JP2009267739A - Solid-state imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、行列状に配列された複数の画素から受光量に応じた電気信号を取り出して出力する固体撮像装置に係り、特に複数回の露光により広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する機能を備えた固体撮像装置に関する。 The present invention relates to a solid-state imaging device that extracts and outputs an electrical signal corresponding to the amount of received light from a plurality of pixels arranged in a matrix, and particularly has a function of synthesizing image data having a wide dynamic range by a plurality of exposures. The present invention relates to a solid-state imaging device including
周知の通り、CMOS固体撮像装置等の固体撮像装置では、行列をなす各画素が順次駆動され、各画素から画素信号の読み出しが行われる。最も基本的な構成では、一定時間長のフレーム(垂直走査期間)毎に全画素から画素信号を読み出す動作が繰り返される。このような構成では、1つの画素に着目すると、前回の画素信号の読み出しから今回の画素信号の読み出しまでの期間である1フレームが露光時間となり、今回読み出される画素信号の信号値は露光期間内における画素の受光量を反映したものとなる。 As is well known, in a solid-state imaging device such as a CMOS solid-state imaging device, each pixel forming a matrix is sequentially driven, and a pixel signal is read from each pixel. In the most basic configuration, the operation of reading out pixel signals from all pixels is repeated every frame (vertical scanning period) having a fixed time length. In such a configuration, focusing on one pixel, one frame, which is a period from the previous pixel signal readout to the current pixel signal readout, is the exposure time, and the signal value of the pixel signal read this time is within the exposure period. This reflects the amount of light received by the pixel.
露光時間を長短変化させた場合、画素信号の信号値の露光時間に対する勾配は、画素が受ける光の強さ(=被写体の照度)に依存して大きくなる。従って、被写体が明るい場合には露光時間を短くし、被写体が暗い場合には露光時間を長くする、という具合に、被写体の照度に合わせて露光時間を調整することが好ましい。しかしながら、被写体の照度の範囲が広い場合、1種類の露光時間での撮像では、被写体の各部の明暗を正確に表す画像信号を得ることは困難である。そこで、異なる露光時間で複数回の露光を行い、各露光により得られた複数種類の画像信号を用いて広いダイナミックレンジの画像データを合成する技術(以下、便宜上、複数露光という)が提案されている。 When the exposure time is changed long and short, the gradient of the signal value of the pixel signal with respect to the exposure time increases depending on the intensity of light received by the pixel (= illuminance of the subject). Therefore, it is preferable to adjust the exposure time according to the illuminance of the subject, such as shortening the exposure time when the subject is bright and increasing the exposure time when the subject is dark. However, when the illuminance range of the subject is wide, it is difficult to obtain an image signal that accurately represents the brightness of each part of the subject by imaging with one type of exposure time. Therefore, a technique for performing multiple exposures with different exposure times and synthesizing image data with a wide dynamic range using a plurality of types of image signals obtained by each exposure (hereinafter referred to as “multiple exposure” for the sake of convenience) has been proposed. Yes.
図8は、この複数露光の技術による撮像シーケンスの例を示すものである。この例では、1つの画素に着目すると、1フレーム内に長時間露光L、短時間露光S、極短時間露光Vを順次行い、この3種類の露光期間の露光結果である画素信号を画素行列から得ている。このようにして各露光期間において得られた各画素信号に対し、例えば各露光期間の長さの逆数に比例したゲインを乗算して加算することにより、広いダイナミックレンジを持った画像データを合成することができる。
なお、複数露光を行ってダイナミックレンジの広い画像データを得る技術に関しては、CCD固体撮像装置のものではあるが、特許文献1に開示がある。
A technique for obtaining image data having a wide dynamic range by performing a plurality of exposures is disclosed in
ところで、図8に示すような複数露光を行った場合、長時間露光Lによる撮像タイミングと、短時間露光Sおよび極短時間露光Vによる各撮像タイミングとのずれが大きくなるため、被写体が水平方向に高速移動したときに合成される画像の歪みが大きくなるという問題があった。 By the way, when multiple exposures as shown in FIG. 8 are performed, the difference between the imaging timing by the long exposure L and the imaging timings by the short exposure S and the extremely short exposure V becomes large, so that the subject is in the horizontal direction. However, there is a problem that distortion of an image to be synthesized increases when moving at high speed.
以下、この問題について、図9(a)および(b)を参照して説明する。この例において、被写体は、円状であり、かつ、その明暗の分布が同心円状をなしており、中心の円状領域が最も明るく、その外側の円環状領域が2番目に明るく、最も外側の円環状領域は最も暗くなっている。 Hereinafter, this problem will be described with reference to FIGS. 9 (a) and 9 (b). In this example, the subject has a circular shape, and its light and dark distribution is concentric, the central circular region is the brightest, the outer annular region is the second brightest, and the outermost region The toric region is the darkest.
この被写体が静止している状態において、図8に示す複数露光を行い、各露光結果を合成すると、図9(a)に例示する合成画像が得られる。この合成画像において、外側の円環状領域は、最も暗く、長時間露光Lにより得られた画像(以下、L画像という)に含まれていた部分である。また、この円環状部分の内側の円環状領域は、やや明るく、短時間露光Sにより得られた画像(以下、S画像という)に含まれていた部分である。また、中心の円状領域は、非常に明るく、短時間露光Sにより得られた画像(以下、V画像という)に含まれていた部分である。このように被写体が静止している状態では、複数露光により撮像を行って露光結果を合成した場合に歪みのない合成画像が得られる。 When a plurality of exposures shown in FIG. 8 are performed in a state where the subject is stationary, and the exposure results are combined, a composite image illustrated in FIG. 9A is obtained. In this composite image, the outer annular region is the darkest part that is included in an image obtained by long exposure L (hereinafter referred to as L image). In addition, the annular region inside the annular portion is a part that is slightly bright and included in an image obtained by the short-time exposure S (hereinafter referred to as S image). The central circular region is a very bright portion that is included in an image (hereinafter referred to as a V image) obtained by the short-time exposure S. In such a state where the subject is stationary, a composite image without distortion is obtained when imaging is performed by multiple exposures and the exposure results are combined.
しかし、被写体が高速移動している状態において、被写体を複数露光により撮像して露光結果を合成すると、合成画像が被写体の移動方向に大きく歪んだものとなる。図9(b)は、被写体が水平方向(矢印方向)に高速移動したときに得られる合成画像を例示するものである。図8に示すような複数露光を行った場合、短時間露光SによりS画像が撮られるタイミングは、長時間露光LによりL画像が撮られるタイミングから大きく遅れ、極短時間露光VによりV画像が撮られるタイミングはそれよりもさらに遅れる。このため、合成画像では、S画像は、L画像よりも被写体の移動方向(この例では左から右への方向)にずれた位置に移動し、V画像はそれよりもさらに被写体の移動方向にずれた位置に移動し、被写体に対して合成画像が大きく歪むという問題が発生する。 However, when the subject is moving at high speed and the subject is imaged by multiple exposures and the exposure results are combined, the combined image is greatly distorted in the moving direction of the subject. FIG. 9B illustrates a composite image obtained when the subject moves at high speed in the horizontal direction (arrow direction). When multiple exposures as shown in FIG. 8 are performed, the timing at which the S image is taken by the short exposure S is greatly delayed from the timing at which the L image is taken by the long exposure L, and the V image is obtained by the extremely short exposure V. The timing to be taken is further delayed. For this reason, in the composite image, the S image moves to a position shifted in the moving direction of the subject (in this example, the direction from left to right) than the L image, and the V image further moves in the moving direction of the subject. There is a problem that the composite image is greatly distorted with respect to the subject by moving to a shifted position.
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、複数露光により撮像を行って広いダイナミックレンジを持った画像を合成する場合において、被写体が高速移動する場合に合成画像に生じる歪みを軽減することができる固体撮像装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances described above, and in the case of compositing an image having a wide dynamic range by performing imaging with multiple exposures, distortion generated in the composite image when the subject moves at high speed. An object of the present invention is to provide a solid-state imaging device that can be reduced.
この発明は、複数の画素を行列状に配列してなる画素行列部と、短時間での露光期間の前後に2つの長時間の露光期間を発生させて、前記画素行列部の各画素に複数種類の露光期間の露光を順次行わせるとともに、各露光期間の露光結果である画素信号の読み出しを行わせる駆動制御手段と、前記画素行列部から読み出される各露光期間の露光結果である画素信号を取得し、2つの長時間の露光期間の露光結果である各画素信号の合成値と、この2つの長時間の露光期間の間の短時間の露光期間の露光結果である画素信号とから画像データを合成する画像処理手段とを具備することを特徴とする固体撮像装置を提供する。 According to the present invention, a pixel matrix portion formed by arranging a plurality of pixels in a matrix and two long exposure periods before and after a short exposure period are generated, and a plurality of pixels are provided for each pixel of the pixel matrix portion. Drive control means for sequentially performing exposures of different types of exposure periods and reading out pixel signals that are exposure results of each exposure period, and pixel signals that are exposure results of each exposure period read from the pixel matrix unit Obtained and image data from a combined value of each pixel signal that is an exposure result of two long exposure periods and a pixel signal that is an exposure result of a short exposure period between the two long exposure periods And a solid-state imaging device.
かかる発明によれば、短時間の露光の前後に長時間露光が行われ、これらの2つの長時間露光の露光結果である画素信号の合成値と、その間の短時間露光の露光結果である画素信号とから、広いダイナミックレンジの画像信号が合成される。従って、長時間露光による撮像タイミングと短時間露光による撮像タイミングのずれが少なくなり、被写体が高速移動する場合に合成画像に生じる歪みを軽減することができる。 According to this invention, long-time exposure is performed before and after short-time exposure, and a composite value of pixel signals that are the exposure results of these two long-time exposures, and pixels that are the exposure results of short-time exposure between them. A wide dynamic range image signal is synthesized from the signal. Accordingly, the difference between the imaging timing due to the long exposure and the imaging timing due to the short exposure is reduced, and distortion generated in the composite image when the subject moves at high speed can be reduced.
以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
図1は、この発明の一実施形態によるCMOS固体撮像装置の構成を示すブロック図である。このCMOS固体撮像装置において、画素行列部10Aは、画素10を行列状に配列してなるものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a CMOS solid-state imaging device according to an embodiment of the present invention. In this CMOS solid-state imaging device, the
図2はこの画素行列部10Aにおける1個の画素10の構成例を示すものである。図2に示すように、1個の画素10は、PD(Photo Diode;フォトダイオード)101と、各々MOS型トランジスタである転送トランジスタ102と、リセットトランジスタ103と、増幅トランジスタ104と、行選択トランジスタ105とにより構成されている。これらの各素子は、p型半導体基板に形成されている。そして、図2では、PD101、転送トランジスタ102およびリセットトランジスタ103についてはそれらの断面構造が図示され、増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105については回路シンボルを用いた図示がなされている。
FIG. 2 shows a configuration example of one
図2において、PD101は、p型半導体基板に低濃度のn型不純物の埋め込み層を形成してなるものであり、受光量に応じた信号電荷を発生する光電変換素子である。転送トランジスタ102は、ソースがPD101に接続され、ドレインがFD(Floating Diffusion;浮遊拡散層)102dとなっている。この転送トランジスタ102は、ゲートに転送パルスTXiが与えられることにより、PD101に蓄積された信号電荷をFD102dに転送する。リセットトランジスタ103は、ソースが電源VDDに接続されており、ドレインがFD102dとなっている。このリセットトランジスタ103は、ゲートにリセットパルスRTiが与えられることにより、FD102dを電源VDDの電位にリセットする。増幅トランジスタ104は、ドレインが電源VDDに接続され、ゲートがFD102dに接続されている。また、行選択トランジスタ105は、増幅トランジスタ104のソースと列信号線11との間に介挿されており、ゲートに行選択パルスSLiが与えられる。こららの増幅トランジスタ104および行選択トランジスタ105は、行選択パルスSLiが与えられることにより、FD102dに蓄積された電荷に応じた電圧を列信号線11に読み出す読出回路としての役割を果たす。
In FIG. 2, a
図1に示すように、列信号線11には、同様な構成の画素10が複数接続されるとともに、各画素10の増幅トランジスタ104の負荷となる定電流源が接続されている(図示略)。さらに各列信号線11には、CDS(Correlated Double Sampling;相関2重サンプリング)回路が接続されている。図1におけるカラムCDS部20は、この列信号線11毎に設けられたCDS回路の集合体である。各CDS回路は、タイミングジェネレータ50からサンプリングパルスφrおよびφsが与えられる各タイミングにおいて、画素行列部10Aの各列信号線11に読み出される電圧を各々サンプリングして差分を検出し、アナログ画素信号を各々出力する。カラムADC部30は、画素行列部10Aにおける画素10の列毎に設けられたADC(Analog to Digital Converter)の集合体である。各ADCは、タイミングジェネレータ50による制御の下、各CDS回路から出力されるアナログ画素信号をデジタル画素信号に変換する。水平走査回路40は、画素行列部10Aの列数と同じステージ数のシフトレジスタである。この水平走査回路40は、タイミングジェネレータ50による制御の下、水平走査期間毎にカラムADC部30から出力される一行分のデジタル画素信号を取り込み、画像処理部70にシリアル転送する動作を繰り返す。
As shown in FIG. 1, a plurality of
垂直走査回路60は、タイミングジェネレータ50による制御の下、画素行列部10Aの各行に対する行選択パルスSLi(i=1〜n)、リセットパルスRTi(i=1〜n)および転送パルスTXi(i=1〜n)を発生する回路である。タイミングジェネレータ50は、垂直走査回路60、カラムCDS部20、カラムADC部30、水平走査回路40等、CMOS固体撮像装置の各部のタイミング制御のための信号を発生する回路である。本実施形態において、タイミングジェネレータ50および垂直走査回路60は、水平走査期間毎に画素行列部10Aの各行を順次選択し、選択した第i行の各画素10に対して行選択パルスSLiを出力するとともに、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiを順次出力し、転送パルスTXiの前後の各タイミングにおいてサンプリングパルスφrおよびφsを各々出力する駆動制御手段として機能する。また、本実施形態において、この駆動制御手段としてのタイミングジェネレータ50および垂直走査回路60は、短時間での露光期間の前後に2つの長時間の露光期間を発生させて、画素行列部10Aの各画素10に複数種類の露光期間の露光を順次行わせるとともに、各露光期間の露光結果である画素信号の読み出しを行わせる役割を果たす。なお、その具体的構成については後述する。
The
画像処理部70は、水平走査回路40を介して供給されるデジタル画素信号を処理して、フレーム毎に一画面分の画像データを合成する装置である。本実施形態では、1フレーム期間内に複数回の露光が行われ、露光期間の異なる複数種類のデジタル画素信号が画素毎に得られる。画像処理部70は、異なる露光期間において得られた各デジタル画素信号を用いて、広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する。この画像処理部70により合成された画像データは、図示しないモニタに表示され、あるいは図示しないHD(ハードディスク)等の記録媒体に記録される。
The
U/I(ユーザインタフェース)部80は、液晶表示パネル等の表示装置と押しボタン等の各種の操作子により構成されている。U/I部80は、CMOS固体撮像装置の操作に関する各種の案内情報を表示し、操作子を介して撮像条件等に関する各種の情報をユーザから取得する役割を果たす。制御部90は、U/I部80を介して取得されるユーザからの指示に従い、CMOS固体撮像装置の各部の制御を行う装置である。
The U / I (user interface)
図3はタイミングジェネレータ50および垂直走査回路60の具体的な構成を示すブロック図である。図3に示すように、タイミングジェネレータ50は、クロックカウンタ52と、ラインカウンタ53と、パルス発生器55と、イネーブルパルス発生器56とを有する。
FIG. 3 is a block diagram showing specific configurations of the
クロックカウンタ52およびラインカウンタ53は、フレームの切り換え制御およびフレーム内の水平走査期間の切り換え制御を行うとともに、現在時刻を示す情報の管理を行う役割を果たす。本実施形態においてフレームは、画素行列部10Aの行数nより多くのm個の水平走査期間に区切られている。1つのフレームを構成する各水平走査期間は、1番からm番までのライン番号により特定される。各水平走査期間は、画素行列部10Aから一行分のアナログ画素信号を読み出してデジタル化し、画像処理部70にシリアル転送することが可能な時間長を有する。
The
本実施形態では、一定周波数のクロックをカウントすることにより、一水平走査期間の計時を行う。このクロックのカウントを行うのが図3におけるクロックカウンタ52である。このクロックカウンタ52のカウント値は、水平走査期間内における相対時刻を示す情報として利用される。
In the present embodiment, the time of one horizontal scanning period is counted by counting clocks having a constant frequency. The
クロックカウンタ52は、一水平走査期間分のクロックのカウントを終える度にラインクロックφHを出力する。ラインカウンタ53は、このラインクロックφHのカウントを行う。そして、ラインカウンタ53は、ラインクロックφHをm個カウントする毎にカウント値を初期化する。従って、ラインカウンタ53のカウント値は、常に現在の水平走査期間のライン番号を示すものとなる。
The
パルス発生器55は、画素行列部10Aの各行へ供給するリセットパルスRTiおよび転送パルスTXiの基となるリセットパルスRTGおよび転送パルスTXGを発生する回路である。このリセットパルスや転送パルスの他、パルス発生器55は、カラムCDS部20に相関2重サンプリングを行わせるためのサンプリングパルスφrおよびφsや、この相関2重サンプリングに続いてカラムADC部30にA/D変換を行わせるためのサンプリングパルスや、さらにそれに続いて水平走査回路40にシリアル転送を行わせるためのシフトクロックを発生する。制御部90は、各パルスの立ち上がりエッジや立ち下がりエッジのタイミング、シフトクロックの発生開始タイミングに対応したクロックカウンタ52のカウント値を指定する情報をパルス発生器55に与え、パルス発生器55は、この情報が示すタイミングにおいて、各パルスを立ち上げまたは立ち下げ、あるいはシフトクロックの発生を開始する。
The
イネーブルパルス発生器56は、一水平走査期間分のパルス幅を持った2種類のイネーブルパルスENaおよびENbを発生する。イネーブルパルスENaは、画素信号の読み出しを指令するパルスである。イネーブルパルスENbは、画素10のPD101の蓄積電荷の消去を指令するパルスである。制御部90は、フレーム内においてイネーブルパルスENaおよびENbを各々発生する各水平走査期間の各ライン番号をイネーブルパルス発生器56に対して指示し、イネーブルパルス発生器56は、この指示された各ライン番号の各水平走査期間においてイネーブルパルスENaおよびENbを各々発生する。
The enable
垂直走査回路60は、いずれも画素行列部10Aの行数nと同じステージ数を有するシフトレジスタ61および62と、画素行列部10Aの行毎に設けられたAND−ORゲート63および64とを有する。シフトレジスタ61および62の各ステージをなす各フリップフロップのクロック端子には、タイミングジェネレータ50のクロックカウンタ52が出力するラインクロックφHが与えられる。また、シフトレジスタ61の初段のデータ入力端子にはイネーブルパルス発生器56が出力するイネーブルパルスENaが、シフトレジスタ62の初段のデータ入力端子にはイネーブルパルス発生器56が出力するイネーブルパルスENbが各々与えられる。シフトレジスタ61は、イネーブルパルスENaをラインクロックφHにより順次後段にシフトし、シフトレジスタ62は、イネーブルパルスENbをラインクロックφHにより順次後段にシフトする。
The
シフトレジスタ61の各ステージiは、前段から到来するイネーブルパルスENaを画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63および64へイネーブルパルスENaiとして供給する。このイネーブルパルスENaiは、AND−ORゲート63および64へ供給される他、行選択パルスSLiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に供給される。また、シフトレジスタ62の各ステージiは、前段から到来するイネーブルパルスENbを画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63および64へイネーブルパルスENbiとして供給する。
Each stage i of the
画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63は、イネーブルパルスENaiとリセットパルスRTGとの論理積およびイネーブルパルスENbiとリセットパルスRTGとの論理積を求め、両論理積の論理和をリセットパルスRTiとして出力する。画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート64は、イネーブルパルスENaiと転送パルスTXGとの論理積およびイネーブルパルスENbiと転送パルスTXGとの論理積を求め、両論理積の論理和を転送パルスTXiとして出力する。
The AND-
イネーブルパルスENaiが発生する間、画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63は、パルス発生器55が出力するリセットパルスRTGを選択し、AND−ORゲート64は、転送パルスTXGを選択し、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に各々供給する。そして、イネーブルパルスENaiは、行選択パルスSLiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に供給される。従って、画素行列部10Aの第i行の各画素10では、FD102dの電圧が列信号線11に読み出され、画素信号の読み出しが行われる。
While the enable pulse ENai is generated, the AND-
一方、イネーブルパルスENbiが発生する間、画素行列部10Aの第i行に対応したAND−ORゲート63は、パルス発生器55が出力するリセットパルスRTGを選択し、AND−ORゲート64は、転送パルスTXGを選択し、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiとして、画素行列部10Aの第i行の各画素10に各々供給する。この場合、画素行列部10Aの第i行の各画素10に対し、行選択パルスSLiは供給されない。従って、画素行列部10Aの第i行の各画素10では、PD101の蓄積電荷の消去が行われる。
以上が本実施形態によるCMOS固体撮像装置の構成の詳細である。
On the other hand, while the enable pulse ENbi is generated, the AND-
The above is the details of the configuration of the CMOS solid-state imaging device according to the present embodiment.
次に本実施形態の動作について説明する。広いダイナミックレンジを持った画像信号の取得が必要とされる場合、本実施形態では、1フレーム毎に図4(a)に示す複数露光を行う。すなわち、画素行列部10Aの1つの画素10に着目すると、本実施形態では、1フレーム内において、短時間露光Sおよび極短時間露光Vをフレームの中央に位置させ、その前後に同じ露光時間の長時間露光L1およびL2を位置させ、これらの4種類の露光を順次行う。
Next, the operation of this embodiment will be described. When it is necessary to acquire an image signal having a wide dynamic range, in this embodiment, a plurality of exposures shown in FIG. 4A are performed for each frame. That is, paying attention to one
図4(b)は、このような複数露光を行うための具体的な撮像シーケンスを例示するものである。図4(b)において、上下方向に並んだ各ストライプは、画素行列部10Aの各行における画素信号の読み出しの様子および蓄積電荷の消去の様子を示すものである。
FIG. 4B illustrates a specific imaging sequence for performing such multiple exposure. In FIG. 4B, the stripes arranged in the vertical direction indicate a state of reading pixel signals and a state of erasing accumulated charges in each row of the
さらに詳述すると、図4(b)においてRなる表記のなされた各水平走査期間(以下、水平走査期間R)では、図4(c)に示すように、行選択パルスSLiがアクティブレベルとされ、この間、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiが順次発生され、さらに転送パルスTXiの前後の各タイミングにおいてサンプリングクロックφrおよびφsがカラムCDS部20に供給され、画素行列部10Aの第i行のアナログ画素信号の読み出しが行われる。さらに、図示は省略したが、カラムADC部30によるアナログ画素信号のデジタル画素信号への変換、水平走査回路40によるデジタル画素信号の画像処理部70へのシリアル転送が行われる。
More specifically, in each horizontal scanning period labeled R in FIG. 4B (hereinafter, horizontal scanning period R), as shown in FIG. 4C, the row selection pulse SLi is set to the active level. During this time, the reset pulse RTi and the transfer pulse TXi are sequentially generated, and the sampling clocks φr and φs are supplied to the
また、図4(b)においてrなる表記のなされた各水平走査期間(以下、水平走査期間r)では、図4(d)に示すように、行選択パルスSLiは非アクティブレベルとされ、リセットパルスRTiおよび転送パルスTXiが順次発生される。この水平走査期間では、画素信号の読み出しは行われず、画素行列部10Aの第i行の各画素10におけるPD101の蓄積電荷の消去のみが行われる。
In each horizontal scanning period labeled r in FIG. 4B (hereinafter, horizontal scanning period r), as shown in FIG. 4D, the row selection pulse SLi is set to an inactive level and reset. A pulse RTi and a transfer pulse TXi are sequentially generated. During this horizontal scanning period, the pixel signal is not read, and only the charge accumulated in the
1つの行に着目すると、あるフレームでは、直前のフレームの最後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが長時間露光L1の始点であり、その後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが長時間露光L1の終点である。また、この長時間露光L1の後の水平走査期間r内の転送パルスTXiの発生タイミングが短時間露光Sの始点であり、その後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが短時間露光Sの終点である。また、この短時間露光Sの後の水平走査期間r内の転送パルスTXiの発生タイミングが極短時間露光Vの始点であり、その直後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが極短時間露光Vの終点であると同時に長時間露光L2の始点である。そして、この水平走査期間Rの後の水平走査期間R内の転送パルスTXiの発生タイミングが長時間露光L2の終点であると同時にその次のフレームにおける長時間露光L1の始点である。 Focusing on one row, in a certain frame, the generation timing of the transfer pulse TXi in the last horizontal scanning period R of the immediately preceding frame is the start point of the long exposure L1, and the transfer pulse TXi in the subsequent horizontal scanning period R. Is the end point of the long-time exposure L1. The generation timing of the transfer pulse TXi in the horizontal scanning period r after the long exposure L1 is the start point of the short exposure S, and the generation timing of the transfer pulse TXi in the subsequent horizontal scanning period R is the short exposure. This is the end point of S. Further, the generation timing of the transfer pulse TXi in the horizontal scanning period r after the short exposure S is the start point of the extremely short exposure V, and the generation timing of the transfer pulse TXi in the horizontal scanning period R immediately thereafter is the extreme. It is the end point of the short exposure V and the start point of the long exposure L2. The generation timing of the transfer pulse TXi in the horizontal scanning period R after the horizontal scanning period R is the end point of the long exposure L2 and at the same time the start point of the long exposure L1 in the next frame.
タイミングジェネレータ50におけるイネーブルパルス発生器56は、図4(b)に示す各水平走査期間Rにおいて画素行列部10Aの各行iの画素信号の読み出しが行われるように、イネーブルパルスENaをシフトレジスタ61に供給する。さらにパルス発生器55は、これらの各水平走査期間Rにおいて、サンプリングクロックφrおよびφs、A/D変換を行わせるためのサンプリングパルス、シリアル転送のためのシフトクロックを発生する。また、イネーブルパルス発生器56は、図4(b)に示す各水平走査期間rにおいて画素行列部10Aの各行iの蓄積電荷の消去が行われるように、イネーブルパルスENbをシフトレジスタ62に供給する。
The enable
これにより長時間露光L1の終点を含む各水平走査期間Rでは、長時間露光L1の結果である1行分のデジタル画素信号がカラムADC部30において生成され、水平走査回路40を介して画像処理部70にシリアル転送される。短時間露光S、極短時間露光Vおよび最後の長時間露光L2についても同様であり、これらの各露光期間の終点を含む各水平走査期間Rでは、露光結果である1行分のデジタル画素信号がカラムADC部30において生成され、水平走査回路40を介して画像処理部70にシリアル転送される。
Thus, in each horizontal scanning period R including the end point of the long exposure L1, a digital pixel signal for one row as a result of the long exposure L1 is generated in the
そして、画像処理部70は、図5に示す手順に従って、広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する。まず、フレームの先頭の長時間露光L1により得られたデジタル画素信号の集合であるL1画像データと、フレームの最後の長時間露光L2により得られたデジタル画素信号の集合であるL2画像データとを同一画素同士平均化したL画像データが生成される。次に、このL画像データと、短時間露光Sにより得られたデジタル画素信号の集合であるS画像データと、極短時間露光Vにより得られたデジタル画素信号の集合であるV画像データとから広いダイナミックレンジを持った画像データを合成する。
Then, the
この合成の方法には各種考えられるが、露光時間と画素信号値との関係が直線的である場合には、次のような合成方法を実施可能である。図6において、横軸は露光時間、縦軸はL画像データ、S画像データおよびV画像データの画素信号値である。また、tLは長時間露光L1およびL2の露光時間、tSは短時間露光Sの露光時間、tVは極短時間露光Vの露光時間である。また、th0はカラムADC部30が出力するデジタル画素信号の飽和値である。
Various methods of combining can be considered. When the relationship between the exposure time and the pixel signal value is linear, the following combining method can be implemented. In FIG. 6, the horizontal axis represents exposure time, and the vertical axis represents pixel signal values of L image data, S image data, and V image data. Further, tL is the exposure time of the long exposures L1 and L2, tS is the exposure time of the short exposure S, and tV is the exposure time of the extremely short exposure V. Further, th0 is a saturation value of the digital pixel signal output from the
既に述べたように、画素信号値の露光時間に対する勾配は、画素10が受ける光の強さ、すなわち、被写体の照度に依存して大きくなる。図6に示す露光時間軸と画素信号値軸からなる直交座標系において、原点(0,0)と点(tL,th0)を結ぶ直線の勾配は、長時間露光L1またはL2において画素信号値が飽和する被写体の照度の上限値に対応している。また、原点(0,0)と点(tS,th0)を結ぶ直線の勾配は、短時間露光Sにおいて画素信号値が飽和する被写体の照度の上限値に対応している。この合成方法では、原点(0,0)と点(tL,th0)を結ぶ直線上において露光時間tSに対応した点の画素信号値th1を求め、この画素信号値th1を、短時間露光Sにより得られるS画像データの画素信号値のうち合成画像の画素値として採用するものの下限値とする。また、原点(0,0)と点(tS,th0)を結ぶ直線上において露光時間tVに対応した点の画素信号値th2を求め、この画素信号値th2を、極短時間露光Vにより得られるV画像データの画素信号値のうち合成画像の画素値として採用するものの下限値とする。そして、以上の飽和値th0、下限値th1およびth2を用いて、次のようにL画像データ、S画像データ、V画像データから合成画像の画素信号値を決定する。
As described above, the gradient of the pixel signal value with respect to the exposure time increases depending on the intensity of light received by the
まず、ある画素のL画像データの画素信号値が飽和値th0未満である場合、画像処理部70は、その画素信号値に対して重み係数A/tLを乗算したものを合成画像の画素信号値とする。ここで、Aは定数である。また、ある画素のL画像データの画素信号値が飽和値th0に達しており、S画像データの画素信号値が飽和値th0より小さく、かつ、下限値th1以上である場合、画像処理部70は、S画像データの画素信号値に対して重み係数A/tSを乗算したものを合成画像の画素信号値とする。また、S画像データの画素信号値が飽和値th0に達しており、V画像データの画素信号値が飽和値th0より小さく、かつ、下限値th2以上である場合、画像処理部70は、V画像データの画素信号値に対して重み係数A/tVを乗算したものを合成画像の画素信号値とする。以上のような処理を行うことにより広いダイナミックレンジを持った合成画像の画像データが得られる。
First, when the pixel signal value of the L image data of a certain pixel is less than the saturation value th0, the
図7は本実施形態の効果を例示するものである。本実施形態では、図4(a)に示すような複数露光を行って、2つの長時間露光L1およびL2をフレームの先頭と最後において行い、これらの各露光結果を平均化したものを、長時間露光の結果であるL画像データとして用いる。このため、L画像データの実質的な撮像タイミングと、S画像データおよびV画像データの撮像タイミングとのずれが少なくなる。このため、被写体が高速移動する場合でも、合成画像では、図7に例示するように、S画像およびV画像のL画像からの位置ずれを少なくし、被写体に対する合成画像の歪みを少なくすることができるという効果がある。 FIG. 7 illustrates the effects of this embodiment. In this embodiment, a plurality of exposures as shown in FIG. 4A are performed, two long exposures L1 and L2 are performed at the beginning and end of the frame, and an average of these exposure results Used as L image data as a result of time exposure. For this reason, there is less deviation between the substantial imaging timing of the L image data and the imaging timing of the S image data and the V image data. For this reason, even when the subject moves at high speed, in the composite image, as illustrated in FIG. 7, the positional deviation of the S image and the V image from the L image can be reduced, and the distortion of the composite image with respect to the subject can be reduced. There is an effect that can be done.
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
(1)上記実施形態では、2つの長時間露光L1およびL2の間に短時間露光Sと極短時間露光Vを配置したが、これらのいずれか一方のみを配置してもよい。
(2)上記実施形態では、フレームの先頭と最後に行う長時間露光L1およびL2の露光時間を同じ長さにしたが、これらの露光時間を異なる長さにしてもよい。この場合、長時間露光L1およびL2の露光時間がtL1およびtL2であるとすると、例えばL1画像データの画素信号値に重み係数A/tL1を乗算したものと、L2画像データの画素信号値に重み係数A/tL2を乗算したものとを加算して、L画像データを合成すればよい。
(3)上記実施形態では、この発明による固体撮像装置の一例としてCMOS固体撮像装置を示したが、この発明はCCD固体撮像装置等の他の固体撮像装置にも適用可能である。
Although one embodiment of the present invention has been described above, other embodiments are conceivable for the present invention. For example:
(1) In the above embodiment, the short-time exposure S and the very short-time exposure V are arranged between the two long-time exposures L1 and L2, but only one of them may be arranged.
(2) In the above embodiment, the exposure times of the long exposures L1 and L2 performed at the beginning and the end of the frame are set to the same length, but these exposure times may be set to different lengths. In this case, if the exposure times of the long exposures L1 and L2 are tL1 and tL2, for example, the pixel signal value of the L1 image data is multiplied by the weighting factor A / tL1, and the pixel signal value of the L2 image data is weighted. What is necessary is just to synthesize | combine L image data by adding what multiplied the coefficient A / tL2.
(3) In the above embodiment, a CMOS solid-state imaging device is shown as an example of the solid-state imaging device according to the present invention. However, the present invention can also be applied to other solid-state imaging devices such as a CCD solid-state imaging device.
10……画素、11……列信号線、10A……画素行列部、20……カラムCDS部、30……カラムADC部、40……水平走査回路、50……タイミングジェネレータ、60……垂直走査回路、70……画像処理部、80……U/I部、90……制御部、52……クロックカウンタ、53……ラインカウンタ、56……イネーブルパルス発生器、55……パルス発生器、61,62……シフトレジスタ、63,64……AND−ORゲート。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
短時間での露光期間の前後に2つの長時間の露光期間を発生させて、前記画素行列部の各画素に複数種類の露光期間の露光を順次行わせるとともに、各露光期間の露光結果である画素信号の読み出しを行わせる駆動制御手段と、
前記画素行列部から読み出される各露光期間の露光結果である画素信号を取得し、2つの長時間の露光期間の露光結果である各画素信号の合成値と、この2つの長時間の露光期間の間の短時間の露光期間の露光結果である画素信号とから画像データを合成する画像処理手段と
を具備することを特徴とする固体撮像装置。 A pixel matrix portion formed by arranging a plurality of pixels in a matrix,
Two long exposure periods are generated before and after a short exposure period to cause each pixel of the pixel matrix unit to sequentially perform exposure for a plurality of types of exposure periods, and the exposure results for each exposure period. Drive control means for reading out pixel signals;
A pixel signal that is an exposure result of each exposure period read from the pixel matrix unit is acquired, and a combined value of each pixel signal that is an exposure result of two long exposure periods and the two long exposure periods A solid-state imaging device comprising: an image processing unit that synthesizes image data from a pixel signal that is an exposure result of a short exposure period.
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