CN1061503C - 固体摄像装置及其应用两种场/帧周期的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种固体摄像装置。它在视频信号的一帧或一场内设置两种信号充电周期，其中一种短于另一种；判定所述较长信号充电周期间来自输入信号变换部分的信号是否饱和；当所述信号饱和时，不用所述较长信号充电周期间而是用所述较短信号充电周期间来自该输入信号变换部分的信号测定输入的光量；且当所述信号未饱和时，不用所述较短信号充电周期间而是用所述较长信号充电周期间的信号测定该输入的光量。

Description

固体摄像装置及其应用两种场/帧周期的驱动方法
本发明涉及一种用于扩大高亮度侧入射光量处理范围的固体摄像装置及其驱动方法。尤其涉及通过在由视频信号场或帧所表示的特定周期中设定至少两个信号充电周期，并再现上述信号充电周期时间中的信号电荷而无需任何外部场存贮器或任何帧存贮器来扩大高亮度侧入射光量处理范围的固体摄像装置及其驱动方法。
按照传统技术，在扩大入射光量的处理范围时，对每一帧或场信号周期至少设定两个互不相同的充电周期。例如，在一场周期TF中，对应于通常的垂直扫描周期设定第一充电周期T1，而对应于垂直消隐周期，则设定一比所述第一充电周期短的第二充电周期T2．于是在第一充电周期时间中获得的信号电荷Q1以增益为1得以再现，而在第二充电周期时间中获得的信号电荷Q2则以增益(T1／T2)再现。在这种情况下当信号电荷Q1达到饱和电荷量时最终其结果是通过使用信号电荷Q2的信号信息来获得比通常情况下增益大(T1／T2)倍的入射光量的处理范围。
关于上述扩大入射光量处理范围的元件驱动方法，有个可省去任何外部帧存贮器的提议(公开号为No．SHO63-250980的日本专利)。该提议描述一连续转移在二个充电周期中分别获得的信号电荷方法，条件是这样的，目前CCD结构的4像素和总共8个转移电极，在垂直CCD的一个场周期TF期间产生3个信号包(packet)，其中在第一充电周期中用两像素混合的信号电荷作为两个包，而在第二充电周期中用4像素混合的信号电荷作为一个包。
然而，为了相加混合4像素的混合信号电荷需要在ΔT时间间隔内读2次，而在同一包内有两种不同类型的信号电荷T2和(T2+ΔT)。当互差时间ΔT的两个充电周期中4像素的混合信号电荷经受无区分的增益为(T1／T2)的计算处理时，在根据目标物的入射光量调节第二个充电周期时间T2期间会出现诸如色彩对不准和亮度对不准一类缺点。
针对信号电荷从光电变换元件至垂直CCD、在一个场周期中至少读两次所产生的问题，本发明目的在于提供一种避免在第二充电周期时间T2内两充电周期之间差ΔT以扩大动态范围的固体摄像装置的驱动方法和固体摄像装置，使扩大入射光量的处理范围得以实现而既不产生色彩对不准，也不产生亮度对不准一类缺点。
本发明的固体摄像装置，其特征在于，包含：
排列成具有水平和垂直轴的两维矩阵的多个单元像素装置，所述单元像素装置至少具有一输入变换部分和一CCD电荷转移装置，其中，
一个单元像素装置设有4个转移电极，和
设置给垂直方向中相互邻接的两单元像素装置的8个转移电极由脉冲产生装置产生的一定数量的相位转移时钟脉冲驱动。
本发明的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于，
在视频信号的一帧或一场中设置一个比另一个短的两种信号充电周期，且其中，
垂直方向中相互邻接的两单元像素装置的两个短信号充电周期相互有不同的起始定时但有相同的持续时间。
本发明的固体摄像装置的驱动方法，其特征在于包含：
在视频信号的一帧或一场中设置一个比另一个短的两种信号充电周期，
判定输入信号变换部分在所述长信号充电周期期间所获得的信号是否饱和；
当所述信号饱和时，不用输入信号变换部分在所述长信号充电周期期间所获得的信号而是用在所述短周期期间所获得的信号来测定所输入的光量，和
当所述信号未饱和时，不用所述短信号充电周期期间的所述信号而是用所述长信号充电周期期间的所述信号来测定所输入的光量。
对于具有宽亮度分布范围的被摄目标物，通过用第一充电周期时间T1处理小于标准光量的光量和约两倍于标准光量的光量，以及用在垂直消隐周期内第二充电周期时间T2来处理在第一充电周期T1中达到饱和电荷量的目标物区域，能不用任何外部场存贮器或任何帧存贮器来扩大高亮度侧入射光量的处理范围。
图1为本发明的固体摄像装置的示图；
图2为说明本发明第一驱动方法的略图；
图3为本发明第一驱动实施例的A场示图；
图4为本发明第一驱动实施例的B场示图；
图5为本发明的固体摄像装置的第一实施图；
图6为说明本发明第一实施例效果的曲线图；
图7为说明本发明第二驱动方法的略图；
图8为本发明第二驱动实施例的A场示图；
图9为本发明第二驱动实施例的B场示图；
图10为说明本发明第三驱动方法的略图。
下面参照上述附图描述本发明的实施例。
图1显示了与本发明权利要求1有关的固体摄像装置的实施情况。
一个VCCD110的4个转移电极对应于一个单元像素100，而8个转移电极即：φV1转移电极101、φV2转移电极102、φV3转移电极103、φV4转移电极104、φV5转移电极105、φV6转移电极106、φV7转移电极107、和φV8转移电极108，当施加以8相转移时钟时则被用作为对应于2个连续单元像素的总共8个转移电极。φV2转移电极102和φV6转移电极106各设有读门109。虽然利用第一层多晶硅使两个读门对应一个读电极，但是读电极可利用或者多晶硅的第一层或者第二层。在使用常规CCD的情况下，可将VCCD方向中的两个像素结合成一个像素．对于图2及其后各图中的元件驱动举例，都是以图1结构为基础进行说明的。
图2、3和4表示与应用图1所示固体摄像装置的权利要求2、3和4有关的实施例。
图2表示通常TV帧的A场201和B场203。图2也显示出每个奇数行像素和每个偶数行像素中充电读和信号转移的定时关系。通过已知的电子快门关闭操作(VOD即垂直溢出漏极快门关闭操作扫描)使奇数行像素232和偶数行像素233事先具有同时发生的充电周期起始定时。
偶数行像素233根据周期T11224中的信号输入获得一偶数行第一信号电荷205。读入VCCD的操作由定时TAF1210执行。同时，奇数行像素232根据周期T12225中的信号输入获得一奇数行第一信号电荷206，且用定时TAF21211执行读至VCCD的操作。另外，在V-消隐周期时间202中，偶数行像素233根据周期T2227中的信号输入获得一偶数行第二信号电荷207。用定时TAs1212执行读至VCCD的操作。与此同时，奇数行像素232根据以与周期时间T2227相同的光电周期设置在周期时间T2228中的信号输入获得一奇数行第二信号电荷208，并用定时TAs21213执行读至VCCD的操作。在这种情况下，通过调节设在整个场周期226中的VOD扫描周期229来执行控制周期时间T2227和T2228中的充电时间，旨在完成V消隐周期202中对具有高亮度目标物区域的摄取。
虽然，在B场203中执行相同的操作，但允许用一偶数行第一信号电荷215的充电周期来替代一奇数行第一信号电荷214的充电周期。
图3和图4表示读和转移操作的定时。以定时TAF1210读出的信号电荷240被一个像素转移入VCCD。用定时TAF21211读出信号电荷241。在图3中，从定时TAF1210至定时TAF21211共使用20个时钟脉冲。因此，通过从定时TAS1212至定时TAS21213总共使用20个时钟脉冲，允许T2227和T2228的充电周期具有相同的持续时间。而且，对应于偶数行第二信号电荷207的信号电荷242和对应于奇数行第二信号电荷208的信号电荷243以图3所示方式用定时TAS21213彼此相互混合。在读出该两信号电荷的周期时间内存在一从TAS1212至TAS21213的20个时钟脉冲间隔。随后按8相时钟将信号电荷转移入VCCD中。虽然本例中充电周期T2227和T2228具有20个时钟脉冲的充电周期，但对时钟脉冲数当然不允许有所限制。同时正如前述，通过按相应VOD扫描周期229的增减，使从TAF21211至TAS1212的时间间隔增加或减少来控制T2227和T2228的充电周期。
图5表示与权利要求5、6和8有关的实施例。图6表示扩大入射光量处理范围的效果。
在一单元像素的光电变换器部分300中进行入射光的光电变换。同时，电子快门关闭时间两像素混合信号电荷301、场信号电荷1302、和场信号电荷2303分别由HCCD1304、HCCD2305和HCCD3306进行转移。在通过一CDS和箝位电路307之后，根据来自HCCD1、2和3的全部或一部分的输出信号的饱和或未饱和状况用信号判定电路309对上述各信号电荷进行信号饱和的判定。在经信号选择器电路308对其输出选择之后，他们在信号处理电路310中进行下面要描述的计算处理以便执行图像信号的再现。
接下来示出图像再现方法的实施例。在下面的条件表达式中，VT代表一与元件的饱和电荷量相对应的电压。
首先，当对于充电周期T11和T12中有关信号电压V(T11)和V(T12)的条件方程1成立时，则由信号选择器电路308对信号V(T11)和V(T12)进行选择。当条件方程1不成立时，则信号选择器电路308选择电子快门关闭时间两像素混合信号电荷301，而将充电周期T2中的信号电压的经方程2的计算变换成信号处理电路310中的Vsig(T2)。虽然此时方程3定义了a，但也允许使用例如方程4中的所示另一适当的值。应当注意，其它未被选择的值将被舍弃。
方程1：
max(V(T11)，V(T12)＜VT
方程2：
Vsig(T2)=a×V(T2)
方程3：
a=T11／T2
方程4：
a=T12／T2
本实施例中有关扩大入射光量的处理范围可参见图6所示的描述。
经传统CCD中两像素的混合。而由读和转移操作所获得的输出信号电荷量可以传统的两像素混合型饱和电荷量302加以表示。图2(a)所显示充电周期T11224和T12225中信号电荷的饱和电荷量具有对应于图1所示一单元像素100中一个一单元像素中的转移电极值，故而该值为传统两像素混合型饱和电荷量的四分之一。在形成亮度信号时，将信号电荷240和信号电荷241在一外电路中相加，因此，该值是传统两像素混合型饱和电荷量的一半。该值表示为所有像素独立的读时间饱和电荷量321。
按照本实施例的元件和驱动方法，将充电周期T2227中的偶数行第二信号电荷207与充电周期T2228中的奇数行第二信号电荷208相混合而获得的信号电荷能同时加以单独读出，因而可获得电子快门关闭两像素混合时间饱和电荷量312。在这种情况下，可以改变周期时间T2227和T2228，例如1／500秒变到1／2000秒以便容许获得图6中可变量325所表述的作用。因此，能获得一比传统处理入射光量上限324更大的处理入射光量扩大范围323。
图7、8和9表示一未使用VOD扫描情况下的实施例。图7表示一正常TV帧的A场和B场中奇数行像素432和偶数行像素433以及信号电荷、读、和转移的定时情况。
在这种情况下，奇数行像素432和偶数行像素433的充电周期起始定时各不相同，偶数行像素433根据周期T11424中的信号输入获得一偶数行第一信号电荷405。用定时TAF1410执行读至VCCD的操作。同时奇数行像素432根据周期T12425中的信号输入获得一奇数行第一信号电荷406，并用定时TAF21411执行读至VCCD的操作。另外在V消隐周期402中，偶数行像素433根据周期T2427中的信号输入获得一偶数行第二信号电荷407。用定时TAS1412执行读至VCCD的操作。同时奇数行像素432根据周期T2428中的信号输入获得一奇数行第二信号电荷408，该周期T2428设置成与周期T2427具有相同的充电周期，并用定时TAS21413执行读至VCCD的操作。在这种情况下周期T11424和T12425彼此不同，且也随其处于A场401抑或B场403而异。因此，当具有相同充电时间的周期T2427和T2428受到控制时，就有可能在4个场周期中产生色彩对不准和亮度对不准。但本发明中像素数据的读出独立进行而允许考虑到充电周期(方程5)比率的计算。因此，通过使用一由充电周期T12所计算的值Vsig′(T11)，而既不发生彩色对不准，也不发生亮度对不准的情况。
方程5：
b=T12/T11
方程6：
Vsig′(T11)=b×V(T11)
图8和9表示读和转移操作的定时。用定时TAF1410读出的信号电荷440在VCCD中转移一个像素。用定时TAF21411读出信号电荷441。在图3中，从定时TAF1410至定时TAF21411共使用20个时钟脉冲。结果，通过将从TAS1412至TAS21413的定时排列在20个时钟脉冲内，允许使周期T2427和T2428中的充电周期具有相同的持续时间。另外，在对应于偶数行第二信号电荷407的信号电荷442于20个时钟脉冲周期内转移一个像素之后，对应于奇数行第二信号电荷408的信号电荷443以图3所示方式通过叠加定时TAS21412读出以便与信号电荷相混合，并接着按照8相时钟转移入VCCD。虽然充电周期T2427和T2428在该例中对应于20个时钟脉冲，但这当然并不作为对时钟脉冲数的限定。
图10表示如图7中所示奇数行第一信号电荷414的充电周期和偶数行第一信号电荷415的充电周期相互可被替换的情况。在这种情况下，偶数行第一信号电荷505是一由周期T11524中的信号输入所获得的信号电荷。用定时TAF1510执行读至VCCD的操作。奇数行第一信号电荷506是一由周期T12525中的信号输入所获得的信号电荷，且用定时TAF2511执行读至VCCD的操作。偶数行第二信号电荷507是由一信号输入在T2527周期中所获得的信号。用定时TAS1512执行读至VCCD的操作。奇数行第二信号电荷508是一由信号输入在T2528周期中所获得的信号，且用定时TAS2513执行读至VCCD的操作。
在本发明中，可将周期T11524和T12525以相同的持续时间进行设置，方程6的变换并非必要。
如上所述，在本发明中不用任何场存贮器或任何帧存贮器就能将对入射光量的处理范围扩大到高亮度侧。

Claims (10)

1．一种固体摄像装置，其特征在于，包含：
排列成具有水平和垂直轴的两维矩阵的多个单元像素装置，所述单元像素装置至少具有一输入变换部分和一CCD电荷转移装置，其中，
一个单元像素装置设有4个转移电极，和
设置给垂直方向中相互邻接的两单元像素装置的8个转移电极由脉冲产生装置产生的一定数量的相位转移时钟脉冲驱动，
所述固体摄像装置还包含：
一信号判定电路设于HCCD输出端，它用于根据由全部或部分所述输出端所输出信号的饱和或未饱和状态来对信号的饱和度进行判定；
一信号选择电路用于根据由所述信号判定电路所做的判定在HCCD输出端的输出之间进行选择；和
一信号处理电路用于处理所选输出。
2．如权利要求1所述的固体摄像装置，其特征在于，所述CCD电荷转移装置、输入变换部分和所述脉冲产生装置构成整体。
3．一种固体摄像装置的驱动方法，其特征在于包含：
在视频信号的一帧或一场中设置一个比另一个短的两种信号充电周期，
判定输入信号变换部分在所述长信号充电周期期间所获得的信号是否饱和；
当所述信号饱和时，不用输入信号变换部分在所述长信号充电周期期间所获得的信号而是用在所述短周期期间所获得的信号来测定所输入的光量，和
当所述信号未饱和时，不用所述短信号充电周期期间的所述信号而是用所述长信号充电周期期间的所述信号来测定所输入的光量。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于，用所述短信号充电周期期间的信号进行的所述测定就是用长信号充电周期与短信号充电周期的比扩大短信号充电周期期间的信号量。
5．如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，当电荷用具有一单元像素设置4个电极这样电极结构的垂直CCD电荷转移装置转移时，所述长信号充电周期期间获得的信号和所述短信号充电周期期间获得的信号一起在所述垂直CCD电荷转移装置中进行转移。
6．如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中，垂直方向中相互邻接的两单元像素装置的两个所述短信号充电周期相互有不同的起始定时但有相同的持续时间。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，上述短信号充电周期由视频信号的一帧或一场中的电子快门工作所控制。
8．如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在垂直方向中相互邻接的两单元像素装置的两短信号充电周期中所获得的电荷在转移期间由CCD电荷转移装置进行混合。
9．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合电荷用第一HCCD读出，而垂直方向中相互相邻的两单元像素装置在两个长信号充电周期期间获得的电荷分别用第二和第三HCCDs读出，所述三个读出操作是在同一水平扫描周期中读至外部信号处理电路的。
10．如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合电荷用第一HCCD读出，而垂直方向中相互相邻的两单元像素装置在两长信号充电周期期间获得的电荷分别用第二HCCD读出，所述三个读出操作是在同一水平扫描周期中读至外部信号处理电路的。
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