专利名称：彩色固态图像拾取装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于拾取静止图像和用于记录活动图像的彩色固态图像拾取装置。
背景技术：
彩色固态图像拾取装置包括光电转换元件阵列和用来控制从该光电转换元件阵列读出象素数据的控制单元。
在该光电转换元件阵列中，多个光电转换元件(象素)按矩阵排列。该光电转换元件阵列通过光电转换，将通过光学系统入射到其中的光学图像转换成电信号。
控制单元从该光电转换元件阵列中的一组象素读出象素数据。
控制单元具有用于读出象素数据的全象素读出模式和垂直/水平混合象素读出模式。
全象素读出模式用于在拾取静止图像时，读出光电转换元件阵列上的全部象素的象素数据。
垂直/水平混合象素读出模式用于在记录活动图像时，通过混合水平和垂直方向上的多个象素的象素数据，以减少将要作为读取对象的象素数目而读出象素数据。
对于彩色固态图像拾取装置的光电转换元件阵列，近些年由于半导体技术的发展，象素的数目显著地增加了。足够多数目的象素被称为高象素。
对于高质量的单透镜反射数字相机，具有超过10,000,000象素的相机就可以获得非常精细的静止图像。
同时，对于能够记录活动图像的数字摄像机，通过安装三板CCD以从每一CCD单独地获得RGB信号，就可以提高灵敏度、分辨率、色彩质量、色彩分辨率以及动态范围。
近来，提出了一种相机结构，它具有用于拾取静止图像和记录活动图像的两种功能，其中这两种模式可以切换。
对于拾取静止图像，可以通过使用该光电转换元件阵列中全部象素的象素数据进行。这就是全象素读出模式，其按照每一象素的顺序输出将从光电转换元件阵列读出全部象素的象素数据。从而，可以拾取高精细的静止图像。
同时，还提出了一种具有用于拾取静止图像和记录活动图像的两种模式的固态图像拾取装置，这两种模式都可以切换。
当前，数字信号处理电路在运算速度上具有特定的限制。而且，考虑到电源消耗，难以通过类似于在拾取静止图像时所使用的全象素读出模式记录活动图像。通常在记录活动图像时，通过减少象素和增加每单位时间中帧的数目对象素数据进行处理。这就是垂直/水平混合象素读出模式。
对于从光电转换元件阵列读出的象素数据，在该阵列的垂直和水平方向上混合多个象素数据，并且将混合后的象素数据作为单个单元的象素数据输出。因此就增加了每单位时间的帧数，从而就能够平滑和快速地记录活动图像。
由于使用信号线可以随意地读出任何线上的象素数据，而不需要MOS图像传感器不同于CCD图像传感器，以通过传送势井来传送电势，可以很好地进行如上所述的减少象素和在全象素读出模式与垂直/水平混合象素读出模式之间切换，特别是通过MOS图像传感器更是如此。进一步，MOS图像传感器的优点在于其可以工作于低电压，具有更少的电流泄漏，相比于同样大小的CCD具有更大的数值孔径，具有高灵敏度，相比于CCD可以更容易地读出数据等。特别是，其最大的优势在于其可以随意地按照混合象素选择和读出象素。
本发明的目的是通过该彩色图像拾取装置获得更高质量的记录的活动图像，该装置具有两种模式用于通过高象素拾取静止图像的模式，和用于记录平滑移动的活动图像的模式，其中这两种模式可以切换。
发明内容
本发明的彩色固态图像拾取装置包括下面两个结构元件。其一是光电转换元件阵列，另一个就是用于读出象素数据的控制单元。该光电转换元件阵列设置为矩阵形式，以通过光电转换将进入光学系统的光学图像转换成电信号，并且其结构可以产生四个颜色的象素数据，具有两行两列的一组象素是一个单元。这里，四个颜色的象素数据可以全部是相同的颜色，或者两个可以是相同的颜色。两个颜色是相同的情况下的一种示例是Bayer格式的GRBG(G是绿、R是红、B是蓝)。
控制单元包括四个输出部分的通道，和具有四通道同时输出系统的全象素读出模式以及垂直/水平混合象素读出模式，其中这两个模式可以切换。
作为一个输出形式，上述全象素读出模式通过四个输出部分的通道同时从第一输出部分输出第一颜色象素的象素数据，从第二输出部分输出第二颜色象素的象素数据，从第三输出部分输出第三颜色象素的象素数据以及从第四输出部分输出第四颜色象素的象素数据，在该光电转换元件阵列中两行两列的一组象素是象素数据的第一输出单元。这种模式用于将光电转换元件阵列中全部象素的象素数据作为如上所述的由第一输出单元扫描该输出形式的结果进行输出。
作为一种输出形式，上述垂直/水平混合象素读出模式按照每一颜色混合第二输出单元中的相同颜色的n×n个象素后，然后通过输出部分的四个通道同时从第一输出部分输出第一颜色象素的混合象素数据，从第二输出部分输出第二颜色象素的混合象素数据，从第三输出部分输出第三颜色象素的混合象素数据，从第四输出部分输出第四颜色象素的混合象素数据，光电转换元件阵列中2n行2n列(n为2或大于2的自然数)的一组象素是第二输出单元。这种模式用于输出象素数据，其中通过由第二输出部分在光电转换元件阵列的整个部分上扫描上述的输出形式来减少象素。
如上所述，上述结构中第一、第二、第三和第四颜色可以全部不同，或者两个可以是相同颜色(例如Bayer格式的GRBG)。
在上述结构中，例如，如果n＝3，第二输出单元成为6行6列的一组象素。6行6列的象素组中包含36个象素。当作为第一输出单元的2行2列的组象素是例如Bayer格式的GRBG时，由于当n＝3时，n×n＝9，6行6列的象素组包含9个第一G(绿)象素、9个R(红)象素、9个B(蓝)象素和9个第二G(绿)象素。
9个第一G(绿)象素的象素数据混合成为具有混合九象素的第一G数据，从而可以从第一通道输出。与此同时，9个R(红)象素的象素数据混合成为具有混合九象素的R数据，从而可以从第二通道输出。与此同时，9个B(蓝)象素的象素数据混合成为具有混合九象素的B数据，从而可以从第三通道输出，并且与此同时，9个第二G(绿)象素的象素数据混合成为具有混合九象素的第二G数据，从而可以从第四通道输出。
也就是说，同时彼此分开地输出具有混合九象素的第一G数据、具有混合九象素的R数据、具有混合九象素的B数据以及具有混合九象素的第二G数据。数据原始的36个象素一起放入四个数据中。至于通道单元，每一通道输出原始36象素的一个象素数据。通过具有6行6列一组象素的第二输出单元，在光电转换元件阵列的整个部分上扫描象素数据的输出形式，其中如上所述9个象素被混合以变少。也就是说，在水平方向上象素减少到1/6，在垂直方向上也减少到1/6。
现在来考虑超过10,000,000的高象素的示例，全部象素大约为11,060,000，垂直方向上3,840个象素，水平方向上2,880个象素。当大约11,060,000象素插入到6行6列的象素组中，它就成为活动图像模式标准的VGA(视频图形阵列)，在水平方向上具有640象素、垂直方向上具有480象素。
不仅在n＝3的情况下，而且在通常情况下都可以归纳如下。第二输出单元成为2n列2n行的象素组。2n列2n行的象素组包含4n2个象素。当作为第一输出单元的2行2列的组象素是例如Bayer格式的GRBG时，2n行2n列的象素组包含n2个第一G(绿)象素、n2个R(红)象素、n2个B(蓝)象素和n2个第二G(绿)象素。
n2个第一G(绿)象素的象素数据混合成为具有混合n2象素的第一G数据，从而可以从第一通道输出。与此同时，n2个R(红)象素的象素数据混合成为具有混合n2象素的R数据，从而可以从第二通道输出。与此同时，n2个B(蓝)象素的象素数据混合成为具有混合n2象素的B数据，从而可以从第三通道输出，并且与此同时，n2个第二G(绿)象素的象素数据混合成为具有混合n2象素的第二G数据，从而可以从第四通道输出。
也就是说，同时彼此分开地输出具有混合n2象素的第一G数据、具有混合n2象素的R数据、具有混合n2象素的B数据以及具有混合n2象素的第二G数据。数据原始的4n2个象素一起放入四个数据中。至于通道单元，每一通道输出原始4n2象素的一个象素数据。通过具有2n行2n列一组象素的第二输出单元，在光电转换元件阵列的整个部分上扫描象素数据的输出形式，其中如上所述n2个象素被混合以减少。也就是说，在水平方向上象素减少到1/(2n)，在垂直方向上也减少到1/(2n)。通过四个通道同时并行分开的输出混合象素数据被称为GRBG虚拟四板读出系统。
通常，在为n的情况下，为了获得水平方向上640象素、垂直方向上480象素的GRBG虚拟四板读出系统，通过计算可得到，该光电转换元件阵列的大小可以为水平方向上640×2n象素×垂直方向上480×2n象素。在当n＝4的情况下，总共大概为19,700,000，水平方向上有5,120个象素，垂直方向上有3,840个象素。在当n＝5的情况下，总共大概为30,700,000，水平方向上有6,400个象素，垂直方向上有4,800个象素。其也可以应用于n＝2的情况下。
一般情况下，通常用作VGA的是RGB三板系统。相反，具有上述结构的本发明所采用的是具有四通道输出部分的GRBG虚拟四板读出系统。这就是说，相比于现有技术，本发明提高了活动图像的质量。
并不是必须将活动图像模式限制为VGA。如果活动图像模式在水平方向上有NH个象素，在垂直方向上有NV个象素，NH和NV为自然数，该光电转换元件阵列的大小可以为水平方向上NH×2n象素×垂直方向上NV×2n象素。
两行两列组成光电转换元件阵列的象素组的颜色组合可以是互补色青色、绛红、黄色和绿色。
另外，在提高活动图像质量方面具有下列优势。安装在常规和通用数字电影机上的图像传感器的光学单元通常比较小。相反，安装在高象素的高质量数字静止相机上的图像传感器的光学单元较大。在使用大光学单元为基础制造的图像传感器中，按照上述方式减少象素。于是可以获得更加优质的活动图像。
下面将具体描述上述控制单元的优选结构。也就是，该控制单元所具有的结构包括两行的垂直传送开关电路，用于从光电转换元件阵列读出象素数据；两行的信号电压保持电路，用于临时保持读出数据；两行的水平传送开关电路，通过将该数据分别划分为两个通道，用于从信号电压保持电路输出象素数据或混合的象素数据；具有四通道的输出放大器，从所述水平移位选择电路彼此独立和并行地输出全部的四象素数据或混合象素数据；以及水平移位选择电路，用于通过控制水平传送开关电路切换全象素读出模式的输出和混合象素读出模式的输出。
下面通过示例的方式描述本发明，这些示例并不限于附图。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中图1是根据本发明优选实施例的彩色固态图像拾取装置的基本结构的框图；图2是用于描述全象素读出模式的操作的模型图解；图3是用于描述垂直/水平混合象素读出模式的操作的模型图解；图4是彩色固态图像拾取装置的更加具体结构的框图；图5是为图4中所示彩色固态图像拾取装置的噪声消除/象素选择电路的详细框图；图6是图4中所示彩色固态图像拾取装置的光电转换元件阵列的部分放大框图；图7是图4中所示彩色固态图像拾取装置的用于通过全象素读出模式读出第一扫描线上象素的象素数据的电路部分的放大说明；图8是图4中所示彩色固态图像拾取装置的用于通过全象素读出模式读出第二扫描线上象素的象素数据的电路部分的放大说明；图9是图4中所示彩色固态图像拾取装置的用于通过混合九象素读出模式读出第一扫描线上象素的象素数据的电路部分的放大说明；和图10是图4中所示彩色固态图像拾取装置的用于通过混合九象素读出模式读出第二扫描线上象素的象素数据的电路部分的放大说明。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明根据本发明优选实施例的彩色固态图像拾取装置。图1是该彩色固态图像拾取装置的基本框图。
在图1中，附图标记E1为拍摄对象的光学图像入射到其中的光学系统。该光学系统E1包括多个组合透镜。
E2为光电转换元件阵列。该光电转换元件阵列E2包括以矩阵排列的多个光电转换元件(象素)。此外，每一光电转换元件对进入光学系统E1的入射光线进行光电转换，以生成象素数据。通过来自光学系统E1的入射光线，在光电转换元件的整个部分上形成有拍摄对象的光学图像。
光电转换元件阵列E2包括滤色器。E3为用来控制象素读出的控制单元。控制单元E3从光电转换元件阵列E2读出象素数据，并通过切换两种模式输出该读出的象素数据。这两种模式中的一种是在拾取静止图像时的全象素读出模式，另一种是在记录活动图像时的垂直/水平混合象素读出模式(用于读出混合象素的模式)。
(1)在拾取静止图像时的全象素读出模式用于按照每一象素的顺序输出全部象素的读出数据。
(2)在记录活动图像时的垂直/水平混合象素读出模式用于在阵列的垂直和水平方向上混合多个读出数据，并输出混合后的数据。
控制单元E3包括作为输出象素数据部分的四个输出部分○1、○2、○3、○4的通道。
输出部分○1、○2、○3、○4在全象素读出模式的时候并行输出象素数据，其中每一象素彼此相互分开。而且输出部分○1、○2、○3、○4的结构可以在混合象素读出模式的时候并行输出象素数据，其中每一象素彼此相互分开。
E4为图像处理单元。图像处理单元E4在接收到从控制单元E3输出的象素数据的时候，执行所需数据处理。
下面将描述操作过程。
设置混合象素读出模式。拍摄对象通过光学系统E1在光电转换元件阵列E2上形成光学图像，光学图像通过光电转换在光电转换元件阵列E2中被转换为电信号。
关于这一点的具体操作如下。
控制单元E3从光电转换元件阵列E2读出象素数据。图像处理单元E4对输入的象素数据执行CDS(相关双采样)处理，以去除复位噪声和低频噪声。进一步执行AGC(自动增益控制)，以进一步将模拟信号转换成数字信号。
接下来，参照图2和图3，将更加详细地描述全象素读出模式和混合象素读出模式。
图2和图3是清楚地展示了每一种读出模式示例的模型图解。
在图2中，上边所示为光电转换元件阵列E2的一部分，下边为该控制单元E3输出的象素数据。
在图3中，左边所示为光电转换元件阵列E2的一部分，右上边为象素通过控制单元E3被混合后的象素数据，右下边为输出的混合象素数据。
光电转换元件阵列E2是Bayer格式的，其中设置有第一G(绿色)、R(红色)、B(蓝色)和第二G(绿色)。
首先将参照图2中所示的模型图解描述全象素读出模式。光电转换元件阵列E2中全部象素的所有象素数据都被输出。此中的模式为在拾取静止图像时所使用的那一种。
一组由作为Bayer格式的基本结构元素的四象素GRBG组成的2行2列的象素a1、a2、a3...被设置为象素数据的第一输出单元。
使用输出部分○1、○2、○3、○4，由第一输出单元同时在水平和垂直方向上扫描输出形式，在该输出形式中输出了第一输出单元的每一颜色中的象素数据。通过这种扫描，就输出了光电转换元件阵列E2中全部象素的象素数据。通过两条相邻水平扫描线的扫描单元按照从箭头Y1到箭头Y2，再到Y3的顺序执行扫描。具体操作如下。
在第一输出单元的作为由Y1所示的两条扫描线的第一扫描单元的a1中，从第一输出部分○1输出作为第一彩色象素的第一G(绿)象素的象素数据，并与此同时，从第二输出部分○2输出作为第二彩色象素的R(红)象素的象素数据。同时，从第三输出部分○3输出作为第三彩色象素的B(蓝)象素的象素数据，并与此同时，从第四输出部分○4输出作为第四彩色象素的第二G(绿)象素的象素数据。
接下来，处理到水平方向上下一个输出单元，也就是第一输出单元的a2，按照与上述相同的方式，同时执行从第一输出部分○1输出第一G(绿)象素数据，从第二输出部分○2输出R(红)象素数据，从第三输出部分○3输出B(蓝)象素数据，从第四输出部分○4输出第二G(绿)象素数据。
然后，处理到水平方向上下一个输出单元，也就是第一输出单元的a3，按照与上述相同的方式，同时从第一至第四输出部分○1、○2、○3、○4彼此分开地输出第一G(绿)象素数据、R(红)象素数据、B(蓝)象素数据、以及第二G(绿)象素数据。
按照相同的方式，通过按照第一输出单元的顺序处理到水平方向上的下一单元，由第一输出单元从四个输出部分○1、○2、○3、○4的通道分开且并行地输出GRBG象素数据。当第一扫描单元的GRBG象素数据都已经并行分开输出，然后转到相邻的扫描单元Y2，并且以相同的方式在水平和垂直方向上执行扫描。从而，由第一输出单元对光电转换元件阵列E2的全部象素并行分开地输出GRBG象素数据。
在全象素读出模式中，使用光电转换元件阵列E2全部象素的象素数据，从而可以拾取具有高象素的高精度静止图像。
接下来，将参照图3中所示的模型图解描述混合象素读出模式。在光电转换元件阵列E2中的象素被减少的状态下输出混合象素数据。这是在记录活动图像时所使用的一种模式。
由9组构成GRBG四象素的2行2列的象素组成的6行6列中的象素数据b1、b2、b3...被设置为第二输出单元。
在图3上边所示的象素被混合的象素数据中，在6行6列组成一组36个象素的第二输出单元中有两个G(绿)混合象素数据、以及R(红)和B(蓝)混合象素数据。
这些混合象素数据中，用圆圈标记的单个G(绿)象素数据是光电转换元件阵列上用圆圈标记的9个G(绿)象素的象素数据被混合后的数据。
这些混合象素数据中，R(红)象素数据位于用圆圈标记的象素数据右侧，它是光电转换元件阵列上用圆圈标记的9个象素数据右侧的9个R(红)象素混合后的数据。
这些混合象素数据中，B(蓝)象素数据位于用圆圈标记的象素数据上侧，它是光电转换元件阵列上分别位于用圆圈标记的9个象素数据上侧的9个B(蓝)象素混合后的数据。
这些混合象素数据中，与用圆圈标记的象素数据成对角的G(绿)象素数据是光电转换元件阵列上分别与用圆圈标记的9个象素数据成对角的9个G(绿)象素混合后的数据。在6行6列组成一个单元的总共36个阵列中重复这些格式。
在光电转换元件阵列E2的36个象素中，有18个G象素、9个R象素和9个B象素。作为象素数据，它们在数目上分别变为2、1和1。也就是，它们在水平方向上减少到1/3，在垂直方向上减少到1/3，从而整体减少到1/9。这些混合象素数据的每一个分别从单个通道输出，总共四个通道，从而每个通道减少到1/36。
而且，减少后输出的混合象素数据与原始的Bayer格式类似，从而保持Bayer格式。具体地说，第一行(k1)混合象素数据为G、R、G、R...，第二行(k2)为B、G、B、G...，第三行(k3)混合象素数据为G、R、G、R...，并且第四行(k4)为B、G、B、G...。
使用输出部分○1、○2、○3、○4，通过第二输出单元中的每一颜色同时输出在图3右上侧所示的混合象素数据，从而输出如图3右下侧所示的混合象素数据，第二输出单元在水平和垂直方向上扫描这种输出形式。通过该扫描，就可以在减少象素的状态下输出混合象素数据。相邻6条水平扫描线为一对的扫描单元按照从箭头Y1至箭头Y2进行扫描。具体操作如下。
在第二输出单元的作为由Y1所示的6条扫描线的第一扫描单元的b1中，从第一输出部分○1输出作为第一彩色象素的第一G(绿)象素的混合象素数据，并与此同时，从第二输出部分○2输出作为第二彩色象素的R(红)象素的混合象素数据。同时，从第三输出部分○3输出作为第三彩色象素的B(蓝)象素的混合象素数据，并与此同时，从第四输出部分○4输出作为第四彩色象素的第二G(绿)象素的混合象素数据。
接下来，处理到水平方向上的下一个输出单元，也就是第二输出单元的b2，按照与上述相同的方式，同时执行从第一输出部分○1输出第一G(绿)象素数据，从第二输出部分○2输出R(红)象素数据，从第三输出部分○3输出B(蓝)象素数据，从第四输出部分○4输出第二G(绿)象素数据。
然后，处理到水平方向上的下一个输出单元，也就是第二输出单元的b3，按照与上述相同的方式，同时从第一至第四输出部分○1、○2、○3、○4彼此分开地输出第一G(绿)象素数据、R(红)象素数据、B(蓝)象素数据、以及第二G(绿)象素数据。
按照相同的方式，通过按照第一输出单元的顺序处理到水平方向上的下一单元，由第二输出单元从输出部分○1、○2、○3、○4的四个通道分开且并行地输出GRBG象素数据。当第一扫描单元的GRBG象素数据都已经并行分开输出时，然后转到相邻的扫描单元Y2，并且以相同的方式在水平和垂直方向上执行扫描。从而，通过第二输出单元在减少了象素后，对光电转换元件阵列E2的全部象素并行分开地输出GRBG象素数据。
在图2中所示输出的象素数据和图3中所示输出的混合象素数据中，水平方向上的距离显示了光电转换元件阵列上的空间位置关系，而不是时间基座标。对于时间，象素数据的输出速率在图2和图3中基本上相同。
如上所述，在由6行6列的一组象素组成的第二输出单元中，通过输出部分的每一通道由每一颜色输出每一颜色的混合象素数据。于是，在二维的水平和垂直方向上的每一通道中混合象素数据减少到1/36。
因此，根据本实施例的彩色故态图像拾取装置采用虚拟四板读取系统，它同时从四个通道并行分开地输出GRBG混合象素数据。于是，能够使用高象素记录平滑移动的精细活动图像。
在记录活动图像中，由于输出的是被减少了的混合象素数据，光学单元的尺寸因为高象素变大，因此相比于现有技术活动图像的质量可以得到显著的提高。
图4为该彩色固态图像拾取装置的电路框图，它更加具体地说明了上述图1的结构。
在图4中，附图标记100为透镜单元，200为MOS图像传感器，300为CDS-AGC-A/D处理单元，400为数字信号处理单元，500为定时发生器，600为操作单元，700为屏幕显示单元。透镜单元100对应于光学系统E1。
该MOS图像传感器200包括光电转换元件阵列210和象素数据读出控制单元220。
该光电转换元件阵列210对应于光电转换元件阵列E2，象素数据读出控制单元220对应于象素数据读出控制单元E3。
控制单元220包括垂直移位选择电路230、上端和下端噪声消除/象素选择电路240a和240b、上端和下端水平移位选择电路250a和250b、以及用于四个通道的输出放大器261、262、263、264。
该CDS-AGC-A/D处理单元300和数字信号处理单元400对应于图像处理单元E4。数字信号处理单元400包括CPU 410和AF块420。
图5所示为噪声消除/象素选择电路的更具体结构的框图。在图5中，附图标记242a和242b为垂直传送开关电路，244a和244b为信号电压保持电路，246a和246b为水平传送开关电路，248a为连接到第一输出放大器261的信号输出线，249a为连接到第二输出放大器262的信号输出线，248b为连接到第三输出放大器263的信号输出线，249b为连接到第四输出放大器264的信号输出线。
垂直移位选择电路230选择扫描单元，也就是两条水平扫描线。为了读出第一扫描线上象素的象素数据，在下侧组成有垂直传送开关电路242a、信号电压保持电路244a、水平传送开关电路246a、水平移位选择电路250a、信号输出线248a和249a、以及输出放大器261和262。并且为了读出第二扫描线上象素的象素数据，在上侧组成有垂直传送开关电路242b、信号电压保持电路244b、水平传送开关电路246b、水平移位选择电路250b、信号输出线248b和249b、以及输出放大器263和264。
图6是光电转换元件阵列210的部分放大视图。单个象素20包括光电二极管10、单元放大器12和滤色器14。光电二极管的阳极接地，阴极连接到单元放大器12，并且单元放大器12的输出在纵向连接到象素数据读出线16。单元放大器12的控制端连接到垂直移位选择电路230的扫描线18。
滤色器14设置在光电二极管10的前面。滤色器14的结构为4象素对(G、R、B、G)的Bayer格式。作为在2行2列具有4个象素的单元，第一G(绿色)和R(红色)，以及B(蓝色)和第二G(绿色)在水平方向上成行，而第一G(绿色)和B(蓝色)，以及R(红色)和第二G(绿色)在垂直方向上成列。大量的4象素单元设置成交叉矩阵形式。
(全象素读出模式)下面参照图7和图8描述全象素读出模式的操作。图7是用于读出第一扫描线上象素的象素数据的电路结构部分的放大视图。图8是用于读出第二扫描线上象素的象素数据的电路结构部分的放大视图。在附图中，也示出了噪声消除电路243a、243b(在图5中未示出)。在图8中也示出了在图7中所示的光电转换元件阵列210的第一线上的象素组和第二线上的象素组。
在读出第一象素单元的第一阶段，输出放大器261、262、263、264前面的复位开关RS闭合一次，以将信号输出电容Cout复位到具有复位电源EE2的电平VDD。复位之后，打开复位开关RS。进一步，噪声消除电路243a、243b的箝位开关CL闭合一次，并且将所有的箝位电容CC复位。复位之后，打开箝位开关CL。
由垂直移位选择电路230选择光电转换元件阵列210的第一行。同时闭合下侧的垂直传送开关电路242a中的垂直传送开关V11、V21、V31、V41...。这时，噪声消除电路243a、243b的箝位开关CL闭合一次，以将所有的箝位电容CC复位。复位之后，打开箝位开关CL，然后分别将第一行上的象素P11、P21、P31、P41...中的电压信号充电至下侧的信号电压保持电路244a的电容Q11、Q21、Q31、Q41...。这里简单地描述电容Q11，但是电容Q11对应于图9中所示的三个电容d11、d12、d13中的全部或一个。这对于电容Q21、Q31、Q41...等也是相同的。
然后，由垂直移位选择电路230选择光电转换元件阵列210的第二行。同时闭合上侧的垂直传送开关电路242b中的垂直传开关V12、V22、V32、V42...。然后分别将第二行上的象素P12、P22、P32、P42...中的电压信号充电至上侧的信号电压保持电路244b的电容Q12、Q22、Q32、Q42...。这里，简单地描述电容Q12，但是电容Q12对应于图9中所示的三个电容u11、u12、u13中的全部或一个。这对于电容Q22、Q32、Q42...等也是相同的。
这样选择了第一行和第二行，两条扫描线上全部象素的象素数据累积到上侧和下侧的信号电压保持电路244a和244b的每个电容上。也就是说，准备好了通过四通道同时并行分开地输出2行2列象素组的象素数据。
接着，通过第一输出单元对通过四通道并行分开输出的GRBG四象素数据进行扫描，第一输出单元由2行2列的象素组组成，并且两条线作为一对。
首先，在上侧和下侧的水平传送开关电路246a、246b中，通过从上侧和下侧的水平移位选择电路250a、250b输出的定时控制信号，同时闭合第一通道的水平传送开关h11、第二通道的水平传送开关h21、第三通道的水平传送开关h12、以及第四通道的水平传送开关h22，从而从四通道的输出放大器261、262、263、264输出GRBG的四象素数据。这里，简单描述了h11，但是h11对应于图9中所示的三个水平传送开关f11、f12、f13中的全部或一个。这对于水平传送开关h22也是相同的。
具体地说，当第一通道的水平传送开关h11闭合，通过输出电容Cout和第一通道的输出放大器261输出保持在电容Q11中的、第1行第1列的G(绿)象素P11的象素数据。
与此同时，当第二通道的水平传送开关h21闭合，通过输出电容Cout和第二通道的输出放大器262输出保持在电容Q21中的、第1行第2列的R(红)象素P21的象素数据。
与此同时，当第三通道的水平传送开关h12闭合，通过输出电容Cout和第三通道的输出放大器263输出保持在电容Q12中的、第2行第1列的B(蓝)象素P12的象素数据。
与此同时，当第四通道的水平传送开关h22闭合，通过输出电容Cout和第四通道的输出放大器264输出保持在电容Q22中的、第2行第2列的G(绿)象素P22的象素数据。
从而，通过四通道，由图2中的第一扫描单元中具有四象素GRBG的第一输出单元a1同时并行分开地输出象素数据。
此后，通过复位开关RS在信号输出电容Cout复位之后读出下一水平象素。由单个象素的每一象素数据的输出进行复位。
接下来，通过从上侧和下侧的水平移位选择电路250a、250b输出的定时控制信号，在上侧和下侧的水平传送开关电路246a、246b中同时闭合水平传送开关，将其前置两行。
也就是说，同时闭合第一通道的水平传送开关h31、第二通道的水平传送开关h41、第三通道的水平传送开关h32、第四通道的水平传送开关h42。
从而，从第一通道的输出放大器261输出保持在电容Q31中的、第3行第1列的G(绿色)象素P31的象素数据，从第二通道的输出放大器262输出保持在电容Q41中的、第4行第1列的R(红色)象素P41的象素数据，从第三通道的输出放大器263输出保持在电容Q32中的、第3行第2列的B(蓝色)象素P32的象素数据，从第四通道的输出放大器264输出保持在电容Q42中的、第4行第2列的G(绿色)象素P42的象素数据。从而，通过四通道，由图2中的第一扫描单元中具有四象素GRBG的第一输出单元a2同时并行分开地输出象素数据。
此后，通过水平移位选择电路250a、250b输出的定时控制信号，水平传送开关电路246a、246b中同时闭合的传送开关被前置两行，并执行相同的操作。从而对于第一输出单元的a3、a4、a5、a6...，通过四通道可以按照顺序的同时并行分开地输出GRBG四象素的象素数据。从而可以完成第一扫描单元上全部象素的象素数据的读出。
当通过四通道同时并行分开地输出第一扫描单元上全部象素的GRBG象素数据结束时，在消除噪声之后，操作然后移到对第二扫描单元的象素数据的读出。也就是说，通过使用箝位直流电源EE1，通过闭合箝位开关CL，将所有的箝位电容CC复位到初始电势。
象素是通过组合光电二极管和单元放大器(漂移扩散放大器)而形成的。通过单元放大器以电压的形式输出光电二极管中所累积的电势。单元放大器的晶体管的电压VT的阈值之间有所不同，这就成为图片质量恶化(例如产生垂直线)的偏移因素，这称之为噪声，这就是需要噪声消除电路243a、243b消除噪声的原因。可以使用MOS门电容作为箝位电容。在复位箝位电容之后，释放箝位开关CL，并且操作转移到读出下一扫描单元的象素数据。
在从下一扫描单元读出象素数据的时候，在水平消隐期间，在垂直移位选择电路230中扫过垂直移位之后，执行两次读出操作，以逐个处理到所被选择的扫描单元。此后，重复与上相同的操作，以通过四个通道并行分开地同时输出一个扫描单元全部象素的GRBG象素数据。
然后，通过逐个地处理到所被选择的扫描单元，通过四个通道并行分开地同时输出GRBG象素数据，并不停地重复，直至最后一个扫描单元为止。从而，通过四个通道就同时输出了一帧的全部象素数据。
(混合九象素读出模式)下面参照图9和图10描述混合九象素读出模式的操作。图9所示为用于读出第一扫描线上象素的象素数据的电路结构部分的放大视图，图10为用于读出第二扫描线上象素的象素数据的电路结构部分的放大视图。在图10中也示出了在图9中所示的光电转换元件阵列的第一至第六列上的象素组。
由垂直移位选择电路230选择光电转换元件阵列210的第一行。同时闭合下侧的垂直传送开关电路242a的垂直传送开关V11、V21、V31、V41、V51、V61...，并进一步，同时闭合下侧的信号电压保持电路244a中的所有第一传输开关e11、e21、e31、e41、e51、e61...，以分别将第一行上的G(绿)和R(红)象素P11、P21、P31、P41、P51、P61...中的电压信号充电至下侧的信号电压保持电路244a的第一电容d11、d21、d31、d41、d51、d61...。然后，通过下侧的噪声消除电路243a的箝位开关CL的ON-OFF操作，将所有的箝位电容CC复位。
与此同时，由垂直移位选择电路230选择该光电转换元件阵列210的第二行。同时闭合上侧的垂直传送开关电路242b中的垂直传开关V12、V22、V32、V42、V52、V62...，并进一步，同时闭合上侧的信号电压保持电路244b中的所有第一传输开关r11、r21、r31、r41、r51、r61...，以分别将第二行上的B(蓝)和G(绿)象素P12、P22、P32、P42、P52、P62...中的电压信号充电至上侧的信号电压保持电路244b的第一电容u11、u21、u31、u41、u51、u61...。然后，通过上侧的噪声消除电路243b的箝位开关CL的ON-OFF操作，将所有的箝位电容CC复位。
接下来，在水平消隐期间，在由垂直移位选择电路230进行垂直移位之后，对于第三行的选择执行两次读出操作。同时闭合下侧的垂直传送开关电路242a的垂直传送开关V11、V21、V31、V41、V51、V61...，并进一步，同时闭合下侧的信号电压保持电路244a的所有第二传输开关e12、e22、e32、e42、e52、e62...，以分别将第三行上的G(绿)和R(红)象素P13、P23、P33、P43、P53、P63...中的电压信号充电至下侧的信号电压保持电路244a的第二电容d12、d22、d32、d42、d52、d62...。然后，通过下侧的噪声消除电路243a的箝位开关CL的ON-OFF操作，将所有的箝位电容CC复位。
与此同时，由该垂直移位选择电路230选择该光电转换元件阵列210的第四行。同时闭合上侧的垂直传送开关电路242b的垂直传送开关V12、V22、V32、V42、V52、V62...，并进一步，同时闭合上侧的信号电压保持电路244b的所有第二传输开关r12、r22、r32、r42、r52、r62...，以分别将第四行上的B(蓝)和G(绿)象素P14、P24、P34、P44、P54、P64...中的电压信号充电至上侧的信号电压保持电路244b的第二电容u12、u22、u32、u42、u52、u62...。然后，通过上侧的噪声消除电路243b的箝位开关CL的ON-OFF操作，将所有的箝位电容CC复位。
接下来，在水平消隐期间，在由垂直移位选择电路230进行垂直移位之后，对于第五行的选择执行两次读出操作。同时闭合下侧的垂直传送开关电路242a的垂直传送开关V11、V21、V31、V41、V51、V61...，并进一步，同时闭合下侧的信号电压保持电路244a中的所有第一传输开关e13、e23、e33、e43、e53、e63...，以分别将第五行上的G(绿)和R(红)象素P15、P25、P35、P45、P55、P65...中的电压信号充电至下侧的信号电压保持电路244a的第三电容d13、d23、d33、d43、d53、d63...。然后，通过下侧的噪声消除电路243a的箝位开关CL的ON-OFF操作，将所有的箝位电容CC复位。
与此同时，由该垂直移位选择电路230选择该光电转换元件阵列210的第六行。同时闭合上侧的垂直传送开关电路242b的垂直传送开关V12、V22、V32、V42、V52、V62...，并进一步，同时闭合上侧的信号电压保持电路244b的所有第三传输开关r13、r23、r33、r43、r53、r63...，以分别将第六行上的B(蓝)和G(绿)象素P16、P26、P36、P46、P56、P66...中的电压信号充电至上侧的信号电压保持电路244b的第三电容u13、u23、u33、u43、u53、u63...。然后，通过上侧的噪声消除电路243b的箝位开关CL的ON-OFF操作，将所有的箝位电容CC复位。
当查看第一行、第三行、第五行中从第一列至第六列的象素组，第一列中三个G(绿)象素数据分别由电容d11、d12、d13保持，第二列中三个R(红)象素数据分别由电容d21、d22、d23保持，第三列中三个G(绿)象素数据分别由电容d31、d32、d33保持，第四列中三个R(红)象素数据分别由电容d41、d42、d43保持，第五列中三个G(绿)象素数据分别由电容d51、d52、d53保持，第六列中三个R(红)象素数据分别由电容d61、d62、d63保持。在其它列中也建立了相同的关系。
第一、三、五行第一、三、五列中的9个象素都是G(绿)象素，象素数据由电容d11、d12、d13、d31、d32、d33、d51、d52、d53保持。于是通过同时操作对应于电容的9个水平传送开关f11、f12、f13、f31、f32、f33、f51、f52、f53，以对第一通道的信号输出电容Cout充电，就可以混合9个G(绿色)象素的象素数据。然后，将9个G(绿)象素混合后的象素数据从第一输出放大器261输出，其对应于图3中所示第一扫描单元中第二输出单元b1的9个G(绿)混合象素数据D1。
同时，第一、三、五行第二、四、六列中的9个象素都是R(红)象素，象素数据由电容d21、d22、d23、d41、d42、d43、d61、d62、d63保持。于是在按照上述方式读出9个G(绿)象素混合数据的同时，通过同时操作对应于电容的9个水平传送开关f21、f22、f23、f41、f42、f43、f61、f62、f63，以对第二通道的信号输出电容Cout充电，就可以混合9个R(红)象素的象素数据。然后，将9个R(红)象素混合后的象素数据从第二输出放大器262输出，其对应于图3中所示第一扫描单元中第二输出单元b2的9个R(红)混合象素数据D2。
进一步，第二、四、六行第一、三、五列中的9个象素都是B(蓝)象素，象素数据由电容u11、u12、u13、u31、u32、u33、u51、u52、u53保持。于是在按照上述方式读出G(绿)和R(红)的9个象素混合数据的同时，通过同时操作对应于电容的9个水平传送开关t11、t12、t13、t31、t32、t33、t51、t52、t53，以对第三通道的信号输出电容Cout充电，就可以混合9个B(蓝)象素的象素数据。然后，将9个B(蓝)象素混合后的数据从第三输出放大器263输出，其对应于图3中所示第一扫描单元中第二输出单元b1的9个B(蓝)混合象素数据D3。
同时，第二、四、六行第二、四、六列中的9个象素都是G(绿)象素，并且象素数据由电容u21、u22、u23、u41、u42、u43、u61、u62、u63保持。于是在按照上述方式读出G(绿)、R(红)和B(蓝)的9个象素混合数据的同时，通过同时操作对应于电容的9个水平传送开关t21、t22、t23、t41、t42、t43、t61、t62、t63，以对第四通道的信号输出电容Cout充电，就可以混合9个G(绿)象素的象素数据。然后，将9个G(绿)象素混合后的数据从第四输出放大器264输出，其对应于图3中所示第一扫描单元中第二输出单元b1的9个G(绿)混合象素数据D4。
从而，通过四个通道，同时由图3中第一扫描单元中的第二输出单元b1并行分开地输出GRBG的四象素数据，其中分别混合了9个象素。
接下来，通过将作为输出对象的第二输出单元从b1移位到b2并重复上述相同的操作，通过四个通道，同时由图3中第一扫描单元中的第二输出单元b2并行分开地输出GRBG的四象素数据，其中分别混合了9个象素。
在通过四个通道同时并行分开地输出GRBG混合数据结束之后，所选择的扫描单元通过垂直移位选择电路230移位到下一个，并重复上述相同的操作。从而，通过四个通道，由图3中所示6行6列组成象素组的第二输出单元b11、b12同时并行分开地输出GRBG混合象素数据。
如上所述，实现了通过四通道同时并行分开地输出GRBG混合象素数据的虚拟四板读出系统，其中通过由6行6列象素组组成的第二输出单元，从各个颜色和通道的输出部分输出每一颜色的混合象素数据。进一步，它具有大量的象素，从而光学单元的尺寸变大。作为乘数效应的结果，就可能用高象素记录平滑移动的高精细的活动图像，从而相比于现有技术就显著提高了活动图像的质量。
为了达到这种效果，通过简单地对从光电转换元件阵列读出象素数据的控制单元中象素数据的输出形式应用小装置就可以实现。于是，如上所述，尽管显著地提高了活动图像的质量，但是避免了复杂的结构。因此，在制造成本上就会有利。
在上述实施例中，设置n＝3，然而，也可以通过设置n＝4、n＝5、n＝6等获得实施例。当设置n＝3，(2n)2＝62＝36＝4×9，从而GRBG象素由9个象素分别与6行6列的第二输出单元中的象素组混合。
当设置n＝4，(2n)2＝82＝64＝4×16，从而GRBG象素由16个象素分别与8行8列的第二输出单元中的象素组混合。在这种情况下，水平方向上5,120象素×垂直方向上3,840象素，大概为19,700,000象素。于是，使用象素为8行8列的单元，就成为虚拟四板读出系统中的VGA。
此外，当设置n＝5，(2n)2＝102＝100＝4×25，从而GRBG象素由25个象素分别与10行10列的第二输出单元中的象素组混合。在这种情况下，水平方向上6,400象素×垂直方向上4,800象素，大概为30,700,000象素。于是，使用象素为10行10列的单元，就成为虚拟四板读出系统中的VGA。
而且，当设置n＝6，(2n)2＝122＝144＝4×36，从而GRBG象素由36个象素分别与12行12列的第二输出单元中的象素组混合。它也以相同的方式成为上述虚拟四板读出系统。
虽然已经详细地描述和说明了本发明，但是应该明确理解的是，这只是意欲说明和示例的形式，而不是进行限制，本发明的精神和范围只由下面的权利要求书进行限制。
权利要求
1.一种彩色固态图像拾取装置，包括光电转换元件阵列，和用于控制读出由所述光电转换元件阵列产生的象素数据的控制单元，其中所述光电转换元件阵列包括以矩阵排列的多个光电转换元件(象素)，并且产生具有2行2列一个单元象素组的四种颜色的象素数据；和所述控制单元包括四个输出部分的通道，从所述光电转换元件阵列读出象素数据，并且通过切换全象素读出模式和混合象素读出模式输出读出的象素数据，其中所述全象素读出模式是用于拾取静止图像的模式，并通过由第一输出单元扫描输出形式输出全部象素的象素数据，所述输出形式通过四个输出部分的通道同时从第一输出部分输出第一颜色的象素数据，从第二输出部分输出第二颜色的象素数据，从第三输出部分输出第三颜色的象素数据，从第四输出部分输出第四颜色的象素数据，其中所述光电转换元件阵列中的2行2列的象素组是所述第一输出单元；和所述混合象素读出模式是用于记录活动图像的模式，并通过由第二输出单元扫描输出形式在减少象素数目之后输出象素数据，所述输出形式在按照每一颜色混合第二输出单元的相同颜色的n×n个象素数据之后，通过四个输出部分的通道同时从第一输出部分输出第一颜色的混合象素数据，从第二输出部分输出第二颜色的混合象素数据，从第三输出部分输出第三颜色的混合象素数据，从第四输出部分输出第四颜色的混合象素数据，其中所述光电转换元件阵列中的2n行2n列的象素组是所述第二输出单元，n为任意自然数。
2.根据权利要求1所述的彩色固态图像拾取装置，其中在所述光电转换元件阵列中的所述四个象素数据中，两个象素数据是相同的颜色。
3.根据权利要求1所述的彩色固态图像拾取装置，其中所述光电转换元件阵列中的所述四个象素数据是设置成Bayer格式的象素数据。
4.根据权利要求1所述的彩色固态图像拾取装置，其中所述光电转换元件阵列中的所述四个象素数据分别是互补色的青、绛红、黄和绿的象素数据。
5.根据权利要求1所述的彩色固态图像拾取装置，其中所述光电转换元件阵列包括光电二极管；单元放大器；和滤色器。
6.根据权利要求1所述的彩色固态图像拾取装置，其中所述控制单元在所述混合象素读出模式中，由输出单元执行扫描，所述输出单元是所述光电转换元件阵列中6行6列象素组；和在所述混合象素读出模式中，由混合九象素单元操作。
7.根据权利要求1所述的彩色固态图像拾取装置，其中所述控制单元包括两行垂直传送开关电路，用于从所述光电转换元件阵列读出象素数据；两行信号电压保持电路，用于临时保持该读出数据；两行水平传送开关电路，用于通过将该数据分别划分成两个通道从所述信号电压保持电路输出象素数据或混合象素数据；水平移位选择电路，用于通过控制所述水平传送开关电路切换所述全象素读出模式的输出和所述垂直/水平混合象素读出模式的输出；和具有四通道的输出放大器，用于从所述水平移位选择电路彼此并行分开地输出全部的四象素数据或混合象素数据。
全文摘要
本发明提供了一种彩色固态图像拾取装置，包括光电转换元件阵列和用于控制读出象素数据的控制单元。该控制单元具有全象素读出模式和垂直/水平混合象素读出模式，由此从四个输出部分的通道同时输出数据。在全象素读出模式中，使用四个输出部分的通道同时并行分开地输出GRBG象素数据，其中该光电转换元件阵列中2行2列象素组是第一输出单元。同时在垂直/水平混合象素读出模式中，使用四个输出部分的通道同时并行分开地输出GRBG混合象素数据，其中该光电转换元件阵列中2n行2n列象素组是第二输出单元。
文档编号H04N3/15GK1604655SQ20041008063
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年9月30日
发明者秦野敏信 申请人:松下电器产业株式会社