CN102487432A - 摄像设备 - Google Patents

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Abstract

一种摄像设备，其包括：图像传感器，其包括多个摄像像素和接收在摄像镜头的出射光瞳被部分遮挡的情况下通过摄像镜头的出射光瞳的光束的多个焦点检测像素；垂直输出线，用于在图像传感器的垂直方向上输出排列在一个列上的多个像素的信号；垂直相加单元，在图像传感器的垂直方向上对排列在一个列上的多个像素的信号进行相加；以及控制单元，用于进行控制，以在垂直方向上相加多个像素的信号并且通过垂直相加单元读出信号时，在具有要相加的信号的像素中包括焦点检测像素的情况下，使得垂直相加单元始终为关断。

Description

摄像设备
技术领域
本发明涉及一种能够使用以二维模式配置的大量光电转换元件拍摄静止图像或运动图像的摄像设备。
背景技术
近年来，使用诸如CCD或CMOS等的固态图像传感器的数字照相机和摄像机已得以普及。这类数字照相机和摄像机通常具有用于自动调节摄像镜头的焦点位置的自动调焦(以下缩写为AF)功能。紧凑型照相机和摄像机通常通过对比度方案进行AF，在对比度方案下，评价摄像信号的对比度来调节焦点状态。
另外，在使用光学取景器的静止图像拍摄中，数字单镜头反光照相机通过使用快速返回镜将摄像光束分割成用于光学取景器的光束和用于焦点检测部件的光束、使用专用相位差焦点检测装置来进行AF。相反，在使用电子取景器或运动图像拍摄中，如紧凑型照相机或摄像机那样，数字单镜头反光照相机通过缩回快速返回镜以使得仅将摄像光束引导至固态图像传感器，来利用对比度方案进行AF。
然而，专用相位差焦点检测装置的缺点在于例如空间和成本，并且对比度方案具有下面的缺点：由于在改变摄像镜头的焦点位置时搜索摄像信号的对比度最大化的位置，所以不能进行高速调焦。
为了克服上述缺点，提出了这样一种技术：相对于图像传感器的一些光接收元件(像素)中的片上微透镜的光轴，偏移光接收部的感光区域以使其具有光瞳分割功能，从而使得这些像素用作焦点检测像素。通过在具有预定间隔的摄像像素之间配置焦点检测像素，即使在使用电子取景器或运动图像拍摄时也可以实现相位差方案的AF。
另外，日本特开2009-89143提出了这样一种方法：向摄像像素和焦点检测像素分开提供用于读出信号的信号线、输出电路和扫描电路，以高速从图像传感器中的焦点检测像素读出信号。
日本特开2009-128892提出了这样一种方法：如在例如使用电子取景器或运动图像拍摄时那样，在间隔剔除并读出固态图像传感器的信号以确保特定帧频的模式下，在不会不利地影响例如拍摄图像的帧频的情况下，从焦点检测像素有效读出信号。
在日本特开2010-20055中，本发明的申请人提出了这样一种方法：在使用电子取景器或运动图像拍摄时，为了防止图像质量由于例如摩尔纹(moiré)而劣化，在相加读出模式下，当在具有要相加的信号的像素中包括焦点检测像素时，在防止摄像像素和焦点检测像素相互混合的情况下，从摄像像素和焦点检测像素读出信号，其中，在相加读出模式下，在相加图像传感器的像素的信号的情况下读出图像传感器的像素的信号。
不幸的是，当在使用图像传感器进行相位差AF的摄像设备中设置了电子取景器模式或运动图像拍摄模式时，在抑制图像质量的劣化的情况下进行焦点检测，这通常是不可能的。
例如，在日本特开2009-89143中，向摄像像素和焦点检测像素分开提供用于读出摄像像素和焦点检测像素的信号的信号线、输出电路和扫描电路，以高速从焦点检测像素读出信号。然而，该专利文献没有说明电子取景器模式、以及运动图像拍摄中所使用的间隔剔除读出模式和相加读出模式。另外，该技术需要两个读出电路，因而使电路复杂化。
日本特开2009-128892提出了电子取景器模式和运动图像拍摄下的读出。然而，该技术通过从各个视野中的摄像像素和焦点检测像素间隔剔除读出信号而在垂直方向上将视野分割成第一视野和第二视野，因而使得不可能抑制垂直方向上的摩尔纹。
同样在日本特开2010-20055中，当在水平方向上要相加信号的像素中包括焦点检测像素时，单独输出焦点检测像素的信号，但是该专利文献没有详细说明垂直方向上的相加。
发明内容
考虑到上述问题提出了本发明，并且在特定方面的实施例中，即使在电子取景器模式或运动图像拍摄下，在水平和垂直方向上相加并读出摄像像素时，也能防止摄像像素和焦点检测像素的信号相互混合。
根据本发明，提供一种摄像设备，包括：图像传感器，其包括通过在作为水平方向的行方向和作为垂直方向的列方向上配置多个摄像像素和多个焦点检测像素所形成的像素阵列；垂直输出单元，用于在所述图像传感器的垂直方向上输出排列在一个列上的多个像素的信号；垂直相加单元，用于在所述图像传感器的垂直方向上对排列在一个列上的多个像素的信号进行相加；以及控制单元，其设置有全部像素读出模式和相加读出模式，其中，在所述全部像素读出模式下，在不进行相加的情况下从所述图像传感器的所有像素读出信号，在所述相加读出模式下，所述垂直相加单元在垂直方向上对多个像素的信号进行相加，其中，在所述相加读出模式下，在包括要相加的信号的像素中包括所述焦点检测像素的情况下，所述垂直相加单元始终被配置为关断。
本发明延伸至大致如在此参考附图所述的方法、设备和/或用途。在任何适当组合中，本发明的一个方面的任何特征都可适用于本发明的其它方面。尤其，方法方面的特征可以应用于设备方面，并且反之亦然。通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将显而易见。
附图说明
图1是根据第一实施例的照相机的框图；
图2A和2B分别是根据第一实施例的图像传感器的摄像像素的平面图和断面图；
图3A和3B分别是根据第一实施例的图像传感器的焦点检测像素的平面图和断面图；
图4是根据第一实施例的图像传感器的像素部的电路图；
图5是根据第一实施例的图像传感器的整体框图；
图6A～6I示出用于说明根据第一实施例的图像传感器的像素配置和水平垂直相加的图；
图7A和7B是根据第一实施例的图像传感器的垂直传送的时序图；
图8是根据第一实施例的图像传感器的水平传送的时序图；
图9是根据第一实施例的变形例的图像传感器的像素部的电路图；
图10是根据第二实施例的图像传感器的像素部的电路图；
图11是根据第二实施例的图像传感器的像素部的驱动的时序图；
图12是根据第二实施例的图像传感器的整体框图；
图13A～13G示出用于说明根据第二实施例的图像传感器的像素配置和垂直相加的图；以及
图14A和14B是根据第二实施例的图像传感器的垂直传送的时序图。
具体实施方式
下面将参考附图说明本发明的实施例。
第一实施例
图1是示出作为说明根据本发明第一实施例的摄像设备的例子的数字照相机100的结构的框图。参考图1，附图标记101表示位于摄像光学系统的前端的第一透镜组。保持第一透镜组101以使得其可在光轴方向上进退。附图标记102表示光圈和快门，其不仅通过调节其开口直径来调节摄像中的光量，而且还在静止图像拍摄中用作曝光时间调节快门。附图标记103表示第二透镜组。光圈和快门102和第二透镜组103一起在光轴方向上移动，并且与移动第一透镜组101连动来提供变倍功能(变焦功能)。附图标记105表示在光轴方向上移动以进行焦点调节的第三透镜组。附图标记106表示用作用于降低拍摄图像的伪色和摩尔纹的光学元件的光学低通滤波器。附图标记107表示包括CMOS传感器及其周边电路的图像传感器。图像传感器107使用二维单板彩色传感器，其中，二维单板彩色传感器具有通过在行方向(水平方向)和列方向(垂直方向)上配置像素所形成的像素阵列，并且通过在片上结构中的m(水平)×n(垂直)个光接收像素上形成原色马赛克滤波器以使得以Bayer图案配置这些滤波器来形成二维单板彩色传感器。图像传感器107包括多个摄像像素和焦点检测像素。
附图标记111表示变焦致动器，其转动凸轮筒(未示出)，以在光轴方向上驱动第一透镜组101至第三透镜组105，从而进行变倍操作。附图标记112表示光圈/快门致动器，其控制光圈和快门102的开口直径来调节摄像光的量，并且在静止图像拍摄时控制曝光时间。附图标记114表示焦点致动器，其在光轴方向上驱动第三透镜组105来进行焦点调节。附图标记115表示在摄像时照明被摄体所使用的电子闪光灯。附图标记116表示AF辅助光单元，其经由光投影透镜将具有预定开口图案的掩模的图像投影到视野上，以增强对于暗被摄体或低对比度被摄体的焦点检测能力。
附图标记121表示对照相机机体进行各种类型的控制的CPU。CPU 121包括例如算术单元、ROM、RAM、A/D转换器、D/A转换器和通信接口电路，并且基于存储在ROM中的预定程序驱动照相机中所设置的各种电路，从而执行一系列操作，包括例如AF、摄像、图像处理和记录。附图标记122表示电子闪光灯控制电路，其与摄像操作同步地对电子闪光灯115进行接通/关断控制。附图标记123表示辅助光驱动电路，其与焦点检测操作同步地对AF辅助光单元116进行接通/关断控制。
附图标记124表示图像传感器驱动电路，其控制图像传感器107的摄像操作，A/D转换所获取的图像信号，并且将其发送给CPU 121。附图标记125表示图像处理电路，其对图像传感器107所获取的图像进行诸如伽马转换、颜色插值和JPEG压缩等的各种类型的处理。
附图标记126表示焦点驱动电路，其在CPU 121的控制下，基于焦点检测结果控制对焦点致动器114的驱动，并且在光轴方向上驱动第三透镜组105来进行焦点调节。附图标记128表示光圈/快门驱动电路，其控制对光圈/快门致动器112的驱动来控制光圈和快门102的开口。附图标记129表示变焦驱动电路，其根据拍摄者的变焦操作驱动变焦致动器111。
附图标记131表示诸如LCD等的显示装置。显示装置131显示例如数字照相机100中的与摄像模式相关联的信息、摄像之前的预览图像、摄像之后的确认图像、以及焦点检测时的焦点状态显示图像。附图标记132表示操作开关组，其包括例如电源开关、释放(摄像触发器)开关、变焦操作开关和模式选择开关。模式选择开关用作能够设置静止图像拍摄模式、运动图像拍摄模式和电子取景器模式的模式设置单元。在运动图像拍摄模式或电子取景器模式下，可以设置间隔剔除读出模式和相加读出模式(第一相加读出模式或第二相加读出模式)(后面将对其进行说明)。附图标记133表示记录拍摄图像的可拆卸闪速存储器。
图2A和2B以及3A和3B分别是用于说明摄像像素和焦点检测像素的结构的图。在本实施例中，设置了多个焦点检测像素，其接收通过摄像光学系统的出射光瞳的部分区域(部分遮挡区域)的光。本实施例采用Bayer阵列，在Bayer阵列中，将具有G(绿色)光谱感光度的像素配置为2行×2列(下面以X和Y使用符号表示行和列，例如，以下将“2行×2列”表示为“2×2”)的四个像素之中的两个对角相对的像素，并且将具有R(红色)光谱感光度和具有B(蓝色)光谱感光度的像素配置为其余两个像素。将具有后面所述的结构的焦点检测像素分布在Bayer阵列的像素之间。
图2A和2B分别示出摄像像素的配置和结构。图2A是2×2个摄像像素的平面图。已知，在Bayer阵列中，按照作为四个像素中的两个的对角相对的G像素和作为其余两个像素的对角相对的R和B像素，重复配置各自具有2×2个像素的结构。图2B是沿图2A中的线A-A的断面图。附图标记ML表示位于各像素的最前面的片上微透镜。附图标记CFR表示R(红色)颜色滤波器。附图标记CFG表示G(绿色)颜色滤波器。附图标记PD(光电二极管)表示CMOS传感器的光电转换单元的示意性结构。附图标记CL(接触层)表示形成信号线所使用的互连层，其中，经由该信号线传送CMOS传感器中的各种信号。附图标记TL(拍摄镜头)表示摄像光学系统的示意性结构。
将各摄像像素的片上微透镜ML和光电转换单元PD配置成尽可能地捕获通过摄像光学系统TL的光束。通过片上微透镜ML使得摄像光学系统TL的光电转换单元PD和出射光瞳EP(出射光瞳)相互共轭，并且将光电转换单元PD设计成具有大的有效面积。尽管参考图2B说明了入射至R像素的光束，但是G(绿色)和B(蓝色)像素具有相同结构。因此，与R、G和B摄像像素中每一个相对应的出射光瞳EP具有大的直径，以使得有效捕获来自被摄体的光束，从而改善图像信号的S/N比。这样，多个摄像像素分别接收通过出射光瞳EP的整个区域的光束，以生成被摄体的图像。
图3A和3B是分别示出在水平方向(横向)上进行摄像光学系统TL的光瞳分割所使用的焦点检测像素的配置和结构的图。“水平方向”在这里是指，当将摄像设备放置成光轴和摄像区域的各长边变成与地面平行时，沿着水平延伸并且与摄像光学系统TL的光轴垂直的直线的方向。图3A是包括焦点检测像素的2×2个像素的平面图。为了获得用于记录或观赏的图像信号，通过G像素获取亮度信息的主成分。由于人的图像识别特性对亮度信息敏感，所以如果G像素缺失，则更可能感知图像质量的劣化。另一方面，使用R或B像素获取颜色信息(色差信息)。由于人的图像识别特性对颜色信息不敏感，所以即使用于获取颜色信息的一些像素缺失，也不大可能感知图像质量的劣化。因此，在本实施例中，在2×2个像素中，保留G像素作为摄像像素，而利用焦点检测像素替换R和B像素。参考图3A，附图标记SHA和SHB表示这些焦点检测像素。
图3B是沿图3A的线A-A的断面图。片上微透镜ML和光电转换单元PD具有与图2B所示的摄像像素相同的结构。在本实施例中，不使用焦点检测像素的信号来生成图像，并且代替颜色分离颜色滤波器，布置透明膜CFW(白色)或CFG(绿色)。另外，为了通过图像传感器107进行光瞳分割，互连层CL中的开口部在相对于片上微透镜ML的中心线的一个方向上偏移。更具体地，像素SHA的开口部OPHA向右偏移以接收通过摄像光学系统TL的左出射光瞳EPHA的光束。焦点检测像素SHB的开口部OPHB向左偏移以接收通过摄像光学系统TL的右出射光瞳EPHB的光束。以规则图案水平配置像素SHA，并且将通过这些像素所获取的被摄体图像定义为图像A。另外，以规则图案水平配置焦点检测像素SHB，并且将通过这些像素所获取的被摄体图像定义为图像B。在这种情况下，可以通过检测图像A和图像B之间的相对位置来检测被摄体图像的焦点偏移量(离焦量)。还设置在垂直方向上进行光瞳分割所使用的像素。
图4是示出本实施例中所使用的CMOS图像传感器的一个像素部的电路的电路图。附图标记401表示光电二极管，其用于接收由被摄体反射的并进入摄像镜头的光、并且对该光进行光电转换；并且附图标记402表示电荷传送MOS，其用于将储存在光电二极管401上的信号电荷传送至浮动扩散部(以下缩写为FD)的电容器，并且根据信号φTX控制电荷传送MOS。附图标记403表示复位MOS，其用于复位光电二极管401和FD电容器，并且根据信号φRES控制复位MOS。附图标记404表示源极跟随器放大器，其在栅极中具有FD电容器(未示出)，并且用于将传送至FD电容器的信号电荷转换成电压。另外，为使得可以相加垂直方向上的像素输出，将相加信号线V_add与源极跟随器放大器404的栅极，即FD电容器连接。下面将详细说明相加方法。附图标记405表示像素选择MOS晶体管，其在控制信号φSEL的控制下将源极跟随器放大器404的输出输出给垂直输出线。
图5是示出第一实施例中所使用的CMOS图像传感器的整体电路块的框图。尽管具有数百万以上的像素的图像传感器已作为实际产品投入实际使用，但是为了简化，这里将说明具有14×14个像素的结构。
附图标记501表示具有图4所示的电路的像素部，其中，配置了14×14个像素。参考左上像素，向14×14个像素分配像素坐标(x，y)＝(0，0)～(13，13)。以Bayer图案配置颜色滤波器，并且图5中的R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)表示覆盖在光电二极管上的颜色滤波器的颜色。图5中以圆圈所表示的两个像素示例性说明参考图3所述的焦点检测像素，因而像素SHA位于坐标(2，2)处，像素SHB位于坐标(5，5)处，并且对于焦点检测像素使用G或透明颜色滤波器以允许焦点检测。尽管多对焦点检测像素SHA和SHB被分布在图像传感器上，并且进行焦点检测，但是为了简化说明，仅说明布置一对焦点检测像素SHA和SHB的结构。
附图标记502表示用于相加垂直方向上的像素输出的MOS晶体管。通常通过信号线V_add0～V_add7的八个信号线针对各行控制MOS晶体管502。将使用列0作为代表说明相加方法。在这种情况下，将信号线V_add0～V_add7改变成H电平以接通MOS晶体管502，从而使得(0，0)、(0，2)和(0，4)处的三个R像素、(0，3)、(0，5)和(0，7)处的三个G像素、(0，6)、(0，8)和(0，10)处的三个R像素、以及(0，9)、(0，11)和(0，12)处的三个G像素的FD电容器相互并联连接，并且将各个像素的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器，从而进行相加。这同样适用于其它列。利用上述结构，对于垂直方向上的每一组的三个像素进行相加处理。对于行1和12不进行相加，以避免相加后的重心移动。
由于像素SHA和SHB用作焦点检测像素，所以当将它们的信号与来自摄像像素的信号相加时，难以进行焦点检测。为此，如果在要相加信号的三个像素中包括焦点检测像素，则必须在不执行垂直相加的情况下单独输出它的信号。因此，将形成要相加信号并且包括(2，2)处的像素SHA的一组三个像素中的(2，0)和(2，4)处的摄像像素固定成GND(接地)，以使得行2上的相加MOS晶体管502的栅极电位始终为关断，而不管控制信号V_add如何。类似地，形成要相加信号的并且包括(5，5)处的像素SHB的一组三个像素中的(5，3)和(5，7)处的摄像像素固定成GND，以使得行5上的相加MOS晶体管502的栅极电位始终为关断，而不管控制V_add如何。这使得可以从要进行垂直相加的像素中排除焦点检测像素。
附图标记503表示被配置在各列上的源极跟随器放大器404的负荷恒流源。附图标记504表示用于向各行上的像素组输出信号φRES、φTX、φSEL和V_add的垂直选择电路。垂直选择电路504根据垂直扫描电路505所指定的行选择信号φV，输出上述控制信号。
附图标记506表示根据控制信号MEM临时存储一个行上垂直传送的像素信号的线存储器，并且在每一列上配置用于存储模拟信号的电容器。附图标记507～514表示用于进行水平像素相加的模拟开关。模拟开关507～514根据控制信号ADD1、ADD2和ADD3进行被传送至模拟存储器的像素信号的水平像素相加。如垂直相加那样，通过相互并联连接线存储器，模拟开关507～514执行水平相加，因而相加列0/2/4上的三个像素、列3/5/7上的三个像素、列6/8/10上的三个像素以及列9/11/13上的三个像素。通过在三个像素的垂直相加之后执行三个像素的水平相加，可以相加并输出九个像素的信号。另外，当在不进行水平方向上的相加的情况下要输出焦点检测像素的信号时，可以使用日本特开2010-20055所述的方法。
附图标记515表示用于复位水平输出线的复位MOS晶体管。附图标记516表示用于将线存储器的输出连接到水平输出线的MOS晶体管。MOS晶体管516在水平扫描电路(后面说明)的控制下，将像素信号顺次输出给水平输出线。附图标记517表示已知的水平扫描电路。附图标记518表示用于将水平输出线的像素输出输出到外部的放大器。
利用上述结构，垂直和水平相加三个摄像像素的信号，并且当在这三个像素中包括焦点检测像素时，可以在不进行相加的情况下单独输出焦点检测像素的信号。
另外，将图像传感器配置成通过改变控制信号(未示出)和水平垂直扫描的定时来读出所有像素的信号，以能够利用三个垂直像素和三个水平像素的相加来选择性地进行的相加间隔剔除读出。
图6A～6I示出像素配置和相加读出之间的关系的图。首先，图6A示出14×14个像素的整个配置。例如图6A中的交叉阴影线部分所表示的摄像像素示出经过了垂直和水平相加的像素的重心位置。单独输出像素SHA和SHB的信号(即不进行相加)。图6B示出R和G列的相加读出，图6C示出B和G列的相加读出，图6D示出包括像素SHA的R和G列的相加读出，并且图6E示出包括像素SHB的B和G列的相加读出。垂直相加前后的像素状态之间的关系通过图6A～6E显而易见，并且不给出对其的说明。
类似地，图6F示出R和G行的相加读出，图6G示出G和B行的相加读出，图6H示出包括像素SHA的R和G行的相加读出，并且图6I示出包括像素SHB的G和B行的相加读出。水平相加前后的像素状态之间的关系通过图6E～6I显而易见，并且不给出对其的说明。
图7A和7B是用于说明图5所示的图像传感器的读出的时序图，并且示出三个像素的垂直相加读出中的垂直扫描的定时。这里不说明所有像素的读出。
首先，输出垂直扫描信号φV0，并且将φRES0、φRES2和φRES4改变成L电平以关断行0、2和4上的复位MOS。此时，输出φSEL2以接通行2上的像素选择MOS。在这种状态下，将V_add0和V_add2改变成H电平以相互并联连接行0、2和4上的FD电容器，并且根据φTX0、φTX2和φTX4接通电荷传送MOS以将行0、2和4上的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器。在完成传送之后，使信号φTX和V_add恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平，以将三个像素相加之后的像素信号垂直传送至线存储器。此时，相加MOS晶体管始终为关断，因而在不进行相加输出的情况下单独输出像素SHA的信号。
当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX0、φTX2和φTX4再次改变成H电平以复位光电二极管和FD电容器。在复位之后，使φTX再次恢复成L电平以开始行0、2和4上的光电二极管上的电荷储存。在完成垂直传送之后，进行水平扫描，从而完成行0、2和4的读出。
然后，首先按照该顺序进行行3/5/7的垂直传送和水平扫描，接着按照该顺序进行行6/8/10的垂直传送和水平扫描，并且最后按照该顺序进行行9/11/13的垂直传送和水平扫描，从而完成利用三个垂直像素和三个水平像素的相加的相加间隔剔除读出。该操作的定时通过图7A和7B显而易见，并且不给出对其的详细说明。另外，由于位于行5上的像素SHB的相加MOS晶体管同样始终为关断，所以当然像素SHB同样以与像素SHA相同的方式单独输出信号。下面将详细说明水平扫描。
图8是用于说明图5所示的图像传感器的读出的时序图，并且示出三个像素的水平相加读出中的水平扫描的定时。这里不说明所有像素的读出。首先，通过水平扫描将行0/2/4上的垂直传送的像素信号输出给图像传感器的外部端子。在该操作中，输出信号HRST以将水平传送线复位成预定电位VHRST。然后通过水平扫描电路依次顺序输出水平扫描信号H2、H5、H8和H11，以顺次接通相应的MOS晶体管516，从而经由放大器518将线存储器506中的来自列2、5、8和11的信号输出到外部。另外，由于行0/2/4上的垂直相加信号包括单独输出的像素SHA，所以将水平相加信号控制为ADD1＝L和ADD2＝ADD3＝H，并且在不水平相加列0、2和4的情况下输出列2的信号。相加并输出其它列3/5/7、6/8/10和9/11/13的信号。
然后，按照该顺序依次重复行3/5/7的垂直传送和水平扫描、行6/8/10的垂直传送和水平扫描、以及行9/11/13的垂直传送和水平扫描。该操作的定时通过图8显而易见，并且不给出对其的详细说明。另外，由于行3/5/7的垂直相加信号包括像素SHB的信号，所以将水平相加信号设置为ADD1＝ADD3＝H和ADD2＝L，并且单独输出像素SHB的信号，而在水平相加时输出其余像素的信号。
另外，由于在要相加信号的三个像素中没有包括焦点检测像素，所以在行6/8/10或行9/11/13的水平扫描中，设置ADD1＝ADD2＝ADD3＝H，并且在水平相加时输出所有像素。
如上所述，将用于相加焦点检测像素的相加MOS晶体管始终设置为关断，而不管控制信号如何，从而无需添加用于将焦点检测像素设置成非相加状态的新控制信号。这有利于将各像素的开口部保持为宽。另外，优选保持图像传感器的元件的配置和互连均匀，这是因为这样抑制了像素变化。因此，即使对于非相加像素也优选配置相加元件。在本实施例中，局部改变部分互连，从而可以使该变化对均匀性的不利影响最小化。
另外，即使将焦点检测像素SHA置于(2，0)或(2，4)处，并且将焦点检测像素SHB置于(5，3)或(5，7)处，也可以在不进行相加的情况下单独输出它们的信号。当改变焦点检测像素的位置时，仅需要根据焦点检测像素的配置改变垂直传送中的像素选择MOS的信号φSEL。
图9示出将焦点检测像素设置成非相加状态的变形例。在图9中与图4中相同附图标记表示与图4所示的像素部电路中的相同的部分。如图9中的附图标记900所示，如通过切断相加信号线V_add这样来设置要设置成非相加状态的像素，从而可以获得与图5的情况相同的效果。
第二实施例
图10是根据本发明第二实施例的图像传感器的像素部的电路图。参考图10，与图4中相同的附图标记表示具有与图4中的相同功能的元件。通常，使用CMOS的图像传感器针对各个行进行垂直传送，因而传送定时在各个行中改变。因此，为在各像素中形成宽的开口部，多个像素可以共同使用(共享)除传送MOS以外的元件。图10示出两个像素共享除传送MOS以外的元件。附图标记1001表示光电二极管，附图标记1002表示光电二极管1001的传送MOS。传送MOS 1002将光电二极管1001上的电荷传送至FD电容器404，像素选择MOS晶体管405选择该电荷，并且垂直传送该电荷。
图11是在两个像素共享元件时的垂直传送的时序图。图11中没有示出垂直扫描信号。首先，将φRES改变成L电平以关断复位MOS。此时，输出φSEL以接通像素选择MOS。根据φTX1接通电荷传送MOS以将光电二极管401上的电荷传送至FD电容器。在完成传送之后，使φTX1恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平以将像素信号垂直传送至线存储器。当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX0再次改变成H电平以复位光电二极管401和FD电容器。从而完成光电二极管1001的垂直传送，并且执行其水平传送。
将φRES再次改变成L电平以关断复位MOS。此时，输出φSEL以接通像素选择MOS。根据φTX1接通电荷传送MOS以将光电二极管1001上的电荷传送至FD电容器。在完成传送之后，使φTX2恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平以将像素信号垂直传送至线存储器。当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX2再次改变成H电平以复位光电二极管1001和FD电容器。从而完成光电二极管401的垂直传送，并且执行其水平传送。
如上所述，光电二极管401和1001具有不同垂直传送定时，因此可以通过提供两种类型的电荷传送MOS来共享其它元件。
图12是示出第二实施例中所使用的CMOS图像传感器的整体电路块的框图。尽管作为实际产品，具有数百万以上像素的图像传感器已投入实际使用，但是为了简化，这里将说明具有14×14个像素的结构。参考图12，与图5相同的附图标记表示具有与图5中的相同的功能的元件。
附图标记1201表示具有图11所示电路的像素部，其中，配置14×14个像素。参考左上像素，向14×14个像素分配像素坐标(X，Y)＝(0，0)～(13，13)。以Bayer图案配置颜色滤波器，并且图12中的R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)表示覆盖在光电二极管上的颜色滤波器的颜色。尽管图11和12示出与图4和5的几乎相同的像素配置，但是图12中的附图标记R/G、G/B、SHA/G和G/SHB表示像素部电路，其中，图11所示的两个像素共用各像素部电路。下面将详细说明像素配置。
图12中以圆圈所表示的两个部分表示，在多组共享像素部电路的两个像素中通常包括如参考图3A和3B所述的成对的焦点检测像素SHA和SHB。尽管多对的焦点检测像素SHA和SHB被分布在图像传感器上，并且进行焦点检测，但是为了简化说明，仅说明布置了一对焦点检测像素SHA和SHB的结构。
附图标记1202表示用于相加垂直方向上的像素输出的MOS晶体管。通常利用信号线V_add0～V_add5六个信号线针对各行控制MOS晶体管1202。将使用列0作为代表说明相加方法。在这种情况下，根据需要接通MOS晶体管1202，从而相互并联连接(0，0)、(0，2)和(0，4)处的三个R像素、(0，3)、(0，5)和(0，7)处的三个G像素、(0，6)、(0，8)和(0，10)处的三个R像素、以及(0，9)、(0，11)和(0，12)处的三个G像素的FD电容器，并且将各个像素的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器，从而进行相加。这同样适用于其它列。利用上述结构，对于垂直方向上的每一组的三个像素进行相加处理。对于行1和12不进行相加，以避免相加之后的重心移动。
由于像素SHA和SHB用作焦点检测像素，所以当将它们的信号与来自摄像像素的信号相加时，难以进行焦点检测。为此，如果在要相加信号的三个像素中包括焦点检测像素，则必须在不执行垂直相加的情况下单独输出它的信号。将图12中以圆圈所围绕的相加MOS晶体管的栅极电压设置成GND电平，从而使得这些晶体管始终为关断，而不管控制信号V_add如何，如图5那样。
图13A～13G示出根据第二实施例的像素配置和相加读出之间的关系的图。首先，图13A示出14×14个像素的整个配置。例如，图13A中的阴影线交叉部分所表示的摄像像素示出经过了垂直和水平相加的像素的重心位置。像素SHA和SHB单独输出信号(即不进行相加)。图13A～13G所示的像素SHA和SHB的配置在垂直坐标方面不同于图6A～6I所示的，因而将像素SHA置于(2，6)，而将像素SHB置于(5，7)。图13B示出R和G列的R像素相加的关系，图13C示出R和G列的G像素相加的关系，图13D示出包括像素SHA的R和G列的R像素相加的关系，图13E示出G和B列的G像素相加的关系，图13F示出G和B列的B像素相加的关系，并且图13G示出包括像素SHB的B和G列的B像素相加的关系。
首先说明图13B。图13B中所示的开关表现出在R像素具有要相加的信号时图12所示的相加MOS晶体管1202的状态。通过将相加M0S晶体管设置在如图13所示的状态，在垂直方向上相加行0、2和4上的三个R像素、以及行6、8和10上的三个像素。
类似地，通过将相加MOS晶体管设置在如图13C所示的状态，在垂直方向上相加行3、5和7上的三个G像素、以及行9、11和13上的三个G像素。
另外，通过将相加MOS晶体管设置在如图13D所示的状态，在包括焦点检测像素的列上，相加行0、2和4上的三个R像素的信号，单独输出行6上的像素SHA的信号，并且相加行8和10上的R像素的信号。在第二实施例中，如第一实施例那样，将相加开关始终设置为关断以防止在芯片状态下相加焦点检测像素的信号，从而单独输出该信号。然而，当将焦点检测像素置于(2，2)处时，如第一实施例那样，必须将相加行2和4的信号的相加开关设置为正常关断状态。当这样做时，排除行3、5和7上的相加G像素中的行3上的G像素作为对象。因此，在两个像素构成共用电路的第二实施例中，将焦点检测像素置于行6上，这不会对G像素的相加产生不利影响(不影响相加)。
图13E～13G示出G和B列上的相加开关的状态。G和B列上的这些相加开关的机构与R和G列上的相同，并且不给出对其的说明。
图14A和14B是用于说明图12所示的图像传感器的读出的时序图，并且示出三个像素的垂直相加读出中的垂直扫描的定时。这里将不说明所有像素的读出。
首先，输出垂直扫描信号φV0，并且将φRES0、φRES1和φRES2改变成L电平以关断行0/1、2/3和4/5上的复位MOS。此时，输出φSEL0以接通行0/1上的像素选择MOS。在这种状态下，将V_add0和V_add1改变成H电平以相互并联连接行0/1、2/3和4/5上的FD电容器，并且根据φTX1_0、φTX1_2和φTX1_4接通电荷传送MOS，以将行0、2和4上的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器。在完成传送之后，使信号φTX和V_add恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平以将三个像素相加之后的像素信号垂直传送至线存储器。当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX1_0、φTX1_2和φTX1_4再次改变成H电平以复位光电二极管和FD电容器。在复位之后，使φTX再次恢复成L电平以开始行0、2和4上的光电二极管上的电荷储存。在完成垂直传送之后，进行水平扫描，并且因而完成行0、2和4的读出。
接着输出垂直扫描信号φV3，并且将φRES1、φRES2和φRES3改变成L电平以关断行2/3、4/5和6/7上的复位MOS。此时，输出φSEL1以接通行2/3上的像素选择MOS。在这种状态下，将V_add1和V_add2改变成H电平以相互并联连接行2/3、4/5和6/7上的FD电容器，并且根据φTX2_3、φTX2_5和φTX2_7接通电荷传送MOS，以将行3、5和7上的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器。在完成传送之后，使信号φTX和V_add恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平以将三个像素相加之后的像素信号垂直传送至线存储器。另外，由于位于行7上的像素SHB的相加MOS晶体管始终为关断，所以像素SHB单独输出信号。当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX2_3、φTX2_5和φTX2_7再次改变成H电平以复位光电二极管和FD电容器。在复位之后，使φTX再次恢复成L电平以开始行3、5和7上的光电二极管上的电荷储存。在完成垂直传送之后，进行水平扫描，并且因而完成行3、5和7的读出。
输出垂直扫描信号φV6，并且将φRES3、φRES4和φRES5改变成L电平以关断行6/7、8/9和10/11上的复位MOS。此时，输出φSEL3以接通行6/7上的像素选择MOS。在这种状态下，将V_add3和V_add4改变成H电平以相互并联连接行6/7、8/9和10/11上的FD电容器，并且根据φTX1_6、φTX1_7和φTX1_8接通电荷传送MOS以将行6、7和8上的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器。在完成传送之后，使信号φTX和V_add恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平以将三个像素相加之后的像素信号垂直传送至线存储器。另外，由于位于行6上的像素SHB的相加MOS晶体管始终为关断，所以像素SHB单独输出信号。
当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX1_6、φTX1_7和φTX1_8再次改变成H电平以复位光电二极管和FD电容器。在复位之后，使φTX再次恢复成L电平以开始行6、8和10上的光电二极管上的电荷储存。在完成垂直传送之后，进行水平扫描，从而完成行6、8和10的读出。
最后，输出垂直扫描信号φV9，并且将φRES4、φRES5和φRES6改变成L电平以关断行8/9、10/11和12/13上的复位MOS。此时，输出φSEL4以接通行8/9上的像素选择MOS。在这种状态下，将V_add4和V_add5改变成H电平以相互并联连接行8/9、10/11和12/13上的FD电容器，并且根据φTX2_9、φTX2_11和φTX2_13接通电荷传送MOS以将行9、11和13上的光电二极管上的电荷传送至并联连接的FD电容器。在完成传送之后，使信号φTX和V_add恢复成L电平。然后，将信号MEM改变成H电平以将三个像素相加之后的像素信号垂直传送至线存储器。
当完成垂直传送时，使信号φRES恢复成H电平，并且将φTX2_9、φTX2_11和φTX2_13再次改变成H电平以复位光电二极管和FD电容器。在复位之后，使φTX再次恢复成L电平以开始行9、11和13上的光电二极管上的电荷储存。在完成垂直传送之后，进行水平扫描，从而完成行9、11和13的读出。注意，水平扫描与第一实施例中的相同。
如上所述，当两个像素共享像素部的电路，如光电二极管上的颜色滤波器的颜色所示，例如，R/G和G/B，并且G像素具有要相加的信号时，将焦点检测像素置于要被设置为关断的相加MOS晶体管的位置处，并且始终设置为关断，使得焦点检测像素在不进行垂直相加的情况下单独输出信号。在这种情况下，可以相加作为对象的没有包括焦点检测像素的所有正常像素。
尽管参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (7)

1.一种摄像设备，包括：
图像传感器，其包括通过在作为水平方向的行方向和作为垂直方向的列方向上配置多个摄像像素和多个焦点检测像素所形成的像素阵列；
垂直输出单元，用于在所述图像传感器的垂直方向上输出排列在一个列上的多个像素的信号；
垂直相加单元，用于在所述图像传感器的垂直方向上对排列在一个列上的多个像素的信号进行相加；以及
控制单元，其设置有全部像素读出模式和相加读出模式，其中，在所述全部像素读出模式下，在不进行相加的情况下从所述图像传感器的所有像素读出信号，在所述相加读出模式下，所述垂直相加单元在垂直方向上对多个像素的信号进行相加，
其中，在所述相加读出模式下，在包括要相加的信号的像素中包括所述焦点检测像素的情况下，所述垂直相加单元始终被配置为关断。
2.根据权利要求1所述的摄像设备，其特征在于，所述图像传感器包括用于传送所述图像传感器内的信号的互连层，其中，所述互连层局部被配置为防止所述摄像像素和所述焦点检测像素垂直相加。
3.根据权利要求2所述的摄像设备，其特征在于，所述互连层包括用于选择要相加的像素的多个相加晶体管，其中，所述多个相加晶体管中的至少一个相加晶体管接地。
4.根据权利要求2所述的摄像设备，其特征在于，所述互连层包括各像素处的垂直相加信号线，其中，所述垂直相加信号线中的至少一个垂直相加信号线无效。
5.根据权利要求1所述的摄像设备，其特征在于，所述多个摄像像素分成用于输出亮度信息的多个像素和用于输出颜色信息的多个像素，并且一组用于输出亮度信息的多个像素和一组用于输出颜色信息的多个像素共享在各像素中所设置的电路的一部分。
6.根据权利要求5所述的摄像设备，其特征在于，利用所述焦点检测像素替换用于输出颜色信息的多个像素中的一些像素，并且所述焦点检测像素位于所述焦点检测像素不会妨碍用于输出亮度信息的多个像素相加的位置。
7.根据权利要求1所述的摄像设备，其特征在于，所述摄像像素接收通过摄像镜头的出射光瞳的光束，并且所述焦点检测像素接收在所述摄像镜头的出射光瞳被部分遮挡的情况下通过所述摄像镜头的出射光瞳的光束。
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