JP2017085245A - Imaging apparatus and image distortion detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受光効率の異なる2つの光電変換部を有する撮像装置に関し、特に画像歪の検出方法に関するものである。 The present invention relates to an imaging apparatus having two photoelectric conversion units having different light receiving efficiencies, and more particularly to an image distortion detection method.
動画と静止画を一台のカメラで同時に撮影することにより、撮影シーンを動画として視聴すると同時に、動画中の決定的なシーンを静止画として楽しむことができる。また、通常フレームレート動画と高フレームレート動画とを一台のカメラで同時に撮影することにより、通常フレームレート動画の特定のシーンを高フレームレート動画のスローモーション映像に切り替えて、高品位な作品として楽しむことができる。このように、受光効率の異なる2つの光電変換部を有する撮像装置を用いることにより、視聴者に対して動感を豊かに伝えることができる映像が得られるので、撮影した映像の価値を大きく高めることができる。 By simultaneously shooting a moving image and a still image with one camera, it is possible to view the shooting scene as a moving image and simultaneously enjoy a decisive scene in the moving image as a still image. In addition, by shooting a normal frame rate video and a high frame rate video simultaneously with a single camera, a specific scene of the normal frame rate video can be switched to a slow motion video of a high frame rate video to create a high-quality work. I can enjoy it. In this way, by using an imaging device having two photoelectric conversion units with different light receiving efficiencies, it is possible to obtain a video that can convey a dynamic feeling to the viewer, greatly increasing the value of the captured video. Can do.
受光効率の異なる2つの光電変換部を有する撮像装置として、例えば、特許文献1には、各画素に非対称な瞳形状を有する一対のフォトダイオードを備えた撮像装置が開示されている。特許文献1に記載の撮像装置では、一対のフォトダイオードのうち、一方のフォトダイオードの受光効率が高く、他方のフォトダイオードの受光効率が低くなるように設計されている。そして、一対のフォトダイオードからの2つの信号を別々の映像データとして用いることで2つの映像を同時に撮影することができる。
As an imaging apparatus having two photoelectric conversion units having different light receiving efficiencies, for example,
2つの映像を同時に撮影する撮像素子の露光期間を制御するためには、フォーカルプレーンシャッターなどのメカニカルなシャッター方式は適さないため、電気的に読み出しタイミングを制御できる電子シャッター方式が必要となる。しかしながら、電子シャッターとして代表的なローリング電子シャッターでは、撮影中に被写体が動いたり、パンニングしたりすると、被写体画像が斜めに歪むいわゆるローリングシャッター歪が発生して画質が低下してしまうという課題がある。 In order to control the exposure period of the image sensor that captures two images at the same time, a mechanical shutter system such as a focal plane shutter is not suitable, so an electronic shutter system that can electrically control the readout timing is required. However, a rolling electronic shutter, which is a typical electronic shutter, has a problem that when a subject moves or pans during shooting, a so-called rolling shutter distortion occurs that causes the subject image to be distorted obliquely, resulting in a reduction in image quality. .
本発明に係る撮像装置は、第1光電変換部、第1光電変換部よりも受光効率が低い第2光電変換部、第1光電変換部で光電変換及び蓄積された電荷を保持する第1電荷保持部、及び第2光電変換部で光電変換及び蓄積された電荷を保持する第2電荷保持部、を有する画素が行列状に配列された画素アレイと、画素アレイの各列に設けられ、画素の第1電荷保持部が保持する電荷に基づく第1映像信号を読み出す第1読み出し部と、画素アレイの各列に設けられ、画素の第2電荷保持部が保持する電荷に基づく第2映像信号を読み出す第2読み出し部と、画素アレイの各行における電荷の蓄積期間の開始時刻と他の行の蓄積期間の開始時刻との時間差が、第1光電変換部と第2光電変換部とで異なる状態において、第1映像信号と第2映像信号とを比較することにより画像歪を検出する画像歪検出手段とを備えることを特徴とする。 The imaging apparatus according to the present invention includes a first photoelectric conversion unit, a second photoelectric conversion unit having a light receiving efficiency lower than that of the first photoelectric conversion unit, and a first charge that holds charges converted and accumulated by the first photoelectric conversion unit. A pixel array having pixels having a holding unit and a second charge holding unit that holds charges converted and accumulated by the second photoelectric conversion unit arranged in a matrix, and pixels provided in each column of the pixel array. A first readout unit that reads out a first video signal based on the charge held by the first charge holding unit, and a second video signal that is provided in each column of the pixel array and is based on the charge held by the second charge holding unit of the pixel The time difference between the start time of the charge accumulation period in each row of the pixel array and the start time of the accumulation period in other rows is different between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit. In, the first video signal and the second video signal Characterized in that it comprises an image distortion detecting means for detecting an image distortion by comparing the.
本発明によれば、単一の撮像素子を用いて2つの映像を同時に撮影する際に、画像歪を検出することができる撮像装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain an imaging device capable of detecting image distortion when simultaneously capturing two images using a single imaging device.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it can change suitably. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be omitted or simplified.
(第1実施形態)
一般に、動画撮影時のシャッタースピードが速いと、再生時にコマ送りのようないわゆるジャーキネスが表れて映像の滑らかさが失われてしまう。こういったジャーキネスを抑えた滑らかな映像を得るためには、一連の撮影において、1フレーム期間に近い蓄積時間を設定する必要がある。すなわち、フレームレートが30fpsであれば、1/30秒や1/60秒といった比較的長い蓄積時間が適切となる。特に、空撮などのカメラの姿勢が不安定な状況においては、この設定が重要である。
(First embodiment)
In general, when the shutter speed at the time of moving image shooting is high, so-called jerkiness such as frame advance appears at the time of reproduction, and the smoothness of the image is lost. In order to obtain such a smooth image with reduced jerkiness, it is necessary to set an accumulation time close to one frame period in a series of photographing. That is, if the frame rate is 30 fps, a relatively long accumulation time such as 1/30 seconds or 1/60 seconds is appropriate. This setting is particularly important in situations where the camera posture is unstable, such as aerial photography.
一方、静止画においては、ブレを抑えて一瞬を写し止めた、いわゆるストップモーション効果のある映像を撮影することが求められる。このため、例えば1/1000秒程度の短い蓄積時間を設定する必要がある。また、高フレームレートの動画では、1フレーム期間が短いので、例えばフレームレートが120fpsであれば、1/125秒や1/250秒といった必然的に短い蓄積時間を設定することとなる。 On the other hand, in still images, it is required to shoot a video with a so-called stop motion effect that suppresses blur and stops a moment. For this reason, it is necessary to set a short accumulation time of, for example, about 1/1000 second. In addition, since a frame period is short for a high frame rate moving image, for example, if the frame rate is 120 fps, a short accumulation time such as 1/125 seconds or 1/250 seconds is inevitably set.
単一の撮影レンズを通して動画と静止画或いは通常フレームレートの動画と高フレームレートの動画の2つの映像を同時に撮影するということは、それらの撮影で使用される絞りが共通であるということである。このときにも、2つの映像が異なる蓄積時間の設定で撮影されながらも、撮像素子においては同程度の信号電荷を得て、どちらもS/N比の良好なノイズ感のない映像となることが望ましい。 Shooting two images of a moving image and a still image or a normal frame rate moving image and a high frame rate moving image simultaneously through a single shooting lens means that the aperture used for the shooting is the same. . At this time, while the two images are shot with different storage time settings, the image sensor obtains the same level of signal charge, and both of them have a good S / N ratio and no noise. Is desirable.
また、映画や家庭用のテレビの映像をより臨場感のあるものにするための技術として、動画のHDR(ハイ・ダイナミックレンジ)技術がある。これは、表示画面の輝度再現範囲を拡大し、主に、瞬間的或いは部分的な輝度の突き上げによって、従来以上の臨場感を提供するものである。映像の入力から出力までの全体としてこの技術を高いレベルで完成させるためには、映像を取得する機器側でのダイナミックレンジの拡大がどうしても必要である。 In addition, as a technique for making movies and home television images more realistic, there is an HDR (high dynamic range) technique for moving images. This expands the luminance reproduction range of the display screen, and provides a more realistic sensation than before, mainly by momentary or partial luminance increase. In order to complete this technology at a high level as a whole from video input to output, it is absolutely necessary to expand the dynamic range on the device side that acquires the video.
このような背景から、撮像装置内の撮像素子に感度の異なる2つの画素群を設け、これら画素群からの出力を合成することによってダイナミックレンジを拡大する技術が提案されている。この技術においても同様に、2つの画素群のどちらからもS/N比の良好なノイズ感のない中間映像データを作成し、最終的に品位の高いHDR映像を合成できることが望ましい。 Against this background, a technique has been proposed in which two pixel groups having different sensitivities are provided in the image sensor in the imaging apparatus, and the dynamic range is expanded by combining the outputs from these pixel groups. Similarly, in this technique, it is desirable that intermediate video data with a good S / N ratio and no noise is created from either of the two pixel groups, and finally high quality HDR video can be synthesized.
しかしながら、受光効率の異なる2つの光電変換部を有する1つの撮像素子を用いて、2つの映像を同時に撮影しようとすると、絞りが共通であるために2つの映像の露光を同時に適正化することが難しい。特に2つの映像で異なるシャッタースピードが設定されている場合には、2つの映像の一方の露光を適正化すると他方の露光がオーバーまたはアンダーとなってしまう。 However, if one image pickup device having two photoelectric conversion units having different light receiving efficiencies is used to simultaneously shoot two images, it is possible to optimize exposure of the two images at the same time because the aperture is common. difficult. In particular, when different shutter speeds are set for two images, if one of the two images is properly exposed, the other exposure will be over or under.
そこで、本実施形態では、まず、単一の撮像素子を用いて撮影条件が異なる2つの映像を同時に撮影する際に、2つの映像の露光をより適正化する方法について説明する。なお、本実施形態では、撮像素子から出力される映像信号を処理するための映像処理装置に、撮像のための撮影光学系等を追加した撮像装置を、本発明の好適な実施形態の一例として説明する。ただし、映像処理装置は、必ずしも撮像装置の一部として構成される必要はなく、撮像素子や撮影光学系とは別のハードウェアにより構成されていてもよい。また、映像処理装置の機能の全部又は一部を、撮像素子に搭載するようにしてもよい。 Therefore, in the present embodiment, first, a method for optimizing the exposure of two images when simultaneously capturing two images with different shooting conditions using a single image sensor will be described. In the present embodiment, an imaging apparatus in which a photographing optical system for imaging is added to a video processing apparatus for processing a video signal output from the imaging device is an example of a preferred embodiment of the present invention. explain. However, the video processing apparatus is not necessarily configured as a part of the imaging apparatus, and may be configured by hardware different from the imaging element and the imaging optical system. Moreover, you may make it mount all or one part of the function of a video processing apparatus in an image pick-up element.
図1は、本実施形態による撮像装置の一例としてのデジタルスチルモーションカメラの外観図である。図1(a)がその正面図を示し、図1(b)がその背面図を示している。 FIG. 1 is an external view of a digital still motion camera as an example of the imaging apparatus according to the present embodiment. FIG. 1A shows a front view thereof, and FIG. 1B shows a rear view thereof.
本実施形態による撮像装置100は、筐体151と、筐体151の正面部に設けられた撮影光学系152と、筐体151の上面部に設けられたスイッチST154及びプロペラ162とを有している。また、撮像装置100は、筐体151の背面部に、表示部153と、スイッチMV155と、撮影モード選択レバー156と、メニューボタン157と、アップダウンスイッチ158,159と、ダイアル160と、再生ボタン161とを有している。
The
筐体151は、撮像素子等の撮像装置100を構成する種々の機能部品を収納する容器である。撮影光学系152は、被写体の光学像を結像するための光学系である。表示部153は、撮影情報や映像を表示するための表示装置により構成される。表示部153には、必要に応じて画面の向きを変えるための可動機構を設けてもよい。表示部153は、ダイナミックレンジの広い映像もその輝度範囲を抑制することなく表示できるだけの表示輝度範囲を有している。スイッチST154は、主に静止画の撮影を行うために使用するシャッターボタンである。スイッチMV155は、動画撮影の開始及び停止を行うためのボタンである。撮影モード選択レバー156は、撮影モードを選択するための切り替えスイッチである。メニューボタン157は、撮像装置100の機能設定を行う機能設定モードへ移行するためのボタンである。アップダウンスイッチ158,159は、各種の設定値を変更する際に用いるボタンである。ダイアル160は、各種の設定値を変更するためのダイアルである。再生ボタン161は、撮像装置100に収納されている記録媒体に記録されている映像を表示部153上で再生する再生モードへ移行するためのボタンである。プロペラ162は、空中からの撮影を行うために撮像装置100を空中に浮上させるためのものである。
The
図2は、本実施形態による撮像装置100の概略構成を示すブロック図である。撮像装置100は、図2に示すように、絞り181、絞り制御部182、光学フィルター183、撮像素子184、アナログフロントエンド185,186、デジタル信号処理部187,188、タイミング発生部189を有している。また、撮像装置100は、システム制御CPU178、スイッチ入力手段179、映像メモリ190、飛行制御装置200を有している。また、撮像装置100は、表示インターフェース部191、記録インターフェース部192、記録媒体193、プリントインターフェース部194、外部インターフェース部196、無線インターフェース部198を有している。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the
撮像素子184は、撮影光学系152を介して結像された被写体の光学像を電気的な映像信号に変換するためのものである。撮像素子184は、特に限定されるものではないが、例えば、UHDTV(Ultra High Definition Television)の規格を満たすに十分な画素数、信号読み出し速度、色域、ダイナミックレンジを有している。絞り181は、撮影光学系152を通る光の量を調節するためのものである。絞り制御部182は、絞り181を制御するためのものである。光学フィルター183は、撮像素子184に入射する光の波長、撮像素子184に伝達する空間周波数を制限するためのものである。撮影光学系152、絞り181、光学フィルター183、撮像素子184は、撮影光学系152の光軸180上に配置されている。
The
アナログフロントエンド185,186は、撮像素子184から出力される映像信号のアナログ信号処理及びアナログ−デジタル変換を行うためのものである。アナログフロントエンド185,186は、例えば、ノイズを除去する相関二重サンプリング(CDS)回路、信号ゲインを調整するアンプ、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器等により構成される。デジタル信号処理部187,188は、アナログフロントエンド185,186から出力されるデジタル映像データに対して各種の補正を行った後、映像データを圧縮するためのものである。タイミング発生部189は、撮像素子184、アナログフロントエンド185,186、デジタル信号処理部187,188に各種タイミング信号を出力するためのものである。システム制御CPU178は、各種演算の実行や撮像装置100の全体の制御を司る制御部である。映像メモリ190は、映像データを一時的に記憶するためのものである。
The analog front ends 185 and 186 are for performing analog signal processing and analog-digital conversion of the video signal output from the
表示インターフェース部191は、撮影された映像を表示部153に表示するためのシステム制御CPU178と表示部153との間のインターフェースである。記録媒体193は、映像データや付加データ等を記録するための半導体メモリ等の記録媒体であり、撮像装置100に備え付けられていてもよいし着脱可能でもよい。記録インターフェース部192は、記録媒体193に記録又は記録媒体193から読み出しを行うためのシステム制御CPU178と記録媒体193との間のインターフェースである。外部インターフェース部196は、外部コンピュータ197等の外部機器と通信するためのシステム制御CPU178と外部機器との間のインターフェースである。プリントインターフェース部194は、撮影された映像を小型インクジェットプリンタ等のプリンタ195に出力し印刷するためのシステム制御CPU178とプリンタ195との間のインターフェースである。無線インターフェース部198は、インターネット等のネットワーク199と通信するためのシステム制御CPU178とネットワーク199との間のインターフェースである。スイッチ入力手段179は、スイッチST154、スイッチMV155、各種モードの切り替えを行う複数のスイッチを含む。飛行制御装置200は、空中からの撮影を行うためにプロペラ162を制御して撮像装置100を飛行させるための制御装置である。
The display interface unit 191 is an interface between the
図3は、撮像素子184の構成例を示すブロック図である。撮像素子184は、図3に示すように、画素アレイ302、垂直走査回路307、読み出し回路308A,308B及びタイミング制御回路309A,309Bを含む。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the
画素アレイ302には、複数の画素303が行列状に配置されている。なお、画素アレイ302に属する画素303の実際の配列数は一般的には多数となるが、ここでは図面の簡略化のため、4行×4列の行列状に配置された16個の画素303のみを示している。複数の画素303の各々は、画素要素303Aと画素要素303Bとの組みを有する。図3では、画素303の上半分の領域を画素要素303Aとし、画素303の下半分の領域を画素要素303Bとしている。画素要素303A及び画素要素303Bは、それぞれ光電変換により信号を生成する。
In the
画素アレイ302の各列には、列方向に延在する信号出力線304A,304Bが、それぞれ設けられている。各列の信号出力線304Aは、当該列に属する画素要素303Aに接続されている。信号出力線304Aには、画素要素303Aからの信号が出力される。各列の信号出力線304Bは、当該列に属する画素要素303Bに接続されている。信号出力線304Bには、画素要素303Bからの信号が出力される。画素アレイ302の各列には、列方向に延在する電源線305及び接地線306が、それぞれ設けられている。各列の電源線305及び接地線306は、当該列に属する画素303に接続されている。電源線305及び接地線306は、行方向に延在する信号線としてもよい。
Each column of the
垂直走査回路307は、画素アレイ302に対して行方向に隣接して配置される。垂直走査回路307は、画素アレイ302の複数の画素303に対して行単位で、行方向に延在して配された図示しない制御線を介して、画素303内の読み出し回路を制御するための所定の制御信号が出力される。図には、制御信号として、リセットパルスφRESn、転送パルスφTXnA,TXnBを示している(nは、行番号に対応した整数)。
The
読み出し回路308A,308Bは、画素アレイ302を挟むように、画素アレイ302に対して列方向に隣接して配置されている。読み出し回路308Aは、各列の信号出力線304Aに接続されている。読み出し回路308Aは、各列の信号出力線304Aを順次選択的に活性化することで、各列の信号出力線304Aからの信号を順次読み出し、所定の信号処理を実施する。同様に、読み出し回路308Bは、各列の信号出力線304Bに接続されている。読み出し回路308Bは、各列の信号出力線304Bを順次選択的に活性化することで、各列の信号出力線304Bからの信号を順次読み出し、所定の信号処理を実施する。読み出し回路308A,308Bは、それぞれ、雑音除去回路、増幅回路、アナログデジタル変換回路、水平走査回路などを含むことができ、所定の信号処理を実施した信号を順次出力する。
The
タイミング制御回路309Aは、垂直走査回路307及び読み出し回路308Aに接続されている。タイミング制御回路309Aは、垂直走査回路307及び読み出し回路308Aの駆動タイミングを制御する制御信号が出力される。タイミング制御回路309Bは、垂直走査回路307及び読み出し回路308Bに接続されている。タイミング制御回路309Bは、垂直走査回路307及び読み出し回路308Bの駆動タイミングを制御する制御信号が出力される。
The
図4は、撮像素子184の画素303の内部構造を示す断面図である。それぞれの画素303は、図4に示すように、2つのフォトダイオード310A,310Bと、ライトガイド255と、カラーフィルタ256とを含む。フォトダイオード310Aは画素要素303Aの一部を構成し、フォトダイオード310Bは画素要素303Bの一部を構成する。フォトダイオード310A,310Bは、シリコン基板251内に設けられている。ライトガイド255は、シリコン基板251上に設けられた絶縁層254内に設けられている。絶縁層254は例えば酸化シリコンにより構成され、ライトガイド255は絶縁層254よりも高屈折率の材料、例えば窒化シリコンにより構成される。ライトガイド255間の絶縁層254には、配線層252が設けられている。ライトガイド255上には、所定の分光透過率特性を有するカラーフィルタ256が設けられている。なお、図4には、隣接する2つの画素303のカラーフィルタを、互いに異なる分光透過率特性を有するカラーフィルタ256,257により構成した例を示している。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the internal structure of the
ライトガイド255は、絶縁層254との間の屈折率差によって内部に光を閉じ込める性質を有している。これにより、カラーフィルタ256を介して入射した光をライトガイド255によってフォトダイオード310A,310Bに導くことができる。フォトダイオード310A,310Bは、ライトガイド255に対して非対称に配置されており、ライトガイド255を伝搬した光束は、高い効率でフォトダイオード310Aに入射し、低い効率でフォトダイオード310Bに入射する。更に、ライトガイド255は、その深さや傾斜角を調節することにより、フォトダイオード310A,310Bが有効に光電変換できる入射光束に対して、その入射角特性に偏りが生じないようになっている。
The
図5は、画素に入射する光線の角度とフォトダイオードからの出力との関係を示すグラフである。図5において、横軸が画素に入射する光線の角度を表し、縦軸がフォトダイオードからの出力を表している。図5には、フォトダイオード310Aからの出力特性261と、フォトダイオード310Bからの出力特性262とを示している。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angle of light rays incident on the pixel and the output from the photodiode. In FIG. 5, the horizontal axis represents the angle of light rays incident on the pixel, and the vertical axis represents the output from the photodiode. FIG. 5 shows an output characteristic 261 from the
図5に示すように、出力特性261及び出力特性262は、ともに光線の入射角度がゼロのときをピークとする左右対称の僅かに山なりの形状となっている。また、出力特性262のピーク強度PBは、出力特性261のピーク強度PAの1/8程度になっている。このことは、フォトダイオード310A,310Bの入射角依存性はともに小さく、それらの受光効率はフォトダイオード310Aに比べてフォトダイオード310Bが1/8であるということを表している。すなわち、フォトダイオード310Bは、ISO感度の設定値に置き換えると、フォトダイオード310Aよりも3段分、感度が低いことになる。
As shown in FIG. 5, both the
次に、撮影光学系152と撮像素子184との関係を、図6を用いてより詳しく説明する。図6は、撮影光学系152と撮像素子184との関係を説明する図である。図6(a)は、撮影光学系152をその光軸180方向から見た図である。図6(b)は、図2の撮影光学系152から撮像素子184に至る部分をより詳細に示した図である。
Next, the relationship between the photographing
撮像素子184が、図6(b)に示すように、撮像領域の中央部に位置する画素276と、撮像領域の外縁近傍に位置する画素277とを含むものとする。この場合、画素276は、光線272と光線273とで囲まれた領域からの光束を受光することができる。また、画素277は、光線274と光線275とで囲まれた領域からの光束を受光することができる。この際、フィールドレンズ270が光学フィルター183と撮影光学系152との間に配置されているため、撮影光学系152の付近では、画素276が受光する光束と画素277が受光する光束とは、図6(a)に領域271で示すように重なっている。この結果、撮影光学系152からの光束を何れの画素においても高効率で受光することが可能となっている。
As shown in FIG. 6B, the
図7は、撮像素子から出力される映像信号を説明するための概略図である。ここで、画素アレイ302に、図7(a)に示すカラーフィルタ配列281で、所定の光透過率特性を有するカラーフィルタが配置されている場合を想定する。図7(a)は、6行×8列の行列状に画素303が配列された画素アレイ302と、各画素に配置されるカラーフィルタの色を模式的に示したものである。図中、Rは赤色カラーフィルタを、G1及びG2は緑色カラーフィルタを、Bは青色カラーフィルタを、それぞれ表している。図示するカラーフィルタ配列281は、いわゆるベイヤー配列と呼ばれるカラーフィルタ配列であり、行毎に、G1BG1B…,RG2RG2…,G1BG1B…,…、といった繰り返しで、各色のカラーフィルタが配置されている。
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining a video signal output from the image sensor. Here, it is assumed that a color filter having a predetermined light transmittance characteristic is arranged in the
このようなカラーフィルタ配列281を有する画素アレイ302からは、図7(b)及び図7(c)に示される出力データ282,283が得られる。図7(b)中、g1A及びg2Aは、緑色カラーフィルタが配置された画素303の画素要素303Aからの出力を表している。bAは、青色カラーフィルタが配置された画素303の画素要素303Aからの出力を表している。rAは、赤色カラーフィルタが配置された画素303の画素要素303Aからの出力を表している。図7(c)中、g1B及びg2Bは、緑色カラーフィルタが配置された画素303の画素要素303Bからの出力を表している。bBは、青色カラーフィルタが配置された画素303の画素要素303Bからの出力を表している。rBは、赤色カラーフィルタが配置された画素303の画素要素303Bからの出力を表している。
From the
図3を用いて説明したように、撮像素子184からは、読み出し回路308A,308Bからの2系統の出力が得られ、そのうちの一方が図7(b)に示す出力データ282であり、他方が図7(c)に示す出力データ283である。出力データ282は、所定の信号処理ののちに映像信号pictureAとなる。また、出力データ283は、所定の信号処理ののちに映像信号pictureBとなる。以後の説明では、出力データ282に基づく映像信号を「pictureA」、出力データ283に基づく映像信号を「pictureB」と表記するものとする。なお、pictureA,pictureBは、厳密には所定の補正等の処理を行った後の映像信号であるが、説明の便宜上、補正前或いは補正途中の映像信号についてもpictureA,pictureBと表記することがある。
As described with reference to FIG. 3, the
図8は、画素303の構成例を示す回路図である。画素303は、上記のように、画素要素303A及び画素要素303Bを有する。画素要素303Aは、フォトダイオード310Aと、転送トランジスタ311Aと、フローティングディフュージョン領域313Aと、リセットトランジスタ314Aと、増幅トランジスタ315Aとを有する。画素要素303Bは、フォトダイオード310Bと、転送トランジスタ311Bと、フローティングディフュージョン領域313Bと、リセットトランジスタ314Bと、増幅トランジスタ315Bとを有する。なお、フォトダイオード310Aは、図4に示したフォトダイオード310Aに対応し、フォトダイオード310Bは、図4に示したフォトダイオード310Bに対応している。
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the
フォトダイオード310Aのアノードは接地線306に接続され、フォトダイオード310Aのカソードは転送トランジスタ311Aのソースに接続されている。転送トランジスタ311Aのドレインは、リセットトランジスタ314Aのソース及び増幅トランジスタ315Aのゲートに接続されている。転送トランジスタ311Aのドレイン、リセットトランジスタ314Aのソース及び増幅トランジスタ315Aのゲートの接続ノードが、フローティングディフュージョン領域313Aを構成する。リセットトランジスタ314Aのドレイン及び増幅トランジスタ315Aのドレインは、電源線305に接続されている。画素信号出力部316Aを構成する増幅トランジスタ315Aのソースは、信号出力線304Aに接続されている。
The anode of the
同様に、フォトダイオード310Bのアノードは接地線306に接続され、フォトダイオード310Bのカソードは転送トランジスタ311Bのソースに接続されている。転送トランジスタ311Bのドレインは、リセットトランジスタ314Bのソース及び増幅トランジスタ315Bのゲートに接続されている。転送トランジスタ311Bのドレイン、リセットトランジスタ314Bのソース及び増幅トランジスタ315Bのゲートの接続ノードが、フローティングディフュージョン領域313Bを構成する。リセットトランジスタ314Bのドレイン及び増幅トランジスタ315Bのドレインは、電源線305に接続されている。画素信号出力部316Bを構成する増幅トランジスタ315Bのソースは、信号出力線304Bに接続されている。
Similarly, the anode of the
各列の画素303は、垂直走査回路307から行方向に配されたリセット制御線319及び転送制御線320A,320Bに接続されている。リセット制御線319は、リセットトランジスタ314Aのゲート及びリセットトランジスタ314Bのゲートに接続されている。転送制御線320Aは、コンタクト部312Aを介して転送トランジスタ311Aのゲートに接続されている。転送制御線320Bは、コンタクト部312Bを介して転送トランジスタ311Bのゲートに接続されている。リセット制御線319は、リセットトランジスタ314Aのゲート及びリセットトランジスタ314Bのゲートに、垂直走査回路307から出力されるリセットパルスφRESnを供給する。転送制御線320Aは、転送トランジスタ311Aのゲートに、垂直走査回路307から出力される転送パルスφTXnAを供給する。転送制御線320Bは、転送トランジスタ311Bのゲートに、垂直走査回路307から出力される転送パルスφTXnBを供給する。なお、リセットパルスφRESn、転送パルスφTXnA及び転送パルスφTXnBの符号に付したnは、行番号に対応した整数である。図面には、nを行番号に対応した整数で置き換えた符号で表している。
The
フォトダイオード310Aは光電変換により電荷を生成及び蓄積する第1光電変換部であり、フォトダイオード310Bは光電変換により電荷を生成及び蓄積する第2光電変換部である。フローティングディフュージョン領域313A,313Bは、電荷を保持する領域である。転送トランジスタ311Aは、フォトダイオード310Aにより生成された電荷をフローティングディフュージョン領域313Aに転送するためのものである。転送トランジスタ311Bは、フォトダイオード310Bにより生成された電荷をフローティングディフュージョン領域313Bに転送するためのものである。
The
垂直走査回路307からハイレベルの転送パルスφTXnAが出力されると、転送トランジスタ311Aがオン状態となり、フォトダイオード310Aとフローティングディフュージョン領域313Aとが接続される。同様に、垂直走査回路307からハイレベルの転送パルスφTXnBが出力されると、転送トランジスタ311Bがオン状態となり、フォトダイオード310Bとフローティングディフュージョン領域313Bとが接続される。垂直走査回路307からハイレベルのリセットパルスφRESnが出力されると、リセットトランジスタ314A,314Bがオン状態となり、フォトダイオード310A,310B、フローティングディフュージョン領域313A,313Bがリセットされる。
When the high-level transfer pulse φTXnA is output from the
垂直走査回路307からローレベルの転送パルスφTXnAが出力されると、転送トランジスタ311Aがオフ状態となり、フォトダイオード310Aは、光電変換により生成した信号電荷の蓄積を開始する。次いで、垂直走査回路307からハイレベルの転送パルスφTXnAが出力されると、転送トランジスタ311Aがオン状態となり、フォトダイオード310Aの信号電荷はフローティングディフュージョン領域313Aに転送される。すると、増幅トランジスタ315Aは、フォトダイオード310Aから転送された信号電荷の量に応じたフローティングディフュージョン領域313Aの電圧値に基づく入力を増幅して信号出力線304Aに出力する。
When the low-level transfer pulse φTXnA is output from the
同様に、垂直走査回路307からローレベルの転送パルスφTXnBが出力されると、転送トランジスタ311Bがオフ状態となり、フォトダイオード310Bは、光電変換により生成した信号電荷の蓄積を開始する。次いで、垂直走査回路307からハイレベルの転送パルスφTXnBが出力されると、転送トランジスタ311Bがオン状態となり、フォトダイオード310Bの信号電荷はフローティングディフュージョン領域313Bに転送される。すると、増幅トランジスタ315Bは、フォトダイオード310Bから転送された信号電荷の量に応じたフローティングディフュージョン領域313Bの電圧を増幅して信号出力線304Bに出力する。
Similarly, when the low-level transfer pulse φTXnB is output from the
図9及び図10は、画素303の要部を示す平面レイアウト図である。図9には、画素303の構成要素のうち、フォトダイオード310A,310B、転送トランジスタ311A,311B、フローティングディフュージョン領域313A,313Bを示している。リセットトランジスタ314A,314B及び増幅トランジスタ315A,315Bを含むその他の回路要素は、図面において読み出し回路321として表し、詳細な図示は省略している。また、画素303の垂直方向に配される信号出力線304A,304B及び電源線305を省略し、リセット制御線319、電源線305、接地線306のコンタクト部を省略している。図10には、図9に示した構成要素に加え、図4において説明したライトガイド255を示している。ライトガイド255は、斜影線を付した部分が低屈折率領域を示し、白抜き部分が高屈折率領域、すなわち導光部分を示している。
9 and 10 are plan layout diagrams showing the main part of the
図9及び図10において、コンタクト部312Aは、転送制御線320Aと転送トランジスタ311Aのゲートとを接続するコンタクト部である。コンタクト部312Bは、転送制御線320Bと転送トランジスタ311Bのゲートとを接続するコンタクト部である。フォトダイオード310A,310Bは、光電変換を行う光電変換部であり、第1導電型(例えばP型)の半導体領域と、第1導電型の半導体領域とPN接合を構成する第2導電型(例えばN型)の半導体領域(N型の電子蓄積領域)とを有する。フォトダイオード310Aの第2導電型の半導体領域とフォトダイオード310Bの第2導電型の半導体領域とは、分離部322によって分離されている。
9 and 10, the
転送トランジスタ311A,311B、コンタクト部312A,312B、転送制御線320A,320Bは、フォトダイオード310A,310B間にある分離部322に対し、それぞれ線対称又は略線対称に配置されている。一方、ライトガイド255は、図10に示すように、分離部322に対して偏った位置に配置されている。すなわち、フォトダイオード310Aがライトガイド255の底部分の多くの面積を占めるのに対して、フォトダイオード310Bはライトガイド255の底部分に僅かに掛かるだけとなっている。この結果、フォトダイオード310Aの受光効率は高く、フォトダイオード310Bの受光効率は低くなっている。
The
本実施形態による撮像素子184では、フォトダイオード310A,310Bの受光効率の比を8:1程度、すなわち感度の差を3段程度に設定している。そして、2つの映像を異なる蓄積時間の設定で撮影しつつ、画素要素においては同程度の信号電荷を得て、どちらもS/N比の良好なノイズ感のない映像としたり、或いは、品位の高いHDR映像を合成可能としたりすることに供している。詳細については、後述する。
In the
図11は、撮像素子184の読み出し回路の構成例を示す回路図である。なお、図11には、読み出し回路308Aを想定して、一部の構成要素の符号の末尾に「A」を付記している。読み出し回路308Bにおいては、対応する構成要素の符号の末尾に「B」が付記されるものと理解されたい。
FIG. 11 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a readout circuit of the
読み出し回路308Aは、図11に示すように、クランプ容量C0、フィードバック容量Cf、オペアンプ406、基準電圧源407、スイッチ423を含む。オペアンプ406の一方の入力端子は、クランプ容量C0を介して信号出力線304Aに接続されている。オペアンプ406の当該一方の入力端子と出力端子との間には、フィードバック容量Cfとスイッチ423とが並列に接続されている。オペアンプの他方の入力端子は、基準電圧源407に接続されている。基準電圧源407は、オペアンプ406に基準電圧Vrefを供給するためのものである。スイッチ423は、信号PC0Rで制御されるスイッチであり、信号PC0Rがハイレベルのときにオン状態となり、フィードバック容量Cfの両端を短絡させる。
As shown in FIG. 11, the
読み出し回路308Aは、また、スイッチ414,415,418,419、容量CTSA、容量CTNA、水平出力線424,425、出力アンプ421を含む。スイッチ414,415は、容量CTSA,CTNAへの画素信号の書き込みを制御するスイッチである。スイッチ414は、信号PTSAで制御されるスイッチであり、信号PTSAがハイレベルのときにオン状態となり、オペアンプ406の出力端子と容量CTSAとを接続する。スイッチ415は、信号PTNAで制御されるスイッチであり、信号PTNAがハイレベルのときにオン状態となり、オペアンプ406の出力端子と容量CTNAとを接続する。
The
スイッチ418,419は、容量CTSA,CTNAに保持されている画素信号の出力アンプ421への出力を制御するためのスイッチである。スイッチ418,419は、水平シフトレジスタからの制御信号に応じてオン状態となる。これにより、容量CTSAに書き込まれた信号は、スイッチ418及び水平出力線424を介して出力アンプ421に出力される。また、容量CTNAに書き込まれた信号は、スイッチ419及び水平出力線425を介して出力アンプ421に出力される。信号PC0R、信号PTNA及び信号PTSAは、システム制御CPU178による制御の下でタイミング発生部189から供給される信号である。
The
読み出し回路308Bも、読み出し回路308Aと同様の構成を有している。また、以下の説明における信号PTNB及び信号PTSBは、システム制御CPU178による制御の下でタイミング発生部189から供給される信号であって、読み出し回路308Aでの信号PTNA及び信号PTSAと同等の役割を担っている。
The readout circuit 308B has a configuration similar to that of the
次に、撮像素子184におけるリセット、蓄積及び読み出しの動作について、第1行目の画素303からの読み出し動作を例にして、図12のタイミングチャートを用いて順次説明する。
Next, reset, accumulation, and readout operations in the
まず、時刻t1において、垂直走査回路307は、転送制御線320A,320Bに出力する転送パルスφTX1A,TX1Bを、ローレベルからハイレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ311A,311Bは、オン状態となる。このとき、垂直走査回路307からは、リセット制御線319にハイレベルのリセットパルスφRES1が出力されており、リセットトランジスタ314A,314Bもオン状態である。これにより、フォトダイオード310A,310Bは、転送トランジスタ311A,311B及びリセットトランジスタ314A,314Bを介して電源線305に接続され、リセット状態となる。この際、フローティングディフュージョン領域313A,313Bも、リセット状態となる。
First, at time t1, the
次いで、時刻t2において、垂直走査回路307は、転送パルスφTX1Bをハイレベルからローレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ311Bはオフ状態となり、フォトダイオード310Bでは光電変換による信号電荷の蓄積が開始する。
Next, at time t2, the
次いで、時刻t3において、垂直走査回路307は、転送パルスφTX1Aをハイレベルからローレベルへと遷移する。これにより、転送トランジスタ311Aはオフ状態となり、フォトダイオード310Aでは光電変換による信号電荷の蓄積が開始する。
Next, at time t3, the
次いで、時刻t4において、垂直走査回路307は、リセットパルスφRES1をハイレベルからローレベルへと遷移する。これにより、リセットトランジスタ314A,314Bはオフ状態となり、フローティングディフュージョン領域313A,313Bのリセットを解除する。
Next, at time t4, the
これにより、フローティングディフュージョン領域313Aの電位が信号出力線304Aに増幅トランジスタ315Aを介してリセット信号レベルとして読み出され、読み出し回路308Aに入力される。また、フローティングディフュージョン領域313Bの電位が信号出力線304Bに増幅トランジスタ315Bを介してリセット信号レベルの画素信号として読み出され、読み出し回路308Bに入力される。
As a result, the potential of the floating
時刻t4において、タイミング発生部189から読み出し回路308A及び読み出し回路308Bには、ハイレベルの信号PC0Rが出力されており、スイッチ423はオン状態である。このため、読み出し回路308Aには、オペアンプ406が基準電圧Vrefの出力をバッファする状態で、画素要素303Aからリセット信号レベルの画素信号が入力される。図には示していないが、読み出し回路308Bにも同様に、画素要素303Bからリセット信号レベルの画素信号が入力される。
At time t4, the high-level signal PC0R is output from the
次いで、時刻t5において、タイミング発生部189から読み出し回路308A及び読み出し回路308Bに出力する信号PC0Rをハイレベルからローレベルへと遷移し、スイッチ423をオフ状態にする。
Next, at time t5, the signal PC0R output from the
次いで、時刻t6において、タイミング発生部189から読み出し回路308Aへ出力する信号PTNAをローレベルからハイレベルへと遷移してスイッチ415をオン状態にし、そのときのオペアンプ406の出力を容量CTNAへ書き込む。同様に、タイミング発生部189から読み出し回路308Bへ出力する信号PTNBをローレベルからハイレベルへと遷移してスイッチ415をオン状態にし、そのときのオペアンプ406の出力を容量CTNBへ書き込む。
Next, at time t6, the signal PTNA output from the
次いで、時刻t7において、タイミング発生部189から読み出し回路308Aへ出力する信号PTNAをハイレベルからローレベルへと遷移してスイッチ415をオフ状態にし、容量CTNAへの書き込みを終了する。同様に、タイミング発生部189から読み出し回路308Bへ出力する信号PTNBをハイレベルからローレベルへと遷移してスイッチ415をオフ状態にし、容量CTNBへの書き込みを終了する。
Next, at time t7, the signal PTNA output from the
次いで、時刻t8において、垂直走査回路307は、転送パルスφTX1A,φTX1Bをローレベルからハイレベルへと遷移し、転送トランジスタ311A,311Bをオン状態にする。これにより、フォトダイオード310Aに蓄積されていた信号電荷をフローティングディフュージョン領域313Aに転送し、フォトダイオード310Bに蓄積されていた信号電荷をフローティングディフュージョン領域313Bに転送する。
Next, at time t8, the
時刻t8において転送パルスφTX1A,φTX1Bを同時にハイレベルにすることで、フォトダイオード310A,310Bの蓄積時間の終了タイミングが揃うため、両者が蓄積しきったところで同時に読み出すことになる。
By simultaneously setting the transfer pulses φTX1A and φTX1B to the high level at time t8, the end timings of the accumulation times of the
次いで、時刻t9において、垂直走査回路307は、転送パルスφTX1A,φTX1Bをハイレベルからローレベルへと遷移し、転送トランジスタ311A,311Bをオフ状態にする。これにより、フォトダイオード310Aに蓄積された信号電荷のフローティングディフュージョン領域313Aへの読み出し及びフォトダイオード310Bに蓄積された信号電荷のフローティングディフュージョン領域313Bへの読み出しを終了する。
Next, at time t9, the
これにより、信号電荷により変化したフローティングディフュージョン領域313Aの電位が信号出力線304Aに増幅トランジスタ315Aを介して光信号レベルとして読み出され、読み出し回路308Aに入力される。また、信号電荷により変化したフローティングディフュージョン領域313Bの電位が信号出力線304Bに増幅トランジスタ315Bを介して光信号レベルとして読み出され、読み出し回路308Bに入力される。
As a result, the potential of the floating
そして、読み出し回路308Aでは、クランプ容量C0とフィードバック容量Cfとの容量比率で電圧変化に対して反転ゲインがかかった電圧が、オペアンプ406から出力される。同様に、読み出し回路308Bにおいても、クランプ容量C0とフィードバック容量Cfとの容量比率で電圧変化に対して反転ゲインがかかった電圧が、オペアンプ406から出力される。
In the readout circuit 308 </ b> A, the
次いで、時刻t10において、タイミング発生部189から読み出し回路308Aへ出力する信号PTSAをローレベルからハイレベルへと遷移してスイッチ414をオン状態にし、そのときのオペアンプ406の出力を容量CTSAへ書き込む。同様に、タイミング発生部189から読み出し回路308Bへ出力する信号PTSBをローレベルからハイレベルへと遷移してスイッチ414をオン状態にし、そのときのオペアンプ406の出力を容量CTSBへ書き込む。
Next, at time t10, the signal PTSA output from the
次いで、時刻t11において、タイミング発生部189から読み出し回路308Aへ出力する信号PTSAをハイレベルからローレベルへと遷移してスイッチ414をオフ状態にし、容量CTSAへの書き込みを終了する。同様に、タイミング発生部189から読み出し回路308Bへ出力する信号PTSBをハイレベルからローレベルへと遷移してスイッチ414をオフ状態にし、容量CTSBへの書き込みを終了する。
Next, at time t11, the signal PTSA output from the
次いで、時刻t12において、垂直走査回路307は、リセットパルスφRES1をローレベルからハイレベルへと遷移し、リセットトランジスタ314A,314Bをオン状態とする。これにより、フローティングディフュージョン領域313A,313Bは、リセットトランジスタ314A,314Bを介して電源線305に接続され、リセット状態となる。
Next, at time t12, the
図13は、本実施形態による撮像装置における撮像シーケンスを説明するためのタイミングチャートである。図面の最上部の「タイムコード」は、電源を投入してからの時間を示し、「00:00:00:00」は「時:分:秒:フレーム」を表している。 FIG. 13 is a timing chart for explaining an imaging sequence in the imaging apparatus according to the present embodiment. The “time code” at the top of the drawing indicates the time since the power is turned on, and “00: 00: 00: 00” indicates “hour: minute: second: frame”.
時刻t31は、撮像装置100の電源投入時刻である。
時刻t32において、動画撮影ボタンであるであるスイッチMV155が使用者によって操作されてONとなり、これに応じて、pictureBの撮像及びpictureAの撮像が開始される。動画撮影のためのボタンであるスイッチMV155が操作されることに応じて、pictureBについては、所定の信号処理を経て記録媒体193にその映像データが書き込まれる。
Time t31 is the power-on time of the
At time t32, the switch MV155, which is a moving image shooting button, is turned on when operated by the user, and in response to this, imaging of picture B and imaging of picture A are started. In response to the operation of the switch MV155, which is a button for moving image shooting, the picture data of picture B is written to the
時刻t33から時刻t34の期間及び時刻t35から時刻t36の期間では、静止画の撮影を行うために使用するスイッチST154が操作されている。これを受けてこれら期間においては、pictureAについても、所定の信号処理を経て記録媒体193にその映像データが書き込まれる。なお、pictureAの映像データは、時刻t33から時刻t34の期間及び時刻t35から時刻t36の期間のみならず、pictureBの映像データと同じ期間の間、記録媒体193に書き込むようにしてもよい。
In the period from time t33 to time t34 and in the period from time t35 to time t36, the switch ST154 used for taking a still image is operated. In response to this, during these periods, picture A is also written to the
pictureA及びpictureBの何れについても、記録媒体193に記録された各映像データは同一フレームレートで、例えば、60fpsの動画であり、NTSC方式のタイムコードが付加されているものとする。動画データの各フレームに付加されるタイムコードの値は、例えば図14に示すようになる。
For both picture A and picture B, each video data recorded on the
図15は、pictureA及びpictureBの映像データのファイル構造の一例を示す図である。ここでは映像データのフォーマットとしてMP4ファイルの例を示すが、映像データのフォーマットはこれに限定されるものではない。MP4ファイルフォーマットは、ISO/IEC 14496−1/AMD6で規格化されている。全ての情報はBoxと呼ばれる構造体に格納されており、多重化されたビデオ及びオーディオビットストリーム(メディアデータ)と、これらメディアデータに対する管理情報(メタデータ)から構成されている。各Boxは4文字の識別子でそれぞれのBoxタイプが表される。ファイルタイプBox501(ftyp)は、ファイル先頭にあり、ファイルを識別するためのBoxである。メディアデータBox502(mdat)は、ビデオとオーディオのビットストリームが多重化されて格納されている。ムービーBox503(moov)は、メディアデータBox502に格納されたビットストリームを再生するための管理情報が格納されている。スキップBox504(skip)は、再生時にはスキップBox504内に格納されているデータを読み飛ばし、スキップするためのBoxである。
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a file structure of picture data of picture A and picture B. Here, an example of the MP4 file is shown as the format of the video data, but the format of the video data is not limited to this. The MP4 file format is standardized by ISO / IEC 144961 / AMD6. All information is stored in a structure called a box, and is composed of multiplexed video and audio bitstreams (media data) and management information (metadata) for these media data. Each Box is an identifier of 4 characters and represents each Box type. The file type Box 501 (ftyp) is a box at the head of the file for identifying the file. The media data box 502 (mdat) stores a multiplexed video and audio bit stream. The movie box 503 (moov) stores management information for reproducing the bit stream stored in the
スキップBox504内には、この映像データファイルを含むクリップのクリップ名508、本素材に付与されているクリップのUMID(Unique Material Identifier)509(CLIP−UMID)が格納される。スキップBox504内には、クリップ先頭フレームのタイムコード値(タイムコード先頭値)510、本素材ファイルが記録された記録メディアのシリアル番号511が格納される。なお、本図においては、スキップBox504に、フリースペース505、ユーザデータ506、メタデータ507も含まれている。本素材ファイルのUMIDや記録メディアのシリアル番号のような特殊なデータは、スキップBox504に格納されているので、汎用のビューアで再生する際に影響を与えない。
In the
pictureA及びpictureBのそれぞれのMP4ファイルには、同じCLIP−UMIDが設定される。これにより、CLIP―UMIDを使って1つの素材ファイルから同じCLIP−UMIDのファイルを検索し、人手による確認作業をすることなく機械的に関連付けを行えるようになる。 The same CLIP-UMID is set in each MP4 file of picture A and picture B. As a result, the CLIP-UMID is used to search for the same CLIP-UMID file from one material file, and mechanical association can be performed without manual confirmation.
図16は、pictureA及びpictureBの撮影条件の設定画面を説明する図である。撮影モード選択レバー156を、例えば図1(b)の位置から時計方向に90度回転させることによって、2つの映像を同時に撮影することができるデュアル映像モードに入るものとする。表示部153には、そのときの被写体の輝度に応じたBv値521、Fナンバー522、pictureA及びpictureBのそれぞれのISO感度523,524、シャッタースピード525,526が表示される。また、pictureA及びpictureBのそれぞれについて、現在設定されているピクチャーモード527,528が表示される。ピクチャーモードは、アップダウンスイッチ158,159及びダイアル160を用いて複数の選択肢の中から撮影の目的に合ったものを選択することができる。
FIG. 16 is a diagram for explaining a screen for setting picture conditions for picture A and picture B. Suppose that the shooting
前述したように、フォトダイオード310Aとフォトダイオード310Bとの間の受光効率の差は、3段に設定されている。このため、pictureAとpictureBとの間のISO感度範囲には3段の差がある。図17に示すように、pictureAはISO100〜ISO102400、pictureBはISO12〜ISO12800となっている。
As described above, the difference in light receiving efficiency between the
図18は、デュアル映像モードにおけるプログラムAE(Automatic Exposure)線図である。横軸がTv値とそれに対応するシャッタースピードを示し、縦軸がAv値とそれに対応する絞り値を示している。また、斜め方向は等Bv線となっている。pictureAのBv値とISO感度との関係がゲイン表記領域556に表されており、pictureBのBv値とISO感度との関係がゲイン表記領域557に表されている。なお、図18において各Bv値は、他のパラメータと区別するために、四角で囲んだ数値で表している。
FIG. 18 is a program AE (Automatic Exposure) diagram in the dual video mode. The horizontal axis shows the Tv value and the corresponding shutter speed, and the vertical axis shows the Av value and the corresponding aperture value. Further, the oblique direction is an equal Bv line. The relationship between the Bv value of picture A and the ISO sensitivity is represented in a
高輝度から低輝度になるに従って、シャッタースピード、絞り値、ISO感度がどのように変化するかについて、図18を用いて説明する。 How the shutter speed, aperture value, and ISO sensitivity change as the brightness changes from high to low will be described with reference to FIG.
まず、Bv13のときは、pictureAでは、ISO感度はISO100に設定される。pictureAの等Bv線は、pictureAのプログラム線図558と点551で交差し、点551からシャッタースピード1/4000、絞り値F11と定まる。一方、pictureBでは、ISO感度はISO12に設定される。pictureBの等Bv線は、pictureBのプログラム線図559と点552で交差し、点552からシャッタースピード1/500、絞り値F11と定まる。
First, in the case of Bv13, ISO sensitivity is set to ISO100 in picture A. An equal Bv line of picture A intersects the program diagram 558 of picture A at a
Bv10のときは、pictureAでは、ISO感度は1段分上昇してISO200に設定される。pictureAの等Bv線は、pictureAのプログラム線図558と点553で交差し、点553からシャッタースピード1/1000、絞り値F11と定まる。一方、pictureBでは、ISO感度はISO12に設定される。pictureBの等Bv線は、pictureBのプログラム線図559と点560で交差し、点560からシャッタースピード1/60、絞り値F11と定まる。
In the case of Bv10, in picture A, the ISO sensitivity is increased by one step and set to
Bv6のときは、pictureAでは、ISO感度はISO200に設定される。pictureAの等Bv線は、pictureAのプログラム線図558と点554で交差し、点554からシャッタースピード1/1000、絞り値F2.8と定まる。一方、pictureBでは、ISO感度はISO12に設定される。pictureBの等Bv線は、pictureBのプログラム線図559と点555で交差し、点555からシャッタースピード1/60、絞り値F2.8と定まる。
In the case of Bv6, the ISO sensitivity is set to ISO200 in picture A. The picture B equal Bv line intersects with the picture A program diagram 558 at a
Bv5のときは、pictureAでは、ISO感度は1段分上昇してISO400に設定される。pictureAの等Bv線は、pictureAのプログラム線図558と点554で交差し、点554からシャッタースピード1/1000、絞り値F2.8と定まる。一方、pictureBでは、ISO感度はISO25に設定される。pictureBの等Bv線は、pictureBのプログラム線図559と点555で交差し、点555からシャッタースピード1/60、絞り値F2.8と定まる。
In the case of Bv5, in picture A, the ISO sensitivity is increased by one step and set to
以降、輝度が下がるにつれて、pictureA、pictureBともに、シャッタースピードと絞り値は変化せずにゲインアップしISO感度が上昇していく。 Thereafter, as the brightness decreases, both the picture A and the picture B increase the gain without changing the shutter speed and the aperture value, and the ISO sensitivity increases.
このプログラムAE線図に示した露光動作を行うことにより、表記した全輝度範囲においてpictureAは1/1000以上のシャッタースピードを保ち、pictureBは多くの輝度範囲で1/60のシャッタースピードを保っている。これにより、pictureAではストップモーション効果を得つつ、pictureBではコマ送り的なジャーキネスのない高品位な動画を得ることができる。 By performing the exposure operation shown in this program AE diagram, picture A maintains a shutter speed of 1/1000 or more in the entire luminance range described, and picture B maintains a shutter speed of 1/60 in many luminance ranges. . As a result, it is possible to obtain a high-quality moving picture without frame-like jerkiness with picture B while obtaining a stop motion effect with picture A.
図19は、ローリング電子シャッター方式で撮影を行う際の、蓄積及び読み出しタイミングを示すシーケンス図である。図19には、第nフレームにおける垂直同期信号481を示すとともに、pictureAの上端ラインの蓄積期間482と、pictureAの下端ラインの蓄積期間483を太い実線で示している。また、pictureBの上端ラインの蓄積期間486と、pictureBの下端ラインの蓄積期間487を、同様に太い実線で示している。横軸は時間を表している。なお、図19には、画素アレイ302の任意の1列についてのタイミングシーケンスを示しているが、同一行(同一ライン)の画素は互いに同期して制御されるので、他の列も同様のタイミングシーケンスとなる。
FIG. 19 is a sequence diagram showing storage and readout timings when shooting is performed using the rolling electronic shutter method. FIG. 19 shows the
図8で示した転送トランジスタ311Aがオンとなり蓄積期間が終了すると、フォトダイオード310Aが光電変換及び蓄積した電荷は、第1電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313A)に転送されて保持される。同様に、フォトダイオード310Bが光電変換及び蓄積した電荷は、第2電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313B)に転送されて保持される。各ラインの蓄積期間は、上端ラインから下端ラインへと所定の時間間隔で順次開始され、当該時間間隔で順次終了する。フォトダイオード310Bはフォトダイオード310Aと比べて感度が低いため、pictureBはpictureAと比べて蓄積時間が長く設定される。
When the
また、図19には、第1電荷保持部に保持された映像信号の読み出し期間であって、pictureAの上端ラインの読み出し期間484と、pictureAの下端ラインの読み出し期間485を点線で示している。また、第2電荷保持部に保持された映像信号の読み出し期間であって、pictureBの上端ラインの読み出し期間488と、pictureBの下端ラインの読み出し期間489を、同様に点線で示している。この読み出し期間には、増幅トランジスタ315A、315Bを介しての読み出し回路308A、308Bへの転送、読み出し回路308A、308Bでの読み出し、及びデジタル信号処理部187,188への転送が含まれる。各ラインの読み出し期間は、各ラインの蓄積時間終了後に上端ラインから下端ラインへと所定の時間間隔で順次開始され、当該時間間隔で順次終了する。
Further, in FIG. 19, a
時刻t53〜時刻t54がpictureAの上端ラインの蓄積期間482であり、時刻t56〜時刻t57がpictureAの下端ラインの蓄積期間483である。同様に、時刻t51〜時刻t54がpictureBの上端ラインの蓄積期間486であり、時刻t52〜時刻t57がpictureBの下端ラインの蓄積期間487である。また、時刻t54〜時刻t55がpictureA及びpictureBの上端ラインの読み出し期間484、488であり、時刻t57〜時刻t58がpictureA及びpictureBの下端ラインの読み出し期間485、489である。
From time t53 to time t54 is the accumulation period 482 of the upper end line of picture A, and from time t56 to time t57 is the accumulation period 483 of the lower end line of picture A. Similarly, time t51 to time t54 are the
このように、受光効率が高いフォトダイオード310AによるpictureAの蓄積期間を短く設定し、受光効率が低いフォトダイオード310BによるpictureBの蓄積期間を長く設定することにより、同程度の強度の映像信号を得ることができる。これにより、pictureA及びpictureBともゲインアップすることなく、S/N比の良好なノイズ感の無い映像を得ることができる。
In this way, by setting the picture A accumulation period by the
図20は、撮像装置に電源を投入した後のライブビュー表示中の表示部153の様子を表す図である。表示部153には、撮影光学系152を通して捉えられた人物163のスポーツシーンが表示されている。図20では、撮影モード選択レバー156が、図1(b)の状態から90度時計方向に回動した位置に設定されたデュアル映像モードとなっている。このため、表示部153には、pictureAの蓄積期間164、pictureBの蓄積期間165、及びFナンバー166が表示されている。
FIG. 20 is a diagram illustrating a state of the
図21は、タブレット端末、パーソナルコンピュータ、テレビモニタなどにおける、ストレージに格納されたpictureA及びpictureBの活用例を説明するための図である。pictureA及びpictureBのデータファイルは、ネットワーク上のストレージ等に格納されているものとする。図21において、フレーム群581は、MP4ファイルに格納されたpictureAのフレーム群であり、フレーム群571は、別のMP4ファイルに格納されたpictureBのフレーム群である。これらのMP4ファイルは、撮影時に同じCLIP−UMIDが設定されて互いに関連付けがなされている。
FIG. 21 is a diagram for explaining an example of using picture A and picture B stored in a storage in a tablet terminal, a personal computer, a television monitor, and the like. It is assumed that the data files of pictureA and pictureB are stored in a storage on the network. In FIG. 21, a
まず、動画の再生をスタートすると、pictureBのフレーム群571の先頭フレーム572から決められたフレームレートで順次フレームが再生される。pictureBは、シャッタースピードが過度に速くならないような設定(この例では1/60秒)で撮影されているため、再生された映像はコマ送りのようなジャーキネスのない高品位なものである。図21ではフレーム573の被写体周囲をぼかしてジャーキネスが出ない程度の被写体の動きを表現している。
First, when reproduction of a moving image is started, frames are sequentially reproduced at a frame rate determined from the
フレーム573まで再生が進んだ時点で使用者が一時停止の操作を行うと、自動的にpictureAのデータファイルから、pictureBと同一タイムコードのフレーム582が検索されて表示される。pictureAは、ストップモーション効果が得られやすい高速シャッタースピード(この例では1/1000秒)で撮影されており、スポーツシーンの一瞬を写し止めた迫力のある映像である。pictureA,pictureBの2つの映像は、異なる蓄積時間の設定で撮影されるが、pictureAについてゲインアップするのではなく、撮像素子184において同程度の信号電荷を得ている。このため、pictureA及びpictureBのどちらもS/N比の良好なノイズ感のない映像となる。
When the user performs a pause operation at the point of time when playback has progressed to frame 573, a
ここで、印刷の指示を行うと、pictureAのフレーム582のデータがプリントインターフェース部194を介してプリンタ195に対して出力される。したがって、印刷物も、pictureAを反映したストップモーション効果がある迫力のあるものとなる。使用者が一時停止を解除すると、自動的にpictureBのフレーム群571に戻って、フレーム574から再生が再開する。このとき、再生される映像はコマ送りのようなジャーキネスのない高品位なものである。
When printing is instructed, the data of the
このように、pictureBを、動画用の映像信号として用いることにより、ジャーキネスのない動画向きの映像を得ることができる。また、pictureAを、静止画用の映像信号として用いることにより、ストップモーション効果が得られた静止画及び印刷向きの映像を得ることができる。本実施形態の撮像装置では、これら2つの効果を1つの撮像素子を用いて実現できる。 As described above, by using picture B as a video signal for a moving image, it is possible to obtain a moving image without jerkiness. Further, by using picture A as a video signal for a still image, a still image with a stop motion effect and a video for printing can be obtained. In the imaging apparatus of the present embodiment, these two effects can be realized using one imaging element.
また、本実施形態においては、再生時の操作性向上のために、静止画用のファイルと動画用のファイルとを分けて、記録媒体193の別々のフォルダにファイルしている。例えば、前述したように、pictureA、pictureBとも、同一フレームレート且つ同一のMP4フォーマットで、動画用のフォルダと静止画用のフォルダに分けて記録する。そして、再生ボタン161が操作されると、動画用のファイルデータとして記録されたpictureBが、動画として連続再生される。また、静止画用のファイルデータとして記録されたpictureAが、画像送り操作とともに一枚ずつ静止画として再生される。
In this embodiment, in order to improve the operability at the time of reproduction, the still image file and the moving image file are separated and filed in separate folders on the
動画再生中の静止画の表示については、スイッチST154が操作されたタイミングで、再生中の動画のpictureBと同一タイムコードの静止画pictureAを表示するようにしてもよい。また、アップダウンスイッチ158、159を操作してその前後の静止画を表示してもよい。動画撮影及び静止画撮影に用いるpictureA、pictureBの組み合わせは撮影時に決定される。そして、撮影されたpictureA、pictureBの各々が動画用、静止画用のフォルダにファイルされる。
Regarding the display of still images during moving image reproduction, a still image picture A having the same time code as that of picture B of the moving image being reproduced may be displayed at the timing when the switch ST154 is operated. Alternatively, the up / down
以上のように、本実施形態では、第1光電変換部(フォトダイオード310A)と、第1光電変換部よりも受光効率が低い第2光電変換部(フォトダイオード310B)を有する画素を備えている。また、動画及び静止画撮影の蓄積期間を含む撮影条件を設定する撮影条件設定手段(スイッチ入力手段、システム制御CPU)を備えている。これにより、撮影条件に応じて、動画撮影及び静止画撮影に用いるフォトダイオードの組み合わせを選択することができる。例えば、被写体が暗い場合には、動画も静止画も高受光効率のフォトダイオード310AによるpictureAを用いることで映像信号のS/N比劣化を低減することができる。あるいは、被写体が明るい場合には、動画も静止画も低受光効率のフォトダイオード310BによるpictureBを用いることで映像信号のS/N比劣化を低減することができる。
As described above, the present embodiment includes a pixel having the first photoelectric conversion unit (
次に、単一の撮像素子を用いて2つの映像を同時に撮影する際に、ローリングシャッター歪を検出する方法について説明する。
まず、ローリングシャッター歪について説明する。ローリング電子シャッター方式では、画素に保持された映像信号が、画素アレイ302の上端ラインから下端ラインへ順に読み出される。すなわち、前のラインの映像信号の読み出しが終了するまでは、次のラインの映像信号の読み出しは待機される。これにより、各ラインの読み出し終了後に開始する蓄積期間も遅延するので、各ラインで蓄積期間の開始タイミングが異なってしまう。この結果、ローリングシャッター歪と呼ばれる画質の劣化が発生する。
Next, a method for detecting rolling shutter distortion when two images are simultaneously captured using a single image sensor will be described.
First, rolling shutter distortion will be described. In the rolling electronic shutter method, video signals held in pixels are read in order from the upper end line to the lower end line of the
図22は、ローリングシャッター歪について説明するための図である。図22(a)には、撮影対象となる被写体701、702を示している。一方、図22(b)には、ローリング電子シャッター方式により撮影された被写体701、702を示している。被写体701は、実線の枠で示す撮影画角に対して静止しているが、被写体702は、撮影画角に対して矢印の方向に移動している。ローリング電子シャッター方式では、図22(b)に示すように、動きのない被写体701は歪みなく撮影されるが、動きのある被写体702は歪んで撮影される。これがローリングシャッター歪である。
FIG. 22 is a diagram for explaining rolling shutter distortion. FIG. 22A shows
なお、図22では被写体が撮影画角に対して動いている場合について説明したが、撮影者がカメラを水平方向にパンニング動作を行ったときのように、撮影画角が被写体に対して動いているような場合にもローリングシャッター歪は発生する。また、ローリングシャッター歪は、例えばフォーカルプレーンシャッターのようなメカシャッター方式においても発生する。しかし、メカシャッター方式では、1フレームの上端から下端までのシャッター幕の移動時間がローリング電子シャッター方式に比べて短いため、ローリング電子シャッター歪は抑制されて識別されにくい。 Note that FIG. 22 illustrates the case where the subject moves with respect to the shooting angle of view, but the shooting angle of view moves with respect to the subject as when the photographer pans the camera in the horizontal direction. Even in such a case, rolling shutter distortion occurs. Rolling shutter distortion also occurs in a mechanical shutter system such as a focal plane shutter. However, in the mechanical shutter system, since the moving time of the shutter curtain from the upper end to the lower end of one frame is shorter than that in the rolling electronic shutter system, the rolling electronic shutter distortion is suppressed and is difficult to be identified.
本実施形態では、ローリングシャッター歪を検出する画像歪検出モードを有している。画像歪検出モードにおいては、pictureAとpictureBとを比較することによりローリングシャッター歪を検出する。この画像歪検出モードは、撮影者が、図1で示したメニューボタン157、アップダウンスイッチ158、159を撮影前に操作することにより設定する。
The present embodiment has an image distortion detection mode for detecting rolling shutter distortion. In the image distortion detection mode, rolling shutter distortion is detected by comparing picture A and picture B. This image distortion detection mode is set by the photographer operating the
次に、画像歪検出モードにおける蓄積及び読み出しタイミングについて説明する。図23は、本発明の第1実施形態による撮像装置におけるローリングシャッター歪の検出方法を説明するためのタイミング図である。図23は、図19と同様に、pictureA及びpictureBの蓄積及び読み出しタイミングシーケンスを示す図であり、特に、画像歪検出モードにおけるタイミングシーケンスを示している。 Next, the accumulation and readout timing in the image distortion detection mode will be described. FIG. 23 is a timing chart for explaining a method for detecting rolling shutter distortion in the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 23 is a diagram showing a timing sequence for storing and reading picture A and picture B, similarly to FIG. 19, and particularly shows a timing sequence in the image distortion detection mode.
図23に示すpictureBの蓄積及び読み出しタイミングは、図19と同様であるので、図19と同じ符号を付して説明は省略する。以下では、pictureAのシーケンスについて説明する。画像歪検出モードにおいては、pictureAとpictureBとで、フォトダイオードが光電変換した電荷の蓄積及び読み出しタイミングが異なる。図23には、第nフレームにおける垂直同期信号481を示すとともに、pictureAの上端ラインの蓄積期間491と、その次のラインの蓄積期間492を太い実線で示している。蓄積期間491、492においてフォトダイオード310Aが光電変換及び蓄積した電荷は、図8に示す画素303に設けられた第1電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313A)に転送されて保持される。
23 is the same as that in FIG. 19, and therefore, the same reference numerals as those in FIG. Hereinafter, the sequence of pictureA will be described. In the image distortion detection mode, the accumulation and readout timings of charges photoelectrically converted by the photodiodes differ between picture A and picture B. FIG. 23 shows the
また、図23には、第1電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313A)に保持された電荷信号の読み出し期間であって、pictureAの上端ラインの読み出し期間493と、その次のラインの読み出し期間494を点線で示している。この読み出し期間には、図3に示す画素要素303Aから第1読み出し部(読み出し回路308A)への転送、第1読み出し部による読み出し、及びデジタル信号処理部への転送が含まれる。
FIG. 23 shows a readout period of the charge signal held in the first charge holding unit (floating
時刻t59〜時刻t61が上端ラインの蓄積期間491であり、時刻t60〜時刻t62がその次のラインの蓄積期間492である。また、時刻t61〜時刻t63が上端ラインの読み出し期間493であり、時刻t63〜時刻t64がその次のラインの読み出し期間494である。
From time t59 to time t61 is the
図23に示す画像歪検出モードでは、図19で示した通常撮影モードと比較して、pictureAの上端ラインの蓄積期間491の開始時刻t59から、その次のラインの蓄積期間492の開始時刻t60までの時間が短くなっている。一方、pictureAの上端ラインの読み出し期間493の開始時刻t61から、その次のラインの読み出し期間494の開始時刻t63までの時間は変わらない。これは、同一列の異なるラインで読み出し回路308が共用されている場合には、読み出し処理を1ラインずつ順番に行う必要があり、1フレームの全体の読み出し期間は短くできないためである。よって、画像歪検出モードにおいても、読み出し処理は、各ラインの蓄積期間の終了後すぐに行われるのではなく、前のラインの読み出し処理が終了するまで待機される。このように、画像歪検出モードにおいては、画素アレイの各行で同期して蓄積される電荷の蓄積期間の開始時刻と、他の行の蓄積期間の開始時刻との時間差(以下単に「蓄積期間の開始時刻の時間差」という)が、pictureAとpictureBとで異なる。また、この結果として、蓄積期間が終了してから読み出しを開始するまでの待機期間も異なる。
In the image distortion detection mode shown in FIG. 23, as compared with the normal shooting mode shown in FIG. 19, from the start time t59 of the
図23に示すように、pictureBは、各ラインにおいて、第2電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313B)への電荷の転送後、待機期間なしに第2読み出し部(読み出し回路308B)により順次読み出される。一方、pictureAは、第1電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313A)への電荷の転送後、各ラインにおいて、待機時間を前のラインよりも長くしながら第1読み出し部(読み出し回路308A)により順次読み出される。
As shown in FIG. 23, the picture B is sequentially read by the second reading unit (reading circuit 308B) without a waiting period after transferring the charge to the second charge holding unit (floating diffusion region 313B) in each line. On the other hand, the picture A is sequentially read by the first reading unit (reading
図24は、本発明の第1実施形態による撮像装置におけるローリングシャッター歪の検出方法で撮影した画像の例を示す図である。図24(a)に示すpictureAによる画像、及び図24(b)に示すpictureBによる画像は、図23に示すシーケンスに従って、図22(a)に示す被写体701、702を撮影することにより得られる。図24(b)に示すpictureBによる画像には、図22(b)と同様に、動きのある被写体702にローリングシャッター歪が発生している。一方、図24(a)に示すpictureAによる画像は、各ラインにおける蓄積期間の開始時刻の他のラインとの差を短くしたため、図24(b)と比べて被写体702のローリングシャッター歪が低減されている。このように、画像歪検出モードにおいては、pictureAによる画像とpictureBによる画像とで、ローリングシャッター歪の大きさが異なる。
FIG. 24 is a diagram illustrating an example of an image captured by the rolling shutter distortion detection method in the imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. The image by picture A shown in FIG. 24A and the image by picture B shown in FIG. 24B are obtained by photographing the
そこで、本実施形態では、pictureAによる画像とpictureBによる画像とを比較することにより、ローリングシャッター歪を検出する画像歪検出手段を備える。画像歪検出手段はシステム制御CPU178により実行され、例えばpictureAによる画像とpictureBによる画像とを画像マッチングにより比較する。そして、動きのある被写体702を撮影したときに発生するローリングシャッター歪特有のベクトルを検出する。図24(c)は、図24(a)の画像と図24(b)の画像とを重ね合わせた画像を示している。図24(c)には、pictureAによる画像における被写体702の輪郭702aを点線で示し、pictureBによる画像における被写体702の輪郭702bを実線で示している。そして、図24(d)には、輪郭702aと輪郭702bを抽出して示すとともに、輪郭702aと輪郭702bの対応するいくつかの点の動きベクトルを矢印で示している。図24(d)に示すように、動きベクトルが上端方向から下端方向に大きくなっているのがローリングシャッター歪の特徴である。画像歪検出手段は、このような動きベクトルが検出され、且つその大きさが予め設定した閾値を超えている場合にローリングシャッター歪が発生していると判断する。
Therefore, in the present embodiment, an image distortion detection unit that detects rolling shutter distortion by comparing an image based on picture A and an image based on picture B is provided. The image distortion detection means is executed by the
以上のように、本実施形態の撮像装置は、第1光電変換部(フォトダイオード310A)と、第1光電変換部よりも受光効率が低い第2光電変換部(フォトダイオード310B)を備えている。また、第1映像信号(pictureA)と第2映像信号(pictureB)とを比較することにより画像歪(ローリングシャッター歪)を検出する画像歪検出手段(システム制御CPU)を備えている。ここで、画像歪検出手段は、画像歪を検出する際には、画素アレイの各行における電荷の蓄積期間の開始時刻と他の行の蓄積期間の開始時刻との時間差が、第1光電変換部と第2光電変換部とで異なるように設定する。これにより、単一の撮像素子を用いて2つの映像を同時に撮影する際に、画像歪を検出することができる。
As described above, the imaging apparatus according to the present embodiment includes the first photoelectric conversion unit (
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による撮像装置について、図25乃至図27を用いて説明する。本実施形態では、ローリングシャッター歪を検出した場合に、ローリングシャッター歪を補正する方法について説明する。本実施形態では、第1実施形態で説明した画像歪検出手段に加え、ローリングシャッター歪を補正する画像歪補正手段を備える。画像歪補正手段は、画像歪検出手段と同様にシステム制御CPU178によって実行される。
(Second Embodiment)
An imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a method for correcting rolling shutter distortion when rolling shutter distortion is detected will be described. In this embodiment, in addition to the image distortion detection unit described in the first embodiment, an image distortion correction unit that corrects rolling shutter distortion is provided. The image distortion correction unit is executed by the
図25は、本発明の第2実施形態による撮像装置におけるpictureAのローリングシャッター歪を補正する方法を説明するためのタイミング図である。図25は、画像歪補正手段によってローリングシャッター歪が発生していると判断された場合に、ローリングシャッター歪を補正するための蓄積及び読み出しのタイミングシーケンスを示している。図25に示すpictureBの蓄積及び読み出しタイミングは、図19と同様であるので、図19と同じ符号を付して説明は省略する。 FIG. 25 is a timing chart for explaining a method of correcting the picture A rolling shutter distortion in the imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 25 shows an accumulation and readout timing sequence for correcting rolling shutter distortion when it is determined by the image distortion correcting means that rolling shutter distortion has occurred. 25 is the same as that shown in FIG. 19, and therefore, the same reference numerals as those in FIG.
図25には、第nフレームにおける垂直同期信号481を示すとともに、pictureAの上端ラインの蓄積期間495と、その次のラインの蓄積期間496を太い実線で示している。また、図25には、pictureAの上端ラインの読み出し期間497と、その次のラインの読み出し期間498を点線で示している。時刻t65は上端ラインの蓄積期間495の開始時刻であり、時刻t66はその次のラインの蓄積期間496の開始時刻である。また、時刻t67は上端ラインの読み出し期間497の開始時刻であり、時刻t68は読み出し期間498の開始時刻である。
FIG. 25 shows the
図25に示すpictureAのタイミングシーケンスは、図23に示すpictureAのタイミングシーケンスと比較して、各ラインの電荷蓄積期間の開始時刻を繋ぐ線の傾きが大きくなっている。すなわち、画素アレイの各ラインにおける蓄積期間の開始時刻の時間差が短くなっている。具体的には、図25に示す蓄積期間495の開始時刻t65から次の蓄積期間496の開始時刻t66までの時間が、図23に示す蓄積期間491の開始時刻t59から次の蓄積期間492の開始時刻t60までの時間よりも短く設定されている。ただし、各ラインの読み出し期間の開始時刻は、タイミングシーケンス変更前と同様であり、前のラインの読み出しが終了してから、次のラインの読み出しが行われる。このようなタイミングシーケンスに従って、図22(a)に示す被写体701、702を撮影することにより、図26に示すpictureAによる画像が得られる。図26に示すpictureAによる画像では、各ラインにおける蓄積期間の開始時刻の時間差が短くなったことで、図24(a)と比べて被写体702のローリングシャッター歪が低減されている。このように、pictureAに対しては、蓄積期間の開始時刻の時間差を短くするとともに、蓄積期間が終了してから読み出しが開始されるまでの待機時間を長くすることにより、ローリングシャッター歪を低減することができる。
In the picture A timing sequence shown in FIG. 25, the slope of the line connecting the start times of the charge accumulation periods of the respective lines is larger than that in the picture A timing sequence shown in FIG. That is, the time difference between the start times of the accumulation periods in each line of the pixel array is shortened. Specifically, the time from the start time t65 of the
ローリングシャッター歪の大きさは、被写体の撮影画角に対する移動速度に依存する。よって、画像歪検出手段により検出したローリングシャッター歪のベクトル変化に応じて、ライン毎に蓄積期間の開始時刻の時間差を短くすることで、ローリングシャッター歪を低減することができる。 The magnitude of the rolling shutter distortion depends on the moving speed of the subject with respect to the shooting angle of view. Therefore, the rolling shutter distortion can be reduced by shortening the time difference of the start time of the accumulation period for each line in accordance with the vector change of the rolling shutter distortion detected by the image distortion detecting means.
また、画像歪検出手段によりローリングシャッター歪が発生している範囲が分かるので、画像歪補正手段は、pictureBのローリングシャッター歪を補正することもできる。例えば、pictureBによる画像のローリングシャッター歪が発生している範囲を、同一の範囲のpictureAによる画像で置き換えることにより、pictureBの画像歪を補正する。このようにして、pictureA及びpictureBの両方のローリングシャッター歪を低減することができる。なお、pictureBの画像歪の補正手段は、ローリングシャッター歪の発生している範囲の画像を置き換える方法には限定されず、例えば、幾何学的変換を行うことにより画像歪を補正することも可能である。 Further, since the image distortion detection means can know the range in which the rolling shutter distortion occurs, the image distortion correction means can also correct the picture B rolling shutter distortion. For example, the image distortion of picture B is corrected by replacing the range in which the rolling shutter distortion of the image by picture B is generated with an image by picture A in the same range. In this way, rolling shutter distortion of both picture A and picture B can be reduced. The picture B image distortion correction means is not limited to a method for replacing an image in a range where the rolling shutter distortion occurs, and for example, the image distortion can be corrected by performing geometric transformation. is there.
ところで、ローリングシャッター歪を除去するためには、全ラインにおいて蓄積期間を同一の時刻に開始すればよいようにも思われる。しかし、フローティングディフュージョン領域に電荷が保持されている待機期間が長いと、暗電流等のノイズが生じてしまう。したがって、蓄積期間が終了してから読み出しを開始するまでの待機期間は、発生するノイズとのバランスを考慮した上で設定する必要がある。また、撮影中において被写体の撮像素子面上での速度が変化することも考えられる。そこで、ローリングシャッター歪が小さいときは、ライン毎に蓄積期間の開始時刻の時間差を長くしてノイズ影響を低減するなど、ローリングシャッター歪の量に合わせてタイミングシーケンスを制御することが望ましい。 By the way, in order to remove the rolling shutter distortion, it seems that the accumulation period should be started at the same time in all lines. However, if the standby period in which charges are held in the floating diffusion region is long, noise such as dark current occurs. Therefore, it is necessary to set the standby period from the end of the accumulation period to the start of reading in consideration of the balance with the generated noise. It is also conceivable that the speed of the subject on the image sensor surface changes during shooting. Therefore, when the rolling shutter distortion is small, it is desirable to control the timing sequence in accordance with the amount of rolling shutter distortion, such as increasing the time difference of the start time of the accumulation period for each line to reduce the noise effect.
次に、pictureBについても、pictureAと同様に蓄積時間の開始時刻の時間差を短くすることによってローリングシャッター歪を補正する方法について説明する。図27は、本発明の第2実施形態による撮像装置におけるpictureBのローリングシャッター歪を補正する方法を説明するためのタイミング図である。上段の図27(a)には、従来と同様のpictureBの蓄積期間463及び読み出しのタイミングシーケンスを示している。また、中段の図27(b)には、各ラインの蓄積期間464の開始時刻の時間差を短くしたpictureBのタイミングシーケンスを示している。
Next, with respect to picture B, a method of correcting rolling shutter distortion by shortening the time difference between the start times of the accumulation times as in picture A will be described. FIG. 27 is a timing chart for explaining a method of correcting the picture B rolling shutter distortion in the imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 27A in the upper stage shows a picture
図27(b)に示す補正後のpictureBのフレーム期間t70〜t72は、図27(a)に示す補正前のpictureBのフレーム期間t70〜t71と比較して長くなってしまっている。これは、蓄積期間464の長さを維持したまま、読み出しを開始するまでの待機期間を長くしたためである。この結果、図27(b)では、pictureBのフレームレートが低下してしまう。これに対し、pictureAでは、蓄積期間495、496が短く、蓄積も読み出しも行わない余裕時間がフレーム期間中に存在するために、画像歪補正手段による補正後でもフレーム期間は長くならない。
The frame period t70 to t72 of the corrected picture B shown in FIG. 27 (b) is longer than the frame period t70 to t71 of the picture B before correction shown in FIG. 27 (a). This is because the waiting period until the start of reading is lengthened while the length of the
そこで、本実施形態では、pictureBの蓄積期間の開始時刻の時間差を短くするのに合わせて、図27(c)に示すように蓄積期間466を短く設定する。これにより、補正後のフレーム期間を、図27(c)に示すように、図27(a)と同じ時刻t70〜時刻t71に収めることができるので、フレームレートを維持したままローリングシャッター歪を低減することができる。また、pictureAとpictureBとで、読み出しタイミングを合わせることができるので撮像素子の制御を簡素化できる。
Therefore, in the present embodiment, the
ところで、画像歪検出モードでない通常のモードにおいては、前のラインの電荷保持部(フローティングディフュージョン領域313A、313B)からの読み出し処理が終了した後に、次のラインにおける読み出し処理が行われる。例えば、図19を用いて説明した読み出し回路308内のノイズを除去する二重相関サンプリング回路の読み出し処理は、図19のタイミングシーケンスの点線で示した読み出し期間488内に行われる。このように、通常のモードにおいては、撮像素子の同一列の異なるラインの画素について、読出しが同時に行われることはないので、読み出し回路308は、同一列の異なるラインの画素で共用される。ここでいう、同一列の異なるラインの画素とは、例えば図3でいう同一の垂直走査用の信号出力線304Aでつながれた縦方向に並ぶフォトダイオード群に対応する画素のことである。
By the way, in the normal mode other than the image distortion detection mode, after the reading process from the charge holding portions (floating
一方、画像歪検出モードにおいては、前のラインの読み出し処理が終了する前に、次のラインの読み出し処理を行うことができれば、pictureBについても、蓄積期間を短くすることなく、蓄積時間の開始時刻の時間差を短くすることができる。そこで、本実施形態では、第2読み出し部(読み出し回路308B)を、同一列の異なる行を独立して読み出し可能な複数の読み出し部を用いて構成することを考える。
例えば、あるラインの読み出し処理が終了した後に、その5行下のラインの読み出し処理が開始されるものとする。nを1からNまでの自然数とし、撮像素子の総ライン数を(5N+1)とするとき、(5n+1)となる複数のラインについてのみ、同一の読み出し回路308を共用する。同様に(5n+2)行、(5n+3)行、及び(5n+4)となる複数のラインの画素について、それぞれ独立した読み出し回路を共用する。これにより、(5n+1)行を読み出している間でも、(5n+2)行、(5n+3)行、及び(5n+4)行の読み出し処理を並行して行うことができる。また、各画素に読み出し回路を設ける場合に比べて、読み出し回路308の数を抑えて回路規模の増加を抑えることができる。
On the other hand, in the image distortion detection mode, if the next line read process can be performed before the previous line read process is completed, the accumulation time start time is also shortened for picture B without shortening the accumulation period. The time difference can be shortened. Therefore, in the present embodiment, it is considered that the second reading unit (reading circuit 308B) is configured using a plurality of reading units that can independently read different rows in the same column.
For example, it is assumed that, after the reading process for a certain line is completed, the reading process for the five lines below is started. When n is a natural number from 1 to N and the total number of lines of the image sensor is (5N + 1), the same readout circuit 308 is shared only for a plurality of lines (5n + 1). Similarly, independent readout circuits are shared for pixels in a plurality of lines of (5n + 2) rows, (5n + 3) rows, and (5n + 4). Thereby, even while the (5n + 1) rows are being read, the reading processing of the (5n + 2) rows, the (5n + 3) rows, and the (5n + 4) rows can be performed in parallel. In addition, the number of readout circuits 308 can be reduced and an increase in circuit scale can be suppressed as compared with the case where a readout circuit is provided for each pixel.
以上のように、本実施形態では、画像歪検出手段による画像歪の検出結果に基づいて、第1光電変換部及び第2光電変換部の少なくとも一方の画像歪を補正する画像歪補正手段を備えている。これにより、単一の撮像素子を用いて2つの映像を同時に撮影する際に、画像歪を補正することができる。 As described above, in this embodiment, the image distortion correction unit that corrects image distortion of at least one of the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit based on the detection result of the image distortion by the image distortion detection unit is provided. ing. Thus, image distortion can be corrected when two images are simultaneously captured using a single image sensor.
なお、システム制御CPU178によって実行される画像歪補正手段は、ローリングシャッター歪を補正した画像を記録媒体に記録してもよく、その他の方法を用いてもよい。例えば、pictureA及びpictureBに対して画像歪補正を行わずにそのまま記録媒体に記録しておき、画像歪検出手段及び画像歪補正手段を有するパーソナルコンピュータ等の外部の映像処理装置で画像を取り込んでから、補正処理をしてもよい。
Note that the image distortion correction unit executed by the
(変形実施形態)
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に記載の撮像装置の構成は、一例を示したものであり、本発明を適用可能な撮像装置は、図1及び図2に示した構成に限定されるものではない。また、撮像素子の各部の回路構成も、図3、図8、図11等に示した構成に限定されるものではない。また、光電変換部は必ずしも図4に示すようなフォトダイオードに限定されるものではなく、光電変換機能を有するものであればよい。
(Modified embodiment)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the configuration of the imaging apparatus described in the above embodiment is an example, and the imaging apparatus to which the present invention can be applied is not limited to the configuration illustrated in FIGS. 1 and 2. Further, the circuit configuration of each part of the image sensor is not limited to the configuration shown in FIGS. Further, the photoelectric conversion unit is not necessarily limited to the photodiode as shown in FIG. 4, and any photoelectric conversion unit may be used as long as it has a photoelectric conversion function.
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiments to a system or apparatus via a network or a storage medium, and one or more processors in a computer of the system or apparatus read and execute the program This process can be realized. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
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。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.
100…撮像装置
152…撮影光学系
178…システム制御CPU(画像歪検出手段、画像歪補正手段)
184…撮像素子
187,188…デジタル信号処理部
255…ライトガイド
302…画素アレイ
303…画素
303A,303B…画素要素
308A,308A…読み出し回路(読み出し部)
310A,310B…フォトダイオード(光電変換部)
313A,313B…フローティングディフュージョン領域(電荷保持部)
DESCRIPTION OF
184:
310A, 310B ... Photodiode (photoelectric conversion unit)
313A, 313B: Floating diffusion region (charge holding unit)
Claims (11)
前記画素アレイの各列に設けられ、前記画素の前記第1電荷保持部が保持する電荷に基づく第1映像信号を読み出す第1読み出し部と、
前記画素アレイの各列に設けられ、前記画素の前記第2電荷保持部が保持する電荷に基づく第2映像信号を読み出す第2読み出し部と、
前記画素アレイの各行における前記電荷の蓄積期間の開始時刻と他の行の蓄積期間の開始時刻との時間差が、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部とで異なる状態において、前記第1映像信号と前記第2映像信号とを比較することにより画像歪を検出する画像歪検出手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 A first photoelectric conversion unit; a second photoelectric conversion unit having a light receiving efficiency lower than that of the first photoelectric conversion unit; a first charge holding unit for holding charges photoelectrically converted and accumulated in the first photoelectric conversion unit; A pixel array in which pixels having a second charge holding unit that holds charges converted and accumulated by two photoelectric conversion units are arranged in a matrix;
A first readout unit that is provided in each column of the pixel array and reads out a first video signal based on a charge held by the first charge holding unit of the pixel;
A second reading unit that is provided in each column of the pixel array and reads a second video signal based on the charge held by the second charge holding unit of the pixel;
In the state where the time difference between the start time of the charge accumulation period in each row of the pixel array and the start time of the accumulation period of another row is different between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit, Image distortion detection means for detecting image distortion by comparing one video signal and the second video signal;
An imaging apparatus comprising:
前記画素アレイの各行における電荷の蓄積期間の開始時刻と他の行の蓄積期間の開始時刻との時間差が、前記第1光電変換部と前記第2光電変換部とで異なるように設定するステップと、
前記画素の前記第1電荷保持部が保持する電荷に基づく第1映像信号を読み出すステップと、
前記画素の前記第2電荷保持部が保持する電荷に基づく第2映像信号を読み出すステップと、
前記第1映像信号と前記第2映像信号とを比較することにより画像歪を検出するステップと、
を有することを特徴とする画像歪検出方法。 A first photoelectric conversion unit; a second photoelectric conversion unit having a light receiving efficiency lower than that of the first photoelectric conversion unit; a first charge holding unit for holding charges photoelectrically converted and accumulated in the first photoelectric conversion unit; In a pixel array in which pixels having a second charge holding unit that holds charges converted and accumulated by two photoelectric conversion units are arranged in a matrix,
Setting the time difference between the start time of the charge accumulation period in each row of the pixel array and the start time of the accumulation period of the other row to be different between the first photoelectric conversion unit and the second photoelectric conversion unit; ,
Reading a first video signal based on the charge held by the first charge holding unit of the pixel;
Reading a second video signal based on the charge held by the second charge holding unit of the pixel;
Detecting image distortion by comparing the first video signal and the second video signal;
An image distortion detection method comprising:
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