JPH11264836A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被写体の移動速度が高速であってもその速度を
容易に測定することができるようにする。 【解決手段】撮像部１００は、２次元配列された光電変
換素子群により構成される。垂直走査制御回路５０と、
シャッタ用制御回路９０とは、撮像面１００の光電変換
素子群の各行により構成される走査線の撮影時刻が、１
画面内で異なるように駆動する。演算部２００は各走査
線から読み出された信号を用いて、所定の演算を行い、
被写体の歪みに応じた計算値を導出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、走査線毎の撮影
期間を制御することにより、例えば被写体の速度などを
求められるようにした固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビデオカメラを用いて、撮影した移動体
の像から速度を求める方法がある。この方法は、特開平
４−２７６５５４号公報に示されている。この方法は、
ビデオカメラによって得られたインターレース方式の１
フレーム画像内の被写体像を用いている。即ち、時間的
に前後のフィールド間の像の位置ずれから、実際の距離
を換算し、この値をフィールド間時間差で割ることで被
写体の移動速度を求めるというものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の被写体の速度を
求める方法は、フィールド間の時間差により求めるので
あるから、フィールド間の時間差に近い速度で被写体が
移動した場合には測定不能となる。つまり従来の速度の
測定方法であると、フィールド間の時間内に移動する距
離が大きな被写体であると、測定不可能かもしくは撮像
した被写体像の間隔が大きくなり、演算結果を得るまで
に時間がかかるという問題がある。演算結果を得るのに
時間がかかるのは、前フィールドの被写体像と後フィー
ルドの被写体像との対応点を検索する場合に、検索範囲
が広がるためである。そこでこの発明は、被写体の移動
速度が高速であってもその速度を容易に測定することが
できる固体撮像装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するために、２次元配列された光電変換素子群によ
り構成される撮像面を有する撮像部と、前記撮像面の光
電変換素子群の各行により構成される走査線の撮影時刻
が異なるように、前記撮像部の露光期間を制御する撮像
部駆動手段と、前記各走査線から読み出された信号を用
いて、所定の演算を行い、被写体の歪みに応じた計算値
を導出する演算手段とを備えるものである。

【０００５】上記の手段によると、特に、撮像面の光電
変換素子群の各行により構成される走査線の撮影時刻が
異なるように、撮像部の露光期間を制御するために、１
画面内で時事刻々と変化する被写体を捕らえることがで
き、同一形状間の画面内距離を走査線の撮影時刻の差で
割り算すれば、被写体の速度を容易に計算することがで
き、高速の被写体でも容易にその速度を測定することが
できる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。図１はこの発明の一実施の形態
を示す。説明をわかりやすくするために２次元配列され
た画素群を有した撮像部１００を、水平４画素、垂直４
画素ＰＣＳ１１，ＰＣＳ１２，ＰＣＳ２１，ＰＣＳ２２
で示している。この撮像部は、各水平走査ライン（画素
ＰＣＳ１１，ＰＣＳ１２のライン）、（画素ＰＣＳ２
１，ＰＣＳ２２のライン）をランダムアクセス可能であ
る。

【０００７】各画素の構成は同じであるから、１つの画
素（例えばＰＣＳ１１）の構成を代表して説明する。画
素は、光電変換機能を有する光ダイオード２０、光ダイ
オード２０のカソード電位を所定電位にセットするため
のリセットトランジスタ２１、光ダイオード２０の電圧
を取り出すためのアンプトランジスタ２２、アンプトラ
ンジスタ２２の出力を信号線３１ａに導出するためのス
イッチトランジスタ２３で構成されている。

【０００８】今、垂直走査制御回路５０により、走査線
４１が選択されてアクティブにされると、この行のすべ
てのスイッチトランジスタ２３がオンし、信号線３１ａ
に接続されている電流源６０ａと、アンプトランジスタ
２２とでソースフォロアが形成されて、光ダイオード２
０に蓄積されている信号電圧が、信号線３１ａ上に生じ
る。

【０００９】この信号電圧は、リセットトランジスタ２
１がオフしてから、スイッチトランジスタ２３がオンす
るまでの時間内に光ダイオード２０に照射された光量に
ほぼ比例した電圧成分である。またアンプトランジスタ
２２の閾値電圧成分も信号線３１に生じてしまうため
に、スイッチトランジスタ２３がオンした期間の後半に
は、リセットトランジスタ２１をオンし、同期検波回路
７０で、光信号成分のみを検出し、Ｓ／Ｎを向上するよ
うにしている。つまりアンプトランジスタ２２の閾値成
分をキャンセルするようにしている。

【００１０】又、同様に信号線３１ｂに接続されている
電流源６０ｂと、対応するアンプトランジスタとでソー
スフォロアが形成されて、対応する光ダイオードに蓄積
されている信号電圧が、信号線３１ｂ上に生じる。

【００１１】この光信号成分は、水平走査制御回路８０
によりラッチされ、各水平方向の画素の出力が順次選択
出力される。この出力信号は、アンプ８１を通して出力
端子８２に導出される。この出力信号は、演算器２００
に入力される。演算器２００においては、撮像信号から
被写体の速度などを求めることができる。

【００１２】リセットトランジスタ２１のオンオフを制
御する回路は、シャッタ制御回路９０であり、走査線毎
に制御し、垂直走査制御回路５０ととともに撮像部駆動
手段を構成しており、光ダイオードの露光時間を設定す
る。つまり撮像面の光電変換素子群の各行により構成さ
れる走査線の撮影時刻が異なるように、前記撮像部の露
光期間を制御することができる。

【００１３】図２には、撮像部１００の各走査線の撮像
時刻が異なる状況を模擬的に示している。各走査線の撮
像時刻が０から順次ずれている様子を太線で示してい
る。この例であると撮像面の上の方から下の方へいくに
従い撮影時刻がずれている。

【００１４】図３（Ａ）には、例えば左方向ヘ移動して
いる自動車を瞬間的に（高速シャッタで）１画面で同時
撮影した画面３０１を示している。図３（Ｂ）には、こ
の発明の撮像装置により撮影した場合の画面３０２を示
している。本発明の装置によると、上から下に行くに従
い、走査線の撮影時間が異なるので、各走査線で自動車
の進行位置応じた撮影が行われる。このために、自動車
全体が歪んだ状態で撮影される。本来真円であるべき、
車輪のホイール３１１が楕円形になる。

【００１５】ここでホイールに着目すると、本来直径方
向の点Ｐ１，Ｐ２は、水平方向のアドレスが一致すべき
である（図３（Ａ）））のに対して、図３（Ｂ）のよう
にずれＬを生じている。一方、点Ｐ１からＰ２までの垂
直方向の時間Ｔ（走査線数を用いて求まる）は、図３
（Ａ），図３（Ｂ）とも同じである。よって、この車は
時間Ｔ内に距離Ｌを移動したことであり、その速度（Ｌ
／Ｔ）を求めることができる。

【００１６】実際の被写体の移動距離は、演算器２００
に各条件を与える。つまり、Ｐ１，Ｐ２間の水平方向の
画素数と、撮像素子の画素ピッチと、レンズの焦点距離
と被写体までの距離を与えることにより求めることがで
きる。また演算器２００においては、メモリに取り込ん
だ画像データを解析する機能も有する。

【００１７】図４は被写体が上から下方向へ落下する場
合の撮像画面４０１を示している。即ち、また被写体
が、垂直方向に上から下方向に落下する場合には、図に
示すように、縦長の楕円として撮影される。この例えば
ホイール４１１の縦、横の長さは前述のように求めるこ
とができる。まず縦方向の長さをＬｖ，水平方向の長さ
をＬｈとして求める。本来ならばＬｖ＝Ｌｈである。
（Ｌｖ−Ｌｈ）／Ｔｖを計算すると垂直方向の速度を得
ることができる。Ｔｖは垂直方向の走査時間である。

【００１８】上記したしたように、この発明の装置によ
ると、水平、垂直方向の速度成分は独立して、簡単に求
めることができ、速度ベクトルを合成することも可能で
ある。

【００１９】図５には、例えばゴルフスイングを行って
いるときのように回転運動を伴うクラブ５００のような
被写体を撮影した画面５０１を示している。図５（Ａ）
乃至（Ｃ）の画面に示すように垂直走査が進むに連れ
て、回転が進むために結果的には、図５（Ｄ）に示すよ
うに湾曲したクラブ５１１の画像となる。ここでスイン
グスピードを求めるときは、湾曲画面のθ（曲率角度）
とＴθ（角速度時間）を算出し、ゴルフクラブの長さＬ
Ｇから、 （ｋ×ＬＧ×θ）／Ｔθ でスイングスピードを算出することができる。ここで、
ｋは腕の長さなどによる補正項目である。

【００２０】図６には、ゴルフクラブ６００がしなった
状態の画面６０１を示している。即ち、ゴルフクラブ
は、クラブの種類によっては、力点である手首の位置が
先に回転し、ヘッド部が後から回転して引っ張られてく
る形で回転するためにクラブ自体が変形することが知ら
れている。

【００２１】移動体自体が変形すると、回転運動による
図形歪みを相殺する方向の変形が発生するために、速度
が減少して算出されてしまうことになる。そこでこのよ
うな場合には、次のような対策をとることにより誤差を
低減することが可能となる。

【００２２】図７（Ａ）には、画面６０１の走査線の撮
影時刻を太線で示している。即ち、この時の撮影制御
は、例えばライン飛び越しの走査線（奇数ライン）によ
り順次上から下方向へ撮影し、次に残りの走査線（偶数
ライン）により順次下から上方向へ撮影する。このよう
に撮影した場合、図７（Ｂ）に示すような像６１１，６
１２から移動体の変形による速度成分を加減算した速度
が得られるので、各速度の平均化により移動体の変形の
影響の少ない速度を算出することができる。クラブの像
６１１は速度が小のときの像であり、クラブの像６１２
は速度が大のときの像である。

【００２３】この発明で用いる撮像素子は、上記した固
体撮像素子に限定されるものではなく、図８に示すよう
なタイプのものでもよい。図８には、代表する１つの画
素中の素子構成を示している。即ち、光ダイオード２０
は、トランジスタ３１，３２を直列に介して電源に接続
され、トランジスタ３１，３２の接続点は、トランジス
タ３３の制御電極に接続される。そしてこのトランジス
タ３３の一方の電極が電源に接続され、他方の電極がト
ランジスタ３４の一方の電極に接続され、このトランジ
スタ３４の他方の電極が読み出し垂直ライン３５に接続
されている。

【００２４】さらにトランジスタ３３の制御電極には、
寄生静電容量により構成される微小容量コンデンサ３６
が形成されている。このタイプの画素を有する撮像素子
では、光ダイオード２０の信号電荷は、転送トランジス
タ３１を介して微小容量コンデンサ３６に読み出され
る。このために、最初は、リセットトランジスタ３２と
トランジスタ３１とを共にオンにして、光ダイオード２
０を空乏化した後に、トランジスタ３２をオフにし、続
いて所定時間経過の後にトランジスタ３１をオフにす
る。このように制御することにより、電子シャッタによ
る信号電荷量をコンデンサ３６に蓄えるようにしてい
る。この電子シャッタ動作を先の実施の形態のように、
走査ラインごとに異なる時間に行うことにより、先の実
施の形態と同様な映像を得ることができる。

【００２５】そして、この様に得られた画像から被写体
の形状を把握し、その画像から円や直線部分を抽出し、
その変形から速度を求めることができる。上記したよう
にこの発明の装置によれば、露光時間が互いに異なる走
査線からなる画像を撮像することにより、移動体の画像
に変形を生じさせ、その変形量から移動体の速度を簡単
に計測できる。また走査線の走査順序を同一画面内に複
数持たせることにより、移動体の形状による速度誤差を
低減することができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
被写体の移動速度が高速であってもその速度を容易に測
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態を示す図。

【図２】この発明の装置の動作例を説明するための図。

【図３】同じくこの発明の装置による速度測定動作例を
説明するための図。

【図４】同じくこの発明の装置による速度測定動作の他
の例を説明するための図。

【図５】同じくこの発明の装置による速度測定動作の他
の例を説明するための図。

【図６】移動により変形を伴う被写体の説明図。

【図７】移動により変形を伴う被写体の速度測定動作例
を説明するために示した図。

【図８】この発明の装置の画素の他の例を説明するため
の図。

【符号の説明】

１００…撮像部、２０…光トランジスタ、２１，２２，
２３…トランジスタ、５０…垂直走査制御回路、７０…
同期検波回路、８０…水平走査制御回路、９０…シャッ
タ用制御回路、２００…演算器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元配列された光電変換素子群により
   構成される撮像面を有する撮像部と、 前記撮像面の光電変換素子群の各行により構成される走
   査線の撮影時刻が、１画面内で異なるように、前記撮像
   部の露光期間を制御する撮像部駆動手段と、 前記各走査線から読み出された信号を用いて、所定の演
   算を行い、被写体の歪みに応じた計算値を導出する演算
   手段とを具備することを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記撮像部駆動手段は、１画面の情報を
   得るために、前記撮像部の各走査線の走査順序を垂直方
   向へ順次異ならせることを特徴とする請求項１記載の固
   体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記撮像部駆動手段は、１画面の情報を
   得るために、前記撮像部の各走査線の走査順序を１画面
   内で複数設定したことを特徴とする請求項１記載の固体
   撮像装置。