CN114128254A - 固态成像设备及其驱动方法以及电子装置 - Google Patents

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Abstract

本技术涉及一种相同于能够避免在低读取速度下发生黑屏所利用的固态成像设备和驱动方法，并且还涉及一种电子设备。该固态成像设备包括：像素阵列单元，其中以二维矩阵形式排列多个像素；以及控制单元，该控制单元使该像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光并且执行稀疏读出，其中将所有像素稀疏到1/N进行2(N‑1)次，以读出在同一曝光定时生成的像素阵列单元的所有像素中的电荷。本技术可以应用于例如并入成像设备中的固态成像设备。

Description

固态成像设备及其驱动方法以及电子装置
技术领域
本技术涉及一种固态成像设备及其驱动方法以及电子装置，并且更具体地涉及一种能够避免在低速读出中发生黑屏的固态成像设备及其驱动方法以及电子装置。
背景技术
例如，对于诸如数字单镜头相机或小型数码相机之类的成像设备，用户检查在诸如LCD或电子取景器(EVF)之类的显示单元上显示的图像，确定图像捕获定时，并且通过按下释放按钮(快门按钮)来捕获图像。此时显示在显示单元上的图像被称为实时取景图像、直通图像(through image)等。可能存在成像设备中发生所谓的黑屏现象的情况，其中由于通过按下释放按钮而开始的曝光准备处理导致未在显示单元上显示实时取景图像。
为了避免发生黑屏，例如，存在这样的配置，其中存储在帧存储器中的用于显示的图像被显示在显示单元上，直到用于记录的图像的显示被启用为止(例如参见专利文献1)。
引用列表
专利文献
专利文献1：WO 2018/179711
发明内容
本发明要解决的问题
虽然可以通过提高图像读出速度来避免黑屏的发生，但是用于高速读出的电路在规模上增加并且功耗也增加。
已经开发出本技术来解决上述这种问题并且使得能够通过使用低速读出来避免黑屏的发生。
问题的解决方案
根据本技术的第一方面的一种固态成像设备包括：像素阵列单元，其中多个像素按矩阵二维排列；和控制单元，其使像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为(thinned to)1/N的稀疏读出(thinned read-out)，以读取在同一曝光定时生成的像素阵列单元的所有像素中的电荷。
根据本技术的第二方面的一种用于驱动固态成像设备的方法包括：通过包括其中多个像素按矩阵二维排列的像素阵列单元的固态成像设备来使像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在同一曝光定时生成的像素阵列单元的所有像素中的电荷。
根据本技术的第三方面的一种电子装置包括固态成像设备，该固态成像设备包括：像素阵列单元，其中多个像素按矩阵二维排列；和控制单元，其使像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在同一曝光定时生成的像素阵列单元的所有像素中的电荷。
根据本技术的第一至第三方面，在其中多个像素按矩阵二维排列的像素阵列单元中，使像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，由此读取在同一曝光定时生成的像素阵列单元的所有像素中的电荷。
固态成像设备或电子装置可以是独立的设备或并入其他设备中的模块。
附图说明
图1是示出包括应用本技术的固态成像设备的成像设备的实施例的框图。
图2是示出固态成像设备的示意性配置的框图。
图3是示出像素的电路配置示例的图。
图4是示出作为全局快门方法和滚动快门方法的成像方法的概念图。
图5是用于简要描述全局快门方法对像素的操作的图。
图6是示出用于实现无黑屏的第一驱动方法的概念图。
图7是示出用于实现无黑屏的第二驱动方法的概念图。
图8是示出用于实现无黑屏的第三驱动方法的概念图。
图9是示出用于实现无黑屏的第三驱动方法的概念图。
图10是示出用于实现无黑屏的第三驱动方法的概念图。
图11是示出用于实现无黑屏的第三驱动方法的概念图。
图12是比较第一至第三驱动方法的读出速度的图。
具体实施方式
下面将描述用于执行本技术的模式(在下文中，称为实施例)。注意，将按以下顺序进行描述。
1.成像设备的配置示例
2.固态成像设备的示意性配置示例
3.像素的电路配置示例
4.实现无黑屏的比较示例
5.固态成像设备的驱动
<1.成像设备的配置示例>
图1是示出包括应用本技术的固态成像设备的成像设备的实施例的框图。
图1中的成像设备1包括例如数字单镜头相机、小型数码相机等，捕获被摄体的图像以生成捕获图像，并将捕获图像记录为静止图像或运动图像。在下文中，假设主要记录静止图像。
成像设备1包括镜头单元11、操作单元12、控制单元13、固态成像设备14、信号处理单元15、记录单元16、显示单元17、AF控制单元18以及和驱动单元19。
镜头单元11收集来自被摄体的光(被摄体光)。由镜头单元11收集的被摄体光入射在固态成像设备14上。
镜头单元11包括变焦镜头21、光圈22和聚焦镜头23。
变焦镜头21通过由驱动单元19驱动而在光轴方向上移动以变化焦距并调整包括在捕获图像中的被摄体的放大率。光圈22通过由驱动单元19驱动而改变孔径度以调节入射在固态成像设备14上的被摄体光量。聚焦镜头23通过由驱动单元19驱动而在光轴方向上移动以调整焦距。注意，可以省略变焦镜头21。
操作单元12接收用户的操作。用户利用操作单元12执行例如改变成像模式、按下释放按钮(未示出)等的操作。例如，在按下释放按钮的情况下，操作单元12向控制单元13供应表明释放按钮已被按下的操作信号。
控制单元13控制成像设备1的每个单元的操作。
例如，在控制单元13接收到表明释放按钮已被按下的操作信号的情况下，控制单元向信号处理单元15供应记录静止图像的指令。另外，在作为被摄体的实时图像的实时取景图像要显示在显示单元17上的情况下，控制单元13向信号处理单元15供应生成实时取景图像的指令。
另外，在要执行对焦判断的情况下，控制单元13向信号处理单元15供应操作对焦判断的指令。尽管聚焦控制方法的示例包括对比度方法、相位差检测方法等，但是聚焦控制方法不限于此。
固态成像设备14对接收到的被摄体光进行光电转换并将被摄体光作为电信号输出。固态成像设备14例如由互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器实施。固态成像设备14具有其中多个像素按矩阵二维排列的像素阵列单元，并且向信号处理单元15供应作为在各个像素中接收光的结果而获得的像素信号。稍后将参考图2和随后的附图描述固态成像设备14的细节。
信号处理单元15对从固态成像设备14供应的像素信号执行各种类型的信号处理。例如，在从控制单元13供应记录静止图像的指令的情况下，信号处理单元15基于来自固态成像设备14的像素信号生成作为用于记录的图像的静止图像的数据(静止图像数据)，并将该数据供应给记录单元16。另外，在从控制单元13供应生成作为用于显示的图像的实时取景图像的指令的情况下，信号处理单元15基于来自固态成像设备14的像素信号生成实时取景图像的数据(实时取景图像数据)，并将该数据供应给显示单元17。信号处理单元15可以根据需要执行预定的图像处理，诸如，例如去马赛克处理、阴影校正或颜色混合校正。
另外，信号处理单元15基于从固态成像设备14供应的像素信号生成用于聚焦控制的信号，并将所生成的信号供应给AF控制单元18。
记录单元16记录(存储)从信号处理单元15供应的用于记录的图像(静止图像)的图像数据。记录单元16包括例如一个或多个可移除记录介质，诸如盘(诸如数字多功能光盘(DVD))或半导体存储器(诸如存储卡)。这些记录介质可以并入成像设备1中或者可以从成像设备1拆卸。
显示单元17基于从信号处理单元15供应的用于显示的图像的图像数据来显示图像。显示单元17显示例如实时取景图像、从记录单元16读取的静止图像等。显示单元17例如由液晶显示器(LCD)、有机电致发光(EL)显示器、电子取景器(EVF)等实施。
AF控制单元18基于从信号处理单元15供应的用于聚焦控制的信号来计算焦点偏移量(离焦量)，并且判断要聚焦的对象(聚焦目标对象)是否在焦点上。在聚焦区域中的对象在焦点上的情况下，AF控制单元18向驱动单元19供应作为对焦判断结果的指示对焦状态的信息。另外，在聚焦目标对象在焦点之外的情况下，AF控制单元18向驱动单元19供应作为对焦判断结果的指示计算出的离焦量的信息。
驱动单元19驱动变焦镜头21、光圈22和聚焦镜头23。例如，驱动单元19基于从AF控制单元18供应的对焦判断结果来计算聚焦镜头23的驱动量，并使聚焦镜头23根据计算出的驱动量移动。
具体而言，在实现聚焦的情况下，驱动单元19保持聚焦镜头23的当前位置。另外，在未实现聚焦的情况下，驱动单元19基于指示离焦量的对焦判断结果和聚焦镜头23的位置来计算驱动量(移动距离)，并使聚焦镜头23根据该驱动量移动。
在如上所述配置的成像设备1中，用户检查显示单元17上显示的图像，确定图像捕获定时，并按下释放按钮(快门按钮)以捕获图像。此时，作为用于检查的图像的实时取景图像被显示在显示单元17上，并且作为用于记录的图像的静止图像的图像数据在按下释放按钮的定时被记录在记录单元16中。
成像设备1的固态成像设备14不仅可以在用户检查显示单元17上显示的实时取景图像并确认释放定时之前执行实现无黑屏的驱动，而且可以在用户按下释放按钮之后执行实现无黑屏的驱动。这里，黑屏是指实时取景图像未被显示在显示单元17上的现象，并且无黑屏是指没有发生黑屏的状态。
在下文中，将描述固态成像设备14的细节。
<2.固态成像设备的示意性配置示例>
图2是示出固态成像设备14的示意性配置的框图。
图1中的固态成像设备1具有像素阵列单元52和在该像素阵列单元52周围的***电路单元，在像素阵列单元52中，像素51在使用例如硅(Si)作为半导体的半导体基板上按矩阵二维排列。***电路单元包括垂直驱动电路53、列信号处理电路54、水平驱动电路55、输出电路56、控制电路57等。
在像素阵列单元52中，例如，在其上红色、绿色和蓝色滤色器按拜耳(Bayer)图案排列的像素51按矩阵二维排列。像素51具有作为光电转换单元的光电二极管和多个像素晶体管。多个像素晶体管包括例如四个MOS晶体管，它们是转移晶体管、选择晶体管、复位晶体管和放大晶体管。
另外，像素51可具有共享的像素结构。该共享像素结构包括多个光电二极管、多个转移晶体管、共享的一个浮动扩散(浮动扩散区)以及共享的其他各一个像素晶体管。即，在共享像素结构中，构成多个单元像素的光电二极管和转移晶体管被配置为共享的其他各一个像素晶体管。
垂直驱动电路53包括例如移位寄存器或地址译码器，选择预定的像素驱动布线59，向所选择的像素驱动布线59供应用于驱动像素51的脉冲，并逐行驱动像素51。即，垂直驱动电路53在垂直方向上逐行依次选择并扫描像素阵列单元52的每个像素51，并经由垂直信号线58向列信号处理电路54供应基于根据每个像素51的光电转换单元中的接收到的光量所生成的信号电荷的像素信号。注意，尽管在图2中用单线示出了每个像素驱动布线59，但是像素驱动布线59实际上包括多线。
列信号处理电路54针对像素51的每一列布置，并且针对每一像素列对从一行的像素51输出的信号执行诸如噪声去除之类的信号处理。例如，列信号处理电路54执行诸如用于去除特定于像素的固定模式噪声的相关双采样(CDS)或AD转换之类的信号处理。
水平驱动电路55包括例如移位寄存器，通过依次输出水平扫描脉冲来依次选择列信号处理电路54中的每一个，并使列信号处理电路54中的每一个向水平信号线60输出像素信号。
输出电路56对通过水平信号线60从每个列信号处理电路54按顺序供应的信号执行预定的信号处理，并输出经处理的信号。例如，输出电路56可以仅执行缓冲或可以执行各种类型的数字信号处理，诸如黑电平调整或列变化校正。
控制电路57接收输入时钟和命令操作模式等的数据，并输出诸如关于固态成像设备14的内部信息之类的数据。即，控制电路57基于垂直同步信号、水平同步信号和主时钟来生成时钟信号或控制信号，用作垂直驱动电路53、列信号处理电路54、水平驱动电路55等的操作的基准。然后，控制电路57将所生成的时钟信号和控制信号输出到垂直驱动电路53、列信号处理电路54、水平驱动电路55等。输入/输出端子61包括例如焊球等，并且与外部交换信号。
如上所述配置的固态成像设备14是被称为列AD方法的CMOS图像传感器，其中针对每个像素列布置列信号处理电路54，列信号处理电路54执行CDS处理和AD转换处理。
<3.像素的电路配置示例>
图3示出了像素51的等效电路。
像素51具有光电二极管71、第一转移晶体管72、存储单元(MEM)73、第二转移晶体管74、浮动扩散(FD)75、复位晶体管76、放大晶体管77、选择晶体管78和放电晶体管(discharge transistor)79。
光电二极管71是接收入射光并对其进行光电转换以生成并累积电荷(信号电荷)的光电转换单元。光电二极管71的阳极端子接地，并且光电二极管71的阴极端子经由第一转移晶体管72连接到存储器单元73。另外，光电二极管71的阴极端子还连接到放电晶体管79。
当通过转移信号TRX导通时，第一转移晶体管72读取由光电二极管71生成的电荷并将该电荷转移到存储器单元73。存储器单元73是在读出定时到来之前暂时保持电荷的电荷保持单元，并且电荷被转移到FD 75。当通过转移信号TRG导通时，第二转移晶体管74将存储器单元73中保持的电荷转移到FD 75。
FD 75是电荷保持单元，其保持从存储器单元73读取的电荷以便将该电荷读取为信号。当复位晶体管76通过复位信号RST导通时，保持在FD 75中的电荷被放电到恒压源VDD以使FD 75的电位复位。
放大晶体管77输出与FD 75的电位相对应的像素信号。即，与作为恒流源的负载MOS 80一起，放大晶体管77构成源极跟随器电路，并且指示与保持在FD 75中的电荷相对应的电平的像素信号80经由选择晶体管78从放大晶体管77输出到列信号处理电路54(图2)。例如，负载MOS 80设置在列信号处理电路54中。
选择晶体管78在像素51被选择信号SEL选择时导通，并且经由垂直信号线58将像素51的像素信号输出到列信号处理电路54。当通过放电信号OFG导通时，放电晶体管79将累积在光电二极管71中的不需要的电荷放电到恒压源VDD。转移信号TRX和TRG、复位信号RST、选择信号SEL和放电信号OFG由垂直驱动电路53控制并经由像素驱动布线59(图2)供应。
像素51具有如上所述的像素电路，并且固态成像设备14可以利用全局快门方法捕获图像。
图4是示出作为全局快门方法和滚动快门方法的成像方法的概念图。
如图4左侧所示，滚动快门方法是一种从像素阵列单元52的上部(第一行)开始按顺序逐行执行曝光开始、曝光结束以及累积电荷的读出的方法。即使各行的曝光周期相同，所有用于累积电荷的像素的曝光周期也无法彼此一致，因为曝光和读出操作是按顺序逐行执行的，因此，在被摄体正在移动等的情况下，在捕获图像时发生失真。
同时，如图4右侧所示，全局快门方法是一种用于执行覆盖以下操作的方法：对像素阵列单元52的所有像素同时执行从曝光开始到曝光结束，并且在曝光结束之后从像素阵列单元52的上部开始按顺序执行读取。对于全局快门方法，所有像素的曝光周期彼此一致，因此即使在诸如被摄体正在移动之类的情况下也不发生失真。
将参考图5简要描述全局快门方法对像素51的操作。
首先，在开始曝光之前，放电晶体管79通过正被供应给放电晶体管79的处于高电平的放电信号OFG导通，并且光电二极管71中累积的电荷被放电到恒压源VDD，由此光电二极管71复位。
在光电二极管71复位之后，当放电晶体管79通过处于低电平的放电信号OFG断开时，在所有像素中开始曝光。
当预定的曝光时间已经过去时，如图5的A所示，与接收到的光量相对应的电荷被生成并累积在光电二极管71中。然后，如图5的B所示，在像素阵列单元52的所有像素中，第一转移晶体管72通过转移信号TRX导通，并且光电二极管71中累积的电荷被转移到存储器单元73。
在第一转移晶体管72断开之后，每个像素51的存储器单元73中保持的电荷被逐行按顺序读取到列信号处理电路54。在读出操作中，如图5的C所示，读取行上的像素51的第二转移晶体管74通过转移信号TRG导通，并且存储器单元73中保持的电荷被转移到FD75。然后，当选择晶体管78通过选择信号SEL导通时，指示与在FD75中保持的电荷相对应的电平的信号经由选择晶体管78从放大晶体管77输出到列信号处理电路54。
<4.实现无黑屏的比较示例>
在描述实现无黑屏的固态成像设备14的驱动之前，将作为比较示例简要描述实现无黑屏的其他驱动。
注意，参考图6和图7描述的驱动也可以在诸如设定帧速率的某种条件下由固态成像设备14执行，因此将被描述为由固态成像设备14执行。
在下文中，假设将与120fps的帧速率相对应的垂直同步信号供应给像素阵列单元52，并且基于该垂直同步信号执行像素阵列单元52的所有像素的曝光和读出。
图6是示出作为实现无黑屏的比较示例的第一驱动方法的概念图。
第一驱动方法是一种以120fps的帧速率通过像素阵列单元52的所有像素的曝光和读出来简单地生成作为用于记录的图像的静止图像并使显示单元17以相同速度显示(LV显示)作为实时取景图像的静止图像的方法。虽然该驱动方法在帧速率比较低(诸如30fps)的情况下没有问题，但是随着帧速率增加(诸如60fps或120fps)，电路的规模增大并且功耗也增加。另外，在帧速率过低(诸如10fps)的情况下，实时取景图像在逐帧前进(in frame-by-frame advance)中似乎是不连续的图像。
图7是示出作为实现无黑屏的比较示例的第二驱动方法的概念图。
第二驱动方法是一种通过稀疏读出来生成实时取景图像并在显示单元17上将该实时取景图像与作为要记录在记录单元16中的用于记录的图像的静止图像分开显示的方法。尽管通过曝光和读出所有像素而获得的静止图像和通过稀疏读出而获得的实时取景图像的图像两者通过该驱动方法都可以显示在显示单元17上，但是需要在用于记录的图像的驱动和实时取景图像的驱动之间进行切换，并且在模式切换时图像无法生成。因此，如图7所示，图像不是以每两次垂直同步定时中的一次定时而生成的，因此，显示单元17上显示的实时取景图像的帧速率为60fps，其对应于垂直同步信号的帧速率的一半。如果要以与第一驱动方法中的帧速率类似的帧速率(120fps)在显示单元17上显示图像，则需要以两倍速度进行像素读出，而且功耗也由于高速驱动而增加。
因此，由于分别在图6和图7中的第一驱动方法和第二驱动方法两者中都需要以高速驱动读取图像，因此需要用于高速读出的电路，并且功耗增加。
<5.固态成像设备的驱动>
接下来，将参考图8至图12描述实现无黑屏的固态成像设备14的驱动方法。下面描述的驱动方法将被称为第三驱动方法。
在第三驱动方法中，固态成像设备14使像素阵列单元52的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次其中将所有像素稀疏为1/N(N为自然数)的稀疏读出，固态成像设备14通过该稀疏读出读取在同一曝光定时生成的像素阵列单元52的所有像素中的电荷，并将电荷作为静止图像记录在记录单元16中。
图8示出了N＝5的情况的示例，即，将在同一曝光定时曝光的所有像素中的电荷稀疏为1/5的1/5稀疏读出被执行八次，静止图像由此被输出并记录在记录单元16中。在1/5稀疏读出中，1/5稀疏读出作为一个序列被执行八次，在同一曝光定时曝光的一个静止图像由此被输出到成像设备1。
在图8中，时间t1、t2、t3、...指示根据120fps的帧速率的垂直同步信号的像素阵列单元52的读出定时。
首先，固态成像设备14在从时间t1到t2的一个垂直扫描周期中针对同一曝光时段对像素阵列单元52的所有像素行执行曝光。在图8的最左侧示出的像素数据101指示在时间t1至t2的曝光时段结束之后在像素阵列单元52的每个像素51中累积电荷。
在曝光时段结束之后，固态成像设备14执行1/5稀疏读出，其中间隔五行(每五行)读取像素阵列单元52的所有像素行。通过在从时间t1到t2的时段中的1/5稀疏读出，从第一像素行开始逐行按顺序读取像素阵列单元52的第(1+5p)像素行(p＝0、1、2、3、4...，等等)。像素数据102指示在时间t1至t2期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。
在成像设备1中，在时间t1至t2期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于记录的图像的静止图像的部分，并被用作作为用于显示的图像的实时取景图像。
在从时间t2到t3的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行下一次1/5稀疏读出。通过该周期期间的1/5稀疏读出，从第二像素行开始逐行按顺序读取像素阵列单元52的第(2+5p)像素行。像素数据103指示在时间t2至t3期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。
在成像设备1中，在时间t2至t3期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于记录的图像的静止图像的部分。
在从时间t3到t4的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行对第(1+5p)像素行的曝光和读出，这些像素行与在时间t1读取的行相同。即，固态成像设备14通过仅使用像素阵列单元52的所有像素行中已经从其读取静止图像的像素信号的像素行来执行曝光和读出。像素数据104指示在时间t3至t4期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。在像素数据104中，每个像素由不同于剖面线的图案(点)表示。这表明读取的像素信号是与在时间t1生成的静止图像的像素信号不同的像素信号。
在成像设备1中，在时间t3至t4期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于显示的图像的实时取景图像的部分。
在从时间t4到t5的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行下一次1/5稀疏读出。通过该周期期间的1/5稀疏读出，从第三像素行开始逐行按顺序读取像素阵列单元52的第(3+5p)像素行。像素数据105指示在时间t4至t5期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。
在成像设备1中，在时间t4至t5期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于记录的图像的静止图像的部分。
在从时间t5到t6的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行对第(1+5p)像素行的曝光和读出，这些像素行与在时间t1读取的行相同。即，固态成像设备14通过仅使用像素阵列单元52的所有像素行中已经从其读取静止图像的像素信号的像素行来执行曝光和读出。像素数据106指示在时间t5至t6期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。在像素数据106中，每个像素由不同于剖面线的图案(对角点阵)表示。这表明读取的像素信号是与在时间t1生成的静止图像的像素信号不同的像素信号。
在成像设备1中，在时间t5至t6期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于显示的图像的实时取景图像的部分。
在从时间t6到t7的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行下一次1/5稀疏读出。通过该周期期间的1/5稀疏读出，从第四像素行开始逐行按顺序读取像素阵列单元52的第(4+5p)像素行。像素数据107指示在时间t6至t7期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。
在成像设备1中，在时间t6至t7期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于记录的图像的静止图像的部分。
在从时间t7到t8的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行对第(1+5p)像素行的曝光和读出，这些像素行与在时间t1读取的行相同。即，固态成像设备14通过仅使用像素阵列单元52的所有像素行中已经从其读取静止图像的像素信号的像素行来执行曝光和读出。像素数据108指示在时间t7至t8期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。在像素数据108中，每个像素由不同于剖面线的图案(格子)表示。这表明读取的像素信号是与在时间t1生成的静止图像的像素信号不同的像素信号。
在成像设备1中，在时间t7至t8期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于显示的图像的实时取景图像的部分。
在从时间t8到t9的下一个垂直扫描周期中，固态成像设备14执行下一次1/5稀疏读出。通过该周期期间的1/5稀疏读出，从第五像素行开始逐行按顺序读取像素阵列单元52的第(5+5p)像素行。像素数据107指示在时间t8至t9期间通过1/5稀疏读出读取的像素行。
在成像设备1中，在时间t8至t9期间通过1/5稀疏读出读取的各个像素行上的像素信号被用作作为用于记录的图像的静止图像的部分。
如上所述，在1/5稀疏读出中，1/5稀疏读出作为一个序列被执行八次，由此在同一曝光定时曝光的一个静止图像被输出到成像设备1。
在一个序列中，固态成像设备14针对像素阵列单元52的1/5像素行以60fps的帧速率(其是120fps的一半)重复曝光。然后，在一个垂直扫描周期中，固态成像设备14交替执行在一个序列的第一垂直扫描周期(时间t1至t2)中的对同一曝光定时曝光的像素行中的电荷的读取和对以60fps的帧速率曝光的像素行中的电荷的读取。以60fps的帧速率对其重复曝光的像素行是从时间t1到t9的8次1/5稀疏读出中在奇数次读取的像素行，并且是相同像素行。
在以60fps的帧速率对其重复执行曝光的第(1+5p)像素行中的每个像素51中，在一个垂直扫描周期中执行光电二极管71和FD 75的复位、与接收到的光量相对应的电荷的生成、转移到存储器单元73和保持在存储器单元73中以及转移到FD 75和从FD 75读出。
在一个序列中在偶数次读取的像素行中的每个像素51中，在从时间t1到t2的一个垂直扫描周期中将与接收到的光量相对应的电荷转移到存储器单元73之后，电荷在读出定时的一个垂直扫描周期之前原样保持在存储器单元73中。然后，当读出定时的一个垂直扫描周期已经到来时，存储器单元73中保持的电荷被转移到FD 75并被读取。
如图9所示，成像设备1的记录单元16通过在时间t1至t9的上述八个垂直扫描周期(一个序列)期间从固态成像设备14输出的信号来记录通过以60fps(其是120fps的一半)的帧速率以五个部分输出而生成的静止图像110。
另外，成像设备1的显示单元17按顺序显示具有像素阵列单元52的全分辨率的1/5分辨率并且正在以60fps(其是120fps的一半)的帧速率更新的实时取景图像121至124。
图10示出了N＝4的情况的示例，即，将在同一曝光定时曝光的所有像素中的电荷稀疏到1/4的1/4稀疏读出被执行六次，由此静止图像被输出。
在1/4稀疏读出中，一个序列包括6次1/4稀疏读出，并且通过执行1/4稀疏读出六次来将在同一曝光定时曝光的一个静止图像输出到成像设备1。
从时间t11到t12的一个垂直扫描周期中通过曝光而获得的像素数据141划分为在从时间t11到t12的第一时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据142、在从时间t12到t13的第二时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据143、在从时间t14到t15的第四时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据145以及在从时间t16到t17的第六时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据147，依次输出到成像设备1，并作为一个静止图像记录在成像设备1的记录单元16中。
同时，在从时间t11到t12的第一时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据142、在从时间t13到t14的第三时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据144、在从时间t15到t16的第五时间段期间通过1/4稀疏读出而获得的像素数据146按顺序输出到成像设备1，并作为实时取景图像显示在成像设备1的显示单元17上。
这里，在图8所示的1/5稀疏读出中在一个垂直扫描周期期间间隔五行读取像素行，而在图10中的1/4稀疏读出中交替安排两行的间隔和四行的间隔。换句话说，在图8所示的1/5稀疏读出中，在垂直方向上重复执行1/5稀疏读出，而在图10中的1/4稀疏读出中，在垂直方向上交替重复执行1/3稀疏读出和1/5稀疏读出，从而实现1/4稀疏读出。这是由于以下原因。
在具有拜耳图案的图像传感器中，如果在1/N稀疏中的N为偶数(如在1/4稀疏读出或1/6稀疏读取中)的情况下间隔N行执行读出，则仅读取作为红色像素和绿色像素的像素行的RG像素行或者作为绿色像素和蓝色像素的像素行的GB像素行，并且在实时取景图像的颜色信息中发生不均匀。因此，在N为偶数的情况下的1/N稀疏读出中，固态成像设备14通过交替执行1/(N-1)稀疏读出和1/(N+1)稀疏读出作为整体对像素阵列单元52执行1/N稀疏读出。利用该布置，可以交替读取RG像素行和GB像素行，并且可以防止发生实时取景图像中的颜色信息的不均匀。
图11示出了N＝3的情况的示例，即，将在同一曝光定时曝光的所有像素中的电荷稀疏到1/3的1/3稀疏读出被执行四次，由此静止图像被输出。
在1/3稀疏读出中，一个序列包括四次1/3稀疏读出，并且通过执行1/3稀疏读出四次来将在同一曝光定时曝光的一个静止图像输出到成像设备1。
从时间t21到t22的一个垂直扫描周期中通过曝光而获得的像素数据161划分为在从时间t21到t22的第一时间段期间通过1/3稀疏读出而获得的像素数据162、在从时间t22到t23的第二时间段期间通过1/3稀疏读出而获得的像素数据163以及在从时间t24到t25的第四时间段期间通过1/3稀疏读出而获得的像素数据165，依次输出到成像设备1，并作为一个静止图像记录在成像设备1的记录单元16中。
同时，在从时间t21到t22的第一时间段期间通过1/3稀疏读出而获得的像素数据162和在从时间t33到t34的第三时间段期间通过1/3稀疏读出而获得的像素数据164按顺序输出到成像设备1，并作为实时取景图像显示在成像设备1的显示单元17上。
由于图11中的1/3稀疏读出是在N为奇数的情况下的1/N稀疏读出，因此与图8所示的1/5稀疏读出类似地在一个垂直扫描周期期间间隔三行读取像素行。
如上所述，在1/N稀疏读出中，一个序列包括2(N-1)次1/N稀疏读出，并且通过执行1/N稀疏读出2(N-1)次来将在同一曝光定时曝光的一个静止图像输出到成像设备1。在N为奇数的情况下的1/N稀疏读出中，固态成像设备14在垂直方向上间隔N行重复读出，并且在N为偶数的情况下的1/N稀疏读出中，固态成像设备14在垂直方向上交替地执行间隔(N-1)行的读取和间隔(N+1)行的读取。
另外，每一个垂直扫描周期，固态成像设备14针对像素阵列单元52的1/N个像素行交替执行在同一曝光定时曝光的像素行中的电荷的读取和以60fps(其是120fps的一半)的帧速率重复曝光的像素行中的电荷的读取。以60fps(其是120fps的一半)的帧速率对其重复曝光的像素行是2(N-1)次1/N次稀疏读出中在奇数次读取的像素行，并且是相同像素行。
图12是比较第一至第三驱动方法的读出速度的表。
如图12所示，比较将在成像设备1的显示单元17上显示的实时取景图像的帧速率(显示帧速率)被设置为例如30fps、60fps和120fps的情况。
根据第一驱动方法，固态成像设备14需要以与显示帧速率相同的速度读取和输出图像。即，在第一驱动方法中，与30fps、60fps和120fps的显示帧速率相对应的读出速度分别是30fps、60fps和120fps。
根据第二驱动方法，固态成像设备14需要以显示帧速率的两倍速度读取和输出图像。即，在第二驱动方法中，与30fps、60fps和120fps的显示帧速率相对应的读出速度分别是60fps、120fps和240fps。
同时，根据第三驱动方法，如参考图8所述，在1/5稀疏读出的情况下，以60fps(其是120fps的一半)的帧速率执行显示，并且因为1/5稀疏读出被执行，所以此时读出速度对应120/5＝24fps。即，与60fps的显示帧速率相对应的读出速度是24fps。相应地，在第三驱动方法中，与30fps、60fps和120fps的显示帧速率相对应的读出帧速率分别是12fps、24fps和48fps。
如上所述，根据第三驱动方法，不需要以过高的速度执行读取，并且可以通过低速读出实现无黑屏。因为不需要高速读出，所以可以降低功耗，并且可以去除用于高速读出的电路，由此可以以低成本制造固态成像设备14。
将描述根据第三驱动方法的与来自固态成像设备14的静止图像和实时取景图像的输出相对应的成像设备1的处理。
根据用户在操作单元12中设置的成像模式等，成像设备1的控制单元13将根据第三驱动方法的操作模式指定给固态成像设备14和信号处理单元15。根据第三驱动方法的操作模式可以由控制单元13指定给信号处理单元15，并且信号处理单元15可以将第三驱动方法指定给固态成像设备14。
当根据第三驱动方法的操作模式被指定时，如上所述，固态成像设备14在一个序列的第一垂直扫描周期中在同一曝光定时执行全像素曝光。然后，固态成像设备14在一个序列中的奇数次的一个垂直扫描周期中针对作为用于显示的图像的实时取景图像执行1/N稀疏读出，并在一个序列中的偶数次的一个垂直扫描周期中针对作为用于记录的图像的静止图像执行1/N稀疏读出。然而，一个序列中的实时取景图像的第一数据也用作静止图像的数据。
当根据第三驱动方法的操作模式被指定时，信号处理单元15识别出按照上述顺序从固态成像设备14供应静止图像和实时取景图像的数据，并执行与所供应的图像数据相对应的处理。具体而言，在从固态成像设备14供应实时取景图像的数据的情况下，信号处理单元15将该数据供应给显示单元17并使显示单元17显示该数据。另外，在从固态成像设备14供应静止图像的数据的情况下，信号处理单元15将该数据供应给记录单元16并使记录介质记录该数据。实时取景图像和静止图像两者的数据被供应给显示单元17和记录单元16两者。
通过使用应用了上述实施例的固态成像设备14，可以在成像设备1中实现无黑屏。
<其他>
取决于用户通过操作单元12指定的成像模式等，成像设备1的控制单元13还可以将根据上述第一驱动方法或第二驱动方法的操作模式指定给固态成像设备14和信号处理单元15以使固态成像设备14和信号处理单元15操作。
虽然像素51的上述像素电路包括在读出定时到来之前保持由光电二极管71生成的电荷的存储器单元73，但是上述第三驱动方法可以通过使用不包括存储器单元73作为像素51的像素电路的电路配置来执行。在这种情况下，在读出定时到来之前，光电二极管71生成的电荷被保持在FD 75中。
虽然上面已经描述了包括应用本技术的固态成像设备的成像设备的实施例，但是本技术可以应用于除了包括固态成像设备的成像设备之外的电子装置，其例如是具有成像功能的移动终端设备，诸如智能电话、个人计算机、游戏机、可穿戴终端等。
本技术的实施例不限于上述实施例，并且可以在不脱离本技术的范围的情况下进行各种改变。
例如，可以适当地组合使用上述实施例的部分。
注意，本文描述的效果仅是示例，并且本技术的效果不限于这些效果。还可以获得本说明书中描述的效果以外的效果。
注意，本技术可以具有以下配置。
(1)一种固态成像设备，包括：
像素阵列单元，其中多个像素按矩阵二维排列；和
控制单元，其使所述像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在所述同一曝光定时生成的所述像素阵列单元的所有像素中的电荷。
(2)根据(1)所述的固态成像设备，
其中，在N为奇数的情况下，所述控制单元在垂直方向上重复执行间隔N行的读取，以执行将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出。
(3)根据(1)或(2)所述的固态成像设备，
其中，在N为偶数的情况下，所述控制单元在垂直方向上交替执行间隔(N-1)行的读取和间隔(N+1)行的读取，以执行将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出。
(4)根据(1)至(3)所述的固态成像设备，
其中，所述控制单元在2(N-1)次稀疏读出中的奇数次读取相同像素行。
(5)根据(1)至(4)所述的固态成像设备，
其中，每一个垂直扫描周期，所述控制单元交替执行在所述同一曝光定时曝光的像素行中的电荷的读取和以预定帧速率重复曝光的像素行中的电荷的读取。
(6)根据(1)至(5)所述的固态成像设备，
其中，所述控制单元在所述像素阵列单元的相同像素行上以所述预定帧速率重复曝光。
(7)根据(1)至(6)所述的固态成像设备，
其中所述像素具有
光电转换单元，其通过接收入射光并对入射光进行光电转换来生成电荷，
第一转移晶体管，其转移由所述光电转换单元生成的电荷，
第一电荷保持单元，其在读出定时之前保持由所述第一转移晶体管从所述光电转换单元转移的电荷，
第二转移晶体管，其在所述读出定时转移由所述第一电荷保持单元保持的电荷，和
第二电荷保持单元，其保持由所述第二转移晶体管从所述第一电荷保持单元转移的电荷。
(8)一种用于驱动固态成像设备的方法，包括，通过包括其中多个像素按矩阵二维排列的像素阵列单元的固态成像设备来使所述像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在所述同一曝光定时生成的所述像素阵列单元的所有像素中的电荷。
(9)一种电子装置，包括
固态成像设备，包括
像素阵列单元，其中多个像素按矩阵二维排列；和
控制单元，其使所述像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在所述同一曝光定时生成的所述像素阵列单元的所有像素中的电荷。
(10)根据(9)所述的电子装置，还包括
信号处理单元，其使显示单元显示在奇数次的图像数据，并执行使记录介质记录在偶数次的图像数据的处理，这两种图像数据都在通过2(N-1)次稀疏读出从所述固态成像设备供应的图像数据中。
标号列表
1 成像设备
12 操作单元
13 控制单元
14 固态成像设备
15 信号处理单元
16 记录单元
17 显示单元
51 像素
52 像素阵列单元
53 垂直驱动电路
71 光电二极管
72 第一转移晶体管
73 存储器单元(MEM)
74 第二转移晶体管
75 FD
76 复位晶体管
77 放大晶体管
78 选择晶体管

Claims (10)

1.一种固态成像设备，包括：
像素阵列单元，其中多个像素按矩阵二维排列；和
控制单元，其使所述像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在所述同一曝光定时生成的所述像素阵列单元的所有像素中的电荷。
2.根据权利要求1所述的固态成像设备，
其中，在N为奇数的情况下，所述控制单元在垂直方向上重复执行间隔N行的读取，以执行将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出。
3.根据权利要求1所述的固态成像设备，
其中，在N为偶数的情况下，所述控制单元在垂直方向上交替执行间隔(N-1)行的读取和间隔(N+1)行的读取，以执行将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出。
4.根据权利要求1所述的固态成像设备，
其中，所述控制单元在2(N-1)次稀疏读出中的奇数次读取相同像素行。
5.根据权利要求1所述的固态成像设备，
其中，每一个垂直扫描周期，所述控制单元交替执行在所述同一曝光定时曝光的像素行中的电荷的读取和以预定帧速率重复曝光的像素行中的电荷的读取。
6.根据权利要求5所述的固态成像设备，
其中，所述控制单元在所述像素阵列单元的相同像素行上以所述预定帧速率重复曝光。
7.根据权利要求1所述的固态成像设备，
其中所述像素具有
光电转换单元，其通过接收入射光并对入射光进行光电转换来生成电荷，
第一转移晶体管，其转移由所述光电转换单元生成的电荷，
第一电荷保持单元，其在读出定时之前保持由所述第一转移晶体管从所述光电转换单元转移的电荷，
第二转移晶体管，其在所述读出定时转移由所述第一电荷保持单元保持的电荷，和
第二电荷保持单元，其保持由所述第二转移晶体管从所述第一电荷保持单元转移的电荷。
8.一种用于驱动固态成像设备的方法，包括，通过包括其中多个像素按矩阵二维排列的像素阵列单元的固态成像设备来：
使所述像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在所述同一曝光定时生成的所述像素阵列单元的所有像素中的电荷。
9.一种电子装置，包括
固态成像设备，包括
像素阵列单元，其中多个像素按矩阵二维排列；和
控制单元，其使所述像素阵列单元的所有像素在同一曝光定时曝光，并执行2(N-1)次将所有像素稀疏为1/N的稀疏读出，以读取在所述同一曝光定时生成的所述像素阵列单元的所有像素中的电荷。
10.根据权利要求9所述的电子装置，还包括
信号处理单元，其使显示单元显示在奇数次的图像数据，并执行使记录介质记录在偶数次的图像数据的处理，这两种图像数据都在通过2(N-1)次稀疏读出从所述固态成像设备供应的图像数据中。
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