CN100534153C - 图像传感器 - Google Patents

Abstract

一种图像传感器具有被排列为形成多个列的多个像素。传感器包括基于从各个列的像素供给的信号产生像素信号的多个读出电路、多个输出通道、多个列选择开关、和控制多个列选择开关的控制电路。在全像素读出模式下，控制电路控制多个列选择开关，以像素的空间次序将目标读出像素的像素信号输出到基于选择规则选择的输出通道。在稀疏读出模式下，控制电路控制多个列选择开关，以区域的空间次序将目标读出区域的稀疏输出像素信号输出到基于与所述选择规则相同的规则选择的输出通道。

Description

图像传感器

技术领域

本发明涉及图像传感器，特别是具有多个输出通道的图像传感器。

背景技术

近年来，用于数字照相机的图像传感器进展显著并对于更高的分辨率的静态图像迅速获得更大数量的像素。与此同时，为了保证照相机必需的连续拍摄性能，增加像素信号读出速度成为急迫的问题。日本专利申请公开公报No.2005-286933公开了通过多个列移位寄存器并行读出像素信号以增加读出速度的CCD图像传感器。

数字照相机可捕获静态图像，甚至可捕获运动图像。数字照相机一般使用一个图像传感器以捕获静态和运动图像。对于静止图像，图像传感器要求高分辨率，对于运动图像，图像传感器要求高帧速率，同时降低分辨率以与一般的运动图像标准匹配。日本专利申请公开公报No.2005-130382公开了施加像素信号以降低分辨率并增加帧速率的图像传感器。

在日本专利申请公开公报No.2005-286933中公开的CCD图像传感器通过多个输出列移位寄存器并行读出像素信号。因此，表观信号读出速度比通过单个输出列移位寄存器的读出高。但是，日本专利申请公开公报No.2005-286933没有说明任何从拍摄静止图像时的帧速率增大拍摄运动图像时的帧速率的思想。

在日本专利申请公开公报No.2005-130382中公开的图像传感器通过在水平输出线上合并电荷增加像素信号。但是，日本专利申请公开公报No.2005-130382没有说明通过多个通道并行输出总和的任何概念。

即，日本专利申请公开公报No.2005-286933和No.2005-130382没有在捕获运动图像时，通过经由多个通道并行读出低分辨率像素信号来提高帧速率的思想。

可以通过简单地将低分辨率像素信号分配给多个通道、通过多个通道并行读出低分辨率像素信号。但是，这给处理像素信号的处理电路的处理增加负担。例如，为了执行与全像素读出时共同的处理，处理电路必须重新配置被接收的低分辨率像素信号的次序。

发明内容

本发明的目的是，增加低分辨率读出模式下的读出速度，或者，除此之外，减少处理在低分辨率读出模式下读出的像素信号的处理电路的负荷。

根据本发明的第一方面，提供一种图像传感器，该图像传感器具有被排列为形成多个列的多个像素，并提供所有像素的像素信号均被读出的高分辨率读出模式，以及从各个目标读出区域读出一个像素信号并且分辨率比高分辨率读出模式低的低分辨率读出模式，该传感器包括：基于从各个列的像素供给的信号产生像素信号的多个读出电路；多个输出通道；多个列选择开关；和控制多个列选择开关的控制电路，其中，在高分辨率读出模式下，控制电路控制多个列选择开关，以便以目标读出像素的空间次序，将目标读出像素的像素信号输出到根据选择规则选择的输出通道；并且，在低分辨率读出模式下，控制电路控制多个列选择开关，以便以目标读出区域的空间次序，将目标读出区域的像素信号输出到根据与所述选择规则相同的规则选择的输出通道。

根据本发明的优选方面，设N为输出通道的数量，M为目标读出区域中的像素的数量，则优选使N≤M+1成立。

根据本发明的另一优选方面，图像传感器还包括被插入多个读出电路和多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式下从各目标读出区域中的像素读出的像素信号的平均值产生像素信号的多个平均电路。

根据本发明的另一优选方面，图像传感器还包括被插入多个读出电路和多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式下从各目标读出区域中的像素读出的像素信号的和产生像素信号的多个加法电路。

根据本发明的另一优选方面，图像传感器还包括被插入多个读出电路和多个列选择开关之间、并通过计算根据某一模式在低分辨率读出模式下从各目标读出区域中的像素读出的像素信号的平均值或和产生像素信号的多个运算电路。

根据本发明的另一优选方面，图像传感器还包括被插入多个读出电路和多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式下从各目标读出区域中的像素读出的像素信号产生像素信号的多个运算电路。

根据本发明的另一优选方面，由多个像素形成的像素阵列被分成多个块，并且该传感器还包含控制多个块和多个输出通道之间的连接的多个块选择开关。

根据本发明的第二方面，提供一种图像传感器，该图像传感器具有被排列为形成多个列的多个像素，并提供所有像素的像素信号均被读出的高分辨率读出模式，以及从各个目标读出区域读出一个像素信号并且分辨率比高分辨率读出模式低的低分辨率读出模式，该传感器包括：基于从各个列的像素供给的信号产生像素信号的多个读出电路；通过计算在低分辨率读出模式下从各目标读出区域中的像素读出的像素信号产生像素信号的多个运算电路；多个输出通道；多个列选择开关；和控制多个列选择开关的控制电路，其中，在高分辨率读出模式下，控制电路控制多个列选择开关，以将数量等于多个输出通道的像素的像素信号同时输出到多个输出通道；并且，在低分辨率读出模式下，控制电路控制多个列选择开关，以将数量等于多个输出通道的目标读出区域的像素信号同时输出到多个输出通道。

根据发明的优选方面，运算电路可包含计算从各目标读出区域中的像素读出的像素信号的平均值的电路。

根据发明的另一优选方面，运算电路可包含计算从各目标读出区域中的像素读出的像素信号的和的电路。

根据本发明的另一优选方面，图像传感器还可包括将多个像素分分量别为多个列的多个块，并控制从各个块的多个像素到输出通道的输出的块选择开关。

根据发明的第三方面，提供一种照相机，该照相机包括上述的图像传感器和处理从图像传感器的多个输出通道输出的信号的电路。

根据本发明的给出的方面，由于像素信号通过多个通道被并行读出，因此读出速度在例如低分辨率读出模式下增加。

根据本发明的另一方面，可以减小处理在低分辨率读出模式下读出的像素信号的处理电路的负荷。

通过参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征将变得十分明显。

附图说明

被加入说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是表示根据本发明的第一实施例的图像传感器的示意性配置的电路图；

图2是根据本发明的第一实施例的图像传感器中的全像素读出模式的驱动时序图；

图3是根据本发明的第一实施例的图像传感器中的稀疏(thinning)读出模式的驱动时序图；

图4是表示根据本发明的第二实施例的图像传感器的示意性配置的电路图；

图5是表示根据本发明的第二实施例的图像传感器的平均电路的配置的具体例子的电路图；

图6是根据本发明的第二实施例的图像传感器中的平均读出模式(稀疏读出)的驱动时序图；

图7是表示根据本发明的第二实施例的图像传感器的变化方案的电路图；

图8是表示根据本发明的第三实施例的图像传感器的示意性配置的电路图；

图9是根据本发明的第三实施例的图像传感器中的附加读出模式(稀疏读出模式)的驱动时序图；

图10A和图10B是表示根据本发明的第四实施例的图像传感器的示意性配置的电路图；

图11是一个像素的等价电路图；

图12是根据本发明的第四实施例的图像传感器中的全像素读出模式的驱动时序图；

图13是根据本发明的第四实施例的图像传感器中的简单稀疏读出模式的驱动时序图；

图14是根据本发明的第四实施例的图像传感器中的平均读出模式的驱动时序图；

图15是根据本发明的第四实施例的图像传感器中的附加读出模式的驱动时序图；

图16是示出根据本发明的第四实施例的图像传感器中的水平扫描电路的配置的一部分的电路图；

图17是表示根据本发明的第四实施例的图像传感器中的R像素的读出和Gr像素的读出之间的关系的概念图；

图18是表示根据本发明的第五实施例的图像捕获系统的框图；

图19是表示根据本发明的第一实施例的图像传感器的例子的电路图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的优选实施例。

[第一实施例]

图1是表示根据本发明的第一实施例的图像传感器的示意性配置的电路图。图像传感器200包含排列多个像素1的像素阵列区1A。在像素阵列区1A中，像素1可被配置为形成多列或一行或多行。图1仅表示了与红色过滤器对应的一行的像素R1和R12。各个读出电路2基于从对应的像素供给的信号产生像素信号。读出电路2向相应的列选择开关3的输入端子供给像素信号。读出电路2可包含放大器电路等，或者可仅由用于传输像素信号的导线形成。列选择开关3即3-1、3-2、3-3、3-4、...的输出端子与水平输出线(输出通道)4即4-1、4-2、4-3和4-4连接。第一实施例采用可并行输出四个像素信号的四个水平输出线4。各个输出放大器5与相应的水平输出线4的输出侧连接。输出放大器5转换驱动输出负载必要的阻抗。

图像传感器200提供所有像素的像素信号均被读出的全像素读出模式(高分辨率读出模式)和从各个目标读出区域读出一个像素信号的低分辨率读出模式。在低分辨率读出模式下，例如，来自各个目标读出区域的多个像素信号可被添加和输出，或者，只有特定像素的信号可被输出。第一实施例将解释该稀疏读出模式。

参照图2的时序图说明图1中所示的图像传感器200的全像素读出模式的操作。在图2中，COLSELx代表用于控制列选择开关3-x的控制信号(扫描脉冲信号)。控制信号COLSELx变为高电平以接通列选择开关3-x，并变为低电平以将其断开。在这种情况下，x指列数。水平扫描电路(控制电路：未示出)产生控制信号COLSELx。

首先，列选择开关3-1、3-2、3-3和3-4被同时接通，以将从像素R1、R2、R3和R4读出到读出电路2的像素信号输出到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。此时，像素R1、R2、R3和R4的像素信号根据像素的空间排列次序(沿从左到右的方向的次序)被输出到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。然后，列选择开关3-5、3-6、3-7和3-8被同时接通，以将从像素R5、R6、R7和R8读出到读出电路2的像素信号输出到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。并且，开关3-9、3-10、3-11和3-12被同时接通，以将从像素R9、R10、R11和R12读出到读出电路2的像素信号输出到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。通过该步骤，12个像素的像素信号以从单个水平输出线读出时(需要12个时钟周期)的速度的四倍的读出速度，在3个时钟周期内被读出。

参照图3的时序图说明图1中所示的图像传感器200的稀疏读出模式的操作。将以从三个像素的各个目标读出区域读出一个稀疏输出(thinned-out)像素信号的1/3稀疏操作为例进行说明。第一实施例中的图像传感器并行读出以下四个稀疏输出像素信号。

更具体地，像素R1、R2和R3的目标读出区域(像素组)中的像素R1的像素信号作为稀疏输出像素信号通过列选择开关3-1被输出到水平输出线4-1。同时，像素R4、R5和R6的目标读出区域中的像素R6的像素信号作为稀疏输出像素信号通过列选择开关3-6被输出到水平输出线4-2。同时，像素R7、R8和R9的目标读出区域中的像素R7的像素信号作为稀疏输出像素信号通过列选择开关3-7被输出到水平输出线4-3。同时，像素R10、R11和R12的目标读出区域中的像素R12的像素信号作为稀疏输出像素信号通过列选择开关3-12被输出到水平输出线4-4。结果，四个稀疏输出像素信号从含有12个像素的区域(四个目标读出区域)被读出，从而将扫描时间缩短为全像素读出的1/3。

根据上述列选择方法，稀疏输出像素信号以像素R1、R6、R7和R12的空间次序分别被输出到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。

在全像素读出模式下，目标读出像素的像素信号以目标读出像素的空间次序被输出到根据选择规则选择的输出通道。在稀疏读出模式下，目标读出区域的稀疏输出像素信号以目标读出区域的空间次序，被输出到根据与选择规则相同的规则选择的输出通道。

假定与第一实施例类似存在四个输出通道。在全像素读出模式下，第(i+4×n)个目标读出像素(例如，左边第二个目标读出像素R2)的像素信号通过第i个(例如，上面第二个)水平输出线被读出。注意，i是满足0<i≤4的自然数，并且n是0或自然数。在稀疏读出模式下，第(i+4×n)个目标读出区域(例如，左边第二个目标读出区域，即像素R4～R6的区域)中的像素(例如，像素R6)的像素信号类似地通过第i个(例如，上面第二个)水平输出线被读出。

虽然读出像素信号的数量在全像素读出模式和稀疏读出模式之间不同，但目标读出像素或区域的空间次序和水平输出线(输出通道)之间的对应关系相同。在稀疏读出模式下，通过四个输出通道从图像传感器读出的像素信号不需要被重要配置。

设N为水平输出线4的数量(输出通道的数量)，M为稀疏读出模式下的各个目标读出区域中的像素的数量，N和M优选被确定为使关系N≤M+1成立。在这种情况下，在不增加专用于稀疏读出的任何列选择开关的情况下，目标读出像素或区域的像素信号在全像素读出和稀疏读出时，被读出到同样由目标读出像素或区域的空间次序确定的水平输出线。M也将被称为稀疏输出单位像素数。

在条件N>M+1下，必须增加稀疏读出专用的列选择开关，以使稀疏读出和全像素读出的输出次序相互一致。水平输出线4的寄生电容由于芯片面积和开关的数量增加而增加。只要这些增加是可容许的，就可增加水平输出线的数量，而对稀疏输出单位像素数没有任何限制，从而增加读出速度。

图19是表示条件N>M+1下的图像传感器的配置的例子的电路图。在图19所示的例子中，输出通道的数量N是4，稀疏输出单位像素数M为2。在该例子中，可以通过使用在全像素读出时用于输出像素R1的像素信号的水平输出线4-1，在稀疏读出时从像素R1和R2的区域输出一个稀疏输出像素信号。但是，必须增加诸如开关3-3′的专用开关，以在稀疏读出时将稀疏输出像素信号从像素R3和R4的区域输出到水平输出线4-2。类似地，必须增加诸如开关3-5′的专用开关，以将稀疏输出像素信号从像素R5和R6的区域输出到水平输出线4-3。由于另外需要用于形成专用开关3-3′和3-5′的面积126，因此芯片面积增加。开关3-3′和3-5′的配置增加水平输出线4-2和4-3的寄生电容。因此，优选满足关系N≤M+1。

根据本发明的第一实施例的图像传感器可通过多个水平输出线，并行输出多个稀疏输出像素信号以增加稀疏读出时的帧速率。

在全像素读出操作和稀疏读出操作中，目标读出像素或区域的像素信号均以目标读出像素或区域的空间次序，被输出到按共同的选择规则确定的水平输出线。这样就不再需要在稀疏读出时重新配置信号，从而减轻通过放大器5处理信号输出的处理电路的负荷。

当满足关系N≤M+1时，能够简化电路配置、减小芯片面积并减小水平输出线的寄生电容。

[第二实施例]

图4是表示根据本发明的第二实施例的图像传感器的示意性配置的电路图。图4所示的配置与图1所示的配置的不同在于，平均电路6被插入读出电路2和列选择开关3之间。平均电路6在低分辨率读出模式下平均目标读出区域中的信号。

平均电路(运算电路)6根据激活信号计算并输出像素信号的平均值。来自各平均电路6的输出通过与进行平均的三个像素对应的列选择开关3中的一个，被供给到四个水平输出线中的一个。与第一实施例中的稀疏读出模式类似，来自平均电路6的输出可通过开关3-1、3-6、3-7和3-12被供给到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。

根据第二实施例，与第一实施例类似，图像传感器可在低分辨率读出模式下通过多个水平输出线并行输出多个像素信号，从而增加低分辨率读出模式下的帧速率。

在全像素读出操作和低分辨率读出操作中，目标读出像素或区域的像素信号均以目标读出像素或区域的空间次序，被输出到按共同的选择规则确定的水平输出线。这样就不再需要在低分辨率读出中重新配置信号，从而减轻通过放大器5处理信号输出的处理电路的负荷。

当满足关系N≤M+1时，能够简化电路配置、减小芯片面积并减小水平输出线的寄生电容。

图5是表示图4中的平均电路的配置的具体例子的电路图。各平均电路6包含与各个像素对应的电容器7-x、对来自各个像素的输出采样和保持的采样和保持开关8和用于短路电容器7-x的短路开关9-x。

平均电路6执行平均处理如下。图6是平均处理的时序图。PSH代表供给采样和保持开关8的公共控制信号。PSHORT代表供给短路开关9的公共控制信号。水平扫描电路(控制电路：未示出)产生控制信号PSH、PSHORT和COLSELx。

首先，控制信号PSH变为高电平(采样和保持脉冲)并持续预定时间以接通采样和保持开关8，并且，把一行的像素信号以电荷的形式保持在相应列的电容器7中。然后，控制信号PSHORT变为高电平以接通短路开关9，并通过短路开关9-1和9-2合并由电容器7-1、7-2和7-3保持的像素信号。PSHORT返回低电平以断开短路开关9-1和9-2。此时，电容器7-1、7-2和7-3保持三个像素信号的平均值。类似地，电容器7-4、7-5和7-6的像素信号、电容器7-7、7-8和7-9的像素信号和电容器7-10、7-11和7-12的像素信号被平均。然后，列选择开关3-1、3-6、3-7和3-12被接通以向水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4输出四个平均值。

伴随平均处理的低分辨率读出在增加S/N比方面比第一实施例中的简单的稀疏更有利。电路的诸如光发射(photoshot)噪声和热噪声的许多主噪声分量在像素之间没有相关关系。因此，使M个像素的像素信号平均理想地使S/N比增加

倍。平均处理的另一优点在于，使分别由多个像素形成的区域的重心的间隔相等以产生低分辨率读出中的像素信号。即，分别由多个像素形成以产生平均化的像素信号的区域的空间重心与像素R2、R5、R8和R11的位置匹配。这消除了由第一实施例中的简单稀疏产生的分辨率不均匀性。

第二实施例在全像素读出时通过不同的水平输出线使输出像素信号的相邻像素的像素信号平均化。虽然并行读出增加全像素读出时的帧速率，但低分辨率读出模式可防止任何不自然的图像。

图7是表示图5所示的第二实施例的变化方案的电路图。图7中所示的部分与图5中的前6个像素对应。在图7所示的变化方案中，电容器7-xN和7-xS保持复位状态下的像素输出(N输出)和有效的像素输出，即光电荷等价输出(S输出)。在这种情况下，x代表像素阵列区域中的列。例如，7-1N和7-1S指用于保持来自第一列的像素的N和S输出的电容器。列选择开关3-xN和3-xS分别是用于N和S输出的列选择开关。例如，3-1N和3-1S指用于来自第一列上的像素的N和S输出的列选择开关。

除了一对差分输出即N和S输出形成一个输出像素信号(输出通道)以外，变化方案中的操作与图5中所示的操作相同。平均后的输出分别是从电容器7-1S、7-1N、7-6S、7-6N、7-7S、7-7N、7-12S和7-12N到四个水平输出线对4-1、4-2、4-3和4-4的输出。在这种情况下，4-1N和4-1S形成水平输出线对4-1，4-2N和4-2S形成水平输出线对4-2，4-3N和4-3S形成水平输出线对4-3，4-4N和4-4S形成水平输出线对4-4。

除了第一实施例的益处，根据第二实施例的图像传感器可读出平均值，以输出分辨率以高S/N比均匀降低的高质量运动图像。

[第三实施例]

图8是表示根据本发明的第三实施例的图像传感器的示意性配置的电路图。图8中所示的配置与图4所示的配置的不同之处在于，加法电路10而不是平均电路6被插入读出电路2和列选择开关3之间。

加法电路(运算电路)10根据激活信号计算并输出像素信号的和。来自各加法电路10的输出通过与进行加法计算的三个像素对应的开关中的一个，被供给到四个水平输出线中的一个。与第一实施例和第二实施例类似，通过使用开关3-1、3-6、3-7和3-12，来自各个目标读出区域的和像素信号被输出到水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4。

根据第三实施例，与第一实施例类似，图像传感器可通过多个水平输出线并行输出来自各个目标读出区域的多个像素信号，从而增加低分辨率读出时的帧速率。

在全像素读出操作和低分辨率读出操作中，目标读出像素或区域的像素信号均以目标读出像素或区域的空间次序，被输出到按共同的选择规则确定的水平输出线。这样就不再需要在低分辨率读出时重新配置信号，从而减轻通过放大器5处理信号输出的处理电路的负荷。

当满足关系N≤M+1时，能够简化电路配置、减小芯片面积并减小水平输出线的寄生电容。

图8中的加法电路10以与图5中的平均电路6相同的配置被实现，但读出操作不同。

加法电路10执行加法处理如下。图9是加法读出的时序图。水平扫描电路(控制电路：未示出)产生控制信号PSH、PSHORT和COLSELx。

首先，控制信号PSH使电容器7以电荷的方式保持一行的像素信号。然后，控制信号PSHORT变为高电平以接通短路开关9，并通过短路开关9-1和9-2合并由电容器7-1、7-2和7-3保持的像素输出。在这种情况下，列选择开关3-1、3-6、3-7和3-12被接通以向水平输出线4-1、4-2、4-3和4-4输出总和。

当来自三个像素的像素输出相等时，读出电荷为非加法计算电荷的三倍。在通过电容分割读出电荷的情况下，设CH为水平输出线4的寄生电容，CT为电容器7的电容，非加法计算增益为CT/(CT+CH)，加法计算增益为3·CT/(3·CT+CH)。一般地，与平均处理相同，通过将M个像素的信号相加，S/N比增加

倍。由于增益在加法计算时为M倍，因此，当在低亮度下不能保证足够的输出幅度时，加法处理是特别有效的。加法计算可增加信号幅度以抑制输出阶段所需的增益。

[第四实施例]

图10A和图10B是表示根据本发明的第四实施例的图像传感器的示意性配置的电路图。在像素100上形成Bayer阵列中的滤色器R、Gr、Gb和B，并且，区域(area)传感器由分别为2×2像素的二维阵列基本单元构建。

图11是像素100的等价电路图。传送脉冲PTX即PTX1、PTX2、...控制传送开关102。复位脉冲PRES即PRES1、PRES2、...控制复位开关103。行选择脉冲PSEL即PSEL1、PSEL2、...控制行选择开关105。垂直扫描电路123产生传送脉冲PTX、复位脉冲PRES和行选择脉冲PSEL。

参照图12的时序图解释图10A和图10B中所示的图像传感器300的全像素读出操作。以下的说明假定在读出操作之前已经过了设定的曝光时间并且光电二极管101积聚了光电荷。R和Gr像素被并排配置的行被选择。来自Gr像素的信号由配置在图10A和图10B的上部、并与R像素/Gb像素读出电路相同的电路读出。

将作为例子解释从R像素读出像素信号的过程。首先，像素复位脉冲PRES从高电平变为低电平以取消放大器MOSFET 104的栅电极的复位。此时，与栅电极连接的浮动扩散区中的电容器(以下称为CFD)保持暗时电压。然后，行选择脉冲PSEL变为高电平，并且，与浮动扩散区的电位对应，由于由放大器MOSFET 104和恒定电流源107形成的源极跟随器电路，在垂直输出线106上出现暗时输出。此时，运算放大器120作为电压跟随器操作，并且其输出大致等于基准电压VREF。一旦经过了预定的时间，箝位脉冲PC0R就从高电平变为低电平以箝位垂直输出线106上的暗时输出。随后，PTN变为高电平，并且保持电容器112n保持包含运算放大器120的偏移的暗时信号(该信号被称为N输出)。

传送脉冲PTX将传送开关102变为高电平预定的时间，以将在光电二极管101中累积的光电荷传送给放大器MOSFET 104的栅电极。此时，传送的电荷是电子。设Q为传送的电荷量的绝对值，那么栅极电位降低Q/CFD。与此对应，在垂直输出线106上出现亮时输出。设Gsf为源极跟随器增益，那么与暗时输出相比，垂直输出线106的电位Vvl的变化ΔVvl由下式给出：

ΔVvl＝-Q/CFD·Gsf                 ...(1)

电位变化被由运算放大器120、箝位电容108、反馈电容121形成的反相放大器电路放大。来自反相放大器电路的输出Vct由下式给出：

Vct＝VREF+Q/CFD·Gsf·C0/Cf       ...(2)

这里，C0是箝位电容108的电容值，Cf是反馈电容121的电容值。在PTS处于高电平时，保持电容器112s保持输出Vct(该信号被称为S输出)。

然后，列选择开关114依次被由水平扫描电路(控制电路)119产生的扫描脉冲COLSEL1、COLSEL2、...选择。每12像素单位配置的块选择开关125被扫描脉冲BLKSEL1、...选择。响应于此，由保持电容器112s和112n保持的信号通过列选择开关114和块选择开关125被输出到水平输出线116-xs和116-xn。

块选择开关125可通过从水平输出线116仅将目标读出区域中的列选择开关看作负载，减小水平输出线的寄生电容。配置块选择开关125的周期优选是输出通道数N和稀疏输出单位像素数M的公倍数。在这种情况下，在全像素读出和稀疏读出时，目标读出区域或像素的像素信号均以目标读出像素或区域的空间次序，被输出到按共用规则确定的水平输出线。低分辨率读出包含第一实施例说明的简单的稀疏(这是指在没有任何操作的情况下通过选择稀疏)、第二实施例说明的平均值操作和第三实施例说明的加法读出。

用于S和N输出的一对水平输出线形成一个输出通道。在第四实施例中，布置四个水平输出线对116-1、116-2、116-3和116-4。在这种情况下，116-1s和116-1n形成水平输出线对116-1，116-2s和116-2n形成水平输出线对116-2，116-3s和116-3n形成水平输出线对116-3，116-4s和116-4n形成水平输出线对116-4。

在全像素读出中，如图12所示，来自四个像素的R像素输出被并行读出。图13是从三个像素的稀疏读出的时序图。图14是从三个像素的平均读出的时序图。图15是从三个像素的加法读出的时序图。

与第二和第三实施例类似，PSHORT代表控制短路开关124s和124n的控制信号，并且可以根据PSHORT的时序执行平均处理或加法处理中的任一个。在平均处理和加法处理中，COLSEL1、COLSEL6、COLSEL7和COLSEL12均被同时接通以向四个水平输出线对116-1～116-4输出四个低分辨率R像素信号(简单稀疏输出信号、平均后的信号或相加后的信号)。由于通过简单稀疏、平均化或加法计算从三个像素获得一个像素信号，因此这意味着从包含12个R像素的区域读出像素。

与通过一个输出通道读出一种颜色的情况下相比，根据第四实施例的图像传感器在全像素读出时可实现四倍高的帧速率，并在低分辨率读出时实现12倍高的帧速率。图像传感器可通过PSHORT模式，(pattern)在简单稀疏(在这种情况下，PSHORT总是处于低电平)、平均读出和加法读出之间切换。通过由水平扫描电路119按照切换信号控制PSHORT，能够实现所述切换。

图16是示出水平扫描电路119的配置的一部分的电路图。水平扫描电路119可产生图12所示的普通读出时的扫描脉冲和图13、图14和图15所示的稀疏读出时的扫描脉冲。

在普通读出时，在普通读出和低分辨率读出(简单稀疏、平均化或加法计算)之间切换的信号模式变为低电平。在这种情况下，水平移位寄存器SR与时钟CLK同步将数据移位一级(stage)。在低分辨率读出(简单稀疏、平均化或加法计算)时，信号模式变为高电平。水平移位寄存器SR每三级跳过和移位数据。与此同时，COLSEL1、COLSEL6、COLSEL7和COLSEL12变为高电平，从而实现低分辨率读出(简单稀疏、平均化或加法计算)。

与R像素的上述读出同时，来自Gr像素的信号被上电路(图10A和图10B中没有示出)读出。特别地，在平均读出和加法读出时，要被平均或相加的像素的中心优选如图17所示具有相同的间隔(不管像素是R像素还是Gr像素)。这样，不管是什么颜色都可以均匀地降低分辨率，由此获得自然的图像。当输出通道数N和目标读出区域中的像素数M满足N＝M+1时，与第四实施例类似，输出颜色在全像素读出时以R、Gr、R、Gr、...的次序、但在低分辨率读出中以Gr、R、Gr、R...的次序从目标范围中被同时读出。在低分辨率读出时同时读出像素信号的区域相对于在全像素读出时读出M次像素信号的区域向左偏移。但是，仍保证从左到右的空间次序，因此不需要对像素信号进行替换。

[第五实施例]

图18是表示根据本发明的优选实施例的照相机的示意性配置的框图。照相机400包含代表根据第一到第四实施例的图像传感器的固态图像传感器1004。

透镜1002在图像传感器100的图像捕获面上形成物体的光学图像。透镜1002的外表面覆盖有保护透镜1002并兼作主开关的挡板1001。透镜1002具有光圈1003以调整穿过透镜1002的光的量。图像捕获信号处理电路1005对于通过多个通道从图像传感器1004输出的图像捕获信号，执行诸如校正和箝位(clamping)的各种处理。A/D转换器1006执行通过多个通道从图像捕获信号处理电路1005输出的图像捕获信号的模数转换。信号处理器1007对于从A/D转换器1006输出的图像数据，执行诸如校正和数据压缩的各种处理。固态图像传感器1004、图像捕获信号处理电路1005、A/D转换器1006和信号处理器1007根据由定时发生器1008产生的定时信号进行操作。

块1005～1008可在与固态图像传感器1004的芯片相同的芯片上形成。总体控制/操作单元1009控制照相机400的各个块。照相机400包含用于暂时存储图像数据的存储器1010、和用于在记录介质上记录/从记录介质读出图像的记录介质控制接口1011。记录介质1012包含半导体存储器等并且是可拆卸的。照相机400可包含用于与外部计算机等通信的外部接口(I/F)1013。

现在说明图18中所示的照相机400的操作。响应挡板1001的打开，主电源、控制系统的电源、和包含A/D转换器1006的图像捕获电路的电源被依次接通。为了控制曝光量，总体控制/操作单元1009将光圈1003设为全孔径状态。从图像传感器1004输出的信号通过图像捕获信号处理电路1005进入A/D转换器1006。A/D转换器1006对信号进行A/D转换并将其输出到信号处理器1007。信号处理器1007处理数据并将其供给到总体控制/操作单元1009。总体控制/操作单元1009计算并确定曝光量。总体控制/操作单元1009基于确定的曝光量控制光圈。

总体控制/操作单元1009从自固态图像传感器1004输出并被信号处理器1007处理的信号提取高频分量，并基于高频分量计算到物体的距离。总体控制/操作单元1009驱动透镜1002以确定物体是否在焦点上。如果总体控制/操作单元1009确定物体不在焦点上，那么它重新驱动透镜1002以测量距离。

在确认物体在焦点上后，开始实际的曝光。在曝光结束后，从固态图像传感器1004输出的图像捕获信号通过图像捕获信号处理电路1005进行校正处理等，通过A/D转换器1006被A/D转换，并被信号处理器1007处理。被信号处理器1007处理的图像数据通过总体控制/操作单元1009被累积在存储器1010中。

在总体控制/操作单元1009的控制下，在存储器1010中累积的图像数据通过记录介质控制I/F被记录在记录介质1012上。图像数据可通过外部I/F1013被提供给计算机等并被其处理。

虽然已参照示例性实施例说明了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。下面的权利要求的范围应被给予最宽的解释以包含所有这样的变化方案和等同的结构和功能。

Claims (12)

1.一种图像传感器，具有被排列为形成多个列的多个像素，并提供所有像素的像素信号均被读出的高分辨率读出模式，以及从各个目标读出区域读出一个像素信号并且分辨率比高分辨率读出模式低的低分辨率读出模式，该传感器包括：

基于从各个列的像素供给的信号产生像素信号的多个读出电路；

多个输出通道；

多个列选择开关；和

控制所述多个列选择开关的控制电路，

其中，在高分辨率读出模式下，所述控制电路控制所述多个列选择开关，以便以目标读出像素的空间次序，将目标读出像素的像素信号输出到根据选择规则选择的输出通道；并且

在低分辨率读出模式下，所述控制电路控制所述多个列选择开关，以便以目标读出区域的空间次序，将目标读出区域的像素信号输出到根据与所述选择规则相同的规则选择的输出通道。

2.根据权利要求1的传感器，其中，设N为输出通道的数量，M为目标读出区域中的像素的数量，则N≤M+1成立。

3.根据权利要求1的传感器，还包括被插入所述多个读出电路和所述多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式从每个目标读出区域中的像素读出的像素信号的平均值而产生像素信号的多个平均电路。

4.根据权利要求1的传感器，还包括被插入所述多个读出电路和所述多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式下从每个目标读出区域中的像素读出的像素信号的和而产生像素信号的多个加法电路。

5.根据权利要求1的传感器，还包括被插入所述多个读出电路和所述多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式下从每个目标读出区域中的像素读出的像素信号的平均值或和而产生像素信号的多个运算电路，其中通过切换来控制是计算所述平均值还是计算所述和。

6.根据权利要求1的传感器，还包括被插入所述多个读出电路和所述多个列选择开关之间、并通过计算在低分辨率读出模式下从各目标读出区域中的像素读出的像素信号而产生像素信号的多个运算电路。

7.根据权利要求1的传感器，还包括将多个像素分为各自具有多个列的多个块、并控制从每个块的多个列的像素向所述多个输出通道的输出的块选择开关。

8.一种图像传感器，具有被排列为形成多个列的多个像素，并提供所有像素的像素信号均被读出的高分辨率读出模式，以及从各个目标读出区域读出一个像素信号并且分辨率比高分辨率读出模式低的低分辨率读出模式，该传感器包括：

基于从各个列的像素供给的信号产生像素信号的多个读出电路；

通过计算在低分辨率读出模式下，从各目标读出区域中的像素读出的像素信号而产生像素信号的多个运算电路；

多个输出通道；

多个列选择开关；和

控制所述多个列选择开关的控制电路，

其中，在高分辨率读出模式下，所述控制电路控制所述多个列选择开关，以将数量等于所述多个输出通道的像素的像素信号同时输出到所述多个输出通道；并且

在低分辨率读出模式下，所述控制电路控制所述多个列选择开关，以将数量等于所述多个输出通道的目标读出区域的像素信号同时输出到所述多个输出通道。

9.根据权利要求8的传感器，其中，所述运算电路包含计算从每个目标读出区域中的像素读出的像素信号的平均值的电路。

10.根据权利要求8的传感器，其中，所述运算电路包含计算从每个目标读出区域中的像素读出的像素信号的和的电路。

11.根据权利要求8的传感器，其中，由多个像素形成的像素阵列被分成多个块，并且该传感器还包含控制所述多个块和所述多个输出通道之间的连接的多个块选择开关。

12.一种照相机，包括：在权利要求1～11中的任一项中限定的图像传感器；和

处理从所述图像传感器的多个输出通道输出的信号的电路。

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