圖像捕獲裝置和圖像捕獲裝置的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用以CMOS圖像傳感器為代表的圖像傳感器的圖像捕獲裝置和圖像捕獲裝置的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，越來越多的電子照相機(jī)和視頻照相機(jī)包括安裝在其上的CMOS圖像感測(cè)設(shè)備。通常使用的CMOS圖像感測(cè)設(shè)備采用如下方案:逐行依次讀出在按照二維矩陣排列的像素的光電轉(zhuǎn)換單元中生成并累積的信號(hào)電荷。近年來，提出了在同一定時(shí)累積信號(hào)電荷的同時(shí)圖像捕獲功能(全局快門功能)，并且具有全局快門功能的CMOS圖像感測(cè)元件的應(yīng)用也越來越多。
[0003]根據(jù)日本特開第2011-217315號(hào)公報(bào)，在各個(gè)像素中配設(shè)有串聯(lián)排列的作為電荷保持單元的多個(gè)CCD，并且通過獲得具有不同累積時(shí)間段的信號(hào)來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍。然而，在包括越來越多的像素的固態(tài)圖像捕獲裝置中，在單個(gè)像素中配設(shè)多個(gè)CCD，導(dǎo)致作為光電轉(zhuǎn)換單元的光電二極管部分的尺寸減小，因此可能使靈敏度降低。
[0004]根據(jù)日本特開第2011-217315號(hào)公報(bào)，即使使用全局快門，也一次針對(duì)一行進(jìn)行從傳感器的輸出，因此獲得具有不同累積時(shí)間段的信號(hào)花費(fèi)很長(zhǎng)的讀出時(shí)間段。此外，根據(jù)日本特開第2011-217315號(hào)公報(bào)，電荷保持部分布置在第一芯片的像素中的各個(gè)中，因此光電二極管部分的尺寸等同于傳統(tǒng)相應(yīng)部分的尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]考慮到上面的情形作出了本發(fā)明，本發(fā)明在不減小光電二極管部分的尺寸的情況下，提供具有寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像。
[0006]根據(jù)本發(fā)明，提供一種圖像捕獲裝置，其包括:圖像傳感器，其包括多個(gè)像素，所述像素中的各個(gè)包括:光電轉(zhuǎn)換單元；多個(gè)電荷累積單元，用于累積在所述光電轉(zhuǎn)換單元中生成的電荷；控制單元，被構(gòu)造為對(duì)電荷在所述多個(gè)電荷累積單元中的各個(gè)中的累積進(jìn)行控制；以及讀出單元，被構(gòu)造為從所述多個(gè)電荷累積單元中的各個(gè)中，讀出與電荷相對(duì)應(yīng)的信號(hào)；以及生成單元，被構(gòu)造為根據(jù)分別從所述多個(gè)電荷累積單元中讀出的信號(hào)，生成所述像素中的各個(gè)的信號(hào)，其中，所述光電轉(zhuǎn)換單元形成在第一芯片中，并且所述多個(gè)電荷累積單元、所述控制單元和所述讀出單元形成在第二芯片中。
[0007]此外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種圖像捕獲裝置，其包括:圖像傳感器，其包括多個(gè)像素，所述像素中的各個(gè)包括:光電轉(zhuǎn)換單元；多個(gè)電荷累積單元，用于累積在所述光電轉(zhuǎn)換單元中生成的電荷；電荷保持單元，被構(gòu)造為保持從所述多個(gè)電荷累積單元傳送的電荷；控制單元，被構(gòu)造為對(duì)電荷在所述多個(gè)電荷累積單元中的各個(gè)中的累積進(jìn)行控制；傳送單元，被構(gòu)造為將電荷從所述多個(gè)電荷累積單元傳送到所述電荷保持單元；以及讀出單元，被構(gòu)造為讀出與保持在所述電荷保持單元中的電荷相對(duì)應(yīng)的信號(hào)中的各個(gè)；以及生成單元，被構(gòu)造為根據(jù)從所述電荷保持單元中讀出的信號(hào)，生成所述像素中的各個(gè)的信號(hào)，其中，所述光電轉(zhuǎn)換單元形成在第一芯片中，并且所述多個(gè)電荷累積單元、所述電荷保持單元、所述控制單元、所述傳送單元和所述讀出單元形成在第二芯片中。
[0008]此外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種圖像捕獲裝置的控制方法，所述圖像捕獲裝置包括:圖像傳感器，其包括多個(gè)像素，所述像素中的各個(gè)包括:光電轉(zhuǎn)換單元和用于累積在所述光電轉(zhuǎn)換單元中生成的電荷的多個(gè)電荷累積單元、控制單元和讀出單元，其中，所述光電轉(zhuǎn)換單元形成在第一芯片中，并且所述多個(gè)電荷累積單元、所述控制單元和所述讀出單元形成在第二芯片中，所述控制方法包括:電荷累積步驟，通過所述控制單元對(duì)電荷在所述多個(gè)電荷累積單元中的各個(gè)中的累積進(jìn)行控制；讀出步驟，通過所述讀出單元從所述多個(gè)電荷累積單元中的各個(gè)中，讀出與電荷相對(duì)應(yīng)的信號(hào)；以及生成步驟，通過生成單元根據(jù)在所述讀出步驟中分別從所述多個(gè)電荷累積單元中讀出的信號(hào)，生成所述像素中的各個(gè)的信號(hào)。
[0009]此外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種圖像捕獲裝置的控制方法，所述圖像捕獲裝置包括:圖像傳感器，其包括多個(gè)像素，所述像素中的各個(gè)包括:光電轉(zhuǎn)換單元；多個(gè)電荷累積單元，用于累積在所述光電轉(zhuǎn)換單元中生成的電荷；電荷保持單元，被構(gòu)造為保持從所述多個(gè)電荷累積單元傳送的電荷；控制單元；傳送單元；以及讀出單元，其中，所述光電轉(zhuǎn)換單元形成在第一芯片中，并且所述多個(gè)電荷累積單元、所述電荷保持單元、所述控制單元、所述傳送單元和所述讀出單元形成在第二芯片中，所述控制方法包括:控制步驟，通過所述控制單元對(duì)電荷在所述多個(gè)電荷累積單元中的各個(gè)中的累積進(jìn)行控制；傳送步驟，通過所述傳送單元將電荷從所述多個(gè)電荷累積單元傳送到所述電荷保持單元；以及讀出步驟，通過所述讀出單元讀出與保持在所述電荷保持單元中的電荷相對(duì)應(yīng)的信號(hào)中的各個(gè)；以及生成步驟，通過生成單元根據(jù)分別從所述電荷保持單元中讀出的信號(hào)，生成所述像素中的各個(gè)的信號(hào)。
[0010]通過以下對(duì)示例性實(shí)施例的描述(參照附圖)，本發(fā)明的其他特征將變得清楚。
【附圖說明】
[0011]包含在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分的附圖例示了本發(fā)明的實(shí)施例，并且與文字說明一起用來解釋本發(fā)明的原理。
[0012]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像捕獲裝置的示意性配置的框圖；
[0013]圖2是根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器的疊置結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0014]圖3是示出根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器的配置的框圖；
[0015]圖4A和4B分別是根據(jù)第一實(shí)施例的像素的等效電路圖和截面圖；
[0016]圖5是示出根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的像素驅(qū)動(dòng)模式的時(shí)序圖；
[0017]圖6是根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)的電位轉(zhuǎn)變圖；
[0018]圖7是示出根據(jù)第一實(shí)施例的像素驅(qū)動(dòng)模式的時(shí)序圖；
[0019]圖8是根據(jù)第一實(shí)施例的電位轉(zhuǎn)變圖；
[0020]圖9A和9B是例示根據(jù)第一實(shí)施例的像素信號(hào)電平和輸出選擇的圖；
[0021]圖10是例示根據(jù)第一實(shí)施例的圖像傳感器的讀出控制的流程圖；
[0022]圖11是示出根據(jù)第二實(shí)施例的像素驅(qū)動(dòng)模式的時(shí)序圖；
[0023]圖12是根據(jù)第二實(shí)施例的電位轉(zhuǎn)變圖；
[0024]圖13A和13B是示出根據(jù)第二實(shí)施例的像素信號(hào)電平和輸出選擇的圖；
[0025]圖14是例示根據(jù)第二實(shí)施例的圖像傳感器的讀出控制的流程圖；
[0026]圖15是示出根據(jù)第三實(shí)施例的圖像傳感器的配置的框圖；
[0027]圖16A和16B是示出根據(jù)第三實(shí)施例的像素信號(hào)電平和輸出選擇的圖；
[0028]圖17是例示根據(jù)第三實(shí)施例的圖像傳感器的讀出控制的流程圖；
[0029]圖18是示出根據(jù)第四實(shí)施例的像素驅(qū)動(dòng)模式的時(shí)序圖；
[0030]圖19是根據(jù)第四實(shí)施例的電位轉(zhuǎn)變圖；
[0031]圖20是例示根據(jù)第四實(shí)施例的圖像傳感器的讀出控制的流程圖；
[0032]圖21是示出根據(jù)第五實(shí)施例的圖像傳感器的配置的框圖；
[0033]圖22是根據(jù)第五實(shí)施例的像素的等效電路圖；
[0034]圖23是示出根據(jù)第五實(shí)施例的像素驅(qū)動(dòng)模式的時(shí)序圖；
[0035]圖24是根據(jù)第五實(shí)施例的電位轉(zhuǎn)變圖；
[0036]圖25是例示根據(jù)第五實(shí)施例的圖像傳感器的讀出控制的流程圖；
[0037]圖26A和26B是例示根據(jù)第六實(shí)施例的加法控制的圖；
[0038]圖27是例示根據(jù)第六實(shí)施例的圖像傳感器的讀出控制的流程圖；以及
[0039]圖28是示意性地示出根據(jù)第七實(shí)施例的移動(dòng)電話的配置的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]將根據(jù)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0041]〈第一實(shí)施例〉
[0042]圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像捕獲裝置的配置的框圖。圖像捕獲裝置主要包括圖像處理裝置100、諸如存儲(chǔ)卡或硬盤的記錄介質(zhì)200和鏡頭單元300。
[0043]鏡頭單元300包括拍攝透鏡310、光圈312、鏡頭卡口 316、鏡頭控制單元320和連接器322。鏡頭卡口 316機(jī)械地將鏡頭單元300連接到圖像處理裝置100的鏡頭卡口 106。連接器322經(jīng)由圖像處理裝置100側(cè)的連接器122電連接到圖像處理裝置100。鏡頭控制單元320經(jīng)由連接器322和122接收來自圖像處理裝置100的信號(hào)，并且通過根據(jù)接收到的信號(hào)改變拍攝透鏡310在光軸上的位置，來進(jìn)行焦點(diǎn)調(diào)節(jié)。鏡頭控制單元320以相同的方式接收來自圖像處理裝置100的信號(hào)，并且對(duì)光圈312的打開進(jìn)行控制。
[0044]在圖像處理裝置100中，當(dāng)鏡130處于光軸上時(shí)，經(jīng)由鏡130和131形成使得入射的入射光的圖像，并且用戶能夠從光學(xué)取景器104檢查捕獲的靜止圖像的構(gòu)圖。圖像傳感器1400包括下面將描述的列AD電路和定時(shí)控制塊，當(dāng)鏡130從光軸縮回時(shí)，其對(duì)使得經(jīng)由鏡頭單元300入射的光學(xué)圖像進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？扉T12控制對(duì)圖像傳感器1400的曝光量。
[0045]模擬前端(AFE) 1700包含將從圖像傳感器1400輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換器。定時(shí)發(fā)生器(TG) 1800向圖像傳感器1400和AFE 1700的A/D轉(zhuǎn)換器提供時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)。系統(tǒng)控制電路50 (下文中稱為“CPU”)進(jìn)行包括圖像處理的對(duì)圖像處理裝置100的總體控制。
[0046]監(jiān)視器1200由液晶顯示器(IXD)等構(gòu)成，其能夠顯示現(xiàn)場(chǎng)圖像和捕獲的靜止圖像。快門開關(guān)61用來指示捕獲靜止圖像，其具有二階段配置。響應(yīng)于到第一階段的淺按下的操作或者所謂的半按下操作，進(jìn)行自動(dòng)焦點(diǎn)調(diào)節(jié)以及在捕獲之前的狀態(tài)下由自動(dòng)曝光機(jī)構(gòu)進(jìn)行的包括快門速度和光圈數(shù)值的設(shè)置的自動(dòng)曝光控制。響應(yīng)于到第二階段的深按下的操作或者所謂的全按下操作，操作快門12以進(jìn)行捕獲操作。運(yùn)動(dòng)圖像記錄開始/停止開關(guān)62用來指示記錄運(yùn)動(dòng)圖像，在指示開始記錄之后，連續(xù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像記錄操作。
[0047]電源開關(guān)60用于在圖像處理裝置100的電源接通和電源斷開之間進(jìn)行切換。另夕卜，能夠相應(yīng)地對(duì)諸如鏡頭單元300、外部閃光燈和記錄介質(zhì)200的連接到圖像處理裝置100的各種附加設(shè)備的電源接通和電源斷開的設(shè)置進(jìn)行切換。
[0048]易失性存儲(chǔ)器(RAM) 70臨時(shí)記錄從圖像傳感器1400輸出的圖像數(shù)據(jù)和在圖像處理單元72中進(jìn)行了圖像處理的圖像數(shù)據(jù)。RAM 70還具有CPU 50的工作存儲(chǔ)器的功能。非易失性存儲(chǔ)器(ROM) 71存儲(chǔ)在CPU50進(jìn)行操作時(shí)使用的程序。圖像處理單元72進(jìn)行諸如對(duì)靜止圖像進(jìn)行校正和壓縮的處理。當(dāng)如下面所描述的，存在來自各個(gè)像素的多個(gè)輸出時(shí)，像素輸出選擇單元73從這些輸出中選擇適當(dāng)電平的輸出。當(dāng)如下面所描述的，存在來自各個(gè)像素的多個(gè)輸出時(shí)，像素相加單元74將這些輸出相加。
[0049]電源控制單元80例如由電池檢測(cè)電路、DC-DC轉(zhuǎn)換器和用于切換要對(duì)其施加電流的塊的切換電路構(gòu)成。此外，電源控制單元80檢測(cè)電池的安裝、電池的類型和剩余電池電力，基于檢測(cè)的結(jié)果和來自CPU 50的指令對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，并且在需要的時(shí)間段內(nèi)對(duì)包括記錄介質(zhì)的各個(gè)部分提供需要的電壓。電源控制單元80經(jīng)由連接器82和84連接到電源單元86。電源單元86由諸如堿性電池或者鋰電池的一次電池、諸如鋰離子電池的二次電池、AC適配器等構(gòu)成。
[0050]接口 90與經(jīng)由連接器92電連接到其的記錄介質(zhì)200進(jìn)行通信。記錄介質(zhì)200是諸如存儲(chǔ)卡或硬盤的記錄介質(zhì)，其包括由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁盤等構(gòu)成的記錄單元252和到圖像處理裝置100的連接器256。
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