JP4640102B2 - Omni-directional camera - Google Patents

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本発明は全方位カメラに係り、特に固体撮像素子を用いて全方位を撮像する全方位カメラに関する。   The present invention relates to an omnidirectional camera, and more particularly to an omnidirectional camera that images an omnidirectional image using a solid-state imaging device.

監視カメラやロボット用カメラはなるべく撮影範囲が広い方がよいが、従来のカメラは通常は画角が限られており、その結果、画角以上の範囲を監視するには複数のカメラを使用し、カメラを可動式にする必要があった。それに対して、1台で360度の全方位を撮影する全方位カメラがある。   Surveillance cameras and robot cameras should have as wide a shooting range as possible, but conventional cameras usually have a limited angle of view, and as a result, multiple cameras are used to monitor the range beyond the angle of view. The camera needed to be movable. On the other hand, there is an omnidirectional camera that captures 360-degree omnidirectional images with a single unit.

図5は従来の全方位カメラの一例の構成図を示す。同図に示すように、従来の全方位カメラ200は、周囲360度の様子を映し出すミラー201と、ミラー201で反射された被写体からの光を集光する集光用光学系202と、固体撮像素子203と、画像展開手段204とから大略構成されている。ここで、ミラー201の形状としては、双曲面、円錐形、複数の曲線を組み合わせたものなど種々の方法が提案されている。集光用光学系202は、固体撮像素子203の撮像領域の大きさに被写体光学像が縮小、結像するようにする。   FIG. 5 shows a configuration diagram of an example of a conventional omnidirectional camera. As shown in the figure, a conventional omnidirectional camera 200 includes a mirror 201 that reflects the surrounding 360 degrees, a condensing optical system 202 that collects light from the subject reflected by the mirror 201, and solid-state imaging. An element 203 and an image development unit 204 are roughly configured. Here, as the shape of the mirror 201, various methods such as a hyperboloid, a cone, and a combination of a plurality of curves have been proposed. The condensing optical system 202 reduces the subject optical image to the size of the imaging area of the solid-state imaging device 203 and forms an image.

固体撮像素子203としてはCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)型撮像素子(以下、単にCCDという)やCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)型撮像素子(以下、CMOSセンサという)が知られているが、CMOSセンサは、CCDに比べて低電圧駆動が可能であり、多画素化で高精細な映像が得られるので、CMOSセンサが用いられる。   As the solid-state imaging device 203, a CCD (Charge Coupled Device) type imaging device (hereinafter simply referred to as a CCD) and a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) type imaging device (hereinafter referred to as a CMOS sensor) are known. However, a CMOS sensor can be driven at a lower voltage than a CCD, and a CMOS sensor is used because a high-definition image can be obtained by increasing the number of pixels.

このような構造の全方位カメラでは、例えば撮像対象からの光が光路205に示すように、まずミラー201にて反射して集光用光学系202に入射し、この集光用光学系202により固体撮像素子203の撮像領域の大きさに光学像を縮小して結像されて光電変換される。固体撮像素子203により光電変換されて得られた撮像信号は、画像展開手段204に供給される。ここで、ミラー201に映った被写体画像はその曲面に従って歪んでいるが、画像展開手段204により、入力撮像信号に対して、ミラー201の曲面から導き出される展開式で展開する処理を行うことにより、歪みのないパノラマ映像の映像信号が得られる。   In an omnidirectional camera having such a structure, for example, light from an imaging target is first reflected by a mirror 201 and incident on a condensing optical system 202 as indicated by an optical path 205. The optical image is reduced to the size of the imaging region of the solid-state imaging device 203, and is imaged and photoelectrically converted. An imaging signal obtained by photoelectric conversion by the solid-state imaging device 203 is supplied to the image development unit 204. Here, the subject image reflected on the mirror 201 is distorted in accordance with the curved surface, but the image development means 204 performs a process of developing the input imaging signal with a development formula derived from the curved surface of the mirror 201, A panoramic video signal without distortion can be obtained.

固体撮像素子203はCMOSセンサであるが、これは従来から知られているローリングシャッタ型CMOSセンサである(例えば、特許文献1参照)。このローリングシャッタ型CMOSセンサについて説明する。図6は上記の従来のCMOSセンサの一例の等価回路図を示す。同図に示すCMOSセンサは、簡単のため、単位画素1が横方向2画素、縦方向2画素の2×2画素の配置とされている。単位画素1は、被写体像を光電変換するフォトダイオード(PD)2と、信号電荷の増幅用MOS型電界効果トランジスタ(以下、MOSFET)3と、電荷転送用MOSFET4と、リセット用MOSFET5と、選択用MOSFET7とよりなり、電源ライン6がMOSFET3、5のドレインに接続され、増幅用MOSFET3のソースが選択用MOSFET7のドレインに接続されている。   The solid-state image sensor 203 is a CMOS sensor, which is a conventionally known rolling shutter type CMOS sensor (see, for example, Patent Document 1). This rolling shutter type CMOS sensor will be described. FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of an example of the conventional CMOS sensor. In the CMOS sensor shown in the figure, for simplicity, the unit pixel 1 has a 2 × 2 pixel arrangement in which two horizontal pixels and two vertical pixels are arranged. The unit pixel 1 includes a photodiode (PD) 2 for photoelectrically converting a subject image, a signal charge amplification MOS field effect transistor (hereinafter referred to as MOSFET) 3, a charge transfer MOSFET 4, a reset MOSFET 5, and a selection. The power supply line 6 is connected to the drains of the MOSFETs 3 and 5, and the source of the amplification MOSFET 3 is connected to the drain of the selection MOSFET 7.

増幅用MOSFET3のゲート電極はフローティングディフュージョン(FD)になっており、フォトダイオード2の電荷が電荷転送用MOSFET4のドレイン−ソースを介して増幅用MOSFET3のゲート電極(FD)に転送される。また、増幅用MOSFET3のゲート電極(FD)の電位は、リセット用MOSFET5によりリセットされる。   The gate electrode of the amplification MOSFET 3 is in a floating diffusion (FD), and the charge of the photodiode 2 is transferred to the gate electrode (FD) of the amplification MOSFET 3 through the drain-source of the charge transfer MOSFET 4. The potential of the gate electrode (FD) of the amplification MOSFET 3 is reset by the reset MOSFET 5.

選択用MOSFET7がオン状態になると、増幅用MOSFET3のソースを選択用MOSFET7のドレイン・ソースを通して画素出力ライン8に導通させる。画素出力ライン8は定電流供給用MOSFET9のドレインに接続されている。定電流供給用MOSFET9は、増幅用MOSFET3のソースフォロア回路の負荷として作用する。定電流供給用MOSFET9は、ゲート電位供給ライン13のゲート電位により制御される。   When the selection MOSFET 7 is turned on, the source of the amplification MOSFET 3 is conducted to the pixel output line 8 through the drain and source of the selection MOSFET 7. The pixel output line 8 is connected to the drain of the constant current supply MOSFET 9. The constant current supply MOSFET 9 acts as a load of the source follower circuit of the amplification MOSFET 3. The constant current supply MOSFET 9 is controlled by the gate potential of the gate potential supply line 13.

また、リセット用制御ライン10、電荷転送用制御ライン11、画素選択用制御ライン12は、それぞれリセット用MOSFET5、電荷転送用MOSFET4、選択用MOSFET7の各ゲート電極に接続されており、その電位はそれぞれパルス供給端子15、14、16から、MOSFET19、20、21のドレイン・ソースをそれぞれ通して供給される。   The reset control line 10, the charge transfer control line 11, and the pixel selection control line 12 are connected to the gate electrodes of the reset MOSFET 5, the charge transfer MOSFET 4, and the selection MOSFET 7, respectively. It is supplied from the pulse supply terminals 15, 14, and 16 through the drains and sources of the MOSFETs 19, 20, and 21, respectively.

垂直シフトレジスタ17は、行順次走査のために2×2画素の行を選択する回路で、その垂直シフトレジスタ出力線18−1、18−2が、各行のMOSFET19、20、21のゲート電極に接続されており、パルス供給端子15、14、16の端子に供給されたパルスがどの行の画素を制御するかを決定する。   The vertical shift register 17 is a circuit for selecting a 2 × 2 pixel row for row sequential scanning, and the vertical shift register output lines 18-1 and 18-2 are connected to the gate electrodes of the MOSFETs 19, 20, and 21 in each row. It is connected and determines which row of pixels is controlled by the pulse supplied to the terminals of the pulse supply terminals 15, 14, 16.

また、読み出しブロック22は、リセット信号出力を保持する容量23、光信号出力を保持する容量24、どちらの容量に保持するかを選択するスイッチ用MOSFET25及び26、水平出力線27、28に接続されたスイッチ用MOSFET29、30からなる。スイッチ用MOSFET25、26は端子37、38からそのゲート電極に供給されるパルスによりスイッチング制御される。   The read block 22 is connected to a capacitor 23 for holding a reset signal output, a capacitor 24 for holding an optical signal output, switching MOSFETs 25 and 26 for selecting which one to hold, and horizontal output lines 27 and 28. Switch MOSFETs 29 and 30. The switching MOSFETs 25 and 26 are switching-controlled by pulses supplied from the terminals 37 and 38 to the gate electrodes.

水平シフトレジスタ34は、2×2画素のうち、どの列の画素の保持信号を水平出力線27、28に出力するかをスイッチ用MOSFET29、30のゲートに接続された水平シフトレジスタ出力線35−1、35−2への出力電位で決定する。また、水平出力線27、28をリセットするための電位を端子33から供給し、リセットのタイミングは端子36から供給するパルスでスイッチ用MOSFET31、32をスイッチング制御して行う。水平出力線27、28は差動アンプ39の入力端子に接続されている。差動アンプ39はリセット信号出力と光信号出力の差をとり、その差信号をアンプ出力端子40からセンサ外に出力する。   The horizontal shift register 34 is a horizontal shift register output line 35-connected to the gates of the MOSFETs 29 and 30 for switching which column of the 2 × 2 pixels is to be output to the horizontal output lines 27 and 28. 1 and the output potential to 35-2. In addition, a potential for resetting the horizontal output lines 27 and 28 is supplied from the terminal 33, and the reset timing is performed by switching the switching MOSFETs 31 and 32 with a pulse supplied from the terminal 36. The horizontal output lines 27 and 28 are connected to the input terminal of the differential amplifier 39. The differential amplifier 39 takes the difference between the reset signal output and the optical signal output, and outputs the difference signal from the amplifier output terminal 40 to the outside of the sensor.

次に、図6に示す従来のCMOSセンサの動作について図7のタイミングチャートを併せ参照して説明する。なお、図6中のMOSFETはすべてN型とし、よって、MOSFETはそのゲート電位がハイレベル(High)でオン、ローレベル(Low)でオフとなる。   Next, the operation of the conventional CMOS sensor shown in FIG. 6 will be described with reference to the timing chart of FIG. Note that all the MOSFETs in FIG. 6 are N-type. Therefore, the MOSFETs are turned on when the gate potential is high (High) and turned off when the gate level is Low.

まず、垂直シフトレジスタ出力線18−1の電位が図7(D)に示すように時刻t1でHighとなり、これにより1行目の画素1が選択される。続いて、パルス供給端子16の入力パルスが図7(C)に示すように時刻t2でHighになり、これにより1行目の画素1の選択用MOSFET7がオン状態になるため、1行目の画素1の増幅用MOSFET3のソースが選択用MOSFET7のドレイン・ソースと画素出力ライン8を通して定電流供給用MOSFET9につながり、ソースフォロア回路を形成する。   First, as shown in FIG. 7D, the potential of the vertical shift register output line 18-1 becomes High at time t1, thereby selecting the pixel 1 in the first row. Subsequently, as shown in FIG. 7C, the input pulse of the pulse supply terminal 16 becomes High at time t2, thereby turning on the selection MOSFET 7 of the pixel 1 in the first row, so that the first row. The source of the amplification MOSFET 3 of the pixel 1 is connected to the constant current supply MOSFET 9 through the drain / source of the selection MOSFET 7 and the pixel output line 8 to form a source follower circuit.

この状態で、最初にパルス供給端子15に図7(B)に示すように一定時間Highのパルスが供給され、1行目の画素1のリセット用MOSFET5のドレイン・ソースを通して増幅用MOSFET3のゲート電極(FD)がリセットされる。その後の時刻t3で、パルス供給端子37の入力パルスが図7(I)に示すようにHighになり、スイッチ用MOSFET25をオン状態とし、容量23に1行目の画素1のソースフォロワ回路から出力されたリセット信号出力が保持される。   In this state, first, a high-level pulse is supplied to the pulse supply terminal 15 as shown in FIG. 7B, and the gate electrode of the amplification MOSFET 3 passes through the drain and source of the reset MOSFET 5 of the pixel 1 in the first row. (FD) is reset. Thereafter, at time t3, the input pulse of the pulse supply terminal 37 becomes High as shown in FIG. 7 (I), the switching MOSFET 25 is turned on, and the capacitor 23 outputs from the source follower circuit of the pixel 1 in the first row. The reset signal output is held.

次に、パルス供給端子14に時刻t4で図7(A)に示すようにHighパルスが印加されると、1行目の画素1内の電荷転送用MOSFET4がオンし、1行目の画素1内のフォトダイオード2に蓄積されている電荷が電荷転送用MOSFET4のドレイン・ソースを介して増幅用MOSFET3のゲート電極(FD)に転送される。その後の時刻t5で、パルス供給端子38に図7(J)に示すようにHighパルスが印加されると、容量24に1行目の画素1のソースフォロワ回路から出力された光信号出力が保持される。続いて、パルス供給端子16の入力パルスが図7(C)に示すように、時刻t6でLowになるため、1行目の画素1内の選択用MOSFET7がオフになり、1行目の画素1からの出力はなくなる。   Next, when a high pulse is applied to the pulse supply terminal 14 at time t4 as shown in FIG. 7A, the charge transfer MOSFET 4 in the pixel 1 in the first row is turned on, and the pixel 1 in the first row. The charge accumulated in the photodiode 2 is transferred to the gate electrode (FD) of the amplification MOSFET 3 through the drain / source of the charge transfer MOSFET 4. At time t5, when a high pulse is applied to the pulse supply terminal 38 as shown in FIG. 7J, the optical signal output output from the source follower circuit of the pixel 1 in the first row is held in the capacitor 24. Is done. Subsequently, as shown in FIG. 7C, the input pulse at the pulse supply terminal 16 becomes Low at time t6, so that the selection MOSFET 7 in the pixel 1 in the first row is turned off, and the pixel in the first row. The output from 1 disappears.

端子36の入力信号はこの間図7(H)に示すようにHighであり、水平出力ライン27、28はリセット状態になっている。しかし、上記の時刻t6で端子36の入力信号が図7(H)に示すようにLowになり、この状態で水平シフトレジスタ出力線35−1に図7(F)に示すHighパルスを印加すると、1列目のスイッチ用MOSFET29、30がそれぞれオンとされるため、1列目の容量23、24の各信号が1列目のスイッチ用MOSFET29、30を通して水平出力ライン27、28にそれぞれ出力されて差動アンプ39に供給される。差動アンプ39は1列目の容量23、24の各信号、すなわち、リセット信号出力と光信号出力との差をとり、増幅用MOSFET3のしきい値ばらつきに起因したノイズを除去した光信号を出力端子40より出力する。   During this time, the input signal of the terminal 36 is High as shown in FIG. 7H, and the horizontal output lines 27 and 28 are in a reset state. However, when the input signal at the terminal 36 becomes Low as shown in FIG. 7 (H) at the time t6 and the High pulse shown in FIG. 7 (F) is applied to the horizontal shift register output line 35-1 in this state. Since the switching MOSFETs 29 and 30 in the first column are turned on, the signals of the capacitors 23 and 24 in the first column are output to the horizontal output lines 27 and 28 through the switching MOSFETs 29 and 30 in the first column, respectively. And supplied to the differential amplifier 39. The differential amplifier 39 calculates the difference between each signal of the capacitors 23 and 24 in the first column, that is, the reset signal output and the optical signal output, and removes the optical signal from which the noise caused by the threshold variation of the amplification MOSFET 3 is removed. Output from the output terminal 40.

次に、端子36に図7(H)に示す時刻t7でHighパルスを印加すると、水平出力ライン27、28が再びリセットされ、その後水平シフトレジスタ出力線35−2に、図7(G)に示すように時刻t8でHighパルスが印加され、2列目のスイッチ用MOSFET29、30がそれぞれオンとされるため、2列目の容量23、24の各信号が2列目のスイッチ用MOSFET29、30を通して水平出力ライン27、28にそれぞれ出力されて差動アンプ39に供給され、2列目の信号が1列目と同様に差動アンプ39から出力端子40に出力される。   Next, when a high pulse is applied to the terminal 36 at time t7 shown in FIG. 7 (H), the horizontal output lines 27 and 28 are reset again, and then to the horizontal shift register output line 35-2 in FIG. 7 (G). As shown, the high pulse is applied at time t8, and the switching MOSFETs 29 and 30 in the second column are turned on, so that the signals of the capacitors 23 and 24 in the second column are switched to the switching MOSFETs 29 and 30 in the second column. Are output to the horizontal output lines 27 and 28, supplied to the differential amplifier 39, and the second column signal is output from the differential amplifier 39 to the output terminal 40 in the same manner as the first column.

その後、図7(D)に示す時刻t9で垂直シフトレジスタ出力線18−1の電位がLowとなり、1行目の処理が終わる。次に時刻t10で図7(E)に示すように、垂直シフトレジスタ出力線18−2の電位がHighになり、以下1行目と同様な処理が行われ、全画素の読み出しが終了する。   Thereafter, at time t9 shown in FIG. 7D, the potential of the vertical shift register output line 18-1 becomes Low, and the processing of the first row is completed. Next, at time t10, as shown in FIG. 7E, the potential of the vertical shift register output line 18-2 becomes High, the same processing as in the first row is performed, and reading of all pixels is completed.

従って、このCMOSセンサの場合、1行目と2行目のフォトダイオード2で光電変換しているタイミングが異なる。このような撮像方式をローリングシャッタ、あるいはフォーカルプレーンと呼ぶ。   Therefore, in the case of this CMOS sensor, the timing of photoelectric conversion by the photodiodes 2 in the first and second rows is different. Such an imaging method is called a rolling shutter or a focal plane.

特開2003−17677号公報JP 2003-17677 A

しかしながら、上記の従来の全方位カメラでは、固体撮像素子203としてローリングシャッタ型CMOSセンサを使っているが、ローリングシャッタ型CMOSセンサでは画素1行毎にフォトダイオード2に蓄積しているタイミングが異なるため、動いている被写体を撮像しようとすると、撮像した被写体画像が変形しまうという問題が生じる。   However, in the above conventional omnidirectional camera, a rolling shutter type CMOS sensor is used as the solid-state imaging device 203. However, in the rolling shutter type CMOS sensor, the timing accumulated in the photodiode 2 is different for each pixel row. When attempting to image a moving subject, there is a problem that the captured subject image is deformed.

この様子を図8及び図9を使って説明する。図8は撮像の様子を示す模式図で、固体撮像素子(ローリングシャッタ型CMOSセンサ)203上に、ミラー201の映像が映っている様子を示している。固体撮像素子(ローリングシャッタ型CMOSセンサ)203の撮像範囲210に、ミラー201とミラー201に映っている映像が211で表現されている。この映像211を読み出すとき、直線のライン214毎に、矢印213で示すスキャン方向で順列的に読み出す。   This will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a schematic diagram showing a state of imaging, and shows a state in which an image of the mirror 201 is reflected on a solid-state imaging device (rolling shutter type CMOS sensor) 203. In the imaging range 210 of the solid-state imaging device (rolling shutter type CMOS sensor) 203, a mirror 201 and an image reflected on the mirror 201 are represented by 211. When this image 211 is read out, it is read out in a permutation manner in the scanning direction indicated by the arrow 213 for each straight line 214.

さて、このようにして読み出された映像信号を図5の画像展開手段204で展開するときに、例えば左右端にあたる部分を、図8の切断面212に設定して、ミラー201に映った映像211をパノラマ展開すると、図9のようになる。図9に示すように、切断面212はパノラマ映像の左右端になる。固体撮像素子(ローリングシャッタ型CMOSセンサ)203上では直線だったライン214は、図9に示すように、パノラマ展開後では複雑な曲線になる。   Now, when the image signal read in this way is expanded by the image expansion means 204 of FIG. 5, for example, the portions corresponding to the left and right ends are set as the cut surface 212 of FIG. When 211 is panoramicly developed, the result is as shown in FIG. As shown in FIG. 9, the cut surface 212 is the left and right ends of the panoramic image. A line 214 that is a straight line on the solid-state imaging device (rolling shutter type CMOS sensor) 203 becomes a complex curve after panoramic development, as shown in FIG.

固体撮像素子(ローリングシャッタ型CMOSセンサ)203では、ライン214毎にフォトダイオード2に蓄積されるタイミングが異なるため、動いている被写体画像が変形するが、その被写体画像の変形の様子は、場所により複雑になり、図5の画像展開手段204では容易に修正処理ができないという問題がある。   In the solid-state imaging device (rolling shutter type CMOS sensor) 203, the moving subject image is deformed because the timing accumulated in the photodiode 2 is different for each line 214, but the subject image is deformed depending on the location. There is a problem that the image development means 204 in FIG. 5 cannot easily perform correction processing.

これを解決するためには、固体撮像素子(ローリングシャッタ型CMOSセンサ)203の撮像領域の前方にメカニカルシャッタを設けて、そのオープン期間に対応して全ラインの1フレーム期間の露光を行い、そのクローズ期間で各1ラインずつ順次に読み出しを行うことで、露光プロセスと信号読出しプロセスを分離する方法などが有効であるが、機構が複雑になるという問題がある。   In order to solve this, a mechanical shutter is provided in front of the imaging region of the solid-state imaging device (rolling shutter type CMOS sensor) 203, and exposure is performed for one frame period of all lines corresponding to the open period. A method of separating the exposure process and the signal readout process by sequentially reading out each line one by one in the closed period is effective, but there is a problem that the mechanism becomes complicated.

本発明は以上の点に鑑みなされたもので、固体撮像素子としてグローバルシャッタ型CMOSセンサを用いることにより、動きのある被写体に対しても歪みの無い鮮明な全方位のパノラマ画像を得ることが可能な全方位カメラを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and by using a global shutter type CMOS sensor as a solid-state imaging device, it is possible to obtain a clear omnidirectional panoramic image without distortion even for a moving subject. An object is to provide an omnidirectional camera.

本発明は上記の目的を達成するため、固体撮像素子を用いて全方位の撮像を行う全方位カメラにおいて、全方位の被写体からの光を反射する反射手段と、被写体の光学像を複数の全画素のフォトダイオードに露光の開始と終了のタイミングが全画素同時となるように露光して光電変換して得た電荷を全画素に蓄積した後、露光期間に蓄積した電荷を各画素から撮像信号として順次出力する、固体撮像素子としてのグローバルシャッタ型CMOSセンサと、反射手段により反射された被写体からの光を集光して、グローバルシャッタ型CMOSセンサに被写体の光学像を結像する集光用光学系と、グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力された撮像信号をパノラマ映像に展開する画像展開手段と、を備え、上記グローバルシャッタ型CMOSセンサは、
半導体基板上に形成された第1導電型のウェル、及びウェルにおける所定の第1の領域とは異なる第2の領域に形成されてウェルに接続する第2導電型の埋め込み部を有し、光学像を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオードと、第1の領域上にゲート酸化膜を介して形成されたリング状ゲート電極と、リング状ゲート電極の中央開口部に対応するウェル内の領域に形成された第1導電型の第1ソース部と、第1ソース部の周囲にリング状ゲート電極の外周に達しないように、かつ、ゲート酸化膜に接しないようにウェル内に埋め込まれて形成されて第1ソース部に接続しフォトダイオードから転送された電荷を蓄積する第2導電型のソース近傍領域部と、ウェルにおける第1の領域とは異なる第3の領域に第1ソース部及びソース近傍領域部に離間して形成された第1導電型の第1ドレイン部とを有し、ソース近傍領域部に蓄積された電荷を撮像信号として出力するリング状ゲートトランジスタと、第1の領域上に、リング状ゲート電極の一部を覆うように形成された転送ゲート電極を有し、埋め込み部を第2ソース部とし、ソース近傍領域部を第2ドレイン部とし、フォトダイオードに蓄積された電荷をリング状ゲートトランジスタへ全画素一斉に転送する転送ゲートトランジスタと、を画素毎に備え
転送ゲート電極からリング状ゲート電極までのゲート酸化膜の直下にはウェルが連続して存在しており、転送ゲート電極及びリング状ゲート電極の各電位に応じて転送ゲート電極とリング状ゲート電極との間のウェルの表層部に電荷転送のバリアが発生又は消失し、グローバルシャッタ型CMOSセンサは、フォトダイオードにおける電荷の蓄積を、次の電荷転送が開始されるまで撮像信号の出力期間中も継続して行い、撮像信号をフレーム毎に連続して出力することを特徴とする
In order to achieve the above-described object, the present invention provides an omnidirectional camera that performs omnidirectional imaging using a solid-state imaging device, a reflecting means that reflects light from an omnidirectional subject, and a plurality of optical images of the subject. after storing pixel charges in the photodiode start the timing of termination of exposure is obtained by exposure to photoelectric conversion so that all the pixels simultaneously in all the pixels, the image pickup charges accumulated during the period of exposure from each pixel A global shutter type CMOS sensor as a solid-state image sensor that sequentially outputs as a signal and a light source that focuses light from the subject reflected by the reflecting means and forms an optical image of the subject on the global shutter type CMOS sensor. And an image expansion means for expanding the image pickup signal output from the global shutter type CMOS sensor into a panoramic image, and the global shutter type C OS sensor,
A first conductivity type well formed on a semiconductor substrate; and a second conductivity type buried portion formed in a second region different from a predetermined first region in the well and connected to the well, and optical Photodiode that photoelectrically converts an image to accumulate electric charge, ring-shaped gate electrode formed on the first region via a gate oxide film, and a region in the well corresponding to the central opening of the ring-shaped gate electrode A first source portion of the first conductivity type formed in the well and embedded in the well so as not to reach the outer periphery of the ring-shaped gate electrode around the first source portion and so as not to contact the gate oxide film. A second conductive type source vicinity region portion that is formed and connected to the first source portion and stores charges transferred from the photodiode, and a third source region in the well different from the first region, and the first source portion and Near source A ring-shaped gate transistor having a first drain portion of the first conductivity type formed spaced apart in the region and outputting the charge accumulated in the region near the source as an imaging signal; and on the first region , Having a transfer gate electrode formed so as to cover a part of the ring-shaped gate electrode, the buried portion as the second source portion, the source vicinity region portion as the second drain portion, and the charge accumulated in the photodiode A transfer gate transistor that transfers all pixels to the ring gate transistor at the same time, and for each pixel ,
A well is continuously present immediately below the gate oxide film from the transfer gate electrode to the ring-shaped gate electrode, and the transfer gate electrode, the ring-shaped gate electrode, The charge transfer barrier is generated or disappeared in the surface layer of the well between the global shutter type CMOS sensor, and the charge accumulation in the photodiode continues during the imaging signal output period until the next charge transfer is started. The image pickup signal is continuously output for each frame .

また、上記の目的を達成するため、本発明は、リング状ゲート電極の電位を制御するリング状ゲート電位制御回路部と、転送ゲート電極の電位を制御する転送ゲート電位制御回路部と、を更に備えていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention further includes a ring-shaped gate potential control circuit unit that controls the potential of the ring-shaped gate electrode, and a transfer gate potential control circuit unit that controls the potential of the transfer gate electrode. It is characterized by having.

本発明によれば、グローバルシャッタ型CMOSエリアセンサを用いたことにより、撮像画像は被写体の画像と異なる画像歪みは発生しないため、画像展開手段により撮像信号をパノラマ展開したときに、被写体画像が動いていても、そのパノラマ展開後の画像が場所により複雑に変形するということがなくなり、その結果、従来に比べて歪みが十分に補正された鮮明な全方位のパノラマ画像を得ることができる。また、メカニカルシャッタが不要であるので、構成が複雑となることはない。   According to the present invention, since the global shutter type CMOS area sensor is used, the captured image does not generate image distortion different from the image of the subject. Even in such a case, the image after the panoramic development is not complicatedly deformed depending on the place, and as a result, a clear panoramic image having a sufficiently corrected distortion as compared with the prior art can be obtained. Further, since the mechanical shutter is unnecessary, the configuration is not complicated.

次に、本発明の一実施の形態について図面と共に説明する。図1は本発明になる全方位カメラの一実施の形態の構成図を示す。同図において、全方位カメラ100は、周囲360度の様子を映し出すミラー101と、光路105を経てミラー101に入射してミラー101で反射された被写体からの光を集光する集光用光学系102と、固体撮像素子としてのグローバルシャッタ型CMOSセンサ103と、画像展開手段104とから大略構成されている。本実施の形態の全方位カメラ100は、従来の全方位カメラ200と比較すると、固体撮像素子としてグローバルシャッタ型CMOSセンサ103を用いた点に特徴がある。   Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a configuration diagram of an embodiment of an omnidirectional camera according to the present invention. In the figure, an omnidirectional camera 100 includes a mirror 101 that displays a state of 360 degrees around, and a condensing optical system that collects light from a subject that is incident on the mirror 101 through the optical path 105 and reflected by the mirror 101. 102, a global shutter type CMOS sensor 103 as a solid-state image sensor, and an image development means 104. Compared with the conventional omnidirectional camera 200, the omnidirectional camera 100 of the present embodiment is characterized in that a global shutter type CMOS sensor 103 is used as a solid-state imaging device.

グローバルシャッタ型CMOSセンサ103以外の、ミラー101、集光用光学系102は従来のミラー201、集光用光学系202と同一であり、ミラー101の形状としては、双曲面、円錐形、複数の曲線を組み合わせたものなど種々のものがあり、また、集光用光学系102は、グローバルシャッタ型CMOSセンサ103の撮像領域の大きさに被写体光学像が縮小、結像するようにする。また、画像展開手段104も従来の画像展開手段204と同様の構成とされており、グローバルシャッタ型CMOSセンサ103からの撮像信号に対して、ミラー101の曲面から導き出される展開式で展開処理を行い、ミラー101の曲面に従って歪んでいる映像から歪みの無いパノラマ映像を得る。   Other than the global shutter type CMOS sensor 103, the mirror 101 and the condensing optical system 102 are the same as the conventional mirror 201 and the condensing optical system 202, and the shape of the mirror 101 is a hyperboloid, a conical shape, a plurality of shapes. There are various types such as a combination of curves, and the condensing optical system 102 reduces the subject optical image to the size of the imaging region of the global shutter type CMOS sensor 103 and forms an image. In addition, the image development unit 104 has the same configuration as that of the conventional image development unit 204, and performs a development process on the imaging signal from the global shutter type CMOS sensor 103 by a development formula derived from the curved surface of the mirror 101. A panoramic image without distortion is obtained from the image distorted according to the curved surface of the mirror 101.

次に、グローバルシャッタ型CMOSセンサ103について詳しく説明する。図2はグローバルシャッタ型CMOSセンサの一実施の形態の構成図を示し、同図(A)は平面図、同図(B)は同図(A)のX−X’線に沿う縦断面図を示す。図2(A)、(B)に示すように、本実施の形態の固体撮像素子111であるグローバルシャッタ型CMOSセンサは、p型基板41上にp型エピタキシャル層42を成長し、このエピタキシャル層42の表面にnウェル43がある。nウェル43上にはゲート酸化膜44を挟んで第1のゲート電極である平面形状がリング状のゲート電極45が形成されている。 Next, the global shutter type CMOS sensor 103 will be described in detail. FIG. 2 shows a configuration diagram of an embodiment of a global shutter type CMOS sensor. FIG. 2A is a plan view, and FIG. 2B is a longitudinal sectional view taken along line XX ′ in FIG. Indicates. As shown in FIGS. 2A and 2B, the global shutter type CMOS sensor which is the solid-state imaging device 111 of the present embodiment grows a p type epitaxial layer 42 on a p + type substrate 41, and There is an n-well 43 on the surface of the epitaxial layer 42. On the n-well 43, a gate electrode 45 having a ring shape as a first gate electrode is formed with a gate oxide film 44 interposed therebetween.

リング状ゲート電極45の中心部に対応したnウェル43の表面にはn型のソース領域46が形成されており、そのソース領域46に隣接してソース近傍p型領域47が形成され、更にソース領域46とソース近傍p型領域47の外側の離間した位置にはn型のドレイン領域48が形成されている。更に、ドレイン領域48の下のnウェル43中には埋め込みのp型領域49がある。この埋め込みのp型領域49とnウェル43は、図2(A)に示す埋め込みフォトダイオード50を構成している。 An n + -type source region 46 is formed on the surface of the n-well 43 corresponding to the center portion of the ring-shaped gate electrode 45, a source vicinity p-type region 47 is formed adjacent to the source region 46, and An n + -type drain region 48 is formed at a position spaced outside the source region 46 and the source vicinity p-type region 47. In addition, there is a buried p type region 49 in the n well 43 below the drain region 48. The buried p type region 49 and the n-well 43 constitute the buried photodiode 50 shown in FIG.

埋め込みフォトダイオード50とリング状ゲート電極45との間には、第2のゲート電極である転送ゲート電極51がある。ドレイン領域48、リング状ゲート電極45、ソース領域46、転送ゲート電極51には、それぞれメタル配線であるドレイン電極配線52、リング状ゲート電極配線53、ソース電極配線(出力線)54、転送ゲート電極配線55が接続されている。また、上記の各構成の上方には、図2(B)に示すように遮光膜56が形成されており、その遮光膜56の埋め込みフォトダイオード50に対応した位置には開口部57が穿設されている。この遮光膜56は金属、あるいは有機膜等で形成される。光は、開口部57を通して埋め込みフォトダイオード50に達して光電変換される。   Between the embedded photodiode 50 and the ring-shaped gate electrode 45, there is a transfer gate electrode 51 which is a second gate electrode. The drain region 48, the ring-shaped gate electrode 45, the source region 46, and the transfer gate electrode 51 include a drain electrode wiring 52, a ring-shaped gate electrode wiring 53, a source electrode wiring (output line) 54, and a transfer gate electrode, which are metal wirings, respectively. A wiring 55 is connected. Further, as shown in FIG. 2B, a light shielding film 56 is formed above each of the above components, and an opening 57 is formed at a position corresponding to the embedded photodiode 50 in the light shielding film 56. Has been. The light shielding film 56 is formed of a metal or an organic film. The light reaches the embedded photodiode 50 through the opening 57 and is photoelectrically converted.

次に、CMOSセンサの画素構造と撮像素子全体の構造について、電気回路で表現した図3と共に説明する。同図において、まず、画素はm行n列に画素敷き詰め領域61に配置されている。図3ではこれらm行n列の画素のうち、s行t列の一画素62を代表として等価回路で表現している。この画素62は、リング状ゲートMOSFET63と、フォトダイオード64と、転送ゲートMOSFET65とからなり、リング状ゲートMOSFET63のドレインがフォトダイオード64のn側端子とドレイン電極配線66(図2の52に相当)に接続され、転送ゲートMOSFET65のソースがフォトダイオード64のp側端子に接続され、ドレインがリング状ゲートMOSFET63のバックゲートに接続されている。   Next, the pixel structure of the CMOS sensor and the structure of the entire image sensor will be described with reference to FIG. In the figure, first, pixels are arranged in a pixel spread area 61 in m rows and n columns. In FIG. 3, one pixel 62 of s rows and t columns among these m rows and n columns pixels is represented by an equivalent circuit. The pixel 62 includes a ring-shaped gate MOSFET 63, a photodiode 64, and a transfer gate MOSFET 65. The drain of the ring-shaped gate MOSFET 63 is the n-side terminal of the photodiode 64 and the drain electrode wiring 66 (corresponding to 52 in FIG. 2). , The source of the transfer gate MOSFET 65 is connected to the p-side terminal of the photodiode 64, and the drain is connected to the back gate of the ring-shaped gate MOSFET 63.

なお、上記のリング状ゲートMOSFET63は、図2(B)ではリング状ゲート電極45直下のソース近傍p型領域47をゲート領域とし、n型のソース領域46及びn型のドレイン領域48を有するnチャネルMOSFETである。また、上記の転送ゲートMOSFET65は、図2(B)では転送ゲート電極51直下のnウェル43をゲート領域、フォトダイオード50の埋め込みのp型領域49をソース領域、ソース近傍p型領域47をドレインとするpチャネルMOSFETである。 In FIG. 2B, the ring-shaped gate MOSFET 63 has a p-type region 47 near the source directly below the ring-shaped gate electrode 45 as a gate region, and an n + -type source region 46 and an n + -type drain region 48. An n-channel MOSFET. In FIG. 2B, the transfer gate MOSFET 65 has an n well 43 just below the transfer gate electrode 51 as a gate region, a p type region 49 embedded with a photodiode 50 as a source region, and a p-type region 47 near the source. A p-channel MOSFET serving as a drain.

図3において、m行n列の各画素から1フレーム分の信号を読み出すために、まず読み出しを始める合図を出すフレームスタート信号を発生させる回路67がある。このフレームスタート信号は撮像素子の外から与えられてもよい。このフレームスタート信号は垂直シフトレジスタ68に供給される。垂直シフトレジスタ68は、m行n列の各画素のうちの何行目の画素を読み出すかの信号を出力する。   In FIG. 3, in order to read a signal for one frame from each pixel of m rows and n columns, there is a circuit 67 for generating a frame start signal for giving a signal to start reading. The frame start signal may be given from outside the image sensor. This frame start signal is supplied to the vertical shift register 68. The vertical shift register 68 outputs a signal indicating which row of pixels is read out from each pixel of m rows and n columns.

各行の画素はリング状ゲート電極、転送ゲート電極、ドレイン電極の電位を制御する制御回路に接続されており、これらの制御回路は垂直レジスタ68の出力信号が供給される。例えば、s行目の各画素のリング状ゲート電極は、リング状ゲート電極配線69(図2の53に相当)を介してリング状ゲート電位制御回路70に接続され、各画素の転送ゲート電極は、転送ゲート電極配線71(図2の55に相当)を介して転送ゲート電位制御回路72に接続され、各画素のドレイン電極は、ドレイン電極配線66(図2の52に相当)を介してドレイン電位制御回路73に接続されている。上記の各制御回路70、72、73には垂直シフトレジスタ68の出力信号が供給される。   The pixels in each row are connected to a control circuit that controls the potentials of the ring-shaped gate electrode, transfer gate electrode, and drain electrode, and these control circuits are supplied with the output signal of the vertical register 68. For example, the ring-shaped gate electrode of each pixel in the s-th row is connected to the ring-shaped gate potential control circuit 70 via the ring-shaped gate electrode wiring 69 (corresponding to 53 in FIG. 2), and the transfer gate electrode of each pixel is Are connected to the transfer gate potential control circuit 72 via the transfer gate electrode wiring 71 (corresponding to 55 in FIG. 2), and the drain electrode of each pixel is drained via the drain electrode wiring 66 (corresponding to 52 in FIG. 2). It is connected to the potential control circuit 73. Each control circuit 70, 72, 73 is supplied with an output signal from the vertical shift register 68.

なお、リング状ゲート電極は、行毎に制御するので横方向に配線するが、転送ゲート電極は全画素で一斉に制御するので、配線方向は問わず、縦方向でもよい。ここでは横方向に配線するものとして表現する。ドレイン電位制御回路73は、全画素一斉に制御するが、行毎に制御する可能性もあるので、フレームスタート信号と垂直レジスタ68の両方と接続して表現している。   Since the ring-shaped gate electrode is controlled for each row, wiring is performed in the horizontal direction. However, since the transfer gate electrode is controlled simultaneously for all pixels, the wiring direction is not limited and the vertical direction may be used. Here, it is expressed as wiring in the horizontal direction. The drain potential control circuit 73 controls all the pixels at the same time, but may be controlled for each row. Therefore, the drain potential control circuit 73 is represented by being connected to both the frame start signal and the vertical register 68.

画素62のリング状ゲートMOSFET63のソース電極は、ソース電極配線74(図2の54に相当)を介して2分岐され、一方はスイッチSW1を介してソース電極電位を制御するソース電位制御回路75に接続され、他方はスイッチSW2を介して信号読み出し回路76に接続されている。信号を読み出すときにはスイッチSW1をオフ、スイッチSW2をオンにし、ソース電位を制御する時にはスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフにする。信号は縦方向に出すので、ソース電極の配線方向は縦にする。   The source electrode of the ring-shaped gate MOSFET 63 of the pixel 62 is branched into two via a source electrode wiring 74 (corresponding to 54 in FIG. 2), one of which is supplied to a source potential control circuit 75 that controls the source electrode potential via a switch SW1. The other is connected to the signal readout circuit 76 via the switch SW2. When reading the signal, the switch SW1 is turned off and the switch SW2 is turned on. When the source potential is controlled, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off. Since the signal is output in the vertical direction, the wiring direction of the source electrode is set to be vertical.

信号読み出し回路76は次のように構成されている。画素62の出力はリング状ゲートMOSFET63のソースから行われ、出力線74には負荷、例えば電流源77が繋がっている。従って、ソースフォロア回路となっている。電流源77にはキャパシタC1とキャパシタC2の各一端がスイッチsc1とスイッチsc2を介して繋がっている。他端が接地されているキャパシタC1、C2の各一端は、また差動アンプ78の反転入力端子と非反転入力端子に繋がっており、両キャパシタC1及びC2の電位差を差動アンプ78から出力するようになっている。   The signal readout circuit 76 is configured as follows. The output of the pixel 62 is performed from the source of the ring-shaped gate MOSFET 63, and a load, for example, a current source 77 is connected to the output line 74. Therefore, it is a source follower circuit. One end of each of the capacitor C1 and the capacitor C2 is connected to the current source 77 via the switch sc1 and the switch sc2. One end of each of the capacitors C1 and C2 whose other ends are grounded is connected to the inverting input terminal and the non-inverting input terminal of the differential amplifier 78, and the potential difference between the capacitors C1 and C2 is output from the differential amplifier 78. It is like that.

このような信号読み出し回路76はCDS回路(相関二重サンプリング回路)と呼ばれ、ここに描かれた方式以外にも種々の回路が提案されており、この回路に限るわけではない。信号読み出し回路76から出力された信号は、出力スイッチswtを介して出力される。同じ列にある出力スイッチswtは、水平シフトレジスタ79から出力される信号によりスイッチング制御される。   Such a signal readout circuit 76 is called a CDS circuit (correlated double sampling circuit), and various circuits other than the method described here have been proposed, and the circuit is not limited to this circuit. The signal output from the signal readout circuit 76 is output via the output switch swt. The output switches swt in the same column are subjected to switching control by a signal output from the horizontal shift register 79.

次に、図3に示すCMOSセンサの駆動方法について、図4のタイミングチャートと共に説明する。まず、図4(1)に示す期間では、埋め込みのフォトダイオード(図2(A)の50、図3の64等)に光が入射し、光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオードの埋め込みp型領域49にホールが蓄積される。このとき転送ゲート電極51の電位はドレイン電位Vddと同じになっており、転送ゲートMOSFET65はオフ状態である。これらの蓄積は、前フレームの読み出し操作が行われている時に同時に実行されている。 Next, a method for driving the CMOS sensor shown in FIG. 3 will be described with reference to the timing chart of FIG. First, in the period shown in FIG. 4A, light is incident on the embedded photodiode (50 in FIG. 2A, 64 in FIG. 3, etc.), and an electron / hole pair is generated due to the photoelectric conversion effect. Holes accumulate in the buried p - type region 49 of the diode. At this time, the potential of the transfer gate electrode 51 is the same as the drain potential Vdd, and the transfer gate MOSFET 65 is off. These accumulations are performed at the same time as the previous frame read operation is being performed.

続く図4(2)に示す期間では、前フレームの読み出しが終了すると、同図(A)に示すように新しいフレームスタート信号が発信されて、次のフレームの読み出しが始まる。最初に行うのは全画素一斉にフォトダイオード(図2(A)の50、図3の64等)からリング状ゲート電極(図2の45)のソース近傍p型領域(図2の47)にホールを転送することである。そのため、図4(B)に示すように転送ゲート電位制御回路72から出力される転送ゲート制御信号がVddからLow2に下がり、転送ゲート電極(図2の41)の電位がLow2となり、転送ゲートMOSFET65がオン状態になる。   In the subsequent period shown in FIG. 4 (2), when the reading of the previous frame is completed, a new frame start signal is transmitted as shown in FIG. First, all the pixels are performed simultaneously from the photodiode (50 in FIG. 2A, 64 in FIG. 3) to the p-type region (47 in FIG. 2) near the source of the ring-shaped gate electrode (45 in FIG. 2). It is to transfer the hole. Therefore, as shown in FIG. 4B, the transfer gate control signal output from the transfer gate potential control circuit 72 falls from Vdd to Low2, the potential of the transfer gate electrode (41 in FIG. 2) becomes Low2, and the transfer gate MOSFET 65 Turns on.

このとき、リング状ゲート電位制御回路70により制御されるリング状ゲート電極配線69の電位は、図4(C)に示すように、LowからLow1になるが、Low2の方がLow1よりも大きい。Low1はLowと同じでもよい。最も簡便にはLow1=Low=0(V)に設定する。   At this time, the potential of the ring-shaped gate electrode wiring 69 controlled by the ring-shaped gate potential control circuit 70 changes from Low to Low1 as shown in FIG. 4C, but Low2 is larger than Low1. Low1 may be the same as Low. Most simply, Low1 = Low = 0 (V) is set.

一方、ソース電位制御回路75からスイッチSW1を介してソース電極配線74からリング状ゲートMOSFET63のソースに供給されるソース電位をはじめとする、全画素のソース電位は図4(D)に示すように電位S1に設定される。S1>Low1であり、これにより、リング状ゲートMOSFET63がオフのままであり、電流が流れないようにする。この結果、全画素のフォトダイオードに蓄積された電荷(ホール)が、対応する画素のリング状ゲート電極の下に一斉に転送される。   On the other hand, the source potential of all the pixels including the source potential supplied from the source potential control circuit 75 to the source of the ring-shaped gate MOSFET 63 from the source electrode wiring 74 through the switch SW1 is as shown in FIG. The potential is set to S1. S1> Low1, which keeps the ring-shaped gate MOSFET 63 off and prevents current from flowing. As a result, charges (holes) accumulated in the photodiodes of all the pixels are transferred all at once under the ring-shaped gate electrodes of the corresponding pixels.

図2(B)に示すリング状ゲート電極45の下の領域で、ソース近傍p型領域47が最もポテンシャルが低いので、フォトダイオードに蓄積されていたホールはソース近傍p型領域47に達し、そこに蓄積される。ホールが蓄積される結果、ソース近傍p型領域47の電位が上昇する。   In the region below the ring-shaped gate electrode 45 shown in FIG. 2 (B), the p-type region 47 near the source has the lowest potential, so the holes accumulated in the photodiode reach the p-type region 47 near the source. Accumulated in. As a result of the accumulation of holes, the potential of the p-type region 47 near the source rises.

続いて、図4(3)に示す期間では、同図(B)に示すように転送ゲート電極が再びVddになり、転送ゲートMOSFET65がオフになる。これにより、フォトダイオード(図2(A)の50、図3の64等)では再び光電変換効果により電子・ホール対が発生し、フォトダイオードの埋め込みp型領域49にホールが蓄積され始める。この蓄積動作は次の電荷転送時まで続けられる。 Subsequently, in the period shown in FIG. 4C, the transfer gate electrode becomes Vdd again and the transfer gate MOSFET 65 is turned off as shown in FIG. As a result, in the photodiode (50 in FIG. 2A, 64 in FIG. 3, etc.), electron-hole pairs are generated again due to the photoelectric conversion effect, and holes start to accumulate in the buried p -type region 49 of the photodiode. This accumulation operation is continued until the next charge transfer.

一方、読み出し操作は行単位で順番に行われるので、1行目〜(s−1)行目を読み出す期間(3)では、リング状ゲート電極の電位は図4(C)に示すようにLowの状態で、ソース近傍p型領域47にホールを蓄積したまま待機状態となる。ソース電位は他の行からの信号読み出しが行われている間、その画素からの信号の値により、様々な値をとり得る。また、リング状ゲート電極電位は行毎に様々な値をとり得るが、s行目ではLowに設定され、リング状ゲートMOSFET63がオフ状態である。   On the other hand, since the read operation is performed in units of rows, the potential of the ring-shaped gate electrode is low as shown in FIG. 4C in the period (3) in which the first to (s−1) th rows are read. In this state, a standby state is entered with holes accumulated in the p-type region 47 near the source. The source potential can take various values depending on the value of the signal from the pixel while the signal is read from another row. The ring-shaped gate electrode potential can take various values for each row, but is set to Low in the s-th row, and the ring-shaped gate MOSFET 63 is in an off state.

続く図4(4)〜(6)に示す期間では、画素の信号読み出しが行われる。s行目t列目の画素62について代表してこの信号読み出し動作について説明するに、まず、ソース近傍p型領域47にホールを蓄積した状態で、図4(E)に示す垂直シフトレジスタ68の出力信号が、同図(H)に示すようにローレベルである期間(4)において、リング状ゲート電位制御回路70からリング状ゲート電極配線69に出力される制御信号により、リング状ゲート電極45の電位を図4(K)に示すように、LowからVg1に上げる。   In the subsequent period shown in FIGS. 4 (4) to (6), pixel signal readout is performed. This signal readout operation will be described representatively for the pixel 62 in the s-th row and the t-th column. First, in the state where holes are accumulated in the p-type region 47 near the source, the vertical shift register 68 shown in FIG. In the period (4) in which the output signal is at a low level as shown in FIG. 5H, the ring-shaped gate electrode 45 is controlled by the control signal output from the ring-shaped gate potential control circuit 70 to the ring-shaped gate electrode wiring 69. Is raised from Low to Vg1, as shown in FIG.

ここで、上記の電位Vg1は、前述した各電位Low、Low1、Vddとの間に
Low≦Low1≦Vg1≦Vdd (ただし、Low<Vdd)
なる不等式が成立する電位である。また、上記の期間(4)ではスイッチSW1が図4(I)に示すようにオフ、スイッチSW2が同図(J)に示すようにオン、スイッチsc1が同図(M)に示すようにオン、スイッチsc2が同図(N)に示すようにオフとされる。
Here, the potential Vg1 is between the potentials Low, Low1, and Vdd described above.
Low ≦ Low1 ≦ Vg1 ≦ Vdd (where Low <Vdd)
Is an electric potential that holds the inequality. In the period (4), the switch SW1 is turned off as shown in FIG. 4I, the switch SW2 is turned on as shown in FIG. 4J, and the switch sc1 is turned on as shown in FIG. The switch sc2 is turned off as shown in FIG.

この結果、リング状ゲートMOSFET63のソースに接続されたソースフォロア回路が働き、リング状ゲートMOSFET63のソース電位は、図4(L)に示すように期間(4)ではS2(=Vg1−Vth1)となる。ここで、Vth1とはバックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがある状態での、リング状ゲートMOSFET63のしきい値電圧である。このソース電位S2がオンとされているスイッチsc1を通してキャパシタC1に記憶される。   As a result, the source follower circuit connected to the source of the ring-shaped gate MOSFET 63 works, and the source potential of the ring-shaped gate MOSFET 63 is S2 (= Vg1-Vth1) in the period (4) as shown in FIG. Become. Here, Vth1 is a threshold voltage of the ring-shaped gate MOSFET 63 in a state in which there is a hole in the back gate (p-type region 47 near the source). The source potential S2 is stored in the capacitor C1 through the switch sc1 that is turned on.

続く図4(5)に示す期間では、リング状ゲート電位制御回路70からリング状ゲート電極配線69に出力される制御信号により、リング状ゲート電極45の電位を図4(K)に示すようにHigh1に上げると同時に、同図(I)、(J)に示すようにスイッチSW1をオン、スイッチSW2をオフとすると共に、ソース電位制御回路75から出力されるソース電位を同図(L)に示すようにHighsに上げる。ここで、High1、Highs>Low1である。   In the subsequent period shown in FIG. 4 (5), the potential of the ring-shaped gate electrode 45 is set as shown in FIG. 4 (K) by the control signal output from the ring-shaped gate potential control circuit 70 to the ring-shaped gate electrode wiring 69. At the same time as raising to High1, the switch SW1 is turned on and the switch SW2 is turned off as shown in FIGS. 1I and 1J, and the source potential output from the source potential control circuit 75 is shown in FIG. Raise to Highs as shown. Here, High1 and Highs> Low1.

上記の電位High1及びHighsの値は同じであっても異なっていてもよいが、設計の簡単のためにはHigh1、Highs≦Vddが望ましい。簡便な設定では、High1=Highs=Vddとする。また、リング状ゲートMOSFET63がオンして電流が流れないような電位設定にすることが望ましい。この結果、ソース近傍p型領域47のポテンシャルが上昇し、nウェル43のバリアを越えてホールがエピタキシャル層42に排出される(リセット)。   The values of the potentials High1 and Highs may be the same or different, but High1 and Highs ≦ Vdd are desirable for simplicity of design. In a simple setting, High1 = Highs = Vdd. Further, it is desirable to set the potential so that the ring-shaped gate MOSFET 63 is turned on and no current flows. As a result, the potential of the p-type region 47 near the source rises, and holes are discharged to the epitaxial layer 42 beyond the barrier of the n-well 43 (reset).

続く図4(6)に示す期間では、再び前記期間(4)と同じ信号読み出し状態にする。ただし、期間(4)とは異なり、図4(M)、(N)に示すように、スイッチsc1はオフ、スイッチsc2はオンとする。リング状ゲート電極は図4(K)に示すように期間(4)と同じVg1とする。しかし、この期間(6)では直前の期間(5)でホールが基板に排出されていて、ソース近傍p型領域47にはホールが存在しないので、リング状ゲートMOSFET63のソース電位は、図4(L)に示すように期間(6)ではS0(=Vg1−Vth0)となる。ここでVth0は、バックゲート(ソース近傍p型領域47)にホールがない状態でのリング状ゲートMOSFET63のしきい値電圧である。   In the subsequent period shown in FIG. 4 (6), the same signal readout state as in the period (4) is set again. However, unlike the period (4), as shown in FIGS. 4M and 4N, the switch sc1 is turned off and the switch sc2 is turned on. The ring-shaped gate electrode is set to Vg1 which is the same as that in the period (4) as shown in FIG. However, in this period (6), holes are discharged to the substrate in the immediately preceding period (5), and no holes are present in the p-type region 47 near the source. Therefore, the source potential of the ring-shaped gate MOSFET 63 is as shown in FIG. L), the period (6) is S0 (= Vg1-Vth0). Here, Vth0 is the threshold voltage of the ring-shaped gate MOSFET 63 in a state where there is no hole in the back gate (p-type region 47 near the source).

このソース電位S0はオンとされたスイッチsc2を介してキャパシタC2に記憶される。差動アンプ78はキャパシタC1とC2の電位差を出力する。すなわち、差動アンプ78は(Vth0−Vth1)を出力する。この出力値(Vth0−Vth1)は、ホール電荷によるしきい値変化分である。その後、水平シフトレジスタ79から出力される図4(F)に示すパルスのうち、同図(O)に示すt列目の出力パルスに基づき、図3の出力スイッチswtがオンとされ、このswtのオン期間に図4(P)にハッチングにより模式的に示すように、差動アンプ78からのホール電荷によるしきい値変化分が画素62の出力信号Voutとしてセンサ外へ出力される。   The source potential S0 is stored in the capacitor C2 through the switch sc2 that is turned on. The differential amplifier 78 outputs the potential difference between the capacitors C1 and C2. That is, the differential amplifier 78 outputs (Vth0−Vth1). This output value (Vth0-Vth1) is a change in threshold value due to hole charge. Thereafter, among the pulses shown in FIG. 4F output from the horizontal shift register 79, the output switch swt in FIG. 3 is turned on based on the output pulse in the t-th column shown in FIG. During the ON period, as schematically shown by hatching in FIG. 4 (P), the threshold value change due to the Hall charge from the differential amplifier 78 is output to the outside of the sensor as the output signal Vout of the pixel 62.

続いて、図4に(7)で示す期間では、再びリング状ゲート電極45の電位を図4(B)に示すようにLowにし、ソース近傍p型領域47にはホールがない状態で、全ての行の信号処理が終了するまで(s+1行〜n行の画素の読み出しが終了するまで)待機する。これらの読み出し期間中、フォトダイオード64では光電変換効果によるホールの蓄積が進行している。その後、前記期間(1)に戻って、ホールの転送から繰り返す。これにより、各画素から図4(G)に示す出力信号が読み出される。すべての画素から信号を読み出すと、再び次のフレームが開始される。   Subsequently, in the period indicated by (7) in FIG. 4, the potential of the ring-shaped gate electrode 45 is set to low again as shown in FIG. It waits until the signal processing of the next row is completed (until the readout of the pixels of the s + 1 row to the nth row is completed). During these readout periods, the photodiode 64 is accumulating holes due to the photoelectric conversion effect. Thereafter, the process returns to the period (1) and repeats from the hole transfer. As a result, the output signal shown in FIG. 4G is read from each pixel. When signals are read from all pixels, the next frame is started again.

上記の図2(A)、(B)に示す構成の固体撮像素子は、リング状のゲート電極45を持つリング状ゲートMOSFET63が増幅用MOSFETであり、図3に示したように各画素内に増幅用MOSFETを持つという意味で、CMOSセンサの一種である。そして、このCMOSセンサは、フォトダイオードに蓄積された電荷(ホール)が、対応する画素のリング状ゲート電極の下のソース近傍p型領域47に一斉に転送されるようにすることで、グローバルシャッタを実現している。   2A and 2B, the ring-shaped gate MOSFET 63 having the ring-shaped gate electrode 45 is an amplifying MOSFET, and as shown in FIG. It is a kind of CMOS sensor in the sense that it has an amplifying MOSFET. In this CMOS sensor, the charge (hole) accumulated in the photodiode is transferred to the p-type region 47 in the vicinity of the source under the ring-shaped gate electrode of the corresponding pixel at the same time. Is realized.

なお、図4の期間(5)のリセット時のソース電極配線74の電位供給は、ソース電位制御回路75から供給する以外の次の方法もある。すなわち、上記期間(5)でスイッチSW1、SW2をともにオフとして、ソース電極配線74をフローティングにする。ここでリング状ゲート電極配線69の電位をHigh1とすると、リング状ゲートMOSFET63がオン状態となり、ソース電極にドレインから電流が供給され、ソース電極電位が上昇する。この結果、ソース近傍p型領域47のポテンシャルが持ち上げられ、nウェル43のバリアを越えて、ホールがp型エピタキシャル層42に排出される(リセット)。ホールが完全に排出されたときのソース電極電位は、High1−Vth0になる。この方法では、ソース電位制御回路75のうち、Highsを供給するトランジスタを削減することができ、その結果、チップ面積を減らすことができる。   Note that the potential supply of the source electrode wiring 74 at the time of resetting in the period (5) of FIG. That is, in the period (5), both the switches SW1 and SW2 are turned off, and the source electrode wiring 74 is floated. Here, when the potential of the ring-shaped gate electrode wiring 69 is High1, the ring-shaped gate MOSFET 63 is turned on, current is supplied from the drain to the source electrode, and the source electrode potential rises. As a result, the potential of the p-type region 47 in the vicinity of the source is raised, and holes are discharged to the p-type epitaxial layer 42 beyond the barrier of the n-well 43 (reset). The source electrode potential when the holes are completely discharged becomes High1-Vth0. This method can reduce the number of transistors that supply Highs in the source potential control circuit 75, and as a result, the chip area can be reduced.

なお、図3の画素62の回路構成は簡略化して示してある。画素62の回路は、厳密には、転送ゲートMOSFET65のソースとリング状ゲートMOSFET63のバックゲートとの間に、リング状ゲート電極配線69と転送ゲート電極配線71の各電位に連動したスイッチが設けられる構成である。このスイッチは、リング状ゲート電極配線69の電位Low1と、転送ゲート電極配線71の電位Low2との間に、Low1≦Low2の関係があるときはオン状態になり、Low1>Low2の関係があるときにはオフ状態になる。   Note that the circuit configuration of the pixel 62 in FIG. 3 is simplified. Strictly speaking, the circuit of the pixel 62 is provided with a switch linked to each potential of the ring-shaped gate electrode wiring 69 and the transfer gate electrode wiring 71 between the source of the transfer gate MOSFET 65 and the back gate of the ring-shaped gate MOSFET 63. It is a configuration. This switch is turned on when there is a relationship of Low1 ≦ Low2 between the potential Low1 of the ring-shaped gate electrode wiring 69 and the potential Low2 of the transfer gate electrode wiring 71, and when there is a relationship of Low1> Low2. Turns off.

このスイッチを設けることにより、リング状ゲート電極45(電位Low1)の下の基板電位が、転送ゲート電極61(電位Low2)の下の基板電位よりも高くなっていて、リング状ゲート電極45(電位Low1)の下の基板電位がバリアとして働き、ホールがソース近傍p型領域47に達することができないという現象を回路的に表現できる。しかしながら、転送時は上記のLow1≦Low2の条件は、電位制御回路70、72等により常に満たされているので、図3ではこのスイッチを省略して図示している。   By providing this switch, the substrate potential under the ring-shaped gate electrode 45 (potential Low1) is higher than the substrate potential under the transfer gate electrode 61 (potential Low2), and the ring-shaped gate electrode 45 (potential). The phenomenon that the substrate potential under Low 1) functions as a barrier and the holes cannot reach the p-type region 47 near the source can be expressed in a circuit form. However, at the time of transfer, the above condition of Low1 ≦ Low2 is always satisfied by the potential control circuits 70, 72, etc., and therefore this switch is omitted in FIG.

このように、本実施の形態で用いるグローバルシャッタ型CMOSセンサ103は、図2〜図4と共に説明したように、露光は各ライン毎にタイミングがずれることなく同一の1フレーム期間で行われ、一定期間の露光後、グローバルシャッタ型CMOSセンサ103内の転送ゲート(図3の転送ゲートMOSFET65等)により、全画素の電荷が電荷転送期間のタイミングで読み出し回路に一斉に転送される。その後、読み出し回路により読み出し期間内で、順次各画素からの信号が読み出される。このことにより、移動する被写体を撮像した場合でも、撮像画像は被写体の画像と異なる画像歪みは発生しない。   As described above, in the global shutter type CMOS sensor 103 used in the present embodiment, as described with reference to FIGS. 2 to 4, the exposure is performed in the same one frame period without shifting the timing for each line. After the exposure for the period, the charges of all the pixels are transferred all at once to the readout circuit at the timing of the charge transfer period by the transfer gate (transfer gate MOSFET 65, etc. in FIG. 3) in the global shutter CMOS sensor 103. Thereafter, signals from each pixel are sequentially read out by the readout circuit within the readout period. Thus, even when a moving subject is imaged, the captured image does not generate image distortion different from the image of the subject.

このため、図1に示した本実施の形態の画像展開手段104が、グローバルシャッタ型CMOSセンサ103から出力された映像信号をパノラマ展開して、図9に示したようなパノラマ展開後の画像を得たときに、被写体画像が動いていても、そのパノラマ展開後の画像が場所により複雑に変形するということがなくなり、その結果、従来に比べて歪みが十分に補正された全方位のパノラマ画像を得ることができる。また、メカニカルシャッタが不要であるので、構成が複雑化することや消費電力の増加が避けられる。   For this reason, the image expanding means 104 of the present embodiment shown in FIG. 1 panoramicly develops the video signal output from the global shutter type CMOS sensor 103, and the panoramic expanded image as shown in FIG. 9 is obtained. When obtained, even if the subject image is moving, the panorama image will not be complicatedly deformed depending on the location, and as a result, an omnidirectional panoramic image with sufficiently corrected distortion compared to the conventional image Can be obtained. Further, since a mechanical shutter is not necessary, the configuration is complicated and an increase in power consumption can be avoided.

本発明の全方位カメラの一実施の形態のブロック図である。It is a block diagram of one embodiment of an omnidirectional camera of the present invention. 図1中のグローバルシャッタ型CMOSセンサの1画素分の素子構造の平面図とそのX−X’線に伴う断面図である。FIG. 2 is a plan view of an element structure for one pixel of the global shutter CMOS sensor in FIG. 1 and a cross-sectional view taken along line X-X ′. 本発明で用いるグローバルシャッタ型CMOSセンサの全体構成を電気等価回路で示した図である。It is the figure which showed the whole structure of the global shutter type | mold CMOS sensor used by this invention with the electrical equivalent circuit. 図2のCMOSセンサの動作を説明するタイミングチャートである。3 is a timing chart for explaining the operation of the CMOS sensor of FIG. 2. 従来の全方位カメラの一例のブロック図である。It is a block diagram of an example of the conventional omnidirectional camera. 従来の全方位カメラで用いられるローリングシャッタ型CMOSセンサの一例の回路図である。It is a circuit diagram of an example of the rolling shutter type CMOS sensor used with the conventional omnidirectional camera. 図6の動作説明用タイミングチャートである。7 is a timing chart for explaining the operation of FIG. 6. 全方位カメラの撮像素子上に映っている映像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the image | video currently reflected on the image pick-up element of an omnidirectional camera. 図8の映像をパノラマ展開した後のパノラマ映像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the panoramic image after carrying out panorama expansion | deployment of the image | video of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

43 nウェル
45 リング状ゲート電極
46 n型ソース領域
47 ソース近傍p型領域
48 n型ドレイン領域
49 埋め込みp型領域
50、64 フォトダイオード
51 転送ゲート電極
52、66 ドレイン電極配線
53、69 リング状ゲート電極配線
54、74 ソース電極配線(出力線)
55、71 転送ゲート電極配線
61 画素敷き詰め領域
62 画素
63 リング状ゲートMOSFET
65 転送ゲートMOSFET
100 全方位カメラ
101 ミラー
102 集光用光学系
103 グローバルシャッタ型CMOSセンサ
104 画像展開手段
105 光路



43 n well 45 ring-shaped gate electrode 46 n + type source region 47 near source p type region 48 n + type drain region 49 buried p type region 50, 64 photodiode 51 transfer gate electrode 52, 66 drain electrode wiring 53, 69 Ring-shaped gate electrode wiring 54, 74 Source electrode wiring (output line)
55, 71 Transfer gate electrode wiring 61 Pixel covering area 62 Pixel 63 Ring-shaped gate MOSFET
65 Transfer gate MOSFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Omnidirectional camera 101 Mirror 102 Condensing optical system 103 Global shutter type CMOS sensor 104 Image expansion means 105 Optical path



Claims (2)

固体撮像素子を用いて全方位の撮像を行う全方位カメラにおいて、
全方位の被写体からの光を反射する反射手段と、
被写体の光学像を複数の全画素のフォトダイオードに露光の開始と終了のタイミングが全画素同時となるように露光して光電変換して得た電荷を全画素に蓄積した後、前記露光期間に蓄積した電荷を各画素から前記撮像信号として順次出力する、前記固体撮像素子としてのグローバルシャッタ型CMOSセンサと、
前記反射手段により反射された前記被写体からの光を集光して、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサに前記被写体の光学像を結像する集光用光学系と、
前記グローバルシャッタ型CMOSセンサから出力された撮像信号をパノラマ映像に展開する画像展開手段と、
を備え、
前記グローバルシャッタ型CMOSセンサは、
半導体基板上に形成された第1導電型のウェル、及び前記ウェルにおける所定の第1の領域とは異なる第2の領域に形成されて前記ウェルに接続する第2導電型の埋め込み部を有し、前記光学像を光電変換して電荷を蓄積するフォトダイオードと、
前記第1の領域上にゲート酸化膜を介して形成されたリング状ゲート電極と、前記リング状ゲート電極の中央開口部に対応する前記ウェル内の領域に形成された第1導電型の第1ソース部と、前記第1ソース部の周囲に前記リング状ゲート電極の外周に達しないように、かつ、前記ゲート酸化膜に接しないように前記ウェル内に埋め込まれて形成されて前記第1ソース部に接続し前記フォトダイオードから転送された前記電荷を蓄積する第2導電型のソース近傍領域部と、前記ウェルにおける前記第1の領域とは異なる第3の領域に前記第1ソース部及び前記ソース近傍領域部に離間して形成された第1導電型の第1ドレイン部とを有し、前記ソース近傍領域部に蓄積された電荷を前記撮像信号として出力するリング状ゲートトランジスタと、
前記第1の領域上に、前記リング状ゲート電極の一部を覆うように形成された転送ゲート電極を有し、前記埋め込み部を第2ソース部とし、前記ソース近傍領域部を第2ドレイン部とし、前記フォトダイオードに蓄積された前記電荷を前記リング状ゲートトランジスタへ全画素一斉に転送する転送ゲートトランジスタと、
を画素毎に備え
前記転送ゲート電極から前記リング状ゲート電極までの前記ゲート酸化膜の直下には前記ウェルが連続して存在しており、前記転送ゲート電極及び前記リング状ゲート電極の各電位に応じて前記転送ゲート電極と前記リング状ゲート電極との間の前記ウェルの表層部に電荷転送のバリアが発生又は消失し、前記グローバルシャッタ型CMOSセンサは、前記フォトダイオードにおける電荷の蓄積を、次の電荷転送が開始されるまで前記撮像信号の出力期間中も継続して行い、前記撮像信号をフレーム毎に連続して出力することを特徴とする全方位カメラ。
In an omnidirectional camera that performs omnidirectional imaging using a solid-state image sensor,
Reflecting means for reflecting light from an omnidirectional subject;
After storing a charge start timing of the end of the exposure of an optical image of an object into a plurality of photodiodes of all pixels obtained by photoelectric conversion by exposure so that all the pixels simultaneously to all pixels, the period of the exposure A global shutter type CMOS sensor as the solid-state imaging device, which sequentially outputs the charge accumulated in each pixel as the imaging signal;
A condensing optical system for condensing light from the subject reflected by the reflecting means and forming an optical image of the subject on the global shutter CMOS sensor;
Image expansion means for expanding the imaging signal output from the global shutter type CMOS sensor into a panoramic image;
With
The global shutter CMOS sensor is
A first conductivity type well formed on a semiconductor substrate; and a second conductivity type buried portion formed in a second region different from a predetermined first region in the well and connected to the well. A photodiode that photoelectrically converts the optical image and accumulates charges;
A ring-shaped gate electrode formed on the first region via a gate oxide film, and a first conductivity type first formed in a region in the well corresponding to a central opening of the ring-shaped gate electrode The first source is formed so as to be embedded in the well so as not to reach the outer periphery of the ring-shaped gate electrode and around the first source part and so as not to contact the gate oxide film. And a source vicinity region portion of a second conductivity type that stores the charge transferred from the photodiode connected to the portion, and a third region different from the first region in the well, and the first source portion and the A ring-shaped gate transistor having a first conductivity type first drain portion formed apart from the source vicinity region portion and outputting the charge accumulated in the source vicinity region portion as the imaging signal;
There is a transfer gate electrode formed on the first region so as to cover a part of the ring-shaped gate electrode, the buried portion is a second source portion, and the source vicinity region portion is a second drain portion. A transfer gate transistor that transfers the charges accumulated in the photodiode to the ring gate transistor all at once, and
For each pixel ,
The well is continuously present immediately below the gate oxide film from the transfer gate electrode to the ring-shaped gate electrode, and the transfer gate according to each potential of the transfer gate electrode and the ring-shaped gate electrode A charge transfer barrier occurs or disappears in the surface layer of the well between the electrode and the ring-shaped gate electrode, and the global shutter type CMOS sensor starts to accumulate charges in the photodiode and starts the next charge transfer. The omnidirectional camera is characterized by continuously performing the imaging signal output period until the imaging signal is output, and continuously outputting the imaging signal for each frame .
前記リング状ゲート電極の電位を制御するリング状ゲート電位制御回路部と、
前記転送ゲート電極の電位を制御する転送ゲート電位制御回路部と、
を更に備えていることを特徴とする請求項1記載の全方位カメラ。
A ring-shaped gate potential control circuit for controlling the potential of the ring-shaped gate electrode;
A transfer gate potential control circuit unit for controlling the potential of the transfer gate electrode;
The omnidirectional camera according to claim 1, further comprising:
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