JP2014207641A - High-speed imaging device having trigger signal generation function - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は超高速度撮影に利用する撮像素子に関するものであり、特に、被写体の変化を高速で捉え、撮影タイミングを決定するためのトリガ信号を発生する機能を有した高速度撮像素子に関する。 The present invention relates to an image sensor used for ultra high-speed imaging, and more particularly to a high-speed image sensor having a function of capturing a change in a subject at high speed and generating a trigger signal for determining imaging timing.
近年の超高速度撮影の要求の高まりに対して、数100万〜数1000万fps(frames per second)の撮影速度を持つISIS(In-situ Storage Image Sensor)と呼ばれる高速度撮像素子が開発され、利用されている。ISISは、撮像素子の受光面内において、各フォトダイオードに隣接して画像情報(映像信号)を記録する画像記録部を備えており、画素周辺記録型撮像素子とも呼ばれる。撮影中は画像情報を撮像素子から読み出さずに、画像記録部に連続的に蓄積しておき、撮影後に画像情報を順次出力する方法を採用しており、記録枚数に制約はあるが、フォトダイオードから隣接する画像記録部への転送時間の限界まで、画像1枚当たりの撮影速度を高めることができる。 In response to the increasing demand for ultra-high-speed shooting in recent years, a high-speed image sensor called ISIS (In-situ Storage Image Sensor) having a shooting speed of several million to several tens of million fps (frames per second) has been developed. ,It's being used. The ISIS includes an image recording unit that records image information (video signal) adjacent to each photodiode in the light receiving surface of the imaging element, and is also called a pixel peripheral recording type imaging element. During shooting, the image information is not read from the image sensor, but continuously stored in the image recording unit, and the image information is sequentially output after shooting. The shooting speed per image can be increased from the limit of the transfer time to the adjacent image recording unit.
ISISのうち、フォトダイオードに隣接して、CCD(Charge Coupled Device)構造の画像記録部を設けたものをISIS−CCDと呼び、このISIS−CCDを用いた超高速度カメラが実用化されている。(特許文献1) Among the ISIS, an image recording unit having a CCD (Charge Coupled Device) structure adjacent to a photodiode is called an ISIS-CCD, and an ultra-high speed camera using the ISIS-CCD has been put into practical use. . (Patent Document 1)
ISIS−CCDからなる撮像素子の構造と動作について簡単に説明する。 The structure and operation of an image pickup device composed of an ISIS-CCD will be briefly described.
図6は、ISIS−CCDの平面構造の一例である。ISIS−CCDは、図示されたイメージエリアの領域において、縦横にアレイ状に配置された、光電変換部としてのフォトダイオード1と、その一端が各フォトダイオード1に隣接し、フォトダイオードの配列方向に対して斜め方向に配列された画像記録部2と、縦方向に配置された垂直転送部3とを備えている。
FIG. 6 is an example of a planar structure of the ISIS-CCD. The ISIS-CCD is a photodiode 1 as a photoelectric conversion unit arranged in an array in the horizontal and vertical directions in the image area shown in the figure, and one end thereof is adjacent to each photodiode 1 in the direction of photodiode arrangement. On the other hand, an
画像記録部2はn個の記録要素21〜2nから構成される。具体的にはn段の転送部を備えたCCD構造をしており、信号電荷を移動させつつ、常にnフレーム分の信号電荷(画像)を記録している。画像記録部2を構成する記録要素21〜2nの数nは必要に応じて設計可能であり、記録要素数nを増大すれば記録できる画像(フレーム数)を増やすことができ、高速度現象の撮影を容易化できるが、コストの増大や実装面積の制限等の問題から、一般に数十から100程度が選択される。なお、ISIS−CCDは、イメージエリアの内部に画像記録部2を備えていることから、単位画素領域(縦方向をフォトダイオードの繰り返し単位の長さとし、横方向を垂直転送部3の繰り返し単位の幅とする領域)は比較的大きく、例えば50μm×50μm程度で設計される。
The
次に、ISIS−CCDの動作について説明する。まず、撮像段階では、クロックにより、フォトダイオード1及び画像記録部2(21〜2n)が駆動され、フォトダイオード1で生成された信号電荷が画像記録部2(21〜2n)に順次転送され蓄積される。撮像段階では、蓄積された信号電荷は、例えば画像記録部2の末端に設けられた排出部(図示せず)から古い順に捨てられることで、画像記録部2にはいつも最新の映像(画像情報)が蓄積される。
Next, the operation of the ISIS-CCD will be described. First, at the imaging stage, the photodiode 1 and the image recording unit 2 (2 1 to 2 n ) are driven by the clock, and the signal charges generated by the photodiode 1 are transferred to the image recording unit 2 (2 1 to 2 n ). Sequentially transferred and stored. At the imaging stage, the accumulated signal charge is discarded from the discharge unit (not shown) provided at the end of the
撮像動作終了後の信号電荷の読出段階では、クロックにより、画像記録部2(21〜2n)に蓄積されていた信号電荷を、垂直転送部3に順次移し、その後、垂直転送部3により信号電荷が縦方向に転送される。なお、垂直転送部3により縦方向に転送された電荷は、図示しない水平転送部により横方向に転送され、出力回路において信号処理される。
In the signal charge reading stage after the imaging operation is completed, the signal charges stored in the image recording units 2 (2 1 to 2 n ) are sequentially transferred to the
ところで、特に数10万fpsを超えるような超高速度撮影においては、撮影枚数の制約などから、現象の発生を通知し、適切なタイミングでカメラの撮影動作を開始/停止させるために外部からトリガ信号を入力することが不可欠となる。例えば、撮影したい現象に同期したトリガ信号を利用し、トリガ信号から予め設定されたフレーム数分の撮影を行った後、撮像動作を終了するといった方法が採用される。現象の発生を外部から制御できるのであれば必要なタイミングでトリガ信号を生成・入力すればよいが、そうでないときは現象の発生を捉えて、遅延なくトリガ信号を生成しなければならない。 By the way, especially in ultra-high-speed shooting that exceeds several hundred thousand fps, the occurrence of a phenomenon is notified due to restrictions on the number of shots, etc., and an external trigger is used to start / stop the camera shooting operation at an appropriate timing. It is essential to input a signal. For example, a method is used in which a trigger signal synchronized with a phenomenon desired to be photographed is used, photographing is performed for a preset number of frames from the trigger signal, and then the photographing operation is terminated. If the occurrence of the phenomenon can be controlled from the outside, the trigger signal may be generated and input at a necessary timing. If not, the occurrence of the phenomenon should be detected and the trigger signal generated without delay.
従来、被写体が高速度で一瞬変化する現象を検出してトリガ信号を発生することが試みられてきた。例えば、被写体の輝度の変化を捉え、それを元にトリガ信号を生成する装置がある(特許文献2)。このトリガ信号発生装置は、所定の波長の参照光を被写体に照射する光照射手段と、被写体から反射された反射光を受光する反射光受光手段と、被写体の輝度変化を検出する輝度変化検出手段と、輝度変化に基づいてトリガ信号を発生するトリガ信号発生手段とを備えており、被写体の変化を捉えてトリガ信号を高速で生成できる。 Conventionally, it has been attempted to generate a trigger signal by detecting a phenomenon in which a subject changes momentarily at a high speed. For example, there is an apparatus that captures a change in luminance of a subject and generates a trigger signal based on the change (Patent Document 2). The trigger signal generator includes a light irradiating unit that irradiates a subject with reference light having a predetermined wavelength, a reflected light receiving unit that receives reflected light reflected from the subject, and a luminance change detecting unit that detects a luminance change of the subject. And trigger signal generating means for generating a trigger signal based on the luminance change, and can detect the change of the subject and generate the trigger signal at high speed.
また、撮像装置が捕らえた被写体の映像信号を基に、画像処理を用いて現象の発生(被写体の変化)を捉えてトリガ信号を生成する装置も検討されている(特許文献3)。この装置では、予め、M×N個の画素データからなり、各画素の濃度がs(i,j)である標準画像を用意しておき、撮像素子から、各画素の濃度がf(i,j)であるM×N個の画像データを順次受け取りつつ、所定の計算式によりs(i,j)とf(i,j)の相関値を算出し、相関値が閾値を超えている場合にトリガ信号を出力している。 An apparatus that generates a trigger signal by capturing a phenomenon (subject change) using image processing based on a video signal of a subject captured by an imaging device is also being studied (Patent Document 3). In this apparatus, a standard image consisting of M × N pixel data and the density of each pixel being s (i, j) is prepared in advance, and the density of each pixel is f (i, j) from the image sensor. When the correlation value of s (i, j) and f (i, j) is calculated by a predetermined calculation formula while sequentially receiving M × N image data as j), and the correlation value exceeds the threshold value A trigger signal is being output.
特許文献2に記載の装置は、撮像装置以外に光照射手段や反射光受光手段が必要であり、撮像のためのシステムが大型化する傾向がある。また、これらの各手段を適切に設置できない場合などは、トリガ信号を得ることができない。
The apparatus described in
上記の装置に限らず、被写体からの光(映像)の一部をトリガ信号の発生に利用する方法は、例えば顕微鏡の撮影や特殊なチャンバー内の現象をのぞき窓から観察するなど、撮像装置としてのカメラ以外の機器に被写体からの光を分けることが難しいとき、もしくは光を分けることで撮像装置の映像が暗くなってしまうというデメリットを許容できないときなどは、利用することができない。何らかの方法を用いてトリガ信号発生装置をカメラの光学系内に設置したとしても、光を分けることは変わらないため、カメラの映像は暗くなってしまうという欠点があった。 The method of using a part of the light (image) from the subject for generating the trigger signal is not limited to the above-mentioned device, but as an imaging device, for example, photographing a microscope or observing a phenomenon in a special chamber from a viewing window It cannot be used when it is difficult to separate the light from the subject into devices other than the camera, or when the disadvantage that the image of the imaging device becomes dark by dividing the light cannot be allowed. Even if the trigger signal generator is installed in the optical system of the camera using any method, there is a drawback in that the image of the camera becomes dark because the light is not changed.
また、特許文献3に記載の装置は、多くの画素データの相関値を計算するため、画像処理に必要な時間を考慮すると数1000fps程度の撮影速度までしか対応できないと考えられる。また、処理速度を上げるために、処理対象となるM×N個の画素データの領域を小さくすれば、撮像された画像の小さな区画の画像のみしか使用しないことになり、トリガ信号の生成が不正確になる可能性がある。
In addition, since the apparatus described in
さらに、上記の撮像素子から得られる映像信号を順次計算処理する手段を、例えばISIS−CCDに適用しようとしても、ISIS−CCDは超高速度撮影中は映像信号が外部に出力されないため、映像信号を元にした判定は不可能であった。 Further, even if the means for sequentially calculating and processing the video signal obtained from the image sensor is applied to, for example, the ISIS-CCD, the ISIS-CCD does not output the video signal to the outside during super-high-speed shooting. Judgment based on was impossible.
本件発明は、このような従来技術の欠点を解決することを課題とするものであって、数10万fps〜1000万fpsといった超高速度の撮影において、撮影タイミングを決定するためのトリガ信号を外部から得られないような状況であっても、被写体の光学的な変化を検知して、撮像素子自身がトリガ信号を生成することを目的とする。 An object of the present invention is to solve such drawbacks of the prior art, and a trigger signal for determining the shooting timing in super-high-speed shooting such as several hundred thousand fps to ten million fps. An object is to detect an optical change of a subject and generate a trigger signal by the image sensor itself even in a situation that cannot be obtained from the outside.
上記課題を解決するために本発明に係る高速度撮像素子は、複数の画素をアレイ状に配置したイメージエリアを有する高速度撮像素子において、前記イメージエリア内に少なくとも1つのセンサー画素を備え、前記センサー画素から得られた被写体に変化があったことを示す信号を基に、トリガ信号を生成し、前記トリガ信号を、高速撮影動作の撮影開始又は撮影停止のタイミング信号として用いることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a high-speed imaging device according to the present invention is a high-speed imaging device having an image area in which a plurality of pixels are arranged in an array, and includes at least one sensor pixel in the image area, A trigger signal is generated based on a signal obtained from a sensor pixel indicating that a subject has changed, and the trigger signal is used as a timing signal for starting or stopping shooting in a high-speed shooting operation. .
前記センサー画素は、所定の時間前後で受光した画像の輝度を比較し、その差が設定された閾値より大きい場合に、被写体に変化があったと判定して信号を出力することが望ましい。 It is desirable that the sensor pixel compares the brightness of images received before and after a predetermined time, and determines that the subject has changed and outputs a signal when the difference is greater than a set threshold value.
前記センサー画素は、光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷を記録するCCDメモリ又はキャパシタと、前記光電変換部で生成された現在の電荷の量と前記CCDメモリ又はキャパシタに記録された電荷の量とを比較する比較回路と、を備えることが望ましい。 The sensor pixel is recorded in a photoelectric conversion unit, a CCD memory or capacitor that records charges generated in the photoelectric conversion unit, and a current amount of charge generated in the photoelectric conversion unit and in the CCD memory or capacitor. It is desirable to provide a comparison circuit that compares the amount of the charged charges.
前記センサー画素は、光電変換部と、前記光電変換部で生成された電荷量をA/D変換するA/D変換器と、前記A/D変換器の出力信号を入力する遅延回路と、前記A/D変換器の出力信号と前記遅延回路の出力信号とを比較する比較回路と、を備えることが望ましい。 The sensor pixel includes a photoelectric conversion unit, an A / D converter that performs A / D conversion on the amount of charge generated by the photoelectric conversion unit, a delay circuit that inputs an output signal of the A / D converter, It is desirable to provide a comparison circuit that compares the output signal of the A / D converter and the output signal of the delay circuit.
前記高速度撮像素子は、光電変換部に隣接して画像記録部を備えたISIS(In-situ Storage Image Sensor)−CCDであることが望ましい。 The high-speed imaging device is preferably an ISIS (In-situ Storage Image Sensor) -CCD having an image recording unit adjacent to the photoelectric conversion unit.
本発明によれば、撮像素子のイメージエリアに設けた輝度比較型のセンサー画素からの信号に基づいてトリガ信号を作成するので、超高速撮影動作中でも、撮像素子が受光した被写体映像の変化を捉えて撮影開始、又は撮影停止のタイミングを駆動回路へ通知することができるようになる。また、撮像素子とセンサーが一体型化しているので被写体からの光を別途センサー用に分ける必要がなくなり、明るい映像信号が取得できる。 According to the present invention, since the trigger signal is generated based on the signal from the luminance comparison type sensor pixel provided in the image area of the image sensor, the change of the subject image received by the image sensor is captured even during the super-high-speed shooting operation. Thus, it is possible to notify the drive circuit of the timing of the start of shooting or the stop of shooting. In addition, since the image sensor and the sensor are integrated, it is not necessary to separately divide the light from the subject for the sensor, and a bright video signal can be acquired.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態)
図1は本発明の撮像素子のセンサー画素の配置例を示す平面図である。本発明は、任意の撮像素子に適用可能であるが、実施形態においては、本発明を効果的に利用できる高速度撮像素子であるISIS−CCDを例として説明する。
(Embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing an arrangement example of sensor pixels of an image sensor according to the present invention. The present invention can be applied to any image sensor, but in the embodiment, an ISIS-CCD, which is a high-speed image sensor that can effectively use the present invention, will be described as an example.
撮像素子10は、イメージエリア20を備えており、イメージエリア20には、多数の画素(個々には図示せず)がアレイ状に配置されている。イメージエリア20内において、縦横それぞれ数10〜数100画素おきに、撮像素子の画素を置き換えてセンサー画素30を配置する。後に詳しく説明するが、センサー画素30は、受光した映像の輝度の変化を捉えて、被写体に変化があったことを検知する機能を備えている画素である。なお、図1はセンサー画素の配置を概念的に示したものであって、センサー画素30の大きさや形状等は、正確に描かれたものではない。
The
図1のセンサー画素30の配置は一例であり、センサー画素の個数をさらに増やしても、また減らしても良く、最低限、イメージエリアに少なくとも1つのセンサー画素30を設ければ良い。また、配置も図1のようなマトリクス配置に限るものではない。センサー画素30は、被写体の変化の検出感度との関係を考慮しながら、適宜配置することができる。
The arrangement of the
なお、センサー画素30を配置した場所においては、映像信号を撮影画像のデータとして利用できなくなるが、センサー画素30に置き換えた画素の映像データは周辺画素からの演算処理で補完することで、撮影画像に欠陥が生じることを防ぐことができる。
In addition, in the place where the
図2は、本発明のセンサー画素のブロック図である。センサー画素30は、フォトダイオード等からなる光電変換部31と、信号電荷又は当該信号電荷を対応する電圧値等に変換した輝度信号の蓄積部32と、比較・変化検知信号出力部33とからなる。
FIG. 2 is a block diagram of the sensor pixel of the present invention. The
光線変換部31は、任意の受光素子で構成することができるが、他の画素のフォトダイオード1と同一の構造とすると、製造工程が共通化できて有利である。光電変換部31で生成された被写体の画像情報である電荷は、信号電荷として、或いは当該信号電荷の量に基づく輝度信号となって、蓄積部32に移動する。
The light
蓄積部32は、光線変換部31から出力された信号電荷又は当該信号電荷の量に基づく輝度信号を、所定時間(すなわち、所定フレーム数の間)蓄積する機能を有している。蓄積部32の機能を実現するためには、様々な手段が考えられるが、代表的には、CCDセル等を用いる電荷蓄積方式と、遅延回路等を用いる信号遅延方式の2種類がある。電荷蓄積方式では、蓄積部32内に1又は複数フレーム分の信号電荷を蓄積し、1又は複数フレーム前の信号電荷、或いは当該信号電荷の量に基づく輝度信号を順次出力する。撮像素子がISIS−CCDである場合は、フォトダイオードに隣接するCCD構造の画像記録部2の一部を、蓄積部32として利用できる。また、信号遅延方式は、光電変換部31で生成された被写体の画像情報(輝度信号)を、蓄積部32内の遅延回路により一定時間遅らせて出力するものである。蓄積部32の出力は、比較・変化検知信号出力部33に入力される。
The
比較・変化検知信号出力部33は、光電変換部31から出力される現在フレームの輝度信号と、蓄積部32から出力される1又は複数フレーム前の輝度信号とを比較し、両者の差(すなわち、輝度の差が所定の閾値を超えたか否か)に基づいて被写体に変化があったことを判定し、変化検知信号を出力する。
The comparison / change detection
このように、各センサー画素30は、輝度信号から被写体の輝度の変化を検知し、変化検知信号として出力することができる。
Thus, each
センサー画素30からの出力は、撮像素子全体で集約され、1個若しくは所定個数のセンサー画素30から変化検知信号が出力されたとき、撮像素子に対するトリガ信号が生成されるように処理される。例えば、イメージエリア20内のセンサー画素30を順次走査し、変化検出信号が出力されているものがあった時に、その信号を取り出してトリガ信号として駆動回路へ入力し、撮像素子の動作を制御する。これにより、撮影タイミングを逃すことなく超高速度撮影を行うことができるようになる。なお、走査は、全センサー画素を均一に順次走査する方法に限られず、イメージエリア20のうち被写体の動きを検出しやすい一部領域を集中的に走査して変化検知信号を取得しても良い。
Outputs from the
撮影開始又は撮影停止のタイミング信号として対応できるようにするためには、センサー画素30からの信号は、撮影動作を行っているかどうかに関わらず読み出しが可能であることが望ましい。このため、この変化検知信号は、撮像素子の通常の画素の映像信号とは異なる手段で読み出される。
In order to be able to respond as a timing signal for starting or stopping shooting, it is desirable that the signal from the
図3に、ISIS−CCDのセンサー画素周辺の構造を示す。図6と同じ部分は、同じ符号を付して、説明を省略する。通常部分の画素は、図6のように、光電変換部であるフォトダイオード1とCCD構造の画像記録部2で構成されるが、センサー画素30は、光電変換部(フォトダイオード)31に信号処理回路を加えたものとなる。
FIG. 3 shows a structure around the sensor pixel of the ISIS-CCD. The same parts as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. As shown in FIG. 6, the normal portion of the pixel is composed of a photodiode 1 which is a photoelectric conversion unit and an
図3(a)は、電荷蓄積方式の蓄積部32を用いた場合であって、フォトダイオード31と、CCDメモリからなる蓄積部32及び比較回路を含む比較・変化検知信号出力部33とにより、センサー画素30が構成される。なお、蓄積部32において電荷を保存する手段は、CCDメモリに限られず、例えば、キャパシタ等の他の電荷蓄積手段を用いても良いが、通常画素の画像記録部2で用いられるCCD構造の一部を利用すると、製造工程が共通化できて有利である。
FIG. 3A shows a case in which a charge storage
図3(b)は、信号遅延方式の蓄積部32’を用いた場合であって、フォトダイオード31と、遅延回路を含む蓄積部32’及び比較回路を含む比較・変化検知信号出力部33とにより、センサー画素30が構成される。
FIG. 3B shows a case where a signal delay
センサー画素30からの出力は、隣接する画像記録部2に送られることなく、直ちに撮像素子から出力される。例えば、センサー画素30の出力は、フォトダイオード1に隣接して縦又は横方向に延びる金属又は透明導電性材料等からなる配線(図示せず)に接続され、撮像素子外部に直ちに出力することができる。複数のセンサー画素30を共通の配線で接続して、変化検知信号をまとめて取得しても良く、また、走査回路を用いて、センサー画素30の出力を順次走査して、変化検知信号を取得しても良い。変化検知信号を出力しているセンサー画素30があった場合に、トリガ信号を発生させる。
The output from the
センサー画素30においては、本来、フォトダイオード31に対応して形成されていた、画像記録部2としてのCCDメモリ(図3で、ハッチングを付したCCD構造部)は、使用されない。なお、使用されないCCDメモリに誤って電荷が入り、転送されてノイズとなるのを防止するため、使用されないCCDメモリの転送路入り口に、電荷排出用のドレイン領域4を設けることが望ましい。
In the
図4は、本発明のセンサー画素の構成例であり、センサー画素30を含む単位画素領域の模式図である。図4(a)は、CCDメモリ34を有するセンサー画素30を表している。センサー画素30は、フォトダイオード31と、CCDメモリ341、342と、比較回路35と、選択スイッチ36とからなる。なお、図3からも明らかなように、単位画素領域には、センサー画素の周辺にある他の画素の画像記録部(CCDメモリ)2が、その一部を通過するように配列されている。
FIG. 4 is a configuration example of the sensor pixel of the present invention, and is a schematic diagram of a unit pixel region including the
図4(a)では、CCDメモリ34が2個示されているが、CCDメモリの数は、1個でも良く、また3個以上であっても良い。信号電荷を蓄積する期間(フレーム数)に対応した数のCCDメモリを設ける。CCDメモリ34が1個の場合は、実線で描かれた矢印に従って、CCDメモリ341に蓄積された1フレーム前の信号電荷の量と、フォトダイオード31で生成された現在のフレームの信号電荷の量とが比較回路35で比較される。なお、比較にあたっては、フォトダイオード31及びCCDメモリ34には電荷(信号電荷)として画像情報が蓄積されているため、フォトダイオード31及びCCDメモリ34のそれぞれの出力又は比較回路35の入り口に電荷−電圧変換部(例えば、キャパシタ等)を設けて、信号電荷の量に対応した輝度信号(電圧信号)に変換し、この輝度信号を比較回路35で比較することが望ましい。
In FIG. 4A, two CCD memories 34 are shown, but the number of CCD memories may be one or three or more. The number of CCD memories corresponding to the period (number of frames) for accumulating signal charges is provided. If CCD memory 34 is one, according to the arrow drawn by the solid line, the one frame before the signal charges accumulated in the CCD memory 34 1 volume and, the current generated by the
CCDメモリ34が2個の場合は、破線で描かれた矢印に従って、CCDメモリ342に蓄積された2フレーム前の信号電荷の量(又は輝度信号)と、現在のフレームの信号電荷の量(又は輝度信号)が比較回路35で比較される。CCDメモリ34がn個設けられた場合は、nフレーム前の信号電荷の量(又は輝度信号)と、現在のフレームの信号電荷の量(又は輝度信号)を比較回路35で比較することができる。例えば、これらの比較結果が所定の閾値を超えた場合に、比較回路は出力信号を出すように設計できる。
If CCD memory 34 is two, according to the arrow drawn in broken lines, the amount of two frames before the signal charges accumulated in the CCD memory 34 2 (or luminance signal), the amount of the signal charges of the current frame ( (Or luminance signal) is compared by the
また、フォトダイオード31で生成された現在の信号電荷の量と、CCDメモリ341に蓄積された1フレーム前の信号電荷の量と、CCDメモリ342に蓄積された2フレーム前の信号電荷の量との3つの相関関係を調べて、被写体の変化を検知してもよい。変化を検出するための演算は、適切なものを選択できる。
Further, the present signal charge generated by the
撮像素子の制御部は、例えば選択スイッチ36を利用して、センサー画素を順次走査し、変化検出信号が出ているものがあった時に被写体に変化があったと判定し、トリガ信号を生成することができる。
The control unit of the image sensor sequentially scans the sensor pixels using, for example, the
図4(b)は、CCDメモリの代わりに遅延回路を有するセンサー画素30の一例である。センサー画素30は、フォトダイオード31と、キャパシタ(図示せず)及びアナログ/デジタル(A/D)変換器37と、遅延回路38と、比較回路35と、選択スイッチ36とからなる。なお、単位画素領域には、センサー画素の周辺にある他の画素の画像記録部(CCDメモリ)2が、通過するように配列されている。
FIG. 4B is an example of the
図4(b)において、フォトダイオード31で生成された被写体の映像信号である信号電荷は、キャパシタ(図示せず)等により電圧信号に変換され、さらにアナログ/デジタル(A/D)変換器37によりデジタル信号に変換される。デジタル化された信号(画像の輝度情報)は、比較回路35と、遅延回路38にそれぞれ出力される。遅延回路38において、1又は複数フレームの画像を生成するのに相当する時間、信号を遅延させて比較回路35に出力する。比較回路35は、現在のフレームの画像の信号電荷量に基づくデジタル化された信号と、遅延回路38で遅延された1又は複数フレーム前の画像の信号電荷量に基づくデジタル化された信号とを比較し、例えば、これらの比較結果が所定の閾値を超えた場合に、比較回路35は出力信号を出すように設計できる。
In FIG. 4B, a signal charge that is a video signal of a subject generated by the
撮像素子の制御部は、例えば選択スイッチ36を利用して、センサー画素を順次走査し、変化検出信号が出ているものがあった時に被写体に変化があったと判定し、トリガ信号を生成することができる。
The control unit of the image sensor sequentially scans the sensor pixels using, for example, the
次に、本発明のセンサー画素の動作について、図5に示すフローチャートにより説明する。なお、図4のセンサー画素30の構成を参照しながら説明する。
Next, the operation of the sensor pixel of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. It will be described with reference to the configuration of the
最初のステップ(S0:ステップ0)で、蓄積部32から信号を全て排出する。これにより、ノイズや誤認識の原因となる不要な信号を除去する。
In the first step (S0: step 0), all the signals are discharged from the
次のステップ(S1:ステップ1)で、フォトダイオード31で生成された映像信号(被写体の前フレームの映像信号に相当)を、フォトダイオード31から蓄積部32に移動する。なお、映像信号は、フォトダイオードの生成した信号電荷でも、当該信号電荷の量に基づく輝度信号であってもよい。信号の移動は、クロックにより制御されて1フレームごとに行なわれる。
In the next step (S1: step 1), the video signal generated by the photodiode 31 (corresponding to the video signal of the previous frame of the subject) is moved from the
次のステップ(S2:ステップ2)で、フォトダイオード31において光電変換を行うとともに、生成された被写体の映像信号である電荷を、フォトダイオード31に蓄積する。なお、この間、前フレームの信号は蓄積部32に蓄積されている。また、蓄積部32のCCDメモリ34が複数段ある場合、又は蓄積部32の遅延回路38において複数フレーム分の遅延処理を行なう場合は、上記ステップ1とステップ2を複数回繰り返して良い。このとき、蓄積部32においては、CCDの転送機能を利用して、CCDメモリ341からCCDメモリ342に信号電荷が移動する。
In the next step (S2: Step 2), photoelectric conversion is performed in the
次のステップ(S3:ステップ3)で、フォトダイオード31から、フォトダイオード31に蓄積された信号電荷量に対応した信号を出力し、また、蓄積部32から蓄積された信号電荷量に対応した信号を、若しくは遅延処理された信号を出力し、両者を比較回路35に入力して、フォトダイオード31と蓄積部32の信号を比較する。
In the next step (S3: step 3), a signal corresponding to the signal charge amount accumulated in the
次に(S4:ステップ4)、フォトダイオード31と蓄積部32の信号を比較した結果について、所定の閾値を超える変化の有無を判断する。
Next (S4: Step 4), it is determined whether or not the result of comparing the signals of the
所定の閾値を越える超える変化がなかった場合(S5:ステップ5)は、被写体に変化は無いと判断して、変化検知信号をOFFにする。 If there is no change exceeding the predetermined threshold (S5: Step 5), it is determined that there is no change in the subject, and the change detection signal is turned off.
所定の閾値を越える超える変化があった場合(S6:ステップ6)は、被写体に変化があったと判断して、変化検知信号をONにする。すなわち、変化検出信号は、被写体の画像の現在の輝度と過去の輝度との差が予め決めた閾値以上になったときに、センサー画素から出力される。 If there is a change exceeding the predetermined threshold (S6: Step 6), it is determined that the subject has changed, and the change detection signal is turned ON. That is, the change detection signal is output from the sensor pixel when the difference between the current luminance of the image of the subject and the past luminance is equal to or greater than a predetermined threshold.
上記所定の閾値は、撮像素子(センサー画素)の外部から任意の値に設定できることが望ましい。 It is desirable that the predetermined threshold value can be set to an arbitrary value from the outside of the image sensor (sensor pixel).
ステップ5,6の後、最初のステップに戻る。
After
以上のとおり、本発明は、イメージエリア内の画素の一部をセンサー画素とし、センサー画素から得られた変化検知信号を基に、高速度撮像素子の撮影タイミングを決定するトリガ信号を生成できる。 As described above, the present invention can generate a trigger signal that determines the shooting timing of the high-speed imaging device based on a change detection signal obtained from a part of pixels in the image area as a sensor pixel.
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段やステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and corrections based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions included in each means, each step, etc. can be rearranged so that there is no logical contradiction, and a plurality of means, steps, etc. can be combined or divided into one. .
1:光電変換部(フォトダイオード)
2:画像記録部
3:垂直転送部
4:ドレイン領域
10:撮像素子
20:イメージエリア
30:センサー画素
31:光電変換部(フォトダイオード)
32:蓄積部
33:比較・変化検知信号出力部
34:CCDメモリ
35:比較回路
36:選択スイッチ
37:A/D変換器
38:遅延回路
1: Photoelectric converter (photodiode)
2: Image recording unit 3: Vertical transfer unit 4: Drain region 10: Image sensor 20: Image area 30: Sensor pixel 31: Photoelectric conversion unit (photodiode)
32: Accumulator 33: Comparison / change detection signal output unit 34: CCD memory 35: Comparison circuit 36: Selection switch 37: A / D converter 38: Delay circuit
Claims (5)
前記イメージエリア内に少なくとも1つのセンサー画素を備え、
前記センサー画素から得られた被写体に変化があったことを示す信号を基に、トリガ信号を生成し、
前記トリガ信号を、高速撮影動作の撮影開始又は撮影停止のタイミング信号として用いることを特徴とする高速度撮像素子。 In a high-speed imaging device having an image area in which a plurality of pixels are arranged in an array,
Comprising at least one sensor pixel in the image area;
Based on a signal indicating that the subject obtained from the sensor pixel has changed, a trigger signal is generated,
A high-speed imaging device, wherein the trigger signal is used as a timing signal for starting or stopping shooting in a high-speed shooting operation.
5. The high-speed imaging device is an in-situ storage image sensor (ISIS) -CCD having an image recording unit adjacent to a photoelectric conversion unit. 6. High-speed image sensor.
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-
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