JP4057814B2 - Image information processing device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像情報処理装置に係り、特にイメージセンサ部のダイナミックレンジを拡大することのできる画像情報処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に画像情報処理装置では撮像部にイメージセンサが用いられており、このようなイメージセンサは通常CMOS回路技術により作成されている。
現在、画像情報処理装置にはCMOSイメージセンサを用いるのが主流となっているが、これらのイメージセンサでは全ピクセルに対して同一の露光時間で画像を撮像するため、ダイナミックレンジが約60〜70dBと小さい。これは読み出し回路の雑音や、消費電力削減のために電源電圧を下げることによる信号の飽和レベルの低下によって、イメージセンサ中の光検出器自体のダイナミックレンジを生かしきれていないためである。
そのため、逆光中での被写体や、室内から見た窓辺など光量差の大きい被写体を撮像すると、ピクセル回路のダイナミックレンジの限界からハイライト入射部が飽和してしまい、画像領域全体の被写体を十分な階調で撮像することができないという問題がある。
【0003】
ヤング(Yang)らはこのような問題を解決するために、露光時間を各ピクセル毎に照度に応じて変化させ、イメージセンサに入射した光の照度を浮動小数点表示する方法を下記の文献に開示している。
D. Yang, A. E1 Gamal, B Fowler, H Tian, "A 640×512 CMOS Image Sensor with Ultrawide Dynamic Range Floating-Point Pixel-Level ADC", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, pp.1821-1834, Dec 1999.
このヤングらの方法の特徴は、ピクセルに照射される照度に応じてピクセル毎に露光時間を可変設定することのできるピクセル回路を備えた点である。
【0004】
即ち、照度が小さい場合には露光時間を長くし、照度が大きい場合には露光時間を短くするようにピクセル毎に露光時間を可変設定する。
ここで、指数部を露光時間(T)、仮数部をピクセルの出力電圧(V)とし、露光時間(T)及び照度(E)を式(1)のように表わす。
T=T×2
E=V×2- (1)
ここで、Eは照度、Vは時刻Tでの出力電圧、Tは露光時間をそれぞれ表わす。
すなわち式(1)においては、出力電圧Vを、その出力をしたピクセルの露光時間Tを用いて浮動小数点表現することにより表現できる照度の値の範囲を広げている。したがって、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このようにヤングらの方法では、露光時間を照度に応じて変えることによりダイナミックレンジを拡大している。
しかしピクセル毎に露光時間のみを可変設定する方法では、暗い部分を撮像するためには露光時間を長くする必要がある。この場合、移動する物体等のように比較的短い露光時間で撮像する必要がある場合、対象物をはっきりと撮像することが困難になるという問題がある。
本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、撮像領域内に含まれる被写体の明暗の差が大きい場合において、比較的短い露光時間で撮像しても被写体を十分な階調で撮像可能とする画像情報処理装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像情報処理装置は、ピクセルに照射される照度に応じて、ピクセル毎に露光時間を可変設定できるピクセル回路と、選択されたピクセルから出力される第1のピクセル値に前記第1のピクセル値に応じた所定の利得を乗じて第2のピクセル値を算出する読み出し回路とを具備することを特徴とする。
また、本発明は、画像情報処理装置において、ピクセルに照射される照度Eを下式により算出することを特徴とする。
露光時間Tを、
T=T×2(n=0,1,2,…)
利得Gを、
G=2(m=0,1,2,…)
と、変化させるときに、照度Eを、
E=V×2−(n+m)
ここで、Tは最小露光時間、Vは前記第2のピクセル値。
【0007】
さらに、本発明の画像情報処理装置において、前記第1のピクセル値に応じてランプ波形信号の傾きを変えることにより前記第1のピクセル値をPWM信号に変換し、前記利得を得ることを特徴とする。
本発明の画像情報処理装置において、予め傾きの異なる複数のランプ波形信号を用意し、前記第1のピクセル値に応じていずれかランプ波形信号を選択することを特徴とする。
また、本発明の画像情報処理装置において、ピクセル毎の、前記露光時間、前記利得及び前記第2のピクセル値又は前記露光時間のみを記憶するメモリ回路を設けたことを特徴とする。
また、本発明の画像情報処理装置において、選択されたピクセルからの出力値から、リセット雑音を除去する雑音除去回路を介して前記第1のピクセル値を得ることを特徴とする。
さらに、本発明の画像情報処理装置において、前記雑音除去回路が、CDS回路であることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
本発明の特徴は、従来のイメージセンサが全ピクセルに対して同一の露光時間で照度を設定しているのに対して、ピクセルに照射される照度に応じてピクセル毎に露光時間を可変設定し、さらに各ピクセル値の読み出しに際してはピクセル値に合わせて読み出し回路の利得(ゲイン)を変化させて読み出すようにした点にある。
ここで、ゲインをn倍にすると露光時間をn倍にするのと同様の効果がある。すなわち、各ピクセル毎に露光時間及びゲインの両方を変化させることにより露光時間の増大を抑えつつ、イメージセンサのダイナミックレンジを拡大することができる。
【0009】
図1は本発明の画像情報処理装置のイメージセンサ部の全体ブロック構成を示す図である。
イメージセンサ部は、ピクセル回路21と読み出し回路22とメモリ回路23とから構成されている。
ピクセル回路21はリセット回路11、光検出器(PD)12、I−V変換回路13、露光時間判定回路14及び出力アンプ15から構成される。
リセット回路11は各ピクセル回路内部に保持しているピクセル値を初期化する。PD12はピクセルに照射される照度に応じた光電流を発生し、その光電流はI−V変換回路13によって電圧値に変換され露光時間判定回路14に出力される。この電圧値と予め設定された閾値との大小が露光時間判定回路14で比較され、各ピクセル回路毎に露光時間が決定される。各ピクセル毎に決定された露光時間は出力アンプ15を介してメモリ回路23に書き込まれて記憶される。
【0010】
読み出し回路22はCDS回路16、AGC回路17及びAD変換回路18から構成される。各ピクセル値を読み出す際には、まず目的のピクセルを選択し、出力アンプ15を動作させてピクセル値を読み出す。通常、ピクセルはアレイ状に配列されているので、このピクセルアレイの列または行末にあるCDS(Correlated Double Sampling: 相関二重サンプリング)回路16によりピクセル毎のリセット雑音を除去する。雑音除去後の出力値を基にAGC(Auto Gain Control)回路17でピクセル値に応じた所定利得を乗じてゲイン(利得)調整を行なう。ここで設定したゲインはメモリ回路23に書き込まれて記憶される。
ついで、AGC回路17の出力値をA/D変換回路18でA/D変換し、メモリ回路23に書き込む。
なお、CDS回路16はピクセル回路間の雑音を除去するために必要に応じて用いられるもので、必ずしも必要とされるものではない。
【0011】
このようにして各ピクセル毎にピクセル値、露光時間、ゲインの3種類の情報を得ることができる。この3種類の情報に基づいて下式を用いて入射光の照度を求めることによりピクセル出力電圧のみを用いた場合に比べてイメージセンサのダイナミックレンジを拡大することが可能となる。
露光時間Tを、
T=T×2(n=0,1,2,…)
利得Gを、
G=2(m=0,1,2,…)
と、変化させるときに、照度Eを、
E=V×2−(n+m)
ここで、Tは最小露光時間、Vは前記第2のピクセル値である。
【0012】
図2は本発明の画像情報処理装置の第1の実施形態の配置図を示したものである。ピクセル回路21が2次元マトリックス上に配置され、各行または列毎に読み出し回路22が配置されている。ピクセルアレイの周辺にはX方向アドレス生成回路24及びY方向アドレス生成回路25が配置され、所定のアドレス信号を印加することにより所定のピクセルが選択され、選択されたピクセル毎にピクセル値、露光時間、ゲインがメモリ回路23に書き込まれる。外部へのデータ読み出しはメモリ回路23を介して行なわれる。
【0013】
図3はピクセル回路21の構成例を示す回路図、図4は読み出し回路22の構成例を示す回路図である。
また、図5はCDS回路16の構成例を示す回路図、図6はAGC回路17の構成例を示す回路図である。
さらに、図7は図1乃至図6の動作タイミングチャートを示している。図1乃至7を参照して第1の実施の形態の動作を説明する。
【0014】
動作は大きく二つのフェーズに分けることができる。第1のフェーズは全ピクセルに光を入射し露光を行いながら、各ピクセルの露光時間を設定し、その値(タイムスタンプ:Time stamp)をメモリ回路23に書き込むフェーズである。
第2のフェーズは各ピクセル毎に設定されたゲインで増幅した後、その出力をA/D変換し、ピクセル値とし設定されたゲインと共にメモリ回路23に書き込むフェーズである。
露光時間を決定しタイムスタンプをメモリ回路に書き込むフェーズは図7にt1〜t9として示されている。この第1のフェーズではシャッタ(SHUTTER)信号をアクティブにし、各ピクセル回路21及び読み出し回路22内にあるモード切替スイッチ31,41を図3、図4に示すように露光時間読み出しモードにする。
【0015】
また、リセット(RESET)信号もアクティブにし、リセットスイッチ32をONして各ピクセル内部のサンプル容量33に保持している値を全ピクセル同時にBIAS RESETに初期化する。また読み出し回路にあるレジスタ42の値も初期化する。続いて、リセット信号がアクティブかつ、Sampling Clkもアクティブであるt2〜t3の期間で、スイッチ37がONし、PD12(Vpd35)部分も同様に初期化する。
なお、図8には読み出し回路22の他の構成例が示されているが、この構成例においても、初期化時にレジスタ42及びカウンタ83の値を初期化する。図4、図8中のレジスタ42は、図2の読み出し回路22にそれぞれなくても、全てに対して1つ設けておけばよい。
【0016】
初期化の終了するタイミングt3以降、PD12に入射する光量に従って光電流が流れ、サンプル容量33の端子間の電圧Vsample34が減少する。コンパレータ36を用いてVsample34を2n間隔のサンプリングクロック(Sampling Clk)のタイミング毎(t4〜t7)に閾値(Vth)と比較する。電圧Vsampleが閾値Vthよりも低くなっていればその時間でコンパレータ36の出力が反転し、スイッチ37がOFFとなり、そのピクセルの露光は終了する。
また、同時にスイッチ38がONし、PD12の端子電圧Vpd35を初期電圧BIAS RESETに固定する。最大露光時間(t8)経過後は、全ピクセル露光を終了させるため閾値Vthをリセット電圧(BIAS RESET)よりも高い値にして、前述の比較動作を行う。
【0017】
その後、X方向アドレス生成回路24及びY方向アドレス生成回路25を用いて、そのピクセルを選択するリード(READ)信号をアクティブにし、選択したピクセルの露光が終了していれば、読み出し回路22内部にある露光時間をカウントしているレジスタ42の値をメモリ回路23に書き込む。このようにして最大露光時間が経過するまで(t3〜t8)、電圧Vsampleと閾値Vthとの比較を繰り返す。なお、メモリ回路23への書き込みコンパレータ36が反転した直後の比較時のみに行なうために、選択したピクセルのメモリ回路23の内容が初期値なのかそれ以外の値なのかを確認しながら、タイムスタンプを書き込む。
【0018】
なお上述した実施例においては、2n間隔のサンプリングクロックを用いたが、露光時間の間隔を2nにすると、後に説明するA/D変換結果を露光時間を使って補正する場合に2-n倍するだけで良くなる。これはデジタル値を1ビットシフトする操作で簡単に実現できるのでこのように設定したものである。
最大露光時間(t8)が経過するとシャッタ信号をノンアクティブにし、露光を終了(t9)する。これにより第1フェーズは完了する。次いで、各ピクセル回路21及び読み出し回路22内部にあるモード切替スイッチ31,41をピクセル値読み出しモード(露光時間読み出しモードの逆)にする。これにより第2フェーズが開始される。まず読み出すピクセルを選択し、リードスイッチ38をONにする。次に選択されたピクセルのピクセル値を読み出す。この時、CDS回路16を用いて読み出したピクセル値とリセット時のピクセル値との差を取ることにより各ピクセル間のリセット雑音を除くことが可能となる。
【0019】
図5はCDS回路16の一構成例を示す回路図である。t10のタイミングでCDS1スイッチ51をONし、CDS2スイッチ52をOFFとして、露光後のピクセル値をVinから読み出す。次にt11のタイミングでCDS1スイッチ51をOFFし、CDS2スイッチ52をONとして、リセット時のピクセル値を同様にVinから読み出す(t12〜t13)ことによりリセット雑音等を除去した、露光後のピクセル値とリセット時のピクセル値との差をVoutから読み出す。
なお、CDS回路16は図5に示す構成例の他に種々の変形が可能である。
【0020】
次に、図6に示すAGC回路17に信号Vinを入力する。AGC回路は入力される信号の大きさを判定する電圧判定部と複数のゲインを設定できる増幅部とから構成されている。
電圧判定部では入力信号Vinと何種類かの閾値Vth▲1▼、Vth▲2▼との大小をコンパレータ61,62を用いて比較し、次段の増幅回路のゲインを決定してメモリ回路23へ出力する。図6では、ゲインが1、2、4倍のとき、メモリには11、01、00の値が書き込まれる。設定したゲインに応じてスイッチ63,64,65を切り換えて入力信号を増幅し(t13〜t14)、この増幅された信号VoutをA/D変換してディジタル値に変換し、メモリ回路23に書き込む。
【0021】
このようにしてイメージセンサのダイナミックレンジを拡大するために必要な露光時間、ゲイン、ピクセル値という3つの情報を得ることができる。ここで露光時間を5段階(3ビット)、ゲインを3段階(2ビット)、ピクセル値を256段階(8ビット)で表わすと仮定する。露光時間が長くなるにつれて露光時間を表わすタイムスタンプは100〜000へと変化する。またゲインもゲインが大きくなるにつれて11〜00へと変化する。ピクセル値は照度に応じて00000000〜11111111へと変化する。このようにして得られたタイムスタンプを用いて、8ビットのピクセル値を2倍し、ゲインについては、00→2、01→2、11→2倍にすることで、ピクセル値のみを用いた8ビットの濃淡情報以上の情報を表わすことが可能となる。即ち、ダイナミックレンジを拡大した画像を得ることができる。
【0022】
次に本発明の第2の実施の形態を説明する。
第2の実施の形態では、第1の実施の形態の場合に比較してAGC回路17と読み出し回路22との構成が異なっている。
図8は第2の実施の形態で用いられる読み出し回路の一構成例を示す回路図である。
また図9はAGC回路の構成例を示す回路図である。
【0023】
第2の実施の形態では、選択されたピクセルから出力されるピクセル値をその値に応じてランプ波形信号の傾きを選択することによりPWM信号に変換し、ゲインを得ることを特徴としている。すなわち入力電圧をランプ波形信号を用いてその大きさに比例したPWM(Palse Width Modulation)信号に変換し、その時間をクロック信号でカウントする。するとカウントされた値(ディジタル値)は入力電圧値(アナログ値)に比例した値となりAD変換を行なうことができる。
【0024】
図10はランプ波形発生回路の構成例を示す図、また図11はランプ波形の傾きとカウンタ部への入力パルスの関係を示す図である。読み出し回路ではCDS処理後の信号(入力信号)とランプ波形信号の大小をコンパレータ81により比較することでアナログ信号をPWM信号に変換する。その後、論理積回路82でクロックとの論理積をとり、カウンタ83で計数してディジタル値に変換する。その結果はメモリ回路23に書き込まれる。図10に示すランプ波形発生回路はキャパシタ101とリセット用スイッチ102と定電流源103とから構成される。まずリセットスイッチ102をONすることによりキャパシタ101にリセット電圧(BIAS RAMP RESET)を充電する。
【0025】
次にリセットスイッチ102をOFFすることにより定電流源103の電流量に応じてキャパシタに電荷を充電する。その結果、出力には電流量に応じた傾きをもつ右肩上がりの波形(ランプ波形)信号が図11に示すように出力される。図9に示すAGC回路において入力信号の大きさによりスイッチ91,92,93を逐次切り換え、ランプ波形の傾きを図11に示すようにa,b,cから選択することで、実効的に入力信号のゲインを加減することができる。今回の構成では右肩上がりのランプ波形を用いているが、CDS回路の構成によっては右肩下がりのランプ波形を用いることもできる。
【0026】
このように第2の実施形態においては、選択されたピクセルから出力されるピクセル値をPWM信号に変換し、そのパルス幅をクロック信号でカウントしてA/D変換を行なっている。なお、第1、第2の実施形態(図3,4,8)では、ピクセルからの出力線が1本で、それをスイッチで切り換えて利用しているが、それぞれの出力に対して1本ずつ(計2本)出力線を使い、スイッチによる切り換えを行わない構成としてもよい。
【0027】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて詳細に説明したように、本発明ではピクセル毎に露光時間とゲインとを可変設定できるピクセル回路と読み出し回路とを設けたことにより、これらの値を用いてイメージセンサのダイナミックレンジを拡大することができる。したがって、撮像領域内に含まれる被写体の明暗の差が大きい場合においても、また移動体であっても各被写体を十分な階調で撮像可能とする画像情報処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の画像情報処理装置に用いられるイメージセンサ部の全体構成を示すブロック図。
【図2】本発明の第1の実施の形態におけるイメージセンサ部の配置を示す図。
【図3】第1の実施の形態で用いられる各ピクセル回路の構成例を示す回路図。
【図4】第1の実施の形態で用いられる読み出し回路の構成例を示す回路図。
【図5】第1の実施の形態で用いられるCDS回路の構成例を示す回路図。
【図6】第1の実施の形態で用いられるAGC回路の構成例を示す回路図。
【図7】図1〜図6の回路動作を示す動作タイミングチャート。
【図8】本発明の第2の実施の形態に用いられる読み出し回路の構成例を示す回路図。
【図9】本発明の第2の実施の形態に用いられるAGC回路の構成例を示す回路図。
【図10】本発明の第2の実施の形態に用いられるランプ波形発生回路の構成例を示す回路図。
【図11】本発明の第2の実施の形態の動作原理を説明するためのランプ波形の傾きとカウンタ部への入力パルス数の関係を示す図。
【符号の説明】
11 リセット回路
12 光検出器
13 I−V変換回路
14 露光時間判定回路
15 出力アンプ
16 CDS回路
17 AGC回路
18 A/D変換回路
21 ピクセル回路
22 読み出し回路
23 メモリ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image information processing apparatus, and more particularly to an image information processing apparatus capable of expanding a dynamic range of an image sensor unit.
[0002]
[Prior art]
In general, in an image information processing apparatus, an image sensor is used for an image pickup unit, and such an image sensor is usually created by a CMOS circuit technology.
Currently, CMOS image sensors are mainly used for image information processing apparatuses. However, since these image sensors capture images with the same exposure time for all pixels, the dynamic range is about 60 to 70 dB. And small. This is because the dynamic range of the photodetector itself in the image sensor cannot be fully utilized due to noise in the readout circuit and a decrease in the signal saturation level caused by lowering the power supply voltage to reduce power consumption.
For this reason, when shooting a subject in backlight or a subject with a large amount of light difference such as a window side seen from the room, the highlight incident part is saturated due to the limit of the dynamic range of the pixel circuit, and the subject in the entire image area is not enough. There is a problem that it is not possible to image with gradation.
[0003]
In order to solve these problems, Yang et al. Disclosed a method for changing the exposure time for each pixel according to the illuminance and displaying the illuminance of the light incident on the image sensor as a floating point. is doing.
D. Yang, A. E1 Gamal, B Fowler, H Tian, "A 640 × 512 CMOS Image Sensor with Ultrawide Dynamic Range Floating-Point Pixel-Level ADC", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 34, pp. 1821-1834, Dec 1999.
A feature of the Young et al. Method is that a pixel circuit capable of variably setting the exposure time for each pixel in accordance with the illuminance irradiated to the pixel is provided.
[0004]
That is, the exposure time is variably set for each pixel so that the exposure time is lengthened when the illuminance is small and the exposure time is shortened when the illuminance is large.
Here, the exponent part is the exposure time (T), the mantissa part is the output voltage (V) of the pixel, and the exposure time (T) and the illuminance (E) are expressed as in equation (1).
T = T 0 × 2 n
E = V × 2 - n ( 1)
Here, E represents illuminance, V represents output voltage at time T, and T represents exposure time.
That is, in Expression (1), the range of illuminance values that can be expressed by floating-point expression of the output voltage V using the exposure time T of the pixel that has output the output voltage V is expanded. Therefore, the dynamic range can be expanded.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, Young's method expands the dynamic range by changing the exposure time in accordance with the illuminance.
However, in the method of variably setting only the exposure time for each pixel, it is necessary to lengthen the exposure time in order to capture a dark part. In this case, when it is necessary to capture an image with a relatively short exposure time, such as a moving object, there is a problem that it is difficult to clearly image the object.
The present invention has been made in order to solve the above-described problem. When there is a large difference in brightness between the subjects included in the imaging region, the subject can be captured with sufficient gradation even if it is captured with a relatively short exposure time. An object of the present invention is to provide an image information processing apparatus that can be used.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The image information processing apparatus according to the present invention includes a pixel circuit capable of variably setting an exposure time for each pixel in accordance with the illuminance applied to the pixel, and a first pixel value output from the selected pixel. And a readout circuit that calculates a second pixel value by multiplying by a predetermined gain corresponding to the pixel value.
According to the present invention, in the image information processing apparatus, the illuminance E applied to the pixel is calculated by the following equation.
Exposure time T,
T = T 0 × 2 n (n = 0, 1, 2,...)
Gain G
G = 2 m (m = 0, 1, 2,...)
When changing the illuminance E,
E = V × 2− (n + m)
Here, T 0 is the minimum exposure time, and V is the second pixel value.
[0007]
Further, in the image information processing apparatus of the present invention, the gain is obtained by converting the first pixel value into a PWM signal by changing the slope of the ramp waveform signal in accordance with the first pixel value. To do.
In the image information processing apparatus of the present invention, a plurality of ramp waveform signals having different inclinations are prepared in advance, and any one of the ramp waveform signals is selected according to the first pixel value.
In the image information processing apparatus of the present invention, a memory circuit that stores only the exposure time, the gain and the second pixel value or the exposure time for each pixel is provided.
The image information processing apparatus of the present invention is characterized in that the first pixel value is obtained from an output value from a selected pixel through a noise removal circuit that removes reset noise.
Furthermore, in the image information processing apparatus of the present invention, the noise removal circuit is a CDS circuit.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The feature of the present invention is that the conventional image sensor sets the illuminance with the same exposure time for all the pixels, whereas the exposure time is variably set for each pixel according to the illuminance irradiated to the pixels. Further, when reading out each pixel value, the pixel value is read out by changing the gain of the readout circuit.
Here, when the gain is increased by n times, there is an effect similar to that when the exposure time is increased by n times. That is, by changing both the exposure time and the gain for each pixel, the dynamic range of the image sensor can be expanded while suppressing an increase in the exposure time.
[0009]
FIG. 1 is a diagram showing an overall block configuration of an image sensor unit of an image information processing apparatus according to the present invention.
The image sensor unit includes a pixel circuit 21, a readout circuit 22, and a memory circuit 23.
The pixel circuit 21 includes a reset circuit 11, a photodetector (PD) 12, an IV conversion circuit 13, an exposure time determination circuit 14, and an output amplifier 15.
The reset circuit 11 initializes the pixel value held in each pixel circuit. The PD 12 generates a photocurrent according to the illuminance applied to the pixel, and the photocurrent is converted into a voltage value by the IV conversion circuit 13 and output to the exposure time determination circuit 14. The voltage value and a preset threshold value are compared by the exposure time determination circuit 14, and the exposure time is determined for each pixel circuit. The exposure time determined for each pixel is written and stored in the memory circuit 23 via the output amplifier 15.
[0010]
The read circuit 22 includes a CDS circuit 16, an AGC circuit 17, and an AD conversion circuit 18. When reading each pixel value, first, a target pixel is selected, and the output amplifier 15 is operated to read the pixel value. Since pixels are usually arranged in an array, reset noise for each pixel is removed by a CDS (Correlated Double Sampling) circuit 16 at the end of a column or row of the pixel array. Based on the output value after noise removal, an AGC (Auto Gain Control) circuit 17 multiplies a predetermined gain according to the pixel value to adjust the gain. The gain set here is written and stored in the memory circuit 23.
Next, the output value of the AGC circuit 17 is A / D converted by the A / D conversion circuit 18 and written to the memory circuit 23.
Note that the CDS circuit 16 is used as necessary to remove noise between the pixel circuits, and is not necessarily required.
[0011]
In this way, three types of information of pixel value, exposure time, and gain can be obtained for each pixel. By obtaining the illuminance of incident light using the following equation based on these three types of information, the dynamic range of the image sensor can be expanded as compared with the case where only the pixel output voltage is used.
Exposure time T,
T = T 0 × 2 n (n = 0, 1, 2,...)
Gain G
G = 2 m (m = 0, 1, 2,...)
When changing the illuminance E,
E = V × 2− (n + m)
Here, T 0 is the minimum exposure time, and V is the second pixel value.
[0012]
FIG. 2 is a layout diagram of the first embodiment of the image information processing apparatus of the present invention. A pixel circuit 21 is arranged on a two-dimensional matrix, and a readout circuit 22 is arranged for each row or column. An X-direction address generation circuit 24 and a Y-direction address generation circuit 25 are arranged around the pixel array, and a predetermined pixel is selected by applying a predetermined address signal, and a pixel value and an exposure time are selected for each selected pixel. The gain is written into the memory circuit 23. Data reading to the outside is performed via the memory circuit 23.
[0013]
FIG. 3 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the pixel circuit 21, and FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration example of the readout circuit 22.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of the CDS circuit 16, and FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the AGC circuit 17.
Further, FIG. 7 shows an operation timing chart of FIGS. The operation of the first embodiment will be described with reference to FIGS.
[0014]
The operation can be roughly divided into two phases. The first phase is a phase in which exposure time is set for each pixel while light is incident on all pixels and exposure is performed, and the value (time stamp) is written in the memory circuit 23.
The second phase is a phase in which after amplification with a gain set for each pixel, the output is A / D converted and written to the memory circuit 23 together with the gain set as a pixel value.
The phase in which the exposure time is determined and the time stamp is written in the memory circuit is shown as t1 to t9 in FIG. In this first phase, the shutter signal is activated, and the mode change-over switches 31 and 41 in each pixel circuit 21 and readout circuit 22 are set to the exposure time readout mode as shown in FIGS.
[0015]
In addition, the reset (RESET) signal is also activated, the reset switch 32 is turned on, and the value held in the sample capacitor 33 in each pixel is simultaneously measured for all pixels. Initialize to RESET. Also, the value of the register 42 in the reading circuit is initialized. Subsequently, in a period from t2 to t3 when the reset signal is active and Sampling Clk is also active, the switch 37 is turned on, and the PD12 (Vpd35) portion is similarly initialized.
FIG. 8 shows another example of the configuration of the readout circuit 22. In this example of configuration, the values of the register 42 and the counter 83 are initialized at the time of initialization. The register 42 in FIGS. 4 and 8 may be provided for all of the reading circuits 22 in FIG.
[0016]
From the timing t3 when the initialization ends, a photocurrent flows according to the amount of light incident on the PD 12, and the voltage Vsample34 between the terminals of the sample capacitor 33 decreases. The comparator 36 is used to compare the Vsample 34 with the threshold value (Vth) at each sampling clock (Sampling Clk) timing (t4 to t7) at intervals of 2 n . If the voltage Vsample is lower than the threshold value Vth, the output of the comparator 36 is inverted at that time, the switch 37 is turned OFF, and the exposure of the pixel is completed.
At the same time, the switch 38 is turned ON, and the terminal voltage Vpd35 of the PD 12 is set to the initial voltage BIAS. Fix to RESET. After the maximum exposure time (t8) elapses, the threshold Vth is set to the reset voltage (BIAS) in order to end the exposure of all pixels. The above comparison operation is performed with a value higher than (RESET).
[0017]
Thereafter, a read (READ) signal for selecting the pixel is activated using the X-direction address generation circuit 24 and the Y-direction address generation circuit 25, and if the exposure of the selected pixel is completed, the readout circuit 22 is set inside. The value of the register 42 counting a certain exposure time is written in the memory circuit 23. Thus, the comparison between the voltage Vsample and the threshold value Vth is repeated until the maximum exposure time has elapsed (t3 to t8). In order to perform the comparison only immediately after the write comparator 36 to the memory circuit 23 is inverted, the time stamp is checked while confirming whether the content of the memory circuit 23 of the selected pixel is an initial value or other value. Write.
[0018]
In the above-described embodiment, the sampling clock of 2 n intervals is used. However, when the exposure time interval is set to 2 n , 2 −n is used to correct an A / D conversion result described later using the exposure time. Just double it and get better. This is set in this way because it can be easily realized by shifting the digital value by 1 bit.
When the maximum exposure time (t8) elapses, the shutter signal is made inactive, and the exposure ends (t9). This completes the first phase. Next, the mode change-over switches 31 and 41 in each pixel circuit 21 and readout circuit 22 are set to the pixel value readout mode (the reverse of the exposure time readout mode). Thereby, the second phase is started. First, a pixel to be read is selected, and the reed switch 38 is turned on. Next, the pixel value of the selected pixel is read out. At this time, by taking the difference between the pixel value read using the CDS circuit 16 and the pixel value at the time of resetting, it becomes possible to remove the reset noise between the pixels.
[0019]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of the CDS circuit 16. At time t10, the CDS1 switch 51 is turned on, the CDS2 switch 52 is turned off, and the pixel value after exposure is read from Vin. Next, the CDS1 switch 51 is turned off at the timing of t11, the CDS2 switch 52 is turned on, and the pixel value at the time of reset is similarly read out from Vin (t12 to t13), and the pixel value after exposure is removed. And the difference between the reset pixel value and Vout is read out from Vout.
The CDS circuit 16 can be variously modified in addition to the configuration example shown in FIG.
[0020]
Next, the signal Vin is input to the AGC circuit 17 shown in FIG. The AGC circuit includes a voltage determination unit that determines the magnitude of an input signal and an amplification unit that can set a plurality of gains.
The voltage determination unit compares the magnitude of the input signal Vin with several types of threshold values Vth (1) and Vth (2) using the comparators 61 and 62, and determines the gain of the amplifier circuit at the next stage to determine the memory circuit 23. Output to. In FIG. 6, when the gain is 1, 2, 4 times, values of 11, 01, 00 are written in the memory. The switches 63, 64, and 65 are switched according to the set gain to amplify the input signal (t13 to t14). The amplified signal Vout is A / D converted into a digital value and written to the memory circuit 23. .
[0021]
In this manner, three pieces of information such as exposure time, gain, and pixel value necessary for expanding the dynamic range of the image sensor can be obtained. Here, it is assumed that the exposure time is expressed in 5 steps (3 bits), the gain is expressed in 3 steps (2 bits), and the pixel value is expressed in 256 steps (8 bits). As the exposure time increases, the time stamp representing the exposure time changes from 100 to 000. The gain also changes from 11 to 00 as the gain increases. The pixel value changes from 0000000 to 11111111 depending on the illuminance. Using the time stamp obtained in this way, the 8-bit pixel value is multiplied by 2n , and the gain is set to 00 → 2 0 , 01 → 2 1 , 11 → 2 2 times to obtain the pixel value It is possible to represent information more than 8-bit grayscale information using only the. That is, an image with an expanded dynamic range can be obtained.
[0022]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In the second embodiment, the configurations of the AGC circuit 17 and the readout circuit 22 are different from those in the first embodiment.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the readout circuit used in the second embodiment.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration example of the AGC circuit.
[0023]
The second embodiment is characterized in that the pixel value output from the selected pixel is converted into a PWM signal by selecting the slope of the ramp waveform signal according to the value, and gain is obtained. That is, the input voltage is converted into a PWM (Palse Width Modulation) signal proportional to the magnitude using the ramp waveform signal, and the time is counted by the clock signal. Then, the counted value (digital value) becomes a value proportional to the input voltage value (analog value), and AD conversion can be performed.
[0024]
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the ramp waveform generating circuit, and FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the slope of the ramp waveform and the input pulse to the counter unit. In the readout circuit, the analog signal is converted into a PWM signal by comparing the magnitude of the signal (input signal) after the CDS processing and the ramp waveform signal by the comparator 81. Thereafter, a logical product with the clock is obtained by the logical product circuit 82 and counted by the counter 83 to be converted into a digital value. The result is written in the memory circuit 23. The ramp waveform generating circuit shown in FIG. 10 includes a capacitor 101, a reset switch 102, and a constant current source 103. First, the reset voltage (BIAS RAMP RESET) is charged in the capacitor 101 by turning on the reset switch 102.
[0025]
Next, the reset switch 102 is turned off to charge the capacitor according to the current amount of the constant current source 103. As a result, ascending waveform (ramp waveform) signal having an inclination corresponding to the amount of current is output as shown in FIG. In the AGC circuit shown in FIG. 9, the switches 91, 92 and 93 are sequentially switched according to the magnitude of the input signal, and the slope of the ramp waveform is selected from a, b and c as shown in FIG. The gain can be adjusted. In this configuration, a ramp waveform that rises to the right is used, but depending on the configuration of the CDS circuit, a ramp waveform that descends to the right can also be used.
[0026]
As described above, in the second embodiment, the pixel value output from the selected pixel is converted into a PWM signal, and the pulse width is counted by the clock signal to perform A / D conversion. In the first and second embodiments (FIGS. 3, 4, and 8), one output line from the pixel is used by switching with a switch. However, one output line is used for each output. A configuration may be adopted in which the output lines are used one by one (the total is two) and the switching by the switch is not performed.
[0027]
【The invention's effect】
As described in detail based on the above embodiments, in the present invention, a pixel circuit and a readout circuit that can variably set the exposure time and gain for each pixel are provided, and these values are used for the image sensor. The dynamic range can be expanded. Therefore, it is possible to provide an image information processing apparatus that can capture each subject with sufficient gradation even when the difference in brightness between subjects included in the imaging region is large or even a moving object.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of an image sensor unit used in an image information processing apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an arrangement of image sensor units according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of each pixel circuit used in the first embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a reading circuit used in the first embodiment;
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration example of a CDS circuit used in the first embodiment.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of an AGC circuit used in the first embodiment.
FIG. 7 is an operation timing chart showing the circuit operation of FIGS.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of a readout circuit used in the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a circuit diagram showing a configuration example of an AGC circuit used in the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a circuit diagram showing a configuration example of a ramp waveform generating circuit used in the second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the slope of the ramp waveform and the number of input pulses to the counter unit for explaining the operating principle of the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 Reset circuit 12 Photo detector 13 IV conversion circuit 14 Exposure time determination circuit 15 Output amplifier 16 CDS circuit 17 AGC circuit 18 A / D conversion circuit 21 Pixel circuit 22 Reading circuit 23 Memory

Claims (7)

ピクセルに照射される照度に応じて、ピクセル毎に露光時間を可変設定できるピクセル回路と、
選択されたピクセルから出力される第1のピクセル値に前記第1のピクセル値に応じた所定の利得を乗じて第2のピクセル値を算出する読み出し回路と
を具備する画像情報処理装置であって、
露光時間T及び利得Gは、ピクセルに照射される照度Eと、それを基に成立する露光時間T及び利得Gとの各関係式のパラメータm、nが下式を同時に満足することにより定まることを特徴とする画像情報処理装置
露光時間Tを、
T=T0×2n(n=0,1,2,…)
利得Gを、
G=2m(m=0,1,2,…)
と、変化させるときに、照度Eを、
E=V×2−(n+m)
ここで、T0は最小露光時間、Vは前記第2のピクセル値。
A pixel circuit that can variably set the exposure time for each pixel according to the illuminance irradiated to the pixel,
In the first images information processing apparatus it and a read circuit for calculating a second pixel value is multiplied by a predetermined gain in accordance with the first pixel value to the pixel value output from the selected pixel There,
The exposure time T and the gain G are determined when the parameters m and n of the relational expressions of the illuminance E applied to the pixel and the exposure time T and the gain G established based on the illuminance E simultaneously satisfy the following expressions. Image processing apparatus characterized by
Exposure time T,
T = T0 × 2n (n = 0, 1, 2,...)
Gain G
G = 2m (m = 0, 1, 2,...)
When changing the illuminance E,
E = V × 2- (n + m)
Here, T0 is the minimum exposure time, and V is the second pixel value.
請求項1に記載の画像情報処理装置において、
前記第1のピクセル値に応じてランプ波形信号の傾きを変えることにより前記第1のピクセル値をPWM信号に変換し、前記利得を得ることを特徴とする画像情報処理装置。
The image information processing apparatus according to claim 1,
An image information processing apparatus, wherein the gain is obtained by converting the first pixel value into a PWM signal by changing a slope of a ramp waveform signal in accordance with the first pixel value.
請求項に記載の画像情報処理装置において、
予め傾きの異なる複数のランプ波形信号を用意し、前記第1のピクセル値に応じていずれかのランプ波形信号を選択することを特徴とする画像情報処理装置。
The image information processing apparatus according to claim 2 ,
An image information processing apparatus, wherein a plurality of ramp waveform signals having different inclinations are prepared in advance, and any one of the ramp waveform signals is selected according to the first pixel value.
請求項1に記載の画像情報処理装置において、
ピクセル毎の、前記露光時間、前記利得及び前記第2のピクセル値を記憶するメモリ回路を設けたことを特徴とする画像情報処理装置。
The image information processing apparatus according to claim 1,
An image information processing apparatus comprising a memory circuit for storing the exposure time, the gain, and the second pixel value for each pixel.
請求項1に記載の画像情報処理装置において、
ピクセル毎の、前記露光時間を記憶するメモリ回路を設けたことを特徴とする画像情報処理装置。
The image information processing apparatus according to claim 1,
An image information processing apparatus comprising a memory circuit for storing the exposure time for each pixel.
請求項1に記載の画像情報処理装置において、
選択されたピクセルからの出力値から、リセット雑音を除去する雑音除去回路を介して前記第1のピクセル値を得ることを特徴とする画像情報処理装置。
The image information processing apparatus according to claim 1,
An image information processing apparatus characterized in that the first pixel value is obtained from an output value from a selected pixel through a noise removal circuit for removing reset noise.
請求項に記載の画像情報処理装置において、
前記雑音除去回路が、CDS回路であることを特徴とする画像情報処理装置。
The image information processing apparatus according to claim 6 .
An image information processing apparatus, wherein the noise removal circuit is a CDS circuit.
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