CN1317831A - 固态图象读取装置及其驱动方法和摄像系统 - Google Patents

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Abstract

采用一种XY型固态图象读取元件(例如MOS型图象传感器)，其中两行和两列为一个单元，并且还分布具有一个单元重复(两行×两列重复)的颜色编码的彩色滤光片，并且当指定疏散读取模式时，系统的时钟频率变为1/9，根据改变的时钟频率，选通行方向和列方向中每三个象素的一个象素以连续地读取一个象素信号。

Description

固态图象读取装置及其驱动方法和摄像系统
本发明涉及一种固态图象读取装置及其驱动方法和摄像系统，并尤其涉及一种利用以MOS型图象传感器为代表的XY地址型固态图象读取元件的固态图象读取装置及其驱动方法，和利用XY地址型固态图象读取元件作为图象读取装置的摄像系统，如数字静态摄像机。
在以数字静态摄像机为代表的静态图片的图象读取技术中，把包括大量象素的固态图象读取元件用作一个图象读取装置，并且所有象素的象素信息都独立地读出，从而获得一个静态的图象。例如，在数字静态摄像机中，因为需要通过释放快门来摄取高精密度的静态图片，所以使用包括多个象素的固态图象读取元件。
另一方面，在摄取静态图片之前，一般通过在例如小屏幕的液晶监视器上投影动态图片(目标图象)而执行确认(监视)目标的操作。在确认目标的阶段(监视模式)，响应于液晶监视器的象素数量的草图(低分辨率图象)是令人满意的。
此外，在便携设备如数字静态摄像机的图象传输中，传输的数字速率是有限的。因此，对于静态图片，传输所有象素的象素信息以获得高精细图象，对于动态图象，疏散(thin out)象素信息以减小信息量并传输。
迄今为止，作为单片彩色摄像机，一般使用电荷迁移型固态图象读取元件，如一个CCD(电荷耦合装置)型图象传感器。另一方面，近年来开始使用一种XY地址型固态图象读取元件，如MOS型图象传感器，从降低电工耗和缩小系统尺寸方面来说，它比CCD型图象传感器更为有利。
顺便说一下，在单片彩色摄像机中，在CCD型图象传感器用作图象读取装置情形中的象素信息的疏散处理中，例如采用这样一种方法，即当从图象传感器中读出所有象素的象素信息后，通过外部信号处理系统疏散象素信息。另外，在使用例如MOS型图象传感器作为图象读取装置的彩色摄像机中，在CCD型图象传感器中采用了疏散读取法。
如此采用疏散读取法-其中在从图象传感器中读出所有象素的象素信息后，通过外部信号处理系统疏散象素信息的原因如下：
原因如下：(1)保持彩色滤色片的颜色的空间分布和输出顺序同时疏散象素信息是不可能的，(2)通过把一个标准的移位寄存器用作选取象素的选取装置而连续地选通象素，(3)CCD型图象传感器只能够依次从象素中读出信号电荷，等等。
作为一个例子，当考虑每隔一个象素的象素信息被疏散的情形时，如果没有颜色差异，可以在纵向(垂直)和横向(水平)每个方向上压缩信息量一半。但是，如图9所示，在各个象素之间存在颜色差异的情形中，如果每隔一个象素的象素信息被疏散，则只从斜线部分的象素中读出象素信息，并且只从例如B(蓝色)部分中读出象素信息，以致于不能获得彩色图象。
从这些原因来看，在利用CCD型图象传感器或MOS型图象传感器作为图象读取装置的单片彩色摄像机中，当从图象传感器中读出所有象素的图象信息之后，通过外部信号处理系统执行象素信息的疏散处理。但是，在这种情况下，尽管通过疏散处理减少信息量这一事实，因为图象传感器的驱动功率恒定，所以不能减少消耗的电功率，相反，负荷因此施加到后续阶段的信号处理系统中。
特别是，在使用MOS型图象传感器作为图象读取装置的单片彩色摄像机中，因为比CCD型图象传感器优越的地方在于如前所述地降低了功耗以及缩小了系统，所以在象素信息量减少的情况下，如果减少了功耗而不给后续阶段的信号处理系统成正比地施加负荷，则可以说意义是非常重大的。
鉴于上述问题提出了本发明，本发明的目的因此在于提供一种固态图象读取装置，它能够减少功耗而不施加负荷给后续阶段执行象素信息疏散处理的信号处理系统，还提供一种该固态图象读取装置的驱动方法和摄像机系统。
为了实现上述目的，根据本发明，使用XY地址型固态图象读取元件，其中对分布在一个矩阵中的各个象素形成具有预定颜色编码的彩色滤光片，并当指定对固态图象读取元件疏散读取时，改变系统的时钟频率，并根据改变的时钟频率并以对应于颜色编码的顺序选通象素，以读出象素信号。
在XY地址型固态图象读取元件中，可以选通任一地址位置处的一个象素，并且可以以象素为单位读出它的象素信号。然后，当指定疏散读出时，首先改变系统的时钟频率。根据频率改变的时钟频率，以对应于彩色滤光片颜色编码的顺序选取象素并读出象素信号，使得在从象素中读出象素信息的阶段执行疏散处理。
图1是应用本发明的摄像机系统的结构框图；
图2是MOS型图象传感器的结构示意图；
图3是用于解释读取全象素操作的计时图；
图4是用于解释疏散读取操作第一实例的原理图；
图5是用于解释疏散读取操作第一实例的计时图；
图6是用于解释疏散读取操作第二实例的计时图；
图7是用于解释疏散读取操作第三实例的计时图；
图8是用于解释疏散读取操作第四实例的计时图；
图9是两垂直×两水平重复的基色编码示图。
以下参考附图对本发明的实施例进行详细的描述。图1是应用本发明的摄像机系统的结构框图。
在图1的此系统中，例如MOS型图象传感器的XY地址型固态图象读取元件11用作图象读取装置。来自目标的入射光(图象光)经包括一个成象透镜等的光学系统(未示出)在固态图象读取元件11的图象读取平面上形成一个图象。此外，给系统输入一个成为系统操作的标准的时钟。
此时钟以及用于选择系统操作模式(全象素读取模式/疏散读取模式)的模式选择信号输入到分频电路12。模式选择信号从操作模式设置部分13输出。分频电路12根据模式选择信号改变输入的时钟的频率并将其提供给计时发生器14和固态图象读取元件11的信号处理系统。
根据具有对应于操作模式的频率并从分频电路12输入的时钟，计时发生器14产生各种驱动XY地址型固态图象读取元件11所需的驱动脉冲，并将驱动脉冲提供给固态图象读取元件11。在固态图象读取元件11的后续阶段设置一个AGC(自动增益控制)电路15、一个A/D(模拟-数字)转换器16和一个摄像机信号处理电路17。频率对应于操作模式的时钟从分频电路12提供到这些电路15、16和17。
AGC电路15执行AGC处理，使得固态图象读取元件11的输出信号的信号水平恒定。A/D转换器16把AGC电路15的输出信号进行A/D转换并提供给摄像机信号处理电路17。摄像机信号处理电路17具有数字信号处理(DSP)结构。在此摄像机信号处理电路17中进行摄像机信号处理，从输入的图象读取数据(图象数据)中产生一个亮度信号和色差信号，并进行诸如探测处理的信号处理，如自动曝光、自动聚焦或自动白色平衡。
图2是MOS型图象传感器的结构示意图。MOS型图象传感器包括一个象素部分21，一个垂直扫描系统22和一个水平扫描系统23。
象素部分21具有这样的结构，即多个单元象素24排列成一个矩阵，其中每个单元象素例如由一个光电二极管PD和一个选通晶体管Tr构成。此处，为了绘图的简单，以6×6的象素分布为例展示。然后，在图2中，以表示象素位置的地址XY作为每个单元象素24的脚注。例如一个处于第一行和第一列的象素表示为2411。
象素部分21的各个象素的垂直选通线25-1至25-6和垂直信号线26-1至26-6排列成一个矩阵。各个单元象素24的选通晶体管Tr的控制电极连接到垂直选通线25-1至25-6，并且选通晶体管Tr的输出电极连接到每个象素的垂直信号线26-1至26-6。
垂直扫描系统22由一个V(垂直)解码器221构成。V解码器221响应于从图1的计时发生器输入的V选通信号连续地输出行选通脉冲V1至V6，并把它们施加到各个垂直选通线25-1至25-6。
水平扫描系统23包括水平选通晶体管231-1至231-6，一个H(水平)解码器232，和一个输出放大器233。水平选通晶体管231-1至231-6分别连结在水平信号线234和各个垂直信号线26-1至26-6的输出端。H解码器232响应于从计时发生器13输入的H选通信号连续地输出水平选通脉冲H1至H6，并且把它们提供给水平选通晶体管231-1至231-6的各个控制电极。
输出放大器233连结到水平信号线234的一端(输出端)，并导通象素信号，象素信号从象素部分21经水平选通晶体管231-1至231-6连续地输出到水平信号线234，成为一个输出信号VOUT。顺便说一下，箝位晶体管235连结到水平信号线234的另一端。此箝位晶体管235响应于从计时发生器13输入的箝位脉冲CLP把水平信号线234的电位箝置到一个固定的电压(恒压)。
接下来，在上述结构的MOS型图象传感器中，参考图3的计时图对读出象素部分21全部象素的象素信号的读取全象素时的操作进行描述。此处，显示出了行选通脉冲V1、V2，水平选通脉冲H1至H6，箝位脉冲CLP和输出信号VOUT的计时信号。
首先，当高电位的行选通脉冲V1从V解码器221输出并施加到垂直选通线25-1时，第一行的象素2411至2416的信号分别被读出到垂直信号线26-1至26-6。在这种状态中，当高电位的水平选通脉冲H1从H解码器232输出时，水平选通开关231-1变成一种导通状态。然后，读出到垂直信号线26-1的象素2411的信号经水平选通开关231-1输出到水平信号线234。
此时，在水平信号线234中产生对应于象素2411的信号的电位差。然后，水平信号线234的电位差被输出放大器233放大，并输出作为象素2411的象素信号。此处，当箝位晶体管35响应于箝位脉冲CLP导通时，水平信号线234和垂直信号线26-1被重置为某一恒定的电压。
接下来，水平选通脉冲H1和箝位脉冲CLP消失，取而代之的是当高电位的水平选通脉冲H2从H解码器232输出时，类似于象素2411的情形，输出象素2412的象素信号。随后，重复此读出操作，第一行从象素2411至象素2416的全部象素信号被连续地读出。
接下来，垂直选通脉冲V1消失，取而代之的是当高电位的垂直选通脉冲V2从V解码器221输出并施加到垂直选通线25-2时，第一行的各个象素2421至2426被选通。然后，类似于第一行，重复列选通操作，并依次重复行选通和列选通直到第六行，使得象素部分21中所有象素的象素信号被连续地读出。
在前述的全象素读取操作中，如果垂直选通脉冲V1至V6和水平选通脉冲H1至H6可以以适当的定时恰当地输出，则任一象素的象素信号可以选择性地读出是很重要的。这意味着在从各个象素读出信号的阶段，可以进行象素信息的疏散处理。然后，此处采用使用解码器作为行选通装置和列选通装置的结构去产生自由度。
顺便说一下，在彩色的摄像机系统中，彩色滤光片设置在象素部分21上的象素单元中，例如以芯片内的方式。此处，如图4所示，在承载滤光片的MOS型图象传感器中，作为彩色滤光片27，具有重复单元的基色编码，每个单元具有两垂直×两水平(两行和两列)，将描述在实现疏散和读出象素信息的疏散读出处理中的操作。
与此类似，在使用具有重复两行×两列的基色编码的彩色滤光片27的情形中，作为疏散读出的第一例，如图4中的斜线所示，跳跃两行和两列，即每三行和三列对每个象素读出一个象素信号。
为了实现这种疏散读出，当从操作模式设置部分13发出用于选择疏散读出模式的模式选通信号时，图1所示的分频电路12把输入时钟的频率除9。图5表示疏散读出时的计时图。
顺便说一下，图5水平轴(时间轴)的比例不同于图3，并且虽然实际比例比图3的大9倍，但它在纸面的情况下也只以三倍的比例表示。此外，虽然图4表示对应于八行和八列象素布局的颜色编码，但图5表示对应于图2所示六行和六列象素布局的计时关系。
在疏散读取模式中，首先当高电位的行选通脉冲V1从V解码器221输出并施加到垂直选通线25-1时，第一行的象素2411至2416的信号分别被读出到垂直信号线26-1至26-6。在这种状态中，当高电位的水平选通脉冲H1从H解码器232输出时，水平选通开关231-1变成一种导通状态，并且，象素2411的信号经水平选通开关231-1输出到水平信号线234。
此时，在水平信号线234中产生对应于象素2411的信号的电位差。然后，水平信号线234的电位差被输出放大器233放大，并输出作为象素2411的象素信号。此处，当箝位晶体管235响应于箝位脉冲CLP导通时，水平信号线234和垂直信号线26-1被重置为某一恒定的电压。
接下来，水平选通脉冲H1和箝位脉冲CLP消失，取而代之的是高电位的水平选通脉冲H4从H解码器232输出。然后类似于象素2411的情形，象素2414的信号读出到垂直信号线26-4，并经水平选通晶体管231-4、水平信号线234和输出放大器233输出。由此疏散但不读出象素2412和2413的各个信号。
接下来，虽然在图5的计时图中没有示出，代之以垂直选通脉冲V1，但当高电位的垂直选通脉冲V4从V解码器221输出并施加到垂直选通线25-4时，第四行的象素2441至2446被选通。然后，类似于第一行，每三列重复列选通操作，使得跳跃两行和两列时读出每个象素的象素信号。
根据上述第一实例的疏散读出，得到下列益处。即象素信息的量可以被压缩9倍，而象素信号顺序和空间位置关系与全象素读出模式的相同。另外，因为不需要改变后续阶段信号处理系统的顺序，所以不给信号处理系统施加负荷。此外，因为系统的时钟频率变为1/9，所以功耗也可以减小9倍。此外，每秒输出的图象数、即帧速率可以变得恒定。
随后，类似于第一实例，假设使用具有两行×两列重复的颜色编码的彩色滤光片，下面描述疏散读取的第二实例和第三实例。
首先，在第二实例的疏散读取中，如图6中的斜线所示，两行×两列为一个单元，并且连续读取行方向和列方向中每隔一个单元的象素信号。此外，为了实现疏散读取，在图1的分频电路12中时钟频率除以4。
根据第二实例的疏散读取，可以得到下列益处。即象素信息的量可以被压缩4倍，而象素信号顺序与全象素读出模式的相同。另外，因为后续阶段信号处理系统的顺序只处理颜色的空间位置关系的改变，所以信号处理系统的负荷可以变低。此外，因为系统的时钟频率变为1/4，所以功耗也可以减小4倍。此外，帧速率可以变得恒定。
接下来，在第三实例的疏散读取时，两行×两列为一个单元，并且集成四个这种(2×2)单元，进行读取的同时如图7中箭头所示地扫描单元中左下象素的额外信号、右下象素的额外信号、左上象素的额外信号和右上象素的额外信号。此外，为了实现疏散读取，在图1的分频电路12中时钟频率除以4。
根据第三实例的疏散读取，可以得到下列益处。即象素信息的量可以被压缩4倍，而象素信号顺序与全象素读出模式的相同，并且通过额外读取灵敏度提高4倍。另外，因为后续阶段信号处理系统的顺序只处理色心的空间位置关系的改变，所以信号处理系统的负荷可以变低。顺便说一下，色心的空间位置关系与第二实例的疏散读取的一样。此外，因为系统的时钟频率变为1/4，所以功耗也可以减小4倍。此外，帧速率可以变得恒定。
图8是在相同列的相同颜色和行方向的三色重复的基色编码示图。下面将描述作为第四实例的采用此颜色编码的彩色滤光片27’的疏散读取。
在第四实例的疏散读取中，如图8中的斜线所示，在行方向和列方向上读取每隔一个象素的象素信号。此外，为了实现此疏散读取，在图1的分频电路12中时钟频率除以4。
根据上述第四实例的疏散读出，得到下列益处。即象素信息的量可以被压缩4倍，而象素信号的顺序和位置关系与全象素读出模式的相同，除了彼此替换两种颜色的界限。另外，在后续阶段信号除了系统的顺序中，因为必须替换两种颜色的界限，信号处理系统的负荷可以变得很低。此外，因为系统的时钟频率变为1/4，所以功耗也可以减小4倍，并且帧速率可以变得恒定。
在前述的各个实例的疏散读取操作中，如果垂直方向和水平方向的选通可以适当的界限，则任意位置的象素信号可以选择性地读出是很重要的。因此，XY地址型固态图象读取元件11不限于图2中所示的无源型MOS型图象传感器，但可以使用任何图象传感器，只要选通行和列去读取象素信号，如CMD(电荷调制装置)型图象传感器，其中象素由一个MOS晶体管或一个放大的图象传感器构成。
顺便说一下，虽然上述实施例采用利用解码器作为行选通装置和列选通装置产生自由度的结构，但除解码器之外，还可以采用对全象素读取和疏散读取用两个移位寄存器的结构，简言之，可以采用任何结构，只要可以进行同样的驱动。
如上所述，根据本发明，当对XY型固态图象读取元件指定疏散读取时，系统的时钟频率被改变，并根据改变的时钟频率，以对应于彩色滤光片的颜色编码的顺序选通象素以读取象素信号。因而，因为可以在象素信息从象素读取的阶段执行疏散处理，所以可以压缩象素的信息量而不给信号处理系统施加负荷，同时可以保持象素信息的顺序以及空间位置关系与全象素读取一样，并且当系统的时钟频率改变时可以降低功耗，即使操作模式改变也可以使帧速恒定。

Claims (13)

1．一种固态图象读取装置，包括：
一个XY型固态图象读取元件，其中象素布置成一个矩阵，对每个象素形成具有一种预定的颜色编码的彩色滤光片；
频率改变装置，当对固态图象读取元件指定疏散读取时改变系统的时钟频率；和
驱动装置，根据频率改变装置改变的时钟频率以及对应于颜色编码的顺序选通象素，以读取象素信号。
2．如权利要求1所述的固态图象读取装置，其特征在于：
颜色编码是一个单元的重复，而该单元由两行和两列组成；和
驱动装置连续地读出行方向和列方向中每三个象素的象素信号。
3．如权利要求1所述的固态图象读取装置，其特征在于：
颜色编码是一个单元的重复，而该单元由两行和两列组成；和
驱动装置连续地读出行方向和列方向中每隔一个单元的象素信号，该单元由两行和两列组成。
4．如权利要求1所述的固态图象读取装置，其特征在于：
颜色编码是一个单元的重复，而该单元由两行和两列组成；和
集成四个(2×2)单元，每个单元由两行×两列构成，并且驱动装置连续地读取此单元中左下象素的额外信号、右下象素的额外信号、左上象素的额外信号和右上象素的额外信号。
5．如权利要求1所述的固态图象读取装置，其特征在于：
颜色编码在同一列有相同的颜色，并在行方向三色重复，和
驱动装置连续地读取在行方向和列方向每隔一个象素的象素信号。
6．一种固态图象读取装置，包括：
一个XY型固态图象读取元件，其中象素布置成一个矩阵，对每个象素形成具有一种预定的颜色编码的彩色滤光片；和
驱动装置，当对固态图象读取元件指定疏散读取时只选通特定的象素以保持颜色编码的排列顺序并读取象素信号。
7．一种固态图象读取装置，包括：
一个XY型固态图象读取元件，其中象素布置成一个矩阵，对每个象素形成具有一种预定的颜色编码的彩色滤光片；和
驱动装置，通过选通多个象素执行读取并增加对应于多个象素的每一个的象素信号的，其中至少一个象素不与其它的象素相邻。
8．一种驱动固态图象读取装置的方法，固态图象读取装置使用XY地址型固态图象读取元件，其中象素布置成一个矩阵，对每个象素形成具有一种预定的颜色编码的彩色滤光片，方法包括步骤：
当对固态图象读取元件指定疏散读取时改变系统的时钟频率；和
根据改变的时钟频率以及对应于颜色编码的顺序选通象素来读取象素信号。
9．如权利要求8所述的驱动固态图象读取装置的方法，其特征在于：
颜色编码是一个单元的重复，而该单元由两行和两列组成；和
连续地读出行方向和列方向中每三个象素的象素信号。
10．如权利要求8所述的驱动固态图象读取装置的方法，其特征在于：
颜色编码是一个单元的重复，而该单元由两行和两列组成；和
连续地读出行方向和列方向中每隔一个单元的象素信号，该单元由两行和两列组成。
11．如权利要求8所述的驱动固态图象读取装置的方法，其特征在于：
颜色编码是一个单元的重复，而该单元由两行和两列组成；和
集成四个(2×2)单元，每个单元由两行×两列构成，并且驱动装置连续地读取此单元中左下象素的额外信号、右下象素的额外信号、左上象素的额外信号和右上象素的额外信号。
12．如权利要求8所述的驱动固态图象读取装置的方法，其特征在于：
颜色编码在同一列有相同的颜色，并在行方向三色重复，和
连续地读取在行方向和列方向每隔一个象素的象素信号。
13．一种摄像机系统，包括：
一个XY型固态图象读取元件，其中象素布置成一个矩阵，对每个象素形成具有一种预定的颜色编码的彩色滤光片；
操作模式设置装置，用于对固态图象读取元件选择性地设置全象素读取模式和疏散读取模式。
频率改变装置，用于当设置疏散读取模式时改变系统的时钟频率；
驱动装置，通过根据频率改变装置改变的时钟频率以及对应于颜色编码的顺序，当设置疏散读取模式时选通象素来读取象素信号；和
信号处理装置，当设置疏散读取模式时根据频率改变装置改变的时钟频率处理固态图象读取元件的输出信号。
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