JP2004356699A - Imaging apparatus and imaging element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光入力信号の1フレーム分前後の差分イメージ信号(以下変動分と記す)を検出して、この変動分のみを画像として出力する撮像装置及び撮像素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の光入力信号の変動分を抽出するシステムは、光入力信号の変動分を検出するために、撮像装置1に接続されるデジタル機器による信号処理を主体としており、このデジタル機器は図6の点線部で囲って示すようなA/D変換回路ADC2、2フレーム分のメモリー容量を持ち1フレーム分の遅延信号を得るためのフレームメモリー3a,3b、ADC2とフレームメモリー3a,3bから出力されるデータの差分をとり変動分を検出する差動増幅器4とから構成されていた。
【0003】
この従来の光入力信号の変動分を抽出するデジタル機器の動作例を以下に説明する。まず、光入力信号としての被写体光学像を撮像装置1で撮像しアナログ電気信号S0に変換する。このアナログ電気信号S0をA/D変換回路ADC2に送りデジタル信号S1に変換した後フレームメモリー3a,3bに送り1フレーム分のメモリーを2つ用いて交互にWrite/Readを繰り返しデジタル信号S1から1フレーム分時間差のあるデジタル信号S2を出力する。デジタル信号S2をデジタル信号S1と共に差動増幅器4へ入力し差分イメージ信号S3(=S2−S1)を得る。この差分イメージ信号S3をデジタル信号処理5に入力して信号レベル、輪郭情報、色情報等による差分イメージ信号の特徴を抽出する(下記の特許文献1に記載)。
【0004】
光入力信号を得るための撮像装置1の概要図を図7に示す。撮像装置1は被写体光学像を撮像素子6に結像するためのレンズ7、被写体光学像を受光しアナログ電気信号S0に変換する撮像素子6、撮像素子6を駆動するためのパルス列を供給する駆動回路9、撮像素子6と駆動回路9に電源を供給する電源回路8から構成され、撮像装置1は被写体光学像をレンズ7により撮像素子6に結像し、この撮像素子6に結像された被写体光学像をアナログ電気信号S0に変換して撮像装置1から出力する。
【0005】
次に図6における各信号波形図を図8に示す。同図の(a)〜(g)における信号レベルは白を100%とし黒を0%として示したものである。
図8の(a)は撮像装置1から出力されるアナログ電気信号S0を1フレーム順にS0a,S0b,S0c,S0d,..として示したもので、このうちS0bのL1,H1部分に変動分を含んでいる。撮像装置1からのアナログ電気信号出力S0としては信号出力に反転現象(100%を超えた光入力がある場合電気信号への変換が過剰飽和になり100%以下の信号出力となる現象)を防ぐために実際の飽和レベルは400%以上に設定している。観視用の画像情報のみに用いる場合は、100%〜400%の信号レベルを120%程度に圧縮して用いている。しかし、画像情報から変動分としての差分イメージ信号を正確に得るためには圧縮を外して用いるのが一般的である。従って、図8(a)の100%近い光入力信号を被写体光学像として撮像した撮像装置1から出力されるアナログ電気信号S0に対しH1部に示すような100%を越す変動分が含まれても圧縮やカットはされずそのまま次のADC2へ送られる。
【0006】
図8(b)は前記したアナログ電気信号S0(S0a,S0b,S0c,..)をデジタル信号S1(S1a,S1b,S1c,..)に変換した図である。
このA/D変換回路ADC2では入力レベルを100%に設定しておりそれ以上のレベルの信号が入力されると図8(b)のS1bにおけるH1の塗りつぶし部分に示すように出力時に出力データがカットされ、正確な変動分が得られない。
【0007】
次にADC2でデジタル信号に変換されたデジタル信号S1をフレームメモリー3a,3bに加えこの2フレーム分の容量のメモリーを1フレームずつWrite/Read交互に用いてデジタル信号S1から1フレーム遅れたデジタル信号S2(図8の(c))を形成しデジタル信号S1とともに差動増幅器4へ送る。この時間差のあるデジタル信号S1とデジタル信号S2とを差動増幅器4ではS3(=S2−S1)となるような減算を行い差分イメージ信号S3として形成し出力する。
この差分イメージ信号S3においても図8(d)に示されるように100%以上のレベルのH1部はカットされたままの状態で出力されるから変動分情報の欠如した差分イメージ信号S3しか得られない。
【0008】
前述した図8(a〜d)は変動分を出来るだけ大きく得ようとして信号レベルを100%近くに設定したものである。次に述べる図8の(e)〜(g)は変動分をカットしないように光入力信号レベルを50%に設定した場合で(e)はデジタル信号S1,(f)はデジタル信号S2、(g)は差分イメージ信号S3を示す。このように光入力信号レベルを下げると,変動分を含めても100%以上とならないから変動分はカットされずカット分のない差分イメージ信号S3が得られるが、光入力信号レベルが低いので差分イメージ信号レベルも少なくなりこれをADC2に入力すると差分イメージ信号S3の分解能は半分に低下してしまう。
【0009】
このため、光入力信号をアナログ電気信号からデジタル信号に変換しデジタル処理により差分イメージ信号を検出しようとすると光入力信号レベルの影響を受けて飽和分がカットされたり、分解能が低下したりしてデジタル信号処理5で十分な変動分の解析を行うことが出来なかった。
【0010】
次に撮像装置1における撮像素子6の構成については図9のブロック図を用いて更に詳細に説明する。撮像素子6は垂直選択回路6a,水平選択回路6b,画素構成部6cを有する。
この撮像素子6は被写体光学像を受光しアナログ電気信号に変換するマトリクス状に複数の画素が配列された画素構成部6c、画素構成部6cへ垂直ラインの画素列を選択するパルス列を送る垂直選択回路6a、水平画素を選択するスイッチ列からなる水平選択回路6bから構成される。
【0011】
前記した撮像素子6の動作としては,被写体光学像が結像され被写体光学像の光量に応じた電荷を蓄積した画素(0,0),(0,1),...(n,m−1),(n,m)を垂直選択回路6aから出力されるパルス列row0,row1,...rownで垂直ラインの画素列を選択しSout0,Sout1,...Soutm−1,Soutmを水平選択回路5bへ送り水平選択回路でこの水平方向のSout0,Sout1,...Soutm−1,Soutmを順次選択して被写体光学像のアナログ電気信号S0として撮像素子6から出力する。
【0012】
撮像素子6の画素構成部6cを構成する1画素の回路例を図10に示し、この1画素の動作例を説明すると、まずトランジスタTr1をresetパルスによりONにしてフォトダイオードPD1の電荷をリセットする。次にTr1をOFFにする。この状態でフォトダイオードPD1に被写体光像による光を結像すると、被写体光像の光量に応じてフォトダイオードPD1に電荷が蓄積される。
【0013】
この電荷を所定時間(例えば1フレーム)蓄積した後、垂直選択回路6aから供給されるrowパルスによりトランジスタTr11をONにしてフォトダイオードPD1に蓄積された電荷をTr10,Tr11経由で被写体光学像の電気信号に変換された出力信号Soutとして取りだし図10に示される水平選択回路6bに加える。
【0014】
水平選択回路6bでは水平方向の画素の出力信号Soutを選択すると共に図示しないCDS(Correlated Double Sampling:相関二重サンプリング)回路により雑音の一部を除去したのち撮像素子6からアナログ電気信号S0として出力する。フォトダイオードPD1に蓄積された電荷はTr11がONになると同時に出力信号として放出されるから一度の読み出しで消滅する。
【0015】
【特許文献1】
「特開2000−32347号広報」
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の光入力信号の変動分をデジタル信号処理主体で抽出する場合、例えば照明量を増やしたり,撮像装置の絞りを開けることにより、変動分のない時の光入力信号の設定を100%付近に設定して、出来るだけ変動分を大きく得ようとする方法がある。
この方法によれば大きな変動分が得られるはずであるが、光入力信号レベルを100%付近に設定しているので、100%を超えた明るい方へ変動分が発生した場合、A/D変換部でデジタル信号出力が飽和してしまい、この結果変動分を抽出出来ないという問題がある。
【0017】
また反対に照明量を落としたり,撮像装置の絞りや利得を下げて変動分を含めた光入力信号レベルが100%を越さないように変動分のない時の入力信号レベル全体を50%以下に低く設定する方法がある。
しかし,この方法によれば入力信号レベルが低くなることにより、小さな変動分しか得られずA/D変換部でデジタル信号に変換する際の分解能が低下してしまう問題がある。
【0018】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、例えば、光入力信号の変動分のみをアナログ信号のまま抽出出来る撮像装置及び撮像素子により、前記課題を解決することを目的としている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための第1の手段は、被写体光学像を撮像して得た、1フレーム分の第1の撮像信号と前記第1の撮像信号の直前に存在する1フレーム分の第2の撮像信号とを1組にして、1フレーム分の時間差がある前記第1の撮像信号と前記第2の撮像信号との差分を検出して、前記差分に係る撮像信号のみを出力する撮像装置であって、前記被写体光学像を受光して光電変換出力するための画素を、マトリクス状に多数配置した受光手段(フォトダイオードPD1)と、前記受光手段の各前記画素にそれぞれ接続されており、各前記画素から出力しかつ前記1組の前記第1、第2の撮像信号に係る光電変換出力をそれぞれ、1フレーム分の帰線消去期間内に、1フレーム分の時間差で順次交互に書き換え可能なように記憶し、書き換え可能なように記憶しかつ1フレーム分の時間差のある前記1組の前記第1、第2の撮像信号に係る光電変換出力を同時に読み出す記憶手段(浮遊容量C1,C2)と,前記記憶手段から同時に読み出した前記光電変換出力から、前記1組の前記第1、第2の撮像信号を生成し、生成した前記第1の撮像信号と前記第2の撮像信号との差分を前記差分に係る撮像信号として出力する差動手段(差動AMP10d)とを、有することを特徴とする撮像装置。
【0020】
また上記の目的を達成するための第2の手段は、請求項1に記載された撮像装置に用いられる撮像素子であって、前記受光手段と、前記記憶手段とを有しており、前記記憶手段は、前記受光手段の各前記画素にそれぞれ接続されており、各前記画素から出力する前記1組の前記第1、第2の撮像信号に係る光電変換出力をそれぞれ書き換え可能なように記憶する2つのメモリであることを特徴とする撮像素子。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態についてもっとも好ましい実施例を持って図面と共に説明する。本発明による撮像装置及び撮像素子は、照明量を増やしたり,撮像装置の絞りを開けることにより、変動分のない時の光入力信号の設定を100%付近に設定して、被写体光学像を撮像して得た各フレーム分の撮像信号と直前の1フレーム分の撮像信号との差分を飽和のない変動分として検出し、この変動分のみの画像を出力するものである。
【0022】
図1は本発明になる撮像装置及び撮像素子の基本回路構成図を示す。この基本回路構成図は画素+メモリー部10c、CDS部10b(水平選択回路に含まれる相関二重サンプリング回路)、差動増幅部10dからなる。
【0023】
画素+メモリー部10cは撮像素子10における1画素分の構成であり、まず被写体光学像の光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードPD1、二つのアナログメモリーとして用いられる浮遊容量C1,C2が主体となる。
【0024】
この動作を説明すると、まずトランジスタTr1をresetパルスによりONにしてフォトダイオードPD1の電荷をリセットする。次にresetパルスをOFFにし、被写体光像の光量による電荷を最初の1フレーム分フォトダイオードPD1に蓄積する。最初の1フレーム分の電荷蓄積終了直前にパルスorstによりトランジスタTr8を瞬間的にONにして浮遊容量C1の電荷をリセットしておく。
【0025】
次にパルスgxloによりトランジスタTr2を最初の1フレーム期間のPD1における電荷蓄積が終了すると同時にONにし、フォトダイオードPD1に蓄積された最初の1フレーム分の電荷を浮遊容量C1に移動する。次にパルスgxloによりトランジスタTr2を2フレーム分の期間OFFにする。以上により浮遊容量C1に最初の1フレーム分の電荷が2フレーム期間蓄積される。
【0026】
再びトランジスタTr1をresetパルスによりONにしてフォトダイオードPD1の電荷をリセットする。リセット終了後、被写体光像の光量による電荷を2番目の1フレーム分としてフォトダイオードPD1に蓄積する。2番目の1フレーム分の電荷蓄積終了直前にパルスerstによりトランジスタTr9を瞬間的にONにして浮遊容量C2の電荷をリセットしておく。
【0027】
次にパルスgxleによりトランジスタTr3を2番目の1フレーム期間の電荷蓄積が終了すると同時にONにし、フォトダイオードPD1に蓄積された2番目の1フレーム分の電荷を浮遊容量C2に移動する。次にパルスgxleによりトランジスタTr3をOFFにする。以上により浮遊容量C2に2番目の1フレーム分の電荷が蓄積される。
【0028】
このようにして最初の1フレーム分の電荷は浮遊容量C1に、2番目の1フレーム分の電荷は浮遊容量C2に蓄積される。そして、パルスrowによりTr6、Tr7をそれぞれONにして、浮遊容量C1の電荷はトランジスタTr4,Tr6を、浮遊容量C2の電荷はトランジスタTr5,Tr7を経由して1フレームの時間差のある2系統の被写体光学像を電気信号に変換した出力信号Souta,Soutbを出力する。
【0029】
この出力信号SoutaとSoutbをCDS部10bに送る(CDS:Correlated Double Sampling....相関二重サンプリング)。CDS部10bではこの入力したSoutaとSoutbに応じた電流を電流源I1,I2に流し、この時生ずる電流変化を容量C3,C4に電荷として伝達する。スイッチS1,S2は電流源I1,I2に信号成分を供給する前にONにし,容量C3,C4に残っている電荷をリセットしておく。次にスイッチS1,S2をOFFにし、さらにスイッチS3,S4をONにして電流変化の電荷を容量C3,C4経由で容量C5,C6に伝送する。そしてスイッチS3,S4をOFFにすれば電流変化による電荷が容量C5,C6に蓄積されるからこれを増幅器AMPA1,A2で増幅すれば直流分雑音の一部を除去した信号Sa、Sbを得る。
【0030】
CDS部10bから出力された信号Sa,Sbを差動増幅部10dのスイッチS5,S6に加える。信号Saと信号Sbはフレーム毎に記憶された光信号入力の時間が異なるため、常に早く記憶された信号から遅く記憶した時間を減算するようスイッチS5,S6のスイッチ位置を切り替えて差動増幅器A3に信号Sa,Sbの信号を加え差分イメージ信号Sdを抽出する。
このようにしてアナログ電気信号としての差動分を得ることが出来る。
【0031】
次に抽出された差分イメージ信号Sdを図1の点線部に示すような回路構成のA/D変換回路ADC2へ加えてデジタル信号に変換する例について説明する。このADC2へ差動増幅部10dで抽出された差分イメージ信号Sdを加えれば差分イメージ信号Sdのデジタル信号S1を得る。アナログ状態の差分イメージ信号Sdは変動分がないときは一定電圧であるから,この一定電圧をA/D変換する際にデジタル信号S1の中央レベル値となるよう制御電圧Ref1で調整する。
【0032】
この本発明になる撮像装置及び撮像素子の基本回路を撮像素子10に組み込んだ例を図2のイメージセンサーブロック図に、信号波形図を図3に示めし以下に説明する。
撮像素子10は画素構成部10cの垂直ラインを選択するパルス列(row=row0,row1,row2,...rown)を発生する垂直選択回路10a、画素構成部10cの水平方向の画素を選択し図示しないCDS回路を付加した二つの水平選択回路A,B、一つのフォトダイオードPD1と二つのアナログメモリー(浮遊容量C1,C2)を1画素とした画素をマトリクス状に複数配列した画素構成部10c、差分信号を検出する差動AMP10dから構成される。(A/D変換回路ADC2は必要に応じ付加する。)
【0033】
撮像素子10には1フレーム毎にフォトダイオードPD1をリセットするresetパルス(図3の(a))、浮遊容量C1をリセットするorstパルス(図3の(b))、フォトダイオードPD1の1フレーム分の電荷を浮遊容量C1に転送するgxloパルス(図3の(c))、浮遊容量C2をリセットするerstパルス(図3の(d))、フォトダイオードPD1の1フレーム分の電荷を浮遊容量C2に転送するgxleパルス(図3の(e))が加えられる。
【0034】
これらのパルスは全て撮像素子10の帰線消去期間内(BL1,2,3,..)でONするよう設定される。ONの順序は図3の(a)〜(e)に示されるように(b)のorstパルスにより浮遊容量C1の電荷をリセットした後(c)のgxloパルスによりフォトダイオードPD1に蓄積された1フレーム分の電荷を浮遊容量C1に転送する。そして(a)のresetパルスでフォトダイオードPD1の電荷をリセットした後、次の1フレーム期間被写体光学像の光量に応じた電荷をフォトダイオードPD1に蓄積する。フォトダイオードPD1に次の1フレーム分の電荷が蓄積されると今度は(d)のerstパルスをONにして浮遊容量C2の電荷をリセットした後(e)のgxleパルスをONにして次の1フレーム分の電荷を浮遊容量C2に転送する。このようにすれば浮遊容量C1、浮遊容量C2には帰線消去期間内のパルス列により1フレーム分の時間差のある被写体光学像の電荷が蓄積される。
【0035】
浮遊容量C1,浮遊容量C2に蓄積された被写体光学像の電荷は図3の(f),(g)に示すように2フレーム分の期間同一信号として2回分(例えばSa1,Sa1及びSb2,Sb2のように)、映像信号期間に読み出される。(f)は最初に浮遊容量C1に蓄積された被写体光学像の電荷を信号Sa1として2フレーム期間水平選択回路Aから出力される。(g)は次に浮遊容量C2に蓄積された被写体光学像の電荷をSb2として2フレーム期間水平選択回路Bから出力される。続いて3番目の被写体光学像の電荷をSa3として,4番目の被写体光学像の電荷をSb4として連続でそれぞれ2フレーム分出力する。
【0036】
次に水平選択回路A,Bから出力された信号は差動AMP10dにより差分イメージ信号に変換される。差動AMP10dでは、時間的に前のフレーム分の信号から後のフレームの信号を常に差し引くよう図3の(h)のSd1(=Sa1−Sb2),Sd2(=Sb2−Sa3),Sd3(=Sa3−Sb4)となるように水平選択回路A,Bから出力された信号を交互に入れ替えて演算する。このようにして得られた差分イメージ信号Sd1,sd2,Sd3,..のレベルは(i)の点線部分で示すように少ない事が多いので必要に応じて(i)の実線でに示すように差動AMP10dで100%に近い出力レベルとなるよう増幅して出力する(Sd2‘=Sd2xG0,Sd3’=Sd3xG0...G0:増幅率)。
【0037】
次に各部分の最大信号レベルとしては、図1の画素+メモリー部10cからCDS部10bを経由して差動増幅部10dまでは、十分な差分信号を得られるように400%以上を確保する。このようにしておけば、例えば光入力信号が100%に設定されていて、これに変動分が100%重畳され最大レベルが200%になったとしても、差分イメージ信号は100%レベルとしてカットされずに抽出される。差動増幅部10dでは変動分のレベルに合わせ最大値100%になるよう増幅率G0を設定する。そしてA/D変換部2へ差分イメージ信号Sdを供給する。
このようにすれば、例えば、光入力信号レベルを100%付近に設定しても変動分は飽和しないから、変動分の大きい差分イメージ信号を得ることが出来る。
【0038】
図4に本発明による撮像装置及び撮像素子を用いたシステム例と,図6にイメージセンサー10を組み込んだ撮像装置1’を示す。
本発明による撮像装置及び撮像素子を用いた差分イメージ信号検出システム例は撮像装置1’、A/D変換回路ADC2より構成され、従来必要であったフレームメモリー及び差動増幅器は撮像装置及び撮像素子に組み込まれたため不要となった。このため、デジタル機器の大幅な削減が可能となり,省資源に大きな効果を得ることが出来る。A/D変換回路ADC2を撮像装置及び撮像素子に組み込めばさらに省資源に効果があることはもちろんである。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置及び撮像素子によれば、100%付近に変動分のない時の光入力信号を設定しても、変動分による飽和がないので、被写体光像の照明量を増やし,撮像装置の絞りを開けて、変動分のない時の光入力信号の設定を100%付近に設定することにより、被写体光学像を撮像して得た各フレーム分の撮像信号と直前の1フレーム分の撮像信号との差分を良好な変動分のみの画像として得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明になる撮像装置及び撮像素子の基本回路構成を示す図である。
【図2】本発明になる撮像素子全体のブロック図例を示す図である。
【図3】本発明の動作を説明する信号波形を示す図である。
【図4】本発明によるデジタル信号処理のシステム例を示す図である。
【図5】本発明による撮像装置例を示す図である。
【図6】従来のデジタル信号処理のシステム例を示す図である。
【図7】従来の撮像装置例を示す図である。
【図8】従来の動作を説明する信号波形を示す図である。
【図9】従来の撮像素子全体のブロック図例を示す図である。
【図10】従来のイメージセンサーにおける1画素の回路例を示す図である。
【符号の説明】
1 撮像装置
2 ADC
3 デジタル信号処理
4 フレームメモリー
5 デジタル信号処理
6 従来の撮像素子
6a 垂直選択回路
6b 水平選択回路(CDS部を含む)
6c 画素構成部
7 レンズ
8 電源回路
9 駆動回路
10 本発明による撮像素子
10a 垂直選択回路
10b 水平選択回路(CDS部を含む)
10c 画素構成部(画素+メモリー部)
10d 差動AMP(比較手段)
PD1 フォトダイオード(受光手段)
C1,C2 浮遊容量(記憶手段)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging device that detect a difference image signal (hereinafter, referred to as a variation) of one frame of an optical input signal and outputs only the variation as an image.
[0002]
[Prior art]
A conventional system for extracting a variation of an optical input signal mainly performs signal processing by a digital device connected to the
[0003]
An example of the operation of the conventional digital device for extracting the variation of the optical input signal will be described below. First, an optical image of a subject as an optical input signal is captured by the
[0004]
FIG. 7 shows a schematic diagram of the
[0005]
Next, each signal waveform diagram in FIG. 6 is shown in FIG. The signal levels in (a) to (g) of FIG. 11 are shown with white as 100% and black as 0%.
FIG. 8A shows an analog electric signal S0 output from the
[0006]
FIG. 8B is a diagram in which the analog electric signal S0 (S0a, S0b, S0c,...) Is converted into a digital signal S1 (S1a, S1b, S1c,...).
In the A / D conversion circuit ADC2, the input level is set to 100%. When a signal of a higher level is input, the output data is output at the time of output as shown by the shaded portion of H1 in S1b of FIG. 8B. It is cut and accurate fluctuations cannot be obtained.
[0007]
Next, the digital signal S1 converted into a digital signal by the
Also in this difference image signal S3, as shown in FIG. 8D, the H1 portion having a level of 100% or more is output in a cut state, so that only the difference image signal S3 lacking the fluctuation information is obtained. Absent.
[0008]
FIGS. 8A to 8D show the case where the signal level is set to nearly 100% in order to obtain as large a variation as possible. (E) to (g) of FIG. 8 described below are the cases where the optical input signal level is set to 50% so as not to cut off the variation, (e) is the digital signal S1, (f) is the digital signal S2, ( g) shows the difference image signal S3. When the optical input signal level is reduced in this manner, the difference image signal S3 is not cut because the variation is not 100% or more even if the variation is included. When the image signal level also decreases and is input to the
[0009]
For this reason, if an optical input signal is converted from an analog electric signal to a digital signal and a digital image is used to detect a differential image signal, the amount of saturation may be cut or the resolution may be reduced due to the effect of the optical input signal level. In the
[0010]
Next, the configuration of the
The
[0011]
The operation of the
[0012]
FIG. 10 shows a circuit example of one pixel constituting the pixel configuration part 6c of the
[0013]
After accumulating this electric charge for a predetermined time (for example, one frame), the transistor Tr11 is turned on by a row pulse supplied from the vertical selection circuit 6a, and the electric charge stored in the photodiode PD1 is transferred to the electric charge of the optical image of the subject via Tr10 and Tr11. The converted signal is taken out as the output signal Sout and is applied to the
[0014]
The
[0015]
[Patent Document 1]
"Japanese Patent Publication No. 2000-32347"
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the case where the fluctuation of the conventional optical input signal is mainly extracted by the digital signal processing, the setting of the optical input signal when there is no fluctuation is set to 100%, for example, by increasing the illumination amount or opening the aperture of the imaging device. There is a method in which the fluctuation is set as close as possible to obtain as large a variation as possible.
According to this method, a large variation should be obtained. However, since the optical input signal level is set to around 100%, if the variation occurs in a brighter direction exceeding 100%, the A / D conversion is performed. The digital signal output is saturated in the section, and as a result, there is a problem that the variation cannot be extracted.
[0017]
Conversely, reduce the amount of illumination or lower the aperture and gain of the imaging device so that the entire input signal level when there is no fluctuation is 50% or less so that the optical input signal level including the fluctuation does not exceed 100%. There is a way to set it lower.
However, according to this method, since the input signal level is lowered, only a small variation is obtained, and there is a problem that the resolution when converting into a digital signal by the A / D converter decreases.
[0018]
The present invention has been made in view of the above points, and has as its object to solve the above problem, for example, by using an imaging device and an imaging device that can extract only a variation of an optical input signal as an analog signal.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A first means for achieving the above-mentioned object comprises a first imaging signal for one frame obtained by imaging an optical image of a subject and a first imaging signal for one frame existing immediately before the first imaging signal. Imaging that detects a difference between the first imaging signal and the second imaging signal having a time difference of one frame and outputs only the imaging signal related to the difference. A light receiving unit (photodiode PD1) in which a number of pixels for receiving the optical image of the subject and performing photoelectric conversion and output are arranged in a matrix, and connected to each of the pixels of the light receiving unit. And the photoelectric conversion outputs related to the set of the first and second imaging signals output from the respective pixels are sequentially and alternately rewritten with a time difference of one frame within a blanking period of one frame. Remember and write as possible Storage means (floating capacitances C1 and C2) which store the data so as to be interchangeable and simultaneously read out the photoelectric conversion outputs of the set of the first and second imaging signals having a time difference of one frame, and the storage means Generating the set of the first and second imaging signals from the photoelectric conversion output simultaneously read out from the storage device, and relating a difference between the generated first imaging signal and the generated second imaging signal to the difference. An imaging apparatus comprising: a differential unit (
[0020]
Further, a second means for achieving the above object is an imaging element used in the imaging device according to
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings with the most preferred embodiments. The imaging device and the imaging device according to the present invention capture an optical image of a subject by increasing the amount of illumination or opening the aperture of the imaging device so that the setting of the optical input signal when there is no fluctuation is set to around 100%. The difference between the imaging signal for each frame obtained as described above and the imaging signal for the immediately preceding frame is detected as a variation without saturation, and an image of only this variation is output.
[0022]
FIG. 1 shows a basic circuit configuration diagram of an imaging device and an imaging device according to the present invention. This basic circuit configuration diagram includes a pixel +
[0023]
The pixel +
[0024]
To explain this operation, first, the transistor Tr1 is turned on by a reset pulse to reset the charge of the photodiode PD1. Next, the reset pulse is turned off, and the electric charge corresponding to the light amount of the subject light image is accumulated in the photodiode PD1 for the first frame. Immediately before the end of the charge accumulation for the first frame, the transistor Tr8 is momentarily turned on by the pulse orst to reset the charge of the floating capacitance C1.
[0025]
Next, the transistor Tr2 is turned on by the pulse gxlo at the same time when the charge accumulation in the PD1 in the first one frame period ends, and the charge for the first one frame accumulated in the photodiode PD1 is moved to the floating capacitance C1. Next, the transistor Tr2 is turned off for a period of two frames by the pulse gxlo. As described above, the charges for the first one frame are accumulated in the floating capacitance C1 for two frame periods.
[0026]
The transistor Tr1 is turned on again by the reset pulse to reset the charge of the photodiode PD1. After the reset is completed, the charge based on the light amount of the subject light image is accumulated in the photodiode PD1 as the second frame. Immediately before the end of the second one-frame charge accumulation, the transistor Tr9 is momentarily turned on by the pulse erst to reset the charge of the floating capacitance C2.
[0027]
Next, the transistor Tr3 is turned on at the same time when the charge accumulation in the second one-frame period is completed by the pulse gxle, and the electric charge for the second one-frame accumulated in the photodiode PD1 is moved to the floating capacitance C2. Next, the transistor Tr3 is turned off by the pulse gxle. As described above, the charges for the second one frame are accumulated in the floating capacitance C2.
[0028]
In this way, the charge for the first one frame is stored in the floating capacitance C1, and the charge for the second one frame is stored in the floating capacitance C2. Then, Tr6 and Tr7 are respectively turned ON by the pulse row, and the electric charge of the floating capacitance C1 is passed through the transistors Tr4 and Tr6, and the electric charge of the floating capacitance C2 is passed through the transistors Tr5 and Tr7. Output signals Souta and Soutb obtained by converting the optical image into electric signals are output.
[0029]
The output signals Souta and Soutb are sent to the
[0030]
The signals Sa and Sb output from the
In this way, a differential component as an analog electric signal can be obtained.
[0031]
Next, an example in which the extracted difference image signal Sd is applied to an A / D conversion circuit ADC2 having a circuit configuration as shown by a dotted line in FIG. 1 and converted into a digital signal will be described. By adding the differential image signal Sd extracted by the
[0032]
An example in which the image pickup device and the basic circuit of the image pickup device according to the present invention are incorporated in the
The
[0033]
The
[0034]
All of these pulses are set to be turned on during the blanking period (BL1, 2, 3,...) Of the
[0035]
The charges of the optical image of the subject stored in the floating capacitors C1 and C2 are the same signal for two frames as shown in FIGS. 3F and 3G (for example, Sa1, Sa1, Sb2, and Sb2). Is read out during the video signal period. (F), the charge of the subject optical image stored in the floating capacitor C1 is output as the signal Sa1 from the horizontal selection circuit A for two frame periods. (G) Next, the charge of the optical image of the subject accumulated in the floating capacitance C2 is output from the horizontal selection circuit B for two frame periods as Sb2. Subsequently, the charge of the third subject optical image is set to Sa3, and the charge of the fourth subject optical image is set to Sb4, and two frames are continuously output.
[0036]
Next, the signals output from the horizontal selection circuits A and B are converted into differential image signals by the
[0037]
Next, as the maximum signal level of each part, 400% or more is secured from the pixel +
By doing so, for example, even if the optical input signal level is set to around 100%, the variation does not saturate, so that a differential image signal with a large variation can be obtained.
[0038]
FIG. 4 shows an example of a system using the image pickup device and the image pickup device according to the present invention, and FIG. 6 shows an
An example of a differential image signal detection system using an image pickup device and an image pickup device according to the present invention includes an image pickup device 1 'and an A / D conversion circuit ADC2. It became unnecessary because it was incorporated in For this reason, the number of digital devices can be significantly reduced, and a great effect on resource saving can be obtained. If the A / D conversion circuit ADC2 is incorporated in the image pickup device and the image pickup device, it is needless to say that the resource saving effect can be obtained.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, according to the image pickup apparatus and the image pickup device of the present invention, even if an optical input signal is set near 100% when there is no variation, there is no saturation due to the variation, so that the illumination of the subject light image is performed. By increasing the amount, opening the aperture of the imaging device, and setting the optical input signal when there is no fluctuation to about 100%, the imaging signal for each frame obtained by imaging the subject optical image and the Can be obtained as an image of only a good variation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a basic circuit configuration of an imaging device and an imaging device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a block diagram of an entire image sensor according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing signal waveforms for explaining the operation of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a digital signal processing system according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of an imaging device according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of a conventional digital signal processing system.
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a conventional imaging apparatus.
FIG. 8 is a diagram showing signal waveforms for explaining a conventional operation.
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a block diagram of an entire conventional image sensor.
FIG. 10 is a diagram illustrating a circuit example of one pixel in a conventional image sensor.
[Explanation of symbols]
1
3
6c
10c Pixel configuration part (pixel + memory part)
10d differential AMP (comparing means)
PD1 photodiode (light receiving means)
C1, C2 stray capacitance (storage means)
Claims (2)
前記被写体光学像を受光して光電変換出力するための画素を、マトリクス状に多数配置した受光手段と、
前記受光手段の各前記画素にそれぞれ接続されており、各前記画素から出力しかつ前記1組の前記第1、第2の撮像信号に係る光電変換出力をそれぞれ、1フレーム分の帰線消去期間内に、1フレーム分の時間差で順次交互に書き換え可能なように記憶し、書き換え可能なように記憶しかつ1フレーム分の時間差のある前記1組の前記第1、第2の撮像信号に係る光電変換出力を同時に読み出す記憶手段と,
前記記憶手段から同時に読み出した前記光電変換出力から、前記1組の前記第1、第2の撮像信号を生成し、生成した前記第1の撮像信号と前記第2の撮像信号との差分を前記差分に係る撮像信号として出力する差動手段とを、有することを特徴とする撮像装置。One set of the first image pickup signal for one frame and the second image pickup signal for one frame existing immediately before the first image pickup signal obtained by imaging the subject optical image are taken as one set. An imaging device that detects a difference between the first imaging signal and the second imaging signal having a time difference of, and outputs only an imaging signal related to the difference,
Pixels for receiving the optical image of the subject and performing photoelectric conversion and output, a large number of light receiving means arranged in a matrix,
A blanking period for one frame, which is connected to each of the pixels of the light receiving means and outputs the photoelectric conversion outputs of the one set of the first and second imaging signals from each of the pixels, respectively. The first and second imaging signals are stored in such a manner that they can be rewritten alternately and sequentially with a time difference of one frame, and are stored so as to be rewritable and have a time difference of one frame. Storage means for simultaneously reading photoelectric conversion outputs;
The one set of the first and second imaging signals are generated from the photoelectric conversion outputs simultaneously read from the storage unit, and a difference between the generated first imaging signal and the generated second imaging signal is calculated by the An image pickup device comprising: a differential unit that outputs an image pickup signal related to a difference.
前記受光手段と、前記記憶手段とを有しており、
前記記憶手段は、
前記受光手段の各前記画素にそれぞれ接続されており、各前記画素から出力する前記1組の前記第1、第2の撮像信号に係る光電変換出力をそれぞれ書き換え可能なように記憶する2つのメモリであることを特徴とする撮像素子。An imaging device used in the imaging device according to claim 1,
Comprising the light receiving means and the storage means,
The storage means,
Two memories respectively connected to the respective pixels of the light receiving means and rewritably storing the photoelectric conversion outputs of the set of the first and second imaging signals output from the respective pixels; An imaging device, characterized in that:
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