JP6506937B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
本願発明は、照明が点滅する環境のもとで撮像を行う撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device that performs imaging in an environment in which illumination blinks.
一般的には動画を撮像する撮像素子は、フォトダイオードにて光検出を行い、発生する信号電荷を蓄積し、これを周期的に読み出す。一方、蛍光灯や水銀灯などの照明は、交流電源の2倍の周波数で点滅を繰り返しており、両者の周波数の違いから撮像した映像の明るさが変動する(ちらつく)フリッカと呼ばれる現象が発生する。 In general, an image pickup element which picks up a moving image performs light detection by a photodiode, accumulates generated signal charges, and periodically reads out the signal charge. On the other hand, illuminations such as fluorescent lamps and mercury lamps repeat flickering at twice the frequency of the AC power supply, and a phenomenon called flicker occurs in which the brightness of the captured image fluctuates due to the difference in frequency between the two. .
従来の撮像カメラには、このフリッカを抑制するために、電子シャッターと呼ばれる機能が備えられている。この電子シャッター機能は、信号電荷の蓄積時間を、照明の点滅周期の整数倍に制限することで、フリッカを抑制するものである。しかし、従来の電子シャッター機能では、撮像カメラのフレーム周波数が照明の点滅周波数よりも高くなると、照明の点滅周期が1フレーム周期を超えてしまい、フリッカを抑制できなかった。特に、スーパーハイビジョン用の撮影カメラは、フレーム周波数が120Hzと高いため、フリッカの増加が懸念されている。 A conventional imaging camera is provided with a function called an electronic shutter in order to suppress this flicker. This electronic shutter function suppresses flicker by limiting the accumulation time of the signal charge to an integral multiple of the flashing cycle of the illumination. However, in the conventional electronic shutter function, when the frame frequency of the imaging camera becomes higher than the blinking frequency of the illumination, the blinking period of the illumination exceeds one frame period, and the flicker can not be suppressed. In particular, since the photographing frequency for super hi-vision is high at a frame frequency of 120 Hz, there is a concern about an increase in flicker.
そこで、特許文献1に記載の発明が提案されている。特許文献1に記載の発明は、第1走査パルス及び第2走査パルスのそれぞれで読み出された信号の平均値を求めることで、数倍以上となっていた信号出力値のばらつきを数10%程度まで減少させ、フリッカを軽減するものである。
Then, the invention of
しかし、特許文献1に記載の発明は、信号出力値に数10%程度のばらつきがあり、フリッカが残ってしまう場合がある。
そこで、本願発明は、フリッカが発生しない撮像装置を提供することを課題とする。
However, according to the invention described in
Then, this invention makes it a subject to provide an imaging device which flicker does not generate | occur | produce.
前記した課題に鑑みて、本願発明に係る撮像装置は、照明の点滅周波数kとフレーム周波数fとがf/2<k<fを満たす環境で撮像を行う撮像装置において、1フレーム周期と同じ長さの信号読み出し周期の中央に、光検出を休止する光検出休止期間を長さL=1/k−1/fで設け、信号読み出し周期のうちの光検出休止期間を除いた光検出期間に光検出を行う撮像手段、を備え、撮像手段は、走査線毎に光検出を行うローリングシャッターを備えると共に、フォトダイオードを有する4トランジスタ画素で構成され、信号読み出し周期に含まれる2回の光検出期間にフォトダイオードから電気信号を読み出し、1回目と2回目との光検出期間に読み出された電気信号をそれぞれAD変換するAD変換手段と、1回目と2回目との光検出期間について、AD変換手段でAD変換された電気信号を加算する加算手段と、を備えることを特徴とする。 In view of the problems described above, an imaging device according to the present invention is an imaging device that performs imaging in an environment in which the flickering frequency k of the illumination and the frame frequency f satisfy f / 2 <k <f. A light detection pause period for pausing light detection is provided with a length L = 1 / k−1 / f at the center of the signal readout period of the signal detection period, and the light detection period excluding the light detection pause period in the signal read period. The imaging unit includes an imaging unit that includes a rolling shutter that performs light detection for each scanning line, and is configured of a 4-transistor pixel having a photodiode, and includes two times of light detection included in a signal readout period. AD conversion means for reading out an electrical signal from the photodiode in a period and performing AD conversion on the electrical signal read out in the first and second light detection periods, and the first and second light detection For between, characterized in that it comprises, adding means for adding the electrical signals converted by the AD converter in the AD converter.
かかる構成によれば、撮像装置は、1フレーム周期(信号読み出し周期)に含まれる照明の点滅波形のうち、光検出期間に含まれる照明の点滅波形が、平均値を中心として上下対称になる。従って、撮像装置では、照明の点滅による悪影響が無くなる。 According to this configuration, in the imaging device, of the flickering waveforms of the illumination included in one frame period (signal readout period), the flickering waveform of the illumination included in the light detection period is vertically symmetrical with respect to the average value. Therefore, in the imaging device, the adverse effect due to the flashing of the illumination is eliminated.
本願発明に係る撮像装置では、照明の点滅による悪影響を打ち消すため、フリッカが発生しなくなり、見やすい映像を撮像することができる。 In the imaging device according to the present invention, since the adverse effect due to the flickering of the illumination is canceled, flicker does not occur, and an easy-to-see image can be taken.
(本願発明の原理)
本願発明の各実施形態を説明する前に、図1〜図3を参照し、本願発明の原理を説明する。
ここで、フレーム周波数をf(Hz)、照明の点滅周波数をk(Hz)とする。また、照明は、周波数k(Hz)とその奇数倍の周波数との正弦波を重ねあわせた波形に従って点滅することとする。
(Principle of the present invention)
Before describing the embodiments of the present invention, the principle of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.
Here, the frame frequency is f (Hz), and the flickering frequency of the light is k (Hz). In addition, the illumination blinks according to a waveform in which sine waves of a frequency k (Hz) and its odd multiple frequency are superimposed.
図1の信号読み出し周期とは、1フレーム画像を生成するために、撮像素子から電気信号を読み出す期間のことである。この信号読み出し周期は、フレーム周期1/f(秒)と同じ長さになる。
光検出休止期間とは、信号読み出し周期のうち、光検出による電気信号が生成されない期間である。なお、図1では、信号読み出し周期のうち、光検出休止期間をドットで図示した。
光検出期間とは、信号読み出し周期のうち、光検出により電気信号が生成される期間である。
光検出とは、受光した光を撮像素子が光電変換し、電気信号を生成することである。
The signal readout period in FIG. 1 is a period during which an electrical signal is read out from the imaging device in order to generate one frame image. This signal readout period has the same length as the
The light detection pause period is a period during which no electrical signal is generated by light detection in the signal readout period. In FIG. 1, the light detection pause period is illustrated by dots in the signal readout period.
The light detection period is a period in which an electric signal is generated by light detection in the signal readout period.
In the light detection, the image sensor photoelectrically converts the received light to generate an electric signal.
図1のように、信号読み出し周期の中心時刻を中心として、下記式(1)で表される長さL(秒)の光検出休止期間が設けられる。つまり、フレーム画像n,n+1,…は、信号読み出し周期のうち、光検出休止期間を除いた光検出期間の電気信号により生成される(nは、2以上の自然数)。
L=1/k−1/f …式(1)
As shown in FIG. 1, a light detection pause period of a length L (seconds) represented by the following equation (1) is provided around the center time of the signal readout cycle. That is, the frame images n, n + 1,... Are generated by the electric signal of the light detection period excluding the light detection pause period in the signal readout period (n is a natural number of 2 or more).
L = 1 / k−1 / f formula (1)
図2の例では、フレーム周期1/120(秒)、照明の点滅周期1/100(秒)とする。従って、光検出休止期間は、1/600(秒)となる。ここで、f/2<k<fを満たすので、1フレーム周期(信号読み出し周期)に含まれる照明の点滅波形のうち、光検出期間に含まれる点滅波形が、平均値を中心として上下対称に繰り返される。言い換えるなら、各フレーム周期では、点滅波形と平均値とに囲われる領域面積α1,α2が、平均値の上下で等しくなる。このため、照明の点滅による悪影響が無くなり、フリッカが発生しなくなる。
なお、図2では、領域面積α1,α2をハッチングで図示した。
In the example of FIG. 2, the frame period is 1/120 (seconds), and the blinking period of the illumination is 1/100 (seconds). Therefore, the light detection pause period is 1/600 (seconds). Here, since f / 2 <k <f is satisfied, among the flickering waveforms of illumination included in one frame cycle (signal readout cycle), the flickering waveforms included in the light detection period are vertically symmetrical with respect to the average value. Repeated. In other words, in each frame period, the area areas α1 and α2 surrounded by the blinking waveform and the average value become equal above and below the average value. For this reason, the adverse effect due to the blinking of the light disappears, and flicker does not occur.
In FIG. 2, the area areas α1 and α2 are illustrated by hatching.
ここで、図3のように、フレーム周期は、照明の点滅周期に対し、円の右下部分で不足することになる。フレーム周期の不足期間がフリッカの原因となるので、円の中心Cの反対側に、この不足期間に釣り合った光検出休止期間を設ける。 Here, as shown in FIG. 3, the frame period is insufficient at the lower right portion of the circle with respect to the blinking period of the illumination. Since the short period of the frame period causes flicker, on the other side of the center C of the circle, a balanced light detection pause period is provided for this short period.
この不足期間は、照明の点滅周波数kだけでなく、その偶数倍の周波数2k,4k,…や奇数倍の周波数3k,5k,…にも表れるが、本願発明の原理によれば、奇数倍の周波数成分のみで除去できる。そして、照明の点滅周波数k,3k,5k,…を重ね合わせた波形は、正弦波以外の矩形波又は三角波でも表現できる。従って、本願発明の原理によれば、照明の点滅波形が正弦波以外であっても、フリッカが発生しなくなる。 This insufficient period appears not only in the flickering frequency k of the light but also in the frequencies 2k, 4k, ... and odd frequencies 3k, 5k, ... of even multiples, but according to the principle of the present invention, the odd multiples It can be removed only with frequency components. And the waveform which piled up the blink frequency k, 3k, 5k, ... of illumination can be expressed also with rectangular waves or triangular waves other than a sine wave. Therefore, according to the principle of the present invention, even if the flickering waveform of the illumination is other than the sine wave, the flicker does not occur.
以下、本願発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する手段には同一の符号を付し、説明を省略した。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each embodiment, means having the same function are denoted by the same reference numeral, and the description thereof is omitted.
(第1実施形態)
[撮像装置の構成]
図4を参照し、本願発明の第1実施形態に係る撮像装置1の構成について説明する。
図4のように、撮像装置1は、被写体の動画を撮像する撮像カメラ(例えば、放送用カメラ)であって、撮像光学系10と、メカニカルシャッター12と、撮像素子(撮像手段)14と、シャッター駆動回路16と、撮像素子駆動回路18とを備える。
First Embodiment
[Configuration of Imaging Device]
The configuration of the
As illustrated in FIG. 4, the
撮像光学系10は、対物レンズを含む複数枚のレンズからなるレンズ群であり、被写体からの光をメカニカルシャッター12に向けて出射する。この撮像光学系10は、本願発明に直接関係しない一般的な構成のため、これ以上の説明を省略する。また、図4では、図面を見易くするため、撮像光学系10を1枚のレンズとして図示した。
The imaging
メカニカルシャッター12は、撮像光学系10の光軸上に配置された機械式のシャッターである。このメカニカルシャッター12は、シャッター駆動回路16から入力されたシャッター駆動信号に従って開閉する。ここで、メカニカルシャッター12が開いている場合、撮像光学系10からの光は、撮像素子14に入射する。一方、メカニカルシャッター12が閉じている場合、撮像光学系10からの光は、メカニカルシャッター12に遮蔽されて撮像素子14に入射しない。
The
撮像素子14は、メカニカルシャッター12を通過した入射光を受光し、受光した入射光から映像信号を生成するものである。例えば、撮像素子14としては、グローバルシャッターを備えるCCD(Charge Coupled Device)センサやCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサをあげることができる。
ここで、グローバルシャッターとは、全画素が同時に光検出を開始及び終了するものである。
The
Here, the global shutter is one in which all pixels simultaneously start and end light detection.
シャッター駆動回路16は、光検出休止期間に光を遮蔽し、光検出期間に光を通過させるようにメカニカルシャッター12を駆動するものである。このシャッター駆動回路16は、撮像素子駆動回路18から入力された撮像素子駆動信号に同期して、メカニカルシャッター12を開閉させるシャッター駆動信号を、メカニカルシャッター12に出力する。
The
撮像素子駆動回路18は、撮像素子14を駆動するものである。この撮像素子駆動回路18は、撮像素子14の駆動タイミングを表す撮像素子駆動信号(タイミングパルス)を、撮像素子14及びシャッター駆動回路16に出力する。
The imaging
[メカニカルシャッターの開閉と光検出休止期間との関係]
図5を参照し、メカニカルシャッター12の開閉と光検出休止期間との関係について、説明する(適宜図4参照)。
[Relationship between opening and closing of mechanical shutter and light detection pause period]
The relationship between the opening and closing of the
図5のように、シャッター駆動回路16は、撮像素子駆動信号に同期して、光検出期間でメカニカルシャッター12を開くように駆動して、撮像光学系10からの光を撮像素子14まで通過させる。また、シャッター駆動回路16は、撮像素子駆動信号に同期して、光検出休止期間でメカニカルシャッター12を閉じるように駆動して、撮像光学系10からの光を遮断する。
As shown in FIG. 5, the
このように、撮像装置1は、シャッター駆動回路16によって、光検出期間及び光検出休止期間に合わせてメカニカルシャッター12を駆動することで、図2の光検出のパターンを実現することができる。従って、撮像装置1は、フリッカが発生することなく、見やすい映像を撮像することができる。
As described above, the
(第2実施形態)
図6を参照し、本願発明の第2実施形態に係る撮像装置1Bの構成について説明する。
図6のように、撮像装置1Bは、被写体の動画を撮像する撮像カメラであって、撮像光学系10と、メカニカルシャッター22と、撮像素子(撮像手段)24と、シャッター駆動回路26と、撮像素子駆動回路28とを備える。
Second Embodiment
The configuration of an
As shown in FIG. 6, the
メカニカルシャッター22は、撮像光学系10の光軸上に配置され、撮像素子24のライン(走査線)毎に光を遮蔽することが可能な機械式のシャッターである。このメカニカルシャッター22は、シャッター駆動回路26からのシャッター駆動信号に従って、撮像素子24のライン単位で開閉する。
The
撮像素子24は、メカニカルシャッター22を通過した入射光を受光し、受光した入射光から映像信号を生成するものである。例えば、撮像素子24としては、ローリングシャッター(ライン露光順次読み出し)を備えるCMOSセンサをあげることができる。
The
ここで、ローリングシャッターとは、撮像素子24のライン毎に順次、光検出を開始及び終了するものである。つまり、撮像素子24は、各ラインで信号読み出し周期(垂直スキャン)のタイミングが異なる。
Here, the rolling shutter is to start and end light detection sequentially for each line of the
シャッター駆動回路26は、光検出休止期間に光を遮蔽し、光検出期間に光を通過させるように、メカニカルシャッター22を駆動するものである。このシャッター駆動回路26は、撮像素子駆動回路28から入力された撮像素子駆動信号に同期して、メカニカルシャッター22を開閉させるシャッター駆動信号をメカニカルシャッター22に出力する。
The
撮像素子駆動回路28は、撮像素子24をライン毎に駆動するものである。この撮像素子駆動回路28は、撮像素子24のライン毎に駆動タイミングを表す撮像素子駆動信号(タイミングパルス)を、撮像素子24及びシャッター駆動回路26に出力する。
The imaging
[メカニカルシャッターの開閉と光検出休止期間との関係]
図7を参照し、メカニカルシャッター22の開閉と光検出休止期間との関係について、説明する(適宜図6参照)。
[Relationship between opening and closing of mechanical shutter and light detection pause period]
The relationship between the opening and closing of the
図7のように、撮像素子24は、ライン1,2,…,m−1,mの順番で信号読み出しが行われる(mは、2以上の自然数)。つまり、撮像素子24は、ライン1,2,…,m−1,mの信号読み出し周期がずれている。そこで、シャッター駆動回路26は、ライン1,2,…,m−1,mの光検出期間に、メカニカルシャッター12を開くように駆動する。従って、撮像光学系10からの光は、撮像素子14のライン1,2,…,m−1,mに入射する。
As shown in FIG. 7, the
また、シャッター駆動回路26は、ライン1,2,…,m−1,mの光検出休止期間に、メカニカルシャッター22を閉じるように駆動する。従って、撮像光学系10からの光は、メカニカルシャッター22に遮蔽される。
Further, the
このように、撮像装置1Bは、シャッター駆動回路26によって、ライン1,2,…,m−1,mの光検出期間及び光検出休止期間に合わせて、撮像素子駆動信号に同期してメカニカルシャッター22を駆動することで、図2の光検出のパターンを実現することができる。従って、撮像装置1Bは、フリッカが発生することなく、見やすい映像を撮像することができる。
As described above, the
(第3実施形態)
[撮像素子の構成]
図8,図9を参照し、本願発明の第3実施形態に係る撮像装置1Cが備える撮像素子(撮像手段)30の構成について説明する。
なお、例えば、垂直走査回路、水平走査回路、CDS(Correlated Double. Sampling)回路など、本願発明に直接関係しない一般的構成を省略した。
Third Embodiment
[Configuration of imaging device]
The configuration of an imaging device (imaging unit) 30 provided in an
For example, general configurations not directly related to the present invention, such as a vertical scanning circuit, a horizontal scanning circuit, and a CDS (Correlated Double. Sampling) circuit, are omitted.
撮像素子30は、撮像装置1Cの撮像光学系(不図示)を介して入射光を受光し、受光した入射光から映像信号を生成するものである。例えば、撮像素子30は、ローリングシャッターを備えるCMOSセンサである。また、図8,図9のように、撮像素子30は、画素32と、垂直信号線34と、ADC(Analog to Digital Converter:AD変換手段)36と、加算器(加算手段)38とを備える。
The
画素32は、4トランジスタ画素であり、受光した入射光の強度に応じた電圧の電気信号を生成するものである。また、画素32は、行列方向(水平方向及び垂直方向)に配列され、それぞれが垂直信号線34に接続される。そして、画素32は、生成した電気信号を垂直信号線34に出力する。
なお、画素32の具体的構造は、後記する。
The
The specific structure of the
垂直信号線34は、画素32から入力された電気信号を、図示を省略した水平信号線を介して、ADC36に出力するものである。
ADC36は、画素32から入力された電気信号をAD変換し、加算器38に出力するものである。
加算器38は、ADC36でAD変換された電気信号を加算し、映像信号を生成するものである。
The
The
The
[画素の具体的構造]
図8を参照し、画素32の具体的構造について、説明する。
図8のように、画素32は、フォトダイオードPDと、読み出しトランジスタTXと、浮遊拡散領域FDと、リセットトランジスタRTと、増幅トランジスタAPと、選択トランジスタSLとを備える。
[Specific structure of pixel]
The specific structure of the
As shown in FIG. 8, the
フォトダイオードPDは、光電変換機能及び電荷蓄積機能を有するダイオードである。このフォトダイオードPDは、入射光の強度に応じた量の信号電荷に光電変換し、その信号電荷を蓄積する。また、フォトダイオードPDは、カソードが読み出しトランジスタTXのソースに接続される。 The photodiode PD is a diode having a photoelectric conversion function and a charge storage function. The photodiode PD photoelectrically converts the signal charge into an amount corresponding to the intensity of incident light, and stores the signal charge. The cathode of the photodiode PD is connected to the source of the read transistor TX.
読み出しトランジスタTXは、ゲートに信号が入力されてON状態になると、フォトダイオードPDの信号電荷を読み出して、浮遊拡散領域FDに転送するものである。この読み出しトランジスタTXは、ゲートが水平選択線(不図示)に接続され、ドレインが浮遊拡散領域FDに接続される。 The readout transistor TX reads out the signal charge of the photodiode PD and transfers the signal charge to the floating diffusion region FD when a signal is input to the gate to be turned on. The gate of the read transistor TX is connected to a horizontal selection line (not shown), and the drain is connected to the floating diffusion region FD.
浮遊拡散領域FDは、読み出しトランジスタTXからの信号電荷を一時的に蓄積するものである。この浮遊拡散領域FDは、一時蓄積した信号電荷の量に応じた電圧の電気信号を生成する。また、浮遊拡散領域FDは、リセットトランジスタRTのソースと、増幅トランジスタAPのゲートとにそれぞれ接続される。 The floating diffusion region FD temporarily accumulates the signal charge from the read transistor TX. The floating diffusion region FD generates an electrical signal of a voltage corresponding to the amount of signal charge temporarily accumulated. The floating diffusion region FD is connected to the source of the reset transistor RT and the gate of the amplification transistor AP.
リセットトランジスタRTは、ON状態になると、浮遊拡散領域FDの電位をリセットするものである。このリセットトランジスタRTは、ON状態とOFF状態を切り替える制御信号がゲートに入力され、ドレインがリセット電源VRTに接続される。 The reset transistor RT resets the potential of the floating diffusion region FD when it is turned on. In the reset transistor RT, a control signal for switching between the ON state and the OFF state is input to the gate, and the drain is connected to the reset power supply VRT.
増幅トランジスタAPは、浮遊拡散領域FDで生成された電気信号を増幅するものである。この増幅トランジスタAPは、ソースが選択トランジスタSLのドレインに接続され、ドレインがドレイン電源VDDに接続される。 The amplification transistor AP amplifies the electric signal generated in the floating diffusion region FD. The source of the amplification transistor AP is connected to the drain of the selection transistor SL, and the drain is connected to the drain power supply VDD.
選択トランジスタSLは、ON状態になると、増幅トランジスタAPで増幅された電気信号を垂直信号線34に出力するものである。この選択トランジスタSLは、ON状態とOFF状態を切り替える制御信号がゲートに入力され、ドレインが垂直信号線34に接続される。
The selection transistor SL outputs the electric signal amplified by the amplification transistor AP to the
[トランジスタの駆動と光検出休止期間との関係]
図9を参照し、トランジスタの駆動と光検出休止期間との関係について、説明する。
図9は、縦方向にm個配列された画素32のうち、ある1個の画素32のタイミングチャートである。図9では、時間軸上に時刻t0〜t4を図示した。また、図9中段では、各トランジスタのON状態をドットの矩形で図示した。
[Relationship between driving of transistor and light detection idle period]
The relationship between the driving of the transistor and the light detection idle period will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a timing chart of one
図9のように、フォトダイオードPDは、時刻t0〜t1の光検出期間に信号電荷を蓄積する。時刻t1において、読み出しトランジスタTX及び選択トランジスタSLは、ON状態となる。すると、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、浮遊拡散領域FDに転送された後、垂直信号線34を介して、電気信号としてADC36に出力される。
As shown in FIG. 9, the photodiode PD accumulates signal charges in the light detection period from time t0 to t1. At time t1, the read transistor TX and the select transistor SL are turned on. Then, the signal charge stored in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion region FD, and then output to the
浮遊拡散領域FDの飽和を確実に防止するため、リセットトランジスタRTは、時刻t1〜t2の中間において、ON状態となる。すると、浮遊拡散領域FDの信号電荷は、リセットされる。 In order to reliably prevent the saturation of the floating diffusion region FD, the reset transistor RT is turned on in the middle of time t1 to t2. Then, the signal charge of the floating diffusion region FD is reset.
時刻t1〜t2の光検出休止期間でも、フォトダイオードPDが信号電荷を蓄積する。そこで、時刻t2において、読み出しトランジスタTXがON状態となり、その直後、リセットトランジスタRTがON状態となる。すると、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、浮遊拡散領域FDに転送された後、リセットされる。 The photodiode PD accumulates the signal charge also during the light detection pause period from time t1 to t2. Therefore, at time t2, the read transistor TX is turned on, and immediately thereafter, the reset transistor RT is turned on. Then, the signal charge stored in the photodiode PD is reset after being transferred to the floating diffusion region FD.
なお、時刻t2において、読み出しトランジスタTX及びリセットトランジスタRTが同時にON状態なると、リセット電源VRTの電位がフォトダイオードPDに印加され、ノイズ等の悪影響が発生することがある。このため、リセットトランジスタRTがON状態になるタイミングを、読み出しトランジスタTXより少し遅らせている。 At time t2, when the read transistor TX and the reset transistor RT are simultaneously turned on, the potential of the reset power supply VRT may be applied to the photodiode PD, which may cause an adverse effect such as noise. Therefore, the timing at which the reset transistor RT is turned on is slightly delayed from that of the read transistor TX.
時刻t2〜t3の光検出期間、フォトダイオードPDは、信号電荷を蓄積する。時刻t3において、読み出しトランジスタTX及び選択トランジスタSLがON状態となり、その直後、リセットトランジスタRTもON状態となる。すると、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、浮遊拡散領域FDに転送された後、垂直信号線34に出力される。垂直信号線34を介して、電気信号としてADC36に出力される。
During the light detection period from time t2 to t3, the photodiode PD accumulates the signal charge. At time t3, the read transistor TX and the select transistor SL are turned on, and immediately thereafter, the reset transistor RT is also turned on. Then, the signal charge stored in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion region FD and then output to the
時刻t0〜t1及び時刻t2〜t3の電気信号が、ADC36でAD変換され、加算器38に出力される。そして、時刻t0〜t1及び時刻t2〜t3の電気信号が加算器38で加算され、映像信号として生成される。
The electrical signals at time t0 to t1 and time t2 to t3 are AD converted by the
実際には、撮像装置1Cは、縦方向に配列されたm個の画素321〜32mを備える。画素321〜32mは、垂直信号線34を介して同一のADC36に接続され、図10のように読み出しタイミングが異なっている。従って、ADC36は、同一フレームの映像信号を生成するため、タイミングをずらしながら、AD変換をm回行うことになる。このとき、ADC36は、画素321の時刻t1から画素32mの時刻t1までの間で、画素321〜32mから出力された電気信号をAD変換する必要がある。
In practice, the
なお、ADC36は、時刻t0〜t1及び時刻t2〜t3の電気信号を連続してAD変換できない。このため、時刻t0〜t1と時刻t2〜t3との電気信号をAD変換する間隔が開いてしまう(空白期間)。
The
このように、撮像装置1Cは、光検出休止期間を境として電気信号を2回の光検出期間に分けて読み出し、各光検出期間の電気信号を加算することで、図2の光検出のパターンを実現することができる。従って、撮像装置1Cは、フリッカが発生することなく、見やすい映像を撮像することができる。
さらに、撮像装置1Cは、撮像素子30が4トランジスタ画素で構成されるので、図11の5トランジスタ画素に比べ、撮像素子30を簡略化することができる。
As described above, the
Furthermore, in the
(第4実施形態)
[撮像素子の構成]
図11,図12を参照し、本願発明の第4実施形態に係る撮像装置1Dが備える撮像素子(撮像手段)40の構成について説明する。
なお、図8と同様、本願発明に直接関係しない一般的構成を省略した。
Fourth Embodiment
[Configuration of imaging device]
The configuration of an imaging device (imaging unit) 40 provided in an
As in FIG. 8, general configurations not directly related to the present invention are omitted.
撮像素子40は、撮像装置1Dの撮像光学系(不図示)を介して入射光を受光し、受光した入射光から映像信号を生成するものである。例えば、撮像素子40は、ローリングシャッターを備えるCMOSセンサである。また、図11,図12のように、撮像素子40は、画素42と、垂直信号線34と、ADC36と、加算器38とを備える。
The
画素42は、5トランジスタ画素であり、受光した入射光の強度に応じた電圧の電気信号を生成するものである。また、画素42は、行列方向に配列され、それぞれが垂直信号線34に接続される。そして、画素42は、生成した電気信号を垂直信号線34に出力する。
なお、画素42以外は、第3実施形態と同様のため、説明を省略する。
The
Note that, except for the
[画素単位の具体的構造]
図11を参照し、画素42の具体的構造について、説明する。
図11のように、画素42は、フォトダイオードPDと、第1読み出しトランジスタTX1と、第2読み出しトランジスタTX2と、浮遊拡散領域FDと、リセットトランジスタRTと、増幅トランジスタAPと、選択トランジスタSLとを備える。
なお、第1読み出しトランジスタTX1及び第2読み出しトランジスタTX2以外は、第3実施形態と同様のため、説明を省略する。
[Specific structure of pixel unit]
The specific structure of the
As shown in FIG. 11, the
The components other than the first read transistor TX1 and the second read transistor TX2 are the same as those in the third embodiment, and thus the description thereof is omitted.
第1読み出しトランジスタTX1は、ゲートに信号が入力されてON状態になると、フォトダイオードPDの信号電荷を読み出して、第2読み出しトランジスタTX2に転送するものである。この第1読み出しトランジスタTX1は、ゲートが水平選択線(不図示)に接続され、ソースがフォトダイオードPDに接続され、ドレインが第2読み出しトランジスタTX2のソースに接続される。 The first read transistor TX1 reads a signal charge of the photodiode PD and transfers the signal charge to the second read transistor TX2 when a signal is input to the gate to be turned on. The gate of the first read transistor TX1 is connected to a horizontal selection line (not shown), the source is connected to the photodiode PD, and the drain is connected to the source of the second read transistor TX2.
第2読み出しトランジスタTX2は、ON状態になると、第2読み出しトランジスタTX2の信号電荷を浮遊拡散領域FDに転送するものである。この第2読み出しトランジスタTX2は、ゲートが水平選択線(不図示)に接続され、ドレインが浮遊拡散領域FDに接続される。 When the second read transistor TX2 is turned on, the signal charge of the second read transistor TX2 is transferred to the floating diffusion region FD. The gate of the second read transistor TX2 is connected to a horizontal selection line (not shown), and the drain is connected to the floating diffusion region FD.
[トランジスタの駆動と光検出休止期間との関係]
図12を参照し、トランジスタの駆動と光検出休止期間との関係について、説明する。
図12は、縦方向にm個配列された画素42のうち、ある1個の画素42のタイミングチャートである。図12では、時間軸上に時刻t0〜t5を図示した。また、図12中段では、各トランジスタのON状態をドットの矩形で図示した。
[Relationship between driving of transistor and light detection idle period]
The relationship between the driving of the transistor and the light detection idle period will be described with reference to FIG.
FIG. 12 is a timing chart of one
図12のように、フォトダイオードPDは、時刻t0〜t1の光検出期間に信号電荷を蓄積する。時刻t1において、第1読み出しトランジスタTX1は、ON状態となる。すると、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、第2読み出しトランジスタTX2に転送される。 As illustrated in FIG. 12, the photodiode PD accumulates signal charges in the light detection period from time t0 to t1. At time t1, the first read transistor TX1 is turned on. Then, the signal charge stored in the photodiode PD is transferred to the second read transistor TX2.
続いて、時刻t2において、第2読み出しトランジスタTX2及び選択トランジスタSLは、ON状態となる。すると、第2読み出しトランジスタTX2の信号電荷は、浮遊拡散領域FDに転送された後、垂直信号線34を介して、電気信号としてADC36に出力される。
Subsequently, at time t2, the second read transistor TX2 and the selection transistor SL are turned on. Then, the signal charge of the second readout transistor TX2 is transferred to the floating diffusion region FD, and then output to the
時刻t1〜t3の光検出休止期間でも、フォトダイオードPDが信号電荷を蓄積する。そこで、時刻t3において、第1読み出しトランジスタTX1がON状態となり、その直後、第2読み出しトランジスタTX2がON状態となる。さらに、第2読み出しトランジスタTX2がON状態となった直後、リセットトランジスタRTもON状態となる。つまり、第1読み出しトランジスタTX1、第2読み出しトランジスタTX2及びリセットトランジスタRTは、順番にON状態となる。すると、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、浮遊拡散領域FDに転送された後、リセットされる。 The photodiode PD accumulates the signal charge also during the light detection pause period from time t1 to t3. Therefore, at time t3, the first read transistor TX1 is turned on, and immediately thereafter, the second read transistor TX2 is turned on. Further, immediately after the second read transistor TX2 is turned on, the reset transistor RT is also turned on. That is, the first read transistor TX1, the second read transistor TX2, and the reset transistor RT are sequentially turned on. Then, the signal charge stored in the photodiode PD is reset after being transferred to the floating diffusion region FD.
なお、時刻t3において、第1読み出しトランジスタTX1及び第2読み出しトランジスタTX2が同時にON状態なると、電荷転送に悪影響が発生することがある。このため、第2読み出しトランジスタTX2がON状態になるタイミングを、第1読み出しトランジスタTX1より少し遅らせている。また、第1実施形態と同様の理由により、リセットトランジスタRTがON状態になるタイミングを、第2読み出しトランジスタTX2より少し遅らせている。 If the first read transistor TX1 and the second read transistor TX2 are simultaneously turned on at time t3, charge transfer may be adversely affected. Therefore, the timing at which the second read transistor TX2 is turned ON is slightly delayed compared to the first read transistor TX1. Further, for the same reason as in the first embodiment, the timing at which the reset transistor RT is turned on is slightly delayed compared to the second read transistor TX2.
時刻t3〜t4の光検出期間、フォトダイオードPDは、信号電荷を蓄積する。時刻t4において、第1読み出しトランジスタTX1及び選択トランジスタSLがON状態となり、その直後、第2読み出しトランジスタTX2がON状態となる。さらに、第2読み出しトランジスタTX2がON状態となった直後、リセットトランジスタRTもON状態となる。すると、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷は、浮遊拡散領域FDに転送された後、垂直信号線34を介して、電気信号としてADC36に出力される。
During the light detection period from time t3 to time t4, the photodiode PD accumulates signal charge. At time t4, the first read transistor TX1 and the select transistor SL are turned on, and immediately thereafter, the second read transistor TX2 is turned on. Further, immediately after the second read transistor TX2 is turned on, the reset transistor RT is also turned on. Then, the signal charge stored in the photodiode PD is transferred to the floating diffusion region FD, and then output to the
ここで、時刻t0〜t1及び時刻t3〜t4の電気信号が、ADC36でAD変換され、加算器38に出力される。そして、時刻t0〜t1及び時刻t3〜t4の電気信号が加算器38で加算され、映像信号として生成される。
なお、ADC36がm回のAD変換を行う点、第3実施形態と同様のため、説明を省略する。
Here, the electrical signals of time t0 to t1 and time t3 to t4 are AD converted by the
Since the
このように、撮像装置1Dは、光検出休止期間を境として電気信号を2回の光検出期間に分けて読み出し、各光検出期間の電気信号を加算することで、図2の光検出のパターンを実現することができる。従って、撮像装置1Dは、フリッカが発生することなく、見やすい映像を撮像することができる。
As described above, the
さらに、撮像装置1Dは、第2読み出しトランジスタTX2を、フォトダイオードPDの信号電荷を一時蓄積するバッファとして利用できる。このため、撮像装置1Dは、図10のような空白期間が生じないため、時刻t0〜t1及び時刻t3〜t4の電気信号を長い間隔でAD変換できるので、加算器38の処理能力に余裕を持たせることができる。
Furthermore, the
本願発明は前記した各実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で変形を加えることができる。
前記した各実施形態では、撮像素子を例にあげて説明したが、本願発明に係る撮像装置は、撮像手段として撮像管を利用することもできる。
The present invention is not limited to the embodiments described above, and modifications can be made without departing from the scope of the invention.
In each of the above-described embodiments, the imaging device has been described as an example, but the imaging device according to the present invention can also use an imaging tube as an imaging means.
1,1B,1C,1D 撮像装置
10 撮像光学系
12,22 メカニカルシャッター
14,24,30,40 撮像素子(撮像手段)
16,26 シャッター駆動回路
18,28 撮像素子駆動回路
32,42 画素
34 垂直信号線
36 ADC(AD変換手段)
38 加算器(加算手段)
1, 1B, 1C,
16, 26
38 Adder (adding means)
Claims (2)
1フレーム周期と同じ長さの信号読み出し周期の中央に、光検出を休止する光検出休止期間を長さL=1/k−1/fで設け、前記信号読み出し周期のうちの前記光検出休止期間を除いた光検出期間に光検出を行う撮像手段、を備え、
前記撮像手段は、走査線毎に光検出を行うローリングシャッターを備えると共に、フォトダイオードを有する4トランジスタ画素で構成され、
前記信号読み出し周期に含まれる2回の前記光検出期間に前記フォトダイオードから電気信号を読み出し、
1回目と2回目との前記光検出期間に読み出された電気信号をそれぞれAD変換するAD変換手段と、
1回目と2回目との前記光検出期間について、前記AD変換手段でAD変換された電気信号を加算する加算手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 In an imaging apparatus that performs imaging in an environment where the flickering frequency k of the illumination and the frame frequency f satisfy f / 2 <k <f,
A light detection pause period for pausing light detection is provided with a length L = 1 / k−1 / f at the center of a signal readout cycle having the same length as one frame cycle, and the light detection pause in the signal readout cycle is provided. Imaging means for performing light detection in a light detection period excluding the period ;
The imaging means comprises a rolling shutter for performing light detection for each scanning line, and is comprised of a 4-transistor pixel having a photodiode.
Reading an electrical signal from the photodiode during two light detection periods included in the signal reading period;
AD conversion means for AD converting each of the electrical signals read out during the first and second light detection periods;
Addition means for adding the electric signal AD-converted by the AD conversion means for the first and second light detection periods;
An imaging apparatus comprising:
1フレーム周期と同じ長さの信号読み出し周期の中央に、光検出を休止する光検出休止期間を長さL=1/k−1/fで設け、前記信号読み出し周期のうちの前記光検出休止期間を除いた光検出期間に光検出を行う撮像手段、を備え、A light detection pause period for pausing light detection is provided with a length L = 1 / k−1 / f at the center of a signal readout cycle having the same length as one frame cycle, and the light detection pause in the signal readout cycle is provided. Imaging means for performing light detection in a light detection period excluding the period;
前記撮像手段は、走査線毎に光検出を行うローリングシャッターを備えると共に、フォトダイオードを有する5トランジスタ画素で構成され、The imaging means comprises a rolling shutter for performing light detection for each scanning line, and is comprised of a 5-transistor pixel having a photodiode.
前記信号読み出し周期に含まれる2回の前記光検出期間に前記フォトダイオードから電気信号を読み出し、Reading an electrical signal from the photodiode during two light detection periods included in the signal reading period;
1回目と2回目との前記光検出期間に読み出された電気信号を等間隔でAD変換するAD変換手段と、AD conversion means for AD converting the electrical signals read out during the first and second light detection periods at equal intervals;
1回目と2回目との前記光検出期間について、前記AD変換手段でAD変換された電気信号を加算する加算手段と、Addition means for adding the electric signal AD-converted by the AD conversion means for the first and second light detection periods;
を備えることを特徴とする撮像装置。An imaging apparatus comprising:
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