図である。

【図6】図６は、図５に示すＣＭＯＳ読み込み回路のための、一般的な読み込み回路の抽象的な模式図である。

【図7】図７は、実用的なＣＭＯＳ画素のための典型的な列バッファを有する読み込み（サンプリング）回路の典型的な回路図である。

【図8】図８は、ＣＣＤ画素の読み込み方式（ａ）とＣＭＯＳ画素の読み込み方式(ｂ)の比較図である。ＣＣＤ画素の間の、垂直方向上の一連の伝達する機能が図８（ａ）に示されている。

【図9】図９は、現在の３種類の主にＣＣＤ感光素子に用いられる原理を模式的に示す図である。図９（ａ）は、フレーム転送ＣＣＤ（Ｆｒａｍｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ＣＣＤ，ＦＴＣＣＤ）を示している。フレーム転送ＣＣＤは、感光領域の画素を、一行一行順次に記憶領域に転送し、そして水平ＣＣＤを介して一個の画素ごとに一個ずつ読みだす。このようなＣＣＤは、非常に強い画像スミア（Ｓｍｅａｒ、白飛び）問題を有する。図９（ｂ）は、線間転送ＣＣＤ（インターライン転送、Ｉｎｔｅｒ−ｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ＣＣＤ，ＩＴＣＣＤ）を示している。線間転送ＣＣＤは、感光領域の画素を、同時的に列間記憶領域に転送し、そして列間記憶領域の画素が水平ＣＣＤを介して一行一行に一個ずつ読みだす。このようなＣＣＤは、画像スミア（Ｓｍｅａｒ）現象を低減するが、大量の列間記憶器を用いる。図９（Ｃ）は、フレーム線転送ＣＣＤ（Ｆｒａｍｅ Ｉｎｔｅｒ−ｌｉｎｅ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ＣＣＤ，ＦＩＴＣＣＤ）を示している。フレーム線転送ＣＣＤは、感光領域の画素を、まず同時に列間記憶領域に転送し、そして列間記憶領域の画素を行ごとフレーム記憶領域に転送し、そこで、行ごとに水平ＣＣＤを介して読みだす。このようなＣＣＤは、更に画像スミア（Ｓｍｅａｒ）問題を低減するため、主に専門の高速ビデオカメラに用いられる。

【図10】図１０は、現在使用されている、比較に好適な４点共有の４Ｔ能動感光画素のための読み込み回路を示している。各画素が平均１．７５個のゲートを用いている。

【図11】図１１は、一個の８点共有４Ｔ能動感光画素の読み込み回路を示している。各画素が平均１．３７５個のゲートを用いる。この８点共有の能動感光画素の読み込み回路は、４点マクロ画素に基づくマトリックス配列の両面二重層感光素子に適応している（「マルチスペクトル感光素子及びその製造方法」を参照。中国出願番号２００８１０２１７２７０．２）。即ち一個のマクロ画素においてすべての４つの複合画素の上下両層感光ダイオードが、同一の読み込みコンデンサ(ＦＤ)と３Ｔ読み込み回路を共有する。

【図12】図１２は、本発明者らによる「マルチスペクトル感光素子及びそのサンプリング方法」（中国出願番号：２００９１０１０５９４８．２）が開示する、画素読み込みとサブサンプリングのための原理的な回路システムのブロック図である。この回路は、画素アレイと、行アドレス復号制御手段と、列アドレス復号制御手段と、サンプリング制御回路と、拡大とアナログ・デジタル変換モジュールと、色彩変換とサブサンプリング及び画像処理のためのモジュールと、出力制御モジュールと、チップ中央制御モジュール（図１２におけるＣＣモジュール）と、他の利用可能なモジュールを含む。画素の読み込みとサブサンプリングの機能は、主に行アドレス復号制御手段と列アドレス復号制御手段が発生させる、対応する制御信号で達成される。システムの他のモジュールの協調は、主にチップ中央制御モジュールにより達成される。色彩空間変換の手段により、このような読み込み回路が、サンプル信号の電荷累積を初めて実現し、これでサブサンプリング時の画像の信号対雑音比を大幅に向上させる。ここで、Ｒｏｗ[ｉ]は、行選択信号であり、ＲＳ[ｉ]は行制御ベクトル信号であり、Ｃｏｌ[ｊ]は列選択信号であり、Ｔ[ｊ]が列制御ベクトル信号である。色彩変換とサブサンプリング及び画像処理モジュールが本発明の第３の合併とサンプリングのプロセスを実現する。

【図13】図１３（ａ）は本発明の画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）のための感光画素の原理を模式的に示す図である。このような感光画素は、周辺（少なくとも３つの方向）の他の画素に電荷を転送する機能を有する。簡単に言えば、各画素が周辺の画素の読み込みコンデンサＦＤの機能を果たすことができる。言い換えれば、ＣＣＤの一次元(垂直又は水平)の画素転送機能を、二次元まで拡張しており、即ち垂直と水平方向ともに転送できる。ＣＣＤとは異なって、画素（電荷）転送は、非常に隣接する画素の間で行われ、遠くまで転送しない（例えばＣＣＤの一列又は一行の距離）。画素の読み込みは、ＣＭＯＳの能動行走査と能動列走査の方式を用いる。このようにして、感光画素は、ＣＣＤとＣＭＯＳの特長をあわせ持つ。即ち、ＣＣＤのＦＤがないという特長と、ＣＭＯＳのランダム読み込みと低電圧の特長を持つ。各画素に電圧制御信号Ｖ[ｉ、ｊ]が接続される(図で表示される、画素の正方形の中間の灰色（陰影が付けられた）正方形部分は、非常に薄い金属電極である)。図１３（ｂ）は、本発明を単純化して説明するために用いられた、画素と転送ゲートの統一された参照番号付けの方式である。即ち、各使用可能な画素（即ち、非エッジ画素（端部ではない画素））の左側及び上方の転送ゲートをこの画素に属するものとみなし、この画素と同一な行アドレスと列アドレス符号[ｉ、ｊ]を用いる。

【図14】図１４は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）のための感光画素をからなる感光画素アレイを模式的に示す図である。本発明の電荷転送が、異なる色彩の画素の間で行われてもよいことに留意すべきである。

【図15】図１５は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）のための、感光画素の半導体を実現するための回路の模式図である。図１５と図２の相違点は、ＦＤがない点である。隣接する画素（ＰＤ）が読み込みコンデンサＦＤとしての機能を果たす。図は、一個の３Ｔ（能動画素）読み込み回路のみを描いている。しかし、読み込み回路の共有の情況によって、各画素が一個の読み込み回路を有してもよく、又は複数の画素が一個の読み込み回路を共用してもよい。このような実現形態は、現在のＣＭＯＳ感光画素と非常に近い。

【図16】図１６（ａ）は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）のための感光画素の、他の半導体を実現するための回路の模式図である。感光素子の横断面と、図４（ａ）に類似する読み込み回路を示しているが、図４（ａ）と異なる点は、４Ｔ能動画素の読み込み回路が追加されていることである。図１６（ｂ）は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）のための感光画素の、他の半導体を実現するための電荷転送の時系列（時間順序）の工程の模式図である。図１６（ｂ）は、転送パルスΦ１とΦ２作用下のチャネル電位を示しており、図４（ｂ）に類似するが、電荷転送が常に一方向（水平）に沿って転送されない。次のクロック周期で、電荷の転送方向が変わる可能性がある（例えば水平から垂直に変わる）。代替的には、次のクロック周期で、画素の読み込みを始めてもよい。同様に、能動画素の読み込み回路を共有しなくてもよく、多点で共有してもしなくともよい。

【図17】図１７は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素で構成した感光素子の、全画像読み込み方式の模式図である。このような簡単な方式では、第一行目（上一行）の画素を第２行目（下一行）の画素の読み込みコンデンサＦＤとする。第２行の画素を読み込む前に、まず上一行の対応する画素をクリア（リセット）し、関連するサンプリング（零電位）を行う。その後、下一行の画素を上一行に転送して感光電荷（電圧）のサンプリングを行う。図において数字１、２、３、４は、転送読み込みの順序を示す。簡単な変化として、左（既に用いた画素）を右の画素の読み込みコンデンサとしてもよいことは明らかである。転送の瞬間に、上一行の画素が依然として感光しているが、時間が非常に短かいため、生じた色彩の干渉を無視してもよい。

【図18】図１８は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素を用いて構成した感光素子の、一種のサブサンプリングと読み込みの方式の模式図である。このようなサブサンプリング読み込みの方式は、最初に同じ列方向の画素の電荷累積（重畳）を実現し、そして行飛ばしの方式によって、行方向のサブサンプリングを実現する。図には両方の列の累積の情況を示す。累積のプロセスには、４つのステップがある。まず上一行（第一行目）のクリア（リセット）を行う。第１ステップ：Ｇ１とＧ２画素が上一行の位置Ｘ１とＸ２にそれぞれ転送される。第２ステップ：Ｂ１とＢ２がＧ２の位置に転送され、Ｘ１とＸ２が同時にＸ３の位置に転送される。第３ステップ：Ｇ３とＧ４画素がそれぞれ上一行の位置Ｂ１とＢ２の位置に転送される。この時、Ｇ１とＧ２の和、及びＢ１とＢ２の和が、既に読み出されることができる。第４ステップ：Ｂ１とＢ２の位置のＧ３とＧ４画素電荷がＧ２に同時に転送され、Ｒ１とＲ２がＧ３に同時に転送される。そして、Ｇ２の位置からＧ３＋Ｇ４を読み出し、Ｇ３の位置からＲ１＋Ｒ２を読み出す。このように後の画素までに循環する。類似の例として、３列の合併が、電荷の累積（重ね合わせ、重畳）の方式で完成してもよい。４列の合併がまず累積され、そして平均の２つのステップを分解してもよい。１列と２列の累積、３列と４列の累積、そして累積後の信号をバスまでに同時に出力して第１、２列の和と第３、４列の和の信号平均を実現する。行方向について、簡単な行飛ばし方式を用いてサブサンプリングを行ってもよい。

【図19】図１９は、本発明による、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素を用いて構成した感光素子の、異なる色彩を合併するサブサンプリング読み込み方式の模式図である。このようなサブサンプリングの方式は、まず第１行と第２行の画素を、垂直を順次に累積（重畳）し、Ｙｅ（黄）Ｃｙ（青）ＹｅＣｙ・・・の色彩を取得する。具体的には、第２行の画素を、読み込む前に第１行の同一の列位置における画素に転送して合併し、そしてすぐに読みだす。第１行と第２行の画素を全部処理した後、第３と第４行の合併とサンプリングを行う。色彩の再構築の要求のため、第１行と第２行がＹｅ（黄）とＣｙ（青）とを取得した場合に、第３行と第４行が交差して合併を行うべきである。即ちＧとＧを合併してＧを取得し、ＢとＲを合併してＭｇ(マゼンダ、紫)を取得する。電荷累積の交差合併を達成するためには、更に複雑な電荷転送を制御するための時間順序（タイムシーケンス）を必要とする。例えば、図１９に示すように、Ｇ５とＧ６を重ね合わせるために、まずＢ３をＧ３（第２ステップ）に転送し、そしてＧ５とＧ６をＢ３（第３ステップ）に同時に転送し、これにより電荷累積を実現する。第３ステップで、更にＧ３がＲ１（第３ステップ）を転送し、最後にＲ３とＧ５とを重ね合わせる（第４ステップ）。 図１８と図１９と、は新規な感光画素の感光素子を用いた本発明者の発明（「マルチスペクトル感光素子及びそのサンプリング方法」、中国特許出願番号：２００９１０１０５９４８．２）に開示された第１合併プロセスと第２合併プロセスを実現した例である。

【図20】図２０は、任意の数の点によって共有された共有読み込み回路を例示した図である。従来の共有読み込み回路は、共有読み込みコンデンサに基づいて形成されている。つまり、Ｎ個の点が一個の読み込みコンデンサＦＤを共有すると、Ｎ個の点が一個の読み込み回路を共有する。即ち、一個の読み込みコンデンサＦＤが、一個の読み込み回路に対応する。隣接する点のみが、一個の読み込みコンデンサＦＤを共有するため、その前の読み込み回路共有が、少数の幾つかの点に行われる。例えば単層の２点、３点、４点、及び二重層の４点、６点、及び８点の共有が挙げられる。しかしながら、本発明の画素間の転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素が、読み込みコンデンサＦＤを要求しないため、容易に共有読み込み回路の点数を、Ｎ点まで任意で拡張できる。当然なことだが、数多くの点によって読み込み回路を共有することが、固定パターンのノイズ（Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）を抑える効果を達成することができる。従って、Ｎの大きさは、チップノイズの実際の情況に応じて決定される。しかしながら、回路の実装によって（図に示すように）、任意の数の点による共有は非常に容易である。

【図21】図２１は、同時に能動画素と受動画素機能とを有する混合読み込み回路の模式図である。スイッチＴｓをオンにする時に、能動出力線から能動画素の信号を取得できる。スイッチＴｓをオフにする場合に、受動出力線から受動画素の信号を取得できる。このような混合の読み込み回路を用いると、非常に少ないライン（線）と空間の増加によって、顕著な柔軟性、電力消費の低減、及び動的範囲（ダイナミックレンジ）の拡張が得られる。説明したように、共有読み込み回路の画素の点数をそれほど多くすることはできないが、そうしないと、固定パターンのノイズ（Ｆｉｘｅｄ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｎｏｉｓｅ）を抑える効果を達成できない。能動画素がもたらした問題は、電力消費の増加と信号エネルギーの総向上である。電力消費の増加がもたらしたひとつの問題は温度上昇であり、このため、温度に敏感なＫＴＣノイズを増加させる。高照度の場合に、信号エネルギーの全体としての向上が、飽和現象を容易に発生させて、動的範囲を改善しない。受動画素の特徴は電力消費が低く、信号エネルギーが低いが、固定パターンのノイズが比較に大きいことであり、プレビューとサブサンプリング、及び高照度の場合の情況に非常に適応する。このため、使用者は応用する情況によって、能動画素読み込み又は受動画素読み込みを随意に切り替えることができ、これでチップ電力消費と温度の低減、動的範囲の拡大、感光信号の信号対雑音比の向上効果を達成する。

【図22】図２２は、図１３、図２０、図２１を組み合わせた状態を示す図である。即ち、画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素を基本画素とし、Ｎ点を共有する能動画素と受動画素の機能を混合した読み込み回路を用いる一般化した情況である。図２２において[ｉ、ｊ]は一個の典型的な画素の行位置と列位置の下付き記号を表しており、[ｋ、ｌ]は第[ｋ、ｌ]番目の読み込み回路を表しており、[ｍ、ｎ]は異なる行と列の画素が同一な読み込み回路を表している。マトリックス配列の感光素子にとって、好ましくは、Ｍ×Ｎ個の点が同一な読み込み回路を共用するようにさせる。図に示すように、各画素Ｐ[ｉ、ｊ]がいずれも４つの制御信号に関連づけられる。即ち、Ｖ[ｉ、ｊ]、Ｔｇ[ｉ、ｊ]、 Ｔｈ[ｉ、ｊ]、及びＴｖ[ｉ、ｊ]である。Ｖ[Ｉ、ｊ]がバイアス電圧（付勢電圧）信号であり、クリア、画素転送の制御及び読み込みに用いられる。Ｔｇが読み込み制御信号であり、Ｔｈが水平転送制御信号であり、Ｔｖが垂直転送制御信号であり、Ｔｓが能動画素読み込み又は受動画素読み込みの選択スイッチである。Ｖ、Ｔｇ、Ｔｈ、及びＴｖ４つの信号が行選択信号Ｒｏｗ[ｉ]と行選択信号Ｃｏｌ[ｊ]と同期する必要があることは明らかである。この４つの信号のゲート回路の実現形態が図２３に示されている。

【図23】図２３は、Ｖ、Ｔｇ、Ｔｈ、及びＴｖの４つの信号を実現するゲート回路である。ここで、Ｒｏｗ[ｉ]は行選択信号であり、Ｃｏｌ[ｊ]は行選択信号であり、ＴＨとＴＶは、それぞれデバイス全体が共用する行と列転送制御信号である。ＲＣ[ｉ、ｊ]は画素選択信号を表しており、Ｖｒは読み込み用の電圧である。Ｖｒが通常は休止（suspend）しており、読み込みデータする場合にハイレベル（高水準）となり、クリアする場合にローレベル（低水準）となる。図２３と図２２には、各画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素が７個のゲートに関連づけられており、且つ共有読み込み回路の一部を共有している状態が示される。多数（高い数字）に見えるが、実際には、共有読み込み方式を用いてのと同様に、図２３における波線で囲まれたゲート回路（又はその等価回路）が必要なものである。このため、各画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素が３つの通常のロジックゲートを用いる。また、ＴｈとＴｖとも簡単な転送ゲートである。１３０ナノ以下の半導体処理技術においては、読み込みコンデンサＦＤに比べて、ロジックゲートが占める空間は非常に小さい。

【図24】図２４は、図２２における読み込み回路が、４×４の基本画素に共有されている場合に、リセット信号Ｒｓｔ[ｋ、ｌ]と読み込みモジュールが信号Ｓｅｌ[ｋ、ｌ]とを実現している形態を示す図である。このような簡略化された実施形態では、Ｒｓｔ[ｋ、ｌ]とＳｅｌ[ｋ、ｌ]とも行選択信号Ｒｏｗ[ｉ]のみに依存し、行選択信号Ｃｏｌ[ｊ]には依存しない。Ｒｓｔ[ｋ]とＳｅｌ[ｋ]とを発生させるために必要なゲートの数を無視してもよいために、それらの符号もＲｓｔ[ｋ]とＳｅｌ[ｋ]と簡略化できる。。

【発明を実施するための形態】

【0066】

本発明は新規な感光素子、読み込み方法、及び読み込み回路を含む。

【0067】

本発明の開示する一側面によれば、例示的な感光素子では、その感光画素が画素転送、特に二次元画素転送機能を有する。この感光素子では、全部読み込みコンデンサは廃止されている。その代わりに、画素アレイにおける一部の画素又は全部の画素の間に、接続する隣接画素（二次元における上下左右各方向でよく、更に多層感光素子には、例えば両面二重層感光素子に、有画素アレイを配置する基層の頂面と底面の感光画素にとって、画素転送を行うことができ、この場合に、頂面感光画素と底面感光画素が光照射方向の異なる層面に位置するため、画素転送が三次元の転送と思われる）のための転送ゲートが配置されており、画素自体の電荷が、適当な制御信号の時間順序で作用する。そして転送ゲートを介して隣接画素への転送を実現する。ここでは、画素自身の感光が取得（検出）した電荷を、画素自体の電荷と称し、その隣接画素が転送した電荷をこの画素の転送電荷と称する。即ち、画素Ａと画素Ｂとが隣接画素であると、画素Ｂ自体の電荷が画素Ａに転送されると、画素Ｂ自体の電荷が画素Ａで画素Ａの転送電荷と称される。一般的には、画素Ａ自体の電荷を読みだした後、画素Ｂ自体の電荷を画素Ａに転送する。しかしながら、画素Ｂ自体の電荷を画素Ａに転送した後、画素Ａから画素Ａ自体の電荷と転送電荷の重ね合わせた合計値を読みだすことも可能である。これが画素Ａと画素Ｂの電荷累積を実現する。特に、画素Ａの転送電荷が一個の隣接画素のみからではなく、例えば画素Ｂの外に、隣接画素Ｃ、Ｄを含むことができる。このような場合に、画素Ａから電荷を読み込み、そして転送可能な電荷を重ね合わせて、例えばＢ＋Ｃ、Ｂ＋Ｄ、Ｃ＋Ｄ、Ｂ＋Ｃ＋Ｄの累積を実現することができる。電荷累積は、画素Ａ自体の電荷と複数の転送電荷の重ね合わせでよく、例えばＡ＋Ｂ＋Ｃ、Ａ＋Ｂ＋Ｄ、Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ等が挙げられる。画素が、同色の電荷累積を含む場合、電荷累積される画素の数は制限されないが、異なる色彩の画素の場合、色彩の再構築の要件に適合するために、電荷累積に用いられる画素の色彩は２種類の色彩を超えてはならない。本発明では、画素間電荷転送（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）方式を用いることで、隣接画素を読み込みコンデンサ（ＦＤ）として用いることを実現し、これにより感光素子で読み込みコンデンサを省略することを可能とした。画素の読み込みは、行と列とを走査する読み込み方式を用いている。行列走査の具体的な時間順序制御について、後で詳しく説明する。

【0068】

本発明の他の側面によれば、図２１に示すように、本発明が示した感光素子の例示的な読み込み回路は、能動画素と受動画素が組み込まれた新規な読み込み回路を用いる。受動画素があまり大きな空間を占めず、且つ能動画素の読み込み回路が多点共有可能であるため、それらを組み合わせて選択的に使用することで、よりよい効果を達成する。図２１に示したものは、ひとつの簡単な例である。能動画素に多くの種類があり、多点共有の形式の多くの形式がある。このため、ひとつの例で能動画素と受動画素の混合の基本原理を説明する。図２１に示すように、スイッチＴｓをオンにする場合に、能動画素の読み込み回路が作用する。スイッチＴｓをオフにする場合に、受動画素の読み込み回路が作用する。

【0069】

上述したように、画素間の電荷転送によって、本発明の更なる側面として、隣接しない画素の間の同一又は異なる色彩の電荷累積合併を実現した。画素間の電荷転送を介して、合併されるべき画素（の電荷）を、同様の既に用いられてクリア（リセット）されたばかりの隣接する画素に転送することができる。図１８又は図１９に示すように、このような合併は、非常に厳格で正確な時間順序の制御と画素転送方向の制御とに従う必要がある。例えば、図１８においてＧ１とＧ２を合併するための電荷転送の時間順序の制御によって、まずＧ１とＧ２をＸ１とＸ２にそれぞれ転送し、そしてＸ１とＸ２における電荷をＸ３に同時に転送する。

【0070】

上述した画素間転送機能を有しており、及び／又は能動画素と受動画素の混合読み込み方式の感光画素を基本感光画素としており、各基本感光画素が感光時間制御回路（クリアリセットを含む）、画素転送制御、及び画素読み込み回路に接続されているような感光画素で構成した画素アレイが更によい性能を有する。

【0071】

前記基本感光画素の読み込み回路は、受動画素の読み込み回路（例えば図１）、能動画素の読み込み回路（例えば図２と図３）、又は受動と能動画素の複合読み込み回路（例えば図２１）を含む。

【0072】

前記基本感光画素を以下に述べる方式で配列し、新たな感光素子を構成できる。前記基本感光画素を、カラー（複合色）、単色、又はマルチスペクトル（可視光と赤外を含む）等の需要によって予め規定された配列パターンによって繰り返し配列する。

【0073】

感光素子の色彩の予め規定された配列パターンは、ベイヤパターン、ハニカムパターン、単色パターン、ＣｙＹｅＭｇＸパターン等を含む。ここで、ＸがＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のいずれかの色彩であってよい。

【0074】

上述した感光素子は、単面単層、単面二重層、単面多層（単面多重層）、両面二重層、及び両面多層（両面多重層）等の異なるタイプの感光素子で構成することが可能である。

【0075】

上述感光素子の感光方式は、正面感光、背面感光、及び双向感光等の多種多様な方式を含む。

【0076】

本発明の例示的な感光素子では、サンプリングとサブサンプリングは、そのサンプリングとサブサンプリングの方式は、同一又は異なる色彩の画素間の信号平均方式、電荷累積方式、又は複合信号平均方式又は複合電荷累積方式を含む。複合信号平均方式又は複合電荷累積方式では、一部の合併される画素の色彩は同一であり、また、他の合併される画素の色彩が異なる。

【0077】

異なる色彩の画素では、感光素子のサブサンプリング方式が、色彩空間変換によって実現される。

【0078】

感光素子のサンプリングとサブサンプリングの回路は、画素アレイ、行アドレス復号制御手段、列アドレス復号制御手段、サンプリング制御回路、拡大縮小とアナログ・デジタル変換モジュール、色彩変換とサブサンプリング及び画像処理モジュール、出力制御モジュール、チップ中央制御モジュール、及び他の実装可能なモジュールを含む。

【0079】

前記行アドレス復号制御手段の出力信号は、行選択信号と行制御ベクトル信号を含み、前記列アドレス復号制御手段の出力信号は、列選択信号と列制御ベクトル信号を含む。

【0080】

上述した様に、既にサブサンプリングプロセスを、第１の合併とサンプリングのプロセス、第２の合併とサンプリングのプロセス、及び選択可能な第３の合併とサンプリングのプロセスに分けた。これらプロセスに対応して、それぞれ第１の合併ユニット、第２の合併ユニット及び第３の合併ユニットを用いて上述の合併とサンプリングのプロセスを実現することができる。これらユニットは、ただその実現する機能面からデバイスに対してモジュールに区分されており、物理デバイスの角度からは、これら機能ユニットがひとつの物理上のモジュールでその機能を実現してもよい。又は複数の物理上のモジュールを合わせてその機能を実現してもよく、又はこれら機能ユニットをひとつの物理のモジュールに集積してもよい。明細書中の第１の合併ユニット、第２の合併ユニット及び第３の合併ユニットの説明は、ただその機能上の説明であり、その物理上の実現方式を具体的に制限するものではない。

【0081】

具体的には、図１２に示す例のように、行アドレス復号制御手段と列アドレス復号制御手段によって必要なサブサンプリング機能を実現する。行アドレス復号制御手段は、２種類の信号を出力する。即ち、行選択信号Ｒｏｗ[ｉ] (それぞれの行に対する一本の線)と行制御ベクトル信号ＲＳ[ｉ] (それぞれの行に対する一本又は複数本の線)を出力する。ここで、ｉが行の符号である。類似して、列アドレス復号制御手段が２種類の信号を出力する。即ち行選択信号Ｃｏｌ[ｊ] (それぞれの行に対する一本の線)と列制御ベクトル信号Ｔ[ｊ] (それぞれの行に対する一本又は複数本の線)、ここで、ｊは列の符号である。

【0082】

行選択信号Ｒｏｗ[ｉ]は、行の選択のために用いられ、行選択信号Ｃｏｌ[ｊ]は列の選択のために用いられる。これは２つのグループ（セット）のための相対的な標準信号である。行制御ベクトル信号ＲＳ[ｉ]は、存在しているＣＭＯＳの行制御信号の拡張（それぞれの行に対する一本の線がそれぞれの行に対する複数本の線に拡張する）である。列制御ベクトル信号Ｔ[ｊ]には、ＣＭＯＳ感光素子が存在しないか、あっても、一列に一個のみある。

【0083】

以下、図２２から図２４の一つの具体的な実施形態によって、Ｒｏｗ[ｉ]、Ｃｏｌ[ｊ]、ＲＳ[ｉ]、及びＴ[ｊ]の内容と作用、及びこれら制御信号による全画像サンプリングとサブサンプリングにおける時間順序を説明する。

【0084】

図２２は図１３、図２０、及び図２１を組み合わせた一つの実現形態である。即ち画素間転送読み込み（２Ｄ Ｐｉｘｅｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）感光画素を基本画素とし、Ｎ点を共有する能動画素機能と受動画素機能を持つ複合読み込み回路の一般化された事例である。図において[ｉ、ｊ]は、一個の典型的な画素の行位置と列位置の下付き記号を代表しており、[ｋ、ｌ]が第[ｋ、ｌ]番目の読み込み回路をマークしており、[ｍ、ｎ]が異なる行と列の画素が同一な読み込み回路を共用している。図に示すように、各画素Ｐ[ｉ、ｊ]がいずれも４つの制御信号に関連している。即ち、Ｖ[ｉ、ｊ]、Ｔｇ[ｉ、ｊ]、 Ｔｈ[ｉ、ｊ]、及びＴｖ[ｉ、ｊ]である。Ｔｇが読み込み制御信号であり、Ｔｈが水平転送制御信号であり、Ｔｖが垂直転送制御信号であり、Ｔｓが能動画素読み込み又は受動画素読み込みの選択スイッチである。図２３は、Ｔｇ、Ｔｈ、及びＴｖからなる３つの信号の一つの実現形態である。図２４は、図２２のＲｓｔ[ｋ、ｌ]とＳｅｌ[ｋ、ｌ]の簡略化された実現形態を示している。即ちＲｓｔ[ｋ、ｌ]とＳｅｌ[ｋ、ｌ]がＣｏｌ[ｊ]に依存せず、Ｒｓｔ[ｋ]とＳｅｌ[ｋ]に縮退している。

【0085】

この実現形態では、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ]の外に、Ｒｅｓｅｔ、ＳＥＬ、ＴＨ、ＴＶ、ＴＧ、Ｖｒ、 Ｔｓの７個の全局制御信号を有する。Ｔｓは、チップ中央制御モジュールＣＣにより制御される。Ｒｅｓｅｔ、ＳＥＬ、ＴＶはＲＳ[ｉ]に属しており、Ｖｒ、ＴＨ、とＴＧは、Ｔ[ｊ]に属している。ただしこのような分類が唯一の分類ではない。

【0086】

全画像サンプリングの場合、信号の読み込みには、２種類の方式がある。１種類目は、上一行の画素を読み込みコンデンサとして用いる。また他の種類では左（又は右）の、既に読み込みを行った画素を、読み込みコンデンサとして用いる。１種類目の場合、時間順序（タイミングシーケンス）の制御が簡単である。この方式の操作フローを簡単に説明する。図１７に示すように、Ｒ１の位置行列アドレスを[ｉ、ｊ]とした場合、読み込みＲ１の制御信号の時間順序は、以下のとおりである。

【0087】

１．時間ｔ０：Ｒ１上方の画素Ｇ１がクリア（リセット）される。この時間の開始時点（立ち上がりエッジ）に、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ]を配置してＧ１のアドレスを選択するようにセットされる。この時、Ｒｓｔ[ｉ−１]を零にする。次の時刻でＲｓｔ [ｉ−１]を高レベルとする。この時間の終了時点（立ち下がりエッジ）で、Ｇ１のゼロ値が維持されて、コヒーレントサンプリング（coherent sampling）が機能するために、読み出しが維持される。即ち、この時、ＳＥＬのスイッチがオフにされて、Ｇ１上の電荷が読み込まれる。

【0088】

２．時間ｔ１：Ｒ１上の電荷がＧ１に転送されて同時に読み込まれる。この時間の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ]は、Ｒ１のアドレスを選択するようにセットされる。ＴＶは高レベルに引き上げられる。この時間の終了時点で、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ]は、Ｇ１のアドレスを選択するようにセットされる。ＳＥＬのスイッチがオフにされて、Ｇ１上の電荷が読み込まれる。

【0089】

このように繰り返し他の画素を読み込む。好ましくは、全画像読み込みの場合に、能動画素の読み込みをするためにＴｓをオフにしてもよい。

【0090】

サブサンプリングの場合には、サンプリング因子Ｍ×Ｎの情況と選択した画素合併方法及び単層又は二重層感光画素のパターン分布によって、信号の時間順序を制御することが非常に複雑となる可能性がある。しかしながら、デジタル回路は、一個のチップが幾つかの情況を処理すればよいため、全ての場合について対応が可能である。以下に、二つの例を上げて、画素転送を用いて画素合併を実現する原理を説明する。この二つの例では、各制御信号の間の関係が、図２２から２４のような実現方式を用いる。これら実現方式は唯一ではなく、ただ例として説明する。

【0091】

図１８に示すように、インターレース（飛び越し走査）方式の画素を合併する場合、Ｇ１の行列のアドレスが[ｉ、ｊ]であるとき、Ｇ１とＧ２の合併が以下のような時間順序の制御信号で達成される。

【0092】

１．時間（クロック）０：Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３がクリア（リセット）される。この時刻の開始時点（立ち上がりエッジ,ｒｉｓｉｎｇ ｅｄｇｅ）で、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ]、Ｃｏｌ[ｊ＋１]、及びＣｏｌ[ｊ＋２]を配置して、Ｘ１、Ｘ３、Ｘ２のアドレスを選択する。この時、Ｒｓｔ[ｉ−１]を零にする。そして次の時刻でＲｓｔ [ｉ−１]を高レベルに設定する。

【0093】

２．時間 ｔ１：Ｇ１とＧ２が、Ｘ１とＸ２に転送される。この時刻の開始時点（立ち上がりエッジ）で、Ｒｏｗ[ｉ]と、Ｃｏｌ[ｊ]及びＣｏｌ[ｊ＋２]を配置して、Ｇ１とＧ２のアドレスを選択し、そしてＴＶを高レベルに設定する。

【0094】

３．時間 ｔ２：Ｘ１とＸ２とが、Ｘ３に転送される。この時刻の開始時点で、まずＲｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ]を選択し、そしてＶｒを高レベルに設定する。この時、Ｘ３が電荷転送を受ける状態にある。この時刻の終点（ｆａｌｌｉｎｇ ｅｄｇｅ，立ち下がり）で、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ＋１]及びＣｏｌ[ｊ＋２]が配置されてＸ３とＸ２のアドレスを選択し、そしてＴＨを高レベルに設定する。Ｘ１の電荷が右のＸ３に転送され、Ｘ２の電荷が左のＸ３に転送される。

【0095】

４．時間 ｔ３：Ｘ３の信号を読み出す。この時刻の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ＋１]を配置し、そしてＴＧを高レベルに設定する（この時Ｖｒが依然として高電位にある）。

【0096】

Ｇ２が読み出された後、Ｂ１とＢ２の読み出しは非常に簡単である。

【0097】

５．時間 ｔ２：Ｂ１とＢ２がＧ２に転送される。この時間の開始時点で、まずＲｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ＋２]を選択してそしてＶｒを高く伸びる。この時Ｇ２が電荷転送を受ける状態にある。この時刻の終点で、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ＋２]及びＣｏｌ[ｊ＋３]を配置してＧ２とＢ２のアドレスを選択し、そしてＴＨを高レベルに設定する。Ｂ１の電荷が右へＧ２に転送され、Ｂ２の電荷が左へＧ２に転送される。

【0098】

６．時間 ｔ３又はｔ４：Ｇ２の信号を読み出す。この時刻の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ＋２]を選択し、そしてＴＧを高レベルに設定する（この時Ｖｒが依然として高電位にある）。もし信号が時刻ｔ３で読み出される場合には、素子が２つのデータを同時に読み込む能力が必要となる。即ち素子は、２つの増幅回路とアナログ・デジタル転換回路とが必要となる。

【0099】

図１９に示す両行合併と交差合併の情況では、Ｇ１行とＲ１行の合併が一個の時間内で同時に完成できる。即ちＲ１行の画素を、上一行に同時に転送する。このような情況は簡単であり、制御信号の時間順序の詳細な記載はここで不要である。Ｇ５の位置行列アドレスを[ｉ、ｊ]とした場合、Ｇ５とＧ６の合併、及びＢ３とＲ３の合併が、以下の制御信号の時間順序で完成できる。

【0100】

１．時刻 ｔ０：Ｒ１、Ｇ３がクリア（リセット）される。この時刻の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ]及びＣｏｌ[ｊ＋１]を配置してＲ１とＧ３のアドレスを選択し、この時、Ｒｓｔ[ｉ−１]を零にする。次の時刻でＲｓｔ [ｉ−１]を高レベルに設定する。

【0101】

２．時刻 ｔ１：Ｂ３がＧ３に転送される。この時刻の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ＋１]を配置してＢ３のアドレスを選択し、そしてＴＶを高レベルに設定する。

【0102】

３．時刻 ｔ２：Ｇ５とＧ６がＢ３に転送され、Ｇ３がＲ１に転送される。この時刻の開始時点、まずＲｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ＋１]を選択し、そしてＶｒとＴＨを高レベルに設定する。この時Ｂ３が電荷転送を受ける状態にあり、且つＧ５が左へＢ３に転送される。この時刻の終点で、Ｒｏｗ[ｉ−１]とＣｏｌ[ｊ＋１]を選択し、そしてＴＶを高レベルに設定する。この時Ｇ５が上のＢ３に転送される。

【0103】

４．時刻 ｔ３：Ｂ３の信号（元Ｇ５＋Ｇ６）を読み出し、そしてＲ１とＲ３をＧ５に転送する。この時刻の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ＋１]を配置し、そしてＴＧを高レベルに設定する（この時Ｖｒが依然として高い）。この時Ｂ３が読み出される。この時刻の終点で、Ｒｏｗ[ｉ]及びＲｏｗ[ｉ＋１]とＣｏｌ[ｊ]を配置し、そしてＴＶを高レベルに設定する。この時Ｒ１が下方のＧ５へ、そしてＲ３が上方のＧ５へ転送される。

【0104】

５．時刻 ｔ４：Ｇ５の信号（元Ｂ３＋Ｒ３）を読み出す。この時刻の開始時点で、Ｒｏｗ[ｉ]とＣｏｌ[ｊ]を配置し、そしてＴＧを高レベルに設定する（この時Ｖｒが依然として高い）。この時Ｇ５が読み出される。交差合併の工程が面倒であるが、大きな問題ではない。

【0105】

サブサンプリングする場合に、各々がサポートしているＭ×Ｎサンプリング因子（１行がＭ倍に縮小、１列がＮ倍に縮小）に対し、行アドレス復号制御手段と列アドレス復号制御手段が、Ｍ×Ｎサンプリング因子と画像区域要求によって、各出力行に対応し、合併必要がある行に対応するすべてのＲｏｗ[ｉ]とＲＳ[ｉ]値を高又は低に同時に設定し、そして各出力列に同時に対応し、そして合併必要がある列のすべてのＣｏｌ[ｊ]とＴ[ｊ]の値を高又は低に設定し、すべての合併必要がある画素（電荷／電圧）値を、他の画素を順次に転送にさせ、電荷合併の後、読み込み順序（読み書き回路を通す）によって出力バスまでに出力される。同時に、必要な場合に、行アドレス復号制御手段と列アドレス復号制御手段がＭ×Ｎサンプリング因子と画像区域要求によって、必要な行飛ばしと列飛ばしの操作又は余った色彩の放棄を行う。

【0106】

異なるＭ×Ｎサンプリング因子には、出力バスが異なる時間で異なる色彩を取得する可能性がある。相応に、他のシステム機能モジュール、例えば拡大とアナログ・デジタル変換モジュール、色彩変換とサブサンプリング及び画像処理モジュール、並びに出力制御モジュールがいずれも相応の協調動作を行う。このシステムの総制御が、チップ中央制御モジュール（図１２におけるＣＣモジュール）により完成される。拡大とアナログ・デジタル変換モジュールと画素アレイ以外、他のモジュールが、主にデジタル処理回路であるため、デバイス周辺でより簡単に実現でき、これで感光素子の配線を簡単にする。

【0107】

本発明では、同時に幾つかの行を同時に選択すること、同時に幾つかの列を選択することが可能であり、更に幾つかの行と幾つかの列を同時に選択すること、のうちのいずれの場合も可能性がある。従来のいくつかの技術では（例えば米国特許第６，８０１，２５８号、米国特許第６，６９３，６７０号、米国特許第７，０９１、４６６号、米国特許第７，３１９，２１８Ｂ２等）、同様に幾つかの行若しくは幾つかの列が同時に選択される可能性があるが、合併とサンプリングの方式が異なるため、行選択信号と行選択信号の時間系列と波型とが完全に異なる。例えば、図１８における第２の合併とサンプリングを行う場合であって、第１行の第１列と第３列とが同時に選択される場合に、この両方の列のデータがすぐに出力バスに置かれず、上一行の第１列と第３列の画素（感光しない不要画素）に同時に転送される。このような場合は、従来のサブサンプリング方法では発生することがない。

【0108】

更に具体的には、いずれかのＭ×Ｎ因子（Ｍ≧２、Ｎ≧２）のサブサンプリングをする場合に、まず両方の行（両行）、両方の列（両列）、又は両方の列及び両方の両行について合併とサンプリングとを行う第１の合併とサンプリングのプロセスを行い、そして第１の合併とサンプリングの工程に基づいたＭ行×Ｎ列のサブサンプリングを完成する。

【0109】

第１の合併とサンプリングの後のサブサンプリング（主にＭ×Ｎ因子のサブサンプリング）には、即ち第２の合併とサンプリングのプロセスが、以下の様々な方式で単独又は組み合わせて実行することができる。即ち、バスに直接出力する信号自動平均方式、行飛ばし又は列飛ばし方式、及び逐次サンプリング方式を単独で又は組み合わせて実行しても良い。第３の合併とサンプリングのプロセスがある場合は、アレイば、以下の２種の方式を単独又は合わせて実行できる。即ち、色彩空間変換方式とバックエンドデジタル画像拡大縮小方式である。

【0110】

一個の画素アレイには、相当に多い感光画素が含まれ、特に二重層又は多層感光素子にとって、色彩の種類及び幾何分布情況が非常に豊かである。第１の合併とサンプリングのプロセスは、複数の第１合併された画素に対応する（第１の合併とサンプリングのプロセスの間、合併を行う画素。この概念は、第１合併を行った後に得られた画素を示す。例えば、第１合併プロセスには、画素Ｂ自体の電荷が画素Ａに転送され、この時、画素Ａに画素Ａ自体の電荷と画素Ｂが転送した転送電荷が存在し、この時、第１合併画素の概念で画素Ａにおける重ね合わせのサンプリングデータＡ＋Ｂを表示する。これは、物理上、画素アレイに一個の「第１合併画素」を存在することを表さない）、このため、第１の合併とサンプリングのプロセスを行う場合に、これら第１合併画素が画素の色彩合併角度から言えば、合併するための色彩選択が様々であり、同色合併の方式、異色合併の方式、複合合併方式（一部の画素の色彩が同一、一部が異なる）、又は余った色彩を選択的に放棄する方式を用いてもよい。

【0111】

色彩空間の変換は、ＲＧＢからＣｙＹｅＭｇＸ（ＸがＲ、Ｇ、Ｂのいずれかの１種）への空間の変換、ＣｙＹｅＭｇＸからＹＵＶへの空間の変換、及びＲＧＢからＹＵＶへの空間の変換を含む。

【0112】

ＲＧＢからＣｙＹｅＭｇＧ空間までの変換は、アナログ信号空間で完成してもよく、デジタル空間で完成してもよい。このため、それが第１合併プロセス、第２合併プロセス、又は第３の合併とサンプリングのプロセスにおけるいずれかのプロセスで完成してもよい。しかし、ＣｙＹｅＭｇＧからＹＵＶ空間への変換及びＲＧＢからＹＵＶ空間への変換は、デジタル信号空間のみで完成する。つまり第３の合併とサンプリングのプロセスで完成する。

【0113】

更に具体的には、画素アレイの一部分は、複数のマトリックスで配列された２つ、３つ又は４つの基本画素の１グループのマクロ画素から組成される。ここで、マクロ画素における基本画素が受動画素から組成されてもよく、ＦＤを付けない３Ｔ、４Ｔ、５Ｔ、６Ｔ能動画素(「ＣＭＯＳ／ＣＣＤ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｃａｍｅｒａ Ｓｙｓｔｅｍｓ」 Ｇｅｒａｌｄ Ｃ． Ｈｏｌｓｔ ａｎｄ Ｔｅｒｒｅｎｃｅ Ｓ． Ｌｏｍｈｅｉｍ、 JＣＤ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ、 ＩＳＢＮ: ９８０９７０７７４９３４、 ２００７、 ｐｐ． ９９−１０１参照）から組成されてもよい。各基本画素可が単面単層、単面二重層、両面二重層、又は両面多層の複合画素であってよい。即ち一個の基本画素には一個又は複数の基本画素ユニットが含まれ、基本画素ユニットが光照射方向に沿って分層配置され、そして感光画素を配置する基層の頂面及び／又は底面に分布してもよい。

【0114】

前記能動画素から構成される基本的な感光画素の読み込み回路は、従来の共有を行わない方式、４点共有方式、６点共有方式、及び８点共有方式を用いる外に、任意のＮ点共有方式(例えば図２０)を用いてもよい。

【0115】

二重層又は多層感光素子にとって、第１の合併とサンプリングのプロセスの色彩選択が更に色彩豊かにする。この外に、そのサンプリング回路共有と色彩合併の方式も更に豊かであり、且つ第１行と第１列の合併とサンプリングの場合に、様々なパターンが電荷累積の方式（「マルチスペクトル感光素子及びそのサンプリング方法」、中国出願番号：２００９１０１０５９４８．２を参照）を容易に用いる。

【0116】

Ｎ個の信号が電荷累積の方式を用いて合併する場合に、信号対雑音比の改良される上限はＮ×Ｎ^１／２倍であるが、Ｎ個の信号が信号平均の方式を用いて合併する場合には、信号対雑音比の改善される上限は、Ｎ^１／２倍（√Ｎ倍）である。このため、電荷累積は、少なくともサブサンプリングにおいて最適な方式の一つである。

【0117】

感光画素のデジタル信号をキャッシュ（バッファ）に保存して、色彩変換とサブサンプリング及び図象処理モジュールを介して、更に処理を行う。全画像サンプリングをする場合、大型アレイ画像感光素子のために、サブサンプリングは行わず、一般に色彩変換を行わない。このため、このモード下で、チップ中央制御モジュールＣＣが相応の制御を行い、感光画素のデジタル信号が、色彩変換とサブサンプリングモジュールを飛ばして（スキップして）、画像処理モジュールに直接に入力される。感光素子に含まれる画像処理の後、出力モジュールにより感光素子の対外インターフェースに出力される。

【0118】

サブサンプリングをする場合には、情況が複雑になる。しかしながら、少数のサブサンプリング因子Ｍ×Ｎのみが、具体的な感光素子に対する支持を行う。従って、チップ中央制御モジュールＣＣ、行アドレス復号制御手段、及び列アドレス復号制御手段は、サポートするＭ×Ｎサブサンプリング因子のみを考えてよい。例えば、一個の５百万画素の感光素子は、２×２、２×１、４×４、８×８の４種類の場合のみを考える。

【0119】

第２の合併とサンプリングのプロセスは通常、電荷累積に関与しない。このため、通常、以下のような３種類の方式が適用される。即ち、バスに直接出力する信号自動平均方式、行飛ばし又は列飛ばし方式、逐次サンプリング方式である。この３つの方式は伝統的な方式であり、簡単であり、本分野の技術者に詳しく、詳細な記載はここでは不要である。第３の合併とサンプリングのプロセスはデジタル画像空間で完成され、相対的な標準であるデジタル画像拡大縮小技術を用いる。

【0120】

チップ中央制御モジュールＣＣは、サンプリングの間の異なる時間に、読み込んでいる画素の色彩を算出できる。そしてそれに対して対応する処理を行う。選定された画素サンプリングの順序に従って、チップ中央制御モジュールＣＣは、異なる色彩を、異なる増幅回路を介して、色彩変換と、サブサンプリングと、画像処理とのモジュールに転送するために、拡大縮小とアナログ・デジタル変換モジュールを制御する。同様に、異なる色彩に異なる処理を行うために、出力制御モジュールを制御する。更に詳細な説明は本発明の範疇を超えている。

【0121】

従来のサブサンプリング方式は、主に同一な色彩の画素間で行われ、且つ主に画素平均及び行飛ばし又は列飛ばしの方式を用いる。これらの方法は、色彩豊かな二重層又は多層感光素子では機能しない可能性がある。本発明が開示したサブサンプリング方法は、色彩空間変換の方式によって、同一な色彩間で行われてもよく、異なる色彩間で行われてもよく、混合で行われてもよい（即ち一部が同一な色彩間で行われ、一部が異なる色彩間で行われる）。また、本発明が提出した電荷累積の信号合併方式は、ｎ個の信号を合併し、Ｎ^３に近づく信号重畳の効果を達成できる。このため、本発明のサブサンプリング方法は従来のサブサンプリング方法に比べて、よりよい画像品質があり、特に、本発明を二重層又は多層感光素子に用いる場合に、数え切れない、簡単な且つ優れたサブサンプリング方式を生じる。

【0122】

以上、単層と二重層の感光素子、及びいくつかの実施形態で本発明の精神と内容を説明した。これらの具体的な条件は、本発明の請求範囲を限定することを意図したものではない。逆に、本発明を更に複雑な設計に用いた場合、例えば５Ｔ／６Ｔ能動画素、又は多層感光素子に用いた場合には、その効果は更に明らかになる。

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】