CN100359697C - 固体摄像元件的驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固体摄像元件的驱动方法，在CCD图像传感器中，利用一部分区域的图像的情况下，可以提高帧频。在残留抽出对象部分(72)以后的后尾部分(74)的全部或者一部分的时候停止从水平传送部读取的第i行信号电荷的水平传送。在该状态下，将第(i+1)行的信号电荷传送到水平传送部。之后，开始水平传送。在该动作中，将第i行后尾部分(74)的不必要电荷和第(i+1)行的前头部分(82)的不必要信号电荷合成。通过重合相邻行的一部分，从而可以比普通动作降低每行的水平传送所需的时钟循环数，提高帧频。

Description

固体摄像元件的驱动方法

技术领域

本发明涉及由水平移位寄存器逐行传送在摄像区域得到的信号电荷之后读出的固体摄像元件的驱动方法。

背景技术

在利用固体摄像元件等、生成图像信号的摄像装置中，图像的放大不仅可以通过利用透镜的光学性变焦(光学变焦)，还可以通过利用信号处理的变焦(数码变焦)。尤其在利用固体摄像元件的摄像装置中，伴随固体摄像元件的像素数的增加，即使进行数码变焦也可以得到足够的分辨率。

以往，在将CCD移位寄存器用于信号电荷的读出机构的固体摄像元件中，通过将摄像部的全部像素信号电荷作为图像信号读取，并对与该图像信号中的放大对象区域对应的部分进行信号处理，从而实现数码变焦。

在这里，作为固体摄像元件，以帧传送型的CCD图像传感器为例，对现有的数码变焦中的固体摄像元件的驱动方法进行说明。

图5是帧传送型CCD图像传感器的示意性平面图。该图像传感器2由摄像部2i、蓄积部2s、水平传送部2h和输出部2d构成。摄像部2i和蓄积部2s分别由多个垂直CCD移位寄存器组成。通过曝光而蓄积在摄像部2i的各个单元中的信号电荷通过由这些垂直CCD移位寄存器产生的垂直传送动作而被帧传送到蓄积部2s中。水平传送部2h由CCD移位寄存器组成，其每个位都与蓄积部2s的多个垂直CCD移位寄存器的各个输出连接。被保持在蓄积部2s中的一个画面份的信号电荷以1行为单位而被传送到水平传送部2h。水平传送部2h依次将1行份的信号电荷传送到输出部2d。输出部2d将从水平转送部2h输出的信号电荷以一位为单位赋给电容而转换成电压值，并作为时间系列的图像信号输出。

在现有的驱动方法中，传送到水平传送部2h的各个位中的第n行信号电荷通过水平传送而被整个位地排出到输出部2d之后，第(n+1)行的信号电荷从蓄积部2s向水平传送部2h传送。以往，这样就会从图像传感器2生成针对整个单元读取出由摄像部2i得到的信号电荷的图像信号。并且，在为了数码变焦等而利用摄像部2i的部分区域的图像之际，在设于输出部2d后段的信号处理电路中，从图像传感器2输出的图像信号中切出与该部分区域对应的部分，以生成与放大图像对应的图像信号。

抽出固体摄像元件的摄像部中的部分图像的处理，如上所述，可以利用于数码变焦中。

在这里，在数码照相机或其他带有照相机功能的移动终端等中，固体摄像元件的像素数比预览用显示器的像素数显著提高。因此，在存储器等记录介质中记录图像之际，虽然拍摄与固体摄像元素的像素数对应的高分辨率的图像，但预览时，有时在以与预览显示器的像素数对应的少的像素数进行拍摄也是足够的。另外，在人类的视觉特性上，动态图像无需像静止图像那样的分辩率，当然即使是抑制记录数据量的意思，也可以选择比静止图像少的像素下的拍摄。即使在这种情况下，也可以进行取出固体摄像元件的摄像部一部分的图像并加以利用的处理。

对于仅利用作为这些摄像部一部分的图像抽出对象区域的图像的用途，以往如上所述，完全逐行读取CCD图像传感器的整个单元的信号电荷。即，存在以下问题：在抽出部分区域的图像之际，也必须通过水平传送部逐次读取出不必要的单元的信号电荷，例如在进行预览或动态图像拍摄的情况下，难以确保足够的帧频(frame rate)。另外，也存在读出图像抽出对象区域以外的无用单元份的水平传送部的驱动时钟数增多，电力无用地被消耗的问题。在这里，虽然如果增加水平传送部的传送时钟频率，则在原理上帧频的提高成为可能，但是实际上就会产生水平传送部中的传送效率恶化等问题。顺便说一下，在拍摄静止图像的情况下，通常只要尽可能在1秒内进行几慧差的摄像就足够了，提高帧频的要求小。因此，在静止面图像拍摄中，即使读出摄像部的整个区域，也可以确保比较长的水平传送期间。

如上所述，以往存在以下问题：在仅利用设于固体摄像元件的摄像部的一部分中的图像抽出对象区域的图像之际，难以提高帧频。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能够提高帧频的固体摄像元件的驱动方法。

本发明的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，在摄像区域内设定图像抽出对象区域，相对于由作为与该图像抽出对象区域的重复部分的抽出对象区间、先行于该抽出对象区域的先行区间、与该抽出对象区间连续的后续区间构成的抽出对象行，水平传送步骤将作为上述后续区间的至少一部分的保留区间的信号电荷残留在上述水平移位寄存器中之后停止，垂直传送步骤将后续抽出对象行垂直传送到先行抽出对象行的上述保留区间的信号电荷残留在最前部的水平移位寄存器中，上述保留区间的长度根据上述先行抽出对象行的上述后续区间和上述后续抽出对象行的上述先行区间中的任何短的一方的长度来确定。

本发明在图像抽出对象区域的行方向两侧存在无需读取的单元的情况下，通过省略与此相对的水平传送，缩短水平传送动作的每行所需的时间并提高帧频。在这里，先行区间和后续区间相当于行列配置在摄像区域中的单元的一行中的无需读取的单元，另一方面，属于图像抽出对象区域的应读取单元构成抽出对象区域。在水平传送中，先行区间先行于抽出对象区间而被发送到输出部，另一方面，后续区间在抽出对象区间之后发送到输出部。相对于线性传送到水平移位寄存器中的第n行信号电荷的水平传送，在抽出对象区间终点的信号电荷被传送到输出部的时刻或者直到后续区间的中间的信号电荷被发送到输出部的时刻停止。由此，第n行的后续区间的全部或者一部分残留在水平移位寄存器的最前部。残留在水平移位寄存器中的保留区间的长度设定为第(n+1)行的先行区间的长度以下。如果进行第(n+1)行的信号电荷的线性传送，则在水平移位寄存器上将第n行的残存后续区间的信号电荷和第(n+1)行的先行区间的信号电荷合成。并且，相对于第(n+1)行的水平传送与第n行相同，一直进行到行的中间。如果采用该动作，则因为每行的水平传送位数小于构成一行的单元的数，故即使不提高水平传送时钟的频率，也可以缩短水平传送期间，并提高帧频。在这里，保留区间的长度Nr是根据第n行的后续区间长度Nh和第(n+1)行的先行区间的长度Nt中任何小的一方来确定。即，在Nh≥Nt的情况下，可以设0＜Nr≤Nt(≤Nh)，在Nh＜Nt的情况下，可以设0＜Nr≤Nh。通过使Nr≤Nh，从而在后续行被线性传送之际，以水平移位寄存器合成的信号电荷是互相不需要的先行区间和后续区间的电荷，而必要的抽出对象区间的信号电荷没有与其他信号电荷合成，并从输出部被读取。

本发明的最佳形态是一种驱动方法，其中，所述保留区间的长度是上述先行抽出对象行的上述后续区间和上述后续抽出对象行的上述先行区间中的任何短的一方的长度。

附图说明

图1是表示使用了图像传感器的摄像装置的大概结构的框图。

图2是对本发明的实施方式的图像抽出模式下的图像传感器的驱动方法进行说明的流程图。

图3是对本发明的实施方式的图像抽出模式下的图像传感器的驱动方法进行说明的示意性定时图。

图4是表示本发明的实施方式的水平传送的示意图。

图5是帧传送型的CCD图像传感器的示意性平面图。

图中：20—图像传感器，20i—摄像部，20s—蓄积部，20h—水平传送部，20d—输出部，30—定时控制电路，32—时钟产生电路，34—模拟信号处理电路，36-A/D转换电路，38—数字信号处理电路。

具体实施方式

以下根据附图对本发明的实施方式(以下称为实施方式)进行说明。

图1是表示使用了图像传感器20的摄像装置的大概结构的框图。该装置包含作为帧传送型CCD图像传感器的图像传感器20、驱动其的驱动电路22、处理从图像传感器20输出的图像信号的信号处理电路24。

图像传感器20是帧传送型的CCD图像传感器，并具备形成于半导体底板表面上的摄像部20i、蓄积部2s、水平传送部2h和输出部20d。顺便说一下，本发明也可以适用于隔行传送型或帧隔行传送型的CCD图像传感器。图像传感器20例如在使用摄像部20i的整个单元、拍摄高分辨率的静止图像的用途中使用。另一方面，在不太需要分辨率的情况下，也可以在放大显示由摄像部20i拍摄的图像之中的中央部的用途中使用。另外，仅摄像部20i的中央部的图像的拍摄也适合向预览画面的显示或动态图像拍摄等。

摄像部20i和蓄积部20s相互由列方向的轨道相互连续的垂直CCD移位寄存器组成，在摄像部20i和蓄积部20s中，这些垂直CCD移位寄存器沿着行方向(图像上的水平方向)多个排列。这些垂直CCD移位寄存器具备在基板上跨越行方向，并沿着列方向多根并列排列的栅电极，通过在这些栅电极上施加相位错开的时钟，从而在垂直CCD移位寄存器内垂直传送各个单元的信号电荷。在该图像传感器20中，向摄像部20i提供3相时钟i，向蓄积部20s提供3相时钟s，以控制各自的信号电荷的蓄积和传送。

构成摄像部20i的垂直CCD移位寄存器的各个位的单元对应入射光，产生信号电荷并将其蓄积。将行列配置在摄像部20i中的单元的行方向数表示为N，列方向数表示为M。在该摄像部20i的中央部，将矩形的中心区域26a作为图像抽出对象区域设置。中心区域26a的宽度(行方向的尺寸)用Nm单元表示，将比中心区域26a更靠行前头侧部分和行后尾侧部分的宽度分别用Nh单元、Nt单元表示。Nh、Nm、Nt都为1以上。另外，中心区域26a的高度(列方向的尺寸)用Mm行表示，比中心区域26a更靠蓄积部20s侧的摄像部20i的部分用Mh行表示，比中心区域26a更与蓄积部20s相反侧的部分用Mt表示。在这里，配置了作为图像抽出对象区域的中心区域26a的Mm行是存在基本上需要取出的信号电荷的行，即，作为抽出对象行。抽出对象行的范围可以设定在摄像部20i的高度方向的任何位置上，Mh、Mt≥0。例如，Nh＝Nm＝N/3且Mh＝Mm＝Mt＝M/3，即，中心区域26a可以成为将摄像部20i沿行方向3等分、沿列方向3等分时的中央矩形区域。

如果经过设定过的曝光时间，则由3相时钟i、s分别驱动摄像部20i和蓄积部20s的垂直移位寄存器，并从摄像部20i向蓄积部20s进行帧传送。因为蓄积部20s被遮光膜覆盖，并防止由于光的入射而造成的电荷产生，所以可以将来自帧传送完的摄像部20i的信号电荷保持原样。水平传送部20h由CCD移位寄存器构成，其各个位与蓄积部20s的多个垂直CCD移位寄存器的各个输出连接。保持在蓄积部20s上的一个画面份的信号电荷以1行为单位而被传送到水平传送部20h中。被传送到水平传送部20h的信号电荷通过水平传送部20h的水平传送驱动而被传送到输出部20d中。输出部20d由电独立的电容和取出其电位变化的放大器构成，将从水平转送部2h输出的信号电荷以一位为单位赋给电容而转换成电压值，并作为时间系列的图像信号输出。

图像传感器20的动作由驱动电路22控制。控制电路22具备定时控制电路30和时钟产生电路32。定时控制电路30根据垂直同步信号VD和水平同步信号HD，生成相对于时钟产生电路32的各种触发信号。时钟产生电路32与来自定时控制电路30的触发信号对应，生成相对于摄像部20的垂直传送时钟信号i(i1～i3)、相对于蓄积部20s的垂直传送时钟信号s(s1～s3)、相对于水平传送部20h的水平传送时钟信号h、输出部20d的电容的复位脉冲信号r等，并输出到各部。

另外，定时控制电路30输入表示所拍摄的图像尺寸为摄像部20i整个面的普通模式还是所拍摄的图像尺寸为中心区域26a的图像抽出模式的拍摄模式信号MD，并与此对应切换动作。在信号MD指定普通模式的情况下，定时控制电路30控制时钟产生电路32，以便进行输出与摄像部20i的各行对应的图像信号的普通动作。另一方面，在信号MD指定图像抽出模式的情况下，定时控制电路30控制时钟产生电路32，以便进行后述的动作。

图像传感器20输出的图像信号由信号处理电路24进行处理。图1中作为信号处理电路24的构成要素，虽然示出了模拟信号处理电路34、A/D转换电路36、数字信号处理电路38，但是，也可以例如进而在数字信号处理电路38的后段设置未图示的信号处理部。另外，信号处理过的图像信号在显示部(未图示)作为图像而被显示，或由记录部(未图示)记录在半导体存储器等其他电磁记录介质中。

首先，从输出部20d输出的图像信号Y0(t)被输入到模拟信号处理电路34中。模拟信号处理电路34对图像信号Y0(t)实施采样保持、自动增益控制(AGC：Auto Gain Control)等处理，并生成按照规定格式的图像信号Y1(t)。A/D转换电路36将从模拟信号输出电路34输出的图像信号Y1(t)转换为数字数据，以输出图像数据D1(n)。数字信号处理电路38从A/D转换电路36取入图像数据D1(n)，除了后述的污渍(smear)去除处理之外，还实施轮廓修正或一个画面为单位的积分处理、还有照相机图像的情况下实施颜色均衡控制或过滤等处理，以生成新的图像数据D2(n)。如上所述，该图像数据D2(n)被提供给其他信号处理部或显示部、记录部。

图2是说明图像抽出模式下的图像传感器20的驱动方法的流程图，图3是说明该驱动方法的示意性定时图。图3中示出了施加在摄像部20i的垂直传送电极上的传送时钟信号i、施加在蓄积部20s的垂直传送电极上的传送时钟信号s、施加在水平传送部20h的水平传送电极上的传送时钟信号h的时钟动作的定时。另外，在图3中，时间经过横轴右方。

在一个画面的拍摄中，首先对摄像部20i进行曝光。曝光期间可以在摄像部20i的前面配置机械快门，利用其开关动作进行控制。另外，也可以在基板深度方向形成npn结构，通过电子快门动作来控制曝光期间。在电子快门动作中，控制施加在配置于基板表面上的垂直传送电极和施加在n型基板背面的电压，并将蓄积在基板表面侧的信号电荷排出到基板背面。图3表示通过电子快门动作来控制曝光期间的情况，在曝光开始定时中，在整个规定期间内断开i1～i3，进行电子快门动作(定时ξ1)。另外，在定时ξ1中，在结束电子快门动作的同时，i的规定相位的时钟信号例如i2被设为接通状态，在与摄像部20i对应的栅电极下形成电位阱。从该定时开始曝光期间I(S50)。

曝光期间I结束之后，立即开始从摄像部20i向蓄积部20s的帧传送(期间Tf、S52)。在帧传送中，作为i、s，时钟产生电路32将相互同步的高速时钟仅产生对应于摄像部20i列方向的单元数的循环。由此，摄像部20i的整个单元的信号电荷在短时间都被转移到具备遮光膜的蓄积部20s中。

被帧传送到蓄积部20s中的各个单元的信号电荷，通过在规定周期的多个定时ξ2-i(i＝1，2，3，...)内在时钟s下产生一个循环的时钟，从而被逐行垂直传送(线性传送S54)。通过一次的线性传送，将一行根的信号电荷从蓄积部20s传送到水平传送部20h。并且，这种情况下，在期间Thi(i＝1，2，3，...)内，频率fh的时钟h从时钟产生电路32提供给水平传送部20h，蓄积在水平传送部20h的各位内的信号电荷被逐位地传送到输出部20d(S56)中。该图像抽出模式下的h的时钟周期fh最好与普通模式的相同。在这里，图像抽出模式下的动作与普通模式的不同点在于连续产生的h的时钟循环。

即，在水平传送的一个周期的动作中，在普通模式下连续水平传送部20h的整个位并读取到输出部20d，相对于此，在图像抽出模式中，直到与配置了图像抽出对象区域的Nm单元的后端单元(从行最前头开始的第Nh+Nm单元)对应的水平传送部20h的位，或者直到与比图像抽出对象区域靠后连续的行后尾侧的Nt单元的中间对应的位才进行读取。由此，在相对于第i行信号电荷的水平传送结束的时刻，在水平传送部20h的最前头的位列中残存有第i行的后尾侧的信号电荷。具体地说，在期间Thi中，一行中、从前头开始将N-min(Nh，Nt)单元的信号电荷读出到输出部20d中，剩下的min(Nh，Nt)单元的信号电荷残留在水平传送部20h的前头位中。另外，在占据一行的中央1/3的中央区域26a是图像抽出对象区域的本实施方式中，如上所述，因为Nh＝Nm＝Nt＝N/3，故在一次水平传送周期内，从前头开始读取2N/3位，行后尾侧的N/3残存在水平传送部20h的前头侧。

例如，如果第一行的信号电荷被传送到水平传送部20h中(定时ξ2-1，S54)，期间Th1内的水平传送动作结束，则第一行的行后尾侧min(Nh，Nt)单元的信号电荷残存在水平传送部20h的前头位(S56)。因为在该状态下第二行的信号电荷被传送到水平传送部20h中(ξ2-2，S54)，所以在水平传送部20h的前头min(Nh，Nt)位中，合成第一行的行后尾侧信号电荷和第二行的行前头侧信号。

在这里，通过确定使残存位数满足Nh以下并且Nt以下条件的min(Nh，Nt)，从而由水平传送部20h合成的信号电荷在图像抽出模式下形成不必要的信号电荷(即，由图像抽出对象区域形成的行前头侧和行后尾侧的信号电荷)。另一方面，图像抽出模式下的必要的图像抽出对象区域的信号电荷不与其他行的信号电荷合成，在各个水平传送期间内通过输出部20d而被转换为位图像信号Y0(t)并被读取。

对于第一行和第二行与上述相同，在第i行和第(i+1)行中，也要将先行行的行后尾不必要的信号电荷和后续行的行前头不必要的信号电荷合成，并从水平传送部20h排出。图4是表示该合成样子的示意图。在图4(a)所示的Nh＜Nt的情况下，在相对于第i行的信号电荷群70的水平传送期间H中，直到行后尾部74(Nt位)的中间才被读取。在该时刻，相对于第i行的水平传送被停止，作为第i行的行后尾部74的一部分(Nh位)的后尾部分76残存在水平传送部20h中。将第(i+1)行的信号电荷群80传送到该水平传送部20h中，在残留的第i行的后尾部分76中合成第(i+1)行的前头部分82。在Nh≥Nt的情况下，如图4(b)所示，在抽出对象部分72从水平传送部20h排出的时刻，水平传送停止，并且行后尾部74的全部与下一行的前头部分82的一部分合成。尤其在Nh＝Nt的情况下，可以使第i行的行后尾部74和第(i+1)行的前头部分82在整个范围内相互重复。

该水平传送反复进行到一个画面的最终行(第M行)为止(S58)。另外，对于最终行也与其他行相同，可以在行的中间使水平传送停止，也可以全部进行水平传送。在中间停止水平传送的情况下，残存的不必要信号电荷与下一个画面的第一行的前头的不必要信号电荷合成并被排出。在上述结构中，因为时钟产生电路32的结构简单，所以对于抽出对象行以外的行，也可以以与抽出对象行的相同的方法，进行使先行行的行后尾和后续行的行前头重复的处理。但是，对于抽出对象行以外的行，因为整行都是不必要的信号电荷，故可以使先行行和后续行重复的宽度比抽出对象行还大。例如，在抽出对象行以外的行中，可以使先行行的后半部分和后续行的前半部分重复。

如上所述，在图像抽出模式下，至少对于抽出对象行而言，一行的一部分通过水平传送部20h与相邻行重合之后被读取，由此，可以比普通模式缩短每行的水平传送期间Th，也可以提高该部分的帧频。在上述行中央的1/3是中心区域26a的情况下，水平传送所需的h的时钟数在每行以普通模式的2/3完成。

另外，中心区域26a位于从第(Mh+1)行到第(Mh+Mm )行，其后续的结束Mt行的信号电荷在图像抽出模式下没有读取的必要。因此，也可以直到第(Mh+Mm)行的读取完成才进行上述水平传送动作，之后，控制s并对蓄积部20s进行与电子快门相同的动作，不通过水平传送而将残留在蓄积部20s中的结束的Mt行的信号电荷排出。如果这样，则进一步提高了帧频。例如，在分别排列了M行N列单元的画面的行方向、列方向的中央1/3处配置有中心区域26a的情况下，一个画面的信号电荷的排出所需的h的时钟数尾MN/9次，即，以普通模式的4/9完成。

Claims (2)

1.一种固体摄像元件的驱动方法，其中具有：通过多个垂直移位寄存器将行列配置在摄像区域的每个受光像素的信号电荷垂直传送，并从所述多个垂直移位寄存器向水平移位寄存器逐行传送所述信号电荷的线性传送步骤；和将传送到所述水平移位寄存器中的行的所述信号电荷水平传送的水平传送步骤，其特征在于，

在摄像区域内设定图像抽出对象区域，相对于由作为与该图像抽出对象区域的重复部分的抽出对象区间、先行于该抽出对象区域的先行区间、与该抽出对象区间连续的后续区间构成的抽出对象行，

水平传送步骤将作为所述后续区间的至少一部分的保留区间的信号电荷残留在所述水平移位寄存器中之后停止，

垂直传送步骤将后续抽出对象行垂直传送到先行抽出对象行的所述保留区间的信号电荷残留在最前部的水平移位寄存器中，

所述保留区间的长度根据所述先行抽出对象行的所述后续区间和所述后续抽出对象行的所述先行区间中的任何短的一方的长度来确定。

2.根据权利要求1所述的固体摄像元件的驱动方法，其特征在于，

所述保留区间的长度是所述先行抽出对象行的所述后续区间和所述后续抽出对象行的所述先行区间中的任何短的一方的长度。

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