CN110231693A - 图像传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及图像传感器。该图像传感器(1000)包括：像素区域(700)，在像素区域(700)中配置有多个像素单元(100)，各像素单元具有第一光电转换部件(101A)和第二光电转换部件(101B)；第一输出部件(307,309)，用于将基于来自像素单元的第一光电转换部件的信号的第一信号输出至图像传感器的外部；以及第二输出部件(308)，用于输出第二信号，其中该第二信号基于来自像素单元的第一光电转换部件的信号和来自像素单元的第二光电转换部件的信号，其中，来自第一输出部件的第一信号的输出和来自第二输出部件的第二信号的输出是并行进行的。

Description

图像传感器
(本申请是申请日为2016年1月5日、申请号为201610006005.4、发明名称为“图像传感器和摄像设备”的申请的分案申请。)
技术领域
本发明涉及图像传感器和摄像设备。
背景技术
近年来，诸如数字静态照相机和摄像机等的摄像设备中所使用的图像传感器变得越来越多功能化。
日本特开2013-106194公开了使得能够在图像传感器中进行光瞳分割型焦点检测的技术。根据日本特开2013-106194，构成图像传感器的各像素具有两个光电二极管，其中这两个光电二极管被配置为借助一个微透镜接收穿过了摄像透镜的不同光瞳的光束。以这种方式，可以通过将从两个光电二极管输出的信号彼此进行比较来在摄像透镜上进行焦点检测，并且可以根据从两个光电二极管得到的合成信号来获得拍摄图像的信号。
日本特开2013-106194还公开了以下方法：在读出重置电平信号和第一光电二极管的信号之后，在不进行重置的情况下与第二光电二极管的信号进行合成，读出由此得到的合成信号，并且通过从由此得到的合成信号中减去第一光电二极管的信号来获得第二光电二极管的信号。利用该方法，可以针对第一光电二极管和第二光电二极管的信号共通地使用重置电平信号，因而可以使重置电平信号的读出缩短一个会话(session)。
此外，日本特开2014-72541公开了如下方法：通过并行读出第一光电二极管和第二光电二极管的信号、对这些信号应用A/D转换、然后对这些信号进行数字合成，来获得拍摄图像的信号。
在每个像素设置两个光电二极管的图像传感器的情况下，为了获得焦点检测所用的信号和拍摄图像所用的信号，需要分别获取两个光电二极管的单独信号，以及从这两个光电二极管得到的合成信号。日本特开2013-106194中所述的摄像设备在读出焦点检测所用的第一光电二极管的信号之后读出拍摄图像所用的合成信号，因而不允许同时获取焦点检测所用的信号和拍摄图像所用的信号。与每个像素设置一个光电二极管的传统图像传感器相比，这具有大幅增加读出时间段的风险。另一方面，日本特开2014-72541中所述的摄像设备仅在读出焦点检测所用的第一光电二极管和第二光电二极管的信号之后执行合成处理的情况下才可以获得拍摄图像所用的信号。
发明内容
本发明提供能够通过并行读出摄像信号和焦点检测信号来进行高速读出的图像传感器。
根据本发明的一个实施例，本发明涉及一种图像传感器，包括：像素区域，在所述像素区域中配置有多个像素单元，各像素单元具有第一光电转换部件和第二光电转换部件；第一输出部件，用于将基于来自所述像素单元的所述第一光电转换部件的信号的第一信号输出至所述图像传感器的外部；以及第二输出部件，用于输出第二信号，其中所述第二信号基于来自所述像素单元的所述第一光电转换部件的信号和来自所述像素单元的所述第二光电转换部件的信号，其中，来自所述第一输出部件的所述第一信号的输出和来自所述第二输出部件的所述第二信号的输出是并行进行的。
根据本发明的另一实施例，本发明涉及一种图像传感器，包括：像素区域，在所述像素区域中配置有多个像素单元，各像素单元具有第一光电转换部件和第二光电转换部件；第一存储部件，用于对基于来自所述像素单元的所述第一光电转换部件的信号的第一信号进行存储；以及第二存储部件，用于对第二信号进行存储，其中所述第二信号基于来自所述像素单元的所述第一光电转换部件的信号和来自所述像素单元的所述第二光电转换部件的信号，其中，所述图像传感器被配置为使得并行进行向所述第一存储部件的所述第一信号的存储和向所述第二存储部件的所述第二信号的存储。
根据本发明的另一实施例，本发明涉及一种摄像设备，包括如上所述的图像传感器；以及处理部件，用于处理从所述图像传感器输出的所述第一信号和所述第二信号。
根据本发明的另一实施例，本发明涉及一种图像传感器，包括：像素区域，在所述像素区域中配置有多个像素单元，各像素单元具有多个光电转换部件；信号读出部件，用于从所述像素区域中的所述像素单元中读出信号；焦点检测信号处理部件，用于进行用以使用所述信号读出部件所读出的且基于来自所述像素单元的多个光电转换部件中的至少一个而非所有光电转换部件的信号的第一信号来进行焦点检测的信号处理；拍摄图像信号处理部件，用于进行用以根据所述信号读出部件所读出的且基于来自所述像素单元的所有光电转换部件的信号的第二信号来生成拍摄图像的信号处理；以及输出部件，用于输出所述焦点检测信号处理部件和所述拍摄图像信号处理部件处理后的信号。
通过以下(参考附图)对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1例示根据本发明的实施例的图像传感器中的光瞳分割型焦点检测的原理。
图2是示出根据本发明的实施例的摄像设备的整体结构的示例的框图。
图3是示出根据本发明的第一实施例的图像传感器的整体结构的示例的电路图。
图4示出根据本发明的第一实施例的图像传感器中的像素单元的电路结构的示例。
图5A和5B示出根据本发明的第一实施例的图像传感器中的存储单元和读出单元的结构的示例。
图6是示出根据本发明的第一实施例的图像传感器所用的驱动方法的示例的时序图。
图7A～7E例示用于在根据本发明的第二实施例的图像传感器中进行摄像和焦点检测操作的区域。
图8A示出根据本发明的第二实施例的图像传感器中的读出单元的结构的示例，并且图8B是示出根据本发明的第二实施例的图像传感器所用的驱动方法的示例的时序图。
图9是示出根据本发明的第二实施例的图像传感器所用的驱动方法的另一示例的时序图。
图10示出针对根据本发明的第三实施例的焦点检测读出模式的存储单元和读出单元的结构的示例。
图11示出针对根据本发明的第三实施例的正常读出模式的存储单元和读出单元的结构的示例。
图12是示出根据本发明的第四实施例的图像传感器的整体结构的示例的框图。
图13A示出根据本发明的第四实施例的图像传感器中的像素单元的电路结构的示例，并且图13B示出根据本发明的第四实施例的图像传感器中的像素单元、存储单元和读出单元的结构的示例。
具体实施方式
以下参考附图来详细说明本发明的实施例。
第一实施例
首先，说明根据本发明的实施例的摄像设备中的光瞳分割型焦点检测的原理。
图1是示出从摄像透镜的出射光瞳射出的光束如何入射到像素单元上的概念图。像素单元100包括第一光电二极管101A和第二光电二极管101B。像素单元100配备有颜色滤波器110和微透镜111。
从出射光瞳112朝配备有微透镜111的像素射出的光束的中心被视为光轴113。穿过出射光瞳112的光以光轴113为中心入射到像素单元100上。出射光瞳112的某些部分用作光瞳区域114、115。如图1所示，光电二极管101A经由微透镜111接收到穿过光瞳区域114的光束。另一方面，光电二极管101B经由微透镜111接收到穿过光瞳区域115的光束，如此，光电二极管101A和101B从出射光瞳112的不同区域接收到光。因而，可以通过将从光电二极管101A和101B输出的信号彼此进行比较来检测相位差。
这里，分别将从光电二极管101A获得的信号和从光电二极管101B获得的信号定义为A图像信号和B图像信号。此外，将通过合成A图像和B图像信号所获得的信号定义为A+B图像信号。该A+B图像信号用作摄像信号，并且可以被拍摄图像使用。在根据本发明的实施例的图像传感器中，以从像素单元并行读出A图像信号、B图像信号和A+B图像信号的方式来进行控制。
现在参考图2来说明根据本发明的实施例的摄像设备10的结构的示例。在图2所示的摄像设备10中，除诸如图像传感器等的物理装置以外，各个块可以被配置为使用专用逻辑电路和存储器的硬件形式。可替代地，各个块可以被配置为由执行存储器中所存储的处理程序的诸如CPU等的计算机来实现的软件形式。
摄像透镜1002将被摄体的光学图像形成在图像传感器1000上，并且透镜驱动单元1003进行变焦控制、调焦控制、光圈控制，等等。图像传感器1000包括配置成矩阵的多个像素单元，并且将摄像透镜所形成的被摄体图像作为信号导入。图像传感器1000输出A+B图像信号、A图像信号和B图像信号。信号处理单元1001对从图像传感器1000输出的A+B图像信号、A图像信号和B图像信号应用各种信号处理。控制单元1004执行各种计算，执行用于控制整个摄像设备10的控制处理，并且使用A图像信号和B图像信号进行焦点检测操作。存储器1005临时存储图像数据，并且显示控制单元1006进行用于将各种信息和拍摄图像显示在显示设备上的显示控制。记录控制单元1007进行例如涉及针对诸如半导体存储器等的可拆卸/可移除的记录介质的图像数据的记录或读出的控制。操作单元1008包括按钮、拨盘等，并且接受来自用户的操作输入。注意，在显示设备是触摸屏的情况下，该触摸屏也包括在操作单元1008中。
现在参考图3～5来说明根据本发明的实施例的图像传感器1000的结构的示例。图3示意性示出图像传感器1000的整体结构。图像传感器1000包括：像素区域700、存储单元200、读出单元300、垂直扫描电路400、水平扫描电路500和时序发生电路(TG)600。各自具有两个光电二极管的像素单元100配置在像素区域700中。尽管本实施例例示性地示出4×4像素配置以便于说明，但在实践中配置有更大数量的像素。注意，除另有特别说明外，贯穿本说明书将像素区域700左上角的像素单元100定义为处于第一行且第一列的像素。垂直扫描电路400以行为单位来选择像素区域700中的像素，并且将驱动信号发送至所选择的行中的像素。
存储单元200被设置为与像素列一一对应，并且对以行为单位从像素单元100读出的信号进行存储。读出单元300被设置为与像素列一一对应，对存储单元200中所存储的信号应用A/D转换，并且基于来自水平扫描电路500的控制信号将由此得到的信号输出至图像传感器的外部。读出单元300输出A+B图像信号、A图像信号和B图像信号。时序生成电路(TG)600发送用于控制读出单元300、垂直扫描电路400和水平扫描电路500的时序信号。
图4是示出根据本发明的实施例的图像传感器1000中的像素单元100的电路结构的示例的电路图。各像素单元100例如包括：第一光电二极管101A、第二光电二极管101B、传送开关102A和102B、浮动扩散103A和103B、放大器部104A和104B、重置开关105A和105B以及选择开关106A和106B。
光电二极管101A和101B用作接收穿过同一微透镜的光并生成与所接收到的光量相对应的电荷的光电转换部。传送开关102A和102B将光电二极管101A和101B所生成的电荷分别传送至浮动扩散103A和103B。传送开关102A和102B由传送脉冲信号PTX控制。浮动扩散103A和103B用作对分别从101A和101B传送来的电荷进行临时存储并将所存储的电荷转换成电压信号的电荷电压转换部。放大器部104A和104B是分别对基于浮动扩散103A和103B中所存储的电荷的电压信号进行放大并输出放大后的电压信号作为像素信号的放大晶体管。放大晶体管与连接至列输出线107A和107B的未示出的电流源晶体管一起构成源极跟随器。
重置开关105A和105B由重置脉冲信号PRES控制，并且重置开关105A和105B将浮动扩散103A和103B的电位重置为基准电位VDD。选择开关106A和106B由垂直选择脉冲信号PSEL控制，并且选择开关106A和106B分别将放大器部104A和104B放大后的像素信号输出至列输出线107A和107B。
图5A示出根据本发明的实施例的存储单元200和读出单元300的结构的示例；为了简便，这里仅例示与两列相对应的结构。针对所有列以相同的方式来配置存储单元200，读出单元300也是如此。各存储单元200包括三个存储电路201、202和203。存储电路201包括并联连接的电容器C1和C2；电容器C1和C2各自的一个端部连接至列输出线107A，并且电容器C1和C2各自的另一个端部连接至相应的读出单元300内的读出电路301。存储电路201存储来自相应的光电二极管101A的A图像信号。
存储电路203包括电容器并联连接的电容器C5和C6；电容器C5和C6各自的一个端部连接至列输出线107B，并且电容器C5和C6各自的另一个端部连接至相应的读出单元300内的读出电路303。存储电路203存储来自相应的光电二极管101B的B图像信号。
存储电路202包括两个电容器C3和C4；一个电容器C3的一个端部连接至列输出线107A，而另一电容器C4的一个端部连接至列输出线107B。电容器C3和C4各自的另一端部共同连接至相应的读出单元300内的读出电路302。存储电路202对来自相应的像素单元100中的光电二极管101A和101B两者的A+B图像信号进行存储。注意，电容器C1～C6具有相同的电容值。
以下参考图5B来说明存储电路202如何获得A+B图像信号。假定在存储电路202处于初始状态(重置状态)的情况下，输入端子T1具有电压Va且输入端子T2具有电压Vb，并且输出端子T3具有电压Vo，则电容器C3和C4中所累积的电荷Qa和Qb分别由表达式1和2给出。将假定电容器C3的电容值是Ca且电容器C4的电容值是Cb。
表达式1
Qa＝Ca(Va-Vo)
表达式2
Qb＝Cb(Vb-Vo)
现在，假定在从光电二极管101A和101B读出信号之后，输入端子T1和T2的电压分别改变为Va+ΔVa和Vb+ΔVb，并且输出端子T3的电压改变为Vo+ΔVo。在这种情况下，电容器C3和C4中所累积的电荷Qa’和Qb’由表达式3和4给出。
表达式3
Qa′＝Ca{(Va+ΔVa)-(Vo+ΔVO)}
表达式4
Qb′＝Cb{(Vb+ΔVb)-(Vo+ΔVo)}
按照电荷守恒定律，关系Qa+Qb＝Qa′+Qb′成立，因而可以根据表达式1～4得出表达式5。
表达式5
ΔVo＝(CaΔVa+CbΔVb)/(Ca+Cb)
在电容器C3和C4具有相同的电容值(Ca＝Cb)的情况下，输出端子T3的电压变化ΔVo由表达式6给出。
表达式6
ΔVo＝(ΔVa+ΔVb)/2
这是光电二极管101A和101B的平均信号。可以使用该信号和两倍增益的积作为A+B图像信号。因此，将存储电路202中所存储的信号称为A+B图像信号。例如在信号处理单元1001或控制单元1004中将该信号乘以两倍增益就足够了。
返回至图5A的说明，各读出单元300包括读出电路301、302和303。读出电路的具体结构相同。分别将存储电路201、202和203中所存储的A图像信号、A+B图像信号和B图像信号输入至读出电路301、302和303。读出电路301、302和303各自包括A/D转换电路304、存储器305和S-N电路306。
A/D转换电路304将存储电路201、202或203中所存储的模拟信号转换成数字信号。A/D转换电路304例如包括未示出的比较电路和未示出的计数器电路。比较电路将电压值根据时间而变化的斜坡信号与存储电路201、202或203中所存储的输入信号进行比较，并且在信号之间的大小关系为逆反的情况下，将信号发送至计数器电路。在接收到来自比较电路的该信号时，计数器电路存储计数值。将该计数值导入并存储至存储器305作为数字信号。
存储器305具有用于存储数字信号的两个存储部。存储部M1存储下述的用作重置信号的N信号，而存储部M2存储下述的用作光信号的S信号。S-N电路306导入存储部M1和M2中所存储的数字N信号和S信号，并且存储通过从S信号减去N信号所获得的数字信号。分别将读出电路301、302、303的S-N电路306中所存储的数字信号经由开关SW1、SW2、SW3输出至数字信号线307、308、309。注意在图5A中，放大器可以设置在A/D转换电路304的前段，以使得首先放大存储电路中所存储的模拟信号然后对该模拟信号应用A/D转换。
图6是根据本发明的实施例的摄像设备10所用的驱动时序图。该图示出在垂直扫描电路选择出某行的情况下在读出时所进行的驱动的定时。参考该图，在针对开关SW1～SW6的控制信号PSW1～PSW6分别处于H电位的情况下，图5A中的开关SW1～SW6处于接通状态。注意，从水平扫描电路500供给控制信号PSW1～PSW6。
在t1时刻，将针对所选择的行的垂直选择脉冲信号PSEL设置为H，所选择的行中的像素单元100的选择开关106A和106B接通，并且所选择的行中的像素单元100连接至列输出线107A和107B。在该t1时刻，将重置脉冲信号PRES设置为H，并且在像素单元100中，重置开关105A和105B接通并且浮动扩散103A和103B处于重置电位。因此，将与浮动扩散的重置电位相对应的像素信号输出至列输出线107A和107B。
在t2时刻，将重置脉冲信号PRES设置为L，因而重置开关105A和105B断开。此时，将浮动扩散103A的重置解除时的电位存储在存储电路201中。将浮动扩散103B的重置解除时的电位存储在存储电路203中。将浮动扩散103A和浮动扩散103B两者的重置解除时的平均电位存储在存储电路202中。在该t2时刻存储在存储电路中的像素信号是重置电位信号，并且将这些重置电位信号称为N信号。
在t3时刻～t4时刻之间，读出电路301、302和303的A/D转换电路304将存储电路201、202和203中所存储的N信号转换成数字信号。将转换后的数字信号存储至存储器305的M1。用以在t3时刻～t4时刻之间将N信号转换成数字信号的操作被称为N转换。存储电路201、202和203中所存储的N信号并行经历N转换。
此后，在t5时刻，将传送脉冲信号PTX设置为H。结果，像素的传送开关102A和102B接通，将光电二极管101A中通过光电转换所生成的电荷传送至浮动扩散103A，并且将光电二极管101B中通过光电转换所生成的电荷传送至浮动扩散103B。将与光电二极管101A所生成的电荷量相对应的A图像信号输出至列输出线107A，而将与光电二极管101B所生成的电荷量相对应的B图像信号输出至列输出线107B。在t6时刻，将传送脉冲信号PTX设置为L，因而传送开关102A和102B断开。此时，A图像信号存储在存储电路201中，并且B图像信号存储在存储电路203中。如先前参考图5B所述的那样，A+B图像信号存储在存储电路202中。
在t7时刻～t8时刻之间，读出电路的A/D转换电路304将存储电路201中所存储的A图像信号、存储电路203中所存储的B图像信号和存储电路202中所存储的A+B图像信号转换成数字信号。将转换后的数字信号存储至读出电路的存储器305的M2。将在t7时刻～t8时刻所进行的操作(即，用以将A图像信号转换成数字信号的操作、用以将B图像信号转换成数字信号的操作以及用以将A+B图像信号转换成数字信号的操作)称为A转换、B转换和A+B转换。A转换、B转换和A+B转换是并行进行的。
此后，在t9时刻～t10时刻之间，读出电路的S-N电路306导入存储器305的M1中所存储的N信号，以及存储器305的M2中所存储的光信号(S信号)，即，A图像信号、B图像信号和A+B图像信号。然后，从A图像信号、B图像信号和A+B图像信号中各自减去相应的N信号，并且存储由此得到的信号。将该处理称为噪声去除处理(S-N处理)。通过S-N处理，可以从像素信号中去除固定模式的噪声和偏移成分。
在t11时刻，将控制信号PSW1～PSW3设置为H，因而开关SW1～SW3接通。结果，第一列中的读出单元300的S-N电路306连接至数字信号线307、308和309。然后，将S-N电路中所存储的A图像信号、A+B图像信号和B图像信号经由数字信号线307、308和309输出至图像传感器1000的外部。
此后，在t12时刻，将控制信号PSW4～PSW6设置为H，因而开关SW4～SW6接通。然后，将第二列中的S-N电路中所存储的A图像信号、A+B图像信号和B图像信号经由数字信号线307、308和309输出至图像传感器的外部。自此，重复上述的水平扫描，直到最后一列为止；结果，所选择的行的A图像信号、A+B图像信号和B图像信号的输出完成。
重复上述的读出操作，直到像素区域的最后一行为止。通过该读出操作，分别从数字信号线307、308和309并行输出A图像信号、A+B图像信号和B图像信号。在控制单元1004的控制下，使用A图像信号和B图像信号的焦点检测操作可以与使用A+B图像信号的拍摄图像的生成并行进行。结果，可以以高帧频来进行焦点检测操作和拍摄图像的生成。
注意，图5A所示的S-N电路306的S-N处理可以由图像传感器1000外部的信号处理单元1001来执行。在这种情况下，进行控制以使得从数字信号线输出A图像信号、B图像信号、A+B图像信号和相应的N信号就足够了。此外，A/D转换电路304所执行的A/D转换处理也可以由图像传感器1000外部的信号处理单元来执行。尽管本实施例采用了从图像传感器输出A图像信号和B图像信号两者的结构，也可以采用仅输出A图像信号和B图像信号其中之一的结构来代替。在这种情况下，通过在信号处理单元等中从A+B图像信号减去输出图像信号来生成尚未输出的图像信号就足够了。在这种情况下，A+B图像信号同样可以与A图像信号和B图像信号其中之一并行输出，因而可以以高帧频来生成拍摄图像。
如先前所述，执行焦点检测处理需要A图像信号和B图像信号。然而，将像素区域700中的所有像素单元100的A图像信号和B图像信号从读出单元300输出至图像传感器1000的外部可能会造成大量的信号传输。
在一些情况下，在将颜色信号转换成亮度信号之后执行针对焦点检测的相关计算。考虑到这种情况，在从图像传感器1000输出各个颜色的A图像信号和B图像信号之前，读出电路300可以执行用于将各个颜色的A图像信号和B图像信号转换成亮度信号的计算处理；以这种方式，可以将信号传输的量减少至四分之一。
例如，通过经由对A图像信号和B图像信号应用Bayer合成来计算亮度值，来生成亮度信号YA和YB。由于在亮度值的计算中需要与Bayer图案相对应的信号，因此将读出电路300所读出的像素信号存储在存储器中，直到获得计算所需的所有信号为止。也就是说，随着在读出与R和G相对应的行中的信号之后读出与G和B相对应的行中的信号，将与R和G相对应的行中的A图像信号和B图像信号存储至存储器，并且在读出与G和B相对应的行中的信号之后，顺次计算出亮度信号YA、YB并且经由信号线输出。
如上所述，在将A图像信号和B图像信号转换成亮度信号之后，图像传感器1000的读出单元300执行用于将A图像信号和B图像信号输出至图像传感器的外部的信号处理。以这种方式，可以减少信号传输的量，并且可以以高速来输出拍摄图像数据和焦点检测信息两者。
第二实施例
在以上第一实施例中，进行控制以使得在整个像素区域中输出A图像信号、B图像信号和A+B图像信号；可替代地，可以进行控制以使得仅在进行焦点检测操作的区域中输出A图像信号和B图像信号。考虑到这种情况，本第二实施例说明以下控制方法：在整个像素区域中输出A+B信号，以及仅从属于与意在输出信号的像素单元在像素区域中的位置相对应的部分像素区域的像素单元输出A图像信号和B图像信号。在这种情况下，对于不读出A图像信号和B图像信号的区域，可以通过停止对图5A中的A图像所用的读出电路301和B图像所用的读出电路303的电源供给来降低电力的消耗。
图7A～7E例示第二实施例中的用于进行摄像和焦点检测操作的区域。在图7A中，在摄像区域701中仅输出A+B图像信号，而在摄像和焦点检测区域702中输出A+B图像信号、A图像信号和B图像信号。注意，图7A示出将摄像和焦点检测区域702设置为单个矩形区域的情况；可替代地，如图7B所示，可以以恒定间隔来设置摄像和焦点检测区域702，其中各区域对应于预定列数。
图8A示出根据第二实施例的读出单元的结构的示例。该图与图5A所示的根据第一实施例的读出单元300相对应。省略与图5A所示的读出单元相同的部分的详细说明。在图8A中，PSAVEA信号是用于节省A图像所用的读出电路301的电力的控制信号。PSAVEB是用于节省B图像所用的读出电路303的电力的控制信号。将PSAVEA信号和PSAVEB信号设置为H阻止向相应的读出电路301和303的A/D转换电路304、存储器305和S-N电路306供给电源电压或电流，由此实现省电状态。进行控制以使得以列为单位来接通或断开PSAVEA信号和PSAVEB信号。
图8B和9是根据第二实施例的驱动时序图的示例。图8B是针对摄像区域的驱动时序图，而图9是针对摄像和焦点检测区域的驱动时序图。图8B和9与第一实施例的图6相对应，并且省略在操作方面与根据第一实施例相同的部分的说明。
如图8B所示，对于摄像区域，进行控制以使得将PSAVEA信号和PSAVEB信号设置为H。以这种方式，使得A图像所用的读出电路301和B图像所用的读出电路303处于省电状态，因而在这些读出电路中不进行N转换、A转换、B转换和S-N处理。此外，对于摄像区域，在从t11时刻起的水平扫描期间，控制信号PSW1、PSW3、PSW4和PSW6始终处于L电位，因而不将A图像信号和B图像信号输出至数字信号线。另一方面，对于摄像和焦点检测区域，如图9所示进行控制以使得将PSAVEA信号和PSAVEB信号设置为L。在这种情况下，进行与第一实施例的操作相同的操作；也就是说，将A+B图像信号、A图像信号和B图像信号输出至数字信号线。
通过按上述方式进行控制，可以仅在进行焦点检测的区域中输出A图像信号和B图像信号。在不读出A图像信号和B图像信号的区域中，可以通过针对A图像所用的读出电路301和针对B图像所用的读出电路303断开电源来降低电力的消耗。此外，在本发明中，由于A+B图像信号、A图像信号和B图像信号是并行输出的，因此拍摄图像的生成和焦点检测操作同样可以并行进行。结果，可以以高帧频来进行拍摄图像的生成和焦点检测操作。
在本第二实施例中，如图7A和7B所示以列为单位来设置摄像区域701及摄像和焦点检测区域702；可替代地，在第二实施例的变形例中，可以如图7C和7D所示以行为单位来设置摄像区域701及摄像和焦点检测区域702。图7C示出将摄像和焦点检测区域702设置为单个矩形区域的情况，而图7D示出以恒定间隔来设置摄像和焦点检测区域702的情况，其中各区域对应于预定行数。此外，如图7E所示，可以将摄像和焦点检测区域702设置为离散配置的小矩形区域。在这些情况下，类似于第二实施例，针对摄像区域进行如图8B所示的驱动并且针对摄像和焦点检测区域进行如图9所示的驱动也足够了。以这种方式，在摄像区域中仅可以输出A+B图像信号，并且在摄像和焦点检测区域中可以输出A+B图像信号、A图像信号和B图像信号。
第三实施例
利用以上第一实施例和第二实施例中所述的结构，需要提供与列一一对应的各自包括三个读出电路的读出单元；这具有增大图像传感器1000的电路尺寸的风险。考虑到这种情况，第三实施例说明由于在多个列中共用存储单元和读出电路而抑制了电路尺寸增大的结构。
在本实施例中，在以一列为间隔的三列之间共用读出电路，并且使用以下模式：焦点检测读出模式，用于输出通过对水平方向上的三个像素的信号进行平均化所获得的A+B图像信号、A图像信号和B图像信号；以及正常读出模式，用于仅输出A+B图像信号而不对水平方向上的三个像素的信号进行平均化。
图10和11示出根据本实施例的存储单元200和读出单元300的结构的示例。在图中，为了简便仅示出第一列～第六列。图10示出焦点检测读出模式下的结构，而图11示出正常读出模式下的结构。通过接通或断开开关SW7～SW38使得能够在焦点检测读出模式和正常读出模式之间切换。
在本实施例中，将假定每三个像素列的组设置存储单元200和读出单元300构成的对，并且如图10和11所示，第一、第三和第五列中的像素连接至公共存储单元200。进行第二、第四和第六列中的像素的读出的方向与第一、第三和第五列中的像素的读出方向相对于像素区域相反，并且第二、第四和第六列中的像素连接至公共存储单元。也就是说，属于三个连续奇数列的组的像素共用设置在图像传感器1000下方的存储单元200和读出单元300，而属于三个连续偶数列的组的像素共用设置在图像传感器1000上方的存储单元200和读出单元300。注意，存储单元是以相同的方式来配置的，读出单元同样如此；因而，从图中省略了图像传感器1000上方的存储单元200和读出单元300。
各存储单元200包括存储电路204、205和206。存储电路204包括电容器C7～C12，存储电路205包括电容器C13～C18，并且存储电路206包括C19～C24。注意，电容器C7～C24具有相同的电容值。
在图10所示的焦点检测读出模式下，将第一、第三和第五列中的像素的光电二极管101A的信号输入至存储电路204。因而，类似于图5B的情况，存储电路204对通过对第一、第三和第五列中的像素的A图像信号进行平均化所获得的信号进行存储。将第一、第三和第五列中的像素的光电二极管101B的信号输入至存储电路206。因而，存储电路206对通过对第一、第三和第五列中的像素的B图像信号进行平均化所获得的信号进行存储。将第一、第三和第五列中的像素的光电二极管101A和101B的信号输入至存储电路205。因而，存储电路205对通过对第一、第三和第五列中的像素的光电二极管101A和101B的信号进行平均化所获得的信号进行存储。由于可以使用该信号和两倍增益的积作为A+B图像信号，因此将该信号称为A+B图像信号。也就是说，存储电路205对通过对第一、第三和第五列中的像素的A+B图像信号进行平均化所获得的信号进行存储。
存储电路204、205和206中所存储的A图像信号、A+B图像信号和B图像信号在相应的读出电路中经历A/D转换和S-N处理，并且分别经由数字信号线307、308和309并行输出至图像传感器的外部。在这种情况下，驱动定时类似于第一实施例中所述的驱动定时，因而省略其说明。
在图11所示的正常读出模式下，将第一列中的像素的光电二极管101A和101B的信号输入至存储电路204。因而，存储电路204对通过对第一列中的像素的光电二极管101A和101B的信号进行平均化所获得的信号进行存储。由于可以使用该信号和两倍增益的积作为A+B图像信号，因此将该信号称为A+B图像信号。也就是说，存储电路204对第一列中的像素的A+B图像信号进行存储。类似地，存储电路205接收第三列中的像素的光电二极管101A和101B的信号作为输入，因而对第三列中的像素的A+B图像信号进行存储。存储电路206接收第五列中的像素的光电二极管101A和101B的信号作为输入，因而对第五列中的像素的A+B图像信号进行存储。
存储电路204、205和206中所存储的A+B图像信号在读出电路301、302和303中经历A/D转换和S-N处理，并且分别经由数字信号线307、308和309并行输出至图像传感器的外部。在这种情况下，驱动定时类似于第一实施例中所述的驱动定时，因而省略其说明。
通过使用上述结构，可以在三列之间共用一个读出单元，因而可以抑制电路尺寸的增大。例如可以在用于进行焦点检测操作的运动图像模式下使用用于输出通过对水平方向上的三个像素的信号进行平均化所获得的A+B图像信号、A图像信号和B图像信号的焦点检测读出模式，而可以在静止图像拍摄模式下使用用于仅输出A+B图像信号而不对水平方向上的三个像素的信号进行平均化的正常读出模式。
此外，在本实施例中，由于A+B图像信号、A图像信号和B图像信号是并行输出的，因此拍摄图像的生成和焦点检测操作同样可以并行进行。结果，可以以高帧频来进行焦点检测操作和拍摄图像的生成。
第四实施例
以上第一～第三实施例说明了如下结构：存储单元200和读出单元300被设置为与列一一对应，并且以行为单位来顺次读出像素信号并进行A/D转换。与此相对，本实施例说明存储单元200和读出单元300被设置为与像素一一对应的结构。利用该结构，由于可以同时针对所有像素读出像素信号并进行A/D转换，因此可以以更高的速度来进行读出。
图12示出根据第四实施例的图像传感器1000的整体结构的示例。省略与第一实施例相同的部分的详细说明。作为一个示例，将假定通过堆叠多个半导体芯片(即，像素区域芯片1100、读出电路芯片1200和信号处理芯片1300)来构成根据本实施例的图像传感器1000。例如经由使用已知基板堆叠技术的微凸块来将芯片互相电气连接。注意，在以上第一至第三实施例中，图像传感器1000同样可以被配置为具有堆叠结构。
像素区域芯片1100包括像素区域和像素驱动电路1101，并且在像素区域中配置各自具有两个光电二极管的多个像素单元120。像素驱动电路1101将驱动信号统一发送至像素区域中的所有像素。读出电路芯片1200包括存储单元200、读出单元300、垂直选择电路1201和水平选择电路1202。存储单元200和读出单元200被设置为与像素单元一一对应。类似于第一实施例，各存储单元200包括：A图像信号所用的存储电路201、A+B图像信号所用的存储电路202和B图像信号所用的存储电路203。类似于第一实施例，各读出单元300包括：A图像信号所用的读出电路301、A+B图像信号所用的读出电路302和B图像信号所用的读出电路303。垂直选择电路1201和水平选择电路1202作为一对选择一个读出单元300，并且将所选择的读出单元300中所存储的A+B图像信号、A图像信号和B图像信号输出至后面将说明的摄像信号处理电路1301和焦点检测信号处理电路1302。
信号处理芯片1300包括TG 600，摄像信号处理电路1301、焦点检测信号处理电路1302、摄像信号输出单元1303和焦点检测信号输出单元1304。摄像信号处理电路1301对从任何读出单元300输出的A+B图像信号应用各种信号处理。焦点检测信号处理电路1302对从任何读出电路300输出的A图像信号和B图像信号应用各种信号处理。焦点检测信号处理电路1302还通过执行使用A图像信号和B图像信号的相关计算来计算A图像信号和B图像信号之间的相位差(图像偏移量)。摄像信号输出单元1303将经历了摄像信号处理电路1301中的信号处理后的A+B图像信号作为摄像信号输出至图像传感器的外部。控制单元1004使用所输出的摄像信号来生成拍摄图像。焦点检测信号输出单元1304将焦点检测信号处理电路1302的相关计算结果输出至图像传感器1000的外部。控制单元1004使用所输出的相关计算结果来计算摄像透镜的散焦量，并且基于该计算结果来确定摄像透镜的驱动量。这些摄像信号处理和焦点检测信号处理是并行进行的。
注意在一些情况下，在将颜色信号转换成亮度信号之后执行焦点检测所用的相关计算。考虑到这种情况，焦点检测信号处理电路1302可以执行用于将各个颜色的A图像信号和B图像信号转换成亮度信号的计算处理。例如，通过经由对A图像信号和B图像信号应用Bayer合成来计算亮度值，来生成亮度信号YA和YB。由于在亮度值的计算中需要与Bayer图案相对应的信号，因此将输入至焦点检测信号处理电路1302的各个颜色的A图像信号和B图像信号存储在存储器中，直到获得计算所需的所有信号为止。也就是说，首先随着在读出与R和G相对应的行中的信号之后读出与G和B相对应的行中的信号，将与R和G相对应的行中的A图像信号和B图像信号存储至存储器就足够了，并且在读出与G和B相对应的行中的信号之后，顺次计算出亮度信号YA、YB并且经由信号线输出。使用所计算出的亮度信号YA和YB来执行相关计算。
本实施例采用以像素为单位来设置A+B图像信号、A图像信号和B图像信号所用的读出电路的组和存储单元的结构；如图12所示，通过将像素区域形成在与存储单元和读出电路的芯片分离的芯片上，可以确保像素电路的区域，并且可以防止各像素的开口率的下降。
图13A是根据第四实施例的像素单元120的电路图。该图与第一实施例的图4相对应，并且除了不设置选择开关以外，与图4相同；因而，省略其具体说明。
图13B示出根据第四实施例的像素单元120、存储单元200和读出单元300的结构。该图与第一实施例的图5A相对应，并且省略与图5A相同的部分的详细说明。如图13B所示，读出电路芯片1200包括与像素区域芯片1100的像素单元120一一对应的存储单元200和读出单元300。各存储单元200包括：用于存储A图像信号的存储电路201、用于存储A+B图像信号的存储电路202和用于存储B图像信号的存储电路203。各读出单元300包括：A图像信号所用的读出电路301、A+B图像信号所用的读出电路302和B图像信号所用的读出电路303。A/D转换处理和S-N处理在各个读出电路中并行执行。在S-N处理之后，垂直选择电路1201和水平选择电路1202的对所选择的读出单元的开关SW1～SW3接通，并且将A+B图像信号经由数字信号线308输出至信号处理芯片1300的摄像信号处理电路1301。将A图像信号和B图像信号经由数字信号线307和309输出至信号处理芯片1300的焦点检测信号处理电路1302。
注意，针对根据第四实施例的摄像设备10的驱动时序图大体类似于图6的驱动时序图。与图6的差异在于不存在选择脉冲信号PSEL和针对开关SW的控制信号PSW4～PSW6。在第一实施例的图6中，将驱动脉冲发送至选择脉冲信号PSEL所选择的行中的像素；另一方面，在第四实施例中，将驱动脉冲同时发送至所有像素。然后，针对所有像素并行进行A/D转换和S-N处理。此后，垂直选择电路1201和水平选择电路1202的对所选择的读出单元300的开关SW1～SW3接通，并且将相应的像素的A+B图像信号、A图像信号和B图像信号输出至信号处理芯片1300。在本实施例中，由于读出单元300被设置为与像素单元一一对应，因此不存在开关SW4及其后续开关。
如上所述，在本实施例中，由于可以同时针对所有像素读出像素信号并进行A/D转换，因此可以以更高的速度来进行读出。此外，在本实施例中，由于A+B图像信号、A图像信号和B图像信号是并行输出的，因此焦点检测操作和拍摄图像的生成同样可以并行进行。结果，可以以高帧频来进行焦点检测操作和拍摄图像的生成。
尽管本实施例采用了以像素为单位来设置A+B图像信号、A图像信号和B图像信号所用的读出电路的组和存储单元的结构，但可替代地，本实施例可以采用在多个像素之间共用A+B图像信号、A图像信号和B图像信号所用的读出电路的组和存储单元的结构，作为第三实施例的应用。
尽管第一～第四实施例说明了在各像素单元内设置2个光电转换部的结构，但各像素单元内的光电二极管的数量不限于2个。例如，可以采用以下结构：在各像素单元内设置4个光电二极管，针对焦点检测设置4个存储电路和4个读出电路，针对摄像信号设置1个存储电路和1个读出电路。也就是说，假定各像素单元内的光电转换部的数量是N，则焦点检测和摄像信号所需的存储电路的总数量和读出电路的总数量各自是N+1。此外，假定光电转换部的数量是N，则在与第三实施例相对应的实施例中，每N+1列为一组设置存储单元200和读出单元300构成的对，并且各存储单元200中的存储电路的数量和各读出单元300中的读出电路的数量各自是N+1。例如，在N是4的情况下，每5列为一组设置存储单元200和读出单元300构成的对，各存储单元200包括5个存储电路，并且各读出单元300包括5个读出电路。
尽管以此程度说明了本发明的实施例，但本发明并不限制于这些实施例。
尽管已经参考实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改以及等同结构和功能。

Claims (28)

1.一种图像传感器，包括：
像素区域，在所述像素区域中配置有多个像素单元，各像素单元具有多个光电转换部件；
驱动部件，用于驱动所述像素区域以从所述像素区域中的所述像素单元输出信号；
焦点检测信号处理部件，用于通过使用所述驱动部件从所述像素单元的多个光电转换部件中的至少一个而非所有光电转换部件读出的第一信号进行预定运算处理，来生成焦点检测信号；
拍摄图像信号处理部件，用于使用所述驱动部件从所述像素单元的所有光电转换部件读出的第二信号来生成拍摄图像信号；
焦点检测信号输出部件，用于输出所述焦点检测信号；以及
拍摄图像信号输出部件，用于输出所述拍摄图像信号。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，
所述像素区域形成在第一半导体芯片上，
所述拍摄图像信号处理部件和所述焦点检测信号处理部件形成在与所述第一半导体芯片不同的第二半导体芯片上，以及
所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片是堆叠的。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括：
第一存储部件，用于存储所述第一信号；以及
第二存储部件，用于存储所述第二信号，
其中，所述第一存储部件和所述第二存储部件形成在与所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片不同的第三半导体芯片上，并且所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片和所述第三半导体芯片是堆叠的。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述第二存储部件包括至少两个电容器，以及
所述第二信号是通过以下方式生成的：将所述第一信号输入至所述至少两个电容器中的一个电容器，并且将从所述多个光电转换部件中的其它光电转换部件读出的第三信号输入至所述至少两个电容器中的其它电容器。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述焦点检测信号处理部件在将所述第一信号转换成亮度信号之后，进行所述预定运算处理。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述预定运算处理包括相关计算处理。
7.根据权利要求3所述的图像传感器，其中，所述第一存储部件和所述第二存储部件中的各存储部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
第一存储部件，用于存储所述第一信号；以及
第二存储部件，用于存储所述第二信号。
9.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述第二存储部件包括至少两个电容器，以及
所述第二信号是通过以下方式生成的：将所述第一信号输入至所述至少两个电容器中的一个电容器，并且将从所述多个光电转换部件中的其它光电转换部件读出的第三信号输入至所述至少两个电容器中的其它电容器。
10.根据权利要求8所述的图像传感器，其中，所述第一存储部件和所述第二存储部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
11.根据权利要求1所述的图像传感器，还包括：
A/D转换部件，用于将从所述像素单元输出的信号转换成数字信号。
12.根据权利要求11所述的图像传感器，其中，所述A/D转换部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
13.根据权利要求2所述的图像传感器，还包括：
A/D转换部件，用于将从所述像素单元输出的信号转换成数字信号，
其中，所述A/D转换部件形成在与所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片不同的第三半导体芯片上，并且所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片和所述第三半导体芯片是堆叠的。
14.根据权利要求13所述的图像传感器，其中，所述A/D转换部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
15.一种图像传感器，包括：
像素区域，在所述像素区域中配置有多个像素单元，各像素单元具有多个光电转换部件；
驱动部件，用于驱动所述像素区域以从所述像素区域中的所述像素单元输出信号；
相位差检测信号处理部件，用于通过使用所述驱动部件从所述像素单元的多个光电转换部件中的至少一个而非所有光电转换部件读出的第一信号进行预定运算处理，来生成相位差检测信号；
拍摄图像信号处理部件，用于使用所述驱动部件从所述像素单元的所有光电转换部件读出的第二信号来生成拍摄图像信号；
相位差检测信号输出部件，用于输出所述相位差检测信号；以及
拍摄图像信号输出部件，用于输出所述拍摄图像信号。
16.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，
所述像素区域形成在第一半导体芯片上，
所述拍摄图像信号处理部件和所述相位差检测信号处理部件形成在与所述第一半导体芯片不同的第二半导体芯片上，以及
所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片是堆叠的。
17.根据权利要求16所述的图像传感器，还包括：
第一存储部件，用于存储所述第一信号；以及
第二存储部件，用于存储所述第二信号，
其中，所述第一存储部件和所述第二存储部件形成在与所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片不同的第三半导体芯片上，并且所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片和所述第三半导体芯片是堆叠的。
18.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述第二存储部件包括至少两个电容器，以及
所述第二信号是通过以下方式生成的：将所述第一信号输入至所述至少两个电容器中的一个电容器，并且将从所述多个光电转换部件中的其它光电转换部件读出的第三信号输入至所述至少两个电容器中的其它电容器。
19.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述相位差检测信号处理部件在将所述第一信号转换成亮度信号之后，进行所述预定运算处理。
20.根据权利要求15所述的图像传感器，其中，所述预定运算处理包括相关计算处理。
21.根据权利要求17所述的图像传感器，其中，所述第一存储部件和所述第二存储部件中的各存储部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
22.根据权利要求15所述的图像传感器，还包括：
第一存储部件，用于存储所述第一信号；以及
第二存储部件，用于存储所述第二信号。
23.根据权利要求22所述的图像传感器，其中，所述第二存储部件包括至少两个电容器，以及
所述第二信号是通过以下方式生成的：将所述第一信号输入至所述至少两个电容器中的一个电容器，并且将从所述多个光电转换部件中的其它光电转换部件读出的第三信号输入至所述至少两个电容器中的其它电容器。
24.根据权利要求22所述的图像传感器，其中，所述第一存储部件和所述第二存储部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
25.根据权利要求15所述的图像传感器，还包括：
A/D转换部件，用于将从所述像素单元输出的信号转换成数字信号。
26.根据权利要求25所述的图像传感器，其中，所述A/D转换部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
27.根据权利要求16所述的图像传感器，还包括：
A/D转换部件，用于将从所述像素单元输出的信号转换成数字信号，
其中，所述A/D转换部件形成在与所述第一半导体芯片和所述第二半导体芯片不同的第三半导体芯片上，并且所述第一半导体芯片、所述第二半导体芯片和所述第三半导体芯片是堆叠的。
28.根据权利要求27所述的图像传感器，其中，所述A/D转换部件是以与所述像素单元一一对应的方式设置的。
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