專利名稱：用于添加包含相同顏色分量的信號的成像設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于拍攝物體的圖像的成像設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，在主要用途用于拍攝照片(靜像)的數(shù)字照相機(jī)中，已經(jīng)使用了高達(dá)千萬像素的成像部件，對于主要用途是拍攝運動圖像的電影攝影機(jī)(攝像機(jī))，也已采用幾百萬像素的成像部件。在上述用途中，一般，在拍攝需要高分辨率的高清晰度圖像時，用高像素拍攝圖像，在低分辨率的情況下則使用低像素。在這樣的過程中，在拍攝高清晰度圖像時，通常從成像部件讀出所有像素信號，在拍攝低清晰度圖像時，為了防止照相機(jī)(或者攝像機(jī)，以下同此)過度消耗電力，或者為了增加拍攝的次數(shù)，進(jìn)行像素信號的間隔讀出(thinning-outreadout)，或者進(jìn)行間隔抽取像素信號并進(jìn)行像素信號添加(addition)的讀出。上述傳統(tǒng)方案的例子包括日本專利公開No.9-247689以及日本專利公開No.2001-36920。
在日本專利公開No.9-247689(公開文本的圖3)所公開的方案中，按照4×4像素的增量間隔抽取(thinning out)相同顏色來進(jìn)行讀出信號的添加。
在日本專利公開No.2001-36920(公開文本中的圖1)中公開的方案中，添加多個像素信號，4×4像素構(gòu)成一組，這樣，在進(jìn)行添加之前和之后，每一個顏色的空間顏色陣列是相同的。
在日本專利公開No.9-247689中，用在4×4像素中的有效像素數(shù)較少。由于高度像素化(pixelation)，最近的成像部件的單位像素大小降低了，靈敏度不夠成為更加突出的問題。對于數(shù)字照相機(jī)來說，盡管可以用閃光來補(bǔ)償拍攝暗物體時靈敏度不夠的問題，但是，由于不能使用昂貴而笨重的光源，拍攝運動圖像時會產(chǎn)生大量的噪聲。另外，由于圖像采樣頻率的惡化(這又是由于像素信號的間隔抽取導(dǎo)致的)，會產(chǎn)生波紋干擾(莫阿紋)，從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量顯著惡化。
在日本專利公開No.9-247689中，盡管可以通過增加在一組中添加的像素信號數(shù)來提高靈敏度，一個問題是不被使用(被廢棄)的像素信號的提供。另外，盡管在一個組內(nèi)添加多個像素信號以便每一種顏色的空間顏色陣列(spatial color array)在添加前后變得相同，一個問題是，在放大時，可以觀察到少量的莫阿紋。
如上所述，使用傳統(tǒng)的技術(shù)，存在由于像素信號的間隔抽取而使靈敏度的改進(jìn)不夠的問題，并且，即使空間顏色陣列相同，也會出現(xiàn)莫阿紋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是，即使在通過添加多個像素信號來獲得低分辨率圖像的情況下，也能提供好的圖像質(zhì)量。
為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種成像設(shè)備包括多個在垂直和水平方向布置為陣列的光電轉(zhuǎn)換單元，以及添加裝置，用于添加包括從所述多個光電轉(zhuǎn)換單元提供的相同顏色分量的信號，使得添加后的信號的重心對于各信號具有相同的間距(節(jié)距，pitch)。
在拍攝高分辨率圖像的情況下，這種方案實現(xiàn)了讀出所有像素，在拍攝低分辨率圖像的情況下，這種方案實現(xiàn)了高靈敏度、高速度讀出以及高的質(zhì)量。
從下文參照附圖對優(yōu)選實施例的說明中，可以清楚本發(fā)明的其它目的和特征。


圖1圖示了在添加像素信號之前各顏色的陣列的一個例子；圖2A到圖2E是舉例的示意圖，用于圖解在添加像素信號之后的顏色陣列以及對于每一種顏色要添加的信號；
圖3是構(gòu)成成像設(shè)備的成像部件的框圖；圖4是從成像區(qū)讀出的像素信號的信號處理電路的部分電路圖；圖5是用于說明的示意圖，其中，讀出要添加的多行的增量信號；圖6是用于說明的示意圖，其中，讀出屏幕中在添加之后的信號；圖7是在使用機(jī)械快門的情況下的說明圖；圖8是像素信號的讀出及其添加的時序圖；圖9是一個系統(tǒng)示意圖；圖10是一個像素單元的單元像素電路圖；圖11是公共放大器像素的像素結(jié)構(gòu)圖的一個例子。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
圖1是圖解在添加像素信號之前各顏色的陣列的一個例子的示意圖，圖2A到圖2E是用于圖解添加像素信號之后的顏色陣列和對于每一個顏色要添加的信號的示意圖。
對于圖1所示的顏色陣列的例子，假設(shè)顏色過濾器G(綠色)、R(紅色)和B(藍(lán)色)被配置在成像部件的每一個光電二極管上。在這個例子中，G按國際象棋棋盤圖案排列，R和B每隔一行排列。換句話說，2×2個，也就是4個R、G、G和B像素按照二維設(shè)置，作為一個單元像素顏色矩陣。
使用本發(fā)明的本實施例的像素信號添加-讀出(addition-readout)拍攝模式，在一個成像部件內(nèi)添加像素信號，以便如圖2A所示配置相同的顏色陣列，結(jié)果被存儲在存儲器中，然后從成像部件讀出結(jié)果。使用這個實施例，圖示了添加3×3也就是9個相同顏色的像素的例子。圖2B圖示了Rij信號的添加，也就是，在對應(yīng)于m，m+2和m+4行的Rn，Rn+2和Rn+4列上添加信號。同樣，圖2C圖解了Gi和j+1信號的添加，圖2D圖解了Gi+1，j信號的添加，圖2E圖解了Bi+1和j信號的添加。在這種情況下，每一種顏色的添加在空間上重疊。這樣，對于添加后的各顏色信號，空間采樣的重心具有相同的間距(節(jié)距，pitch)，另外，使用了所有的像素信號。因此，消除了由于空間采樣的偏移而導(dǎo)致的圖像上的莫阿紋，并且，相對于傳統(tǒng)的靈敏度，靈敏度(尤其是光學(xué)拍攝噪聲)改進(jìn)了 也就是3倍。例如，在將本發(fā)明應(yīng)用于具有五百萬像素的成像部件的情況下，添加后的像素數(shù)變得相當(dāng)于VGA上下的像素數(shù)，從而可以實現(xiàn)高靈敏度高速度拍攝的信號讀出。另外，在有必要是低分辨率的情況下，可以將添加像素數(shù)增加到5×5或者7×7。這產(chǎn)生了靈敏度提高的好處。即使添加像素數(shù)增加，所需要的也只是將后面要討論的添加器電路的存儲器CA增加要添加的行的數(shù)量。
下面描述成像部件的內(nèi)部配置的一個例子。圖3是根據(jù)本發(fā)明的本實施例的成像設(shè)備的成像部件的一個框圖。在該圖中，由比如后面要描述的圖10所示的用于進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的光電二極管和像素放大器等構(gòu)成的像素單元以矩陣方式被布置和連接到一個成像區(qū)。該成像區(qū)的像素單元由來自垂直掃描電路(V.SR)10的多個驅(qū)動脈沖控制。所述成像區(qū)的奇數(shù)編號的垂直信號行被連接到CDS/放大器電路/存儲器電路20-1，偶數(shù)編號的垂直信號行被連接到CDS/放大器電路/存儲器電路20-2。在圖中，在成像區(qū)上方和下方的電路模塊具有相同的配置，因此在后面，只對成像區(qū)下方的電路模塊進(jìn)行說明。使用來自像素單元的信號，在CDS/放大器電路/存儲器電路20-1去除像素單元的噪聲，只有信號分量被放大和存儲到存儲器1。在本發(fā)明的成像設(shè)備在全部像素讀出模式而不是在添加-讀出模式工作時，存儲器1中的信號由來自水平掃描電路(H.SR)的掃描脈沖φhn(1)、φhn(2)和φhn(3)控制，并被讀出到一個輸出信號線。在添加-讀出模式(addition-readout)的情況下，存儲器1中的信號被引導(dǎo)到添加電路30-1。在添加電路30-1中，添加來自存儲器1的具有相同顏色的信號。被添加的信號在存儲器2中臨時累加，并由來自水平掃描電路(H.SR)的掃描脈沖φhn(a)控制，然后被讀出到所述輸出信號線。
圖10圖解了像素單元的單元像素電路圖。圖4是來自成像區(qū)的像素信號的讀出信號處理電路的部分電路圖。圖8圖解了像素信號的添加的時序圖。下面參照這些附圖描述從像素單元讀出以及添加信號，圖4中的方案圖解了在圖3的成像框圖中添加3×3像素的一個例子圖10中的像素單元由用作光電轉(zhuǎn)換單元的光電二極管PD、用于控制來自光電二極管PD的信號電荷的傳輸?shù)膫鬏旈_關(guān)MTX、連接到該傳輸開關(guān)MTX的像素放大器MSF、用于重置像素放大器MSF的柵極部分(浮動擴(kuò)散)的殘余電荷的重置開關(guān)MRES，以及用于控制來自像素放大器的信號的傳輸?shù)倪x擇開關(guān)MSEL。所述像素放大器的一個電流源開關(guān)MRV被設(shè)置在所述成像區(qū)的外部。
下面描述圖4中的讀出信號處理電路。一個由電容C、箝位開關(guān)MC、參考電壓源VR和放大器Amp構(gòu)成的電路是用于消除來自像素單元的噪聲的CDS電路。用于臨時累加受到CDS作用的3列的信號的電路是存儲器1電路的存儲電容器CT1、CT2和CT3。用于添加和臨時累積存儲器1電路的三個信號的電路是存儲電容器CA1。同樣，用于臨時累積在水平像素行上要添加的不同信號的電路是存儲電容器CA2和CA3。用于添加和臨時累積來自這些存儲電容器CA1、CA2和CA3的信號的電路是存儲器2電路的電容器CT2。
下面結(jié)合圖8的時序圖進(jìn)行說明。在正在過去的任意曝光期間，首先，在每一個脈沖的控制下，每一個電路單元的節(jié)點處的每一個殘余電荷都被重置。在時間t1，用脈沖φRES重置像素放大器MSF的柵極部分，用脈沖φC1和φTS1重置存儲器1電路，用脈沖φAD4、φC2和φAD5分別重置添加器單元電容器CA1、CA2和CA3。在時間t2，當(dāng)脈沖φC1關(guān)閉時，由箝位電容器C對像素放大器噪聲箝位，通過像素放大器，由脈沖φTX將光電二極管的電荷輸入到箝位電容器C。
這樣，像素噪聲被CDS消除，并通過放大器Amp臨時累積在存儲器1電路中?，F(xiàn)在，假設(shè)在圖1的m行上進(jìn)行垂直掃描，來自垂直信號行V1、V3和V5的信號，也就是信號Rm和n，被臨時累積在存儲電容器CT1中，信號Rm和信號n+2被累積在存儲電容器CT2中，信號Rm和信號n+4被累積在存儲電容器CT3中。
在時間t3，用脈沖φSEl和脈沖φTS1的關(guān)閉來完成m行像素的光電轉(zhuǎn)換信號的傳輸。在時間t4，用脈沖φTS2和φAD1將來自存儲器1電路的信號加到添加器存儲電容器CA1。
在相同的掃描和操作中，在時間t5，m+2行像素信號被添加并臨時累積到存儲電容器CA2中，在時間t6，m+4行像素信號被添加并被臨時累積到存儲電容器CA3中。在時間t7，用脈沖φAD4和φAD5將存儲電容器CA1、CA2和CA3的信號添加到存儲電容器CT2n中。從而，R信號的相當(dāng)于九個像素的部分被添加到存儲電容器CT2n中，從而獲得要被添加的信號Ri和j。
按照相同的操作，G信號的相當(dāng)于九個像素的部分被添加到存儲電容器CT2n+1中，從而獲得要被添加的信號Gi+1和j。盡管該實施例在垂直方向提供了相當(dāng)于兩個像素的存儲電容器，事實上存儲器2電路可以等于添加像素的數(shù)量。例如，相當(dāng)于VGA的數(shù)量。這取決于成像系統(tǒng)的設(shè)計?？梢宰龀鲞@樣的方案其中，高速傳輸整個屏幕的像素信號，并將其以任意增量添加和臨時累積在存儲器2電路中，然后順序讀出像素信號。如圖4所示，本實施例用存儲器1電路既處理全部像素讀出模式(all-pixel readout mode)又處理添加-讀出模式。特別地，用存儲器1電路進(jìn)行添加，而不管添加的大量的多個3×3也就是9像素，從而降低存儲器大小。這在減小成像部件尺寸方面很有效。
使用上述九像素添加-讀出模式，靈敏度改進(jìn)了三倍(對于光學(xué)拍攝噪聲而言)，從而，系統(tǒng)執(zhí)行曝光量控制，將入射光量設(shè)置為三分之一左右。這意味著每一個光電二極管處的光電轉(zhuǎn)換信號被降低到三分之一。在成像部件是CCD的情況下，即使入射光量是三分之一，在通過添加九像素電荷進(jìn)行添加之后，信號電荷翻了三倍。因此，如果不采取什么措施的話，信號的飽和就成為一個問題。一個阻礙就在于，靈敏度和飽和特性是相互矛盾的問題。
使用根據(jù)本實施例的CMOS傳感器，添加信號電壓的平均值，從而，在忽略由于電容分壓(capacitance division)導(dǎo)致的信號電平的惡化的情況下，在添加九像素信號之后，信號電平約為三分之一。這意味著，與以前的飽和相比，信號的飽和增強(qiáng)了三倍。但是，小的信號電平意味著連接到水平輸出線(圖4中省略了)的輸出放大器的噪聲是主要問題。因此，本發(fā)明將添加-讀出模式下在CDS之后的放大器電路的放大增益設(shè)置為全部像素讀出模式下的大約三倍。從而，可以降低輸出放大器的噪聲，從而，由于像素信號的添加而提高靈敏度，通過減少要被讀出的像素數(shù)而實現(xiàn)高速讀出，并保持高度動態(tài)范圍，以及低的能耗。
下面參照圖5、圖6和圖7描述用于在添加-讀出模式下讀出信號的方法的方案。
圖5是以要被添加的多個行為增量的信號讀出的例子。在這個例子中，以要被添加的多個行為增量，從像素讀出信號，并添加到存儲器中的信號上，之后，在一個水平掃描期間，從所述存儲器向外輸出所述信號。在圖6中，在曝光之后，并且在按照任意增量添加整個屏幕上的所有像素信號之后，全部重置成像區(qū)的所有像素，相當(dāng)于VGA的添加像素被臨時累積到所述多個存儲器2電路中，然后所述信號從存儲器2電路順序輸出。圖7圖解了使用機(jī)械快門的一種情況，其中，在用機(jī)械快門曝光之后，并且在以任意增量添加像素信號之后，全部重置成像區(qū)的所有像素，在一個水平掃描期間，所述像素信號從所述存儲器2電路被向外部輸出。
對于成像區(qū)的像素單元，盡管上面描述了一種方案(其中，一個像素放大器對應(yīng)于圖10中的一個光電二極管)，在圖11中還圖示了像素單元的另一種結(jié)構(gòu)舉例，它是一種公共放大器結(jié)構(gòu)。在該配置舉例中，兩個光電二極管對應(yīng)于一個像素放大器。在對一個放大器設(shè)置多個光電二極管的情況下，一個光電二極管的像素放大器的面積被減小，導(dǎo)致的好處是光電二極管的開啟百分?jǐn)?shù)提高。
圖9圖解了具有上述成像部件的系統(tǒng)的示意圖。如圖所示，目的物的光通過光學(xué)系統(tǒng)71進(jìn)入，在傳感器72上形成像。由設(shè)置在傳感器上的像素將光信息轉(zhuǎn)換為電信號。這些電信號受到由信號處理電路73預(yù)先確定的預(yù)定方法的信號轉(zhuǎn)換處理。受到信號處理的所述信號被記錄系統(tǒng)/通信系統(tǒng)74和信息記錄設(shè)備記錄或者傳輸。所記錄或者傳輸?shù)男盘栍迷佻F(xiàn)系統(tǒng)/顯示系統(tǒng)77再現(xiàn)或者顯示。所述傳感器72和信號處理電路73由定時控制電路75加以控制，所述定時控制電路75、所述記錄系統(tǒng)/通信系統(tǒng)74以及所述再現(xiàn)系統(tǒng)/顯示系統(tǒng)77由一個系統(tǒng)控制電路76控制。所述定時控制電路75選擇所述全部像素讀出模式或者所述添加-讀出模式。
水平和垂直驅(qū)動脈沖在全部像素讀出模式和添加-讀出模式之間是不同的。因此，對于每一種讀出模式，需要改變傳感器的驅(qū)動定時、信號處理電路的分辨率處理以及記錄系統(tǒng)的記錄像素數(shù)。上述控制是由系統(tǒng)控制電路根據(jù)每一種讀出模式進(jìn)行的。由于添加導(dǎo)致的靈敏度隨讀出模式而不同。針對靈敏度的這種差異，系統(tǒng)控制電路控制光圈(未圖示)，定時控制電路切換傳感器的放大器電路Amp的增益以用來自定時控制電路的控制脈沖增加該增益，從而獲得合適的信號。
盡管上面結(jié)合當(dāng)前所認(rèn)為的優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于所公開的實施例。相反，本發(fā)明應(yīng)覆蓋在所附權(quán)利要求的實質(zhì)精神和范圍內(nèi)的各種變化和等效方案。所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)作最為寬泛的解釋，以覆蓋所有這樣的變化以及等效結(jié)構(gòu)和功能。
本發(fā)明基于2003年9月10日提交的日本專利申請No.2003-318388要求優(yōu)先權(quán)，該申請在此引為參考。
權(quán)利要求
1.一種成像設(shè)備，包括在水平方向和垂直方向按陣列排列的多個光電轉(zhuǎn)換單元；以及添加電路，用于添加包括來自所述多個光電轉(zhuǎn)換單元的相同顏色分量的信號，使得添加后的信號的重心對于各信號具有相同的間距。
2.如權(quán)利要求1所述的成像設(shè)備，其中，所述多個光電轉(zhuǎn)換單元這樣排列，使得奇數(shù)行在水平方向交替輸出第一顏色信號和第二顏色信號，偶數(shù)行在水平方向交替輸出所述第二顏色信號和第三顏色信號；其中，所述添加電路添加來自被包括在5行乘5列中的多個光電轉(zhuǎn)換單元的第一顏色信號，來自被包括在5行乘5列中的多個光電轉(zhuǎn)換單元的第二顏色信號，以及來自被包括在5行乘5列中的多個光電轉(zhuǎn)換單元的第三顏色信號，各個5行乘5列的區(qū)域部分重疊。
3.如權(quán)利要求1或2所述的成像設(shè)備，其中，所述添加電路在多列中的每一列中包括多個第一保持裝置，用于保持來自在水平方向排列的多個光電轉(zhuǎn)換單元的信號；多個第二保持裝置，用于保持添加了來自所述多個第一保持裝置的信號的信號；以及多個第三保持裝置，用于保持添加了來自所述多個第二保持裝置的信號的信號；所述添加電路還包括第一公共輸出線，用于順序輸出來自所述多個第三保持裝置的信號；以及第二公共輸出線，用于順序輸出來自所述多個第一保持裝置的信號。
全文摘要
本申請涉及用于添加包含相同顏色分量的信號的成像設(shè)備，其包括在水平方向和垂直方向按陣列排列的多個光電轉(zhuǎn)換單元；以及添加器，用于添加包括來自所述多個光電轉(zhuǎn)換單元的相同顏色分量的信號，使得添加后的信號的重心對于各信號具有相同的間距。
文檔編號H04N3/15GK1595995SQ20041007716
公開日2005年3月16日 申請日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月10日
發(fā)明者橋本誠二 申請人:佳能株式會社