CN1815339B - 用于图像传感器的机械快门装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于图像传感器的机械快门装置以及对应的方法。在本发明的一种方式中，成像系统包括具有像素阵列的图像传感器，每个像素具有一感光元件。该成像系统可以进一步包括信号处理器件连接到图像传感器以接收来自图像传感器的信号。该成像系统可以更进一步包括一具有开启状态与关闭状态的快门装置。该快门装置可以被定位在紧邻像素的感光元件的位置，以便当快门装置处于开启状态时，光线被允许到达像素的感光元件，而当快门装置处于关闭状态时，基本上所有光线都被阻止到达像素的感光元件。图像传感器被用于存储信号，直到信号处理器件可以接收信号。

Description

用于图像传感器的机械快门装置
技术领域
本发明与用于图像传感器的机械快门装置有关，包括设有机械快门的数码相机。
背景技术
图像传感器已经变得无处不在，它们被广泛地用于数字照相机、便携式电话、保密照相机、医疗器械、汽车和其它应用场合。制造图像传感器的技术，特别是制造CMOS(互补型金属氧化半导体)图像传感器的技术，在持续地快速发展。例如，高分辨率和低能耗的要求促进了图像传感器的进一步的小型化及集成。另外，图像传感器与传感器元件日益完善，从而能够长时间的储存电荷或信号(例如，它们具有更低的电压衰减或者泄漏)。
图1是现有技术中典型数码相机1的示意图。相机1包括透镜2、图像传感器10、缓冲器90以及数字信号处理器20。典型的图像传感器包括由若干独立像素组成的成行成列的像素阵列。每个像素包括感光区域。为了捕获图像，感光区域提供输出信号，该输出信号与曝光周期内到达该感光区域的光线数量相对应。这些信号被读取，图像传感器10将其传送到数字信号处理器20进行处理。然后，这些像素被复位，以便在下一个曝光周期内使用。
由于来自感光区域的输出信号与曝光周期内到达每个感光区域的光线数量相对应，所以曝光周期的长短必须予以控制，否则由该信号生成的图像的质量将会降低(例如，过度曝光或者曝光不足)。曝光周期的长短可以通过控制对像素进行复位的时间间隔来予以控制(如采用数字快门方法)。例如，像素可以被复位以便开始曝光周期，感光区域可以传送信号，这些信号以到达感光区域的光线数量为基础，而且像素可以再被复位以便结束曝光周期。这要求来自图像传感器10的信号的读取速率要高于数字信号处理器20的可以接收的速率(例如，快于信号处理器的最大输入速率)。另外，对于某些图像传感器10，如果来自图像传感器10(例如，来自图像传感器的像素)的信号没有被快速地读取，电荷衰减或泄漏可能导致信号降低，并影响图像质量。因此，通常需要使用存储器和/或缓冲器90(例如，动态随机存取存储器或者静态随机存取存储器)来缓冲从像素和/或图像传感器10的感光区域到数字信号处理器20之间的信号流。缓冲器90可以接收来自图像传感器10的具有所需输出速率的信号，然后以适当的速率(例如，较慢的速率)将信号传送到数字信号处理器20。
发明内容
本发明公开了用于图像传感器的机械快门装置、带有机械快门的数字相机以及有关的方法。
一发面，本发明提供了一种成像系统，该成像系统包括具有像素阵列的图像传感器，其中每个像素具有一感光元件。该成像系统还可以进一步包括一信号处理器件，其可连接到图像传感器，以接收来自图像传感器的信号。该成像系统可以更进一步包括一具有开启状态与关闭状态的快门装置；该快门装置可以被定位在紧邻像素的感光元件的位置，以便当快门装置处于开启状态时，光线可以到达像素的感光元件，以及当快门装置处于关闭状态时，所有的光线数量基本上都被阻止到达像素的感光元件。当快门装置被置于关闭状态时，信号处理器件至少可以接收部分来自图像传感器的信号，并且图像传感器被配置成可以用于存储信号，直到信号处理器件可以接收信号。
在上述的成像系统中，信号处理器件可以包括以下元件中的至少一个：数据存储单元、液晶显示器、图像控制器件、以及压缩器件；信号处理器件可操作地连接到图像传感器，以接收来自图像传感器的像素的信号；上述的成像系统可进一步包括由基本不透光材料制成的壳体，该壳体设有一开口并且承载像素的感光元件，快门装置被定位在开口的紧邻位置，以便当快门装置处于开启状态时光线被允许到达像素的感光元件，而当快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达像素的感光元件；图像传感器、信号处理器件以及快门装置可以均设置在一相机上。
另一方面，本发明还提供了一种制造成像系统的方法，其包括：
可操作地将信号处理器件连接到图像传感器，以接收来自图像传感器的信号，图像传感器具有像素阵列，每个像素具有感光元件；以及
将具有开启状态与关闭状态的快门装置定位在像素的感光元件的紧邻位置，以便当快门装置处于开启状态时光线被允许到达像素的感光元件，而当快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达像素的感光元件；当信号处理器件接收至少一部分来自图像传感器的信号时，快门装置被置于关闭状态；图像传感器被配置用于存储信号，直到信号处理器件可以接收信号。
上述的方法中，可操作地将信号处理器件连接到图像传感器包括可操作地将图像传感器连接到以下元件中的至少一个：数据存储单元、液晶显示器、图像控制器件以及压缩器件；进一步地，可操作地将信号处理器件连接到图像传感器包括可操作地将信号处理器件连接到图像传感器，以接收来自图像传感器的像素的信号。
上述的方法可进一步包括将像素的感光元件置入一个由基本不透光材料制成的壳体内，该壳体设有一开口；其中，定位快门装置包括将快门装置定位在开口的紧邻位置，以便当快门装置处于开启状态时光线被允许到达像素的感光元件，而当快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达像素的感光元件。
上述的方法可进一步包括在相机本体内安装图像传感器、信号处理器件以及快门装置的步骤。
采用本发明的成像系统，不需要在图像传感器与信号处理器之间使用缓冲器，因为当图像传感器的信号被传输到一个或多个信号处理器时，快门装置可以阻止光线过度充满该感光元件。这可以降低成像系统的复杂性，从而有利于降低制造时间和/或成本。
附图说明
图1是现有技术的在图像传感器与数字信号处理器之间设有缓冲器的数码相机的局部剖视示意图。
图2是本发明具体实施方式的成像系统的局部剖视示意图。
图3是本发明具体实施方式的像素的示意图。
图4是本发明另外具体实施方式的另一像素的示意图。
图5是本发明具体实施方式的机械快门系统处于关闭状态的局部示意图。
图6是本发明具体实施方式的机械快门系统处于开启状态的局部示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，提供了许多特定细节，以便对本发明的具体实施方式进行透彻的理解。但所属领域的熟练技术人员可以认识到，在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下仍能实施本发明，或者采用其它方法、元件、材料、操作等的情况下仍能实施本发明。另外，为了清楚地描述本发明的各种实施方案，因而对众所周知的结构和操作没有示出或进行详细地描述。
在本发明的说明书中，提及“一实施方案”或“某一实施方案”时是指该实施方案所述的特定特征、结构或者特性至少包含在本发明的一个实施方案中。因而，在说明书各处所出现的“在一实施方案中”或“ 在某一实施方案中”并不一定指的是全部属于同一个实施方案；而且，特定的特征、结构或者特性可能以合适的方式结合到一个或多个的具体实施方案中。
图2是本发明具体实施方式的成像系统200的局部剖视示意图。尽管图2所示的成像系统200包括数码相机，但是在其它具体实施方式中，数字成像系统可以包括其它类型的成像系统(例如，红外成像系统)。在所述的实施方案中，成像系统200包括透镜202、机械快门装置230、图像传感器210以及一个或多个信号处理器件220。
在所述的实施方案中，图像传感器210包括像素211的阵列，其中每个像素具有感光元件212(例如，光电门、光电二极管、PIN型光电二极管、部分PIN型光电二极管等等)。在所述的实施方案中，仅显示了二个带感光元件212的像素211。在其它实施方案中，图像传感器可以包括更多个或更少个带感光元件212的像素211，可以包括数以百万计的带感光元件212的像素211。
在某些实施方案中，图像传感器210可以包括互补型金属氧化物半导体(CMOS)器件。例如，图3是本发明实施方案的三晶体管(3T)CMOS有源像素211的示意图。感光元件212输出用来调整放大晶体管255的信号。放大晶体管也叫作源极-随偶晶体管(source-followertransistor)。在积分周期内，感光元件212捕获光线并输出一个表示入射到该感光元件212上的光线数量的信号。该信号用来调整放大晶体管255。在积分周期后，复位晶体管253用来将感光元件212的电平(level)复位到参考电平(例如Vdd)。最后，行选择晶体管257用于定位像素211，并选择性地从像素211读取信号到列位线(columnbit line)259上。
在其它实施方案中，图像传感器210可以具有其它的布置。例如，在某些实施方案中，图像传感器可以包括电荷耦合器件(CCD)。在其它实施方案中，图像传感器210可以包括可对各种光谱感光的感光元件212(例如，对可见光谱和/或红外光谱)。
在又一实施方案中，图像传感器可以包括具有其它晶体管布置的CMOS像素。例如，图像传感器可以包括如图4所示的四晶体管(4T)CMOS像素411。4T的CMOS像素411与图3所示3T的CMOS像素类似，但包括传输晶体管451与漂浮节点452。在积分周期内，感光元件412捕获光线，并输出一个表示入射到该感光元件412上的光线数量的信号。传输晶体管451用来将信号从感光元件412传输到漂浮节点452(也称作漂浮扩散)。然后，漂浮节点452上的信号被用来调整放大晶体管455。最后，行选择晶体管457被用于定位像素411，并选择性地从像素411读取信号到列位线459上。从像素411读取信号之后，复位晶体管453用来将漂浮节点452复位到参考电压。
再次参照图2，每个像素211可以提供输出信号，该输出信号是基于或者对应于积分周期(也称为曝光周期或积聚周期)内到达每个感光元件212的光线L的数量。图像传感器210可以收集每个像素211的输出信号(例如，通过列位线)，并通过一个或多个信号通道240将该信号或者相应信号传输到至少一个信号处理器220。在该实施方案中，成像系统200包括四个信号处理器件220、包括一个图像控制装置220a(例如，一个可以进行数字缩放功能、图像剪切和/或图像压缩的装置)、液晶显示器220b、内置数据存储单元220c(例如，闪速存储器)以及具有可移动媒介222(例如，SmartMedia或者小型闪卡装置)的数据存储装置220d。在其它实施方案中，成像系统200可以包括更多或更少和/或不同的信号处理器220。例如，在某些实施方案中，图像传感器210可以包括CCD，并且至少其中一个信号处理器220可以包括模/数转换器。
在该实施方案中，像素211的感光元件212被壳体204承载，壳体204由基本上不透光的材料制成。壳体204可以设置一开口，而且机械快门装置230定位在邻近该开口的位置，以便当快门装置230处于关闭状态时，所有光线L基本上都被阻止进入感光元件212(例如，没有光线L到达感光元件212；或者仅有可以忽略不计数量的光线L到达感光元件212，但其不足以影响成像处理)。当快门装置230处于开启状态时，光线L通过透镜202进入成像系统200，经过开启的快门装置230，到达感光元件212。快门装置230可以在积分周期的持续时间内保持在开启状态，然后进入关闭状态。当快门处于关闭状态时，图像传感器210至少可以将一部分来自像素的信号传送到信号处理器220，该信号对应于积分周期内感光元件212曝光的光线L的数量。
例如，在某些实施方案中，当快门装置230开启时，图像传感器210可以开始将信号传输到信号处理器220，当快门装置230关闭后，停止传输剩余的信号。当快门装置230处于开启状态时，到达感光元件212的光线L的数量决定了感光元件212携带的电荷。一旦快门装置230被关闭，感光元件212和/或图像传感器210的其它部分(例如，对于4T的CMOS像素，在漂浮节点内携带电荷)所携带的电荷通常可以在一段时间周期内保持恒定，除了正常的电压衰减或泄漏以外。在这个时间周期内，任何未被读取的像素上的信号可以被读取，图像传感器210可以将对应的信号(例如，像素和/或图像传感器可以调制、放大和/或以别的方式调整来自感光元件212的信号)传输到信号处理器220。这可以允许图像传感器210存储这些信号，并以适合信号处理器220接收的速率输出这些信号。这种构造使得在图像传感器210和信号处理器220之间不再需要存储器或者缓冲元件(例如，动态随机存取存储器或静态随机存取存储器)。
在其它实施方案中，成像系统200可以具有其它的布置。例如，在某些实施方案中，在快门装置230被关闭以后，图像传感器210可以将所有的对应信号传输到信号处理器220。在其它实施方案中，图像系统200可以具有更多、更少和/或不同的元件。例如，在某些实施方案中成像系统200不包括透镜202。
快门装置可以包括现有技术中已知的各种类型的快门，如图5与图6中所示的快门装置230。在图5中，快门装置230处于关闭状态，其中多个可伸缩元件232遮蔽了框体231上的光圈(aperture)。在图6中，快门装置230处于开启状态，其中可伸缩元件232已经缩回到框体231中，框体231上的光圈至少未被部分遮蔽。在某些实施方案中，快门装置230可以设有其它的位置状态，例如，快门装置230可以设有若干个开启位置，其中可伸缩元件仅是部分地从框体231上的光圈中缩回。在其它实施方案中，快门装置保持开启状态的持续时间是可以选择的，以便根据各种不同的光照条件调整积分时间。在另外实施方案中，快门装置230可以包括其它的结构布置，例如，快门装置230可以包括在单反射相机(single reflex cameras)上常见的翻转门装置(flip-type door device)。
上述的各实施方案的特征是它们可以不需要在成像系统的图像传感器与信号处理器之间使用缓冲器，因为当图像传感器的信号被传输到一个或多个信号处理器时，快门装置可以阻止光线过度充满该感光元件。这可以降低成像系统的复杂性。这种降低复杂性有利于降低制造时间和/或成本。
上述内容应理解为：这里所介绍的本发明的具体实施例只是为了描述本发明，但是在不偏离本发明宗旨与范围的情况下可以做出各种变换方式。因此，本发明除了被后面的权利要求限制以外没有被上述内容限制。

Claims (16)

1.一种成像系统，其包括：
具有像素阵列的CMOS图像传感器，每个像素具有感光元件；
信号处理器件，其可操作地连接到所述CMOS图像传感器，以接收来自所述CMOS图像传感器的信号；以及
具有开启状态与关闭状态的快门装置，该快门装置被定位在所述像素的感光元件的附近位置，以便当所述快门装置处于开启状态时光线被允许到达所述像素的感光元件，而当快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达所述像素的感光元件；当所述快门装置被置于关闭状态时，所述信号处理器件接收了至少一部分来自所述CMOS图像传感器的信号；所述CMOS图像传感器设置为用于存储所述信号，直到所述信号处理器件能够接收所述信号，其中，所述信号没有存储在缓冲存储器中；
所述的CMOS图像传感器进一步如此设置为：当所述的快门装置处于开启状态时，所述的CMOS图像传感器开始向所述的信号处理器件传送信号；而当所述的快门装置处于关闭状态后，所述的CMOS图像传感器停止传送信号。
2.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述的信号处理器件包括以下元件中的至少一个：数据存储单元、液晶显示器、图像控制器件、以及压缩器件。
3.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述的信号处理器件可操作地连接到所述的CMOS图像传感器，以直接接收来自所述CMOS图像传感器的像素的信号。
4.如权利要求1所述的成像系统，其进一步包括由基本不透光材料制成的壳体，该壳体设有一开口并且承载所述像素的感光元件，所述快门装置被定位在该开口的附近位置，以便当所述快门装置处于开启状态时光线被允许到达所述像素的感光元件，而当所述快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达所述像素的感光元件。
5.如权利要求1所述的成像系统，其中，所述的CMOS图像传感器、信号处理器件以及快门装置均设置在相机上。
6.一种成像系统，其包括：
具有像素阵列的CMOS图像传感器，每个像素具有感光元件；
信号处理器件，其可操作地连接到所述CMOS图像传感器，以接收来自所述CMOS图像传感器的信号；以及
光线控制装置，该光线控制装置在选择的时间周期内允许光线到达所述像素的感光元件；当该光线控制装置基本上阻止所有的光线到达所述像素的感光元件时，所述的信号处理器件接收了至少一部分来自所述CMOS图像传感器的信号；所述CMOS图像传感器设置为用于存储所述信号，直到所述信号处理器件能够接收所述信号，其中，所述信号没有存储在缓冲存储器中；
所述的CMOS图像传感器进一步如此设置为：当所述的光线控制装置处于开启状态时，所述的CMOS图像传感器开始向所述的信号处理器件传送信号；而当所述的光线控制装置处于关闭状态后，所述的CMOS图像传感器停止传送信号。
7.如权利要求6所述的成像系统，其中，所述的信号处理器件可操作地连接到所述CMOS图像传感器，以直接接收来自所述CMOS图像传感器的像素的信号。
8.如权利要求6所述的成像系统，其中，所述的CMOS图像传感器、信号处理器件以及快门装置均设置在相机上。
9.一种制造成像系统的方法，其包括：
可操作地将信号处理器件连接到CMOS图像传感器，以接收来自所述CMOS图像传感器的信号，所述的CMOS图像传感器具有像素阵列，每个像素具有感光元件；以及
将具有开启状态与关闭状态的快门装置定位在所述像素的感光元件的附近位置，以便当所述快门装置处于开启状态时光线被允许到达所述像素的感光元件，而当所述快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达所述像素的感光元件；当所述的快门装置被置于关闭状态时，所述信号处理器件接收了至少一部分来自所述CMOS图像传感器的信号；所述CMOS图像传感器被配置用于存储所述信号，直到所述信号处理器件可以接收所述信号，其中，所述信号没有存储在缓冲存储器中；
所述的CMOS图像传感器进一步如此设置为：当所述的快门装置处于开启状态时，所述的CMOS图像传感器开始向所述的信号处理器件传送信号，而当所述的快门装置处于关闭状态后，所述的CMOS图像传感器停止传送信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中，可操作地将信号处理器件连接到CMOS图像传感器包括可操作地将CMOS图像传感器连接到以下元件中的至少一个：数据存储单元、液晶显示器、图像控制器件以及压缩器件。
11.如权利要求9所述的方法，其中，可操作地将信号处理器件连接到CMOS图像传感器包括可操作地将信号处理器件连接到CMOS图像传感器，以直接接收来自所述CMOS图像传感器的像素的信号。
12.如权利要求9所述的方法，其进一步包括将所述像素的感光元件置入一个由基本不透光材料制成的壳体内，该壳体设有一开口；其中，定位快门装置包括将快门装置定位在该开口的附近位置，以便当所述快门装置处于开启状态时光线被允许到达所述像素的感光元件，而当所述快门装置处于关闭状态时基本上所有的光线都被阻止到达所述像素的感光元件。
13.如权利要求9所述的方法，其进一步包括在相机本体内安装所述的CMOS图像传感器、信号处理器件以及快门装置。
14.如权利要求1所述的成像系统，其中，在所述的CMOS图像传感器和信号处理器件之间没有连接有缓冲器。
15.如权利要求6所述的成像系统，其中，在所述的CMOS图像传感器和信号处理器件之间没有连接有缓冲器。
16.如权利要求9所述的方法，其中，所述的可操作地将信号处理器件连接到CMOS图像传感器的步骤包括：电连接所述的信号处理器件和所述的CMOS图像传感器，但其中间无缓冲器。
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