JP3592935B2 - 画像取り込み装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像取り込み装置、特に固体撮像素子を用いた画像取り込み装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像取り込み装置としては、光源からの光によって照射された被写体からの反射光を光学系を介して１次元又は２次元の撮像素子で受光し、受光した光を撮像素子で電気信号に光電変換して出力するものがある。これにより、被写体と光源との距離や被写体の移動を検知し、コンピュータなどへの入力装置として用いることができる。以下、このような従来の画像取り込み装置の一例を図５を参照して説明する。
【０００３】
ここでは、説明を簡単にするため、２×２の単位セル１０１１〜１０２２が配列されている場合について説明する。各単位セルは、フォトダイオード１、転送ゲート２、リセットゲート３、第１のサンプルゲート４、第１のホールド容量５、第２のサンプルゲート６、第２のホールド容量７、増幅トランジスタ８、アドレストランジスタ９によって構成されている。
【０００４】
転送ゲート２には転送ゲート制御線１２、リセットゲート３にはリセットゲート制御線１１、第１のサンプルゲート４には第１のサンプルゲート制御線１４、第２のサンプルゲート６には第２のサンプルゲート制御線１５、アドレストランジスタ９にはアドレストランジスタ制御線１３が接続されており、垂直アドレス回路１６からこれらの各制御線に制御信号が供給され、各トランジスタの動作が制御される。
【０００５】
増幅トランジスタ８のソースには垂直信号線１７が接続されており、この垂直信号線１７には分離ゲート１８を介してクランプ容量１９、蓄積容量２０及びクランプトランジスタ２１が接続されている。分離ゲート１８及びクランプトランジスタ２１は、それぞれ分離ゲート制御線２２及びクランプトランジスタ制御線２３によって制御される。また、水平選択トランジスタ２４は、水平アドレス回路２５からの水平選択トランジスタ制御線２７によって制御され、その出力は水平信号線２６に接続されている。
【０００６】
次に、各制御線の状態等を示した図６のタイミングチャートを参照して図５の動作を説明する。
【０００７】
まず、リセットゲート制御線１１からリセットゲート３にパルスｂ１を印加し、電荷を読み出す部分をリセット状態にする。続いて、パルスｃ１を転送ゲート２に印加し、さらにリセットゲート３にパルスｂ２を印加して、フォトダイオード１の余分な電荷を捨てる。
【０００８】
一定時間経過した後、再び転送ゲート２にパルスｃ２を印加することにより、パルスｃ１とパルスｃ２の間にフォトダイオード１に溜まった電荷を転送ゲート２を介して読み出す。続いて、パルスｄ１を第１のサンプルゲート４に印加することにより、この転送された電荷を第１のホールド容量５に蓄積する。次に、リセットゲート３にパルスｂ３を印加して電荷読み出し前の状態とした後、転送ゲート２にパルスｃ３を印加してパルスｃ２とパルスｃ３の間にフォトダイオード１に溜まった電荷を転送ゲート２を介して読み出す。この電荷は、光源にパルスａ１を印加して被写体に光を照射した時の信号電荷である。しかる後、第２のサンプルゲート６にパルスｅ１を印加し、第２のホールド容量７にこの信号電荷を蓄積する。
【０００９】
以上のようにして、光源から光を被写体に照射しない時とした時の信号電荷をそれぞれホールド容量５及びホールド容量７に蓄積することができる。この動作は単位セル１０１１のみではなく、すべての単位セル１０１２、１０２１、１０２２で行われる。
【００１０】
次に、読み出し動作の説明を行う。まず、アドレストランジスタ９にアドレスパルスｆ１を印加し、１行分の単位セル（この場合には、単位セル１０１１及び１０１２）を活性化させるとともに、分離ゲート１８にパルスｇ１を印加してこれを導通させ、さらにリセットゲート３にパルスｂ４を印加してリセット状態を作る。
【００１１】
次に、第１のサンプルゲート４にパルスｄ２を印加して光源がオフした時の信号をホールド容量５から読み出す。このときアドレストランジスタ９がオンしているので、この信号は増幅トランジスタ８を通って垂直信号線１７に読み出される。続いて、クランプトランジスタ２１をパルスｈ１でオンさせ、垂直信号線１７には光が照射されていない時の信号が出ているが、蓄積容量２０には電荷がない状態にする。再び、リセットゲート３にパルスｂ５を印加して、リセット状態とした後、第２のサンプルゲート６にパルスｅ２を印加して光が照射されている時の信号をホールド容量７から増幅トランジスタ８を介して垂直信号線１７に読み出す。これにより、蓄積容量２０には光が照射されていない時の信号と光が照射されている時の信号と差分に相当する電荷が蓄積される。
【００１２】
しかる後、パルスｇ１、パルスｆ１の順でパルスが立ち下がり、分離ゲート１８及びアドレストランジスタ９がオフ状態となる。続いて、水平選択トランジスタ２４１ 、２４２ に順に水平アドレス回路２５からパルスｉ１、パルスｊ１を印加し、蓄積容量２０１ 、２０２ に蓄積されている差分信号がそれぞれ水平信号線２６から読み出される。
【００１３】
１行分の読み出しが終わると、次の行（ここでは単位セル１０２１及び１０２２の行）が上記と同様にして読み出される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の説明からわかるように、図５及び図６で示した従来技術では、１回の信号取得期間（光照射期間＋非照射期間）に対して１回の信号読み出し期間が対応している。したがって、１回の光照射は１回の信号取得に用いられるだけであり、入射光の利用効率に優れているとは言い難く、撮像素子の感度が十分に得られないおそれがあった。
【００１５】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、撮像素子の感度を向上させることが可能画像取り込み装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像取り込み装置は、交互に繰り返す第１及び第２の期間であって対象物に光源から光を照射して対象物からの反射光を入射させる第１の期間及び対象物に光源から光を照射しない第２の期間においてそれぞれ入射光量に応じた第１及び第２の電気信号を生じる光電変換手段と、前記光電変換手段で交互に生じた前記第１及び第２の電気信号を交互に保持する保持手段と、第１の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第１の保持期間に続く第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成し、前記第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号と第２の保持期間に続く第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号との差分信号を生成し、前記第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第３の保持期間に続く第４の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成する差分手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
まず、上記発明の理解を容易にするため、図１を参照して本発明の基本的な原理について説明する。図１（ａ）は、従来技術に対応した原理図、図１（ｂ）は本発明に対応した原理図である。
【００１８】
図１（ａ）に示した従来技術の場合には、対象物への光照射に対応した光照射期間Ｌｎ の後に、対象物への光の非照射に対応した非照射期間Ｄｎ が設けられ、その後に光照射期間で得られた信号（ここでは説明の簡単化のため、この信号についてもＬｎ と記載する、以下同様）及び非照射期間で得られた信号（ここでは説明の簡単化のため、この信号についてもＤｎ と記載する、以下同様）の読み出し期間Ｒｎ が設けられており、この読み出し期間Ｒｎ において両者の差分信号（Ｌｎ − Ｄｎ ）が得られる。すなわち、１回の読み出し期間に対して１回の光照射期間と１回の非照射期間がある。
【００１９】
一方、図１（ｂ）に示した本発明の場合には、光照射期間Ｌｎ ／読み出し期間Ｒｎ ／非照射期間Ｄｎ＋１ ／読み出し期間Ｒｎ＋１ ／光照射期間Ｌｎ＋２ というような順序で動作が行なわれる。そして、読み出し期間Ｒｎ＋１ においては、光照射期間Ｌｎ で得られた信号と非照射期間Ｄｎ＋１ で得られた信号との差分信号（Ｌｎ −Ｄｎ＋１ ）が得られ、読み出し期間Ｒｎ＋２ においては、非照射期間Ｄｎ＋１ で得られた信号と光照射期間Ｌｎ＋２ と得られた信号との差分信号（Ｄｎ＋１ −Ｌｎ＋２ ）が得られ、読み出し期間Ｒｎ＋３ においては、光照射期間Ｌｎ＋２ で得られた信号と非照射期間Ｄｎ＋３ で得られた信号との差分信号（Ｌｎ＋２ −Ｄｎ＋３ ）が得られることになる。
【００２０】
すなわち、１回の光照射期間で得られる信号が２回の読み出し期間で使用され、１回の非照射期間で得られる信号も２回の読み出し期間で使用されることになる。言い換えると、２回の読み出し期間に対して１回の光照射期間と１回の非照射期間が設けられていることになる。したがって、本発明では、光照射期間を従来の２倍の期間とれることになる。また、光の非照射状態での信号については読み出し期間で取得することもできるため、図１（ｃ）に示すように、光照射期間をさらに２倍の期間（従来に比べて４倍）とれることになる。
【００２１】
光照射期間が長ければそれだけ光照射時の信号を多く取得することができるため、本発明によれば光の利用効率を高めることができ、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明では、図１（ａ）に示すような従来のシーケンスとは異なり、例えば図１（ｂ）に示すように、光照射期間／読み出し期間／非照射期間／読み出し期間といったようなシーケンスをとることができるので、光照射期間（第１の期間に対応）と非照射期間（第２の期間に対応）の時間間隔を等間隔的にすることも可能である。
【００２３】
また、本発明に係る画像取り込み装置は、 交互に繰り返す第１及び第２の期間においてそれぞれ入射光量に応じた第１及び第２の電気信号を生じる光電変換手段と、前記光電変換手段で交互に生じた前記第１及び第２の電気信号を交互に保持する保持手段と、第１の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第１の保持期間に続く第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成し、前記第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号と第２の保持期間に続く第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号との差分信号を生成し、前記第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第３の保持期間に続く第４の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成する差分手段と、前記第１の期間では対象物に光源から光を照射して対象物からの反射光を前記光電変換手段に入射させるとともに前記第２の期間では対象物に光源から光を照射せずに前記差分手段から得られる差分信号によって対象物への光の照射と非照射に基づく画像を得る第１のモードと、前記第１及び第２の期間いずれにおいても対象物に光源から光を照射せずに前記差分手段から得られる差分信号によって対象物の動きを抽出する第２のモードとを選択するモード選択手段とを有することを特徴とする。
【００２４】
対象物への光照射を行う（光照射と非照射を繰り返す）第１のモードにおける動作（撮像素子の駆動の仕方）は、前述した請求項１に係る発明の動作と基本的には同様のものである。また、光照射を行わない第２のモードの動作は、光の照射を行わなという点を除いて第１のモードとほぼ同様のシーケンスで行うことができる。したがって、第２のモードにおいても、前述したのと同様に、信号取得期間（第１の期間と第２の期間）をほぼ等間隔的にすることが可能であり、従来に比べて被写体の動きが認識しやすくなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図２は、本発明に実施形態に係る画像取り込み装置のシステム構成の概略を示したものである。
【００２７】
３１は被写体３２（この場合は手）を照射する光源であり、所定の期間で点灯及び非点灯を繰り返すものである。被写体３２からの像（反射光）は光学系３３を通して１次元又は２次元の撮像素子３４に入射し、撮像素子３４では入射光が入射光量に応じた電気信号に変換されて出力される。３５は制御回路であり、撮像素子３４の制御を行う他、光源３１の点灯及び非点灯の制御等を行う。３６はモード選択部であり、光源３１から被写体３２に対して光を照射する第１のモード（光源３１の点灯及び非点灯を繰り返すモード）或いは光を照射しない第２のモードのいずれかを選択するものである。
【００２８】
図３は、本発明の実施形態に係る画像取り込み装置の回路構成例について示したものである。ここでは、説明を簡単にするため、２×２の単位セル５０１１〜５０２２が配列されている場合について説明するが、一般的にｎ×ｍのマトリクス状に単位セルを配列したものについても適用できることは勿論である。なお、ここでは、図２に示したモード選択部３６によって光源の点灯及び非点灯を繰り返す第１のモードが選択されている場合、或いはモード選択回路３６がない場合（すなわち、第１のモードに対応する動作のみが行われる場合）を想定して説明する。
【００２９】
各単位セル５０１１〜５０２２は、フォトダイオード５１、転送ゲート５２、検出容量５３、リセットゲート５４、アドレストランジスタ５５及び増幅トランジスタ５６によって構成されている。転送ゲート５２は転送ゲート制御線５８により、リセットゲート５４はリセットゲート制御線５９により、アドレストランジスタ５５はアドレストランジスタ制御線６０により、それぞれ垂直アドレス回路５７からの制御信号によって制御される。
【００３０】
増幅トランジスタ５６のソースには垂直信号線６１が接続されており、この垂直信号線６１には、分離ゲート６２、クランプ容量６３、蓄積容量６４及びクランプトランジスタ６５からなる差分回路６６が接続されている。分離ゲート６２及びクランプトランジスタ６５は、それぞれ分離ゲート制御線６７及びクランプトランジスタ制御線６８によって制御される。また、水平選択トランジスタ６９は、水平アドレス回路７０からの水平選択トランジスタ制御線７１によって制御され、その出力は水平信号線７２に接続されている。これらの差分回路６６や水平アドレス回路７０等の基本的な構成は、従来技術で説明した図５の構成と同様のものである。
【００３１】
次に、各制御線の状態等を示した図４のタイミングチャートを参照して図３の動作を説明する。
【００３２】
図４のタイミングチャートでは、まず光源発光パルスａ１によって光源の発光が行われる。その後、アドレス制御線６０１ にパルスｄ１を印加してアドレストランジスタ５５をオン状態とし、検出容量５３に蓄積されている信号電荷に対応した出力が増幅トランジスタ５６を介して垂直信号線６１に出力される。後述するが、検出容量５３には被写体に光源からの光が照射されていない時の信号が蓄積されており、垂直信号線６１にはこの非照射時の信号が出力される。垂直信号線６１に読み出された非照射時の信号は、タイミングＡ１で差分回路６６に読み出される。
【００３３】
次に、リセットゲート制御線５９１ にパルスｂ１を印加し、検出容量５３をリセット状態にする。続いて、転送ゲート制御線５８１ から転送ゲート５２に対して転送パルスｃ１を印加し、光源の発光状態における被写体の信号を検出容量５３に転送する。垂直信号線６１には、検出容量５３に転送された光照射時の信号電荷に対応した出力が増幅トランジスタ５６を介して出力される。垂直信号線６１に読み出された光照射時の信号は、タイミングＢ１で差分回路６６に取り込まれる。これにより、光照射時の信号と光非照射時の信号との差分がとられることになる。
【００３４】
アドレストランジスタ制御線６０１ のパルスｄ１を低レベルに戻した後、水平選択トランジスタ６９１ 、６９２ に対して順に水平アドレス回路７０からパルスｈ１、パルスｉ１を印加し、差分回路６６に蓄積されている差分信号ｊ１が水平信号線７２に読み出される。
【００３５】
このようにして、１行分の単位セル１０１１及び１０１２における差分信号が得られる。
【００３６】
その後、アドレストランジスタ制御線６０２ にパルスｇ１を印加して次の行（単位セル１０２１及び１０２２の行）の差分信号が上記と同様にして読み出される。すなわち、光非照射時の信号がタイミングＡ２で差分回路６６に取り込まれ、さらに光照射時の信号がタイミングＢ２で差分回路６６に取り込まれ、水平アドレス回路７０からのパルスｈ２、パルスｉ２によって、差分回路６６に蓄積されている差分信号ｊ２が水平信号線７２に読み出される。
【００３７】
このようにして、すべての行の読み出しが終了するが、このようにして得られた差分信号ｊ１及びｊ２は発光時の信号から非発光時の信号を差し引いたものである。
【００３８】
その後、アドレストランジスタ制御線６０１ にパルスｄ２を印加して、再び１行目（単位セル１０１１及び１０１２の行）の動作に移る。
【００３９】
すなわち、アドレストランジスタ制御線６０１ にパルスｄ２を印加してアドレストランジスタ５５をオン状態とし、検出容量５３に蓄積されている電荷に対応した信号を増幅トランジスタ５６を介して垂直信号線６１に出力する。ただし、このときには前回とは異なり、光照射時の信号電荷が検出容量５３に蓄積されており、垂直信号線６１にはこの光照射時の信号が出力されることになる。垂直信号線６１に読み出された光照射時の信号は、タイミングＡ３で差分回路６６に取り込まれる。
【００４０】
その後、リセットゲート制御線５９１ にパルスｂ２を印加して検出容量５３をリセット状態にした後、転送ゲート制御線５８１ から転送ゲート５２に対して転送パルスｃ２を印加し、今度は光非照射時の信号電荷を検出容量５３に転送する。垂直信号線６１には、光非照射時の信号電荷に対応した出力が増幅トランジスタ５６を介して出力される。垂直信号線６１に読み出された光非照射時の信号は、タイミングＢ３で差分回路６６に取り込まれる。これにより、光非照射時の信号と光照射時の信号との差分がとられることになる。
【００４１】
アドレストランジスタ制御線６０１ のパルスｄ２を低レベルに戻した後、水平選択トランジスタ６９１ 、６９２ に対して順に水平アドレス回路７０からパルスｈ３、パルスｉ３を印加し、差分回路６６に蓄積されている差分信号ｊ３が水平信号線７２から読み出される。
【００４２】
このようにして、１行分の単位セル１０１１及び１０１２における差分信号を取得した後、先程と同様にして次の行（単位セル１０２１及び１０２２の行）の差分信号がｊ４も取得される。
【００４３】
このようにして得られた差分信号ｊ３及びｊ４は、前回得られた差分信号ｊ１及びｊ２とは異なり、非発光時の信号から発光時の信号を差し引いたものとなり、図４に示すように、差分信号ｊ３及びｊ４の極性は差分信号ｊ１及びｊ２の極性とは逆の極性となっている。
【００４４】
その後、光源発光パルスａ２によって光源の発光が行われ、以後、上述した動作と同様の動作が繰り返されることになる。すなわち、パルスｂ３はパルスｂ１に、パルスｃ３はパルスｃ１に、パルスｄ３はパルスｄ１にそれぞれ対応し、タイミングＡ５ではタイミングＡ１のときと同様にして光非照射時の信号が垂直信号線６１に読み出され、タイミングＢ５ではタイミングＢ１のときと同様にして光照射時の信号が垂直信号線６１に読み出されることになる。
【００４５】
以上の動作からわかるように、例えば単位セル１０１１及び１０１２の行について見た場合、Ｂ１のタイミングにおいてａ１の光による光照射時の信号が取得され、その次のＡ３のタイミングでもａ１の光による光照射時の信号、すなわちＢ１のタイミングで取得された光照射時の信号が取得されることになる。同様に、Ｂ３のタイミングで取得された光非照射時の信号は、Ａ５のタイミングでも取得されることになる。
【００４６】
このように、１回の光照射期間で得られる信号が２回の読み出し期間で使用され、１回の非照射期間で得られる信号も２回の読み出し期間で使用されることになる。したがって、光照射期間を従来よりも長くとることが可能となるため、それだけ光の利用効率を増大させることができ、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００４７】
また、従来とは異なり、信号取得期間（光照射期間と非照射期間）の時間間隔を等間隔的にすることも可能である。さらに、図３と図５とを比較すれば明らかなように、従来に比べて単位セルの構成も簡単になり、セルサイズを低減することも可能となる。
【００４８】
次に、図２においてモード選択部３６による制御が行われる場合について説明する。
【００４９】
図２に示したモード選択部３６によって光源３１の点灯及び非点灯を繰り返す第１のモードが選択されている場合についてはすでに説明した通りであり、被写体への光照射及び非照射に応じて得られる差分信号によって被写体を撮像することができる。
【００５０】
モード選択部３６によって被写体への光の照射を行わない第２のモードが選択されている場合には、被写体の動きを認識することができる。この場合の撮像素子の動作は、光源から被写体への光照射が行われない他は、基本的には図４のタイムチャートに示したものと同様である。したがって、第１のモードにおいて使用する回路を流用することが可能であるとともに、すでに述べたように各信号取得期間を等間隔的にすることが可能となり、従来に比べて被写体の動きをより認識しやすくなる。
【００５１】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、１回の光照射期間で得られる信号及び１回の非照射期間で得られる信号をそれぞれ２回の読み出し期間で使用することができるため、光照射期間を従来よりも長くとることができ、光の利用効率が増大し、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。また、本発明によれば、光を照射しないモードにおいて、対象物の動きに対する認識性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図。
【図２】本発明の実施形態に係る画像取り込み装置のシステム構成の概略について示した図。
【図３】本発明の実施形態に係る装置の回路構成例について示した図。
【図４】図３の動作タイミングを示した図。
【図５】従来技術に係る装置の回路構成について示した図。
【図６】図５の動作タイミングを示した図。
【符号の説明】
３１…光源
３２…被写体
３３…光学系
３４…撮像素子
３５…制御回路
３６…モード選択部
５０…単位セル
５１…フォトトランジスタ
５２…転送ゲート
５３…検出容量
５４…リセットゲート
５５…アドレストランジスタ
５６…増幅トランジスタ
５７…垂直アドレス回路
５８…転送ゲート制御線
５９…リセットゲート制御線
６０…アドレストランジスタ制御線
６１…垂直信号線
６２…分離ゲート
６３…クランプ容量
６４…蓄積容量
６５…クランプトランジスタ
６６…差分回路
６７…分離ゲート制御線
６８…クランプトランジスタ制御線
６９…水平選択トランジスタ
７０…水平アドレス回路
７１…水平選択トランジスタ制御線
７２…水平信号線
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像取り込み装置、特に固体撮像素子を用いた画像取り込み装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像取り込み装置としては、光源からの光によって照射された被写体からの反射光を光学系を介して１次元又は２次元の撮像素子で受光し、受光した光を撮像素子で電気信号に光電変換して出力するものがある。これにより、被写体と光源との距離や被写体の移動を検知し、コンピュータなどへの入力装置として用いることができる。以下、このような従来の画像取り込み装置の一例を図５を参照して説明する。
【０００３】
ここでは、説明を簡単にするため、２×２の単位セル１０１１〜１０２２が配列されている場合について説明する。各単位セルは、フォトダイオード１、転送ゲート２、リセットゲート３、第１のサンプルゲート４、第１のホールド容量５、第２のサンプルゲート６、第２のホールド容量７、増幅トランジスタ８、アドレストランジスタ９によって構成されている。
【０００４】
転送ゲート２には転送ゲート制御線１２、リセットゲート３にはリセットゲート制御線１１、第１のサンプルゲート４には第１のサンプルゲート制御線１４、第２のサンプルゲート６には第２のサンプルゲート制御線１５、アドレストランジスタ９にはアドレストランジスタ制御線１３が接続されており、垂直アドレス回路１６からこれらの各制御線に制御信号が供給され、各トランジスタの動作が制御される。
【０００５】
増幅トランジスタ８のソースには垂直信号線１７が接続されており、この垂直信号線１７には分離ゲート１８を介してクランプ容量１９、蓄積容量２０及びクランプトランジスタ２１が接続されている。分離ゲート１８及びクランプトランジスタ２１は、それぞれ分離ゲート制御線２２及びクランプトランジスタ制御線２３によって制御される。また、水平選択トランジスタ２４は、水平アドレス回路２５からの水平選択トランジスタ制御線２７によって制御され、その出力は水平信号線２６に接続されている。
【０００６】
次に、各制御線の状態等を示した図６のタイミングチャートを参照して図５の動作を説明する。
【０００７】
まず、リセットゲート制御線１１からリセットゲート３にパルスｂ１を印加し、電荷を読み出す部分をリセット状態にする。続いて、パルスｃ１を転送ゲート２に印加し、さらにリセットゲート３にパルスｂ２を印加して、フォトダイオード１の余分な電荷を捨てる。
【０００８】
一定時間経過した後、再び転送ゲート２にパルスｃ２を印加することにより、パルスｃ１とパルスｃ２の間にフォトダイオード１に溜まった電荷を転送ゲート２を介して読み出す。続いて、パルスｄ１を第１のサンプルゲート４に印加することにより、この転送された電荷を第１のホールド容量５に蓄積する。次に、リセットゲート３にパルスｂ３を印加して電荷読み出し前の状態とした後、転送ゲート２にパルスｃ３を印加してパルスｃ２とパルスｃ３の間にフォトダイオード１に溜まった電荷を転送ゲート２を介して読み出す。この電荷は、光源にパルスａ１を印加して被写体に光を照射した時の信号電荷である。しかる後、第２のサンプルゲート６にパルスｅ１を印加し、第２のホールド容量７にこの信号電荷を蓄積する。
【０００９】
以上のようにして、光源から光を被写体に照射しない時とした時の信号電荷をそれぞれホールド容量５及びホールド容量７に蓄積することができる。この動作は単位セル１０１１のみではなく、すべての単位セル１０１２、１０２１、１０２２で行われる。
【００１０】
次に、読み出し動作の説明を行う。まず、アドレストランジスタ９にアドレスパルスｆ１を印加し、１行分の単位セル（この場合には、単位セル１０１１及び１０１２）を活性化させるとともに、分離ゲート１８にパルスｇ１を印加してこれを導通させ、さらにリセットゲート３にパルスｂ４を印加してリセット状態を作る。
【００１１】
次に、第１のサンプルゲート４にパルスｄ２を印加して光源がオフした時の信号をホールド容量５から読み出す。このときアドレストランジスタ９がオンしているので、この信号は増幅トランジスタ８を通って垂直信号線１７に読み出される。続いて、クランプトランジスタ２１をパルスｈ１でオンさせ、垂直信号線１７には光が照射されていない時の信号が出ているが、蓄積容量２０には電荷がない状態にする。再び、リセットゲート３にパルスｂ５を印加して、リセット状態とした後、第２のサンプルゲート６にパルスｅ２を印加して光が照射されている時の信号をホールド容量７から増幅トランジスタ８を介して垂直信号線１７に読み出す。これにより、蓄積容量２０には光が照射されていない時の信号と光が照射されている時の信号と差分に相当する電荷が蓄積される。
【００１２】
しかる後、パルスｇ１、パルスｆ１の順でパルスが立ち下がり、分離ゲート１８及びアドレストランジスタ９がオフ状態となる。続いて、水平選択トランジスタ２４１ 、２４２ に順に水平アドレス回路２５からパルスｉ１、パルスｊ１を印加し、蓄積容量２０１ 、２０２ に蓄積されている差分信号がそれぞれ水平信号線２６から読み出される。
【００１３】
１行分の読み出しが終わると、次の行（ここでは単位セル１０２１及び１０２２の行）が上記と同様にして読み出される。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上の説明からわかるように、図５及び図６で示した従来技術では、１回の信号取得期間（光照射期間＋非照射期間）に対して１回の信号読み出し期間が対応している。したがって、１回の光照射は１回の信号取得に用いられるだけであり、入射光の利用効率に優れているとは言い難く、撮像素子の感度が十分に得られないおそれがあった。
【００１５】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、撮像素子の感度を向上させることが可能画像取り込み装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像取り込み装置は、交互に繰り返す第１及び第２の期間であって対象物に光源から光を照射して対象物からの反射光を入射させる第１の期間及び対象物に光源から光を照射しない第２の期間においてそれぞれ入射光量に応じた第１及び第２の電気信号を生じる光電変換手段と、前記光電変換手段で交互に生じた前記第１及び第２の電気信号を交互に保持する保持手段と、第１の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第１の保持期間に続く第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成し、前記第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号と第２の保持期間に続く第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号との差分信号を生成し、前記第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第３の保持期間に続く第４の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成する差分手段とを有することを特徴とする。
【００１７】
まず、上記発明の理解を容易にするため、図１を参照して本発明の基本的な原理について説明する。図１（ａ）は、従来技術に対応した原理図、図１（ｂ）は本発明に対応した原理図である。
【００１８】
図１（ａ）に示した従来技術の場合には、対象物への光照射に対応した光照射期間Ｌｎ の後に、対象物への光の非照射に対応した非照射期間Ｄｎ が設けられ、その後に光照射期間で得られた信号（ここでは説明の簡単化のため、この信号についてもＬｎ と記載する、以下同様）及び非照射期間で得られた信号（ここでは説明の簡単化のため、この信号についてもＤｎ と記載する、以下同様）の読み出し期間Ｒｎ が設けられており、この読み出し期間Ｒｎ において両者の差分信号（Ｌｎ − Ｄｎ ）が得られる。すなわち、１回の読み出し期間に対して１回の光照射期間と１回の非照射期間がある。
【００１９】
一方、図１（ｂ）に示した本発明の場合には、光照射期間Ｌｎ ／読み出し期間Ｒｎ ／非照射期間Ｄｎ＋１ ／読み出し期間Ｒｎ＋１ ／光照射期間Ｌｎ＋２ というような順序で動作が行なわれる。そして、読み出し期間Ｒｎ＋１ においては、光照射期間Ｌｎ で得られた信号と非照射期間Ｄｎ＋１ で得られた信号との差分信号（Ｌｎ −Ｄｎ＋１ ）が得られ、読み出し期間Ｒｎ＋２ においては、非照射期間Ｄｎ＋１ で得られた信号と光照射期間Ｌｎ＋２ と得られた信号との差分信号（Ｄｎ＋１ −Ｌｎ＋２ ）が得られ、読み出し期間Ｒｎ＋３ においては、光照射期間Ｌｎ＋２ で得られた信号と非照射期間Ｄｎ＋３ で得られた信号との差分信号（Ｌｎ＋２ −Ｄｎ＋３ ）が得られることになる。
【００２０】
すなわち、１回の光照射期間で得られる信号が２回の読み出し期間で使用され、１回の非照射期間で得られる信号も２回の読み出し期間で使用されることになる。言い換えると、２回の読み出し期間に対して１回の光照射期間と１回の非照射期間が設けられていることになる。したがって、本発明では、光照射期間を従来の２倍の期間とれることになる。また、光の非照射状態での信号については読み出し期間で取得することもできるため、図１（ｃ）に示すように、光照射期間をさらに２倍の期間（従来に比べて４倍）とれることになる。
【００２１】
光照射期間が長ければそれだけ光照射時の信号を多く取得することができるため、本発明によれば光の利用効率を高めることができ、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００２２】
また、本発明では、図１（ａ）に示すような従来のシーケンスとは異なり、例えば図１（ｂ）に示すように、光照射期間／読み出し期間／非照射期間／読み出し期間といったようなシーケンスをとることができるので、光照射期間（第１の期間に対応）と非照射期間（第２の期間に対応）の時間間隔を等間隔的にすることも可能である。
【００２３】
また、本発明に係る画像取り込み装置は、 交互に繰り返す第１及び第２の期間においてそれぞれ入射光量に応じた第１及び第２の電気信号を生じる光電変換手段と、前記光電変換手段で交互に生じた前記第１及び第２の電気信号を交互に保持する保持手段と、第１の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第１の保持期間に続く第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成し、前記第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号と第２の保持期間に続く第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号との差分信号を生成し、前記第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第３の保持期間に続く第４の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成する差分手段と、前記第１の期間では対象物に光源から光を照射して対象物からの反射光を前記光電変換手段に入射させるとともに前記第２の期間では対象物に光源から光を照射せずに前記差分手段から得られる差分信号によって対象物への光の照射と非照射に基づく画像を得る第１のモードと、前記第１及び第２の期間いずれにおいても対象物に光源から光を照射せずに前記差分手段から得られる差分信号によって対象物の動きを抽出する第２のモードとを選択するモード選択手段とを有することを特徴とする。
【００２４】
対象物への光照射を行う（光照射と非照射を繰り返す）第１のモードにおける動作（撮像素子の駆動の仕方）は、前述した請求項１に係る発明の動作と基本的には同様のものである。また、光照射を行わない第２のモードの動作は、光の照射を行わなという点を除いて第１のモードとほぼ同様のシーケンスで行うことができる。したがって、第２のモードにおいても、前述したのと同様に、信号取得期間（第１の期間と第２の期間）をほぼ等間隔的にすることが可能であり、従来に比べて被写体の動きが認識しやすくなる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００２６】
図２は、本発明に実施形態に係る画像取り込み装置のシステム構成の概略を示したものである。
【００２７】
３１は被写体３２（この場合は手）を照射する光源であり、所定の期間で点灯及び非点灯を繰り返すものである。被写体３２からの像（反射光）は光学系３３を通して１次元又は２次元の撮像素子３４に入射し、撮像素子３４では入射光が入射光量に応じた電気信号に変換されて出力される。３５は制御回路であり、撮像素子３４の制御を行う他、光源３１の点灯及び非点灯の制御等を行う。３６はモード選択部であり、光源３１から被写体３２に対して光を照射する第１のモード（光源３１の点灯及び非点灯を繰り返すモード）或いは光を照射しない第２のモードのいずれかを選択するものである。
【００２８】
図３は、本発明の実施形態に係る画像取り込み装置の回路構成例について示したものである。ここでは、説明を簡単にするため、２×２の単位セル５０１１〜５０２２が配列されている場合について説明するが、一般的にｎ×ｍのマトリクス状に単位セルを配列したものについても適用できることは勿論である。なお、ここでは、図２に示したモード選択部３６によって光源の点灯及び非点灯を繰り返す第１のモードが選択されている場合、或いはモード選択回路３６がない場合（すなわち、第１のモードに対応する動作のみが行われる場合）を想定して説明する。
【００２９】
各単位セル５０１１〜５０２２は、フォトダイオード５１、転送ゲート５２、検出容量５３、リセットゲート５４、アドレストランジスタ５５及び増幅トランジスタ５６によって構成されている。転送ゲート５２は転送ゲート制御線５８により、リセットゲート５４はリセットゲート制御線５９により、アドレストランジスタ５５はアドレストランジスタ制御線６０により、それぞれ垂直アドレス回路５７からの制御信号によって制御される。
【００３０】
増幅トランジスタ５６のソースには垂直信号線６１が接続されており、この垂直信号線６１には、分離ゲート６２、クランプ容量６３、蓄積容量６４及びクランプトランジスタ６５からなる差分回路６６が接続されている。分離ゲート６２及びクランプトランジスタ６５は、それぞれ分離ゲート制御線６７及びクランプトランジスタ制御線６８によって制御される。また、水平選択トランジスタ６９は、水平アドレス回路７０からの水平選択トランジスタ制御線７１によって制御され、その出力は水平信号線７２に接続されている。これらの差分回路６６や水平アドレス回路７０等の基本的な構成は、従来技術で説明した図５の構成と同様のものである。
【００３１】
次に、各制御線の状態等を示した図４のタイミングチャートを参照して図３の動作を説明する。
【００３２】
図４のタイミングチャートでは、まず光源発光パルスａ１によって光源の発光が行われる。その後、アドレス制御線６０１ にパルスｄ１を印加してアドレストランジスタ５５をオン状態とし、検出容量５３に蓄積されている信号電荷に対応した出力が増幅トランジスタ５６を介して垂直信号線６１に出力される。後述するが、検出容量５３には被写体に光源からの光が照射されていない時の信号が蓄積されており、垂直信号線６１にはこの非照射時の信号が出力される。垂直信号線６１に読み出された非照射時の信号は、タイミングＡ１で差分回路６６に読み出される。
【００３３】
次に、リセットゲート制御線５９１ にパルスｂ１を印加し、検出容量５３をリセット状態にする。続いて、転送ゲート制御線５８１ から転送ゲート５２に対して転送パルスｃ１を印加し、光源の発光状態における被写体の信号を検出容量５３に転送する。垂直信号線６１には、検出容量５３に転送された光照射時の信号電荷に対応した出力が増幅トランジスタ５６を介して出力される。垂直信号線６１に読み出された光照射時の信号は、タイミングＢ１で差分回路６６に取り込まれる。これにより、光照射時の信号と光非照射時の信号との差分がとられることになる。
【００３４】
アドレストランジスタ制御線６０１ のパルスｄ１を低レベルに戻した後、水平選択トランジスタ６９１ 、６９２ に対して順に水平アドレス回路７０からパルスｈ１、パルスｉ１を印加し、差分回路６６に蓄積されている差分信号ｊ１が水平信号線７２に読み出される。
【００３５】
このようにして、１行分の単位セル１０１１及び１０１２における差分信号が得られる。
【００３６】
その後、アドレストランジスタ制御線６０２ にパルスｇ１を印加して次の行（単位セル１０２１及び１０２２の行）の差分信号が上記と同様にして読み出される。すなわち、光非照射時の信号がタイミングＡ２で差分回路６６に取り込まれ、さらに光照射時の信号がタイミングＢ２で差分回路６６に取り込まれ、水平アドレス回路７０からのパルスｈ２、パルスｉ２によって、差分回路６６に蓄積されている差分信号ｊ２が水平信号線７２に読み出される。
【００３７】
このようにして、すべての行の読み出しが終了するが、このようにして得られた差分信号ｊ１及びｊ２は発光時の信号から非発光時の信号を差し引いたものである。
【００３８】
その後、アドレストランジスタ制御線６０１ にパルスｄ２を印加して、再び１行目（単位セル１０１１及び１０１２の行）の動作に移る。
【００３９】
すなわち、アドレストランジスタ制御線６０１ にパルスｄ２を印加してアドレストランジスタ５５をオン状態とし、検出容量５３に蓄積されている電荷に対応した信号を増幅トランジスタ５６を介して垂直信号線６１に出力する。ただし、このときには前回とは異なり、光照射時の信号電荷が検出容量５３に蓄積されており、垂直信号線６１にはこの光照射時の信号が出力されることになる。垂直信号線６１に読み出された光照射時の信号は、タイミングＡ３で差分回路６６に取り込まれる。
【００４０】
その後、リセットゲート制御線５９１ にパルスｂ２を印加して検出容量５３をリセット状態にした後、転送ゲート制御線５８１ から転送ゲート５２に対して転送パルスｃ２を印加し、今度は光非照射時の信号電荷を検出容量５３に転送する。垂直信号線６１には、光非照射時の信号電荷に対応した出力が増幅トランジスタ５６を介して出力される。垂直信号線６１に読み出された光非照射時の信号は、タイミングＢ３で差分回路６６に取り込まれる。これにより、光非照射時の信号と光照射時の信号との差分がとられることになる。
【００４１】
アドレストランジスタ制御線６０１ のパルスｄ２を低レベルに戻した後、水平選択トランジスタ６９１ 、６９２ に対して順に水平アドレス回路７０からパルスｈ３、パルスｉ３を印加し、差分回路６６に蓄積されている差分信号ｊ３が水平信号線７２から読み出される。
【００４２】
このようにして、１行分の単位セル１０１１及び１０１２における差分信号を取得した後、先程と同様にして次の行（単位セル１０２１及び１０２２の行）の差分信号がｊ４も取得される。
【００４３】
このようにして得られた差分信号ｊ３及びｊ４は、前回得られた差分信号ｊ１及びｊ２とは異なり、非発光時の信号から発光時の信号を差し引いたものとなり、図４に示すように、差分信号ｊ３及びｊ４の極性は差分信号ｊ１及びｊ２の極性とは逆の極性となっている。
【００４４】
その後、光源発光パルスａ２によって光源の発光が行われ、以後、上述した動作と同様の動作が繰り返されることになる。すなわち、パルスｂ３はパルスｂ１に、パルスｃ３はパルスｃ１に、パルスｄ３はパルスｄ１にそれぞれ対応し、タイミングＡ５ではタイミングＡ１のときと同様にして光非照射時の信号が垂直信号線６１に読み出され、タイミングＢ５ではタイミングＢ１のときと同様にして光照射時の信号が垂直信号線６１に読み出されることになる。
【００４５】
以上の動作からわかるように、例えば単位セル１０１１及び１０１２の行について見た場合、Ｂ１のタイミングにおいてａ１の光による光照射時の信号が取得され、その次のＡ３のタイミングでもａ１の光による光照射時の信号、すなわちＢ１のタイミングで取得された光照射時の信号が取得されることになる。同様に、Ｂ３のタイミングで取得された光非照射時の信号は、Ａ５のタイミングでも取得されることになる。
【００４６】
このように、１回の光照射期間で得られる信号が２回の読み出し期間で使用され、１回の非照射期間で得られる信号も２回の読み出し期間で使用されることになる。したがって、光照射期間を従来よりも長くとることが可能となるため、それだけ光の利用効率を増大させることができ、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。
【００４７】
また、従来とは異なり、信号取得期間（光照射期間と非照射期間）の時間間隔を等間隔的にすることも可能である。さらに、図３と図５とを比較すれば明らかなように、従来に比べて単位セルの構成も簡単になり、セルサイズを低減することも可能となる。
【００４８】
次に、図２においてモード選択部３６による制御が行われる場合について説明する。
【００４９】
図２に示したモード選択部３６によって光源３１の点灯及び非点灯を繰り返す第１のモードが選択されている場合についてはすでに説明した通りであり、被写体への光照射及び非照射に応じて得られる差分信号によって被写体を撮像することができる。
【００５０】
モード選択部３６によって被写体への光の照射を行わない第２のモードが選択されている場合には、被写体の動きを認識することができる。この場合の撮像素子の動作は、光源から被写体への光照射が行われない他は、基本的には図４のタイムチャートに示したものと同様である。したがって、第１のモードにおいて使用する回路を流用することが可能であるとともに、すでに述べたように各信号取得期間を等間隔的にすることが可能となり、従来に比べて被写体の動きをより認識しやすくなる。
【００５１】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、１回の光照射期間で得られる信号及び１回の非照射期間で得られる信号をそれぞれ２回の読み出し期間で使用することができるため、光照射期間を従来よりも長くとることができ、光の利用効率が増大し、撮像素子の感度を向上させることが可能となる。また、本発明によれば、光を照射しないモードにおいて、対象物の動きに対する認識性を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図。
【図２】本発明の実施形態に係る画像取り込み装置のシステム構成の概略について示した図。
【図３】本発明の実施形態に係る装置の回路構成例について示した図。
【図４】図３の動作タイミングを示した図。
【図５】従来技術に係る装置の回路構成について示した図。
【図６】図５の動作タイミングを示した図。
【符号の説明】
３１…光源
３２…被写体
３３…光学系
３４…撮像素子
３５…制御回路
３６…モード選択部
５０…単位セル
５１…フォトトランジスタ
５２…転送ゲート
５３…検出容量
５４…リセットゲート
５５…アドレストランジスタ
５６…増幅トランジスタ
５７…垂直アドレス回路
５８…転送ゲート制御線
５９…リセットゲート制御線
６０…アドレストランジスタ制御線
６１…垂直信号線
６２…分離ゲート
６３…クランプ容量
６４…蓄積容量
６５…クランプトランジスタ
６６…差分回路
６７…分離ゲート制御線
６８…クランプトランジスタ制御線
６９…水平選択トランジスタ
７０…水平アドレス回路
７１…水平選択トランジスタ制御線
７２…水平信号線
Claims (2)
- 交互に繰り返す第１及び第２の期間であって対象物に光源から光を照射して対象物からの反射光を入射させる第１の期間及び対象物に光源から光を照射しない第２の期間においてそれぞれ入射光量に応じた第１及び第２の電気信号を生じる光電変換手段と、
前記光電変換手段で交互に生じた前記第１及び第２の電気信号を交互に保持する保持手段と、
第１の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第１の保持期間に続く第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成し、前記第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号と第２の保持期間に続く第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号との差分信号を生成し、前記第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第３の保持期間に続く第４の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成する差分手段と
を有することを特徴とする画像取り込み装置。 - 交互に繰り返す第１及び第２の期間においてそれぞれ入射光量に応じた第１及び第２の電気信号を生じる光電変換手段と、
前記光電変換手段で交互に生じた前記第１及び第２の電気信号を交互に保持する保持手段と、
第１の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第１の保持期間に続く第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成し、前記第２の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号と第２の保持期間に続く第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号との差分信号を生成し、前記第３の保持期間において前記保持手段に保持された第１の電気信号と第３の保持期間に続く第４の保持期間において前記保持手段に保持された第２の電気信号との差分信号を生成する差分手段と、
前記第１の期間では対象物に光源から光を照射して対象物からの反射光を前記光電変換手段に入射させるとともに前記第２の期間では対象物に光源から光を照射せずに前記差分手段から得られる差分信号によって対象物への光の照射と非照射に基づく画像を得る第１のモードと、前記第１及び第２の期間いずれにおいても対象物に光源から光を照射せずに前記差分手段から得られる差分信号によって対象物の動きを抽出する第２のモードとを選択するモード選択手段と
を有することを特徴とする画像取り込み装置。
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