JP2008011007A - Imaging apparatus and exposure time control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子の露光時間制御方法に関するものであり、特にXYアドレス型撮像素子の電子シャッタ露光時間制御に関するものである。 The present invention relates to an exposure time control method for an image sensor, and more particularly to electronic shutter exposure time control for an XY address type image sensor.
XYアドレス型撮像素子の1つであるCMOSイメージセンサは、CCDイメージセンサと比べて消費電力が小さいこと、低電圧の単一電源で駆動できること、周辺回路をオンチップに集積できること、などの特長により、近年、その使用範囲を広げている。 The CMOS image sensor, which is one of the XY address type image sensors, consumes less power than a CCD image sensor, can be driven by a low-voltage single power supply, and can integrate peripheral circuits on-chip. In recent years, its range of use has been expanded.
図6は、XYアドレス型撮像素子の概略図である。複数の画素601が行列状に配置されて、撮像領域602を構成している。行アドレス選択手段603は、初期化または読み出しを行う行を選択する。ここで、初期化とは、画素601の電位をリセットすることであり、読み出しとは、画素601の電位を読み出すことである。
FIG. 6 is a schematic diagram of an XY address type image sensor. A plurality of
撮像領域602を構成するすべての画素601には、同一の露光時間を与える。従って、初期化を行った後、一定の時間が経過した行から順次読み出しを行う。読み出された電位は、列アドレス選択部604から出力バッファ605を経由して、順次、画素データ出力端子606に出力される。
The same exposure time is given to all the
なお、屋外から屋内に移動した場合のように、環境光源の照度が変化した時には、露光時間、すなわち、初期化を行ってから読み出しを行うまでの時間を変更して、得られる画像の明るさが極端に変化しないように制御する。このような制御は電子的に行われるため、電子シャッタと呼ばれるが、特に、撮像中、常に初期化と読み出しを繰り返す方式をローリングシャッタと呼ぶ。 When the illuminance of the environmental light source changes, such as when moving from outdoors to indoors, the exposure time, that is, the time from initialization to read-out is changed to obtain the brightness of the image Is controlled so as not to change drastically. Since such control is performed electronically, it is referred to as an electronic shutter. In particular, a system that always repeats initialization and reading during imaging is referred to as a rolling shutter.
撮像素子がデジタルスチルカメラなどの撮像装置に組み込まれた場合、撮像光学系のイメージサークルの大きさや歪曲収差、周辺光量落ちなどとの関係で、撮像素子のすべての画素を画像の生成に使用するわけではない。撮像領域602のうち、画像の生成に使用される領域を有効画素領域607、画像の生成に使用されない領域を無効画素領域と呼ぶ。無効画素領域は、黒レベルを規定するために画素上を遮蔽したOB(Optical Black)領域を含むことがある。
When the image sensor is built into an image pickup device such as a digital still camera, all pixels of the image sensor are used to generate an image due to the size of the image circle of the image pickup optical system, distortion, and peripheral light loss. Do not mean. Of the
図7は、撮像領域602の第m行第n列に配置された画素601の構成を示す回路図である。フォトダイオード704は、受光した光量に応じて電位が変化する。MOSトランジスタ702は、読み出し時に電流の増幅を行う。MOSトランジスタ701は、行アドレス選択部603に接続された初期化信号線Imが高電位になると導通して、フォトダイオード704の電位をリセットする。MOSトランジスタ703は、行アドレス選択部603に接続された読み出し信号線Rmが高電位になると導通して、フォトダイオード704の電位が、出力信号線Cnを経由して列アドレス選択部604に読み出される。なお、Vddは撮像素子の電源線であり、Vssは撮像素子の接地線である。
FIG. 7 is a circuit diagram illustrating a configuration of the
図8は、初期化と読み出しのタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は行番号である。点線は初期化801の進行を示し、実線は読み出し802の進行を示す。初期化801は、時刻t0から開始され、時刻t2で終了する。読み出し802は、時刻t1から開始され、時刻t3で終了する。従って、時刻t1と時刻t2の間は、初期化801と読み出し802が並行して行われている。また、時刻t3から時刻t4の間は、垂直帰線消去期間であり、初期化801も読み出し802も行われていない。
FIG. 8 is a timing chart of initialization and reading. The horizontal axis is time, and the vertical axis is row number. The dotted line indicates the progress of
図8から分かるように、XYアドレス型撮像素子の駆動中には、初期化801のみが行われている期間(時刻t0と時刻t1の間)、初期化801と読み出し802が並行して行われている期間(時刻t1と時刻t2の間)、読み出し802のみが行われている期間(時刻t2と時刻t3の間)、初期化801も読み出し802も行われていない期間(時刻t3と時刻t4の間)が存在する。
As can be seen from FIG. 8, during the driving of the XY address type image sensor, the
すると、初期化801と読み出し802が並行して行われている期間では、初期化801と読み出し802のどちらかのみが行われている期間や初期化801も読み出し802も行われていない期間と比較して、電源に対する負荷が大きくなる。そのため、電源の電位が低下して、初期化801と読み出し802が並行して行われている期間のみ、得られた画像に帯状のいわゆる電子シャッタノイズが発生することが知られている。
Then, the period in which the
この課題を解決するために、撮像素子に撮像領域とは別にダミー領域を設けて、例えば、初期化のみが行われている期間にはダミー領域の読み出しを並行して行うようにして、電源の負荷を均一化した撮像装置が提案されている(特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に開示された撮像装置では、撮像装置が環境光源の照度の変化を検知して露光時間を変更すると、得られた画像に輝度段差が生じる場合がある。
However, in the imaging apparatus disclosed in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ローリングシャッタ時に露光時間が変更されても、得られた画像に輝度段差を生じることのない撮像装置および露光時間制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an imaging apparatus and an exposure time control method that do not cause a luminance step in an obtained image even when the exposure time is changed during a rolling shutter. Objective.
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、行アドレスと列アドレスで指定される複数の画素を有し、有効画素領域と無効画素領域を含む撮像素子と、前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化手段と、前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し手段と、前記初期化手段が画素の初期化を行ってから前記読み出し手段が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化手段が前記無効画素領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御手段と、を有する。 In order to achieve the above object, an imaging apparatus of the present invention scans the row address, an imaging device having a plurality of pixels specified by a row address and a column address, and including an effective pixel region and an invalid pixel region. Initialization means for initializing pixels belonging to the row address, reading means for scanning the row address to read out pixels belonging to the row address, and reading out after the initialization means initializes the pixels. Exposure time control means for controlling the initialization time until the initialization means scans the invalid pixel area until the means reads out the pixels.
本発明によれば、初期化手段が無効画素領域を走査している期間に露光時間の変更を行うので、得られた画像に露光時間の変更による輝度段差が生じることのない撮像装置および露光時間制御方法を提供することができる。 According to the present invention, since the exposure unit is changed during the period in which the initialization unit scans the invalid pixel region, the imaging apparatus and the exposure time in which a luminance difference due to the change of the exposure time does not occur in the obtained image. A control method can be provided.
(1.構成)
(1.1 デジタルスチルカメラの構成)
本発明の実施の形態について、デジタルスチルカメラを例に説明する。図2は、本発明の実施例であるデジタルスチルカメラのブロック図である。レンズ201で集められた光は、CMOSイメージセンサ駆動回路203によって駆動されるCMOSイメージセンサ202に入射する。CMOSイメージセンサ202は、入射した光量に応じた電気信号を生成する。CMOSイメージセンサ202で生成された電気信号は、A/D変換回路204によって、デジタル信号に変換される。A/D変換回路204によって変換されたデジタル信号は、SDRAM205に格納される。
(1. Configuration)
(1.1 Digital still camera configuration)
An embodiment of the present invention will be described using a digital still camera as an example. FIG. 2 is a block diagram of a digital still camera which is an embodiment of the present invention. The light collected by the lens 201 is incident on the
使用者が、撮影準備のために被写体の画像をLCD208に表示している時には、以下の処理が行われている。すなわち、画像信号処理部206は、SDRAM205に格納されたデジタル信号から、LCD208に表示するための表示画像データを生成して、LCD208に出力する。CMOSイメージセンサ202による電気信号の生成と、LCD208による表示画像データの表示は、30fps(毎秒30フレーム)の周期で連続的に行われている。
When the user is displaying an image of a subject on the LCD 208 in preparation for shooting, the following processing is performed. That is, the image
露出計211は、被写体の照度を測定する。露出計211で測定された被写体の照度は、CPU207に入力される。CPU207は、露出計211で測定された被写体の照度に従って、CMOSイメージセンサ駆動回路203の露光時間制御手段203aに露光時間の変更を指示する。露光時間制御手段203aは、初期化手段203bが初期化を行ってから、読み出し手段203cが読み出しを行うまでの時間を変更する。
The
使用者がシャッタ釦209を押下すると、CPU207が検知して、CMOSイメージセンサ駆動回路203に撮影動作を指示する。画像信号処理部206は、撮影動作によってSDRAM205に格納されたデジタル信号から、記録のための記録画像データを生成して、メモリカード210に記録する。
(1.2 CMOSイメージセンサの構成)
図1は、CMOSイメージセンサ202の概略図である。図6と同じ構成要素については、図6と同じ符号を付して説明を省略する。本CMOSイメージセンサ202では、説明が煩雑になるのを避けるため、撮像領域602の下部に無効画素領域101が存するものとする。行アドレス選択部603から初期化信号線と読み出し信号線が接続されている。列アドレス選択部604には出力信号線が接続されている。
When the user presses the
(1.2 Configuration of CMOS image sensor)
FIG. 1 is a schematic diagram of a
なお、撮像領域602は、6行5列、すなわち30画素で構成されているが、これは図が煩雑になるのを避けるためであり、実際には、数十万から一千万程度の画素を有する撮像素子が実用化されている。また、無効画素領域101は、OB領域を含んでいてもよい。
(2.動作)
(2.1 輝度段差の発生)
図3(a)は、輝度段差が発生する場合の初期化と読み出しのタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は行番号である。点線は初期化の進行を示し、実線は読み出しの進行を示す。図3(b)は、垂直同期信号VDの波形図である。B1からB4は、垂直帰線消去期間である。F1からF4の4フレーム期間を示している。図3(c)は、均一の環境光源下で、反射率18%のグレーカードを撮影し、LCD208に表示した時の画面イメージである。
Note that the
(2. Operation)
(2.1 Generation of luminance step)
FIG. 3A is a timing chart of initialization and reading when a luminance step occurs. The horizontal axis is time, and the vertical axis is row number. The dotted line indicates the progress of initialization, and the solid line indicates the progress of reading. FIG. 3B is a waveform diagram of the vertical synchronization signal VD. B1 to B4 are vertical blanking periods. Four frame periods from F1 to F4 are shown. FIG. 3C is a screen image when a gray card with a reflectance of 18% is photographed and displayed on the LCD 208 under a uniform environmental light source.
今、時刻t5で、露光時間をE1からE3に変更する指示が、CPU207から露光時間制御手段203aに与えられたとする。ただし、環境光源の照度は、変化していないものとする。
Assume that an instruction to change the exposure time from E1 to E3 is given from the
露光時間制御手段203aは、初期化手段203bに、初期化の中止を指示する。フレームF3を全領域表示するために、読み出し手段203cは、読み出しを継続する。その結果、CMOSイメージセンサ202の有効画素領域607がm2行で構成されるとすると、第1行から第m1行までのx行は、露光時間E1で露光され、第(m1+1)行から第m2行までのy行は、露光時間E2で露光される。
The exposure
フレームF4からは、垂直同期信号VDの垂直帰線消去期間B3の立ち上がりに対して、初期化手段203bによる初期化が、フレームF1からF3よりも早く開始され、CMOSイメージセンサ202のすべての行は、露光時間E3で露光される。
From the frame F4, initialization by the
ここで、図3(c)に示したLCD208の画面イメージに注目すると、フレームF1、F2では、露光時間E1に対応して、画面全体にやや暗い画像が表示される。フレームF2では、画面の上部x行は、フレームF1、F2と同様にやや暗い画像が表示されるが、画面の下部y行は、露光時間E2に対応して、非常に明るい画像が表示される。そして、フレームF4では、露光時間E3に対応して、画面全体にやや明るい画像が表示される。なお、露光時間E1からE3には、E1<E3<<E2なる関係が存在する。 Here, paying attention to the screen image of the LCD 208 shown in FIG. 3C, in the frames F1 and F2, a slightly dark image is displayed on the entire screen corresponding to the exposure time E1. In the frame F2, a slightly dark image is displayed in the upper x row of the screen as in the frames F1 and F2, but a very bright image is displayed in the lower y row of the screen corresponding to the exposure time E2. . In the frame F4, a slightly bright image is displayed on the entire screen corresponding to the exposure time E3. Note that a relationship of E1 << E3 << E2 exists between the exposure times E1 to E3.
そこで、フレームF3では、やや暗い画面の上部x行と、非常に明るい画面の下部y行の境界に、輝度段差が確認されることとなる。この輝度段差は、画面が30fpsで更新されている場合、1/30秒しか表示されないが、画面の一部の輝度が非常に高くなるため目立ちやすく、表示画像の品位を大きく損なうものである。
(2.2 輝度段差の解消)
図4(a)は、本発明の撮像装置または露光時間制御方法によって、輝度段差が解消した場合の初期化と読み出しのタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は行番号である。点線は初期化の進行を示し、実線は読み出しの進行を示す。図4(b)は、垂直同期信号VDの波形図である。B1からB4は、垂直帰線消去期間である。F1からF4の4フレーム期間を示している。図4(c)は、均一の環境光源下で、反射率18%のグレーカードを撮影し、LCD208に表示した時の画面イメージである。
Therefore, in the frame F3, a luminance step is confirmed at the boundary between the upper x row of the slightly dark screen and the lower y row of the very bright screen. When the screen is updated at 30 fps, this brightness step is displayed only for 1/30 second, but the brightness of a part of the screen is very high, so that it is noticeable and the quality of the display image is greatly impaired.
(2.2 Resolution of brightness difference)
FIG. 4A is a timing chart of initialization and reading when the luminance step is eliminated by the imaging apparatus or the exposure time control method of the present invention. The horizontal axis is time, and the vertical axis is row number. The dotted line indicates the progress of initialization, and the solid line indicates the progress of reading. FIG. 4B is a waveform diagram of the vertical synchronization signal VD. B1 to B4 are vertical blanking periods. Four frame periods from F1 to F4 are shown. FIG. 4C is a screen image when a gray card with a reflectance of 18% is photographed and displayed on the LCD 208 under a uniform environmental light source.
今、時刻t5で、露光時間をE1からE3に変更する指示が、CPU207から露光時間制御手段203aに与えられたとする。ただし、環境光源の照度は、変化していないものとする。
Assume that an instruction to change the exposure time from E1 to E3 is given from the
図5は、CPU207から露光時間制御手段203aに、露光時間を変更する指示が与えられた時の、露光時間制御手段203aの処理を示すフローチャートである。露光時間制御手段203aは、初期化手段203bが、現在、初期化中の行番号m1を取得する(S501)。図4(a)を参照すると、m1は有効画素領域607の最大行であるm2よりも小さいので(S502)、再度、S501に戻って、現在、初期化中の行番号を取得する。
FIG. 5 is a flowchart showing processing of the exposure
初期化手段203bによる初期化が進行し、図4(a)の時刻t6で、初期化中の行番号が有効画素領域607の最大行であるm2より大きくなると(S502)、露光時間制御手段203aは、初期化手段203bに初期化の中止を指示する(S503)。読み出し手段203cは、時刻t6以降も読み出しを継続し、時刻t7で有効画素領域607の読み出しを完了し、時刻t8でz行相当の無効画素領域101の読み出しを完了する。ここで、CMOSイメージセンサ202は、m2行の有効画素領域607とz行の無効画素領域101を有するものとする。
When initialization by the
次に、露光時間制御手段203aは、変更後の露光時間E3に対応する初期化開始時刻を算出する(S504)。そして、算出した初期化開始時刻になると、初期化手段203bに初期化の開始を指示する(S505)。
Next, the exposure
以上のように、フレームF3では、初期化手段203bによる初期化が、有効画素領域607を構成するすべての行について行われるので、すべての行の露光時間はE1となり、図3(c)に示すような輝度段差は現れない。そして、フレームF4以降は、露光時間E3に対応したやや明るい画像が表示される。
As described above, in the frame F3, the initialization by the
なお、S503において、初期化手段203bに初期化の中止を指示するのではなく、初期化が無効画素領域101の最大行である第m3行に達したら、再度、無効画素領域101の最初の行である第(m2+1)行から初期化を継続するようにしてもよい。これによって、初期化と読み出しが並行して行われるので、電源の負荷変動が少なくなる。
In step S503, instead of instructing the
また、撮像領域602とは別に、ダミー領域が設けられていてもよい。無効画素領域101が少ない場合には、自由な大きさで設けられるダミー領域を使用することができる。ダミー領域は、撮像領域602と同様に画素601が設けられていてもよいし、画素601と同程度の負荷を有するダミー負荷で構成されていてもよい。
In addition to the
本発明によれば、ローリングシャッタ時に露光時間が変更されても、得られた画像に輝度段差を生じることのない撮像装置および露光時間制御方法を提供することができるので、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話などの撮像装置とその露光時間制御方法として好適である。 According to the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus and an exposure time control method that do not cause a luminance difference in the obtained image even if the exposure time is changed during the rolling shutter. It is suitable as an imaging apparatus such as a camera or a camera-equipped mobile phone and its exposure time control method.
101 無効画素領域
601 画素
602 撮像領域
603 行アドレス選択部
604 列アドレス選択部
605 出力バッファ
606 画素データ出力端子
607 有効画素領域
101
Claims (10)
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化手段と、
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し手段と、
前記初期化手段が画素の初期化を行ってから前記読み出し手段が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化手段が前記無効画素領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御手段と、
を有する撮像装置。 An image sensor having a plurality of pixels specified by a row address and a column address, and including an effective pixel area and an invalid pixel area;
Initialization means for scanning the row address to initialize pixels belonging to the row address;
Reading means for scanning the row address and reading out pixels belonging to the row address;
Exposure for controlling the switching of the exposure time from when the initialization unit initializes the pixel to when the reading unit reads out the pixel during the period during which the initialization unit scans the invalid pixel area. A time control means;
An imaging apparatus having
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The invalid pixel area includes an OB (Optical Black) area.
The imaging apparatus according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。 The initialization means initializes the pixels belonging to the invalid pixel region a plurality of times during a readout period of one frame;
The imaging apparatus according to claim 1 or 2, wherein
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化手段と、
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し手段と、
前記初期化手段が画素の初期化を行ってから前記読み出し手段が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化手段が前記ダミー領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御手段と、
を有する撮像装置。 An image sensor having a plurality of pixels specified by a row address and a column address, and including an imaging region and a dummy region;
Initialization means for scanning the row address to initialize pixels belonging to the row address;
Reading means for scanning the row address and reading out pixels belonging to the row address;
An exposure time for controlling the switching of the exposure time from when the initialization unit initializes the pixel to when the readout unit reads out the pixel during the period during which the initialization unit scans the dummy area. Control means;
An imaging apparatus having
ことを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 The initialization means initializes the pixels belonging to the dummy region a plurality of times during a readout period of one frame;
The imaging apparatus according to claim 4.
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化工程と、
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し工程と、
前記初期化工程が画素の初期化を行ってから前記読み出し工程が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化工程が前記無効画素領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御方法。 An image sensor having a plurality of pixels specified by a row address and a column address and including an effective pixel region and an invalid pixel region,
An initialization step of scanning the row address to initialize pixels belonging to the row address;
A reading step of scanning the row address and reading out pixels belonging to the row address;
Exposure for controlling the switching of the exposure time from the initialization process to pixel initialization until the readout process to read out pixels during the period during which the initialization process scans the invalid pixel area. Time control method.
ことを特徴とする請求項6に記載の露光時間制御方法。 The invalid pixel area includes an OB (Optical Black) area.
The exposure time control method according to claim 6.
ことを特徴とする請求項6または7に記載の露光時間制御方法。 The initialization step initializes the pixels belonging to the invalid pixel region a plurality of times during a reading period of one frame.
8. The exposure time control method according to claim 6, wherein the exposure time is controlled.
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を初期化する初期化工程と、
前記行アドレスを走査して当該行アドレスに属する画素を読み出す読み出し工程と、
前記初期化工程が画素の初期化を行ってから前記読み出し工程が画素を読み出すまでの露光時間の切り換えを、前記初期化工程が前記ダミー領域を走査している期間に行うように制御する露光時間制御方法。 An image sensor having a plurality of pixels specified by a row address and a column address, and including an imaging area and a dummy area,
An initialization step of scanning the row address to initialize pixels belonging to the row address;
A reading step of scanning the row address and reading out pixels belonging to the row address;
Exposure time for controlling the switching of the exposure time from the initialization process to pixel initialization until the readout process reads out the pixels during the period during which the initialization process scans the dummy area. Control method.
ことを特徴とする請求項9に記載の露光時間制御方法。 The initialization step initializes the pixels belonging to the dummy region a plurality of times during a reading period of one frame.
The exposure time control method according to claim 9.
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