固态成像设备和相机系统技术方案

一种固态成像设备，包括：像素单元，其中以矩阵样式布置多个像素；以及像素信号读出单元，包括执行从像素单元读出的像素信号的AD转换的AD转换单元，其中在所述像素单元中包括的每个像素包括划分像素，所述划分像素被划分到感光性级别或电荷累积量彼此不同的区域，其中所述像素信号读出单元包括正常读出模式和多倍读出模式，以及其中AD转换单元通过在对划分像素信号执行AD转换时根据读出模式对读出的划分像素信号进行相加来获得一个像素的像素信号。

【技术实现步骤摘要】
固态成像设备和相机系统
本技术涉及由诸如CCD或CMOS图像传感器的图像传感器表示的固态成像设备以及相机系统。
技术介绍
期望实现具有宽动态范围的固态成像设备，其中即使在逆着诸如机动车的前灯、运动场的照明光或者日光的光源的逆光拍摄下高亮度信息也不损毁，并且能够成像细节部分而不使对象图像的低亮度部分过分变暗。在这样的情况下，在日本专利No.2125710、JP-A-03-117281、JP-A-09-205589、JP-A-2004-320119等中公开了用于扩大诸如CCD的固态成像设备的动态范围的技术。在日本专利No.2125710中呈现了一个示例，其中在诸如CCD的一个像素内布置多个（至少两个）具有对应于一个或多个拐点的不同感光度特性的区域（单元），并且通过实现其中输入/输出特性以阶梯方式改变的所谓拐点特性来增大CCD的动态范围。拐点特性指其中表示为输出电流相对于曝光量的关系的曲线在高输入区域中比在低输入区域中要低的特性曲线，并且经常被称为高亮度信号压缩技术。作为改变感光区域（单元）的感光度的方法，例如公开了其中改变设备的孔径比的方法、其中布置滤光器（ND滤光器）的方法、其中改变杂质浓度的方法等。在日本专利No.2125710中，尽管该技术被描述为适用于除了CCD以外的XY地址类型的成像设备，但是没有详细描述。在JP-A-03-117281中公开了一个示例，其中添加在一个像素内布置的单元的信号电荷，以便设置为该像素的信号电荷，CCD的感光像素单元中彼此相邻的像素或者具有相互不同的感光特性的单元配置为一组，并且获得即使在灯泡等的强光下信息也不毁损的高动态范围。在此情况下，作为改变感光性的单元，例如，将具有相互不同像素面积的单元配置为一组。在JP-A-09-205589中，类似地将CCD的感光像素单元的一个像素划分成两个具有相互不同的感光性级别的区域，并将同一像素的感光性彼此不同的区域的信号电荷混合并垂直地传输。然后，根据该技术，通过分配栅极（distributiongate）将具有相互不同的感光性级别的信号电荷分配至两个水平传输栅极，并通过外部信号处理电路来剪切高感光度侧的信号并将其添加到低感光度侧的信号，以便形成视频信号。在此情况下，视频信号输出相对于入射光的强度的特性图具有折线形状，并且高感光度侧（低亮度侧）的倾斜度陡峭，低感光度侧（高亮度侧）的倾斜度平缓。在JP-A-2004-320119中，公开了一种解决问题的方法，其中在具有高感光度单元和低感光度单元的成像设备中，原始图像的数据量（原始数据）由于两个单元的数据而较大。更具体地，通过分析拍摄的图像信息自动确定是否需要记录高亮度单元的图像信息。如果确定为“是”，则高亮度单元的原始图像数据与低亮度单元的信息一起被记录。另一方面，如果确定为“否”，则仅记录低亮度单元的原始图像数据，而不记录高亮度单元的信息。将主感光像素单元（由于大面积的高感光度；主要使用微透镜的中心部分）和副感光像素单元（由于小面积的低感光度；布置在微透镜的边缘侧）组合以便形成一个像素。在JP-A-2005-278135中，公开了其中通过比较器和上/下计数器来配置列并列ADC的CMOS图像传感器。该CMOS图像传感器可以对多行执行像素数字值的加法计算，而不需要添加诸如加法器和线存储器设备的额外的电路。但是，在上述划分像素相加的情况下，与具有对应于目标像素的总面积的面积的像素相比，由于在像素被划分的情况中的信号处理而产生了不直接对曝光做出贡献的无效区域（死区）。从而，由于单个划分的单元的面积比单元被简单划分成四个划分单元的情况下的面积要小，与前一情况相比，饱和电子的数量减少，并且拍摄噪声相对增大，由此各个划分的像素的S/N恶化。每当执行相加时，也添加了拍摄噪声，所以划分单元的相加的结果的S/N也恶化。此外，像素信号的加法处理是模拟信号的加法，并且感光度对于每个像素不同，因此存在饱和值不均匀、转折点（breakpoint）位置变化等问题。此外，在数字加法的情况下，除了传感器还需要包括存储器。换句话说，在将一个像素单元划分成感光度级别或累积时间彼此不同的两个或更多像素单元、并测量感光性作为饱和电荷量Qs的现有相加方法中，对于每个像素，饱和电荷量Qs存在变化。从而，对于相同的光强度，相加结果对于每个像素而变化。换句话说，在其中入射光强度被设置为水平轴并且饱和电荷量Qs被设置为垂直轴的感光度曲线（折线图）中，在划分的像素单元相加点（水平轴）处，转折点位置（垂直轴）变化。因此，在JP-A-2010-28423中，提出通过应用将四个像素当作一个像素、通过改变四个像素的累积时间来实现宽动态范围的方法。在此技术中，四个信号相加在一起。根据此技术，可以实现划分像素相加，其中相对于入射光的强度，像素的输出电子的数量没有变化，当入射光的强度为低时感光度增大，并且当入射光的强度为高时感光度减小，由此可以获得输出难以饱和的宽动态范围。
技术实现思路
然而，JP-A-2010-28423中公开的技术具有以下缺点。例如，当成像诸如以高速旋转的螺旋桨的旋转体时、或者从移动的电气列车的窗户成像景物时，形成其中包括螺旋桨的许多叶片的图像或其中景物看起来扭曲的图像。为了避免这样的情况，可以考虑其中以高快门速度执行成像的高速快门成像（多速成像）。在执行多速成像的情况中，尽管对于恒定的读出时钟信号，同时读出的像素的数目增加，在这样的情况中，帧速率与像素的数目一致地增大。但是，在用这样的帧速率执行读出的情况中，电路的激活率增加，从而存在功耗可能增加的关注。另外，在JP-A-2010-28423中公开的固态成像设备中，在布置包括正常成像模式和一个或多个高速快门成像（多速成像）模式的像素读出模式中，难以根据像素读出模式的改变动态地改变帧的配置。因此，根据该固态成像设备，除了高精确度之外，难以根据读出模式实现高效率的成像，期望提供一种固态成像设备和相机系统，其能够实现低功耗的高速快门成像。另外，期望提供一种固态成像设备和相机系统，其可以实现根据读出模式的高精确度和高效率的成像。本技术的一个实施例指向一种固态成像设备，包括：像素单元，其中以矩阵样式布置多个像素；以及像素信号读出单元，包括执行从像素单元读出的像素信号的模拟-数字（AD）转换的AD转换单元。在所述像素单元中包括的每个像素包括多个划分像素，所述多个划分像素被划分到感光性级别或电荷累积量彼此不同的区域，所述像素信号读取单元包括其中对于每行顺序读出信号的正常读出模式和其中以同时和并行方式从多个行读出信号的多倍读出模式，作为读出像素的每个划分像素的划分像素信号的读出模式，以及所述像素信号读取单元在所述多倍读出模式中在正常读出模式的帧的若干分之一的帧时段中以对应于以同时和并行方式读出的像素数目的倍数的速度执行读出，以及AD转换单元通过在对划分像素信号执行AD转换时根据读出模式对读出的划分像素信号进行相加来获得一个像素的像素信号。本技术的另一个实施例指向一种固态成像设备，包括：像素单元，其中以矩阵样式布置多个像素；以及像素信号读出单元，包括执行从像素单元读出的像素信号的模拟-数字（AD）转换的AD转换单元。在所述像素单元中包括的一个像素被形成为多个划分像素，所述多个划分像素被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态成像设备，包括：像素单元，其中以矩阵样式布置多个像素；以及像素信号读出单元，包括执行从像素单元读出的像素信号的模拟?数字（AD）转换的AD转换单元，其中在所述像素单元中包括的每个像素包括多个划分像素，所述多个划分像素被划分到感光性级别或电荷累积量彼此不同的区域，其中所述像素信号读出单元包括其中对于各行顺序读出信号的正常读出模式和其中以同时和并行方式从多个行读出信号的多倍读出模式，作为读出像素的各划分像素的划分像素信号的读出模式，所述像素信号读出单元在所述多倍读出模式中在正常读出模式的帧的若干分之一的帧时段中以与以同时和并行方式读出的像素数目的倍数对应的速度执行读出，以及其中AD转换单元通过在对划分像素信号执行AD转换时根据读出模式对读出的划分像素信号进行相加来获得一个像素的像素信号。

【技术特征摘要】
2011.09.02 JP 2011-1921101.一种固态成像设备，包括：像素单元，其中以矩阵样式布置多个像素；以及像素信号读出单元，包括执行从像素单元读出的像素信号的模拟-数字(AD)转换的AD转换单元，其中在所述像素单元中包括的每个像素包括多个划分像素，所述多个划分像素被划分到感光性级别或电荷累积量彼此不同的区域，其中所述像素信号读出单元包括其中对于各行顺序读出信号的正常读出模式和其中以同时和并行方式从多个行读出信号的多倍读出模式，作为读出像素的各划分像素的划分像素信号的读出模式，所述像素信号读出单元在所述多倍读出模式中在正常读出模式的帧的若干分之一的帧时段中以与以同时和并行方式读出的像素数目的倍数对应的速度执行读出，以及其中AD转换单元通过在对划分像素信号执行AD转换时根据读出模式对读出的划分像素信号进行相加来获得一个像素的像素信号,其中形成n个划分像素，所述n个划分像素被分类到M组，并且在每组中包括的划分像素的感光性条件或曝光时间条件被设置为相同，n是等于或大于4的整数，M是等于或大于2的整数，其中在所述多倍读出模式中以同时和并行方式读出n个划分的像素中的多个划分像素的情况中，其中所述多个划分像素被包括在同一组中，所述像素信号读出单元在所述正常读出模式的帧的(M/n)帧的时段中以所述正常读出模式的速度的(n/M)倍的速度执行读出。2.根据权利要求1的固态成像设备，其中形成n个划分像素，以及其中在所述多倍读出模式中以同时和并行方式读出n个划分的像素的情况中，所述像素信号读出单元在所述正常读出模式的帧的(1/n)帧的时段中以所述正常读出模式的速度的n倍的速度执行读出。3.根据权利要求1的固态成像设备，其中形成n个划分像素，其中所述像素信号读出单元包括根据读出模式的改变而改变帧的配置的功能，并且在所述多倍读出模式中以同时和并行方式读出n个划分的像素的情况中，以所述正常读出模式的速度的n倍的速度执行读出，以及其中在所述多倍读出模式中在一个处理时段中执行的AD转换处理的数目小于在所述正常读出模式中在一个处理时段中执行的AD转换处理的数目。4.根据权利要求1的固态成像设备，其中形成n个划分像素，所述n个划分像素被分类到M组，并且在每组中包括的划分像素的感光性条件或曝光时间条件被设置为相同，n是等于或大于4的整数，M是等于或大于2的整数，其中所述像素信号读出单元包括根据读出模式的改变而改变帧的配置的功能，其中在所述多倍读出模式中以同时和并行方式读出n个划分像素中的多个划分像素的情况中，其中所述多个划分像素被包括在同一组中，以所述正常读出模式的速度的(n/M)倍的速度执行读出，以及其中在所述正常读出模式中在一个处理时段中执行的AD转换处理的数目等于在所述多倍读出模式中在一个处理时段中执行的AD转换处理的数目。5.根据权利要求1的固态成像设备，其中对于所述多个划分像素设置多个感光性条件或曝光时间条件，并且被布置为使得在对角线方向彼此面对的划分像素的感光性条件或曝光时间条件被设置为相同。6.一种固态成像设备，包括：像素单元，其中以矩阵样式布置多个像素；以及像素信号读出单元，包括执行从像素单元读出的像素信号的模拟-数字(AD)转换的AD转换单元，其中在所述像素单元中包括的一个像素被形成为多个划分像素，所述多个划分像素被划分到感光性级别或电荷累积量彼此不同的区域，其中所述像素信号读出单元包括其中对于各行顺序读出信号的正常读出模式和其中以同时和并行方式从多个行读出信号的多倍读出模式，作为读出像素的各划分像素的划分像素信号的读出模式，所述像素信号读出单元在所述多倍读出模式中在正常读出模式的帧的若干分之一的帧时段中以与以同时和并行方式读出的像素数目的倍数对应的速度执行读出，以及其中AD转换单元通过在对划分像素信号执行AD转换时根据读出模式对读出的划分像素信号进行相加来获得一个像素的像素信号,其中形成n个划分像素，所述n个划分像素被分类到M组，并且在每组中包括的划分像素的感光性条件或曝光时间条件被设置为相同，n是等于或大于4的整数，M是等于或大于2的整数，其中在所述多倍读出模式中以同时和并行方式读出n个划分的像素中的多个划分像素的情况中，其中所述多个划分像素被包括在同一组中，所述像素信号读出单元在所述正常读出模式的帧的(M/n)帧的时段中以所述正常读出模式的速度的(n/M)倍的速度执行读出。7.根据权利要求6的固态成像设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：皆川佑辅，浅山豪，
申请(专利权)人：索尼公司，
类型：发明
国别省市：