JP2006005898A - Time correlation detection type image sensor and image analyzing method - Google Patents

Time correlation detection type image sensor and image analyzing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform various kinds of image analysis which have been conventionally disabled because of a limitation of a time resolution. <P>SOLUTION: A plurality of photodetection elements are provided, each photodetection element including a photodiode FD for converting an input photon into current, a transistor couple for modulating the current generated by the photodiode FD in accordance with an inputted external electric signal S and a capacitor C for time-integrating the current modulated by the transistor couple, and the plurality of photodetection elements are scanned to sequentially read integration values of the capacitors C. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、入射光強度と外部電気信号との時間相関検出を行う時間相関検出型センサおよび時間相関検出型センサを用いた画像解析方法に関する。   The present invention relates to a time correlation detection type sensor that performs time correlation detection between incident light intensity and an external electrical signal, and an image analysis method using the time correlation detection type sensor.

画像センシングや画像解析の応用は、コンピュータビジョン、自動視覚検査、科学計測、リモートセシング等、多岐にわたっている。しかし、その入力手段としては、ほとんど放送用のイメージセンサの流用以外の方法がなく、その限定された機能に由来して、画像処理の応用展開上、多くの制約を受けているのが現状である。   Applications of image sensing and image analysis are diverse, such as computer vision, automatic visual inspection, scientific measurement, and remote sensing. However, as input means, there are almost no methods other than diversion of image sensors for broadcasting, and because of its limited functions, there are many restrictions on application development of image processing at present. is there.

特に問題が大きいのが、フレームレート1/30秒という時間分解能の悪さであり、MOS型イメージセンサの高速スキャンや、イメージディテクタのような時間信号出力型デバイスを用いても、感度や本来の空間分解能が犠牲になるため、本質的な解決にならない。   Particularly problematic is the poor temporal resolution of a frame rate of 1/30 seconds. Even if a high-speed scan of a MOS image sensor or a time signal output type device such as an image detector is used, the sensitivity and original space Since resolution is sacrificed, it is not an essential solution.

この問題に対して、本発明は画像センシングの方法論に立返った考察から解決法を与えようとするものである。もともと、空間分解能と時間分解能の双方を高めようとする要求は情報量の莫大化に帰着するため、本質的な困難さがある。本発明は、センサ段階で適切な処理を加え、後続する画像解析に必要十分な情報に圧縮して出力する方法を採るものであり、これにより、例えば、時間分解能の制限から従来不可能であった種々の画像解析が可能となる、という技術上の効果が得られる。   In order to solve this problem, the present invention seeks to provide a solution based on considerations returned to the image sensing methodology. Originally, a request to increase both spatial resolution and temporal resolution results in an enormous amount of information, and thus has an inherent difficulty. The present invention employs a method of applying appropriate processing at the sensor stage and compressing and outputting information necessary and sufficient for subsequent image analysis. Further, it is possible to obtain a technical effect that various image analyzes are possible.

(1)請求項1の発明に係る時間相関検出型イメージセンサは、図4に示すようなイメージセンサに対応するものであって、入力フォトンを電流に変換する光電変換素子、入力された変調信号に応じて光電変換素子により発生した電流を分流して変調する複数のトランジスタ、および複数のトランジスタにより変調された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と;
変調信号よりも遅い周期により複数の受光素子を走査して複数のコンデンサの電荷を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする。
(2)請求項2に係る時間相関検出型イメージセンサは、図6に示すようなイメージセンサに対応するものであって、入力フォトンを電流に変換する光電変換素子であって、変調信号として印加される外部電界に応じて、発生した電流を分流して変調する光電変換素子、および分流された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と;
変調信号よりも遅い周期により複数の受光素子を走査して複数のコンデンサの電荷を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする。
(3)請求項3に係る発明は、計測対象物体に変調光を照射し、その計測対象物体からの反射光を受光する請求項1または2の時間相関型イメージセンサであって、複数のコンデンサの積分値の和が計測対象物体の平均照度を表し、複数のコンデンサの積分値の差が計測対象物体の一次微分値となるように変調信号を入力することを特徴とする。
(4)請求項4に係る画像解析装置は、時間変調をかけた光を物体に照射する光源と、光源の時間変調信号を遅延する遅延手段と、物体からの反射光を受光する請求項1〜3のいずれか一項に記載の時間相関型イメージセンサとを備え、遅延手段により遅延された信号を時間相関型イメージセンサに変調信号として入力することにより得られた複数のコンデンサの各電荷の和と差を算出して、物体の形状を特定することを特徴とする。
(5)請求項5に係る時間相関検出型イメージセンサは、図5に示すようなイメージセンサに対応するものであって、入力フォトンを電流に変換する光電変換素子、入力された変調信号に応じて光電変換素子により発生した電流を分流して変調する複数のトランジスタ、および複数のトランジスタにより変調された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と;
変調信号よりも遅い周期により複数の受光素子を走査して複数のコンデンサの電荷の差を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする。
(6)請求項6に係る時間相関検出型イメージセンサは、図5や6に示すようなイメージセンサに対応するものであって、入力フォトンを電流に変換する光電変換素子であって、変調信号として印加される外部電界に応じて、発生した電流を分流して変調する光電変換素子、および分流された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と;
変調信号よりも遅い周期により複数の受光素子を走査して複数のコンデンサの電荷の差を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする。
(7)請求項7に係る画像解析装置は、時間変調をかけた光を物体に照射する光源と、
光源の時間変調信号を遅延する遅延手段と、物体からの反射光を受光する請求項5または6に記載の時間相関型イメージセンサとを備え、遅延手段により遅延された信号を時間相関型イメージセンサに変調信号として入力することにより得られた複数のコンデンサの電荷の差を物体の一次微分画像として走査回路で読み出すことを特徴とする。
(1) The time correlation detection type image sensor according to the first aspect of the invention corresponds to the image sensor as shown in FIG. 4, and includes a photoelectric conversion element that converts input photons into current, and an input modulation signal. A plurality of light-receiving elements each having a plurality of transistors for shunting and modulating the current generated by the photoelectric conversion elements according to the above, and a plurality of capacitors for respectively time-integrating the currents modulated by the plurality of transistors;
And a scanning circuit that scans a plurality of light receiving elements at a period later than that of the modulation signal, sequentially reads and resets charges of the plurality of capacitors.
(2) The time correlation detection type image sensor according to claim 2 corresponds to the image sensor as shown in FIG. 6, and is a photoelectric conversion element that converts input photons into current, and is applied as a modulation signal. A photoelectric conversion element that diverts and modulates the generated current according to an external electric field, and a plurality of light receiving elements each having a plurality of capacitors that time-integrate the diverted current;
And a scanning circuit that scans a plurality of light receiving elements at a period later than that of the modulation signal, sequentially reads and resets charges of the plurality of capacitors.
(3) The invention according to claim 3 is the time-correlated image sensor according to claim 1 or 2, wherein the object to be measured is irradiated with modulated light and the reflected light from the object to be measured is received. The modulation signal is inputted so that the sum of the integral values of the two represents the average illuminance of the object to be measured, and the difference between the integral values of the plurality of capacitors becomes the first derivative value of the object to be measured.
(4) The image analysis apparatus according to claim 4 receives the light source that irradiates the object with time-modulated light, the delay means that delays the time-modulated signal of the light source, and the reflected light from the object. The time-correlated image sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the charges of the plurality of capacitors obtained by inputting the signal delayed by the delay means to the time-correlated image sensor as a modulation signal is provided. It is characterized in that the shape of the object is specified by calculating the sum and difference.
(5) A time correlation detection type image sensor according to claim 5 corresponds to the image sensor as shown in FIG. 5, and is a photoelectric conversion element that converts input photons into current, and according to an input modulation signal. A plurality of light-receiving elements each having a plurality of transistors for shunting and modulating current generated by the photoelectric conversion elements, and a plurality of capacitors for time-integrating currents modulated by the plurality of transistors, respectively;
And a scanning circuit that scans a plurality of light receiving elements with a period later than that of the modulation signal, sequentially reads and resets the difference in charge of the plurality of capacitors.
(6) A time correlation detection type image sensor according to claim 6 corresponds to the image sensor as shown in FIGS. 5 and 6 and is a photoelectric conversion element that converts input photons into current, and includes a modulation signal. A photoelectric conversion element that shunts and modulates the generated current according to an external electric field applied as a plurality of light receiving elements each having a plurality of capacitors that respectively time-integrate the shunt current;
And a scanning circuit that scans a plurality of light receiving elements with a period later than that of the modulation signal, sequentially reads and resets the difference in charge of the plurality of capacitors.
(7) An image analysis apparatus according to claim 7 includes a light source that irradiates an object with time-modulated light;
7. A time correlation type image sensor comprising: delay means for delaying a time modulation signal of a light source; and a time correlation type image sensor according to claim 5 for receiving reflected light from an object. The difference between the charges of the plurality of capacitors obtained by inputting the signal as a modulation signal is read as a first-order differential image of the object by a scanning circuit.

(1)請求項1や請求項2に係る発明によれば、入力フォトンを電流に変換する際、入力された電気信号に応じて発生した電流を分流して変調し、変調制御された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する受光素子、あるいは、入力フォトンを電流に変換する際、変調信号として印加される外部電界に応じて発生した電流を分流して変調し、分流された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子を備え、変調信号よりも遅い周期により複数の受光素子を走査することによって、積分した信号を順次読み出すようにしたので、高い時間分解能での時間相関検出を行うことができる。
(2)請求項3に係る発明によれば、計測対象物体に変調光を照射し、その計測対象物体からの反射光を受光する請求項1または2の時間相関型イメージセンサであって、複数のコンデンサの積分値の和が計測対象物体の平均照度を表し、複数のコンデンサの積分値の差が計測対象物体の一次微分値となるように変調信号を入力するようにしたので、時間相関型イメージセンサを画像解析装置に用いることができる。
(3)請求項4に係る画像解析装置によれば、時間変調をかけた光を物体に照射する光源と、光源の時間変調信号を遅延する遅延手段と、物体からの反射光を受光する請求項1〜3のいずれか一項に記載の時間相関型イメージセンサとを備え、遅延手段により遅延された信号を時間相関型イメージセンサに変調信号として入力することにより得られた複数のコンデンサの各電荷の和と差を算出するようにしたので、イメージセンサの出力信号を用いて簡単に物体の形状を特定することができる。
(4)請求項5〜7に係る発明では、請求項1や2における受光素子の複数のコンデンサの電荷の差を順次読み出しリセットするようにしたので、飽和しにくいイメージセンサとすることができ、計測精度が向上する。
(1) According to the first and second aspects of the invention, when converting input photons into current, the generated current is shunted and modulated in accordance with the input electric signal, and the modulation-controlled current is converted. A light receiving element having a plurality of capacitors each for time integration or when converting input photons into current, the current generated according to the external electric field applied as a modulation signal is shunted and modulated, and the shunt current is respectively Since it has multiple light receiving elements with multiple capacitors for time integration and scans multiple light receiving elements with a period slower than the modulation signal, the integrated signals are read sequentially, so time correlation with high time resolution Detection can be performed.
(2) According to the invention of claim 3, the time-correlated image sensor according to claim 1 or 2, wherein the object to be measured is irradiated with modulated light and the reflected light from the object to be measured is received. The sum of the integral values of the capacitors represents the average illuminance of the object to be measured, and the modulation signal is input so that the difference between the integral values of the capacitors is the first derivative of the object to be measured. An image sensor can be used for an image analysis apparatus.
(3) According to the image analyzing apparatus of claim 4, the light source that irradiates the object with time-modulated light, the delay means that delays the time-modulated signal of the light source, and the reflected light from the object are received. Each of the plurality of capacitors obtained by inputting the signal delayed by the delay means as a modulation signal to the time correlated image sensor. Since the sum and difference of charges are calculated, the shape of the object can be easily specified using the output signal of the image sensor.
(4) In the inventions according to claims 5 to 7, since the difference between the charges of the plurality of capacitors of the light receiving element in claims 1 and 2 is sequentially read out and reset, an image sensor that is not easily saturated can be obtained. Measurement accuracy is improved.

以下、図1〜図8を用いて本発明による時間相関検出型イメージセンサおよび画像解析方法の実施の形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a time correlation detection type image sensor and an image analysis method according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本発明による時間相関型イメージセンサの基本構造を図1に示す。この構造の要点は、(a)入射フォトンを光電流(被乗数)に変換するフォトダイオード検出器FDを備え、(b)全画素に共通に外部電気信号(乗数)Sを供給するようにし、(c)光電流と電気信号との間の積に比例する電流を生成する電流モード乗算器1を備え、(d)上記の積電流を時間積分して相関値として蓄積するコンデンサCを備え、(e)相関値を走査して通常のビデオ信号として出力するための走査部(CCDあるいはMOSスイッチ回路)2を備える、ことにある。   A basic structure of a time correlation image sensor according to the present invention is shown in FIG. The main points of this structure are (a) a photodiode detector FD that converts incident photons into photocurrent (multiplicand), (b) an external electric signal (multiplier) S that is commonly supplied to all pixels, c) a current mode multiplier 1 for generating a current proportional to the product between the photocurrent and the electrical signal; (d) a capacitor C for integrating the product current as a correlation value by time integration; e) A scanning unit (CCD or MOS switch circuit) 2 for scanning the correlation value and outputting it as a normal video signal is provided.

画素(i,j)の光検出器の出力をfi,j(t)、外部電気信号をg(t)、走査周期に一致する積分時間をTとすると、時間相関型イメージセンサの(i,j)画素の出力は、

Figure 2006005898
と表されるものとなる。 If the output of the photodetector of the pixel (i, j) is f i, j (t), the external electric signal is g (t), and the integration time corresponding to the scanning period is T, (i , J) The pixel output is
Figure 2006005898
It will be represented.

周波数帯域から見た本発明による時間相関検出型センサの構造(動作)を図2に示す。変調光のような変化する光ではfi,j(t)にはいくらでも高い時間周波数帯域を想定できる。通常のイメージセンサでは、この帯域は走査周期(フレームレート)で強い制限を受けるが、上記のセンサ構造では、この上限は光検出器の限界帯域まで取払われる。外部電気信号Sは全画素共通のため、この帯域も走査周期の制約は受けず、上限帯域は信号分配配線の限界帯域程度と見積もられる。これに対して、出力信号はそれらの相関値であり走査周期分の積分値であるため、その帯域は常に走査周期の帯域に収っている。 FIG. 2 shows the structure (operation) of the time correlation detection type sensor according to the present invention as seen from the frequency band. With varying light such as modulated light, f i, j (t) can assume any high time frequency band. In a normal image sensor, this band is severely limited by the scanning period (frame rate). In the above sensor structure, this upper limit is removed up to the limit band of the photodetector. Since the external electric signal S is common to all pixels, this band is not limited by the scanning cycle, and the upper limit band is estimated to be about the limit band of the signal distribution wiring. On the other hand, since the output signal is a correlation value of these and an integral value for the scanning period, the band is always within the band of the scanning period.

−光伝搬時間による距離画像の生成−
これまで画像センシングにおける相関計測は、主として空間相関−パターンマッチング−に関して議論されるに留まり、時間軸に対する相関は、ほとんど議論されていない。ここでは、非常に高速な時間相関が得られる場合に、画像センシングにどのような応用展開が開けてくるかを、二三の具体例を用いて示す。空間解像度や出力信号の形態としては、積極的に通常の放送用のイメージセンサとコンパティブルなものを想定する。回路の複雑さを10トランジスタ/画素程度に抑えれば、ハイビジョン程度の空間解像度までターゲットとなり得る。
-Generation of distance images based on light propagation time-
So far, correlation measurement in image sensing has been discussed mainly with respect to spatial correlation-pattern matching-and correlation with respect to the time axis has hardly been discussed. Here, a few specific examples are used to show what kind of application development can be opened for image sensing when very fast time correlation is obtained. As a form of the spatial resolution and output signal, it is assumed that it is positively compatible with a normal broadcasting image sensor. If the complexity of the circuit is suppressed to about 10 transistors / pixel, it can be a target up to a spatial resolution of about high definition.

まず最初に、光伝搬時間による距離画像の生成について図3を用いて説明する。この応用は、光検出器、外部電気信号入力とも、数GHz以上の帯域が実現できたときに可能となる。数GHzの時間分解能では、光の伝搬長分解能は3次元計測に求められる数cm以下となることに注目すべきである。   First, generation of a distance image based on light propagation time will be described with reference to FIG. This application becomes possible when a band of several GHz or more can be realized for both the photodetector and the external electric signal input. It should be noted that with a time resolution of several GHz, the propagation length resolution of light is several cm or less required for three-dimensional measurement.

光源はレーザダイオードやLEDなどのように、広帯域な(高い周波数成分を含む)時間変調がかけられるものを想定する。ここではLED3を用いている。このLED3は一定レベルで発光させるのではなく、発光の輝度をM系列のパターンに変調を施して発光させる。この変調光をM(t)とする。すなわち、

Figure 2006005898
を満たすものである。 The light source is assumed to be a broadband (including high frequency component) time modulation such as a laser diode or LED. Here, the LED 3 is used. This LED 3 does not emit light at a constant level, but emits light by modulating the luminance of light emission to an M-sequence pattern. Let this modulated light be M (t). That is,
Figure 2006005898
It satisfies.

LED3の変調信号は遅延装置6を介して遅延時間τだけ遅延されて、外部電気信号としてセンサ5に入力される。また、センサ5の各受光素子により捉えられた入射光は外部電気信号により変調されて、入射光と外部電気信号との積に相当する電荷が相関値として蓄積される。各素子を順次走査することにより蓄積された各素子の電荷を読み出し、これにより相関が求まることとなる。   The modulation signal of the LED 3 is delayed by a delay time τ through the delay device 6 and input to the sensor 5 as an external electric signal. In addition, incident light captured by each light receiving element of the sensor 5 is modulated by an external electric signal, and a charge corresponding to a product of the incident light and the external electric signal is accumulated as a correlation value. By sequentially scanning each element, the accumulated electric charge of each element is read out, whereby a correlation is obtained.

ここで、LED3から対象4までの距離と、対象4からセンサ5までの距離との和をli (i=1,2・・・n)、光速をcとする。ただし、対象4は静止しているものと仮定する。センサ5上の光強度分布は一般に以下のように書かれる。

Figure 2006005898
ただし、光の減衰等は簡略化のため無視してある。また、対象4をセンサ5上に結像させる結像光学系の図示は省略している。ここで、fi (x,y)は距離li のところにある画像、n(x,y,t)は照明光や太陽光などの観測雑音である。この強度分布G(x,y,t)と変調信号M(t)の時間相関関数は、
Figure 2006005898
であり、外部信号として与えるM(t)の時間遅れがτ=li /cの時だけ、fi (x,y)の出力が得られるということである。すなわち、適当にτを選択することによって、外来光によらず所望の距離の物体4表面のみを明るく検出することができる。したがって、例えばτを段階的に変化させることにより、物体4の立体像が得られる。 Here, the sum of the distance from the LED 3 to the object 4 and the distance from the object 4 to the sensor 5 is l i (i = 1, 2,... N), and the speed of light is c. However, it is assumed that the object 4 is stationary. The light intensity distribution on the sensor 5 is generally written as follows.
Figure 2006005898
However, light attenuation and the like are ignored for simplification. An imaging optical system for imaging the object 4 on the sensor 5 is not shown. Here, f i (x, y) is an image at a distance l i , and n (x, y, t) is observation noise such as illumination light or sunlight. The time correlation function between the intensity distribution G (x, y, t) and the modulation signal M (t) is
Figure 2006005898
The output of f i (x, y) is obtained only when the time delay of M (t) given as an external signal is τ = l i / c. That is, by appropriately selecting τ, it is possible to brightly detect only the surface of the object 4 at a desired distance regardless of external light. Therefore, for example, a three-dimensional image of the object 4 is obtained by changing τ stepwise.

−画像の1次微分の算出−
入射光の強度に変調成分を与える方法として、センサを微小振動させる方法もある。以下で述べる応用には、光検出器と外部電気信号の時間周波数帯域とも100kHz以下で十分である。また、微分を画素間差分を用いずに生成することには、イメージセンサ最大の雑音源である画素感度差による誤差を排除できる利点がある。
-Calculation of first derivative of image-
As a method of giving a modulation component to the intensity of incident light, there is a method of minutely vibrating the sensor. For the application described below, it is sufficient that the time frequency band of the photodetector and the external electric signal is 100 kHz or less. Further, generating the differentiation without using the inter-pixel difference has an advantage that an error due to a difference in pixel sensitivity which is the largest noise source of the image sensor can be eliminated.

センサが静止しているときにセンサ上に到来するであろう光強度分布をf0 (x,y)で表す。センサには微小半径εで回転角速度ωの回転的シフト運動、すなわちセンサの受光面内で半径εの円を軌跡とする平行運動を与える。センサの運動速度に比べれば、(例えあったとしても)対象の運動は無視できるものと仮定する。このとき、時刻tにおいてセンサが捉える光強度分布は、

Figure 2006005898
となり、テーラー展開をして1次近似すると、
Figure 2006005898
である。ここで、式(6)にεcosωtを乗じて時間平均をとると、
Figure 2006005898
となる。ここで、<cosωt>=0、<sinωtcosωt>=0、<cos2 ωt>=1/2を用いた。式(7)の左辺はセンサ上に相関値として生成され、εも既知であるから、センサ出力として画像のx微分f0x(x,y)が読み出されることになる。同様にして、f0y(x,y)も式(6)にεsinωtを掛けて時間平均をとることにより求まる。 The light intensity distribution that will arrive on the sensor when the sensor is stationary is denoted by f 0 (x, y). The sensor is given a rotational shift motion with a small radius ε and a rotational angular velocity ω, that is, a parallel motion with a circle of radius ε as a locus in the light receiving surface of the sensor. We assume that the subject's motion is negligible (if any) compared to the sensor's motion speed. At this time, the light intensity distribution captured by the sensor at time t is
Figure 2006005898
Then, when Taylor expansion is performed and first order approximation,
Figure 2006005898
It is. Here, by multiplying equation (6) by εcosωt and taking the time average,
Figure 2006005898
It becomes. Here, <cos ωt> = 0, <sin ωt cos ωt> = 0, and <cos 2 ωt> = 1/2 were used. Since the left side of equation (7) is generated as a correlation value on the sensor and ε is also known, the x derivative f 0x (x, y) of the image is read as the sensor output. Similarly, f 0y (x, y) is also obtained by multiplying equation (6) by ε sin ωt and taking the time average.

これは、回転的シフト量のx方向成分を外部電気信号とすることにより、画像のx微分f0x(x,y)が読み出されることを意味する。同様に、回転的シフト量のy方向成分を外部電気信号とすることにより、画像のy微分f0y (x,y)が読み出される。また、定数を外部信号として読み出せば、回転的シフトによる移動平均画像が得られる。 This means that the x differential f 0x (x, y) of the image is read by using the x-direction component of the rotational shift amount as an external electric signal. Similarly, by using the y-direction component of the rotational shift amount as an external electric signal, the y derivative f 0y (x, y) of the image is read out. If the constant is read as an external signal, a moving average image by rotational shift can be obtained.

1次微分が精度良く求まることは、単に演算処理量の減少にとどまらず、勾配ベクトルを用いたさまざまな画像処理(エッジ検出、オプティカルフロー検出、両眼ステレオ等)の精度の大幅な向上につながる。なお、センサ自体を振動させる代りに、例えば光学系の一部を振動させるなどして、固定したセンサ上で結像を移動(振動)させるようにしてもよい。   Obtaining the first derivative with high accuracy leads to a significant improvement in the accuracy of various image processing (edge detection, optical flow detection, binocular stereo, etc.) using gradient vectors, not just reducing the amount of calculation processing. . Instead of vibrating the sensor itself, the imaging may be moved (vibrated) on the fixed sensor by, for example, vibrating a part of the optical system.

−時間相関型イメージセンサのセンシングセルの構造−
次に、時間相関型イメージセンサのセンシングセルの具体的な構成を例示する。
-Sensing cell structure of time-correlated image sensor-
Next, a specific configuration of the sensing cell of the time correlation type image sensor will be exemplified.

乗算を実現する代表的な回路構成として、可変コンダクタンス差動増幅器が知られている。図4は、これを利用した構成法を示す。図4ではバイポーラトランジスタQ1 ,Q2 を用いているが、差動のトランジスタ対として、サブスレッショルド領域にバイアスされたMOSFET対を用いてもよい。 A variable conductance differential amplifier is known as a typical circuit configuration for realizing multiplication. FIG. 4 shows a configuration method using this. Although bipolar transistors Q 1 and Q 2 are used in FIG. 4, MOSFET pairs biased in the subthreshold region may be used as differential transistor pairs.

この回路の差動入力電圧

Figure 2006005898
に対する相互コンダクタンスgm は、トランジスタQ1 ,Q2 のエミッタバイアス電流を与える光電流IPD(t)に比例する。したがって、この比例係数をρとすると、両コレクタ電流は、
Figure 2006005898
となり、コンデンサC1 ,C2 に蓄積される電荷には、
Figure 2006005898
Figure 2006005898
のように、IPD (t)とV(t)の相関に比例した成分と、IPD の積分値に比例する成分との和が生成される。MOSFETQ3 ,Q4 による電荷転送の後で、画素ごとにこれらの和と差をとることにより、
Figure 2006005898
Figure 2006005898
のごとく、それらが分離される。前者の和の成分は、通常のイメージセンサの出力(平均照度)に等しい。したがって、例えば上述した画像の1次微分の算出を行う場合には、式(8)の差動入力電圧V(t)をセンサの外部電気信号(変調信号)として用い、2つのコンデンサC1 ,C2 の電荷をFETQ3 およびQ4 をオンさせて電圧を介して検出し、その差分を相関として求めればよい。なお、式(9)〜式(13)の添字はコンデンサC1 ,C2 の添字に対応している。 The differential input voltage of this circuit
Figure 2006005898
The mutual conductance g m with respect to is proportional to the photocurrent I PD (t) that gives the emitter bias currents of the transistors Q 1 and Q 2 . Therefore, if this proportionality coefficient is ρ, both collector currents are
Figure 2006005898
The charge accumulated in the capacitors C 1 and C 2 is
Figure 2006005898
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Thus, a sum of a component proportional to the correlation between I PD (t) and V (t) and a component proportional to the integral value of I PD is generated. By taking these sums and differences for each pixel after charge transfer by MOSFETs Q 3 and Q 4 ,
Figure 2006005898
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As such, they are separated. The former sum component is equal to the output (average illuminance) of a normal image sensor. Therefore, for example, when calculating the first derivative of the image described above, the differential input voltage V (t) of the equation (8) is used as an external electric signal (modulation signal) of the sensor, and the two capacitors C 1 , The charge of C 2 may be detected via voltage with FETs Q 3 and Q 4 turned on, and the difference between them may be obtained as a correlation. Note that the subscripts in the equations (9) to (13) correspond to the subscripts of the capacitors C 1 and C 2 .

しかし、この回路構成の欠点は、応用によっては大変大きな値をもつIPD の積分値の成分が、蓄積コンデンサ(コンデンサC1 ,C2 )やCCD転送線を飽和させやすいため精度上の困難さが予想される点にある。平均照度の成分をあきらめて差成分のみを生成するには、カレントミラー回路の付加により分岐された電流を逆相合成して1つのコンデンサに電荷を蓄積する方法や、図5のように、2つのコンデンサC3 ,C4 の蓄積電荷の差成分のみを取り出すようなFETスイッチ回路(Q5 ,Q6 )を内蔵させる方法なども考えられる。通常は図5のVXFR を低電位に維持して2つのコンデンサC3 ,C4 を充電するとともに、走査時にVXFR を高電位に切替えることにより、FETQ3 を介して2つのコンデンサC3 ,C4 の蓄積電荷の差成分に応じた電圧を検出することができる。 However, the disadvantage of this circuit configuration is that the integrated value component of IPD , which has a very large value depending on the application, easily saturates the storage capacitors (capacitors C 1 and C 2 ) and the CCD transfer line. Is in the point that is expected. In order to give up the average illuminance component and generate only the difference component, a method of accumulating electric charge in one capacitor by synthesizing the current branched by adding a current mirror circuit and combining two currents as shown in FIG. A method of incorporating an FET switch circuit (Q 5 , Q 6 ) that extracts only the difference component of the accumulated charges of the two capacitors C 3 and C 4 is also conceivable. Usually with charges the two capacitors C 3, C 4 and maintained at a low potential V XFR in FIG. 5, by switching the V XFR to the high potential at the time of scanning, via the FETs Q 3 two capacitors C 3, A voltage corresponding to the difference component of the accumulated charge of C 4 can be detected.

図4および図5の回路では、検出器に生じた光電流を、電圧入力に比例した按分比率で2つのコンデンサに分配し、電荷として蓄えていると見なせる。そして、光検出器自体にこのような発生電流の按分機構を埋め込めれば、回路的手段により電荷を振り分ける場合に比べて乗算の周波数帯域が大幅に拡大することが予想される(例えば数GHz以上)。   In the circuits of FIGS. 4 and 5, the photocurrent generated in the detector is distributed to the two capacitors at a proportional ratio proportional to the voltage input, and can be regarded as being stored as electric charge. If such an apportioning mechanism for the generated current can be embedded in the photodetector itself, it is expected that the frequency band of multiplication will be greatly expanded compared to the case where charges are distributed by circuit means (for example, several GHz or more). ).

図6はこのような光検出器の一例であり、半導体中に発生した光キャリアのドリフト方向を外部電界で制御し、2つのpn接合に流れ落ちるキャリア数を変調するようにし、コンデンサC5 ,C6 に電流を振り分けている。コンデンサC5 ,C6 の電荷はMOSFETQ7 ,Q8 のオン動作により読み出される。図6に示す光検出器では、VMPY + とVMPY - の差分が上述の光伝搬時間による距離画像の生成における外部電気信号(変調信号)に対応する。 FIG. 6 shows an example of such a photodetector, in which the drift direction of optical carriers generated in a semiconductor is controlled by an external electric field so as to modulate the number of carriers flowing down to two pn junctions, and capacitors C 5 , C The current is distributed to 6 . The electric charges of the capacitors C 5 and C 6 are read by turning on the MOSFETs Q 7 and Q 8 . In the photodetector shown in FIG. 6, the difference between V MPY + and V MPY corresponds to the external electric signal (modulation signal) in the generation of the distance image based on the light propagation time described above.

次に、図7に示すFETブリッジを用いたスイッチング方式半2値相関回路について説明する。この回路構成には、外部電気信号が2値的信号に制限される欠点はあるが、容易に高精度の動作が得られるという利点とともに、従来のCCDイメージセンサと半導体製造プロセス上の共通点が多いという利点がある。   Next, a switching type half binary correlation circuit using the FET bridge shown in FIG. 7 will be described. Although this circuit configuration has a drawback that the external electrical signal is limited to a binary signal, it has the advantage of easily obtaining high-precision operation, and has common points in the semiconductor manufacturing process with the conventional CCD image sensor. There is an advantage that there are many.

この回路の動作は、図8に模式的に示される。まず、画素に光が入射すると、その光は各画素ごとにフォトダイオードPDにより電流に変換される。通常のCCDカメラでは、この電流により直接コンデンサで電荷を蓄積し、コンデンサの両端電圧をスキャンする。ここで提案する方法では、通常の電荷蓄積前にFETを4個(Q11 〜Q14 )用いてスイッチングを行い、走査時にはFETQ12 およびQ13 をオンさせた状態でFETQ15 を介してコンデンサC7 の電圧を検出する。これは、例えばM系列信号で駆動することに対応している。すなわち、電流スイッチングを繰返し行うことにより、中央のコンデンサC7 の電荷が蓄積され(放出され)、このコンデンサC7 の両端電圧を計測することにより、相関が計算されたことになる。 The operation of this circuit is schematically illustrated in FIG. First, when light enters a pixel, the light is converted into a current by a photodiode PD for each pixel. In a normal CCD camera, electric charge is directly accumulated by a capacitor by this current, and the voltage across the capacitor is scanned. In the method proposed here, four FET before normal charge storage (Q 11 ~Q 14) performs switching by using the capacitor C at the time of scanning through the FETs Q 15 in a state of being turned on FETs Q 12 and Q 13 7 voltage is detected. This corresponds to driving with an M-sequence signal, for example. That is, by repeatedly performing current switching, the charge of the central capacitor C 7 is accumulated (released), and the correlation is calculated by measuring the voltage across the capacitor C 7 .

本発明によるイメージセンサの構造を示す図。The figure which shows the structure of the image sensor by this invention. 図1に示すイメージセンサの動作帯域を示す図。The figure which shows the operation | movement band of the image sensor shown in FIG. 本発明によるイメージセンサを用いた光伝播時間による距離画像の生成を示す図。The figure which shows the production | generation of the distance image by the light propagation time using the image sensor by this invention. 差動トランジスタを用いて光電流を2つのコンデンサに分流させる例を示す回路図。The circuit diagram which shows the example which shunts a photocurrent to two capacitors using a differential transistor. 図4に示す回路にFETスイッチを付加しで差分だけを取り出す例を示す回路図。The circuit diagram which shows the example which takes out only a difference by adding FET switch to the circuit shown in FIG. 半導体中に発生した光キャリアを2つのコンデンサに割り振る構成を模式的に示す図。The figure which shows typically the structure which allocates the optical carrier generate | occur | produced in the semiconductor to two capacitors. FETブリッジを用いたスイッチング方式半2値相関回路を示す回路図。The circuit diagram which shows the switching system half binary correlation circuit using FET bridge | bridging. 図7に示す回路の動作を説明する図。FIG. 8 illustrates an operation of the circuit illustrated in FIG. 7.

符号の説明Explanation of symbols

1 電流モード乗算器
3 LED
4 対象
C コンデンサ
S 電気信号
FD フォトダイオード
1 Current mode multiplier 3 LED
4 Target C Capacitor S Electrical signal FD Photodiode

Claims (7)

入力フォトンを電流に変換する光電変換素子、入力された変調信号に応じて前記光電変換素子により発生した電流を分流して変調する複数のトランジスタ、および前記複数のトランジスタにより変調された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と、
前記変調信号よりも遅い周期により前記複数の受光素子を走査して前記複数のコンデンサの電荷を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする時間相関検出型イメージセンサ。
A photoelectric conversion element that converts input photons into current, a plurality of transistors that shunt and modulate the current generated by the photoelectric conversion element according to the input modulation signal, and a current that is modulated by the plurality of transistors is timed A plurality of light receiving elements having a plurality of capacitors to be integrated;
A time correlation detection type image sensor comprising: a scanning circuit that scans the plurality of light receiving elements at a period later than that of the modulation signal to sequentially read out and reset the charges of the plurality of capacitors.
入力フォトンを電流に変換する光電変換素子であって、変調信号として印加される外部電界に応じて、発生した電流を分流して変調する光電変換素子、および前記分流された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と、
前記変調信号よりも遅い周期により前記複数の受光素子を走査して前記複数のコンデンサの電荷を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする時間相関検出型イメージセンサ。
A photoelectric conversion element that converts input photons into a current, the photoelectric conversion element that shunts and modulates the generated current according to an external electric field applied as a modulation signal, and time-integrates each of the shunt current A plurality of light receiving elements having a plurality of capacitors;
A time correlation detection type image sensor comprising: a scanning circuit that scans the plurality of light receiving elements at a period later than that of the modulation signal to sequentially read out and reset the charges of the plurality of capacitors.
計測対象物体に変調光を照射し、その計測対象物体からの反射光を受光する請求項1または2の時間相関型イメージセンサであって、
前記複数のコンデンサの積分値の和が前記計測対象物体の平均照度を表し、前記複数のコンデンサの積分値の差が前記計測対象物体の一次微分値となるように前記変調信号を入力することを特徴とする時間相関検出型イメージセンサ。
The time-correlated image sensor according to claim 1 or 2, wherein the object to be measured is irradiated with modulated light and the reflected light from the object to be measured is received.
The sum of integrated values of the plurality of capacitors represents an average illuminance of the measurement target object, and the modulation signal is input so that a difference between the integration values of the plurality of capacitors becomes a first derivative value of the measurement target object. A time correlation detection type image sensor.
時間変調をかけた光を物体に照射する光源と、
光源の時間変調信号を遅延する遅延手段と、
前記物体からの反射光を受光する請求項1〜3のいずれか一項に記載の時間相関型イメージセンサとを備え、
前記遅延手段により遅延された信号を前記時間相関型イメージセンサに変調信号として入力することにより得られた前記複数のコンデンサの各電荷の和と差を算出して、前記物体の形状を特定することを特徴とする画像解析装置。
A light source that irradiates an object with time-modulated light;
Delay means for delaying the time-modulated signal of the light source;
The time-correlated image sensor according to any one of claims 1 to 3, which receives reflected light from the object.
Calculating the sum and difference of the charges of the plurality of capacitors obtained by inputting the signal delayed by the delay means as a modulation signal to the time-correlated image sensor, and specifying the shape of the object An image analysis apparatus characterized by the above.
入力フォトンを電流に変換する光電変換素子、入力された変調信号に応じて前記光電変換素子により発生した電流を分流して変調する複数のトランジスタ、および前記複数のトランジスタにより変調された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と、
前記変調信号よりも遅い周期により前記複数の受光素子を走査して前記複数のコンデンサの電荷の差を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする時間相関検出型イメージセンサ。
A photoelectric conversion element that converts input photons into current, a plurality of transistors that shunt and modulate the current generated by the photoelectric conversion element according to the input modulation signal, and a current that is modulated by the plurality of transistors is timed A plurality of light receiving elements having a plurality of capacitors to be integrated;
A time correlation detection type image sensor comprising: a scanning circuit that scans the plurality of light receiving elements at a period slower than the modulation signal and sequentially reads and resets the difference in charge of the plurality of capacitors.
入力フォトンを電流に変換する光電変換素子であって、変調信号として印加される外部電界に応じて、発生した電流を分流して変調する光電変換素子、および前記分流された電流をそれぞれ時間積分する複数のコンデンサを有する複数の受光素子と、
前記変調信号よりも遅い周期により前記複数の受光素子を走査して前記複数のコンデンサの電荷の差を順次読み出しリセットする走査回路とを備えることを特徴とする時間相関検出型イメージセンサ。
A photoelectric conversion element that converts input photons into a current, the photoelectric conversion element that shunts and modulates the generated current according to an external electric field applied as a modulation signal, and time-integrates each of the shunt current A plurality of light receiving elements having a plurality of capacitors;
A time correlation detection type image sensor comprising: a scanning circuit that scans the plurality of light receiving elements at a period slower than the modulation signal and sequentially reads and resets the difference in charge of the plurality of capacitors.
時間変調をかけた光を物体に照射する光源と、
光源の時間変調信号を遅延する遅延手段と、
前記物体からの反射光を受光する請求項5または6に記載の時間相関型イメージセンサとを備え、
前記遅延手段により遅延された信号を前記時間相関型イメージセンサに変調信号として入力することにより得られた前記複数のコンデンサの電荷の差を前記物体の一次微分画像として前記走査回路で読み出すことを特徴とする画像解析装置。
A light source that irradiates an object with time-modulated light;
Delay means for delaying the time-modulated signal of the light source;
The time-correlated image sensor according to claim 5, which receives reflected light from the object.
The scanning circuit reads out the difference in charge of the plurality of capacitors obtained by inputting the signal delayed by the delay means as a modulation signal to the time-correlated image sensor as a first-order differential image of the object. An image analysis device.
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