專利名稱：固態圖象讀取裝置及其驅動方法和攝像系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種固態圖象讀取裝置及其驅動方法和攝像系統，并尤其涉及一種利用以MOS型圖象傳感器為代表的XY地址型固態圖象讀取元件的固態圖象讀取裝置及其驅動方法，和利用XY地址型固態圖象讀取元件作為圖象讀取裝置的攝像系統，如數字靜態攝像機。
在以數字靜態攝像機為代表的靜態圖片的圖象讀取技術中，把包括大量象素的固態圖象讀取元件用作一個圖象讀取裝置，并且所有象素的象素信息都獨立地讀出，從而獲得一個靜態的圖象。例如，在數字靜態攝像機中，因為需要通過釋放快門來攝取高精密度的靜態圖片，所以使用包括多個象素的固態圖象讀取元件。
另一方面，在攝取靜態圖片之前，一般通過在例如小屏幕的液晶監視器上投影動態圖片(目標圖象)而執行確認(監視)目標的操作。在確認目標的階段(監視模式)，響應于液晶監視器的象素數量的草圖(低分辨率圖象)是令人滿意的。
此外，在便攜設備如數字靜態攝像機的圖象傳輸中，傳輸的數字速率是有限的。因此，對于靜態圖片，傳輸所有象素的象素信息以獲得高精細圖象，對于動態圖象，疏散(thin out)象素信息以減小信息量并傳輸。
迄今為止，作為單片彩色攝像機，一般使用電荷遷移型固態圖象讀取元件，如一個CCD(電荷耦合裝置)型圖象傳感器。另一方面，近年來開始使用一種XY地址型固態圖象讀取元件，如MOS型圖象傳感器，從降低電工耗和縮小系統尺寸方面來說，它比CCD型圖象傳感器更為有利。
順便說一下，在單片彩色攝像機中，在CCD型圖象傳感器用作圖象讀取裝置情形中的象素信息的疏散處理中，例如采用這樣一種方法，即當從圖象傳感器中讀出所有象素的象素信息后，通過外部信號處理系統疏散象素信息。另外，在使用例如MOS型圖象傳感器作為圖象讀取裝置的彩色攝像機中，在CCD型圖象傳感器中采用了疏散讀取法。
如此采用疏散讀取法-其中在從圖象傳感器中讀出所有象素的象素信息后，通過外部信號處理系統疏散象素信息的原因如下原因如下(1)保持彩色濾色片的顏色的空間分布和輸出順序同時疏散象素信息是不可能的，(2)通過把一個標準的移位寄存器用作選取象素的選取裝置而連續地選通象素，(3)CCD型圖象傳感器只能夠依次從象素中讀出信號電荷，等等。
作為一個例子，當考慮每隔一個象素的象素信息被疏散的情形時，如果沒有顏色差異，可以在縱向(垂直)和橫向(水平)每個方向上壓縮信息量一半。但是，如圖9所示，在各個象素之間存在顏色差異的情形中，如果每隔一個象素的象素信息被疏散，則只從斜線部分的象素中讀出象素信息，并且只從例如B(藍色)部分中讀出象素信息，以致于不能獲得彩色圖象。
從這些原因來看，在利用CCD型圖象傳感器或MOS型圖象傳感器作為圖象讀取裝置的單片彩色攝像機中，當從圖象傳感器中讀出所有象素的圖象信息之后，通過外部信號處理系統執行象素信息的疏散處理。但是，在這種情況下，盡管通過疏散處理減少信息量這一事實，因為圖象傳感器的驅動功率恒定，所以不能減少消耗的電功率，相反，負荷因此施加到后續階段的信號處理系統中。
特別是，在使用MOS型圖象傳感器作為圖象讀取裝置的單片彩色攝像機中，因為比CCD型圖象傳感器優越的地方在于如前所述地降低了功耗以及縮小了系統，所以在象素信息量減少的情況下，如果減少了功耗而不給后續階段的信號處理系統成正比地施加負荷，則可以說意義是非常重大的。
鑒于上述問題提出了本發明，本發明的目的因此在于提供一種固態圖象讀取裝置，它能夠減少功耗而不施加負荷給后續階段執行象素信息疏散處理的信號處理系統，還提供一種該固態圖象讀取裝置的驅動方法和攝像機系統。
為了實現上述目的，根據本發明，使用XY地址型固態圖象讀取元件，其中對分布在一個矩陣中的各個象素形成具有預定顏色編碼的彩色濾光片，并當指定對固態圖象讀取元件疏散讀取時，改變系統的時鐘頻率，并根據改變的時鐘頻率并以對應于顏色編碼的順序選通象素，以讀出象素信號。
在XY地址型固態圖象讀取元件中，可以選通任一地址位置處的一個象素，并且可以以象素為單位讀出它的象素信號。然后，當指定疏散讀出時，首先改變系統的時鐘頻率。根據頻率改變的時鐘頻率，以對應于彩色濾光片顏色編碼的順序選取象素并讀出象素信號，使得在從象素中讀出象素信息的階段執行疏散處理。
圖1是應用本發明的攝像機系統的結構框圖；圖2是MOS型圖象傳感器的結構示意圖；圖3是用于解釋讀取全象素操作的計時圖；圖4是用于解釋疏散讀取操作第一實例的原理圖；圖5是用于解釋疏散讀取操作第一實例的計時圖；圖6是用于解釋疏散讀取操作第二實例的計時圖；圖7是用于解釋疏散讀取操作第三實例的計時圖；圖8是用于解釋疏散讀取操作第四實例的計時圖；圖9是兩垂直×兩水平重復的基色編碼示圖。
以下參考附圖對本發明的實施例進行詳細的描述。圖1是應用本發明的攝像機系統的結構框圖。
在圖1的此系統中，例如MOS型圖象傳感器的XY地址型固態圖象讀取元件11用作圖象讀取裝置。來自目標的入射光(圖象光)經包括一個成象透鏡等的光學系統(未示出)在固態圖象讀取元件11的圖象讀取平面上形成一個圖象。此外，給系統輸入一個成為系統操作的標準的時鐘。
此時鐘以及用于選擇系統操作模式(全象素讀取模式/疏散讀取模式)的模式選擇信號輸入到分頻電路12。模式選擇信號從操作模式設置部分13輸出。分頻電路12根據模式選擇信號改變輸入的時鐘的頻率并將其提供給計時發生器14和固態圖象讀取元件11的信號處理系統。
根據具有對應于操作模式的頻率并從分頻電路12輸入的時鐘，計時發生器14產生各種驅動XY地址型固態圖象讀取元件11所需的驅動脈沖，并將驅動脈沖提供給固態圖象讀取元件11。在固態圖象讀取元件11的后續階段設置一個AGC(自動增益控制)電路15、一個A/D(模擬-數字)轉換器16和一個攝像機信號處理電路17。頻率對應于操作模式的時鐘從分頻電路12提供到這些電路15、16和17。
AGC電路15執行AGC處理，使得固態圖象讀取元件11的輸出信號的信號水平恒定。A/D轉換器16把AGC電路15的輸出信號進行A/D轉換并提供給攝像機信號處理電路17。攝像機信號處理電路17具有數字信號處理(DSP)結構。在此攝像機信號處理電路17中進行攝像機信號處理，從輸入的圖象讀取數據(圖象數據)中產生一個亮度信號和色差信號，并進行諸如探測處理的信號處理，如自動曝光、自動聚焦或自動白色平衡。
圖2是MOS型圖象傳感器的結構示意圖。MOS型圖象傳感器包括一個象素部分21，一個垂直掃描系統22和一個水平掃描系統23。
象素部分21具有這樣的結構，即多個單元象素24排列成一個矩陣，其中每個單元象素例如由一個光電二極管PD和一個選通晶體管Tr構成。此處，為了繪圖的簡單，以6×6的象素分布為例展示。然后，在圖2中，以表示象素位置的地址XY作為每個單元象素24的腳注。例如一個處于第一行和第一列的象素表示為2411。
象素部分21的各個象素的垂直選通線25-1至25-6和垂直信號線26-1至26-6排列成一個矩陣。各個單元象素24的選通晶體管Tr的控制電極連接到垂直選通線25-1至25-6，并且選通晶體管Tr的輸出電極連接到每個象素的垂直信號線26-1至26-6。
垂直掃描系統22由一個V(垂直)解碼器221構成。V解碼器221響應于從圖1的計時發生器輸入的V選通信號連續地輸出行選通脈沖V1至V6，并把它們施加到各個垂直選通線25-1至25-6。
水平掃描系統23包括水平選通晶體管231-1至231-6，一個H(水平)解碼器232，和一個輸出放大器233。水平選通晶體管231-1至231-6分別連結在水平信號線234和各個垂直信號線26-1至26-6的輸出端。H解碼器232響應于從計時發生器13輸入的H選通信號連續地輸出水平選通脈沖H1至H6，并且把它們提供給水平選通晶體管231-1至231-6的各個控制電極。
輸出放大器233連結到水平信號線234的一端(輸出端)，并導通象素信號，象素信號從象素部分21經水平選通晶體管231-1至231-6連續地輸出到水平信號線234，成為一個輸出信號VOUT。順便說一下，箝位晶體管235連結到水平信號線234的另一端。此箝位晶體管235響應于從計時發生器13輸入的箝位脈沖CLP把水平信號線234的電位箝置到一個固定的電壓(恒壓)。
接下來，在上述結構的MOS型圖象傳感器中，參考圖3的計時圖對讀出象素部分21全部象素的象素信號的讀取全象素時的操作進行描述。此處，顯示出了行選通脈沖V1、V2，水平選通脈沖H1至H6，箝位脈沖CLP和輸出信號VOUT的計時信號。
首先，當高電位的行選通脈沖V1從V解碼器221輸出并施加到垂直選通線25-1時，第一行的象素2411至2416的信號分別被讀出到垂直信號線26-1至26-6。在這種狀態中，當高電位的水平選通脈沖H1從H解碼器232輸出時，水平選通開關231-1變成一種導通狀態。然后，讀出到垂直信號線26-1的象素2411的信號經水平選通開關231-1輸出到水平信號線234。
此時，在水平信號線234中產生對應于象素2411的信號的電位差。然后，水平信號線234的電位差被輸出放大器233放大，并輸出作為象素2411的象素信號。此處，當箝位晶體管35響應于箝位脈沖CLP導通時，水平信號線234和垂直信號線26-1被重置為某一恒定的電壓。
接下來，水平選通脈沖H1和箝位脈沖CLP消失，取而代之的是當高電位的水平選通脈沖H2從H解碼器232輸出時，類似于象素2411的情形，輸出象素2412的象素信號。隨后，重復此讀出操作，第一行從象素2411至象素2416的全部象素信號被連續地讀出。
接下來，垂直選通脈沖V1消失，取而代之的是當高電位的垂直選通脈沖V2從V解碼器221輸出并施加到垂直選通線25-2時，第一行的各個象素2421至2426被選通。然后，類似于第一行，重復列選通操作，并依次重復行選通和列選通直到第六行，使得象素部分21中所有象素的象素信號被連續地讀出。
在前述的全象素讀取操作中，如果垂直選通脈沖V1至V6和水平選通脈沖H1至H6可以以適當的定時恰當地輸出，則任一象素的象素信號可以選擇性地讀出是很重要的。這意味著在從各個象素讀出信號的階段，可以進行象素信息的疏散處理。然后，此處采用使用解碼器作為行選通裝置和列選通裝置的結構去產生自由度。
順便說一下，在彩色的攝像機系統中，彩色濾光片設置在象素部分21上的象素單元中，例如以芯片內的方式。此處，如圖4所示，在承載濾光片的MOS型圖象傳感器中，作為彩色濾光片27，具有重復單元的基色編碼，每個單元具有兩垂直×兩水平(兩行和兩列)，將描述在實現疏散和讀出象素信息的疏散讀出處理中的操作。
與此類似，在使用具有重復兩行×兩列的基色編碼的彩色濾光片27的情形中，作為疏散讀出的第一例，如圖4中的斜線所示，跳躍兩行和兩列，即每三行和三列對每個象素讀出一個象素信號。
為了實現這種疏散讀出，當從操作模式設置部分13發出用于選擇疏散讀出模式的模式選通信號時，圖1所示的分頻電路12把輸入時鐘的頻率除9。圖5表示疏散讀出時的計時圖。
順便說一下，圖5水平軸(時間軸)的比例不同于圖3，并且雖然實際比例比圖3的大9倍，但它在紙面的情況下也只以三倍的比例表示。此外，雖然圖4表示對應于八行和八列象素布局的顏色編碼，但圖5表示對應于圖2所示六行和六列象素布局的計時關系。
在疏散讀取模式中，首先當高電位的行選通脈沖V1從V解碼器221輸出并施加到垂直選通線25-1時，第一行的象素2411至2416的信號分別被讀出到垂直信號線26-1至26-6。在這種狀態中，當高電位的水平選通脈沖H1從H解碼器232輸出時，水平選通開關231-1變成一種導通狀態，并且，象素2411的信號經水平選通開關231-1輸出到水平信號線234。
此時，在水平信號線234中產生對應于象素2411的信號的電位差。然后，水平信號線234的電位差被輸出放大器233放大，并輸出作為象素2411的象素信號。此處，當箝位晶體管235響應于箝位脈沖CLP導通時，水平信號線234和垂直信號線26-1被重置為某一恒定的電壓。
接下來，水平選通脈沖H1和箝位脈沖CLP消失，取而代之的是高電位的水平選通脈沖H4從H解碼器232輸出。然后類似于象素2411的情形，象素2414的信號讀出到垂直信號線26-4，并經水平選通晶體管231-4、水平信號線234和輸出放大器233輸出。由此疏散但不讀出象素2412和2413的各個信號。
接下來，雖然在圖5的計時圖中沒有示出，代之以垂直選通脈沖V1，但當高電位的垂直選通脈沖V4從V解碼器221輸出并施加到垂直選通線25-4時，第四行的象素2441至2446被選通。然后，類似于第一行，每三列重復列選通操作，使得跳躍兩行和兩列時讀出每個象素的象素信號。
根據上述第一實例的疏散讀出，得到下列益處。即象素信息的量可以被壓縮9倍，而象素信號順序和空間位置關系與全象素讀出模式的相同。另外，因為不需要改變后續階段信號處理系統的順序，所以不給信號處理系統施加負荷。此外，因為系統的時鐘頻率變為1/9，所以功耗也可以減小9倍。此外，每秒輸出的圖象數、即幀速率可以變得恒定。
隨后，類似于第一實例，假設使用具有兩行×兩列重復的顏色編碼的彩色濾光片，下面描述疏散讀取的第二實例和第三實例。
首先，在第二實例的疏散讀取中，如圖6中的斜線所示，兩行×兩列為一個單元，并且連續讀取行方向和列方向中每隔一個單元的象素信號。此外，為了實現疏散讀取，在圖1的分頻電路12中時鐘頻率除以4。
根據第二實例的疏散讀取，可以得到下列益處。即象素信息的量可以被壓縮4倍，而象素信號順序與全象素讀出模式的相同。另外，因為后續階段信號處理系統的順序只處理顏色的空間位置關系的改變，所以信號處理系統的負荷可以變低。此外，因為系統的時鐘頻率變為1/4，所以功耗也可以減小4倍。此外，幀速率可以變得恒定。
接下來，在第三實例的疏散讀取時，兩行×兩列為一個單元，并且集成四個這種(2×2)單元，進行讀取的同時如圖7中箭頭所示地掃描單元中左下象素的額外信號、右下象素的額外信號、左上象素的額外信號和右上象素的額外信號。此外，為了實現疏散讀取，在圖1的分頻電路12中時鐘頻率除以4。
根據第三實例的疏散讀取，可以得到下列益處。即象素信息的量可以被壓縮4倍，而象素信號順序與全象素讀出模式的相同，并且通過額外讀取靈敏度提高4倍。另外，因為后續階段信號處理系統的順序只處理色心的空間位置關系的改變，所以信號處理系統的負荷可以變低。順便說一下，色心的空間位置關系與第二實例的疏散讀取的一樣。此外，因為系統的時鐘頻率變為1/4，所以功耗也可以減小4倍。此外，幀速率可以變得恒定。
圖8是在相同列的相同顏色和行方向的三色重復的基色編碼示圖。下面將描述作為第四實例的采用此顏色編碼的彩色濾光片27’的疏散讀取。
在第四實例的疏散讀取中，如圖8中的斜線所示，在行方向和列方向上讀取每隔一個象素的象素信號。此外，為了實現此疏散讀取，在圖1的分頻電路12中時鐘頻率除以4。
根據上述第四實例的疏散讀出，得到下列益處。即象素信息的量可以被壓縮4倍，而象素信號的順序和位置關系與全象素讀出模式的相同，除了彼此替換兩種顏色的界限。另外，在后續階段信號除了系統的順序中，因為必須替換兩種顏色的界限，信號處理系統的負荷可以變得很低。此外，因為系統的時鐘頻率變為1/4，所以功耗也可以減小4倍，并且幀速率可以變得恒定。
在前述的各個實例的疏散讀取操作中，如果垂直方向和水平方向的選通可以適當的界限，則任意位置的象素信號可以選擇性地讀出是很重要的。因此，XY地址型固態圖象讀取元件11不限于圖2中所示的無源型MOS型圖象傳感器，但可以使用任何圖象傳感器，只要選通行和列去讀取象素信號，如CMD(電荷調制裝置)型圖象傳感器，其中象素由一個MOS晶體管或一個放大的圖象傳感器構成。
順便說一下，雖然上述實施例采用利用解碼器作為行選通裝置和列選通裝置產生自由度的結構，但除解碼器之外，還可以采用對全象素讀取和疏散讀取用兩個移位寄存器的結構，簡言之，可以采用任何結構，只要可以進行同樣的驅動。
如上所述，根據本發明，當對XY型固態圖象讀取元件指定疏散讀取時，系統的時鐘頻率被改變，并根據改變的時鐘頻率，以對應于彩色濾光片的顏色編碼的順序選通象素以讀取象素信號。因而，因為可以在象素信息從象素讀取的階段執行疏散處理，所以可以壓縮象素的信息量而不給信號處理系統施加負荷，同時可以保持象素信息的順序以及空間位置關系與全象素讀取一樣，并且當系統的時鐘頻率改變時可以降低功耗，即使操作模式改變也可以使幀速恒定。
權利要求
1．一種固態圖象讀取裝置，包括一個XY型固態圖象讀取元件，其中象素布置成一個矩陣，對每個象素形成具有一種預定的顏色編碼的彩色濾光片；頻率改變裝置，當對固態圖象讀取元件指定疏散讀取時改變系統的時鐘頻率；和驅動裝置，根據頻率改變裝置改變的時鐘頻率以及對應于顏色編碼的順序選通象素，以讀取象素信號。
2．如權利要求1所述的固態圖象讀取裝置，其特征在于顏色編碼是一個單元的重復，而該單元由兩行和兩列組成；和驅動裝置連續地讀出行方向和列方向中每三個象素的象素信號。
3．如權利要求1所述的固態圖象讀取裝置，其特征在于顏色編碼是一個單元的重復，而該單元由兩行和兩列組成；和驅動裝置連續地讀出行方向和列方向中每隔一個單元的象素信號，該單元由兩行和兩列組成。
4．如權利要求1所述的固態圖象讀取裝置，其特征在于顏色編碼是一個單元的重復，而該單元由兩行和兩列組成；和集成四個(2×2)單元，每個單元由兩行×兩列構成，并且驅動裝置連續地讀取此單元中左下象素的額外信號、右下象素的額外信號、左上象素的額外信號和右上象素的額外信號。
5．如權利要求1所述的固態圖象讀取裝置，其特征在于顏色編碼在同一列有相同的顏色，并在行方向三色重復，和驅動裝置連續地讀取在行方向和列方向每隔一個象素的象素信號。
6．一種固態圖象讀取裝置，包括一個XY型固態圖象讀取元件，其中象素布置成一個矩陣，對每個象素形成具有一種預定的顏色編碼的彩色濾光片；和驅動裝置，當對固態圖象讀取元件指定疏散讀取時只選通特定的象素以保持顏色編碼的排列順序并讀取象素信號。
7．一種固態圖象讀取裝置，包括一個XY型固態圖象讀取元件，其中象素布置成一個矩陣，對每個象素形成具有一種預定的顏色編碼的彩色濾光片；和驅動裝置，通過選通多個象素執行讀取并增加對應于多個象素的每一個的象素信號的，其中至少一個象素不與其它的象素相鄰。
8．一種驅動固態圖象讀取裝置的方法，固態圖象讀取裝置使用XY地址型固態圖象讀取元件，其中象素布置成一個矩陣，對每個象素形成具有一種預定的顏色編碼的彩色濾光片，方法包括步驟當對固態圖象讀取元件指定疏散讀取時改變系統的時鐘頻率；和根據改變的時鐘頻率以及對應于顏色編碼的順序選通象素來讀取象素信號。
9．如權利要求8所述的驅動固態圖象讀取裝置的方法，其特征在于顏色編碼是一個單元的重復，而該單元由兩行和兩列組成；和連續地讀出行方向和列方向中每三個象素的象素信號。
10．如權利要求8所述的驅動固態圖象讀取裝置的方法，其特征在于顏色編碼是一個單元的重復，而該單元由兩行和兩列組成；和連續地讀出行方向和列方向中每隔一個單元的象素信號，該單元由兩行和兩列組成。
11．如權利要求8所述的驅動固態圖象讀取裝置的方法，其特征在于顏色編碼是一個單元的重復，而該單元由兩行和兩列組成；和集成四個(2×2)單元，每個單元由兩行×兩列構成，并且驅動裝置連續地讀取此單元中左下象素的額外信號、右下象素的額外信號、左上象素的額外信號和右上象素的額外信號。
12．如權利要求8所述的驅動固態圖象讀取裝置的方法，其特征在于顏色編碼在同一列有相同的顏色，并在行方向三色重復，和連續地讀取在行方向和列方向每隔一個象素的象素信號。
13．一種攝像機系統，包括一個XY型固態圖象讀取元件，其中象素布置成一個矩陣，對每個象素形成具有一種預定的顏色編碼的彩色濾光片；操作模式設置裝置，用于對固態圖象讀取元件選擇性地設置全象素讀取模式和疏散讀取模式。頻率改變裝置，用于當設置疏散讀取模式時改變系統的時鐘頻率；驅動裝置，通過根據頻率改變裝置改變的時鐘頻率以及對應于顏色編碼的順序，當設置疏散讀取模式時選通象素來讀取象素信號；和信號處理裝置，當設置疏散讀取模式時根據頻率改變裝置改變的時鐘頻率處理固態圖象讀取元件的輸出信號。
全文摘要
采用一種XY型固態圖象讀取元件(例如MOS型圖象傳感器)，其中兩行和兩列為一個單元，并且還分布具有一個單元重復(兩行×兩列重復)的顏色編碼的彩色濾光片，并且當指定疏散讀取模式時，系統的時鐘頻率變為1/9，根據改變的時鐘頻率，選通行方向和列方向中每三個象素的一個象素以連續地讀取一個象素信號。
文檔編號H04N5/341GK1317831SQ01116399
公開日2001年10月17日 申請日期2001年4月13日 優先權日2000年4月13日
發明者馬渕圭司, 鹽野浩一 申請人:索尼株式會社