JP6700723B2 - Imaging device and driving method of imaging device - Google Patents

Imaging device and driving method of imaging device Download PDF

Info

Publication number
JP6700723B2
JP6700723B2 JP2015217008A JP2015217008A JP6700723B2 JP 6700723 B2 JP6700723 B2 JP 6700723B2 JP 2015217008 A JP2015217008 A JP 2015217008A JP 2015217008 A JP2015217008 A JP 2015217008A JP 6700723 B2 JP6700723 B2 JP 6700723B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
period
unit
charge
sampling
frame
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015217008A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016119652A5 (en
JP2016119652A (en
Inventor
繁田 和之
和之 繁田
紀之 海部
紀之 海部
寿士 高堂
寿士 高堂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to US14/956,798 priority Critical patent/US9912886B2/en
Priority to CN201910040813.6A priority patent/CN109905611B/en
Priority to CN201510937290.7A priority patent/CN105721783B/en
Priority to DE102015121971.9A priority patent/DE102015121971A1/en
Publication of JP2016119652A publication Critical patent/JP2016119652A/en
Priority to US15/885,973 priority patent/US10244192B2/en
Publication of JP2016119652A5 publication Critical patent/JP2016119652A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6700723B2 publication Critical patent/JP6700723B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

本発明は、撮像装置及び撮像素子の駆動方法に関する。   The present invention relates to an image pickup apparatus and a method for driving an image pickup element.

一般に、車載用や監視用の撮像装置は、広いダイナミックレンジ性能が求められる。またデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラにおいても、広いダイナミックレンジ性能が求められるようになってきた。これに対して、短い露光時間の画像と長い露光時間の画像とを合成してダイナミックレンジの広い画像を生成する方法が知られている。   In general, a vehicle-mounted or surveillance imaging device is required to have a wide dynamic range performance. In addition, a wide dynamic range performance is required for a digital still camera and a digital video camera. On the other hand, a method is known in which an image with a short exposure time and an image with a long exposure time are combined to generate an image with a wide dynamic range.

一方、LED光源や蛍光灯などの光源には、商用電源に同期して点滅しているものも多い。このため短い露光時間で撮像すると、人の目には点灯しているように見える光源が、静止画において、点灯していないように撮像される場合がある。また動画において、激しく点滅しているように撮像される場合がある。   On the other hand, many light sources such as LED light sources and fluorescent lamps blink in synchronization with a commercial power source. Therefore, when an image is captured with a short exposure time, a light source that appears to be illuminated by human eyes may be captured as a non-illuminated image in a still image. In addition, in a moving image, an image may be captured as if it were blinking violently.

特許文献1には、照明のエネルギー変動周期を検出する変動検出手段により、光源の変動周期を検出することが記載されている。この変動周期に合わせ全体の露光期間を決定し、この露光期間を一定の割合で有効露光期間と無効露光期間とに交互に分割する。撮像手段により蓄積された電荷のうち、有効露光期間中に蓄積された電荷のみを電気信号に変換することによって、光源の変動周期に合わせた短い露光時間の画像を取得する撮像装置が示されている。   Patent Document 1 describes that the fluctuation detection unit that detects the energy fluctuation cycle of illumination detects the fluctuation cycle of the light source. The entire exposure period is determined in accordance with this fluctuation cycle, and this exposure period is alternately divided into a valid exposure period and an invalid exposure period at a constant rate. An image pickup apparatus is shown that acquires an image of a short exposure time that matches a fluctuation cycle of a light source by converting only an electric charge accumulated during an effective exposure period among electric charges accumulated by an imaging unit into an electric signal. There is.

特開2007−6049号公報JP, 2007-6049, A

ダイナミックレンジの拡大と光源の点滅による影響の抑制との両方を実現するために、特許文献1の撮像装置で、短い露光時間での撮像と長い露光時間での撮像とをフレームごとに交互に行うことが考えられる。しかし、本発明者は、このような装置では画像を正しく取得することが困難であることを見出した。特許文献1の撮像装置で短い露光時間の撮像を行う際、光電変換部から電荷排出及び電荷転送を複数回行う必要があるため、フローティングディフュージョンなどのメモリが必要となる。nフレーム目の有効露光期間に光電変換部で生成された電荷は、同じnフレーム目の間にメモリに断続的に転送され、次いでn+1フレーム目に掛けてメモリから順次、後段の記憶部へ転送される。特許文献1の撮像装置は、短い露光時間の撮像のために、1フレームを一定の割合で有効露光期間と無効露光期間とに交互に分割している。このため、n+1フレーム目で短い露光時間の撮像を行った場合、メモリにおいてnフレーム目の電荷とn+1フレーム目の電荷とが重畳してしまう可能性がある。この結果、連続するフレームで異なる露光時間の撮像をすることが難しい。フレームレートを確保しつつ、複数の異なる露光時間の画像を合成し、ダイナミックレンジの広い1つの画像を取得するため、連続するフレームで異なる露光時間で撮像し画像を出力することが望まれる。本発明は、撮像装置において、光源の点滅による影響を抑制しながら、ダイナミックレンジの広い画像の取得する技術を提供することを目的とする。   In order to realize both the expansion of the dynamic range and the suppression of the influence of the blinking of the light source, the imaging device of Patent Document 1 alternately performs imaging with a short exposure time and imaging with a long exposure time for each frame. It is possible. However, the present inventor has found that it is difficult to correctly acquire an image with such a device. When the imaging device of Patent Document 1 performs imaging with a short exposure time, it is necessary to discharge and transfer charges from the photoelectric conversion unit a plurality of times, and thus a memory such as a floating diffusion is required. The charges generated in the photoelectric conversion unit during the effective exposure period of the nth frame are intermittently transferred to the memory during the same nth frame, and then sequentially transferred from the memory to the subsequent storage unit in the (n+1)th frame. To be done. The image pickup apparatus of Patent Document 1 alternately divides one frame into a valid exposure period and an invalid exposure period at a constant rate in order to capture a short exposure time. Therefore, when imaging is performed for a short exposure time in the (n+1)th frame, the charges in the nth frame and the charges in the (n+1)th frame may overlap in the memory. As a result, it is difficult to capture images with different exposure times in successive frames. In order to obtain a single image with a wide dynamic range by synthesizing a plurality of images with different exposure times while ensuring the frame rate, it is desirable to capture and output images with different exposure times in consecutive frames. It is an object of the present invention to provide a technique for acquiring an image with a wide dynamic range in an imaging device while suppressing the influence of blinking of a light source.

上記課題に鑑みて、本発明の実施形態に係る撮像装置は、撮像素子と、撮像素子を制御する制御部と、を備え、撮像素子は、複数の画素を有し、複数の画素の各画素は、光電変換部と、電荷保持部と、出力部と、光電変換部で生成された電荷を電荷保持部に転送する第1の転送部と、電荷保持部に保持された電荷を出力部に転送する第2の転送部と、を含み、制御部は、光電変換部で生成された電荷を第1の転送部によって電荷保持部に転送し保持する保持動作と、電荷保持部に保持されている電荷を第2の転送部によって出力部に転送する転送動作と、を撮像素子に繰り返し行わせ、制御部は、保持動作として、第1の露光時間において光電変換部で生成された電荷を第1の転送部によって電荷保持部に転送し保持する第1のサンプリング動作を、1フレームの期間に複数回行う第1の保持動作と、第1の露光時間よりも長い第2の露光時間において光電変換部で生成された電荷を第1の転送部によって電荷保持部に転送し保持する第2のサンプリング動作を、1フレームの期間に1回以上行う第2の保持動作と、を含む複数の保持動作を、撮像素子に行わせ、1フレームの期間のうち、最初の第1のサンプリング動作を開始してから最後の第1のサンプリング動作を終了するまでの期間が、1フレームの期間のうち最初の第2のサンプリング動作を開始してから最後の第2のサンプリング動作を終了するまでの期間よりも短いことを特徴とする。 In view of the above problem, an imaging device according to an embodiment of the present invention includes an imaging element and a control unit that controls the imaging element, and the imaging element has a plurality of pixels and each pixel of the plurality of pixels. Is a photoelectric conversion unit, a charge holding unit, an output unit, a first transfer unit that transfers the charges generated in the photoelectric conversion unit to the charge holding unit, and the charge held in the charge holding unit to the output unit. A second transfer unit for transferring, the control unit transfers a charge generated by the photoelectric conversion unit to the charge holding unit by the first transfer unit and holds the charge holding unit, and a holding operation for holding the charge holding unit. A transfer operation of transferring the stored charge to the output section by the second transfer section is repeatedly performed by the image pickup device, and the control section performs the holding operation to transfer the charge generated in the photoelectric conversion section during the first exposure time. In the first holding operation of performing the first sampling operation of transferring and holding the charge to the charge holding unit by the first transfer unit a plurality of times in the period of one frame, and the photoelectric conversion in the second exposure time longer than the first exposure time. A plurality of holding operations including a second holding operation of performing the second sampling operation of transferring the charges generated by the conversion unit to the charge holding unit by the first transfer unit and holding the charges once or more in one frame period. the operation, to perform the image pickup device, of the period of one frame, the period from the start of the first first sampling operation until the end of the last first sampling operation, out of the period of one frame It is characterized in that it is shorter than the period from the start of the first second sampling operation to the end of the final second sampling operation .

上記手段により、撮像装置において、光源の点滅による影響を抑制しながら、ダイナミックレンジの広い画像の取得する技術が提供される。   By the above means, a technique for acquiring an image with a wide dynamic range is provided in the imaging device while suppressing the influence of the blinking of the light source.

本発明の第1の実施形態に係る撮像装置のブロック図。FIG. 3 is a block diagram of the image pickup apparatus according to the first embodiment of the present invention. 図1の撮像装置の動作を説明するタイミング図。FIG. 3 is a timing diagram illustrating the operation of the image pickup apparatus in FIG. 1. 図1の撮像装置の画素部分の等価回路図。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of the image pickup device of FIG. 1. 図1の撮像装置の画像処理部の構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an image processing unit of the image pickup apparatus of FIG. 1. 図1の撮像装置の画像の合成方法について説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating a method of synthesizing images by the image pickup apparatus in FIG. 1. 本発明の第2の実施形態に係る撮像装置の動作を説明するタイミング図。FIG. 6 is a timing diagram illustrating an operation of the image pickup apparatus according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態に係る撮像装置の動作を説明するタイミング図。FIG. 9 is a timing diagram illustrating an operation of the image pickup apparatus according to the third embodiment of the present invention. 本発明の第4の実施形態に係る撮像装置のブロック図。The block diagram of the imaging device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 図8の撮像装置の画素部分の等価回路図。FIG. 9 is an equivalent circuit diagram of a pixel portion of the image pickup device in FIG. 8. 図8の撮像装置の動作を説明するタイミング図。FIG. 9 is a timing diagram illustrating the operation of the image pickup apparatus in FIG. 8.

以下、本発明に係る撮像装置の具体的な実施形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び図面において、複数の図面に渡って共通の構成については共通の符号を付している。そのため、複数の図面を相互に参照して共通する構成を説明し、共通の符号を付した構成については適宜説明を省略する。   Hereinafter, specific embodiments of an image pickup apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description and drawings, common reference numerals are given to common configurations across a plurality of drawings. Therefore, common configurations will be described with reference to a plurality of drawings, and descriptions of configurations with common reference numerals will be appropriately omitted.

第1の実施形態
図1から図5を参照して、本発明の一部の実施形態による撮像装置の構造及び撮像装置に含まれる撮像素子の駆動方法を説明する。図1は、本発明の第1の実施形態における撮像装置101の構成例を模式的に示すブロック図である。本実施形態において撮像装置101は、例えばダイナミックレンジを拡大した画像を表示する表示部と、ダイナミックレンジを拡大した画像を記録する内蔵された記録媒体部とを有する、車載用や監視用などの動画記録用カメラである。撮像装置101は、撮像素子102、制御部103、画像処理部104、画像表示部105及び画像記録部106を備える。
First Embodiment With reference to FIGS. 1 to 5, a structure of an image pickup apparatus and a driving method of an image pickup element included in the image pickup apparatus according to some embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration example of an image pickup apparatus 101 according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, the imaging apparatus 101 has, for example, a moving image for mounting on a vehicle or for monitoring, which includes a display unit that displays an image with an expanded dynamic range and a built-in recording medium unit that records an image with an expanded dynamic range. It is a recording camera. The image capturing apparatus 101 includes an image sensor 102, a control unit 103, an image processing unit 104, an image display unit 105, and an image recording unit 106.

撮像素子102には、複数の画素が2次元にアレイ状に配される。図1には4つの画素120を示すが、撮像素子102にはこれらの画素120が複数、2次元にアレイ状に配される。撮像素子102の画素120は、光電変換部107、リセット部108、第1の転送部109、電荷保持部110、第2の転送部111及び出力部112を有する。光電変換部107は、入射した光を電荷などの電気信号に変換する機能を有し、例えばフォトダイオードである。リセット部108は、光電変換部107の電荷による電位をリセットする。光電変換部107で生成された電荷は、第1の転送部109によって電荷保持部110に転送される。電荷は一時、電荷保持部110で保持される。電荷保持部110で保持された電荷は、第2の転送部111によって、撮像素子102の後段回路である出力部112に転送される。出力部112は、撮像素子102から画像処理部104へ画像を出力する。撮像素子102が入射光に応じた電荷を生成し、当該電荷を電荷保持部110に保持する一連の動作をサンプリング動作と呼ぶ。本実施形態のサンプリング動作は、光電変換部107の電荷による電位をリセットするリセット動作と、光電変換部107に電荷が蓄積されるのを待機する露光動作と、光電変換部107に蓄積された電荷を電荷保持部110へ転送し保持する動作とで構成される。露光動作に要する時間を露光時間と呼ぶ。   In the image sensor 102, a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional array. Although four pixels 120 are shown in FIG. 1, a plurality of these pixels 120 are two-dimensionally arranged in an array on the image sensor 102. The pixel 120 of the image sensor 102 includes a photoelectric conversion unit 107, a reset unit 108, a first transfer unit 109, a charge holding unit 110, a second transfer unit 111, and an output unit 112. The photoelectric conversion unit 107 has a function of converting incident light into an electric signal such as an electric charge, and is a photodiode, for example. The reset unit 108 resets the potential due to the electric charge of the photoelectric conversion unit 107. The charges generated by the photoelectric conversion unit 107 are transferred to the charge holding unit 110 by the first transfer unit 109. The charges are temporarily held by the charge holding unit 110. The charges held by the charge holding unit 110 are transferred by the second transfer unit 111 to the output unit 112 that is a subsequent circuit of the image sensor 102. The output unit 112 outputs an image from the image sensor 102 to the image processing unit 104. A series of operations in which the image sensor 102 generates electric charges according to incident light and holds the electric charges in the electric charge holding unit 110 is called a sampling operation. The sampling operation of this embodiment includes a reset operation for resetting the potential of the photoelectric conversion unit 107 due to electric charges, an exposure operation for waiting for the electric charges to be accumulated in the photoelectric conversion unit 107, and an electric charge accumulated in the photoelectric conversion unit 107. Is transferred to and held in the charge holding unit 110. The time required for the exposure operation is called exposure time.

次いで制御部103について説明する。制御部103は、撮像素子102を駆動するためのパルス信号を生成する。制御部103は、サンプリング動作切替部113、第1のパルス生成部114及び第2のパルス生成部115を有する。サンプリング動作切替部113は、撮像素子102を駆動するためのパルス信号を供給するためのタイミングのうち、上述のサンプリング動作に関わるタイミングを、画像のフレームごとに順次、切り替える機能を有する。第1のパルス生成部114及び第2のパルス生成部115は、サンプリング動作用のパルス信号を生成する。それぞれのパルス生成部で生成されたパルス信号は、サンプリング動作切替部113によって、連続する複数のフレームにおいて、フレームごとに順次、切り替えられ、制御部103から撮像素子102に送られる。   Next, the control unit 103 will be described. The control unit 103 generates a pulse signal for driving the image sensor 102. The control unit 103 includes a sampling operation switching unit 113, a first pulse generation unit 114, and a second pulse generation unit 115. The sampling operation switching unit 113 has a function of sequentially switching, for each frame of an image, the timing related to the above-described sampling operation among the timings for supplying the pulse signal for driving the image sensor 102. The first pulse generator 114 and the second pulse generator 115 generate pulse signals for sampling operation. The pulse signals generated by the respective pulse generators are sequentially switched by the sampling operation switching unit 113 in each of a plurality of consecutive frames, and are sent from the control unit 103 to the image sensor 102.

第1のパルス生成部114は、第1の保持動作と、第1の転送動作とを含む第1の電荷転送動作を撮像素子102で行わせるパルス信号を生成する。第1の保持動作とは、露光時間が短い第1の露光時間でのサンプリング動作を1フレームの期間に複数回行う動作のことである。露光時間が短いサンプリング動作を短時間サンプリング動作と呼ぶ。短時間サンプリング動作は第1のサンプリング動作とも呼ばれる。第1の転送動作とは、第1の保持動作によって電荷保持部110に保持されている信号電荷を出力部112へ転送する動作のことである。第1の電荷転送動作によって、複数回の短時間サンプリング動作によって生成された信号電荷が電荷保持部110で重畳され、その後に出力部112へ転送される。すなわち、撮像素子102は、短い露光時間で多重露光した画像を出力する。   The first pulse generation unit 114 generates a pulse signal that causes the image sensor 102 to perform a first charge transfer operation including a first holding operation and a first transfer operation. The first holding operation is an operation of performing a sampling operation with a first exposure time that is short in exposure time a plurality of times during a period of one frame. A sampling operation with a short exposure time is called a short time sampling operation. The short time sampling operation is also called a first sampling operation. The first transfer operation is an operation of transferring the signal charge held in the charge holding portion 110 by the first holding operation to the output portion 112. By the first charge transfer operation, signal charges generated by a plurality of short-time sampling operations are superimposed on the charge holding unit 110, and then transferred to the output unit 112. That is, the image pickup device 102 outputs an image subjected to multiple exposure in a short exposure time.

第2のパルス生成部115は、第2の保持動作と、第2の転送動作とを含む第2の電荷転送動作を撮像素子102で行わせるパルス信号を生成する。第2の保持動作とは、露光時間が長い第2の露光時間でのサンプリング動作を1フレームの期間に1回以上行う動作のことである。露光時間が長いサンプリング動作を長時間サンプリング動作と呼ぶ。長時間サンプリング動作は第2のサンプリング動作とも呼ばれる。長時間サンプリング動作の露光時間は短時間サンプリング動作の露光時間よりも長い。本実施形態において、第2の保持動作では、1フレームの期間に1回のみ長時間サンプリング動作が行われる。第2の転送動作とは、第2の保持動作によって電荷保持部110に保持されている信号電荷を出力部112へ転送する動作のことである。第2の電荷転送動作によって、1回の長時間サンプリング動作によって生成された信号電荷が電荷保持部110で保持され、その後に出力部112へ転送される。すなわち、撮像素子102は、長い露光時間で単一露光した画像を出力する。   The second pulse generation unit 115 generates a pulse signal that causes the image sensor 102 to perform the second charge transfer operation including the second holding operation and the second transfer operation. The second holding operation is an operation of performing the sampling operation at the second exposure time, which has a long exposure time, once or more in one frame period. A sampling operation with a long exposure time is called a long time sampling operation. The long-time sampling operation is also called the second sampling operation. The exposure time of the long time sampling operation is longer than the exposure time of the short time sampling operation. In the present embodiment, in the second holding operation, the long-time sampling operation is performed only once in one frame period. The second transfer operation is an operation of transferring the signal charge held in the charge holding portion 110 by the second holding operation to the output portion 112. By the second charge transfer operation, the signal charge generated by one long time sampling operation is held in the charge holding unit 110, and then transferred to the output unit 112. That is, the image sensor 102 outputs an image that has been exposed for a single time with a long exposure time.

本実施形態において、第1の転送動作を行わせるパルス信号と第2の転送動作を行わせるパルス信号とは互いに等しくてもよい。そこで、制御部103は、このパルス信号を第1のパルス生成部114及び第2のパルス生成部115の代わりに生成する他のパルス生成部を有してもよい。この場合に、サンプリング動作切替部113はこの他のパルス生成部が生成したパルス信号を撮像素子102へ供給する。   In the present embodiment, the pulse signal for performing the first transfer operation and the pulse signal for performing the second transfer operation may be equal to each other. Therefore, the control unit 103 may have another pulse generation unit that generates this pulse signal instead of the first pulse generation unit 114 and the second pulse generation unit 115. In this case, the sampling operation switching unit 113 supplies the pulse signal generated by the other pulse generation unit to the image sensor 102.

サンプリング動作切替部113によって、撮像素子102へ送られるパルス信号は、上述した電荷転送動作を撮像素子102において繰り返し行わせる。また第1の電荷転送動作と第2の電荷転送動作とを、フレームごとに周期的に切り替えて行わせる。このため、撮像素子102から短い露光時間で多重露光した画像と長い露光時間で単一露光した画像とが、フレームごとに順次、周期的に出力され、画像処理部104に送られる。   The pulse signal sent to the image sensor 102 by the sampling operation switching unit 113 causes the image sensor 102 to repeatedly perform the above-described charge transfer operation. Further, the first charge transfer operation and the second charge transfer operation are periodically switched and performed for each frame. For this reason, an image that has been subjected to multiple exposure with a short exposure time and an image that has been subjected to a single exposure with a long exposure time are sequentially output from the image sensor 102 periodically for each frame and sent to the image processing unit 104.

画像処理部104は、撮像素子102で撮像された画像の処理を行う。画像処理部104は、撮像素子102からの信号を受け、露光時間の異なる少なくとも2つの画像を合成し、ダイナミックレンジを拡大した画像を生成する機能を有する。また画像処理部104は、ベイヤー配列などの撮像素子の画素配列信号を一般的なRGB信号やYCbCr信号のような映像信号に変換する処理を行う機能を有する。また画像処理部104は、画像表示部105への表示信号を生成するインターフェース(IF)機能、画像記録部106への記録信号を生成するIF機能などを有する。画像表示部105は、例えば液晶素子やEL素子などで構成され、画像処理部104で処理された画像を表示する。画像記録部106は、例えばハードディスクや不揮発性メモリなどで構成され、画像処理部104で処理された画像を記録する。   The image processing unit 104 processes an image captured by the image sensor 102. The image processing unit 104 has a function of receiving a signal from the image sensor 102, synthesizing at least two images having different exposure times, and generating an image with an expanded dynamic range. The image processing unit 104 also has a function of converting a pixel array signal of an image sensor such as a Bayer array into a video signal such as a general RGB signal or a YCbCr signal. Further, the image processing unit 104 has an interface (IF) function of generating a display signal to the image display unit 105, an IF function of generating a recording signal to the image recording unit 106, and the like. The image display unit 105 includes, for example, a liquid crystal element or an EL element, and displays the image processed by the image processing unit 104. The image recording unit 106 is composed of, for example, a hard disk or a non-volatile memory, and records the image processed by the image processing unit 104.

図2は、本実施形態の撮像装置101の動作を説明するタイミング図である。期間T210(n)、期間T210(n+1)、期間T210(n+2)、期間T210(n+3)、期間T210(n+4)はそれぞれn、n+1、n+2、n+3、n+4フレーム目のフレームの期間を示している。各フレームは、1つの画像を撮像素子102から画像処理部104へ出力する。   FIG. 2 is a timing diagram illustrating the operation of the image pickup apparatus 101 according to this embodiment. The period T210(n), the period T210(n+1), the period T210(n+2), the period T210(n+3), and the period T210(n+4) respectively indicate the periods of the nth, n+1, n+2, n+3, and n+4th frame. .. Each frame outputs one image from the image sensor 102 to the image processing unit 104.

波形201は、例えば50Hzや60Hzの商用の交流電源を全波整流した波形を模式的に示したものである。期間T211は、商用電源の交流の周期を示しており、例えば1/50秒や1/60秒である。   The waveform 201 is a schematic waveform obtained by full-wave rectifying a commercial AC power source of 50 Hz or 60 Hz, for example. The period T211 indicates the AC cycle of the commercial power supply, and is 1/50 seconds or 1/60 seconds, for example.

波形202は、波形201の電源を用いた例えば交通信号機などのLED光源の点灯状態を示す。“H”レベルが点灯状態、“L”レベルが消灯状態を表す。ここで全波整流した電源の波形201がしきい値レベルTH以上のとき、波形202は点灯状態になり、波形201がしきい値レベルTH未満のとき、波形202は消灯状態になる。波形203は、波形202と点滅の位相の異なる場合の点灯状態を模式的に示したものである。期間T212は、光源の点滅周期を示しており、期間T211の1/2の周期となる。期間T213A及び期間T213Bは、光源の点灯している期間、期間T214A及び期間T214Bは、光源の消灯している期間をそれぞれ示す。   A waveform 202 indicates a lighting state of an LED light source such as a traffic signal using the power source of the waveform 201. The "H" level indicates a lighting state, and the "L" level indicates a non-lighting state. Here, when the waveform 201 of the full-wave rectified power supply is equal to or higher than the threshold level TH, the waveform 202 is turned on, and when the waveform 201 is lower than the threshold level TH, the waveform 202 is turned off. A waveform 203 schematically shows a lighting state when the blinking phase is different from that of the waveform 202. A period T212 indicates a blinking cycle of the light source, which is a half cycle of the period T211. A period T213A and a period T213B are periods in which the light source is on, and a period T214A and a period T214B are periods in which the light source is off, respectively.

信号波形204は、サンプリング動作切替部113からリセット部108に出力される光電変換部107の電位をリセットするためのパルス信号の波形を示す。“H”レベルをリセット、“L”レベルを非リセットとしている。本実施形態において、撮像素子102にアレイ状に配された全画素120の光電変換部107は、一括して同時にリセットされる。このため全ての画素120のリセット部108に、同じタイミングで信号波形204の“H”レベルのリセット信号が入力される。   A signal waveform 204 shows a waveform of a pulse signal output from the sampling operation switching unit 113 to the reset unit 108 for resetting the potential of the photoelectric conversion unit 107. The "H" level is reset and the "L" level is not reset. In the present embodiment, the photoelectric conversion units 107 of all the pixels 120 arranged in an array on the image sensor 102 are collectively and simultaneously reset. Therefore, the reset signals of the “H” level of the signal waveform 204 are input to the reset units 108 of all the pixels 120 at the same timing.

信号波形205は、サンプリング動作切替部113から第1の転送部109に出力されるパルス信号の波形を示す。信号波形205が“H”レベルのとき、第1の転送部109がON動作し、光電変換部107で生成された電荷が電荷保持部110に転送される。また信号波形205が“L”レベルのとき、第1の転送部109はOFFになり、光電変換部107から電荷保持部110へ電荷は転送されない。本実施形態において、光電変換部107で生成された電荷は、アレイ状に配列された全画素120で同時に電荷保持部110に転送される。このため全ての画素120の第1の転送部109に、同じタイミングで信号波形205の“H”レベルの転送信号が入力される。撮像装置101は、信号波形204に示す光電変換部107へのリセット信号と、信号波形205に示す第1の転送部109への転送信号とを用いることによって、アレイ状に配列された画素120すべての露光を同時に行うグローバル電子シャッタを実現する。   The signal waveform 205 shows the waveform of the pulse signal output from the sampling operation switching unit 113 to the first transfer unit 109. When the signal waveform 205 is at “H” level, the first transfer unit 109 is turned on, and the charges generated by the photoelectric conversion unit 107 are transferred to the charge holding unit 110. Further, when the signal waveform 205 is at “L” level, the first transfer unit 109 is turned off, and the charges are not transferred from the photoelectric conversion unit 107 to the charge holding unit 110. In this embodiment, the charges generated by the photoelectric conversion unit 107 are simultaneously transferred to the charge holding unit 110 in all the pixels 120 arranged in an array. Therefore, the “H” level transfer signal of the signal waveform 205 is input to the first transfer units 109 of all the pixels 120 at the same timing. By using the reset signal to the photoelectric conversion unit 107 shown in the signal waveform 204 and the transfer signal to the first transfer unit 109 shown in the signal waveform 205, the imaging device 101 uses all the pixels 120 arranged in an array. To realize a global electronic shutter that simultaneously performs the exposure of.

期間T215及び期間T216はそれぞれ、上述した短時間サンプリング動作の期間を示す。また期間T217は、1つのフレームにおいて複数回行われる短時間サンプリング動作の最初のサンプリング動作の開始から、最後のサンプリング動作の終了までの期間を示している。本実施形態において、期間T217の間に、期間T215と期間T216との2回のサンプリング動作を行う。これら2回の期間T215及び期間T216で生成された電荷が、サンプリングされ電荷保持部110に転送され加算される。この結果、電荷保持部110において短い露光時間で多重露光した画像が形成される。   A period T215 and a period T216 each indicate a period of the above-described short-time sampling operation. A period T217 indicates a period from the start of the first sampling operation of the short-time sampling operation performed a plurality of times in one frame to the end of the last sampling operation. In this embodiment, the sampling operation is performed twice during the period T217, that is, the period T215 and the period T216. The charges generated in these two periods T215 and T216 are sampled, transferred to the charge holding unit 110, and added. As a result, multiple images are formed in the charge holding unit 110 in a short exposure time.

期間T218は、上述した長時間サンプリング動作の期間を示す。期間T218の間、長時間サンプリング動作を行い、この期間に生成された電荷がサンプリングされる。この結果、電荷保持部110において長い露光時間で単一露光した画像が形成される。   A period T218 indicates a period of the above long-time sampling operation. During the period T218, the long-time sampling operation is performed, and the charge generated in this period is sampled. As a result, a single exposure image is formed in the charge holding unit 110 for a long exposure time.

ここで短時間サンプリング動作及び長時間サンプリング動作のサンプリング動作の開始は、リセット部108から光電変換部107への信号波形204に示すリセット信号が“L”レベルから“H”レベルになった時とする。またサンプリング動作の終了は、サンプリング動作切替部113から第1の転送部109への信号波形205に示す転送信号が“H”レベルから“L”レベルになった時とする。   Here, the sampling operation of the short time sampling operation and the long time sampling operation is started when the reset signal shown in the signal waveform 204 from the reset unit 108 to the photoelectric conversion unit 107 is changed from the “L” level to the “H” level. To do. The sampling operation ends when the transfer signal shown in the signal waveform 205 from the sampling operation switching unit 113 to the first transfer unit 109 changes from the “H” level to the “L” level.

信号波形206、信号波形207及び信号波形208は、電荷保持部110に一時保持した電荷を出力部112に転送する第1及び第2の転送動作のため、サンプリング動作切替部113から第2の転送部111に出力されるパルス信号の波形を示す。信号波形206から信号波形208が“H”レベルのとき、第2の転送部111がON動作し、電荷保持部110に一時保持された電荷が出力部112に転送される。また信号波形206から信号波形208が“L”レベルのとき、第2の転送部111はOFFになり、電荷保持部110から出力部112に電荷は転送されない。ここで信号波形206は、撮像素子102の1行目の各画素120の電荷保持部110に保持された電荷を出力部112に転送するための信号の波形である。同様に信号波形207は、撮像素子102の2行目の各画素120の電荷保持部110に保持された電荷を出力部112に転送するための信号の波形を示す。また信号波形208は、撮像素子の最終行の各画素120の電荷保持部110に保持された電荷を出力部112に転送するための信号の波形を示す。期間T219は、信号波形206から信号波形208によって1フレーム分の画像を垂直方向に行ごとに順次、電荷保持部110から出力部112に出力する転送期間である。   The signal waveform 206, the signal waveform 207, and the signal waveform 208 are from the sampling operation switching unit 113 to the second transfer because of the first and second transfer operations of transferring the charge temporarily held in the charge holding unit 110 to the output unit 112. 7 shows a waveform of a pulse signal output to the unit 111. When the signal waveform 206 to the signal waveform 208 are at “H” level, the second transfer unit 111 is turned on, and the charges temporarily held in the charge holding unit 110 are transferred to the output unit 112. Further, when the signal waveform 206 to the signal waveform 208 are at the “L” level, the second transfer unit 111 is turned off, and the charge is not transferred from the charge holding unit 110 to the output unit 112. Here, the signal waveform 206 is a waveform of a signal for transferring the charge held in the charge holding unit 110 of each pixel 120 in the first row of the image sensor 102 to the output unit 112. Similarly, a signal waveform 207 shows a waveform of a signal for transferring the charge held in the charge holding unit 110 of each pixel 120 in the second row of the image sensor 102 to the output unit 112. A signal waveform 208 shows a waveform of a signal for transferring the charge held in the charge holding portion 110 of each pixel 120 in the last row of the image sensor to the output portion 112. A period T219 is a transfer period in which an image for one frame is sequentially output from the charge holding portion 110 to the output portion 112 in the vertical direction row by row with the signal waveform 206 to the signal waveform 208.

このように、撮像素子102にアレイ状に配された画素120の光電変換部107で生成された電荷は、グローバル電子シャッタ機能によって、電荷保持部110に一括で一時、保存される。その後、順次、電荷保持部110から出力部112に出力されることで、1画面分のフレーム画像が出力される。   As described above, the charges generated by the photoelectric conversion units 107 of the pixels 120 arranged in an array on the image sensor 102 are temporarily stored in the charge holding unit 110 by the global electronic shutter function. After that, the frame images for one screen are output by sequentially outputting the charge holding unit 110 to the output unit 112.

期間T210(n)で示されるnフレーム目の期間T217においてサンプリングされた電荷は、n+1フレーム目の期間T210(n+1)のうち、期間T219の間に行ごとに出力部112に転送され、撮像素子102から画像処理部104へ出力される。次にn+1フレーム目の期間T218においてサンプリングされた電荷は、n+2フレーム目の期間T210(n+2)のうち、期間T219の間に行ごとに出力部112に転送され、更に撮像素子102から画像処理部104へ出力される。サンプリング動作切替部113がフレームごとに順次、撮像素子102へのサンプリングの信号を切り替えることによって、撮像素子102は、画像処理部104に短露光時間の画像と長露光時間の画像とをフレームごとに出力する。具体的に、撮像素子102は、奇数番目のフレームで短露光時間の画像を出力し、偶数番目のフレームで長露光時間の画像を出力する。画像処理部104は、この露光時間の異なる画像を用いて、ダイナミックレンジを拡大のための画像合成を行う。   The charges sampled in the period T217 of the n-th frame shown in the period T210(n) are transferred to the output portion 112 in each row during the period T219 of the period T210(n+1) of the n+1-th frame, and the image pickup element It is output from 102 to the image processing unit 104. Next, the charges sampled in the period T218 of the (n+1)th frame are transferred to the output unit 112 for each row during the period T219 of the period T210(n+2) of the (n+2)th frame, and further from the image sensor 102 to the image processing unit. It is output to 104. By the sampling operation switching unit 113 sequentially switching the sampling signal to the image sensor 102 for each frame, the image sensor 102 causes the image processing unit 104 to provide an image of a short exposure time and an image of a long exposure time to each frame. Output. Specifically, the image sensor 102 outputs an image with a short exposure time in odd-numbered frames, and outputs an image with a long exposure time in even-numbered frames. The image processing unit 104 uses the images with different exposure times to perform image composition for expanding the dynamic range.

ここで期間T215と期間T216とで行われる複数回の短時間サンプリング動作の間隔、つまり1回の短時間サンプリングを開始してから次の回の短時間サンプリング動作を開始するまでの間隔は、1フレームの期間の1/2以下とする。例えば、撮像する光源の点滅する周期の1/2以下の間隔としてもよい。期間T217において光源の点滅を、光源の点滅の2倍以上の周波数で複数回、サンプリングし加算する。複数回の短時間サンプリング動作のいずれかが消灯時に行われた場合でも、同じフレームの別の短時間サンプリング動作が点灯時に行われる可能性が高くなる。これによって短い露光時間であっても、点灯状態の不検出を防止できる可能性が高くなる。   Here, the interval of a plurality of short-time sampling operations performed in the periods T215 and T216, that is, the interval from the start of one short-time sampling operation to the start of the next short-time sampling operation is 1 It should be half or less of the frame period. For example, the interval may be 1/2 or less of the blinking cycle of the light source for imaging. In the period T217, the blinking of the light source is sampled and added a plurality of times at a frequency twice or more the blinking of the light source. Even if one of the plurality of short-time sampling operations is performed when the light is turned off, another short-time sampling operation of the same frame is likely to be performed when the light is turned on. This increases the possibility of preventing non-detection of the lighting state even with a short exposure time.

例えば、短時間サンプリング動作を行うフレームにおいて、期間T215のサンプリング動作がなく、期間T216のサンプリング動作のみの単一露光の場合、波形202の点灯している期間T213Aと期間T216とが重なっているため点灯状態を検出できる。一方、波形202と点滅の位相の異なる波形203の場合、消灯する期間T214Bと期間T216のサンプリング動作とが重なるため点灯状態を検出できず、光源の点灯を認識できない可能性がある。例えば、明るい昼間に信号機の赤信号が点灯している場合、短い露光時間での撮像では信号が点灯していないと誤検出してしまう可能性がある。しかし光源の点滅の位相が波形203の場合でも、期間T215と期間T216とで短時間サンプリング動作を行い、光電変換部107で生成した電荷を電荷保持部110において加算することによって、こうした誤検出を防止することが可能となる。   For example, in a frame in which a short-time sampling operation is performed, in the case of single exposure in which there is no sampling operation in the period T215 and only the sampling operation in the period T216, the period T213A in which the waveform 202 is on and the period T216 overlap. The lighting state can be detected. On the other hand, in the case of the waveform 203 having a different blinking phase from the waveform 202, the lighting state cannot be detected and the lighting of the light source may not be recognized because the sampling operation in the period T214B to be turned off and the sampling operation in the period T216 overlap. For example, when the red signal of the traffic light is lit during a bright daytime, there is a possibility that it may be erroneously detected that the signal is not lit in imaging with a short exposure time. However, even when the blinking phase of the light source is the waveform 203, such an erroneous detection is performed by performing the short-time sampling operation in the period T215 and the period T216 and adding the charges generated by the photoelectric conversion unit 107 in the charge holding unit 110. It becomes possible to prevent it.

本実施形態において、1フレームの期間での短時間サンプリング動作の回数を2回とし、光源の点滅する周期の1/2の間隔でサンプリングする場合を示しているが、例えば、更に多くの回数のサンプリングを行ってもよい。短時間サンプリング動作の回数を多くすることによって、点滅する光源の検出精度が向上し、また検出した画像の変動を抑制することができる。   In this embodiment, the number of short-time sampling operations in one frame period is set to 2 and sampling is performed at an interval of 1/2 of the blinking cycle of the light source. However, for example, a larger number of times is used. Sampling may be performed. By increasing the number of short-time sampling operations, the detection accuracy of the blinking light source can be improved, and the fluctuation of the detected image can be suppressed.

また、期間T217は、少なくとも1フレームの期間のうち1/2以上とする。例えば、期間T217は、光源の点滅する周期の1/2以上としてもよい。また例えば、期間T217は、光源の点滅する周期のうち、光源の点灯している期間と等しくしてもよい。本実施形態において、期間T217は、光源の点滅する周期の1/2とした。これは、例えば交通信号機など商用電源を利用し全波整流を行い点灯制御する光源において、多くの光源の点灯している期間は、消灯している期間よりも長い。このため、少なくとも光源の点滅する周期の1/2以上の期間において複数回のサンプリングを行うことによって、1回は点灯している期間をサンプリングできるためである。ただし、点灯割合を制御して調光している照明などの光源において、例えば輝度を落とした場合、光源が点滅する周期のうち点灯する割合が1/2よりも小さくなる可能性がある。この場合の撮像装置の駆動方法については、第2の実施形態において説明する。   In addition, the period T217 is at least ½ of at least one frame period. For example, the period T217 may be 1/2 or more of the blinking cycle of the light source. Further, for example, the period T217 may be equal to the period in which the light source is on in the blinking cycle of the light source. In this embodiment, the period T217 is set to 1/2 of the blinking cycle of the light source. This is because, in a light source that performs full-wave rectification using a commercial power source such as a traffic signal and performs lighting control, the period during which many light sources are on is longer than the period during which they are off. Therefore, by performing sampling a plurality of times at least during a period of ½ or more of the blinking cycle of the light source, it is possible to sample a period in which the light source is turned on once. However, in a light source such as an illumination that controls the lighting ratio and dimming, for example, when the brightness is reduced, the lighting ratio of the light source blinking cycle may be smaller than 1/2. The driving method of the image pickup apparatus in this case will be described in the second embodiment.

第1及び第2の転送動作を行う期間T219は、本実施形態において、短時間サンプリング動作を行うフレーム及び長時間サンプリング動作を行うフレームともに、等しい時間としている。ここで期間T219は、1フレームの期間の1/2よりも短い。また期間T219は、光源の点滅周期である期間T212の1/2よりも短い。光電変換部107で生成された電荷を電荷保持部110に転送する期間と、電荷保持部110から出力部112に順次電荷を転送する期間T219とが重なった場合、電荷保持部110の電荷の量が画像出力の垂直走査中に変化する。期間T219は、これを防止するように設定される。この期間T219の設定は、短時間サンプリング動作を行うフレームにおいて留意すべきことである。本実施形態では、長時間サンプリング動作を行うフレームにおいても短時間サンプリング動作を行うフレームと同様に、光源の点滅周期である期間T212の1/2よりも短い時間で、電荷保持部110から出力部へ転送するように設定する。すべてのフレームで電荷保持部110から出力部112へ電荷を転送するタイミングを合わせることで、撮像素子102の後段の画像処理部104の画像入力回路構成を簡素化することが可能となる。これによって安価な撮像装置が実現できる。   In the present embodiment, the period T219 in which the first and second transfer operations are performed is the same in both the frame in which the short-time sampling operation and the frame in which the long-time sampling operation is performed. Here, the period T219 is shorter than 1/2 of one frame period. Further, the period T219 is shorter than 1/2 of the period T212, which is the blinking cycle of the light source. When the period in which the charges generated in the photoelectric conversion unit 107 are transferred to the charge holding unit 110 and the period T219 in which the charges are sequentially transferred from the charge holding unit 110 to the output unit 112 overlap, the amount of charges in the charge holding unit 110 Changes during the vertical scanning of the image output. The period T219 is set to prevent this. The setting of the period T219 should be noted in the frame in which the short-time sampling operation is performed. In the present embodiment, in the frame in which the long-time sampling operation is performed, similarly to the frame in which the short-time sampling operation is performed, the charge holding unit 110 outputs to the output unit in a time shorter than 1/2 of the period T212 which is the blinking cycle of the light source. Set to transfer to. By adjusting the timing of transferring the charges from the charge holding unit 110 to the output unit 112 in all frames, it is possible to simplify the image input circuit configuration of the image processing unit 104 in the subsequent stage of the image sensor 102. This makes it possible to realize an inexpensive imaging device.

図3に本実施形態における撮像装置101の撮像素子102の画素部分の等価回路の構成例を示す。図3には4つの画素300を示すが、撮像素子102にはこれらの画素300が多数、2次元にアレイ状に配される。画素300は、図1の画素120に相当する。画素300は、光電変換部107に相当する光電変換部301、電荷保持部110に相当する電荷保持部302、第1の転送部109に相当する第1の転送スイッチ304、第2の転送部111に相当する第2の転送スイッチ305を含む。更に画素300は、出力部112に相当する増幅部310、リセットトランジスタ309、選択トランジスタ307及び入力ノード303を含む。   FIG. 3 shows a configuration example of an equivalent circuit of a pixel portion of the image pickup element 102 of the image pickup apparatus 101 according to this embodiment. Although four pixels 300 are shown in FIG. 3, a large number of these pixels 300 are two-dimensionally arranged in an array in the image sensor 102. The pixel 300 corresponds to the pixel 120 in FIG. The pixel 300 includes a photoelectric conversion unit 301 corresponding to the photoelectric conversion unit 107, a charge holding unit 302 corresponding to the charge holding unit 110, a first transfer switch 304 corresponding to the first transfer unit 109, and a second transfer unit 111. And a second transfer switch 305 corresponding to Further, the pixel 300 includes an amplification unit 310 corresponding to the output unit 112, a reset transistor 309, a selection transistor 307, and an input node 303.

光電変換部301は、入射光によって生成される電荷を蓄積する。光電変換部301として、例えばフォトダイオードが用いられる。第1の転送スイッチ304は、光電変換部301で生成された電荷を、電荷保持部302に転送する。電荷保持部302は、入射光によって光電変換部301で生成された電荷を一時、保持する。第2の転送スイッチ305は、電荷保持部302に一時、保持された電荷を増幅部310の入力ノード303に転送する。選択トランジスタ307は、出力線308に信号を出力する画素300を選択する。選択された画素300の増幅部310は、入射光によって生成した電荷に基づく信号を出力線308に出力する。リセットトランジスタ309は、制御線325の信号によって増幅部310の入力ノード303の電圧をリセット線326の電位にリセットする。増幅部310は、例えばソースフォロア回路を構成する。また第1の転送スイッチ304及び第2の転送スイッチ305として、例えばMOSトランジスタが用いられる。   The photoelectric conversion unit 301 accumulates electric charges generated by incident light. As the photoelectric conversion unit 301, for example, a photodiode is used. The first transfer switch 304 transfers the charges generated by the photoelectric conversion unit 301 to the charge holding unit 302. The charge holding unit 302 temporarily holds the charges generated by the photoelectric conversion unit 301 by the incident light. The second transfer switch 305 transfers the charge temporarily held in the charge holding unit 302 to the input node 303 of the amplification unit 310. The selection transistor 307 selects the pixel 300 that outputs a signal to the output line 308. The amplification unit 310 of the selected pixel 300 outputs a signal based on the charge generated by the incident light to the output line 308. The reset transistor 309 resets the voltage of the input node 303 of the amplification unit 310 to the potential of the reset line 326 by the signal of the control line 325. The amplification unit 310 constitutes, for example, a source follower circuit. Moreover, for example, MOS transistors are used as the first transfer switch 304 and the second transfer switch 305.

第1の転送スイッチ304の動作は、制御線321を通じて供給される制御信号によって制御される。図2の信号波形205で示される駆動パルスが、制御線321から第1の転送スイッチ304に与えられる。第2の転送スイッチ305の動作は、制御線322を通じて供給される制御信号によって制御される。本実施形態において、行列状に画素300が配されるが、1つの行に含まれる画素300に共通の制御線が接続される。図2に示す信号波形206から信号波形208の駆動パルスが、制御線322からそれぞれの行に応じて与えられる。   The operation of the first transfer switch 304 is controlled by the control signal supplied through the control line 321. The drive pulse indicated by the signal waveform 205 in FIG. 2 is applied to the first transfer switch 304 from the control line 321. The operation of the second transfer switch 305 is controlled by the control signal supplied through the control line 322. In the present embodiment, the pixels 300 are arranged in a matrix, but the pixels 300 included in one row are connected to a common control line. The drive pulses of the signal waveform 206 to the signal waveform 208 shown in FIG. 2 are given from the control line 322 according to each row.

また画素300は、図1に示すリセット部108に相当する排出スイッチ318を有する。排出スイッチ318は、光電変換部301の電荷をオーバーフロードレインなどの電源ノード324に排出し、光電変換部301の電荷による電位をリセットする。排出スイッチ318の動作は、制御線323を通じて供給される制御信号によって制御される。図2に示す信号波形204に示す駆動パルスが、制御線323から排出スイッチ318に与えられる。これらの構成により、電荷保持部302が電荷を一時、保持している間に生成された電荷を光電変換部301が蓄積することが可能となる。このため撮像装置101は、複数の画素300で光電変換の期間の一致させる機能、いわゆるグローバル電子シャッタ機能を有する。また光電変換部301で蓄積する電荷は、排出スイッチ318によって複数の画素300で、同時に一斉に排出される。上記動作は、全画素で同時に行われてもよい。少なくとも2次元にアレイ状に配された複数の画素で同時に行われるのがよい。以下の説明において、全画素で同時に動作をおこなう場合を例に説明する。   Further, the pixel 300 has an ejection switch 318 corresponding to the reset unit 108 shown in FIG. The discharge switch 318 discharges the charge of the photoelectric conversion unit 301 to the power supply node 324 such as an overflow drain, and resets the potential due to the charge of the photoelectric conversion unit 301. The operation of the ejection switch 318 is controlled by the control signal supplied through the control line 323. The drive pulse shown in the signal waveform 204 shown in FIG. 2 is applied to the ejection switch 318 from the control line 323. With these configurations, the photoelectric conversion unit 301 can accumulate charges generated while the charge holding unit 302 temporarily holds the charges. Therefore, the imaging device 101 has a function of matching the photoelectric conversion periods in the plurality of pixels 300, that is, a so-called global electronic shutter function. The charges accumulated in the photoelectric conversion unit 301 are simultaneously discharged to a plurality of pixels 300 by the discharge switch 318 at the same time. The above operation may be performed on all pixels at the same time. It is preferable that the plurality of pixels are arrayed in at least two dimensions at the same time. In the following description, a case where all pixels are operated simultaneously will be described as an example.

本実施形態において、排出スイッチ318を制御することによって露光の開始を制御する。具体的には、排出スイッチ318をONからOFFにすることによって、光電変換部301で電荷の蓄積が開始される。これによって、露光時間を自由に設定することが可能となる。このようにオーバーフロードレイン構造と、電荷保持部302とを有することによって、電荷保持部302に短時間露光した電荷を1フレームの間に複数回転送し、多重露光された短時間露光の画像を形成することが可能となる。   In this embodiment, the start of exposure is controlled by controlling the ejection switch 318. Specifically, by turning the discharge switch 318 from ON to OFF, the photoelectric conversion unit 301 starts to accumulate charges. This makes it possible to freely set the exposure time. By thus having the overflow drain structure and the charge holding portion 302, the charge held for a short time is transferred to the charge holding portion 302 a plurality of times during one frame to form a multiple-exposure short-time exposure image. It becomes possible to do.

また本実施形態において、第1の転送部109及びリセット部108は、光電変換部107で生成された電荷を余すことなく電荷保持部110へ転送、もしくはリセットする機能があるとよい。また第2の転送部111は、電荷保持部110から出力部112へ電荷を余すことなく転送する機能があるとよい。これは図3に示す画素300の回路を構成する各素子のポテンシャル分布を適宜設定し作製することにより実現できる。全ての電荷を余すことなく転送、リセットすることによって、熱が原因となる転送むら、リセットむらなどを抑制できる。これによって、熱雑音の影響が抑制され、複数回のサンプリングを行っても良好な画質が得られる。   In addition, in this embodiment, the first transfer unit 109 and the reset unit 108 preferably have a function of transferring or resetting the charge generated in the photoelectric conversion unit 107 to the charge holding unit 110 without being left over. Further, the second transfer portion 111 preferably has a function of completely transferring the charge from the charge holding portion 110 to the output portion 112. This can be realized by appropriately setting the potential distribution of each element forming the circuit of the pixel 300 shown in FIG. By transferring and resetting all charges without exhaustion, it is possible to suppress transfer unevenness and reset unevenness caused by heat. As a result, the influence of thermal noise is suppressed, and good image quality can be obtained even if sampling is performed a plurality of times.

次いで図4及び図5を用いて、撮像素子102で撮像された異なる露光時間の画像の合成方法について説明する。図4に本実施形態における撮像装置101の画像処理部104の構成例を示す。画像処理部104は、撮像素子102から各フレームの画像信号を受信し、露光時間の異なる2つ以上の画像を合成し、画像表示部105への表示信号と画像記録部106への記録信号とを出力する。前画像処理部401は、撮像素子102から入力された画像データに対して、例えば黒レベルの補正などの画像処理を行う。第1の画像一時記憶部402は、1フレームの間において複数回の短時間サンプリング動作によって得られた多重露光された短時間露光の画像データをフレームメモリなどで一時、保持する。第2の画像一時記憶部403は、1フレームの間において長時間サンプリング動作によって得られた単一の長時間露光の画像データをフレームメモリなどで一時、保持する。画像合成部404は、第1の画像一時記憶部402から入力された多重露光された短時間露光画像と、第2の画像一時記憶部403から入力された単一の長時間露光画像とを合成し、ダイナミックレンジを拡大した合成画像を作成する。後画像処理部405は、ベイヤー配列などの撮像素子の画素配列信号を一般的なRGB信号やYCbCr信号のような映像信号に変換する。また後画像処理部405は、例えばホワイトバランスやガンマ補正などの、合成された画像の画質補正を行ってもよい。画像表示IF部406は、画像表示部105へ画像の表示信号を送信し、制御信号を送受信するIF部である。画像記録IF部407は、画像記録部106へ画像の記録信号を送信し、制御信号を送受信するIF部である。   Next, a method of synthesizing images captured by the image sensor 102 and having different exposure times will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows a configuration example of the image processing unit 104 of the image pickup apparatus 101 according to this embodiment. The image processing unit 104 receives the image signal of each frame from the image sensor 102, synthesizes two or more images having different exposure times, and outputs a display signal to the image display unit 105 and a recording signal to the image recording unit 106. Is output. The pre-image processing unit 401 performs image processing such as black level correction on the image data input from the image sensor 102. The first image temporary storage unit 402 temporarily holds, in a frame memory or the like, image data of multiple-exposure short-time exposure obtained by a plurality of short-time sampling operations during one frame. The second image temporary storage unit 403 temporarily holds a single long-time exposure image data obtained by the long-time sampling operation during one frame in a frame memory or the like. The image combining unit 404 combines the multiple-exposure short-time exposure image input from the first image temporary storage unit 402 and the single long-exposure image input from the second image temporary storage unit 403. Then, create a composite image with an expanded dynamic range. The post-image processing unit 405 converts a pixel array signal of an image sensor such as a Bayer array into a video signal such as a general RGB signal or YCbCr signal. The post-image processing unit 405 may also perform image quality correction of the combined image, such as white balance and gamma correction. The image display IF unit 406 is an IF unit that transmits an image display signal to the image display unit 105 and transmits/receives a control signal. The image recording IF unit 407 is an IF unit that transmits an image recording signal to the image recording unit 106 and transmits and receives a control signal.

図5に本実施形態の撮像装置101の画像合成部404で行われるダイナミックレンジ拡大画像の作成方法について示す。ここでは、多重露光された短時間露光画像と長時間露光画像とを合成し、例えば出力レベルの階調数を4096階調から65536階調相当に増加させ、ダイナミックレンジを72dB相当から96dB相当に拡大する場合を示す。   FIG. 5 shows a method of creating a dynamic range expanded image performed by the image composition unit 404 of the image pickup apparatus 101 according to the present embodiment. Here, the short-time exposure image and the long-time exposure image that have been subjected to multiple exposure are combined, and the number of gradations of the output level is increased from 4096 gradations to 65536 gradations, and the dynamic range is changed from 72 dB to 96 dB. The case of enlarging is shown.

図5(a)は、画像合成を行う前、複数回の短時間サンプリング動作で得られた短時間露光画像及び1回の長時間サンプリング動作で得られた長時間露光画像の、照度と出力レベルとの関係を示す図である。特性501Aは、主に被写体の暗部領域を撮像するために用いられる、長時間露光画像の撮像時の照度に対する出力レベルである。ここで、撮像素子の出力は12bitであり、出力される階調数は4096階調とする。特性502Aは、主に被写体の明部領域を撮像するために用いる短時間露光画像の撮像時の照度に対する出力レベル特性である。長時間露光画像の特性と比較して、露光時間の短い短時間露光画像の特性の傾きは、緩やかになる。ここで説明を簡単にするために、例えば長時間露光の露光時間は、複数回行われる短時間露光の合計の露光時間の16倍であるとする。   FIG. 5A shows the illuminance and output level of the short-time exposure image obtained by a plurality of short-time sampling operations and the long-exposure image obtained by one long-time sampling operation before image combination. It is a figure which shows the relationship with. The characteristic 501A is an output level with respect to illuminance at the time of capturing a long-exposure image, which is mainly used for capturing a dark area of a subject. Here, the output of the image pickup device is 12 bits, and the number of output gradations is 4096 gradations. The characteristic 502A is an output level characteristic with respect to the illuminance at the time of capturing a short-time exposure image, which is mainly used for capturing the bright area of the subject. Compared with the characteristic of the long-time exposure image, the inclination of the characteristic of the short-time exposure image having a short exposure time becomes gentle. In order to simplify the description, for example, it is assumed that the exposure time of the long-time exposure is 16 times the total exposure time of the short-time exposures performed a plurality of times.

本実施形態において、長時間露光画像の撮像時の出力レベルは、照度が1000lxで4095階調に達するのに対して、短時間露光画像の撮像時の出力レベルは、照度が16倍の16000lxで4095階調に達するように設定されている。まず長時間露光で撮像された画像と、短時間露光で撮像された画像とを合成するために、短時間露光で撮像された画像データをデジタル的に4bit上位側にシフトした画像を作成する。これによって、短時間露光で撮像された画像データは、4bit上位側にシフトし、階調数65536階調の16bitのデータとなる。次いで長時間露光画像と短時間露光画像との合成を行う。ある閾値の出力レベルの階調以下では長時間露光で撮像された画像データを、また閾値の出力レベルよりも大きい出力レベルの階調では短時間露光で撮像された画像データを用いることによって16bitの画像を生成する。例えば、閾値を4095階調とする。図5(b)に、照度に対する合成後の画像の階調の出力レベルを示す。長時間露光した特性501Aは、閾値である4095階調以下の出力レベルのデータを、そのまま用いた領域である。特性502Bは、短時間露光画像のデータの特性502Aを4bit、上位側にシフトし、またシフトしたデータのうち、閾値である4095階調よりも大きい出力レベルの領域である。これによって合成後の画像は、暗部で16bitの階調精度を有しながら、暗部の撮影に対して飽和レベルが16倍に大きくなったダイナミックレンジの拡大された画像となる。本実施形態において、長時間露光の露光時間は、複数回行われる短時間露光の露光時間の合計と比較して16倍としたが、例えば更に露光時間の比を大きく設定することで、100dB以上の高いダイナミックレンジを有する画像を得ることが可能となる。   In the present embodiment, the output level at the time of capturing a long-exposure image reaches 4095 gradations when the illuminance is 1000 lx, whereas the output level at the time of capturing a short-exposure image is 16000 lx, which is 16 times the illuminance. It is set so as to reach 4095 gradations. First, in order to combine the image captured by the long-time exposure and the image captured by the short-time exposure, an image in which the image data captured by the short-time exposure is digitally shifted to the upper side by 4 bits is created. As a result, the image data picked up by the short-time exposure is shifted to the upper side by 4 bits and becomes 16-bit data with the number of gradations of 65,536. Next, the long exposure image and the short exposure image are combined. By using the image data captured by the long-time exposure below the gradation of the output level of a certain threshold, and the image data captured by the short-time exposure at the gradation of the output level higher than the output level of the threshold, the 16-bit Generate an image. For example, the threshold value is 4095 gradations. FIG. 5B shows the output level of the gradation of the combined image with respect to the illuminance. The characteristic 501A that has been exposed for a long time is an area in which the data of the output level equal to or lower than the threshold of 4095 gradations is used as it is. A characteristic 502B is an area having an output level higher than the threshold of 4095 gradations in the shifted data by shifting the characteristic 502A of the short-time exposure image data by 4 bits to the upper side. As a result, the combined image becomes an image with an expanded dynamic range in which the saturation level is 16 times larger than that in shooting in a dark area while having a gradation accuracy of 16 bits in the dark area. In the present embodiment, the exposure time of the long-time exposure is 16 times as long as the total exposure time of the short-time exposures performed a plurality of times. However, by setting the ratio of the exposure time to a larger value, 100 dB or more can be obtained. It is possible to obtain an image having a high dynamic range.

上述した構成及び駆動方法を用いることによって、撮像装置101は、例えば暗いトンネル内を走る車の車載用カメラで明るいトンネル外の信号機の点灯状態を撮影する場合、短時間露光となる明るい信号機の点灯状態を誤検出する可能性が抑制される。また撮像装置101は、短時間露光の画像と長時間露光の画像とを合成することによって、トンネル内の暗部からトンネル外の明部まで、ダイナミックレンジの広い明瞭な画像を得られる。   By using the configuration and the driving method described above, the imaging device 101, for example, lights up a bright traffic light that is a short-time exposure when capturing the lighting state of the traffic light outside the bright tunnel with an in-vehicle camera of a car running in a dark tunnel. The possibility of falsely detecting the state is suppressed. Further, the image pickup apparatus 101 can obtain a clear image having a wide dynamic range from a dark portion inside the tunnel to a bright portion outside the tunnel by combining the short-exposure image and the long-exposure image.

このように、暗部と明部が共存する広いダイナミックレンジの必要な環境の撮像において、短い周期の点滅光源があった場合、光源の点灯及び消灯の状態の検出精度の向上した撮像装置が実現する。また光源の点滅に起因した露光量変動によるちらつきを抑制し、良好な画質の動画像を取得する撮像装置が実現する。また本実施形態の撮像装置101は、特許文献1に示されるような光源の点滅を検出する点灯検出部を必要としない。また光源の点滅の位相とセンサの露光動作とを一致させなくてもよい。このため回路構成が簡単になる。この結果、安価な撮像装置が実現される。   As described above, in the imaging of an environment in which a dark part and a bright part coexist, which requires a wide dynamic range, when there is a blinking light source with a short cycle, an imaging device with improved detection accuracy of a light source on/off state is realized. .. Further, it is possible to realize an image pickup apparatus that suppresses flicker due to fluctuations in exposure amount due to blinking of a light source and acquires a moving image with good image quality. Further, the image pickup apparatus 101 according to the present embodiment does not require a lighting detection unit that detects blinking of the light source as disclosed in Patent Document 1. Further, the blinking phase of the light source and the exposure operation of the sensor do not have to match. Therefore, the circuit configuration becomes simple. As a result, an inexpensive imaging device is realized.

第2の実施形態
図6を参照して、本発明の第2の実施形態による撮像素子の駆動方法を説明する。図6は、本実施形態の撮像装置101の動作を説明するタイミング図である。本実施形態において、図2の第1の実施形態のタイミング図と比較して、制御部103から撮像素子102への信号波形204から信号波形208のうち、信号波形204及び信号波形205にかえて信号波形604及び信号波形605が用いられる点で異なる。その他の点は、第1の実施形態と同様であってよい。また本実施形態における撮像装置の構成は、第1の実施形態における撮像装置101と同じであってよい。このため同様の構成要素は重複する説明を省略する。
Second Embodiment With reference to FIG. 6, a method for driving an image sensor according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a timing diagram illustrating the operation of the image pickup apparatus 101 according to this embodiment. In the present embodiment, as compared with the timing chart of the first embodiment of FIG. 2, instead of the signal waveform 204 from the control unit 103 to the image sensor 102 to the signal waveform 208, the signal waveform 204 and the signal waveform 205 are changed. The difference is that the signal waveform 604 and the signal waveform 605 are used. Other points may be similar to those of the first embodiment. The configuration of the image capturing apparatus according to this embodiment may be the same as that of the image capturing apparatus 101 according to the first embodiment. Therefore, the duplicated description of the similar components will be omitted.

先述した第1の実施形態において、商用電源の2倍の周波数で点滅して表示されるLED光源を用いた交通信号機など、光源の点灯時間の長い例を示した。一方で、点滅駆動により調光する照明のような光源や、そのような光源を用いた表示体などにおいて、輝度を落とした場合、光源が点滅する周期のうち点灯する割合が1/2よりも小さくなる可能性がある。このような光源を撮像した場合、ダイナミックレンジ拡大のための短い露光時間のサンプリング動作によって、光源や表示体などがフリッカ状にちらつく可能性がある。そこで、このフリッカ状のちらつきを抑制する本実施形態の撮像装置の駆動方法を説明する。   In the above-described first embodiment, an example in which the lighting time of the light source is long, such as a traffic signal using an LED light source that is displayed by blinking at a frequency twice that of the commercial power source, is shown. On the other hand, in a light source such as a light source that is controlled by blinking drive or a display body using such a light source, when the brightness is reduced, the ratio of lighting of the light source in the blinking cycle is less than 1/2. May be smaller. When such a light source is imaged, the light source and the display body may flicker like a flicker due to the sampling operation of a short exposure time for expanding the dynamic range. Therefore, a driving method of the image pickup apparatus according to the present embodiment that suppresses the flicker-like flicker will be described.

図6のタイミング図において、波形201は、交流電源を全波整流した波形を模式的に示す。波形202は、波形201の電源を用いた例えば点滅駆動により調光するLED光源の点灯状態の波形を示す。波形603は、点滅駆動により調光する光源において、波形202よりも輝度を落とした場合の波形を示す。   In the timing chart of FIG. 6, a waveform 201 schematically shows a waveform obtained by full-wave rectifying an AC power supply. A waveform 202 shows a waveform of a lighting state of the LED light source that is dimmed by blinking drive using the power source of the waveform 201. A waveform 603 shows a waveform when the luminance is lower than that of the waveform 202 in the light source that performs the light control by the blinking drive.

制御部103から撮像素子102へ供給されるパルス信号の信号波形604は、図2の信号波形204と同様に、サンプリング動作切替部113からリセット部108に送られる光電変換部107の電位リセットするためのリセット信号の波形を示す。また制御部103から撮像素子102へ供給されるパルス信号の信号波形605は、図2の信号波形205と同様に、サンプリング動作切替部113から第1の転送部109に送られる転送信号の波形を示す。   The signal waveform 604 of the pulse signal supplied from the control unit 103 to the image sensor 102 is for resetting the potential of the photoelectric conversion unit 107, which is sent from the sampling operation switching unit 113 to the reset unit 108, like the signal waveform 204 in FIG. The waveform of the reset signal of is shown. The signal waveform 605 of the pulse signal supplied from the control unit 103 to the image sensor 102 is the waveform of the transfer signal sent from the sampling operation switching unit 113 to the first transfer unit 109, similarly to the signal waveform 205 of FIG. Show.

期間T215Bは、短時間サンプリング動作のうち、フレーム内で最初のサンプリング動作の期間を示している。また期間T216Bは、短時間サンプリング動作のうち、フレーム内で最後のサンプリング動作の期間を示している。また期間T217Bは、1つのフレームにおいて複数回行われる短時間サンプリング動作の最初のサンプリング動作の開始から、最後のサンプリング動作の終了までの期間を示している。本実施形態において、同じフレームの画像形成をするために、期間T217Bの間に期間T215Bから期間T216Bまでの複数回の短時間サンプリング動作を行う。これら期間T215Bから期間T216Bまでの複数回のサンプリング動作の期間に生成された電荷をサンプリングし電荷保持部110に転送し加算することによって、短い露光時間で多重露光した画像を形成する。   A period T215B shows a period of the first sampling operation in the frame in the short-time sampling operation. A period T216B shows a period of the last sampling operation in the frame among the short-time sampling operations. A period T217B shows a period from the start of the first sampling operation of the short-time sampling operation performed a plurality of times in one frame to the end of the last sampling operation. In this embodiment, in order to form an image of the same frame, a plurality of short-time sampling operations from the period T215B to the period T216B are performed during the period T217B. The charges generated during the plurality of sampling operations from the period T215B to the period T216B are sampled, transferred to the charge holding unit 110, and added to form a multiple-exposure image in a short exposure time.

期間T218は、長時間サンプリング動作の期間を示す。期間T218の間に生成された電荷をサンプリングし、電荷保持部110において長い露光時間で単一露光した画像を形成する。   A period T218 shows a period of a long time sampling operation. The charges generated during the period T218 are sampled, and a single exposure image is formed in the charge holding unit 110 for a long exposure time.

撮像された画像を第2の転送部111によって出力部112に転送する信号波形206から信号波形208の動作は、上述した第1の実施形態と同様である。nフレーム目にサンプリングされた電荷は、n+1フレーム目に行ごとに出力部112に順次転送され、1画面分のフレーム画像を形成する。また出力部112から画像処理部104に転送されたフレームごとに露光時間の異なる画像を合成することによってダイナミックレンジを拡大した画像を生成し、画像表示部105に表示及び画像記録部106に記録する動作は、第1の実施形態と同様であってよい。   The operations of the signal waveform 206 to the signal waveform 208 for transferring the captured image to the output unit 112 by the second transfer unit 111 are the same as those in the first embodiment described above. The charges sampled in the nth frame are sequentially transferred to the output unit 112 row by row in the (n+1)th frame to form a frame image for one screen. An image with a different dynamic range is generated for each frame transferred from the output unit 112 to the image processing unit 104 to generate an image with an expanded dynamic range, which is displayed on the image display unit 105 and recorded in the image recording unit 106. The operation may be similar to that of the first embodiment.

本実施形態において、期間T215Bから期間T216Bで行われる複数回の短時間サンプリング動作の間隔は、光源の点滅周期である期間T212の1/2以下とする。換言すると、短時間サンプリング動作の間隔は、1フレームの期間の1/4以下とする。本実施形態では、光源の周期である期間T212の間にm回のサンプリングを行うため、光源の点滅周期である期間T212の1/m(m≧2)の間隔でサンプリング行う。また、期間T217Bを、期間T211の1/2、すなわち光源の点滅周期である期間T212と等しくする。つまり期間T217Bを1フレームの期間の1/2とする。   In the present embodiment, the interval between the plurality of short-time sampling operations performed in the period T215B to the period T216B is less than or equal to 1/2 of the period T212 which is the blinking cycle of the light source. In other words, the short-time sampling operation interval is ¼ or less of one frame period. In this embodiment, since sampling is performed m times during the period T212 which is the period of the light source, sampling is performed at intervals of 1/m (m≧2) of the period T212 which is the blinking period of the light source. Further, the period T217B is set equal to 1/2 of the period T211, that is, the period T212 which is a blinking cycle of the light source. That is, the period T217B is set to 1/2 of one frame period.

波形603の期間T213Bのように光源の点灯時間が短い場合、サンプリングする間隔が光源の点灯時間である期間T213Bの1/2以下であれば点灯を検出できる。これによって、短時間露光画像における輝度の変動差を抑制し、光源の点滅動作によるフリッカ状のちらつきを抑制し、高画質でダイナミックレンジを拡大した動画像が取得できる。   When the lighting time of the light source is short as in the period T213B of the waveform 603, the lighting can be detected if the sampling interval is 1/2 or less of the period T213B that is the lighting time of the light source. As a result, it is possible to suppress a difference in brightness variation in the short-time exposure image, suppress flicker-like flicker due to the blinking operation of the light source, and obtain a moving image with high image quality and a wide dynamic range.

本実施形態においても、光源の点滅する位相と短時間の露光の位相との関係を合わせる必要がないため、撮像装置は、光源の点滅を検出する点灯検出部を必要としない。また光源の点滅の位相と露光の位相とを一致させるための動作をしなくてもよいため、回路構成が簡単になる。この結果、安価な撮像装置が実現される。   Also in the present embodiment, since it is not necessary to match the relationship between the blinking phase of the light source and the phase of short-time exposure, the imaging device does not need a lighting detection unit that detects blinking of the light source. Further, since the operation for making the blinking phase of the light source and the exposure phase coincide with each other, the circuit configuration is simplified. As a result, an inexpensive imaging device is realized.

ここで光源の点滅周期である期間T212と、撮像装置のフレームの期間との関係は、ある程度合わせる必要がある。しかし例えば、信号機や電光掲示板、ディスプレイなどの表示装置のように光源の点滅周期が商用電源の周期の1/2であるような場合を検討する。商用電源の周波数は地域で50Hz又は60Hzに分かれている。このため、例えば近年多く用いられるGPS情報や地図情報などで地域の判定を行えば、光源の点滅周期を検出する必要はない。また本実施形態では光源の点灯周期と撮像装置のフレームの期間とを同期した図で示しているが、周期が大凡合っていれば大きな輝度変動にはならないため、厳密に周期を合わせなくてもよい。   Here, the relationship between the period T212, which is the blinking cycle of the light source, and the period of the frame of the imaging device needs to be matched to some extent. However, for example, consider the case where the blinking cycle of the light source is half the cycle of the commercial power source, such as a display device such as a traffic signal, an electronic bulletin board, and a display. The frequency of the commercial power supply is divided into 50 Hz or 60 Hz in each area. Therefore, for example, if the area is determined by GPS information or map information that has been widely used in recent years, it is not necessary to detect the blinking cycle of the light source. In the present embodiment, the lighting cycle of the light source and the period of the frame of the image pickup apparatus are shown in synchronization with each other. However, if the cycle is roughly the same, there will be no large fluctuation in brightness, so it is not necessary to strictly match the cycle. Good.

また本実施形態を用いた場合、光源が波形202及び603のようなデジタル的な波形でなく、例えばアナログ的に輝度が周期的に変化する光源であっても、複数回のサンプリングを行うため、ゆらぎやむらの抑制された動画像が取得できる。輝度が大きく変化する光源であっても、複数回行うサンプリングの平均的な画像が得られるためである。さらに、周期的に変化しない光源であっても、良好な画質の動画像を取得する撮像装置を実現できる。   Further, when the present embodiment is used, even if the light source is not a digital waveform such as the waveforms 202 and 603 but is a light source whose luminance periodically changes in an analog manner, sampling is performed a plurality of times. A moving image in which fluctuations and unevenness are suppressed can be acquired. This is because an average image obtained by sampling a plurality of times can be obtained even with a light source whose brightness changes greatly. Furthermore, it is possible to realize an imaging device that acquires a moving image with good image quality even with a light source that does not change periodically.

第3の実施形態
図7を参照して、本発明の第3の実施形態による撮像素子の駆動方法を説明する。図7は、本実施形態の撮像装置101の動作を説明するタイミング図である。本実施形態において、図2の第1の実施形態のタイミング図と比較して、制御部103から撮像素子102への信号波形204から信号波形208のうち、信号波形204及び信号波形205にかえて信号波形704及び信号波形705が用いられる点で異なる。その他の点は、第1の実施形態と同様であってよい。本実施形態における撮像装置の構成は、第1の実施形態における撮像装置101と同じであってよい。このため同様の構成要素は重複する説明を省略する。
Third Embodiment With reference to FIG. 7, a method for driving an image sensor according to a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a timing diagram illustrating the operation of the image pickup apparatus 101 according to this embodiment. In the present embodiment, as compared with the timing chart of the first embodiment of FIG. 2, instead of the signal waveform 204 from the control unit 103 to the image sensor 102 to the signal waveform 208, the signal waveform 204 and the signal waveform 205 are changed. The difference is that the signal waveform 704 and the signal waveform 705 are used. Other points may be similar to those of the first embodiment. The configuration of the image capturing apparatus according to this embodiment may be the same as that of the image capturing apparatus 101 according to the first embodiment. Therefore, the duplicated description of the similar components will be omitted.

先述した第1の実施形態において、短時間露光を行う多重露光画像と、長時間露光を行う単一露光画像との2つの露光条件の異なる画像をフレームごとに交互に出力し、これら画像を合成しダイナミックレンジを拡大した画像を出力する例を示した。一方で、本発明は多重露光した1つの短時間露光画像と単一露光した1つの長時間露光画像との組み合わせによる画像合成に限られるものではない。実際のダイナミックレンジ拡大において、露光時間の比を100倍以上の大きな値とする場合がある。こうした場合、短時間露光画像と長時間露光画像とで、撮像した輝度範囲の差が大きくなるため、合成後の画像のリニアリティが劣化する場合がある。また合成するための閾値付近の輝度レベルで境界の輝度の誤差が大きく、例えば疑似輪郭など画質が低下する場合がある。このような画質の劣化を抑制するため、3種類以上の露光時間の異なる画像を取得し合成することによって、2つの条件で撮像し合成した画像よりも画質を改善することが考えられる。そこで、以下に本実施形態の撮像装置の駆動方法を説明する。   In the first embodiment described above, two images with different exposure conditions, that is, a multiple-exposure image for short-time exposure and a single-exposure image for long-time exposure are alternately output for each frame, and these images are combined. An example of outputting an image with expanded dynamic range has been shown. On the other hand, the present invention is not limited to image combination by combining one short-exposure image subjected to multiple exposure and one long-exposure image subjected to single exposure. In actual expansion of the dynamic range, the exposure time ratio may be a large value of 100 times or more. In such a case, the difference in captured luminance range between the short-time exposure image and the long-time exposure image becomes large, and thus the linearity of the combined image may deteriorate. In addition, there is a case where there is a large error in the luminance of the boundary at a luminance level near the threshold for combining, and the image quality may be deteriorated due to, for example, pseudo contour. In order to suppress such deterioration of image quality, it is conceivable that three or more types of images having different exposure times are acquired and combined, so that the image quality is improved as compared with the image captured and combined under two conditions. Therefore, the driving method of the image pickup apparatus according to the present embodiment will be described below.

図7のタイミング図において、波形201は、交流電源を全波整流した波形を模式的に示す。波形202は、波形201の電源を用いた例えば交通信号機などのLED光源の点灯状態を示す。   In the timing chart of FIG. 7, a waveform 201 schematically shows a waveform obtained by full-wave rectifying an AC power supply. A waveform 202 indicates a lighting state of an LED light source such as a traffic signal using the power source of the waveform 201.

制御部103から撮像素子102へ供給されるパルス信号の信号波形704は、図2の信号波形204と同様に、サンプリング動作切替部113からリセット部108に送られる光電変換部107の電位リセットするためのリセット信号の波形を示す。また制御部103から撮像素子102へ供給されるパルス信号の信号波形705は、図2の信号波形205と同様に、サンプリング動作切替部113から第1の転送部109に送られる転送信号の波形を示す。   The signal waveform 704 of the pulse signal supplied from the control unit 103 to the image sensor 102 is for resetting the electric potential of the photoelectric conversion unit 107 sent from the sampling operation switching unit 113 to the reset unit 108, similarly to the signal waveform 204 in FIG. The waveform of the reset signal of is shown. The signal waveform 705 of the pulse signal supplied from the control unit 103 to the image sensor 102 is the waveform of the transfer signal sent from the sampling operation switching unit 113 to the first transfer unit 109, similarly to the signal waveform 205 of FIG. Show.

期間T215及び期間T216はそれぞれ、短時間サンプリング動作が行われる期間を示す。また期間T215C及び期間T216Cはそれぞれ、第3のサンプリング動作が行われる期間を示す。期間T215C及び期間T216Cの第3のサンプリング動作は、第3の露光時間を有する。第3の露光時間は、期間T215及び期間T216の短時間サンプリング動作の露光時間よりも長く設定される。また第3の露光時間は、期間T218の長時間サンプリング動作の露光時間よりも短く設定される。   A period T215 and a period T216 each indicate a period in which the short-time sampling operation is performed. A period T215C and a period T216C each indicate a period in which the third sampling operation is performed. The third sampling operation in the period T215C and the period T216C has a third exposure time. The third exposure time is set to be longer than the exposure time of the short-time sampling operation in the periods T215 and T216. Further, the third exposure time is set shorter than the exposure time of the long-time sampling operation in the period T218.

期間T217及び期間T217Cは、1つのフレームにおいて複数回行われる短時間サンプリング動作及び第3のサンプリング動作の最初のサンプリング動作の開始から、最後のサンプリング動作の終了までの期間を示している。本実施形態において、期間T217の間に期間T215と期間T216との2回の短時間サンプリング動作を行う。また期間T217Cの間に期間T215Cと期間T216Cとの2回の第3のサンプリング動作を行う。これらのサンプリング動作の期間に生成された電荷をサンプリングし電荷保持部110に転送し加算することによって、短時間サンプリング動作による露光と第3のサンプリング動作による露光との、2種類の短時間露光の多重露光画像を形成する。期間T218は、長時間サンプリング動作の期間を示す。期間T218の間に生成された電荷をサンプリングし、電荷保持部110において長時間露光の単一露光画像を形成する。   A period T217 and a period T217C show a period from the start of the first sampling operation of the short-time sampling operation and the third sampling operation performed a plurality of times in one frame to the end of the last sampling operation. In this embodiment, two short-time sampling operations of a period T215 and a period T216 are performed during the period T217. Further, during the period T217C, the third sampling operation is performed twice, the period T215C and the period T216C. By sampling the charges generated during these sampling operations, transferring the charges to the charge holding unit 110, and adding the charges, two types of short-time exposure, that is, the exposure by the short-time sampling operation and the exposure by the third sampling operation are performed. Form a multiple exposure image. A period T218 shows a period of a long time sampling operation. The charges generated during the period T218 are sampled, and a long-exposure single-exposure image is formed in the charge holding unit 110.

ここで第1のパルス生成部114が、第3のサンプリング動作を複数回行う第3の保持動作を撮像素子102で行なわせるパルス信号を生成してもよい。更に第1のパルス生成部114が、第1の保持動作及び第3の保持動作を行わせるパルス信号の生成をフレームごとに順次、切り替えてもよい。また制御部103が、第3の保持動作を行わせるパルス信号を生成する第3のパルス生成部を更に有し、サンプリング動作切替部113によって撮像素子102に送信するパルス信号を、フレームごとに順次、切り替えてもよい。   Here, the first pulse generator 114 may generate a pulse signal that causes the image sensor 102 to perform a third holding operation in which the third sampling operation is performed a plurality of times. Further, the first pulse generation unit 114 may sequentially switch generation of pulse signals for performing the first holding operation and the third holding operation for each frame. In addition, the control unit 103 further includes a third pulse generation unit that generates a pulse signal for performing the third holding operation, and sequentially outputs the pulse signals to be transmitted to the image sensor 102 by the sampling operation switching unit 113 for each frame. , May be switched.

期間T210(n)で示されるnフレーム目の期間T217において複数回の短時間サンプリング動作で保持された電荷は、n+1フレーム目の期間T210(n+1)のうち期間T219の間に1フレーム分の露光画像として出力される。同様に期間T210(n+1)で示されるn+1フレーム目の期間T217Cにおいて複数回の第3のサンプリング動作で保持された電荷は、n+2フレーム目の期間T210(n+2)のうち期間T219の間に出力される。また期間T210(n+2)で示されるn+2フレーム目の期間T218の間に1回の長時間サンプリング動作で保持された電荷は、n+3フレーム目の期間T210(n+3)のうち期間T219の間に1フレーム分の露光画像として出力される。撮像素子102は、短時間サンプリング動作で短時間露光された多重露光画像と、第3のサンプリング動作で露光された多重露光画像と、長時間サンプリング動作で長時間露光された単一露光画像とを、本実施形態において、3フレーム周期で出力する。   The charges held by the short-time sampling operations a plurality of times in the period T217 of the nth frame shown in the period T210(n) are exposed for one frame during the period T219 of the period T210(n+1) of the n+1th frame. It is output as an image. Similarly, the charge held in the third sampling operation for a plurality of times in the period T217C of the (n+1)th frame shown in the period T210(n+1) is output during the period T219 of the period T210(n+2) of the (n+2)th frame. It Further, the charge held by one long time sampling operation during the period T218 of the n+2th frame indicated by the period T210(n+2) is 1 frame during the period T219 of the period T210(n+3) of the n+3th frame. Minute exposure image is output. The image sensor 102 displays a multiple-exposure image that has been exposed for a short time by a short-time sampling operation, a multiple-exposure image that has been exposed by a third sampling operation, and a single-exposure image that has been exposed for a long time by a long-time sampling operation. In the present embodiment, the output is performed in a 3-frame cycle.

画像処理部104は、これら3種類の露光時間の異なる画像を用いてダイナミックレンジを拡大した1つの画像を合成する。例えば複数回の短時間サンプリング動作の露光時間の合計と、複数回の第3のサンプリング動作の露光時間の合計と、単一の長時間サンプリング動作の露光時間との比を1:10:100とする。短時間サンプリング動作によって得られた画像と長時間サンプリング動作によって得られた画像との2種類の画像の合成の場合、100倍のレンジの異なる画像同士の合成となる。しかし、本実施形態において、第3のサンプリング動作を用いることによって、10倍ごとのレンジの差に抑えることが可能となり、画質の低下を抑制することが可能になる。これによって、2種類の露光時間の画像を合成した場合と比較して、高画質なダイナミックレンジを拡大した画像が取得できる。また画質を同じ程度に抑えた場合、よりダイナミックレンジの拡大量が大きい撮像装置が実現される。   The image processing unit 104 combines these three types of images with different exposure times into one image with an expanded dynamic range. For example, the ratio of the total exposure time of a plurality of short-time sampling operations, the total exposure time of a plurality of third sampling operations, and the exposure time of a single long-time sampling operation is 1:10:100. To do. In the case of synthesizing two types of images, an image obtained by the short-time sampling operation and an image obtained by the long-time sampling operation, the images having different ranges of 100 times are synthesized. However, in the present embodiment, by using the third sampling operation, it is possible to suppress the range difference for every 10 times, and it is possible to suppress the deterioration of the image quality. As a result, it is possible to obtain a high-quality image with an expanded dynamic range as compared with the case where images of two types of exposure times are combined. Further, when the image quality is suppressed to the same level, an image pickup apparatus having a larger dynamic range expansion amount is realized.

本実施形態のように、ダイナミックレンジ拡大機能を有した撮像装置を実現する場合でも、短い露光時間の画像の取得において、撮像するサンプリングの周期の種類が増えるため、点滅する光源を検出できない不具合が抑制できる。また、このような構成とすることで、光源の点滅と短時間の露光との位相の関係を合わせる必要性が少なくなるため、光源の点滅を検出する点灯検出部を必要としない。また光源の点滅する位相と撮像装置の露光の動作の位相とを一致させなくてもよいため、回路構成が簡単になる。この結果、安価な撮像装置が実現される。   Even when an image pickup apparatus having a dynamic range expansion function is realized as in the present embodiment, there is a problem that a blinking light source cannot be detected because the number of sampling cycles to be picked up increases when an image having a short exposure time is acquired. Can be suppressed. Further, with such a configuration, since it is less necessary to match the phase relationship between the blinking of the light source and the exposure for a short time, the lighting detection unit for detecting the blinking of the light source is not required. Further, since the blinking phase of the light source and the exposure operation phase of the imaging device do not have to match, the circuit configuration is simplified. As a result, an inexpensive imaging device is realized.

第4の実施形態
図8から図10を参照して、本発明の一部の実施形態による撮像装置の構造及び撮像素子の駆動方法を説明する。図8は、本発明の第4の実施形態における撮像装置801の構成例を模式的に示すブロック図である。図1に示す撮像装置101と比較して、撮像素子102に、電荷保持部110と第1の転送部109と第2の転送部111とを含むセットを2つ含む画素820が配されている。また、サンプリング動作切替部113が、撮像素子102を駆動するためのパルス信号を供給するサンプリング動作制御部813に変更されている。これ以外の撮像装置801の構成は、上述の撮像装置101の構成と同じであってよい。本明細書において、各セットに含まれる各構成の区別が必要な場合、各構成の参照符号にS、Lの添え字を行う(例えば、電荷保持部110S)。
Fourth Embodiment With reference to FIGS. 8 to 10, a structure of an image pickup apparatus and a driving method of an image pickup element according to some embodiments of the present invention will be described. FIG. 8: is a block diagram which shows typically the structural example of the imaging device 801 in the 4th Embodiment of this invention. Compared to the imaging device 101 shown in FIG. 1, the image sensor 102 is provided with a pixel 820 including two sets including the charge holding unit 110, the first transfer unit 109, and the second transfer unit 111. .. Further, the sampling operation switching unit 113 is changed to a sampling operation control unit 813 that supplies a pulse signal for driving the image sensor 102. The configuration of the imaging device 801 other than this may be the same as the configuration of the imaging device 101 described above. In this specification, when it is necessary to distinguish each configuration included in each set, the reference numerals of each configuration are suffixed with S and L (for example, the charge holding unit 110S).

図9に本実施形態における撮像装置801の撮像素子102の画素部分の等価回路の構成例を示す。画素800は、図8の画素820に相当する。図3に示す画素300と比較して、画素800は、電荷保持部302と第1の転送スイッチ304と第2の転送スイッチ305とを含むセットを2つ含む。また、第1の転送スイッチ304S、304Lのそれぞれを制御するための制御線321S、321L、及び、第2の転送スイッチ305S、305Lのそれぞれを制御するための制御線322S、322Lを含む。これ以外の画素800の構成は、上述の画素300の構成と同じであってよい。このような構成を有することで、一方の電荷保持部で電荷が保持されている状態で、光電変換部301から他方の電荷保持部へ電荷を転送し保持する(第1工程)。そして、第1工程によって二つの電荷保持部で電荷が保持されている状態で、一方の電荷保持部から出力部へ電荷を転送する(第2工程)。このような動作を順次、行うことで、二つの電荷保持部に同時性の高い信号を保持することが可能となる。以下、詳細に関して説明を行う。   FIG. 9 shows a configuration example of an equivalent circuit of the pixel portion of the image pickup element 102 of the image pickup apparatus 801 according to this embodiment. The pixel 800 corresponds to the pixel 820 in FIG. Compared to the pixel 300 shown in FIG. 3, the pixel 800 includes two sets including the charge holding unit 302, the first transfer switch 304, and the second transfer switch 305. Further, the control lines 321S and 321L for controlling the first transfer switches 304S and 304L, and the control lines 322S and 322L for controlling the second transfer switches 305S and 305L are included. The configuration of the pixel 800 other than this may be the same as the configuration of the pixel 300 described above. With such a configuration, while one of the charge holding units holds the charge, the charge is transferred from the photoelectric conversion unit 301 to the other charge holding unit and held (first step). Then, while the charges are held in the two charge holding units in the first step, the charges are transferred from one of the charge holding sections to the output section (second step). By sequentially performing such an operation, it is possible to hold signals with high simultaneity in the two charge holding units. The details will be described below.

画素800において、光電変換部301で生成された電荷は、第1の転送スイッチ304Sと第1の転送スイッチ304Lとのそれぞれ選択された時間に応じて、電荷保持部302Sと電荷保持部302Lとのそれぞれに保持される。上述の第1〜第3の実施形態では、制御部103が撮像素子102にフレームごとに異なる露光時間のサンプリング動作を行なわせ、フレームごとに露光時間の異なる画像を順次、生成させた。一方、本実施形態では、画素800が複数の電荷保持部110を含むことによって、制御部103が撮像素子102にフレームごとに、異なる露光時間のサンプリング動作を並列に行わせ、異なる露光時間で得られた複数の信号を生成させる。   In the pixel 800, the charge generated by the photoelectric conversion unit 301 is generated by the charge holding unit 302S and the charge holding unit 302L according to the time selected by the first transfer switch 304S and the first transfer switch 304L, respectively. Hold on to each. In the above-described first to third embodiments, the control unit 103 causes the image sensor 102 to perform sampling operations with different exposure times for each frame, and sequentially generate images with different exposure times for each frame. On the other hand, in the present embodiment, the pixel 800 includes the plurality of charge holding units 110, so that the control unit 103 causes the image sensor 102 to perform sampling operations of different exposure times in parallel for each frame, and obtains at different exposure times. Generated multiple signals.

図10は、本実施形態の撮像装置801の動作を説明するタイミング図である。期間T910(n)、期間T910(n+1)、期間T910(n+2)、期間T910(n+3)は、それぞれn、n+1、n+2、n+3フレーム目のフレームの期間を示している。本実施形態において、各フレームは、それぞれの画素820が電荷保持部を2つ有することから、露光時間の異なる2つの信号を撮像素子102から画像処理部104へ出力する。画像処理部104は、フレームごとに出力される露光時間の異なる2つの信号を合成して画像を生成する。本実施形態において、各画素820は、電荷保持部110と第1の転送部109と第2の転送部111とを含むセットを2つ備えるが、例えば3つ以上のセットを備え、フレームごとに露光時間の異なる3つ以上の画像を生成してもよい。   FIG. 10 is a timing chart for explaining the operation of the image pickup apparatus 801 of this embodiment. A period T910(n), a period T910(n+1), a period T910(n+2), and a period T910(n+3) show the period of the nth, n+1, n+2, and n+3th frame, respectively. In this embodiment, in each frame, since each pixel 820 has two charge holding units, two signals having different exposure times are output from the image sensor 102 to the image processing unit 104. The image processing unit 104 synthesizes two signals output for each frame with different exposure times to generate an image. In the present embodiment, each pixel 820 includes two sets including the charge holding unit 110, the first transfer unit 109, and the second transfer unit 111. However, each pixel 820 includes, for example, three or more sets, and for each frame. Three or more images with different exposure times may be generated.

波形901は、例えば電光掲示板や各種照明機器、自動車などの表示に用いられるアナログ変調されたLED光源などの点灯波形を示す。信号波形904は、サンプリング動作制御部813からリセット部108に出力される光電変換部107の電位をリセットするためのパルス信号の波形を示す。上述の実施形態と同様に、“H”レベルをリセット、“L”レベルを非リセットとしている。また、撮像素子102にアレイ状に配された全画素820の光電変換部107は、一括して同時にリセットされる。このため全ての画素820のリセット部108に、同じタイミングで信号波形904の“H”レベルのリセット信号が入力される。   A waveform 901 shows a lighting waveform of an analog modulated LED light source used for display of, for example, an electronic bulletin board, various lighting devices, and automobiles. A signal waveform 904 shows a waveform of a pulse signal output from the sampling operation control unit 813 to the reset unit 108 for resetting the potential of the photoelectric conversion unit 107. Similar to the above-described embodiment, the "H" level is reset and the "L" level is not reset. Further, the photoelectric conversion units 107 of all the pixels 820 arranged in an array on the image sensor 102 are collectively reset at the same time. Therefore, the “H” level reset signal of the signal waveform 904 is input to the reset units 108 of all the pixels 820 at the same timing.

信号波形905Sは、サンプリング動作制御部813から第1の転送部109Sへ出力されるパルス信号、信号波形905Lは、サンプリング動作制御部813から第1の転送部109Lへ出力されるパルス信号の波形をそれぞれ示す。本実施形態において、光電変換部107で生成された電荷は、アレイ状に配列された全画素820で同時に電荷保持部110S又は電荷保持部110Lに転送される。信号波形905Sが“H”レベルのとき、光電変換部107で生成された電荷は、電荷保持部110Sに転送される。このとき、全ての画素820の第1の転送部109Sに、同時に信号波形905Sの“H”レベルの転送信号が入力される。同様に、信号波形905Lが“H”レベルのとき、光電変換部107で生成された電荷が電荷保持部110Lに転送される。このとき、全ての画素820の第1の転送部109Lに、同時に信号波形905Lの“H”レベルの転送信号が入力される。これによって、2つの電荷保持部110S、110Lのそれぞれに、信号波形904及び信号波形905S、信号波形904及び信号波形905Lで規定されたそれぞれ異なる露光時間で、光電変換部107に生成された電荷がサンプリングされる。もしくは同じ露光時間であって、サンプリングの回数を異ならせた電荷をサンプリングさせてもよい。   The signal waveform 905S is a pulse signal output from the sampling operation control unit 813 to the first transfer unit 109S, and the signal waveform 905L is a pulse signal waveform output from the sampling operation control unit 813 to the first transfer unit 109L. Shown respectively. In this embodiment, the charges generated by the photoelectric conversion unit 107 are simultaneously transferred to the charge holding unit 110S or the charge holding unit 110L in all the pixels 820 arranged in an array. When the signal waveform 905S is at “H” level, the charges generated by the photoelectric conversion unit 107 are transferred to the charge holding unit 110S. At this time, the “H” level transfer signal of the signal waveform 905S is simultaneously input to the first transfer units 109S of all the pixels 820. Similarly, when the signal waveform 905L is at “H” level, the charges generated by the photoelectric conversion unit 107 are transferred to the charge holding unit 110L. At this time, the “H” level transfer signals of the signal waveform 905L are simultaneously input to the first transfer units 109L of all the pixels 820. As a result, the charges generated in the photoelectric conversion unit 107 are supplied to the two charge holding units 110S and 110L at different exposure times defined by the signal waveform 904 and the signal waveform 905S, and the signal waveform 904 and the signal waveform 905L. Sampled. Alternatively, the charges may be sampled with the same exposure time but different sampling times.

ここで、期間T915S、T916S、T917Sは、信号波形904の駆動パルスでリセットされた後、光電変換部107に蓄積された電荷を、信号波形905Sの駆動パルスで電荷保持部110Sに転送する短時間サンプリング動作のそれぞれの期間を示す。同様に、期間T915L、T916L、T917Lは、信号波形904の駆動パルスでリセットされた後、光電変換部107に蓄積された電荷を、信号波形905Lの駆動パルスで電荷保持部110Lに転送する長時間サンプリング動作のそれぞれの期間を示す。短時間サンプリング動作を行う期間T915S、T916S、T917Sと、長時間サンプリング動作を行う期間T915L、T916L、T917Lとは、同時に行われることはなく、順次行われる。制御部103が、撮像素子102に短時間サンプリング動作と、長時間サンプリング動作とを順次、行わせることによって、同一のフレームの期間で複数の異なる露光時間の画像を並列に生成することが可能となる。もしくはサンプリングのタイミングが異なるが、同時性の高い画像を並列に生成することが可能となる。   Here, in the periods T915S, T916S, and T917S, after being reset by the drive pulse of the signal waveform 904, the charge accumulated in the photoelectric conversion portion 107 is transferred to the charge holding portion 110S by the drive pulse of the signal waveform 905S for a short time. The respective periods of the sampling operation are shown. Similarly, in the periods T915L, T916L, and T917L, after being reset by the driving pulse of the signal waveform 904, the charge accumulated in the photoelectric conversion portion 107 is transferred to the charge holding portion 110L by the driving pulse of the signal waveform 905L for a long time. The respective periods of the sampling operation are shown. The periods T915S, T916S, and T917S in which the short-time sampling operation is performed and the periods T915L, T916L, and T917L in which the long-time sampling operation is performed are sequentially performed without being performed at the same time. By causing the image pickup device 102 to sequentially perform the short-time sampling operation and the long-time sampling operation, the control unit 103 can generate a plurality of images with different exposure times in parallel in the same frame period. Become. Alternatively, it is possible to generate images with high simultaneity in parallel although the sampling timings are different.

信号波形906S、906Lは、電荷保持部110S、110Lに一時保持した電荷を、出力部112に順次に転送するために、サンプリング動作制御部813から第2の転送部111S、111Lに出力されるパルス信号の波形を示す。信号波形906S、906Lが“H”レベルのとき、対応する画素820内の第2の転送部111S、111LがON動作し、電荷保持部110S、110Lに一時保持された電荷が、順次、出力部112に転送される。信号波形906S−1、2、3のそれぞれは、電荷保持部110Sにそれぞれ期間T917S、915S、916Sの間に蓄積された電荷を転送する際のパルス信号の波形を示している。同様に、信号波形906L−1、2、3のそれぞれは、電荷保持部110Lにそれぞれ期間T917L、915L、916Lの間に蓄積された電荷を転送する際のパルス信号の波形を示している。また、期間T910は、信号波形906S−1、906L−1から信号波形906S−3、906L−3によって1行目から最終行目までの1フレーム分の画像を行ごとに順次、出力部112に出力する1画面分の転送期間である。期間T910は、1フレームの期間と言うことができる。   The signal waveforms 906S and 906L are pulses output from the sampling operation control unit 813 to the second transfer units 111S and 111L in order to sequentially transfer the charges temporarily held in the charge holding units 110S and 110L to the output unit 112. The waveform of a signal is shown. When the signal waveforms 906S and 906L are at “H” level, the second transfer units 111S and 111L in the corresponding pixels 820 are turned on, and the charges temporarily held in the charge holding units 110S and 110L are sequentially output. 112 is transferred. Each of the signal waveforms 906S-1, 2 and 3 shows a waveform of a pulse signal when transferring the charges accumulated in the charge holding unit 110S during the periods T917S, 915S and 916S, respectively. Similarly, each of the signal waveforms 906L-1, 2 and 3 shows a waveform of a pulse signal when transferring the charges accumulated in the charge holding unit 110L during the periods T917L, 915L and 916L, respectively. In the period T910, the image of one frame from the first row to the last row is sequentially output to the output unit 112 by the signal waveforms 906S-1 and 906L-1 to the signal waveforms 906S-3 and 906L-3. It is a transfer period for one screen to be output. The period T910 can be referred to as one frame period.

本実施形態において、1フレームの期間T910の間に、期間T915S、T916S、T917Sで示される短時間サンプリング動作を3回行い、短い露光時間で多重露光した画像を生成する。また、1フレームの期間T910の間に、期間T915L、T916L、T917Lで示される短時間サンプリング動作よりも長い長時間サンプリング動作を3回行い、長い露光時間で多重露光した画像を生成する。1フレーム期間における複数回の短時間サンプリング動作及び長時間サンプリング動作の期間の合計時間が、1フレーム期間の、それぞれのサンプリング動作で得られる画像の露光時間となる。   In this embodiment, the short-time sampling operation shown in periods T915S, T916S, and T917S is performed three times during the period T910 of one frame to generate an image subjected to multiple exposure in a short exposure time. In addition, during a period T910 of one frame, a long time sampling operation longer than the short time sampling operation shown in the periods T915L, T916L, and T917L is performed three times, and an image subjected to multiple exposure with a long exposure time is generated. The total time of a plurality of short-time sampling operations and long-time sampling operations in one frame period is the exposure time of an image obtained in each sampling operation in one frame period.

上述の第1〜第3の実施形態において、フレームごとに順次、異なる露光時間で画像を生成し、複数のフレームの画像を合成することによってダイナミックレンジを拡大した合成画像を取得した。一方、本実施形態では、電荷保持部110S及び電荷保持部110Lの2つの電荷保持部を設け、それぞれの転送部に適切なパルスを入力することによって、同一のフレームで、2つの異なる露光時間の画像を生成することが可能となる。露光時間の異なるサンプリング動作のそれぞれのサンプリング動作の回数を十分に多くした場合、各サンプリング動作の開始から終了までの時間は短くなる。このとき得られる情報の変化量は、異なる露光時間の隣接するサンプリング動作の間では小さくなるため、得られる2つの情報は露光の期間が異なるものの、露光開始から露光終了まで連続的に蓄積した情報と同等の情報となりうる。例えば1行目はおよそ期間T921での情報が得られ、2行目はおよそ期間T922での情報が得られ、さらに最終行は期間T923での情報が得られることになる。つまり、本実施形態によると、異なる露光時間の、ほぼ同時刻の画像情報が得られることになる。   In the above-described first to third embodiments, images are sequentially generated for each frame at different exposure times, and images of a plurality of frames are combined to obtain a combined image with an expanded dynamic range. On the other hand, in the present embodiment, two charge holding units, that is, the charge holding unit 110S and the charge holding unit 110L are provided, and appropriate pulses are input to the respective transfer units, so that two different exposure times are obtained in the same frame. It becomes possible to generate an image. When the number of sampling operations of the sampling operations having different exposure times is sufficiently increased, the time from the start to the end of each sampling operation becomes short. Since the amount of change in the information obtained at this time is small between adjacent sampling operations of different exposure times, the two pieces of information obtained have different exposure periods, but information accumulated continuously from the start of exposure to the end of exposure. Can be the same information as. For example, the first row obtains information in the period T921, the second row obtains information in the period T922, and the last row obtains information in the period T923. That is, according to the present embodiment, it is possible to obtain image information at different exposure times and at substantially the same time.

このように、撮像素子102にアレイ状に配された画素820の光電変換部107で生成された電荷は、1画素につき2つの電荷保持部110に異なるサンプリング時間で、全画素同時に保持される。その後、各電荷保持部110から出力部112に行ごとに出力されることで、1画面分のフレーム期間において、異なる露光時間でサンプリングされた電荷が加算された多重露光画像が出力される。本実施形態において、電荷保持部110Sに保持された電荷から得られる画像は短い露光時間の多重露光画像となり、また、電荷保持部110Lに保持された電荷から得られた画像は長い露光時間の多重露光画像となる。   In this way, the charges generated by the photoelectric conversion units 107 of the pixels 820 arranged in an array on the image sensor 102 are simultaneously held in the two charge holding units 110 for each pixel at different sampling times. After that, the charges are output from the charge holding units 110 to the output unit 112 for each row, so that a multiple-exposure image in which charges sampled at different exposure times are added in a frame period for one screen is output. In the present embodiment, the image obtained from the charges held in the charge holding unit 110S is a multiple exposure image with a short exposure time, and the image obtained from the charges held in the charge holding unit 110L is a multiple exposure image with a long exposure time. It becomes an exposure image.

露光時間の異なる2つの多重露光画像は、時間の間隔をあけて複数回サンプリングして得られた画像のため、光源の点灯状態の変動するある一瞬の固定値でなく、1つのフレームの期間の情報となる。このため、光源を撮影したときに発生するフリッカ又はフリッカ状のちらつきを抑制することが可能となる。また、フリッカを完全に抑制できない場合であっても、画面内のフリッカの発生状況は、短露光時間の画像と長露光時間の画像で近くなるため、それぞれの多重露光画像を合成する際、フリッカの発生状況の差による画質の低下を抑制できる。また、それぞれの多重露光画像は、同一のフレームの期間を複数回サンプリングして得られているため、ほぼ同時刻の撮影を2種類の露光時間で撮影した画像となる。従って、読み出されたそれぞれの多重露光画像を合成することによって、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。また、それぞれの多重露光画像には同時性があるため、上述した異なるフレームの画像を合成する場合と比較して、被写体やカメラの動きに対して発生する画像ずれの発生を抑制することができる。   Two multiple-exposure images with different exposure times are images obtained by sampling multiple times at intervals of time, and therefore they are not fixed values of a certain momentary change of the lighting state of the light source, but of one frame period. It becomes information. Therefore, it is possible to suppress flicker or flicker-like flicker that occurs when the light source is photographed. Even if the flicker cannot be completely suppressed, the flicker occurrence status in the screen is similar between the short exposure time image and the long exposure time image. It is possible to suppress the deterioration of image quality due to the difference in the occurrence status of. Further, since each multiple-exposure image is obtained by sampling the same frame period a plurality of times, it becomes an image obtained by photographing at substantially the same time with two types of exposure times. Therefore, an image with an expanded dynamic range can be obtained by combining the read multiple exposure images. Further, since the multiple-exposure images have simultaneity, it is possible to suppress the occurrence of image shift caused by the movement of the subject or the camera, as compared with the case where the images of different frames are combined. ..

本実施形態において、制御部103は、1フレームの期間に光電変換部107の情報を、短時間サンプリング動作及び長時間サンプリング動作をそれぞれ3回、各画素820に行わせている。このため、1フレームの期間のうち、1回の短時間又は長時間サンプリング動作を開始してから、次の短時間又は長時間サンプリング動作を開始するまでの時間は、1フレームの期間の1/3となっている。しかし、サンプリング動作の回数は、これに限られるものではない。フリッカの抑制効果は、サンプリング動作を2回以上、行うことによって得ることができるため、サンプリング動作は、例えばそれぞれ2回ずつでもよい。また、4回以上のサンプリング動作を行ってもよい。また例えば、1フレームの期間に行われる短時間サンプリングと長時間サンプリングとの回数が互いに異なっていてもよい。   In this embodiment, the control unit 103 causes each pixel 820 to perform the short-time sampling operation and the long-time sampling operation three times for the information of the photoelectric conversion unit 107 in one frame period. Therefore, in one frame period, the time from the start of one short-time or long-time sampling operation to the start of the next short-time or long-time sampling operation is 1/one of the period of one frame. It is 3. However, the number of sampling operations is not limited to this. Since the flicker suppressing effect can be obtained by performing the sampling operation twice or more, the sampling operation may be performed twice, for example. Further, the sampling operation may be performed four times or more. Further, for example, the number of short-time samplings and the number of long-time samplings performed in one frame period may be different from each other.

1フレームの期間のサンプリング動作の回数を多くした場合、取得される情報は、各フレームの期間に連続的に蓄積した場合と同様の効果を有しうる。これによって、例えば点滅する光源の検出精度が向上し、また検出した光源の点滅による画像の変動を抑制し、フリッカを抑制することができる。また、動画を撮像した場合、顕著となるが、同一フレームでの撮像のため短い露光時間の画像と長い露光時間の画像とのぼけ量が同一となり、合成された画像の違和感が抑制される。例えば、夜間に走行中の車を撮影した場合、ボディがぼけているにも関わらず、ライトがぼけていない、ライトのボケが点線状になる、などの不具合が抑制される。   When the number of sampling operations in one frame period is increased, the acquired information may have the same effect as in the case where the information is continuously accumulated in each frame period. Thereby, for example, the detection accuracy of the blinking light source is improved, and the fluctuation of the image due to the blinking of the detected light source can be suppressed, and the flicker can be suppressed. Moreover, when a moving image is captured, the blurring amount becomes the same between the image having a short exposure time and the image having a long exposure time because the images are captured in the same frame, so that a sense of discomfort in the combined image is suppressed. For example, when a vehicle running at night is photographed, it is possible to prevent problems such as the light not blurring even if the body is blurred, and the blurring of the light becoming dotted lines.

上述したように、サンプリング動作の回数を多くする、換言すると、信号波形905S、905Lのパルス間隔を短くすることによって、フリッカを抑制する効果が大きくなる。光源の点滅周波数をN(Hz)とした場合、サンプリングのサイクル(Hz)>N(Hz)からフリッカ抑制の効果が表れる。また、サンプリングのサイクル(Hz)>2Nの条件で十分な効果が表れる。例えば、50Hzの商用電源を用いる蛍光灯の照明下で、100Hzで撮像するとフリッカが現れやすい。この場合、サンプリングのサイクル(Hz)>100Hzで効果が表れ、また、サンプリングのサイクル(Hz)>200Hzとすることで、十分な効果が得られうる。50Hzの商用電源を用いた光源に対して、信号波形905S、905Lのパルス間隔を10ms以下にすることによって、フリッカ抑制の効果が得られる。また、更にフリッカ抑制の効果を高めるために、信号波形905S、905Lのパルス間隔は、例えば5msよりも短くてもよい。   As described above, by increasing the number of sampling operations, in other words, shortening the pulse interval of the signal waveforms 905S and 905L, the effect of suppressing flicker is increased. When the blinking frequency of the light source is N (Hz), the effect of suppressing flicker appears from the sampling cycle (Hz)>N (Hz). Further, a sufficient effect is exhibited under the condition that the sampling cycle (Hz)>2N. For example, flicker is likely to appear when imaging at 100 Hz under the illumination of a fluorescent lamp using a commercial power supply of 50 Hz. In this case, the effect appears when the sampling cycle (Hz)>100 Hz, and the sufficient effect can be obtained by setting the sampling cycle (Hz)>200 Hz. A flicker suppressing effect can be obtained by setting the pulse interval of the signal waveforms 905S and 905L to 10 ms or less for a light source using a commercial power supply of 50 Hz. Further, in order to further enhance the effect of suppressing flicker, the pulse intervals of the signal waveforms 905S and 905L may be shorter than 5 ms, for example.

また、電荷の多重化する露光時間の合計時間は、フリッカの抑制効果を大きくするために、長くしてもよい。例えば、短時間サンプリング動作の露光時間の合計と長時間サンプリング動作の露光時間の合計とを合計した時間が、光源の点滅する周期の1/2以上であってもよい。   Further, the total time of the exposure times in which the charges are multiplexed may be increased in order to enhance the effect of suppressing flicker. For example, the total time of the total exposure time of the short-time sampling operation and the total exposure time of the long-time sampling operation may be 1/2 or more of the blinking cycle of the light source.

本実施形態においても、広いダイナミックレンジの必要な環境の撮像において、短い周期の点滅光源があった場合、光源の点灯及び消灯の状態の検出精度の向上した撮像装置が実現する。また光源の点滅に起因した露光量変動によるちらつきを抑制し、良好な画質の動画像を取得する撮像装置が実現する。また、本実施形態の構成では、露光時間の異なる複数の画像をフレームごとに取得し、得られた画像を合成することで広いダイナミックレンジを作成できる。フレームごとに露光量の異なる複数の画像を取得し合成する場合よりも、カメラの動きや被写体の動きに起因する時間的な画像ずれや、複数の画像間での光源によるフリッカの差を抑制できる。また、上述の各実施形態と同様に、光源の点滅を検出する点灯検出部を必要とせず、光源の点滅の位相とセンサの露光動作とを一致させなくてもよい。このため回路構成が簡単になり、安価な撮像装置が実現される。   Also in the present embodiment, when there is a blinking light source with a short cycle in imaging in an environment where a wide dynamic range is required, an imaging device with improved detection accuracy of the on/off state of the light source is realized. Further, it is possible to realize an image pickup apparatus that suppresses flicker due to fluctuations in exposure amount due to blinking of a light source and acquires a moving image with good image quality. Further, in the configuration of the present embodiment, a wide dynamic range can be created by acquiring a plurality of images with different exposure times for each frame and combining the obtained images. It is possible to suppress temporal image shift due to camera movement or subject movement and flicker difference between light sources due to light sources, as compared to the case where a plurality of images with different exposure amounts are obtained and combined for each frame. . Further, similarly to each of the above-described embodiments, the lighting detection unit that detects the blinking of the light source is not required, and the blinking phase of the light source and the exposure operation of the sensor do not have to match. Therefore, the circuit configuration is simplified and an inexpensive imaging device is realized.

以上、本発明に係る実施形態を4形態示したが、本発明はそれらの実施形態に限定されるものではない。上述した各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。例えば、第1〜第3の実施形態において、2種類以上の短時間露光のサンプリング動作を3回以上行うフレームと、単一露光の長時間サンプリング動作を行うフレームとを、フレームごとに切り替えて撮像してもよい。また、フレームごとに保持動作を順次、切り替えるだけでなく、サンプリング動作切替部113が、例えば第1の保持動作を2度、次いで第2の保持動作を1度のように所定の周期で保持動作を繰り返すように切り替えて撮像してもよい。さらに、各実施形態の信号波形の“H”レベルもしくは“L”レベルの長さは適宜変更することが可能である。たとえば第2実施形態以降では、露光時間の長い信号を得る際の転送部の“H”レベルの長さが、露光時間の短い信号を得る際の“H”レベルよりも長くなっている。しかしこれは同じ長さにしてもよいし、大小関係を逆転させてもよい。また光電変換部から電荷保持部への転送および/または電荷保持部から出力部への転送は電荷が完全に転送されてもよい。このような電荷の転送を実現するために、平衡時の光電変換部のポテンシャルが電荷保持部のポテンシャルよりも高く、平衡時の電荷保持部のポテンシャルが出力部のポテンシャルよりも高いほうがよい。ここでいうポテンシャルは、信号電荷に対するポテンシャルである。従って、信号電荷として電子を扱う場合には電位が低い方がポテンシャルは高くなる。   Although the four embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments. The above-described respective embodiments can be appropriately modified and combined. For example, in the first to third embodiments, a frame in which sampling operations of two or more types of short-time exposure are performed three times or more and a frame in which a long-time sampling operation of single exposure is performed are switched for each frame for imaging. You may. In addition to sequentially switching the holding operation for each frame, the sampling operation switching unit 113 causes the sampling operation switching unit 113 to hold the first holding operation twice and then the second holding operation once in a predetermined cycle. You may switch so that it may repeat and image. Furthermore, the length of the “H” level or “L” level of the signal waveform of each embodiment can be changed appropriately. For example, in the second and subsequent embodiments, the length of the “H” level of the transfer unit when obtaining a signal with a long exposure time is longer than the “H” level when obtaining a signal with a short exposure time. However, this may have the same length or the magnitude relationship may be reversed. Further, in the transfer from the photoelectric conversion unit to the charge holding unit and/or the transfer from the charge holding unit to the output unit, the charges may be completely transferred. In order to realize such charge transfer, it is preferable that the potential of the photoelectric conversion unit at equilibrium is higher than the potential of the charge holding unit, and the potential of the charge holding unit at equilibrium is higher than the potential of the output unit. The potential here is a potential for the signal charge. Therefore, when electrons are used as signal charges, the lower the potential, the higher the potential.

101 撮像装置、102 撮像素子、103 制御部、107 光電変換部、109 第1の転送部、110 電荷保持部、111 第2の転送部、112 出力部、120 画素 101 image pickup device, 102 image pickup element, 103 control unit, 107 photoelectric conversion unit, 109 first transfer unit, 110 charge holding unit, 111 second transfer unit, 112 output unit, 120 pixels

Claims (24)

撮像素子と、前記撮像素子を制御する制御部と、を備える撮像装置であって、
前記撮像素子は、複数の画素を有し、
前記複数の画素の各画素は、光電変換部と、電荷保持部と、出力部と、前記光電変換部で生成された電荷を前記電荷保持部に転送する第1の転送部と、前記電荷保持部に保持された電荷を前記出力部に転送する第2の転送部と、を含み、
前記制御部は、前記光電変換部で生成された電荷を前記第1の転送部によって前記電荷保持部に転送し保持する保持動作と、前記電荷保持部に保持されている電荷を前記第2の転送部によって前記出力部に転送する転送動作と、を前記撮像素子に繰り返し行わせ、
前記制御部は、前記保持動作として、
第1の露光時間において前記光電変換部で生成された電荷を前記第1の転送部によって前記電荷保持部に転送し保持する第1のサンプリング動作を、1フレームの期間に複数回行う第1の保持動作と、
前記第1の露光時間よりも長い第2の露光時間において前記光電変換部で生成された電荷を前記第1の転送部によって前記電荷保持部に転送し保持する第2のサンプリング動作を、前記1フレームの期間に1回以上行う第2の保持動作と、
を含む複数の保持動作を、前記撮像素子に行わせ
前記1フレームの期間のうち、最初の前記第1のサンプリング動作を開始してから最後の前記第1のサンプリング動作を終了するまでの期間が、前記1フレームの期間のうち最初の前記第2のサンプリング動作を開始してから最後の前記第2のサンプリング動作を終了するまでの期間よりも短いことを特徴とする撮像装置。
An image pickup apparatus comprising: an image pickup element; and a control section for controlling the image pickup element,
The image sensor has a plurality of pixels,
Each pixel of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit, a charge holding unit, an output unit, a first transfer unit that transfers the charges generated by the photoelectric conversion unit to the charge holding unit, and the charge holding unit. A second transfer unit that transfers the electric charge held in the unit to the output unit,
The control unit transfers a charge generated by the photoelectric conversion unit to the charge holding unit by the first transfer unit and holds the charge, and a charge operation held in the charge holding unit by the second holding unit. A transfer operation of transferring to the output section by the transfer section, and causing the image sensor to repeatedly perform,
The control unit, as the holding operation,
A first sampling operation of transferring the charges generated by the photoelectric conversion unit in the first exposure time to the charge holding unit by the first transfer unit and holding the charges is performed a plurality of times in a period of one frame. Holding action,
The second sampling operation of transferring the charges generated by the photoelectric conversion unit to the charge holding unit by the first transfer unit and holding the charges in the second exposure time longer than the first exposure time is performed as described above. A second holding operation that is performed once or more during a frame period;
A plurality of holding operation including, to perform the image pickup device,
Of the period of the one frame, a period from the start of the first first sampling operation to the end of the final first sampling operation is the first of the second of the periods of the one frame. An imaging device, which is shorter than a period from the start of a sampling operation to the end of the last second sampling operation .
前記第1のサンプリング動作、及び前記第2のサンプリング動作が、前記複数の画素で同時に行われることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。   The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the first sampling operation and the second sampling operation are performed simultaneously in the plurality of pixels. 前記1フレームの期間のうち、前記転送動作を開始してから終了するまでの期間が、各フレームにおいて同じ期間であることを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。   The image pickup apparatus according to claim 1, wherein a period from the start of the transfer operation to the end of the one frame is the same period in each frame. 前記1フレームの期間のうち、1回の前記第1のサンプリング動作を開始してから次の回の前記第1のサンプリング動作を開始するまでの期間が、前記1フレームの期間の1/2以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の撮像装置。   In the period of one frame, the period from the start of one first sampling operation to the start of the next first sampling operation is ½ or less of the period of one frame. The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the image pickup apparatus is an image pickup apparatus. 前記1フレームの期間のうち、1回の前記第1のサンプリング動作を開始してから次の回の前記第1のサンプリング動作を開始するまでの期間が、前記1フレームの期間の1/4以下であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の撮像装置。   In the period of one frame, the period from the start of one first sampling operation to the start of the next first sampling operation is ¼ or less of the period of one frame. The image pickup apparatus according to claim 1, wherein the image pickup apparatus is an image pickup apparatus. 前記1フレームの期間のうち、最初の前記第1のサンプリング動作を開始してから最後の前記第1のサンプリング動作を終了するまでの期間が、前記1フレームの期間の1/2以上であることを特徴とする請求項4又は5に記載の撮像装置。   In the period of one frame, the period from the start of the first first sampling operation to the end of the final first sampling operation is ½ or more of the period of the one frame. The image pickup apparatus according to claim 4 or 5, wherein: 前記1フレームの期間のうち、前記転送動作の期間が、前記1フレームの期間の1/2以下であることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の撮像装置。 Wherein one of the frame period, the period of the transfer operation, the imaging apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the at 1/2 of 1 frame period follows. 前記複数の保持動作は、前記第1の露光時間よりも長く、前記第2の露光時間よりも短い、第3の露光時間の間に前記光電変換部で生成された電荷を前記第1の転送部によって前記電荷保持部に転送し保持する第3のサンプリング動作を、前記1フレームの期間に複数回行う第3の保持動作を更に含むことを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の撮像装置。 In the plurality of holding operations, charges generated by the photoelectric conversion unit during a third exposure time, which is longer than the first exposure time and shorter than the second exposure time, are transferred to the first transfer. a third sampling operation of holding transferred to the charge holding portion by parts, any one of claims 1 to 7, further comprising a third holding operation a plurality of times during the period of one frame The imaging device according to. 前記撮像装置は、画像合成部を更に備え、
前記画像合成部は、露光時間の異なる少なくとも2つのフレームで得られた画像を合成し、出力することを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の撮像装置。
The imaging device further includes an image combining unit,
The image synthesizing section, exposed synthesized image obtained in at least two frames of different times, the image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 8, characterized in that output.
前記複数の画素の各画素は、前記電荷保持部と、前記第1の転送部と、前記第2の転送部と、を含むセットを2つ含み、
前記制御部は、
同じフレームの期間に、
前記セットの一方に前記第1の保持動作を、
前記セットの他方に前記第2の保持動作を、
それぞれ行わせることを特徴とする請求項1乃至の何れか1項に記載の撮像装置。
Each pixel of the plurality of pixels includes two sets including the charge holding unit, the first transfer unit, and the second transfer unit,
The control unit is
In the same frame period,
The first holding operation is applied to one of the sets,
The second holding operation is applied to the other of the sets.
The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 9, characterized in that to perform respectively.
前記1フレームの期間のうち、前記第1の露光時間の合計と前記第2の露光時間の合計とを合計した時間が、前記1フレームの期間の1/2以上であることを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 The total time of the first exposure time and the second exposure time in the one frame period is 1/2 or more of the one frame period. Item 10. The imaging device according to item 10 . 前記複数の画素は、前記光電変換部の電位をリセットするリセット部を更に有し、
前記リセット部による前記光電変換部の電荷のリセットが、前記第1のサンプリング動作、及び前記第2のサンプリング動作の前に、前記複数の画素で一斉に行わることを特徴とする請求項1乃至11の何れか1項に記載の撮像装置。
The plurality of pixels further includes a reset unit that resets the potential of the photoelectric conversion unit,
The reset of the charges of the photoelectric conversion unit by the reset unit is performed simultaneously in the plurality of pixels before the first sampling operation and the second sampling operation. the imaging apparatus according to any one of 11.
前記リセット部は、オーバーフロードレイン構造を有することを特徴とする請求項12に記載の撮像装置。 The imaging device according to claim 12 , wherein the reset unit has an overflow drain structure. 前記1フレームの期間が、商用電源の周期又は商用電源の周期の1/2と等しいことを特徴とする請求項1乃至13の何れか1項に記載の撮像装置。 The period of one frame, the image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 13, characterized in that equal to 1/2 of the period or cycle of the commercial power supply of the commercial power source. 複数の画素を有し、1フレームの期間に1つの画像を生成する撮像素子の駆動方法であって、
前記複数の画素の各画素は、光電変換部と、第1の電荷保持部と、第2の電荷保持部と、出力部と、を含み、
前記駆動方法は、
第1の露光時間において前記光電変換部で生成された第1の電荷を前記第1の電荷保持部で保持する工程と、
前記第1の露光時間よりも長い第2の露光時間において前記光電変換部で生成された第2の電荷を前記第2の電荷保持部で保持する工程と、
を含み、
前記第1の電荷が前記第1の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、前記第2の電荷が前記第2の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、が重なり、
前記第1の電荷は、複数回の第1のサンプリング動作によって生成され、
前記第2の電荷は、1回以上の第2のサンプリング動作によって生成され、
前記1フレームの期間において、前記第1のサンプリング動作の回数が、前記第2のサンプリング動作の回数と異なっていることを特徴とする駆動方法。
A method for driving an image sensor, which has a plurality of pixels and generates one image in one frame period,
Each pixel of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit, a first charge holding unit, a second charge holding unit, and an output unit,
The driving method is
Holding a first charge generated by the photoelectric conversion unit in the first exposure time in the first charge holding unit;
Holding a second charge generated by the photoelectric conversion unit in the second charge holding unit for a second exposure time longer than the first exposure time;
Including,
At least a part of a period in which the first charge is held in the first charge holding unit, and at least a part of a period in which the second charge is held in the second charge holding unit; Ri is Do not heavy,
The first charge is generated by a plurality of first sampling operations,
The second charge is generated by one or more second sampling operations,
The driving method in the period of one frame, the first number of the sampling operation, characterized that you have differs from the second number of sampling operations.
前記第1のサンプリング動作のサンプリングの周期および前記第2のサンプリング動作のサンプリングの周期が、商用電源の周期よりも早いことを特徴とする請求項15に記載の駆動方法。  The driving method according to claim 15, wherein a sampling cycle of the first sampling operation and a sampling cycle of the second sampling operation are earlier than a cycle of a commercial power supply. 複数の画素を有し、1フレームの期間に1つの画像を生成する撮像素子の駆動方法であって、  A method for driving an image sensor, which has a plurality of pixels and generates one image in one frame period,
前記複数の画素の各画素は、光電変換部と、第1の電荷保持部と、第2の電荷保持部と、出力部と、を含み、  Each pixel of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit, a first charge holding unit, a second charge holding unit, and an output unit,
前記駆動方法は、  The driving method is
第1の露光時間において前記光電変換部で生成された第1の電荷を前記第1の電荷保持部で保持する工程と、    Holding a first charge generated by the photoelectric conversion unit in the first exposure time in the first charge holding unit;
前記第1の露光時間よりも長い第2の露光時間において前記光電変換部で生成された第2の電荷を前記第2の電荷保持部で保持する工程と、    Holding a second charge generated by the photoelectric conversion unit in the second charge holding unit for a second exposure time longer than the first exposure time;
を含み、Including,
前記第1の電荷が前記第1の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、前記第2の電荷が前記第2の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、が重なり、  At least a part of a period in which the first charge is held in the first charge holding unit, and at least a part of a period in which the second charge is held in the second charge holding unit; Overlap,
前記第1の電荷は、複数回の第1のサンプリング動作によって生成され、  The first charge is generated by a plurality of first sampling operations,
前記第2の電荷は、1回以上の第2のサンプリング動作によって生成され、  The second charge is generated by one or more second sampling operations,
前記第1のサンプリング動作のサンプリングの周期および前記第2のサンプリング動作のサンプリングの周期が、商用電源の周期よりも早いことを特徴とする駆動方法。  A driving method, wherein a sampling cycle of the first sampling operation and a sampling cycle of the second sampling operation are earlier than a cycle of a commercial power supply.
前記1フレームの期間において、前記第1のサンプリング動作の回数と前記第2のサンプリング動作の回数とが、同じことを特徴とする請求項17に記載の駆動方法。  18. The driving method according to claim 17, wherein the number of times of the first sampling operation and the number of times of the second sampling operation are the same in the period of the one frame. 数回の前記第1のサンプリング動作の各サンプリング動作は、
第3の露光時間において前記光電変換部で生成された電荷を前記光電変換部から前記第1の電荷保持部に転送し、
前記1フレームの期間において、前記第3の露光時間の合計が、前記第1の露光時間となり、
前記第2の電荷は、複数回の前記第2のサンプリング動作によって生成され、
複数回の前記第2のサンプリング動作の各サンプリング動作は、
第4の露光時間において前記光電変換部で生成された電荷を前記光電変換部から前記第2の電荷保持部に転送し、
前記1フレームの期間において、前記第4の露光時間の合計が、前記第2の露光時間となることを特徴とする請求項15乃至18の何れか1項に記載の駆動方法。
Each of the sampling operations of the first sampling operation multiple times, the
Transferring charges generated by the photoelectric conversion unit during the third exposure time from the photoelectric conversion unit to the first charge holding unit;
In the period of one frame, the total of the third exposure time is the first exposure time,
The second charge is generated by a plurality of second sampling operations,
Each sampling operation of the plurality of second sampling operations is
Transferring charges generated by the photoelectric conversion unit during the fourth exposure time from the photoelectric conversion unit to the second charge holding unit;
19. The driving method according to claim 15 , wherein a total of the fourth exposure times is the second exposure time in the one frame period.
前記1フレームの期間において、前記第1のサンプリング動作と前記第2のサンプリング動作とが、交互に行われることを特徴とする請求項15乃至19の何れか1項に記載の駆動方法。 The driving method according to any one of claims 15 to 19 , wherein the first sampling operation and the second sampling operation are alternately performed in the period of the one frame. 前記第1のサンプリング動作のサンプリングの周期および前記第2のサンプリング動作のサンプリングの周期が、商用電源の周期の1/2以下であることを特徴とする請求項15乃至20の何れか1項に記載の駆動方法。 Period and the period of the second sampling sampling operation of the first sampling of the sampling operation, in any one of claims 15 to 20, characterized in that less than half of the period of the commercial power supply The described driving method. 前記1フレームの期間において、前記第1の露光時間と前記第2の露光時間とを合計した時間が、前記1フレームの期間の1/2以上であることを特徴とする請求項15乃至21の何れか1項に記載の駆動方法。 Wherein in a period of one frame, the time which is the sum of said first exposure time and said second exposure time, of claims 15 to 21, characterized in that said at one frame 1/2 or more periods of The driving method according to any one of items. 撮像素子と、前記撮像素子を制御する制御部と、を備える撮像装置であって、
複数の画素の各画素は、光電変換部と、第1の電荷保持部と、第2の電荷保持部と、出力部と、を含み、
前記制御部は、
前記撮像素子に、1フレームの期間に1つの画像を生成させ、
前記撮像素子に、第1の保持動作と第2の保持動作とを含む保持動作を行わせ、
前記第1の保持動作は、第1の露光時間において前記光電変換部で生成された第1の電荷を前記第1の電荷保持部で保持させ、
前記第2の保持動作は、前記第1の露光時間よりも長い第2の露光時間において前記光電変換部で生成された第2の電荷を前記第2の電荷保持部で保持させ、
前記第1の電荷が前記第1の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、前記第2の電荷が前記第2の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、が重なり、
前記第1の電荷は、複数回の第1のサンプリング動作によって生成され、
前記第2の電荷は、1回以上の第2のサンプリング動作によって生成され、
前記1フレームの期間において、前記第1のサンプリング動作の回数が、前記第2のサンプリング動作の回数と異なっていることを特徴とする撮像装置。
An image pickup apparatus comprising: an image pickup element; and a control section for controlling the image pickup element,
Each pixel of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit, a first charge holding unit, a second charge holding unit, and an output unit,
The control unit is
Causing the image sensor to generate one image in one frame period,
Causing the image sensor to perform a holding operation including a first holding operation and a second holding operation,
The first holding operation causes the first charge holding unit to hold the first charge generated by the photoelectric conversion unit during a first exposure time,
In the second holding operation, the second electric charge holding unit holds the second electric charge generated in the photoelectric conversion unit in a second exposure time longer than the first exposure time,
At least a part of a period in which the first charge is held in the first charge holding unit, and at least a part of a period in which the second charge is held in the second charge holding unit; Ri is Do not heavy,
The first charge is generated by a plurality of first sampling operations,
The second charge is generated by one or more second sampling operations,
In the period of one frame, the first number of sampling operations, the imaging apparatus characterized that you have differs from the second number of sampling operations.
撮像素子と、前記撮像素子を制御する制御部と、を備える撮像装置であって、  An image pickup apparatus comprising: an image pickup element; and a control section for controlling the image pickup element,
複数の画素の各画素は、光電変換部と、第1の電荷保持部と、第2の電荷保持部と、出力部と、を含み、  Each pixel of the plurality of pixels includes a photoelectric conversion unit, a first charge holding unit, a second charge holding unit, and an output unit,
前記制御部は、  The control unit is
前記撮像素子に、1フレームの期間に1つの画像を生成させ、    Causing the image sensor to generate one image in one frame period,
前記撮像素子に、第1の保持動作と第2の保持動作とを含む保持動作を行わせ、    Causing the image sensor to perform a holding operation including a first holding operation and a second holding operation,
前記第1の保持動作は、第1の露光時間において前記光電変換部で生成された第1の電荷を前記第1の電荷保持部で保持させ、      The first holding operation causes the first charge holding unit to hold the first charge generated by the photoelectric conversion unit during a first exposure time,
前記第2の保持動作は、前記第1の露光時間よりも長い第2の露光時間において前記光電変換部で生成された第2の電荷を前記第2の電荷保持部で保持させ、      In the second holding operation, the second electric charge holding unit holds the second electric charge generated in the photoelectric conversion unit in a second exposure time longer than the first exposure time,
前記第1の電荷が前記第1の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、前記第2の電荷が前記第2の電荷保持部で保持されている期間の少なくとも一部と、が重なり、  At least a part of a period in which the first charge is held in the first charge holding unit, and at least a part of a period in which the second charge is held in the second charge holding unit; Overlap,
前記第1の電荷は、複数回の第1のサンプリング動作によって生成され、  The first charge is generated by a plurality of first sampling operations,
前記第2の電荷は、1回以上の第2のサンプリング動作によって生成され、  The second charge is generated by one or more second sampling operations,
前記第1のサンプリング動作のサンプリングの周期および前記第2のサンプリング動作のサンプリングの周期が、商用電源の周期よりも早いことを特徴とする撮像装置。  An imaging apparatus, wherein a sampling cycle of the first sampling operation and a sampling cycle of the second sampling operation are earlier than a cycle of a commercial power source.
JP2015217008A 2014-12-17 2015-11-04 Imaging device and driving method of imaging device Active JP6700723B2 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/956,798 US9912886B2 (en) 2014-12-17 2015-12-02 Image capturing apparatus and driving method of image sensor
CN201910040813.6A CN109905611B (en) 2014-12-17 2015-12-15 Image pickup apparatus and method for driving image sensor
CN201510937290.7A CN105721783B (en) 2014-12-17 2015-12-15 The driving method of photographic device and imaging sensor
DE102015121971.9A DE102015121971A1 (en) 2014-12-17 2015-12-16 Image pickup device and driving method for image sensor
US15/885,973 US10244192B2 (en) 2014-12-17 2018-02-01 Image capturing apparatus and driving method of image sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014255443 2014-12-17
JP2014255443 2014-12-17

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2016119652A JP2016119652A (en) 2016-06-30
JP2016119652A5 JP2016119652A5 (en) 2018-12-13
JP6700723B2 true JP6700723B2 (en) 2020-05-27

Family

ID=56244485

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015217008A Active JP6700723B2 (en) 2014-12-17 2015-11-04 Imaging device and driving method of imaging device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6700723B2 (en)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6746421B2 (en) * 2016-07-29 2020-08-26 キヤノン株式会社 Imaging device
JP2018050113A (en) * 2016-09-20 2018-03-29 株式会社富士通ゼネラル Imaging apparatus
JP6914633B2 (en) * 2016-09-30 2021-08-04 キヤノン株式会社 Imaging device and imaging method
JP6752679B2 (en) * 2016-10-15 2020-09-09 キヤノン株式会社 Imaging system
JP2018093301A (en) * 2016-11-30 2018-06-14 キヤノン株式会社 Image pick-up device and control method of the same
WO2018105474A1 (en) * 2016-12-08 2018-06-14 パナソニックIpマネジメント株式会社 Solid-state imaging device and imaging device
JP6866149B2 (en) * 2016-12-21 2021-04-28 キヤノン株式会社 Imaging device, its control method, and control program
JP6910837B2 (en) * 2017-04-14 2021-07-28 キヤノン株式会社 Image pickup device, image sensor and its control method and program
JP7157529B2 (en) 2017-12-25 2022-10-20 キヤノン株式会社 Imaging device, imaging system, and imaging device driving method
JP7013254B2 (en) 2018-01-19 2022-01-31 キヤノン株式会社 Image pickup device and control method of image pickup device
JP7204480B2 (en) * 2018-12-27 2023-01-16 キヤノン株式会社 IMAGING DEVICE, IMAGING SYSTEM, MOVING OBJECT, AND IMAGING DEVICE CONTROL METHOD

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4378599B2 (en) * 2003-07-04 2009-12-09 ソニー株式会社 Imaging apparatus and control method thereof
JP5568880B2 (en) * 2008-04-03 2014-08-13 ソニー株式会社 Solid-state imaging device, driving method of solid-state imaging device, and electronic apparatus
JP5487884B2 (en) * 2009-11-05 2014-05-14 セイコーエプソン株式会社 Image processing apparatus and image processing method
JP5784426B2 (en) * 2011-09-06 2015-09-24 オリンパス株式会社 Imaging device
US9118883B2 (en) * 2011-11-28 2015-08-25 Semiconductor Components Industries, Llc High dynamic range imaging with multi-storage pixels
JP2015109503A (en) * 2013-12-03 2015-06-11 ソニー株式会社 Image sensor and operation method of image sensor, imaging apparatus, electronic apparatus and program

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016119652A (en) 2016-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6700723B2 (en) Imaging device and driving method of imaging device
CN109905611B (en) Image pickup apparatus and method for driving image sensor
CN106847845B (en) Image pickup apparatus, image pickup system, and driving method of image pickup apparatus
US10771718B2 (en) Imaging device and imaging system
JP2009130771A (en) Imaging apparatus, and video recording device
JP2006245784A (en) Solid-state imaging apparatus and driving method thereof, and imaging system
KR101939402B1 (en) Solid-state imaging device and driving method thereof, and electronic apparatus using the same
WO2017077775A1 (en) Solid-state image capturing element, image capturing device and electronic instrument
US20190166291A1 (en) LED Flicker Mitigation for Motion Pictures
JP2011234318A (en) Imaging device
WO2019225071A1 (en) Signal processing device, signal processing method, and imaging device
US8248520B2 (en) Imaging apparatus and imaging method
JP4847768B2 (en) Imaging apparatus and exposure control method thereof
JP2004048456A (en) Image pickup system
JP3899859B2 (en) Solid-state imaging device, driving method thereof, and camera system
JP7204480B2 (en) IMAGING DEVICE, IMAGING SYSTEM, MOVING OBJECT, AND IMAGING DEVICE CONTROL METHOD
JP2015142201A (en) Imaging apparatus
JP5106055B2 (en) Imaging apparatus and flicker detection method thereof
JP2015109590A (en) Solid-state imaging device
JP2007215062A (en) Flicker suppressing imaging apparatus
JP6412364B2 (en) Imaging apparatus and imaging method
JP2000165752A (en) Signal processing method for solid-state image pickup device, and solid-state image pickup device
JP2000224489A (en) Driving method for solid-state image pickup element
JP2009218691A (en) Image device and driving method of image sensor
JPH10243276A (en) Digital still camera

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181101

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181101

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190924

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191011

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191209

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200403

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200501

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6700723

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151