CN103181160B - 成像设备和成像方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种能够在单次拍摄中获得具有不同动态范围的多种图像数据的成像设备。成像设备100具有：固态成像器件5，其包括布置为二维阵列的多个第一光电转换元件51a和多个第二光电转换元件51b，该成像设备包括执行驱动的器件控制单元8，其中通过顺序地使所述多个第二光电转换元件曝光第二曝光时段B(1)、B(2)和B(3)，来读取根据在第一曝光时段A期间累积在所述多个第一光电转换元件51a中的电荷的第一信号和根据在多个第二曝光时段B(1)、B(2)和B(3)中的每个时段期间累积在所述多个第二光电转换元件51b中的电荷的第二信号，每个第二曝光时段B(1)、B(2)和B(3)具有不同的长度，且与第一曝光时段A重叠；在与第一曝光时段A重叠的时段期间同时使多个第一光电转换单元51a曝光第一曝光时段A。

Description

成像设备和成像方法

技术领域

本发明涉及成像设备和成像方法。

背景技术

CCD（电荷耦合器件）类型固态成像器件或CMOS（互补金属氧化物半导体）类型固态成像器件被普及为用于对对象成像的固态成像器件。固态成像器件的针对入射光的动态范围通过半导体技术的改进被逐渐增强。然而，在实际上利用固态成像器件的情况下生成超出预置动态范围的入射光不是罕有的。从而，用于扩展动态范围的技术被积极地研究。

例如，专利文献1披露了一种提供有固态成像器件的成像设备，其中，固态成像器件包括执行长期曝光的像素、以及在执行长期曝光的期间内开始短期曝光的像素。该成像设备组合通过长期曝光获得的图像和通过短期曝光获得的图像，以扩展动态范围。

而且，专利文献2披露了一种提供有固态成像器件的成像设备，其中，布置有执行长期曝光的像素和多次执行短期曝光并且每次短期曝光时都进行输出的像素。像素被布置为网格图案。成像设备对通过短期曝光获得的多个图像求平均，以校正相机抖动。成像设备组合求平均之后的图像和通过长期曝光获得的图像，以扩展动态范围。

该成像设备必须在改变长期曝光和短期曝光的比率的同时执行多次拍摄，以针对同一对象获得具有不同动态范围的多种图像数据。然而，拍摄环境时刻改变。例如，在拍摄之间，对象可以移动或者太阳可能消失在云朵后面。从而，不容易针对同一对象获得具有不同动态范围的图像数据。

在拍摄结束之后，当具有期望动态范围扩展比率的图像数据可以被生成时，变得可以获得期望图像。然而，到目前为止，不存在具有这样功能的成像设备。

引用列表

专利文献

[专利文献1]JP-A-2009-302653

[专利文献2]JP-A-2010-062785

发明内容

技术问题

努力地作出了本发明以解决上述问题，并且本发明的目标在于提供能够通过单次拍摄获得具有不同动态范围的多种图像数据的成像设备和成像方法。

问题的解决方案

本发明的成像设备包括：固态成像器件，其包括布置为二维阵列的多个第一光电转换元件和多个第二光电转换元件；以及驱动单元，其执行驱动，其中，通过在使多个第一光电转换元件同时曝光第一曝光时段的同时，顺序地使多个第二光电转换元件曝光具有不同时长的多个第二曝光时段，来读取根据在第一曝光时段期间累积在多个第一光电转换元件中的电荷的第一信号和根据在多个第二曝光时段中的每个时段期间累积在多个第二光电转换元件中的电荷，并且每个第二曝光时段都与第一曝光时段重叠。

通过该结构，可以获得具有不同灵敏度的至少三个信号（第一信号和至少两个第二信号）。从而，例如，当假设存在两个第二曝光时段时，可以通过组合从第一信号生成的图像信号与从两个第二信号中的一个生成的另一个图像数据来生成具有第一动态范围的图像数据，以及通过组合从第一信号生成的图像数据与两个第二信号中的另一个来生成具有第二动态范围的图像数据。即，可以在拍摄之后通过图像处理生成具有不同动态范围的多个图像数据。从而，即使当不执行多次拍摄时，也可以针对同一对象获得具有不同动态范围的多个图像数据。结果，可以提高成像设备的便利性。

本发明的成像方法使用固态成像器件，其包括：布置为二维阵列的多个第一光电转换元件和多个第二光电转换元件。成像方法包括：驱动步骤，通过在同时多个第一光电转换元件曝光第一曝光时段的同时顺序地使多个第二光电转换元件曝光具有不同时长的多个第二曝光时段，来读出根据在第一曝光时段期间累积在多个第一光电转换元件中的电荷的第一信号和根据在多个第二曝光时段中的每个时段期间累积在多个第二光电转换元件中的每个光电转换元件中的电荷的第二信号，并且每个第二曝光时段都与第一曝光时段重叠。

发明的有益效果

根据本发明，可以提供能够在单次拍摄中获得具有不同动态范围的多种类型的图像数据的成像设备和成像方法。

附图说明

图1是用于描述本发明的实施例的成像设备的功能框图。

图2是示出图1中所示的成像设备中的固态成像器件5的示意性结构的平面图。

图3是用于描述在通过图1中所示的成像设备拍摄时的操作的时序图。

图4是示出图1中所示的成像设备的修改实施例的示图。

图5是用于描述在通过图4中所示的成像设备拍摄时的操作的时序图。

图6是用于描述在通过图4中所示的成像设备拍摄时的其他操作的时序图。

图7是示出图5中所示的驱动方法的修改实施例的时序图。

图8是示出曝光时段B(2)被设置为图7中所示的时序图中的最短周期的情况的示图。

图9是示出用于通过单个信号读出电路实现图3中所示的驱动方法的时序图的示例的示图。

图10是示出用于通过单个信号读出电路实现图3中所示的驱动方法的时序图的另一个示例的示图。

图11是示出图2中所示的固态成像器件的修改实施例的示图。

图12是示出图2中所示的固态成像器件的另一个修改实施例的示图。

图13是用于描述当图1中所示的成像设备中的固态成像器件是CCD类型固态成像器件时进行拍摄时的操作的时序图。

具体实施方式

下文中，将参考附图描述本发明的实施例。

图1是用于描述本发明的实施例的成像设备100的功能框图。成像设备100的成像系统包括：拍摄透镜系统1、光圈2、固态成像器件5、以及模数（A/D）转换单元6。

光圈2设置在拍摄透镜系统1的后侧处。拍摄光学系统由拍摄透镜系统1和光圈2构成。

为CMOS类型固态成像器件的固态成像器件5设置在光圈2的后侧，并且其详情将在随后描述。捕捉图像信号在A/D转换单元6中被转换为数字数据，并且然后被输出到总线17上，其中，捕捉图像信号对应于在按该顺序通过拍摄透镜系统1和光圈2之后入射在固态成像器件5的光接收表面上的光学图像。

整体控制整个成像设备100的中央处理单元（CPU）7、由诸如包括快门释放按钮在内的操作按钮构成的操作单元16、由诸如DSP构成并且基于来自CPU7的指令来针对捕捉图像信号执行图像处理的图像处理单元9、将通过执行图像处理获得的捕捉图像数据转换为用于显示的数据的视频编码器15、在显示单元14上显示在视频编码器15中被转换的捕捉图像数据的驱动器13、存储器10、以及介质控制单元12连接至总线17。记录介质（存储卡）（11）被可拆卸地装配在介质控制单元12上。

器件控制单元8连接至CPU7。器件控制单元8根据来自CPU7的指令控制固态成像器件5的驱动。而且，器件控制单元8根据来自CPU7的指令控制光圈2的开口尺寸的调节。器件控制单元8控制拍摄透镜系统1的焦点位置或变焦位置。

图2是示意性地示出图1中所示的成像设备100的固态成像器件5的结构的平面图。

如图2中所示，固态成像器件5包括由多个光电转换元件51a（其被绘有阴影）构成的第一组、由多个光电转换元件51b构成的第二组、以及对应于第一组安装的信号读出电路61a、以及对应于第二组安装的信号读出电路61b。

包括在固态成像器件5中的所有光电转换元件都设置为半导体基板表面的列方向Y和与列方向交叉（在图2的示例中，以直角交叉）的行方向X上的二维图案。所有光电转换元件都以如下方式布置：由平行于行方向X布置的多个光电转换元件51a构成的第一光电转换元件行和由平行于行方向X布置的多个光电转换元件51b构成的第二光电转换元件行在列方向Y上以恒定间距平行交替地布置。而且，第一光电转换元件行被布置为在行方向X上相对于第二光电转换元件行偏移每个光电转换元件排的光电转换元件在行方向X上的阵列间距的一半。该阵列可以通过在关于布置为正方形晶格图案的各个光电转换元件51a以45°方向倾斜偏移的位置处布置光电转换元件51b获得。

同样地，光电转换元件51b被布置为以相同位置关系与所有光电转换元件51a相邻。从而，使每个光电转换元件51a和以（在相同方向上的）相同位置关系与光电转换元件51a邻接的光电转换元件51b相互配对。

包括在固态成像器件5中的所有光电转换元件具有基本相同结构（相同设计值）。术语“基本相同结构”是指在半导体基板内形成的光电转换区域（光电二极管）的尺寸基本相同，并且在光电转换区域之上形成的遮光膜的开口尺寸基本相同。

在每个光电转换元件51a之上安装透射红光的滤色器R1、透射绿光的滤色器G1、或透射蓝光的滤色器B1，其中，滤色器R1、R2、R3作为整体布置为Bayer阵列。

在图2中，字母“R1”被给予在其上安装滤色器R1的光电转换元件51a。而且，字母“G1”被给予在其上安装滤色器G1的光电转换元件51a。另外，字母“B1”被给予在其上安装滤色器B1的光电转换元件51a。

在每个光电转换元件51b之上，安装透射红光的滤色器R2、透射绿光的滤色器G2、或透射蓝光的滤色器B2，其中，滤色器R2、G2、B2作为整体布置为Bayer阵列。

在图2中，字母“R2”被给予在其上安装滤色器R2的光电转换元件51b。而且，字母“G2”被给予在其上安装滤色器G2的光电转换元件51b。另外，字母“B2”被给予在其上安装滤色器B2的光电转换元件51b。

在以下说明中，滤色器R1和滤色器R2还被统称为红色滤色器；滤色器G1和滤色器G2还被统称为绿色滤色器；以及滤色器B1和滤色器B2还被统称为蓝色滤色器。

同样地，相同滤色器（红色滤色器、绿色滤色器、或蓝色滤色器）分别布置在以相同位置关系相互邻近的光电转换元件51a和光电转换元件51b之上（在图2中所示的示例中，光电转换元件51a和在右上方向上倾斜邻近其的光电转换元件51b）。从而，在固态成像器件5中包括在顶上安装的滤色器（具有在顶上安装的红色滤色器的R对、具有在顶上安装的绿色滤色器的G对、以及具有在顶上安装的蓝色滤色器的B对）的颜色不同的三种类型对。

如图2中所示，从图2中的顶部开始将各第一光电转换元件行顺序地称为第一排、第二排、第三排、...、第n排。此外，从图2中的顶部开始将各第二光电转换元件行顺序地称为第一排、第二排、第三排、...、第n排。与包括在第一光电转换元件行的第k排（k=1,2,3,...,n）中的各个光电转换元件51a成对的各个光电转换元件51b形成第二光电转换元件行的第k排（k=1,2,3,...,n）。

未示出的CMOS电路被相应地提供在包括在固态成像器件5中的所有光电转换元件中的每个附近。CMOS电路具有例如三晶体管或四晶体管结构。

信号读出电路62a包括CDS电路55a、晶体管56a、H驱动器57a、信号输出线58a、布线59a（仅部分示出）、V驱动器60a、以及布线61a（仅部分示出）。信号读出电路62a由图1中所示的器件控制单元8控制。

布线61a连接至对应于由平行于行方向X布置的多个光电转换元件构成的各光电转换元件行的各CMOS电路。布线61a连接至V驱动器60a。

V驱动器60执行驱动以一个接一个地选择由平行于行方向布置的多个光电转换元件51a构成的光电转换元件行并且从对应于所选光电转换元件行的CMOS电路将信号读取到布线59a。而且，V驱动器60a还执行驱动来控制对应于第一组的光电转换元件51a的各CMOS电路的重置晶体管以重置第一组的各光电转换元件51a中的累积电荷（将各光电转换元件的电荷排出到各CMOS电路的重置晶体管的漏极的驱动）。

各CDS电路55a被安装为分别对应于由平行于列方向Y布置的多个光电转换元件51a构成的各光电转换元件列。每个CDS电路55a都通过布线59a连接至相应光电转换元件列的CMOS电路。各CDS电路55a执行输入信号的相关双采样。

H驱动器57a通过晶体管56a连接至每个CDS电路55a。H驱动器57a顺序地使晶体管56a导通，以允许在CDS电路55a中被处理的信号输出到信号输出线58a。

信号读出电路62b包括多个CDS电路55b、多个晶体管56b、H驱动器57b、信号输出线58b、布线59b（仅部分示出）、V驱动器60b、以及布线61b（仅部分示出）。信号读出电路62b由图1中所示的器件控制单元8控制。

布线61b连接至对应于由平行于行方向X布置的多个光电转换元件51b构成的各光电转换元件行的各CMOS电路。布线61b连接至V驱动器60b。

V驱动器60b驱动以执行一个接一个地选择由平行于行方向布置的多个光电转换元件51b构成的各光电转换元件行并且从对应于各所选光电转换元件行的各CMOS电路将信号读取到布线59b。而且，V驱动器60b还执行驱动来控制对应于第二组的各光电转换元件51b的各CMOS电路的重置晶体管以重置第二组的各光电转换元件51b中的累积电荷的（将各光电转换元件的电荷排出到各CMOS电路的重置晶体管的漏极的驱动）。

CDS电路55b被安装为对应于由平行于列方向Y布置的多个光电转换元件51b构成的各光电转换元件列。各CDS电路55b通过布线59b连接至各相应光电转换元件列的各CMOS电路。各CDS电路55b执行输入信号的相关双采样。

H驱动器57b通过晶体管56b连接至每个CDS电路55b。H驱动器57b顺序地使晶体管56b导通，以允许在各CDS电路55b中处理的信号被输出到信号输出线58b。

通过该结构，可以从第一和第二组同时读取捕捉图像信号。

接下来，将描述图1中所示的成像设备100的拍摄操作。

首先，将描述概要。当快门释放按钮被按下而发出拍摄命令时，器件控制单元8控制固态成像器件5，以在使第一组光电转换元件51a曝光第一曝光时段的同时顺序地使第二组光电转换元件51b在第一曝光时段期间曝光具有不同时间长度的多个第二曝光时段。当第一曝光时段和多个第二曝光时段中的每个时段结束时，器件控制单元8从固态成像器件5输出根据在曝光时段内累积在光电转换元件中的电荷的捕捉图像信号。图像处理单元9针对至少三种捕捉图像信号（在第一曝光时段内获得的信号和在多个第二曝光时段内获得的信号）执行图像处理，以生成具有不同灵敏度的至少两种捕捉图像数据。

图像处理单元9组合对应于第一曝光时段的捕捉图像数据和对应于各第二曝光时段的多种捕捉图像数据，由此生成具有不同动态范围的多种捕捉图像数据。图像处理单元9将具有不同动态范围的多种捕捉图像数据记录在存储卡11中并且结束拍摄。通过该操作，利用单次拍摄可以获得具有不同动态范围的多种捕捉图像数据。

图3是示出在通过图1中所示的成像设备100进行拍摄时的操作的时序图，其中，详细地示出了第一组光电转换元件51a的曝光时段和第二组光电转换元件51b的曝光时段之间的关系。将参考图3详细地描述通过器件控制单元8控制的内容。在图3中，示出了第一曝光时段包括三个第二曝光时段的示例。在图3中，由“第一曝光时段A”表示的矩形形状（平行四边形）表示整个第一组的第一曝光时段，并且由“B(1)”、“B(2)”、以及“B(3)”表示的每个矩形形状（平行四边形）表示整个第二组的第二曝光时段。

当发出拍摄命令时，器件控制单元8使得V驱动器60a执行滚动重置驱动以在改变定时的同时针对每排的光电转换元件51a来重置第一组光电转换元件51a的累积电荷。而且，器件控制单元8使得V驱动器60b执行另一个滚动重置驱动以在改变定时的同时针对每排光电转换元件51b来重置第二组光电转换元件51b的累积电荷。V驱动器60a和V驱动器60b通过同步第一组的第k排中的重置定时与第二组的第k排中的另一个重置定时来重置累积电荷。

在图3中所示的示例中，在时刻t1和时刻t2之间，当第一组的每排中的各光电转换元件51a被顺序地重置的同时，第二组的每排中的各光电转换元件51b被顺序地重置。在第一组的每排中，在累积电荷的重置结束时，第一曝光时段A的曝光开始。在第二组的每排中，在累积电荷的重置结束时，第二曝光时段B(1)的曝光开始。

当在时刻t1开始第一组的第一排和第二组的第一排的曝光之后经过预定时长并且到达时刻t3时，器件控制单元8使信号读出电路62b执行滚动读出驱动，其中在改变定时的同时针对每排光电转换元件51b读取根据第二组的光电转换元件51b的累积电荷的信号。

在图3中所示的示例中，在时刻t3和时刻t4之间，从固态成像器件5输出根据第二组的光电转换元件51b的累积电荷的信号。在第二组的每排中，当根据各光电转换元件51b的累积电荷的信号的读出结束时，第二曝光时段B(1)的曝光结束。

同时，在时刻t3和时刻t4之间每次结束针对每排的信号读出时，器件控制单元8都通过V驱动器60b重置每排的光电转换元件51b的累积电荷，并且在重置结束之后，器件控制单元8读出下一排的信号。即，在时刻t3和时刻t4之间交替地执行滚动读出驱动和滚动重置驱动。在第二组的每排中，在时刻t3和时刻t4之间通过滚动重置驱动的重置结束时，第二曝光时段B(2)的曝光开始。

当在开始第二曝光时段B(2)的曝光之后已经经过了比第二曝光时段B(1)更长的预定时长并且到达时刻t5时，器件控制单元8使信号读出电路62b交替地执行滚动读出驱动和滚动重置驱动。

在图3中所示的示例中，在时刻t5和时刻t6之间，从固态成像器件5输出根据第二组的每排的光电转换元件51b的累积电荷的信号，并且重置第二组的每排的光电转换元件51b的累积电荷。在第二组的每排中，在结束根据光电转换元件51b的累积电荷的信号的读出时，第二曝光时段B(2)的曝光结束，并且在累积电荷的重置结束时，第二曝光时段B(3)的曝光开始。

当在开始第二曝光时段B(3)的曝光之后已经经过了比第二曝光时段B(2)更长的预定时长并且变为时刻t7时，器件控制单元8使信号读出电路62b交替地执行滚动读出驱动和滚动重置驱动。

在图3中所示的示例中，在时刻t7和时刻t8之间，从固态成像器件5输出根据第二组的每排的光电转换元件51b的累积电荷的信号，并且重置第二组的每排的光电转换元件51b的累积电荷。在第二组的每排中，在结束根据光电转换元件51b的累积电荷的信号的读出时，第二曝光时段B(3)的曝光结束。

当到达时刻t7时，器件控制单元8在改变定时的同时使信号读出电路62a交替地执行滚动读出驱动以读取根据第一组的光电转换元件51a的累积电荷的信号以及执行滚动重置驱动。

在图3中所示的示例中，在时刻t7和时刻t8之间，从固态成像器件5输出根据第一组的每排的光电转换元件51b的累积电荷的信号，并且重置第一组的每排的光电转换元件51a的累积电荷。在第一组的每排中，在结束根据光电转换元件51a的累积电荷的信号的读出时，第一曝光时段A的曝光结束。在时刻t7和时刻t8之间，V驱动器60a和V驱动器60b通过同步第一组的第k排与第二组的第k排中的信号读出定时，来读取根据光电转换元件的累积电荷的信号。

通过上述驱动，在第一曝光时段A的曝光期间顺序地执行第二曝光时段B(1)、第二曝光时段B(2)和第二曝光时段B(3)的曝光，使得可以从固态成像器件5输出从四个曝光时段的曝光获得的四种捕捉图像信号。在拍摄之后，图像处理单元9组合对应于第一曝光时段A的捕捉图像数据和对应于第二曝光时段B(1)的捕捉图像数据，以生成具有第一动态范围的捕捉图像数据。而且，图像处理单元9组合对应于第一曝光时段A的捕捉图像数据和对应于第二曝光时段B(2)的捕捉图像数据，以生成具有第二动态范围的捕捉图像数据。更进一步地，图像处理单元9组合对应于第一曝光时段A的捕捉图像数据和对应于第二曝光时段B(3)的捕捉图像数据，以生成具有第三动态范围的捕捉图像数据。以此方式，可以简单地获得具有不同动态范围的三种捕捉图像数据。从而，成像设备100的用户可以通过在执行拍摄之后改变动态范围获得期望的捕捉图像数据，由此减少拍摄失败可能性。

图4是示出图1中所示的成像设备100的修改实施例的示图。

除了在固态成像器件5的光入射侧中（在图4的示例中的光圈2和固态成像器件5之间）另外提供了机械快门3之外，图4中所示的成像设备200具有与图1中所示的成像设备100相同的结构。

图4中所示的成像设备200的拍摄操作不同于图1中所示的成像设备100的拍摄操作。此后，将描述成像设备200的拍摄操作。

图5示出用于描述在通过成像设备200进行拍摄时的操作的时序图。图5中的时序图与图3中所示的时序图的实质不同之处在于第一曝光时段A通过执行同时重置第一组的所有光电转换元件51a的累积电荷的全局重置驱动开始，并且还在于通过执行关闭机械快门3的驱动来结束第一曝光时段A的曝光。

当在机械快门3处于打开状态的同时发出拍摄命令时，器件控制单元8使V驱动器60a执行同时重置第一组的所有光电转换元件51a的电荷的全局重置驱动。在第一组中，在全局重置结束时，开始第一曝光时段A的曝光。同时，如图3中所示，累积在第二组的每排中的电荷被根据拍摄命令顺序地重置，并且在重置结束时，开始第二曝光时段B(1)的曝光。因为从第二曝光时段B(1)的曝光的开始到第二曝光时段B(2)的结束的操作与图3中描述的那些相同，因此其说明将被省略。

当在开始第二曝光时段B(3)的曝光之后已经经过了比第二曝光时段B(2)更长的预定时长并且到达时刻t7时，器件控制单元8使信号读出电路62b交替地执行滚动读出驱动和滚动重置驱动。在图5中所示的示例中，在时刻t7和时刻t8之间，从固态成像器件5输出根据第二组的每排的光电转换元件51b的累积电荷的信号，并且重置第二组的每排的光电转换元件51b的累积电荷。在第二组的每排中，在结束根据光电转换元件51b的累积电荷的信号的读出时，第二曝光时段B(3)的曝光结束。

当到达第二组的第n排的信号的读出结束的时刻t8时，器件控制单元8使机械快门3处于关闭状态。在机械快门3关闭时，第一曝光时段A的曝光结束。在第一曝光时段A的曝光结束之后，器件控制单元8通过滚动读出驱动从第一组读出捕捉图像信号。

如上所述，可以通过使用根据成像设备200的机械快门3同时开始和结束第一组的所有排的曝光的定时。从而，可以去除在用于从第一组获得的捕捉图像数据的CMOS传感器专有的移动对象上发生的失真。

同时，在成像设备200中，可以执行同时重置第二组的所有光电转换元件51b的累积电荷的全局重置驱动，以开始第二曝光时段B(1)的曝光。而且，第二曝光时段B(3)的曝光可以通过关闭机械快门3结束。图6示出在机械快门被关闭的情况下的时序图。

甚至当根据图6中所示的时序图中指示的定时执行拍摄时，可以获得具有不同动态范围的多个捕捉图像数据。然而，在图6中所示的驱动方法中，在第二曝光时段B(1)和第二曝光时段B(3)期间，第二组的所有行都不被允许曝光一致的曝光时段。相反，在图5中所示的驱动方法中，在第二曝光时段B(1)、第二曝光时段B(2)和第二曝光时段B(3)中的任一个时段期间，第二组的所有排都被允许曝光一致的曝光时段。从而，可以提高从第二组获得的多个捕捉图像数据的质量。

图7是示出图5中所示的驱动方法的修改实施例的时序图。除了作为多个第二曝光时段中的最后一个第二曝光时段的第二曝光时段B(3)通过执行全局重置驱动开始并且通过关闭机械快门3结束之外，图7中所示的时序图与图5中的相同，并且第二曝光时段的长度按照第二曝光时段B(1)、第二曝光时段B(2)和第二曝光时段B(3)的顺序而变得越来越短。

在图7中所示的时序图中，在时刻t1至时刻t6执行的操作与图5中所示的那些相同。在时刻t6，当结束根据第n排的光电转换元件51b的累积电荷的信号的读出时，器件控制单元8使V驱动器60b执行同时重置所有光电转换元件51b的全局重置驱动。第二曝光时段B(3)从光电转换元件51b的累积电荷的重置时刻开始。

当在开始第二曝光时段B(3)的曝光之后已经经过了比第二曝光时段B(2)更短的预定时长并且到达时刻t8时，器件控制单元8驱动机械快门3关闭。第一曝光时段A和第二曝光时段B(3)从机械快门3关闭的时刻结束。在第一曝光时段A结束之后，器件控制单元8执行滚动读出驱动以分别从第一组和第二组读取捕捉图像信号。

如上所述，根据图7中所示的驱动方法，对于第二组的所有排，多个第二曝光时段中的最后一个第二曝光时段的开始定时和结束定时可以彼此一致。从而，在第二曝光时段B(3)内获得的捕捉图像数据中不会发生图像失真，所以可以提高图像质量。

同时，运动对象的图像失真在曝光时段短的情况下变得显著。为此，最短时间段（具有最高图像失真发生的曝光时段）被布置到图7中所示的最后一个曝光时段B(3)的位置。通过这样，当拍摄运动对象时，图像劣化可以被抑制为尽可能小。

在图7的示例中，最后一个曝光时段B(3)的期满定时由机械快门3控制。然而，存在关闭机械快门3的定时的时间变化。为此，最后一个曝光时段B(3)可以被缩短的下限由机械快门3的时间变化确定。从而，为了实现很短的曝光时段，优选地将除了其开始定时和结束定时可以由电子驱动控制的多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段之外的曝光时段设置为最短曝光时段。

最优选的情况是将除了多个曝光时段中的第一个和最后一个曝光时段之外的曝光时段设置为最短曝光时段。

例如，如图8中所示，最优选的情况对应于在图7中所示的时序图中将曝光时段B(2)设置为最短曝光时段的情况。当曝光时段非常短时，变为与利用高速快门执行拍摄的情况相同。为此，即使当对象移动时，也难以出现CMOS传感器特有的图像失真。而且，当拍摄移动对象时，来自第一组的捕捉图像数据变为与在第一曝光时段A的开始定时和结束定时处所拍摄的图像的平均对应的图像。从而，如图8中所示，曝光时段B(2)被布置在第一曝光时段A的中心部分附近，使得在第一曝光时段A期间获得的捕捉图像数据和在曝光时段B(2)期间获得的捕捉图像数据之间的相关性可以提高。为此，特别优选的是将除了多个曝光时段中的第一个和最后一个曝光时段之外的曝光时段设置为最短曝光时段。而且进一步优选地，对应于第一曝光时段A的一半的定时与对应于最短曝光时段的一半的另一个定时一致。

在到目前为止的说明中，信号读出电路62a和信号读出电路62b被分别单独安装在第一组和第二组中，但是其可以通过将信号读出电路集成为单个信号读出电路而被构成为一般MOS传感器。

然而，当安装单个信号读出电路时，第一组和第二组的第k排不能被同时驱动。为此，例如，为了实现图3中所示的驱动方法，需要在用于开始第一曝光时段A的滚动重置驱动结束之后，执行用于开始第二曝光时段B(1)的滚动重置驱动，并且在用于结束第一曝光时段A的滚动读出驱动结束之后，执行用于结束第二曝光时段B(3)的滚动读出驱动，如图9中所示。

另外，如图10中所示，需要在用于开始第二曝光时段B(1)的滚动重置驱动结束之后，执行用于开始第一曝光时段A的滚动重置驱动，并且在用于结束第二曝光时段B(3)的滚动读出驱动结束之后，执行用于结束第一曝光时段A的滚动读出驱动。

甚至在图9和图10中所示的驱动方法中，第一曝光时段A与第二曝光时段B(1)、第二曝光时段B(2)和第二曝光时段B(3)中的每个重叠。为此，在第一曝光时段A期间获得的捕捉图像信号和在第二曝光时段B(1)、第二曝光时段B(2)和第二曝光时段B(3)中的每个时段期间获得的捕捉图像信号的相关性变得充分高。从而，不存在对具有不同动态范围的多种捕捉图像信号的质量的影响。具体地，多个曝光时段中的第一个或最后一个曝光时段的仅一部分与第一曝光时段A重叠。然而，其他第二曝光时段的每个部分都与第一曝光时段A重叠。为此，由于重叠导致的对多种捕捉图像数据的质量的影响很小。如图2中所示，在安装两个信号读出电路的结构中，可以在第一曝光时段的曝光期间执行用于全部多个第二曝光时段的曝光。

图2中所示的固态成像器件5的光电转换元件的布置可以如下修改。

图11是示出图2中所示的固态成像器件的修改实施例的示图。该修改实施例的固态成像器件被构成为使得多个光电转换元件被布置为正方形晶格图案，其中，各光电转换元件51a布置在奇数行中，并且各光电转换元件51b布置在偶数行中。

图12是示出图2中所示的固态成像器件的另一个修改实施例的示图。该修改实施例的固态成像器件被构成为使得多个光电转换元件被布置为正方形晶格图案，其中，各光电转换元件51a被布置在方格图案位置，并且各光电转换元件51b被布置在其他方格图案位置。

即使在图11和图12中所示的布置中，通过组合对应于第一组的各个光电转换元件51a的像素数据和对应于与各光电转换元件51a形成一对的各个光电转换元件51b的像素数据，也可以使彩色图像数据具有变宽的动态范围。

同时，各光电转换元件51a和各光电转换元件51b被构成为具有相同结构，从而不存在灵敏度差异，但是其可以被构成为使得存在灵敏度差异。在该情况下，可以在考虑各光电转换元件51a和各光电转换元件51b的灵敏度的差异的情况下，来确定第一曝光时段和多个第二曝光时段中的每个时段的时间比。

在上述说明中，固态成像器件5是CMOS类型固态成像器件，但是可以是CCD类型固态成像器件。

图13是用于描述当图1中所示的成像设备100的固态成像器件5是CCD类型固态成像器件并且对应于图3时，在通过成像设备进行拍摄时的操作的时序图。

在固态成像器件5是CMOS类型固态成像器件的情况下，当发出拍摄命令时，器件控制单元8关闭电子快门脉冲（时刻t1）。通过这样，第一组的各光电转换元件51a和第二组的各光电转换元件51b进入电荷可以被累积的状态。在第一组的所有排中，第一曝光时段A的曝光开始，并且在第二组的每排中，第二曝光时段B的曝光开始。

当从时刻t1已经经过了预定时长并且到达时刻t2时，器件控制单元8将累积在第二组的各光电转换元件51b上的电荷读出到垂直CDD，并且将读出的电荷传送到放大器，以允许根据累积电荷的信号从放大器被输出。在第二组的所有排中，在结束读出累积电荷到垂直CCD的同时，第二曝光时段B(1)的曝光结束，并且第二曝光时段B(2)的曝光开始。

当在开始第二曝光时段B(2)的曝光之后已经经过了比第二曝光时段B(1)长的预定时长并且到达时刻t3时，器件控制单元8将累积在第二组的各光电转换元件51b上的电荷读出到垂直CCD，并且将读出的电荷传送至放大器，以允许根据累积电荷的信号从放大器被输出。在第二组的所有排中，在结束累积电荷到垂直CCD的读出的同时，第二曝光时段B(2)的曝光结束，并且第二曝光时段B(3)的曝光开始。

当在开始第二曝光时段B(3)的曝光之后已经经过了比第二曝光时段B(2)长的预定时长并且到达时刻t4时，器件控制单元8将累积在第二组的各光电转换元件51b上的电荷读出到垂直CCD，并且将读出的电荷传送至放大器，以允许根据累积电荷的信号从放大器被输出。在第二组的所有排中，在结束累积电荷到垂直CCD的读出时，结束第二曝光时段B(3)的曝光。

在时刻t4，器件控制单元8将累积在第二组的各光电转换元件51b上的电荷读出到垂直CCD，并且将读出的电荷传送到放大器，以允许根据累积电荷的信号从放大器被输出。在第一组的所有排中，在结束累积电荷到垂直CCD的读出时，结束第一曝光时段A的曝光。

通过上述这样的驱动，CCD类型固态成像器件还可以在单次拍摄中获得具有不同动态范围的多种捕捉图像数据。在CCD类型固态成像器件中，对于第一组和第二组中的任一个的所有排，可以使曝光的开始定时和结束定时一致。从而，即使对于移动对象也可以获得没有图像失真的捕捉图像数据。

在固态成像器件5由CCD类型固态成像器件制成的情况下，多个第二曝光时段中的除了第一曝光时段之外的曝光时段需要比将在其期间累积在第二组的各光电转换元件51b上的电荷读出到垂直CCD、并且读出的电荷被传送以允许根据累积电荷的信号从固态成像器件5被输出的信号读出时段更长。例如，这是因为当第二曝光时段B(2)的长度比信号读出时段的长度短时，在于t2开始的信号读出结束之前，在第二曝光时段B(2)内累积的电荷被传送到垂直CCD，使得很难读取信号。

同时，不存在对多个第二曝光时段中的第一个时段的上述时间限制。例如，在除了第二曝光时段B(1)之外的曝光时段期间生成的电荷在图13中所示的第二曝光时段B(1)的开始时刻t1处不存在于垂直CCD中。从而，使第二曝光时段B(1)尽可能短并不重要。

从而，当固态成像器件5是CCD类型固态成像器件时，期望使多个第二曝光时段中的第一个曝光时段是最短时段。

如上所述，本说明书中披露了以下内容。

上述成像设备包括：固态成像器件，其包括布置为二维阵列的多个第一光电转换元件和多个第二光电转换元件；以及驱动单元，其执行驱动，其中，通过在使所述多个第一光电转换元件曝光所述第一曝光时段的同时，顺序地使所述多个第二光电转换元件曝光具有不同时长的所述多个第二曝光时段，来读取根据在第一曝光时段期间累积在多个第一光电转换元件中的电荷的第一信号和根据在多个第二曝光时段中的每个曝光时段期间累积在多个第二光电转换元件中的电荷的第二信号，并且每个第二曝光时段都与第一曝光时段重叠。

该成像设备进一步包括：机械快门，其位于固态成像器件的光入射侧，并且固态成像器件是CCD类型固态成像器件。该驱动单元执行其中所述多个第一光电转换元件的累积电荷被同时重置以使第一曝光时段A开始的全局重置驱动，在开始第一曝光时段A之后关闭机械快门以使第一曝光时段A结束；以及执行其中在改变定时的同时针对每排第二光电转换元件重置所述多个第二光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使多个曝光时段中除了至少最后一个曝光时段之外的曝光时段开始。

成像设备的驱动单元执行全局重置驱动，其中，所述多个第二光电转换元件的累积电荷被同时重置，以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段开始，以及关闭机械快门，以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段结束。

在该成像设备中，所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段被设置为所述多个第二曝光时段中的最短时段。

在该成像设备中，所述多个第二曝光时段中的最短时段对应于所述多个第二曝光时段中除第一个和最后一个曝光时段之外的时段。

在该成像设备中，第二曝光时段的数量是3。

该成像设备的驱动单元执行滚动重置驱动，以使各个第二曝光时段开始，并且执行其中在改变定时的同时针对每一排的第二光电转换元件读取第二信号的滚动读出驱动，以使各个第二曝光时段结束。

在该成像设备中，固态成像器件是CMOS类型固态成像器件。驱动单元执行其中在改变定时是同时针对每排的第一光电转换元件重置所述多个第一光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使第一曝光时段开始；执行其中在改变定时的同时针对每排的第二光电转换元件重置所述多个第二光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使各个第二曝光时段开始；执行其中在改变定时的同时针对每排的第一光电转换元件读取第一信号的滚动读出驱动，以使第一曝光时段结束；以及执行其中在改变定时的同时针对每排的第二光电转换元件读取第二信号的滚动读出驱动，以使各个第二曝光时段结束。

在该成像设备中，在第一曝光时段期间执行各个第二曝光时段的曝光。

在该成像设备中，固态成像器件是CCD类型固态成像器件，并且多个第二曝光时段中的第一个曝光时段是最短曝光时段。

在该成像设备中，固态成像器件包括：第一信号读出电路，用于从多个第一光电转换元件读出第一信号；以及第二信号读出电路，其独立于第一信号读出电路安装，并且用于从多个第二光电转换元件读出第二信号。

使用固态成像器件的上述成像方法，其中，固态成像器件包括布置为二维阵列的多个第一光电转换元件和多个第二光电转换元件、以及驱动单元，成像方法包括：驱动步骤，通过在同时使所述多个第一光电转换元件曝光第一曝光时段的同时顺序地使所述多个第二光电转换元件曝光具有不同时长的多个第二曝光时段，来读出根据在第一曝光时段期间累积在所述多个第一光电转换元件中的电荷的第一信号和根据在所述多个第二曝光时段中的每个曝光时段期间累积在所述多个第二光电转换元件中的每个中的电荷的第二信号，并且每个第二曝光时段都与第一曝光时段重叠。

在该成像方法中，固态成像器件是CCD类型固态成像器件，在驱动步骤中，执行其中所述多个第一光电转换元件的累积电荷被同时重置的全局重置驱动，以使第一曝光时段A开始，在开始第一曝光时段之后关闭安装在所述固态成像器件的光入射侧的机械快门，以使第一曝光时段结束，并且执行其中在改变定时的同时针对每一排的光电转换元件重置所述多个第二光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使所述多个曝光时段中除至少最后一个曝光时段之外的时段开始。

在该成像方法的驱动步骤中，执行其中所述多个第二光电转换元件的累积电荷被同时重置的全局重置驱动，以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段开始，以及关闭机械快门，以使多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段结束。

在该成像方法中，所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段被设置为所述多个第二曝光时段中的最短时段。

在该成像方法中，所述多个第二曝光时段中的最短时段对应于所述多个第二曝光时段中除第一个和最后一个曝光时段之外的时段。

在该成像方法中，第二曝光时段的数量是3。

在该成像方法中，在驱动步骤中，执行滚动重置驱动，以使各个第二曝光时段开始，并且执行其中在改变定时的同时针对每一排的第二光电转换元件读取所述第二信号的滚动读出驱动，以使各个所述第二曝光时段结束。

在该成像方法中，固态成像器件是CMOS类型固态成像器件，以及在驱动步骤中，执行其中在改变定时是同时针对每排的第一光电转换元件重置所述多个第一光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使第一曝光时段开始，执行其中在改变定时的同时针对每排的第二光电转换元件重置所述多个第二光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使各个第二曝光时段开始，执行其中在改变定时的同时针对每排的第一光电转换元件读取所述第一信号的滚动读出驱动，以使第一曝光时段结束，并且执行其中在改变定时的同时针对每排的第二光电转换元件读取第二信号的滚动读出驱动，以使各个第二曝光时段结束。

在该成像方法中，在第一曝光时段期间执行各个第二曝光时段的曝光。

在该成像方法中，固态成像器件是CCD类型固态成像器件，以及多个第二曝光时段中的第一个曝光时段是最短曝光时段。

在该成像方法中，在驱动步骤中，使用第一信号读出电路读取第一信号，并且使用独立于第一信号读出电路安装的第二信号读出电路读取第二信号。

工业应用性

根据本发明，可以提供能够在单次拍摄中获得具有不同动态范围的多种图像数据的成像设备和方法。

虽然参考详细和特定实施例描述了本发明，但是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，实现多种改变或修改实施例，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

本申请基于2010年7月28日提交的日本专利申请（专利申请No.2010-169799），其全部公开通过引用并入本文。

参考标号列表

100：成像设备

5：固态成像器件

8：器件控制单元

51a、51b：光电转换元件

62a、62b：信号读出电路

Claims (14)

1.一种成像设备，包括：

CCD型固态成像器件，其包括布置为二维阵列的多个第一光电转换元件和多个第二光电转换元件；

机械快门，其位于所述固态成像器件的光入射侧；和

驱动单元，其执行驱动，其中，通过在使所述多个第一光电转换元件曝光第一曝光时段的同时，顺序地使所述多个第二光电转换元件曝光具有不同时长的多个第二曝光时段，来读取根据在第一曝光时段期间累积在所述多个第一光电转换元件中的电荷的第一信号和根据在多个第二曝光时段中的每个时段期间累积在所述多个第二光电转换元件中的电荷的第二信号，

其中，所述多个第二曝光时段中的每个时段都与所述第一曝光时段重叠；并且

所述驱动单元执行其中所述多个第一光电转换元件的累积电荷被同时重置的全局重置驱动，以使所述第一曝光时段开始，在开始所述第一曝光时段之后关闭所述机械快门以使所述第一曝光时段结束，并且执行其中在改变定时的同时针对每排第二光电转换元件重置所述多个第二光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使所述多个曝光时段中除了至少最后一个曝光时段之外的曝光时段开始。

2.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述驱动单元执行其中所述多个第二光电转换元件的累积电荷被同时重置的所述全局重置驱动，以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段开始，以及关闭所述机械快门，以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段结束。

3.根据权利要求2所述的成像设备，其中，所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段是所述多个第二曝光时段中的最短时段。

4.根据权利要求2所述的成像设备，其中，所述多个第二曝光时段中的最短时段对应于所述多个第二曝光时段中除了第一个曝光时段和最后一个曝光时段之外的时段。

5.根据权利要求4所述的成像设备，其中，所述第二曝光时段的数量是3。

6.根据权利要求1所述的成像设备，其中，所述驱动单元执行所述滚动重置驱动，以使各个所述第二曝光时段开始，并且执行其中在改变定时的同时针对每一排的第二光电转换元件读取所述第二信号的滚动读出驱动，以使各个所述第二曝光时段结束。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的成像设备，其中，所述固态成像器件包括：第一信号读出电路，用于从所述多个第一光电转换元件读出所述第一信号；以及第二信号读出电路，其独立于所述第一信号读出电路安装，用于从所述多个第二光电转换元件读出所述第二信号。

8.一种使用CCD型固态成像器件的成像方法，所述固态成像器件包括布置为二维阵列的多个第一光电转换元件和多个第二光电转换元件，所述成像方法包括：

驱动步骤，通过在同时使所述多个第一光电转换元件曝光第一曝光时段的同时顺序地使所述多个第二光电转换元件曝光具有不同时长的多个第二曝光时段，来读出根据在所述第一曝光时段期间累积在所述多个第一光电转换元件中的电荷的第一信号和根据在所述多个第二曝光时段中的每个曝光时段期间累积在所述多个第二光电转换元件中的每个光电转换元件中的电荷的第二信号，

其中，所述多个第二曝光时段中的每个曝光时段都与所述第一曝光时段重叠，并且

在所述驱动步骤中，执行其中所述多个第一光电转换元件的累积电荷被同时重置的全局重置驱动，以使所述第一曝光时段开始，在所述第一曝光时段开始之后关闭安装在所述固态成像器件的光入射侧处的机械快门，以使所述第一曝光时段结束，并且执行其中在改变定时的同时针对每一排的光电转换元件重置所述多个第二光电转换元件的累积电荷的滚动重置驱动，以使所述多个曝光时段中除了至少最后一个曝光时段之外的曝光时段开始。

9.根据权利要求8所述的成像方法，其中，在所述驱动步骤中，执行其中所述多个第二光电转换元件的累积电荷被同时重置的所述全局重置驱动，以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段开始，以及关闭所述机械快门以使所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段结束。

10.根据权利要求9所述的成像方法，其中，所述多个第二曝光时段中的最后一个曝光时段是所述多个第二曝光时段中的最短时段。

11.根据权利要求9所述的成像方法，其中，所述多个第二曝光时段中的最短时段对应于所述多个第二曝光时段中除了第一个和最后一个曝光时段之外的时段。

12.根据权利要求11所述的成像方法，其中，所述第二曝光时段的数量是3。

13.根据权利要求8所述的成像方法，其中，在所述驱动步骤中，执行所述滚动重置驱动，以使各个所述第二曝光时段开始，并且执行其中在改变定时的同时针对每一排的第二光电转换元件读取所述第二信号的滚动读出驱动，以使各个所述第二曝光时段结束。

14.根据权利要求8至13中的任一项所述的成像方法，其中，在所述驱动步骤中，使用第一信号读出电路读取所述第一信号，并且使用单独安装的所述第二信号读出电路读取所述第二信号。