CN101309346B - 图像传感器、电子装置和电子装置的驱动方法 - Google Patents

图像传感器、电子装置和电子装置的驱动方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种具有像素阵列部分的图像传感器、电子装置和电子装置的驱动方法，在该像素阵列部分中像素在垂直和水平方向上以二维方式排列，并且以滚动快门方法控制每个像素的曝光时间。该传感器包括控制部件，当曝光调节快门中对于每个水平扫描时段的像素阵列部分的垂直地址移动量、表示为地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的重复时，该控制部件用于通过基于地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数是电子快门在一个水平扫描时段中同时执行的行数，其中曝光调节快门是对应于每个像素中的电荷读取执行的、用于调节曝光的电子快门。

Description

图像传感器、电子装置和电子装置的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种图像传感器，并且更具体地涉及图像传感器、电子装置和电子装置的驱动方法，其能够用简单的配置采取抗高光溢出(anti-blooming)措施。
背景技术
在数字相机的情形，存在全域快门方法(global shutter method)和滚动快门方法(rolling shutter method)作为图像传感器的主要电子快门方法。全域快门方法是对像素阵列的所有像素(在该像素阵列中，像素以二维方式排列)执行同时快门操作的方法；而滚动快门方法是随时间以行为单位移动其中执行快门操作的像素、而不对所有像素执行同时快门操作的方法。
此外，在数字相机的情形，存在称为预览模式的、用于图像调节的操作模式，其中焦距或视角的调节、曝光的调节等等通过对图像传感器的全部像素阵列执行读取，在对静止图像成像之前执行。
在预览模式中，图像传感器当前捕获的图像显示在数字相机的主体中提供的液晶屏幕上，以便使用户确认例如图像的位置。然而，因为在液晶屏幕上的像素数小于图像传感器的总像素数，所以执行像素数压缩转换是必要的，该像素数压缩转换用于将在图像传感器的所有像素中获得的图像、转换成具有对应于液晶屏幕上的像素数的较小像素数的图像。
在此情况下，当通过读取图像传感器的所有像素和通过数字信号处理执行像素数压缩转换、来在液晶屏幕上显示图像的方法被采用时，由于图像压缩转换操作、传感器的所有像素的操作等等，消耗的电流增加。因此，通常采用这样的方法，该方法通过使用压缩电路的压缩功能(该压缩电路提供在传感器中)，在V方向(垂直方向)和H方向(水平方向)上执行图像传感器内部的压缩。
例如，在CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器中，对其执行像素数压缩的稀疏(thinned-out)图像通过执行像素稀疏而生成，其中选择不连续的行(像素行)并且跳过内插的行，称为对V方向的V稀疏。
参照图1，将描述使用滚动快门方法在图像传感器中的V稀疏的操作。图1是1/2稀疏模式的实例，其中1/2稀疏在V方向执行。
在图1中，水平轴指示使用一个水平扫描时段的时间(1[H])作为单位，这是位于像素阵列部分的水平方向上的一行被扫描的时间，而垂直轴指示行地址，该行地址是位于V方向的像素行的地址。此外在图1中，光(电荷)的累积时间(曝光时间)设置为5[H]。
另外，在下面的描述中，图像传感器的R(红)、G(绿)和B(蓝)的像素假定按Bayer阵列来排列。
假定读取电荷在预定的时间t[H]、累积时间是5[H]、在对应于行地址n的行(的各像素)中执行。因此，快门操作(即清除(sweep out)电荷的操作)在比时间t[H]早5[H]的时间(t-5)[H]执行。另外，在对应于行地址(n+1)的行(的各像素)中，快门操作在对应于在时间(t+1)[H]读取的时间(t-4)[H]执行。另外，在如下描述中，执行快门操作仅仅指执行快门或还指快门的发生。
在时间(t+2)[H]，对应于行地址(n+2)和(n+3)的各行被跳过，而对应于行地址(n+4)的行被读取。在时间(t-3)[H]，快门在对应于上述的行地址(n+4)的行中执行。另外，因为对应于行地址(n+5)的行在时间(t+3)[H]被读取，所以快门在时间(t-2)[H]在对应于上述的行地址(n+5)的行中执行。
在具有在时间t[H]读取的行地址n的行的读取行的行地址后，在行地址n的行之后读取的行是当将行地址移动1时的行地址(n+1)的行，并且在行地址(n+1)的行之后读取的行是已经从行地址(n+1)移动3的行地址(n+4)的行。
类似地，在行地址(n+4)的行之后读取的行是已经从行地址(n+4)移动1的行地址(n+5)的行，并且在行地址(n+5)的行之后读取的行是已经从行地址(n+5)移动3的行地址(n+8)的行。
也就是说，在V方向读取的各行是通过进行按照移动量为1、3、1、3、1、3、...的顺序移动而获得的各行。因此，这种V稀疏操作描述为地址增加量(1、3)的V稀疏操作。
通过执行地址增加量(1、3)的V稀疏操作，两个读取行和两个跳过行在V方向中交替出现。两个读取行和两个跳过行在V方向交替出现的原因是因为图像传感器以Bayer阵列来排列。
也就是说，在Bayer阵列中，GB行(其中G和B的像素交替安排)和GR行(其中G和R的像素交替安排)在V方向交替排列。因此，因为读取GB行和邻近GB行的GR行的电荷作为设置是必要的，所以两个读取行和两个跳过行被交替提供。
另外，不连续读取GB行或GR行是足够的。也就是说，相互邻近的GB行或GR行不必要被连续读取。
在参照图1所述的地址增加量(1、3)的V稀疏操作中，存在在一个帧时段中从未被读取的行。具体地，例如在一个帧时段中从未被读取的行是对应于行地址(n+2)的行或对应于行地址(n+3)的行。在一个帧时段中从未被读取的该行存在的情况下，饱和电荷从未读取的行溢出并且泄露到读取行。也就是说，称为高光溢出的现象发生，结果，图像的质量可能劣化。此处，一个帧时段是用于读取一帧的图像的时段，并且等于1[H]×(在V方向的行数)。在一秒钟读取15帧(15fps)的设置中，一个帧时段大约为63毫秒。
因此，采取抗高光溢出措施的读取操作还在已知的技术中执行。
图2是读取操作的实例，其中在参照图1所述的地址增加量(1、3)的1/2稀疏操作中采取抗高光溢出措施。
作为抗高光溢出措施，快门还对一个帧时段中从未被读取的行执行。在地址增加量(1、3)的1/2稀疏操作中，作为抗高光溢出措施执行的曝光调节快门和电子快门(此后适当地称为抗高光溢出快门)对通过移动行地址+2行而获得的行地址的像素同时执行，其中用于调节曝光的初始的电子快门(此后适当地称为曝光调节快门)执行，如图2所示。在图2中，曝光调节快门由如图1中的同心双圆指示(⊙)，而抗高光溢出快门由黑圆圈指示(●)。
如此，通过与曝光调节快门同时地执行抗高光溢出快门来阻止高光溢出是可能的。
以下，另一个V稀疏操作模式的示例将参照图3来描述，其中抗高光溢出措施在地址增加量(3、5)的1/4稀疏模式下采取。
由于地址增加量是(3、5)，所以在V方向读取的各行是通过以移动量3、5、3、5、3、5、...移动行地址来获得的各行的各像素。
也就是说，假定在预定的时间t[H]、在对应于行地址n的行中执行读取电荷，那么曝光调节快门在比时间t[H]早5[H]的时间(t-5)[H]执行。在下一时间(t+1)[H]读取的行是已经从之前读取的行地址n移动3的行地址(n+3)的行，并且曝光调节快门在比时间(t+1)[H]早5[H]的时间(t-4)[H]的行地址(n+3)的行处执行。
然后，在下一时间(t+2)[H]读取的行是已经从之前读取的行地址(n+3)移动5的行地址(n+8)的行，并且曝光调节快门在比时间(t+2)[H]早5[H]的时间(t-3)[H]的行地址(n+8)的行处执行。
因此，在时间(t-5)[H]，抗高光溢出快门与曝光调节快门(该曝光调节快门在行地址n执行)同时在行地址(n+1)和(n+2)的各行执行，该行地址(n+1)和(n+2)的各行是各行之间被跳过、直到其中曝光调节快门在下一时间(t-4)[H]执行的行地址(n+3)的行的各行。
类似地，在时间(t-4)[H]，抗高光溢出快门与曝光调节快门(该曝光调节快门在行地址(n+3)执行)在行地址(n+4)、(n+5)、(n+6)和(n+7)的各行同时执行，行地址(n+4)、(n+5)、(n+6)和(n+7)的各行是各行之间被跳过、直到其中曝光调节快门在下一时间(t-3)[H]执行的行地址(n+8)的各行的行。
如上所述，在地址增加量(3、5)的1/4稀疏模式中采取抗高光溢出措施也是可能的。
此外，1/4稀疏图像还可以在除图3中示出的地址增加量(3、5)之外的地址增加量(5、3)、(1、7)或(7、1)的情况下生成。
此外，1/2稀疏图像还可以在除图2中示出的地址增加量(1、3)之外的地址增加量(3、1)的情况下生成。
另外，尽管未示出，但是为生成1/8稀疏图像，地址增加量的组合还包括八类(1、15)、(3、13)、(5、11)、(7、9)、(9、7)、(11、5)、(13、3)和(15、1)。
此外，1/3稀疏图像可以通过地址增加量(3)的稀疏操作生成，该地址增加量(3)的稀疏操作重复值3作为地址增加量。
近年来，稀疏图像经常用作成像运动图像和预览模式时的图像。因此，即使在V稀疏之后的图像的情况下，高质量图像的需求也正在增加。
另外，液晶屏幕的尺寸在用于例如移动电话的数字相机中是多样的。因此，V稀疏操作模式的类型趋于多样，使得用一个图像传感器满足各种类型的液晶屏幕尺寸是可能的。
在已知的技术中，为满足不同种类的稀疏模式，使得用一个图像传感器满足不同种类的液晶屏幕尺寸是可能的，地址增加量的组合和在该时间抗高光溢出快门的位置存储在表中。然后，在生成预定的稀疏图像方面，需要的信息根据生成的稀疏图像从表中获得，并且执行V稀疏操作。因此，因为在逻辑电路中配置大容量表以满足多个组合是必要的，所以已经难以减少门尺寸和芯片尺寸。
此外，在大量光入射的情况下执行短曝光的情形，即使执行上述的抗高光溢出，高光溢出也会从邻近曝光调节快门的对象行的行发生。因此，图像质量劣化已经经常发生。
另外，在执行所有像素读取的情况下，其中存在不跳过的行并认为不需要抗高光溢出快门，高光溢出从邻近曝光调节快门的对象行的行发生。因此，图像质量劣化已经经常发生。
参照图4，将描述在累积时间3[H]执行所有像素读取的情况下，高光溢出从邻近曝光调节快门的对象行的行的发生。
在图4示出的实例中，在时间(t+3)[H]读取的行地址n的曝光调节快门在时间t[H]执行。曝光调节快门在其中执行的行地址n的邻近各行包括两行：行地址(n-1)和(n+1)。由于清除操作在以前的时间(t-1)[H]对行地址(n-1)的行执行，所以在许多情况下光电二极管对电荷不饱和。因此，高光溢出将发生的可能性低。
另一方面，在对应于行地址(n+1)的光电二极管中，以前执行的清除操作是关于一个帧时段之前的。因此，由于在许多情况下光电二极管对电荷饱和，所以电荷容易地溢出。因此，如图4中由箭头所示，从行地址(n+1)高光溢出到行地址n可以在行地址n的曝光调节快门之后立即发生。特别是在行地址(n+1)对应于Bayer阵列的GR行、并且具有长波长的分量(红光)在入射光的量中大的情况下，从GR行的R像素泄露到GB行的G像素大，并且图像质量劣化，比如伪彩色，其由GR行的G像素和GB行的G像素之间的差引起，并且高光溢出发生。
作为关于抗高光溢出措施的已知技术，存在在非读取区中执行电子快门(抗高光溢出快门)的技术，以便避免从非读取区的高光溢出(例如，参见JP-A-2006-310932)。
另外，存在这样的方法，该方法通过在电源中连续地重置漂移扩散(floating diffusion)、和将泄漏到漂移扩散的电荷投入电源中来减轻邻近像素上的高光溢出，或通过在非累积时段增加用于重置像素的光电二极管的开关来避免高光溢出(例如，参见JP-A-2004-11590)。
发明内容
然而，在JP-A-2006-310932中提出的技术中，避免已经参照图4描述的从读取行到读取行的高光溢出是不可能的。此外，在JP-A-2004-11590中公开的方法存在提供用于避免高光溢出的开关对像素的小型化不适用的问题。
因此，因为难以避免部分高光溢出，或在已知抗高光溢出技术中需要在逻辑电路中装配大容量表或提供开关，所以已经难以减少门尺寸和芯片尺寸。
因此，考虑到以上内容，期望用简单配置采取抗高光溢出措施。
根据本发明的第一个实施例，提供了一种具有像素阵列部分的图像传感器和电子装置，在该像素阵列部分中像素在垂直和水平方向上以二维方式排列，并且以滚动快门方法控制每个像素的曝光时间，该图像传感器和电子装置包括：控制部件，当用于调节曝光的电子快门中对于每个水平扫描时段的像素阵列部分的垂直地址移动量、表示为地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的重复时，该控制部件用于通过基于地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数是电子快门在一个水平扫描时段中同时执行的行数，其中调节曝光对应于每个像素中的电荷读取执行。
控制部件可确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，使得电子快门发生数在任何一个水平扫描时段中相等。
控制部件可确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，使得在垂直方向上，在等于一个帧的时段中发生的电子快门的次数在每行中是相等的。
在生成其中像素数根据地址增加量(P1、P2、P3、...PN)在垂直或水平方向被稀疏的稀疏图像的情况下，控制部件可基于每个地址增加量P1、P2、P3、...PN的绝对值的最大值Q，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数。
控制部件可进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行起、在一个水平扫描时段内连续确定的电子快门发生数的垂直方向上的地址的各行执行。
控制部件可进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行连续的、垂直方向上的地址的Q行或更多行执行。
控制部件可进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行连续的、垂直方向的地址的(Q+2)个行执行。
在生成其中像素数根据地址增加量(P1、P2、P3、...PN)在垂直或水平方向被稀疏的稀疏图像的情况下，控制部件可基于每个最邻近增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1的绝对值的最大值R，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该最邻近增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1通过将彼此邻近的各行的地址增加量相加而获得。
控制部件可进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行每隔一行跳过的、垂直方向上的地址的不连续各行执行。
控制部件可进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行每隔一行跳过的、垂直方向的地址的(R/2)或更多不连续行执行。
控制部件可进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行每隔一行跳过的、垂直方向的地址的((R+2)/2)个不连续行执行。
根据本发明的第一个实施例，一个水平扫描时段中的电子快门发生数通过基于地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的操作确定，该电子快门发生数是其中电子快门在一个水平扫描时段内同时执行的行数。
根据本发明的第二个实施例，提供了一种图像传感器，包括：像素阵列部分，其中像素在垂直和水平方向以二维方式排列。读取在像素中累积的电荷和曝光调节快门在垂直方向上以行为单位顺序执行，该曝光调节快门是清除不必要的电荷的操作，以及作为清除不必要的电荷的操作的预快门在曝光调节快门之前执行。
根据本发明的第二个实施例，作为清除不必要的电荷的操作的预快门在曝光调节快门之前执行。
根据本发明的第一个和第二个实施例，用简单配置采取抗高光溢出措施是可能的。
另外，根据本发明的第一个和第二个实施例，减少门尺寸和芯片尺寸是可能的。
附图说明
图1是解释在1/2稀疏模式下的操作的图；
图2是说明在1/2稀疏操作中采取抗高光溢出措施的实例的图；
图3是说明在1/4稀疏操作中采取抗高光溢出措施的实例的图；
图4是解释在所有像素读取时高光溢出的发生的图；
图5是说明根据本发明的实施例的图像传感器的配置的实例的方块图；
图6是说明电子快门发生数控制的第一个实施例的图；
图7是说明在若干帧的时段中的快门控制的图；
图8是说明电子快门发生数控制的第二个实施例的图；
图9是说明电子快门发生数控制的第三个实施例的图；
图10是说明电子快门发生数控制的第四个实施例的图；
图11是说明电子快门发生数控制的第五个实施例的图；
图12是说明根据本发明的另一个实施例的图像传感器的配置的实例的方块图；以及
图13是说明根据本发明的实施例的相机的方块图。
具体实施方式
此后将描述本发明的实施例。本发明的配置要求与在该说明书或附图中描述的实施例之间的对应关系如下。做出该说明书以确认支持本发明的实施例在该说明书或附图中描述。因此，即使存在在该说明书或附图中描述而没有在此处描述为对应本发明的配置要求的实施例，该实施例也不被解释为不与该配置要求对应的实施例。相反地，即使实施例此处描述为与该配置要求对应，该实施例也不解释为不与除该配置要求外的配置要求对应。
根据本发明的第一个实施例的图像传感器和电子装置具有像素阵列部分(例如，示于图5中的像素阵列部分11)，其中像素在垂直和水平方向以二维方式排列。该图像传感器(例如，示于图5中的图像传感器1)以滚动快门方法控制每个像素的曝光时间，该图像传感器包括：控制部件(例如，示于图5中的传感器控制器16)，当对调节曝光的电子快门中的每一个水平扫描时段的像素阵列部分的垂直地址移动量表示为地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的重复时，该调节曝光对应于每个像素中读取的电荷执行，该控制部件通过基于地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数是电子快门在一个水平扫描时段中同时执行的行数。
此后，本发明的各实施例将参照各附图来描述。
图5是说明根据本发明的实施例的图像传感器的配置的实例的方块图。
示于图5中的图像传感器1是X-Y地址访问型固态成像设备，例如CMOS图像传感器。
图像传感器1配置为包括：像素阵列部分11、V选择电路12、模拟前端电路13-1到13-M、水平选择电路14、输出放大电路15和传感器控制器16。
在像素阵列部分11中，作为像素的光电转换元件(未示出)以垂直方向的N行乘以水平方向的M列的二维方式排列(N行×M列)。像素阵列部分11的每个像素光电地转换在其上入射的光，并输出作为结果获得的成像信号。V选择电路12基于传感器控制器16的控制，以行为单位执行像素阵列部分11的像素的电荷读取操作和电荷清除操作。对其执行像素阵列部分11的读取操作和清除操作的各行随时间顺序地移动。也就是说，图像传感器1是使用滚动快门方法的图像传感器。在由V选择电路12选择的行上从每个像素输出的成像信号供应到模拟前端电路13-1到13-M，该模拟前端电路13-1到13-M对应于在水平方向中的像素位置。
每个模拟前端电路13-1到13-M对从像素阵列部分11的像素供应的成像信号，执行CDS(相关双采样)处理和A/D(模拟到数字)转换处理。
另外，将模拟信号转换成数字信号的AD转换器可以在输出放大电路15之前提供，使得只有CDS处理在模拟前端电路13-1到13-M中执行。
水平选择电路14顺序选择和输出模拟前端电路13-1到13-M的成像信号，并且将成像信号供应到输出放大电路15。输出放大电路15放大和输出输入的成像信号。
传感器控制器16控制V选择电路12和水平选择电路14的操作时序。另外，传感器控制器16必要时执行用于校正缺陷像素的缺陷校正处理、AGC处理等等。
另外，当生成例如用于匹配具有小于像素阵列部分11的所有像素数的像素数的液晶屏幕的稀疏图像时的地址增加量，从控制图像传感器1的DSP(数字信号处理器)51(其将在图12中描述)供应和指派到传感器控制器16。传感器控制器16控制V选择电路12，使得V选择电路12用指派的地址增加量选择或不选择像素阵列部分11的每个行。
例如，如上参照图1所述，当地址增加量(1、3)被供应时，图像传感器1生成1/2稀疏图像。另外，还在地址增加量(3、1)被供应的情况下，生成1/2稀疏图像。
类似地，当地址增加量(3、5)、(5、3)、(1、7)和(7、1)中的一个从DSP 51指派时，图像传感器1生成1/4稀疏图像，并且当地址增加量(1、15)、(3、13)、(5、11)、(7、9)、(9、7)、(11、5)、(13、3)和(15、1)中的一个从DSP51指派时，生成1/8稀疏图像。
另外，在生成1/3稀疏图像或1/5稀疏图像的情况下，(3)或(5)中的一个作为从DSP51指派的地址增加量的参数是足够的。
另外，还在指派为地址增加量(3、3)的情况下，1/3稀疏图像能够类似地生成。还在指派为地址增加量(3、5、3、5)的情况下，1/4稀疏图像能够生成。
也就是说，通常能够说在生成预定的稀疏图像的情况下，地址增加量(P1、P2、P3、...PN)(N≥1)从DSP51供应到传感器控制器16。此外，所有其中不执行稀疏的像素读取还能用地址增加量(P1、P2、P3、...PN)＝(1、1、1、...1)来表达。
因此，传感器控制器16控制V选择电路12，以根据从DSP51指派的地址增加量(P1、P2、P3、...PN)，选择对其执行曝光调节快门的预定的行(行地址)。
另外，除曝光调节快门之外，传感器控制器16还控制关于用于避免高光溢出的抗高光溢出快门操作或预快门操作(其后将描述)的V选择电路12。传感器控制器16基于从DSP51指派的地址增加量(P1、P2、P3、...PN)，计算在一个水平扫描时段(1[H])内在其上发生电子快门的行数(此后适当地称为电子快门发生数)，并且根据计算结果控制V选择电路12。
此后，传感器控制器16控制V选择电路12以执行电子快门的方式将参照图6到11描述如下。
第一个实施例
图6示出由传感器控制器16进行的电子快门发生数的控制的第一个实施例。
图6说明这样的实例，其中在当地址增加量(1)从DSP51指派的情况下，即在当图像传感器1执行所有像素读取的情况下，除曝光调节快门之外的预快门(pre-shutter)对V选择电路12执行，该预快门是具有在曝光调节快门对其执行的行上(曝光调节快门的对象行)抑制高光溢出的功能的快门。
类似于图4中示出的情况，图6说明这样的实例，其中图像传感器1以累积时间3[H]执行所有像素读取。
在图6中，例如，在时间(t+3)[H]行地址n的曝光调节快门在时间t[H]执行，而V选择电路12根据传感器控制器16的控制，在时间t[H]与行地址n的曝光调节快门一起对行地址(n+1)执行预快门。
因此，例如，清除操作在时间t[H]之前的时间(t-1)[H]对行地址(n-1)的行执行，该行是行地址n下面的行。如此，因为行地址(n-1)的行在曝光中，所以从行地址(n-1)的行的高光溢出被抑制。另外，因为直到该时间累积的不必要的电荷在行地址(n+1)的行上由预快门清除，该行地址(n+1)的行是行地址n上面的行，所以从行地址(n+1)的行的高光溢出也被抑制。
结果，从行地址(n+1)到行地址n的高光溢出(其由图4中的箭头示出)能够被妨止。
预快门控制通过将行地址在每个1[H]顺序移动+1连同曝光调节快门控制一起执行。
另外，注意到关于预快门控制的行，能够说通过在执行曝光调节快门之前执行预快门，直到该时间累积的不必要电荷在每行中被清除。
此外，在图6示出的实例中，执行预快门的定时被设定为执行曝光调节快门之前的1[H]。然而，执行预快门的定时不必限定为执行曝光调节快门之前的1[H]。例如，执行预快门的定时可以是执行曝光调节快门之前的3[H]。也就是说，优选地，事先清除电荷以便当一个在先行曝光时不泄漏。然而，其根据预快门电荷泄漏之后的时间的情况而改变。因此，如图6所示，最优选地，在与一个在先行的曝光调节快门相同的定时执行预快门。
在此情况下，通常在图像传感器中的曝光时间(累积时间)根据在像素上入射的光量而变化。
图7是示出在图6中示出的时间方向的水平轴设置为长的情况下、对应于若干帧的时段中的快门控制的图。
图7中示出的实线31到35对应于图6中由圆圈(○)指示的读取操作，而点划线32’到35’对应于图6中的双圆(⊙)，并且是对应于实线31到35的读取操作的曝光调节快门。另外，预快门未示出在图7中。另外，因为在整个V方向中的一次扫描对应于一个帧的图像，所以图7中示出的一条实线32或33对应于一个帧的图像。
如图7所示，作为曝光时间(累积时间)已经根据像素上入射的光量而变化的结果，对应于实线32的图像的曝光时间L32、对应于实线33的图像的曝光时间L33、对应于实线34的图像的曝光时间L34和对应于实线35的图像的曝光时间L35彼此不相同。
在图7中，在一个水平扫描时段内的电子快门发生数(即在一个水平扫描时段1[H]中操作电子快门的行数)在由虚线指示的水平扫描时段中是3(如果包括图中未示出的预快门，则是4)，并且在其它水平扫描时段中是1或2(如果包括图中未示出的预快门，则是2或3)。
如此，如果电子快门发生数每1[H]改变，则因为施加到电源的负载对每个水平扫描时段改变，所以水平线可以在施加高增益的情况下生成。
因此，传感器控制器16根据最大电子快门发生数，通过在某位置插入虚拟(dummy)电子快门来控制V选择电路12，在该位置电子快门发生数小于最大电子快门发生数，使得电子快门发生数在任何水平扫描时段中相等。如此，因为由电子快门引起的负载在每个水平扫描时段中变得相同，因此阻止上述的行生成是可能的。结果，高质量图像能够生成。
另外，考虑到每个行，传感器控制器16还可以进行控制，使得在像素阵列部分11的每个行中，在与一个帧相等的时段中发生的电子快门的次数相等。尽管可能考虑到，因为由预快门或虚拟电子快门引起的负载增加，所以不完全的转换(转换失败)容易地出现，但是可以通过使在像素阵列部分11的每行中在等于一个帧的时段中发生的电子快门的次数相等，使不完全的转换的影响作为图像质量不明显。
第二个实施例
图8示出由传感器控制器16进行的电子快门发生数的控制的第二个实施例。
在第二个实施例中，在地址增加量(P1、P2、P3、...PN)从DSP51指派时，传感器控制器16基于每个地址增加量P1、P2、P3、...PN的绝对值的最大值，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数。
更具体地，假定每个地址增加量P1、P2、P3、...PN的绝对值的最大值是Q，那么传感器控制器16将一个水平扫描时段内的电子快门发生数设置为Q或更多，并且对Q或更多个连续的行地址的行执行电子快门，其中用于曝光调节快门的对象行的行地址作为参照。
随着稀疏率变得更高，在一个水平扫描时段中对其操作抗高光溢出快门的行数(此后，适当地称为抗高光溢出快门的同时发生数)增加，也就是说，每个地址增加量P1、P2、P3、...PN的绝对值的最大值增加。
此处，例如当在时间t[H]执行曝光调节快门之后的时间(t+1)[H]执行曝光调节快门时，进行其中最大值Q的行地址移动的情况的实例示于图8中。
需要抗高光溢出措施使得电荷不泄漏到行地址n的行(在该行地址n的行，在时间t[H]执行曝光调节快门)上的各像素的各行，是在行地址n的行和行地址(n+Q)的行之间插入的、行地址(n+1)到行地址(n+Q-1)的各行，并且行数是(n-1)行。因此，需要在时间t[H]的定时执行的最小电子快门发生数为“Q”，其包括除行地址(n+1)到行地址(n+Q-1)的(Q-1)个行之外的行地址n的曝光调节快门。
因此，由高光溢出引起的图像质量的劣化，能够通过将在一个水平扫描时段内的电子快门发生数设置为Q或更多而被抑制。
第三个实施例
图9示出由传感器控制器16进行的电子快门发生数的控制的第三个实施例。
在第三个实施例中，当地址增加量(P1、P2、P3、...PN)从DSP51指派时，传感器控制器16基于每个最邻近的增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1的绝对值的最大值(其通过将相互邻近各行的地址增加量相加来获得)，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数。
更具体地，假定每个最邻近的增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1的绝对值的最大值是R，那么传感器控制器16将一个水平扫描时段内的电子快门发生数设置为R/2或更多，并且通过使用要对其执行曝光调节快门的行的行地址作为参照，对R/2或更多个不连续的行地址的行(其中每隔一行被跳过)执行电子快门。
类似于第二个实施例，随着稀疏率变得更高，每个最邻近增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1的绝对值的最大值变得更高，并且随着每个最邻近增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1的绝对值的最大值变得更高，在一个水平扫描时段中的抗高光溢出快门的同时发生数增加。
此处，例如，假定地址增加量(P1、P2)从DSP51指派，那么最邻近增加量是P1+P2，并且值(绝对值的最大值)将假定为R。
图9中示出从时间t[H]到时间(t+1)[H]在P1行上发生行地址移动、和从时间(t+1)[H]到时间(t+2)[H]在P2行上发生行地址移动的情况的实例。
传感器控制器16将(R-1)个行划分成时间t[H]和时间(t+1)[H]的两个水平扫描时段，并且执行抗高光溢出快门，该(R-1)个行在时间t[H]的曝光调节快门的对象行的行地址n、和在时间(t+2)[H]的曝光调节快门的对象行的行地址(n+R)之间插入。
因此，当包括用于曝光调节快门的对象行时，需要在一个水平扫描时段内执行的最小电子快门发生数是R/2，并且由高光溢出引起的图像质量的劣化，能够通过在每个水平扫描时段中对R/2或更多个不连续的行地址的行(其中每隔一行被跳过)执行包括曝光调节快门的电子快门来抑制。
另外，当(R/2)是不可分的值时，优选地舍弃分数部分。
第四个实施例
图10示出由传感器控制器16进行的电子快门发生数的控制的第四个实施例。
第四个实施例是这样的实施例，其中在第一个实施例中的预快门的概念增加到参照图9所述的第二个实施例中。
在时间t[H]，预快门需要在对应于行地址(n+Q)的邻近行的行地址(n+Q+1)的行上发生，该行是时间(t+1)[H]的曝光调节快门的对象行。因此，在时间t[H]的电子快门发生数变成通过将预快门的2与曝光调节快门和抗高光溢出快门的Q相加而获得的(Q+2)。
因此，由高光溢出引起的图像质量劣化能够通过将在一个水平扫描时段内的电子快门发生数设置为(Q+2)或更多而被抑制。
另外，尽管优选地在一个水平扫描时段内的电子快门发生数是(Q+2)或更多，但是因为随着电子快门发生数增加，消耗的电流增加或传输失败容易发生，所以最优选地在一个水平扫描时段内的电子快门发生数是(Q+2)。
上述的第四个实施例是稀疏模式的实例。然而，抗高光溢出快门和预快门的概念还可以适用到所有像素读取。因为在所有像素读取的情况下Q是1，所以在一个水平扫描时段内的电子快门发生数是三。
第五个实施例
图11示出由传感器控制器16进行的电子快门发生数的控制的第五个实施例。
第五个实施例是这样的实施例，其中在第一个实施例中的预快门的概念增加到参照图9所述的第三个实施例中。
在时间t[H]和时间(t+1)[H]，预快门需要在对应于行地址(n+R)的邻近行的行地址(n+R+1)的行上发生，该行是时间(t+2)[H]的曝光调节快门的对象行。另外，因为优选的是在被分成时间t[H]和时间(t+1)[H]的两个水平扫描时段的情况下执行预快门，所以需要在每个水平扫描时段执行的最小电子快门发生数是((R+2)/2)。
因此，由高光溢出引起的图像质量劣化能够通过将在一个水平扫描时段内的电子快门发生数设置为((R+2)/2)或更多、以及对不连续的行地址的行执行电子快门(其中每隔一行被跳过)而被抑制。
另外，尽管优选的是在一个水平扫描时段内的电子快门发生数是((R+2)/2)或更多，但是由于随着电子快门发生数增加，消耗的电流增加或传输失败容易发生，所以最优选的是在一个水平扫描时段内的电子快门发生数是((R+2)/2)。
上述的第五个实施例是稀疏模式的实例。然而，抗高光溢出快门和预快门的概念还可以适用到所有像素读取。由于在所有像素读取的情况下R是2，所以在一个水平扫描时段内的电子快门发生数是二。
在上述的第四个和第五个实施例中，如同参照图10和图11所能够理解的，因为布置预快门以在相同规则下延伸抗高光溢出快门(连续地址或每隔一行被跳过的不连续地址)，所以能够说预快门还能够用作抗高光溢出快门。因此，能够说预快门还用作抗高光溢出快门。
而且在上述的第二个到第五个实施例中，如同参照图7的第一个实施例中所述的，高质量图像能够通过使在一个水平扫描时段内的电子快门发生数、或在等于一个帧的时段内发生的电子快门的次数相等来生成。
如上所述，图像传感器1通过基于地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数包括除预快门或抗高光溢出快门之外的曝光调节快门，并且根据确定的电子快门数进行控制。如此，如果指派地址增加量(P1、P2、P3、...PN)，那么在一个水平扫描时段内的电子快门发生数能够通过操作来确定。结果，由于在已知技术中已经执行的、准备对应于各种稀疏图像的大容量表是不必要的，所以通过减少门尺寸来减少芯片尺寸是可能的。也就是说，用简单配置采取抗高光溢出措施是可能的。
此外，在上述实例中，已经描述了将地址增加量(P1、P2、P3、...PN)从DSP51指派到传感器控制器16，并且传感器控制器16基于指派的地址增加量(P1、P2、P3、...PN)计算电子快门发生数。然而，如图12所示，DSP51可以在将地址增加量(P1、P2、P3、...PN)供应到传感器控制器16之前的一个水平扫描时段内，对电子快门发生数执行操作，并且可以通过寄存器通信将一个水平扫描时段内的电子快门发生数连同地址增加量(P1、P2、P3、...PN)供应到传感器控制器16。相同的效果还能够在包括图像传感器1和DSP51的图像传感系统的配置中获得。
在图像传感器1中，因为在一个水平扫描时段内的电子快门发生数通过基于地址增加量(P1、P2、P3、...PN)的操作来控制(抑制)，所以减少不必要的电子快门的发生数是可能的。结果，由电源负载的增加引起的传输失败被抑制，并且图像传感器1的产量(yield)提高。另外，功耗也被实现。另外，高质量图像还能够通过抑制在稀疏模式中需要的读取行上的高光溢出而在稀疏模式中生成。
另外，通过执行预快门，高质量图像能够生成，而且特别地，在具有大量光的短曝光时间发生的色差(color deviation)被抑制。是否执行预快门仅通过将2与当不执行预快门时的最邻近增加量的绝对值的最大值R、或地址增加量的绝对值的最大值Q相加的操作来确定，如上所述。因此，容易地控制包括预快门的电子快门发生数是可能的。
另外，电子快门发生数的上述控制还能够适用到对应于所有图像尺寸的情况，如所有像素读取、1/2稀疏、1/3稀疏、1/4稀疏、1/5稀疏和1/8稀疏。也就是说，本发明不限于特定图像传感器1的像素数目和生成的稀疏图像的尺寸。
另外，尽管只有在V方向的稀疏已经在上述实例中描述，但是相同的执行可以在H方向的稀疏中进行。
此外，在本说明书中，系统指配置为包括多个装置的全部装置。
图13是说明根据本发明的每个实施例的相机的横截面图。根据本实施例的相机是能够拍照静止图像或运动图像的视频相机的实例。
根据本实施例的相机包括：图像传感器1、光学系统110、快门设备111、驱动电路51和信号处理电路112。
光学系统110使来自对象主体的图像光(入射光)成像在图像传感器1的成像表面上。结果，对应信号电荷在图像传感器1内累积预定的时段。
快门设备111控制关于图像传感器1的光辐射时段和光阻止时段。
驱动电路51供应用于控制图像传感器1的传输操作和快门设备111的快门操作的驱动信号。图像传感器1的信号传输由从驱动电路51供应的驱动信号(定时信号)执行。信号处理电路112执行各种信号处理。经受信号处理的视频信号存储在存储介质(如存储器)中，或输出到监视器。
在上述实施例中，本发明适用到图像传感器1的情况已经作为实例进行了描述，其中检测对应于可见光的光量的信号电荷作为物理量的单位像素以矩阵排列。然而，本发明不限于适用于图像传感器1，而是可以适用于所有种类的列型固态成像设备，其中对像素阵列部分的每个像素列布置列电路。
此外，本发明不限于适用到检测可见光的入射光量的分布和将该分布成像为图像的固态成像设备，而是还可以适用到将红外线或X线或颗粒的入射量的分布等成像为图像的固态成像设备，更广泛的说适用到所有种类的固态成像设备(物理量分布检测设备)，如指纹检测传感器，该指纹检测传感器检测另一个物理量的分布(如压力或静电电容)并且将该分布成像为图像。
此外，本发明不限于适用到以行为单位顺序地扫描像素阵列部分的单位像素、并且从每个单位像素读取像素信号的固态成像设备，而是还可以适用到X-Y地址型固态成像设备，该X-Y地址型固态成像设备以像素为单位选择任意的像素，并且以像素为单位从选择的像素中读取信号。
此外，固态成像设备可以以一个芯片的形式形成，或在成像部分和信号处理部分或光学系统分组封装的情况下，可以以具有成像功能的模块的形式形成。
另外，本发明不限于适用到固态成像设备，而是可以适用到成像装置。此处，成像装置指相机系统(如数字相机或视频相机)或具有成像功能的电子装置(如移动电话)。另外，安装到电子装置中的模块(即相机模块)的形式可以是成像装置。
通过使用根据上述的实施例的图像传感器1作为在视频相机或数字相机或成像装置中的固态成像设备，如用于移动装置(如移动电话)的相机模块，在图像传感器1中获得具有简单配置的高质量图像是可能的。
本发明的实施例不限于上述实施例，而是可以进行各种修改而不背离本发明的精神和范围。
相关申请的交叉引用
本发明包含涉及于2007年5月17日向日本专利局提交的日本专利申请JP2007-132099的主题，在此通过引用并入其全部内容。

Claims (13)

1.一种具有像素阵列部分的图像传感器，在该像素阵列部分中像素在垂直和水平方向上以二维方式排列，并且以滚动快门方法控制每个像素的曝光时间，该图像传感器包括：
控制部件，当用于调节曝光的电子快门中对于每个水平扫描时段的像素阵列部分的垂直地址移动量、表示为行地址增加量P1、P2、P3、...PN的重复时，该控制部件用于通过基于地址增加量P1、P2、P3、...PN的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数是在一个水平扫描时段中同时执行电子快门的行数，其中调节曝光对应于每个像素中的电荷读取执行，并且N≥1。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中控制部件确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，使得电子快门发生数在任何一个水平扫描时段中相等。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中控制部件确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，使得在垂直方向上，在等于一个帧的时段中发生的电子快门的次数在每行中是相等的。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中，在生成其中像素数根据地址增加量P1、P2、P3、...PN在垂直或水平方向被稀疏的稀疏图像的情况下，控制部件基于每个地址增加量P1、P2、P3、...PN的绝对值的最大值Q，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，
其中控制部件进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行起、在一个水平扫描时段内连续确定的电子快门发生数的垂直方向上的地址的各行执行。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，
其中控制部件进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行连续的、垂直方向上的地址的Q行或更多行执行。
7.根据权利要求6所述的图像传感器，
其中控制部件进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行连续的、垂直方向的地址的Q+2个行执行。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，
其中在生成其中像素数根据地址增加量P1、P2、P3、...PN在垂直或水平方向被稀疏的稀疏图像的情况下，控制部件基于每个最邻近增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1的绝对值的最大值R，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该最邻近增加量P1+P2、P2+P3、P3+P4、...PN-1+PN、PN+P1通过将彼此邻近的各行的地址增加量相加而获得。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，
其中控制部件进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行每隔一行跳过的、垂直方向上的地址的不连续各行执行。
10.根据权利要求9所述的图像传感器，
其中控制部件进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行每隔一行跳过的、垂直方向的地址的R/2或更多不连续行执行。
11.根据权利要求10所述的图像传感器，
其中控制部件进行控制，使得电子快门对从曝光调节快门的对象行每隔一行跳过的、垂直方向的地址的(R+2)/2个不连续行执行。
12.一种具有像素阵列部分的电子装置，在该像素阵列部分中，像素在垂直和水平方向上以二维方式排列，并且以滚动快门方法控制每个像素的曝光时间，该电子装置包括：
控制部件，当曝光调节快门中对于每个水平扫描时段的像素阵列部分的垂直地址移动量、表示为行地址增加量P1、P2、P3、...PN的重复时，该控制部件用于通过基于地址增加量P1、P2、P3、...PN的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数是在一个水平扫描时段中同时执行电子快门的行数，其中该曝光调节快门是在对应于每个像素中的电荷读取执行的、用于调节曝光的电子快门，并且N≥1。
13.一种具有像素阵列部分的电子装置的驱动方法，在该像素阵列部分中像素在垂直和水平方向上以二维方式排列，并且以滚动快门方法控制每个像素的曝光时间，该驱动方法包括步骤：
当曝光调节快门中对于每个水平扫描时段的像素阵列部分的垂直地址移动量、表示为行地址增加量P1、P2、P3、...PN的重复时，用于通过基于地址增加量P1、P2、P3、...PN的操作，确定在一个水平扫描时段内的电子快门发生数，该电子快门发生数是在一个水平扫描时段中同时执行电子快门的行数，其中该曝光调节快门是在对应于每个像素中的电荷读取执行的、用于调节曝光的电子快门，并且N≥1。
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