CN102984457B - 摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摄像装置。所述摄像装置包括：图像传感器，其具有多个像素；以及控制单元，其被构造为对所述图像传感器进行控制。各像素包括：光电转换元件，其被构造为将光转换为电荷；放大器，其被构造为放大蓄积的电荷；传送开关，其被构造为在接通时将所述光电转换元件的信号输入给所述放大器；复位开关，其被构造为在接通时将到所述放大器的所述输入复位；以及选择开关，其被构造为在接通时将来自所述放大器的输出输出给信号输出线。
Description
本申请是申请日为2009年8月27日、申请号为200910167261.1、发明名称为“摄像装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种摄像装置，特别涉及一种能够以提高的帧速率进行摄像操作的摄像装置。
背景技术
近年来，在诸如数字静止照相机及数字视频照相机的摄像装置中，图像传感器的像素的数量不断增加。以互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide Semiconductor)传感器为代表，针对每一像素配备了放大器的XY地址型传感器不断涌现。
在传感器的操作方面，日本特开平01-154678号公报讨论了一种从像素信号中减去在将放大器的像素输入复位时生成的信号、以消除噪声的技术。
例如，当读出一个水平行中的像素信号时，将到放大器的该水平行中的像素的输入复位。将输入复位时在该水平行中生成的信号作为噪声信号进行存储。读出该水平行中的像素信号，并将其与噪声信号独立地进行存储。从传感器输出针对各像素的、成对的像素信号和噪声信号。通过从像素信号中减去噪声信号，可以获取噪声降低的图像信号。
在运动图像的记录方面，由于图像传感器像素数量的增大，主流(mainstream)的运动图像的标准图像尺寸从四分之一视频图形阵列(QVGA，Quarter Video Graphic Array)(320×240像素)或者视频图形阵列(VGA，Video Graphics Array)(640×480像素)改变为高清晰度(HD，high definition)(1920×1080像素)。因此，在不降低帧速率的情况下，以比以往更高的分辨率记录运动图像。
然而，根据日本特开平01-154678号公报，由于执行噪声信号和像素信号的读出，因此读出图像的操作时间增加。这样，当考虑帧速率时，可能无法提供充足的读出图像的时间来记录高清晰度(HD)运动图像。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种摄像装置，该摄像装置包括：图像传感器，其具有多个像素；以及控制单元，其被构造为对所述图像传感器进行控制。所述多个像素中的各像素包括：光电转换元件，其被构造为将光转换为电荷；放大器，其被构造为放大所述电荷；传送开关，其被构造为在接通时将所述光电转换元件的信号输入给所述放大器；复位开关，其被构造为在接通时将到所述放大器的所述输入复位；以及选择开关，其被构造为在接通时将来自所述放大器的输出输出给信号输出线。所述控制单元能够执行第一读出操作和第二读出操作，在所述第一读出操作中，依次通过所述传送开关断开、所述复位开关接通以及所述选择开关接通，将第一信号从所述放大器输出给所述信号输出线；在所述第二读出操作中，依次通过所述复位开关断开、所述传送开关接通以及所述选择开关接通，将第二信号从所述放大器输出给所述信号输出线。所述控制单元还能够选择和执行第一模式及第二模式，在所述第一模式中，将所述第一读出操作和所述第二读出操作分别执行预定时间段，以获取图像；在所述第二模式中，将所述第一读出操作执行比所述第一模式的所述预定时间段短的时间段，以获取图像。
根据本发明的另一方面，提供了一种摄像装置，该摄像装置包括：图像传感器，其具有多个像素；以及控制单元，其被构造为对所述图像传感器进行控制。所述多个像素中的各像素包括：光电转换元件，其被构造为将光转换为电荷；放大器，其被构造为放大所述电荷；传送开关，其被构造为在接通时将所述光电转换元件的信号输入给所述放大器；复位开关，其被构造为在接通时将到所述放大器的所述输入复位；以及选择开关，其被构造为在接通时将来自所述放大器的输出输出到信号输出线。所述控制单元能够执行第一读出操作和第二读出操作，在所述第一读出操作中，依次通过所述传送开关断开、所述复位开关接通以及所述选择开关接通，将第一信号从所述放大器输出给所述信号输出线；在所述第二读出操作中，依次通过所述复位开关断开、所述传送开关接通以及所述选择开关接通，将第二信号从所述放大器输出给所述信号输出线。所述控制单元还能够选择和执行第一模式及第二模式，在所述第一模式中，将所述第一读出操作和所述第二读出操作分别执行预定时间段，以获取图像；在所述第二模式中，将所述第一读出操作和所述第二读出操作分别执行比所述第一模式的所述预定时间段短的时间段，以获取图像。
通过以下参照附图对示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及方面将变得清楚，在各图中，相同的附图标记表示相同或类似的部分。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图，例示了本发明的示例性实施例，并与说明书的描述部分一起用来说明本发明的原理。
图1是例示根据本发明的第一示例性实施例的摄像装置的框图。
图2例示了根据本发明的第一示例性实施例的图像传感器的配置的示例。
图3例示了根据本发明的第一示例性实施例的图2中所例示的图像传感器的像素的配置的示例。
图4例示了根据本发明的第一示例性实施例的图2中所例示的图像传感器的加法电路的配置的示例。
图5例示了根据本发明的第一示例性实施例的图2中所例示的图像传感器的水平读出电路的配置的示例。
图6例示了根据本发明的第一示例性实施例在拍摄静止图像的“正常读取操作”中在像素部分处的操作的示例。
图7例示了根据本发明的第一示例性实施例在电子取景器(EVF，electronic viewfinder)的“短时间读取操作”中在像素部分处的操作的示例。
图8例示了根据本发明的第二示例性实施例在拍摄运动图像的“短时间读取操作”中在像素部分处的操作的示例。
图9例示了根据本发明的第二示例性实施例在拍摄运动图像的“短时间读取操作”中在像素部分处的操作的另一示例。
具体实施方式
下面，将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例、特征及方面。
图1是例示根据本发明的第一示例性实施例的摄像装置的框图。如图1所例示的，摄像装置包括光学系统1、图像传感器2、驱动电路单元3、预处理单元4、信号处理单元5、存储单元6、图像显示单元7、图像记录单元8、操作单元9以及同步控制单元10。光学系统1包括用于在图像传感器2上形成被摄体图像的聚焦透镜、用于执行光学变焦的变焦透镜、用于调整被摄体图像的亮度的光圈以及用于控制曝光的快门。
图像传感器2包括沿水平及垂直方向排列的多个像素以及用于以预定顺序输出从这些像素读出的信号的电路。下面使用图2进行详细描述。驱动电路单元3根据来自同步控制单元10的控制信号，提供恒定电压或者驱动能力增强的脉冲，以驱动光学系统1及图像传感器2。
预处理单元4由来自同步控制单元10的控制信号控制，并且包括相关双采样(CDS，correlated double sampling)电路、增益控制放大器以及模拟/数字(A/D)转换电路。CDS电路消除作为模拟信号的来自图像传感器2的输出信号中包含的诸如复位噪声等的噪声分量。增益控制放大器对消除了噪声的输出信号的振幅进行调整。A/D转换电路将调整了振幅的作为模拟信号的输出信号转换为数字信号。
信号处理单元5由来自同步控制单元10的控制信号控制，对从预处理单元4发送的转换为数字信号的输出信号进行适当的信号处理，并且将输出信号转换为图像数据。此外，信号处理单元5将图像数据和转换为数字信号的输出信号输出到存储单元6和图像记录单元8，从存储单元6和图像记录单元8接收图像数据和转换为数字信号的输出信号，并执行信号处理。此外，信号处理单元5具有从图像传感器2的输出信号中检测测光数据(例如聚焦状态及曝光量)并将测光数据发送到同步控制单元10的功能。
存储单元6由来自同步控制单元10的控制信号控制，并临时存储转换为数字信号的图像传感器2的输出信号以及经过信号处理的图像数据。此外，存储单元6还具有将用于显示的图像数据输出到图像显示单元7的功能。图像显示单元7由来自同步控制单元10的控制信号控制，并包括显示存储在存储单元6中的用于显示的图像数据、以确定图像拍摄前的布局(composition)并确认图像拍摄后的图像的EVF及液晶显示器(LCD)。
此外，图像显示单元7通常使用少于图像传感器2的垂直像素的数量的数量的显示像素。根据本示例性实施例，图像显示单元7的显示像素的数量少于图像传感器2的像素的数量。
可拆卸存储卡的图像记录单元8由来自同步控制单元10的控制信号控制，将从信号处理单元5发送的转换为数字信号的输出信号以及图像数据记录在存储卡中，并从存储卡中读取输出信号及图像数据。操作单元9可以向同步控制单元10传送使用操作部件(例如开关、按钮及拨盘)输入的、来自外部设备的指示，例如摄像装置的电源开关的状态、用于指示图像拍摄的按钮的状态或者用于选择拍摄模式的模式拨盘的状态。
此外，操作单元9向同步控制单元10传送菜单操作，菜单操作用于预先指示拍摄图像之前的图像显示的指令、用于拍摄图像的各种指令、所拍摄图像的显示或者摄像装置的操作。此外，操作单元9可以根据来自同步控制单元10的控制信号，使用诸如LCD及发光二极管(LED)的显示单元或者图像显示单元7显示摄像装置的状态。
用户可以使用图像显示单元7作为显示单元，并使用在图像显示单元7上配备的触摸屏作为操作部件来操作画面。同步控制单元10根据来自操作单元9的指令控制整个摄像装置。此外，同步控制单元10根据从信号处理单元5发送的测光数据(例如聚焦状态及曝光量)控制光学系统1，并且使得在图像传感器2上形成被摄体的最佳图像。
此外，同步控制单元10可以检测存储单元6的使用状态、从图像记录单元8可拆卸的存储卡的安装状态或使用状态。
根据本示例性实施例的摄像装置的操作如下。
<对图像显示的控制>
(1)来自操作单元9的电源开关的指令接通电源。
(2)信号处理单元5将来自图像传感器2的图像信号转换为用于显示的图像数据，在图像显示单元7上显示图像数据，检测测光数据，并将测光数据发送到同步控制单元10。
(3)同步控制单元10基于测光数据经由驱动电路单元3控制光学系统1。
(4)摄像装置重复操作(2)及(3)并等待来自操作单元9的指令。
<对静止图像拍摄的控制>
(1)操作单元9的拍摄开关发出的指令开始对静止图像拍摄的控制。
(2)信号处理单元5从发送自图像传感器2的图像信号中检测测光数据，并将测光数据发送到同步控制单元10。
(3)基于测光数据，同步控制单元10经由驱动电路单元3控制光学系统1。
(4)图像传感器2对用于记录的静止图像进行曝光，并输出信号。
(5)信号处理单元5将来自图像传感器2的图像信号转换为用于记录的图像数据，将图像数据发送到图像记录单元8，将用于记录的图像数据记录在可拆卸存储卡中，将用于记录的图像数据转换为用于显示的图像数据，并在图像显示单元7上显示用于显示的图像数据。
(6)摄像装置返回到对图像显示的控制。
参照图2、3、4及5来详细描述图像传感器2。为了方便描述，在图2中，例示了具有水平方向上12个像素乘以垂直方向上12个像素的图像传感器2。
在图2中，像素11表示将进入的光转换为电信号的像素中的一个像素。将表示该像素在水平方向(H)和垂直方向(V)上的位置的像素11的地址表示为(1，1)。除了像素具有不同的垂直控制线及不同的垂直信号线(垂直控制线和垂直信号线取决于与其相对应的像素)以外，所有像素都具有与像素11相同的配置。将表示像素位置的地址表示为(H，V)。
图3例示了像素11的配置的示例。在图3中，被虚线包围的部分表示像素11。像素11经由垂直控制线201和垂直信号线101连接到外部。垂直控制线201共同连接到一个水平行中的所有像素，同时控制一个水平行中的像素。垂直信号线101共同连接到一个垂直列中的所有像素，并输出像素信号。垂直控制线201包括复位控制线221、垂直地址线241以及传送控制线261。
光电转换元件D1将光转换为电荷。当将光电转换元件D1的电荷转换为电压时，浮动扩散(FD，floating diffusion)电容器C1蓄积电荷。驱动晶体管(放大器)Td1驱动像素中的放大器，并根据FD电容器C1的电压输出电压。复位晶体管(复位开关)T1连接到复位控制线221，以复位FD电容器C1的电压。
选择晶体管(选择开关)T2连接到垂直地址线241，并将来自驱动晶体管Td1的输出作为来自像素的输出信号输出到垂直信号线101。传送晶体管(传送开关)T3连接到传送控制线261，并控制要从光电转换元件D1传送到FD电容器C1的电荷。
电源Vd提供用于驱动晶体管Td1和复位晶体管T1的电力。根据本示例性实施例，除驱动晶体管Td1以外的晶体管用作开关，这些开关在连接到栅极的控制线接通时变为导通，在控制线断开时变为关断。
描述利用图像传感器2读取噪声和像素信号。描述在图像传感器2读出水平行中的像素时噪声的读取。由于垂直控制线控制一个水平行中的所有像素，因此其它像素也进行类似的操作。因此，作为示例描述像素(1，1)。
在传送晶体管T3关断时，当复位控制线221接通复位晶体管T1并且FD电容器C1的电压复位之后，复位晶体管T1关断。接下来，垂直地址线241接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的复位电压输出到垂直信号线(信号输出线)101。该信号成为噪声信号(第一信号)，将用于读出噪声信号的操作(第一读出操作)定义为噪声读取。
描述像素信号读取。在复位晶体管T1关断时，当传送控制线261接通传送晶体管T3时，将电荷从光电转换元件D1传送到FD电容器C1。将在FD电容器C1中生成的噪声信号和从光电转换元件D1传送的电荷相加，将其转换成像素信号。
随后，垂直地址线241接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的信号电压输出到垂直信号线101。该信号成为像素信号(第二信号)，将用于读出像素信号的操作(第二读出操作)定义为像素信号读取。
将用于进行静止图像拍摄的噪声读取时间段Nread1和像素信号读取时间段Sread1均称为“正常读取操作”。此外，将比“正常读取操作”短的噪声读取时间段和像素信号读取时间段均称为“短时间读取操作”。下面，将详细描述“正常读取操作”和“短时间读取操作”。
回到图2，垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32可以选择连接到要读出的像素的垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212。利用经由控制输入端子16来自同步控制单元10的控制信号的指令，垂直控制电路33对垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32进行控制。
垂直移位寄存器控制线34可以向垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32发出“一行读取操作”、“两行相加操作”及“三行相加操作”中的任何一个指令。垂直寄存器选择线35、36及37中的垂直寄存器选择线35可以选择全部垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32。垂直寄存器选择线36可以选择垂直移位寄存器22、24、26、28、30及32。此外，垂直寄存器选择线37可以选择垂直移位寄存器23、26、29及32。
例如，如果垂直移位寄存器控制线34指示“一行读取操作”，并且选择了垂直寄存器选择线35，则可以控制垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32，使得依次针对各行选择垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212。
如果垂直移位寄存器控制线34指示“一行读取操作”，并且选择了垂直寄存器选择线36，则可以控制垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32，使得依次选择垂直控制线202、204、206、208、210及212。
如果垂直移位寄存器控制线34指示“一行读取操作”，并且选择了垂直寄存器选择线37，则可以控制垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32，使得依次选择垂直控制线203、206、209及212。
此外，如果垂直移位寄存器控制线34指示“两行相加操作”，并且选择了垂直寄存器选择线35，则可以控制垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32，使得垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212中的每一个在一行读取操作中同时选择两行。利用该操作，在垂直方向上将两个像素的信号相加并求平均，并将其输出到垂直信号线。
此外，如果垂直移位寄存器控制线34指示“三行相加操作”，并且选择了垂直寄存器选择线35，则可以控制垂直移位寄存器21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31及32，使得垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212中的每一个在一行读取操作中同时选择三行。利用该操作，在垂直方向上将三个像素的信号相加并求平均，并将其输出到垂直信号线。
加法电路12可以将从像素中读出的发送到垂直信号线101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111及112的信号相加。加法控制电路40利用经由控制输入端子16来自同步控制单元10的控制信号的指令，对加法电路12进行控制。加法控制线41、42、43、44、45、46、47及48用来控制加法电路12。
水平读出电路13由水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412控制，并且可以将经由加法电路12的相加输出线301、302、303、304、305、306、307、308、309、310、311及312发送的相加信号发送到输出电路14。
输出电路14包括电流放大电路和电压放大电路。输出电路14适当地放大发送的信号的电流和电压，并将放大的信号经由输出端子15输出到预处理单元4。水平读出控制线49、50及51用来控制水平读出电路13。
水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72可以选择水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412。水平控制电路73利用经由控制输入端子16来自同步控制单元10的控制信号的指令，对水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72进行控制。水平移位寄存器控制线74可以针对水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72指示下面描述的“有噪声读取的操作”和“无噪声读取的操作”中的任何一者。
水平寄存器选择线75、76及77中的水平寄存器选择线75可以选择全部水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72。水平寄存器选择线76可以选择水平移位寄存器61、63、65、67、69及71。此外，水平寄存器选择线77可以选择水平移位寄存器61、64、67及70。
例如，如果选择了水平寄存器选择线75，则可以通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，控制水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72，使得依次针对每列选择水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412。
如果选择了水平寄存器选择线76，则可以通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，控制水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72，使得依次针对每列选择水平控制线401、403、405、407、409及411。
如果选择了水平寄存器选择线77，则可以通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，控制水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72，使得依次针对每列选择水平控制线401、404、407及410。
图4例示了加法电路12的示例。在图4中，仅例示了与图2中所例示的图像传感器2左侧的六个像素相对应的部分，与右侧的六个像素相对应的部分具有类似的结构。在图4中，晶体管T41、T42、T43、T44、T45、T46、T47及T48用作开关，这些开关分别由加法控制线41、42、43、44、45、46、47及48接通/断开而导通或关断。
存储电容器C101、C102、C103、C104、C105及C106(右侧六个像素的存储电容器C107、C108、C109、C110、C111、C112未示出)对从像素中读出的发送到垂直信号线101、102、103、104、105及106(对于右侧六个像素为垂直信号线107、108、109、110、111及112(图2))的信号进行蓄积。相加输出线301、302、303、304、305及306(相加输出线307、308、309、310、311及312(图2))是用于从加法电路12进行输出的输出线。
参照图4描述加法电路12的操作的示例。首先，通过加法控制线41的控制，晶体管T41接通，在存储电容器C101、C102、C103、C104、C105及C106中蓄积从像素中读出的发送到垂直信号线101、102、103、104、105及106的信号。然后，晶体管T41断开。
当信号不相加时，通过加法控制线45、46、47及48的控制，晶体管T45、T46、T47及T48接通，将存储电容器C101、C102、C103、C104、C105及C106中的信号输出到相加输出线301、302、303、304、305及306。
当相加水平的两个像素时，通过加法控制线43及44的控制、晶体管T43及T44接通，并且通过加法控制线46及47的控制、晶体管T46及T47接通。利用该操作，将存储电容器C101、C102、C103、C104、C105及C106中的每两个信号相加并求平均，然后输出到相应的相加输出线301、303及305中的各个。
当相加水平的三个像素时，通过加法控制线42及44的控制、晶体管T42及T44接通，并且通过加法控制线45及46的控制、晶体管T45及T46接通。利用该操作，将存储电容器C101、C102、C103、C104、C105及C106中的每三个信号相加并求平均，然后输出到相应的相加输出线301及304中的各个。
图5例示了水平读出电路13的配置的示例。在图5中，仅例示了与图2中所例示的图像传感器2左侧的三个像素相对应的部分，与右侧九个像素相对应的部分具有类似的配置。晶体管T49、T50及T51用作开关，这些开关分别由水平读出控制线49、50及51接通/断开而导通或者关断。
晶体管T421、T422及T423(对于右侧的九个像素为T424、T425、T426、T427、T428、T429、T430、T431及T432)用作开关，这些开关分别由控制线421、422及423(对于右侧的九个像素为控制线424、425、426、427、428、429、430、431及432)接通/断开而导通或者关断。晶体管T441、T442及T443(对于右侧的九个像素为T444、T445、T446、T447、T448、T449、T450、T451及T452)用作开关，这些开关分别由控制线441、442及443(对于右侧的九个像素为控制线444、445、446、447、448、449、450、451及452)接通/断开而导通或者关断。
水平控制线401、402及403(对于右侧的九个像素为水平控制线407、408、409、410、411及412)包括相应的噪声控制线421、422及423(对于右侧的九个像素为噪声控制线424、425、426、427、428、429、430、431及432)以及相应的信号控制线441、442及443(对于右侧的九个像素为信号控制线444、445、446、447、448、449、450、451及452)。存储电容器C421、C422及C423(对于右侧的九个像素为C424、C425、C426、C427、C428、C429、C430、C431及C432)以及存储电容器C441、C442及C443(对于右侧的九个像素为C444、C445、C446、C447、C448、C449、C450、C451及C452)蓄积经由晶体管T49及T50发送的信号。
此外，可变电压源V51向水平噪声线501施加预定电压。图2中所例示的输出电路14用作配备有用于向其输入电压及信号的水平噪声线501及水平信号线502的差分放大器，将差分信号放大为适当的电流或适当的电压，并且经由输出端子15将放大的信号输出到预处理单元4。
下面，将参照图5描述水平读出电路13的操作。当水平读出电路13读取噪声时，通过水平读出控制线49的控制，晶体管T49接通，并且发送到相加输出线301、302及303的噪声信号被蓄积在存储电容器C421、C422及C423中。然后，晶体管T49断开。
当水平读出电路13读取像素信号时，通过水平读出控制线50的控制，晶体管T50接通，并且发送到相加输出线301、302及303的像素信号被蓄积在存储电容器C441、C442及C443中。然后，晶体管T50断开。
接下来，将描述由图2中所例示的水平读出电路13执行的“有噪声读取的操作”和“无噪声读取的操作”。当来自同步控制单元10的控制信号指示“有噪声读取的操作”时，水平移位寄存器控制线74对水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72进行控制。
水平移位寄存器控制线74给出指令，使得相应的水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412中所包含的噪声控制线(图5中的421、422及423)和信号控制线(图5中的441、442及443)两者都对晶体管(图5中的T421、T422、T423以及T441、T442及T443)进行控制。
利用该操作，通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，依次选择水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412(图5中的水平控制线401、402及403中所包含的噪声控制线421、422及423以及信号控制线441、442及443)。
将与所选择的水平控制线相对应的存储电容器C421、C422及C423中所蓄积的噪声信号和存储电容器C441、C442及C443中所蓄积的像素信号分别输出到水平噪声线501和水平信号线502。如上所述，经由输出电路14输出一个水平行的像素信号与噪声信号之间的差动输出。
接下来，当来自同步控制单元10的控制信号指示“无噪声读取的操作”时，水平移位寄存器控制线74对水平移位寄存器61、62、63、64、65、66、67、68、69、70、71及72进行控制。同步控制单元10给出指令，使得相应的水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412中所包含的信号控制线(图5中的441、442及443)对晶体管(图5中的T441、T442及T443)进行控制。
此外，通过来自同步控制单元10的控制信号，水平读出控制线51接通晶体管T51，以将针对可变电压源V51设置的预定电压施加给水平噪声线501。
利用该操作，通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，依次选择水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412(图5中的水平控制线401、402及403中所包含的信号控制线441、442及443)。将与所选择的水平控制线相对应的存储电容器C441、C442及C443中所蓄积的像素信号输出到水平信号线502。另一方面，水平噪声线501具有针对可变电压源V51设置的预定电压。
如上所述，经由输出电路14输出一个水平行的像素信号与针对可变电压源V51设置的预定电压之间的差动输出。此时，针对可变电压源V51设置的预定电压可以使用通过计算作为预先读出的噪声的噪声信号输出的平均值而获取的电压值。
接下来，将描述与“对静止图像拍摄的控制”的操作(4)相对应的、用于读出所有像素的静止图像拍摄模式(第一模式)。在曝光之后，针对静止图像的读出操作指示“正常读取操作”。此时，图3中所例示的像素部分以图6中所例示的顺序进行操作。
经由复位控制线221输入驱动信号，以接通复位晶体管T1，复位FD电容器C1。在经过图6中所例示的“Reset”时段之后，复位晶体管T1断开，FD电容器C1的复位结束。
然后，经由垂直地址线241输入驱动信号，以接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的噪声信号输出到垂直信号线101。在经过图6中所例示的“Nread1”时段之后，选择晶体管T2断开。然后，经由传送控制线261输入驱动信号，以接通传送晶体管T3，将光电转换元件D1的像素信号输出到FD电容器C1。
在经过图6中所例示的“Data”时段之后，传送晶体管T3断开。然后，经由垂直地址线241输入驱动信号，以接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的像素信号输出到垂直信号线101。在经过图6中的“Sread1”时段之后，选择晶体管T2断开。
在图像传感器2中，经由垂直移位寄存器控制线34指示“一行读取操作”，并选择垂直寄存器选择线35，以依次针对各行选择垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212。利用该操作，读出图像传感器2的第一行的像素，同时在读取像素信号之前，读取一个水平行的噪声。
在静止图像拍摄模式下，由于不执行加法，因此加法电路12直接将噪声信号发送到水平读出电路13。水平读出电路13经由水平读出控制线49接通晶体管T49，将经由相加输出线301发送的噪声信号蓄积在存储电容器C421、C422及C423中，然后断开晶体管T49。上述操作为噪声读取。
接下来，执行同一行的像素信号读取。在静止图像拍摄模式下，由于不执行加法，因此加法电路12直接将像素信号发送到水平读出电路13。水平读出电路13经由水平读出控制线50接通晶体管T50，将经由相加输出线301发送的像素信号蓄积在存储电容器C441、C442及C443中，然后断开晶体管T50。上述操作为像素信号读取。
通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，依次针对各列选择水平控制线401、402、403、404、405、406、407、408、409、410、411及412。这时，由于指示了“正常读取操作”，因此，例如，水平控制线401中所包含的噪声控制线421和信号控制线441两者都变为有效。
然后，将噪声信号和像素信号分别经由水平噪声线501和水平信号线502发送到输出电路14，并且从图像传感器2输出像素信号与噪声信号之间的差动输出。针对一个水平行重复该操作，以读出第一行的像素。当对所有像素执行了该操作时，静止图像拍摄模式完成。
下面，将描述与“对图像显示的控制”的操作(2)相对应的、用于在显示单元上显示所拍摄的图像的EVF拍摄模式(第二模式)。根据本示例性实施例的显示单元在行和列两个方向上具有为图像传感器2的分辨率的三分之一的分辨率。显示在行和列的方向上将三行像素和三列像素相加的图像。
针对EVF读取操作指示“短时间读取操作”。此时，图3中所例示的像素部分以图7中所例示的顺序进行操作。首先，经由复位控制线221输入驱动信号，以断开复位晶体管T1，复位FD电容器C1。在经过图7中所例示的“Reset”时段之后，复位晶体管T1断开，并且FD电容器C1的复位结束。
然后，经由垂直地址线241输入驱动信号，以接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的噪声信号输出到垂直信号线101。在经过图7中所例示的“Nread2”时段之后，选择晶体管T2断开。
然后，经由传送控制线261输入驱动信号，以接通传送晶体管T3，将光电转换元件D1的像素信号输出到FD电容器C1。在经过图7中所例示的“Data”时段之后，传送晶体管T3断开。
随后，经由垂直地址线241输入驱动信号，以接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的像素信号输出到垂直信号线101。在经过图7中所例示的“Sread1”时段之后，选择晶体管T2断开。时段“Nread1”与时段“Nread2”之间的关系定义为“Nread1＞Nread2”。将图7中所例示的“短时间读取操作”中的驱动像素的定时的噪声读出时间设置为比图6中所例示的“正常读取操作”中的驱动像素的定时的噪声读出时间短，以提高帧速率。此外，通过对周边像素执行相加处理，减小了读出期间出现的偏差(variation)。
垂直移位寄存器控制线34指示“三行相加操作”，并选择垂直寄存器选择线35，使得依次针对三行同时选择垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212。利用该操作，将垂直方向上的三个像素的信号相加并求平均，并且输出到垂直信号线。
下面，将描述针对三行同时选择的像素中的像素(1，1)、(2，1)、(3，1)、(1，2)、(2，2)、(3，2)、(1，3)、(2，3)及(3，3)。以类似的操作将上述像素之后的像素垂直相加。在这种情况下，也在读取像素信号之前读取噪声。
在下文中，将像素(1，1)、(2，1)及(3，1)相加并求平均的信号称为“第一垂直相加像素信号”，将像素(1，2)、(2，2)及(3，2)相加并求平均的信号称为“第二垂直相加像素信号”。此外，将像素(1，3)、(2，3)及(3，3)相加并求平均的信号称为“第三垂直相加像素信号”。将第一、第二及第三垂直相加像素信号分别输出到垂直信号线101、102及103。
接下来，加法电路12指示将三个水平像素相加，并且将输出到垂直信号线101、102及103的第一、第二及第三垂直相加像素信号相加，从而将全部九个像素相加并经由相加输出线301发送到水平读出电路13。
水平读出电路13经由水平读出控制线49接通晶体管T49，将经由相加输出线301发送的噪声信号蓄积在存储电容器C421中，然后断开晶体管T49。上述操作为噪声读取。
接下来，通过与噪声读取类似的方法，读取通过将九个像素相加而获取的像素信号。将相加的信号经由相加输出线301发送到水平读出电路13。水平读出电路13经由水平读出控制线50接通晶体管T50，将经由相加输出线301发送的像素信号蓄积在存储电容器C441中，然后断开晶体管T50。上述操作为像素信号读取。
当选择了水平寄存器选择线77时，通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，依次针对各行选择水平控制线401、404、407及410。此时，由于指示了“短时间读取操作”，因此将噪声读出时间控制为比信号读出时间短。对所有像素执行该操作，然后一个帧的EVF读出结束。
在图像显示单元7上显示如上所述以与显示单元的分辨率相同的分辨率转换的图像数据。此外，用类似的转换方法生成用于测光的图像以检测测光数据，然后将测光数据发送到同步控制单元10。
如上所述，根据本示例性实施例，与静止图像记录相比，在能够改变光电转换元件D1的噪声读取及像素信号读取的时间段的摄像装置中，对于EVF读出，将噪声读出时间设置为比信号读出时间短。通过该操作，缩短了图像读出时间，从而使帧速率提高。此外，对于EVF读出，将多个像素信号相加，以减小可能由于短时间读出而产生的偏差。
参照图8及9描述根据本发明的第二示例性实施例的摄像装置。根据本示例性实施例，摄像装置的基本配置以及图像传感器的基本配置及基本操作与第一示例性实施例中类似。此外，由于对静止图像拍摄的控制与第一示例性实施例中类似，因此省略其描述。
<对运动图像拍摄的控制>
(1)操作单元9的运动图像拍摄开关发出的指令开始对运动图像拍摄的控制。
(2)信号处理单元5从发送自图像传感器2的图像信号检测测光数据，并将测光数据发送到同步控制单元10。
(3)基于测光数据，同步控制单元10经由驱动电路单元3控制光学系统1。
(4)图像传感器2对用于记录的运动图像进行曝光，并输出信号。
(5)信号处理单元5将来自图像传感器2的图像信号转换为用于记录的图像数据，将图像数据发送到图像记录单元8，将用于记录的图像数据记录在可拆卸存储卡中，将用于记录的图像数据转换为用于显示的图像数据，并在图像显示单元7上显示用于显示的图像数据。
(6)摄像装置重复操作(2)至(5)并等待来自操作单元9的指令。
描述与<对运动图像拍摄的控制>的操作(4)相对应的运动图像拍摄模式(第三模式)。首先，针对运动图像拍摄的读出操作指示“短时间读取操作”。此时，图3中所例示的像素部分以图8中所例示的顺序进行操作。经由复位控制线221输入驱动信号，以接通复位晶体管T1，复位FD电容器C1。在经过图8中的Reset时段之后，复位晶体管T1断开，并且FD电容器C1的复位结束。
接下来，经由垂直地址线241输入驱动信号，以接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的噪声信号输出到垂直输出线101。在经过图8中的Nread2时段之后，选择晶体管T2断开。然后，经由传送控制线261输入驱动信号，以接通传送晶体管T3，将光电转换元件D1的像素信号输出到FC电容器C1。在经过图8中的Data时段之后，传送晶体管T3断开。
随后，经由垂直地址线241输入驱动信号，以接通选择晶体管T2，将FD电容器C1的像素信号输出到垂直输出线101。在经过图8中的Sread2时段之后，选择晶体管T2断开。
时段Nread1与Nread2之间以及时段Sread1与Sread2之间的关系分别被定义为Nread1＞Nread2和Sread1＞Sread2。与图6中的“正常读取操作”中的像素驱动定时相比，对于噪声信号和像素信号两者，图8中的“短时间读取操作”中的像素驱动定时具有较短的读出时段。因此，能够提高帧速率。
当定义了关系Nread2＞Nread3时，如图9所例示的，可以进一步缩短噪声读取时间。此外，通过对噪声读取数据和像素信号读取数据中的各个执行周边像素相加处理，减小了读出期间的偏差。
以图像传感器2的分辨率的三分之一的分辨率在行和列两个方向上记录运动图像，并记录在行和列方向上将三行像素和三列像素相加的运动图像。垂直移位寄存器控制线34指示“三行相加操作”。选择垂直寄存器选择线35，使得依次同时选择垂直控制线201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211及212中的三行。
通过该操作，将垂直方向上的三个像素的信号相加并求平均，然后输出。描述针对三行同时选择的像素中的像素(1，1)、(2，1)、(3，1)、(1，2)、(2，2)、(3，2)、(1，3)、(2，3)及(3，3)。以类似的操作将后续的像素垂直相加。在这种情况下，也在读取像素信号之前读取噪声。
在下文中，将像素(1，1)、(2，1)及(3，1)相加并求平均的信号称为第一垂直相加像素信号，将像素(1，2)、(2，2)及(3，2)相加并求平均的信号称为第二垂直相加像素信号。此外，将像素(1，3)、(2，3)及(3，3)相加并求平均的信号称为第三垂直相加像素信号。将第一、第二及第三垂直相加像素信号分别输出到垂直信号线101、102及103。
接下来，加法电路12指示将三个水平像素相加，并且将输出到垂直信号线101、102及103的垂直相加像素信号11、12、13相加，从而将全部九个像素相加，并经由相加输出线301发送到水平读出电路13。
水平读出电路13经由水平读出控制线49接通晶体管T49，将经由相加输出线301发送的噪声信号蓄积在存储电容器C421中，然后断开晶体管T49。上述操作为噪声读取。
接下来，通过与噪声读取类似的方法，读取通过将九个像素相加而获取的像素信号。将相加的信号经由相加输出线301发送到水平读出电路13。水平读出电路13经由水平读出控制线50接通晶体管T50，将经由相加输出线301发送的像素信号蓄积在存储电容器C441中，然后断开晶体管T50。上述操作为像素信号读取。
当选择了水平寄存器选择线77时，通过经由水平移位寄存器控制线74的操作开始指令，依次针对各行选择水平控制线401、404、407及410。此时，由于指示了“短时间读取操作”，因此将噪声读出时间控制为比信号读出时间短。对所有像素执行该操作，一个帧的运动图像读出结束。
在图像显示单元7上显示如上所述以与显示单元的分辨率相同的分辨率转换的图像数据。此外，用类似的转换方法生成用于测光的图像以检测测光数据，然后将测光数据发送到同步控制单元10。
如上所述，根据本示例性实施例，与静止图像记录相比，在能够改变光电转换元件D1的噪声读取及像素信号读取的时间段的摄像装置中，对于运动图像读出，将噪声读出时间设置为比信号读出时间短。通过该操作，缩短了图像读出时间，从而使帧速率提高。此外，对于运动图像读出，将多个像素信号相加，以减小可能由于短时间读出而产生的偏差。
虽然参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不局限于所公开的示例性实施例。本发明适用于例如数字静止照相机、数字小型照相机、视频照相机、网络照相机以及手机的内置照相机功能。应当对所附权利要求的范围给予最宽的解释，以涵盖所有变型、等同结构及功能。
Claims (8)
1.一种摄像装置，该摄像装置包括图像传感器及控制单元，所述图像传感器具有多个像素，所述控制单元被构造为控制所述图像传感器，
所述多个像素中的各像素包括：
光电转换元件，其被构造为将光转换为电荷；
放大器，其被构造为放大所述电荷；
传送开关，其被构造为在接通时将所述光电转换元件的信号输入给所述放大器；
复位开关，其被构造为在接通时将到所述放大器的所述输入复位；并且
所述控制单元能够执行第一读出操作和第二读出操作，在所述第一读出操作中，依次通过所述传送开关断开以及所述复位开关接通，将第一信号从所述放大器输出给信号输出线，在所述第二读出操作中，依次通过所述复位开关断开以及所述传送开关接通，将第二信号从所述放大器输出给所述信号输出线，并且，
所述控制单元还能够选择和执行第一模式及第二模式，在所述第一模式中，将所述第一读出操作和所述第二读出操作分别执行预定时间段，以获取图像，在所述第二模式中，通过短时间读取操作来将所述第一读出操作和所述第二读出操作分别执行比所述第一模式的所述预定时间段短的时间段，以获取用于测光的图像。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第一信号是噪声信号，所述第二信号是像素信号。
3.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第一模式是静止图像拍摄模式，所述第二模式是运动图像拍摄模式。
4.根据权利要求3所述的摄像装置，其中，所述运动图像拍摄模式将多个像素信号相加并求平均。
5.一种摄像装置，该摄像装置包括图像传感器及控制单元，所述图像传感器具有多个像素，所述控制单元被构造为控制所述图像传感器，
所述多个像素中的各像素包括：
光电转换元件，其被构造为将光转换为电荷；
放大器，其被构造为放大所述电荷；
传送开关，其被构造为在接通时将所述光电转换元件的信号输入给所述放大器；
复位开关，其被构造为在接通时将到所述放大器的所述输入复位；并且
所述控制单元能够执行第一读出操作和第二读出操作，在所述第一读出操作中，依次通过所述传送开关断开以及所述复位开关接通，将第一信号从所述放大器输出给信号输出线，在所述第二读出操作中，依次通过所述复位开关断开以及所述传送开关接通，将第二信号从所述放大器输出给所述信号输出线，并且，
所述控制单元还能够选择和执行第一模式及第二模式，在所述第一模式中，将所述第一读出操作和所述第二读出操作分别执行预定时间段，以获取图像，在所述第二模式中，通过短时间读取操作来将所述第一读出操作执行比所述第一模式的所述预定时间段短的时间段并且将所述第二读出操作执行所述第一模式的所述预定时间段，以获取用于测光的图像。
6.根据权利要求5所述的摄像装置，其中，所述第一信号是噪声信号，所述第二信号是像素信号。
7.根据权利要求5所述的摄像装置，其中，所述第一模式是静止图像拍摄模式，所述第二模式是运动图像拍摄模式。
8.根据权利要求7所述的摄像装置，其中，所述运动图像拍摄模式将多个像素信号相加并求平均。
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