JP2012244357A - Imaging method and imaging apparatus - Google Patents

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宅哉 今出
Masanori Shimada
政範 島田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate influence from external light and noise with a simple circuit structure to improve measuring accuracy, when picking up images of an object by reflection light from the light emitted for measuring depth.SOLUTION: One frame period includes: two exposure periods A, B; one light emission period corresponding to one exposure period B; and three output periods C, A, B. In the output period C, random noise without including image signals is output, in the output period A, image signals and random noise in the exposure period A are output, and in the output period B, the image signals in the exposure period A and image signals and random noise in the exposure period B are output. Signals being output in the three periods are calculated to eliminate the image signals and the random noise by the external light in order to obtain image signals by only the emitted light.

Description

本発明は、撮像方法および撮像装置に係り、特に、発光した光を被写体に照射しその反射光から被写体を撮像する際に好適な撮像方法および撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging method and an imaging apparatus, and more particularly to an imaging method and an imaging apparatus suitable for irradiating emitted light onto a subject and imaging the subject from the reflected light.

近年、平面パターンを発光させて被写体に照射し、その反射光を撮像して被写体の奥行を計測する装置が商用化され家庭用ゲーム機などに使われている。このような奥行計測装置を車載物体認識装置などとして屋外で使用しようとすると、外光による妨害が大きくなる。さらに遠くの物体では、発光した平面パターンからの照射光および被写体からの反射光が弱くなるため、ランダム雑音などの雑音の影響が無視できなくなる。外光に対するSN比を改善する一般的な方法として、発光をパルス状にしてピークの発光量を増やし、撮像装置のシャッタ機能により発光している期間のみを撮像する方法がある。一般に発光期間を短くするほどその期間の発光量を増すことができるので、その期間のみ受光すれば外光に対するSN比を改善することができる。   In recent years, a device that emits a planar pattern to irradiate a subject, captures the reflected light, and measures the depth of the subject has been commercialized and used in home game machines and the like. When such a depth measuring device is used outdoors as a vehicle-mounted object recognition device or the like, interference caused by outside light increases. In an object farther away, the irradiation light from the emitted flat pattern and the reflected light from the subject are weakened, so the influence of noise such as random noise cannot be ignored. As a general method for improving the S / N ratio with respect to external light, there is a method in which light emission is pulsed to increase a peak light emission amount and an image is picked up only during a light emission period by a shutter function of the image pickup apparatus. In general, as the light emission period is shortened, the amount of light emission during that period can be increased. Therefore, if light is received only during that period, the SN ratio with respect to external light can be improved.

このパルス発光による撮像方法では、行ごとに露光タイミングがずれるローリングシャッタ機能の撮像装置は使えず、全画素が同じタイミングで露光するグローバルシャッタ機能が必要である。近年、このようなグローバルシャッタ機能を有するCMOS型撮像装置が開発され、例えば特許文献1には、グローバルシャッタ機能を実現する場合に、露光時間が受ける制約を軽減し、迅速な動作で十分な露光時間を確保するための技術が開示されている。   In this imaging method using pulsed light emission, an imaging device having a rolling shutter function in which the exposure timing is shifted for each row cannot be used, and a global shutter function for exposing all pixels at the same timing is necessary. In recent years, a CMOS type image pickup device having such a global shutter function has been developed. For example, Patent Document 1 discloses that sufficient exposure can be achieved with a quick operation by reducing the restriction of exposure time when the global shutter function is realized. Techniques for securing time are disclosed.

特開2004−140149号公報JP 2004-140149 A

初めに、従来知られているグローバルシャッタ機能について説明する。
図11は、グローバルシャッタ機能を有するCMOS型の撮像装置の第1の従来例を示す回路構成図で、画素部100を中心に描いたものである。フォトダイオード(PD)101で光電変換した信号電荷は、転送ゲート(TG)103を介して浮遊拡散層(FD)102に完全転送される。そして、ソースホロワ増幅器105と行選択ゲート(LS)106により、信号電荷に比例した信号電圧が、電流源201につながっている垂直信号線200に読み出される。その後、AD変換器(ADC)300でディジタル信号に変換され、水平出力回路に出力される。図11の例では、ブルーミング掃き出しゲート(BG)107が設けられており、このゲートの電圧(BG電圧)を高くすることによりフォトダイオード101の信号電荷を掃き出すことができる。その後、転送ゲート103の電圧(TG電圧)にパルスを印加して信号電荷を浮遊拡散層102に転送するが、それまでの期間が露光期間である。BG電圧とTG電圧を、全画素同じパルスで制御することにより全画素の露光タイミングを等しくすることができ、すなわちグローバルシャッタ機能を実現する。リセットゲート(RG)104は、浮遊拡散層102に蓄積されている電荷をリセットするためのものである。
First, a conventionally known global shutter function will be described.
FIG. 11 is a circuit configuration diagram showing a first conventional example of a CMOS type imaging device having a global shutter function, which is drawn around the pixel portion 100. The signal charge photoelectrically converted by the photodiode (PD) 101 is completely transferred to the floating diffusion layer (FD) 102 via the transfer gate (TG) 103. Then, a signal voltage proportional to the signal charge is read to the vertical signal line 200 connected to the current source 201 by the source follower amplifier 105 and the row selection gate (LS) 106. Thereafter, the signal is converted into a digital signal by an AD converter (ADC) 300 and output to a horizontal output circuit. In the example of FIG. 11, a blooming sweep gate (BG) 107 is provided, and the signal charge of the photodiode 101 can be swept out by increasing the gate voltage (BG voltage). Thereafter, a pulse is applied to the voltage (TG voltage) of the transfer gate 103 to transfer the signal charge to the floating diffusion layer 102. The period until that time is the exposure period. By controlling the BG voltage and the TG voltage with the same pulse for all the pixels, the exposure timing of all the pixels can be made equal, that is, a global shutter function is realized. The reset gate (RG) 104 is for resetting the electric charge accumulated in the floating diffusion layer 102.

図12は、図11の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。時間T1から時間T6が1フレーム期間(例えば17msec)であり、動画像の中の1枚の映像を撮像する期間である。この中で、BGパルスを立ち下げた時間T3からフォトダイオード101へ信号電荷の蓄積が開始し、TGパルスを立ち上げた時に蓄積された信号電荷は浮遊拡散層102に転送され始め、TGパルスが立ち下がった時間T4で転送が完了する。この時、浮遊拡散層102に転送され保持されている信号電荷の露光期間は、T3からT4までの期間ということになる。この浮遊拡散層102の保持する信号電荷の情報は、その後、行毎に順次垂直信号線200に電圧の形で伝送される。すなわち、n行目の画素部100では行選択ゲートLS(n)にパルスが入ったとき、(n+1)行目の画素部100では行選択ゲートLS(n+1)にパルスが入ったとき、順次垂直信号線200にそれぞれの信号情報が伝わり、AD変換器300でディジタル信号に変換された後、水平出力回路を介して出力される。出力は行毎に順番になされるが、露光期間は全ての画素について等しく、グローバルシャッタ機能が実現されている。   FIG. 12 is a timing chart illustrating an example of the operation of the imaging apparatus in FIG. A period from time T1 to time T6 is one frame period (for example, 17 msec), and is a period for capturing one image in the moving image. Among these, the accumulation of signal charges in the photodiode 101 starts from the time T3 when the BG pulse is lowered, and the signal charges accumulated when the TG pulse is raised starts to be transferred to the floating diffusion layer 102. The transfer is completed at the falling time T4. At this time, the exposure period of the signal charges transferred and held in the floating diffusion layer 102 is a period from T3 to T4. The signal charge information held by the floating diffusion layer 102 is then sequentially transmitted to the vertical signal line 200 in the form of voltage for each row. That is, when the pulse is input to the row selection gate LS (n) in the pixel portion 100 of the nth row, and when the pulse is input to the row selection gate LS (n + 1) of the pixel portion 100 of the (n + 1) th row, the vertical selection is performed. Each signal information is transmitted to the signal line 200, converted into a digital signal by the AD converter 300, and then output through a horizontal output circuit. Although the output is performed in order for each row, the exposure period is the same for all the pixels, and the global shutter function is realized.

このようにして、グローバルシャッタ機能を有する撮像装置を用いて露光時間を短くすることにより相対的に外光に対するSN比を改善することができる。しかしながら晴天時の昼間など外光が強い場合に、上記シャッタ動作だけでは外光の影響が無視できず、さらに高性能の外光除去の工夫が必要になる場合がある。また、一般に高速シャッタに伴って信号量が減少するので、ランダム雑音などの雑音をさらに減じる必要が生じる。発光をパルス状にする場合、パルス幅を短くするとピーク光量を増すことができるが、通常、面積は減ることになって、トータルの信号量は減少する。なお、図11の回路で発生するランダム雑音のうち原理的な雑音は、浮遊拡散層102をRGパルスでリセットするときに発生するいわゆる「kTC雑音」である。ここにkはボルツマン定数、Tは絶対温度、Cは浮遊拡散層102の容量であり、ランダム雑音電荷の分散の自乗がkTCという式になることから一般に「kTC雑音」と呼ばれている。   In this manner, the SN ratio with respect to external light can be relatively improved by shortening the exposure time using an imaging apparatus having a global shutter function. However, when the outside light is strong, such as in the daytime in fine weather, the influence of the outside light cannot be ignored only by the shutter operation, and it may be necessary to devise a high-performance outside light removal. Further, since the signal amount generally decreases with the high-speed shutter, it is necessary to further reduce noise such as random noise. When light emission is pulsed, the peak light quantity can be increased by shortening the pulse width, but the area is usually reduced and the total signal quantity is reduced. Note that the fundamental noise among the random noise generated in the circuit of FIG. 11 is so-called “kTC noise” generated when the floating diffusion layer 102 is reset by the RG pulse. Here, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, C is the capacitance of the floating diffusion layer 102, and the square of the dispersion of the random noise charge is expressed as kTC, so it is generally called “kTC noise”.

図13は、グローバルシャッタ機能を有するCMOS型撮像装置の第2の従来例を示す回路構成図で、前記kTC雑音を抑圧する構成としたものである。前記図11の構成において、フォトダイオード(PD)101と浮遊拡散層(FD)102の間に第2のフォトダイオード(PD2)108と第2の転送ゲート(TG2)109を配している。また垂直信号線200とAD変換器300の間に、第1、第2のサンプルホールド回路(SH1,SH2)202,203と、差動増幅器(AMP)204を配している。この構成では、トランジスタ数が増えて開口率は下がるが、下記のような動作でkTC雑音を抑圧することができる。なお、追加した第2のフォトダイオード(PD2)108は上部を遮光されていて光電変換が行われないが、空乏化して次段に電荷を完全転送できる点でフォトダイオード101と類似の構造になっている。   FIG. 13 is a circuit configuration diagram showing a second conventional example of a CMOS type imaging device having a global shutter function, which is configured to suppress the kTC noise. In the configuration of FIG. 11, a second photodiode (PD2) 108 and a second transfer gate (TG2) 109 are arranged between the photodiode (PD) 101 and the floating diffusion layer (FD) 102. Further, between the vertical signal line 200 and the AD converter 300, first and second sample hold circuits (SH1, SH2) 202, 203 and a differential amplifier (AMP) 204 are arranged. In this configuration, the number of transistors increases and the aperture ratio decreases, but kTC noise can be suppressed by the following operation. The added second photodiode (PD2) 108 is shielded from the upper part and does not perform photoelectric conversion, but has a structure similar to that of the photodiode 101 in that it can be depleted and charge can be completely transferred to the next stage. ing.

図14は、図13の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。BGパルスを立ち下げた時間T3からフォトダイオード(PD)101へ信号電荷が蓄積し、TGパルスを印加すると蓄積された信号電荷は第2のフォトダイオード(PD2)108に転送され、TGパルスが立ち下がった時間T4では信号電荷の転送が終わって第2のフォトダイオード108で保持されている。時間T3からT4までの期間が露光期間で全画素共通である。この後行毎に順次浮遊拡散層(FD)102、垂直信号線200へと信号を読み出していく。n行目の画素部100では、まず、時間T7までにリセットゲートRG(n)104が低電位になって、順次浮遊拡散層102にkTC雑音が保持されている。そのとき行選択ゲートLS(n)106を高電位にすることにより、このkTC雑音の電圧情報がソースホロワ増幅器105を介して垂直信号線200に伝わる。この時間T7のタイミングにおいて、第1のサンプルホールド回路(SH1)202でサンプルホールドすることによりkTC雑音の電圧情報が保持される。次に、第2の転送ゲートTG2(n)109にパルスを印加することにより、第2のフォトダイオード(PD2)108の信号電荷が浮遊拡散層102に転送され、保持されているkTC雑音電荷と加算される。次の時間T8のタイミングで、この信号+雑音の電圧情報が垂直信号線200に伝わるので、これを第2のサンプルホールド回路(SH2)203でサンプルホールドする。差動増幅器(AMP)204で両者の差を取ることにより、kTC雑音が取り除かれて信号情報だけを出力することができる。   FIG. 14 is a timing chart showing an example of the operation of the imaging apparatus of FIG. The signal charge is accumulated in the photodiode (PD) 101 from the time T3 when the BG pulse is lowered. When the TG pulse is applied, the accumulated signal charge is transferred to the second photodiode (PD2) 108, and the TG pulse is raised. At the lowered time T4, the transfer of the signal charge is finished and held by the second photodiode 108. The period from time T3 to T4 is common to all pixels in the exposure period. Thereafter, signals are sequentially read out to the floating diffusion layer (FD) 102 and the vertical signal line 200 for each subsequent row. In the pixel unit 100 in the n-th row, first, the reset gate RG (n) 104 becomes a low potential by the time T7, and kTC noise is sequentially held in the floating diffusion layer 102. At this time, by setting the row selection gate LS (n) 106 to a high potential, voltage information of this kTC noise is transmitted to the vertical signal line 200 via the source follower amplifier 105. At the timing of this time T7, the voltage information of kTC noise is held by sample-holding by the first sample-hold circuit (SH1) 202. Next, by applying a pulse to the second transfer gate TG2 (n) 109, the signal charge of the second photodiode (PD2) 108 is transferred to the floating diffusion layer 102, and the held kTC noise charge and Is added. Since the signal + noise voltage information is transmitted to the vertical signal line 200 at the timing of the next time T8, it is sampled and held by the second sample hold circuit (SH2) 203. By taking the difference between the two by the differential amplifier (AMP) 204, kTC noise can be removed and only signal information can be output.

以上説明した第1の従来例(図11,図12)によれば、発光パルスの時間幅を狭めて外光の影響を減らすものであるが、kTC雑音などの雑音の影響を減じる必要がある。また第2の従来例(図13、図14)によればkTC雑音を抑圧することができるが、回路構成が複雑でありまた複雑なタイミング制御が必要であった。   According to the first conventional example described above (FIGS. 11 and 12), the time width of the light emission pulse is narrowed to reduce the influence of external light, but it is necessary to reduce the influence of noise such as kTC noise. . Further, according to the second conventional example (FIGS. 13 and 14), kTC noise can be suppressed, but the circuit configuration is complicated and complicated timing control is required.

本発明の目的は、奥行計測用に発光させた光の反射光から被写体を撮像する場合、簡単な回路構成で外光や雑音の影響をなくし計測精度を向上させる撮像方法と撮像装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an imaging method and an imaging apparatus that improve the measurement accuracy by eliminating the influence of external light and noise with a simple circuit configuration when imaging a subject from reflected light of light emitted for depth measurement. There is.

本発明は、発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、1フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光し、該複数の露光期間の中の1つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力し、該出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得するものである。   The present invention provides an imaging method of irradiating a subject with emitted light and imaging the subject from the reflected light, providing a plurality of exposure periods within one frame period, exposing each period, and the plurality of exposures. Providing a light emission period that coincides with one exposure period in the period, emitting each of the video signals obtained in the plurality of exposure periods, calculating the plurality of output video signals, The video signal due to the external light is removed and the video signal based only on the light emission is acquired.

また本発明の撮像方法は、1フレーム期間内に露光期間および発光期間を設け、1フレーム期間内に複数の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力するものであって、前記複数の出力期間の中の最初の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、2回目以降の出力期間では、前記露光期間に得られる映像信号とランダム雑音とを出力し、該出力された複数の出力期間の信号を演算して、ランダム雑音を除去した映像信号を取得するものである。   The imaging method of the present invention is to provide an exposure period and a light emission period within one frame period, and provide a plurality of output periods within one frame period to output a signal obtained in each period, In the first output period of the plurality of output periods, random noise not including a video signal is output, and in the second and subsequent output periods, the video signal and random noise obtained in the exposure period are output, and the output A video signal from which random noise is removed is obtained by calculating the signals of the plurality of output periods.

本発明は、発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、該パルス発生回路は、前記フォトダイオード群に対し1フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光させ、前記発光装置に対し該複数の露光期間の中の1つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力させ、前記演算回路は、前記出力回路から出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得するものである。   The present invention relates to an photodiode arranged in an array that generates a signal charge by photoelectrically converting reflected light from the subject in an imaging apparatus that irradiates the subject with emitted light and images the subject from the reflected light. A group, an output circuit that sequentially reads video signals from signal charges generated by the photodiode group, an arithmetic circuit that calculates an output signal from the output circuit, an exposure operation of the photodiode group, and a readout of the output circuit And a pulse generation circuit for controlling the light emission operation of the light emitting device, wherein the pulse generation circuit provides a plurality of exposure periods within one frame period for the photodiode group. Exposing in each period, causing the light-emitting device to emit light by providing a light-emitting period that matches one exposure period of the plurality of exposure periods, The output circuit outputs the respective video signals obtained in the plurality of exposure periods, and the arithmetic circuit calculates the plurality of video signals output from the output circuit and removes the video signal due to the external light. The video signal is obtained only by light emission.

本発明によれば、発光させた光を被写体に照射しその反射光から被写体を撮像する際に、外光の影響を除去し発光のみによる映像信号を取得することができる。さらには、ランダム雑音の影響を簡単な回路構成で除去し、高いSN比の映像信号を取得することができる。これより、屋外にある被写体や遠方の被写体の奥行を精度良く計測することができる。   According to the present invention, when the subject is irradiated with the emitted light and the subject is imaged from the reflected light, it is possible to remove the influence of external light and obtain a video signal based only on the light emission. Furthermore, the influence of random noise can be removed with a simple circuit configuration, and a video signal with a high S / N ratio can be acquired. As a result, the depth of an outdoor subject or a distant subject can be accurately measured.

本発明による撮像方法の典型的な実施例を示すタイミングチャート。3 is a timing chart showing an exemplary embodiment of an imaging method according to the present invention. 本発明による撮像装置の典型的な実施例を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows the typical Example of the imaging device by this invention. 撮像方法の第1の実施例を示すタイミングチャート(実施例1)。6 is a timing chart (first embodiment) illustrating a first embodiment of an imaging method. 撮像方法の第2の実施例を示すタイミングチャート(実施例2)。9 is a timing chart (second embodiment) illustrating a second embodiment of the imaging method. 撮像方法の第3の実施例を示すタイミングチャート(実施例3)。9 is a timing chart (third embodiment) illustrating a third embodiment of the imaging method. 実施例3の信号伝送動作を示すポテンシャル図。FIG. 10 is a potential diagram illustrating a signal transmission operation according to the third embodiment. 撮像方法の第4の実施例を示すタイミングチャート(実施例4)。9 is a timing chart illustrating a fourth example of the imaging method (Example 4). 撮像装置の第5の実施例を示す構成図(実施例5)。FIG. 10 is a configuration diagram illustrating a fifth embodiment of the imaging apparatus (embodiment 5). 図8の撮像装置における撮像方法の一実施例を示すタイミングチャート。The timing chart which shows one Example of the imaging method in the imaging device of FIG. 図9のタイミングチャートをより詳細に示した図。The figure which showed the timing chart of FIG. 9 in detail. 撮像装置の第1の従来例を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows the 1st prior art example of an imaging device. 図11の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャート。FIG. 12 is a timing chart illustrating an example of the operation of the imaging apparatus in FIG. 11. FIG. 撮像装置の第2の従来例を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows the 2nd prior art example of an imaging device. 図13の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャート。FIG. 14 is a timing chart illustrating an example of the operation of the imaging apparatus in FIG. 13.

本発明では、撮像装置における映像信号読み出しの際、1フレーム中で発光させた期間に露光した映像信号と、発光させない期間に露光した映像信号とを取得し、それらの演算により外光の影響をなくし、発光させた光の反射だけによる映像を求めるようにした。   In the present invention, when the video signal is read out by the image pickup apparatus, the video signal exposed during the period of light emission in one frame and the video signal exposed during the period of no light emission are obtained, and the influence of external light is obtained by their calculation. Rather, it was determined to obtain an image based only on the reflection of the emitted light.

図1は、本発明による撮像方法の典型的な実施例を示すタイミングチャートである。1フレーム期間(時間T1からT6まで)の中に、1つの発光期間(時間T4からT5まで)と2つの露光期間A(時間T3からT4まで)、B(時間T4からT5まで)を設ける。また信号を出力する期間として、出力期間A(時間T4からT5まで)、出力期間B(時間T5からT6まで)、出力期間C(時間T2からT4まで)の3つを設ける。   FIG. 1 is a timing chart showing an exemplary embodiment of an imaging method according to the present invention. In one frame period (from time T1 to T6), one light emission period (from time T4 to T5) and two exposure periods A (from time T3 to T4) and B (from time T4 to T5) are provided. Further, there are three output periods, namely, an output period A (from time T4 to T5), an output period B (from time T5 to T6), and an output period C (from time T2 to T4).

図1の例では露光期間Aは非発光期間であり、露光期間Aで得られる信号Aは外光のみによる映像信号である。露光期間Bは発光期間に一致させているので、露光期間Bで得られる信号Bは外光および発光による映像信号である。出力に関しては、時間T2で浮遊拡散層102をリセットした後、出力期間Cでランダム雑音(kTC雑音)のみを出力し、時間T4で信号Aを浮遊拡散層102に転送した後、出力期間AでkTC雑音に信号Aを加えた信号を出力し、時間T5で信号Bを浮遊拡散層102に転送した後、出力期間BでkTC雑音と信号Aに信号Bを加えた信号を出力する。   In the example of FIG. 1, the exposure period A is a non-light emission period, and the signal A obtained in the exposure period A is a video signal based only on external light. Since the exposure period B coincides with the light emission period, the signal B obtained in the exposure period B is a video signal by external light and light emission. Regarding output, after resetting the floating diffusion layer 102 at time T2, only random noise (kTC noise) is output in the output period C, and after transferring the signal A to the floating diffusion layer 102 at time T4, the output period A A signal obtained by adding the signal A to the kTC noise is output. After the signal B is transferred to the floating diffusion layer 102 at time T5, a signal obtained by adding the signal B to the kTC noise and the signal A is output in the output period B.

これらの出力信号から次のような演算を行う。出力期間Aの出力信号から出力期間Cの出力信号を差し引くことにより、kTC雑音を除いた外光のみによる信号A(露光期間Aの信号)が得られる。また、出力期間Bの出力信号から出力期間Aの出力信号を差し引くことにより、kTC雑音と信号Aを除いた、外光および発光による信号B(露光期間Bの信号)が得られる。信号Aと信号Bの演算により発光のみによる映像信号が得られるが、演算の際には、各出力期間の信号に適度な係数を乗じて差し引けば良く、例えば露光期間Aと露光期間Bの長さが等しい場合には各係数は1になる。なお、発光期間を露光期間Aに一致させた場合も同様の演算で所望の情報を得ることができる。   The following calculation is performed from these output signals. By subtracting the output signal of the output period C from the output signal of the output period A, a signal A (signal of the exposure period A) based only on outside light excluding kTC noise can be obtained. Further, by subtracting the output signal of the output period A from the output signal of the output period B, a signal B (signal of the exposure period B) by external light and light emission excluding the kTC noise and the signal A is obtained. A video signal based only on light emission can be obtained by the calculation of the signals A and B. In the calculation, the signals in each output period can be subtracted by multiplying by an appropriate coefficient. For example, the exposure period A and the exposure period B can be subtracted. If the lengths are equal, each coefficient is 1. Even when the light emission period is made to coincide with the exposure period A, desired information can be obtained by the same calculation.

図2は、本発明による撮像装置の典型的な実施例を示す回路構成図である。画素部100の内部構成は前記図11に示した構成と同様であり、画素当たり1個のフォトダイオード(PD)101を有する。撮像素子は、このような画素部(フォトダイオード)がアレイ状に配置されている。各画素から映像信号を読み出す制御機能として、パルス発生回路600を設け画素内にパルス群601を供給する。パルス群601にはBG,TG,RG,LS(n)などのゲート制御パルスを含む。またパルス発生回路600は発光装置700に対し、所定の発光期間だけ発光するように制御信号を送る。発光装置700は撮像装置に内蔵しても外付けでも良い。   FIG. 2 is a circuit configuration diagram showing a typical embodiment of the imaging apparatus according to the present invention. The internal configuration of the pixel portion 100 is the same as that shown in FIG. 11 and includes one photodiode (PD) 101 per pixel. In the imaging device, such pixel portions (photodiodes) are arranged in an array. As a control function for reading a video signal from each pixel, a pulse generation circuit 600 is provided to supply a pulse group 601 into the pixel. The pulse group 601 includes gate control pulses such as BG, TG, RG, and LS (n). The pulse generation circuit 600 sends a control signal to the light emitting device 700 so as to emit light for a predetermined light emission period. The light emitting device 700 may be built in the imaging device or externally attached.

水平出力回路400は、各列でAD変換した信号を順次出力する。演算回路500は、各画素から出力される複数の映像信号の演算を行い、外光の影響やランダム雑音(kTC雑音)を除去し、奥行計測に必要な発光のみによる映像信号を得る。また場合によっては、外光のみによる映像信号を得て、被写体認識等に用いることもできる。
以下、本発明による複数の実施例を具体的に詳細に説明する。
The horizontal output circuit 400 sequentially outputs signals AD-converted in each column. The arithmetic circuit 500 calculates a plurality of video signals output from each pixel, removes the influence of external light and random noise (kTC noise), and obtains a video signal based only on light emission necessary for depth measurement. In some cases, a video signal using only external light can be obtained and used for subject recognition or the like.
Hereinafter, a plurality of embodiments according to the present invention will be described in detail.

図3は、本発明の撮像方法の第1の実施例を示すタイミングチャートである。撮像装置は図2の構成とし、パルス発生回路600からゲート制御用のパルス群601を供給する。ゲート制御パルスには、BG(ブルーミング掃き出しゲート)パルス、TG(転送ゲート)パルス、RG(リセットゲート)パルス、LS(行選択ゲート)パルスなどが含まれる。これらのゲートパルスの機能は図11、図12と同様であり、繰り返しの説明は省略する。本実施例では、1フレーム中に2回の露光期間A,Bを設けてそれぞれ独立に読み出すようにした。   FIG. 3 is a timing chart showing the first embodiment of the imaging method of the present invention. The imaging apparatus has the configuration shown in FIG. 2 and supplies a pulse group 601 for gate control from a pulse generation circuit 600. The gate control pulse includes a BG (blooming sweep gate) pulse, a TG (transfer gate) pulse, an RG (reset gate) pulse, an LS (row selection gate) pulse, and the like. The functions of these gate pulses are the same as those in FIGS. 11 and 12, and repeated description is omitted. In this embodiment, two exposure periods A and B are provided in one frame and are read independently.

まず、1回目の露光期間Aとその出力期間Aを説明する。時間T3においてBGパルスを立ち下げて、フォトダイオード101に信号電荷を蓄積し始め、時間T4においてTGパルスを立ち下げて、フォトダイオード101から浮遊拡散層102への信号電荷転送を完了する。この時間T3からT4までの期間が1回目の露光期間(露光期間A)になる。浮遊拡散層102へ転送された信号電荷は、時間T4からT5の期間(出力期間A)において、各画素の対応する行選択ゲートLS(n),LS(n+1),・・・を順次高レベルにすることにより順次垂直信号線200に電圧の形で伝達され、AD変換器300、水平出力回路400を経て出力される。なお、浮遊拡散層102に残留している電荷は、一連の垂直信号線200への信号伝達完了後、適当な時間T9にRGパルスを印加してリセットする。   First, the first exposure period A and the output period A will be described. At time T3, the BG pulse falls to start accumulating signal charge in the photodiode 101, and at time T4, the TG pulse falls to complete signal charge transfer from the photodiode 101 to the floating diffusion layer 102. This period from time T3 to T4 is the first exposure period (exposure period A). The signal charges transferred to the floating diffusion layer 102 are sequentially set to high levels in the row selection gates LS (n), LS (n + 1),... Corresponding to each pixel in the period from time T4 to T5 (output period A). As a result, the voltage is sequentially transmitted to the vertical signal line 200 in the form of voltage, and is output via the AD converter 300 and the horizontal output circuit 400. The charge remaining in the floating diffusion layer 102 is reset by applying an RG pulse at an appropriate time T9 after the signal transmission to the series of vertical signal lines 200 is completed.

次に、2回目の露光期間Bとその出力期間Bを説明する。時間T4において、フォトダイオード101には新たに信号電荷が蓄積され始め、時間T5において再度TGパルスを立ち下げて、フォトダイオード101から浮遊拡散層102への信号電荷転送を完了する。この時間T4からT5までの期間が2回目の露光期間(露光期間B)となる。浮遊拡散層102へ転送された信号電荷は、時間T5からT6の期間(出力期間B)において、1回目と同様に、LS(n),LS(n+1),・・・を順次高レベルにすることにより順次垂直信号線200に電圧の形で伝達され、AD変換器300、水平出力回路を経て出力される。浮遊拡散層102に残留している電荷は、一連の垂直信号線200への信号伝達完了後、適当な時間T2にRGパルスを印加してリセットする。   Next, the second exposure period B and its output period B will be described. At time T4, new signal charges start to be accumulated in the photodiode 101. At time T5, the TG pulse is lowered again, and the signal charge transfer from the photodiode 101 to the floating diffusion layer 102 is completed. This period from time T4 to T5 is the second exposure period (exposure period B). The signal charges transferred to the floating diffusion layer 102 sequentially increase LS (n), LS (n + 1),... In the period from time T5 to T6 (output period B), as in the first time. As a result, the voltage is sequentially transmitted to the vertical signal line 200 in the form of voltage, and output through the AD converter 300 and the horizontal output circuit. The electric charge remaining in the floating diffusion layer 102 is reset by applying an RG pulse at an appropriate time T2 after the signal transmission to the series of vertical signal lines 200 is completed.

このように図3の実施例では、1フレーム期間に2つの露光期間A,Bを設定し、それぞれの信号情報を2つの出力期間A,Bに出力する。そして発光期間を例えば露光期間Bに一致させると、出力期間Aの出力信号からは露光期間Aの外光のみによる映像信号が得られ、出力期間Bの出力信号からは露光期間Bの外光と発光による映像信号が得られる。これら2つの出力信号を演算回路500で演算(減算)することにより、外光による映像信号を除去し、発光のみによる映像信号を得ることができる。すなわち、発光期間の反射光を撮像して被写体の奥行を計測する際に、その奥行情報を正確に取得することができる。さらに付随する効果として、露光期間Aの信号から発光の影響のない外光のみによる映像も得られるので、被写体の認識に好適となる。   As described above, in the embodiment of FIG. 3, two exposure periods A and B are set in one frame period, and the respective signal information is output in two output periods A and B. For example, when the light emission period coincides with the exposure period B, a video signal based only on the external light of the exposure period A is obtained from the output signal of the output period A, and the external light of the exposure period B is obtained from the output signal of the output period B. A video signal by light emission is obtained. By calculating (subtracting) these two output signals by the calculation circuit 500, the video signal due to external light can be removed, and the video signal based only on light emission can be obtained. In other words, when measuring the depth of the subject by imaging the reflected light during the light emission period, the depth information can be accurately acquired. Further, as an accompanying effect, an image using only external light that is not affected by light emission can be obtained from the signal of the exposure period A, which is suitable for recognition of a subject.

図4は、本発明の撮像方法の第2の実施例を示すタイミングチャートである。前記実施例1(図3)との変更箇所は、出力期間Aと出力期間Bの間でリセットゲートRGを低レベルのままにして、浮遊拡散層102のリセットを行わない点である。これにより露光期間Aの信号電荷は、出力期間Aで出力した後もリセットされず浮遊拡散層102に保持され、出力期間Bでも再び読み出されることになる。すなわち、出力期間Aの出力信号は露光期間Aの外光による映像信号であるのに対し、出力期間Bの出力信号は、露光期間Bの発光による映像信号と露光期間Bの外光による映像信号に露光期間Aの外光による映像信号が加算されたものになる。実施例1(図3)の場合と同様に、演算回路500によりこれら2つの出力信号を所定の係数を乗じて演算(減算)することで、外光による映像信号を除去し、発光のみによる映像信号を得ることができる。さらに、外光のみによる映像信号も得られるという付随効果もある。本実施例の構成では、RGパルスを1個減らすことによりタイミング設定の余裕度が増すメリットがある。   FIG. 4 is a timing chart showing a second embodiment of the imaging method of the present invention. The change from the first embodiment (FIG. 3) is that the reset gate RG is kept at a low level between the output period A and the output period B, and the floating diffusion layer 102 is not reset. As a result, the signal charge in the exposure period A is not reset after being output in the output period A but is held in the floating diffusion layer 102 and is read again in the output period B. That is, the output signal in the output period A is a video signal by the external light in the exposure period A, whereas the output signal in the output period B is the video signal by the light emission in the exposure period B and the video signal by the external light in the exposure period B. To which the video signal of the external light during the exposure period A is added. As in the case of the first embodiment (FIG. 3), the arithmetic circuit 500 calculates (subtracts) these two output signals by multiplying them by a predetermined coefficient, thereby removing the video signal due to the external light, and the video only based on the light emission. A signal can be obtained. In addition, there is an accompanying effect that a video signal using only external light can be obtained. In the configuration of this embodiment, there is an advantage that the margin of timing setting is increased by reducing one RG pulse.

図5は、本発明の撮像方法の第3の実施例を示すタイミングチャートである。実施例2(図4)との変更箇所は、時間T2からT4までの間にさらに出力期間Cを追加してkTC雑音を出力させる点である。具体的には、時間T2でRGパルスを印加して浮遊拡散層102をリセットした後、LS(n),LS(n+1),・・・に順次パルスを印加して、浮遊拡散層102で発生するkTC雑音の電圧情報を垂直信号線200へ伝達する。すなわち、この出力期間Cでは映像信号が存在せずkTC雑音のみを出力する。この後実施例2(図4)と同様に、出力期間Aでは露光期間Aの外光による映像信号を、出力期間Bでは露光期間Bの発光および外光による映像信号に露光期間Aの外光による映像信号が加算されたものを出力する。   FIG. 5 is a timing chart showing a third embodiment of the imaging method of the present invention. The difference from the second embodiment (FIG. 4) is that an output period C is further added between time T2 and T4 to output kTC noise. Specifically, after the RG pulse is applied at time T2 to reset the floating diffusion layer 102, pulses are sequentially applied to LS (n), LS (n + 1),. The voltage information of the kTC noise to be transmitted is transmitted to the vertical signal line 200. That is, in this output period C, there is no video signal and only kTC noise is output. Thereafter, as in the second embodiment (FIG. 4), the image signal generated by the external light in the exposure period A is output in the output period A, and the light output in the exposure period B and the video signal generated by the external light are output in the output period B. The video signal added by is output.

出力期間A、BにおいてkTC雑音を考慮すると、時間T4でTGパルスを印加してフォトダイオード101の信号電荷を浮遊拡散層102に転送したとき、浮遊拡散層102には露光期間Aの信号電荷とkTC雑音が保持される。すなわち出力期間Aでは、上記映像信号(露光期間Aの外光による映像信号)の他にkTC雑音が出力される。同様に出力期間Bでは、上記映像信号(露光期間Bの発光および外光による映像信号、露光期間Aの外光による映像信号)の他にkTC雑音が出力される。これら出力期間A,B,Cの3つの出力信号を演算することにより、kTC雑音を除去した状態で発光のみによる映像信号と外光のみによる映像信号を得ることができる。   Considering kTC noise in the output periods A and B, when the signal charge of the photodiode 101 is transferred to the floating diffusion layer 102 by applying a TG pulse at time T4, the signal charge in the exposure period A is transferred to the floating diffusion layer 102. kTC noise is retained. That is, in the output period A, kTC noise is output in addition to the video signal (video signal generated by the external light during the exposure period A). Similarly, in the output period B, kTC noise is output in addition to the video signal (the video signal due to light emission and external light during the exposure period B and the video signal due to external light during the exposure period A). By calculating these three output signals of the output periods A, B, and C, it is possible to obtain a video signal based only on light emission and a video signal based only on outside light with the kTC noise removed.

図6は、本実施例の信号伝送動作を示すポテンシャル図で、図5のタイミングチャートの各時間における撮像素子内部のポテンシャル分布を示す。   FIG. 6 is a potential diagram showing the signal transmission operation of this embodiment, and shows the potential distribution inside the image sensor at each time in the timing chart of FIG.

時間T2ではRGパルスを立ち下げて、FD(浮遊拡散層102)を電源Vddから切断する。このときFDにはkTC雑音404が残留する。この状態でLSパルスを印加しFDから信号を読み出すのが出力期間Cである。またPD(フォトダイオード101)には光電変換により信号電荷401が生成・蓄積されている。
時間T3ではBGパルスを印加し、PDを空乏化させて信号電荷401を電源に掃き出す。BGパルスを立ち下げると、PDには新たに信号電荷402の蓄積が始まる(露光期間A)。
At time T2, the RG pulse is lowered to disconnect the FD (floating diffusion layer 102) from the power supply Vdd. At this time, kTC noise 404 remains in the FD. In this state, the LS pulse is applied and the signal is read from the FD in the output period C. Further, a signal charge 401 is generated and accumulated in the PD (photodiode 101) by photoelectric conversion.
At time T3, a BG pulse is applied to deplete the PD and sweep the signal charge 401 to the power source. When the BG pulse is lowered, signal charge 402 is newly accumulated in the PD (exposure period A).

時間T4では、TGパルスを印加しPDを空乏化させ、前記T3以降(露光期間A)にPDにて生成された信号電荷402をFDに移送する。この結果FDにはkTC雑音404と信号電荷402が保持される。この状態でLSパルスを印加しFDから信号を読み出すのが出力期間Aである。信号電荷402のFDへの移送が完了すると、PDには新たに信号電荷403の蓄積が始まる(露光期間B)。
時間T5では、再度TGパルスを印加してPDを空乏化させ、前記T4以降(露光期間B)にPDにて生成された信号電荷403をFDに移送する。この結果FDにはkTC雑音404と信号電荷402と信号電荷403が保持される。この状態でLSパルスを印加しFDから信号を読み出すのが出力期間Bである。
At time T4, a TG pulse is applied to deplete the PD, and the signal charge 402 generated by the PD is transferred to the FD after T3 (exposure period A). As a result, the kTC noise 404 and the signal charge 402 are held in the FD. In this state, the output period A is when the LS pulse is applied and the signal is read from the FD. When the transfer of the signal charge 402 to the FD is completed, accumulation of the signal charge 403 newly starts in the PD (exposure period B).
At time T5, the TG pulse is applied again to deplete the PD, and the signal charge 403 generated in the PD is transferred to the FD after T4 (exposure period B). As a result, the kTC noise 404, the signal charge 402, and the signal charge 403 are held in the FD. In this state, the output period B is when the LS pulse is applied and the signal is read from the FD.

このようにして、出力期間CではkTC雑音404を、出力期間AではkTC雑音404と信号電荷402を、出力期間BではkTC雑音404と信号電荷402と信号電荷403をそれぞれ出力することができ、後段の演算でそれぞれの信号電荷の情報を分離して取得することができる。
なお、本実施例の撮像方法は前記図1にて典型的な例として説明した通りである。
In this way, the kTC noise 404 can be output in the output period C, the kTC noise 404 and the signal charge 402 can be output in the output period A, and the kTC noise 404, the signal charge 402, and the signal charge 403 can be output in the output period B, respectively. Information of each signal charge can be separated and acquired by a subsequent calculation.
The imaging method of this embodiment is as described as a typical example in FIG.

本発明は、前記図13で述べた画素当たり2個のフォトダイオードを有する構成の撮像装置においても適用できる。
図7は、本発明の撮像方法の第4の実施例を示すタイミングチャートであり、図13の撮像装置に適用した場合である。撮像装置には第2のフォトダイオード(PD2)108と第2の転送ゲート(TG2)109を有するとともに、第1、第2のサンプルホールド回路(SH1,SH2)202,203と差動増幅器(AMP)204により、kTC雑音を取り除いて信号情報だけを出力することができる。
The present invention can also be applied to an imaging apparatus having two photodiodes per pixel described in FIG.
FIG. 7 is a timing chart showing the fourth embodiment of the imaging method of the present invention, which is applied to the imaging apparatus of FIG. The imaging device includes a second photodiode (PD2) 108 and a second transfer gate (TG2) 109, and first and second sample and hold circuits (SH1, SH2) 202, 203 and a differential amplifier (AMP). 204), kTC noise can be removed and only signal information can be output.

本実施例は図14のタイミングチャートと比較し、1フレーム期間に2回の露光期間A,Bとこれに対応する出力期間A,Bを設けている点が異なる。なお図7では、図14で示したRGパルスとTG2パルスとLSパルスの表示を省略している。例えば発光期間を露光期間Bに一致させると、出力期間Aの信号からは外光のみによる映像信号が得られ、出力期間Bの信号からは発光による映像信号と外光による映像信号が得られる。これらの映像信号では、差分増幅器204によりkTC雑音が除去されている。これら2つの出力信号を演算することにより、外光による映像を除去し、発光のみによる映像を得ることができ、より正確な奥行情報を得ることができる。さらに付随する効果として、露光期間Aの信号から発光の影響のない外光のみによる映像も得られるので、被写体の認識に好適である。   This embodiment differs from the timing chart of FIG. 14 in that two exposure periods A and B and corresponding output periods A and B are provided in one frame period. In FIG. 7, the display of the RG pulse, TG2 pulse, and LS pulse shown in FIG. 14 is omitted. For example, when the light emission period coincides with the exposure period B, a video signal based only on external light is obtained from the signal in the output period A, and a video signal based on light emission and a video signal based on external light are obtained from the signal in the output period B. In these video signals, kTC noise is removed by the differential amplifier 204. By calculating these two output signals, it is possible to remove an image due to external light and obtain an image based only on light emission, thereby obtaining more accurate depth information. Further, as an accompanying effect, an image using only external light that is not affected by light emission can be obtained from the signal of the exposure period A, which is suitable for recognition of a subject.

図8は、本発明による撮像装置の第5の実施例を示す構成図である。本実施例でも2個のフォトダイオードを有するが、前記図13の撮像装置と比較して、第2の転送ゲート(TG2)109とリセットゲート(RG)104を全画素共通のパルスで駆動するようにしている。またkTC雑音は、実施例3(図5)のように、同じ経路で先に読み出しておいて、後段の処理で差し引くので、AD変換器300の前のサンプルホールド回路(SH1,SH2)202,203や差動増幅器204が不要になる。第2のフォトダイオード(PD2)108は図13と同じく遮光されていて、信号電荷を保持することができる。   FIG. 8 is a block diagram showing a fifth embodiment of the imaging apparatus according to the present invention. Although this embodiment also has two photodiodes, the second transfer gate (TG2) 109 and the reset gate (RG) 104 are driven by a pulse common to all pixels, as compared with the imaging device of FIG. I have to. Further, as in the third embodiment (FIG. 5), the kTC noise is read out first through the same path and is subtracted in the subsequent processing, so that the sample hold circuit (SH1, SH2) 202, before the AD converter 300, 203 and the differential amplifier 204 become unnecessary. The second photodiode (PD2) 108 is shielded from light as in FIG. 13 and can hold signal charges.

本実施例でも2回の露光期間を設定するが、その期間は、フォトダイオード(PD)101の信号電荷をブルーミング掃き出しゲート(BG)107から掃き出した後、転送ゲート103から第2のフォトダイオード(PD2)108に転送するまでの期間であり、他の動作と関係なく自由に選ぶことができる。さらに第2のフォトダイオード108は、信号電荷を浮遊拡散層102に転送した後に、別の信号電荷をフォトダイオード101から転送して保持しておくことで、合わせて2回の露光期間を重ならない範囲で自由に設定することができる。以下に述べるタイミングで動作させることにより、極めて高精度に外光の影響を抑圧することができる。   In this embodiment, two exposure periods are set. During this period, after the signal charge of the photodiode (PD) 101 is swept from the blooming sweep gate (BG) 107, the second photodiode ( PD2) is a period until transfer to 108, and can be freely selected regardless of other operations. Further, the second photodiode 108 transfers the signal charge to the floating diffusion layer 102, and then transfers another signal charge from the photodiode 101 and holds it, so that the two exposure periods do not overlap. It can be set freely within the range. By operating at the timing described below, the influence of external light can be suppressed with extremely high accuracy.

図9は、図8の撮像装置における撮像方法の一実施例を示すタイミングチャートである。前記図1と同様に1フレームに2回の露光期間A,Bと、3回の出力期間C,A,Bを設ける。それぞれの出力期間C,A,Bでは、kTC雑音、信号A(露光期間Aの信号)、信号B(露光期間Bの信号)を加算しながら出力する。この例でも、発光期間は露光期間Bに一致させている。   FIG. 9 is a timing chart showing an embodiment of an imaging method in the imaging apparatus of FIG. As in FIG. 1, two exposure periods A and B and three output periods C, A, and B are provided in one frame. In each output period C, A, B, kTC noise, signal A (exposure period A signal), and signal B (exposure period B signal) are added and output. Also in this example, the light emission period is made to coincide with the exposure period B.

図1との違いは、2つの露光期間A,Bを重ならない範囲で自由に設定できる点で、例えば露光期間Aと露光期間Bの時間差(T3とT4の時間差)を30μsec程度に設定する。これは時速100kmで走行している車が1mm動く時間に相当し、露光期間Aと露光期間Bとで外光によって得られる映像が実質的に同じ映像になる(強度は露光時間に比例する)。従って、日常見かける速い動きのある被写体でも、後段での演算により外光の影響をほぼ完全に除去することができる。なお発光期間の設定は、厳密には光の速度を考慮する必要があるが、1μsecで300m移動するので、露光期間Bに一致させて構わない。最大認識距離仕様が例えば150mと長い場合は、光速を考慮して発光期間の終了時間を露光期間Bの終了時間よりも1μsecだけ早く設定すると若干発光強度を増すことができる。   The difference from FIG. 1 is that the two exposure periods A and B can be set freely within a range that does not overlap. For example, the time difference between the exposure period A and the exposure period B (time difference between T3 and T4) is set to about 30 μsec. This corresponds to the time required for a car traveling at 100 km / h to move 1 mm, and the images obtained by external light in the exposure period A and the exposure period B are substantially the same image (the intensity is proportional to the exposure time). . Therefore, the influence of external light can be almost completely removed by calculation in a later stage even for a subject with a fast movement that is seen everyday. Strictly speaking, the setting of the light emission period needs to consider the speed of light. However, since it moves 300 m in 1 μsec, it may coincide with the exposure period B. When the maximum recognition distance specification is as long as 150 m, for example, the light emission intensity can be slightly increased by setting the end time of the light emission period 1 μsec earlier than the end time of the exposure period B in consideration of the speed of light.

図10は、図9のタイミングチャートにゲートパルスを追加しより詳細に示した図である。   FIG. 10 is a diagram showing in more detail a gate pulse added to the timing chart of FIG.

時間T2でRGパルスを立ち下げ浮遊拡散層102を分離した後、出力期間Cに入る。ここではLS(n),LS(n+1),・・・に順次パルスを印加して、kTC雑音の電圧情報を垂直信号線200へ伝達して出力する。
時間T3でBGパルスを立ち下げて露光期間Aが始まる。この時間T3は任意に選ぶことができるが、露光時間を短くする場合には出力期間Cの後半にする。この後、時間T11でTGパルスを印加して信号電荷を第2のフォトダイオード108に転送し終えると、露光時間Aが終了し代わりに露光期間Bが始まる。時間T11でTGパルスが立ち下がった後、すぐTG2パルスを印加して、露光期間Aの信号電荷を第2のフォトダイオード108から浮遊拡散層102に転送する。
The output period C is entered after the floating diffusion layer 102 is separated by falling the RG pulse at time T2. Here, pulses are sequentially applied to LS (n), LS (n + 1),... To transmit voltage information of kTC noise to the vertical signal line 200 and output it.
At time T3, the BG pulse falls and the exposure period A starts. This time T3 can be arbitrarily selected, but is set to the latter half of the output period C when the exposure time is shortened. Thereafter, when the TG pulse is applied at time T11 to transfer the signal charges to the second photodiode 108, the exposure time A ends and the exposure period B starts instead. Immediately after the TG pulse falls at time T11, the TG2 pulse is applied, and the signal charge in the exposure period A is transferred from the second photodiode 108 to the floating diffusion layer 102.

時間T4ではTG2パルスが立ち下がり、第2のフォトダイオード108は空になっているので、この後任意の時間T12に再びTGパルスを印加してフォトダイオード101から第2のフォトダイオード108に信号電荷を転送する。この時点で露光期間Bが終了する。
時間T4では、露光期間Aの信号電荷が浮遊拡散層102に転送され、kTC雑音電荷と合わさる。この後出力期間Aに入るが、ここではLS(n),LS(n+1),・・・に順次パルスを印加して、雑音と信号を垂直信号線200へ伝達して出力する。
At time T4, the TG2 pulse falls and the second photodiode 108 is emptied. Thereafter, the TG pulse is applied again at an arbitrary time T12, and the signal charge is applied from the photodiode 101 to the second photodiode 108. Forward. At this point, the exposure period B ends.
At time T4, the signal charge in the exposure period A is transferred to the floating diffusion layer 102 and is combined with the kTC noise charge. After this, the output period A starts. Here, pulses are sequentially applied to LS (n), LS (n + 1),..., And noise and signals are transmitted to the vertical signal line 200 and output.

出力期間Aが完了した後、時間T5では再びTG2パルスを印加して、露光期間Bの信号電荷を第2のフォトダイオード108から浮遊拡散層102に転送する。このとき浮遊拡散層102には、kTC雑音電荷と2つの露光期間A,Bの信号電荷の全てが保持される。この後出力期間Bに入るが、ここではLS(n),LS(n+1),・・・に順次パルスを印加して、雑音と信号を垂直信号線200へ伝達して出力する。   After the output period A is completed, the TG2 pulse is applied again at time T5, and the signal charge in the exposure period B is transferred from the second photodiode 108 to the floating diffusion layer 102. At this time, the floating diffusion layer 102 holds all of the kTC noise charge and the signal charges of the two exposure periods A and B. After this, the output period B starts. Here, pulses are sequentially applied to LS (n), LS (n + 1),..., And noise and signals are transmitted to the vertical signal line 200 and output.

このように本実施例では連続する2つの露光期間A,Bをきわめて短く設定することができ、従って2つの露光期間のタイミング差もきわめて小さくでき、日常に見かける被写体がほとんど動かない状態で2つの映像を得ることができる。後段での演算は図1と同様であるが、外光による映像は2つの露光期間でほぼ同じなので、外光による影響をほぼ完全に除去することができ、屋外でも遠くの被写体でも精度良く奥行計測することができる。   As described above, in this embodiment, the two consecutive exposure periods A and B can be set to be extremely short. Therefore, the timing difference between the two exposure periods can be extremely small, and the two subjects can be seen in a state where the subject seen in daily life hardly moves. You can get a picture. The calculation at the latter stage is the same as in FIG. 1, but since the image by outside light is almost the same during the two exposure periods, the influence of outside light can be almost completely eliminated, and the depth can be accurately obtained both outdoors and at a distant subject. It can be measured.

なお、以上の実施例では露光期間が2つの場合のみを説明したが、ダイナミックレンジ拡大等のためにさらに多くの露光期間を設ける構成も可能である。その場合にも、複数の露光期間の一部の期間でのみ発光させることにより、同様に奥行計測の精度を向上することができる。   In the above embodiment, only the case where there are two exposure periods has been described, but it is also possible to provide a larger number of exposure periods in order to expand the dynamic range. Even in that case, the accuracy of depth measurement can be similarly improved by emitting light only during a part of the plurality of exposure periods.

100…画素部、
101…フォトダイオード(PD)、
102…浮遊拡散層(FD)、
103…転送ゲート(TG)、
104…リセットゲート(RG)、
105…ソースホロワ増幅器、
106…行選択ゲート(LS)、
107…ブルーミング掃き出しゲート(BG)、
108…第2のフォトダイオード(PD2)、
109…第2の転送ゲート(TG2)、
200…垂直信号線、
201…電流源、
202…第1のサンプルホールド回路(SH1)、
203…第2のサンプルホールド回路(SH2)、
204…差動増幅器(AMP)、
300…AD変換器(ADC)、
400…水平出力回路、
401,402,403…信号電荷、
404…雑音電荷、
500…演算回路、
600…パルス発生回路、
700…発光装置。
100 ... pixel portion,
101 ... Photodiode (PD),
102 ... floating diffusion layer (FD),
103: Transfer gate (TG),
104 ... Reset gate (RG),
105 ... Source follower amplifier,
106 ... row selection gate (LS),
107 ... Blooming sweep gate (BG),
108 ... second photodiode (PD2),
109 ... second transfer gate (TG2),
200 ... vertical signal line,
201 ... current source,
202... First sample and hold circuit (SH1),
203 ... second sample and hold circuit (SH2),
204... Differential amplifier (AMP),
300 ... AD converter (ADC),
400 ... horizontal output circuit,
401, 402, 403 ... signal charges,
404 ... noise charge,
500 ... arithmetic circuit,
600 ... pulse generation circuit,
700: Light-emitting device.

Claims (8)

発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、
1フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光し、
該複数の露光期間の中の1つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、
前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力し、
該出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
In an imaging method of illuminating a subject with emitted light and imaging the subject from the reflected light,
A plurality of exposure periods are provided within one frame period, and exposure is performed in each period.
Providing a light emission period corresponding to one of the plurality of exposure periods to emit light;
Output each video signal obtained in the plurality of exposure periods,
An imaging method comprising: calculating the plurality of output video signals, removing a video signal due to external light, and acquiring a video signal based only on light emission.
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、
1フレーム期間内に露光期間および発光期間を設け、
1フレーム期間内に複数の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力するものであって、
前記複数の出力期間の中の最初の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、
2回目以降の出力期間では、前記露光期間に得られる映像信号とランダム雑音とを出力し、
該出力された複数の出力期間の信号を演算して、ランダム雑音を除去した映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
In an imaging method of illuminating a subject with emitted light and imaging the subject from the reflected light,
An exposure period and a light emission period are provided within one frame period,
Providing a plurality of output periods within one frame period and outputting signals obtained in each period;
In a first output period among the plurality of output periods, random noise not including a video signal is output,
In the second and subsequent output periods, the video signal and random noise obtained during the exposure period are output,
An imaging method comprising: calculating the output signals of a plurality of output periods to obtain a video signal from which random noise has been removed.
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、
1フレーム期間内に、第1、第2の露光期間と、該第1、第2の露光期間の一方に一致する1つの発光期間と、第1、第2、第3の出力期間を設け、
前記第1の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、
前記第2の出力期間では、前記第1の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、
前記第3の出力期間では、前記第1の露光期間の映像信号と前記第2の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、
該出力された複数の出力期間の信号を演算して、外光による映像信号とランダム雑音を除去して発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
In an imaging method of illuminating a subject with emitted light and imaging the subject from the reflected light,
Within one frame period, there are provided first and second exposure periods, one light emission period corresponding to one of the first and second exposure periods, and first, second and third output periods,
In the first output period, random noise not including a video signal is output,
In the second output period, the video signal and random noise of the first exposure period are output,
In the third output period, the video signal of the first exposure period, the video signal of the second exposure period, and random noise are output,
An imaging method, wherein the output signals of a plurality of output periods are calculated, and a video signal by external light and random noise are removed to obtain a video signal by only light emission.
請求項1または3に記載の撮像方法において、
前記演算にて、さらに外光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
The imaging method according to claim 1 or 3,
An imaging method characterized by further obtaining a video signal based only on outside light by the calculation.
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、
前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、
該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、
該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、
前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、
該パルス発生回路は、前記フォトダイオード群に対し1フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光させ、前記発光装置に対し該複数の露光期間の中の1つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力させ、
前記演算回路は、前記出力回路から出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
In an imaging device that irradiates a subject with emitted light and images the subject from the reflected light,
A group of photodiodes arranged in an array for photoelectrically converting reflected light from the subject to generate signal charges;
An output circuit for sequentially reading video signals from signal charges generated by the photodiode group;
An arithmetic circuit for calculating an output signal from the output circuit;
A pulse generation circuit for controlling the light emission operation of the light emitting device, and generating a pulse group for controlling the exposure operation of the photodiode group and the read operation of the output circuit,
The pulse generation circuit provides the photodiode group with a plurality of exposure periods within one frame period and exposes each of the periods, and causes the light emitting device to perform exposure within one of the plurality of exposure periods. Providing a light emission period that coincides, and causing the output circuit to output the respective video signals obtained in the plurality of exposure periods;
The imaging device is characterized in that the arithmetic circuit calculates a plurality of video signals output from the output circuit, removes the video signal due to external light, and acquires a video signal based only on light emission.
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、
前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、
該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、
該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、
前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、
該パルス発生回路は1フレーム期間内において、前記フォトダイオード群に対し露光期間を設けて露光させ、前記発光装置に対し発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し複数の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力させ、
前記出力回路は、前記複数の出力期間の中の最初の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、2回目以降の出力期間では、前記露光期間に得られる映像信号とランダム雑音とを出力し、
前記演算回路は、該出力された複数の出力期間の信号を演算して、ランダム雑音を除去した映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
In an imaging device that irradiates a subject with emitted light and images the subject from the reflected light,
A group of photodiodes arranged in an array for photoelectrically converting reflected light from the subject to generate signal charges;
An output circuit for sequentially reading video signals from signal charges generated by the photodiode group;
An arithmetic circuit for calculating an output signal from the output circuit;
A pulse generation circuit for controlling the light emission operation of the light emitting device, and generating a pulse group for controlling the exposure operation of the photodiode group and the read operation of the output circuit,
In one frame period, the pulse generation circuit provides an exposure period for the photodiode group for exposure, the light emitting device for light emission with a light emission period, and a plurality of output periods for the output circuit. Output the signal obtained in each period,
The output circuit outputs random noise that does not include a video signal in a first output period of the plurality of output periods, and a video signal and random noise obtained in the exposure period in a second and subsequent output periods. Output
The arithmetic circuit calculates an output signal of a plurality of output periods to obtain a video signal from which random noise has been removed.
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、
前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、
該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、
該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、
前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、
該パルス発生回路は、前記フォトダイオード群に対し1フレーム期間内に第1、第2の露光期間を設けて露光させ、前記発光装置に対し該第1、第2の露光期間の一方に一致する1つの発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し第1、第2、第3の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力させ、
前記出力回路は、前記第1の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、前記第2の出力期間では、前記第1の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、前記第3の出力期間では、前記第1の露光期間の映像信号と前記第2の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、
前記演算回路は、該出力された複数の出力期間の信号を演算して、外光による映像信号とランダム雑音を除去して発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
In an imaging device that irradiates a subject with emitted light and images the subject from the reflected light,
A group of photodiodes arranged in an array for photoelectrically converting reflected light from the subject to generate signal charges;
An output circuit for sequentially reading video signals from signal charges generated by the photodiode group;
An arithmetic circuit for calculating an output signal from the output circuit;
A pulse generation circuit for controlling the light emission operation of the light emitting device, and generating a pulse group for controlling the exposure operation of the photodiode group and the read operation of the output circuit,
The pulse generation circuit exposes the photodiode group by providing first and second exposure periods within one frame period, and causes the light-emitting device to coincide with one of the first and second exposure periods. Providing one light emission period to emit light, providing the output circuit with first, second, and third output periods to output signals obtained in the respective periods;
The output circuit outputs random noise not including a video signal in the first output period, and outputs a video signal and random noise in the first exposure period in the second output period, In the third output period, the video signal of the first exposure period, the video signal of the second exposure period, and random noise are output,
The arithmetic circuit calculates an output signal of a plurality of output periods, and obtains a video signal based only on light emission by removing a video signal due to external light and random noise.
請求項5または7に記載の撮像装置において、
前記演算回路は、前記出力された複数の信号を演算して、さらに外光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
In the imaging device according to claim 5 or 7,
The imaging device is characterized in that the arithmetic circuit calculates the plurality of outputted signals and further acquires a video signal based only on external light.
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