JP2017118329A - 撮像装置、撮像方法、画像フレーム読出し制御回路および信号処理装置 - Google Patents
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Description
また、3300万画素を有するCMOS型撮像素子の画素にベイヤカラーフィルタを装着した、単板式のカメラが知られている(非特許文献2を参照)。
スーパーハイビジョンの開発においては、上述したフリッカ対策の構築が急務であることから、上記ベイヤカラーフィルタを装着した正方格子状の画素群を有するCMOS型撮像素子についても上述した手法を用いることができれば、既存の技術の利用が図れて効率的である。
実行自体が困難となってしまう。
装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された、入射光に応じて電荷が発生する光電変換部と、
該光電変換部に対して、Y行とX列のいずれか一方のアドレスを選択して駆動する行もしくは列選択回路部、およびY行とX列のいずれか他方毎に信号を読み出す列もしくは行並列読出し回路部を含む画像フレーム読出し制御部とを有し、
前記光電変換部の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかに設定されるように構成され、
前記画像フレーム読出し制御部は、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に分割画像フレームを出力するように制御するものであり、かつ前記分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記光電変換部における各画素の1電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定することを特徴とするものである。
ここで、上記「行もしくは列選択回路部」と上記「列もしくは行並列読出し回路部」の関係は、行選択回路部が採用されるときは列並列読出し回路部が採用され、列選択回路部が採用されるときは行並列読出し回路部が採用される。
形成されたライン群、すなわち2pn+1行と2pn+2行と…2pn+p行により構成された奇数フレームと、2pn+(p+1)行と、2pn+(p+2)行と…2pn+2p行により構成された偶数フレームとを含む。なお、上記pは0または正の整数を表す。
ここで、奇数フレーム同士あるいは偶数フレーム同士のみならず、奇数フレームと偶数フレームの間隔も画像フレーム間隔と称されることが多い。
しかしながら、本願明細書においてそのようにすると、発明の本質的部分において紛らわしくなる可能性があるので、奇数フレーム同士、あるいは偶数フレーム同士の間隔は画像フレーム間隔と称するが、奇数フレームと偶数フレームの間隔は、便宜的に、分割画像フレーム間隔と称することとする。
また、前記光電変換部が、前記規則性のある格子状に配列された複数の画素において画素共有されるように構成されていることが好ましい。
装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された画素回路について、該複数の画素に各々入射する光に応じた電荷が発生するように光電変換を行わせ、
前記光電変換を行う画素に対して、Y行のアドレスおよびX列のアドレスを指定することにより、画像フレーム読出しを所定の順序で行うCMOS型の撮像装置による撮像方法であって、
前記光電変換を行う画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかに設定されるように制御し、
画像フレーム読出しは、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に分割画像フレームを読み出すように制御し、
該分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記光電変換部における各画素の1電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定するように制御することを特徴とするものである。
装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された、入射光に応じて電荷が発生する光電変換部に対して画像フレーム読出し制御信号を出力する画像フレーム読出し制御回路であって、
Y行のアドレスを選択して当該Y行に含まれる画素を駆動する行選択回路部およびX列のアドレスを選択して当該X列に含まれる画素からの信号を読み出す列並列読出し回路部を含み、
前記光電変換部の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかとして設定されるように制御し、
前記画像フレームの読出しは、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に分割画像フレームを読み出すように制御し、かつ、該分割画像フレームの間隔は8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定されるとともに、前記光電変換部における各画素の蓄積時間を10ミリ秒に設定し得るように、前記複数の画素に対応する、少なくとも蓄積開始指示信号および蓄積終了指示信号を、前記光電変換部に向けて所定の順序で出力されるように制御することを特徴とするものである。
装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された、入射光に応じて電荷が発生する光電変換部と、Y行のアドレスを選択して該光電変換部の当該Y行に含まれる画素を駆動する行選択回路部と、X列のアドレスを選択して該光電変換部の当該X列に含まれる画素からの信号を読み出す列読出し回路部とを備え、前記行選択回路部または前記列読出し回路部から出力された分割画像フレーム信号により前記光電変換部から分割画像フレームを読み出す信号処理装置であって、
前記光電変換部の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかとして設定されるように制御し、
前記分割画像フレームの読出しは、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される対応ライン数に等しいライン数毎に前記分割画像フレームを構成するように制御し、
前記分割画像フレームの間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記光電変換部における各画素の蓄積時間を10ミリ秒に設定し得るように、前記複数の画素に対応する、少なくとも蓄積開始指示信号および蓄積終了指示信号を、前記行選択回路部または前記列読出し回路部から前記光電変換部に向けて所定の順序で前記分割画像フレーム信号を出力させるように制御し、
前記1つのカラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に信号が存在する分割画像フレームにおいて、該対応ライン数に等しいライン数毎に画素補間により画素信号を生成する複数ライン毎インターレースプログレッシブ変換部を備えたことを特徴とするものである。
複数ライン毎のインターレース方式の、非プログレッシブ方式により駆動し、フレーム周波数を120Hzとし、電子シャッター期間を10ミリ秒に設定することにより、2pn+1行と2pn+2行と…2pn+p行により構成された奇数フレーム同士あるいは2pn+(p+1)行と、2pn+(p+2)行と…2pn+2p行により構成された偶数フレーム同士の画像フレーム間隔を16.667ミリ秒、奇数フレームと偶数フレームの分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒で信号読出しを行うとともに、各画素の蓄積時間を10ミリ秒としている(n、pは共に0または正の整数)。
合であっても、電源周波数50Hz圏の100Hzの照明強度変化下において120Hzの撮像を行う際に生じるフリッカの発生を阻止することができる。
まず、第1の実施形態に係るCMOS型撮像装置に用いられる、1画素あたり4トランジスタ使用の画素回路の等価回路図を、図1を用いて説明する。なお、この等価回路図に示す画素回路は、CMOS型撮像装置の画素アレイの各画素に対応して設けられる。
画素アレイ201は、Y方向走査部202、X方向走査部203、タイミングジェネレータ204および出力回路205とともに撮像装置(イメージセンサ)200を構成している。なお、撮像装置200のうち、Y方向走査部202、X方向走査部203、タイミ
ングジェネレータ204および出力回路205は、本発明に係る画像フレーム読出し制御回路を構成する。
また、FD413は、SF415のゲートに接続される。
さらに、出力回路205は、X方向走査部203で生成された複数の画素信号を外部に出力する。
0)秒=8.333ミリ秒に設定される。また、奇数フレーム同士、および偶数フレーム同士の時間間隔(画像フレーム間隔)は(1/60)秒=16.667ミリ秒に設定される。
図7に、本実施形態に係る信号処理装置のブロック図(フローチャート)を示す。この信号処理装置は、FPN(Fixed Pattern Noise)キャンセル手段S1、ゲインコントロール手段S2、2ライン毎インターレースプログレッシブ変換手段S3、デモザイク処理手段S4、リニアマトリクス処理手段S5およびガンマ・ニー処理手段S6、を備えている。
さらに、デモザイク処理手段S4は、RGGBのデュアルグリーン信号から、フルRGBの信号に変換する機能を有する。
また、上記リニアマトリクス処理手段S5は、RGB入力信号に3×3マトリクスの演算処理を施すことで色補正を行う機能を有する。
さらに、ガンマ・ニー処理手段S6は、信号にガンマ処理とニー処理を施す機能を有する。
なお、ガンマは、出力電圧をY、入力電圧をXとすると、Y=X0.45
で表され、ニーは、所定のレベルを超える信号を大幅に利得圧縮することが可能である。
毎のインターレースプログレッシブ変換処理を行い、引き続いてデモザイク処理を行う。これにより、ベイヤ配列のカラーフィルタを装着した正方格子状の画素配列から、2ライン毎のインターレース走査により奇数フレームと偶数フレームを読み出し、2ライン毎のインターレースプログレッシブ変換により奇数フレームと偶数フレームの全画素情報を生成し、デモザイク処理により、全画素の色情報を生成する。
上述した第1の実施形態によれば、図8に示すように、照明機器等が100Hz(電源周波数が50Hz圏)の照明強度下において、2ライン毎のインターレース方式を採用することにより、イメージセンサ(撮像装置)200において、ベイヤ配列のカラーフィルタを装着した画素(フォトダイオード)の1電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定するとともに、撮像フレーム周波数を120Hzとしてスーパーハイビジョンに適合させつつ、フリッカの発生を阻止するようにしている。
第2の実施形態に係るCMOS型撮像装置は、図9に示すように、縦方向に2つの画素の読み出し回路部を共有している2画素を共有した構造を有するものである。
すなわち、この第2の実施形態に係るCMOS型撮像装置の画素回路は、図9に示すように、2画素共有タイプであって、2つのフォトダイオード(PD)911−A,B、2つの電荷転送トランジスタ(TX)912−A,B、浮遊拡散容量(FD)913、リセットトランジスタ(RST)914、ソースフォロアアンプ(SF)915、選択トランジスタ(SEL)916、画素電源部(VDD)917、および画素出力部(OUT)918から構成される。
第3の実施形態に係るCMOS型撮像装置は、図11に示すように、縦方向に2つの画素読み出し回路部と横方向に2つの画素読み出し回路部を共有している4画素共有の構造を有するものである。
すなわち、図11に示すように、この画素回路1100は、4つのフォトダイオード(PD)1111−A〜D、4つの電荷転送トランジスタ(TX)1112−A〜D、浮遊拡散容量(FD)1113、リセットトランジスタ(RST)1114、ソースフォロアアンプ(増幅トランジスタ:SF)1115、選択トランジスタ(SEL)1116、画素電源部(VDD)1117、および画素出力部(OUT)1118から構成される。
用いて信号読出しを行った場合における、各トランジスタの入力信号を表すタイムチャートである。かっこ内の数字は、第何行目第何番目の配置の画素であるかを示すものである。例えば、SEL(1A、1B、2C、2D)、RST(1A、1B、2C、2D)と記載されているのは、第1行目A番目とB番目、第2行目C番目とD番目の4画素が画素共有されているSELとRSTの入力信号を示す。TX(1A)、TX(1B)、TX(2C)、TX(2D)として表されるTXは、それぞれ第1行目A番目とB番目、第2行目C番目とD番目の画素のTXを示す。蓄積時間(1A(矢印A1と矢印C1の期間))、蓄積時間(1B(矢印A2と矢印C2の期間))、蓄積時間(2C(矢印A3と矢印C3の期間))、蓄積時間(2D(矢印A4と矢印C4の期間))の黒帯は、それぞれ第1行目A番目とB番目、第2行目C番目とD番目の画素のPD1111−A〜Dの蓄積時間を示す。
続いて、第(5)行目A番目とB番目、第(6)行目C番目とD番目の画素をSEL(5A、5B、6C、6D)で選択し、TX(5A)とTX(5B)で第5行目A番目とB番目の画素のPD1111−A、Bから信号を読み出し、TX(6C)とTX(6D)で第6行目C番目とD番目の画素のPD1111−C、Dから信号を読み出す。
この処理を、4n+1行目と4n+2行目の信号読出しまで継続して行い、奇数フレームを生成する。
続いて、第(7)行目A番目とB番目、第(8)行目C番目とD番目の画素をSEL(7A、7B、8C、8D)で選択し、TX(7A)とTX(7B)で第7行目A番目とB番目の画素のPD1111−A、Bから信号を読み出し、TX(8C)とTX(8D)で第8行目C番目とD番目の画素のPD1111−C、Dから信号を読み出す。
この処理を、4n+3行目と4n+4行目の信号読出しまで継続して行い、偶数フレームを生成する。
また、画素補間の手法としても、図5、6のものに限られるものではなく、その他の種々の手法を用いることができる。
また、2ライン毎のインターレース方式で読み出す、いわゆるハニカム方式(正方格子とは異なる)カラーフィルタを採用してもよいし、6×6の正方格子状であって、6ライン毎のインターレース方式で読み出す、FUJIFILM X-Pro1(富士フイルム社製)と称されるカラーフィルタを採用してもよいし、いわゆる色順次方式と称されるカラーフィルタ等を採用してもよい。
なお、上記実施形態においては、Y行のアドレスを選択して駆動する行選択回路部(Y方向走査部)、とX列毎に信号を読み出す列並列読出し回路部(X方向走査部)を用いて画像フレーム読出し制御を行っているが、これに替えて、X列のアドレスを選択して駆動する列選択回路部(X方向走査部)、とY行毎に信号を読み出す行並列読出し回路部(Y方向走査部)を用いて画像フレーム読出し制御を行ってもよい。
411、911−A、B、1111−A〜D フォトダイオード(PD)
412、912−A、B、1112−A〜D 電荷転送トランジスタ(TX)
413、913、1113 浮遊拡散容量(FD)
414、914、1114 リセットトランジスタ(RST)
415、915、1115 ソースフォロアアンプ(SF)
416、916、1116 選択トランジスタ(SEL)
417、917、1117 画素電源部(VDD)
418、918、1118 画素出力部(OUT)
200 撮像装置
201 画素アレイ
202 Y方向走査部
203 X方向走査部
204 タイミングジェネレータ
205 出力回路
S1 FPNキャンセル手段
S2 ゲインコントロール手段
S3 2ライン毎インターレース
プログレッシブ変換手段
S4 デモザイク処理手段
S5 リニアマトリクス処理手段
S6 ガンマ・ニー処理手段
Claims (7)
- 装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された、入射光に応じて電荷が発生する光電変換部と、
該光電変換部に対して、Y行とX列のいずれか一方のアドレスを選択して駆動する行もしくは列選択回路部、およびY行とX列のいずれか他方毎に信号を読み出す列もしくは行並列読出し回路部を含む画像フレーム読出し制御部とを有し、
前記光電変換部の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかに設定されるように構成され、
前記画像フレーム読出し制御部は、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に分割画像フレームを出力するように制御するものであり、かつ前記分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記光電変換部における各画素の1電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定することを特徴とする撮像装置。 - 前記カラーフィルタがベイヤカラーフィルタであり、前記カラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数が2であることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- 前記画像フレーム読出し制御部は、画像フレーム間隔に対する各画素の1電荷蓄積時間が6/10となるように制御するように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載の撮像装置。
- 前記光電変換部が、前記正方格子状に配列された複数の画素において画素共有されるように構成されていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の撮像装置。
- 装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された画素回路について、該複数の画素に各々入射する光に応じた電荷が発生するように光電変換を行わせ、
前記光電変換を行う画素に対して、Y行のアドレスおよびX列のアドレスを指定することにより、画像フレーム読出しを所定の順序で行うCMOS型の撮像装置による撮像方法であって、
前記光電変換を行う画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかに設定されるように制御し、
画像フレーム読出しは、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に分割画像フレームを読み出すように制御し、
該分割画像フレーム間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記光電変換部における各画素の1電荷蓄積時間を10ミリ秒に設定するように制御することを特徴とする撮像方法。 - 装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された、入射光に応じて電荷が発生する光電変換部に対して画像フレーム読出し制御信号を出力する画像フレーム読出し制御回路であって、
Y行のアドレスを選択して当該Y行に含まれる画素を駆動する行選択回路部およびX列のアドレスを選択して当該X列に含まれる画素からの信号を読み出す列並列読出し回路部を含み、
前記光電変換部の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかとして設定されるように制御し、
前記画像フレームの読出しは、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィル
タが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に分割画像フレームを読み出すように制御し、かつ、該分割画像フレームの間隔は8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定されるとともに、前記光電変換部における各画素の蓄積時間を10ミリ秒に設定し得るように、前記複数の画素に対応する、少なくとも蓄積開始指示信号および蓄積終了指示信号を、前記光電変換部に向けて所定の順序で出力されるように制御することを特徴とする画像フレーム読出し制御回路。 - 装着されるカラーフィルタ毎に、各画素に対応する単位フィルタが組み合わせられて規則性のある格子状に配列された、入射光に応じて電荷が発生する光電変換部と、Y行のアドレスを選択して該光電変換部の当該Y行に含まれる画素を駆動する行選択回路部と、X列のアドレスを選択して該光電変換部の当該X列に含まれる画素からの信号を読み出す列読出し回路部とを備え、前記行選択回路部または前記列読出し回路部から出力された分割画像フレーム信号により前記光電変換部から分割画像フレームを読み出す信号処理装置であって、
前記光電変換部の画素は、X方向に7680画素でY方向に4320画素、またはX方向に3840画素でY方向に2160画素のいずれかとして設定されるように制御し、
前記分割画像フレームの読出しは、非プログレッシブ方式を用い、1つの前記カラーフィルタが装着される対応ライン数に等しいライン数毎に前記分割画像フレームを構成するように制御し、
前記分割画像フレームの間隔を8.333ミリ秒または8.342ミリ秒のいずれかに設定するとともに、前記光電変換部における各画素の蓄積時間を10ミリ秒に設定し得るように、前記複数の画素に対応する、少なくとも蓄積開始指示信号および蓄積終了指示信号を、前記行選択回路部または前記列読出し回路部から前記光電変換部に向けて所定の順序で前記分割画像フレーム信号を出力させるように制御し、
前記1つのカラーフィルタが装着される画素の対応ライン数に等しいライン数毎に信号が存在する分割画像フレームにおいて、該対応ライン数に等しいライン数毎に画素補間により画素信号を生成する複数ライン毎インターレースプログレッシブ変換部を備えたことを特徴とする信号処理装置。
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