CN1856041A - 固态图像拾取器件和照相机 - Google Patents

Abstract

一种固态图像拾取器件，其中，为了从低对比度对象获得大幅度输出而不使用底部检测电路，由此增加捕获率，当光电传感器阵列中的最大值信号达到预定积累结束电平时，确定积累结束，并且设置放大器电路单元，其用于参考光电传感器阵列的最大值信号放大从光电传感器阵列的每一个像素输出的信号，并且用于输出该信号。

Description

固态图像拾取器件和照相机

技术领域

本发明涉及固态图像拾取器件，更具体地，涉及用于检测聚焦(此后也称为AF)的固态图像拾取器件，以及使用该用于检测聚焦的固态图像拾取器件的照相机。

背景技术

以下将对用于照相机的、基于相位差检测***检测聚焦的常规固态图像拾取器件进行说明。根据常规固态图像拾取器件，作为聚焦检测的被检对象的物体被投影在固态图像拾取器件的光电传感器阵列上，以获得已经被应用了光电转换的图像形式的电信号输出。对光电传感器阵列中产生的光载流子进行电荷-电压转换，以便将其存储在用于保持信号的电容器中。在积累处理期间，通常基于在宽广区域内伸展的对象的对比度，采用自动增益控制(峰值监视控制***)来监视最大输出值，从而控制积累时间。以上内容在日本专利申请公开No.S61-045685中描述。

积累结束之后，所获得的图像信号被输入到模数转换器(ADC)以便由微计算机对其进行算术运算处理。如果通过微计算机进行的算术运算处理获得至聚焦检测的对象的距离，则驱动马达以便控制透镜进行聚焦。对从固态图像拾取器件输出的图像信号进行信号处理，以使得可有效地使用ADC的输入动态范围。该信号处理包括电平移动处理和增益处理。根据电平移动处理，从光电传感器阵列输出的特定信号电压被调整为任意输出参考电压。根据增益处理，对电平移动的信号应用增益。在电平移动处理中，通常将布置在光电传感器阵列中的光学黑(OB)像素(optical black pixel)的信号电压调整为任意输出参考电压。这被称作暗参考(dark reference)输出***。

然而，如上所述，在组合使用峰值监视控制和暗参考输出来执行相位差检测的情况下，可能不能对产生小幅度输出的低对比度对象检测聚焦。考虑到这一点，使用峰值底部参考输出，其中监视最大输出值和最小(底部)输出值之间的差以控制积累时间，而将最小输出值与输出参考电压比较，从而确定电平移动量。日本专利申请公开No.2003-107340记载了上述内容。

图10A和图10B示出其中组合了峰值监视控制和暗参考输出的常规例子，图11A和11B示出了其中组合峰值底部监视控制和峰值底部参考输出的另一个常规例子。每一个例子都示出了输入到放大器电路的输入信号(a)，以及通过对输入信号(a)进行电平移动处理和增益处理而获得的输出信号(b)。在组合了峰值监视控制和暗参考输出的情况下，当从光电传感器阵列输出的最大值达到全积累电平时，积累结束。积累结束后，OB像素的信号电压被进行电平移动以便符合输出参考电压，并且被应用增益。并且，在组合峰值底部监视控制和峰值底部参考输出的情况下，当光电传感器阵列的最大输出值和最小输出值之间的电压差达到全积累电平时，积累结束。在全积累之后，光电传感器阵列的最小输出值被进行电平移动以便符合输出参考电压，并且被应用增益。

然而，根据上述暗参考输出，可能不能对产生小幅度输出的低对比度对象检测聚焦。根据上述峰值底部参考输出，可以从低对比度对象获得幅度大的输出，但是底部检测电路是必要的，这增加了芯片面积和功率消耗。

发明内容

考虑到上述问题而作出本发明，本发明的一个目的是即使从低对比度对象也获得大幅度的输出，而不使用底部检测电路。

根据本发明的一个方面的固态图像拾取器件包括：

光电传感器阵列；

控制单元，用于当从光电传感器阵列的像素输出的信号中的最大值信号达到预定电压时，确定光电传感器阵列的光载流子的积累结束；以及

放大器电路单元，用于参考最大值信号放大从光电传感器阵列的每一个像素输出的信号，并且用于输出所放大的信号。

根据本发明，具体地说，对于从光电传感器阵列对输出的最大值信号进行电平移动，以符合输出参考电压。换句话说，基于峰值参考输出对信号进行电平移动，并且向其应用增益以将其输出。图9A和9B示出了本发明的效果。图9A和9B中示出的例子是组合了上述的峰值监视控制和峰值参考输出以用于检测低对比度对象的聚焦的情况。如图9A所示，在低对比度对象的情况下，积累结束后从光电传感器阵列获得小幅度输出。然而，如图9B所示，参考输出参考电压而向从光电传感器阵列对输出的最大值信号应用增益可以产生大幅度的输出信号，而不超过增益放大器的动态范围。

根据本发明的电平移动装置可以从低对比度对象获得大幅度的输出，而不使用底部检测电路。结果，可以提高捕获率(聚焦检测的成功率)。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的整体及其***的框图；

图2是示出根据本发明第一实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的主要部分的电路图；

图3是示出用于驱动根据本发明第一实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的定时的图；

图4是示出用于驱动根据本发明第一实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的定时的图；

图5是示出根据本发明第一实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的一部分的电路图；

图6是示出根据本发明第二实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的主要部分的电路图；

图7是示出根据本发明第三实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的主要部分的电路图；

图8是示出本发明的第四实施例的***框图；

图9A和9B是示出本发明的效果的图；

图10A和10B是示出常规例子的图；以及

图11A和11B是示出另一常规例子的图。

具体实施方式

以下将参考附图描述根据本发明的各实施例。

(第一实施例)

参考附图1描述本发明的一个实施例。图1是示出根据本发明第一实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件以及外部控制块的框图。

在图1中，光电传感器阵列是若干图像拾取元件，其每一个都用于输出对象的图像信号。光电传感器阵列被成对地设置，获得从两个光电传感器阵列输出的峰值信号之间的距离以检测聚焦。AF信号放大电路对光电传感器阵列的输出进行电平移动，并向经电平移动的输出应用增益。参考电压产生电路产生带隙(band gap)参考电压。中间电压产生电路基于该带隙参考电压产生固态图像拾取器件中的诸如积累结束电压和输出参考电压的中间电压。自动增益控制(AGC)电路监视来自光电传感器阵列的最大输出，并且输出积累结束检测信号。逻辑电路控制光电传感器阵列的驱动。外部微计算机控制固态图像拾取器件，来自固态图像拾取器件的输出被输入到外部ADC。

图2示出了图1的AF信号放大电路的电路图的例子。

在图2中，AF信号放大电路包括：输入端子1，来自光电传感器阵列的输出被输入到该输入端子1；用于电平移动的电容器2；用于电平移动的开关3；处于输出参考电压的输入端子4；用于确定增益量的可变电阻器5和6；运算放大器7；以及输出端子8。

存在几种执行电平移动的方法，包括使用CMOS源极跟随器电路的方法。根据本发明的电平移动装置具有包括电容器和开关的简单结构。此简单结构可降低用于布局的面积。

图3示出了基于图2的AF信号放大电路中的暗参考输出的驱动序列，图4示出了基于图2的AF信号放大电路中的峰值参考输出的驱动序列。

电平移动装置遵循下述序列。首先，描述基于暗参考输出的序列。在暗参考输出中，参考电压被设定为暗参考输出电压Vd。Vd通常被设定为接近地电压(GND)的电压以扩展输出动态范围。在OB像素的电压Vob被输入到图2的放大器电路输入的定时接通开关。接着，在将OB像素的电压Vob输入到该电路的期间该开关被关断。因此，按Vob-Vd计算的电压保持在电容器2中。此后，输入图像信号Vn(n＝1，2，…)，因此Voutn被表达为：Voutn＝增益*(Vn-Vob)+Vd(n＝1，2，…)。

接着，描述基于峰值参考输出的序列。在峰值参考输出中，参考电压被设定为峰值参考输出电压Vp。Vp通常被设定为接近VDD的电压以扩展输出动态范围。在峰值输出的电压Vpeak被输入到图2的放大器电路输入的定时接通开关。接着，在图像信号Vn(n＝1，2，…)被输入到该电路之前关断开关。然后，在输入峰值信号电压Vpeak期间关断该开关。因此，按Vob-Vd计算的电压被保持在电容器2中。因此，放大器电路的输出Voutn被表达为：Voutn＝增益*(Vn-Vpeak)+Vd(n＝1，2，…)。

从低对比度对象获得的图像输出Vn的幅度是小的，如图9A所示，并且Vn的平均值围绕积累结束电压电平分布。因此，Vn的平均值的每一个与Vob之间的差大，而Vn的平均值的每一个与Vpeak之间的差小。为了增加Vn的幅度，必须应用大的增益。然而，在暗参考输出中，没有被应用增益的Vn-Vob的值已经很大，以至于不能充分地提高增益。被应用了大增益的信号输出超过放大器电路的输出的上限，从而使AF信号放大电路的输出饱和。

另一方面，在峰值参考输出中，没有应用增益的Vn和Vpeak之间的差足够小，这允许充分地设定一个大的增益。大增益的应用显著地提高了Vn的幅度，这导致通过在ADC转换之后执行的算术运算处理所获得的AF捕获率得到改善。

在此实施例中，与通过常规暗参考输出获得的用于低对比度对象的低AF捕获率相比，暗参考输出和峰值参考输出的组合使用获得了低对比度对象的改善的AF捕获率。也可能仅使用暗参考输出和峰值参考输出之一，以便简化算术运算。

在第一实施例中，使用运算放大器和可变电阻器来形成非反相放大器。然而，可以用反相放大器代替非反相放大器。在这种情况下，需要把Vd设定得接近电源电压，并且需要把Vp设定得接近地电压(GND)。

图5示出了图1的AGC电路。

在图5中，AGC电路包括：处于光电二极管的输出电压的输入端子9；运算放大器10；通过漏极连接到电源的NMOS11；恒流源12a和12b；以及开关13。为光电传感器阵列的每个像素设置输入端子9、运算放大器10、NMOS11、恒流源12a和12b以及开关13。在图5中未示出各自分别连接到开关13a和13b的输入端子9、运算放大器10、NMOS11、恒流源12。图5还示出了处于积累结束电平的输入端子14、比较器15、以及用于输出积累结束判断结果的端子16。

下面描述像素信号输出和自动增益控制(AGC)操作。光电二极管的输出被输入到运算放大器，以驱动形成源极跟随器的NMOS的栅极。由于来自该源极跟随器的输出被反馈到运算放大器，因此可以校正源极跟随器的阈值的变化。恒流源12b接通，恒流源12a关断，以将像素信号输入到AF信号放大电路。恒流源12b关断，恒流源12a接通，以用于自动增益控制(AGC)操作。在自动增益控制(AGC)操作中，恒流源12a作为共同电源，以便通过开关驱动NMOS的源极，这使得可获得每个像素的最大电压作为来自源极跟随器的输出。并且，可以通过开关的接通和关断对所有有效像素或对中心部分的像素执行AGC。当从每个像素输出的最大电压输入到该比较器并达到积累结束电压电平时，从该比较器输出的检测信号被翻转。

(第二实施例)

图6是示出了根据本发明第二实施例的AF信号放大电路的图。

在图6中，对于与图2中相似的部件省略其说明。图6示出了以与开关3相同的定时工作的开关17。

根据第二实施例的AF信号放大电路可遵循与第一实施例相同的操作序列。根据第二实施例的AF信号放大电路与第一实施例的不同之处在于：附加地设置了开关17以获得从运算放大器输出的单位增益。记录从运算放大器输出的单位增益与输出参考电压之间的差，从而消除运算放大器所保持的直流偏移。

在第二实施例中，运算放大器和可变电阻器用于形成非反相放大器。然而，可以用反相放大器代替非反相放大器。在这种情况下，需要把Vd设定得接近电源电压，并且需要把Vp设定得接近地电压(GND)。

(第三实施例)

图7是示出根据本发明第三实施例的AF信号放大电路的图。

在图7中，对于与图2中相似的部件省略其说明。图7示出了用于确定增益量的可变电容器18和19，以及以与开关3相同的定时工作的开关20。根据第一和第二实施例，电流在运算放大器的输出端子和输入端子4之间流动。该电流由运算放大器驱动，从而与运算放大器的电流消耗有关。因此，图2的可变电阻器5和6的电阻值必须被提高，以便降低运算放大器的电流消耗。然而，电阻器元件通常具有由布局引起的寄生电容。因此，更大的电阻值增加了用于布局的面积，这增加了寄生电容。结果，运算放大器的驱动负载也增加，使得更难设计运算放大器。在第三实施例中，可变电容器用于为运算放大器设定增益，以防止电流在运算放大器的输出端子和输入端子4之间流动，从而降低电流消耗。

根据第三实施例的AF信号放大电路可遵循与第一实施例相同的操作序列。根据第三实施例的AF信号放大电路与第一实施例中的不同在于：附加地设置了开关20以复位反馈电容。开关20以与开关3相同的定时工作。

在第三实施例中，运算放大器和可变电容器用于形成非反相放大器。然而，可以用反相放大器代替非反相放大器。在这种情况下，需要把Vd设定得接近电源电压，并且需要把Vp被设定得接近地电压(GND)。

第三实施例和第二实施例可以组合使用。即，可能使用以下这样的电路结构：使用可变电容器来设定增益，记录从运算放大器输出的单位增益和输出参考电压之间的差，从而消除运算放大器所保持的偏移。

(第四实施例)

接着，将说明使用根据第一到第三实施例的用于检测聚焦的固态图像拾取器件的图像拾取器件。图8是示出其中固态图像拾取元件用于透镜快门数字小型照相机(图像拾取器件)的实施例。图8示出了：用作为透镜保护器和主开关的挡板201；用于在固态图像拾取元件204上形成对象的光学图像的透镜202；用于改变通过透镜202的光的光量的光圈203；以及用于捕获由透镜202形成的、对应于对象的图像信号的固态图像拾取元件204。

用于AE和AF的固态图像拾取器件205具有以下这样的结构：其中光度测量AE传感器电路被添加到第一实施例中说明的用于检测聚焦的固态图像拾取器件中。图像信号处理电路206处理从固态图像拾取元件204发送的信号，A/D转换器207对图像信号、AE信号以及AF信号执行模数转换。

此外，信号处理单元208对从A/D转换器207输出的图像数据进行各种校正，并执行数据压缩。定时脉冲发生器209向固态图像拾取元件204、图像信号处理电路206、A/D转换器207、信号处理单元208等发出各种定时信号。整体控制和算术运算单元210执行各种算术运算并控制照相机整体，存储器单元211暂时存储图像数据。

用于控制记录介质的I/F单元212在记录介质上记录并且从记录介质读出，记录介质213是诸如半导体存储器的可移动记录介质，用于记录和读取图像数据。外部I/F单元214用于与外部计算机等通信。

下面说明如此构建的透镜快门数字小型照相机的图像捕获操作。打开挡板201以接通主电源，接着控制***的电源被接通，并且诸如A/D转换器207的成像***电路的电源被接通。

整体控制和算术运算单元210基于从固态图像拾取器件205的AF电路块输出的信号，用三角聚焦检测方法计算至对象的距离，接着，确定用于伸出透镜202的透镜伸出量，并且透镜被驱动到预定位置用于聚焦。

接着，A/D转换器207对从固态图像拾取器件205输出的信号进行模数转换，以将其输入到信号处理单元208。整体控制和算术运算单元210基于作为如此获得的数据的信号计算曝光，从而控制曝光。基于通过曝光计算获得的测量结果，整体控制和算术运算单元210调整光圈203和快门速度。

此后，在适当的曝光条件下，固态图像拾取元件204开始进行正式曝光。当曝光完成时，从固态图像拾取元件204输出的图像信号接受由A/D转换器207进行的模数转换、通过信号处理单元208、并由整体控制和算术运算单元210写入存储器单元211。接着，作为数据存储在存储单元211中的信号由整体控制和算术运算单元210控制，以便在被记录于可移动记录介质213上之前通过控制记录介质的I/F单元212。可供替换地，该数据可通过外部I/F单元214被直接输入到计算机等。

应当注意，根据本发明的用于检测聚焦的固态图像拾取器件不仅应用于数字小型照相机，而且还用于卤化银胶片照相机，并且还应用于用于使得液晶投影仪等焦点对准的聚焦调节器。

Claims (8)

1.一种固态图像拾取器件，其特征在于包括：

光电传感器阵列；

控制单元，用于当从光电传感器阵列的像素输出的信号中的最大值信号达到预定电压时，确定光电传感器阵列的光载流子的积累结束；以及

放大器电路单元，用于参考该最大值信号放大从光电传感器阵列的每一个像素输出的信号，并且用于输出该信号。

2.如权利要求1所述的固态图像拾取器件，其特征在于：

该光电传感器阵列包括至少一对光电传感器阵列；

该放大器电路单元包括：

电平移动部件，用于对从每一个像素输出的信号进行电平移动，以使得最大值信号被设定为参考电压；以及

放大器部件，用于放大由电平移动部件进行电平移动的信号，并且用于输出该信号；以及

该一对光电传感器阵列和该放大器电路单元用于检测聚焦。

3.如权利要求2所述的固态图像拾取器件，其特征在于，该电平移动部件包括电容器和开关。

4.如权利要求2所述的固态图像拾取器件，其特征在于，该电平移动部件执行算术运算，用于确定恰好在信号被输入到放大器部件之前的电平移动量。

5.如权利要求2所述的固态图像拾取器件，其特征在于，控制单元检测每个光电传感器阵列的中心部分的最大值信号。

6.如权利要求2所述的固态图像拾取器件，其特征在于，该放大器部件包括：使用运算放大器和电阻器的反相放大器或非反相放大器；或者，使用运算放大器和电容器的反相放大器或非反相放大器。

7.如权利要求2所述的固态图像拾取器件，其特征在于，该固态图像拾取器件用于基于相位差检测***来检测聚焦。

8.一种照相机，其特征在于包括：

如权利要求2到7的任何一个所述的固态图像拾取器件；

用于在固态图像拾取器件上形成光学图像的透镜；以及

用于改变通过透镜的光的光量的光圈。

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