CN102859995B - 成像装置和驱动固态成像器件的方法 - Google Patents

成像装置和驱动固态成像器件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种成像装置，该成像装置能够实现颜色再现性的改善和动态范围的扩展，而与被摄对象无关。该成像装置包括固态成像器件（5）和驱动单元（10），该固态成像器件（5）具有多对光谱灵敏度特性不同的光电转换元件（51W）和（51N），该驱动单元（10）独立地控制光电转换元件（51W）和（51N）的曝光时间，其中每一对中的光电转换元件（51W）主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的光电转换元件（51N）主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，以及驱动单元（10）可切换地执行第一控制和第二控制，在第一控制中光电转换元件（51W）的曝光时间长于光电转换元件（51N）的曝光时间，在第二控制中光电转换元件（51N）的曝光时间长于光电转换元件（51W）的曝光时间。

Description

成像装置和驱动固态成像器件的方法
技术领域
本发明涉及一种成像装置和一种驱动固态成像器件的方法。
背景技术
到现在为止，已提出配备有包括每对由两个光电转换元件构成的多对光电转换元件的固态成像器件的各种成像装置，其中这两个光电转换元件获得具有不同灵敏度的信号以扩展动态范围（Drange）（例如，参见专利文献1至3）。
在专利文献1中公开的成像装置具有固态成像器件，该固态成像器件包括：多对像素部，每对像素部具有两个光电转换元件，这两个光电转换元件具有分别设置在其上的波长选择性不同的红色滤色器；多对像素部，每对具有两个光电转换元件，这两个光电转换元件具有分别设置在其上的波长选择性不同的绿色滤色器；多对像素部，每对具有两个光电转换元件，这两个光电转换元件具有分别设置在其上的波长选择性不同的蓝色滤色器。这样，通过合成从每对像素部的两个光电转换元件获得的信号来实现在颜色再现性方面的改善。此外，还可以通过在每对像素部的两个光电转换元件之间提供灵敏度差（通过改变两个光电转换元件中的结构或曝光时间）使动态范围扩展。
在具有专利文献1所公开的配置的固态成像器件中，当考虑到图像质量时，将有必要检查应使每对像素部的两个光电转换元件中的哪一个具有较高灵敏度。然而，专利文献1未描述关于在每对像素部的两个光电转换元件之间提供灵敏度差异的情况的具体示例。
在专利文献2中，公开了一种固态成像器件，该固态成像器件在其上方具有光谱特性不同的滤色器并且包括光接收区域彼此不同的主感光部和次感光部。采用该固态成像器件，也可以扩展动态范围。
然而，专利文献2主要涉及在照明光源的辨别精度方面的改善，并且未描述颜色再现性。
在专利文献3中，公开了一种具有每对由两个光电转换元件构成的多对光电转换元件的固态成像器件，其中两个光电转换元件的光电转换灵敏度相等或者彼此不同。然而，仅提到了动态范围的扩展，而颜色再现性的改善未描述。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]JP-2009-268078A
[专利文献2]JP-2004-289728A
[专利文献3]JP-2008-270832A
发明内容
要解决的技术问题
考虑到上述情形而做出了本发明，本发明的目的是提供一种成像装置和驱动固态成像器件的方法，其能够兼容地实现颜色再现性的改善和动态范围的扩展，而与被摄对象无关。
解决技术问题的手段
本发明的成像装置包括：固态成像器件，其具有多对光谱灵敏度特性不同的第一和第二光电转换元件；和驱动单元，其独立地控制由多个第一光电转换元件构成的第一组的曝光时间和由多个第二光电转换元件构成的第二组的曝光时间，其中，每一对中的第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的第二光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，并且驱动单元通过切换第一控制和第二控制执行控制操作，在第一控制中第一组的曝光时间长于第二组的曝光时间，在第二控制中第二组的曝光时间长于第一组的曝光时间。
本发明的驱动固态成像器件的方法是驱动这样的固态成像器件的方法：该固态成像器件具有多对光电转换元件，每对包括光谱灵敏度特性不同的第一和第二光电转换元件，其中，每一对中的第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的第二光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，该方法包括驱动步骤，该驱动步骤独立地控制由多个第一光电转换元件构成的第一组的曝光时间和由多个第二光电转换元件构成的第二组的曝光时间。在驱动步骤中，通过切换第一控制和第二控制来执行控制操作，在第一控制中第一组的曝光时间长于第二组的曝光时间，在第二控制中第二组的曝光时间长于第一组的曝光时间。
发明的技术效果
根据本发明，能够提供一种成像装置和驱动固态成像器件的方法，其能够兼容地实现颜色再现性的改善和动态范围的扩展，而与被摄对象无关。
附图说明
图1是说明成像装置的示意性配置以描述本发明的一个实施例的示图。
图2是说明图1所示的数码照相机中的固态成像器件的示意性配置的平面图。
图3是说明图2所示的固态成像器件中的光电转换元件51W和光电转换元件51N的光谱灵敏度特性的曲线图。
图4是用于描述图1所示的数码照相机中的成像器件驱动单元执行的宽优先方式的控制内容的示图。
图5是用于描述图1所示的数码照相机中的成像器件驱动单元执行的窄优先方式的控制内容的示图。
图6是用于描述图1所示的数码照相机在宽动态范围成像模式下操作的流程图。
图7是显示图2所示的固态成像器件的变型的示图。
图8是显示图2所示的固态成像器件的变型的示图。
具体实施方式
下面，将参照附图来描述本发明的实施例。
图1显示成像装置的示意性配置以描述本发明的一个实施例。
成像装置的示例包括诸如数码照相机和数字电视等成像装置、配备在电子内窥镜中的成像模块、照相机内置的移动电话等。此处，数码照相机作为示例进行描述。
图示数码照相机的成像系统包括摄影镜头1、CCD类型固态成像器件5、以及安装在摄影镜头1和固态成像器件5之间的光圈2、红外截止滤色器3和光学低通滤色器4。此外，机械快门（图未示）安装在摄影镜头1的前面。
总体上控制数码照相机的整个电控制系统的系统控制单元11控制闪光发光单元12。此外，系统控制单元11控制镜头驱动单元8，以将摄影镜头1的位置调节至聚焦位置或者执行缩放调节。另外，系统控制单元11经由光圈驱动单元9控制光圈2的孔尺寸以调节曝光量。
此外，系统控制单元11经由成像装置驱动单元10驱动固态成像装置5，并且输出通过摄影镜头1成像的对象的图像作为成像信号。指令信号从用户经由操作单元14输入到系统控制单元11中。成像装置驱动单元10还控制机械快门的打开/关闭。
数码照相机的电控制系统还包括：模拟信号处理单元6，其连接至固态成像装置5的输出并且执行模拟信号处理，例如相关双采样处理；以及模拟/数字（A/D）转换电路7，其将从模拟信号处理单元6输出的RGB彩色信号转换成数字信号。模拟信号处理单元6和A/D转换电路7受到系统控制单元11的控制。
此外，数码照相机的电控制系统包括：主存储器16；存储器控制单元15，其连接至主存储器16；数字信号处理单元17，其执行插值运算、伽马校正运算以及RGB/YC转换处理以生成图像数据；压缩/解压处理单元18，其以联合图像专家小组（JPEG）格式压缩由数字信号处理单元17生成的图像数据并且对该压缩的图像数据进行解压；面部检测单元19，其经由面部识别处理从图像数据中检测面部，该图像数据是通过利用固态成像装置5对面部进行成像而获得的；外部存储器控制单元20，可拆卸的记录介质21连接至该外部存储器控制单元20；以及显示控制单元22，液晶显示单元23连接至该显示控制单元22，该液晶显示单元23例如安装在照相机后侧上。存储器控制单元15、数字信号处理单元17、压缩/解压处理单元18、面部检测单元19、外部存储器控制单元20以及显示控制单元22通过控制总线24和数据总线25相互连接，并且受到来自系统控制单元11的命令的控制。
图2是说明图1所示的数码照相机中的固态成像装置5的简略配置的示意性平面图。
如图2所示，固态成像装置5包括由多个光电转换元件51W构成的第一组、由多个光电转换元件51N构成的第二组、多个垂直电荷传送单元54、水平电荷传送单元52、以及输出单元53。
包括在固态成像装置5中的所有光电转换元件沿着半导体基板表面的列向Y和与列向相交（在图2的示例中以直角交叉）的行向X布置成二维形状。所有光电转换元件具有第一光电转换元件排和第二光电转换元件排，其中第一光电转换元件排由沿着列向Y平行布置的多个光电转换元件51W构成，第二光电转换元件排由沿着列向Y平行布置的多个光电转换元件51N构成。这样，第一光电转换元件排和第二光电转换元件排在行向X上以恒定间距平行地布置。此外，第一光电转换元件排布置成在列向Y上相对于第二光电转换元件排在列向Y上移位每个光电转换元件排的光电转换元件的阵列间距的1/2。该阵列可以通过以下方式获得：将光电转换元件51N设置于在相对于相应的光电转换元件51W呈45°倾斜方向上具有偏移的位置上，其中各光电转换元件51W以方形格栅形状设置。
这样，光电转换元件51N设置成相对于相应的光电转换元件51W以相同的位置关系（相同方向）邻近该相应的光电转换元件51W。因此，每一个光电转换元件51W以及以相同位置关系邻近每一个光电转换元件51W的光电转换元件51N形成了一对。
包括在固态成像装置5中的所有光电转换元件具有大致相同的配置（相同设计值）。术语“大致相同的配置”指的是：形成在半导体基板内的光电转换区域（光电二极管）具有大致相同的尺寸，并且形成在光电转换区域上方的遮光膜具有大致相同的开口尺寸。
由光电转换元件51W构成的第一组和由光电转换元件51N构成的第二组被配置成使得第一组和第二组中的每一组的曝光时间可以独立地进行控制。在数码照相机中，成像装置驱动单元10执行控制以使第一组的曝光时间和第二组的曝光时间彼此不同。如此，从第一组的光电转换元件51W和第二组的光电转换元件51N获得具有不同灵敏度的各个信号。
在固态成像装置5中，成对的光电转换元件51W和光电转换元件51N满足以下条件。
（1）光谱灵敏度特性彼此不同。
（2）光电转换元件51W主要具有光谱灵敏度的波长范围以及光电转换元件51N主要具有光谱灵敏度的波长范围（例如，光电转换元件51N的光谱灵敏度特性中的半宽度）落入可见光中特定颜色的光的波长范围内。
（3）光电转换元件51N的光谱灵敏度特性中的半宽度比光电转换元件51W的光谱灵敏度特性中的半宽度窄。
（4）光电转换元件51W主要具有光谱灵敏度的波长范围中的每个波长处的光谱灵敏度值比光电转换元件51N的每个相应波长处的光谱灵敏度值大。
（5）光电转换元件51W的光谱灵敏度的峰值与光电转换元件51W的光谱灵敏度特性中的半宽度的比（半宽度/峰值）大于光电转换元件51N的光谱灵敏度的峰值与光电转换元件51N的光谱灵敏度特性中的半宽度的比（半宽度/峰值）。
此外，光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围表示：从这些光电转换元件输出的大部分信号是与该波长范围的光相对应的信号，并且指明：与该波长范围之外的光对应的信号成分实际上不会影响从这些光电转换元件输出的信号的颜色。下面，每个光电转换元件的光谱灵敏度特性中的半宽度将描述为光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围。
可以提出数种方法以用于使成对的光电转换元件51W和光电转换元件51N的光谱灵敏度特性相异。该固态成像装置5采用了使安装在这些元件上方的颜色滤色器的光谱灵敏度特性相异的方法。
在每个光电转换元件51W上方，设置了用于透射红光的滤色器R1、用于透射绿光的滤色器G1、或用于透射蓝光的滤色器B1，它们整体上以拜耳阵列（Bayerarray）进行布置。
在图2中，将字母“R1”赋给其上方安装有滤色器R1的光电转换元件51W。此外，将字母“G1”赋给其上方安装有滤色器G1的光电转换元件51W。另外，将字母“B1”赋给其上方安装有滤色器B1的光电转换元件51W。
在每个光电转换元件51N上方，设置了用于透射红光的滤色器R2、用于透射绿光的滤色器G2、或用于透射蓝光的滤色器B2，它们整体上以拜耳阵列进行布置。
在图2中，将字母“R2”赋给其上方安装有滤色器R2的光电转换元件51N。此外，将字母“G2”赋给其上方安装有滤色器G2的光电转换元件51N。另外，将字母“B2”赋给其上方安装有滤色器B2的光电转换元件51N。
在下文描述中，滤色器R1和滤色器R2也被统称为红色滤色器；滤色器G1和滤色器G2也被统称为绿色滤色器；以及滤色器B1和滤色器B2也被统称为蓝色滤色器。
这样，相同的滤色器（红色滤色器、绿色滤色器、或蓝色滤色器）被设置在成对的相应的光电转换元件51W和光电转换元件51N的上方。因此，可以说：安装在上方的滤色器的颜色不同的三种类型的对（在其上方具有红色滤色器的R对、在其上方具有绿色滤色器的G对、以及在其上方具有蓝色滤色器的B对）被包括在固态成像装置5中。
另外，对于R对的每个光电转换元件而言，上述条件（2）中的特定颜色是红色。对于G对的每个光电转换元件而言，上述条件（2）中的特定颜色是绿色。对于B对的每个光电转换元件而言，上述条件（2）中的特定颜色是蓝色。
在R对的各光电转换元件中，使滤色器R1和滤色器R2的相应光谱灵敏度特性相异，使得在光电转换元件51W和光电转换元件51N之间的光谱灵敏度特性方面提供差异。
在G对的各光电转换元件中，使滤色器G1和滤色器G2的相应光谱灵敏度特性相异，使得在光电转换元件51W和光电转换元件51N之间的光谱灵敏度特性方面提供差异。
在B对的各光电转换元件中，使滤色器B1和滤色器B2的光谱灵敏度特性相异，使得在光电转换元件51W和光电转换元件51N之间的光谱灵敏度特性方面提供差异。
下面，将描述R对的每个光电转换元件、G对的每个光电转换元件、B对的每个光电转换元件的光谱灵敏度特性的具体示例。
图3是显示图2所示的固态成像装置5中的光电转换元件51W和光电转换元件51N的光谱灵敏度特性的曲线图。在图3中，由符号R1（λ）、G1（λ）和B1（λ）表示的特性分别展现了设有滤色器R1、G1和B1的光电转换元件51W的光谱灵敏度特性。此外，由符号R2（λ）、G2（λ）和B2（λ）表示的特性分别展现了其上安装有滤色器R2、G2和B2的光电转换元件51N的光谱灵敏度特性。
在图3所示的示例中，R对的光电转换元件51W主要具有光谱灵敏度的波长范围（半值宽度）的每个波长处的光谱灵敏度值比R对的光电转换元件51N的每个相应波长处的光谱灵敏度值大。此外，光谱灵敏度特性R2（λ）中的半宽度比光谱灵敏度特性R1（λ）中的半宽度窄，并且位于R1（λ）内部。此外，光谱灵敏度特性R1（λ）中的半宽度落入红色的波长范围内。此外，光谱灵敏度特性R1（λ）中的峰值与半宽度的比变得比光谱灵敏度特性R2（λ）中的峰值与半宽度的比大。另外，光谱灵敏度特性R1（λ）和R2（λ）中的每一个的半宽度被设定为可见光的波长范围内的值。
在图3所示的示例中，G对的光电转换元件51W主要具有光谱灵敏度的波长范围（半值宽度）的每个波长中的光谱灵敏度值变得比G对的光电转换元件51N的每个相应波长中的光谱灵敏度值大。此外，光谱灵敏度特性G2（λ）中的半宽度比光谱灵敏度特性G1（λ）中的半宽度窄，并且位于G1（λ）内部。此外，光谱灵敏度特性G1（λ）中的半宽度落入绿光的波长范围内。此外，光谱灵敏度特性G1（λ）中的峰值与半宽度的比变得比光谱灵敏度特性G2（λ）中的峰值与半宽度的比大。
在图3所示的示例中，B对的光电转换元件51W主要具有光谱灵敏度的波长范围（半值宽度）的每个波长中的光谱灵敏度值变得比B对的光电转换元件51N的每个相应波长中的光谱灵敏度值大。此外，光谱灵敏度特性B2（λ）中的半宽度比光谱灵敏度特性B1（λ）中的半宽度窄，并且位于B1（λ）内部。此外，光谱灵敏度特性B1（λ）中的半宽度落入蓝光的波长范围内。光谱灵敏度特性B1（λ）中的峰值与半宽度的比变得比光谱灵敏度特性B2（λ）中的峰值与半宽度的比大。另外，光谱灵敏度特性B1（λ）和B2（λ）中的每一个的半宽度被设定为可见光的波长范围内的值。
可以通过以此方式提供图3所示的光谱灵敏度特性来满足条件（1）至（5）。
多个垂直电荷传送路径54设置成与各自的光电转换元件排逐一地对应，并且沿着列向Y传送相应光电转换元件排中的每个光电转换元件读取的电荷。
垂直电荷传送单元54由形成在半导体基板内的电荷传送通道54a、以及沿着列向Y平行布置在通道上方的传送电极V1至V8构成。传送电极V1至V8配置成从成像装置驱动单元10供以驱动脉冲，并且垂直电荷传送单元54由这些驱动脉冲进行驱动。
电荷读出区域56（由图2中箭头示意性示出的）形成在电荷传送通道54a和对应于这些通道的光电转换元件排的光电转换元件之间。
传送电极V3还覆盖了第一组的光电转换元件51W中的从与固态成像装置5的水平电荷传送单元52安装一侧相对的端部（上端）开始计数的奇数排的光电转换元件51W的电荷读出区域56，并且还用作从这些光电转换元件51W读取电荷的读出电极。
传送电极V7还覆盖了第一组的光电转换元件51W中的从固态成像装置5的上端开始计数的偶数排的光电转换元件51W的电荷读出区域56，并且还用作从这些光电转换元件51W读取电荷的读出电极。
传送电极V5还覆盖了第二组的光电转换元件52N中的从固态成像装置5的上端开始计数的奇数排的光电转换元件52N的电荷读出区域56，并且还用作从这些光电转换元件52N读取电荷的读出电极。
传送电极V1还覆盖了第二组的光电转换元件52N中的从固态成像装置5的上端开始计数的偶数排的光电转换元件52N的电荷读出区域56，并且还用作从这些光电转换元件52N读取电荷的读出电极。
水平电荷传送单元52沿着行向X传送电荷，其中这些电荷是从多个垂直电荷传送单元54传送来的。
输出单元53将从水平电荷传送单元52传送来的电荷转换成对应于电荷量的信号，并且输出该信号。
一对中的光电转换元件51W具有宽光谱灵敏度特性，该宽光谱灵敏度特性的半宽度比相应对中的光电转换元件51N的宽。由于该原因，从第一组的光电转换元件51W获得的信号在下文中可以被称作宽信号。此外，一对中的光电转换元件51N具有窄光谱灵敏度特性，该窄光谱灵敏度特性的半宽度比相应对中的光电转换元件51W的窄。由于该原因，从第二组的光电转换元件51N获得的信号在下文中可以被称作窄信号。
如上所述配置的数码照相机适于响应于场景或者手动地切换宽动态范围成像模式、高分辨率成像模式以及高灵敏度成像模式这三种模式。
宽动态范围成像模式指的是这样的模式：在该模式下，第一组和第二组的曝光时间彼此不同，并且利用从成对的光电转换元件51W和51N获得的具有不同灵敏度的信号来产生对应于相应对的像素数据。在该模式下，数字信号处理单元17例如合成宽信号和窄信号（或者合成从宽信号生成的图像数据和从窄信号生成的图像数据），由此扩展了动态范围并产生了颜色再现性得到改善的图像数据。另外，可以通过在水平电荷传送单元中混合从成对的光电转换元件51W读取的电荷与从光电转换元件51N读取的电荷来进行合成处理。
高分辨率成像模式指的是这样的模式：在该模式下，第一组和第二组的曝光时间彼此相等，并且通过从包括在固态成像装置5中的每个光电转换元件获得的信号来生成对应于每个光电转换元件的像素数据。
高灵敏度成像模式指的是这样的模式：在该模式下，第一组和第二组的曝光时间彼此相等，并且从成对的光电转换元件51W和51N获得的信号被合成以生成对应于相应对的高灵敏度像素数据。
因此，采用该数码照相机，在宽动态范围成像模式时，成像装置驱动单元10可切换地执行第一控制（宽优先方式）和第二控制（窄优先方式），其中，在第一控制中，第一组的光电转换元件51W的曝光时间比第二组的光电转换元件51N的长，以及在第二控制中，第二组的光电转换元件51N的曝光时间比第一组的光电转换元件51W的长。
图4是用于描述图1所示的数码照相机中的成像装置驱动单元10执行的宽优先方式的控制内容的示图。
在宽优先方式中，当出现成像指令时，成像装置驱动单元10保持机械快门（mech-shutter）打开，并且停止了到那个时候已施加给固态成像装置5的半导体基板的电子快门脉冲的供给。随着电子快门脉冲的停止，每个光电转换元件51W的曝光周期a开始。接下来，在曝光周期a期间，成像装置驱动单元10对传送电极V1和V5施加读出脉冲，并且从光电转换元件51N读取电荷至垂直电荷传送单元54。当停止施加读出脉冲时，每个光电转换元件51N的曝光周期b开始。
在曝光周期b开始之后，成像装置驱动单元10对传送电极V1至V8施加脉冲以执行传送，将来自每个光电转换元件51的读取的电荷移走。
接下来，当曝光周期到达终止时刻时，成像装置驱动单元10关闭机械快门。如此，曝光周期结束，从而此时曝光周期b结束。
之后，成像装置驱动单元10对传送电极V1、V3、V5和V7施加读出脉冲，并且从相应光电转换元件51W和51N读取电荷至垂直电荷传送单元54。随后，成像装置驱动单元10对传送电极V1至V8施加脉冲，并且从固态成像装置5输出与从相应光电转换元件51W和51N读取的电荷相对应的信号。
像这样，宽优先方式是驱动固态成像装置5以使第一组的光电转换元件51W曝光的时间长度比第二组的光电转换元件51N曝光的时间长度长的控制。
图5是用于描述图1所示的数码照相机中的成像装置驱动单元10执行的窄优先方式的控制内容的示图。
在窄优先方式中，当出现成像指令时，成像装置驱动单元10保持机械快门打开，并且停止了到那个时候已施加给固态成像装置5的半导体基板的电子快门脉冲的供给。随着电子快门脉冲的停止，每个光电转换元件51N的曝光周期和每个光电转换元件51W的曝光周期b同时开始。
接下来，在曝光周期a期间，成像器件驱动单元10对传送电极V3和V7施加读出脉冲，并且从光电转换元件51W读取电荷至垂直电荷传送单元54。当停止施加读出脉冲时，每个光电转换元件51W的曝光周期b结束。
接下来，当曝光周期到达终点时，成像器件驱动单元10关闭机械快门。如此，曝光周期结束。
之后，成像器件驱动单元10对传送电极V1和V5施加读出脉冲，从而从光电转换元件51N读取电荷至垂直电荷传送单元54。随后，成像器件驱动单元10对传送电极V1至V8施加脉冲，并且从固态成像器件5输出与从光电转换元件51W和51N读取的电荷相对应的信号。
像这样，窄优先方式是驱动固态成像器件5以使第二组的光电转换元件51N曝光的时间长度比第一组的光电转换元件51W曝光的时间长度长的控制。
当执行宽优先方式时，可以基于从第一组的光电转换元件51W获得的宽信号来生成图像数据的宽动态范围。第一组的光电转换元件51W是具有相对较宽波长范围的元件，它们在该相对较宽波长范围主要具有光谱灵敏度。由于该原因，在例如包括皮肤颜色的人的对象的情况下，通过基于来自这些元件的宽信号执行合成处理可以如实地再现皮肤颜色。第一组的光电转换元件51W的光谱特性因为该光谱特性具有宽光谱而具有不依赖于光源就能获得稳定的颜色再现性的优点。此外，该光谱特性因为光吸收量大而具有能够实现高灵敏度和低噪音的优点。由于该原因，在包括人的对象的情况下，有效的是基于宽信号执行合成处理以获得稳定的颜色再现性、高灵敏度和低噪音。
另一方面，当执行窄优先方式时，可以基于从第二组的光电转换元件51N获得的窄信号来生成图像数据的宽动态范围。第二组的光电转换元件51N是具有相对较窄波长范围的元件，它们在该相对较窄波长范围主要具有光谱灵敏度。由于该原因，在包括有色彩鲜艳域的对象的情况下，通过基于来自这些元件的窄信号执行合成处理可以如实地再现该色彩鲜艳区域。第二组的光电转换元件51N的光谱特性由于光吸收量小而具有良好颜色辨识和宽颜色再现区域的优点。由于该原因，在有色场景（例如风景）的情况下，有效的是基于窄信号执行合成处理以增加颜色再现区域。
像这样，宽优先方式特别是在包括人的对象的场景的情况下可以获得良好质量的图像，而窄优先方式特别是在不包括人的对象的场景（例如风景或夜景）的情况下可以获得良好质量的图像。
因此，在数码照相机中，系统控制单元11具有确定对象场景的功能，并且在宽动态范围成像模式时，成像器件驱动单元10基于确定结果切换宽优先方式和窄优先方式。
当面部检测单元19检测到面部时，系统控制单元11确定对象场景是包括面部的场景，而当面部检测单元19未检测到面部时，系统控制单元11确定对象场景是不包括面部的场景。
当对象场景是包括面部的场景时，成像器件驱动单元10以宽优先方式驱动固态成像器件5，而当对象场景是不包括面部的场景时，成像器件驱动单元10以窄优先方式驱动固态成像器件5。
下面，将描述图1所示的数码照相机在宽动态范围成像模式下的操作。
图6是用于描述图1所示的数码照相机在宽动态范围成像模式下操作的流程图。
当包括在操作单元14中的快门按钮被推至中途时，系统控制单元11执行用于通过固态成像器件5实施AE（自动曝光控制）和AF（自动聚焦控制）的预备成像（步骤S61），并且执行AE和AF以决定成像条件。
接下来，面部检测单元19采集预备成像所获得的图像数据（步骤S62），并且对图像数据进行面部检测处理。
当从相应的图像数据检测到面部时（步骤S63为是），面部检测单元19通知系统控制单元11该结果。系统控制单元11接收该通知，并且将要由成像器件驱动单元10执行的控制设定为宽优先方式。然后，当快门按钮被完全按下时，成像器件驱动单元10根据宽优先方式驱动固态成像器件5（步骤S64）。
当从相应的图像数据未检测到面部时（步骤S63为否），面部检测单元19通知系统控制单元11该结果。系统控制单元11接收该通知，并且将要由成像器件驱动单元10执行的控制设定为窄优先方式。然后，当快门按钮被完全按下时，成像器件驱动单元10根据窄优先方式驱动固态成像器件5（步骤S65）。
通过驱动步骤S64和S65从固态成像器件5输出的宽信号和窄信号被临时存储在主存储器16中。然后，数字信号处理单元17合成这些信号以生成宽动态范围图像数据，并且将它记录在记录介质21中（步骤S66）。
如上所述，根据所述数码照相机，当面部包括在对象中时，可以根据宽优先方式驱动固态成像器件5，而当面部未包括在对象中时，可以根据窄优先方式驱动固态成像器件5。由于该原因，可以根据对象以最佳方式进行成像，并且可以获得对应于对象的最佳质量的图像。在所述数码照相机中，固态成像器件5的所有光电转换元件适于具有大致相同的配置，并且第一组和第二组的曝光时间适于受到独立控制。如此，从第一组获得的信号的灵敏度和从第二组获得的信号的灵敏度适于被切换。如果第一组的光电转换元件和第二组的光电转换元件被配置成其配置相异（例如，遮光膜开口尺寸相异）以分别从第一组和第二组获得具有不同灵敏度的信号，那么在结构上给出了固定的灵敏度差。如此，则难以执行如上所述的驱动以获得最佳质量的图像。由于该原因，期望将固态成像器件5的所有光电转换元件配置成具有执行上述驱动的大致相同的配置，以获得与对象相对应的最佳质量的图像。
此外，根据所述数码照相机，成对的光电转换元件51N主要具有光谱灵敏度的波长范围被完全包括在相应对的对应光电转换元件51W主要具有光谱灵敏度的波长范围内。由于该原因，可以增加窄信号和宽信号之间的相关性，并且可以生成高质量的宽动态范围图像数据。
在以上描述中，允许基于是否存在面部来确定对象场景，但并不局限于此。例如，当数码照相机中设定多个模式（例如肖像模式、风景模式和夜景模式）时，可以基于用户所设定的模式来确定对象场景。例如，当设定为肖像模式时，可以通过确定对象场景为包括面部的场景而优先执行宽优先方式。此外，当设定为除肖像模式之外的模式时，可以通过确定对象场景为不包括面部的场景而优先执行窄优先方式。在这种情况下，当检测到面部时，即使设定为除肖像模式之外的模式，也可以允许执行宽优先方式。
此外，在以上描述中，以相同位置关系彼此邻近的光电转换元件51W和光电转换元件51N适于满足上述条件（1）至（5）。然而，为了可以获得适于包括面部的场景的图像质量并适于不包括面部的场景的图像质量，这些元件可以至少满足条件（1）至（3）。
这是因为：当条件（1）未得到满足时，改善颜色再现性的效果则不能获得；当条件（2）未得到满足时，从成对的光电转换元件获得的信号之间的相关性则减小。另外，这是因为：当条件（3）未得到满足时，既适于包括面部的场景又适于不包括面部的场景的图像质量则不能获得。然而，当条件（4）得到满足时，可以进一步改善图像质量。此外，当条件（5）得到满足时，可以进一步改善图像质量。
此外，就在一个固态成像器件5中获得具有不同色调的两个图像质量的目的而言，可能期望的是条件（1）至（5）中至少条件（1）和（2）得到满足。
如果条件（1）和（2）得到满足，可以通过图4所示的驱动和图5所示的驱动获得具有不同色调的图像数据。在这种情况下，例如，为数码照相机设定能够获得色调不同的图像质量的两个模式，并且图4所示的驱动与两个模式中的一个相匹配，而图5所示的驱动与另一个模式相匹配。然后，可以执行与设定模式相对应的驱动。
此外，这两个模式还可以配置成使得照相机能够根据对象场景自动地设定最佳模式。例如，即使在风景模式下，根据风景构成内容而存在最佳色调。如此，如果确定对象场景以执行能够获得最佳色调的驱动，纯风景也被允许获得适于其内容的图像质量。
此外，就使成对的光电转换元件51W和光电转换元件51N中的光谱灵敏度特性相异的方法而言，可以采用下面的方法。
即，使滤色器R1和滤色器R2的光谱灵敏度特性彼此相等，使滤色器G1和滤色器G2的光谱灵敏度特性彼此相等，并且使滤色器B1和滤色器B2的光谱灵敏度特性彼此相等。另外，使得成对的光电转换元件51W和51N的结构不同，使得在光电转换元件51W和51N之间提供光谱灵敏度特性相异。例如，存在对构成成对的光电转换元件51W和51N中的光电转换元件51W的光电二极管的pn接合面（pnjunctionface）的深度以及构成光电转换元件51N的光电二极管的pn接合面的深度进行改变的方法。
此外，可以如图7和图8所示地形成固态成像器件5的光电转换元件51W和51N的阵列。
图7是说明图2所示的固态成像器件的变型的示图。该变型的固态成像器件被配置成以方形格栅形状布置多个光电转换元件，其中，它们的奇数排设定为光电转换元件51W并且偶数排设定为光电转换元件51N。
图8是说明图2所示的固态成像器件的变型的示图。该变型的固态成像器件被配置成以方形格栅形状布置多个光电转换元件，其中，光电转换元件51W被布置在它们的一侧方格图案位置，并且光电转换元件51N在另一侧方格图案位置。
即使在如图7所示的阵列中，也可以通过将每个光电转换元件51W和以相同位置关系（以相同方向）邻近每个光电转换元件W的光电转换元件51N看作一对，来实现颜色再现性的改善。此外，即使在如图8所示的阵列中，也可以通过在奇数排上将每个光电转换元件51W和以相同位置关系（向右方向）邻近每个光电转换元件W的光电转换元件51N看作一对、以及通过在偶数排上将每个光电转换元件51W和以相同位置关系（向左方向）邻近每个光电转换元件W的光电转换元件51N看作一对，来尝试改善颜色再现性。
在以上描述中，固态成像器件5适于具有三种类型的对，并且使用这三种类型的对来检测R、G和B的三基色，但并不局限于此。例如，青色、品红色和黄色的补色可以配置成分别使用这三种类型的对来进行检测。此外，不局限于这三种类型的对。如果存在至少两种类型的对，则可以执行颜色成像。
此外，固态成像器件5不局限于CCD类型，它可以是金属氧化物半导体（MOS）类型。在这种情况下，如日本未审查专利申请公开No.2007-124137中所公开的，扫描电路和相关双采样（CDS）电路可以单独地安装在第一组和第二组中。此外，在这种情况下，仅信号放大处理可适于在模拟信号处理单元6中进行。
如上所述，本文中公开了下面的事项。
所公开的成像装置包括：固态成像器件，其具有多对光谱灵敏度特性不同的第一和第二光电转换元件；以及驱动单元，其独立地控制由多个第一光电转换元件构成的第一组的曝光时间和由多个第二光电转换元件构成的第二组的曝光时间，其中，每一对中的第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的第二光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，并且驱动单元可切换地执行第一控制和第二控制，在第一控制中第一组的曝光时间长于第二组的曝光时间，而在第二控制中第二组的曝光时间长于第一组的曝光时间。
采用该配置，能够可切换地执行第一控制和第二控制。此外，能够改变通过第一控制和第二控制获得的色调。由于该原因，例如，使选择和执行能够获得与被摄对象相对应的最佳色调的控制变成可能，并且可以改善颜色再现性。
在所公开的成像装置中，驱动单元根据被摄对象场景来切换第一控制和第二控制。
采用该配置，可以获得与被摄对象场景相对应的最佳图像质量。
所公开的成像装置被配置成使得每一对中的第一光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度比该对中的第二光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度宽。
采用该配置，可以获得适于有色的被摄对象的图像质量以及适于除有色的被摄对象之外的被摄对象的图像质量，这些可以根据被摄对象场景进行切换和获得。
所公开的成像装置被配置成使得每一对中的第一光电转换元件在第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围内的每个波长处的光谱灵敏度高于该对中的第二光电转换元件在该每个波长处的光谱灵敏度。
采用该配置，图像质量可以得到进一步改善。
所公开的成像装置被配置成使得驱动单元：在面部包括在被摄对象中的被摄对象场景的情况下选择第一控制；而在面部不包括在被摄对象中的被摄对象场景的情况下选择第二控制。
采用该配置，可以获得最适于包括面部的场景和不包括面部的场景中的每一个场景的图像质量。
所公开的成像装置被配置成使得固态成像器件包括滤色器，这些滤色器安装在第一光电转换元件中每一个的上方以及在第二光电转换元件中每一个的上方，并且根据每一对中的第一和第二光电转换元件上方的各滤色器之间的光谱灵敏度特性的差异，获得该第一和第二光电转换元件之间的光谱灵敏度特性的差异。
采用该配置，可以给出提供第一和第二光电转换元件之间的光谱灵敏度特性的差的自由度。
所公开的成像装置被配置成使得第一光电转换元件中的每一个和第二光电转换元件中的每一个设置成：多个第一光电转换元件排和多个第二光电转换元件排沿着与列向相交的行向平行交替地布置，在第一光电转换元件排中第一光电转换元件沿着列向平行地布置，并且在第二光电转换元件排中第二光电转换元件沿着列向平行地布置，第二光电转换元件排被设置成相对于第一光电转换元件排沿列向偏移了第一光电转换元件和第二光电转换元件在列向上的阵列间距的一半，并且各第一光电转换元件和以相同位置关系邻近该各第一光电转换元件的各第二光电转换元件形成了所述多个对。
所公开的成像装置被配置成使得包括在固态成像器件中的所有第一和第二光电转换元件具有大致相同的配置。
所公开的驱动固态成像器件的方法是驱动这样的固态成像器件的方法：该固态成像器件具有多对第一和第二光电转换元件，第一和第二光电转换元件具有不同的光谱灵敏度特性，其中，每一对中的第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的第二光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，该方法包括驱动步骤，该驱动步骤独立地控制由多个第一光电转换元件构成的第一组的曝光时间和由多个第二光电转换元件构成的第二组的曝光时间。在驱动步骤中，可切换地执行第一控制和第二控制，在第一控制中第一组的曝光时间长于第二组的曝光时间，在第二控制中第二组的曝光时间长于第一组的曝光时间。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成：驱动步骤包括根据被摄对象场景来切换第一控制和第二控制。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成使得每一对中的第一光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度比该对中的第二光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度宽。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成使得每一对中的第一光电转换元件在该第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围的每个波长处的光谱灵敏度高于该对中的第二光电转换元件在该每个波长处的光谱灵敏度。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成：在驱动步骤中，当被摄对象场景是在被摄对象中包括面部的场景时，选择第一控制，而当被摄对象场景是在被摄对象中不包括面部的场景时，选择第二控制。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成：固态成像器件包括滤色器，这些滤色器安装在第一光电转换元件中每一个的上方以及在第二光电转换元件中每一个的上方，并且根据每一对中的第一和第二光电转换元件上方的各滤色器的光谱灵敏度特性之间的差异，获得该第一和第二光电转换元件的光谱灵敏度特性之间的差异。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成：第一光电转换元件中的每一个和第二光电转换元件中的每一个被设置成使得多个第一光电转换元件排和多个第二光电转换元件排沿着与列向相交的行向平行交替地布置，在第一光电转换元件排中第一光电转换元件沿着列向平行地布置，并且在第二光电转换元件排中第二光电转换元件沿着列向平行地布置，第二光电转换元件排被设置成相对于第一光电转换元件排沿列向偏移了第一光电转换元件和第二光电转换元件在列向上的阵列间距的一半，各第一光电转换元件和以相同位置关系邻近该各第一光电转换元件的各第二光电转换元件形成了所述多个对。
所公开的驱动固态成像器件的方法被配置成使得包括在固态成像器件中的所有第一和第二光电转换元件具有大致相同的配置。
[工业实用性]
根据本发明，可以提供一种成像装置和驱动固态成像器件的方法，其能够实现颜色再现性的改善和动态范围的扩展，而与被摄对象无关。
尽管已参照具体实施例详细地描述了本发明，但对于本领域技术人员而言显而易见的是：在不背离本发明的精神和范围的前提下可以做出各种变型或修改。
该申请要求于2010年4月20日提交的日本专利申请No.2010-97366的优先权和权益，该日本专利申请的公开内容通过引用的方式并入本文中。
[附图标记的说明]
5固态成像器件
10成像器件驱动单元
51W、51N光电转换元件

Claims (10)

1.一种成像装置，包括：
固态成像器件，其具有多对光谱灵敏度特性不同的第一光电转换元件和第二光电转换元件；以及
驱动单元，其独立地控制由多个第一光电转换元件构成的第一组的曝光时间和由多个第二光电转换元件构成的第二组的曝光时间，
其中，每一对中的第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的第二光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，
每一对中的第一光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度比该对中的第二光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度宽，
所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，
所述驱动单元在被摄对象包括面部的被摄对象场景的情况下可切换地执行第一控制，
所述驱动单元在被摄对象不包括面部的被摄对象场景的情况下执行第二控制，
所述第一控制对应于所述第一组的曝光时间长于所述第二组的曝光时间的控制，以及
所述第二控制对应于所述第二组的曝光时间长于所述第一组的曝光时间的控制。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中每一对中的第一光电转换元件在该第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围内的每个波长处的光谱灵敏度高于该对中的第二光电转换元件在所述每个波长处的光谱灵敏度。
3.根据权利要求1所述的成像装置，其中：
所述固态成像器件包括滤色器，所述滤色器安装在第一光电转换元件中的每一个的上方以及安装在第二光电转换元件中的每一个的上方；并且
根据每一对中的第一光电转换元件和第二光电转换元件上方的各滤色器之间的光谱灵敏度特性的差异，获得该第一光电转换元件和该第二光电转换元件之间的光谱灵敏度特性的差异。
4.根据权利要求1所述的成像装置，其中：
第一光电转换元件中的每一个和第二光电转换元件中的每一个被设置成使得多个第一光电转换元件排和多个第二光电转换元件排沿着与列向相交的行向平行交替地布置，在所述第一光电转换元件排中各第一光电转换元件沿着所述列向平行地布置，并且在所述第二光电转换元件排中各第二光电转换元件沿着所述列向平行地布置；
所述第二光电转换元件排被设置成相对于所述第一光电转换元件排沿所述列向偏移了每个光电转换元件排的光电转换元件的阵列间距的一半；和
各第一光电转换元件和以相同位置关系邻近该各第一光电转换元件的各第二光电转换元件形成了所述多个对。
5.根据权利要求1所述的成像装置，其中包括在所述固态成像器件中的所有的第一光电转换元件和第二光电转换元件具有大致相同的配置。
6.一种驱动固态成像器件的方法，所述固态成像器件具有多对第一光电转换元件和第二光电转换元件，第一光电转换元件和第二光电转换元件具有不同的光谱灵敏度特性，
其中每一对中的第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围和每一对中的第二光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围落入可见光的特定颜色的相应波长范围内，
每一对中的第一光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度比该对中的第二光电转换元件的光谱灵敏度特性的半宽度宽，
所述多对包括具有不同特定颜色的多种类型的对，
所述方法包括驱动步骤，所述驱动步骤独立地控制由多个第一光电转换元件构成的第一组的曝光时间和由多个第二光电转换元件构成的第二组的曝光时间，
所述驱动步骤包括：在被摄对象中包括面部的被摄对象场景的情况下执行第一控制，以及在被摄对象中不包括面部的被摄对象场景的情况下执行第二控制，
所述第一控制对应于所述第一组的曝光时间长于所述第二组的曝光时间的控制，以及
所述第二控制对应于所述第二组的曝光时间长于所述第一组的曝光时间的控制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中每一对中的每个第一光电转换元件在该第一光电转换元件主要具有光谱灵敏度的波长范围内的每个波长处的光谱灵敏度高于该对中的每个第二光电转换元件在所述每个波长处的光谱灵敏度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中：
所述固态成像器件包括滤色器，所述滤色器安装在第一光电转换元件中的每一个的上方以及安装在第二光电转换元件中的每一个的上方；并且
根据每一对中的第一光电转换元件和第二光电转换元件上方的各滤色器之间的光谱灵敏度特性的差异，获得该第一光电转换元件和该第二光电转换元件之间的光谱灵敏度特性的差异。
9.根据权利要求6所述的方法，其中：
第一光电转换元件中的每一个和第二光电转换元件中的每一个被设置成使得多个第一光电转换元件排和多个第二光电转换元件排沿着与列向相交的行向平行交替地布置，在所述第一光电转换元件排中各第一光电转换元件沿着所述列向平行地布置，并且在所述第二光电转换元件排中各第二光电转换元件沿着所述列向平行地布置；
所述第二光电转换元件排被设置成相对于所述第一光电转换元件排沿所述列向偏移了每个光电转换元件排的光电转换元件的阵列间距的一半；和
各第一光电转换元件和以相同位置关系邻近该各第一光电转换元件的各第二光电转换元件形成了所述多个对。
10.根据权利要求6所述的方法，其中包括在所述固态成像器件中的所有第一光电转换元件和第二光电转换元件具有大致相同的配置。
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