專利名稱：圖像感測設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種捕獲對象圖像的圖像感測設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
主要針對靜態(tài)圖像拍攝的最近的數(shù)字靜態(tài)照相機(jī)使用與多于10，000，000個(gè)像素對應(yīng)的圖像捕獲元件。主要針對運(yùn)動圖像拍攝的視頻照相機(jī)也使用與百萬像素對應(yīng)的圖像捕獲元件。對于這些應(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。在低分辨率的拍攝中，在執(zhí)行像素抽取(decimation)驅(qū)動或像素信號相加的同時(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，并對運(yùn)動圖像執(zhí)行高速拍攝(日本專利公開第9-46596和2001-36920號)。日本專利公開第9-46596號公開了一種在公共的像素放大器上對不同顏色的信號進(jìn)行相加的技術(shù)。日本專利公開第2001-36920號公開了一種對同色信號進(jìn)行相加，從而在每個(gè)4 X 4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)。日本專利公開第9-46596號的技術(shù)沒有采用同色相加，不能獲得各個(gè)顏色的信號。因此，無法獲得高分辨率的圖像。在日本專利公開第2001-36920號中，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，被配置為對于從在組中排列的多個(gè)像素輸出的像素信號當(dāng)中的同色像素信號進(jìn)行相加，其中，相加單元對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同色像素的像素信號進(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設(shè)備；光學(xué)系統(tǒng)，被配置為在圖像感測設(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設(shè)備輸出的信號；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像素信號進(jìn)行相加處理和抽取處理獲得高分辨率圖像的圖像感測設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)。通過以下(參照附圖)對示例性實(shí)施例的描述，本發(fā)明的其它特征將變得清楚。


圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測設(shè)備的框圖；
圖2是示出圖I中的圖像感測區(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)施例的圖像感測區(qū)域中的像素單元的布置的另一不例的視圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的該優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測區(qū)域中的像素單元的布置的另一不例的視圖；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)施例的圖像感測區(qū)域中的像素單元的布置的另一不例的視圖；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區(qū)域讀出的像素信號的讀出信號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是像素信號相加的時(shí)序圖；圖21是讀出所有像素信號的時(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)施例方式現(xiàn)將參照附圖來詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的圖像感測設(shè)備的框圖。參照圖1，圖像感測區(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)動脈沖控制圖像感測區(qū)域中的像素單元。圖像感測區(qū)域中的奇數(shù)編號的垂直線V2n-l(n :整數(shù)，n ^ I)被連接到讀出電路20_1，所述讀出電路20_1包括CDS電路、放大電路和存儲器。偶數(shù)編號的垂直信號線V2n被連接到讀出電路20-2，所述讀出電路20-2包括CDS電路、放大電路和存儲器。在下面的描述中，奇數(shù)編號的列的信號R和G(見圖2)被順序傳送到圖I的圖像感測區(qū)域上側(cè)的電路。偶數(shù)編號的列的信號G和B(見圖2)被順序傳送到圖像感測區(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區(qū)域下側(cè)的電路，而不描述圖像感測區(qū)域上側(cè)的電路。讀出電路20-1中的⑶S電路從信號(像素信號)去除噪聲，所述信號是從圖像感測區(qū)域中的像素單元輸出的，放大電路僅放大信號分量。信號被臨時(shí)存儲在讀出電路20-1的存儲器中。在該實(shí)施例中，可提供校正電路(未示出)以應(yīng)對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Φ1ιη(Φ1ιη⑴,Φ ιη⑶,Φ1ιη(5)和Φ1ιη(7))而將存儲在讀出電路20-1的存儲器中的信號讀出到輸出信號線。在相加讀出模式下，存儲在讀出電路20-1的存儲器中的信號被導(dǎo)向相加電路30-1。相加電路30-1將存儲在讀出電路20-1的存儲器中的同色像素信號相加。根據(jù)來自水平掃描電路(H. SR)的掃描脈沖Φ1ιη(Φ !η(&1)和c^hn(a2))而將由相加電路30_1相加的像素信號讀出到輸出信號線。圖2是示出圖I的圖像感測區(qū)域中的像素單元的顏色的布置的視圖。參照圖2，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，在圖像感測區(qū)域中布置的某些像素單元被周期性地抽取和驅(qū)動，從圖像感測區(qū)域中的同色像素單元輸出的像素信號被相加，從而獲得如圖2那樣的同色布置。相加后的像素信號被存儲在存儲器中，然后從圖像感測區(qū)域中被讀出。有時(shí)在圖像感測區(qū)域外部與抽取驅(qū)動和像素信號相加相結(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應(yīng)的光電二極管ro以及對來自光電二極管ro的信號進(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roi、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H)、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H)用作光電轉(zhuǎn)換單元，其將光轉(zhuǎn)換為信號電荷。傳送開關(guān)MTX將存儲在光電二極管F1D中的信號電荷傳送到像素放大器MSF的柵極部分(浮動擴(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)位的信號或來自光電二極管H)的像素信號從像素放大器MSF傳送到垂直信號線Vn。在圖像感測區(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)動時(shí)，不從要被抽取的像素讀出像素信號。在像素區(qū)域的外部執(zhí)行相加驅(qū)動。在圖4所示的像素單元中，光電二極管roi、PD2和PD3以及控制信號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，可對應(yīng)于2n+l (I Sn)個(gè)光電二極管(組)來連接公共像素放大器。作為替換方案，可對應(yīng)于2n(l Sn)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)動時(shí)，不從要被抽取的像素中讀出電荷。在相加驅(qū)動中，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)MTXl、MTX2和MTX3之一被接通，以將信號電荷從光電二極管HH、PD2和TO3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，以分別讀出信號電荷?？赏ㄟ^按照這種方式對傳送開關(guān)MTXl、MTX2和MTX3進(jìn)行通/斷控制來允許/禁止由公共像素放大器MSF’對來自光電二極管的信號電荷進(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。接著將參照圖6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)動和相加驅(qū)動的示例。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(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)動時(shí)間縮短到2/3。在相加驅(qū)動中，公共像素放大器MSF’將組I的兩個(gè)G信號相加，還將組2的兩個(gè)R信號相加。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(像素信號)的空間重心(空間像素間距)在列方向上等間距布置。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。更具體地說，組2被抽取，公共像素放大器MSF’對組I和組3中的每一個(gè)的電荷進(jìn)行相加。然后，圖I中的相加單元30-1將組I和組3相加。與圖6所示的方法相比，上述處理將驅(qū)動時(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I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I中的Gl，l、Gl，3、G3，l和G3，3的公共像素放大器MSF’將這三個(gè)像素的像素信號相加。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，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I中的61，1、61，3、61，5、63，1、63，3和63，5的公共像素放大器MSF’等將這些像素的像素信號相加。結(jié)果，六個(gè)像素被相加。類似地，連接到組2中的BI，4、BI，6、BI，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，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相加。更具體地說，連接到組I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相加。結(jié)果，九個(gè)像素被相加。類似地，連接到組2中的66，1、66，3、66，5、68，1、68，3、68，5、610，1、G10，3和G10，5的公共像素放大器MSF’將這些像素的像素信號相加。結(jié)果，九個(gè)像素被相力口。同樣，在剩余的組中，按照相同的方式將九個(gè)像素的像素信號相加。在本實(shí)施例中，對于每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)的像素信號相加。與圖11所示的方法相比，這進(jìn)一步縮短了驅(qū)動時(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PDl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Η)4。控制向公共像素放大器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)圖像感測設(shè)備的系統(tǒng)要求(例如，敏感度、像素?cái)?shù)量和信號讀出速度)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)動和相加。接著，在水平方向上在空間上重疊的加和信號被相加。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 色信號相加。相加電路30-1進(jìn)一步將三個(gè)同色列中的加和信號相加。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，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的時(shí)間縮短到大約1/4。信號相加還將水平信號讀出的時(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 I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。結(jié)果，與逐行掃描相比，垂直方向上的信號讀出時(shí)間縮短到大約1/4。此外，由于同色信號的相加增加，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)動的示例。與圖15所示的示例相比，垂直方向上的信號讀出時(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相加的示例。在該示例中，首先，公共像素放大器對R信號進(jìn)行相加和讀出。此后，公共像素放大器對G信號進(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。在3個(gè)光電二極管的類型中，相加電路30-1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，加和信號具有與四個(gè)像素對應(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中，空間重心移動一個(gè)像素。當(dāng)在改變行方向上的加權(quán)的同時(shí)通過使信號處理電路(稍后描述)處理該偶數(shù)組的信號來校正空間移動時(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，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相加，從而提高像素信號讀出驅(qū)動頻率或敏感度。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)量僅僅是示例，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，從而提高像素信號讀出驅(qū)動頻率或敏感度。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)量僅僅是示例，本發(fā)明并不限于這些。圖18是示出用于處理從根據(jù)圖I所示的第一實(shí)施例的單位像素放大器的圖像感測區(qū)域讀出的像素信號的讀出信號處理電路的一部分的電路圖。將參照圖18來描述從像素單元讀出信號以及信號相加。將描述圖18所示的讀出信號處理電路將3行x3列中的四個(gè)同色像素的像素信號相加的示例。參照圖18，電路包括連接到垂直信號線VI、V3和V5的電容Cl、C3和C5，鉗位開關(guān)MCI、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去除噪聲的CDS電路(將省略對CDS操作的描述)。從像素讀出并經(jīng)過CDS的信號Rl，l和Rl，3被存儲在存儲器電容Ctl和Ct3中。在相加電路的存儲器電容Cal中將這些信號相加。類似地，從像素讀出并經(jīng)過⑶S的信號R3，I和R3，3被存儲在存儲器電容Ctl和Ct3中，并在存儲器電容Ca2中相加。根據(jù)來自水平掃描電路的掃描脈沖(Φ hn (al)，cthn(a2),...)將存儲器電容Cal和Ca2中的加和信號輸出到水平信號線Sout。結(jié)果，四個(gè)像素(R1，1、R1，3、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相加。然后，在一個(gè)水平掃描時(shí)段中，從存儲器2外部輸出所述信號。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)任意曝光時(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(jiRES將像素放大器MSF的柵極部分復(fù)位，脈沖Φα和CtTSl將存儲器Ct復(fù)位，脈沖ΦΑ Ι到ΦΑ 3和Φ02將存儲器電容Cal和Ca2復(fù)位。在時(shí)間t2，鉗位電容C在脈沖Φ(1的關(guān)斷狀態(tài)下對公共像素放大器噪聲進(jìn)行鉗位，并且根據(jù)脈沖ΦΤΧ，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Cl、C3和C5。結(jié)果，⑶S去除像素噪聲，并且存儲器經(jīng)由放大器Amp臨時(shí)存儲所得的信號。在時(shí)間t3，脈沖(^SEL和Φ TSl下降，并且像素的光電轉(zhuǎn)換信號的傳送完成。在時(shí)間t4，根據(jù)脈沖(tTS2和ΦΑ Ι，在存儲器Cal中將存儲器中的信號相加。通過相同的掃描和操作，在時(shí)間t5，存儲器Ca2存儲其后相加的行的像素信號。在時(shí)間t6,來自存儲器電容Ca的信號在輸出信號線Sout相加并被輸出。在上述4個(gè)像素的相加讀出模式下，SN比率(信號對光散粒噪聲比)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)像素電荷相力口，相加之后的信號電荷量也不會改變。這產(chǎn)生了信號飽和的問題，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傳感器將信號電壓的平均值相加。為此，當(dāng)忽略信號電平由于電容分割的下降時(shí)，即使在四個(gè)像素信號相加之后，信號電平也大約在1/4。這表明信號飽和增強(qiáng)了 4倍。然而，如果信號電平低，則連接到水平輸出線的輸出放大器(圖I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的時(shí)序圖。在時(shí)間tl，像素放大器、相加單元和存儲器被復(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)換信號的傳送結(jié)束， 信號被存儲在存儲器Ca中。從時(shí)間t4開始，將信號直接從存儲器Ca輸出到水平輸出線Sout0圖22是示出使用圖像感測設(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)包括圖像感測設(shè)備700，該圖像感測設(shè)備700包括傳感器72、信號處理電路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。信號處理電路73根據(jù)預(yù)定方法執(zhí)行電信號的轉(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或發(fā)送所述信號。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。定時(shí)控制電路75控制傳感器72和信號處理電路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)動脈沖。因此，有必要在讀出模式之間改變傳感器驅(qū)動定時(shí)、信號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)動并在像素組中或像素組之間對像素信號進(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.ー種圖像感測設(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，被配置為對于從在組中排列的多個(gè)像素輸出的像素信號當(dāng)中的同色像素信號進(jìn)行相加， 其中，相加単元對于每ー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ー個(gè)方向上等間距排列。
2.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 相加単元不對從所述多個(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進(jìn)行相加。
3.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 相加単元不對從所述多個(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進(jìn)行相加。
4.如權(quán)利要求I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進(jìn)行相加。
5.如權(quán)利要求I所述的設(shè)備，其中 所述多個(gè)組中的至少ー個(gè)組的某些像素還用作另ー組的某些像素。
6.如權(quán)利要求I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(η :整數(shù)，n ^ I)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I的圖像感測設(shè)備； 光學(xué)系統(tǒng)，被配置為在圖像感測設(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設(shè)備輸出的信號；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設(shè)備和圖像捕獲系統(tǒng)，所述圖像感測設(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，被配置為對于從在組中排列的多個(gè)像素輸出的像素信號當(dāng)中的同色像素信號進(jìn)行相加。相加單元對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H04N9/07GK102629994SQ20121007452
公開日2012年8月8日 申請日期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 申請人:佳能株式會社