JP2014116741A - Imaging apparatus and imaging system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置及び撮像システムに関する。 The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging system.
800nm〜1000nmの近赤外線は、生体に対して透過性を有することが知られている。近赤外線によって励起し、近赤外蛍光を発する薬剤を体内に注入し、体外よりその蛍光を観察することで可視化しようとする技術が注目されている。近赤外領域に感度を有するモノクロ撮像装置により、体内からの蛍光を撮影することが可能となる。加えて、色情報も同時に出力し、可視光線画像と近赤外線画像を同時にモニタすることが求められている。可視光線撮像装置及び近赤外線撮像装置のそれぞれを用いて撮影し、画像を重ね合わせるという方式が考えられるが、小型化・ローコスト化には難点がある。単一の撮像装置で可視光線画像及び近赤外線画像を取得することが求められている。 It is known that near-infrared rays of 800 nm to 1000 nm are permeable to living bodies. A technique for visualizing a drug by injecting a drug that emits near-infrared fluorescence and emits near-infrared fluorescence into the body and observing the fluorescence from outside the body is attracting attention. A monochrome imaging device having sensitivity in the near-infrared region can capture fluorescence from within the body. In addition, it is required to simultaneously output color information and simultaneously monitor a visible light image and a near-infrared image. Although a method of photographing using each of the visible light imaging device and the near-infrared imaging device and superimposing the images can be considered, there is a difficulty in miniaturization and cost reduction. There is a demand for obtaining a visible light image and a near-infrared image with a single imaging device.
特許文献1においては、可視光線を透過するフィルタと近赤外線を透過するフィルタを撮像装置の画素上に配置し、単一の撮像装置にて可視光線及び近赤外線の感度を有する固体撮像装置が開示されている。また、特許文献2においては、特定の可視光線領域及び近赤外領域に透過性を有するフィルタを撮像装置の画素上に配置し、同一画素にて可視光線及び近赤外線を受光し、フレーム毎に可視光線出力及び近赤外線出力を切り替えて出力する技術が開示されている。また、近赤外線は4画素分の信号を加算して出力するという技術が開示されている。
近赤外線は可視光線に対して、シリコン内部での変換効率が低下するため、一般には可視光線出力と比較して近赤外線出力は小さくなる。よって、より近赤外波長に対して高い感度が求められる場合には、特許文献1に開示されたフィルタの配置においては十分な感度が得られない可能性がある。
Near-infrared rays have a lower conversion efficiency inside the silicon than visible rays, so that the near-infrared rays output is generally smaller than the visible ray output. Therefore, when higher sensitivity is required for near-infrared wavelengths, there is a possibility that sufficient sensitivity cannot be obtained in the arrangement of the filter disclosed in
上記課題を解決するため、特許文献2においては、近赤外線出力に対しては4画素分の信号を加算する技術が開示されている。しかしながら、同一画素にて可視光線と近赤外線を受光するため、近赤外線画像に対して、可視光線のノイズが混入し、低ノイズの近赤外線画像を得るためには別途、可視光線のノイズを除去する処理が必要となる。
In order to solve the above problem,
本発明の目的は、近赤外線画像に対して可視光線ノイズを除去する処理を経ずに、容易に可視光線及び近赤外線に対して高い感度を有する撮像装置及び撮像システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide an imaging apparatus and an imaging system that can easily have high sensitivity to visible light and near infrared light without performing processing for removing visible light noise on the near infrared image.
本発明の撮像装置は、可視光線を電気信号に変換する複数の第1の画素と、近赤外線を電気信号に変換する複数の第2の画素と、第1のフレームでは複数の前記第1の画素の電気信号を含む信号を出力させ、第2のフレームでは複数の前記第2の画素の電気信号のみを含む信号を出力させる走査回路とを有する。 The imaging apparatus according to the present invention includes a plurality of first pixels that convert visible light into an electrical signal, a plurality of second pixels that convert near-infrared light into an electrical signal, and a plurality of the first pixels in a first frame. A scanning circuit that outputs a signal including an electrical signal of the pixel and outputs a signal including only the electrical signals of the plurality of second pixels in the second frame.
近赤外線画像に対して可視光線ノイズを除去する処理を経ずに、容易に可視光線及び近赤外線に対して高い感度を有する撮像装置及び撮像システムを提供することができる。 An imaging apparatus and an imaging system having high sensitivity to visible light and near infrared light can be easily provided without performing processing for removing visible light noise on the near infrared image.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る固体撮像装置の構成例を示すブロック図である。固体撮像装置は、画素部101と、垂直走査回路102と、読出し回路103と、出力アンプ105と、水平走査回路104とを有する。画素部101は、入射光に応じて発生した電荷を蓄積して信号を出力する2次元行列状に配置された複数の画素を有する。垂直走査回路102は、画素部101から読出し回路103に画素信号を読み出すための画素制御手段である。読出し回路103は、画素部101の画素からの信号を処理する。水平走査回路104は、読出し回路103から出力アンプ105への信号転送を制御する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a solid-state imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. The solid-state imaging device includes a
図2は、画素部101の一部の画素の配置例を示す図である。画素部101は、2次元行列状に配置された複数の画素を有する。n行目には、赤(可視光線)の波長を透過するカラーフィルタ(可視光線フィルタ)を配置した画素(以後、R画素と呼ぶ)と、緑(可視光線)の波長を透過するカラーフィルタ(可視光線フィルタ)を配置した画素(以後、G画素と呼ぶ)とが交互に配置されている。また、n+2行目には、青(可視光線)の波長を透過するカラーフィルタ(可視光線フィルタ)を配置した画素(以後、B画素と呼ぶ)と、G画素とが交互に配置されている。また、n+1行目及びn+3行目には、近赤外線の波長を透過するフィルタを配置した画素(以後、IR画素と呼ぶ)が配置されている。R画素、G画素及びB画素は、可視光線画素(第1の画素)であり、可視光線を電気信号に変換する。IR画素は、近赤外線画素(第2の画素)であり、近赤外線を電気信号に変換する。ここで、nは奇数とする。その場合、奇数行には、可視光線透過フィルタの画素を配置、偶数行には近赤外線透過フィルタの画素を配置した構成となっている。奇数行におけるカラーフィルタの配置順番は任意であり、ここでは、読出し開始行を1行目として定義している。
FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement example of some pixels of the
図3は、図1の画素部101の同じ列に配置された4画素分の等価回路図である。n行目の画素は、受光素子301a及び転送トランジスタ302aを有する。n+1行目の画素は、受光素子301b及び転送トランジスタ302bを有する。n+2行目の画素は、受光素子301c及び転送トランジスタ302cを有する。n+3行目の画素は、受光素子301d及び転送トランジスタ302dを有する。受光素子301a〜301dは、例えばフォトダイオードであり、光電変換により電荷を生成して蓄積する。転送トランジスタ302a及び302bは、それぞれ、受光素子301a及び301bに蓄積された電荷をフローティングディフュージョン(以後、FDと呼ぶ)306aに転送する。垂直方向に隣接したn行目及びn+1行目の画素は、1個のFD306aを共有する。転送トランジスタ302c及び302dは、それぞれ、受光素子301c及び301dに蓄積された電荷をFD306bに転送する。垂直方向に隣接したn+2行目及びn+3行目の画素は、1個のFD306bを共有する。増幅トランジスタ304a及び304bは、それぞれ、FD306a及び306bの電圧を増幅する。行選択トランジスタ305a及び305bは、それぞれ、増幅トランジスタ304a及び304bの出力電圧を選択し、垂直出力線307に出力する。リセットトランジスタ303a及び303bは、それぞれ、FD306a,306b及び電源電圧ノード間に設けられ、FD306a,306b及び受光素子301a〜301dの信号をリセットする。転送トランジスタ302a〜302d、リセットトランジスタ303a,303b及び行選択トランジスタ305a,305bは、図1の垂直走査回路102によって制御される。垂直走査回路102は、読み出し用の走査回路及びリセット用の走査回路を有し、読み出し動作とリセット動作を制御する。
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram for four pixels arranged in the same column of the
図4は、本実施形態における読出しシーケンスを示す図である。時刻t2以降では、第1のフレームにて複数の可視光線画素(第1の画素)の電気信号を読み出して出力させる。次に、時刻t3以降では、第2のフレームにてIR画素(第2の画素)の電気信号を読み出して出力させる。また、受光素子301a〜301dのリセットは、IR画素の信号を読み出した後の時刻t4以降で実施することにより、可視光線画素に対してIR画素の電荷蓄積時間を長くすることができ、IR画素の感度を増大させることができる。
FIG. 4 is a diagram showing a read sequence in the present embodiment. After time t2, electrical signals from a plurality of visible light pixels (first pixels) are read out and output in the first frame. Next, after time t3, the electrical signal of the IR pixel (second pixel) is read and output in the second frame. Further, resetting the
図5は、図3に示した同列の4行分の画素の信号の読出しタイミングを示す図である。リセット信号RES1は、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ303aのゲートのリセット信号を示す。転送信号TX1は、n行目の転送トランジスタ302aのゲートの転送信号を示す。転送信号TX2は、n+1行目の転送トランジスタ302bのゲートの転送信号を示す。行選択信号SEL1は、n行目及びn+1行目の行選択トランジスタ305aのゲートの行選択信号を示す。リセット信号RES2は、n+2行目及びn+3行目のリセットトランジスタ303bのゲートのリセット信号を示す。転送信号TX3は、n+2行目の転送トランジスタ302cのゲートの転送信号を示す。転送信号TX4は、n+3行目の転送トランジスタ302dのゲートの転送信号を示す。行選択信号SEL2は、n+2行目及びn+3行目の行選択トランジスタ305bのゲートの行選択信号を示す。
FIG. 5 is a diagram showing signal readout timings of pixels for four rows in the same column shown in FIG. The reset signal RES1 indicates a reset signal for the gates of the
図4において、時刻t1及びt4は、1行目の画素のリセット動作の開始を示す。時刻t2は、可視光線画素の先頭行の読み出しの開始を示す。時刻t3は、近赤外線画素の先頭行の読み出しの開始を示す。図4及び図5において、リセット信号RES1がハイレベルになると、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ303aがオンし、リセット信号RES2がハイレベルになると、n+2行目及びn+3行目のリセットトランジスタ303bがオンする。時刻t11にて、転送信号TX1及びTX2がハイレベルになり、n行目及びn+1行目の転送トランジスタ302a及び302bがオンし、n行目及びn+1行目のFD306a及び受光素子301a,301bがリセットされる。続いて、転送信号TX3及びTX4がハイレベルになり、n+2目及びn+3行目の転送トランジスタ302c及び302dがオンし、n+2行目及びn+3行目のFD306b及び受光素子301c,301dがリセットされる。
In FIG. 4, times t1 and t4 indicate the start of the reset operation of the pixels in the first row. Time t2 indicates the start of reading of the first row of visible light pixels. Time t3 indicates the start of reading of the first row of near-infrared pixels. 4 and 5, when the reset signal RES1 becomes a high level, the
次に、時刻t21において、リセット信号RES1がローレベルになり、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ303aがオフする。それとともに、行選択信号SEL1がハイレベルになり、n行目及びn+1行目の行選択トランジスタ305aがオンすることで、n行目及びn+1行目の画素がアクティブになる。次に、転送信号TX1がハイレベルになることで、n行目の転送トランジスタ302aがオンし、n行目の受光素子301aの信号が垂直出力線307を介して読出し回路103へと読み出される。この期間、転送信号TX2はローレベルに固定され、n+1行目の転送トランジスタ302bがオフし、n+1行目の受光素子301bの信号は読み出されない。その後、リセット信号RES1はハイレベルになり、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ303aがオンする。続いて、リセット信号RES2がローレベルになり、n+2行目及びn+3行目のリセットトランジスタ303bがオフする。それとともに、行選択信号SEL2がハイレベルになり、n+2行目及びn+3行目の行選択トランジスタ305bがオンすることで、n+2行目及びn+3行目の画素がアクティブになる。次に、転送信号TX3がハイレベルになることで、n+2行目の転送トランジスタ302cがオンし、n+2行目の受光素子301cの信号が垂直出力線307を介して読出し回路103へと読み出される。この期間、転送信号TX4はローレベルに固定され、n+3行目の転送トランジスタ302dがオフし、n+3行目の受光素子301dの信号は読み出されない。以上のように、転送信号TX1及びTX3により、奇数行のn行目とn+2行目の可視光線画素の信号が読み出される。
Next, at time t21, the reset signal RES1 becomes low level, and the
次に、時刻t31において、リセット信号RES1がローレベルになり、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ303aがオフする。それとともに、行選択信号SEL1がハイレベルになり、n行目及びn+1行目の行選択トランジスタ305aがオンすることで、n行目及びn+1行目の画素がアクティブになる。次に、転送信号TX2がハイレベルになることで、n+1行目の転送トランジスタ302bがオンし、n+1行目の受光素子301bの信号が垂直出力線307を介して読出し回路103へと読み出される。この期間、転送信号TX1はローレベルに固定され、n行目の転送トランジスタ302aがオフし、n行目の受光素子301aの信号は読み出されない。続いて、リセット信号RES2がローレベルになり、n+2行目及びn+3行目のリセットトランジスタ303bがオフする。それとともに、行選択信号SEL2がハイレベルになり、n+2行目及びn+3行目の行選択トランジスタ305bがオンすることで、n+2行目及びn+3行目の画素がアクティブになる。次に、転送信号TX4がハイレベルになることで、n+3行目の転送トランジスタ302dがオンし、n+3行目の受光素子301dの信号が垂直出力線307を介して読出し回路103へと読み出される。この期間、転送信号TX3はローレベルに固定され、n+2行目の転送トランジスタ302cがオフし、n+2行目の受光素子301cの信号は読み出されない。以上のように、転送信号TX2及びTX4により、偶数行のn+1行目とn+3行目の近赤外線画素の信号が読み出される。時刻t41以降は、上記の時刻t11以降と同様に、再び全行の画素のリセット動作が行われ、上記動作が繰り返される。
Next, at time t31, the reset signal RES1 becomes low level, and the
図6(a)及び(b)は、上記の動作により読み出された可視光線画像フレームと近赤外線画像フレームを示す図である。固体撮像装置は、図6(a)の第1のフレームにおいては可視光線画素の信号を、図6(b)の第2のフレームにおいては近赤外線画素の信号をそれぞれ出力する。図2に示した可視光線画素と近赤外線画素の配置パターンにより、容易な駆動シーケンスで、図6(a)の可視光線画像及び図6(b)の近赤外線画像をそれぞれ別々に出力できる。撮像装置では、図6(a)の可視光線画像及び図6(b)の近赤外線画像が別々のフレームに出力される。そのため、例えば、第1のフレームと第2のフレームを交互に出力することにより、外部メモリ等を必要とせず、比較的簡易な画像処理にて動画として可視光線画像と近赤外線画像を同時に表示することが可能となる。また、解像度を落として感度優先で画像を表示させたい場合においては、図6(a)及び(b)の破線で囲んだ4画素の範囲を1画素として構成する。その場合、図6(a)の可視光線画素においては、破線内のそれぞれの画素の色情報より画素出力を構成する。図6(b)の近赤外線画素においては、破線の4画素分の信号を加算することにより、感度を向上させることができる。ここでの加算は撮像装置内で行ってもよいし、撮像装置外で行ってもよい。すなわち、図6(b)の第2のフレームでは、垂直走査回路102及び水平走査回路104により、破線内の複数のIR画素の電気信号が加算されて出力される。
FIGS. 6A and 6B are diagrams showing a visible light image frame and a near-infrared image frame read out by the above operation. The solid-state imaging device outputs a visible light pixel signal in the first frame of FIG. 6A and a near-infrared pixel signal in the second frame of FIG. With the arrangement pattern of visible light pixels and near-infrared pixels shown in FIG. 2, the visible light image of FIG. 6 (a) and the near-infrared image of FIG. 6 (b) can be output separately with an easy driving sequence. In the imaging apparatus, the visible light image in FIG. 6A and the near-infrared image in FIG. 6B are output to separate frames. Therefore, for example, by alternately outputting the first frame and the second frame, a visible light image and a near-infrared image are simultaneously displayed as a moving image by relatively simple image processing without requiring an external memory or the like. It becomes possible. In addition, in the case where it is desired to display an image with priority on sensitivity at a reduced resolution, the range of 4 pixels surrounded by the broken lines in FIGS. 6A and 6B is configured as one pixel. In that case, in the visible light pixel of FIG. 6A, a pixel output is constituted by the color information of each pixel in the broken line. In the near-infrared pixel of FIG. 6B, the sensitivity can be improved by adding signals for four broken lines. The addition here may be performed within the imaging apparatus or may be performed outside the imaging apparatus. That is, in the second frame in FIG. 6B, the
また、可視光線画素に対して近赤外線画素の感度を向上させたい場合には、近赤外線画素の信号に対して読出し回路103にてゲインにより増幅して出力してもよい。図2においては、可視光線画素及び近赤外線画素をそれぞれ行単位で配置していることにより、第1のフレーム又は第2のフレームにて、それぞれ読出しゲインを設定することにより、簡易な制御で、可視光線画素の出力及び近赤外線画素の出力の調整が可能となる。
Further, when it is desired to improve the sensitivity of the near-infrared pixel with respect to the visible light pixel, the signal of the near-infrared pixel may be amplified by the
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態の撮像装置の構成は、第1の実施形態と同様のため、第1の実施形態と異なる点を説明する。図7は、本発明の第2の実施形態による画素配置パターンを示す図である。n行目には、R画素及びG画素を交互に配置している。また、n+1行目には、G画素及びB画素を交互に配置している。また、n+2行目及びn+3行目には、IR画素を配置している。以後の行では、これらを繰り返し配置する。本実施形態による画素部101の一部の画素の等価回路を図8に示す。図8は、図7の画素配置における同じ列に配置された4画素分の等価回路図を示す。n行目の画素は、受光素子801aと、転送トランジスタ802aと、リセットトランジスタ803aと、増幅トランジスタ804aと、行選択トランジスタ805aと、FD806aとを有する。n+1行目の画素は、受光素子801bと、転送トランジスタ802bと、リセットトランジスタ803bと、増幅トランジスタ804bと、行選択トランジスタ805bと、FD806bとを有する。n+2行目の画素は、受光素子801cと、転送トランジスタ802cと、リセットトランジスタ803cと、増幅トランジスタ804cと、行選択トランジスタ805cと、FD806cとを有する。n+3行目の画素は、受光素子801dと、転送トランジスタ802dと、リセットトランジスタ803dと、増幅トランジスタ804dと、行選択トランジスタ805dと、FD806dとを有する。垂直出力線807aには、行選択トランジスタ805a及び805cが接続される。垂直出力線807bには、行選択トランジスタ805b及び805dが接続される。本実施形態は、同じ列に対して、2本の垂直出力線807a及び807bを有する。これにより、本実施形態は、2行分の信号を垂直出力線807a及び807bに同時に読み出すことができるため、第1の実施形態と比較して、読出し速度が向上する。
(Second Embodiment)
Since the configuration of the imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment, differences from the first embodiment will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating a pixel arrangement pattern according to the second embodiment of the present invention. In the nth row, R pixels and G pixels are alternately arranged. In the (n + 1) th row, G pixels and B pixels are alternately arranged. In addition, IR pixels are arranged in the (n + 2) th row and the (n + 3) th row. These are repeated in subsequent lines. FIG. 8 shows an equivalent circuit of some pixels of the
転送トランジスタ802a〜802dは、それぞれ、受光素子801a〜801dで発生した電荷をFD806a〜806dに転送する。増幅トランジスタ804a〜804dは、それぞれ、FD806a〜806dの電圧を増幅する。行選択トランジスタ805a及び805cは、それぞれ、増幅トランジスタ804a及び804cの出力を選択して垂直出力線807aに出力する。行選択トランジスタ805b及び805dは、それぞれ、増幅トランジスタ804b及び804dの出力を選択して垂直出力線807bに出力する。リセットトランジスタ803a〜803dは、それぞれ、FD806a〜806d及び電源電圧ノード間に接続され、FD806a〜806d及び受光素子801a〜801dの信号のリセットを制御する。転送トランジスタ802a〜802d、リセットトランジスタ803a〜803d及び行選択トランジスタ805a〜805dは、垂直走査回路102によって制御される。
The
本実施形態の読み出しシーケンスは、第1の実施形態のものと同様である。図9は、図4の読出しシーケンスに対応した本実施形態の読出しタイミング図であり、同列の4行分の信号の読出しタイミングを示している。リセット信号RES1は、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ803a及び803bのゲートのリセット信号を示す。転送信号TX1は、n行目及びn+1行目の転送トランジスタ802a及び802bのゲートの転送信号を示す。行選択信号SEL1は、n行目及びn+1行目の行選択トランジスタ805a及び805bのゲートの行選択信号を示す。リセット信号RES2は、n+2行目及びn+3行目のリセットトランジスタ803c及び803dのゲートのリセット信号を示す。転送信号TX2は、n+2行目及びn+3行目の転送トランジスタ802c及び802dのゲートの転送信号を示す。行選択信号SEL2は、n+2行目及びn+3の行目の行選択トランジスタ805c及び805dのゲートの選択信号を示す。
The read sequence of this embodiment is the same as that of the first embodiment. FIG. 9 is a read timing chart of the present embodiment corresponding to the read sequence of FIG. 4, and shows the read timing of signals for four rows in the same column. The reset signal RES1 indicates a reset signal of the gates of the
リセット信号RES1がハイレベルになると、n行目及びn+1行目のリセットトランジスタ803a及び803bがオンし、リセット信号RES2がハイレベルになると、n+2行目及びn+3行目のリセットトランジスタ803c及び803dがオンする。時刻t11にて、転送信号TX1がハイレベルになり、n行目及びn+1行目の転送トランジスタ802a及び802bがオンし、n行目及びn+1行目のFD806a,806b及び受光素子801a、801bがリセットされる。続いて、転送信号TX2がハイレベルになることで、n+2行目及びn+3行目の転送トランジスタ802c及び802dがオンし、n+2行目及びn+3行目のFD806c,806d及び受光素子801c,801dがリセットされる。
When the reset signal RES1 becomes high level, the
次に、時刻t21において、リセット信号RES1がローレベルになり、リセットトランジスタ803a及び803bがオフする。それとともに、行選択信号SEL1がハイレベルになり、行選択トランジスタ805a及び805bがオンすることで、n行目及びn+1行目の画素がアクティブになる。次に、転送信号TX1がハイレベルになることで、n行目及びn+1行目の転送トランジスタ802a及び802bがオンする。すると、n行目及びn+1行目の受光素子801a及び801bの信号が、それぞれ、垂直出力線807a及び807bを介して、読出し回路103へと読み出される。
Next, at time t21, the reset signal RES1 becomes low level, and the
続いて、時刻t31にて、リセット信号RES2がローレベルになり、リセットトランジスタ803c及び803dがオフする。それとともに、行選択信号SEL2がハイレベルになり、行選択トランジスタ805c及び805dがオンすることで、n+2行目及びn+3行目の画素がアクティブになる。次に、転送信号TX2がハイレベルになることで、n+2行目及びn+3行目の転送トランジスタ802c及び802dがオンする。すると、n+2行目及びn+3行目の受光素子801c及び801dの信号が、それぞれ垂直信号線807a及び807bを介して、読出し回路103へと読み出される。時刻t41以降は、上記の時刻t11以降と同様に、再び全行のリセット動作が行われ、上記動作が繰り返される。
Subsequently, at time t31, the reset signal RES2 becomes low level, and the
以上の動作により、読み出された可視光線画像フレームと近赤外線画像フレームは、第1の実施形態と同様、図6(a)及び(b)に示すようになる。固体撮像装置は、図6(a)の第1のフレームにおいては可視光線画素の信号を、図6(b)の第2のフレームにおいては近赤外線画素の信号をそれぞれ出力する。図7に示した可視光線画素と近赤外線画素の配置パターンにより、容易な駆動シーケンスにて、可視光線画像及び近赤外線画像をそれぞれ別々に出力できる。撮像装置は、図6(a)の可視光線画像及び図6(b)の近赤外線画像を別々のフレームに出力する。そのため、例えば、第1のフレームと第2のフレームを交互に出力することにより、外部メモリ等を必要とせず、比較的簡易な画像処理にて、動画として可視光線画像と近赤外線画像を同時に表示することが可能となる。また。解像度落として感度優先で画像を表示させたい場合においては、図6(a)及び(b)の波線で囲んだ4画素の範囲で1画素を構成する。その場合、可視光線画素においては、破線の範囲内のそれぞれの画素の色情報より画素出力を構成し、近赤外線画素においては、破線の範囲内の4画素分の信号を加算することにより、感度を向上させることができる。 With the above operation, the read visible light image frame and the near-infrared image frame are as shown in FIGS. 6A and 6B as in the first embodiment. The solid-state imaging device outputs a visible light pixel signal in the first frame of FIG. 6A and a near-infrared pixel signal in the second frame of FIG. With the arrangement pattern of visible light pixels and near-infrared pixels shown in FIG. 7, a visible light image and a near-infrared image can be output separately with an easy driving sequence. The imaging apparatus outputs the visible light image of FIG. 6A and the near-infrared image of FIG. 6B to separate frames. Therefore, for example, by outputting the first frame and the second frame alternately, a visible light image and a near-infrared image are simultaneously displayed as a moving image with relatively simple image processing without the need for an external memory or the like. It becomes possible to do. Also. In the case where it is desired to display an image with priority given to sensitivity with reduced resolution, one pixel is constituted by a range of four pixels surrounded by a wavy line in FIGS. 6 (a) and 6 (b). In that case, in the visible light pixel, the pixel output is constituted by the color information of each pixel in the broken line range, and in the near-infrared pixel, the signal for the four pixels in the broken line range is added to obtain the sensitivity. Can be improved.
本実施形態は、図7に示した画素配置に対して、図9で示した駆動パターンで動作させることにより、第1の実施形態に対して、読出し速度が向上し、フレームレートの高い用途に対してはより好適な構成となる。 In the present embodiment, the pixel arrangement shown in FIG. 7 is operated with the driving pattern shown in FIG. 9, thereby improving the reading speed and increasing the frame rate compared to the first embodiment. On the other hand, it becomes a more suitable structure.
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態が第1の実施形態と同様の点は省略し、異なる点を説明する。図10は、本発明の第3の実施形態による画素配置パターンを示す図であり、図2に対してR画素及びG画素が含まれる行のG画素をIR画素に置換した配置となっている。すなわち、n行目では、R画素及びIR画素が交互に配置されている。画素の2次元行列の各行は、複数の可視光線画素を含む行又は複数のIR画素のみを含む行のいずれかである。図4及び図5で示した駆動シーケンス及び駆動パターンにより、第1のフレーム及び第2のフレームで出力される画像を図11(a)及び(b)に示す。固体撮像装置は、図11(a)の第1のフレームにおいては可視光線画素とIR画素の信号を、図11(b)の第2のフレームにおいてはIR画素の信号をそれぞれ出力する。垂直走査回路102は、図11(a)の第1のフレームでは複数の可視光線画素の電気信号を含む画像を出力させ、図11(b)の第2のフレームでは複数のIR画素の電気信号のみを含む画像を出力させる。
(Third embodiment)
In the third embodiment of the present invention, the same points as in the first embodiment are omitted, and different points will be described. FIG. 10 is a diagram illustrating a pixel arrangement pattern according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 10, the G pixel in the row including the R pixel and the G pixel is replaced with an IR pixel. . That is, in the nth row, R pixels and IR pixels are alternately arranged. Each row of the two-dimensional matrix of pixels is either a row containing a plurality of visible light pixels or a row containing only a plurality of IR pixels. FIGS. 11A and 11B show images output in the first frame and the second frame according to the driving sequence and the driving pattern shown in FIGS. The solid-state imaging device outputs visible light pixel and IR pixel signals in the first frame of FIG. 11A, and outputs IR pixel signals in the second frame of FIG. 11B. The
図11(a)の第1のフレームに出力されるIR画素の信号は、開口画素に含まれるIR成分の補正を行うための情報として使用することができ、第1の実施形態と比較して、より高画質の可視光線画像が得られる。また、図11(b)の第2のフレームに出力されるIR画素は、入射した近赤外線の情報を得ることが目的のため、第1のフレームで出力されるIR画素と蓄積時間が同一である必要はない。また、第2のフレームは、第1のフレームに対して、画素信号のゲインも同一である必要はないため、蓄積時間を長くする、あるいはゲインをかける等により、より高感度なIR画像を得ることができる。以上より、本実施形態は、第1の実施形態に対して、第1のフレームで出力される画像に対して、より低雑音の画像を提供することができる。 The signal of the IR pixel output to the first frame in FIG. 11A can be used as information for correcting the IR component included in the aperture pixel, and is compared with the first embodiment. A visible light image with higher image quality can be obtained. In addition, the IR pixel output in the second frame in FIG. 11B has the same accumulation time as the IR pixel output in the first frame for the purpose of obtaining the incident near-infrared information. There is no need. Further, since the second frame does not have to have the same pixel signal gain as the first frame, an IR image with higher sensitivity can be obtained by increasing the accumulation time or applying gain. be able to. As described above, the present embodiment can provide a lower noise image with respect to the image output in the first frame as compared with the first embodiment.
また、本実施形態は、図12に示す画素配置パターンとしてもよい。図12は、G画素をIR画素に置換する際、すべての列にG画素が残るように置換を実施した一例である。図12のn行目〜n+3行目は、図10のn行目〜n+3行目と同じ画素配置パターンである。n+4行目では、R画素及びG画素が交互に配置されている。n+5行目及びn+7行目では、IR画素が配置されている。n+6行目では、IR画素及びB画素が交互に配置されている。この場合には、出力される画像は、図13(a)の第1のフレーム及び(b)の第2のフレームを有する。図11(a)の第1のフレームにおいて、すべての列にG画素が配置されているので、このG画素信号を列間のオフセット補正を行う際の情報として使用でき、より好適な配置パターンとなっている。また、すべての列にG画素を含むという目的を満たしていればよく、配置は図12のパターンに限定されない。 Further, the present embodiment may have the pixel arrangement pattern shown in FIG. FIG. 12 shows an example in which replacement is performed so that G pixels remain in all columns when replacing G pixels with IR pixels. The nth to n + 3th rows in FIG. 12 have the same pixel arrangement pattern as the nth to n + 3th rows in FIG. In the (n + 4) th row, R pixels and G pixels are alternately arranged. In the n + 5th row and the n + 7th row, IR pixels are arranged. In the (n + 6) th row, IR pixels and B pixels are alternately arranged. In this case, the output image has the first frame in FIG. 13A and the second frame in FIG. In the first frame of FIG. 11A, since G pixels are arranged in all columns, this G pixel signal can be used as information for performing offset correction between columns, and a more preferable arrangement pattern It has become. Moreover, the arrangement | positioning is not limited to the pattern of FIG. 12 as long as the objective of including G pixel in all the columns is satisfy | filled.
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態が第2の実施形態と同様の点は省略し、異なる点を説明する。図14は、本発明の実施形態による画素配置パターンを示す。図14は、図7に対して、R画素及びG画素が含まれる行のG画素をIR画素に置換した配置となっている。すなわち、n行目では、R画素及びIR画素が交互に配置されている。図4及び図9で示した駆動シーケンス及び駆動パターンにより、第1のフレーム及び第2のフレームで出力される画像は、第3の実施形態と同様に、図11(a)の第1のフレーム及び図11(b)の第2のフレームになる。図11(a)の第1のフレームに出力されるIR画素の信号は、開口画素に含まれるIR成分の補正を行うための情報として使用することができ、第1の実施形態と比較して、より高画質の可視光線画像が得られる。また、図11(b)の第2のフレームに出力されるIR画素は、入射した近赤外線の情報を得ることが目的のため、第1のフレームで出力されるIR画素と蓄積時間が同一である必要はない。また、第2のフレームは、第1のフレームに対して、画素信号に対してのゲインも同一である必要はないため、蓄積時間を長くする、あるいはゲインをかける等により、より高感度なIR画像を得ることができる。以上より、本実施形態は、第2の実施形態に対して、第1のフレームで出力される画像に対して、より低雑音の画像を提供することができる。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment of the present invention, the same points as those of the second embodiment are omitted, and different points will be described. FIG. 14 shows a pixel arrangement pattern according to an embodiment of the present invention. FIG. 14 is an arrangement in which the G pixel in the row including the R pixel and the G pixel is replaced with the IR pixel with respect to FIG. That is, in the nth row, R pixels and IR pixels are alternately arranged. According to the drive sequence and the drive pattern shown in FIGS. 4 and 9, the image output in the first frame and the second frame is the first frame in FIG. 11A as in the third embodiment. And the second frame of FIG. The signal of the IR pixel output to the first frame in FIG. 11A can be used as information for correcting the IR component included in the aperture pixel, and is compared with the first embodiment. A visible light image with higher image quality can be obtained. In addition, the IR pixel output in the second frame in FIG. 11B has the same accumulation time as the IR pixel output in the first frame for the purpose of obtaining the incident near-infrared information. There is no need. In addition, the second frame does not have to have the same gain with respect to the pixel signal as the first frame. Therefore, by increasing the accumulation time or applying the gain, the IR is more sensitive. An image can be obtained. As described above, this embodiment can provide a lower noise image than the image output in the first frame, as compared to the second embodiment.
また、本実施形態は、図15に示す画素配置パターンとしてもよい。図15は、G画素をIR画素に置換する際、すべての列にG画素が残るように置換を実施した一例である。図15のn行目〜n+3行目は、図14のn行目〜n+3行目と同じである。n+4行目では、R画素及びG画素が交互に配置されている。n+5行目では、IR画素及びB画素が交互に配置されている。n+6行目及びn+7行目は、n+2行目及びn+3行目と同じである。この場合には、出力される画像は、図13(a)の第1のフレーム及び図13(b)の第2のフレームを有する。図13(a)及び(b)の画像は、図11(a)及び(b)で示す画像に対して、第1のフレームにおいて、すべての列にG画素が配置されているので、このG画素信号を列間のオフセット補正を行う際の情報として使用でき、より好適な配置パターンとなっている。また、本実施形態は、すべての列にG画素を含むという目的を満たしていればよく、配置は図15のパターンに限定されない。 Further, the present embodiment may be the pixel arrangement pattern shown in FIG. FIG. 15 shows an example in which replacement is performed so that G pixels remain in all columns when replacing G pixels with IR pixels. The nth to n + 3th lines in FIG. 15 are the same as the nth to n + 3th lines in FIG. In the (n + 4) th row, R pixels and G pixels are alternately arranged. In the (n + 5) th row, IR pixels and B pixels are alternately arranged. The n + 6 line and the n + 7 line are the same as the n + 2 line and the n + 3 line. In this case, the output image has a first frame in FIG. 13A and a second frame in FIG. In the images shown in FIGS. 13A and 13B, G pixels are arranged in all columns in the first frame with respect to the images shown in FIGS. 11A and 11B. The pixel signal can be used as information for offset correction between columns, and the arrangement pattern is more suitable. Further, the present embodiment only needs to satisfy the purpose of including G pixels in all columns, and the arrangement is not limited to the pattern of FIG.
(第5の実施形態)
図16は、本発明の第5の実施形態に係る撮像装置を適用した撮像システムの一例を示す図である。撮像システム501は、光学系502、撮像装置100、信号処理部503及び外部機器506を有する。信号処理部503は、撮像信号処理回路504及び画像信号処理部505を有する。撮像システム501は、その他、メモリ部やタイミング発生器等を備えていてもよい。撮像装置100は、第1〜第4の実施形態の撮像装置である。光学系502へ入射した光は、撮像装置100の撮像面(画素部101)へ被写体の像を形成する。撮像装置100は、撮像面に形成された被写体の像を画像信号に変換し、その画像信号を画素部101から読み出して出力する。撮像信号処理回路504は、撮像装置100に接続されており、撮像装置100から出力された画像信号を処理する。画像信号処理部505は、撮像信号処理回路504で処理された画像信号に対し、各種の補正等の演算処理を行い、画像データを生成する。この画像データは、外部機器(例えばパーソナルコンピュータ)506へ出力される。撮像装置100から撮像信号処理回路504に供給される信号がアナログ信号の場合には、画像信号処理部505に供給されるまでに、撮像信号処理回路504内のA/D変換器等によりデジタル信号に変換することが望ましい。
(Fifth embodiment)
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of an imaging system to which an imaging apparatus according to the fifth embodiment of the present invention is applied. The
信号処理部503は、撮像装置100により出力される第1のフレームを基に可視光線画像を形成し、第2のフレームを基に近赤外線画像を形成する。また、信号処理部503は、可視光線画像及び近赤外線画像をフレーム毎に交互に外部機器(表示装置)506に表示させてもよいし、可視光線画像及び近赤外線画像を合成して外部機器(表示装置)506に表示させてもよい。
The
撮像装置100は、第1〜第4の実施形態に記載の通り、フレーム毎に可視光線画像データ及び近赤外線画像データを出力するため、画像信号処理部505は、例えば近赤外線画像より可視光線成分のノイズを除去するといった補正システムが不要となる。したがって、特別な補正を必要とせず、可視光線及び近赤外線に対して、高感度の画像を出力することができる。
Since the
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed in a limited manner. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
101 画素部、102 垂直走査回路、103 読出し回路、104 水平走査回路、105 出力アンプ 101 pixel section, 102 vertical scanning circuit, 103 readout circuit, 104 horizontal scanning circuit, 105 output amplifier
Claims (7)
近赤外線を電気信号に変換する複数の第2の画素と、
第1のフレームでは複数の前記第1の画素の電気信号を含む信号を出力させ、第2のフレームでは複数の前記第2の画素の電気信号のみを含む信号を出力させる走査回路と
を有することを特徴とする撮像装置。 A plurality of first pixels for converting visible light into electrical signals;
A plurality of second pixels that convert near-infrared rays into electrical signals;
A scanning circuit that outputs a signal including electrical signals of the plurality of first pixels in the first frame, and outputs a signal including only the electrical signals of the plurality of second pixels in the second frame. An imaging apparatus characterized by the above.
前記2次元行列の各行は、複数の前記第1の画素を含む行又は複数の前記第2の画素のみを含む行のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 The plurality of first pixels and the plurality of second pixels are arranged in a two-dimensional matrix,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein each row of the two-dimensional matrix is either a row including a plurality of the first pixels or a row including only the plurality of the second pixels.
前記撮像装置に像を形成する光学系と、
前記撮像装置から出力された画像を処理して画像データを生成する信号処理部と
を有することを特徴とする撮像システム。 The imaging device according to any one of claims 1 to 3,
An optical system for forming an image on the imaging device;
An imaging system comprising: a signal processing unit that processes an image output from the imaging device to generate image data.
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