CN106847845A - 摄像设备、摄像系统和摄像设备的驱动方法 - Google Patents

摄像设备、摄像系统和摄像设备的驱动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种摄像设备、摄像系统和摄像设备的驱动方法。提供一种被构造为在确保电荷累积的同步性的同时在抑制光源的闪烁状态的影响的情况下获取图像的摄像设备。对于按多行布置的多个像素，摄像设备在相同的定时间歇地接通第一传输开关，以将电荷从光电转换单元多次传输到保持单元。摄像设备按行依次接通多个像素的第二传输开关，以将多次传输到保持单元且由保持单元保持的电荷按行传输到放大单元。

Description

摄像设备、摄像系统和摄像设备的驱动方法
技术领域
本发明涉及一种摄像设备、摄像系统和该摄像设备的驱动方法。
背景技术
近年来，已经广泛使用包括适于低功耗和高速读出的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的数字摄像机、数字照相机和其他摄像装置。当被摄体正相对于摄像装置移动时，如果没有在同一定时执行摄像区域内的曝光，则电荷累积时间对于各条扫描线不同，并且被记录的被摄体可能会包含失真。已经提出了这样一种构造，其中，在同一定时针对所有像素控制曝光的开始和结束(称为全局电子快门)，以确保电荷累积的同步性(参见国际未审专利申请第11/043432号)。
尽管用于交通信号灯和电子公告牌的一些发光二极管(LED)光源和荧光光源似乎以对于人眼恒定的亮度而照亮，但是这些光源实际上正与商用电源的频率同步地高频闪烁。此外，在以直流(DC)电力操作的一些光源中，基于诸如脉冲宽度调制(PWM)的脉冲驱动方法来控制辉度，以抑制电流消耗并控制亮度。
当在这样的光源下以短曝光时间拍摄图像时，静止图像可能被拍摄得如同光源未点亮，并且由于改变帧间图像的辉度值，运动图像可能被拍摄得如同光源频繁闪烁。当在与光源的点亮周期相比较短的曝光时间中拍摄图像时，可能出现诸如画面闪烁(其中，在具有均匀的亮度的摄像场景中辉度针对各帧而改变)和线闪烁(其中，明暗部分周期性地出现在摄像画面中)的现象。
发明内容
本发明涉及一种能够在确保电荷累积的同步性的同时、在抑制光源的闪烁状态的影响的情况下拍摄图像的摄像设备，并且还涉及一种摄像系统和该摄像设备的驱动方法。
根据本发明的一方面，一种摄像设备包括：多个像素，所述多个像素中的各个像素包括被构造为累积由入射光生成的电荷的光电转换单元、被构造为保持电荷的保持单元、被构造为输出基于电荷的信号的放大单元、被构造为将电荷从所述光电转换单元传输到所述保持单元的第一传输开关、以及被构造为将电荷从所述保持单元传输到所述放大单元的第二传输开关；输出线，其被构造为输出来自所述多个像素的所述放大单元的信号；以及控制单元，其被构造为针对按多行布置的所述多个像素中的各个像素，执行控制以在相同的定时多次间歇地接通所述第一传输开关，来将电荷从所述光电转换单元多次传输到所述保持单元，并且执行控制以按行依次接通所述第二传输开关，来针对各行将多次传输的由所述保持单元保持的电荷传输到所述放大单元，其中，针对要传输到所述放大单元的电荷，各行的累积时段不同。
根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。
附图说明
图1是例示根据第一示例性实施例的摄像设备的驱动的时序图。
图2是例示根据第一示例性实施例的摄像设备的驱动的时序图。
图3是例示根据第一示例性实施例的摄像设备的框图。
图4例示了根据第一示例性实施例的摄像设备中的像素的等效电路。
图5例示了根据第二示例性实施例的摄像设备中的像素的等效电路。
图6是例示根据第二示例性实施例的摄像设备的驱动的时序图。
图7是例示根据第二示例性实施例的摄像系统的框图。
图8A和图8B例示了根据第二示例性实施例的摄像系统。
图9是例示根据第三示例性实施例的摄像设备的驱动的时序图。
图10是例示根据第四示例性实施例的摄像设备的驱动的时序图。
具体实施方式
下面将参照附图描述根据本发明的摄像设备的示例性实施例。在下面的描述和附图中，相同的元件被赋予相同的附图标记，因此将适当地省略重复的描述。
下面将参照图1至图4描述根据本发明的第一示例性实施例的摄像设备的构造和该摄像设备的驱动方法。
<整体框图>
图3是示出根据本示例性实施例的摄像设备的整体框图。摄像设备101可以由使用半导体基板的一个芯片构成。摄像设备101包括布置在摄像区域102中的多个像素。摄像设备101还包括控制单元103。控制单元103将控制信号和电源电压供给到垂直扫描单元104、信号处理单元105和输出单元106。垂直扫描单元104将驱动信号供给到布置在摄像区域102中的多个像素。垂直扫描单元104将驱动信号供给到各像素行或多个像素行的各组。垂直扫描单元104可以由移位寄存器或地址解码器构成。信号处理单元105包括列电路、水平扫描电路和水平输出线。各列电路可以包括多个电路块。电路块包括信号保持单元、列放大器电路、噪声去除单元和模数(AD)转换单元。水平扫描电路可以由移位寄存器或地址解码器构成。模拟信号或数字信号可以被输出到水平输出线。输出单元106将经由水平输出线发送的信号输出到摄像设备101的外部。输出单元106包括缓冲器或放大器电路。垂直扫描单元104、信号处理单元105和输出单元106布置在摄像区域102的外部。
<像素单元的等效电路>
图4例示了根据本示例性实施例的摄像区域102中的像素部分的等效电路的构造的示例。图4示出四个像素300作为示例。像素300包括光电转换单元301、电荷保持单元302、第一传输开关304(也称为“TX1”)和第二传输开关305(也称为“TX2”)。像素300还包括放大单元310、复位晶体管309、选择晶体管307和输入节点303。
光电转换单元301累积由入射光生成的电荷。例如，使用光电二极管作为光电转换单元301。第一传输开关304将由光电转换单元301生成的电荷传输到电荷保持单元302。电荷保持单元302保持由于入射光而由光电转换单元301生成的电荷。第二传输开关305将由电荷保持单元302保持的电荷传输到放大单元310的输入节点303。例如，使用金属氧化物半导体(MOS)晶体管作为第一传输开关304和第二传输开关305。第一传输开关304的操作由经由控制线321供给的控制信号(驱动脉冲)控制。第二传输开关305的操作由经由控制线322供给的控制信号控制。虽然像素300被布置为矩阵的形式，但是，公共控制线与包括在同一行中的像素300连接。
选择晶体管307选择向输出线308输出信号的像素300。被选择的像素300的放大单元310将基于由入射光生成的电荷的信号输出到输出线308。
放大单元310例如构成了源极跟随器电路。复位晶体管309通过控制线325的信号将放大单元310的输入节点303的电压复位到复位线326的电位。
像素300包括放电开关318(也称为“溢出漏极(OFD)”)。
放电开关318将光电转换单元301的电荷排出到诸如溢出漏极的电源节点324，并且使由光电转换单元301的电荷引起的电位复位。放电开关318的操作由经由控制线323供给的控制信号控制。
这些构造使得光电转换单元301能够在电荷保持单元302保持电荷的同时累积所生成的电荷。因此，在摄像设备101中，电荷累积时段的开始和结束可以在多个像素300的光电转换单元301之间同步，从而确保电荷累积的同步性。例如，可以通过将多个像素300的放电开关318从ON(接通)控制为OFF(断开)来开始电荷累积时段。
放电开关318不总是必需的，并且，可以采用称为垂直溢出漏极的构造，其中，来自光电转换单元301的电荷被排出到半导体基板。还可以单独地配设用于使电荷保持单元302的电位复位的开关(未示出)。在将第二传输开关305从接通断开之后并且在将电荷从光电转换单元301传输到电荷保持单元302之前，该复位开关可以被接通以使电荷保持单元302的电位复位。
<时序图>
图1是例示根据本示例性实施例的摄像设备101的操作的时序图。
波形201示意性地指示交流(AC)电源的全波整流波形。AC电源是具有例如50或60Hz的频率的电源。参照图1，时段T211等同于交流电源的周期，例如，1/50或1/60秒。
波形202指示使用波形201的电源的光源的点亮状态。H电平指示接通状态，并且，L电平指示断开状态。在AC电源上操作的光源的示例包括用于交通信号灯的LED光源。当电源的全波整流波形201等于或高于阈值时，波形202变为指示接通状态的H电平。另一方面，当波形201低于阈值时，波形202变为指示断开状态的L电平。
时段T212指示光源的闪烁周期，其是作为交流电源的周期的时段T211的一半。时段T213指示光源的接通期，并且，时段T214指示光源的断开期。
信号波形203指示放电开关318的控制线323的脉冲信号的波形。当该脉冲信号从L电平被控制为H电平时，放电开关318接通，并且电荷被从光电转换单元301排出到电源节点324。根据本示例性实施例，信号波形203从H电平变为L电平，并且放电开关318对于所有的像素在相同的定时从ON变为OFF。因此，对于所有的像素在相同的定时开始光电转换单元301中的电荷累积。根据本说明书，“相同的定时”不一定意味着精确的同步性，而是意味着基本上相同的时间。
信号波形204指示第一传输开关304的控制线321的脉冲信号的波形。当该脉冲信号从L电平变为H电平时，第一传输开关304从OFF变为ON，并且由光电转换单元301生成的电荷被传输到电荷保持单元302。根据本示例性实施例，对于所有的像素，信号波形204从L电平变为H电平。因此，对于所有的像素，由光电转换单元301生成的电荷被同时传输到电荷保持单元302，并且对于所有的像素，第一次电荷累积在相同的定时结束。
时段T215指示从一次电荷累积的开始到结束的时段(采样期)。本示例性实施例的特征在于多次执行的短时采样。更具体地，对于所有的像素，当第一传输开关304在相同的定时多次间歇地接通时，电荷间歇地从光电转换单元301多次传输到电荷保持单元302。重复间歇地接通和断开放电开关318的操作，使得当第一传输开关304接通时，放电开关318对于所有的像素断开。
信号波形205指示第二传输开关305的控制线322的脉冲信号的波形。当该脉冲信号从L电平变为H电平时，第二传输开关305接通，并且由电荷保持单元302保持的电荷被传输到放大单元310。图1例示了用于控制配设在第n行至第(n+x)行中的第二传输开关305的信号波形205。如图1所示，第二传输开关305的控制线322的脉冲信号按行依次从L电平变为H电平，因此第二传输开关305也按行依次接通。因此，由电荷保持单元302基于行保持的电荷被传输到放大单元310。
时段T217是由第n行中的电荷保持单元302保持电荷的时段。在时段T217中，在第n行中，在第二传输开关305维持断开的同时第一传输开关304多次间歇地接通。结果是，电荷被传输到电荷保持单元302。因此，时段T217也是光电转换单元301生成要由电荷保持单元302保持的电荷的时段。时段T217等同于从第一采样操作开始直到多次执行的采样操作中的最后一次采样操作结束的时段。根据本示例性实施例，由于这种控制，由电荷保持单元302累积通过多重曝光生成的信号。类似地，时段T218指示从第(n+1)行中的第一次采样操作开始直到最后一次采样操作结束的时段。
根据本示例性实施例，由于对于所有的像素在相同的定时控制第一传输开关304，所以在相同的定时控制第n行中的像素(第一像素)和第(n+1)行中的像素(第二像素)的第一传输开关304。另一方面，在第n行中的像素(第一像素)的第二传输开关305维持为OFF的状态下，第(n+1)行中的像素(第二像素)的第二传输开关305被控制为ON。因此，从电荷保持单元302到放大单元310的电荷传输按行依次执行。
时段T220指示一帧时段。在该时段，将一帧的图像从电荷保持单元302按行依次输出到放大单元310。
图2详细例示了图1所示的信号中的信号波形203,204和205之间的关系。这些波形分别对应于放电开关318、第一传输开关304和第二传输开关305。
时段T215表示一个采样期。该时段等同于自从放电开关318从ON变为OFF的时刻直到第一传输开关304从ON变为OFF的时刻的时段。在第一传输开关304多次接通时，放电开关318断开。
时段T221指示一帧时段，并且，等同于自从第n行中的第二传输开关305从OFF变为ON的时刻直到第n行中的第二传输开关305从OFF再次变为ON的时刻的时段。
时段T222指示各行的垂直扫描间隔，并且，例如，等同于自从第n行中的像素的第二传输开关305从OFF变为ON的时刻直到第(n+1)行中的像素的第二传输开关305从OFF变为ON的时刻的时段。
时段T215可以是例如等于或短于时段T212(光源的闪烁周期)的一半的时段。以这种方式设置时段增加了这样的可能性，即使当在断开状态下执行多次采样操作中的任何一次时，也在接通状态下执行同一帧中的另一采样。
根据本示例性实施例，多次重复具有短曝光时间的采样，并且，通过电荷保持单元302累加电荷，可以在光源的接通和断开状态下对信号电荷进行平均，从而抑制不正确的检测。此外，相比于以光源的闪烁周期的一半的间隔的采样，更多次数的采样能够提高被摄体的检测精度并抑制在闪烁光源下的图像劣化。例如，时段T215可以被设置为时段T212的1/4以下或1/8以下。
时段T217只需要比时段T212(光源的闪烁周期)长。然而，为了提高被摄体的检测精度并抑制在闪烁光源下的图像劣化，需要延长时段T217。例如，时段T217的长度可以被设置为光源的闪烁周期的整数倍。特别是在明确频率和周期的商用电源的情况下，期望以这种方式将时段T217的长度设置为光源的闪烁周期的整数倍。
根据本示例性实施例，每次采样操作的开始定时和结束定时在所有的像素之间同步。这使得能够确保各行中的电荷累积的同步性。
摄像设备101以较短的电荷累积时段多次间歇地执行采样，并且通过电荷保持单元302对采样的电荷进行相加和多路复用，以获取一帧的电荷量。即使当光源正在闪烁时，执行上述驱动方法能够对光源的变化的影响进行平均，并提供抑制由于分散采样操作的多重曝光而导致的闪烁的影响的效果。
另一方面，由于第二传输开关305被按行依次驱动，所以第二传输开关305从OFF变为ON的定时对于各行不同。更具体地，自从用于对要由电荷保持单元302保持的电荷进行采样的第一采样操作开始直到最后一次采样操作结束为止的多路复用期基于行被区分。因此，根据行，要多路复用的电荷在前一帧和后一帧中分离。然而，由于信息本身存在于前一帧和后一帧中的任何一个中，所以可以通过在图像识别时从前一帧和后一帧获取信息来抑制信息的丢失。
根据本示例性实施例，针对所有的像素共同地控制放电开关318和第一传输开关304。另一方面，第二传输开关305被按行依次控制。因此，图3所示的控制单元103可以配设有两个不同的脉冲发生单元。第一脉冲发生单元生成用于放电开关318和第一传输开关304的驱动脉冲。另一方面，第二脉冲发生单元生成用于第二传输开关305的驱动脉冲。更具体地，第一脉冲生成单元确定采样周期、采样长度和采样时段。另一方面，第二脉冲生成单元确定采样的电荷被多路复用的时段的长度和某行中占据一帧的电荷累积时段的比率。以这种方式提供两个不同的脉冲发生单元使得能够设置两个单元的独立组合。这使得可以控制多路复用后的曝光量、多路复用图像的采样操作随着时间的分散比以及要多路复用的图像的比率。因此，可以灵活地设置用于多重曝光图像的图像拍摄条件。
代替独立地组合两个脉冲生成单元，使来自第一脉冲生成单元的脉冲和来自第二脉冲生成的脉冲彼此同步是有用的。例如，当在所有行的第一传输开关304接通的状态下某行的第二传输开关305接通时，从光电转换单元301传输的电荷不会累积在电荷保持单元302中，而是被传输到放大单元310。为了抑制这种操作，来自两个脉冲发生单元的脉冲彼此同步。更具体地，通过基于来自第二脉冲生成单元的脉冲乘以水平扫描频率(与第二传输开关305按行依次接通的定时相对应的频率)而获得的脉冲可以用作来自第一脉冲生成单元的脉冲。可选地，通过除以水平扫描频率而获得的脉冲可以用作来自第一脉冲生成单元的脉冲。
正常全局电子快门在所有行的电荷累积时段完成之后将电荷从电荷保持单元302输出到放大单元310，在帧之间可能出现不执行电荷累积的时段。这可能会导致奇怪的感觉，例如，当虽然螺旋桨飞机的螺旋桨正以恒定的旋转速度旋转但它看起来正不规则地旋转时可能会发生的奇怪的感觉。在根据本示例性实施例的驱动操作中，由于在多个帧上以固定间隔恒定地执行采样曝光，所以即使在运动图像拍摄的情况下，也可以拍摄图像而没有奇怪的感觉。
在上面的描述中，每次采样操作的开始和结束在所有的像素之间同步。然而，它不总是需要对于所有的像素同时开始采样。采样操作的开始和结束只需要在根据用途适当地选择的多个像素之间进行同步。
下面将参照图5和6描述根据第二示例性实施例的用于扩大动态范围的摄像设备101的构造、该摄像设备101的驱动方法以及具有该摄像设备101的成像系统。
根据本示例性实施例，可以在抑制由于光源的闪烁状态而引起的影响的同时获取具有短曝光时间的图像和具有长曝光时间的图像，从而可以获取具有抑制的闪烁的高质量的动态范围的图像。可以在确保同步性的同时获取图像。因此，在组合具有扩大的动态范围的图像时，在具有短曝光时间的图像和具有长曝光时间的图像之间不发生失真，从而实现了高质量的图像组合。
图5例示根据本示例性实施例的摄像区域102中的像素部分的等效电路的构造的示例。与图4中所示的像素300相比，像素800具有第一传输开关304、电荷保持单元302和第二传输开关305的两种不同的组合。在本示例性实施例中，当需要区别包括在各组中的各组件时，给各组件的附图标记添加标记S和L(例如，电荷保持单元302S)。
如图5所示，根据本示例性实施例，分别配设用于控制第一传输开关304S和304L的控制线321S和321L。第一传输开关304L可以被表示为第三传输开关304L以与第一传输开关304S区分开。分别配设用于控制第二传输开关305S和305L的控制线322S和322L。第二传输开关305L可以被表示为第四传输开关305L以与第二传输开关305S区分开。其他组件类似于根据第一示例性实施例的像素300中的那些组件。
利用这种构造，即使在电荷由第一电荷保持单元302S保持的状态下，电荷也可以被传输到第二电荷保持单元302L。即使在电荷由第一电荷保持单元302S和第二电荷保持单元302L保持的状态下，电荷也可以被传输到第一电荷保持单元302S或第二电荷保持单元302L。因此，可在两个电荷保持单元中保持具有高同步性的信号。
在像素800中，由光电转换单元301生成的电荷分别根据为第一传输开关304S和304L选择的时间由电荷保持单元302S和302L保持。根据第一示例性实施例，摄像设备101对于各帧执行具有相同的曝光时间的采样操作，以针对各帧生成具有相同的曝光时间的图像。另一方面，本示例性实施例的特征在于，像素800使用第一电荷保持单元302S和第二电荷保持单元302L来并行地执行具有不同的曝光时间的采样。
<时序图>
图6是例示根据本示例性实施例的摄像设备101的操作的时序图。波形902指示用于显示电子公告板、汽车中使用的各种照明设备的模拟调制的LED光源的照明波形。
波形903指示放电开关318的控制线323的脉冲信号的波形。当该脉冲信号从L电平被控制为H电平时，放电开关318接通，并且电荷从光电转换单元301排出到电源节点324。在本示例性实施例中，所有的像素在相同的定时被控制为从L电平到H电平，反之亦然。
信号波形904S是第一传输开关304S的控制线321S的脉冲信号的波形。信号波形904L是第一传输开关304L的控制线321L的脉冲信号的波形。根据本示例性实施例，由光电转换单元301生成的电荷对于所有的像素同时被传输到电荷保持单元302S或302L。
当信号波形904S从L电平变为H电平时，由光电转换单元301生成的电荷被传输到电荷保持单元302S。根据本示例性实施例，所有像素的第一传输开关304S在相同的定时被控制为从ON到OFF。类似地，对于所有像素，当信号波形904L在相同的定时从L电平变为H电平时，所有像素的第一传输开关304L从ON变为OFF，并且由光电转换单元301生成的电荷被传输到电荷保持单元302L。
利用该构造，在由信号波形903和904S指定的时段中，由光电转换单元301生成的电荷可以被保持在电荷保持单元302S中。类似地，在由信号波形903和904L指定的时段中，由光电转换单元301生成的电荷可以被保持在电荷保持单元302L中。更具体地，该构造使得能够在确保同步性的同时针对电荷保持单元302S和302L以不同长度的电荷累积时段进行采样。这使得能够抑制相对于被摄体和照相机的移动而生成的图像偏移的发生。为了扩大动态范围，需要由电荷保持单元302S保持的电荷量与由电荷保持单元302L保持的电荷量不同。因此，在各采样的相同长度(第一传输开关或第三传输开关间歇地接通的各时段的长度)的前提下，电荷传输到电荷保持单元302S的次数可以与电荷传输到电荷保持单元302L的次数不同。
时段T915S是要由电荷保持单元302S保持的电荷被累积的时段，并且等同于短时间采样期。另一方面，时段T915L是要由电荷保持单元302L保持的电荷被累积的时段，并且等同于长时间采样期。更具体地，从第一传输开关304S被接通的时刻到其被断开的时刻的时段(时段T915S)的长度比从第三传输开关304L被接通的时刻到其被断开的时刻的时段(第二时段T915L)的长度短。
参照图6，时段T915S和T915L在时间上彼此不重叠或者是彼此不同的定时。交替地执行短时间采样操作和长时间采样操作使得能够在同一帧中生成具有不同曝光时间的多个图像。时段T915S和T915L可以在时间上彼此部分重叠。在这种情况下，在相同的定时在电荷保持单元302S和302L二者中执行电荷累积。结果是，因为电荷积累时段的长度需要在电荷保持单元302S和302L之间不同，所以可以允许这种构造。
信号波形905S是第二传输开关305S的控制线322S的脉冲信号的波形。信号波形905L是第二传输开关305L的控制线322L的脉冲信号的波形。当信号波形905S从L电平变为H电平时，第二传输开关305S接通，并且由电荷保持单元302S保持的电荷被按行依次传输到输出单元112。类似地，当信号波形905L从L电平变为H电平时，第二传输开关305L接通，并且由电荷保持单元302L保持的电荷被按行依次传输到输出单元112。
时段T920指示一帧时段，并且是一个画面的传输期。在时段T920中，从第一行到最后一行的一帧的图像被按行依次输出到输出单元112。
时段T921S和T921L指示其中多次采样的电荷分别由第n行中的电荷保持单元302S和302L保持的时段。类似地，时段T922S和T922L指示其中电荷分别由第(n+1)行中的电荷保持单元302S和302L保持的时段，并且，时段T923S和T923L指示其中电荷分别由第(n+2)行中的电荷保持单元302S和302L保持的时段。
根据本示例性实施例，在时段T920(即，一帧的时段)中，摄像设备101执行由时段T915S指示的短时间采样操作三次，以生成多重曝光图像。此外，在时段T920中，摄像设备101执行由时段T915L指示的长时间采样操作三次，以生成多重曝光图像。
根据本示例性实施例，提供两个不同的电荷保持单元(电荷保持单元302S和302L)并且将适当的脉冲输入到各个控制线使得能够生成具有不同曝光时间的两个图像。
具有不同曝光时间的两个多重曝光图像是通过以一定时间间隔执行多次采样而获得的图像。因此，所得到的信息不是光源的点亮状态变化的瞬间的信息，而是多次执行的多路复用的采样曝光的信息。因此，可以抑制在拍摄光源时发生的闪烁或闪烁状波动。
此外，由于通过多次执行相同的帧时段的采样来获得各多重曝光图像，所以获得的图像是在几乎相同的时间以两个不同的曝光时间拍摄的图像。因此，组合这些读取的多重曝光图像使得能够获得具有扩大的动态范围的图像。其细节将在下面被描述。
此外，在本示例性实施例中，如第一示例性实施例中所述，可以通过提供第一脉冲生成单元和第二脉冲生成单元来灵活地设置用于多重曝光图像的图像拍摄条件。来自第一脉冲生成单元的脉冲可以是通过乘以水平扫描频率获得的与水平扫描同步的脉冲，或者通过除以水平扫描频率获得的与水平扫描同步的脉冲。
此外，在本示例性实施例中，摄像设备101执行短时间采样操作三次，并且执行长时间采样操作三次。然而，采样操作的数量不限于此。采样操作可以执行两次或任何更多次数。此外，在一帧时段中，执行的短时间采样操作的次数可以不同于长时间采样操作的次数。
减小信号波形904S和904L的脉冲间隔以增加采样操作的次数，提高了抑制闪烁的效果。当光源的闪烁频率为N(Hz)时，在采样周期(Hz)超过N(Hz)时出现抑制闪烁的效果。当采样周期(Hz)超过2N(Hz)时出现足够的效果。例如，在使用50Hz商用电源的荧光灯的照明下，当以100Hz拍摄图像时往往会出现闪烁。在这种情况下，当采样周期(Hz)超过100Hz时出现抑制闪烁的效果，并且，当采样周期(Hz)超过200Hz时可以获得足够的效果。在光源在50Hz商用电源上操作的情况下，当信号波形904S和904L的脉冲间隔被设置为10毫秒或更短时，获得抑制闪烁的效果。此外，为了提高抑制闪烁的效果，信号波形904S和904L的脉冲间隔可以比例如5毫秒短。
为了增加抑制闪烁的效果，可以延长用于电荷多路复用的曝光时间的总和。例如，通过将短时间采样操作的曝光时间的和与长时间采样操作的曝光时间的和相加而获得的总时间可以等于或大于光源的闪烁周期的一半。
尽管各像素800配设有两组电荷保持单元302、第一传输开关304和第二传输开关305，但是其可以配设有例如至少三组以针对各帧生成具有不同的曝光时间的至少三个图像。
另外，参照图6，虽然摄像设备101并行地执行短时间采样操作和长时间采样操作，但是短时间采样操作和长时间采样操作可以分开地执行。例如，在第一传输开关304S间歇地重复接通多次以执行短时间采样操作的时段中，第一传输开关304L维持断开。另一方面，在第一传输开关304L间歇地重复接通多次以执行长时间采样操作的时段中，第一传输开关304S维持断开。该操作使得能够在一帧中分离短时间采样操作和长时间采样操作。另外，摄像设备101不仅能够以完全并行的方式或以分开的方式执行短时间采样操作和长时间采样操作，而且还适当地选择中间方式。
<摄像系统的构造的示例>
下面将参照图7、图8A和图8B描述使用根据第二示例性实施例的摄像设备101能够扩大动态范围的摄像系统。
图7例示根据本示例性实施例的摄像系统700中的图像处理装置710的构造的示例。图像处理装置710从摄像设备101接收各帧的图像信号，组合具有不同曝光时间的至少两个图像，并且向图像显示装置720输出显示信号，并向图像记录装置730输出记录信号。前图像处理单元701对从摄像设备101输入的图像数据进行诸如黑电平校正处理的图像处理。
第一图像临时存储单元702将所获得的短时间曝光图像数据临时存储在一帧中的帧存储器中。第二图像临时存储单元703将长时间曝光图像数据临时存储在一帧中的帧存储器中。图像组合单元704将从第一图像临时存储单元702输入的短时间曝光图像和从第二图像临时存储单元703输入的长时间曝光图像组合，以生成具有扩大的动态范围的组合图像。后图像处理单元705将例如拜耳阵列的图像传感器的像素阵列信号转换为诸如一般的红色、绿色和蓝色(RGB)信号和YCbCr信号的视频信号。后图像处理单元705可以对组合图像执行诸如白平衡和伽马校正的图像质量校正。图像显示接口(IF)单元706是用于将图像显示信号和控制信号发送到图像显示装置720并从其接收控制信号的接口单元。图像记录IF单元707是用于将图像记录信号和控制信号发送到图像记录装置730并从其接收控制信号的接口单元。
图8A和图8B例示由根据本示例性实施例的摄像系统700的图像组合单元704生成具有扩大的动态范围的图像的方法。在本示例性实施例中，描述了这样的情况：图像组合单元704组合短时间曝光图像和长时间曝光图像，并且将输出电平的灰度数从4096增加到65536或等同量，以将动态范围从72dB或等同量扩大到96dB或等同量。
图8A例示在执行图像组合之前照度和输出电平之间的关系。特性501A主要用于拍摄被摄体的暗区域，并且指示长时间曝光图像拍摄时的照度的输出电平特性。假设图像传感器输出12位信号，因此输出灰度数4096。特性502A主要用于拍摄被摄体的明区域，并且指示短时间曝光图像拍摄时的照度的输出电平特性。具有短曝光时间的短时间曝光图像的特性的倾斜比长时间曝光图像的特性的倾斜更缓和。例如，假设长时间曝光图像的曝光时间为短时间曝光图像的曝光时间的和的16倍。
根据本示例性实施例，将长时间曝光图像拍摄时的输出电平设置为达到具有1000lx的照度的4095个灰度，并且，将短时间曝光图像拍摄时的输出电平设置为达到具有作为10001x的16倍的16000lx的照度的4095个灰度。为了组合以长时间曝光拍摄的图像和以短时间曝光拍摄的图像，摄像设备101通过将通过短时间曝光而拍摄的图像数据向高位数字地移位4位来生成图像。这使得通过短时间曝光拍摄的图像数据向高位移位4位，以生成具有灰度数65536的16位数据。随后，摄像设备101组合长时间曝光图像和短时间曝光图像。通过使用在输出电平(灰度数)等于或低于某一阈值输出电平的情况下通过长时间曝光拍摄的图像数据，或者通过使用在输出电平(灰度数)高于该阈值输出电平的情况下通过短时间曝光拍摄的图像数据，摄像设备101生成16位图像。例如，阈值输出电平(灰度数)为4095。
图8B例示组合之后的图像相对于照度的输出电平(灰度数)。具有长时间曝光的特性501A是其中原样地使用阈值输出电平(灰度数4095)或更低的数据的区域。特性502B是通过将短时间曝光图像的数据的特性502A向高位移位4位而生成的特性。特性502B是输出电平高于阈值输出电平(灰度数4095)的区域。组合后的图像在暗部分中具有16位灰度精度，并且对于暗部分中的图像拍摄具有饱和度增加16倍的扩大的动态范围。在本示例性实施例中，以长时间曝光的曝光时间是以短时间曝光的曝光时间的16倍。例如，设置较大的曝光时间比率使得能够获得具有100dB或更高的动态范围的图像。
当通过使用安装在隧道中行驶的汽车上的车载照相机拍摄黑暗隧道外部的亮信号的照明条件的图像时，使用上述构造和驱动方法降低了经过短时间曝光的亮信号的照明条件被不正确地检测的可能性。摄像设备101组合短时间曝光图像和长时间曝光图像，以使得能够获得具有覆盖从隧道中的暗部分到隧道外部的明部分的宽动态范围的清晰图像。
根据第二示例性实施例的上述摄像设备在一个像素中配设有两个不同的电荷保持单元，以在分开的电荷保持单元中分别保持具有短曝光时间的累积电荷和具有长曝光时间的累积电荷来获取信息，从而扩大动态范围。另一方面，根据本示例性实施例的摄像设备在一帧中提供两个不同的时段：保持具有短曝光时间的累积电荷的时段(第一保持期)和保持具有长曝光时间的累积电荷的时段(第二保持期)，从而扩大动态范围。本示例性实施例具有消除在一个像素中提供两个电荷保持单元的需要的优点。
根据本示例性实施例的摄像设备101的构造类似于图3所示的构造。此外，根据本示例性实施例的摄像设备101的像素部分的等效电路的构造类似于图4所示的构造。
图9是例示根据本示例性实施例的摄像设备101的操作的时序图。与第一示例性实施例类似，信号波形203指示放电开关318的控制线323的脉冲信号的波形，并且，信号波形204指示第一传输开关304的控制线321的脉冲信号的波形。根据本示例性实施例，放电开关318被接通和断开，并且第一传输开关304对于所有像素在相同的定时被接通和断开。这确保了对于所有像素的采样曝光的同步性。
信号波形205指示第二传输开关305的控制线322的脉冲信号的波形。图9例示用于控制配设在第n行至第(n+x)行中的第二传输开关305的信号波形205。如图9所示，第二传输开关305的控制线322的脉冲信号按行依次从L电平变为H电平。因此，电荷从电荷保持单元302按行依次传输到放大单元310。
时段T215指示被执行多次的上述采样操作执行一次的时段。时段T217M指示由第n行中的电荷保持单元302保持电荷的时段。在时段T217M中生成的电荷用作用于形成具有短曝光时间的图像的电荷。时段T217N也指示由第n行中的电荷保持单元302保持电荷的时段。在时段T217N中生成的电荷用作用于形成具有长曝光时间的图像的电荷。时段T217M和T217N等同于从第一次采样操作开始直到最后一次采样操作结束的时段，在该时段中多次执行采样操作。此外，根据本示例性实施例，如图9所示，在时段T217M和T217N中执行多次采样操作。
类似地，在其他各行中，如时段T218M、T218N、T219M、T219N等所示，用于形成具有短曝光时间的图像的电荷和用于形成具有长曝光时间的图像的电荷由电荷保持单元302保持。在电荷保持单元302中累加的电荷被按行依次传输到放大单元310，并且图像数据从输出单元106输出到图像处理装置710。
采用上述构造和驱动方法使得能够获取通过对由电荷保持单元302多次采样的电荷执行多重曝光而获得的图像。具有少次数的多路复用的图像是具有短曝光时间的图像，并且具有多次数的多路复用的图像是具有长曝光时间的图像。因此，可以获得两种不同类型的图像。从这些图像获得具有扩大的动态范围的图像的构造与根据第二示例性实施例的构造类似。
根据本示例性实施例，对于具有短曝光时间的图像和具有长曝光时间的图像，不能确保如第二示例性实施例中的同步性。然而，尽管各像素仅包括一个电荷保持单元，但是上述驱动方法能够获取具有不同的一帧累积时段的图像。根据本示例性实施例，改变采样曝光操作中的采样量使得能够控制一帧累积时段，同时维持具有短曝光时间的图像的曝光时间与具有长曝光时间的图像的曝光时间的比率。
下面将集中于可以针对画面中的各像素行改变一帧累积时段的示例来描述第四示例性实施例。根据本示例性实施例的摄像设备101的构造类似于图3所示的构造。根据本示例性实施例的摄像设备101的像素部分的等效电路的构造的示例类似于图4所示的构造。
图10是例示根据本示例性实施例的摄像设备101的操作的时序图，即，信号波形203、204和205之间的关系。信号波形203指示放电开关318的控制线323的脉冲信号的波形。信号波形204指示第一传输开关304的控制线321的脉冲信号的波形。根据本示例性实施例，放电开关318被接通和断开，并且第一传输开关304对于所有像素在相同的定时被接通和断开，确保对于所有像素的采样曝光的同步性。
信号波形205指示第二传输开关305的控制线322的脉冲信号的波形。图10例示用于控制配设在第n行至第(n+x)行中的第二传输开关305的信号波形205。如图10所示，第二传输开关305的控制线322的脉冲信号按行依次从L电平变为H电平。因此，电荷从电荷保持单元302按行依次传输到放大单元310。
信号波形206指示用于使电荷保持单元302的电位复位的开关(未例示)的控制线的脉冲信号的波形。例如，该复位开关由金属氧化物半导体(MOS)晶体管构成。当该开关接通时，电荷保持单元302的电位被复位到复位线326的电位。
时段T215指示从一次电荷累积的开始到结束的时段(采样期)。时段T216指示在相当于一帧的时段内执行采样操作的时段。根据本示例性实施例的驱动方法与根据上述示例性实施例的驱动方法的不同之处在于，执行采样操作的时段是相当于一帧的时段的一部分。
时段T217是从第n行中的像素的电荷保持单元302的电位被复位的时刻直到已经维持为OFF的第二传输开关305被接通的时刻的时段。时段T217也是累积在电荷保持单元302中经过了多重曝光的信号的时段。
类似地，时段T218是从第(n+1)行中的像素的电荷保持单元302的电位被复位的时刻直到第二传输开关305被接通的时刻的时段。此外，时段T219是从第(n+x)行中的像素的电荷保持单元302的电位被复位的时刻直到第二传输开关305被接通的时刻的时段。
在根据本示例性实施例的驱动方法中，在第n行中的像素中，在时段T216和T217彼此重叠的时段内采样的电荷由电荷保持单元302保持。另一方面，在第(n+x)行中的像素中，在时段T216和T219彼此重叠的时段内采样的电荷由电荷保持单元302保持。
更具体地，根据本示例性实施例，执行采样操作的时段是相当于一帧的时段的一部分。使电荷保持单元302复位的定时和从电荷保持单元302传输电荷到放大单元310的定时对于各行不同。因此，各像素行具有由电荷保持单元302多路复用的不同量的电荷。由于通过采样操作多路复用的电荷量对于画面中的各行而不同，因此可以在垂直扫描方向(列方向)上改变画面中的曝光量。例如，利用车载照相机，用太阳光照射的期望的摄像区域的上部可以变成明区域，而几乎不被太阳光照射的下部可能会变成暗区域。因此，由于可以改变曝光量，所以使用根据本示例性实施例的驱动方法使得能够获取合适的图像。此外，即使在仅期望的摄像区域的下部和中心是明亮的情况下，也可以通过适当地调整各开关的驱动定时来获取适当的图像。
为了在不改变画面中的垂直扫描方向上的曝光量的变化率的情况下改变曝光量的绝对值，只需要增加或减少在一次采样操作中要曝光的电荷量。为了实现这一点，需要改变采样宽度、由信号波形203和204确定的采样间隔。为了在没有大幅地改变曝光量的绝对值的情况下改变画面中的曝光量的变化率，仅需要改变时段T216和由各像素行中的电荷保持单元保持电荷的时段(例如，时段T217)之间的重叠的程度。
以这种方式独立于在各行中执行的采样电荷多路复用控制，执行采样间隔、采样宽度和采样次数的控制，使得可以控制摄像设备中的画面中的曝光量。
<其他示例性实施例>
本发明不限于上述示例性实施例，而且可以被适当地修改和组合。
可以适当地改变根据各示例性实施例的信号波形的H电平或L电平的长度。例如，根据第二示例性实施例，对于第一传输开关的驱动脉冲，在获取具有长曝光时间的信号时的H电平的时段的长度比在获取具有短曝光时间的信号时的H电平的时段的长度长。然而，在H电平的时段的相同长度的情况下或在它们之间的反转的长度关系的情况下，可以通过改变从光电转换单元301传输电荷到电荷保持单元的次数来改变曝光时段的长度。
根据第二示例性实施例的摄像系统还可以通过将根据各示例性实施例的摄像设备与图像处理装置组合来构成。
另外，根据本发明的摄像设备和摄像系统可以应用于小型无人移动体、各种类型的机器人、便携式装置、车载照相机、监视照相机、工业照相机以及用于在各种场景中执行图像识别的其他装置。
虽然针对示例性实施例描述了本发明，但是，应该理解，本发明不限于公开的示例性实施例。下述权利要求的范围应当被赋予最宽的解释，以便涵盖所有这类变型例以及等同的结构和功能。

Claims (17)

1.一种摄像设备，其包括：
多个像素，所述多个像素中的各个像素包括被构造为累积由入射光生成的电荷的光电转换单元、被构造为保持电荷的保持单元、被构造为输出基于电荷的信号的放大单元、被构造为将电荷从所述光电转换单元传输到所述保持单元的第一传输开关、以及被构造为将电荷从所述保持单元传输到所述放大单元的第二传输开关；
输出线，其被构造为输出来自所述多个像素的所述放大单元的信号；以及
控制单元，其被构造为针对按多行布置的所述多个像素中的各个像素，执行控制以在相同的定时多次间歇地接通所述第一传输开关，来将电荷从所述光电转换单元多次传输到所述保持单元，并且执行控制以按行依次接通所述第二传输开关，来针对各行将多次传输的由所述保持单元保持的电荷传输到所述放大单元，
其中，针对要传输到所述放大单元的电荷，各行的累积时段不同。
2.根据权利要求1所述的摄像设备，
其中，所述多个像素中的各个像素具有放电开关，所述放电开关用于排出在所述光电转换单元中积累的电荷，并且
其中，所述控制单元执行控制，以在所述第一传输开关被多次间歇地接通的时刻断开所述多个像素的所述放电开关。
3.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元执行控制，以在所述第一传输开关被多次间歇地接通的时刻断开所述多个像素的所述第二传输开关。
4.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述多个像素中的各个像素包括：
作为所述保持单元的第一保持单元和第二保持单元；
所述第一传输开关，其将电荷从所述光电转换单元传输到所述第一保持单元；
所述第二传输开关，其将电荷从所述第一保持单元传输到所述放大单元；
第三传输开关，其被构造为将电荷从所述光电转换单元传输到所述第二保持单元；以及
第四传输开关，其被构造为将电荷从所述第二保持单元传输到所述放大单元，
其中，针对按多行布置的所述多个像素中的各个像素，所述控制单元执行控制以在相同的定时多次间歇地接通所述第三传输开关，来将电荷间歇地从所述光电转换单元多次传输到所述第二保持单元，并且执行控制以按行依次接通所述多个像素的所述第四传输开关，来基于行将多次传输的由所述第二保持单元保持的电荷传输到所述放大单元，并且
其中，由所述第一保持单元保持且多次传输的电荷量，与由所述第二保持单元保持且多次传输的电荷量不同。
5.根据权利要求4所述的摄像设备，其中，间歇地接通所述第一传输开关的时段的长度与间歇地接通所述第三传输开关的时段的长度不同，或者，通过多次接通所述第一传输开关来将电荷从所述光电转换单元传输到所述第一保持单元的次数与通过多次接通所述第三传输开关来将电荷从所述光电转换单元传输到所述第二保持单元的次数不同。
6.根据权利要求4所述的摄像设备，其中，所述控制单元执行控制，使得接通所述第一传输开关的时段与接通所述第三传输开关的时段不重叠。
7.根据权利要求4所述的摄像设备，其中，控制单元执行控制，使得接通所述第二传输开关的时刻不同于接通所述第四传输开关的时刻。
8.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，在所述多个像素当中的至少一个像素中，所述控制单元具有在维持所述第二传输开关断开的同时由所述保持单元保持多次传输的电荷的第一保持期、以及在所述第一保持期之后的在维持所述第二传输开关断开的同时由所述保持单元保持多次传输的电荷的第二保持期，并且
其中，所述控制单元执行控制，使得在所述第一保持期中接通所述第一传输开关的次数与在所述第二保持期中接通所述第一传输开关的次数不同。
9.根据权利要求1所述的摄像设备，
其中，所述多个像素包括第一像素和第二像素，并且
其中，所述控制单元执行控制，使得在从所述第一像素的所述保持单元的电位被复位的时刻直到所述第一像素的所述第二传输开关被接通的时刻的时段中由所述第一像素的所述保持单元保持的电荷量，与在从所述第二像素的所述保持单元的电位被复位的时刻直到所述第二像素的所述第二传输开关被接通的时刻的时段中由所述第二像素的所述保持单元保持的电荷量不同。
10.根据权利要求9所述的摄像设备，其中，所述控制单元执行控制，使得所述第一传输开关在相同的定时被多次间歇地接通的时段比一帧时段短。
11.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元执行控制，使得在所述多个像素中，所述第一传输开关在相同的定时被多次间歇地接通的间隔是光源的闪烁周期的一半或更少。
12.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，在所述多个像素当中的至少一个像素中，所述控制单元执行控制，使得由所述保持单元保持电荷的时段比光源的闪烁周期长。
13.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元包括第一脉冲生成单元和第二脉冲生成单元，所述第一脉冲生成单元用于生成用于控制所述第一传输开关的脉冲，所述第二脉冲生成单元用于生成用于控制所述第二传输开关的脉冲。
14.一种摄像系统，其包括：
根据权利要求1所述的摄像设备；以及
图像处理装置，其被构造为对从所述摄像设备输出的输入图像数据进行处理。
15.一种摄像设备的驱动方法，所述摄像设备包括多个像素和输出线，所述多个像素中的各个像素包括被构造为累积由入射光生成的电荷的光电转换单元、被构造为保持电荷的保持单元、被构造为输出基于电荷的信号的放大单元、被构造为将电荷从所述光电转换单元传输到所述保持单元的第一传输开关、以及被构造为将电荷从所述保持单元传输到所述放大单元的第二传输开关，所述输出线被构造为输出来自所述多个像素的所述放大单元的信号，所述驱动方法包括；
针对按多行布置的所述多个像素中的各个像素，通过在相同的定时多次间歇地接通所述第一传输开关，来将电荷从所述光电转换单元多次间歇地传输到所述保持单元，并且
通过按行依次接通所述第二传输开关，来基于行将多次传输到所述保持单元且由所述保持单元保持的电荷传输到所述放大单元。
16.根据权利要求15所述的摄像设备的驱动方法，
其中，所述多个像素中的各个像素具有放电开关，所述放电开关被构造为排出在所述光电转换单元中积累的电荷，并且
其中，在所述第一传输开关被多次间歇地接通的时刻，所述多个像素中的各个像素的所述放电开关被断开。
17.根据权利要求15所述的摄像设备的驱动方法，其中，所述多个像素中的各个像素包括：
作为所述保持单元的第一保持单元和第二保持单元；
所述第一传输开关，其将电荷从所述光电转换单元传输到所述第一保持单元；
所述第二传输开关，其将电荷从所述第一保持单元传输到所述放大单元；
第三传输开关，其被构造为将电荷从所述光电转换单元传输到所述第二保持单元；以及
第四传输开关，其被构造为将电荷从所述第二保持单元传输到所述放大单元，
所述驱动方法还包括：
针对按多行布置的所述多个像素中的各个像素，通过在相同的定时多次间歇地接通所述第三传输开关，来将电荷从所述光电转换单元多次传输到所述第二保持单元，以及
通过按行依次接通所述多个像素的所述第四传输开关，来基于行将多次传输到所述第二保持单元且由所述第二保持单元保持的电荷传输到所述放大单元，
其中，多次传输到所述第一保持单元且由所述第一保持单元保持的电荷量，与多次传输到所述第二保持单元且由所述第二保持单元保持的电荷量不同。
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