CN103168463B - 图像传感器和摄像设备 - Google Patents

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Abstract

图像传感器包括：多个像素，其被颜色滤波器所覆盖并且在第一方向和与第一方向垂直的第二方向上被二维地配置；以及读出部件，其能够通过在第一读出方法和第二读出方法之间切换来进行读取，第一读出方法用于读取来自多个像素中的各个像素的信号，第二读出方法用于通过对由相同颜色的颜色滤波器所覆盖的预定数量的像素构成的各像素组内的第一方向上的信号进行相加。多个像素包括离散地配置的第一焦点检测像素的多个像素组以及第二焦点检测像素的多个像素组，以及第一焦点检测像素和第二焦点检测像素在第二方向上的不同侧被部分地遮光以接收穿过不同出射光瞳区域的光。

Description

图像传感器和摄像设备
技术领域
本发明涉及一种能够基于从能够拍摄静止图像和运动图像的图像传感器所获得的信号、通过相位差检测方法来进行焦点检测的图像传感器和摄像设备。
背景技术
在用于摄像设备的自动焦点检测/调节方法中，使用穿过摄像透镜的光束的一般方法包括对比度检测方法(也称为基于模糊的方法)和相位差检测方法(也称为偏移检测方法)。
通常在用于拍摄动画的摄像机和电子静止照相机中使用对比度检测方法，并且对比度检测方法使用图像传感器作为焦点检测传感器。该方法关注图像传感器的输出信号，尤其是高频成分中所包含的信息(对比度信息)，并且将使输出信号的评价值最大化的摄像透镜的位置当作聚焦点。然而，由于需要也被称为爬山法的方法来通过微小移动摄像透镜来寻找评价值、并且持续移动摄像透镜直到评价值达到最大值为止，因而该方法被认为不适于高速焦点调节操作。
在利用卤化银胶卷的单镜头反光照像机中经常使用另一种方法，即，相位差检测方法，并且相位差检测方法是对自动调焦(AF)单镜头反光照像机的商业化作出了巨大贡献的技术。在相位差检测方法中，首先，穿过摄像透镜的出射光瞳的光束被分割为两个光束，并且之后被一对焦点检测传感器接收。然后，通过检测基于焦点检测传感器所接收的光量而输出的信号之间的偏移量，即，光束的分割方向上的相对偏移量，相位差检测方法直接判断聚焦方向上的摄像透镜的偏移量。因而，在焦点检测传感器积累数据时，获得散焦量和散焦方向，这使得能够进行高速焦点调节操作。然而，为了将穿过摄像透镜的出射光瞳的光束分割为两个光束并且获得与所生成的两个光束相对应的信号，通常将快速返回镜或半透半反镜等的光分割单元安装在摄像光学路径上，并且将焦点检测光学器件和AF传感器安装在光分割部后面。这具有增大设备的大小和成本的缺点。
为了克服上述缺点，公开了用于向图像传感器提供相位差检测功能、无需专用AF传感器、并且进行高速相位差AF的技术。
例如，日本特开2000-292686公开了用于通过将图像传感器的部分像素的受光单元分割为两部分来对图像传感器提供光瞳分割功能的技术。该技术通过将作为焦点检测像素的这些像素以预定间隔配置在摄像像素中来进行相位差焦点检测。由于摄像像素在配置焦点检测像素的位置缺失，因而该技术使用基于周围摄像像素所获得的信息、通过插值来生成图像信息。
另一方面，即使在单镜头反光照像机的情况下，也代替卤化银胶卷，而通常将CCD和CMOS传感器等的固态图像传感器用作摄像介质。结果，设置有电子取景器模式和/或动画记录模式以及光学取景器的产品出现在市场上。电子取景器模式通过使快速返回镜从摄像光学路径退避来拍摄运动图像，在安装于主体内的显示装置(近年来，一般使用液晶显示装置)上显示所拍摄的运动图像，从而允许用户观看被摄体。另外，这种照相机不仅能够将静止图像，而且还能够将运动图像以动画记录模式记录在记录介质上。在重视帧率以使得能够实现平滑的画面显示的动画拍摄期间，用于静止图像的部分像素没有被读出以提高帧率。
另一方面，为了提高动画显示期间的图像质量并且提高低亮度处的感光度，日本特开2003-189183提出能够通过在像素间隔剔除模式和像素合并模式之间切换来产生输出的图像传感器。即，为了提高运动图像的图像质量，提出在由于被摄体的高空间频率而可能出现摩尔纹时以像素合并模式进行读取以减少摩尔纹，而在由于被摄体的高亮度而可能出现拖尾时使用像素间隔剔除模式。
然而，上面所述的已知技术有以下缺点。
正常情况下，电子取景器和动画模式不需要比静止图像的分辨率高的分辨率，并且平滑的画面显示是重要的。因此，在电子取景器和动画模式中，通常通过像素间隔剔除或像素合并而读取固态图像传感器来生成图像，从而提高帧率。在此情况下，在日本特开2000-292686所记载的焦点检测像素的配置中，可能存在通过像素间隔剔除来读取固态图像传感器时没有读取焦点检测像素从而导致不能够使用相位差方法来检测焦点的情况。
可以想到的是将焦点检测像素配置在不被剔除的行(或列)中，从而确保即使利用像素间隔剔除也可以读取焦点检测像素。然而，在读取运动图像期间根据场景在像素间隔剔除模式和像素合并模式之间切换的技术，诸如日本特开2003-189183所提出的技术，存在以下问题。即，能够通过像素间隔剔除来适当读取的焦点检测像素不能够通过像素合并来适当读取，其中，在该像素合并中，将正常像素相加至焦点检测像素。
另外，即使在像素合并模式中，也可以想到在包含正常像素和焦点检测像素的组合的像素组的情况下仅读取焦点检测像素。然而，这存在控制线的配线布局将变得复杂的问题。
发明内容
本发明是考虑到上述情形而作出的，并且能够在不会导致配线布局复杂的情况下在像素合并期间与来自正常像素的信号分开地读取来自焦点检测像素的信号。
根据本发明的一方面，提供一种图像传感器，包括：多个像素，其被颜色滤波器覆盖并且在第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向上被二维地配置；以及读出部件，其能够通过在第一读出方法和第二读出方法之间切换来进行读取，所述第一读出方法用于读取来自所述多个像素中的各个像素的信号，所述第二读出方法用于通过在由相同颜色的颜色滤波器所覆盖的预定数量的像素构成的各像素组内在所述第一方向上对信号进行相加来进行读取，其中，所述多个像素包括离散地配置的第一焦点检测像素的多个像素组和第二焦点检测像素的多个像素组，以及所述第一焦点检测像素和所述第二焦点检测像素在所述第二方向上的不同侧被部分地遮光以接收穿过不同出射光瞳区域的光。
根据本发明的另一方面，提供一种摄像设备，包括：如上所述的图像传感器；检测部件，用于基于分别根据从所述第一焦点检测像素和所述第二焦点检测像素读出的信号而获得的两个图像之间的相位差来检测焦点状态；以及焦点调节部件，用于基于所检测的焦点状态来调节焦点。
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变得明显。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施例、特征和方面，并和说明书一起用来解释本发明的原理。
图1A至1C是示出根据第一实施例的图像传感器的部分像素的典型像素配置的图；
图2是示出根据第一实施例的图像传感器的部分像素的配线的图；
图3是根据第一实施例的图像传感器的部分像素单元的详细图；
图4是示出根据第一实施例的列电路的详细结构的图；
图5是根据第一实施例的图像传感器的驱动时序图；
图6是根据第一实施例的图像传感器的另一驱动时序图；
图7A至7C是示出根据第二实施例的图像传感器的部分像素的典型像素配置的图；
图8是根据第二实施例的图像传感器的驱动时序图；
图9A至9C是示出根据第三实施例的图像传感器的部分像素的典型像素配置的图；
图10是示出根据第三实施例的列电路的详细结构的图；
图11是根据第三实施例的图像传感器的驱动时序图；
图12是示出根据第四实施例的摄像设备的示意性结构的框图；
图13是根据第四实施例的摄像设备所进行的拍摄处理的流程图。
具体实施方式
将根据附图详细说明本发明的典型实施例。实施例所示的组成部分的大小、形状及相对位置可以根据各种条件和用于本发明的设备的结构而适当地改变，本发明不限于此处所述的实施例。
第一实施例
图1A至1C是示出根据本发明第一实施例的图像传感器的部分像素的典型像素阵列，更具体地，CMOS固态图像传感器的典型像素配置的图。
如图1A所示，此处假定在以拜耳图案在各像素上配置R(红)、G(绿)和B(蓝)颜色滤波器的情况下，分别在x方向(水平方向)和y方向(垂直方向)上二维地配置17个像素0～16和14个像素0～13。在包含光学黑(OB)像素等的实际图像传感器上配置了比图1A至1C所示的更多的像素，但是为了便于说明，此处假定如上述配置17×14个像素。
在图1A的典型像素配置中，具有x、y坐标(4，6)、(4，8)和(4，10)的像素原本是R像素，而具有x、y坐标(7，9)、(7，11)和(7，13)的像素原本是B像素。根据第一实施例，这些像素用作焦点检测像素并且优先设置G颜色滤波器或者不设置颜色滤波器。然而，原本表示拜耳阵列中的颜色的符号(R和B)出现在本实施例中所参考的图上。这些像素通过在水平方向上部分地遮挡这些像素的受光部设置有水平光瞳分割功能。然后，当在摄像像素中以预定间隔配置焦点检测像素时，焦点检测像素能够提供相位差焦点检测所需的信号。在图1A至1C的例子中，为了检测水平方向上的相位差，在水平方向上以预定间隔配置用于接收穿过不同出射光瞳区域的光的多对焦点检测像素。为了接收穿过不同出射光瞳区域的光，对于被遮光的区域，具有x、y坐标(4，6)、(4，8)和(4，10)的像素与具有x、y坐标(7，9)、(7，11)和(7，13)的像素相反。这些对焦点检测像素组离散地配置在图像传感器中。
图1B是示出通过考虑拜耳配置中的颜色重心来如何将图1A的17×14像素配置图中的第4和第7列的三个相同颜色的像素的电荷在垂直方向上相加(以下称为垂直相同颜色三像素相加)的图。另外，图1C是示出通过考虑拜耳配置中的颜色重心，在垂直相同颜色三像素相加之后在第6、第8和第10像素行和第9、第11和第13像素行中如何读取水平方向上的1/3像素的电荷的图(以下称为水平1/3读取)。在本例中，在垂直像素相加和水平像素间隔剔除之后从图像传感器读取信号(水平和垂直像素数均被减少到1/3)。
此处值得注意的是，经过垂直相同颜色像素相加的所有三个像素是焦点检测像素(针对相位差检测在相同侧具有遮光部)。该结构可以防止在垂直相同颜色三像素相加期间正常像素的信号和焦点检测像素的信号被混合。
另一方面，假定将水平相同颜色像素相加应用于第6、第8和第10行的R像素，通过考虑拜耳配置中的颜色重心来将第2、第4和第6列的像素相加。虽然可以想到如上述垂直像素相加情况那样，在第2和6列的像素被焦点检测像素替换的情况下将第2、第4和第6列的像素相加，但是从检测水平相位差的角度并不期望这种水平像素相加。因此，根据本实施例在水平方向上进行像素间隔剔除操作。即，为了检测水平相位差，在垂直方向上配置焦点检测像素并对其进行相加。
从由于垂直像素相加和水平像素间隔剔除而产生的像素输出，提取来自焦点检测像素的像素输出并将其用于摄像透镜的焦点检测，使用来自除焦点检测像素之外的像素的像素输出来生成被摄体图像。此时，根据周围摄像像素的信号来对来自焦点检测像素位置的图像信号进行插值。
上述说明所使用的术语“相加”包括“算术平均”、“加权平均”等，但是用于通过包括多个像素信号来生成单位像素信号的技术不限于这些方法。
图2是示出包含配置为图1A至1C所示的部分像素和像素读出电路的图像传感器的配线的图。此处示出具有x、y坐标(2，6)至(7，15)的像素。与图1A至1C相同地，具有x、y坐标(4，6)、(4，8)和(4，10)的像素以及具有x、y坐标(7，9)、(7，11)和(7，13)的像素是焦点检测像素。为了进行垂直三像素相加，对虚线所表示的各像素组a、b、c和d的像素进行相加。在这些像素组中，将参考图3详细说明来自各像素组a、b和c的像素信号的相加。
来自经过垂直三像素相加的各像素组的像素信号分别或者作为相加信号经由选择晶体管Tsel输出至垂直输出线Vline。图2所示的配线中，同列的不同颜色的像素连接至不同的垂直输出线、作为垂直输出线负载的电流源200以及列电路230和231，并且被垂直扫描电路421控制。结果，将来自两行的信号同时读取至不同垂直输出线Vline。将列电路230和231所读取的像素信号通过水平扫描电路400和401顺次传送至读取放大器216和217并且向外输出。
图3详细示出图2所示的像素组a、b和c，即，图1A至1C的具有x、y坐标(2，6)、(2，8)和(2，10)；(4，6)、(4，8)和(4，10)以及(6，6)、(6，8)和(6，10)的像素。可以经由各传送晶体管Tx00～Tx44将来自各像素的光电二极管PD00至PD44的信号传送至浮动扩散部Cfd，其中，垂直方向上的三个像素的组共享各浮动扩散部Cfd。经由漏极连接至电源VDD的源极跟随器放大器Tsf并且经由选择晶体管Tsel，将传送至浮动扩散部Cfd的信号读取至垂直输出线Vline。在像素PD00～PD44通过经由各传送晶体管Tx00～Tx44与复位晶体管Tres连接至电源VDD而被复位的情况下，浮动扩散部Cfd通过经由复位晶体管Tres连接至电源VDD而被复位。
从图2所示的垂直扫描电路421输出的Pres024、Psel024、Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4以行为单位来控制复位晶体管Tres、选择晶体管Tsel和传送晶体管Tx00～Tx44。
在图3的结构中，例如，如果仅Tx02、Tx22和Tx42被Ptx_2接通，则将来自第8行的像素PD02、PD22和PD42的信号独立地传送至各浮动扩散部Cfd。另外，例如，如果Tx00～Tx44全部被Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4接通，则将来自垂直方向上的三个像素的信号传送至各浮动扩散部Cfd，从而实现允许垂直三像素相加。
图4是详细示出图2所示的列电路230的图。列电路231具有与列电路230相同的结构。为了便于说明，图4仅示出读取来自图2的配置为拜耳阵列的像素中的包含像素组a、b和c的R像素的信号的列电路230。
来自像素的输出经由连接至电流源负荷200的垂直输出线输入至列电路230中的电容器201。附图标记203表示与各反馈电容器202和电容器201一起构成反相放大器的运算放大器。在反馈电容器202通过pc0r信号(未示出)所控制的模拟开关(未示出)而在两端被短路时，电容器201和202以及保持电容器210和211在随后的阶段被复位。经由pts和ptn脉冲所驱动的模拟开关208和209在各保持电容器210和211中保持来自运算放大器203的输出。假定将紧接在浮动扩散部Cfd复位之后产生的信号保持在保持电容器211中，而将紧接在来自像素的信号被传送至浮动扩散部Cfd之后产生的信号保持在保持电容器210中。
当以列为单位在保持电容器210和211中保持一行的像素信号时，水平扫描电路400顺次驱动ph(n)脉冲，使得模拟开关214和215打开和关闭。结果，像素信号在随后的阶段被输入至差分读取放大器216并被向外输出。
模拟开关241～244用于连接针对相邻列的相同颜色的像素的保持电容器并且被phadd脉冲驱动。如果接通模拟开关241～244而后将其断开，则利用相邻列的平均电位来更新保持在保持电容器210和211中的电位。
水平扫描电路400被设计为能够在通过检查mode信号发现可以进行列像素间隔剔除的情况下，通过对ph(n)信号进行间隔剔除而从读取放大器216仅读取预定列的信号。
预先设置如下改变读取操作：例如，如果mode信号表示逐行扫描，则水平扫描电路400顺次输出信号至第0、第2、第4、第6、第8…列，以及如果mode信号表示像素间隔剔除或像素相加，则水平扫描电路400输出信号至第4、第10、第16…列。
使用上述结构和驱动从不同的读出电路中读取不同颜色的信号，但是在随后的阶段(未示出)通过处理电路来将不同颜色的信号重新配置为与图像传感器中的相同的像素配置。
图5是用于驱动图2至4所示的图像传感器的驱动时序图，其示出用于在不使用像素相加和像素间隔剔除的情况下扫描所有像素的定时。然而，为了便于说明，通过省略用于复位所有像素并开始累积来自所有像素的信号的定时来仅示出用于图2的像素组a、b和c的扫描操作的定时。另外，在图5中假定当信号处于Hi状态时接通相关晶体管和开关，而当信号处于Low状态时断开相关晶体管和开关。
首先，当Pres_024从Hi变为Low时，断开复位晶体管，断开包含像素组a、b和c的行的浮动扩散部Cfd与电源VDD的连接，从而解除复位。之后，Psel_024从Low变为Hi，使得包含像素组a、b和c的行的源极跟随器输出连接至各垂直输出线。然后，pc0r信号变为Hi，以接通用于将列电路反馈电容器(未示出)的两端短路的开关。同时，pts和ptn信号被设置为Hi，以接通模拟开关208和209，从而复位保持电容器210和211、反馈电容器202和电容器201。然后，pts和ptn信号被设置为Low并且pc0r信号被设置为Low，从而使电容器解除复位。
随后，ptn信号从Low变为Hi，接着变为Low以在保持电容器211中保持来自包含像素组a、b和c的行的浮动扩散部Cfd的输出。另外，pts信号被设置为Hi以在保持电容器210中保持像素信号，ptx_0信号从Low变为Hi，接着变为Low以将第6行的像素信号传送至浮动扩散部Cfd。之后，pts信号被设置为Hi以在保持电容器210中保持来自第6行的像素信号。接着，Psel_024被设置为Low并且Pres_024被设置为Hi以再次复位包含像素组a、b和c的行的浮动扩散部Cfd。之后，水平扫描电路400顺次输出ph(n)信号，并且来自第6行的所有像素的信号被顺次读取至读取放大器216。此时，phadd信号保持为Low，因而没有对输出信号进行平均。上述是第6行的信号传送和水平扫描。
之后，通过重复上述操作，诸如将Pres_024从Hi变为Low以及将Psel_024从Low变为Hi等，当在保持电容器210中保持像素信号时pts信号被设置为Hi。另外，通过将ptx_2信号从Low变为Hi，接着变为Low，可以将第8行的像素信号传送至浮动扩散部Cfd并将其保持在保持电容器210中。同理，通过在下一次重复中将ptx_4信号从Low变为Hi，接着变为Low，可以读出第10行的像素信号。
尽管迄今为止所述的仅是偶数行，但是对于奇数行，可以使用与参考图2所述的相同的控制来从列电路231读取信号。
由此结束包含像素组a、b和c的行的扫描的说明，通过以相同方式扫描随后的像素可以从所有行中读取信号。
图6是用于实现对图2至4所示的图像传感器的垂直三像素相加和水平1/3读取的驱动时序图。
在图5所示的驱动时序中，为了独立地扫描所有像素，即，为了从像素组中独立地读取三行像素信号，需要分别地驱动Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4。另一方面，在图6所示的驱动时序中，同时驱动Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4，以将垂直方向上的三像素的信号传送至单个浮动扩散部，从而实现垂直三像素相加。由此无需以行为单位来传送信号，因而减少了扫描线的实际数量，从而减少了扫描时间。另外，水平扫描电路400仅将ph(n)信号输出至第4、第10、第16…行，从而也通过减少水平方向上的像素数量来进行扫描。其余操作与图5所示的驱动时序相同。
也可以通过使用与同时驱动Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4时相同的定时仅驱动Ptx_2来实现垂直1/3读取和水平1/3读取。
如参考图1A至6所述的，在本实施例中，经过垂直相同颜色像素相加的所有三个像素(像素组)被设置为焦点检测像素(针对相位差检测在相同侧具有遮光部)。该结构使得在没有复杂配线的情况下可以防止在垂直相同颜色三像素相加期间正常像素的信号和焦点检测像素的信号被混合，并且实现逐行扫描。
第二实施例
图7A至7C是示出根据本发明第二实施例的图像传感器的部分像素的典型像素阵列，更具体地，本实施例的CMOS固态图像传感器的典型像素配置的图。
在图7A中，与图1A的情况相同，假定在以拜耳图案在各像素上配置R(红)、G(绿)和B(蓝)颜色滤波器的情况下，分别在x方向(水平方向)和y方向(垂直方向)上二维地配置17个像素0～16和14个像素0～13。在包括光学黑(OB)像素等的实际图像传感器中配置了比图7A至7C所示的更多的像素，但此处为了便于说明，假定如上所述配置17×14个像素。
在图7A的典型像素配置中，具有x、y坐标(2，8)、(4，8)和(6，8)的像素原本是R像素，而具有x、y坐标(5，11)、(7，11)和(9，11)的像素原本是B像素。根据第二实施例，这些像素用作焦点检测像素并且优选设置G颜色滤波器或者不设置颜色滤波器。然而，原本表示拜耳阵列中的颜色的符号(R和B)出现在本实施例中所参考的图上。这些像素通过在垂直方向上部分地遮挡这些像素的受光部设置有水平光瞳分割功能。然后，当在摄像像素中以预定间隔配置焦点检测像素时，焦点检测像素能够提供相位差焦点检测所需的信号。在图7A至7C的例子中，为了在垂直方向上检测相位差，在垂直方向上以预定间隔配置用于接收穿过不同出射光瞳区域的光的多对焦点检测像素。为了接收穿过不同出射光瞳区域的光，对于被遮光的区域，具有x、y坐标(2，8)、(4，8)和(6，8)的像素与具有x、y坐标(5，11)、(7，11)和(9，11)的像素相反。这些对焦点检测像素组离散地配置在图像传感器中。
图7B是示出通过考虑拜耳配置中的颜色重心来在图7A的17×14像素配置图的第2、第4和第6列以及第5、第7和第9列中如何进行垂直1/3像素间隔剔除的图。图7C是示出通过考虑拜耳配置中的颜色重心来如何在水平方向上将第8和第11行的三个相同颜色的像素的电荷相加的图。在本例中，在垂直像素间隔剔除和水平像素相加之后从图像传感器读取信号(水平和垂直像素数均减少到1/3)。
此处值得注意的是，经过水平相同颜色像素相加的所有三个像素是焦点检测像素(针对相位差检测在相同侧具有遮光部)。该结构可以防止在水平相同颜色三像素相加期间正常像素的信号和焦点检测像素的信号被混合。
另一方面，假定将垂直相同颜色像素相加应用于第2、第4和第6列的R像素，通过考虑拜耳配置中的颜色重心来将第6、第8和第10行的像素相加。虽然可以想到如上述水平像素相加情况那样，在第6和第10行的像素被焦点检测像素替换的情况下将第6、第8和第10行的像素相加，但是从检测垂直相位差的角度并不期望这种垂直像素相加。因此，根据本实施例，在垂直方向上进行像素间隔剔除操作。即，为了检测垂直相位差，在水平方向上配置焦点检测像素并对其进行相加。
从由于垂直像素间隔剔除和水平像素相加而产生的像素输出，提取来自焦点检测像素的像素输出并将其用于摄像透镜的焦点检测，使用来自除焦点检测像素之外的像素的像素输出来生成被摄体的图像。此时，根据周围摄像像素的信号来对来自焦点检测像素位置的图像信号进行插值。
上述说明所使用的术语“相加”包括“算术平均”、“加权平均”等，但是用于通过包括多个像素信号来生成单位像素信号的技术不限于这些方法。
根据第二实施例的图像传感器、像素和列电路的结构与图2、3和4所示的大致相同，并且焦点检测像素代替具有x、y坐标(2，8)、(4，8)和(6，8)的像素以及具有x、y坐标(5，11)、(7，11)和(9，11)的像素。
在第二实施例中，用于在不使用像素相加和像素间隔剔除的情况下扫描所有像素的定时与图5所示的定时相同。
图8是用于实现对第二实施例所述的图像传感器的垂直1/3下采样和水平三像素平均的驱动时序图。
在图8的与图6所示的大致相同的时序图中，代替同时驱动Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4，仅驱动Ptx_2以仅读取图7A至7C的第6、第8和第10行中的第8行的像素信号(垂直1/3读取)。另外，通过将phadd信号从Low变为Hi，随后变为Low，来在图4所示的保持电容器210和211上对来自第2、第4和第6列以及第8、第10和第12列的信号进行算术平均。
另外，无需以行为单位传送信号，因而减少了要被扫描的线的实际数量，从而减少了扫描时间。另外，水平扫描电路400可以仅将ph(n)信号输出至第4、第10和第16…行，从而也通过在水平方向上减少像素数量来读取水平三像素平均信号。
也可以通过将phadd信号保持为Low来实现垂直1/3像素间隔剔除和水平1/3像素间隔剔除。
如参考图7A至8所述的，在第二实施例中，将经过水平相同颜色像素相加的所有三个像素(像素组)配置为焦点检测像素(针对相位差检测在相同侧具有遮光部)。该结构使得在没有复杂配线的情况下可以防止在水平相同颜色三像素相加期间正常像素的信号和焦点检测像素的信号被混合，并且实现逐行扫描。
第三实施例
图9A至9C是示出根据本发明第三实施例的图像传感器的部分像素的典型像素阵列，更具体地，本实施例的CMOS固态图像传感器的典型像素配置的图。
图9A至9C所示的图像传感器与图1A至1C所示的图像传感器的不同在于：用于图9C所示的第6、第8和第10行以及第9、第11和第13行的扫描方法不同于图1C所示的扫描方法。除此以外，图9A至9C所示的图像传感器与图1A至1C所示的图像传感器相同。根据本实施例，对于包含焦点检测像素的列，应用水平像素间隔剔除，以在包含焦点检测像素以及焦点检测像素的左右侧的像素的三个相同颜色的像素中，仅读取焦点检测像素。对于没有包含焦点检测像素的列，对包含该列的像素以及左右侧的像素的三个相同颜色的像素应用相加。
例如，对于经过垂直相同颜色像素相加并且包含在第6、第8和第10行中的像素，由于第4列的R像素是焦点检测像素，因而仅扫描第4列的像素而没有扫描左右侧的第2和6列的相同颜色的像素。对于没有包含焦点检测像素的其它像素列，通过考虑拜耳配置的颜色重心来应用水平三像素相加。对经过垂直相同颜色三像素相加并且包含在第9、第11和第13行中的像素进行同样的处理。
根据第三实施例的图像传感器和像素的结构与图2和3所示的相同。在图10中示出根据第三实施例的列电路230的结构，并且其不同于图4的结构。图10与图4的不同在于：将用于水平三像素相加的驱动信号分割为phadd和phadd2、以及phadd2信号驱动包含焦点检测像素的像素列。在本例中，phadd2用作用于在第2、第4和第6列的水平三像素相加的驱动信号。
图11是用于实现对根据具有这种结构的第三实施例的图像传感器的垂直三像素相加和部分水平三像素相加的驱动时序图。在图11的与图8所示的大致相同的时序图中，通过同时驱动Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4来进行垂直三像素相加。通过不断地将phadd信号从Low变为Hi，接着变为Low，来在保持电容器210和211中对来自没有包含焦点检测像素的像素列(图10的第8、第10和第12列)的信号进行水平三像素相加。
根据要被扫描的行是否包含焦点检测像素来改变Phadd2的驱动方法。例如，在扫描包含焦点检测像素的第6、第8和第10行时，进行水平像素间隔剔除操作以在Phadd2保持为Low的情况下仅从第4行读取信号。另一方面，在扫描没有包含焦点检测像素的行时，通过将phadd2与phadd一起从Low变为Hi，接着变为Low(图11中的虚线所表示的)，来进行水平三像素相加。
在第三实施例中值得注意的有两点。一点是经过垂直相同颜色像素相加的所有三个像素是焦点检测像素(针对相位差检测在相同侧具有遮光部)。另一点是在没有包含焦点检测像素的像素列进行水平三像素相加的情况下通过在水平方向上的像素间隔剔除来读取焦点检测像素列。
由此，通过使所间隔剔除的像素的数量最小化，可以即使在被摄体具有高空间频率的情况下也使摩尔纹的发生最少化。另外，可以在没有复杂配线的情况下防止在垂直像素相加期间正常像素的信号和焦点检测像素的信号被混合，并且实现逐行扫描。
另外，在本例中，可以通过使用与在同时驱动Ptx_0、Ptx_2和Ptx_4时相同的定时而仅驱动Ptx_2并且将phadd和phadd2信号保持在Low，来实现垂直1/3读取以及水平1/3读取。
上述第一至第三实施例使用MOS固态图像传感器。然而，可选地，也可以使用包含，例如，CCD图像传感器、CdS-Se接触型图像传感器、Si(非晶硅)接触型图像传感器和双极接触型图像传感器的图像传感器中的任一个。
另外，已说明通过以拜耳阵列配置的颜色滤波器来覆盖图像传感器，颜色滤波器的类型和阵列不限于此并且可以视情况而改变。例如，可选地，可以使用补色滤波器或除拜耳阵列之外的阵列。
另外，在上述第一至第三实施例中，三个焦点检测像素在列方向或行方向的R像素或B像素处连续。然而，本发明不限于三个焦点检测像素，可以连续地配置并且通过像素相加和/或像素间隔剔除来读取两个或多于三个的焦点检测像素。例如，如果连续地配置两个焦点检测像素，则要被扫描的像素数量在垂直和水平方向上均减少至以逐行扫描所扫描的像素数量的1/2，以及如果连续地配置四个焦点检测像素，则要被扫描的像素数量减少至1/4。即，基于整体像素数量、以及用于EVF显示的像素数量/动画拍摄所需要的像素数量、或者所期望的像素大小之间的关系来确定连续的焦点检测像素数量。
第四实施例
接下来，将说明通过应用具有第一至第三实施例所述的结构的图像传感器而进行的诸如数字照相机的摄像设备的操作。
图12是示出诸如数字照相机的摄像设备的结构的框图。在图12中，图像传感器801具有在第一至第三实施例中所述的结构中的任一个。
信号处理电路(AFE)802从时序发生器电路(TG)804接收定时信息等，并基于定时信息对从图像传感器801所接收到的信号进行放大和A/D转换。数字信号处理器(DSP)803对来自信号处理电路802的数据进行各种校正处理。另外，DSP803控制诸如ROM806和RAM807的各种存储器，并将视频数据写入记录介质808。
TG804向图像传感器801、信号处理电路802和DSP803提供时钟信号和控制信号，并由CPU805控制TG804。
CPU805控制DSP803和TG804以及使用包括测光单元和焦点控制单元(未示出)的各部分来进行的各种照相机功能。CPU805与各开关809至811相连接，并根据开关809至811的状态进行处理。
ROM806存储照相机控制程序、校正表等。RAM807临时存储DSP803所处理的视频数据和校正数据。与ROM806相比，RAM807允许更快的访问。
附图标记808表示用于保存所拍摄的视频图像并且经由连接器(未示出)连接至数字照相机的诸如CompactFlash(注册商标)卡(以下称为CF卡)的记录介质。
附图标记809表示用于启动照相机的电源开关(SW)，810表示用于提供命令以开始用于拍摄的诸如测光处理和焦点控制处理等的准备操作的快门开关SW1。附图标记811表示用于提供命令以开始用于通过驱动镜(未示出)和快门来将从图像传感器801所读取的信号经由信号处理电路802和DSP803写入记录介质808的一系列摄像操作的快门开关SW2。附图标记812表示用于指定诸如摩尔纹减少动画模式(像素相加)和拖尾减少模式(像素间隔剔除)的数字照相机的拍摄模式的模式拨盘开关。附图标记814表示用于测量被摄体亮度的测光电路，以及附图标记815表示用于向外部显示所拍摄的视频图像的显示单元。
图13是示出图12所示结构的摄像设备进行的拍摄操作的流程图，其中，该结构包括参考图1A至11所述的图像传感器中的任一个。
首先，在步骤S901中，摄像设备判断电源开关809是否接通。如果电源开关809为断开，则摄像设备重复步骤S901。如果电源开关809为接通，则摄像设备在步骤S902中判断用于开始拍摄准备操作的开关SW1(810)是否接通。如果开关SW1(810)为断开，则摄像设备返回至步骤S901。如果开关SW1(810)为接通，则摄像设备进入到步骤S903。
在步骤S903中，摄像设备使用测光电路814测量被摄体的亮度。在步骤S904中，摄像设备打开机械快门(未示出)以允许光连续进入图像传感器801。随后，在步骤S905中，摄像设备检查模式拨盘开关812以判断摄像设备处于何种模式，摩尔纹减少动画模式(像素相加)或拖尾减少模式(像素间隔剔除)。如果发现摄像设备处于摩尔纹减少动画模式(像素相加)，则摄像设备进入到步骤S907。在步骤S907中，在累积信号之后，摄像设备使用如第一至第三实施例所述的垂直像素相加和水平1/3读取、垂直1/3读取和水平三像素相加或者垂直三像素相加和部分水平三像素相加来读取信号，然后进入到步骤S908。
另一方面，如果在步骤S905中发现摄像设备处于拖尾减少模式(像素间隔剔除)，则摄像设备进入到步骤S906，其中，在累积信号之后摄像设备使用垂直1/3读取和水平1/3读取来读取信号，然后进入到步骤S908。
在步骤S908中，摄像设备通过使用所读出的像素信号以及通过基于周围像素信号对用于焦点检测像素的图像信号进行插值来在显示单元815上显示视频。在步骤S909中，使用插值之前的焦点检测像素信号，摄像设备检测被摄体的焦点状态并且通过驱动摄像透镜来调节焦点以对被摄体聚焦。
在步骤S910中，摄像设备判断用于开始拍摄静止图像的开关SW2(811)是否接通。如果开关SW2为断开，则摄像设备返回至步骤S902以进行针对下一帧的操作。即，在步骤S902至S910中，摄像设备进行包含连续地执行拍摄和显示、焦点检测以及透镜驱动的所谓的EVF操作。
如果在步骤S910中发现开关SW2(811)为接通，则摄像设备进入步骤S911，以开始基于步骤S903中所获得的测光信息以及步骤S909中所获得的焦点位置信息，在最佳镜头光圈和焦点位置下针对静止图像来累积图像传感器中的电荷。当达到预定量的曝光时，摄像设备在步骤S912中关闭机械快门(未示出)。
之后，摄像设备在步骤S913中进行逐行扫描，在步骤S914中通过使用所读出的像素信号以及通过基于周围像素信号对用于焦点检测像素的图像信号进行插值，来在显示单元815上显示图像，在步骤S915中将静止图像信号记录在记录介质808上，从而完成拍摄操作。
由此，可以将根据第一至第三实施例中的任一个的图像传感器应用于诸如数字照相机的摄像设备。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。
本申请要求2010年10月20日提交的日本专利申请2010-235877的优先权，在此通过引用包含该申请的全部内容。

Claims (8)

1.一种图像传感器，包括：
多个像素，其被颜色滤波器覆盖并且在第一方向和与所述第一方向垂直的第二方向上被二维地配置，其中，所述多个像素包括第一焦点检测像素的多个像素组和第二焦点检测像素的多个像素组，
所述图像传感器的特征在于，还包括：
读出部件，其能够通过在第一读出方法和第二读出方法之间切换来进行读取，所述第一读出方法用于读取来自所述多个像素中的各个像素的信号，所述第二读出方法用于在由相同颜色的颜色滤波器所覆盖的预定数量的像素构成的各像素组内在所述第一方向上对信号进行相加、并且在所述第二方向上对信号进行间隔剔除的情况下，在所述第一方向上以行为单位来读取信号；以及
检测部件，用于基于分别根据从所述第一焦点检测像素和所述第二焦点检测像素读出的信号而获得的两个图像之间的相位差来检测焦点状态，
其中，所述第一焦点检测像素和所述第二焦点检测像素在所述第二方向上的不同侧被部分地遮光以接收穿过不同出射光瞳区域的光。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，当通过所述第二读出方法进行读取时，所述读出部件通过在所述第二方向上间隔剔除预定数量的信号，读取通过在所述第一方向上相加而被读出的信号。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，当通过所述第二读出方法进行读取时，所述读出部件通过在所述第二方向上间隔剔除预定数量的像素以读取所述第一焦点检测像素和所述第二焦点检测像素的信号、并且通过在所述第一方向上将该信号进行相加来进行读取。
4.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，离散地配置所述第一焦点检测像素的多个像素组和所述第二焦点检测像素的多个像素组。
5.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述读出部件以行为单位将信号读取至共用垂直输出线，并且在水平方向上顺次传送读取至所述共用垂直输出线的信号。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述第一方向是垂直方向，并且所述读出部件在将像素信号读取至所述共用垂直输出线之前对该信号进行相加。
7.根据权利要求5所述的图像传感器，其中，所述第一方向是水平方向，并且所述读出部件在将像素信号读取至所述共用垂直输出线之后对该信号进行相加。
8.一种摄像设备，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的图像传感器；以及
焦点调节部件，用于基于所检测的焦点状态来调节焦点。
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