JP5747238B2 - Solid-state imaging device for motion detection and motion detection system - Google Patents
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Description
本発明は、撮像画面上の物体の動きを検出する動き検出用固体撮像装置及び、動き検出システムに関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device for motion detection that detects a motion of an object on an imaging screen, and a motion detection system.
固体撮像装置市場において、近年携帯電話用カメラ向けにCMOSセンサタイプが急速に数量を伸ばしている。CMOSセンサ型固体撮像装置の各画素セルは、入射光に応じた信号電荷を発生する光電変換部(以下画素と称す)と、この光電変換部の信号電荷を信号電圧に変換して増幅する増幅部を備えている。 In the solid-state imaging device market, CMOS sensor types for mobile phone cameras have been rapidly increasing in recent years. Each pixel cell of the CMOS sensor type solid-state imaging device has a photoelectric conversion unit (hereinafter referred to as a pixel) that generates a signal charge corresponding to incident light, and an amplification that converts the signal charge of the photoelectric conversion unit into a signal voltage and amplifies it. Department.
固体撮像装置は単に物体(被写体)を撮像するだけでなく、この固体撮像装置の撮像画面上の物体の動きを検出することがある。例えば、同一視野を連続的に撮像して、この視野内に人が侵入してきたことを検出し、この人の侵入に応答して各種の機器を制御したり、この人の侵入を報知したり記録する。 The solid-state imaging device may not only capture an object (subject) but also detect the movement of the object on the imaging screen of the solid-state imaging device. For example, the same field of view is continuously imaged, and it is detected that a person has entered the field of view, and various devices are controlled in response to the person's intrusion, or the intrusion of this person is notified. Record.
この様な撮像画面上の物体の動きを検出する方法としては、前後のフレーム間の同一画素単位での信号出力を比較して動きを検出する方法(方法1)がある。また隣接画素を一対の組として光電変換時間を変え、信号量が同等となるように光電変換時間比で増幅回路のゲインを調整した後信号の差分処理をすることで静止物体では出力信号をゼロにし、動き物体では出力信号を発生させることで動きを検出する方法(方法2)があり、これらは特許文献1に開示されている。 As a method of detecting the movement of an object on such an imaging screen, there is a method of detecting a movement by comparing signal outputs in the same pixel unit between previous and subsequent frames (method 1). In addition, by changing the photoelectric conversion time for a pair of adjacent pixels and adjusting the gain of the amplifier circuit with the photoelectric conversion time ratio so that the signal amount is equivalent, the signal difference processing is performed, so that the output signal is zero for a stationary object In the case of a moving object, there is a method (method 2) for detecting motion by generating an output signal, which is disclosed in Patent Document 1.
前者の方法1では、フレームメモリが必要になるため、消費電力の増加や回路規模の増加により装置が大きくなる。さらにコストも上昇する。 Since the former method 1 requires a frame memory, the apparatus becomes larger due to an increase in power consumption and an increase in circuit scale. In addition, costs will increase.
後者の方法2では、空間的に近接する第1及び第2の画素を1組とし、これらの画素組を1つの感知単位として扱い、例えば第2の画素の光電変換時間を第1画素の光電変換時間の2倍にし、第1の画素の信号と第2画素の1/2の信号の差に基づいて撮像画面上の物体の動きを検出する。この際、相互に第1光電変換時間に比べより長い第2光電変換時間の間に、第1及び第2の画素の信号に変化が発生すれば、撮像画面上の物体が動いたものとみなせる。即ち、撮像画面上の物体が静止している状態では、差分は0となり、動きがあると差が発生する。方法2ではフレームメモリを必要とせず動き検出が行える。 In the latter method 2, the first and second pixels that are spatially adjacent to each other are treated as one set, and these pixel sets are treated as one sensing unit. For example, the photoelectric conversion time of the second pixel is set as the photoelectric conversion time of the first pixel. The conversion time is doubled, and the motion of the object on the imaging screen is detected based on the difference between the signal of the first pixel and the signal of 1/2 of the second pixel. At this time, if a change occurs in the signals of the first and second pixels during the second photoelectric conversion time that is longer than the first photoelectric conversion time, it can be assumed that the object on the imaging screen has moved. . That is, when the object on the imaging screen is stationary, the difference is 0, and if there is movement, the difference occurs. Method 2 can perform motion detection without requiring a frame memory.
しかし、通常の静止した物体では上記説明したように、差分は0とならない。なぜならば撮影した物体の端部では対の2画素の信号量が異なるため差分信号は0とならず、物体に動きが有ると誤認識してしまう。カラー撮像の場合には、代表的な色フィルター配置であるベイヤー方式を適用すると、1画素飛ばしの位置にある同色の画素を対の2画素とするため、さらに差分信号量と発生頻度が増加するため動き物体の認識率はさらに劣化する。 However, the difference does not become 0 for a normal stationary object as described above. This is because the difference signal does not become 0 because the signal amount of the two pixels in the pair is different at the end of the photographed object, and the object is erroneously recognized as moving. In the case of color imaging, when the Bayer method, which is a typical color filter arrangement, is applied, the same color pixel at the position where one pixel is skipped is made into two pixels in a pair, so that the difference signal amount and the frequency of occurrence further increase. Therefore, the recognition rate of moving objects further deteriorates.
本発明は、撮像画面上の物体の動きを検出する動き検出用固体撮像装置であり、被写体の輪郭で発生する誤信号(ノイズ信号)を抑制する画素の構成と演算システムを提供する。これにより、後段の信号処理が簡便となるだけでなく、動いた物体の動き検出能力を向上させた動き検出用固体撮像装置を提供することにある。 The present invention is a solid-state imaging device for motion detection that detects the motion of an object on an imaging screen, and provides a pixel configuration and a calculation system that suppress an error signal (noise signal) generated in the contour of a subject. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a motion detection solid-state imaging device that not only simplifies subsequent signal processing but also improves the motion detection capability of a moving object.
本発明に係る動き検出用固体撮像装置は、縦横方向に配置した2×2の4つの画素を1組とし、斜め方向に隣接し合う2画素を1つセットにし、これと直交方向の斜め方向の残りの2画素を1つセットとし、2つのセット間の光電変換時間を変える。次にこの2つの光電変換時間の比の分だけ、片側のセットの出力信号量の調整を行い、両者の差分を取ることで、動きの検出を行うとともに、平均化処理にて被写体の輪郭で発生するノイズを抑制する。
また光電変換時間の違いによる信号量の調整は、2つのセットととなるそれぞれの画素サイズの大きさを異ならせることで調整する方法でも良い。
The solid-state imaging device for motion detection according to the present invention includes two 2 × 2 pixels arranged in the vertical and horizontal directions as one set, and two adjacent pixels in the diagonal direction as one set, and an oblique direction perpendicular thereto. The remaining two pixels are set as one set, and the photoelectric conversion time between the two sets is changed. Next, the output signal amount of the set on one side is adjusted by the ratio of the two photoelectric conversion times, and the difference between the two is detected to detect the motion, and the contour of the subject is averaged. Suppresses generated noise.
Further, the adjustment of the signal amount due to the difference in photoelectric conversion time may be performed by adjusting the pixel size of each of the two sets.
本発明によれば、輪郭でのノイズ発生を抑制し、動き検出を行う固体撮像装置を提供できる。輪郭部でのノイズを抑制できるため、動き物体の検出能力を向上させ、さらに低消費電力の動き検出撮像システムを提供することが出来る。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid-state imaging device which suppresses the noise generation | occurrence | production in an outline and performs a motion detection can be provided. Since noise at the contour can be suppressed, the detection capability of a moving object can be improved, and a motion detection imaging system with low power consumption can be provided.
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調されており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. It should be noted that the scale of the drawings is emphasized for easy understanding of the features of the invention and is not necessarily the same as the scale of an actual device.
図1は、本発明の動き検出用固体撮像装置の全体の構成を示す図である。動き検出用固体撮像装置は、全体のタイミングを制御するためのタイミング発生回路24、画素の光電変換時間(蓄積時間)を2つの異なった蓄積時間で制御するための蓄積時間制御回路25、垂直走査回路14、動き検出回路7、ADC回路8、水平走査回路13と画素群10で構成されている。 FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a solid-state imaging device for motion detection according to the present invention. The solid-state imaging device for motion detection includes a timing generation circuit 24 for controlling the overall timing, an accumulation time control circuit 25 for controlling the photoelectric conversion time (accumulation time) of a pixel with two different accumulation times, and vertical scanning. The circuit 14 includes a motion detection circuit 7, an ADC circuit 8, a horizontal scanning circuit 13, and a pixel group 10.
動き検出動作のための画素の配置は2×2の4画素で1つのセルを成す。図に於いて、画素1(a11)、画素1(a’11)、画素1(b’11)、画素1(b11)は1つのセルである。水平方向に対となっている画素1(a11)、画素1(a‘11)の読み出しトランジスタ2、2’のゲートには、それぞれ別の読み出し配線(READ1、READ1’)が印加される。画素で一定時間光電変換され蓄積された電荷は、読み出しトランジスタ2、2‘のゲート下を転送し、フローティングジャンクション3へ流入する。このフローティングジャンクション3の電位は、増幅トランジスタ5のゲートを変調する。画素1(a11)、画素1(a’11)はそれぞれ別の垂直信号線6,6’に連結されており、垂直信号線6,6‘を介し電位変化として読み出される。 The pixel arrangement for the motion detection operation is 2 × 2 4 pixels to form one cell. In the figure, pixel 1 (a11), pixel 1 (a'11), pixel 1 (b'11), and pixel 1 (b11) are one cell. Different read wirings (READ1, READ1 ') are applied to the gates of the read transistors 2, 2' of the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a'11) which are paired in the horizontal direction. The electric charge photoelectrically converted and accumulated in the pixel for a certain period of time is transferred under the gates of the read transistors 2 and 2 ′ and flows into the floating junction 3. The potential of the floating junction 3 modulates the gate of the amplification transistor 5. The pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a'11) are connected to different vertical signal lines 6 and 6 ', respectively, and are read out as potential changes via the vertical signal lines 6 and 6'.
このフローティングジャンクション3は、信号電荷が転送される前にリセットトランジスタ4のゲートを介し一定電圧にリセット(RESET)される。1セルの2行目の水平方向に対となっている画素1(b’11)、画素1(b11)の読み出しゲート2‘、2には、それぞれ別の読み出し配線(READ2‘、READ2)が印加される。画素1(b’11)、画素1(b11)は、画素1(a11)、画素1(a’11)と同様に、それぞれ別の垂直信号線6,6’に連結されており、垂直信号線6,6‘を介し電位変化として読み出される。 The floating junction 3 is reset (RESET) to a constant voltage via the gate of the reset transistor 4 before the signal charge is transferred. The pixel 1 (b′11) and the pixel 1 (b11) which are paired in the horizontal direction of the second row of one cell have different readout wirings (READ2 ′ and READ2) in the readout gates 2 ′ and 2 of the pixel 1 (b11), respectively. Applied. Similarly to the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a′11), the pixel 1 (b′11) and the pixel 1 (b11) are connected to different vertical signal lines 6 and 6 ′, respectively. It is read out as a potential change through lines 6 and 6 '.
垂直信号線6,6‘は、その端部で動き検出回路7に繋がっており、更にはADC(Analog to Digital Converter)回路8に繋がっている。ADC回路8からは垂直信号線6,6‘に対応したADC出力が10bitのデジタル信号として水平走査回路13にて順次読み出される。動き検出回路7からは、一対の垂直信号線6,6’より1つの動き検出信号が出力される。動き検出信号は水平読み出しゲート11を介し、水平信号線12に出力される。 The vertical signal lines 6, 6 ′ are connected to the motion detection circuit 7 at their ends, and further to an ADC (Analog to Digital Converter) circuit 8. From the ADC circuit 8, the ADC output corresponding to the vertical signal lines 6 and 6 ′ is sequentially read out by the horizontal scanning circuit 13 as a 10-bit digital signal. The motion detection circuit 7 outputs one motion detection signal from the pair of vertical signal lines 6 and 6 ′. The motion detection signal is output to the horizontal signal line 12 via the horizontal readout gate 11.
水平読み出しゲート11に印加されるパルスは、水平走査回路13にて発生され、水平方向にセル毎に順次読み出しを行う。同様に垂直方向のセルの読み出しを行うための、読み出しトランジスタ2,2’のゲートに印加されるパルス(例えばREAD1,1’)、及びリセットトランジスタ4のゲートに印加されるパルス(RESET)は、垂直走査回路14にて発生され、垂直方向に1ライン毎に順次読み出しを行う。 Pulses applied to the horizontal readout gate 11 are generated by the horizontal scanning circuit 13 and sequentially read out cell by cell in the horizontal direction. Similarly, a pulse (for example, READ1, 1 ′) applied to the gates of the read transistors 2 and 2 ′ and a pulse (RESET) applied to the gate of the reset transistor 4 for reading the cells in the vertical direction are: Generated by the vertical scanning circuit 14 and sequentially read out line by line in the vertical direction.
図2(a)は図1に示す本発明のユニットセルのレイアウトと、動き検出回路構成、駆動方法を説明する図である。以下の図面では、同一の機能を有する構成要素は同一の番号にて表記する。図1で示したように、画素の配置は2×2の4画素(画素1(a11)、画素1(a’11)、画素1(b’11)、画素1(b11))で1つのセルを構成している。水平方向に対となっている画素1(a11)、画素1(a‘11)の読み出しゲート2、2’には、それぞれ別の読み出し配線(READ1、READ1’)が印加され、残りの水平方向に対となっている画素1(b’11)、画素1(b11))の読み出しトランジスタ2‘、2のゲートには、それぞれ別の読み出し配線(READ2’、READ2)が印加されている。また垂直方向に隣接し合う画素1(a11)、画素1(b’11)は垂直信号線6に、他の垂直方向に隣接し合う画素1(a’11)、画素1(b11))は別の垂直信号線6’に、連結され読み出しが行われる。 FIG. 2A is a view for explaining the layout of the unit cell of the present invention shown in FIG. 1, the configuration of the motion detection circuit, and the driving method. In the following drawings, components having the same function are denoted by the same number. As shown in FIG. 1, the arrangement of the pixels is 2 × 2 four pixels (pixel 1 (a11), pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11), pixel 1 (b11)). The cell is configured. Different readout wirings (READ1, READ1 ′) are applied to the readout gates 2, 2 ′ of the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a′11) which are paired in the horizontal direction, respectively, and the remaining horizontal direction Separate read wirings (READ2 ′, READ2) are applied to the gates of the read transistors 2 ′, 2 of the pixel 1 (b′11) and pixel 1 (b11) which are paired with each other. Further, the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b′11) adjacent in the vertical direction are connected to the vertical signal line 6, and the other pixel 1 (a′11) and the pixel 1 (b11) adjacent to each other in the vertical direction are connected. Reading is performed by being connected to another vertical signal line 6 ′.
図2(a)に於いて、垂直信号線6,6‘の端部にはLOAD Tr(負荷トランジスタ)が設けられ、LOAD
Trの電位はスイッチ回路(SW1)を経て、キャパシタと差動増幅回路15のプラス側に繋がっている。またLOAD Trの電位はスイッチ回路(SW2)を経て、増幅器16を介し、差動増幅回路15のマイナス側にも繋がっている。この差動増幅器15の出力を差動出力17とする。この回路構成から増幅器16を除去すると、従来のCMOSセンサで一般的に採用されているCDS(Correlated Double Sampling)回路構成である。垂直信号線6‘に於いても同様であり、それぞれ対応する部分を差動増幅回路15’、増幅器16’、差動出力17‘とする。
In FIG. 2A, LOAD Tr (load transistor) is provided at the ends of the vertical signal lines 6 and 6 '.
The potential of Tr is connected to the positive side of the capacitor and the differential amplifier circuit 15 via the switch circuit (SW1). The potential of LOAD Tr is also connected to the negative side of the differential amplifier circuit 15 through the amplifier 16 via the switch circuit (SW2). The output of the differential amplifier 15 is referred to as a differential output 17. If the amplifier 16 is removed from this circuit configuration, it is a CDS (Correlated Double Sampling) circuit configuration generally employed in conventional CMOS sensors. The same applies to the vertical signal line 6 ', and the corresponding parts are a differential amplifier circuit 15', an amplifier 16 ', and a differential output 17', respectively.
2つの隣接する差動出力17、17‘は加算回路18に入力される。加算出力19はノイズ除去回路20に入り、ノイズ除去加算出力21は、水平信号線12に繋がる水平読み出しゲート11の入力側へ連結される。このノイズ除去回路20は、前出のCDS回路構成で代用できる。また図では書かれていないが、ノイズ除去加算出力21は、垂直信号線6,6’と同様にADC回路8を通してから、水平読み出しゲート11の入力側へ連結しても良い。一方、LOAD
Trの電位は垂直信号線6,6‘を延長させスイッチ回路(SW3)を経て、ADC回路8に繋がっている。図示はしていないが、スイッチ回路(SW3)と、ADC回路8の間には、通常のCDS回路構成が挿入される。もしくは、ADCのデジタル処理でCDS動作を実施することもできる。
Two adjacent differential outputs 17 and 17 ′ are input to the adder circuit 18. The addition output 19 enters the noise removal circuit 20, and the noise removal addition output 21 is connected to the input side of the horizontal readout gate 11 connected to the horizontal signal line 12. The noise removal circuit 20 can be replaced by the above-described CDS circuit configuration. Although not shown in the figure, the noise removal addition output 21 may be connected to the input side of the horizontal readout gate 11 after passing through the ADC circuit 8 in the same manner as the vertical signal lines 6 and 6 ′. On the other hand, LOAD
The potential of Tr extends to the vertical signal lines 6 and 6 ′ and is connected to the ADC circuit 8 through the switch circuit (SW 3). Although not shown, a normal CDS circuit configuration is inserted between the switch circuit (SW 3) and the ADC circuit 8. Alternatively, the CDS operation can be performed by ADC digital processing.
図2(b)は対の画素1(a11)、画素1(a‘11)と、別の対の画素1(b’11)、画素1(b11)の出力レベルの光電変換時間変化を示す図である。この場合には画素の光電変換効率(以下の説明では感度と呼び、図中のグラフの傾きに相当する)が、対の画素1(a11)、画素1(a‘11)と、別の対の画素1(b’11)、画素1(b11)で4画素共同じ場合で説明する。更に、斜め方向に隣接する第1の画素1(a11)、画素1(b11)の光電変換時間(第1光電変換時間と呼ぶ)を同じにする。残りの斜め方向に隣接する第2の画素(a11‘)、画素1(b’11)の光電変換時間(第2光電変換時間と呼ぶ)も同じにし、第2光電変換時間を第1光電変換時間t1よりも長くしている(図では、光電変換時間を2倍にしたケース)。第1及び第2光電変換時間の光電変換時間の比を2倍にし、かつ2つの光電変換時間(第1の光電変換時間、第2の光電変換時間)の終了時点を略一致させるために、第1の画素1(a11)、画素1(b11)の光電変換時間を制御する読み出しトランジスタ2のゲートには、途中、画素信号を捨てるためのREAD1,2パルスを印加し、フローティングジャンクション3の電位をリセットするために、リセットトランジスタ4のゲートにリセットパルス(図中RSで示す)を印加している。 FIG. 2B shows the photoelectric conversion time change of the output level of the pair of pixel 1 (a11), pixel 1 (a′11), and another pair of pixel 1 (b′11) and pixel 1 (b11). FIG. In this case, the photoelectric conversion efficiency (referred to as sensitivity in the following description and corresponding to the slope of the graph in the figure) of the pixel is different from that of the pair of pixel 1 (a11) and pixel 1 (a'11). In the following description, the same pixel 4 (b'11) and pixel 1 (b11) have the same four pixels. Further, the photoelectric conversion times (referred to as first photoelectric conversion times) of the first pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b11) adjacent in the oblique direction are made the same. The remaining photoelectric conversion times (referred to as second photoelectric conversion times) of the second pixel (a11 ′) and pixel 1 (b′11) adjacent in the diagonal direction are also set to be the same, and the second photoelectric conversion time is set to the first photoelectric conversion time. It is longer than the time t1 (in the figure, the photoelectric conversion time is doubled). In order to double the ratio of the photoelectric conversion time between the first and second photoelectric conversion times and to substantially match the end points of the two photoelectric conversion times (first photoelectric conversion time, second photoelectric conversion time), READ1 and 2 pulses for discarding the pixel signal are applied to the gate of the read transistor 2 for controlling the photoelectric conversion time of the first pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b11), and the potential of the floating junction 3 is applied. Is reset, a reset pulse (indicated by RS in the figure) is applied to the gate of the reset transistor 4.
図2(c)は、本発明の駆動方法を説明するための図であり、特に略一致した2つの光電変換時間の終了時点における、画素からの信号出力の読み出しのシーケンスを説明する為の図である。それぞれの信号線、パルス線、に生ずるタイミングチャートを示す。まずフローティングジャンクション3は、信号電荷が転送される前にリセットトランジスタ4のゲートを介し一定電圧にリセット(RESET)される(タイミングT1;以下T1と略す)。この際フローティングジャンクション3にはリセットパルスの誘導がノイズとして重畳され、垂直信号線6、6‘にはノイズ成分が出る(T2)。次に、第1の画素1(a11)、画素1(b11)に第1光電変換時間t1で光電変換され蓄積された電荷は、読み出し配線(READ1、2)のパルスを読み出しゲート2に印加することで、フローティングジャンクション3へ流入する(T3)。 FIG. 2C is a diagram for explaining the driving method of the present invention, and in particular, a diagram for explaining a sequence of reading out signal output from the pixels at the end of two substantially identical photoelectric conversion times. It is. A timing chart generated in each signal line and pulse line is shown. First, the floating junction 3 is reset (RESET) to a constant voltage via the gate of the reset transistor 4 before the signal charge is transferred (timing T1; hereinafter abbreviated as T1). At this time, the induction of the reset pulse is superimposed on the floating junction 3 as noise, and noise components appear on the vertical signal lines 6 and 6 '(T2). Next, the charges that are photoelectrically converted and accumulated in the first pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b11) in the first photoelectric conversion time t1 are applied to the readout gate 2 by applying pulses of the readout wirings (READ1, 2). Thus, it flows into the floating junction 3 (T3).
ノイズ成分が出ている垂直信号線6、6‘には、画素1(a11)、画素1(b11)の信号成分がそれぞれ重畳される。次の読み出しの為にフローティングジャンクション3がリセットされる前に、SW1を閉じ(ON)、垂直信号線6、6‘の出力レベルをキャパシタに保持させる。次にSW1を開いた(OFF)した後に、フローティングジャンクション3をリセットする(T4)。この際も同様にリセットパルスの誘導がノイズとして重畳され、垂直信号線6、6‘にはノイズ成分が出てくる(T5)。次に、第2の画素(a11‘)、画素1(b’11)に第2光電変換時間t2(2×t1)で光電変換され蓄積された電荷は、読み出し配線(READ1’、2‘)のパルスを読み出しゲート2’に印加することにより、フローティングジャンクション3へ流入する(T6)。 The signal components of the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b11) are superimposed on the vertical signal lines 6 and 6 'where the noise component is output. Before the floating junction 3 is reset for the next reading, SW1 is closed (ON), and the output levels of the vertical signal lines 6 and 6 'are held in the capacitors. Next, after SW1 is opened (OFF), the floating junction 3 is reset (T4). In this case as well, the induction of the reset pulse is superimposed as noise, and noise components appear on the vertical signal lines 6 and 6 '(T5). Next, the electric charges photoelectrically converted and accumulated in the second pixel (a11 ′) and the pixel 1 (b′11) in the second photoelectric conversion time t2 (2 × t1) are read out wirings (READ1 ′, 2 ′). Is applied to the read gate 2 ′, and flows into the floating junction 3 (T6).
ノイズ成分が出ている垂直信号線6、6‘には、画素1(a’11)、画素1(b‘11)の信号成分がそれぞれ重畳される。次の読み出しの為にフローティングジャンクション3がリセットされる前に、SW2を閉じ(ON)、垂直信号線6、6‘の出力レベルを増幅器16にて増幅し、差動増幅回路15のマイナス側に入力する。この増幅器のゲインとしては、上記ケースでは第1光電変換時間と第2光電変換時間の比である1/2となる。 The signal components of the pixel 1 (a'11) and the pixel 1 (b'11) are superimposed on the vertical signal lines 6 and 6 'where noise components are output. Before the floating junction 3 is reset for the next reading, SW2 is closed (ON), the output level of the vertical signal lines 6 and 6 ′ is amplified by the amplifier 16, and the differential amplifier circuit 15 is brought to the negative side. input. The gain of this amplifier is ½, which is the ratio of the first photoelectric conversion time and the second photoelectric conversion time in the above case.
差動増幅回路15、15’のプラス側には、キャパシタに蓄積されている、それぞれ画素1(a11)、画素1(b11)の信号成分が入力されている。差動増幅回路15、15’のマイナス側には、ゲインが掛けられた画素1(a’11)、画素1(b‘11)の信号成分が入力されている。このため、この差動増幅器15、15‘の出力である差動出力17、17’としては、それぞれ画素1(a11)、画素1(b’11)の差分と、画素1(b11)、画素1(a‘11)の差分が出力される。更に差動出力17、17’の先には、加算回路18があるので、襷掛けに足した画素1(a11)+画素1(b11)から、襷掛けに足した、画素1(a‘11)+画素1(b’11)の1/2との差分と取った値が、加算回路18の加算出力19となる。これをCDS回路構成のノイズ除去回路20で処理した出力は、ノイズ除去加算出力21として出てくる。 The signal components of the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b11), which are stored in the capacitors, are input to the plus side of the differential amplifier circuits 15 and 15 ', respectively. The signal components of the pixel 1 (a′11) and the pixel 1 (b′11) multiplied by the gain are input to the minus side of the differential amplifier circuits 15 and 15 ′. Therefore, the differential outputs 17 and 17 ′, which are the outputs of the differential amplifiers 15 and 15 ′, are the difference between the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b′11), the pixel 1 (b11), and the pixel, respectively. A difference of 1 (a′11) is output. Further, since there is an adder circuit 18 ahead of the differential outputs 17 and 17 ′, the pixel 1 (a′11) added to the multiplication from the pixel 1 (a11) + pixel 1 (b11) added to the multiplication. ) + The difference from ½ of the pixel 1 (b′11) is the summed output 19 of the summing circuit 18. An output obtained by processing this with the noise removal circuit 20 having the CDS circuit configuration is output as a noise removal addition output 21.
被写体が静止している場合には、光電変換時間が2倍となっている信号を、増幅器16にて1/2のゲインを掛け算して差分を取るため、動き検出出力(ノイズ除去差分出力21)はゼロとなる。一方、動きの有る場合には光電変換時間内で被写体の明るさが変化する為、動き検出出力(ノイズ除去差分出力21)はゼロとならない。 When the subject is stationary, a signal obtained by doubling the photoelectric conversion time is multiplied by a gain of 1/2 by the amplifier 16 to obtain a difference, so that a motion detection output (noise removal difference output 21 ) Is zero. On the other hand, when there is motion, the brightness of the subject changes within the photoelectric conversion time, so the motion detection output (noise removal difference output 21) does not become zero.
このように、本発明に於いて、複数の画素をマトリクス状に配列して、撮像画面を形成し、空間的に近接する第1及び第2の画素を1組とし、第1の画素の第1光電変換時間t1を第2の画素の第2光電変換時間t2よりも短くすると共に、第1及び第2光電変換時間の終了時点を略一致させ、第1及び第2光電変換時間の後に、第1及び第2の画素の信号を共に読み出し、第2光電変換時間に対する第1光電変換時間の比と第2画素の信号の積を求め、この積と第1画素の信号の差に基づいて、撮像画面上の物体の動きを検出することが出来る。 Thus, in the present invention, a plurality of pixels are arranged in a matrix to form an imaging screen, and the first and second pixels that are spatially close to each other are taken as one set, and the first pixel 1 photoelectric conversion time t1 is made shorter than the second photoelectric conversion time t2 of the second pixel, the end points of the first and second photoelectric conversion times are substantially matched, and after the first and second photoelectric conversion times, Both the signals of the first and second pixels are read out, the product of the ratio of the first photoelectric conversion time to the second photoelectric conversion time and the signal of the second pixel is obtained, and based on the difference between this product and the signal of the first pixel The movement of the object on the imaging screen can be detected.
垂直信号線6,6‘の出力は、スイッチ回路(SW3)を閉じる(ON)することで、CDS回路(図示せず)を経て、ADC回路8に入力され、例えば10bitのデジタル信号に変換し出力する。しかしながら、図2(a)、(b)、(c)に於いて、第1の画素として画素1(a11)、画素1(b11)を組み合わせ、第2の画素として画素1(a’11)、画素1(b‘11)を組み合わせているため、順次と言っても、水平走査線が1ラインずれたジグザグ状に出てきてしまう。また、出力の2倍異なる画像同士の合成画像として出力される。これはダイナミックレンジを拡大したモードの画像出力となる。通常と同じような出力の仕方をするには、以下に示すように回路を少し変更する必要が有る。 The outputs of the vertical signal lines 6 and 6 ′ are input to the ADC circuit 8 through the CDS circuit (not shown) by closing (ON) the switch circuit (SW3), and converted into, for example, a 10-bit digital signal. Output. However, in FIGS. 2A, 2B, and 2C, pixel 1 (a11) and pixel 1 (b11) are combined as the first pixel, and pixel 1 (a′11) is combined as the second pixel. Since the pixels 1 (b′11) are combined, the horizontal scanning lines come out in a zigzag pattern shifted by one line even if they are said sequentially. Moreover, it is output as a composite image of images that are two times different from the output. This is an image output in a mode with an expanded dynamic range. In order to output in the same way as usual, it is necessary to slightly change the circuit as shown below.
まず後者の、出力の2倍異なる画像同士の合成画像として出力されるのを防止する方法に付き、図2(d)を用いて説明する。図2(d)で垂直信号線6,6‘には、スイッチ回路(SW3)が付いているが、これと並列させてスイッチ回路(SW4)を設置し、その先に増幅器22を設置する。その先をSW3の先に繋ぐ。第2光電変換時間の第2の画素(例えば画素1(a’11)、画素1(b‘11))の読み出しの際に、SW3を開き(OFF)、SW4を閉じ(ON)、SW4の先にある増幅器のゲインを1/2にすることで、同じ明るさの被写体の撮像の場合、各画素の出力を同じにすることが出来る。 First, the latter method will be described with reference to FIG. 2 (d), which is related to a method for preventing the output from being output as a composite image of images that differ by twice the output. In FIG. 2 (d), the vertical signal lines 6 and 6 'are provided with a switch circuit (SW3). In parallel therewith, a switch circuit (SW4) is installed, and an amplifier 22 is installed at the end. Connect the tip to the tip of SW3. When reading the second pixel (for example, pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11)) of the second photoelectric conversion time, SW3 is opened (OFF), SW4 is closed (ON), and SW4 By setting the gain of the previous amplifier to ½, in the case of imaging a subject with the same brightness, the output of each pixel can be made the same.
前者の、水平走査ラインがジグザグになることを防止する方法に付き、図3(a)、(b)、(c)を用いて説明する。図3(a)は図2(d)と類似であるが、違いは垂直信号線6‘の端部のLOAD
Tr以降の回路であり、スイッチ回路(SW1)と、キャパシタと差動増幅回路15のプラス側の間に増幅器16’が挿入され、差動増幅器15‘のマイナス側に繋がり、スイッチ回路SW2側には増幅器が挿入されずに、差動増幅器15‘のプラス側に繋がれていることである。
The former method for preventing the horizontal scanning line from becoming zigzag will be described with reference to FIGS. 3 (a), 3 (b), and 3 (c). 3 (a) is similar to FIG. 2 (d), the difference being the LOAD at the end of the vertical signal line 6 ′.
This is a circuit after Tr, and an amplifier 16 'is inserted between the switch circuit (SW1) and the positive side of the capacitor and the differential amplifier circuit 15, and is connected to the negative side of the differential amplifier 15', and is connected to the switch circuit SW2 side. Is connected to the positive side of the differential amplifier 15 'without being inserted.
図3(b)は対の画素1(a11)、画素1(a‘11)と、別の対の画素1(b’11)、画素1(b11)の出力レベルの光電変換時間変化を示す図であり、図2(b)と同じである。 FIG. 3B shows the photoelectric conversion time change of the output level of the pair of pixel 1 (a11) and pixel 1 (a′11) and another pair of pixel 1 (b′11) and pixel 1 (b11). It is a figure and is the same as FIG.2 (b).
図3(c)ではREAD1、1‘を同じタイミングで読み出し、水平方向に隣接し合う画素1(a11)、画素1(a’11)を同時に垂直信号線6,6‘に転送する。動き検出回路7では、SW2を開き(OFF)、SW1を閉じ(ON)、キャパシタに垂直信号線の電位を保持させる。次のタイミングでREAD2、2‘を同じタイミングで読み出し、水平方向に隣接し合う画素1(b’11)、画素1(b11)を同時に垂直信号線6,6‘に転送する。動き検出回路7では、SW1を開き(OFF)、SW2を閉じ(ON)、差動増幅器15、15’で差分を取る。 In FIG. 3C, READ1 and 1 'are read at the same timing, and the pixels 1 (a11) and 1 (a'11) adjacent in the horizontal direction are simultaneously transferred to the vertical signal lines 6 and 6'. In the motion detection circuit 7, SW2 is opened (OFF), SW1 is closed (ON), and the capacitor holds the potential of the vertical signal line. READ2 and 2 'are read out at the same timing at the next timing, and pixel 1 (b'11) and pixel 1 (b11) adjacent in the horizontal direction are simultaneously transferred to the vertical signal lines 6 and 6'. In the motion detection circuit 7, SW1 is opened (OFF), SW2 is closed (ON), and the differential amplifiers 15 and 15 'take the difference.
差動増幅回路15のプラス側にはキャパシタに蓄積されている画素1(a11)の信号成分が、差動増幅回路15’のマイナス側には、キャパシタに蓄積されている画素1(a‘11)の信号成分に増幅器16’でゲインが掛けられた信号が入力されている。また差動増幅回路15のマイナス側には、ゲインが掛けられた画素1(b’11)の信号成分が、差動増幅回路15’のプラス側には、画素1(b11)の信号成分が入力されている。このため、この差動増幅器15、15‘の出力である差動出力17、17’としては、それぞれ画素1(a11)、画素1(b’11)の差分と、画素1(b11)、画素1(a‘11)の差分が出力される。更に差動出力17、17’の先には、加算回路18があるので、襷掛けに足した画素1(a11)+画素1(b11)から、襷掛けに足した、画素1(a‘11)+画素1(b’11)の1/2との差分と取った値が、加算回路18の加算出力19となる。これをCDS回路構成のノイズ除去回路20で処理した出力は、ノイズ除去加算出力21として出てくる。これは図2(c)の説明と同じである。 The signal component of the pixel 1 (a11) stored in the capacitor is on the plus side of the differential amplifier circuit 15, and the pixel 1 (a′11) stored in the capacitor is on the minus side of the differential amplifier circuit 15 ′. ) Is multiplied by the gain of the amplifier 16 '. On the negative side of the differential amplifier circuit 15, the signal component of the pixel 1 (b'11) multiplied by the gain is provided. On the positive side of the differential amplifier circuit 15 ', the signal component of the pixel 1 (b11) is provided. Have been entered. Therefore, the differential outputs 17 and 17 ′, which are the outputs of the differential amplifiers 15 and 15 ′, are the difference between the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b′11), the pixel 1 (b11), and the pixel, respectively. A difference of 1 (a′11) is output. Further, since there is an adder circuit 18 ahead of the differential outputs 17 and 17 ′, the pixel 1 (a′11) added to the multiplication from the pixel 1 (a11) + pixel 1 (b11) added to the multiplication. ) + The difference from ½ of the pixel 1 (b′11) is the summed output 19 of the summing circuit 18. An output obtained by processing this with the noise removal circuit 20 having the CDS circuit configuration is output as a noise removal addition output 21. This is the same as the description of FIG.
図2(d)で既に説明したように、同じ明るさの被写体の撮像の場合、第2光電変換時間の第2の画素(例えば画素1(a’11)、画素1(b‘11))の出力は増幅器22でゲインが掛っているため、第1光電変換時間の第1の画素(例えば画素1(a11)、画素1(b11))と同じ出力でADC回路に入力される。同一水平走査線上の対の画素1(a11)、画素1(a‘11)からは、READ1,1’を同時に開くことにより、ADC回路には通常のCMOSセンサでのライン順次読み出しと同様な読み出し方が出来る。このようにして図2(a)で問題となった、ジグザグ状に出力が出てくる問題点は解消できる。また前述したように、光電変換時間の違いもゲインの調整することで、出力差を出さなくすることが出来るため、通常のCMOSセンサでの画像出力も可能な、動き検出固体撮像装置を提供できる。 As already described with reference to FIG. 2D, in the case of imaging an object with the same brightness, the second pixel (for example, pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11)) in the second photoelectric conversion time. Is gained by the amplifier 22, and is input to the ADC circuit with the same output as the first pixel (for example, the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (b11)) in the first photoelectric conversion time. Reading from the pair of pixels 1 (a11) and 1 (a'11) on the same horizontal scanning line simultaneously with READ1 and 1 'is performed in the ADC circuit, which is the same as the line sequential reading in a normal CMOS sensor. You can do it. In this manner, the problem that the output is output in a zigzag shape, which is a problem in FIG. 2A, can be solved. Further, as described above, since the difference in photoelectric conversion time can be adjusted by adjusting the gain, an output difference can be eliminated, so that a motion detection solid-state imaging device capable of outputting an image with a normal CMOS sensor can be provided. .
図2(d)や図3(a)に示す、本発明の構成に於いては、スイッチ回路(SW1,SW2,SW3,SW4)と有るために、動き出力21のレベルが小さいとの判断の際には、スイッチ回路(SW3、SW4)を開き(OFF)、画素での撮像出力がADC回路に行かないようにすることが出来る。 この為ADCに印加される駆動波形や、回路電源電圧を動き出力レベルで制御することが出来る。更には水平走査回路をOFFにすることが出来る。これは消費電力の低減に役立つ。 In the configuration of the present invention shown in FIG. 2D and FIG. 3A, since the switch circuit (SW1, SW2, SW3, SW4) is provided, it is determined that the level of the motion output 21 is small. At this time, the switch circuits (SW3, SW4) are opened (OFF) so that the imaging output of the pixels does not go to the ADC circuit. Therefore, the drive waveform applied to the ADC and the circuit power supply voltage can be controlled by the movement output level. Further, the horizontal scanning circuit can be turned off. This is useful for reducing power consumption.
図4(a)は、図2(a)、図3(a)に示す本発明による動き検出用撮像装置の、単位セルの繰り返し配置を示した図である。図4(a)には画素の座標として、水平方向にA、B、C,D、垂直方向に1,2,3,4,5,6,7,8と座標位置を示した。被写体の物体端部と、画素配置との位置を変化させた図も添付している。図4(a)に於いては、黒パターンの被写体の物体端部が水平方向に延び、垂直方向の端部位置が、上側では座標2と座標3の境界に、下側では座標5と座標6の境界にある状態を、Initial状態とする。図2(b)、図3(b)で示す第1光電変換時間t1の間に、被写体像が1画素分だけ下側に動くケースをTiming1で示している。Timing1とは1画素分の移動が完了し、かつ、 ’(ダッシュ)が付記されていない画素(例えばa11、a12、b11、b12)のリセット直後のタイミングである。次の第1光電変換時間t1の間に、被写体の物体が更に1画素分だけ下側に動くケースをTiming2で示している。図4(a)で示すように2×t1の移動期間で2画素分移動が完了し、かつ画素からの読み出しの直前のタイミングがTiming2である。この被写体の移動は一定スピードで行われると仮定する。 FIG. 4A is a diagram showing the repetitive arrangement of unit cells in the motion detection imaging apparatus according to the present invention shown in FIGS. 2A and 3A. FIG. 4A shows coordinate positions of A, B, C, and D in the horizontal direction and 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 in the vertical direction as pixel coordinates. A diagram in which the positions of the object end portion of the subject and the pixel arrangement are changed is also attached. In FIG. 4A, the object end of the black pattern subject extends in the horizontal direction, and the end position in the vertical direction is at the boundary between coordinates 2 and 3 on the upper side and coordinates 5 and coordinates on the lower side. The state at the boundary of 6 is defined as an initial state. A case in which the subject image moves downward by one pixel during the first photoelectric conversion time t1 shown in FIGS. 2B and 3B is indicated by Timing1. Timing 1 is a timing immediately after resetting of pixels (for example, a11, a12, b11, and b12) to which movement for one pixel is completed and '(dash) is not added. A case in which the object of the subject moves further downward by one pixel during the next first photoelectric conversion time t1 is indicated by Timing2. As shown in FIG. 4A, the movement for two pixels is completed in the movement period of 2 × t1, and the timing immediately before the reading from the pixel is Timing2. It is assumed that the movement of the subject is performed at a constant speed.
図4(b)は、図4(a)で示す、3つのタイミング(Initial、Timing1、Timing2)の場合に、各座標に有る各画素において、どの様な出力になり、それらを演算した動き検出信号がどの様になるかを表で示している。
この出力の算出に当たり、第2光電変換時間t2は第1光電変換時間t1の2倍の長さとし、黒パターン部分では画素出力を零とし、黒パターン以外の部分では、第2光電変換時間に該当する画素(‘を付記した画素)の出力は全て1とし、第1光電変換時間に該当する画素(‘を付記していない画素)での出力は0.5とした。またパターン端部では光強度はStep状に変化し、隣接画素へのクロストーク(漏れ込み)は零とした。また黒パターンは垂直方向には全て同じ強度で伸長しているものとした。以下の図説明では、全てこれと同じ前提条件を使用する。
FIG. 4 (b) shows what kind of output is obtained at each pixel at each coordinate at the three timings (Initial, Timing1, Timing2) shown in FIG. 4 (a), and motion detection is performed by calculating them. The table shows how the signal looks.
In calculating this output, the second photoelectric conversion time t2 is twice as long as the first photoelectric conversion time t1, the pixel output is zero in the black pattern portion, and the second photoelectric conversion time corresponds to the second photoelectric conversion time in the portion other than the black pattern. The output of all the pixels (pixels marked with ') is 1, and the output of the pixels corresponding to the first photoelectric conversion time (pixels not marked with') is 0.5. At the pattern edge, the light intensity changed to a step shape, and crosstalk (leakage) to adjacent pixels was zero. In addition, it was assumed that all black patterns were extended with the same strength in the vertical direction. In the following description of the figure, all of these same preconditions are used.
被写体の移動は一定スピードで行われると仮定し、第1の光電変換時間で黒パターン端部が画素(座標)の上端から下端に移動した場合、第1光電変換時間の間全面露光された場合の該当画素出力は0.5の半分とした。また、黒パターン端部が画素(座標)の中央に来た場合の画素への入射強度は、全面露光された場合の半分とした。以下の図説明においても、これと同じ前提を使用する。 Assuming that the movement of the subject is performed at a constant speed, when the black pattern end moves from the upper end to the lower end of the pixel (coordinates) during the first photoelectric conversion time, or when the entire surface is exposed during the first photoelectric conversion time The corresponding pixel output is set to half of 0.5. Further, the incident intensity to the pixel when the end of the black pattern comes to the center of the pixel (coordinates) is half that when the entire surface is exposed. The same premise is used in the following description of the figure.
図4(b)に於いて、Initialのタイミングでは、光電変換が始まった直後のタイミングなので、全部の画素の出力は0となる。 In FIG. 4B, the initial timing is immediately after the start of photoelectric conversion, so the output of all the pixels is zero.
Timing1では第1光電変換時間に対応した画素(a11、a12、b11、b12、a21、a22、b21、b22、‥)では、読み出され、リセットされた直後なので、出力は0になる。一方、第2光電変換時間に対応した画素(a’11、a’12、b’11、b’12、a’21、a’22、b’21、b’22、‥)では、全面露光された画素では0.5となり、黒パターンに対応し露光されない画素では0となる。黒パターン端部が移動した画素に於いては、出力は0.25となる。 In Timing1, since the pixels (a11, a12, b11, b12, a21, a22, b21, b22,...) Corresponding to the first photoelectric conversion time are read and reset, the output is 0. On the other hand, in the pixels corresponding to the second photoelectric conversion time (a′11, a′12, b′11, b′12, a′21, a′22, b′21, b′22,. It is 0.5 for the selected pixel and 0 for the pixel corresponding to the black pattern and not exposed. In the pixel where the end of the black pattern has moved, the output is 0.25.
Timing2では第1光電変換時間に対応した画素では、全面露光された画素では0.5となり、黒パターンに対応し露光されない画素では0となる。黒パターン端部が移動した画素(b21、b22、a41、a42)に於いては、出力は0.25となる。一方、第2光電変換時間に対応した画素では、第2光電変換時間中に全面露光された画素では1となり、黒パターンに対応し露光されない画素では0となる。Timing1で黒パターン端部が移動し、明るくなった画素(a‘21、a’22)に於いては、出力は0.75となる。一方Timing1で黒パターン端部が移動し、暗くなった画素(b‘31、b’32、に於いては、出力は0.25となる。Timing2で黒パターン端部が移動し、明るくなった画素(b‘21、b’22)では0.25となり、暗くなった画素(a‘41,a‘42)では0.75となる。 In Timing 2, the pixel corresponding to the first photoelectric conversion time is 0.5 for a pixel that is exposed on the entire surface, and is 0 for a pixel that corresponds to a black pattern and is not exposed. In the pixel (b21, b22, a41, a42) in which the end of the black pattern has moved, the output is 0.25. On the other hand, in the pixel corresponding to the second photoelectric conversion time, it is 1 for the pixel that is exposed to the whole surface during the second photoelectric conversion time, and 0 for the pixel that corresponds to the black pattern and is not exposed. For the pixels (a′21, a′22) in which the end of the black pattern is moved by Timing 1 and becomes bright, the output is 0.75. On the other hand, the edge of the black pattern is moved at Timing 1 and the output becomes 0.25 in the darkened pixels (b′31 and b′32). The edge of the black pattern is moved and brightened at Timing 2. The pixel (b′21, b′22) is 0.25, and the darkened pixel (a′41, a′42) is 0.75.
このTiming2より動き検出信号を算出する。算出の方法は、図2、図3で説明したように、襷掛け画素の和と、残り襷掛け画素の和を光電変換時間換算した後に差分を取る方法である。例として、Timing2の左上の2×2の画素ブロックで算出すると、(0.5+0.5)−(1+1)/2=0となる。Timing2のその下の2×2の画素ブロックで算出すると、(0.5+0.25)−(0.25+0.75)/2=0.25となる。同様にさらに下側の2×2の画素ブロックで算出すると、(0+0)−(0.25+0)/2=−0.125となる。 同様に一番下の2×2の画素ブロックで算出すると、(0.25+0.5)−(1+0.75)/2=−0.125となる。黒パターンの無い部分の2×2の画素ブロックで算出すると、(0.5+0.5)−(1+1)/2=0となる。また黒パターンで覆われた部分の画素ブロックでは、(0+0)−(0+0)/2=0となり、常に明るかった左上の2×2の画素ブロック同様、動きが無い部分では0となる。即ち動きの有るパターンの輪郭部分で動き検出信号が発生する。動き検出信号の出力パターン表は、水平方向、垂直方向は共に半分になり、図4(b)では2×4の表となる。 A motion detection signal is calculated from this Timing2. As described with reference to FIGS. 2 and 3, the calculation method is a method of calculating a difference after converting the sum of the multiplying pixels and the sum of the remaining multiplying pixels into a photoelectric conversion time. As an example, when the 2 × 2 pixel block at the upper left of Timing 2 is calculated, (0.5 + 0.5) − (1 + 1) / 2 = 0. When the 2 × 2 pixel block under Timing 2 is calculated, (0.5 + 0.25) − (0.25 + 0.75) /2=0.25. Similarly, when the calculation is performed with the lower 2 × 2 pixel block, (0 + 0) − (0.25 + 0) /2=−0.125. Similarly, when calculating with the bottom 2 × 2 pixel block, (0.25 + 0.5) − (1 + 0.75) /2=−0.125. When calculating with a 2 × 2 pixel block in a portion without a black pattern, (0.5 + 0.5) − (1 + 1) / 2 = 0. In the pixel block of the part covered with the black pattern, (0 + 0) − (0 + 0) / 2 = 0, and like the 2 × 2 pixel block in the upper left which is always bright, it becomes 0 in the part without motion. That is, a motion detection signal is generated at the contour portion of a pattern having motion. The output pattern table of the motion detection signal is halved in both the horizontal direction and the vertical direction, and is a 2 × 4 table in FIG.
図5(a)は、図4(a)と同じ本発明による動き検出用撮像装置の、単位セルの繰り返し配置を示した図である。図5(a)にも画素の座標として、水平方向にA、B、C,D、垂直方向に1,2,3,4,5,6,7,8と座標位置を示した。
これを用いて、被写体の物体が移動しない場合の動き検出信号の出力パターンがどのようになるか、被写体の物体位置を、図4(a)のInitialの位置を中心に、上下に1画素ずつ移動した3ケースにつき見積もってみる。
FIG. 5A is a diagram showing the repetitive arrangement of unit cells in the same motion detection imaging apparatus according to the present invention as in FIG. FIG. 5A also shows the coordinate positions of A, B, C, and D in the horizontal direction and 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 in the vertical direction as pixel coordinates.
Using this, the output position of the motion detection signal when the object of the subject does not move is determined, and the object position of the subject is set one pixel up and down around the initial position in FIG. Estimate the 3 cases that have moved.
図5(a)には、被写体の物体端部と、画素配置との相対位置を変化させた図も添付してある。図5(a)に於いては、Case1として、黒パターン端部が水平方向に延び、垂直方向の端部位置が、上側では座標1,2の境界に、下側では座標4,5の境界に、来た場合としている。Case1より黒パターンを順次に1画素ずつ下側にシフトさせた場合を、Case2、Case3とした。Case1,2,3共に黒の物体は静止したままである。 FIG. 5A also includes a diagram in which the relative position between the object end of the subject and the pixel arrangement is changed. In FIG. 5A, as Case 1, the end of the black pattern extends in the horizontal direction, and the position of the end of the vertical direction is the boundary between the coordinates 1 and 2 on the upper side and the boundary between the coordinates 4 and 5 on the lower side. If you come to. Cases 2 and 3 were obtained when the black pattern was sequentially shifted downward by one pixel from Case 1. In Cases 1, 2 and 3, the black object remains stationary.
図5(b)は、上記Case1,2,3の場合に、各座標に有る各画素において、どの様な出力になり、それらを演算した動き検出信号がどの様になるかを表で示している。この出力の算出の前提条件は図4(b)と同じである。 FIG. 5 (b) is a table showing the output of each pixel at each coordinate in the case of Cases 1, 2, and 3, and the motion detection signal obtained by calculating them. Yes. The preconditions for calculating this output are the same as those in FIG.
図5(b)では、被写体の黒パターン位置のケース毎(Case1、Case2、Case3)毎に各座標の画素で発生する出力値を表に示してある。このCase1、2,3より動き検出信号を算出する。例として、Case1の左上の画素ブロックで算出すると、(0.5+0)−(0+1)/2=0となる。同様にCase1の左下の画素ブロックで算出すると、(0.5+0.5)−(1+1)/2=0となる。この算出を全ての画素ブロックに適用すると、全て0になる。また他のCaseでも同様に0となり、これらの結果を図5(b)の一番下のCase1,2,3に示してある。各画素ブロック(2×2画素)に動き信号は1つしか出て来ないので、動き信号出力の表は、水平方向、垂直方向は共に半分になり、Case1,2,3の様に、2×4の表となる。 FIG. 5B shows a table showing output values generated in pixels of each coordinate for each case (Case1, Case2, Case3) of the black pattern position of the subject. A motion detection signal is calculated from Cases 1, 2, and 3. As an example, when calculating with the upper left pixel block of Case1, (0.5 + 0) − (0 + 1) / 2 = 0. Similarly, when calculating with the lower left pixel block of Case 1, (0.5 + 0.5) − (1 + 1) / 2 = 0. When this calculation is applied to all the pixel blocks, all are 0. Similarly, other Cases are 0, and these results are shown in Cases 1, 2, and 3 at the bottom of FIG. Since only one motion signal is output to each pixel block (2 × 2 pixels), the table of motion signal output is halved both in the horizontal direction and in the vertical direction. It becomes a table | surface of x4.
カラー撮像する場合に、通常使用されるベイヤー配列方式は、2(水平)×2(垂直)画素を基本配列とし色フィルターは斜め方向に隣接する緑色(G)が2画素と、残り赤色(R)と青色(B)の1画素ずつで構成される。便宜上2つのGをRの水平ラインをGrと、Bの水平ラインをGbと記号を変えて区別する。通常のベイヤー方式で、特許文献1の動き検出撮像装置を構成しようとすると、1画素飛ばしの位置にある同色の画素で、光電変換時間を変化させる必要が有る。動き検出の為の光電変換時間を変えた同色の画素ペアが離れると、静止した物体であっても、撮像パターン端部に於ける信号処理で、動き検出信号としてのノイズ信号が出てしまう。また同一垂直信号線上の同色信号が、1画素飛ばしになってしまい、信号処理が複雑になる問題が有った。 When performing color imaging, a Bayer arrangement method that is usually used is a basic arrangement of 2 (horizontal) × 2 (vertical) pixels, and the color filter has two adjacent green (G) pixels in the diagonal direction and the remaining red (R ) And blue (B) pixels. For convenience, the two G are distinguished by changing the horizontal line of R with Gr and the horizontal line of B with Gb. If an attempt is made to configure the motion detection imaging device of Patent Document 1 using the normal Bayer method, it is necessary to change the photoelectric conversion time with the same color pixel at the position where one pixel is skipped. When a pixel pair of the same color whose photoelectric conversion time for motion detection is changed is separated, a noise signal as a motion detection signal is generated by signal processing at the edge of the imaging pattern even for a stationary object. Further, the same color signal on the same vertical signal line skips one pixel, and there is a problem that signal processing becomes complicated.
図6は本発明による動き検出カラー撮像装置の全体の構成を示す図である。本発明の動き検出用固体撮像装置画素の配置が2×2の4画素で1つのセルを成すという特徴は、カラーの撮像に於いても有利である。
図1の1つの画素セル(画素1(a11)、画素1(a’11)、画素1(b’11)、画素1(b11))に対応し、同色の色フィルターを配置する。図6ではGreen(以下G、gと略し、Redライン上をGr、gr、Blueライン上をGb、gbと略す)を配置し、画素セルのそれぞれに対応し、画素1(Gr11)、画素1(Gr‘11)、画素1(gr’11)、画素1(gr11)で示す。同様にRed(以下R、rと略す)も、画素セルのそれぞれに対応し、画素1(R11)、画素1(R‘11)、画素1(r’11)、画素1(r11)で示す。同様にBlue(以下B、bと略す)も、画素セルのそれぞれに対応し、画素1(B11)、画素1(B‘11)、画素1(b’11)、画素1(b11)で示す。残りのBlueライン上のGreenも画素1(Gb11)、画素1(Gb‘11)、画素1(gb’11)、画素1(gb11)と示す。図6での画素配列としては、2×2画素に1色のブロックを2×2でベイヤー配列された16画素単位で、垂直、水平方向に配置されている。この配列の色フィルターはクアッドベイヤー(Quad Bayer)と呼ぶ。
FIG. 6 is a diagram showing the overall configuration of a motion detection color imaging apparatus according to the present invention. The feature of the arrangement of the solid-state imaging device pixels for motion detection according to the present invention in which 2 × 2 4 pixels form one cell is also advantageous in color imaging.
Corresponding to one pixel cell in FIG. 1 (pixel 1 (a11), pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11), pixel 1 (b11)), color filters of the same color are arranged. In FIG. 6, Green (hereinafter abbreviated as G, g, Red line on Gr, gr, and Blue line on Gb, gb) are arranged, corresponding to each pixel cell, pixel 1 (Gr11), pixel 1 (Gr′11), pixel 1 (gr′11), and pixel 1 (gr11). Similarly, Red (hereinafter abbreviated as “R” and “r”) corresponds to each of the pixel cells, and is indicated by pixel 1 (R11), pixel 1 (R′11), pixel 1 (r′11), and pixel 1 (r11). . Similarly, Blue (hereinafter abbreviated as “B” and “b”) corresponds to each of the pixel cells, and is indicated by pixel 1 (B11), pixel 1 (B′11), pixel 1 (b′11), and pixel 1 (b11). . Green on the remaining Blue line is also indicated as pixel 1 (Gb11), pixel 1 (Gb′11), pixel 1 (gb′11), and pixel 1 (gb11). The pixel arrangement in FIG. 6 is arranged in the vertical and horizontal directions in units of 16 pixels in which 2 × 2 pixels and one color block are Bayer arranged in 2 × 2. This color filter is called Quad Bayer.
図1〜5に於いては色フィルター配置を意識しない説明で、動き検出方法につき説明してきたが、図6の色フィルター配置に於いても、同色の画素ブロック内で処理を行うことにより、図1〜5の動き検出の結果は、図6に同様に適用できる。 Although the motion detection method has been described in FIGS. 1 to 5 without considering the color filter arrangement, the color filter arrangement in FIG. 6 can also be processed by performing processing in the same color pixel block. The motion detection results 1 to 5 can be similarly applied to FIG.
水平方向に対となっている画素1(Gr11)、画素1(Gr‘11)及び、画素1(R11)、画素1(R‘11)の読み出しゲート2,2’には、それぞれ別の読み出し配線(READ1、READ1’)が印加され、光電変換時間を同色画素内(例えばGr11、Gr‘11)で変えている。次のラインの水平方向に対となっている画素1(gr‘11)、画素1(gr11)及び、画素1(r’11)、画素1(r11)画素でも同様に、それぞれ別の読み出し配線(READ2、READ2’)が印加され、光電変換時間を同色画素内(例えばgr‘11、gr11)で変えている。図1と同様に、斜め方向に隣接する第1の画素1(Gr11)、画素1(gr11)の第1光電変換時間を同じにする。残りの斜め方向に隣接する第2の画素1(gr‘11)、画素1(Gr‘11)の第2光電変換時間も同じにし、第2光電変換時間を第1光電変換時間よりも長くしている(例えば光電変換時間を2倍にする)。この状況は図1と同じである。また他の色の色ブロックでの2×2画素の光電変換時間も同様に変化を持たせる。垂直信号線6,6’の下端部で回路構成も図1と同じである。図4の本発明による動き検出カラー撮像装置の駆動方法は、図1と同じであり、カラーのデジタル信号がADC回路8から、動き検出信号が水平信号線12からそれぞれ出力される。 The pixel 1 (Gr11), the pixel 1 (Gr′11), the pixel 1 (R11), and the pixel 1 (R′11) that are paired in the horizontal direction have different readouts for the readout gates 2 and 2 ′. Wirings (READ1, READ1 ′) are applied to change the photoelectric conversion time within the same color pixel (for example, Gr11, Gr′11). Similarly, the pixel 1 (gr′11), the pixel 1 (gr11), the pixel 1 (r′11), and the pixel 1 (r11), which are paired in the horizontal direction of the next line, have different readout wirings. (READ2, READ2 ′) is applied, and the photoelectric conversion time is changed within the same color pixel (for example, gr′11, gr11). As in FIG. 1, the first photoelectric conversion times of the first pixel 1 (Gr11) and the pixel 1 (gr11) adjacent in the oblique direction are made the same. The second photoelectric conversion time of the second pixel 1 (gr′11) and the pixel 1 (Gr′11) adjacent in the remaining diagonal direction is also made the same, and the second photoelectric conversion time is made longer than the first photoelectric conversion time. (For example, the photoelectric conversion time is doubled). This situation is the same as in FIG. Similarly, the photoelectric conversion time of 2 × 2 pixels in the other color blocks is also changed. The circuit configuration at the lower ends of the vertical signal lines 6 and 6 'is the same as that shown in FIG. The driving method of the motion detection color imaging apparatus according to the present invention shown in FIG. 4 is the same as that shown in FIG. 1, and a color digital signal is output from the ADC circuit 8 and a motion detection signal is output from the horizontal signal line 12.
図7(a)、(b)は、本発明による動き検出カラー撮像装置において、被写体の物体位置が変化した際の、動き検出信号の変化の仕方を説明する図である。 FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating how the motion detection signal changes when the object position of the subject changes in the motion detection color imaging apparatus according to the present invention.
図7(a)は、図6に示す本発明による動き検出カラー撮像装置の、具体的な構成要素図面を基に、色ブロックの繰り返し配置を示した図である。図6の基本構成である画素1、読み出しトランジスタ2のゲート、フローティングジャンクション3、リセットトランジスタ4のゲート、増幅トランジスタ5のゲート、垂直信号線6,6‘を実際のレイアウト図を参考に示してある。図1の1つの画素セル(画素1(a11)、画素1(a’11)、画素1(b’11)、画素1(b11))は色ブロックに対応し、図7(a)ではGreenの色ブロック(Gr11、Gr‘11、gr’11、gr11)に対応している。便宜上、図6(a)には画素の座標として、水平方向にA、B、C,D、垂直方向に1,2,3,4,5,6,7,8と座標位置を示した。 FIG. 7A is a diagram showing a repetitive arrangement of color blocks based on a specific component drawing of the motion detection color imaging apparatus according to the present invention shown in FIG. The pixel 1, the gate of the readout transistor 2, the floating junction 3, the gate of the reset transistor 4, the gate of the amplification transistor 5, and the vertical signal lines 6 and 6 ', which are the basic configuration of FIG. 6, are shown with reference to an actual layout diagram. . One pixel cell in FIG. 1 (pixel 1 (a11), pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11), and pixel 1 (b11)) corresponds to a color block. In FIG. Corresponding color blocks (Gr11, Gr′11, gr′11, gr11). For the sake of convenience, FIG. 6A shows coordinate positions of A, B, C, and D in the horizontal direction and 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 in the vertical direction as pixel coordinates.
図7(a)には、被写体の物体端部と、画素配置との相対位置を変化させた図も添付してある。図7(a)に於いては、Case1として、黒の物体端部が水平方向に延び、垂直方向の端部位置が、上側では座標3の中央に、下側では座標6の中央にある状態を、Initial状態とする。 図2(b)、図3(b)で示す第1光電変換時間t1の間に、物体が1画素分だけ下側に動くケースをTiming1で示している。Timing1とは1画素分の移動が完了し、かつリセット直後のタイミングである。次の第1光電変換時間t1の間に、物体は更に1画素分だけ下側に動くケースをTiming2で示している。図4(a)で示すように2×t1の移動期間で2画素分移動が完了し、かつ画素からの読み出しの直前のタイミングがTiming2である。この被写体の物体移動は一定スピードで行われると仮定する。 FIG. 7A also includes a diagram in which the relative position between the object end of the subject and the pixel arrangement is changed. In FIG. 7A, as Case 1, the black object end portion extends in the horizontal direction, and the vertical end portion position is at the center of coordinate 3 on the upper side and at the center of coordinate 6 on the lower side. Is in the initial state. A case in which the object moves downward by one pixel during the first photoelectric conversion time t1 shown in FIGS. 2B and 3B is indicated by Timing1. Timing 1 is the timing immediately after the movement for one pixel is completed and reset. A case in which the object moves further downward by one pixel during the next first photoelectric conversion time t1 is indicated by Timing2. As shown in FIG. 4A, the movement for two pixels is completed in the movement period of 2 × t1, and the timing immediately before the reading from the pixel is Timing2. It is assumed that the object movement of the subject is performed at a constant speed.
図7(b)は、図7(a)で示す、3つのタイミング(Initial、Timing1、Timing2)の場合に、各座標に有る各画素において、どの様な出力になり、それらを演算した動き検出信号がどの様になるかを表で示している。
この出力の算出に当たり、条件は図4(a)と同じ前提条件を使用する。詳細は図4(b)と同様な算出方法で求まり、結果のみを記載すると、3つのタイミング(Initial、Timing1、Timing2)に対応した表のようになる。動きの有る物体の輪郭部分で動き検出信号が発生する。動き検出信号の出力パターン表は、水平方向、垂直方向は共に半分になり、図7(b)では2×4の表となる。
FIG. 7 (b) shows the output of each pixel at each coordinate at the three timings (Initial, Timing1, and Timing2) shown in FIG. The table shows how the signal looks.
In calculating this output, the same preconditions as in FIG. Details are obtained by the same calculation method as in FIG. 4B, and only the result is described as a table corresponding to three timings (Initial, Timing1, and Timing2). A motion detection signal is generated at the contour portion of the moving object. The motion detection signal output pattern table is halved in both the horizontal and vertical directions, and is a 2 × 4 table in FIG. 7B.
図8(a)は、図7(a)と同じ本発明による動き検出用撮像装置の、単位セルの繰り返し配置を示した図である。図8(a)にも画素の座標として、水平方向にA、B、C,D、垂直方向に1,2,3,4,5,6,7,8と座標位置を示した。
これを用いて、被写体の物体が移動しない場合の動き検出信号の出力パターンがどのようになるか、被写体の物体位置を、図7(a)のInitialの位置を中心に、上下に1画素ずつ移動した3ケースにつき見積もっている。
FIG. 8A is a diagram showing the repetitive arrangement of unit cells in the same motion detection imaging apparatus according to the present invention as in FIG. 7A. FIG. 8A also shows the coordinate positions of A, B, C, and D in the horizontal direction and 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8 in the vertical direction as pixel coordinates.
Using this, the output pattern of the motion detection signal when the object of the subject does not move is determined, and the object position of the subject is set one pixel up and down around the initial position in FIG. 7A. Estimated for 3 cases moved.
図8(a)には、被写体の物体端部と、画素配置との相対位置を変化させた図も添付してある。図8(a)に於いては、Case4として、黒の物体端部が水平方向に延び、垂直方向の端部位置が、上側では座標2の中央に、下側では座標5の中央に来た場合としている。Case4より黒の物体を順次に1画素ずつ下側にシフトさせた場合を、Case5、Case6とした。Case4,5,6共に黒の物体は静止したままである。 FIG. 8A also includes a diagram in which the relative position between the object end of the subject and the pixel arrangement is changed. In FIG. 8A, as Case 4, the end of the black object extends in the horizontal direction, and the end position in the vertical direction comes to the center of coordinate 2 on the upper side and to the center of coordinate 5 on the lower side. If you are. Cases 5 and 6 were obtained when the black object was sequentially shifted downward by one pixel from Case 4. The black objects in both Cases 4, 5, and 6 remain stationary.
図8(b)は、上記Case4,5,6の場合に、各座標に有る各画素において、どの様な出力になり、それらを演算した動き検出信号がどの様になるかを表で示している。この出力の算出の前提条件は図5(b)と同じである。
詳細は図5(b)と同様な算出方法で求まり、結果のみを記載すると、3つのケース(Case4,5,6)で、動き検出信号の出力パターン表は、水平方向、垂直方向は共に半分になり、図8(b)では2×4の表となる。算出結果は全ての色ブロック毎に、全て0となる。
FIG. 8B is a table showing what kind of output is obtained in each pixel at each coordinate in the case 4, 5, 6, and what the motion detection signal obtained by calculating them is. Yes. The preconditions for calculating this output are the same as those in FIG.
Details are obtained by the same calculation method as in FIG. 5B, and only the result is described. In three cases (Case 4, 5, 6), the output pattern table of the motion detection signal is half in both the horizontal and vertical directions. FIG. 8B shows a 2 × 4 table. The calculation results are all 0 for every color block.
上記の説明では、被写体の物体は、端部が左右方向に伸びた黒の物体を想定し、黒の物体が上下方向に移動させた場合、及び画素に対して上下方向の相対位置を変化させた場合、に対する算出結果であった。
被写体の物体端部が上下方向に伸び、画素配列に対し、左右方向に移動する場合でも同様に算出できる。本発明では画素ブロックが2×2の画素セルで襷掛け演算を行っており、結果は同等な結果になる。
In the above description, it is assumed that the object of the subject is a black object whose end extends in the left-right direction, and when the black object is moved in the up-down direction and the relative position in the up-down direction with respect to the pixel is changed. The calculation result was as follows.
The same calculation is possible even when the object end of the subject extends in the vertical direction and moves in the horizontal direction with respect to the pixel array. In the present invention, the multiplication operation is performed with 2 × 2 pixel cells in the pixel block, and the result is equivalent.
図9は本発明による別の実施例である動き検出カラー撮像装置の全体構成を示す図である。本発明の動き検出用固体撮像装置画素の配置は2×2の4画素で1つのセルを成すという特徴はそのままで、4画素でフローティングジャンクション3、及び増幅トランジスタ5、リセットトランジスタ4を共有する構成である。
色ブロックごとの色フィルター配置は、図6と同じである。画素セルのそれぞれに対応し、例えば左上のブロックでは画素1(Gr11)、画素1(Gr‘11)、画素1(gr’11)、画素1(gr11)で構成される。図9での画素配列としては、2×2画素の色ブロックが4つ、ベイヤー配列された4×4=16画素単位で、垂直、水平方向に配置されている。
FIG. 9 is a diagram showing an overall configuration of a motion detection color imaging apparatus according to another embodiment of the present invention. The arrangement of the solid-state imaging device pixels for motion detection of the present invention is a configuration in which the floating junction 3, the amplifying transistor 5, and the reset transistor 4 are shared by the four pixels while maintaining the characteristic that one cell is formed by 2 × 2 4 pixels. It is.
The color filter arrangement for each color block is the same as in FIG. For example, the upper left block includes pixel 1 (Gr11), pixel 1 (Gr′11), pixel 1 (gr′11), and pixel 1 (gr11) corresponding to each pixel cell. The pixel arrangement in FIG. 9 is arranged in vertical and horizontal directions in units of 4 × 4 = 16 pixels in which four 2 × 2 pixel color blocks are Bayer arranged.
水平方向に対となっている画素1(Gr11)、画素1(Gr‘11)及び、画素1(R11)、画素1(R‘11)の読み出しゲート2,2’には、それぞれ別の読み出し配線(READ1、READ1’)が印加され、図6と同様に、光電変換時間を同色画素内(例えばGr11、Gr‘11)で変えている。次のラインの水平方向に対となっている画素1(gr‘11)、画素1(gr11)及び、画素1(r’11)、画素1(r11)画素でも同様に、それぞれ別の読み出し配線(READ2、READ2’)が印加され、光電変換時間を同色画素内(例えばgr‘11、gr11)で変えている。図6と同様に、斜め方向に隣接する第1の画素1(Gr11)、画素1(gr11)の第1光電変換時間を同じにする。残りの斜め方向に隣接する第2の画素1(gr‘11)、画素1(Gr‘11)の第2光電変換時間も同じにし、第2光電変換時間を第1光電変換時間よりも長くしている。この状況は図6と同じである。 The pixel 1 (Gr11), the pixel 1 (Gr′11), the pixel 1 (R11), and the pixel 1 (R′11) that are paired in the horizontal direction have different readouts for the readout gates 2 and 2 ′. Wirings (READ1, READ1 ′) are applied, and the photoelectric conversion time is changed within the same color pixel (for example, Gr11, Gr′11) as in FIG. Similarly, the pixel 1 (gr′11), the pixel 1 (gr11), the pixel 1 (r′11), and the pixel 1 (r11), which are paired in the horizontal direction of the next line, have different readout wirings. (READ2, READ2 ′) is applied, and the photoelectric conversion time is changed within the same color pixel (for example, gr′11, gr11). Similar to FIG. 6, the first photoelectric conversion times of the first pixel 1 (Gr11) and the pixel 1 (gr11) adjacent in the oblique direction are made the same. The second photoelectric conversion time of the second pixel 1 (gr′11) and the pixel 1 (Gr′11) adjacent in the remaining diagonal direction is also made the same, and the second photoelectric conversion time is made longer than the first photoelectric conversion time. ing. This situation is the same as in FIG.
他の色ブロックでの2×2画素の光電変換時間も同様に変化を持たせる。垂直信号線6は各色ブロック単位で1本しかない。図9の下端部で回路構成は図6と少し異なる。しかし、これは動き検出回路7、ADC回路8の中の構成の違いであり、水平走査回路13、垂直走査回路14、水平読み出しゲート11、水平読み出し線12は図6と同じである。カラーのデジタル信号がADC回路8から、動き検出信号が水平信号線12からそれぞれ出力される。 The 2 × 2 pixel photoelectric conversion time in other color blocks is similarly changed. There is only one vertical signal line 6 for each color block. The circuit configuration at the lower end of FIG. 9 is slightly different from that of FIG. However, this is a difference in configuration in the motion detection circuit 7 and the ADC circuit 8, and the horizontal scanning circuit 13, the vertical scanning circuit 14, the horizontal readout gate 11, and the horizontal readout line 12 are the same as those in FIG. A color digital signal is output from the ADC circuit 8 and a motion detection signal is output from the horizontal signal line 12.
図10は図9の本発明による動き検出カラー撮像装置の、具体的な構成要素図面を基に、色ブロックの基本ユニット構成を示した図である。例として示したGreen色ブロックの画素1はGr11、Gr‘11、gr’11、gr11の4画素で構成される。読み出しゲート2,2‘、フローティングジャンクション3、リセットトランジスタ4のゲート、増幅トランジスタ5のゲートは図10の様に配置される。図10に於いて、出力回路部分を4画素で共有化でき、集積度を向上することが出来る。 FIG. 10 is a diagram showing the basic unit configuration of the color block based on the specific component drawing of the motion detection color imaging apparatus of the present invention of FIG. The pixel 1 of the Green color block shown as an example is composed of four pixels Gr11, Gr′11, gr′11, and gr11. The read gates 2 and 2 ', the floating junction 3, the gate of the reset transistor 4 and the gate of the amplification transistor 5 are arranged as shown in FIG. In FIG. 10, the output circuit portion can be shared by four pixels, and the degree of integration can be improved.
図11(a)、(b)、(c)は図9の2×2の基本画素ブロックと垂直信号線の先の回路と、駆動を説明する図である。図は一般的な形として、図2に対する対比で色フィルター無しの構成で説明している。 FIGS. 11A, 11B, and 11C are diagrams for explaining the 2 × 2 basic pixel block and the circuit ahead of the vertical signal line in FIG. 9 and driving. As a general form, the figure is described with a configuration without a color filter in contrast to FIG.
図11(a)は図10に示す本発明の別の実施例のユニットセルのレイアウトと、動き検出回路構成、駆動方法を説明する図である。画素の配置は2×2の4画素(画素1(a11)、画素1(a’11)、画素1(b’11)、画素1(b11))で1つのセルを構成する。水平方向に対となっている画素1(a11)、画素1(a‘11)の読み出しゲート2、2’には、それぞれ別の読み出し配線(READ1、READ1’)が印加され、残りの水平方向に対となっている画素1(b’11)、画素1(b11))の読み出しゲート2‘、2には、それぞれ別の読み出し配線(READ2’、READ2)が印加されている。4画素の電荷は1つのフローティングジャンクション3に流入し、垂直信号線6で読み出される。 FIG. 11A is a diagram for explaining the unit cell layout, motion detection circuit configuration, and driving method according to another embodiment of the present invention shown in FIG. The arrangement of the pixels is 2 × 2 four pixels (pixel 1 (a11), pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11), pixel 1 (b11)) to form one cell. Different readout wirings (READ1, READ1 ′) are applied to the readout gates 2, 2 ′ of the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a′11) which are paired in the horizontal direction, respectively, and the remaining horizontal direction Different readout wirings (READ2 ′, READ2) are applied to the readout gates 2 ′, 2 of the pixel 1 (b′11) and the pixel 1 (b11) which are paired with each other. The charges of the four pixels flow into one floating junction 3 and are read out by the vertical signal line 6.
図11(a)に於いて、垂直信号線6の端部のLOAD Tr(負荷トランジスタ)への接合点からは幾つかの回路に分岐していく。LOAD
Trの電位はスイッチ回路(SW1)を経て、キャパシタと差動増幅回路15のプラス側に繋がる。またLOAD Trの電位はスイッチ回路(SW2)を経て、増幅器16を介し、差動増幅回路15のマイナス側にも繋がっている。この差動増幅器15の出力を差動出力17とする。この差動出力は動き検出信号を構成する。
In FIG. 11A, a branch is made to several circuits from the junction of the end of the vertical signal line 6 to the LOAD Tr (load transistor). LOAD
The potential of Tr is connected to the positive side of the capacitor and the differential amplifier circuit 15 through the switch circuit (SW1). The potential of LOAD Tr is also connected to the negative side of the differential amplifier circuit 15 through the amplifier 16 via the switch circuit (SW2). The output of the differential amplifier 15 is referred to as a differential output 17. This differential output constitutes a motion detection signal.
LOAD Trの電位は分岐した後に、それぞれスイッチ回路(SW3、SW4)を経て、一方のみ増幅器22を介し、再び合流しADC回路に入力される。この増幅器22では、光電変換時間の違った画素出力を揃える機能を行う。具体的には、光電変換時間の違った画素出力が交互に出てくるため、これに同期し、SW3,SW4を変化させ、光電変換時間の長い画素(図ではa‘11、b’11)は増幅器22を通して1/2の出力にする。 After the potential of the LOAD Tr branches, it passes through the switch circuits (SW3, SW4), and only one of them merges again through the amplifier 22 and is input to the ADC circuit. The amplifier 22 performs a function of aligning pixel outputs having different photoelectric conversion times. Specifically, since pixel outputs having different photoelectric conversion times alternately appear, in synchronization with this, SW3 and SW4 are changed, and pixels having a long photoelectric conversion time (a′11 and b′11 in the figure). Is half the output through amplifier 22.
図11(b)は対の画素1(a11)、画素1(a‘11)と、別の対の画素1(b’11)、画素1(b11)の出力レベルの光電変換時間変化を示す図である。 FIG. 11B shows the photoelectric conversion time change of the output level of the pair of pixel 1 (a11) and pixel 1 (a′11) and another pair of pixel 1 (b′11) and pixel 1 (b11). FIG.
図11(c)はRESET、READ1、1‘、READ2,2’のタイミング、及び垂直信号線に現れる出力の変化、差分出力を説明する図である。水平方向に隣接し合う画素1(a11)、画素1(a’11)を順次READ1、1‘に、読み出しパルスを印加し(タイミングT1,T2)、垂直信号線6に転送する。垂直信号線6の出力と、増幅器22を経た後に合流したポイントでの、垂直信号線6’の出力とを図中で示す。光電変換時間の差異を補正しているために、正常な撮像出力となって、ADC回路にシリアルに入っていく。ADC回路からは順次a11、a‘11の順で出力される。 FIG. 11C is a diagram for explaining the timing of RESET, READ1, 1 ′, READ2, 2 ′, output change appearing on the vertical signal line, and differential output. The pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a′11) adjacent in the horizontal direction are sequentially applied to READ1, 1 ′, and a read pulse is applied (timing T1, T2), and transferred to the vertical signal line 6. The output of the vertical signal line 6 and the output of the vertical signal line 6 ′ at the point of joining after passing through the amplifier 22 are shown in the figure. Since the difference in photoelectric conversion time is corrected, normal imaging output is obtained, and serial input to the ADC circuit. The ADC circuit sequentially outputs a11 and a′11.
図11(a)の差動出力17の波形は、図11(c)の様になるが、両者の差分を取ることにより(回路は図示せず)、動き信号が出力される。差分出力17‘ではノイズ成分が加算されているが、通常のCDS回路を通せば、容易にノイズ成分は除去できる(図示せず)。この様に、図9、10で示す出力回路を共有化した4画素1セル構成に於いても、本発明は有効であり、正常画像信号と、動き検出信号の双方を出力させることが出来る。 The waveform of the differential output 17 in FIG. 11A is as shown in FIG. 11C, but by taking the difference between the two (a circuit is not shown), a motion signal is output. Although the noise component is added to the differential output 17 ', the noise component can be easily removed through a normal CDS circuit (not shown). As described above, the present invention is effective even in the 4-pixel 1-cell configuration in which the output circuits shown in FIGS. 9 and 10 are shared, and both the normal image signal and the motion detection signal can be output.
上記説明の画素サイズは全て同じで、同色の場合に感度は同じ前提にしていた。光電変換時間を2倍変えることで、出力差が2倍変わる。この為、増幅器で1/2に低減し、出力を揃えて差分信号を取り、動き検出信号を得ていた。列毎に増幅器を設けることで、動き検出回路の構成を複雑にするばかりか、消費電力も増加させていた。 The pixel sizes described above are all the same, and the sensitivity is assumed to be the same for the same color. By changing the photoelectric conversion time twice, the output difference changes twice. For this reason, the signal is reduced to ½ with an amplifier, and the output is made uniform to obtain a difference signal to obtain a motion detection signal. Providing an amplifier for each column not only complicates the configuration of the motion detection circuit, but also increases power consumption.
図12(a)、(b)、(c)は本発明の別の実施例のユニットセルのレイアウトと、動き検出回路構成、駆動方法を説明する図である。画素の配置は2×2の4画素(画素1(a11)、画素1(a’11)、画素1(b’11)、画素1(b11))で1つのセルを構成する。水平方向に対となっている画素1(a11)、画素1(a‘11)の読み出しトランジスタ2、2’のゲートには、それぞれ別の読み出し配線(READ1、READ1’)が印加され、残りの水平方向に対となっている画素1(b’11)、画素1(b11))の読み出しトランジスタ2、2’のゲートには、それぞれ別の読み出し配線(READ2’、READ2)が印加されている。4画素の電荷は1つのフローティングジャンクション3に流入し、垂直信号線6で読み出される。これらは図11(a)と変わらない。 FIGS. 12A, 12B, and 12C are diagrams illustrating the layout of a unit cell, the configuration of a motion detection circuit, and a driving method according to another embodiment of the present invention. The arrangement of the pixels is 2 × 2 four pixels (pixel 1 (a11), pixel 1 (a′11), pixel 1 (b′11), pixel 1 (b11)) to form one cell. Different readout wirings (READ1, READ1 ′) are applied to the gates of the readout transistors 2 and 2 ′ of the pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a′11) which are paired in the horizontal direction, respectively. Different readout wirings (READ2 ′ and READ2) are applied to the gates of the readout transistors 2 and 2 ′ of the pixel 1 (b′11) and the pixel 1 (b11) which are paired in the horizontal direction. . The charges of the four pixels flow into one floating junction 3 and are read out by the vertical signal line 6. These are not different from FIG.
図12(a)では、第1の光電変換時間の第1画素組(画素1(a11)、画素1(b11))と、第2の光電変換時間の第2の画素組(画素1(b‘11)、画素1(a’11))の画素サイズを変え、感度を変えることを特徴とする。ここでは第2画素組の感度を、第1の画素組の感度の1/2倍にし、一方、第2の光電変換時間を、第1の光電変換時間の2倍にした例に付き説明する。 In FIG. 12A, the first pixel set (pixel 1 (a11), pixel 1 (b11)) of the first photoelectric conversion time and the second pixel set (pixel 1 (b) of the second photoelectric conversion time. '11), the pixel size of the pixel 1 (a'11)) is changed, and the sensitivity is changed. Here, an example in which the sensitivity of the second pixel group is set to ½ times the sensitivity of the first pixel group while the second photoelectric conversion time is set to twice the first photoelectric conversion time will be described. .
図12(b)は、画素1(a11)、画素1(a‘11)、画素1(b’11)、画素1(b11)の出力レベルの光電変換時間変化を示す図である。第1の画素組(画素1(a11)、画素1(b11))の感度は高く、途中でリセット(RS)を行っている。第の1画素組は感度が2倍だが、光電変換時間は1/2とするところが特長である。この為、読み出しのタイミングでは、第1の画素組と第2の画素組の出力は同じになる。 FIG. 12B is a diagram illustrating the photoelectric conversion time change of the output level of the pixel 1 (a11), the pixel 1 (a′11), the pixel 1 (b′11), and the pixel 1 (b11). The sensitivity of the first pixel group (pixel 1 (a11), pixel 1 (b11)) is high, and reset (RS) is performed halfway. The first pixel group has a double sensitivity, but has a feature that the photoelectric conversion time is halved. For this reason, the output of the first pixel group and the second pixel group is the same at the readout timing.
図12(c)は図12(a)、(b)に示す実施例の駆動方法であり、RESET、READ1、1‘のタイミング、及び垂直信号線に現れる出力の変化、差分出力を説明する図である。水平方向に隣接し合う画素1(a11)、画素1(a’11)を順次READ1、1‘に、読み出しパルスを印加し(タイミングT6,T8)、垂直信号線6に転送する。垂直信号線6の出力と、光電変換時間の差異を画素の感度で元々補正しているために、正常な撮像出力となって、ADC回路にシリアルに入っていく。ADC回路からは順次a11、a‘11の順で出力される。 FIG. 12C shows the driving method of the embodiment shown in FIGS. 12A and 12B, and is a diagram for explaining the timing of RESET, READ1, 1 ′, the change in output appearing on the vertical signal line, and the differential output. It is. The pixel 1 (a11) and the pixel 1 (a'11) adjacent in the horizontal direction are sequentially applied to READ1, 1 ', and a read pulse is applied (timing T6, T8), and transferred to the vertical signal line 6. Since the difference between the output of the vertical signal line 6 and the photoelectric conversion time is originally corrected by the sensitivity of the pixel, it becomes a normal imaging output and enters the ADC circuit serially. The ADC circuit sequentially outputs a11 and a′11.
図12(a)に於いて、垂直信号線6の端部の動き検出信号処理回路は、CDS回路と類似の回路で構成される。これは光電変換時間の違いが、出力の差になっていない為、増幅器が不要となり、回路が簡略化された為である。差動出力17の波形は、図12(c)の様になる。これは増幅器が不要となったため、リセットのノイズ成分が、同じになり、差分で消し去ることが出来るためである。同様にb‘11とb11でも同様に処理を行い、a11、a’11の演算結果と合体することで、本発明の動き検出回路信号を取得することが出来る。
この様に、図12で示す出力回路を共有化した4画素1セル構成に於いても、本発明は有効であり、正常画像信号と、動き検出信号の双方を出力させることが出来る。
In FIG. 12A, the motion detection signal processing circuit at the end of the vertical signal line 6 is composed of a circuit similar to the CDS circuit. This is because the difference in photoelectric conversion time is not the difference in output, so that an amplifier is unnecessary and the circuit is simplified. The waveform of the differential output 17 is as shown in FIG. This is because the amplifier is no longer necessary, and the reset noise components are the same and can be eliminated by the difference. Similarly, the same processing is performed at b′11 and b11, and the motion detection circuit signal of the present invention can be obtained by combining with the calculation results of a11 and a′11.
As described above, even in the 4-pixel 1-cell configuration in which the output circuit shown in FIG. 12 is shared, the present invention is effective and can output both a normal image signal and a motion detection signal.
図13は、図12に示す出力回路を共有化した4画素1セル構成の動き検出カラー撮像装置の、具体的な構成要素図面を基に、色ブロックの繰り返し配置を示した図である。出力回路を共有化した4画素1セル構成は図10に準拠しており、図13の画素による感度差を、画素サイズの大きさを変えることにより表現した。通常画素サイズの大きさは、画素の最上面に有るマイクロレンズの大きさで制御される。色フィルターの配置は図6と同じである。 FIG. 13 is a diagram showing a repetitive arrangement of color blocks based on a specific component drawing of the motion detection color imaging apparatus having a 4-pixel 1-cell configuration sharing the output circuit shown in FIG. The 4-pixel 1-cell configuration sharing the output circuit is based on FIG. 10, and the sensitivity difference between the pixels of FIG. 13 is expressed by changing the pixel size. The size of the normal pixel size is controlled by the size of the microlens on the top surface of the pixel. The arrangement of the color filters is the same as in FIG.
図14は、図13に示す出力回路を共有化した4画素1セル構成の動き検出カラー撮像装置の、具体的な構成要素図面を基に、出力回路の効率的な配置を行った、繰り返し構成図である。駆動方法等は図13と変わらない。 FIG. 14 is a repetitive configuration in which an output circuit is efficiently arranged based on a specific component drawing of the motion detection color imaging device having a 4-pixel 1-cell configuration in which the output circuit shown in FIG. 13 is shared. FIG. The driving method and the like are the same as in FIG.
図15(a)は、図12(a)に示す本発明による検出用撮像装置の、単位セルの繰り返し配置を示した図である。動きの方向が本発明により容易に判定できることを、以下に説明する。図15(a)には画素の座標として、水平方向にA、B、C,D,E,F、G、H、I、J、K、L、垂直方向に1,2,3,4と座標位置を示した。 FIG. 15A is a diagram showing the repetitive arrangement of unit cells in the detection imaging apparatus according to the present invention shown in FIG. The fact that the direction of movement can be easily determined according to the present invention will be described below. In FIG. 15A, the coordinates of the pixel are A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L in the horizontal direction, 1, 2, 3, 4 in the vertical direction. The coordinate position is shown.
図15(b)には、図12(b)と同様に、画素1(a11)、画素1(a‘11)、画素1(b’11)、画素1(b11)の出力レベルの光電変換時間変化を示す図である。第1の画素組(画素1(a11)、画素1(b11))の感度は2倍だが、光電変換時間は1/2としており、この為、読み出しのタイミング(Timing2)では、第1の画素組と第2の画素組の出力は同じになる。途中でリセット(RS)を行っているが、このタイミングをTiming1とし、スタートをInitialとする。 15B, similarly to FIG. 12B, photoelectric conversion of the output levels of the pixel 1 (a11), the pixel 1 (a′11), the pixel 1 (b′11), and the pixel 1 (b11) is performed. It is a figure which shows a time change. The sensitivity of the first pixel group (pixel 1 (a11), pixel 1 (b11)) is doubled, but the photoelectric conversion time is halved. Therefore, at the readout timing (Timing 2), the first pixel The output of the set and the second pixel set is the same. Although reset (RS) is performed on the way, this timing is set to Timing 1 and the start is set to Initial.
図15(a)には、被写体の黒い物体端部と、画素配置との位置を変化させた図も添付してある。図に於いては、黒い物体の端部が垂直方向に延び、水平方向の端部位置が、左側ではB座標とC座標の境界に、右側ではH座標とI座標の境界にある状態を、Initial状態とする。第1光電変換時間t1の間に、物体は2画素分だけ右側に動くケースをTiming1で示している。Timing1とは2画素分の移動が完了したタイミングである。次の第1光電変換時間t1の間に、物体は更に2画素分だけ右側に動くケースをTiming2で示している。図15(b)で示すように2×t1の移動期間で4画素分移動が完了したタイミングがTiming2である。この物体の移動は一定スピードで行われると仮定する。 FIG. 15A also includes a diagram in which the positions of the black object end of the subject and the pixel arrangement are changed. In the figure, the end of the black object extends in the vertical direction, the horizontal end position is at the boundary between the B coordinate and the C coordinate on the left side, and at the boundary between the H coordinate and the I coordinate on the right side. Set to the Initial state. A case in which the object moves to the right side by two pixels during the first photoelectric conversion time t1 is indicated by Timing1. Timing 1 is the timing when the movement for two pixels is completed. During the next first photoelectric conversion time t1, a case where the object further moves to the right side by two pixels is indicated by Timing2. As shown in FIG. 15B, the timing when the movement of 4 pixels is completed in the 2 × t1 movement period is Timing2. It is assumed that the movement of the object is performed at a constant speed.
図15(c)は、図15(a)で示す、3つのタイミング(Initial、Timing1、Timing2)の場合に、各座標に有る各画素において、どの様な出力になり、それらを演算した動き検出信号がどの様になるかを表で示している。
この出力の算出に当たり、第2光電変換時間は第1光電変換時間の2倍の長さとし、黒い物体は画素出力を零とし、黒い物体以外の部分では、第2光電変換時間に該当する画素(‘を付記した画素)の出力は1とした。その他の前提条件は図4と同様である。
FIG. 15 (c) shows the output of each pixel at each coordinate at the three timings (Initial, Timing1, Timing2) shown in FIG. The table shows how the signal looks.
In calculating this output, the second photoelectric conversion time is set to be twice as long as the first photoelectric conversion time, the pixel output of the black object is zero, and the pixel corresponding to the second photoelectric conversion time (other than the black object) ( The output of the pixel marked with 'is set to 1. Other preconditions are the same as those in FIG.
図15(c)に於いて、Timing1では第1光電変換時間に対応した画素(a11、a12、a13、‥、b11、b12、b13‥)では、読み出され、リセットされた直後なので、出力は0になる。一方、第2光電変換時間に対応した画素(a‘11、a’12、a‘13、b’11、b‘12、b’13‥)では、全面露光された画素では0.5となり、黒パターンに対応し露光されない画素では0となる。以下細かい説明は割愛するが、Timing1、Timing2では、図15(c)の表のようになる。このTiming2より動き検出信号を算出すると、同様に詳細な説明は割愛するが、動き検出信号の表のようになる。 ここで動きの方向が±の符号で表現される。即ち、黒い物体の場合、移動の先頭部分の符号はマイナスであり、移動の最後尾部分の符号はプラスとなる。また白い物体の場合には符号のプラスとマイナスは逆となる。即ち、本願に於いては、移動物体の周辺部分で動き検出情報が出てくるのと同時に、その符号で動きの方向も検出することが出来る。 In FIG. 15C, the pixels corresponding to the first photoelectric conversion time (a11, a12, a13,..., B11, b12, b13...) Are immediately read out and reset in Timing1. 0. On the other hand, in the pixels corresponding to the second photoelectric conversion time (a′11, a′12, a′13, b′11, b′12, b′13. For pixels that correspond to the black pattern and are not exposed, it is zero. Although the detailed description is omitted below, Timing 1 and Timing 2 are as shown in the table of FIG. When the motion detection signal is calculated from this Timing 2, the detailed description is omitted, but the table of the motion detection signal is obtained. Here, the direction of motion is represented by a sign of ±. That is, in the case of a black object, the sign of the head part of the movement is minus, and the sign of the tail part of the movement is plus. In the case of a white object, the sign plus and minus are reversed. That is, in the present application, at the same time as the motion detection information appears in the peripheral portion of the moving object, the direction of motion can be detected by the code.
本発明による効果を検証すべく、同一被写体にて、従来公知例(特許文献1の方式と、本発明の方式を比較実施した。比較的細かなパターンの無い場合でも、動きのないバックグラウンドのノイズ数の比較を行ったところ、従来公知例に対し、本発明の方式では、約2桁ノイズが少なくなることが確認され、物体のエッジに於ける、本願のノイズ抑止効果が確認された。この差は被写体が細かくなるほど差異は大きくなり、移動物体の抽出精度を高めることが可能となる。 In order to verify the effect of the present invention, a conventional example (the method of Patent Document 1 and the method of the present invention were compared with each other on the same subject. Even when there was no relatively fine pattern, a background with no movement was observed. When the number of noises was compared, it was confirmed that the noise of the present invention was reduced by about two digits with respect to the conventionally known example, and the noise suppression effect of the present application at the edge of the object was confirmed. The difference becomes larger as the subject becomes finer, and the moving object extraction accuracy can be increased.
本発明による他の効果を検証すべく、被写体の動きの方向に対する符号を実際撮像状態で確認した処、予想通り、移動被写体のエッジにて、算出符号の違いを確認した。 In order to verify other effects of the present invention, the code for the direction of movement of the subject was confirmed in the actual imaging state, and as expected, the difference in the calculated code was confirmed at the edge of the moving subject.
このように本願に於いては、後段での複雑な信号処理を行う必要なく、センサ内部で、動き検出部分の抽出と、動きの方向の情報を得ることが出来、システムの大幅な簡略化が出来る。 As described above, in the present application, it is possible to extract the motion detection portion and to obtain information on the direction of motion inside the sensor without performing complicated signal processing in the subsequent stage, which greatly simplifies the system. I can do it.
図16は、本発明を適用した動き検出システムの全体の構成を示す図である。
本発明の動き検出システム30aは、撮像レンズ31を備えた撮像装置32aと動き判定回路33a、動きを判定するための判定レベルを設定する動き判定用閾値設定回路34、撮像装置32aの撮像信号をモニターに再生するための映像信号となるように処理するカラー信号処理回路35、映像信号1を出力するための映像信号出力回路37と、動き判定した判定結果を出力するための動き判定信号出力回路36などから構成されている。
FIG. 16 is a diagram showing the overall configuration of a motion detection system to which the present invention is applied.
The motion detection system 30a of the present invention includes an imaging device 32a including an imaging lens 31, a motion determination circuit 33a, a motion determination threshold setting circuit 34 for setting a determination level for determining motion, and an imaging signal of the imaging device 32a. A color signal processing circuit 35 for processing the video signal to be reproduced on the monitor, a video signal output circuit 37 for outputting the video signal 1, and a motion determination signal output circuit for outputting the determination result of the motion determination 36 or the like.
動き判定用閾値設定回路34は、ノイズレベルの差分信号をカウントしないようにカウントするレベル閾値1を設定すると共に、閾値2となるカウント数を設定する。この閾値2よりカウント数が多くなると動く物体が有ると判定する。 The motion determination threshold value setting circuit 34 sets the level threshold value 1 for counting so as not to count the difference signal of the noise level, and sets the count number to be the threshold value 2. When the count number exceeds this threshold value 2, it is determined that there is a moving object.
動き判定回路33aは、撮像装置32aから出力される動き検出信号のレベルが、閾値1より大きいレベルの発生回数をカウントする。そして、閾値2よりカウント数が多くなると動く物体が有ると判定し、判定信号ON/OFFをHIレベルにする。動きが無い場合は、LOレベルに設定している。 The motion determination circuit 33a counts the number of times that the level of the motion detection signal output from the imaging device 32a is greater than the threshold value 1. If the count number exceeds the threshold 2, it is determined that there is a moving object, and the determination signal ON / OFF is set to the HI level. When there is no movement, the LO level is set.
動き判定回路33aで生成した動き判定信号(ON/OFF)を用いて、動きが無いと判定した場合には、カラー信号処理回路35や映像信号出力回路37などの回路動作や信号処理動作を停止することで動き検出システム30aの消費電力を低減できる。同様に、撮像装置32aのタイミング回路を制御することで、撮像装置32aの消費電力も低減できる。 When it is determined that there is no motion using the motion determination signal (ON / OFF) generated by the motion determination circuit 33a, the circuit operation and signal processing operation of the color signal processing circuit 35 and the video signal output circuit 37 are stopped. By doing so, the power consumption of the motion detection system 30a can be reduced. Similarly, the power consumption of the imaging device 32a can be reduced by controlling the timing circuit of the imaging device 32a.
動き判定信号による回路や装置の処理動作の停止方法1として、カラー信号処理の入力信号を遮断する。例えば入力信号の10bitのデジタル値をオールゼロに切換える。カラー信号処理回路以降の信号がゼロとなり、デジタル回路のスイッチ動作(0⇔1切換え)が停止することで回路動作の消費電力を低減することができる。
停止方法2として、各回路や装置には誤動作発生時に元の状態に戻すためのリセットスイッチが備わっている。このリセットスイッチをON状態で保つことで各回路や装置の回路処理を停止させたままにすることで、消費電力を低減することができる。
As a method 1 for stopping a processing operation of a circuit or apparatus using a motion determination signal, an input signal for color signal processing is blocked. For example, the 10-bit digital value of the input signal is switched to all zeros. Since the signal after the color signal processing circuit becomes zero and the switching operation (0⇔1 switching) of the digital circuit stops, the power consumption of the circuit operation can be reduced.
As a stop method 2, each circuit or device is provided with a reset switch for returning to the original state when a malfunction occurs. By keeping the reset switch in the ON state, the circuit processing of each circuit or device is kept stopped, so that power consumption can be reduced.
図17は、本発明を適用した動き検出システムの変形例を示す全体の構成図である。
動き検出システム30bは、図16の動き判定信号出力回路36を削減し出力信号を映像信号2のみとすることで従来の伝送ケーブルが使えるなどの利点がある。動き判定回路33bは、動き判定信号(ON/OFF)を出力すると共に判定コードを出力している。動き判定信号(ON/OFF)は図16と同様に、カラー信号処理回路35や映像信号出力回路37などの回路動作や信号処理動作を停止する。
FIG. 17 is an overall configuration diagram showing a modified example of the motion detection system to which the present invention is applied.
The motion detection system 30b has an advantage that a conventional transmission cable can be used by reducing the motion determination signal output circuit 36 of FIG. The motion determination circuit 33b outputs a motion determination signal (ON / OFF) and also outputs a determination code. The motion determination signal (ON / OFF) stops the circuit operation and signal processing operation of the color signal processing circuit 35 and the video signal output circuit 37 as in FIG.
判定信号のON/OFF信号をコード化した判定コードは、動き判定信号加算回路38を用いて映像信号に埋め込んでいる。一般的に、映像信号と異なる撮影情報は有効な映像信号が含まれないブランキング期間に情報を埋め込んでいる。同様に動き判定信号をコード化し、ブランキング期間に埋め込んで映像信号2を出力する。 The determination code obtained by coding the ON / OFF signal of the determination signal is embedded in the video signal using the motion determination signal addition circuit 38. In general, shooting information different from a video signal is embedded in a blanking period in which a valid video signal is not included. Similarly, the motion determination signal is encoded and embedded in the blanking period to output the video signal 2.
図18は、図1に示す本発明による動き検出用撮像装置の全体構成図に於いて、動き検出信号が出力される水平信号線12に、判定回路33aを設けた構成図である。判定回路33aの判定出力信号ON/OFFは、タイミング発生回路24へ入力している。そして、このタイミング発生回路24を制御することで、垂直走査回路14、水平走査回路13、動き検出回路7、ADC回路8などの駆動方法を変更する機能を付加することができる。また、判定出力信号ON/OFFは外部へ出力することもできる。図18で示される判定回路33aを付加することで、可能となる具体的な駆動方法につき以下に順次説明する。 FIG. 18 is a configuration diagram in which a determination circuit 33a is provided on the horizontal signal line 12 from which a motion detection signal is output in the overall configuration diagram of the motion detection imaging apparatus according to the present invention shown in FIG. The determination output signal ON / OFF of the determination circuit 33a is input to the timing generation circuit 24. By controlling the timing generation circuit 24, it is possible to add a function for changing the driving method of the vertical scanning circuit 14, the horizontal scanning circuit 13, the motion detection circuit 7, the ADC circuit 8, and the like. The determination output signal ON / OFF can also be output to the outside. Specific driving methods that can be performed by adding the determination circuit 33a shown in FIG. 18 will be sequentially described below.
図18で示される判定回路33aを付加することの応用例1として、移動物体の有無をモニターする監視装置に於いて省電力化するシステムがある。従来の動き監視システムでは、撮像カメラを常に駆動させているため、固体撮像装置の消費電力、および後段の信号処理のシステムを駆動するための消費電力が大きかった。これは移動物体の有無によらず、常にほぼ一定の消費電力を必要としていた。しかしながら本発明による動き検出用撮像装置では、判定回路33aでの動き検出信号のレベルに応じて、垂直走査回路14の読み出し走査線本数を変えたり、同様に水平走査回路13で、読み出し垂直信号線本数を変えたりすることができる。動き検出信号のパターンに応じて、間引く水平走査本数と、間引く垂直信号線本数との比を変えることが可能である。この場合には判定回路33aから情報によりタイミング発生回路を制御することで垂直走査回路14および水平走査回路13を制御する。 As an application example 1 of adding the determination circuit 33a shown in FIG. 18, there is a system that saves power in a monitoring device that monitors the presence or absence of a moving object. In the conventional motion monitoring system, since the imaging camera is always driven, the power consumption of the solid-state imaging device and the power consumption for driving the signal processing system in the subsequent stage are large. This always requires almost constant power consumption regardless of the presence or absence of moving objects. However, in the motion detection imaging apparatus according to the present invention, the number of readout scanning lines of the vertical scanning circuit 14 is changed according to the level of the motion detection signal in the determination circuit 33a, or the readout vertical signal line is similarly changed by the horizontal scanning circuit 13. You can change the number. It is possible to change the ratio of the number of horizontal scanning lines to be thinned out and the number of vertical signal lines to be thinned out according to the pattern of the motion detection signal. In this case, the vertical scanning circuit 14 and the horizontal scanning circuit 13 are controlled by controlling the timing generation circuit based on information from the determination circuit 33a.
走査線の本数の間引き方としては、最初に全画面の撮像を行い、移動物体の有無を検出する。移動物体がない場合には走査線の本数を間引き、移動物体の出現まで間引いた状態を保持する。間引く間隔は状況により変わるので、幾つかの間引きパターンを用意しておき、いずれを選択するかを、動き検出信号のパターンにより変えてもよい。移動物体が出現した際には、再度全画素撮像モードに戻せばよい。
移動物体の存在領域が偏っている場合には、全画像をブロック分けし、移動物体の存在する領域のみ走査線の本数を増やし、他の領域は少なくした駆動モードを準備しておき、移動物体の存在領域でパターンを選択することも可能である。
As a method of thinning out the number of scanning lines, first, the entire screen is imaged to detect the presence or absence of a moving object. When there is no moving object, the number of scanning lines is thinned out, and the thinned state is maintained until the moving object appears. Since the thinning interval changes depending on the situation, several thinning patterns may be prepared and which one to select may be changed depending on the pattern of the motion detection signal. When a moving object appears, it is sufficient to return to the all-pixel imaging mode again.
If the area where the moving object is present is biased, the entire image is divided into blocks, the number of scanning lines is increased only in the area where the moving object exists, and a drive mode is prepared in which the other areas are reduced. It is also possible to select a pattern in the existing area.
図18で示される判定回路33aを付加することの別の応用例2として、移動物体に対応した動き検出信号が小さい場合に、光電変換蓄積期間を変化し、それに応じて増幅器のゲインを変えることにより、動き検出信号を増加することも可能となる。この場合には判定回路33aから動き検出回路7、および蓄積時間制御回路25に情報が入る。何回か繰り返すことで、動き検出信号が最大になる条件を見つけ、移動物体に相応しい光電変換蓄積期間を設定すればよい。 As another application example 2 of adding the determination circuit 33a shown in FIG. 18, when the motion detection signal corresponding to the moving object is small, the photoelectric conversion accumulation period is changed, and the gain of the amplifier is changed accordingly. As a result, the motion detection signal can be increased. In this case, information enters the motion detection circuit 7 and the accumulation time control circuit 25 from the determination circuit 33a. It is only necessary to find a condition that maximizes the motion detection signal by repeating several times and set a photoelectric conversion accumulation period suitable for the moving object.
図18で示される判定回路33aを付加することの別の応用例3として、移動物体が無い場合に、後段の信号処理システムの電源をスタンバイ状態にしてしまい、動き検出信号が有意に出現した場合に、再度電源を入れる、後段の電源のON/OFF信号として使ってもよい。この様にすることで、動きが無い場合には、撮像装置の間引き動作で省エネモードにする以外に、後段の信号処理回路の電源をOFFしてしまうことにより、大幅な省エネが達成できる。特に動きが少ない場所での監視システムに於いて、常に後段処理が必要な従来のシステムに比べ、動きがある場合のみ後段の電源が入り、普段は本発明の撮像装置の間引き駆動のみで済むため、大幅な(例えば1/1000〜1/100000)省エネが実現できる。この特長は山間部の電源が届かない場所での監視システムに本発明を適用する場合には、大きなメリットになり、コンパクトなソーラーバッテリーと蓄電器のセットの電源で十分駆動可能なレベルまで達する。 As another application example 3 of adding the determination circuit 33a shown in FIG. 18, when there is no moving object, the power source of the signal processing system in the subsequent stage is set to the standby state, and the motion detection signal appears significantly. In addition, it may be used as an ON / OFF signal for a subsequent power supply that is turned on again. In this way, when there is no movement, a significant energy saving can be achieved by turning off the power of the signal processing circuit in the subsequent stage, in addition to setting the energy saving mode by thinning-out operation of the imaging device. Especially in a monitoring system in a place where there is little movement, the latter stage power is turned on only when there is movement compared to the conventional system that always requires the latter stage processing, and usually only the thinning drive of the imaging apparatus of the present invention is required. , Significant (for example, 1/1000 to 1/100000) energy saving can be realized. This feature is a great advantage when the present invention is applied to a monitoring system in a place where the power supply of the mountainous area does not reach, and reaches a level that can be sufficiently driven by a power supply of a compact solar battery and capacitor set.
図18で示される判定回路33aを付加することの別の応用例4として、動き検出信号の情報を基にADCの変換レベルを変化させダイナミックレンジを広げてもよい。移動物体に対応した動き検出信号が小さい場合に、応用例3で示した様に、光電変換蓄積期間を変化させ、それに応じて増幅器のゲインを変えて、動き検出信号を増やす方法を説明したが、動き検出信号の出ている領域で、通常画像のダイナミックレンジを広げるようにすることが出来る。具体的には光電変換蓄積時間の違った2つの画素の加算をすることでダイナミックレンジの拡大を図り、これに相応しいADCの設定を行うことができる。図12に示した画素サイズの異なる画素の加算で
高ダイナミックレンジを図る方法でも同じである。
As another application example 4 of adding the determination circuit 33a shown in FIG. 18, the dynamic range may be expanded by changing the conversion level of the ADC based on the information of the motion detection signal. In the case where the motion detection signal corresponding to the moving object is small, as described in the application example 3, the method of increasing the motion detection signal by changing the photoelectric conversion accumulation period and changing the gain of the amplifier accordingly is described. The dynamic range of the normal image can be expanded in the region where the motion detection signal is output. Specifically, by adding two pixels having different photoelectric conversion accumulation times, the dynamic range can be expanded, and the ADC can be set appropriately. The same applies to the method of achieving a high dynamic range by adding pixels having different pixel sizes shown in FIG.
本発明による動き検出撮像装置では、上記に説明してきたように、動き検出信号と同時に通常の画素撮像情報を得ることが出来、また動き情報を元に通常の画素撮像情報を外部に出力させない判定機能を設けることができる。この動きの有る部分の撮像情報のみを外部に出力し、動きの無い画像情報は外部に出力させない機能は、監視カメラ用途としては非常に有用である。即ち、複数の監視カメラで監視をするシステムに於いて、従来監視カメラのモニターすることが、監視員の大きな負荷となっていたが、動きの有るカメラのみ若しくは、動きの有る部分のみの表示になり、監視員の負荷が大幅に軽減される。 In the motion detection imaging apparatus according to the present invention, as described above, it is possible to obtain normal pixel imaging information simultaneously with the motion detection signal, and to determine that normal pixel imaging information is not output to the outside based on the motion information. Functions can be provided. The function of outputting only the imaging information of the portion with the movement to the outside and not outputting the image information without the movement to the outside is very useful for the surveillance camera application. In other words, in a system for monitoring with a plurality of surveillance cameras, monitoring by a conventional surveillance camera has been a heavy load on the surveillance staff. However, only a camera with motion or only a portion with motion is displayed. This greatly reduces the burden on the observer.
本発明の動き検出用固体撮像装置を好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the solid-state imaging device for motion detection of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to the specific embodiments, and is within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Various modifications and changes can be made within.
例えば、光電変換時間の比は1:2に限定されず、被写体の動きに応じて比率を変えられる。その際、増幅器のゲインを対応して変化(増幅または低減)させれば良い。また画素の感度を変える場合でも、1:2に限定されるものでない。
図13、図14の画素セルのレイアウトを90度もしくは45度回転した配置にしても良い。
For example, the ratio of the photoelectric conversion time is not limited to 1: 2, and the ratio can be changed according to the movement of the subject. At this time, the gain of the amplifier may be changed (amplified or reduced) correspondingly. Even when the sensitivity of the pixel is changed, it is not limited to 1: 2.
The layouts of the pixel cells in FIGS. 13 and 14 may be arranged rotated by 90 degrees or 45 degrees.
本発明では画素ブロックとして隣接する2×2画素をセル単位としていたが、通常のベイヤー配置のカラー撮像装置に於いて、一画素おき同色の2×2の画素ブロックで同様の演算処理をしてもよい。この場合には当然、動きのないバックグラウンドノイズが増えるが、従来のベイヤー配置の色フィルターをそのまま使うことが出来る。また本願の襷掛け演算処理をすることにより、従来の水平方向のみの演算に比べても、バックグラウンドノイズを減らすことが出来る。
In the present invention, 2 × 2 pixels adjacent to each other as a pixel block are set as a cell unit. However, in a color image pickup device having a normal Bayer arrangement, the same calculation process is performed on a 2 × 2 pixel block of the same color every other pixel. Also good. Naturally, in this case, background noise without movement increases, but a conventional Bayer color filter can be used as it is. Further, by performing the multiplication operation processing of the present application, the background noise can be reduced as compared with the conventional calculation only in the horizontal direction.
1:画素
2:読み出しトランジスタ、 READ:読み出し配線
3:フローティングジャンクション
4:リセットトランジスタ RESET(RS);リセット配線、リセットパルス
5:増幅トランジスタ
6、6‘:垂直信号線
7:動き検出回路
8:ADC(Analog
to Digital Converter)回路
10:画素群
11:水平読み出しゲート(動き検出信号)
12:水平信号線(動き検出信号)
13:水平走査回路
14:垂直走査回路
15、15‘:差動増幅器
16,16‘:増幅器
17,17‘:差動出力
18:加算回路
19:加算出力
20:ノイズ除去回路
21:ノイズ除去加算出力
22:増幅器
24:タイミング発生回路
25:蓄積(光電変換)時間制御回路
30a、30b:動き検出システム
31:光学レンズ
32:動き検出イメージセンサ
33a、33b:動き判定回路
34:動き検出判定閾値
35:カラー信号処理
36:動き判定信号出力回路
37:映像信号出力回路
38:動き判定信号加算回路
LOAD Tr: 負荷トランジスタ
SW1,2,3,4:スイッチ回路
Gr、Gr‘、gr、gr’、R、R‘、r、r’、B、B‘、b、b’:色フィルター
1: Pixel 2: Read transistor, READ: Read wire 3: Floating junction 4: Reset transistor RESET (RS); Reset wire, reset pulse 5: Amplifying transistor 6, 6 ′: Vertical signal line 7: Motion detection circuit 8: ADC (Analog
to Digital Converter) circuit 10: pixel group 11: horizontal readout gate (motion detection signal)
12: Horizontal signal line (motion detection signal)
13: horizontal scanning circuit 14: vertical scanning circuit 15, 15 ': differential amplifier 16, 16': amplifier 17, 17 ': differential output 18: addition circuit 19: addition output 20: noise removal circuit 21: noise removal addition Output 22: Amplifier 24: Timing generation circuit 25: Accumulation (photoelectric conversion) time control circuit 30a, 30b: Motion detection system 31: Optical lens 32: Motion detection image sensor 33a, 33b: Motion determination circuit 34: Motion detection determination threshold 35 : Color signal processing 36: Motion determination signal output circuit 37: Video signal output circuit 38: Motion determination signal addition circuit LOAD Tr: Load transistors SW1, 2, 3, 4: Switch circuits Gr, Gr ′, gr, gr ′, R , R ′, r, r ′, B, B ′, b, b ′: Color filters
Claims (11)
前記画素部で、撮像した撮像信号から動きを検出するための動き検出手段からなる動き検出固体撮像装置に於いて、
前記画素群は、隣接した2×2の4画素を単位画素ブロックとし、
前記動き検出手段は、前記単位画素ブロック内の、2画素をペアとした2組の信号差分を演算する演算手段と
を備えることを特徴とする動き検出固体撮像装置。
A pixel unit including a pixel group in which pixels for converting light collected by the imaging lens into an electrical signal are two-dimensionally arranged, and a driving unit that drives the pixel group;
In the motion detection solid-state imaging device including motion detection means for detecting motion from the captured image signal in the pixel unit,
In the pixel group, adjacent 2 × 2 4 pixels are used as a unit pixel block,
The motion detection solid-state imaging device according to claim 1, wherein the motion detection means includes calculation means for calculating two sets of signal differences in which two pixels in the unit pixel block are paired.
前記画素部で、撮像した撮像信号から動きを検出するための動き検出手段と、
前記動き検出手段の出力信号をもとに動き判定する動き判定手段と、
前記撮像信号を処理する信号処理手段とからなる動き検出システムに於いて、
前記画素群は、隣接2×2の4画素を単位画素ブロックとし、
前記動き検出手段は、前記単位画素ブロック内の、2画素をペアとした2組の信号差分を演算する演算手段と
を備えることを特長とする動き検出システム。
A pixel unit including a pixel group in which pixels for converting light collected by the imaging lens into an electrical signal are two-dimensionally arranged, and a driving unit that drives the pixel group;
Motion detection means for detecting motion from the captured image signal in the pixel unit;
Motion determining means for determining motion based on the output signal of the motion detecting means;
In a motion detection system comprising signal processing means for processing the imaging signal,
The pixel group includes four adjacent 2 × 2 pixels as a unit pixel block,
The motion detection system includes a calculation unit that calculates two sets of signal differences in which two pixels in the unit pixel block are paired.
を特長とする請求項1に記載の動き検出固体撮像装置または請求項2に記載の動き検出システム。
A color filter that separates the wavelength of light is formed on-chip above the pixel, and the color filter has the same color of the adjacent 2 × 2 unit pixel blocks of 4 pixels, and four sets of the unit pixel blocks are formed. The motion detection solid-state imaging device according to claim 1 or the motion detection system according to claim 2, wherein the motion detection solid-state imaging device according to claim 1 is arranged in a two-dimensional manner in a Bayer array .
を特長とする請求項1に記載の動き検出固体撮像装置または請求項2に記載の動き検出システム。
Three types of color filters for separating the wavelength of light are arranged on the upper part of the pixel in one unit pixel block of 2 × 2 adjacent pixels, and 3 colors are arranged in 2 × 2 unit blocks of adjacent unit pixel blocks. The motion detection solid-state imaging device according to claim 1 or the motion detection system according to claim 2, wherein the color filters are arranged two-dimensionally according to a Bayer array .
を特長とする請求項1に記載の動き検出固体撮像装置または請求項2に記載の動き検出システム。
3. The motion detection solid-state imaging device according to claim 1, wherein a floating junction that converts a signal charge photoelectrically converted by the pixel into a readout voltage is shared by adjacent 2 × 2 pixels. The motion detection system described in 1.
前記画素群は、光電変換時間を異ならせるために2つの読出し信号線を画素毎に前記読出しトランジスタに接続したこと
を特長とする請求項1に記載の動き検出固体撮像装置または請求項2に記載の動き検出システム。
The pixel unit includes a readout transistor for reading out a photoelectrically converted signal from the pixel and a readout signal line for controlling the readout transistor,
3. The motion detection solid-state imaging device according to claim 1, wherein the pixel group includes two readout signal lines connected to the readout transistor for each pixel in order to make photoelectric conversion times different. Motion detection system.
を特長とする請求項6に記載の動き検出固体撮像装置または動き検出システム。
In the 2 × 2 unit pixel block, the two readout signal lines are arranged so that two pixels arranged obliquely in a hatched positional relationship have the same photoelectric conversion time. The motion detection solid-state imaging device or the motion detection system according to claim 6, wherein the motion detection solid-state imaging device or the motion detection system is alternately connected to a readout transistor.
を特長とする請求項6に記載の動き検出固体撮像装置または動き検出システム。
The motion detection means further includes signal amplification means for adjusting the signal amount by the reciprocal of the photoelectric conversion time ratio so that the signal amounts having different photoelectric conversion times read from the pixel unit become the same signal amount. The motion detection solid-state imaging device or motion detection system according to claim 6.
を特長とする請求項1に記載の動き検出固体撮像装置または請求項2に記載の動き検出システム。
The motion detection solid-state imaging device according to claim 1 or the motion detection system according to claim 2, wherein the motion detection means is provided at an upper end or a lower end of the pixel unit .
前記駆動手段を制御するためのタイミング発生手段を制御することで、前記画素群から読み出す実行画素数を少なくすること
を特長とする請求項2に記載の動き検出システム。
Based on the determination signal of the movement determination means,
The motion detection system according to claim 2, wherein the number of execution pixels read from the pixel group is reduced by controlling timing generation means for controlling the driving means.
前記動き検出手段の動き検出信号の符号にて被写体の動きの方向を判定する動き方向判定手段をさらに備えたこと
を特長とする請求項2に記載の動き検出システム。
Based on the determination signal of the movement determination means,
The motion detection system according to claim 2, further comprising a motion direction determination unit that determines a direction of movement of the subject based on a sign of a motion detection signal of the motion detection unit.
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