JP2007135073A - Solid state imaging device - Google Patents

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JP2007135073A JP2005327657A JP2005327657A JP2007135073A JP 2007135073 A JP2007135073 A JP 2007135073A JP 2005327657 A JP2005327657 A JP 2005327657A JP 2005327657 A JP2005327657 A JP 2005327657A JP 2007135073 A JP2007135073 A JP 2007135073A
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Norihisa Negishi
典央 根岸
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make exposure times about all pixels to be constant, and set to a desired frame rate even when not using a mechanical shutter in an X-Y address type imaging element having only a rolling electronic shutter function as an electronic shutter. <P>SOLUTION: Exposure times about all pixels are to be controlled so as to be the same by setting an image signal period and a blank image signal period (VBLK) in which the image signal is not to be outputted from a solid state imaging element to have integral multiplication of a horizontal scanning period. The desired frame rate can be obtained by adjusting length of all horizontal scanning periods. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光電変換素子を有する固体撮像装置に関し、特にCMOSイメージセンサを用い、駆動方法に特徴を有する固体撮像装置に関する。   The present invention relates to a solid-state imaging device having a photoelectric conversion element, and more particularly to a solid-state imaging device using a CMOS image sensor and having a feature in a driving method.

CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOS(Complementary Metal−Oxide―Semiconductor)イメージセンサに代表されるX-Yアドレス型撮像素子などの固体撮像素子の駆動に際しては、垂直転送パルスや水平転送パルスなどの各種駆動信号が用いられる。これらの駆動信号は、固体撮像素子を駆動するためのタイミング発生器において生成される。このようなタイミング発生器は一般にNTSC(National Television System Committee)やPAL(Phase Alternating by Line)といった放送方式の信号フォーマットを満たすように撮像装置を駆動させる。   When driving solid-state image sensors such as CCD (Charge Coupled Device) image sensors and XY address-type image sensors represented by CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) image sensors, various drives such as vertical transfer pulses and horizontal transfer pulses A signal is used. These drive signals are generated in a timing generator for driving the solid-state imaging device. Such a timing generator generally drives an image pickup apparatus so as to satisfy a broadcast format signal format such as NTSC (National Television System Committee) or PAL (Phase Alternating by Line).

例えば、図6に示すように各画素の情報が映像信号として導出される有効画素領域601と、この有効画素領域の上下左右に遮光された状態で配されたオプティカルブラック(光学的黒)領域602とを有したCCDイメージセンサを駆動する場合には、タイミング発生器から図7に示すような駆動信号を発生させ、順次固体撮像素子に与える。例えば、水平転送パルスφH1、φH2であれば約12.27MHzの駆動周波数で発生させ、また予め定められたクロックカウント(例えば780)及び行カウント(例えば525)で水平同期パルスHD及び垂直同期パルスVDを終了する。これによりタイミング発生器は固体撮像素子から30フレーム/秒(Frame Per Sec;以下「FPS」と略す)の映像信号が得られるようにする。   For example, as shown in FIG. 6, an effective pixel region 601 in which information of each pixel is derived as a video signal, and an optical black (optical black) region 602 arranged in a state of being shielded from the upper, lower, left, and right sides of the effective pixel region. 7 is driven from a timing generator and is sequentially applied to the solid-state imaging device. For example, the horizontal transfer pulses φH1 and φH2 are generated at a driving frequency of about 12.27 MHz, and the horizontal synchronization pulse HD and the vertical synchronization pulse VD are set at a predetermined clock count (eg 780) and row count (eg 525). Exit. Accordingly, the timing generator can obtain a video signal of 30 frames / second (hereinafter referred to as “FPS”) from the solid-state imaging device.

上記のように30FPSや60FPSといった放送方式の信号フォーマットを満たす値に映像信号のフレームレートを実現するためには、駆動周波数を変更する方法が考えられる。しかし駆動周波数は実現できる周波数が決まっており、また高い周波数では電磁波は多く発生してしまうなどの恐れがある。   As described above, in order to realize the frame rate of the video signal to a value satisfying a broadcast format signal format such as 30 FPS or 60 FPS, a method of changing the drive frequency is conceivable. However, the driving frequency is determined as a frequency that can be realized, and there is a risk that a large amount of electromagnetic waves is generated at a high frequency.

さらにはDRAM(Dynamic Random Access Memory)等の記憶装置でフィールドメモリを構成して、固体撮像素子で得られた映像信号に対しフレーム間引きを行うことも考えられるが、この場合はDRAM等の記憶装置追加して搭載する必要があるため、装置構成の複雑化してしまうとともに、その記憶装置の制御を行うための処理を必要となり、製品のコストアップにつながってしまう。   It is also possible to configure a field memory with a storage device such as DRAM (Dynamic Random Access Memory) and perform frame thinning on the video signal obtained by the solid-state imaging device. In this case, the storage device such as DRAM Since it is necessary to additionally mount the device, the device configuration becomes complicated, and processing for controlling the storage device is required, leading to an increase in product cost.

そこで特開2001−008113号公報においては、固体撮像素子から得られる所定単位の映像信号がその出力開始から出力終了までに走査期間と帰線期間とを含むように固体撮像素子にタイミング発生器から駆動信号を与える固体撮像素子の駆動方法において、所定単位の映像信号ごとに固体撮像素子の水平方向と垂直方向の両方または少なくとも一方について固体撮像素子からの映像信号を出力しない空の映像信号機関を追加することによりフレームレートを所望の値に設定することを可能にしている。
特開2001-008113号公報
Therefore, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-008113, a predetermined unit of video signal obtained from a solid-state image sensor includes a scanning period and a blanking period from the start of output to the end of output. In a driving method of a solid-state imaging device that provides a driving signal, an empty video signal engine that does not output a video signal from the solid-state imaging device for at least one of the horizontal direction and the vertical direction of the solid-state imaging device for each predetermined unit of video signal By adding, it is possible to set the frame rate to a desired value.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-008113

しかしながら、ローリング電子シャッタを用いたX-Yアドレス型撮像素子において、メカニカルシャッタを用いないモードの露光時間制御を上記方法で行う場合、例えば図8に示すように、フレームレートの調整のために他の水平走査期間と長さの異なる水平走査期間Xを追加する。露光時間は水平走査期間の間隔で制御されるため、水平走査期間Xを露光期間に含む第n行以前の行と含まない第n+1行目以降の行で露光時間が変わってしまうという問題が発生する。   However, in the XY address type image pickup device using the rolling electronic shutter, when the exposure time control in the mode not using the mechanical shutter is performed by the above method, for example, as shown in FIG. A horizontal scanning period X having a different length from the scanning period is added. Since the exposure time is controlled by the interval of the horizontal scanning period, there is a problem that the exposure time varies between the lines before the nth line including the horizontal scanning period X in the exposure period and the lines after the n + 1st line not including the horizontal scanning period X. Will occur.

そこで本発明においては、X-Yアドレス型固体撮像素子において、固体撮像素子から得られる所定単位の映像信号がその出力開始から出力終了までに走査期間と帰線期間を含むように当固体撮像素子に駆動信号を与え、露光開始時間と読出し開始時間が映像信号の行方向または列方向においてそれぞれ異なるように露光時間制御を行う固体撮像装置において、映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定、またはすべての水平走査期間の長さを調整することにより所望のフレームレートを実現する。さらに、映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定した後にすべての水平走査期間の長さを調整するという順に設定を行う。   Therefore, in the present invention, in the XY address type solid-state imaging device, the solid-state imaging device is driven so that a predetermined unit of video signal obtained from the solid-state imaging device includes a scanning period and a blanking period from the output start to the output end. In a solid-state imaging device that gives a signal and performs exposure time control so that the exposure start time and the readout start time are different in the row direction or the column direction of the video signal, the video signal period and the video signal from the solid-state image sensor are not output A desired frame rate is realized by setting the sky video signal period to be an integral multiple of the horizontal scanning period or by adjusting the length of all horizontal scanning periods. Furthermore, after setting the video signal period and the empty video signal period in which the video signal from the solid-state imaging device is not output to be an integral multiple of the horizontal scanning period, the lengths of all the horizontal scanning periods are adjusted in order. .

上記のように、請求項1記載の方法を用いることにより、ローリング電子シャッタを用いたX-Yアドレス型撮像素子において、メカニカルシャッタを用いずに露光時間制御を行う場合であってもすべての行の露光時間を一定に保つことができる。また、請求項2記載の方法及び請求項3記載の方法を用いることにより、精度良く所望のフレームレートに設定することができる。また、請求項4、請求項5、請求項6記載の方法を用いることにより、画像ひずみの目立つ状況においては、画像ひずみが発生しづらいフレームレートの設定方法を用いることにより、画像ひずみの少ない撮像装置の駆動を実現することができる。そして、メカニカルシャッタを用いる場合は、請求項7の方法を用い、メカニカルシャッタを用いない場合には請求項1または2記載の方法を用いることで、すべての行の露光時間を一定に保つことができ、さらに画像ひずみの少ない固体撮像装置を実現することができる。   As described above, by using the method according to claim 1, in the XY address type image pickup device using the rolling electronic shutter, even if the exposure time control is performed without using the mechanical shutter, exposure of all rows is performed. Time can be kept constant. Also, by using the method according to claim 2 and the method according to claim 3, it is possible to set the desired frame rate with high accuracy. In addition, by using the method according to claims 4, 5, and 6, in a situation where image distortion is conspicuous, by using a frame rate setting method in which image distortion is less likely to occur, imaging with less image distortion is possible. The driving of the device can be realized. When the mechanical shutter is used, the method of claim 7 is used, and when the mechanical shutter is not used, the method of claim 1 or 2 is used to keep the exposure time of all rows constant. In addition, a solid-state imaging device with less image distortion can be realized.

本発明の実施例について、図1から図5を用い説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図2はX-Yアドレス型の走査方法を採る撮像素子の構成を示したものである。
図2において、201は単位画素、202はフォトダイオード(PD)、203は転送スイッチ、204はフローティングデフュージョン(FD)、205はソースフォロアとして機能する増幅MOSアンプ、206は選択スイッチ、207はリセットスイッチ、208は信号線、209は増幅MOSアンプ205の負荷となる定電流源、210は選択スイッチ、211は出力アンプ、212は垂直走査回路、213は読み出し回路、214は水平走査回路。なお、図2では図の簡略化のために、画素単位201を4行×4列のみ示しているが、実際には非常に多数の画素単位201が2次元に配置されている。
FIG. 2 shows the configuration of an image sensor that employs an XY address type scanning method.
In FIG. 2, 201 is a unit pixel, 202 is a photodiode (PD), 203 is a transfer switch, 204 is a floating diffusion (FD), 205 is an amplification MOS amplifier that functions as a source follower, 206 is a selection switch, and 207 is reset. A switch, 208 is a signal line, 209 is a constant current source serving as a load of the amplification MOS amplifier 205, 210 is a selection switch, 211 is an output amplifier, 212 is a vertical scanning circuit, 213 is a readout circuit, and 214 is a horizontal scanning circuit. In FIG. 2, for simplification of the drawing, only the pixel unit 201 is shown as 4 rows × 4 columns, but actually, a very large number of pixel units 201 are two-dimensionally arranged.

単位画素201は、PD202、転送スイッチ203、FD204、増幅MOSアンプ205、選択スイッチ206、リセットスイッチ207によって構成される。PD202において光を電荷に変換し、PD202で発生した電荷は転送スイッチ203により転送パルスφTXにて転送し、FD204に一時的に蓄積しておく。FD204、増幅MOSアンプ205、及び定電流源209でフローティングディフュージョンアンプが構成され、選択パルスφSELによって選択スイッチ206で選択された画素の信号電荷は電圧に変換され、信号出力線208を経て読み出し回路213に出力される。さらに水平走査回路214により駆動された選択スイッチ210により出力する信号が選択され、出力アンプ211を経て撮像素子外部に出力に出力される。FD204に蓄積された電荷の除去はリセットパルスφRESによりセットスイッチ207にて行われる。また垂直走査回路212では、転送スイッチ203、選択スイッチ206、リセットスイッチ207の選択を行う。   The unit pixel 201 includes a PD 202, a transfer switch 203, an FD 204, an amplification MOS amplifier 205, a selection switch 206, and a reset switch 207. Light is converted into electric charge in the PD 202, and the electric charge generated in the PD 202 is transferred with the transfer pulse φTX by the transfer switch 203 and temporarily stored in the FD 204. The FD 204, the amplification MOS amplifier 205, and the constant current source 209 constitute a floating diffusion amplifier. The signal charge of the pixel selected by the selection switch 206 is converted into a voltage by the selection pulse φSEL, and the readout circuit 213 passes through the signal output line 208. Is output. Further, a signal to be output is selected by the selection switch 210 driven by the horizontal scanning circuit 214, and is output to the outside of the image sensor through the output amplifier 211. The charge accumulated in the FD 204 is removed by the set switch 207 by a reset pulse φRES. In the vertical scanning circuit 212, the transfer switch 203, the selection switch 206, and the reset switch 207 are selected.

なお、パルス信号φTX、φRES、φSELそれぞれについて、垂直走査回路212によって走査選択された、例えばn番目の走査行に印加するパルス信号をφTXn、φRESn、φSELnと記述する。   For each of the pulse signals φTX, φRES, and φSEL, pulse signals that are selected by the vertical scanning circuit 212 and applied to, for example, the nth scanning row are described as φTXn, φRESn, and φSELn.

図3は、図2の固体撮像素子で使用した色フィルタアレイの一部を示している。第1の色フィルタを赤(R)、第2の色フィルタを緑(G)、第3の色フィルタを緑(G)、第4の色フィルタを青(B)とした場合を示している。この色フィルタアレイの配列は、原色の色フィルタ配列のなかでも、とくに、ベイヤ配列と呼ばれるもので、高い解像度と優れた色再現性を備えた色フィルタ配列である。   FIG. 3 shows a part of the color filter array used in the solid-state imaging device of FIG. A case is shown in which the first color filter is red (R), the second color filter is green (G), the third color filter is green (G), and the fourth color filter is blue (B). . This array of color filter arrays is called a Bayer array, among the primary color filter arrays, and is a color filter array having high resolution and excellent color reproducibility.

図4は図2の撮像素子を用いた撮像装置のシステム概要を示したものである。図4において、401はレンズ部(レンズと表記)、402はレンズ駆動部、403はメカニカルシャッタ(メカシャッタと表記)、404はメカニカルシャッタ駆動部(シャッタ駆動部と表記)、405は図2に示す構成を有する撮像素子、406は撮像信号処理回路、407はタイミング発生部、408はメモリ部、409は全体制御演算部、410は記録媒体制御インターフェース部(記録媒体制御I/F部と表記)、411は記録媒体、412は外部インターフェース部(外部I/F部と表記)、413は測光部、414は測距部。   FIG. 4 shows a system outline of an image pickup apparatus using the image pickup element of FIG. In FIG. 4, 401 is a lens unit (denoted as a lens), 402 is a lens driving unit, 403 is a mechanical shutter (denoted as mechanical shutter), 404 is a mechanical shutter driving unit (denoted as shutter driving unit), and 405 is shown in FIG. 406 is an imaging signal processing circuit, 407 is a timing generation unit, 408 is a memory unit, 409 is an overall control calculation unit, 410 is a recording medium control interface unit (recorded as a recording medium control I / F unit), Reference numeral 411 denotes a recording medium, 412 denotes an external interface unit (noted as an external I / F unit), 413 denotes a photometric unit, and 414 denotes a distance measuring unit.

レンズ部401を通った被写体像を撮像素子405に結像させる。撮像素子405に結合した被写体像は画像信号として取り込まれ、撮像信号処理回路406にて、画像信号の増幅、アナログ信号からディジタル信号への変換を行うA/D変換、A/D変換後の画像データに各種の補正、画像データの圧縮等を行う。   The subject image that has passed through the lens unit 401 is formed on the image sensor 405. The subject image coupled to the image sensor 405 is captured as an image signal, and the image signal processing circuit 406 performs image signal amplification, A / D conversion for converting an analog signal to a digital signal, and an image after A / D conversion. Various corrections and compression of image data are performed on the data.

レンズ部401は、レンズ駆動部402によってズーム、フォーカス、絞り等が駆動制御される。シャッタ403は一眼レフカメラに使用されるフォーカルプレーン型のシャッタの後幕に相当する幕のみを有するシャッタ機構であり、シャッタ駆動部404によって駆動制御される。タイミング発生部407は、撮像素子405、撮像信号処理回路406に各種タイミング信号を出力する。全体制御演算部409は撮像装置全体の制御と各種演算を行う。メモリ408は画像データを一時的に記憶する、記録媒体制御インターフェース部410では記録媒体に画像データの記録または読み出しを行う。記録媒体411は半導体メモリ等の着脱可能記憶媒体であり、画像データの記録または読み出しを行う。外部インターフェース部412は外部コンピュータ等と通信を行うために為のインターフェースである。測光部413は被写体の明るさ情報の検出を行い、測距部414は被写体までの距離情報を検出する。   The lens unit 401 is driven and controlled by a lens driving unit 402 such as zoom, focus, and diaphragm. The shutter 403 is a shutter mechanism having only a curtain corresponding to the rear curtain of a focal plane type shutter used in a single-lens reflex camera, and is driven and controlled by a shutter drive unit 404. The timing generation unit 407 outputs various timing signals to the image sensor 405 and the image signal processing circuit 406. The overall control calculation unit 409 controls the entire imaging apparatus and performs various calculations. The memory 408 temporarily stores the image data, and the recording medium control interface unit 410 records or reads the image data on the recording medium. The recording medium 411 is a detachable storage medium such as a semiconductor memory, and records or reads image data. The external interface unit 412 is an interface for communicating with an external computer or the like. The photometry unit 413 detects the brightness information of the subject, and the distance measurement unit 414 detects the distance information to the subject.

次に、本発明の個体撮像素子における露光時間制御のシーケンスについて図1、図5を用いて説明する。   Next, an exposure time control sequence in the individual image sensor of the present invention will be described with reference to FIGS.

図5はローリング電子シャッタ動作における駆動パルスと動作シーケンスを示したものである。なお図5では説明を簡略にするために垂直走査回路212によって走査選択されたn行からn+3行の4行分の駆動制御に関して記述する。   FIG. 5 shows a drive pulse and an operation sequence in the rolling electronic shutter operation. In FIG. 5, for simplicity of description, the drive control for four rows from n rows to n + 3 rows selected by the vertical scanning circuit 212 will be described.

n行において、まず時刻t51からt52の期間、φRESnとφTXnを印加して、転送スイッチ203及びリセットスイッチ207をオンにし、n行目のPD202とFD204に蓄積されている不用電荷を除去するリセット動作を行う。時刻t52で転送スイッチ203がオフになり、PD202で発生した光電荷が蓄積される蓄積動作が開始される。次に時刻t54においてφTXnを印加して、転送スイッチ203をオンにし、PD202に蓄積された光電荷をFD204に転送する転送動作を行う。なお、リセットスイッチ207は、転送動作に先んじてオフする必要があり、図7に示す駆動制御では、時刻t52で転送スイッチ203と同時にオフとなる。ここで、リセット動作終了の時刻t52から、転送開始の時刻t55までが蓄積時間となる。   In the n-th row, first, φRESn and φTXn are applied during a period from time t51 to t52, the transfer switch 203 and the reset switch 207 are turned on, and a reset operation for removing unnecessary charges accumulated in the PD 202 and the FD 204 in the n-th row. I do. At time t52, the transfer switch 203 is turned off, and an accumulation operation for accumulating the photocharge generated in the PD 202 is started. Next, at time t <b> 54, φTXn is applied to turn on the transfer switch 203, and a transfer operation for transferring the photocharge accumulated in the PD 202 to the FD 204 is performed. The reset switch 207 needs to be turned off prior to the transfer operation. In the drive control shown in FIG. 7, the reset switch 207 is turned off simultaneously with the transfer switch 203 at time t52. Here, the accumulation time is from time t52 when the reset operation ends to time t55 when the transfer starts.

n行目の転送動作終了後、φSELnを印加して選択スイッチ206をオンにすることにより、FD204に保持した電荷が電圧に変換され、読み出し回路213に出力される。読み出し回路213で一時的に保持された信号が水平走査回路212によって時刻t56より順次出力される。時刻t54の転送開始から時刻t57の読み出し終了までの時間をT3readとし、時刻t51から時刻t53までの時間をT3waitとする。   After the transfer operation of the n-th row is completed, φSELn is applied to turn on the selection switch 206, whereby the charge held in the FD 204 is converted into a voltage and output to the reading circuit 213. The signals temporarily held in the reading circuit 213 are sequentially output from the time t56 by the horizontal scanning circuit 212. The time from the start of transfer at time t54 to the end of reading at time t57 is T3read, and the time from time t51 to time t53 is T3wait.

他の行においても同様に、転送開始から読み出し終了までの時間がT3readとなり、ある行のリセット開始から次の行のリセット開始までの間の時間がT3waitとなる。   Similarly, in other rows, the time from the start of transfer to the end of reading is T3read, and the time from the start of resetting of one row to the start of resetting of the next row is T3wait.

図1は本発明における撮像装置の駆動方法において、撮像素子上の撮像領域を構成する各行の露光期間と水平同期パルス、垂直同期パルスにより同期がとられた水平走査期間、垂直走査期間の関係を示している。リセット動作期間、読み出し動作期間、転送動作期間は省略している。図1に示すようにすべての水平走査期間は同じ期間となっている。   FIG. 1 shows a relationship between an exposure period of each row constituting an imaging region on an image sensor and a horizontal scanning period and a vertical scanning period synchronized by a horizontal synchronizing pulse and a vertical synchronizing pulse in a driving method of an imaging apparatus according to the present invention. Show. The reset operation period, the read operation period, and the transfer operation period are omitted. As shown in FIG. 1, all horizontal scanning periods are the same period.

また、1垂直走査期間に含まれる水平走査期間の数をX、1水平走査期間内に含まれる基準クロックの数をYとしたとき、XとYは以下のように設定する。   When the number of horizontal scanning periods included in one vertical scanning period is X and the number of reference clocks included in one horizontal scanning period is Y, X and Y are set as follows.

X=(垂直読込み画素数)+(垂直ブランキング期間内の水平走査期間の数)+α ・・・(式1)
Y=(水平読込み画素数)+(水平ブランキング期間内の基準クロックの数)+(行のスキップに要する基準クロックの数)+β ・・・(式2)
ただし、αは水平走査期間の整数倍である。
X = (number of vertical scanning pixels) + (number of horizontal scanning periods in the vertical blanking period) + α (Expression 1)
Y = (the number of horizontal reading pixels) + (the number of reference clocks in the horizontal blanking period) + (the number of reference clocks required for skipping rows) + β (Expression 2)
However, α is an integer multiple of the horizontal scanning period.

ここで駆動モードのフレームレートは基準クロックの周波数(Hz)をZとしたとき以下の式により求められる。   Here, the frame rate of the driving mode is obtained by the following equation when the frequency (Hz) of the reference clock is Z.

(フレームレート)=Z/(X・Y) ・・・(式3)
このため、「αの値のみ設定する」、「βの値のみ設定する」、または「α、βの値両方を設定する」のいずれの方法であってもフレームレートを設計者の所望の値に設定することができる。そして、本発明のようにローリング電子シャッタを用いたX-Yアドレス型撮像素子においては、図5にて説明したように露光期間はPD202に蓄積されている不要電荷を除去するリセット動作と読出し動作の間に存在する水平走査期間の和により既定されるのであるが、すべての水平走査期間は同じ期間となっているため、図8に示すように撮像領域を構成する一部の行の露光時間が異なってしまうことがなく、すべての撮像領域の露光時間を均一にすることができる。
(Frame rate) = Z / (X · Y) (Formula 3)
For this reason, the frame rate can be set to the designer's desired value regardless of the method of “setting only the α value”, “setting only the β value”, or “setting both the α and β values”. Can be set to In the XY address type image pickup device using a rolling electronic shutter as in the present invention, as described with reference to FIG. 5, the exposure period is between a reset operation and a read operation for removing unnecessary charges accumulated in the PD 202. However, since all the horizontal scanning periods are the same, the exposure times of some rows constituting the imaging region are different as shown in FIG. The exposure time of all the imaging areas can be made uniform.

一方で、上記の方法にてフレームレートを設定する場合、上記αにて調整できる期間の方がβにて調整できる期間よりも長いため、精度良く所望の露光時間に設定するためには、αを設定してからβを設定すると良い。   On the other hand, when the frame rate is set by the above method, the period that can be adjusted by α is longer than the period that can be adjusted by β. Therefore, in order to set the desired exposure time with high accuracy, α It is better to set β after setting.

ところで図5において示したローリング電子シャッタ動作においては、画面の上部と下部で蓄積時刻が画面の走査に要した時間だけ異なるという問題がある。これは、ある行のリセットおよび転送走査から次の行のリセットおよび転送走査の時間T3waitが、転送開始から読み出し終了までの時間T3read以上の時間が必要なためである。特に画素数が多い場合、画面の上部と下部での蓄積時刻のずれが大きくなってしまう。この画面の上部と下部での蓄積時刻のずれは被写体と撮像装置との相対速度が速い場合や、露光時間の短い場合、高画素な撮像素子を用いた撮像素子で読出しと転送に要する時間が長い場合などの撮影環境により、被写体がひずみとなって表れてしまう。   Incidentally, the rolling electronic shutter operation shown in FIG. 5 has a problem that the accumulation time differs between the upper part and the lower part of the screen by the time required for scanning the screen. This is because the time T3wait from the reset and transfer scan of a certain row to the reset and transfer scan of the next row needs to be longer than the time T3read from the start of transfer to the end of reading. In particular, when the number of pixels is large, the difference in accumulation time between the upper and lower portions of the screen becomes large. The difference in accumulation time between the upper and lower parts of the screen is when the relative speed between the subject and the imaging device is high, or when the exposure time is short, the time required for reading and transferring with an image sensor using a high-pixel image sensor. Depending on the shooting environment, such as when the subject is long, the subject appears distorted.

行ごとの蓄積時刻のずれはT3read以上でなければならず、またT3readは1水平走査期間に相当することから、蓄積時刻のずれを小さくするためには水平走査期間を短くすれば良い。すなわちYを小さくすればよい。Yを構成する要素の内、水平読込み画素数、水平ブランキング期間内の基準クロックの数、行のスキップに要する基準クロックの数はシステムの構成要素により既定されてしまうため、βをできるだけ小さく設定すれば良い。   The accumulation time shift for each row must be equal to or greater than T3read. Since T3read corresponds to one horizontal scanning period, the horizontal scanning period may be shortened to reduce the accumulation time shift. That is, Y may be reduced. Among the elements constituting Y, the number of horizontal reading pixels, the number of reference clocks in the horizontal blanking period, and the number of reference clocks required for skipping rows are predetermined by the system components, so β is set as small as possible. Just do it.

例えば、垂直読込み画素数が524、垂直ブランキング期間内の水平走査期間の数が200、水平読込み画素数が437、水平ブランキング期間内の基準クロックの数が400、行のスキップに要する基準クロックの数が16であり、駆動モードの基準クロック周波数が40MHzである撮像装置において、60FPSを実現させる場合には、αを可能な限り大きく、βを可能な限り小さく設定するような値として、αを25、βを37とすることで60.005FPSを実現する。   For example, the number of vertical reading pixels is 524, the number of horizontal scanning periods in the vertical blanking period is 200, the number of horizontal reading pixels is 437, the number of reference clocks in the horizontal blanking period is 400, and the reference clock required for skipping rows In an imaging apparatus in which the number of is 16 and the reference clock frequency of the driving mode is 40 MHz, when 60 FPS is realized, α is set as a value that sets α as large as possible and β as small as possible. Is 25 and β is 37, thereby realizing 60.005FPS.

または、上記の例よりも被写体のひずみを小さくする設定としてαを58とし、βを0とする。所望の60FPSには若干足りない59.966FPSとなるが、αを25、βを37とするときと比べ、1フレーム中の最初に読み出される行と最後に読み出される行の露光時刻のずれを0.48msec緩和することができる。そして、全体制御演算部409にてフレーム間の被写体位置を測定し、フレーム間の差分がゼロまたは所定値以下なら動く被写体は存在しないと判断し、差分が所定値以上ある場合は動く被写体が存在すると判断し、差分の絶対値のピークtoピークから簡易的に移動量を算出。この移動量から被写体と撮像装置との相対速度を算出し、例えば画面上で1フレーム動く間に連続的に100画素以上移動しつづけている被写体であると認識した場合にはαを58とし、βを0と設定した駆動タイミングにてモードを駆動させ、上記の移動速度を被写体が満たさない場合には、αを25とし、βを37と設定した駆動タイミングにてモードを駆動させる。あるいは、例えば露光時間が1/2000sec以下の場合にはαを58、βを0と設定した駆動タイミングにてモードを駆動させ、露光時間が1/2000sec以上の場合にはαを25、βを37と設定した駆動タイミングにてモードを駆動させる。または、水平方向の間引きを行わないモードに対してはαを58、βを0と設定した駆動タイミングにてモードを駆動させ、水平方向の間引きを行うモードに対してはαを25、βを37と設定した駆動タイミングにてモードを駆動させる。   Alternatively, α is set to 58 and β is set to 0 as a setting for making the distortion of the subject smaller than in the above example. This is 59.966 FPS, which is slightly insufficient for the desired 60 FPS, but compared to the case where α is 25 and β is 37, the difference in exposure time between the first read line and the last read line in one frame is 0.48. msec can be relaxed. Then, the overall control calculation unit 409 measures the position of the subject between frames, and determines that there is no moving subject if the difference between frames is zero or less than a predetermined value. If the difference is greater than or equal to a predetermined value, there is a moving subject. Therefore, the amount of movement is simply calculated from the peak-to-peak absolute value of the difference. From this amount of movement, the relative speed between the subject and the imaging device is calculated. For example, when it is recognized that the subject is moving 100 pixels or more continuously while moving one frame on the screen, α is set to 58, The mode is driven at the drive timing at which β is set to 0, and when the subject does not satisfy the above moving speed, the mode is driven at the drive timing at which α is set to 25 and β is set to 37. Alternatively, for example, when the exposure time is 1/2000 sec or less, the mode is driven at a driving timing in which α is set to 58 and β is set to 0, and when the exposure time is 1/2000 sec or more, α is set to 25 and β is set to The mode is driven at the drive timing set to 37. Alternatively, the mode is driven at a driving timing in which α is set to 58 and β is set to 0 for a mode that does not perform thinning in the horizontal direction, and α is set to 25 and β for a mode in which thinning is performed in the horizontal direction. The mode is driven at the drive timing set to 37.

このように、被写体と撮像装置との相対速度が所定の値よりも大きい場合や、露光時間が所定の値より短い場合、高画素な撮像素子を用いた撮像素子で読出しと転送に要する時間が長い場合など被写体ひずみの目立つ場合においては、βを0にする、つまりαのみでフレームレートを調整することで画像上の行ごとの露光時刻ずれが小さくなる駆動タイミングに設定し、被写体ひずみを目立たなくすることができる。   As described above, when the relative speed between the subject and the imaging device is larger than a predetermined value, or when the exposure time is shorter than the predetermined value, the time required for reading and transferring with the imaging device using a high-pixel imaging device. When subject distortion is conspicuous, such as when the subject is long, β is set to 0, that is, by adjusting the frame rate only with α, the drive timing is set so that the exposure time shift for each row on the image is reduced, and the subject distortion is noticeable. Can be eliminated.

また、水平走査期間の基準パルスの数が増えることは上記の被写体ひずみ以外にも、レリーズタイムが伸びるだとか、連写速度が増加するなどの弊害が起きる。このため、上記のように水平走査期間の基準パルス数をより少なく設定することで、レリーズタイム、連写速度の短縮にもつながる。   Further, an increase in the number of reference pulses in the horizontal scanning period causes problems such as an increase in the release time and an increase in the continuous shooting speed in addition to the subject distortion. For this reason, setting the number of reference pulses in the horizontal scanning period to be smaller as described above leads to shortening of the release time and the continuous shooting speed.

さらに、メカシャッタを用いる駆動モードにて実施例1に示す撮像装置を駆動させる場合は式1〜3に縛られない方法でフレームレートを設定し、メカシャッタを用いない駆動モードにて実施例1に示す撮像装置を駆動させる場合には、上記式1〜3の条件に則ったフレームレートの設定を行うことで、メカシャッタを用いる場合には、レリーズタイム、連写速度の増加を抑えることができる。   Further, when the image pickup apparatus shown in the first embodiment is driven in the driving mode using the mechanical shutter, the frame rate is set by a method that is not restricted by the formulas 1 to 3, and the driving mode not using the mechanical shutter is shown in the first embodiment. When the imaging apparatus is driven, the frame rate is set in accordance with the conditions of the above expressions 1 to 3, and when the mechanical shutter is used, an increase in the release time and the continuous shooting speed can be suppressed.

本発明の固体撮像装置における露光時間制御の概念を示した図。The figure which showed the concept of exposure time control in the solid-state imaging device of this invention. 本発明の固体撮像装置における固体撮像素子の概要を示した図。The figure which showed the outline | summary of the solid-state image sensor in the solid-state imaging device of this invention. 本発明の固体撮像装置における固体撮像素子に用いる色フィルタを示した図。The figure which showed the color filter used for the solid-state image sensor in the solid-state imaging device of this invention. 本発明の固体撮像装置におけるシステムの概要を示した図。The figure which showed the outline | summary of the system in the solid-state imaging device of this invention. 本発明の固体撮像装置におけるローリング電子シャッタ動作時の駆動パルスと動作シーケンスを示した図。The figure which showed the drive pulse and operation | movement sequence at the time of the rolling electronic shutter operation | movement in the solid-state imaging device of this invention. 固体撮像素子における画素構成の一例を示す図。The figure which shows an example of the pixel structure in a solid-state image sensor. 従来の固体撮像装置における固体撮像素子の駆動信号の一例を示した図。The figure which showed an example of the drive signal of the solid-state image sensor in the conventional solid-state imaging device. ローリング電子シャッタを用いた固体撮像素子における露光時間制御の問題点を示した図。The figure which showed the problem of the exposure time control in the solid-state image sensor using a rolling electronic shutter.

符号の説明Explanation of symbols

201 単位画素
202 フォトダイオード
203 転送スイッチ
204 フローティングデフュージョン
205 増幅MOSアンプ
206 選択スイッチ
207 リセットスイッチ
208 信号線
209 定電流源
210 選択スイッチ
211 出力アンプ
212 垂直走査回路
213 読み出し回路
214 水平走査回路
401 レンズ部
402 レンズ駆動部
403 メカニカルシャッタ
404 メカニカルシャッタ駆動部
405 撮像素子
406 撮像信号処理回路
407 タイミング発生部
408 メモリ部
409 全体制御演算部
410 記録媒体制御インターフェース部
411 記録媒体
412 外部インターフェース部
413 測光部
414 測距部
601 有効画素領域
602 オプティカルブラック領域
201 unit pixel 202 photodiode 203 transfer switch 204 floating diffusion 205 amplification MOS amplifier 206 selection switch 207 reset switch 208 signal line 209 constant current source 210 selection switch 211 output amplifier 212 vertical scanning circuit 213 readout circuit 214 horizontal scanning circuit 401 lens unit 402 Lens Driving Unit 403 Mechanical Shutter 404 Mechanical Shutter Driving Unit 405 Imaging Element 406 Imaging Signal Processing Circuit 407 Timing Generation Unit 408 Memory Unit 409 Overall Control Operation Unit 410 Recording Medium Control Interface Unit 411 Recording Medium 412 External Interface Unit 413 Photometric Unit 414 Measuring Distance portion 601 Effective pixel area 602 Optical black area

Claims (7)

X-Yアドレス型固体撮像素子において、固体撮像素子から得られる所定単位の映像信号がその出力開始から出力終了までに走査期間と帰線期間を含むように当固体撮像素子に駆動信号を与え、露光開始時間と読出し開始時間が映像信号の行方向または列方向においてそれぞれ異なるように露光時間制御を行う固体撮像装置において、映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定し、またはすべての水平走査期間の長さを調整することにより所望のフレームレートを実現することを特徴とする固体撮像装置。   In an XY address type solid-state image sensor, a drive signal is given to the solid-state image sensor so that a predetermined unit of video signal obtained from the solid-state image sensor includes a scanning period and a blanking period from the start of output to the end of output, and exposure starts. In a solid-state imaging device that controls exposure time so that the time and the readout start time are different in the row direction or the column direction of the video signal, the video signal period and the empty video signal period in which the video signal from the solid-state imaging device is not output are horizontally A solid-state imaging device characterized in that a desired frame rate is realized by setting an integral multiple of a scanning period or adjusting the length of all horizontal scanning periods. 請求項1に記載の固体撮像装置において、映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定した後にすべての水平走査期間の長さを調整することにより所望のフレームレートを実現することを特徴とする固体撮像装置。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein after setting a video signal period and an empty video signal period in which no video signal is output from the solid-state imaging device to be an integral multiple of a horizontal scanning period, the length of all horizontal scanning periods is set. A solid-state imaging device that achieves a desired frame rate by adjusting the height. 請求項2に記載の固体撮像装置において、フレームレートの調整をする際、映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間の追加による延長期間がすべての水平走査期間の延長期間の総和よりも長いことを特徴とする固体撮像装置。   3. The solid-state imaging device according to claim 2, wherein when adjusting the frame rate, an extended period by adding a video signal period and an empty video signal period that does not output a video signal from the solid-state imaging element is included in all horizontal scanning periods. A solid-state imaging device characterized in that it is longer than the sum of extension periods. 請求項1に記載の固体撮像装置において、被写体と固体撮像装置との相対速度を測定する相対速度測定装置を備えた固体撮像装置において、相対速度速度測定装置にて算出された相対速度が所定の値を上回っていた場合には、映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定し、すべての水平走査期間に対しその長さの延長は行わないことにより所望のフレームレートを実現することを特徴とする固体撮像装置。   The solid-state imaging device according to claim 1, wherein the relative velocity calculated by the relative-speed velocity measuring device is a predetermined value in the solid-state imaging device including a relative velocity measuring device that measures the relative velocity between the subject and the solid-state imaging device. If it exceeds the value, the video signal period and the empty video signal period in which no video signal is output from the solid-state imaging device are set to be an integral multiple of the horizontal scanning period, and the length is set for all horizontal scanning periods. A solid-state imaging device that realizes a desired frame rate by not extending the length. 請求項1に記載の固体撮像装置において、露光時間が所定の値よりも短い場合には映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定し、すべての水平走査期間に対しその長さの延長は行わないことにより所望のフレームレートを実現することを特徴とする固体撮像装置。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein when the exposure time is shorter than a predetermined value, the video signal period and the empty video signal period in which the video signal from the solid-state imaging element is not output are an integral multiple of the horizontal scanning period. A solid-state imaging device that realizes a desired frame rate by setting so that the length is not extended for all horizontal scanning periods. 請求項1に記載の固体撮像装置において、読出しと転送に要する時間が所定の値よりも長い場合には映像信号期間と前記固体撮像素子からの映像信号を出力しない空映像信号期間を水平走査期間の整数倍となるよう設定し、すべての水平走査期間に対しその長さの延長は行わないことにより所望のフレームレートを実現することを特徴とする固体撮像装置。   2. The solid-state imaging device according to claim 1, wherein when a time required for reading and transfer is longer than a predetermined value, a video signal period and an empty video signal period in which no video signal is output from the solid-state imaging element are set as a horizontal scanning period. A solid-state imaging device characterized in that a desired frame rate is realized by setting an integral multiple of the horizontal scanning period and not extending the length for all horizontal scanning periods. 固体撮像素子から得られる所定単位の映像信号がその出力開始から出力終了までに走査期間と帰線期間を含むように前記固体撮像素子に駆動信号を与え、露光開始時間と読出し開始時間が映像信号の行方向または列方向においてそれぞれ異なるように露光時間制御を行う固体撮像装置において、露光時間制御にメカニカルシャッタを用いる場合は請求項1記載のフレームレート調整方法を用いないことを特徴とする固体撮像装置。   A drive signal is given to the solid-state image sensor so that a predetermined unit of the video signal obtained from the solid-state image sensor includes a scanning period and a blanking period from the output start to the output end, and the exposure start time and readout start time are the video signal. In the solid-state imaging device that performs exposure time control differently in the row direction or the column direction, when the mechanical shutter is used for the exposure time control, the frame rate adjustment method according to claim 1 is not used. apparatus.
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