CN1901610A - 摄像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种摄像装置。根据本发明，即使当摄像装置具有多个读取模式时，也可以在高分辨率视频拍摄模式中防止帧频减小。该摄像装置包括图像传感器和驱动单元。图像传感器包括：在图像传感器的中心部分具有多个像素的有效图像传感区；以及在图像传感器的外周部分具有多个被遮光的像素的遮光像素区。驱动单元可以以多个模式驱动图像传感器，驱动图像传感器，使得多个读取模式近似与用于读取遮光像素区中的像素信号的遮光像素读取时间BL－MIN相等。
Description
技术领域
本发明涉及一种摄像装置中的信号读取技术。
背景技术
图1是用于说明使用固态图像传感器的传统数字静止摄像机的图像传感信号处理系统和感光度/曝光控制系统的结构的电路框图。
附图标记101表示镜头，其用于在像面上形成被摄体图像；102表示光圈，其用于控制已通过镜头的光量；103表示机械快门，其用于允许已通过镜头的光进入像面并持续所需的时间段；104表示固态图像传感器，其对形成的被摄体图像进行光电转换。应当指出，固态图像传感器104的主要的例子是CCD区域传感器。
近年来，越来越多地使用X-Y地址型CMOS区域传感器作为图像传感器。因此，下面说明使用CMOS区域传感器的摄像装置。
附图标记105表示图像传感器驱动电路，其提供具有一定幅值的脉冲用于驱动CMOS区域传感器；106表示CDS电路，其用于对来自CMOS区域传感器的输出进行相关双采样；107表示AGC电路，其用于放大来自CDS电路的输出信号。当使用者根据偏好改变摄像机的感光度设置时，或者当摄像机在低亮度处自动增大增益时，AGC电路的增益设置改变。
附图标记108表示箝位电路，其用于在来自AGC电路的输出信号中将OB(optical black，光学黑体)电位(稍后说明)箝位为基准电位；109表示A/D转换电路，其用于将从箝位电路输出的模拟图像传感信号转换为数字信号。
附图标记110表示视频处理电路，其具有将转换后的数字图像传感信号处理为亮度和颜色视频信号(例如R-Y和B-Y，或者R、G和B信号的色差信号)的视频信号处理电路111。视频处理电路110还具有测光电路112，其根据从CMOS区域传感器输入的信号的电平进行测光。视频处理电路110还具有WB(white balance，白平衡)电路等(未示出)，其基于从CMOS区域传感器输入的信号测量被摄体的色温以提取用于在视频信号处理电路111中进行白平衡的信息。
附图标记113表示定时脉冲产生电路，其对摄像机中的每一个电路产生定时脉冲；114表示CPU，其用于控制摄像机。为了基于来自上述测光电路112的信息控制感光度和曝光，CPU 114具有指示改变上述AGC电路107的增益并指示曝光控制电路116如何进行曝光的功能。
图2是示出传统的使用CMOS区域传感器的摄像装置的电路图。
单位胞元(unit cell)排列在二维矩阵中，单位胞元中的每一个具有放大来自光电二极管201的检测信号的放大晶体管202、选择要读取信号的行的垂直选择晶体管203、以及复位信号电荷的复位晶体管204。应当指出，在图2中，胞元排列在3×3的矩阵中。然而，实际上排列了更多的单位胞元。
水平地址线206从垂直移位电阻器205水平地连接到垂直选择晶体管203的栅极以选择要读取信号的行。相同地，复位线207从垂直移位电阻器205水平地连接到复位晶体管204的栅极。放大晶体管202的源极连接到沿列方向连接的垂直信号线208，负载晶体管209连接到垂直信号线208的一端。垂直信号线208的另一端经由根据从水平移位电阻器210提供的选择脉冲所驱动的水平选择晶体管212连接到水平信号线211。
如图3所示，固态图像传感器具有有效图像传感像素区301和用于调整光学黑体基准的OB像素区302。在OB像素区302中，用铝等对排列在固态图像传感器的外框部分中的光电转换元件(像素)遮光。来自遮光区的输出用作光学黑体基准以进行视频调整，即所谓的箝位处理。
用这种传统的摄像装置拍摄运动图像时，每个帧周期读取一次累积在每一个光电转换元件中的电荷，在所拍摄的视频的一个帧中包含一个图像。在这种情况下，如图4中的A所示，在1H(水平同步)周期中读取一次OB像素区中的输出信号。
在给出的摄像装置中，通过读取OB像素区中的相同位置进行稳定的OB箝位操作，而与任意区和像素信号的读取模式无关，因此优选抑制FPN(fixed pattern noise，固定模式噪声)(参见日本特开平9-366193号公报)。
此外，日本特开平9-163236号公报公开了一种摄像装置，这种摄像装置使用具有在有效图像传感区的外框部分遮光的OB像素区的X-Y地址型固态图像传感器，并且可以在有效图像传感区中以每任意数量的像素读取一次像素或者读取全部像素的模式来驱动这种摄像装置。使用这种方法，当以稀疏模式每任意数量的像素读取一次有效图像传感区中的像素时，可以通过使OB像素区中的像素稀疏即数量骤减来以低速率读取OB像素区，或者即使当以稀疏模式每任意数量的像素读取一次有效图像传感区中的像素时，也可以读取OB像素区而不稀疏OB像素区中的像素。
近年来，对尤其影响运动图像拍摄操作特性的帧频进行了考虑。市场在例如数字摄像机或者数字便携式摄像放像一体机(camcorder)的摄像装置中需要大小为VGA(640(水平)×480(垂直)像素)或者更高的高分辨率运动图像。
为了拍摄高分辨率的运动图像，必须对图像传感器的每一个帧读取更大数量的像素信号。因此，难以以高帧频拍摄运动图像。
作为一般的以相同的模式读取整个帧的驱动方法，可以使用如图4中的B所示的将像素稀疏到1/2的稀疏模式和如图4中的C所示的将像素稀疏到1/4的稀疏模式。具有这些读取模式的摄像装置必须设定OB像素区从而保证在最高稀疏率时的充足的OB箝位时间。应当指出，“OB箝位”表示从有效图像传感区中的信号中减去OB像素区中的信号，以从图像信号除去在像素中产生的暗电流成分的操作。由于必须读取特定数量的OB像素用于有效的OB箝位，因此需要特定的时间段(OB箝位时间)以读取所需数量的OB像素。
然而，在具有多个读取模式的摄像装置中，当如上所述设定OB像素区以保证在最高稀疏率时的充足的OB箝位时间(所要读取的OB像素的数量)时，在高分辨率视频拍摄时难以设定高帧频。这是因为当如上所述设定OB像素区时，在以低稀疏率读取时，例如在读取全部像素时，所要读取的OB像素的数量增加。进行OB箝位耗费非常长的时间，因此延长了每帧的信号读取时间。当沿水平方向进行例如二像素加法或者四像素加法的像素加法时，也出现相同的问题。
发明内容
本发明是考虑到以上问题而做出的，其目的在于即使在具有多个读取模式的摄像装置中，也防止在高分辨率视频拍摄时的帧频减小。
为了解决以上问题并实现以上目的，根据本发明的第一方面，摄像装置包括：摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及驱动单元，其进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第二分辨率的信号的第二操作。
根据本发明的第二方面，摄像装置包括：摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及驱动单元，其进行基于所述有效图像传感区中从一行的一端到另一端的区域的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和从所述摄像元件读取所述遮光区中一行的一部分中的多个连续的光电转换单元的信号的第二操作。
根据本发明的第三方面，摄像装置包括：摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及驱动单元，其以第一模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取部分信号的第二操作，并以第二模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第二分辨率的信号的第三操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第三分辨率的信号的第四操作。
根据本发明的第四方面，摄像装置包括：摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及驱动单元，其以第一模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元以第一读取频率从所述摄像元件读取具有第二分辨率的信号的第二操作，并以第二模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第三分辨率的信号的第三操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元以低于所述第一读取频率的第二读取频率从所述摄像元件读取具有低于所述第二分辨率的第四分辨率的信号的第四操作。
附图说明
图1是示出传统的摄像装置的示意性配置的框图；
图2是传统的CMOS固态图像传感器的电路图；
图3是示出传统的固态图像传感器的示意性配置的视图；
图4中的A～C是用于从传统的固态图像传感器读取信号的时间图；
图5中的A～C是根据本发明实施例用于从固态图像传感器读取信号的时间图；
图6是示出根据第一实施例的摄像装置的框图；
图7是根据第一实施例的固态图像传感器的示意性视图；
图8中的A～E是根据第一实施例用于驱动摄像装置的时间图；
图9是示出根据第二实施例的摄像装置的框图；
图10是根据第二实施例的固态图像传感器的示意性视图；以及
图11中的A～C是根据第二实施例用于驱动摄像装置的时间图。
具体实施方式
下面说明本发明的优选实施例。
首先说明本发明的实施例的概要。
根据本发明的实施例，即使在拍摄高分辨率运动图像时，具有多个读取模式的摄像装置也可以实现高帧频。即，如图5中的A～C所示，使全部OB箝位时间近似等于最高帧频时的驱动模式中的箝位时间，以缩短OB(光学黑体)像素区的读取周期。为了达到该高帧频，在有效图像传感像素区和OB像素区之间改变信号读取模式和读取频率，或者中断OB像素区中的读取操作，或者从OB像素区的中间开始该读取操作。
应当指出，在OB像素区中，用铝等对固态图像传感器的外框部分中的光电转换元件(像素)遮光。因此，下文中OB像素区也称为“遮光像素区”。
根据本发明的实施例，将相同的方法应用于摄像装置，该摄像装置在胞元中同时对来自两个垂直邻接的光电转换单元的信号进行相加，并且可以切换各种加法读取模式。例如，各种加法读取模式包括对来自垂直排列的光电转换单元的信号进行相加并读取加法结果的方法，以及对来自水平排列的光电转换单元的信号进行相加并读取加法结果的方法。
例如，日本特开平9-46596号公报公开了一种在胞元中同时对来自两个垂直排列的光电转换单元的信号进行相加的技术。例如，日本特开2000-59696号公报公开了一种技术，这种技术切换对来自垂直排列的光电转换单元的信号进行相加以读取加法结果的模式，和对来自水平排列的光电转换单元的信号进行相加以读取加法结果的模式。
下面详细说明本发明的实施例。
第一实施例
图6是示出根据本发明的第一实施例的摄像装置的示意性配置的框图。箭头EA表示用于控制驱动模式的控制信号。应当指出，其余配置的概要与图1所示的现有技术相同。因此，图6中相同的附图标记表示与图1相同的组件，省略其说明。主要是第一实施例中的操作与图1所示的现有技术中的操作不同。
图7是根据第一实施例的固态图像传感器的示意性视图。该图像传感器包括排列在二维矩阵中的光接收像素，使用从左上角开始的i(行)×j(列)的矩阵来表示光接收像素的位置。应当指出，在图7中，位于从最上端开始的第i行和从左端开始的第j列的像素的位置表示为(j，i)。当要读取全部像素时，从像素(1，1)开始向右读取信号。读取一个水平行之后，依次读取下一个水平行。
在这种情况下，摄像装置具有多个驱动模式。在最高帧频时的驱动模式是将像素稀疏到1/2的稀疏读取模式。
图8中的A是图7所示的摄像装置的驱动时间图，示出当以全部像素读取模式驱动全部区时，从CMOS区域传感器读取信号像素的状态。在这种情况下，附图标记BL表示OB箝位时间(对OB像素的读取时间)。
图8中的B是示出以最高稀疏率稀疏并读取图像传感像素区和OB像素区中的像素的状态的时间图。在上述摄像装置中，对两个OB像素的读取时间足以作为箝位时间。在这种情况下，设定OB像素区使得可以以最高稀疏率读取两个像素，将该最小OB箝位时间定义为BL-MIN。
在这种情况下，当要从如图8中的A所示的整个帧读取全部像素时，读取了四个OB像素，浪费了用于读取两个OB像素的时间。为了克服这个问题，根据第一实施例，改变OB像素区的驱动方案，使得当以全部像素读取模式驱动整个帧中的全部像素时，仅读取两个OB像素。因此，可以将对每一个水平行的读取周期缩短BL和BL-MIN之间的差。
图8中的C是当在图像传感像素区中读取全部像素，并以最高帧频用稀疏模式驱动OB像素区时的时间图，其中沿水平方向将像素稀疏到1/2。因此，可以通过减少要在OB像素区中读取的像素的数量来缩短对每一个水平行的读取周期。其结果是，在具有多个驱动模式的摄像装置中，在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中缩短了OB读取周期，从而实现了高帧频。
在第一实施例中，与有效图像传感像素区的驱动模式无关地，仅当控制信号EA为on时，以最高帧频驱动OB像素区。因此，在具有多个模式的摄像装置中，在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中缩短了OB读取周期，从而实现了高帧频。
如图8中的D所示，仅当控制信号EA为on时，可以提高OB像素区的读取频率，可以设定OB像素区的读取周期BL近似等于最高帧频时的OB像素区的读取周期BL-MIN。在这种情况下，也在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中缩短了OB读取周期，从而实现了高帧频。
在以上方法中，必须结合用于控制信号EA的新的电路，电路配置可能变得复杂。为了克服这个问题，如图8中的E所示，可以在最高帧频时OB像素区中的读取周期BL-MIN过去之后，中断OB像素区的读取操作。在这种情况下，也在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中缩短了OB读取周期，从而实现了高帧频。
当在读取有效图像传感像素区中的信号之前，要在一个水平行中读取OB像素区中的信号时，可以在用于保证预定时间段(BL-MIN)的定时从OB像素区的中间开始读取操作。因此，也在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中缩短了OB读取周期，从而实现了高帧频。
将操作时序的内容作为程序代码存储在数字摄像机中的任意存储介质(未示出)中，并由数字摄像机中的CPU等读取并执行。
第二实施例
图9是示出根据本发明第二实施例的摄像装置的示意性配置的框图。箭头DCL表示用于在像素加法中控制AGC电路107的增益的控制信号。应当指出，其余配置的概要与图1所示的现有技术相同。因此，图9中相同的附图标记表示与图1相同的组件，省略其说明。主要是第二实施例中的操作与图1所示的现有技术中的操作不同。图10是根据第二实施例的固态图像传感器的示意性视图。
在第二实施例中，图像传感器具有四种模式，即全部像素读取模式、垂直二像素加法模式、水平二像素加法模式和四像素加法模式(水平×垂直)。在这种情况下，由于对用于每一个水平行的读取方法进行考虑，因此下面不说明除了水平二像素加法模式之外的像素加法模式。因此，下面说明全部像素读取模式和水平二像素加法读取模式。
图11中的A是与第一实施例类似的当要在全部区中读取全部像素时的时间图。图11中的B是水平二像素加法模式中的时间图，在该模式中，因为像素加法，所以要一次读取的电荷量变成全部像素读取模式的两倍。
考虑到这一点，在图11中的C中，读取全部像素而不在有效图像传感区中进行水平二像素加法，而仅在OB像素区中进行水平二像素加法。在像素加法中，每像素周期的信号量变成全部像素读取模式中的信号量的两倍。因此，考虑到这一点必须在OB区中进行箝位处理。更具体地，在AGC电路中，在读取OB像素区中的信号时，从定时脉冲产生电路发送矩形脉冲DCL。之后，仅当DCL为on时，通过以相加的像素数(在二像素加法中为2)除增益来减小AGC的增益。因此，在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中缩短了OB读取周期，从而实现了高帧频。将该操作的内容作为程序代码存储在数字摄像机中的任意存储介质(未示出)中，并由数字摄像机中的CPU等读取并执行。
如上所述，在具有多个读取模式的摄像装置中，信号读取模式在有效图像传感像素区和OB像素区之间改变，在除了最高帧频时的驱动模式之外的全部模式中可以缩短OB读取周期，从而实现高帧频。当读取频率在有效像素区和OB像素区之间改变时，或者当中断OB像素区中的读取操作，或从OB像素区的中间开始该读取操作时，可以得到相同的效果。
其他实施例
即使通过向系统或者装置提供存储有用于实现上述实施例的功能的软件程序代码的存储介质(或者记录介质)，并使系统或者装置的计算机(或者CPU或者MPU)读出并执行存储在存储介质中的程序代码，也可以达到本发明的目的。在这种情况下，从存储介质读出的程序代码通过其自身实现上述实施例的功能，存储有该程序代码的存储介质构成本发明。不仅当由计算机执行读出的程序代码时，而且当在计算机上运行的操作系统(OS，operatingsystem)根据程序代码的指令进行部分或者全部实际处理时，也实现上述实施例的功能。
当将从存储介质读出的程序代码写入插入计算机的功能扩展卡或者连接到计算机的功能扩展单元的存储器，并且功能扩展卡或者功能扩展单元的CPU根据程序代码的指令进行部分或者全部实际处理时，也实现上述实施例的功能。
当将本发明应用于上述存储介质时，该存储介质存储对应于上述过程的程序代码。
Claims (10)
1.一种摄像装置，包括：
摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及
驱动单元，其进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第二分辨率的信号的第二操作。
2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，所述驱动单元具有第一模式和第二模式，以所述第一模式进行所述第一操作和所述第二操作，以所述第二模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第三分辨率的信号的操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有所述第三分辨率的信号的操作。
3.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，所述第二分辨率与所述第三分辨率相同。
4.一种摄像装置，包括：
摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及
驱动单元，其进行基于所述有效图像传感区中从一行的一端到另一端的区域的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和从所述摄像元件读取所述遮光区中一行的一部分的多个连续的光电转换单元的信号的第二操作。
5.根据权利要求4所述的摄像装置，其特征在于，所述驱动单元具有第一模式和第二模式，以所述第一模式进行所述第一操作和所述第二操作，以所述第二模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第二分辨率的信号的操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有所述第二分辨率的信号的操作。
6.一种摄像装置，包括：
摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及
驱动单元，其以第一模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取部分信号的第二操作，并以第二模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第二分辨率的信号的第三操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第三分辨率的信号的第四操作。
7.根据权利要求6所述的摄像装置，其特征在于，所述第二分辨率与所述第三分辨率相同。
8.一种摄像装置，其特征在于，所述摄像装置包括：
摄像元件，其包括具有多个光电转换单元的有效图像传感区和具有多个被遮光的光电转换单元的遮光区；以及
驱动单元，其以第一模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有第一分辨率的信号的第一操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元以第一读取频率从所述摄像元件读取具有第二分辨率的信号的第二操作，并以第二模式进行基于所述有效图像传感区的多个光电转换单元从所述摄像元件读取具有低于所述第一分辨率的第三分辨率的信号的第三操作、和基于所述遮光区的多个光电转换单元以低于所述第一读取频率的第二读取频率从所述摄像元件读取具有低于所述第二分辨率的第四分辨率的信号的第四操作。
9.根据权利要求8所述的摄像装置，其特征在于，所述第一分辨率与所述第二分辨率相同，所述第三分辨率与所述第四分辨率相同。
10.根据权利要求8所述的摄像装置，其特征在于，所述第一操作的读取频率与所述第三操作的读取频率相同。
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