CN111800591B

CN111800591B - 摄像元件及其控制方法和摄像装置

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Publication number: CN111800591B
Application number: CN202010254573.2A
Authority: CN
Inventors: 原口和树
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2024-04-16
Anticipated expiration: 2040-04-02
Also published as: US20200322560A1; CN111800591A; JP7309420B2; JP2020170923A; US11412168B2

Abstract

本发明涉及一种摄像元件及其控制方法和摄像装置。摄像装置中所包括的摄像元件包括多个单位像素以矩阵形式配置的像素阵列，各单位像素具有光电转换单元。摄像元件能够在单位水平同步时间段中并行地读出多个行的图像信号。这多个行的像素组被多个行控制信号分类成第一像素组和第二像素组，并且沿摄像元件的垂直方向周期性地配置。摄像元件能够获取通过利用多个行控制信号的设置将不同的增益乘以第一像素组的单位像素的像素信号和第二像素组的单位像素的像素信号而获得的信号。

Description

摄像元件及其控制方法和摄像装置

技术领域

本发明涉及能够大致同时并行地读出多行像素信号的摄像元件、用于控制该摄像元件的方法和使用该摄像元件的摄像装置。

背景技术

作为用于进行摄像装置的曝光控制的测光方案，存在用于使用测光所用的压缩系统传感器来进行测光的第一方案和用于使用摄像面等上的线性系统传感器来进行测光的第二方案。由于第二方案与第一方案相比可以进行测光的动态范围(以下还称为DR)更小，因此不能对对比度大的被摄体进行准确的测光。特别地，在通过在闪光摄像中进行预备发光以对来自被摄体的反射光进行测光来进行用于计算摄像期间的发光量的闪光调光的情况下，来自被摄体的反射光的量根据摄像场景而大大变化。由于该原因，在预备发光期间的曝光结果未落在线性系统传感器的动态范围内的情况下，发生所谓的暗部细节缺失或像素饱和，因而可能无法在单次曝光中准确地进行测光。

作为用于应对上述问题的技术，在日本特开2014-222899所公开的技术中，在来自像素阵列的像素信号的单次读出时，可以获取到应用了多个类型的不同增益的图像信号。由此，可以实现通过单次曝光所获得的图像信号输出的DR放大。

另外，存在如下的技术：为了提高从摄像元件读出一帧的图像信号的速度，在单位像素列中包括多个垂直信号线，并且针对每个单位水平同步信号并行地读出多行像素信号。例如，假定如下的摄像元件，在该摄像元件中，作为像素行在1,000行的像素阵列中形成一个垂直信号线。在读出一帧的图像信号时，需要1,000个单位水平同步信号。另一方面，在被配置为针对1,000行具有10个垂直信号线的摄像元件中，可以针对每个单位水平同步信号并行地读出10行像素信号。也就是说，由于使用100个单位水平同步信号来读出一帧的图像信号，因此可以实现10倍的读出速度。

在日本特开2014-222899所公开的相关技术中，未提及被配置为针对每个单位水平同步信号并行地读出多行图像信号的摄像元件。通常，以同一增益读出针对每个单位水平同步信号读出的多个像素行。日本特开2014-222899所公开的相关技术示出以两行为单位且以四行为周期切换增益的示例。然而，在上述的针对每个单位水平同步信号并行地读出10行像素信号的结构的情况下，以10行为单位且以20行为周期切换增益。在关注于乘以了一个增益的图像的信号的情况下，垂直分辨率劣化。由于需要增加要并行地读出的像素行数以实现进一步的速度提高、并且增益的切换周期变长，因此不能从空间分辨率的观点进行精确度良好的测光。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供一种摄像元件，其能够从由具有光电转换器的单位像素构成的像素组中，针对各水平同步信号并行地读出多个行的像素信号，所述摄像元件包括控制器，所述控制器被配置为通过将增益乘以所述像素组中的、被第一行控制信号控制的第一像素组的像素信号和被第二行控制信号控制的第二像素组的像素信号来进行读出控制，其中，所述第一像素组和所述第二像素组在所述摄像元件的第一方向上周期性地配置，以及所述控制器进行用于将第一增益乘以所述第一像素组的像素信号并且将第二增益乘以所述第二像素组的像素信号的控制。

根据本发明的一个实施例，提供一种摄像装置，包括上述的摄像元件。

根据本发明的一个实施例，提供一种控制方法，其由摄像元件执行，所述摄像元件能够从由具有光电转换器的单位像素构成的像素组中，针对各水平同步信号并行地读出多个行的像素信号，其中，所述像素组中的、被第一行控制信号控制的第一像素组和被第二行控制信号控制的第二像素组是在所述摄像元件的第一方向上周期性地配置的，以及利用控制器进行用于将第一增益乘以所述第一像素组的像素信号并且将第二增益乘以所述第二像素组的像素信号的控制。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的更多特征将变得明显。

附图说明

图1是根据本发明实施例的摄像装置的总体结构图。

图2是示出根据本发明第一实施例的摄像元件的总体结构的示意图。

图3是示出根据第一实施例的摄像元件的一个像素的电路结构的图。

图4是示出根据第一实施例的摄像元件的垂直扫描电路的电路结构的图。

图5是示出根据第一实施例的摄像操作的流程图。

图6是示出根据第一实施例的调光图像数据1的获取操作的流程图。

图7是示出根据第一实施例的调光图像数据2的获取操作的流程图。

图8是示出根据第一实施例的静止图像数据的获取操作的流程图。

图9是示出根据第一实施例的摄像操作的序列图。

图10A～10C是示出根据第一实施例的摄像元件的信号读出方法的图。

图11A～11C是示出根据第一实施例的摄像元件的1H处的信号读出操作的时序图。

图12是示出根据本发明第二实施例的摄像元件的总体结构的示意图。

图13是示出根据本发明第三实施例的摄像元件的总体结构的示意图。

图14是示出根据第三实施例的摄像元件的一个像素的电路结构的图。

图15A～15C是示出根据第三实施例的摄像元件的信号读出方法的图。

图16A～16C是示出根据第三实施例的摄像元件的1H处的信号读出操作的时序图。

具体实施方式

以下将参考附图来说明本发明的优选实施例。各实施例示出用于根据第二方案来进行基于摄像元件的输出的测光和闪光调光的摄像装置的示例。

[第一实施例]

图1是示出根据本发明实施例的摄像装置100的总体结构的图。在下文，将在被摄体侧被定义为前侧的情况下说明单元之间的位置关系。第一透镜组101是摄像光学系统的前端侧所配置的透镜组，并且由镜筒沿光轴方向可伸缩地保持。光圈102是通过调整其开口直径来调整摄像期间的光量的光学构件，并且位于第一透镜组101和第二透镜组103之间。第二透镜组103是与光圈102一体地形成的，并且沿光轴方向前进和后退。第二透镜组103是具有与第一透镜组101的前进和后退操作连动的变倍动作(变焦功能)的透镜组。第三透镜组104是通过在光轴方向上前进和后退来进行调焦的透镜组，并且位于第二透镜组103的后方。在本实施例中，示出由第一透镜组至第三透镜组构成的摄像光学系统(成像光学系统)的示例，但透镜组的数量不受限制，并且各透镜组可以包括一个透镜。

焦平面快门105调整静止图像的拍摄期间的曝光时间的秒数。另一方面，在不限于焦平面快门105的情况下，曝光时间的秒数可被配置成使用摄像元件107的电子快门功能按控制脉冲进行调整。例如，在电子前帘幕控制中，在基于复位扫描的前帘幕行进之后，进行焦平面快门105的后帘幕行进。光学低通滤波器106是用于减轻拍摄图像的伪色或摩尔纹的光学元件。

摄像元件107用于静止图像和运动图像的拍摄，并且将由摄像光学系统形成的光学图像转换成电气信号。在本实施例的摄像元件107中使用拜耳阵列的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。根据来自中央处理单元(CPU)109的控制信号来驱动摄像元件107，并且将摄像元件107所输出的图像数据发送至CPU 109。

CPU 109进行摄像装置100的总体控制。CPU 109控制调焦驱动电路118和光圈驱动电路116。例如，CPU 109基于自动调焦(AF)计算单元123的焦点检测结果(检测信息)经由调焦驱动电路118来驱动和控制调焦致动器119。由此，第三透镜组104沿光轴方向前进和后退，并进行调焦操作。另外，CPU 109经由光圈驱动电路116驱动和控制光圈致动器117，并且控制光圈102的开口直径。此外，CPU 109控制变焦驱动电路(未示出)等。

闪速存储器110连接至CPU 109，并记录摄像之后的静止图像数据和运动图像数据。闪速存储器110是能够附接至摄像装置100并从摄像装置100拆卸的存储器装置的示例。作为其它记录介质，可以使用数据可写的非易失性存储器或硬盘等，或者可以使用将记录介质内置到壳体中的形式。

显示单元111根据CPU 109的控制命令来显示所拍摄到的静止图像或运动图像(实时取景图像)或者菜单等。显示单元111包括摄像装置100的主体的背面上所设置的薄膜晶体管(TFT)型液晶显示器、或者取景器的显示装置等。

随机存取存储器(RAM)112存储从摄像元件107输出的图像数据或由后面所述的图像处理单元122处理的数据。RAM 112用作用于存储由图像处理单元122处理后的图像数据的图像数据存储单元，并且具有作为CPU 109的工作存储器的功能。在本实施例中，示出安装有具有多个功能的RAM 112的示例，但在使用具有充足的访问速度水平的存储器的情况下，可以使用其它存储器。只读存储器(ROM)114是存储CPU 109所分析和执行的程序的诸如闪速ROM等的存储器装置。

操作单元115包括通过快门释放按钮或运动图像拍摄按钮等操作的开关、以及诸如显示画面上所设置的触摸面板等的操作装置。操作单元115将拍摄者的摄像指示或摄像条件等的设置操作的指示信号输出至CPU 109。

发光单元121在闪光摄像期间根据来自CPU 109的控制命令而发光。发光单元121的光源是氙气灯或发光二极管(LED)等。发光单元121是摄像装置100的主体上所安装的闪光单元的发光单元，或者安装和连接至主体的外部闪光装置的发光单元。

图像处理单元122进行摄像元件107所拍摄到的图像的诸如校正或压缩等的处理。图像处理单元122处理后的数据被输出至CPU 109。AF计算单元123基于摄像元件107所获取到的信号来进行焦点检测所用的计算，并将焦点检测信息输出至CPU 109。

图2是示出摄像元件107的总体结构的图。在像素区域PA中，大量单位像素200以矩阵形式配置。在图2的上端，在摄像元件的水平方向(列方向)上显示列编号1～4，并且在图2的右端，在摄像元件的垂直方向(行方向)上显示行编号1～20。本实施例示出如下的示例：在摄像元件的垂直方向上，由第一行控制信号控制的第一像素组和由第二行控制信号控制的第二像素组按与偶数行相对应的周期配置。

摄像元件107针对像素列具有10个垂直信号线202-1～202-10，并且被配置成使得垂直信号线202-1～202-10中的任一个以10行为周期连接至各像素。垂直信号线是用于将所连接的单位像素200的像素信号传输至后级的列电路的互连。垂直扫描电路201是输出用于驱动单位像素200的信号的电路。垂直扫描电路201与从CPU 109输入的帧同步信号VD和水平同步信号HD同步地输出行控制信号。后面将说明行控制信号的详情。帧同步信号VD是与画面的读出开始同步的信号。水平同步信号HD是与单位水平控制时间段同步的信号。

在本实施例的摄像元件107中，在时间上并行地读出针对每个水平同步信号的10行像素信号。垂直信号线连接至列电路203，并且列电路203包括驱动垂直信号线的恒流源和将作为模拟信号的像素信号转换成数字信号的模数(AD)转换电路。另外，主要在实时取景驱动期间可能存在与显示单元111的分辨率接近的分辨率。在摄像元件107的分辨率高于显示单元111的显示分辨率的情况下，在摄像元件内部减少像素数并且进行读出。因此，通过由于高帧频的实现或像素数的减少而导致读出时间减少来节省电力，从而可以实现省电。

列电路203还包括相加平均电路，该相加平均电路在水平方向上对相同颜色的信号进行相加平均以减少水平方向上的像素数。该相加平均由从垂直扫描电路201输出至列电路203的信号hadd控制。在信号hadd处于高电平时，进行相加平均。由列电路203转换成的数字信号被输入至输出电路204，并且在输出电路204中进行各种类型的信号处理。之后，从输出端子205输出信号。

将参考图3来说明像素的结构。图3是示出一个单位像素200的结构示例的电路图。构成光电转换单元的光电二极管(以下表示为PD)301接收入射光以对光图像进行光电转换，并且累积与入射光量相对应的电荷。

传输门302通过将信号tx设置为高电平而将累积在PD 301中的电荷传输至浮动扩散(以下表示为FD)部303。FD部303具有将在PD 301中产生并由传输门302传输的电荷转换成电压的功能，并且连接至FD放大器304的栅极。FD放大器304将FD部303的电压连同列电路203的恒流源一起放大，并将放大后的电压传输至垂直信号线。

FDinc开关元件307通过将信号fdinc设置为高电平来将附加电容器308连接至FD部303。另外，将信号fdinc设置为低电平，使得附加电容器308不连接至FD部303。由此，在FD部303中发生电容改变。换句话说，FDinc开关元件307和附加电容器308用作被配置为使输入节点的电容值可变的电容可变单元。在这种情况下，可以切换FD放大器304的输出电压相对于传输至FD部303的电荷的转换比、即增益。在附加电容器308连接至FD部303并且合成电容值增大的情况下，与在非连接状态的情况下相比，增益变得更小。相反，在附加电容器308未连接至FD部303的情况下，合成电容值返回到仅FD部303的电容值，并且与在连接状态下相比，增益变得更大。以这种方式，本实施例的摄像装置根据信号fdinc来可变地控制电容器单元所保持的电荷量，并且可以切换单位像素200的增益。在信号fdinc处于高电平的情况下，增益被设置为增益A，并且在信号处于低电平的情况下，增益被设置为增益B(A<B)。

FD复位开关元件305是用于复位连接至FD部303的开关元件。FD复位开关元件305通过将信号res设置为高电平来复位FD部303。另外，信号tx和信号res在相同时刻被控制为高电平，并且传输门302和FD复位开关元件305这两者都接通，使得PD 301经由FD部303被复位。

像素选择开关元件306通过将信号sel设置为高电平来在FD放大器304中输出转换成电压的像素信号。将该像素信号作为单位像素200的输出vout输出至垂直信号线。

在本说明书中，用于控制单位像素200的信号tx、res、sel和fdinc被统称为行控制信号。将参考图2和图4来说明行控制信号。图4示出垂直扫描电路201的内部结构，并且该图中括号内的数字表示相应的行编号。垂直扫描电路201包括用于生成各行控制信号的信号生成单元401～405和用于输出用于选择像素行的信号的行选择电路406。行选择电路406所输出的行选择信号和信号生成单元401～405所生成并输出的信号被输入至多个AND(与)电路407。AND电路407进行逻辑与运算以将行控制信号输出至各个行的像素单元。

行控制信号被分类成两个种类信号，并且由行控制信号A和行控制信号B区分地示出。在图2的右侧，沿摄像元件107的垂直方向从上向下示出行编号和行控制信号。例如，与行编号1、2、3、4、5、6、7、8、9……相对应地，将行控制信号周期性地重复为A、A、A、A、B、B、B、B、A、A、A、A、B、B、B、B、……。也就是说，以像素阵列中的八行为周期切换行控制信号A和行控制信号B。另外，如图4所示，在行控制信号A和行控制信号B中，行控制信号中的信号sel、res和tx是共同信号。在行控制信号A和行控制信号B中仅可以单独地控制fdinc。另一方面，fdinc_A表示与行控制信号A相对应的信号fdinc，并且fdinc_B表示与行控制信号B相对应的信号fdinc。例如，关于图4所示的第一行的行控制信号A，来自fdinc_A信号生成单元401的信号、以及行选择信号(1)被输入至AND电路407。来自信号生成单元403～405的信号、以及行选择信号(1)被输入至多个其它AND电路407。AND电路407输出信号fdinc_A(1)、sel(1)、res(1)和tx(1)。另外，关于第五行的行控制信号B，来自fdinc_B信号生成单元402的信号、以及行选择信号(5)被输入至AND电路407。来自信号生成单元403～405的信号、以及行选择信号(5)被输入至多个其它AND电路407。AND电路407输出信号fdinc_B(5)、sel(5)、res(5)和tx(5)。

在本实施例中，可以通过在行控制信号A和行控制信号B中使信号fdinc彼此不同来切换增益。也就是说，可以在一个水平同步时间段内在时间上并行地读出的10行中，在行控制信号A被输入至的行和行控制信号B被输入至的行之间切换增益。另外，在行控制信号A和行控制信号B中将信号fdinc设置为同一信号的情况下，也可以在所有行中以同一增益进行信号读出。利用这样的结构，可以实现一个画面中的信号读出的速度提高，并且与在一个水平同步时间段内读出的行数无关地确定切换增益的周期。在这种情况下，由于调光图像数据需要与各颜色相对应的动态范围，因此优选按拜尔单位切换增益。因此，适合以两行以上的偶数行为周期切换增益。

接着，将参考图5至图9来说明根据本实施例的摄像装置100的摄像操作。图5至图8是说明处理的流程图。图9是摄像操作的序列图。图9的横轴表示时间轴，并且纵轴表示摄像元件在垂直方向上的坐标。在图9中，摄像元件的复位扫描和信号的读出扫描由斜线表示，并且将由虚线表示的复位扫描和由实线表示的读出扫描彼此区分。另外，电子前帘幕操作中的复位操作由虚线表示，并且作为后帘幕的机械快门的行进(关闭操作)由实线表示。

首先，在图5的S501中，在S502中进行的实时取景拍摄开始之前，通过CPU 109的控制来进行与行控制信号有关的增益设置。行控制信号A和行控制信号B中的信号fdinc全部被设置为高电平，并且针对所有的行都执行以同一增益A进行信号读出的设置处理。在下一步骤S502中，CPU 109开始实时取景(以下也称为LV)拍摄。在LV拍摄中，将基于通过摄像元件107的摄像操作连续获取到的图像数据的图像顺次显示在显示单元111的画面上。

在S503中，CPU 109判断拍摄者是否按下操作单元115中所包括的快门释放按钮并且快门开关是否接通。CPU 109继续LV拍摄，直到快门开关接通为止。在S503中判断为拍摄者按下快门释放按钮并进行摄像指示的情况下，流程进入S504的处理。另一方面，图9所示的时刻Ta表示摄像指示的定时。

在S504中，在S505中进行的调光图像数据的获取之前，通过CPU 109的控制来进行与行控制信号有关的增益设置。行控制信号A中的信号fdinc被设置为高电平，并且行控制信号B中的信号fdinc被设置为低电平，使得进行用于关于以增益A和增益B读出的各行、通过针对每两行进行切换来读出信号的设置。

在下一步骤S505中，CPU 109终止摄像元件107的LV拍摄操作，并且获取第一调光图像数据(以下称为调光图像数据1)。另一方面，图9的时刻Tb表示发光操作的开始定时，并且在时刻Tb至时刻Tc的时间段中获取调光图像数据1。为了在短时间内获取调光图像数据1，在水平方向上针对相同颜色的每三个像素进行相加平均，并且执行通过在垂直方向上以针对每十二行的两行为周期进行间隔剔除来读出信号的处理。在调光图像数据1的获取中不进行发光单元121的发光。后面将参考图6来说明S505中的调光图像数据1的获取操作。

在S506中，CPU 109获取第二调光图像数据(以下称为调光图像数据2)。在时刻Tc至时刻Td的时间段中获取调光图像数据2。关于调光图像数据2，与调光图像数据1同样地，还在水平方向上针对相同颜色的每三个像素进行相加平均，并且执行通过在垂直方向上以针对每十二行的两行为周期进行间隔剔除来读出信号的处理。在调光图像数据2的获取时，CPU 109控制发光单元121，并且按预定光量进行预备发光。在图9所示的示例中，并行地进行用于获取调光图像数据1的读出扫描(参见实线)和用于获取调光图像数据2的复位扫描(参见虚线)。由此，可以使调光图像数据1的获取操作和调光图像数据2的获取操作的一部分彼此重叠。后面将参考图7来说明S506中的调光图像数据2的获取操作。

在S507中，CPU 109进行用于计算静止图像拍摄期间的发光单元121的发光量(以下称为主发光量)的调光计算，并将所计算出的发光量确定为主发光量。在S507的调光计算中，通过将调光图像数据1与调光图像数据2进行比较来提取预备发光的反射光分量。基于所提取的预备发光的反射光分量来计算主发光量。

在S508中，在S509中进行的获取静止图像数据的处理之前，通过CPU109的控制来进行与行控制信号有关的增益设置。行控制信号A和行控制信号B中的信号fdinc全部被设置为高电平，并且执行针对所有的行以同一增益A进行信号读出的设置处理。

在S509中，CPU 109使得发光单元121发光(主发光)，并且进行获取静止图像数据的处理。在图9的时刻Td开始静止图像的累积操作。在时刻Td至时刻Te的时间段中进行主发光，并且进行电子前帘幕操作(快门操作)。根据预定发光脉冲的定时来控制发光单元121的主发光。针对所累积的静止图像的信号电荷从时刻Te开始读出操作。在S509之后，摄像操作终止。

接着，将参考图6来说明在图5的S505中示出的调光图像数据1的获取操作。首先，CPU 109在S601中开始复位扫描，并且顺次复位摄像元件107的各像素行。通过在图3中经由垂直扫描电路201将信号res的电平和信号tx的电平都设置为高电平，来进行各像素行的复位。

在S602中终止最后的像素行的复位扫描之后，处理进入S603。在S603中，CPU 109待机，直到经过了预定累积时间为止。在S603中判断为经过了预定累积时间的情况下，CPU109使处理进入S604。在S604中，CPU 109开始摄像元件107的读出扫描。在S605中终止读出扫描的情况下，调光图像数据1的获取处理完成。另一方面，在预定累积时间短的情况下，在终止最后的像素行的复位扫描之前，可能经过初始的像素行的累积时间。在这种情况下，即使在终止最后的像素行的复位扫描之前，也可以从经过了预定累积时间的像素行起顺次开始读出扫描。

接着，将参考图7来说明图5的S506所示的获取调光图像数据2的处理。获取调光图像数据2的处理与获取调光图像数据1的处理的不同之处在于进行预备发光。由于已经说明了S601～S605的处理，因此将说明作为不同之处的S701的处理。

在S602的复位扫描终止之后，处理进入S701，并且CPU 109将预备发光所用的发光脉冲输出至发光单元121，并且使得发光单元121发光。在S701之后，该处理进入S603，并且在预备发光之后在S604中开始读出扫描。

在本实施例中，示出了在复位扫描终止之后输出预备发光所用的发光脉冲的示例。然而，在从发光脉冲的输出起直到发光单元121的实际发光为止需要时间的情况下，可以预计到时滞来在复位扫描完成之前输出发光脉冲，并且实际的预备发光可以紧接在复位扫描完成之后发生。在这种情况下，可以在从S601中的复位扫描开始起经过了预定时间的时间点输出发光脉冲。

另外，与调光图像数据1的获取处理同样地，即使在所有像素的复位扫描终止之前，也可以从经过了预定累积时间的像素起顺次开始读出扫描。在这种情况下，优选从对进行了初始复位扫描的像素的复位扫描开始之前起，直到对进行了最后复位扫描的像素信号的读出扫描完成为止，连续地进行预备发光。

在图5的S508的增益设置之后，通过CPU 109的控制来进行S509中的静止图像数据的获取操作。以下将参考图8和图9来给出说明。图8是示出静止图像数据的获取操作的流程图。

首先，CPU 109在S801中开始静止图像所用的复位扫描(图9：时刻Td)。由此，针对各像素行顺次清除摄像元件107的各像素中的电荷。在图9中，静止图像所用的复位扫描由虚线曲线表示。该曲线具有与用于对摄像元件107进行遮光的机械快门(焦平面快门)的行进期间的由实线表示的曲线相同的形状。另一方面，在不限于该示例的情况下，可以使用同时清除所有像素行的电荷的实施例。然而，在这种情况下，由于从清除电荷的时间点起直到在焦平面快门中进行遮光的时间点为止的时间根据像素行而变化，因此进行曝光量根据行而变化的操作。

在S802中终止静止图像所用的复位扫描。之后，在S803中，CPU 109输出主发光所用的发光脉冲以进行静止图像拍摄所用的主发光，并且按预定时间进行发光单元121的主发光。在随后的步骤S804中，CPU 109判断是否经过了与所设置的快门速度相当的累积时间。在判断为经过了该累积时间的情况下，流程进入S805的处理。在判断为未经过该累积时间的情况下，重复S804的判断处理。

在S805中，CPU 109经由快门驱动电路120使得焦平面快门105行进(后帘幕行进)，并且对摄像元件107进行遮光。如在图9中由实线表示的曲线那样，焦平面快门105行进，并且在S805中使快门关闭。之后，在S806中，CPU 109开始摄像元件107的读出扫描(图9：时刻Te)。在S807中终止读出扫描的情况下，静止图像数据的获取处理完成。

接着，将参考图10A～10C来说明读出摄像元件107的像素信号的方法。在图10A～10C中，摄像元件的水平方向被定义为左右方向，并且与该方向垂直的垂直方向被定义为上下方向。在图10A～10C中写入有R、G和B中的任何的矩形框表示单位像素，并且R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)各自表示滤色器的颜色。另外，用白色示出的矩形框表示读出像素，并且具有纹理图案的矩形框表示不读出信号的间隔剔除像素。

图10A是示出静止图像拍摄期间的操作模式中的读出摄像元件107的像素信号的方法的图。在静止图像拍摄中，执行以共同增益从摄像元件107独立地读出所有像素的信号的处理。也就是说，进行用以将同一信号输出至行控制信号A和行控制信号B的设置。这里，示出在所有像素中在FDinc开关元件307接通的状态下以增益A读出信号的示例。在静止图像拍摄期间的初始水平同步时间段中，并行地读出属于与不同的垂直信号线连接的行编号1～10的十行的像素组的信号。在下一水平同步时间段中，并行地读出属于行编号11～20的十行的像素组的信号。之后，同样地读出所有的像素单元的信号。

图10B是示出实时取景拍摄期间的操作模式中的读出摄像元件107的像素的方法的图。在LV拍摄中，通过进行像素信号的相加或间隔剔除读出来限制读出像素的数量，以确保帧频。这里，示出如下的示例：在水平方向上针对相同颜色的每三个像素进行相加平均，并且在垂直方向上以针对每十二行的两行为周期进行间隔剔除读出。在图10B的下部示出进行水平方向上的相加平均的像素的组合。进行设置以将同一信号输出至行控制信号A和行控制信号B。这里，与静止图像拍摄同样地，示出以增益A读出信号的示例。在LV拍摄期间的初始水平同步时间段中，并行地读出属于与不同的垂直信号线连接的行编号1、2、13、14、25、26、……、49、50的十行的像素组的信号。在下一水平同步时间段中，并行地读出属于行编号51、52、63、64、75、76、……、99、100的十行的像素组的信号。之后，同样地，读出像素单元的信号。

图10C是示出在调光图像数据1和调光图像数据2的获取期间的操作模式中的摄像元件107的信号读出方法的图。这里，与LV拍摄同样地，示出如下的示例：在水平方向上针对相同颜色的每三个像素进行相加平均，并且在垂直方向上以针对每十二行的两行为周期进行间隔剔除读出。初始水平同步时间段中的行控制信号A的信号fdinc被设置为高电平，并且行控制信号B的信号fdinc被设置为低电平。下一水平同步时间段中的行控制信号A的信号fdinc被设置为低电平，并且行控制信号B的信号fdinc被设置为高电平。通过这样的设置的控制，针对在垂直方向上以针对每十二行的两行为周期进行间隔剔除读出的行中的每两行，以增益A和增益B交替地读出信号。也就是说，在像素信号的单次读出时，可以读出乘以了两个不同种类的增益的信号。

将参考图11A～11C的时序图来说明摄像元件107的信号读出操作。已经说明了各信号，并且信号名的右侧写的“H”或“L”表示各信号的初始状态。“H”表示高电平，并且“L”表示低电平。

图11A是示出在针对所有的像素以增益A获取到静止图像信号时的、一个水平同步时间段中的摄像元件107的信号读出操作的时序图。在这种情况下，进行设置以采用增益A读出所有像素的信号，并且在读出时间段期间将信号fdinc_A和fdinc_B设置为高电平。另外，由于在静止图像拍摄期间不进行由列电路203进行的水平方向上的相加平均，因此将信号hadd设置为低电平。

图11A所示的信号sel被设置为高电平，并且像素选择开关元件306接通。之后，信号res被设置为低电平，FD复位开关元件305断开，并且FD部303的复位被释放。在这种情况下，在FD部303的电位中出现复位噪声。该复位噪声经由像素选择开关元件306和垂直信号线202被输入至列电路203并被保持。之后，信号tx被设置为高电平，并且传输门302接通。所选择的行的PD 301中所累积的信号通过该操作被传输至FD部303，并且相加了复位噪声和所累积的信号的信号被保持在FD部303中。相加了复位噪声和所累积的信号的信号经由FD放大器304、像素选择开关元件306和垂直信号线202被输入至列电路203并被保持。之后，列电路203通过进行从相加了复位噪声和所累积的信号的信号中减去复位噪声的处理来仅提取信号分量，然后从输出电路204按列顺次输出信号。如上所述，一行的读出操作终止。对读出对象行顺次进行该操作，使得进行摄像元件107的信号读出操作。

图11B是示出LV拍摄期间的摄像元件107的信号读出操作的时序图。将仅说明与图11A的不同之处。不同之处在于，信号hadd被设置为高电平。因此，在水平方向上对相同颜色的像素进行相加平均。

图11C是示出调光图像数据1和2的获取期间的摄像元件107的读出操作的时序图。将仅说明与图11B的不同之处。不同之处在于，信号fdinc_B被设置为低电平。因此，可以以两个种类的增益(A和B)读出信号。信号fdinc_A和fdinc_B处于互反关系，并且其电平根据各水平同步时间段而改变。

在被配置为通过上述操作在与高速读出相对应的一个水平同步时间段中在时间上并行地读出多行像素信号的摄像元件中，可以在不会使针对每个增益的垂直分辨率劣化的情况下切换增益。

[变形实施例]

在第一实施例中，已经说明了选择增益A和增益B这两个种类的不同增益的示例，但没有限制所选择的增益的值和种类的数量。例如，FDinc开关元件307和附加电容器308还可被配置成在单位像素200中并联地形成。在作为第一电容器单元的FD部303中，可以从第一状态、第二状态和第三状态中任意地选择状态，其中：在第一状态中，连接了两个附加电容器作为第二电容器单元；在第二状态中，连接了一个附加电容器；以及在第三状态中，未连接附加电容器。可以适当地获取乘以了三个种类的不同增益的信号。

另外，已说明了如下的方案：通过在LV拍摄期间和在调光图像数据的获取期间针对水平方向(列方向)上的每三个像素进行相加平均来读出信号。进行相加平均的像素数是任意的，并且可以通过使用与装置规格或摄像条件等相对应的像素数进行相加平均来进行信号读出。另外，已说明了在LV拍摄期间和在调光图像数据的获取期间以针对每十二行的两行为周期间隔剔除并读出垂直方向上的像素的信号的方案，但进行间隔剔除的像素数是任意的，并且可以按所设置的周期进行间隔剔除读出。

在第一实施例中，在以针对每十二行的两行为周期对垂直方向上的像素进行间隔剔除和读出的方案中，已经说明了切换增益的示例。这不限于此，并且在如静止图像拍摄期间的读出方案那样进行全像素读出的方案中，可以进行切换增益的操作。例如，假定对于在进行全像素读出的方案中读出的行、针对每两行以四行为周期实现增益切换的情况。在这种情况下，将fdinc信号生成单元(图4)划分成八个种类，并且八个种类fdinc信号生成单元被配置为针对像素阵列行以八行为周期连接至AND电路407。关于行控制信号，在进行全像素读出的方案中，进行设置以控制成A、A、B、B、A、A、B、B。在以针对每十二行的两行为周期对垂直方向上的像素进行间隔剔除和读出的方案中，进行设置以控制成A、A、A、A、B、B、B、B。CPU 109进行设置的切换，因而即使利用不同的读出周期，也可以针对读出行以恒定的周期切换增益。

在第一实施例中，已经示出了通过切换FD部的电容来实现增益切换的示例，但不限于此。例如，存在列电路203具有能够将每个垂直信号线乘以多个相应增益的模拟增益放大器的结构。用于针对各行切换增益的控制是由模拟增益放大器进行的。

另外，不限于在按下快门释放按钮的情况下获取调光图像数据的结构示例。可以使用如下的结构：在LV拍摄期间按下调光所用的操作按钮的情况下，获取到调光图像数据，将所计算出的发光量确定为主发光量，并且在释放调光所用的操作按钮的按下的情况下，进行返回到LV拍摄。

能够选择性地使用以下所示的多个读出方案的实施例是可用的。

●第一读出方案：在摄像元件的第一方向(例如，垂直方向)上按第一周期进行读出或基于相加平均的读出的方案

●第二读出方案：在摄像元件的第一方向(例如，垂直方向)上按第二周期进行读出或基于相加平均的读出的方案

可以通过CPU 109的控制来进行改变，使得使用第一读出方案来读出像素信号的第一像素组和第二像素组的配置的周期与使用第二读出方案来读出像素信号的第一像素组和第二像素组的配置的周期彼此不同。例如，第一周期是进行针对每十二行的两行的间隔剔除读出的周期，并且第二周期是1(所有行读出)。由于可以根据读出方案来任意地设置像素阵列中的周期性地配置的第一像素组和第二像素组的周期，因此可以提高信号读出的自由度。还可以使用三个或更多个读出方案。

[第二实施例]

接着，将说明本发明的第二实施例。在本实施例中，与第一实施例中的元件相同的元件由已使用的标记或符号表示，因此将省略对这些元件的详细说明。这样的说明省略方法也适用于后面要说明的实施例。

在本实施例中，将说明为了扩大调光图像数据的获取期间的动态范围的目的而进行增益切换的示例。在第一实施例中，示出在调光图像数据的获取期间在行方向上(即，在摄像元件的垂直方向上)切换增益的示例。在意图调光图像数据的获取期间的DR扩大的情况下，不进行仅行方向上的增益切换，并且可以例如以两行和两列为单位按锯齿状格子进行增益切换。也就是说，通过以两行和两列为单位的增益切换，即使在水平方向上也可以实现调光图像数据的获取期间的DR放大，并且可以在水平方向上获取到具有高分辨率的调光图像数据。在本实施例中，作为第一像素组和第二像素组按与偶数行和偶数列相对应的周期配置的示例，示出以两行和两列按锯齿状格子进行增益切换的示例。

将参考图12来说明本实施例中的增益切换示例。图12是示出根据本实施例的摄像元件107的总体结构的图。本实施例中的总体结构与图2所述的摄像元件107的总体结构的不同之处在于，行控制信号线连接至列编号3和列编号4的列。具体地，与行编号1、2、3、4、5、……相对应地，将行控制信号A、A、B、B、A、A、B、B……输入至列编号1和列编号2的列。与行编号1、2、3、4、5、……相对应地，将行控制信号B、B、A、A、B、B、A、A……输入至列编号3和列编号4的列，并且该关系在水平方向上重复。也就是说，在n被设置为等于或大于2的自然数的变量的情况下，在第(4n-3)列和第(4n-2)列中示出与列编号1和列编号2相同的行控制信号的模式，并且在第(4n-1)列和第4n列中示出与列编号3和列编号4相同的行控制信号的模式。

在本实施例中，在信号fdinc被设置成在行控制信号A和行控制信号B中不同的情况下，可以以两行和两列为单位进行增益切换。也就是说，可以使用在一个水平同步时间段中在时间上并行地读出信号的10行中的彼此相邻的两行和两列的像素组作为一个单位来按锯齿状格子切换增益。

[第三实施例]

接着，将说明本发明的第三实施例。在第一实施例中，示出了通过在LV拍摄期间或在调光图像数据的获取期间在垂直方向上以针对每十二行的两行为周期进行间隔剔除来读出信号的示例。在这种情况下，由于不在被间隔剔除的行中进行信号读出，因此存在垂直方向上的分辨率下降的可能性。在本实施例中，作为在间隔剔除读出期间抑制分辨率的下降的示例，将说明如下的示例：选择与垂直方向上的针对每十二行的四行相当的像素行，并且通过在垂直信号线上对这些行中的每两行进行相加平均来读出信号。

图13是示出根据本实施例的摄像元件107的总体结构的图。与图2所示的结构的不同之处在于，与行编号3、4、15、16、……的行相对应的像素单元连接至两个不同的垂直信号线202。例如，行编号3的像素单元连接至垂直信号线202-1和202-3，并且行编号4的像素单元连接至垂直信号线202-2和202-4。

将参考图14来说明与行编号3、4、15、16、……的行相对应的单位像素200的结构。与图3所示的结构的不同之处在于，添加了像素选择开关元件1401。像素选择开关元件1401连接至FD放大器304，并且与像素选择开关元件306并联布置。像素选择开关元件1401可以将像素信号输出(参见vout2)至与像素选择开关元件306的垂直信号线不同的垂直信号线。

像素选择开关元件306和像素选择开关元件1401分别由信号sel_1和信号sel_2控制。另一方面，与除行编号3、4、15、16、……以外的行相对应的像素单元的结构与第一实施例中的结构相同，并且像素单元的信号sel是进行信号sel_1和信号sel_2之间的逻辑OR(或)运算的信号，并被输入至像素选择开关元件306。

接着，将参考图15A～15C来说明摄像元件107的信号读出方法。图15A所示的静止图像拍摄期间的信号读出方法与第一实施例所述的图10A中的信号读出方法相同，因此将不给出对其的说明。

图15B是示出LV拍摄期间的信号读出方法的图，并且图15C是示出调光图像数据的获取期间的信号读出方法的图。在图15B和图15C中，进行对在垂直方向上彼此邻接的相同颜色的两行(即，行编号1和3以及2和4)的像素信号进行相加平均和读出的处理。同样，还进行对行编号13和15、14和16、25和27、以及26和28的像素信号进行相加平均和读出的处理。这样，CPU 109选择与垂直方向上的针对每十二行的四行相当的像素行，并且进行用于在垂直信号线上对这些行中的每两行进行相加平均和读出的控制。

接着，将参考图16A～16C来说明摄像元件107的信号读出操作。图16A是示出在针对所有像素的信号以增益A获取静止图像信号时的摄像元件107在一个水平同步时间段中的信号读出操作的时序图。信号sel_1从低电平改变为高电平，但信号sel_2被设置为低电平。由此，进行与第一实施例中的信号读出操作相同的信号读出操作。

图16B和图16C是分别示出在LV拍摄期间和在调光图像数据的获取期间的摄像元件107的信号读出操作的时序图。在各情况下，信号sel_1设置为低电平，并且信号sel_2从低电平改变为高电平。通过这样进行控制，与例如行编号1和3相对应的像素单元连接至同一垂直信号线202-1，并且在垂直信号线上进行信号相加平均。

根据本实施例，由于可以减少间隔剔除的行的数量，因此可以提高所获取到的图像中的垂直方向上的分辨率。另一方面，在本实施例中，示出具有两个像素选择开关元件的像素单元是属于仅一部分行的像素单元的结构示例，但在不限于此的情况下，所有的像素单元各自均可配置为具有两个像素选择开关元件。

在本实施例中，在针对每个单位水平同步信号读出的多个像素行中，可以通过将不同增益乘以利用行控制信号所分类的第一像素组和第二像素组的信号来并行地读出信号。因而，可以提供能够在加速图像信号的读出的同时、进行与空间分辨率有关的精度更高的测光驱动的摄像装置。

(其它实施例)

尽管已经参考典型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典型实施例。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、等同结构和功能。

本申请要求2019年4月2日提交的日本专利申请2019-070750的优先权，在此通过引用而包含其全部内容。

Claims

1.一种摄像装置，包括：

摄像元件，其能够从由具有光电转换器的单位像素构成的像素组中，针对各水平同步信号并行地读出多个行的像素信号，所述摄像元件包括控制器，所述控制器被配置为通过将增益乘以所述像素组中的、被第一行控制信号控制的第一像素组的像素信号和被第二行控制信号控制的第二像素组的像素信号来进行读出控制，

其中，所述第一像素组和所述第二像素组在所述摄像元件的第一方向上周期性地配置，以及

所述控制器进行用于将第一增益乘以所述第一像素组的像素信号并且将第二增益乘以所述第二像素组的像素信号的控制，

其中，在显示或记录所述摄像元件所输出的图像信号的情况下，所述控制器进行用于将所述第一增益乘以所述第一像素组和所述第二像素组的像素信号的控制。

2.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第一方向是与所述摄像元件的垂直方向相对应的行方向，以及

所述多个行的像素组被分类成至少所述第一像素组和所述第二像素组。

3.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述第一像素组和所述第二像素组是在所述第一方向上按与偶数行相对应的周期配置的。

4.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述像素组在所述第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向上被分类成至少所述第一像素组和所述第二像素组。

5.根据权利要求4所述的摄像装置，其中，所述第二方向是与所述摄像元件的水平方向相对应的列方向，以及

所述第一像素组和所述第二像素组是按与偶数行和偶数列相对应的周期配置的。

6.根据权利要求5所述的摄像装置，其中，所述控制器进行用于将所述第一增益乘以第一行中的第一列和第二列的单位像素的像素信号、并且将所述第二增益乘以第二行中的第一列和第二列的单位像素的像素信号的控制，以及进行用于将所述第二增益乘以所述第一行中的第三列和第四列的单位像素的像素信号、并且将所述第一增益乘以所述第二行中的第三列和第四列的单位像素的像素信号的控制。

7.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，所述单位像素包括：第一电容器，用于将在所述光电转换器中产生的电荷转换成电压；第二电容器，其能够与所述第一电容器连接；以及开关元件，用于控制与所述第一电容器和所述第二电容器的连接和非连接，以及

所述控制器通过控制所述开关元件来确定所述第一增益和所述第二增益。

8.根据权利要求1所述的摄像装置，还包括放大器，所述放大器被配置为能够将多个增益乘以像素信号，

其中，所述控制器通过控制所述放大器来确定所述第一增益和所述第二增益。

9.根据权利要求1所述的摄像装置，还包括发光器，

其中，在通过使所述发光器发光来进行摄像的情况下，所述控制器在确定所述发光器的发光量之前，进行用于读出通过将所述第一增益乘以所述第一像素组的像素信号所获得的信号、以及通过将所述第二增益乘以所述第二像素组的像素信号所获得的信号的控制。

10.根据权利要求1所述的摄像装置，其中，如下两个周期彼此不同：使用用于在所述第一方向上按第一周期进行读出或进行基于相加平均的读出的第一方案来读出像素信号的所述第一像素组和所述第二像素组的配置的周期、以及使用用于在所述第一方向上按第二周期进行读出或进行基于相加平均的读出的第二方案来读出像素信号的所述第一像素组和所述第二像素组的配置的周期。

11.一种控制方法，其由摄像装置执行，所述摄像装置包括摄像元件，所述摄像元件能够从由具有光电转换器的单位像素构成的像素组中，针对各水平同步信号并行地读出多个行的像素信号，

其中，所述像素组中的、被第一行控制信号控制的第一像素组和被第二行控制信号控制的第二像素组是在所述摄像元件的第一方向上周期性地配置的，以及

利用控制器进行用于将第一增益乘以所述第一像素组的像素信号并且将第二增益乘以所述第二像素组的像素信号的控制，

其中，在显示或记录所述摄像元件所输出的图像信号的情况下，进行用于将所述第一增益乘以所述第一像素组和所述第二像素组的像素信号的控制。