專利名稱：圖像感測(cè)設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種捕獲對(duì)象圖像的圖像感測(cè)設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)。
技術(shù)背景主要針對(duì)靜態(tài)圖像拍攝的最近的數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)使用與多于IO，OOO，OOO個(gè)像素對(duì)應(yīng)的圖像捕獲元件。主要針對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像拍攝的視頻照相機(jī)也使用與百萬像素對(duì)應(yīng)的圖像捕獲元件。對(duì)于這些應(yīng)用目 的，通常，使用大量像素來執(zhí)行需要高分辨率的高分辨率拍攝。如果 分辨率可以較低，則使用少量的像素來執(zhí)行拍攝。在高分辨率的拍攝中，從圖像捕獲元件的幾乎所有像素中讀出信號(hào)。在低分辨率的拍攝中，在執(zhí)行像素抽取(decimation)驅(qū)動(dòng)或像素信號(hào)相加的同時(shí)進(jìn)行 讀出，從而防止電池在照相機(jī)中耗盡，增加了拍攝圖像的數(shù)量，并對(duì) 運(yùn)動(dòng)圖像執(zhí)行高速拍攝(日本專利公開第9-46596和2001-36920號(hào))。日本專利公開第9-46596號(hào)公開了一種在公共的像素放大器上對(duì) 不同顏色的信號(hào)進(jìn)行相加的技術(shù)。日本專利/〉開第2001-36920號(hào)/>開了 一種對(duì)同色信號(hào)進(jìn)行相加， 從而在每個(gè)4x4像素的塊中，使相加之后顏色的空間顏色排列與相加 之前的相匹配的技術(shù)。曰本專利公開第9-46596號(hào)的技術(shù)沒有采用同色相加，不能獲得 各個(gè)顏色的信號(hào)。因此，無法獲得高分辨率的圖像。在日本專利公開第2001-36920號(hào)中，由于相加之后的像素的空 間重心不布置為等間距，所以產(chǎn)生波紋。如上所述，在常規(guī)技術(shù)中，很難通過相加處理來獲得高分辨率的圖像。發(fā)明內(nèi)容考慮到上述問題而進(jìn)行了本發(fā)明，本發(fā)明提供一種具有尺寸減小 的像素并能夠通過相加處理來獲得高分辨率圖像的圖像感測(cè)設(shè)備和 圖像捕獲系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種圖像感測(cè)設(shè)備，包括像素單 元，具有多個(gè)組的陣列，每個(gè)組包括在行方向和列方向上排列的多個(gè) 像素；以及相加單元，被配置為對(duì)于從在組中排列的多個(gè)像素輸出的 像素信號(hào)當(dāng)中的同色像素信號(hào)進(jìn)行相加，其中，相加單元對(duì)于每一組 具有共同連接到同色像素的公共像素放大器，并在公共像素放大器的 柵極部分對(duì)同色像素的像素信號(hào)進(jìn)行相加，從而在組中相加的像素的 空間重心在行方向和列方向中的至少一個(gè)方向上等間距排列。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種圖像捕獲系統(tǒng)，包括根據(jù)本 發(fā)明第一方面的圖像感測(cè)設(shè)備；光學(xué)系統(tǒng)，被配置為在圖像感測(cè)設(shè)備 中形成光的圖像；記錄系統(tǒng)，被配置為記錄從圖像感測(cè)設(shè)備輸出的信 號(hào)；以及系統(tǒng)控制電路，被配置為控制整個(gè)系統(tǒng)。本發(fā)明可提供一種具有尺寸減小的像素并能夠通過對(duì)像素信號(hào) 進(jìn)行相加處理和抽取處理獲得高分辨率圖像的圖像感測(cè)設(shè)備和圖像 捕獲系統(tǒng)。通過以下(參照附圖)對(duì)示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特 征將變得清楚。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)設(shè)備的框圖； 圖2是示出圖l中的圖像感測(cè)區(qū)域中的像素單元的顏色的布置的視圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)區(qū)域中的像 素單元的布置的示例的視圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)區(qū)域中的像 素單元的布置的另一示例的視圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)區(qū)域中的像 素單元的布置的另一示例的視圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的相加方法的視圖； 圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的另一相加方法的視圖； 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖； 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖； 圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖；圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖；圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)區(qū)域中的像 素單元的布置的另一示例的視圖；圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的相加方法的視圖； 圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的另一相加方法的視圖；圖16是示出才艮據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖；圖17是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的又一相加方法的視圖；圖18是示出用于處理從根據(jù)圖i所示的實(shí)施例的單位像素放大 器的圖像感測(cè)區(qū)域讀出的像素信號(hào)的讀出信號(hào)處理電路的一部分的 電路圖；圖19是使用機(jī)械快門的說明性視圖； 圖20是像素信號(hào)相加的時(shí)序圖； 圖21是讀出所有像素信號(hào)的時(shí)序圖；以及 圖22是使用根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)設(shè)備的圖像 捕獲系統(tǒng)的示意性布置的框圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)設(shè)備的框圖。參 照?qǐng)D1,圖像感測(cè)區(qū)域具有在行方向和列方向上排列的多個(gè)像素單元 (也稱為像素)，它們中的每一個(gè)包括用于光電轉(zhuǎn)換的光電二極管以及在稍后描述的圖3和圖4中示出的像素放大器。從垂直掃描電路 (V.SR) 10輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖控制圖像感測(cè)區(qū)域中的像素單元。圖像 感測(cè)區(qū)域中的奇數(shù)編號(hào)的垂直線V2n-1 (n:整數(shù)，n")被連接到讀 出電路20-l，所述讀出電路20-l包括CDS電路、放大電路和存儲(chǔ)器。 偶數(shù)編號(hào)的垂直信號(hào)線V2n被連接到讀出電路20-2，所述讀出電路 20-2包括CDS電路、放大電路和存儲(chǔ)器。在下面的描述中，奇數(shù)編 號(hào)的列的信號(hào)R和G (見圖2)被順序傳送到圖1的圖像感測(cè)區(qū)域上 側(cè)的電路。偶數(shù)編號(hào)的列的信號(hào)G和B (見圖2)被順序傳送到圖像 感測(cè)區(qū)域下側(cè)的電路。這些電路具有相同的布置。這里將僅描述圖像 感測(cè)區(qū)域下側(cè)的電路，而不描述圖像感測(cè)區(qū)域上側(cè)的電路。讀出電路20-1中的CDS電路從信號(hào)(像素信號(hào))去除噪聲，所 述信號(hào)是從圖像感測(cè)區(qū)域中的像素單元輸出的，放大電路僅放大信號(hào) 分量。信號(hào)被臨時(shí)存儲(chǔ)在讀出電路20-l的存儲(chǔ)器中。在該實(shí)施例中， 可提供校正電路(未示出)以應(yīng)對(duì)放大電路之間的偏移差異。以下將 描述并非在相加讀出模式下操作而是在逐行掃描模式下操作的圖像 感測(cè)設(shè)備。在這種情況下，根據(jù)來自水平掃描電路(H.SR)的掃描脈 沖^hn (-hn(l)， ^hn(3)， ^hn(5)和^hn(7))而將存儲(chǔ)在讀出電路20-1 的存儲(chǔ)器中的信號(hào)讀出到輸出信號(hào)線。在相加讀出模式下，存儲(chǔ)在讀 出電路20-l的存儲(chǔ)器中的信號(hào)被導(dǎo)向相加電路30-1。相加電路30-l 將存儲(chǔ)在讀出電路20-1的存儲(chǔ)器中的同色像素信號(hào)相加。根據(jù)來自水 平掃描電路(H.SR)的掃描脈沖^hn (^hn(al)和-hn(a2))而將由相加 電路30-l相加的像素信號(hào)讀出到輸出信號(hào)線。圖2是示出圖l的圖像感測(cè)區(qū)域中的像素單元的顏色的布置的視圖。參照?qǐng)D2，在像素單元的光電二極管上布置濾色器G (綠)、R (紅)和B (藍(lán))。在該示例中，以棋盤格的圖案來布置G像素，而 以線順序來布置R和B像素。也就是說，與R、 G、 G和B像素對(duì)應(yīng) 的2x2-4個(gè)像素按照二維方式布置，作為一個(gè)單元的像素顏色布置。在本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例中，在圖像感測(cè)區(qū)域中布置的某些像素 單元被周期性地抽取和驅(qū)動(dòng)，從圖像感測(cè)區(qū)域中的同色像素單元輸出 的像素信號(hào)被相加，從而獲得如圖2那樣的同色布置。相加后的像素 信號(hào)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后從圖像感測(cè)區(qū)域中被讀出。有時(shí)在圖像 感測(cè)區(qū)域外部與抽取驅(qū)動(dòng)和像素信號(hào)相加相結(jié)合來執(zhí)行這些操作。圖3和圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測(cè)區(qū)域中的像素單元的布置的示例的視圖。圖3示出單位像素放大器的示例， 所述單位像素放大器包括與像素單元對(duì)應(yīng)的光電二極管pd以及對(duì)來自光電二極管PD的信號(hào)進(jìn)行放大的像素放大器MSF。圖4示出公共 像素放大器的一個(gè)示例，所述公共像素放大器包括三個(gè)光電二極管 PD1、 PD2和PD3以及公共像素放大器MSF，。圖3中的三個(gè)光電二 極管PD1、 PD2和PD3在列方向上相鄰地布置。圖3所示的像素單元包括光電二極管PD、傳送開關(guān)MTX、復(fù) 位開關(guān)MRES和選擇開關(guān)MSEL。光電二極管PD用作光電轉(zhuǎn)換單元， 其將光轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。傳送開關(guān)MTX將存儲(chǔ)在光電二極管PD中 的信號(hào)電荷傳送到像素放大器MSF的柵極部分(浮動(dòng)擴(kuò)散)。復(fù)位 開關(guān)MRES將像素放大器MSF的柵極部分(輸入端子)中的剩余電 荷復(fù)位。選擇開關(guān)MSEL將復(fù)位之后的復(fù)位的信號(hào)或來自光電二極管 PD的像素信號(hào)從像素放大器MSF傳送到垂直信號(hào)線Vn。在圖像感 測(cè)區(qū)域的外部提供像素放大器的電流源開關(guān)MRV。當(dāng)在圖3的像素布置中執(zhí)行抽取驅(qū)動(dòng)時(shí)，不從要被抽取的像素讀 出像素信號(hào)。在像素區(qū)域的外部執(zhí)行相加驅(qū)動(dòng)。在圖4所示的像素單元中，光電二極管PD1、 PD2和PD3以及 控制信號(hào)電荷從光電二極管到公共像素放大器MSF，的柵極部分的傳 送的傳送開關(guān)MTX1、MTX2和MTX3被共同連接到公共像素放大器MSF，的柵極部分。當(dāng)為一個(gè)像素放大器布置多個(gè)光電二極管時(shí)，相 對(duì)于一個(gè)光電二極管的像素放大器的面積減小，因此，光電二極管的 開口率增加。應(yīng)該注意，盡管圖4所示的公共像素放大器包括三個(gè)光電二極管 和一個(gè)像素放大器，但是本發(fā)明并不限于此，可對(duì)應(yīng)于2n+l (hn) 個(gè)光電二極管(組)來連接公共像素放大器。作為替換方案，可對(duì)應(yīng) 于2n (lsn)個(gè)光電二極管(組)來連接公共像素放大器。當(dāng)在圖4的像素布置中執(zhí)行抽取驅(qū)動(dòng)時(shí)，不從要被抽取的像素中 讀出電荷。在相加驅(qū)動(dòng)中，來自相應(yīng)像素的電荷被傳送到柵極部分并 被相加。更具體地說，在相加模式下，傳送開關(guān)MTX1、 MTX2和 MTX3之一被接通，以將信號(hào)電荷從光電二極管PD1、 PD2和PD3 中的相應(yīng)一個(gè)傳送到公共像素放大器MSF，的柵極部分，由此執(zhí)行相 加。對(duì)于高分辨率的圖像而言，復(fù)位開關(guān)MRES和傳送開關(guān)MTX1、 MTX2和MTX3被交替接通，以分別讀出信號(hào)電荷?？赏ㄟ^按照這種 方式對(duì)傳送開關(guān)MTX1、 MTX2和MTX3進(jìn)行通/斷控制來允許/禁止 由公共像素放大器MSF，對(duì)來自光電二極管的信號(hào)電荷進(jìn)行相加。通 過在垂直方向上共同連接像素來形成圖4所示的實(shí)施例的公共像素放 大器。然而，如圖5所示，可通過在水平方向(行方向)上共同連接 像素來形成公共像素放大器。接著將參照?qǐng)D6到圖12來描述根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的抽 取驅(qū)動(dòng)和相加驅(qū)動(dòng)的示例。在圖6到圖12中，空白單元格表示被抽 取的像素，由顏色符號(hào)(R、 G、 B)指示的單元格表示相加后的像素。 在圖6到圖12中，如圖4或圖5所示，使用共同連接到多個(gè)光電二 極管的公共像素放大器MSF，來執(zhí)行相加處理。在圖6中，三行的三個(gè)像素形成一組，它們中的一個(gè)像素(行) 被抽取。這將行驅(qū)動(dòng)時(shí)間縮短到2/3。在相加驅(qū)動(dòng)中，乂>共#>素放大 器MSF，將組1的兩個(gè)G信號(hào)相加，還將組2的兩個(gè)R信號(hào)相加。在 這個(gè)像素中，公共像素放大器MSF，將兩個(gè)像素的電荷相加，并且一 個(gè)像素(一行)被抽取。這將行驅(qū)動(dòng)時(shí)間縮短到大約1/3。由于在像素中進(jìn)行了相加，所以可減小在公共像素放大器MSF，之后的噪聲。 此外，各個(gè)顏色的相加后的信號(hào)(像素信號(hào))的空間重心(空間像素 間距)在行方向上等間距布置。這防止產(chǎn)生波紋。在圖7中，除了圖6所示的方法之外，各包括多個(gè)像素的組的塊 還經(jīng)受抽取驅(qū)動(dòng)。更具體地說，組2被抽取，公共像素放大器MSF， 對(duì)組1和組3中的每一個(gè)的電荷進(jìn)行相加。然后，圖l中的相加單元 30-1將組1和組3相加。與圖6所示的方法相比，上述處理將驅(qū)動(dòng)時(shí) 段減小到1/2，并將敏感度增加到2倍。在圖8中，組2和組3被抽取，連接到組1和組4中的每一個(gè)的 公共像素放大器MSF，執(zhí)行相加。與圖6所示的方法相比，這進(jìn)一步 將驅(qū)動(dòng)時(shí)間縮短到1/3。在圖9中，3行x3列的9個(gè)像素形成一組，每組中的4個(gè)同色 像素相加。更具體地說，連接到組l中的Gl，l、 Gl，3、 G3，1和G3，3 的公共像素放大器MSF，將這三個(gè)像素的像素信號(hào)相加。結(jié)果，四個(gè) 像素被相加。類似地，連接到組2中的R4，1、 R4，3、 R6，1和R6，3的 公共像素放大器MSF，或相加電路30-1將這四個(gè)像素的像素信號(hào)相 加。同樣，在剩余的組3和組4中，按照相同的方式將四個(gè)像素的像 素信號(hào)相加。通過這種方式，在像素的垂直和水平方向上執(zhí)行抽取驅(qū) 動(dòng)，四個(gè)像素被相加。與圖6所示的方法相比，上述處理將敏感度增 加到2倍。在圖10中，3行x5列形成一組。每組中的中間行被抽取，空間 上重疊的水平像素被相加。更具體地說，連接到組1中的Gl，l、 Gl，3、 Gl，5、 G3，1、 G3，3和G3，5的公共像素放大器MSF，等將這些像素的 像素信號(hào)相加。結(jié)果，六個(gè)像素被相加。類似地，連接到組2中的 Bl，4、 Bl，6、 Bl，8、 B3，4、 B3,6和B3,8的公共像素放大器MSF，等將 這六個(gè)像素的像素信號(hào)相加。同樣，在剩余的組中，按照相同的方式 將六個(gè)像素的像素信號(hào)相加。在本實(shí)施例中，由于不執(zhí)行水平方向上 的抽取驅(qū)動(dòng)，所以可進(jìn)一步增加敏感度。此外，由于通過相加減少了水平方向上的讀出像素的數(shù)量，所以可進(jìn)一步縮短驅(qū)動(dòng)時(shí)間。在圖11中，5行x5列的25個(gè)像素形成一組，并且公共像素放 大器MSF，將每組中的9個(gè)同色像素的像素信號(hào)相加。更具體地說， 連接到組l中的Rl，l、 Rl，3、 Rl，5、 R3，l、 R3，3、 R3，5、 R5，l、 R5，3 和R5，5的公共像素放大器MSF，將這些像素的像素信號(hào)相加。結(jié)果， 九個(gè)像素被相加。類似地，連接到組2中的G6，l、 G6，3、 G6，5、 G8，l、 G8，3、 G8，5、 GlO,l、 G10，3和G10，5的公共像素放大器MSF，將這些 像素的像素信號(hào)相加。結(jié)果，九個(gè)像素被相加。同樣，在剩余的組中， 按照相同的方式將九個(gè)像素的像素信號(hào)相加。在本實(shí)施例中，對(duì)于每 5個(gè)像素，兩個(gè)像素(行)被抽取，并且九個(gè)像素信號(hào)被相加。五個(gè) 像素的公共像素放大器MSF，可將像素行驅(qū)動(dòng)時(shí)間縮短到大約1/5。在圖12中，5行x5列的25個(gè)像素形成一組，如圖11所示。公 共像素放大器MSF，僅將每組中的兩個(gè)同色像素(行)的像素信號(hào)相 加。與圖ll所示的方法相比，這進(jìn)一步縮短了驅(qū)動(dòng)時(shí)間。在上述示例中，在公共像素放大器中，像素單元具有奇數(shù)個(gè)光電 二極管。接著將描述使用偶數(shù)個(gè)光電二極管的另一示例。在圖13所 示的像素單元中，為一個(gè)公共像素放大器提供四個(gè)光電二極管PD1 到PD4，這與圖4的示例不同，在圖4的示例中，為一個(gè)公共像素放 大器提供三個(gè)光電二極管。第四個(gè)光電二極管是PD4?？刂葡蚬蚕?素放大器MSF，的柵極部分的傳送的傳送開關(guān)是MTX4。像素單元的基本操作與圖4所示的示例相同，將不對(duì)其進(jìn)行重復(fù) 描述。當(dāng)為一個(gè)公共像素放大器布置四個(gè)光電二極管時(shí)，與圖4相比， 相對(duì)于一個(gè)光電二極管而言，像素放大器的面積減小，因此，光電二 極管的開口率增大。根據(jù)圖像感測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)要求(例如，敏感度、 像素?cái)?shù)量和信號(hào)讀出速度)來適當(dāng)?shù)卦O(shè)置光電二極管的數(shù)量。在圖14中，4行x5列形成一組。連接到公共像素放大器的每組 中的兩個(gè)同色行的垂直像素被驅(qū)動(dòng)和相加。接著，在水平方向上在空 間上重疊的加和信號(hào)#>相加。將關(guān)于圖14中的組4來描述相加處理。 在公共像素放大器的柵極部分將連接到一個(gè)公共像素放大器的4個(gè)光 電二極管中的兩個(gè)同色信號(hào)相加。相加電路30-l進(jìn)一步將三個(gè)同色列中的加和信號(hào)相加。結(jié)果，兩個(gè)垂直像素和三個(gè)水平像素，即，總共 六個(gè)像素被相加。同樣，在剩余的組中，按照相同的方式將六個(gè)像素 的像素信號(hào)相加。在本實(shí)施例中，由于不執(zhí)行水平方向上的抽取驅(qū)動(dòng)， 所以在水平方向上不浪費(fèi)像素。公共像素放大器中的像素相加將從像素放大器讀出垂直信號(hào)的時(shí)間縮短到大約1/4。信號(hào)相加還將水平信 號(hào)讀出的時(shí)間縮短到大約1/3。水平方向的三列的像素相加可使用另一相加比率。例如，當(dāng)在三 列當(dāng)中，將中間像素與末尾像素之間的相加比率設(shè)置到2:1時(shí)，組之 間重疊的像素的敏感度比率減小。因此這提高分辨率。圖15、圖16和圖17示出相加方法的其它示例。圖15和圖17 沒有示出水平方向上的相加。在圖15中，在垂直方向上相鄰的組經(jīng)受相加驅(qū)動(dòng)。結(jié)果，與逐 行掃描相比，垂直方向上的信號(hào)讀出時(shí)間縮短到大約1/4。此外，由 于同色信號(hào)的相加增加，所以敏感度增大。圖16示出在垂直方向上執(zhí)行組的抽取驅(qū)動(dòng)的示例。與圖15所示 的示例相比，垂直方向上的信號(hào)讀出時(shí)間縮短到1/2。圖17示出一個(gè)公共像素放大器將兩種顏色中的每一種的信號(hào)相 加的示例。在該示例中，首先，公共像素放大器對(duì)R信號(hào)進(jìn)行相加和 讀出。此后，公共像素放大器對(duì)G信號(hào)進(jìn)行相加和讀出。由公共像素 放大器進(jìn)行相加將垂直方向的信號(hào)讀出時(shí)間縮短到1/2。如上所述，當(dāng)為一個(gè)公共像素放大器提供四個(gè)光電二極管時(shí)，公 共像素放大器可處理兩種顏色的加和信號(hào)。在3個(gè)光電二極管的類型 中，相加電路30-l必須在行方向上執(zhí)行相加處理。然而，這防止任何 由于像素放大器中的相加處理產(chǎn)生的噪聲的增大。在上述示例的4個(gè)光電二極管的類型中，行方向上的加和像素的 空間重心沒有以等間距布置。在圖13所示的示例中，優(yōu)選地，加和 信號(hào)具有與四個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間間距。然而，與奇數(shù)個(gè)光電二極管組相比，在偶數(shù)個(gè)光電二極管組的加和信號(hào)中，空間重心移動(dòng)一個(gè)像素。 當(dāng)在改變行方向上的加權(quán)的同時(shí)通過使信號(hào)處理電路(稍后描述)處理該偶數(shù)組的信號(hào)來校正空間移動(dòng)時(shí)，可減少波紋。本發(fā)明的目的是在公共像素放大器中添加或抽取多個(gè)像素信號(hào)， 并進(jìn)一步將像素單元的組中或像素單元的組之間的像素信號(hào)相加，從而提高像素信號(hào)讀出驅(qū)動(dòng)頻率或敏感度。作為替換方案，各包括2n+l 個(gè)像素行或像素列的組被形成，并且在組中或組之間抽取或相加這些 像素行或像素列。僅需要將各個(gè)顏色的像素的空間間距(空間重心) 至少在行方向或列方向上布置為等間距。因此，如果可實(shí)現(xiàn)上述處理， 則本發(fā)明并不限于上述方法，可應(yīng)用任何其它的方法。該實(shí)施例中的 組相加的順序以及組的數(shù)量?jī)H僅是示例，本發(fā)明并不限于這些。本發(fā)明的目的是形成各包括2n+l個(gè)像素行或像素列的組，并且 在組中或組之間抽取或相加這些像素行或像素列，從而提高像素信號(hào) 讀出驅(qū)動(dòng)頻率或敏感度。僅需要將各個(gè)顏色的像素的空間間距(空間 重心)至少在行方向或列方向上布置為等間距。因此，如果可實(shí)現(xiàn)上 述處理，則本發(fā)明并不限于上述方法，可應(yīng)用任何其它的方法。該實(shí) 施例中的組相加的順序以及組的數(shù)量?jī)H僅是示例，本發(fā)明并不限于這 些。圖18是示出用于處理從根據(jù)圖1所示的第一實(shí)施例的單位像素 放大器的圖像感測(cè)區(qū)域讀出的像素信號(hào)的讀出信號(hào)處理電路的一部 分的電路圖。將參照?qǐng)D18來描述從像素單元讀出信號(hào)以及信號(hào)相加。將描述圖18所示的讀出信號(hào)處理電路將3行x3列中的四個(gè)同色 像素的像素信號(hào)相加的示例。參照?qǐng)D18，電路包括連接到垂直信號(hào)線 VI、 V3和V5的電容C1、 C3和C5，鉗位開關(guān)MC1、 MC3和MC5， 參考電壓源Vr和放大器Ampl、 Amp3和Amp5，所述電路是從像素 單元的信號(hào)去除噪聲的CDS電路(將省略對(duì)CDS操作的描述)。從 像素讀出并經(jīng)過CDS的信號(hào)Rl，l和Rl，3被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器電容Ctl 和Ct3中。在相加電路的存儲(chǔ)器電容Cal中將這些信號(hào)相加。類似地， 從像素讀出并經(jīng)過CDS的信號(hào)R3，l和R3,3被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器電容Ctl 和Ct3中，并在存儲(chǔ)器電容Ca2中相加。根據(jù)來自水平掃描電路的掃 描脈沖(^hn(al)， ^hn(a2)，...)將存儲(chǔ)器電容Cal和Ca2中的加和信號(hào)輸出到水平信號(hào)線Sout。結(jié)果，四個(gè)像素(Rl，l、 Rl,3、 R3，1和 R3,3)被相加。按照類似的方式，在組之間進(jìn)行像素抽取和相加。在圖18所示的實(shí)施例中，已經(jīng)描述單位像素放大器的像素。在 公共像素放大器MSF，中，由于在像素中將兩個(gè)垂直像素相加，所以 存儲(chǔ)器電容Cal和Ca2是不必要的。圖19是使用機(jī)械快門的視圖。在這種情況下，圖像感測(cè)區(qū)域中 的所有像素一并被復(fù)位。在機(jī)械快門完成曝光之后，任意的相加單元 將像素信號(hào)相加。然后，在一個(gè)水平掃描時(shí)段中，從存儲(chǔ)器2外部輸 出所述信號(hào)。機(jī)械快門的使用使得能夠通過在相同的曝光時(shí)間中曝光所有像素來獲得圖像。將根據(jù)圖20中的時(shí)序圖來說明上述處理。當(dāng)任意膝光時(shí)段經(jīng)過 時(shí)，在每個(gè)脈沖的控制下，像素電路單元的柵極中的剩余電荷被復(fù)位。 在時(shí)間tl，脈沖^RES將像素放大器MSF的柵極部分復(fù)位，脈沖^C1 和^TS1將存儲(chǔ)器Ct復(fù)位，脈沖^AD1到^AD3和-C2將存儲(chǔ)器電容 Cal和Ca2復(fù)位。在時(shí)間t2,鉗位電容C在脈沖^C1的關(guān)斷狀態(tài)下 對(duì)公共像素放大器噪聲進(jìn)行鉗位，并且根據(jù)脈沖^TX，經(jīng)由像素放大 器將光電二極管中的電荷輸入到鉗位電容C1、 C3和C5。結(jié)果，CDS去除像素噪聲，并且存儲(chǔ)器經(jīng)由放大器Amp臨時(shí)存 儲(chǔ)所得的信號(hào)。在時(shí)間t3，脈沖^SEL和^TS1下降，并且像素的光電轉(zhuǎn)換信號(hào) 的傳送完成。在時(shí)間t4，根據(jù)脈沖^TS2和^AD1，在存儲(chǔ)器Cal中 將存儲(chǔ)器中的信號(hào)相加。通過相同的掃描和操作，在時(shí)間t5，存儲(chǔ)器Ca2存儲(chǔ)其后相加 的行的像素信號(hào)。在時(shí)間t6，來自存儲(chǔ)器電容Ca的信號(hào)在輸出信號(hào) 線Sout相加并凈皮輸出。在上述4個(gè)像素的相加讀出模式下，SN比率(信號(hào)對(duì)光散粒噪 聲比)增大到雙倍。因此，系統(tǒng)控制曝光量，并將入射光量設(shè)置到大 約1/4。這表明每個(gè)光電二極管中的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)下降到1/4。當(dāng)圖像 捕獲元件是CCD時(shí)，即使入射光量是1/4，由于4個(gè)像素電荷相加，相加之后的信號(hào)電荷量也不會(huì)改變。這產(chǎn)生了信號(hào)飽和的問題，并且 敏感度和飽和特性具有折衷的關(guān)系。本實(shí)施例的CMOS傳感器將信號(hào)電壓的平均值相加。為此，當(dāng) 忽略信號(hào)電平由于電容分割的下降時(shí)，即使在四個(gè)像素信號(hào)相加之 后，信號(hào)電平也大約在1/4。這表明信號(hào)飽和增強(qiáng)了 4倍。然而，如 果信號(hào)電平低，則連接到水平輸出線的輸出放大器(圖1中未示出) 的噪聲變得突出。為了防止這一問題，在本發(fā)明中，在相加讀出模式 下，在CDS之后的放大電路Amp的放大增益被設(shè)置到逐行掃描模式 下的大約4倍。這減少了輸出放大器的噪聲。因此能夠通過像素信號(hào) 相加來增大敏感度，通過減少讀出像素的數(shù)量來增大讀出速度，保持 較寬的動(dòng)態(tài)范圍，并實(shí)現(xiàn)低功率系統(tǒng)。圖21是讀出所有像素信號(hào)的時(shí)序圖。在時(shí)間tl，像素放大器、 相加單元和存儲(chǔ)器被復(fù)位。在時(shí)間t2，像素放大器的噪聲電位被鉗位。 在時(shí)間t3，光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的傳送結(jié)束，信號(hào)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器Ca中。 從時(shí)間t4開始，將信號(hào)直接從存儲(chǔ)器Ca輸出到水平輸出線Sout。圖22是示出使用圖像感測(cè)設(shè)備的圖像捕獲系統(tǒng)的示意性布置的 框圖。圖像捕獲系統(tǒng)包括圖像感測(cè)設(shè)備700，該圖像感測(cè)設(shè)備700包 括傳感器72、信號(hào)處理電路73和定時(shí)序控制電路75。如圖22所示， 經(jīng)由光學(xué)系統(tǒng)71輸入的對(duì)象光在傳感器72上形成圖像。在傳感器上 布置的像素將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)處理電路73根據(jù)預(yù)定方法 執(zhí)行電信號(hào)的轉(zhuǎn)換處理。記錄系統(tǒng)和通信系統(tǒng)74使用信息記錄裝置 來記錄處理后的信號(hào)或發(fā)送所述信號(hào)。通過再現(xiàn)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)77 來再現(xiàn)或顯示所記錄或傳送的信號(hào)。定時(shí)控制電路75控制傳感器72 和信號(hào)處理電路73。用于控制整個(gè)圖像捕獲系統(tǒng)的系統(tǒng)控制電路76 控制定時(shí)控制電路75、記錄系統(tǒng)和通信系統(tǒng)74以及再現(xiàn)系統(tǒng)和顯示 系統(tǒng)77。定時(shí)控制電路75選擇逐行掃描模式或相加讀出模式。上述逐行掃描模式和相加讀出模式使用不同的水平和垂直驅(qū)動(dòng) 脈沖。因此，有必要在讀出模式之間改變傳感器驅(qū)動(dòng)定時(shí)、信號(hào)處理 電路的分辨率處理和記錄系統(tǒng)的所記錄像素的數(shù)量。根據(jù)讀出模式， 通過系統(tǒng)控制電路76來實(shí)現(xiàn)所述控制。此外，在讀出模式之間，相加的敏感度改變。系統(tǒng)控制電路控制停止(未示出)。在高分辨率拍 攝中，系統(tǒng)根據(jù)來自定時(shí)控制電路的控制脈沖(未示出)來執(zhí)行逐行 掃描。在低分辨率拍攝中，可通過執(zhí)行像素的抽取驅(qū)動(dòng)并在像素組中 或像素組之間對(duì)像素信號(hào)進(jìn)行相加來實(shí)現(xiàn)具有高敏感度的高速讀出 或沒有波紋的高圖像質(zhì)量。盡管參照示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)理解本發(fā)明并不 限于公開的示例性實(shí)施例。以下的權(quán)利要求的范圍應(yīng)被給予最寬的解 釋，從而包括所有這種修改以及等同結(jié)構(gòu)與功能。
權(quán)利要求
1、一種圖像感測(cè)設(shè)備，包括像素單元，具有多個(gè)組的陣列，每個(gè)組包括在行方向和列方向上排列的多個(gè)像素；以及相加單元，被配置為對(duì)于從在組中排列的多個(gè)像素輸出的像素信號(hào)當(dāng)中的同色像素信號(hào)進(jìn)行相加，其中，相加單元對(duì)于每一組具有共同連接到同色像素的公共像素放大器，并在公共像素放大器的柵極部分將同色像素的像素信號(hào)相加，從而在組中相加的像素的空間重心在行方向和列方向中的至少一個(gè)方向上等間距排列。
2、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中相加單元不對(duì)從所述多個(gè)像素當(dāng)中的至少一行中排列的多個(gè)像 素輸出的像素信號(hào)進(jìn)行相加。
3、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中相加單元不對(duì)從所述多個(gè)像素當(dāng)中的至少一列中排列的多個(gè)像 素輸出的像素信號(hào)進(jìn)行相加。
4、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中相加單元還在所述多個(gè)組之間，將在公共像素放大器的柵極部分 中相加的像素信號(hào)進(jìn)行相加。
5、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)組中的至少一個(gè)組的某些像素還用作另一組的某些像素。
6、 如權(quán)利要求l所述的設(shè)備，其中所述多個(gè)組中的每個(gè)組包括多個(gè)像素，所述多個(gè)像素以2n+l個(gè) 像素(n:整數(shù)，n")的塊在行方向和列方向上排列。
7、 一種圖像捕獲系統(tǒng)，包括 權(quán)利要求1的圖像感測(cè)設(shè)備；光學(xué)系統(tǒng)，被配置為在圖像感測(cè)設(shè)備中形成光的圖像；記錄系統(tǒng)，被配置為記錄從圖像感測(cè)設(shè)備輸出的信號(hào)；以及 系統(tǒng)控制電路，被配置為控制整個(gè)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種圖像感測(cè)設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)，所述圖像感測(cè)設(shè)備包括像素單元，具有多個(gè)組的陣列，每個(gè)組包括在行方向和列方向上排列的多個(gè)像素；以及相加單元，被配置為對(duì)于從在組中排列的多個(gè)像素輸出的像素信號(hào)當(dāng)中的同色像素信號(hào)進(jìn)行相加。相加單元對(duì)于每一組具有共同連接到同色像素的公共像素放大器。相加單元在公共像素放大器的柵極部分中將同色像素的像素信號(hào)相加，從而在組中相加的像素的空間重心在行方向和列方向中的至少一個(gè)方向上以等間距排列。
文檔編號(hào)H04N9/07GK101282484SQ20081009008
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月3日
發(fā)明者橋本誠二 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社