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CN1429016A - 固体电子图像感应装置及其控制方法 - Google Patents

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CN1429016A
CN1429016A CN02154831A CN02154831A CN1429016A CN 1429016 A CN1429016 A CN 1429016A CN 02154831 A CN02154831 A CN 02154831A CN 02154831 A CN02154831 A CN 02154831A CN 1429016 A CN1429016 A CN 1429016A
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Abstract

一种固体电子图像感应装置及其控制方法，在进行类似闪光灯发光等、需要使CMOS型图像传感器的所有光电二极管同时曝光(闪光灯发光期间Δt)时，通过对CMOS型图像传感器的读取像素进行间隔抽取，使由CMOS型图像传感器所输出的图像信号的量减少。从而可缩短连接在CMOS型图像传感器下级的模拟处理电路中的处理时间Δtp2和帧滞后时间。

Description

固体电子图像感应装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种固体电子图像感应装置及其控制方法以及使用这种固体电子图像感应装置的电子照相机。
背景技术
CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)型及CCD(Charge Coupled Device)型等图像传感器，是把存储在光电转换元件中的信号电荷以行为单位作为一帧的图像信号按顺序输出。由图像传感器所输出的图像信号被输入到放大电路、相关二次取样电路、以及模/数转换电路等模拟处理电路中。在模拟处理电路中的模拟处理结束之前，下一帧的图像信号不能输入到模拟处理电路中。模拟处理电路，由于其处理速度相对较慢，所以至能够输出下一帧图像信号的时间(帧滞后)较长。
尤其是在进行为了得到同一帧图像的曝光中，所有的行的光电转换元件的曝光时间在局部重复时，由于光电转换元件的曝光时间变长，所以造成帧滞后也变长。尤其是在用闪光灯进行摄影时，必须在所有光电转换元件处于曝光的期间发光。因而，当帧滞后较长时，有时闪光灯摄影场面会受到限制。
发明内容
本发明的目的是缩短帧滞后。
本发明之一的固体电子图像感应装置，包括具有配置在拍摄区域的行方向及列方向上的多个光电转换元件、与所述光电转换元件的各列邻接而形成的并将与存储在所述光电转换元件中的信号电荷相当的信号沿垂直方向传输的垂直信号线、设在所述光电转换元件与所述垂直信号线之间的第1半导体元件、将由所述垂直信号线传输来的信号沿水平方向传输的水平信号线、以及设在各列的所述垂直信号线与所述水平信号线之间的第2半导体元件的，将存储在所述光电转换元件中的信号电荷作为图像信号一行一行地从所述水平信号线输出的图像传感器；将读取控制信号提供到所述第1半导体元件及所述第2半导体元件，使在输出1行份的与存储在所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号后输出下1行份的与存储在所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号，并且使各行的所述光电转换元件的曝光时间相等的驱动电路；以及控制所述驱动电路，使图像信号输出量在所有行的所述光电转换元件的曝光时间不形成局部重复时比形成局部重复时要少的控制电路。
本发明之1还提供了一种固体电子图像感应装置的控制方法。即，采用包括配置在拍摄区域的行方向及列方向上的多个光电转换元件、与所述光电转换元件的各列邻接地形成的并将与存储在所述光电转换元件中的信号电荷相当的信号沿垂直方向传输的垂直信号线、设在所述光电转换元件与所述垂直信号线之间的第1半导体元件、将由所述垂直信号线传输来的信号沿水平方向传输的水平信号线、以及设在各列的所述垂直信号线与所述水平信号线之间的第2半导体元件，并且将存储在所述光电转换元件中的信号电荷作为图像信号一行一行地从所述水平信号线输出的图像传感器，以一定的周期使所述光电转换元件曝光，通过驱动电路将读取控制信号提供到所述第1半导体元件及所述第2半导体元件，使其在输出与存储在1行份的所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号后，输出与下1行的存储在所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号，并且使各行的所述光电转换元件的曝光时间相等，并且，控制所述驱动电路，使在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比在不重复时的所输出的图像信号的量要少。
根据本发明之一，在为了取得同一帧图像的曝光时，在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比在不重复时的一帧份的图像信号的信号量要少。由于一帧份的图像信号的信号量少，所以在模拟处理电路中的处理时间变短。因此，可以缩短帧滞后。
另外，也可以使所述的固体电子图像感应装置，进一步包括将闪光灯发光指令提供到闪光灯发光装置，使闪光灯在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间局部重复时的期间发光的闪光灯发光控制电路。
在闪光灯发光时，需要所有的光电转换元件同时曝光。因此必然地，所有的光电转换元件的曝光时间会有局部重复。即使在闪光灯发光时，所述第1开关元件及所述第2开关元件成为导通的数量会减少，因而可以缩短帧滞后。
由于闪光灯发光是在所有的所述光电转换元件的曝光时间局部重复时的期间进行的，所以闪光灯发光就是在所有的光电转换元件存储有信号电荷的时候进行的。从而可以防止图像的局部在闪光灯不发光的时候被拍摄。
另外，所述第1半导体元件，例如是第1开关元件，所述第2半导体元件，例如是第2开关元件，在这种情况下，所述控制电路，是通过控制所述驱动电路，使与所有的行的所述光电转换元件的曝光时间不是局部重复时相比、在重复时的所述第1开关元件及所述第2开关元件中的至少一方的元件成为导通的数量要少。
在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比在不重复时的所述一帧份的图像信号的信号量要少。
另外，所述控制电路，例如，通过控制所述驱动电路，将存储在所述拍摄区域的局部所配置的所述光电转换元件中的信号电荷作为图像信号输出，从而使与所有的行的所述光电转换元件的曝光时间不是局部重复时相比、在重复时的所输出的图像信号的量要少。
另外，所述拍摄区域的局部，最好是所述拍摄区域的中央部分。
另外，所述控制电路，也可以通过控制所述驱动电路，对存储在所述拍摄区域所配置的所述光电转换元件中的信号电荷进行间隔抽取后作为图像信号输出，从而使在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比在不重复时的所输出的图像信号的量要少。
本发明之二的电子照相机，其特征在于，在图像拍摄装置中采用所述的固体电子图像感应装置，并且，具有将由所述固体电子图像感应装置所输出的图像信号(包括模拟图像信号及数字图像数据)存储到存储介质中的存储控制装置。
在本发明之二中，由于也可以缩短帧滞后，所以可以缩短拍摄间隔。可以防止摄影场面被限定的问题。
附图说明
图1是表示数码照相机的电原理构成的方框图。
图2示出了CMOS型图像传感器的电构成。
图3表示CMOS型图像传感器的受光面的局部。
图4是全像素读取的时序图。
图5是图4所示的时序图的局部放大图。
图6表示CMOS型图像传感器的受光面的局部。
图7是1/2像素读取的时序图。
图8是1/2像素读取的时序图。
图9表示CMOS型图像传感器的受光面的局部。
图10表示CMOS型图像传感器的受光面的局部。
其中：1-CMOS型图像传感器；2-光电二极管；3-第1开关元件；4-垂直信号线；5-第2开关元件；6-图像信号线(水平信号线)；7-水平位移寄存器(驱动电路)；8-垂直位移寄存器(驱动电路)；10-控制电路；11-时序发生装置(驱动电路)；12-闪光灯发光装置；20-模拟处理电路。
具体实施方式
图1是表示具有CMOS型图像传感器的数码照相机的电原理构成的方框图。
数码照相机是通过控制电路10对整机的动作进行统一控制的。
数码照相机1，设有闪光灯发光装置12，从而可以进行闪光灯摄影。通过闪光灯发光模式开关13可以设定闪光灯发光模式。当表示闪光灯发光模式信号的信号被输入到控制电路13时，进入闪光灯发光模式，闪光灯发光装置12相应拍摄的时刻进行发光(关于该闪光灯发光时刻的详细情况将在后面叙述)。
由时序发生装置11输出各种时钟脉冲等，并提供到CMOS型图像传感器1中。CMOS型图像传感器1的驱动受到由时序发生装置11所提供的各种时钟脉冲的控制。
当设定为拍摄模式时，由CMOS型图像传感器1以一定的周期对被拍摄对象进行拍摄。表示被拍摄对象图像的图像信号经所定的帧滞后被输出，并被输入到构成模拟处理电路20的放大电路14。帧滞后取决于在模拟处理电路20中一帧份的图像信号的模拟处理的结束时间。在一帧份的图像信号的模拟处理结束之前，通过时序发生装置11控制CMOS型图像传感器1的驱动，使下一帧图像信号不会被输入到模拟处理电路20。需进行模拟处理的一帧份的图像信号的量越多模拟处理所需时间越长，因而帧滞后越长。
在放大电路14中经放大的图像信号，在CDS(Correlated DoubleSampling)及A/D转换电路15中进行相关二次取样处理及模/数转换处理。CDS及A/D转换电路15的输出图像数据成为模拟处理电路20的输出并被输入到信号处理电路16。
在信号处理电路16中，进行增益控制处理、白平衡调整处理、伽马矫正处理、亮度数据及色差数据生成处理等的所定的信号处理。由信号处理电路16所输出的图像数据提供到显示装置(图示略)。在显示装置的显示画面上，就显示出了通过拍摄而得到的被拍摄对象的图像。
在通过闪光灯发光模式开关13设定在闪光灯发光模式的情况下，当按下快门按钮(图示略)时，闪光灯发光装置12在按下快门的时刻进行同步发光。
相应闪光灯拍摄而由如上所述的信号处理电路16所输出的图像数据，经压缩电路17提供到存储器18，并被暂时存储。图像数据被从存储器18中读取后，在压缩电路17中进行jpeg(joint photographic expertsgroup)等的数据压缩。经压缩的图像数据被输出后，存储在存储卡等存储介质中。
图2是表示本发明的实施例，它示出了CMOS型图像传感器1的电构成。
CMOS型图像传感器1，在行方向(480个)及列方向(640个)上具有多个光电二极管(光电转换元件)2。并形成有与光电二极管2的各列邻接的垂直信号线4。在这些垂直信号线4与光电二极管2之间，设有第1开关元件3。
第1开关元件3，按各行共同地与垂直位移寄存器8连接。相应由垂直位移寄存器8所输出的开关控制脉冲，所需的行的第1开关元件3成为导通状态。相应第1开关元件3的导通，存储在光电二极管2中的信号电荷移动到垂直信号线4中。
在CMOS型图像传感器1中，形成有一条图像信号线(水平信号线)6。在该图像信号线6上，经第2开关元件5连接有各列的垂直信号线4。通过将水平位移寄存器7所输出的开关控制脉冲提供到第2开关元件5上，使所需的第2开关元件5导通。通过使第2开关元件5导通，由垂直信号线4所传输的信号被作为图像信号由CMOS型图像传感器1输出。
本实施例的数码照相机，在被设定为闪光灯发光模式时，将进行1/2像素间隔抽取(也可以是其它间隔抽取方法，也可以是抽出的表示局部区域的像素的图像信号)。为了搞清1/2像素间隔抽取与全像素读取的不同之处，首先对全像素读取进行说明。
图3表示CMOS型图像传感器1的受光面的局部。
各区域21与一个一个的光电二极管2对应，并与各像素对应。在光电二极管2的受光面上，设置了具有能透过绿色光成分的特性的G色滤光器(用G表示)，具有能透过红色光成分的特性的R色滤光器(用R表示)，以及具有能透过蓝色光成分的特性的B色滤光器(用B表示)(四方(BEIYA)排列)。
图4是在一帧的全像素读取(读取CMOS型图像传感器1中所有存储在光电二极管2中的信号电荷时)中闪光灯发光时的时序图，图5是图4所示的时序图的局部放大图。
在进行闪光灯发光时，必须在所有的光电二极管2存储有信号电荷的时期(Δts的时间)进行闪光灯发光。也就是说，在闪光灯发光的时刻应使所有的光电二极管2存储有信号电荷。在进行全像素读取中的闪光灯发光时，使光电二极管2的存储时间为包含所有的光电二极管2同时进行电荷存储的时间ΔT1的t。
参照图2～图5，在进行全像素读取时，首先在时刻t11s1，在图2中位于左上端的第1行第1列的光电二极管2被复位。并开始向第1行第1列的光电二极管2存储信号电荷。在图5中向第1行第1列的光电二极管2的信号电荷的存储，从时刻t11s1开始持续到经过时间t1的时刻t11e1为止。到时刻t11e1时，第1行第1列的第1开关元件3导通，则相应存储在光电二极管2中的信号电荷在第1列的垂直信号线4中产生电流。然后，由水平位移寄存器7输出开关控制脉冲使与第1列的垂直信号线4连接的第2开关元件5导通。这样，相应第1行的光电二极管2中的信号电荷的存储量由CMOS型图像传感器1就会输出作为图像信号的电流。由CMOS型图像传感器1输出的图像信号，如上所述，输入模拟处理电路20，进行模拟处理(该模拟处理所需的时间(传输时间)作为处理1表示在图4及图5中)。
同样，在时刻t12s1第1行第2列的光电二极管2被复位，并开始向第1行第2列的光电二极管2存储信号电荷。向第1行第2列的光电二极管2的信号电荷的存储，从时刻t12s1开始持续到经过时间t1的时刻t12e1为止。与上述同样，相应存储在第1行第2列的光电二极管2中的信号电荷所得的图像信号由CMOS型图像传感器1输出。在这之后，在模拟处理电路20中进行模拟处理。
这样，相应存储在第1行的光电二极管2中的信号电荷所得的图像信号由CMOS型图像传感器1输出，并在模拟处理电路20中进行模拟处理。设1行份的模拟处理所需时间为Δtp1。1行份的模拟处理所需时间，无论在哪一行均大致为Δtp1的时间。
只要第1行的图像信号的模拟处理没有结束，就不会进行相应存储在第2行光电二极管2的信号电荷所得的图像信号的模拟处理。因此，向第2行光电二极管2(第2行第1列的光电二极管2)的信号电荷的存储开始时间，就是从第1行的光电二极管2(第1行第1列的光电二极管2)开始经过Δtp1的时刻t21s1。同样，向第3行光电二极管2的信号电荷的存储开始时间，就是从第2行的光电二极管2开始经过Δtp1的时刻t31s1，向第4行光电二极管2的信号电荷的存储开始时间，就是从第3行的光电二极管2开始经过Δtp1的时刻t41s1。
从以上分析可以得出，进行全像素读取时的帧滞后为时间(t1+Δtp1)。
图6表示CMOS型图像传感器1的受光面的局部。
用表示与列方向及行方向邻接的4个RGB像素的图像数据生成一个彩色像素。因而，在进行1/2像素间隔抽取中，把4个RGB的像素看作1个组22，对CMOS型图像传感器1的图像信号读取进行控制，使该组22的像素成为在列方向及行方向每隔1组出现一次的图像。表示为R、G或B的区域21是图像信号被读取的区域，而成为空框的区域21为不被读取的区域。
由垂直位移寄存器8及水平位移寄存器7输出开关控制脉冲，并提供到第1开关元件3及第2开关元件5中，使CMOS型图像传感器1的第(4n(n为大于0的整数)+1)行及第(4n+2)行，读取表示第(4n+1)列及第(4n+2)列的像素的图像信号，使第(4n+3)行及第(4n+4)行，读取表示第(4n+3)列及第(4n+4)列的像素的图像信号。
图7是1/2像素间隔抽取读取时的时序图。
为了分析与全像素读取的差异，将光电二极管2的存储时间设定为与全像素读取时相同的t1。
在1/2像素读取时，由CMOS型图像传感器1输出的图像信号的量，为全像素读取时的一半。因此，模拟处理电路20中的1行份的模拟处理时间，就是全像素读取时的1行份的模拟处理时间的一半(Δtp2＝Δtp1/2)。
通过缩短1行份的模拟处理时间，可以将向光电二极管2的存储开始时间提前该缩短的时间份。例如，若设第1行的光电二极管2的存储开始时刻为t11s2时，则第2行的光电二极管2的存储开时间为t21s2。同样，第3行、第4行的光电二极管2的存储开始时间则分别为t31s2、t41s2。这样，从各行所得的图像信号的量将减少，使模拟处理时间变短，因而，当各行的光电二极管2的存储开始时间提前后，在存储时间为t1时则所有的光电二极管2同时被存储的时间为ΔT2，它与全像素读取时的同时存储时间ΔT1相比要长。
同时存储时间，因只要能包含闪光灯发光时间Δts的程度就可以，所以可以缩短同时存储时间ΔT2。
图8是1/2像素读取时缩短同时存储时间ΔT2时的时序图。
同时存储时间，设定为比闪光灯发光时间Δts稍宽的时间的ΔT3。通过将同时存储时间设定为ΔT3，使每一行的存储时间t2也比全像素读取时的存储时间t1短。其结果，可以将下一帧的拍摄开始时间提前，使帧滞后缩短。
因模拟处理时间为Δtp2，所以第2行的光电二极管2的存储开始时间，就是比第1行的光电二极管2的存储开始时刻t11s3滞后Δtp2的时刻t21s3。同样，第3行的光电二极管2的存储开始时刻及第4行的光电二极管2的存储开始时刻，就分别是比第2行的光电二极管2的存储开始时刻t21s3、及第3行的光电二极管2的存储开始时间t31s3各滞后Δtp2的时刻t31s、t41s。
图9表示在CMOS型图像传感器1的受光面上进行1/9间隔抽取时的情况。
进行1/9间隔抽取时，与第(3n+1)行的像素及第(3n+1)列的像素相当的图像信号被读取，而与其它的第(3n+2)行及第(3n+3)行的像素以及第(3n+2)列及第(3n+3)列的像素相当的图像信号不会被读取。这种读取方式与上述的1/2读取同样，可以通过对开关控制脉冲的输出进行控制使相应的开关控制器件3及5导通来实现。
在这种情况下，由于从CMOS型图像传感器1所输出的图像信号的量比1/2像素读取时进一步减少，所以可以进一步缩短帧滞后。
图10表示在CMOS型图像传感器1的受光面上进行图像电子放大时的情况。
对CMOS型图像传感器1进行控制，使其可以输出取决于存储在与拍摄区域(相当于CMOS型图像传感器1的所有受光面的区域)23中的局部、即图像电子放大区域24相当的光电二极管2中的信号电荷的图像信号。
这种图像电子放大区域，既可以是事先设定好的，也可以是用户设定的。
即使在进行图像电子放大读取时，因从CMOS型图像传感器1所输出的一帧份的图像信号的量会减少，所以也可以缩短帧滞后。无论怎样，只要能减少从CMOS型图像传感器1所输出的图像信号的量即可。
即使在不使闪光灯发光的情况下，当使所有光电二极管2同时存储(曝光)时，不必说也可以使从CMOS型图像传感器1所输出的图像信号的量减少。
在上述实施例中，虽然输出了取决于存储在与拍摄区域23中的图像电子放大区域24相当的光电二极管2中的信号电荷的图像信号，但并不局限于图像电子放大区域24，也可以是输出取决于存储在与拍摄区域23中的局部区域(不仅可以是中央部分，也可以是中央部分以外的部分)相当的光电二极管中的信号电荷的图像信号。例如，也可以检测出被拍摄对象的图像的焦点吻合的区域(需设有焦点吻合区域检测电路)，并输出取决于存储在与焦点吻合的区域相当的光电二极管中的信号电荷的图像信号。
上述实施例，虽然就图像传感器中的CMOS型进行了说明，但不必说，不仅可以是CMOS型图像传感器，也可以是CCD型图像传感器等其它传感器。并且，不仅可应用于采用图像传感器对被拍摄对象进行拍摄的照像机，也可以可应用于所谓的在银盐胶片中具有用光学方法对被拍摄对象进行存储的功能的混合型照相机。另外，不仅可应用于将数字图像数据存储在数字存储介质中的数码照相机，也可以可应用于将模拟图像信号存储在模拟存储介质中的电子照相机。

Claims (8)

1.一种固体电子图像感应装置，其特征在于：包括
具有配置在拍摄区域的行方向及列方向上的多个光电转换元件、与所述光电转换元件的各列邻接而形成的并将与存储在所述光电转换元件中的信号电荷相当的信号沿垂直方向传输的垂直信号线、设在所述光电转换元件与所述垂直信号线之间的第1半导体元件、将由所述垂直信号线传输来的信号沿水平方向传输的水平信号线、以及设在各列的所述垂直信号线与所述水平信号线之间的第2半导体元件，并且将存储在所述光电转换元件中的信号电荷作为图像信号一行一行地从所述水平信号线输出的图像传感器；
将读取控制信号提供到所述第1半导体元件及所述第2半导体元件，使在输出1行份的与存储在所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号后、输出下1行份的与存储在所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号，并且使各行的所述光电转换元件的曝光时间相等的驱动电路；以及
控制所述驱动电路，使图像信号输出量在所有行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比不形成局部重复时要少的控制电路。
2.根据权利要求1所述的固体电子图像感应装置，其特征在于，还包括：将闪光灯发光指令提供到闪光灯发光装置，使闪光灯在所有行的所述光电转换元件的曝光时间局部重复时的期间内发光的闪光灯发光控制电路。
3.根据权利要求1所述的固体电子图像感应装置，其特征在于：所述第1半导体元件是第1开关元件，所述第2半导体元件是第2开关元件，
所述控制电路通过控制所述驱动电路，使所述第1开关元件及所述第2开关元件中的至少一方的元件成为导通的数量在所有行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比不形成局部重复时要少。
4.根据权利要求1所述的固体电子图像感应装置，其特征在于：所述控制电路，通过控制所述驱动电路，将存储在排列设置于所述拍摄区域的局部的所述光电转换元件中的信号电荷作为图像信号输出，从而使在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比形成不重复时所输出的图像信号的量要少。
5.根据权利要求4所述的固体电子图像感应装置，其特征在于：所述拍摄区域的局部是所述拍摄区域的中央部分。
6.根据权利要求1所述的固体电子图像感应装置，其特征在于：所述控制电路，通过控制所述驱动电路，对存储在所述拍摄区域所配置的所述光电转换元件中的信号电荷进行间隔抽取后作为图像信号输出，从而使在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比在不形成重复时的所输出的图像信号的量要少。
7.一种电子照相机，其特征在于，在图像拍摄装置中采用权利要求1所述的固体电子图像感应装置，并且，
具有将由所述固体电子图像感应装置所输出的图像信号存储到存储介质中的存储控制装置。
8.一种固体电子图像感应装置的控制方法，采用包括配置在拍摄区域的行方向及列方向上的多个光电转换元件、与所述光电转换元件的各列邻接地形成的并将与存储在所述光电转换元件中的信号电荷相当的信号沿垂直方向传输的垂直信号线、设在所述光电转换元件与所述垂直信号线之间的第1半导体元件、将由所述垂直信号线传输来的信号沿水平方向传输的水平信号线、以及设在各列的所述垂直信号线与所述水平信号线之间的第2半导体元件，并且将存储在所述光电转换元件中的信号电荷作为图像信号一行一行地从所述水平信号线输出的图像传感器，以一定的周期使所述光电转换元件曝光，
其特征在于，由驱动电路将读取控制信号提供到所述第1半导体元件及所述第2半导体元件，使其在输出与存储在1行份的所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号后，输出与下1行份的存储在所述光电转换元件中的信号电荷所对应的图像信号，并且使各行的所述光电转换元件的曝光时间相等，
并且，控制所述驱动电路，使在所有的行的所述光电转换元件的曝光时间形成局部重复时比在不重复时的所输出的图像信号的量要少。
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