摄像设备及其控制方法
【专利说明】摄像设备及其控制方法
[0001](本申请是申请日为2011年6月29日、申请号为201110184464.9、发明名称为“摄像设备及其控制方法”的申请的分案申请)
技术领域
[0002]本发明涉及一种具有摄像装置的摄像设备及其控制方法，尤其涉及一种装配有诸如互补金属氧化物半导体图像传感器(以下称为CMOS传感器)等的具有A/D转换器的固态摄像装置的摄像设备及其控制方法。
【背景技术】
[0003]随着CMOS逻辑处理和图像传感器处理的融合，使得可以在诸如CMOS传感器等的固态摄像装置的芯片上装配模拟电路、数字电路、信号处理器等。例如，具有在其上二维排列了像素并且装配了 A/D转换器的图像传感器芯片的CMOS传感器已进入实际应用。
[0004]在这种类型的CMOS传感器中，使用列并行A/D转换架构，在该架构中，对于二维排列的像素的列中的每一列，都设置相应的A/D转换器，从而可以将各A/D转换器的转换速率从像素读出速率降低成线读出速率。其优点在于可以降低整体功耗、并且可以容易地增大CMOS传感器的读出速率。
[0005]作为使用列并行A/D转换架构的CMOS传感器，已知使用利用三角波扫描的所谓的斜坡型A/D转换器的CMOS传感器(例如，参考日本特开平5-48460号公报)。
[0006]在该CMOS传感器中，将从模拟值输入端子输入的模拟值存储在模拟值存储单元中，并且将这些模拟值输入给比较器各自的一个输入端子，而将随着计数器的工作而逐渐增大的来自D/A转换器的基准值输入给比较器各自的另一输入端子。当各个模拟值变得小于相应的基准值时，将计数器数据存储在数字值存储单元中。随后，通过扫描电路从数字值存储单元依次读取多个计时器数据作为数字值。
[0007]如上所述，对该CMOS传感器的比较器应用基准值(即三角波)。例如，在CMOS传感器装配有8位A/D计数器的情况下，需要用于进行256 (其中，256为2的8次方)步处理的时间段来扫描三角波，以与计数器的工作同步改变三角波的电压。
[0008]以模拟电压的形式提供三角波，并且根据RC时间常数来确定稳定三角波所需的时间段。因此在原理上难以将每一步处理时间缩短成小于稳定三角波所需的时间段。
[0009]换句话说，扫描三角波所需的步数随着A/D转换器中所使用的位数的增大而增大，这使得难以增大处理速度。对于使用斜坡型A/D转换器的CMOS传感器，因此难以同时满足用于增大A/D转换器的位数的要求和用于增大处理速度的要求。
[0010]将使用列并行A/D转换架构的一些CMOS传感器配置成使η位计数器以用于进行2"步的计数以增大斜坡型A/D转换器的位数的模式、或者以用于在将位数减少成小于η时进行较少步的计数以增大处理速度的模式来工作(例如，参考日本特开2005-333316号公报)。利用该CMOS传感器，通过选择性地使用这两个工作模式的其中一个，可以拍摄高速移动的被摄体，并且可以拍摄具有平滑灰度的照片。
[0011]然而，对于该CMOS传感器，为了增大处理速度，必须降低位数，因而使得灰度表现变得粗糙。换句话说，即使可以选择重视增大位数的工作模式或重视增大处理速度的工作模式，也难以同时满足用于增大位数的要求和用于增大处理速度的要求。
【发明内容】
[0012]本发明提供一种能够实质性提高A/D转换速度、同时能够防止摄像信号的灰度表现变得粗糙的摄像设备及其控制方法。
[0013]根据本发明的第一方面，提供一种摄像设备，包括:二维排列的像素，其中每个像素均具有光电转换元件；针对所述像素的各列设置的列放大器;A/D转换器，其设置在所述列放大器的输出侧，并且具有第一工作模式和第二工作模式，其中，在所述第一工作模式下，所述A/D转换器以第一转换位数和第一转换速度工作，在所述第二工作模式下，所述A/D转换器以小于所述第一转换位数的第二转换位数和大于所述第一转换速度的第二转换速度工作；以及扩展处理单元，用于将从以所述第二工作模式工作的所述A/D转换器输出的多个二维排列的像素数据相加在一起，从而从所述第二转换位数扩展所述像素数据的灰度位数。
[0014]根据本发明的第二方面，提供一种用于摄像设备的控制方法，其中，所述摄像设备包括:二维排列的像素，其中每个像素均具有光电转换元件；针对所述像素的各列设置的列放大器；以及A/D转换器，其设置在所述列放大器的输出侧，所述控制方法包括以下步骤:使所述A/D转换器以第一工作模式或第二工作模式工作，其中，在所述第一工作模式下，所述A/D转换器以第一转换位数和第一转换速度工作，在所述第二工作模式下，所述A/D转换器以小于所述第一转换位数的第二转换位数和大于所述第一转换速度的第二转换速度工作；以及将从以所述第二工作模式工作的所述A/D转换器输出的多个二维排列的像素数据相加在一起，从而从所述第二转换位数扩展所述像素数据的灰度位数。
[0015]利用本发明，通过将从A/D转换器输出的多个像素数据相加在一起，可以扩展灰度位数，从而在重视增大处理速度的工作模式下，可以提高A/D转换速度，同时可以防止图像数据(摄像信号)的灰度表现变得粗糙。
[0016]通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其它特征将显而易见。
【附图说明】
[0017]图1是示出根据本发明第一实施例的摄像设备的框图；
[0018]图2是示意性示出装配到摄像设备的CMOS传感器的像素排列的图；
[0019]图3是示出在静止图像拍摄时摄像设备进行列偏移检测和校正所使用的定时信号、并示出与该定时信号同步输出的传感器输出的图；
[0020]图4是示出在运动图像拍摄时摄像设备进行列偏移检测和校正所使用的定时信号、并示出与该定时信号同步输出的传感器输出的图；
[0021]图5是详细示出CMOS传感器的示例性结构的电路图；
[0022]图6是示出CMOS传感器的工作的时序图；
[0023]图7是示出CMOS传感器的斜坡型A/D转换器的示例性工作的图；
[0024]图8A?SC是示意性示出由图1所示信号处理电路进行的信号处理过程的图，其中，图8A示出具有10位整数部分和2位小数部分的12位长(二进制)的像素数据阵列，图8B示出将两个像素数据A、B相加在一起、然后除以2的2像素插值的过程，图SC示出将四个像素数据A?D相加在一起、然后除以4的4像素插值的过程；
[0025]图9A是示出在静止图像拍摄时要进行图1所示的信号处理电路的颜色插值处理的示例性像素排列的图；
[0026]图9B?9D是示出颜色插值处理之后的红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)颜色像素的排列的图；
[0027]图9E?9G是示出对于各个像素数据的运算处理的内容和通过该运算处理扩展后的像素数据的灰度位数的图；
[0028]图10是示出在其中示出静止图像拍摄时ISO感光度、增益和灰度位数之间的关系的增益切换表的图；
[0029]图1lA?IlF是示出用于大小转换至运动图像大小的、由图1所示信号处理电路进行的缩小变倍处理的图，其中，图1lA?IlC示出缩小变倍之后的红色(R)、绿色(G)和蓝色⑶颜色像素的排列，并且图1lD?IlF示出用于缩小变倍的插值公式；
[0030]图12是示出在其中示出运动图像拍摄时ISO感光度、增益和灰度位数之间的关系的增益切换表的图；
[0031]图13A和13B是示出从CMOS传感器输出的传感器的读出和闪光灯测光之间的关系的图，其中，图13A示出EF评价块区域上通过闪光灯预发光所生成的光电荷的累积的示例性时序，并且图13B示出光强度随着时间过去的变化；以及
[0032]图14A?14D是示出EF评价块区域上的光电荷的累积期和光强度随着时间过去的变化的图，其中，图14A和14B示出CMOS传感器的光电荷读出期长于累积期的情况，并且图14C和14D示出光电荷读出期短于累积期的情况。
【具体实施方式】
[0033]下面参考示出本发明优选实施例的附图详细说明本发明。
[0034]第一实施例
[0035]图1以框图示出根据本发明第一实施例的摄像设备。
[0036]参考图1，摄像设备包括作为固态摄像装置的CMOS图像传感器(CMOS传感器)103。光通过镜头101和快门光圈102入射到CMOS传感器103，并且在CMOS传感器103上形成光学图像。CMOS传感器103将与光学图像相对应的光学信号转换成电信号并输出该电信号。
[0037]图2示意性示出CMOS传感器103的像素排列。如图2所示，CMOS传感器103包括利用光照射作为光电转换元件的光电二极管(未示出)的有效像素区域203，并且包括水平光学黑体区域(以下称为HOB区域)201和垂直光学黑体区域(以下称为VOB区域)202。在HOB区域201中，通过例如铝薄膜遮挡几列到几十列上的光照射。在VOB区域202中，通过例如铝薄膜遮挡几行到几十行上的光照射。
[0038]再参考图1，摄像设备包括同步信号生成器(以下称