JP2004349952A - イメージセンサー - Google Patents
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Abstract
【解決手段】二次元状に配置された複数のピクセル1,2,・・と、すべてのピクセルに対して共通に設けられ、ピクセルの出力をAD変換するΔΣ型AD変換器200と、ピクセルを指定するためのアドレス信号を生成するアドレス生成回路と、各ピクセルごとに設けられ、アドレス生成回路からのアドレス信号にしたがってピクセルの出力をΔΣ型AD変換器200へ接続するスイッチ回路1a,2a,・・とを備えたイメージセンサーであって、アドレス生成回路は、ΔΣ型AD変換器200の積分器202をリセットする周期の間に、隣接する複数のピクセルのアドレスを順次生成し、ΔΣ型AD変換器200は、スイッチ回路1a,2a,・・を介してアドレス生成回路で生成されたアドレスのピクセル出力を順次入力する。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を撮像するイメージセンサーに関する。
【0002】
【従来の技術】
画像処理装置を用いた各種警報システムや運転支援システムが提案されている。これらのシステムに用いられるイメージセンサーの性能に対する要求は、応用システムごとに異なっている。例えば障害物をすばやく発見して警報するシステムでは、割り込み車両のような高速な動きを検出することが要求される。このような高速な動きを検出するにはイメージセンサーのピクセルを微細にし、空間分解能を高める必要がある。
【0003】
一方、例えば夜間に遠方の道路白線を検出するシステムを考えると、イメージセンサーには高感度でかつ低雑音性能が要求される。また、画像を表示するためのイメージセンサーには高階調性能が要求される。
【0004】
ところが、従来のイメージセンサーでは、ピクセルを微細化して高空間分解能化しようとすると、イメージセンサーの感度と階調がとも低下し、雑音が増大する方向にある。空間分解能と感度・雑音性能のトレードオフ関係を両立させる方法として、感度が必要な場合に複数のピクセルを結合させ、あたかも一つのピクセルのようにして信号を読み出すようにしたイメージセンサーが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
このイメージセンサーでは、空間分解能を高くしたい場合には各ピクセルの信号を別々に読み出し、逆に感度を高くしたい場合には二つのピクセルの信号を加算して読み出す。これにより、加算モードと非加算モードの読み出しを任意に選択することができ、画像処理装置用イメージセンサーに要求される高空間分解能と高感度・低雑音を両立させることができる。
【0006】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献1】
特開平09−046596号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のイメージセンサーでは、加算がピクセル内で行われ、加算するピクセルのパターンを予めハードウェア上にインプリメントする構成としているため、加算と非加算を自由に選択できても、加算するピクセルの数などの結合パターンをイメージセンサーの設計段階で予め決めておく必要があり、実際に使用するときに任意に変えることはできない。ところが、自動車に応用する場合には、撮像環境が大きく変化するので加算、非加算だけでなく、加算するピクセルの数など画素結合パターンを状況に応じて任意に変える必要がある。
【0008】
また、自動車に応用する場合には、画像処理用イメージセンサーを表示用イメージセンサーと共用させ、システム全体のコストを抑えることが要求される。一般の画像処理では、入力画像を2値(1ビット)化してから処理しているために階調を要求されないが、画像を表示するには経験的に8ビット以上の高階調を要求される。しかしながら、上述した従来のイメージセンサーでは階調を可変にできないため、感度を向上させることができても画像処理用としてピクセルを微細化すると階調が低下し、表示用として使うことができなくなるという問題がある。
【0009】
本発明は、画素の結合パターンを柔軟に変えることができるとともに信号の読み出し速度と感度や階調を両立できるイメージセンサーを提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二次元状に配置された複数のピクセルと、すべてのピクセルに対して共通に設けられ、ピクセルの出力をAD変換するΔΣ型AD変換器と、ピクセルを指定するためのアドレス信号を生成するアドレス生成回路と、各ピクセルごとに設けられ、アドレス生成回路からのアドレス信号にしたがってピクセルの出力をΔΣ型AD変換器へ接続するスイッチ回路とを備えたイメージセンサーであって、アドレス生成回路は、ΔΣ型AD変換器の積分器をリセットする周期の間に、隣接する複数のピクセルのアドレスを順次生成し、ΔΣ型AD変換器は、スイッチ回路を介してアドレス生成回路で生成されたアドレスのピクセル出力を順次入力する。
【0011】
【発明の効果】
本発明によれば、画素の結合パターンを柔軟に変えることができるとともに信号の読み出し速度と感度や階調を両立できる。
【0012】
【発明の実施の形態】
《発明の第1の実施の形態》
図1は第1の実施の形態のイメージセンサーの全体構成を示す。第1の実施の形態では、CMOS型イメージセンサーと同様に、複数のピクセル1,2,・・・が2次元状に配置されたピクセルアレイ100を備えている。各ピクセル1,2,・・の出力は後述するスイッチを介してAD変換器200へ接続される。アドレス生成回路300は出力を読み出すピクセルのアドレスを生成し、ピクセルアレイ100へ出力する。ピクセルアレイ100では、アドレス信号によりピクセルのスイッチが閉路し、指定アドレスのピクセル出力がAD変換器200へ接続される。
【0013】
図2は、第1の実施の形態のイメージセンサーの2ピクセル分の回路(a)とその動作(b)を示す。なお、図2ではアドレス生成回路300の図示を省略する。また、図2(b)のクロックパルスはΔΣ型AD変換器200のクロック、リセットパルスはΔΣ型AD変換器200の積分器202をリセットするためのリセットパルス、アドレス信号はΔΣ型AD変換器200へ接続するピクセルを指定するためのアドレス信号である。
【0014】
図2では、ピクセルのリセット回路は例えば特許文献1に示す従来のイメージセンサーと同様な構成になっており、本発明の動作に直接、関係がないので図示を省略する。また、図2では、説明を解りやすくするために各ピクセル1,2,・・の出力をAD変換器2へ接続するためのスイッチ1a,2a,・・を一つだけ示しているが、複数のスイッチを介して任意の一つのピクセル出力を選択的にAD変換器に接続するようにしてもよい。図2において、各ピクセル1,2,・・の1b,2b,・・は光電変換部、1c,2c,・・はピクセル値読み出し用ソースフォロワである。
【0015】
この一実施の形態ではピクセル出力のAD変換器としてΔΣ型AD変換器を用いる。図1および図2にΔΣ型AD変換器200の構成例を示す。このΔΣ型AD変換器200は加算器201、積分器202、コンパレータ203およびラッチ204を備えている。
【0016】
イメージセンサーのピクセル出力にΔΣ型AD変換器を用いることは、例えば「A Low−Power Low−Noise Ultrawide−Dynamic−Range CMOS Imager with Pixel−Parallel A/D Conversion」(Lisa G. McIlrath,IEEE Journal of Solid−State Circuits,vol.SSC−36,No.5,May 2001)などに記載されている。図3にその回路(a)と動作(b)を示す。この例では、一つのピクセルの出力を読み出すためにΔΣ型AD変換器200が使われている。
【0017】
図3に示すイメージセンサーの動作を説明する。まず、ΔΣ型AD変換器200を構成している積分器202をリセットする。また、読み出そうとしているピクセルのアドレス(1)を生成し、ピクセル1の出力をΔΣ型AD変換器200に接続する。これによりピクセル1の出力が加算器201でラッチ204の反転出力に加算され、加算結果が積分器202で積分される。次に、積分器202の積分結果がコンパレーター203で所定値と比較され、クロックが入るたびにコンパレーター203の出力がラッチ204によりラッチされる。このように、図3に示すΔΣ型AD変換器200では複数回のクロックで一ピクセルの出力を読み出す。次のピクセル(2)を読み出すには積分器202をリセットするとともに、ピクセル2の出力をΔΣ型AD変換器200へ接続する。
【0018】
図2に示す第1の実施の形態のイメージセンサーの動作(b)を、図3に示す従来のイメージセンサーの動作(b)と比較すると、両者はアドレス生成回路300によるアドレス生成結果のみが相違している。図3に示す従来のイメージセンサーでは、1ピクセル出力の読み出し動作ごとにΔΣ型AD変換器200をリセットしている、これに対し図2に示す第1の実施の形態のイメージセンサーでは、ΔΣ型AD変換器200をリセットしてから複数のアドレス1〜9を生成し、対応する複数のピクセル出力を順次、ΔΣ型AD変換器200へ接続する。
【0019】
図2に示す第1の実施の形態では、ΔΣ型AD変換器200のリセット後に読み出す複数のピクセルが互いに隣接しているとすれば、それらのピクセル出力の相関が強く、出力値がほぼ同じであると考えることができる。その結果、図2に示す第1の実施の形態のような読み出し方をすると、ピクセル1から9までの出力の平均値がAD変換され、出力されることになる。
【0020】
イメージセンサーの各ピクセルの出力にはショット雑音などのランダムな雑音が含まれており、これらの雑音により信号対雑音(SN)比および感度の限界が決められている。特にピクセルを微細にすると信号成分が減少するのでSN比と感度が低下する。図3に示す従来のイメージセンサーのような読み出し方をすると、ピクセル1の信号と雑音とが一緒に読み出されるので、SN比と感度を向上させることができない。
【0021】
これに対し図2に示す第1の実施の形態のような読み出し方をすると、ピクセル1から9までの各ピクセルの信号と雑音の平均が読み出される。各ピクセル間の信号成分には強い相関があるため、平均しても信号成分の値が変わらない。しかし、雑音成分がランダムであるため、平均することによって値が減少する。したがって、図2に示す第1の実施の形態のような読み出し方をすることによって、ピクセル1から9を結合させるのと同じようにSN比および感度を向上させることができる。また、ここでは9個のピクセルの平均が読み出されているので出力値の階調が3ビット強(=log(9)/log(2))だけ向上する。
【0022】
このように、第1の実施の形態では、AD変換器200としてΔΣ型AD変換器を用い、さらにΔΣ型AD変換器200の積分器202をリセットする一周期の間に互いに隣接した複数のピクセルのアドレスを生成し、対応する複数のピクセル出力を順次ΔΣ型AD変換器200へ接続することによって、感度、雑音性能、階調ともに向上させることができ、例えば表示などのような高感度、高階調が要求される応用に対応することができる。
【0023】
これは、従来のΔΣ型AD変換器が、1リセット周期の間に1つのピクセルに対して複数クロックの間、オーバーサンプリングする、すなわち時間軸上でオーバーサンプリングを行っているのに対し、第1の実施の形態のΔΣ型AD変換器は、1リセット周期の間に複数個のピクセル出力をオーバーサンプリングする、すなわち空間軸上でオーバーサンプリングを行っていることに相当し、オーバーサンプリングによって感度および階調が向上しているということができる。
【0024】
また、第1の実施の形態の構成をそのまま使い、一リセット周期の間にアクセスするピクセルの数を少なくすることによって、高速な動きの検出などのような高速、高空間分解能が要求される応用にも対応することができる。図4にその一例を示す。なお、図4ではアドレス生成回路300の図示を省略する。図4に示す例では、一リセット周期の間に4ピクセルだけをアクセスしている。その結果、同じクロックを使った場合の図2に示すイメージセンサーに比べてデータの読み出し速度を9/4倍だけ速くできる。さらに高速が要求される場合には、一リセット周期中に1ピクセルだけをアクセスするようにすれば、読み出し速度を最も高速にできる。
【0025】
すなわち、第1の実施の形態では空間軸上にオーバーサンプリングを行い、空間オーバーサンプリングのレートを変化させることで、高速、高感度、低雑音、高階調の諸性能を柔軟に両立させているということができる。これによって、例えば自動車応用のような撮像環境が大きく変化しても、イメージセンサーの諸性能を柔軟に対応させることができ、例えば画像処理用イメージセンサーを表示用イメージセンサーと共用させ、システム全体のコストを抑えることができる。
【0026】
さらに、従来イメージセンサーの諸性能を柔軟に変化させる一方法としては、各ピクセルの出力をフレームメモリに記憶しておき、フレームメモリ上に画素を結合させる方法が知られているが、本発明の構成によると高価なフレームメモリを使わなくても同等の効果を得ることができる。
【0027】
《発明の第2の実施の形態》
図5に第2の実施の形態の構成(a)と動作(b)を示す。なお、図5ではアドレス生成回路300の図示を省略する。この第2の実施の形態では、図4に示す動作と同じように4個のピクセルをあたかも一つとして画素結合を行っている。ただし、図4ではアドレスがクロックに同期して生成され、一クロック当りに一アドレスが生成されているのに対し、図5に示す第2の実施の形態では二クロックで一アドレスを生成する。この第2の実施の形態によれば、空間軸上のオーバーサンプリングと時間軸上のオーバーサンプリングとを同時に行うことができ、読み出し速度と階調をさらに任意に変えることができる。
【0028】
《発明の第3の実施の形態》
図6に第3の実施の形態の構成(a)と動作(b)を示す。なお、図6ではアドレス生成回路300の図示を省略する。この第3の実施の形態では、連続する複数クロックに対してクロックごとに同一のアドレスを生成しており、図5に示す第2の実施の形態と同様に、空間軸上のオーバーサンプリングと時間軸上のオーバーサンプリングとを同時に行うことができる上に、一クロック当りにアドレスが必ず一つ生成されるようになっている。図5に示す第2の実施の形態の場合は一クロック当りに一つのアドレスを生成するか、二クロック当りに一つアドレスを生成するか、モードを切り替える必要があるが、図6に示す動作とすることで読み出し速度および階調の設定をすべてアドレス生成回路300のみに持たすことができ、乱雑なモードの切り替えを不要にできる。アドレス生成はコントローラーなどのソフトウェアで行うことができるため、図6に示す構成にした方が回路の柔軟性を高くできる。
【0029】
《発明の第4の実施の形態》
図7に第4の一実施の形態の構成(a)と動作(b)を示す。なお、図7ではアドレス生成回路300の図示を省略する。この第4の実施の形態では、図4に示す動作と同様に、4つのピクセルを結合するようになっている。ただし、図7に示す第4の実施の形態では一フレームの間に各ピクセルが複数回アクセスされ、異なる結合パターンで画素結合されている。これにより、空間分解能を一定にしたままで感度と階調を向上させることができる。
【0030】
以上の第1から第4の実施の形態では、単純な一次の積分器202によって構成されるΔΣ型AD変換器200を例としてたが、これ以外のΔΣ型AD変換器を用いてもかまわない。例えば図8に示すような二次の積分器212,214によって構成されるΔΣ型AD変換器210を用いることができる。
【0031】
このように、一実施の形態のイメージセンサーによれば、イメージセンサーの各ピクセルの出力を共通のΔΣ型AD変換器に接続し、ΔΣ型AD変換器の積分器をリセットする周期の間に複数の互いに隣接しているピクセルを順次アクセスするためのアドレスを生成するようにしたので、これら複数のピクセル出力の平均が読み出され、感度および階調を向上させることができ、読み出し時のアドレスによって画素の結合パターンを任意に変えることができる。これによってそれぞれの応用に要求されるイメージセンサーの読み出し速度と感度や階調を両立でき、画像処理用イメージセンサーと表示用のイメージセンサーを共用することができる。
【0032】
また、一実施の形態のイメージセンサーによれば、ΔΣ型AD変換器の一クロック当りにアドレスが必ず一つ生成されるようにしたので、読み出し速度および感度、階調の設定をすべてアドレス生成回路のみに持たすことができ、アドレスの生成をコントローラーなどのソフトウェアで行うことにすることで回路の柔軟性を高めるできる。
【0033】
さらに、一実施の形態のイメージセンサーによれば、隣接する複数のピクセルのアドレスを順次生成するアドレス生成パターンを繰り返し、1フレームの間に異なるアドレス生成パターンで各ピクセルのアドレスを複数回生成するようにしたので、ピクセルが複数の異なるパターンで隣接している他のピクセルと結合され、空間分解能を保持しながら感度、階調を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の全体構成を示す図である。
【図2】第1の実施の形態のイメージセンサーの2ピクセル分の回路(a)と動作(b)を示す図である。
【図3】従来のΔΣ型AD変換器を備えたイメージセンサーの回路(a)と動作(b)を示す図である。
【図4】第1の実施の形態の変形例の構成(a)と動作(b)を示す図である。
【図5】第2の実施の形態のイメージセンサーの構成(a)と動作(b)を示す図である。
【図6】第3の実施の形態のイメージセンサーの構成(a)と動作(b)を示す図である。
【図7】第4の実施の形態のイメージセンサーの構成(a)と動作(b)を示す図である。
【図8】二次の積分器を備えたΔΣ型AD変換器を用いた一実施の形態の変形例を示す図である。
【符号の説明】
1,2,・・10,11,12,13,・・ ピクセル
1a,2a,・・ スイッチ
1b,2b,・・ 光電変換部
1c,2c,・・ ピクセル値読み出し用ソースフォロワ
100 ピクセルアレイ
200,210 ΔΣ型AD変換器
201,211 加算器
202,212,214 積分器
203,215 コンパレーター
204,216,217 ラッチ
300 アドレス生成回路
Claims (3)
- 二次元状に配置された複数のピクセルと、
すべての前記ピクセルに対して共通に設けられ、前記ピクセルの出力をAD変換するΔΣ型AD変換器と、
前記ピクセルを指定するためのアドレス信号を生成するアドレス生成回路と、
前記各ピクセルごとに設けられ、前記アドレス生成回路からのアドレス信号にしたがって前記ピクセルの出力を前記ΔΣ型AD変換器へ接続するスイッチ回路とを備えたイメージセンサーであって、
前記アドレス生成回路は、前記ΔΣ型AD変換器の積分器をリセットする周期の間に、隣接する複数のピクセルのアドレスを順次生成し、
前記ΔΣ型AD変換器は、前記スイッチ回路を介して前記アドレス生成回路で生成されたアドレスのピクセル出力を順次入力することを特徴とするイメージセンサー。 - 請求項1に記載のイメージセンサーにおいて、
前記アドレス生成回路は、前記ΔΣ型AD変換器のクロックに同期して1クロック当たり1つのアドレス信号を生成することを特徴とするイメージセンサー。 - 請求項1または請求項2に記載のイメージセンサーにおいて、
前記アドレス生成回路は、隣接する複数のピクセルのアドレスを順次生成するアドレス生成パターンを繰り返し、1フレームの間に異なるアドレス生成パターンで前記各ピクセルのアドレスを複数回生成することを特徴とするイメージセンサー。
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