專利名稱：用于將包含相同顏色分量的信號(hào)相加的成像設(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(wàn)像素的成像部件，對(duì)于主要用途是拍攝運(yùn)動(dòng)圖像的電影攝影機(jī)(攝像機(jī))，也已采用幾百萬(wàn)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(shí)，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(shí)，通常從成像部件讀出所有像素信號(hào)，在拍攝低清晰度圖像時(shí)，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(hào)的間隔讀出(thinning-outreadout)，或者進(jìn)行間隔抽取像素信號(hào)并將像素信號(hào)相加(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(hào)的相加。
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，將多個(gè)像素信號(hào)相加，4×4像素構(gòu)成一組，這樣，在進(jìn)行相加之前和之后，每一個(gè)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?cái)?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(duì)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(shí)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(yùn)動(dòng)圖像時(shí)會(huì)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(hào)的間隔抽取導(dǎo)致的)，會(huì)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要相加的像素信號(hào)數(shù)來提高靈敏度，一個(gè)問題是不被使用(被廢棄)的像素信號(hào)的提供。另外，盡管在一個(gè)組內(nèi)將多個(gè)像素信號(hào)相加以便每一種顏色的空間顏色陣列(spatial color array)在相加前后變得相同，一個(gè)問題是，在放大時(shí)，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(hào)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(huì)出現(xiàn)莫阿紋。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是，即使在通過將多個(gè)像素信號(hào)相加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(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種成像設(shè)備，包括在水平方向和垂直方向按陣列排列的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元；以及加法裝置，用于將從所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元提供的包括相同顏色分量的信號(hào)相加，使得相加后的各信號(hào)的重心相對(duì)于各信號(hào)具有相同的間距。
在拍攝高分辨率圖像的情況下，這種方案實(shí)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(shí)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(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說明中，可以清楚本發(fā)明的其它目的和特征。


圖1圖示了在將像素信號(hào)相加之前各顏色的陣列的一個(gè)例子；圖2A到圖2E是舉例的示意圖，用于圖解在將像素信號(hào)相加之后的顏色陣列以及對(duì)于每一種顏色要相加的信號(hào)；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(hào)的信號(hào)處理電路的部分電路圖；圖5是用于說明的示意圖，其中，以要相加的多行為增量讀出信號(hào)；圖6是用于說明的示意圖，其中，讀出一屏內(nèi)的加法之后的信號(hào)；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(hào)的讀出及其加法的時(shí)序圖；圖9是一個(gè)系統(tǒng)示意圖；圖10是一個(gè)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(gè)例子。
具體實(shí)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(shí)施例。
圖1是圖解在將像素信號(hào)相加之前各顏色的陣列的一個(gè)例子的示意圖，圖2A到圖2E是用于圖解將像素信號(hào)相加之后的顏色陣列和對(duì)于每一個(gè)顏色要相加的信號(hào)的示意圖。
對(duì)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(gè)光電二極管上。在這個(gè)例子中，G按國(guó)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(gè)，也就是4個(gè)R、G、G和B像素按照二維設(shè)置，作為一個(gè)單元像素顏色矩陣。
使用本發(fā)明的本實(shí)施例的像素信號(hào)加法讀出(addition-readout)拍攝模式，在一個(gè)成像部件內(nèi)將像素信號(hào)相加，以便配置與圖2A所示相同的顏色陣列，結(jié)果被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，然后從成像部件讀出結(jié)果。使用這個(gè)實(shí)施例，圖示了將3×3也就是9個(gè)相同顏色的像素相加的例子。圖2B圖示了Rij信號(hào)的加法，也就是，將對(duì)應(yīng)于m，m+2和m+4行的Rn，Rn+2和Rn+4列上的信號(hào)相加。同樣，圖2C圖解了Gi，j+1信號(hào)的加法，圖2D圖解了Gi+1，j信號(hào)的加法，圖2E圖解了Bi+1，j+1信號(hào)的加法。在這種情況下，每一種顏色的加法在空間上交疊。這樣，對(duì)于相加后的各顏色信號(hào)，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(hào)。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(duì)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(wàn)像素的成像部件的情況下，相加后的像素?cái)?shù)變得相當(dāng)于VGA上下的像素?cái)?shù)，從而可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度高速度拍攝的信號(hào)讀出。另外，在有必要是低分辨率的情況下，可以將相加像素?cái)?shù)增加到5×5或者7×7。這產(chǎn)生了靈敏度提高的好處。即使相加像素?cái)?shù)增加，所需要的也只是將后面要討論的加法電路的存儲(chǔ)器CA增加要相加的行的數(shù)量。
下面描述成像部件的內(nèi)部配置的一個(gè)例子。圖3是根據(jù)本發(fā)明的本實(shí)施例的成像設(shè)備的成像部件的一個(gè)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(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖控制。所述成像區(qū)的奇數(shù)編號(hào)的垂直信號(hào)行被連接到CDS/放大器電路/存儲(chǔ)器電路20-1，偶數(shù)編號(hào)的垂直信號(hào)行被連接到CDS/放大器電路/存儲(chǔ)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(duì)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(hào)，在CDS/放大器電路/存儲(chǔ)器電路20-1去除像素單元的噪聲，只有信號(hào)分量被放大和存儲(chǔ)到存儲(chǔ)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加法讀出模式工作時(shí)，存儲(chǔ)器1中的信號(hào)由來自水平掃描電路(H.SR)的掃描脈沖hn(1)、hn(2)和hn(3)控制，并被讀出到一個(gè)輸出信號(hào)線。在加法讀出模式(addition-readout)的情況下，存儲(chǔ)器1中的信號(hào)被引導(dǎo)到加法電路30-1。在加法電路30-1中，將來自存儲(chǔ)器1的具有相同顏色的信號(hào)相加。被相加的信號(hào)在存儲(chǔ)器2中臨時(shí)累加，并由來自水平掃描電路(H.SR)的掃描脈沖hn(a)控制，然后被讀出到所述輸出信號(hào)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(hào)的讀出信號(hào)處理電路的部分電路圖。圖8圖解了像素信號(hào)的加法的時(shí)序圖。下面參照這些附圖描述來自像素單元的讀出信號(hào)以及信號(hào)的加法，圖4中的方案圖解了在圖3的成像框圖中進(jìn)行3×3像素的加法的一個(gè)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(hào)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(dòng)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(hào)的傳輸?shù)倪x擇開關(guān)MSEL。所述像素放大器的一個(gè)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(hào)處理電路。一個(gè)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(shí)累加經(jīng)過CDS處理的3列的信號(hào)的電路是存儲(chǔ)器1電路的存儲(chǔ)電容器CT1、CT2和CT3。用于相加和臨時(shí)累積存儲(chǔ)器1電路的三個(gè)信號(hào)的電路是存儲(chǔ)電容器CA1。同樣，用于臨時(shí)累積在水平像素行上要相加的不同信號(hào)的電路是存儲(chǔ)電容器CA2和CA3。用于相加和臨時(shí)累積來自這些存儲(chǔ)電容器CA1、CA2和CA3的信號(hào)的電路是存儲(chǔ)器2電路的電容器CT2n，CT2n+1。
下面結(jié)合圖8的時(shí)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(gè)脈沖的控制下，每一個(gè)電路單元的節(jié)點(diǎn)處的每一個(gè)殘余電荷都被重置。在時(shí)間t1，用脈沖RES重置像素放大器MSF的柵極部分，用脈沖C1和TS1重置存儲(chǔ)器1電路，用脈沖AD4、C2和AD5分別重置加法單元電容器CA1、CA2和CA3。在時(shí)間t2，當(dāng)脈沖C1關(guān)閉時(shí)，由箝位電容器C對(duì)像素放大器噪聲箝位，通過像素放大器，由脈沖TX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(shí)累積在存儲(chǔ)器1電路中。現(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(hào)行V1、V3和V5的信號(hào)，也就是信號(hào)Rmn，被臨時(shí)累積在存儲(chǔ)電容器CT1中，信號(hào)Rm，n+2被累積在存儲(chǔ)電容器CT2中，信號(hào)Rm，n+4被累積在存儲(chǔ)電容器CT3中。
在時(shí)間t3，用脈沖SEl和脈沖TS1的關(guān)閉來完成第m行像素的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)的傳輸。在時(shí)間t4，用脈沖TS2和AD1將來自存儲(chǔ)器1電路的信號(hào)加到加法器存儲(chǔ)電容器CA1。
在相同的掃描和操作中，在時(shí)間t5，第m+2行像素信號(hào)被添加并臨時(shí)累積到存儲(chǔ)電容器CA2中，在時(shí)間t6，第m+4行像素信號(hào)被添加并被臨時(shí)累積到存儲(chǔ)電容器CA3中。在時(shí)間t7，用脈沖AD4和AD5將存儲(chǔ)電容器CA1、CA2和CA3的信號(hào)添加到存儲(chǔ)電容器CT2n中。從而，相當(dāng)于九個(gè)像素的R信號(hào)被添加到存儲(chǔ)電容器CT2n中，從而獲得和信號(hào)Rij。
按照相同的操作，相當(dāng)于九個(gè)像素的G信號(hào)被添加到存儲(chǔ)電容器CT2n+1中，從而獲得和信號(hào)Gi+1，j。盡管該實(shí)施例在垂直方向提供了相當(dāng)于兩個(gè)像素的存儲(chǔ)電容器，事實(shí)上存儲(chǔ)器2電路可以等于相加像素的數(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(jì)?？梢宰龀鲞@樣的方案其中，高速傳輸整個(gè)屏幕的像素信號(hào)，并將其以任意增量添加和臨時(shí)累積在存儲(chǔ)器2電路中，然后順序讀出像素信號(hào)。如圖4所示，本實(shí)施例用存儲(chǔ)器1電路既處理全部像素讀出模式(all-pixelreadout mode)又處理加法讀出模式。特別地，用存儲(chǔ)器1電路進(jìn)行加法，而不管相加的是大量的多個(gè)3×3也就是9像素，從而降低存儲(chǔ)器大小。這在減小成像部件尺寸方面很有效。
使用上述九像素加法讀出模式，靈敏度改進(jìn)了三倍(對(duì)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(gè)光電二極管處的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)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，在通過將九像素電荷相加之后，信號(hào)電荷翻了三倍。因此，如果不采取什么措施的話，信號(hào)的飽和就成為一個(gè)問題。一個(gè)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(shí)施例的CMOS傳感器，對(duì)信號(hào)電壓的平均值進(jìn)行加法，從而，在忽略由于電容分壓(capacitance division)導(dǎo)致的信號(hào)電平的惡化的情況下，在進(jìn)行九像素信號(hào)的加法之后，信號(hào)電平約為三分之一。這意味著，與以前的飽和相比，信號(hào)的飽和增強(qiáng)了三倍。但是，小的信號(hào)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)明將加法讀出模式下在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(hào)的加法而提高靈敏度，通過減少要被讀出的像素?cái)?shù)而實(shí)現(xiàn)高速讀出，并保持高度動(dòng)態(tài)范圍，以及低的能耗。
下面參照?qǐng)D5、圖6和圖7描述用于在加法讀出模式下讀出信號(hào)的方法的方案。
圖5是以要被相加的多個(gè)行為增量的信號(hào)讀出的例子。在這個(gè)例子中，以要被相加的多個(gè)行為增量，從像素讀出信號(hào)，并添加到存儲(chǔ)器中的信號(hào)上，之后，在一個(gè)水平掃描期間，從所述存儲(chǔ)器向外輸出所述信號(hào)。在圖6中，在曝光之后，并且在按照任意增量對(duì)整個(gè)屏幕上的所有像素信號(hào)進(jìn)行加法之后，全部重置成像區(qū)的所有像素，相當(dāng)于VGA的相加像素被臨時(shí)累積到所述多個(gè)存儲(chǔ)器2電路中，然后所述信號(hào)從存儲(chǔ)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，并且在以任意增量對(duì)像素信號(hào)進(jìn)行加法之后，全部重置成像區(qū)的所有像素，在一個(gè)水平掃描期間，所述像素信號(hào)從所述存儲(chǔ)器2電路被向外部輸出。
對(duì)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(gè)像素放大器對(duì)應(yīng)于圖10中的一個(gè)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(gè)光電二極管對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素放大器。在對(duì)一個(gè)放大器設(shè)置多個(gè)光電二極管的情況下，一個(gè)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(hào)。這些電信號(hào)受到由信號(hào)處理電路73預(yù)先確定的預(yù)定方法的信號(hào)轉(zhuǎn)換處理。受到信號(hào)處理的所述信號(hào)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?hào)用再現(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(hào)處理電路73由定時(shí)控制電路75加以控制，所述定時(shí)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(gè)系統(tǒng)控制電路76控制。所述定時(shí)控制電路75選擇所述全部像素讀出模式或者所述加法讀出模式。
水平和垂直驅(qū)動(dòng)脈沖在全部像素讀出模式和加法讀出模式之間是不同的。因此，對(duì)于每一種讀出模式，需要改變傳感器的驅(qū)動(dòng)定時(shí)、信號(hào)處理電路的分辨率處理以及記錄系統(tǒng)的記錄像素?cái)?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。由于加法導(dǎo)致的靈敏度隨讀出模式而不同。針對(duì)靈敏度的這種差異，系統(tǒng)控制電路控制光圈(未圖示)，定時(shí)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(shí)控制電路的控制脈沖增加該增益，從而獲得合適的信號(hào)。
盡管上面結(jié)合當(dāng)前所認(rèn)為的優(yōu)選實(shí)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(shí)施例。相反，本發(fā)明應(yīng)覆蓋在所附權(quán)利要求的實(shí)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(qǐng)No.2003-318388要求優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)?jiān)诖艘秊閰⒖肌?br> 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(gè)光電轉(zhuǎn)換單元；以及加法電路，用于將來自所述多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的包括相同顏色分量的多個(gè)信號(hào)相加，使得相加后的信號(hào)的重心對(duì)于各信號(hào)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(gè)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(hào)和第二顏色信號(hào)到所述讀出信號(hào)處理電路，偶數(shù)行在水平方向交替輸出所述第二顏色信號(hào)和第三顏色信號(hào)；其中，所述加法電路將來自被包括在5行乘5列中的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的第一顏色信號(hào)相加，將來自被包括在5行乘5列中的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的第二顏色信號(hào)相加，以及將來自被包括在5行乘5列中的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的第三顏色信號(hào)相加，各個(gè)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，在多列中的每一列中，所述加法電路包括多個(gè)第一保存裝置，用來保存來自排列在同一行中的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的信號(hào)；多個(gè)第二保存裝置，用于保存用來自所述多個(gè)第一保存裝置的信號(hào)相加后的信號(hào)；以及多個(gè)第三保存裝置，用于保存用來自所述多個(gè)第二保存裝置的信號(hào)相加后的信號(hào)；所述加法電路還包括第一公共輸出線，用于順序輸出來自所述多個(gè)第三保存裝置的信號(hào)；以及第二公共輸出線，用于順序輸出來自所述多個(gè)第一保存裝置的信號(hào)。
全文摘要
本申請(qǐng)涉及用于將包含相同顏色分量的信號(hào)相加的成像設(shè)備，包括在水平方向和垂直方向按陣列排列的多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元；以及加法器，用于將來自多個(gè)光電轉(zhuǎn)換單元的包括相同顏色分量的信號(hào)相加，使得相加后的各信號(hào)的重心對(duì)于各信號(hào)具有相同的間距。
文檔編號(hào)H04N5/335GK1946136SQ20061014459
公開日2007年4月11日 申請(qǐng)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(chéng)二 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社