JP2001320631A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外乱光の時間変化が大きい場合においても信
号対ノイズ比を大きくすることができる撮像装置および
撮像方法を得る。 【解決手段】 撮像対象からの光を受信する画素１と、
撮像対象に対する照明の明暗に同期して画素からの信号
を切り替える切替え手段２と、照明が明時における画素
からの信号を蓄積する明時信号蓄積手段３と、照明が暗
時における画素からの信号を蓄積する暗時信号蓄積手段
４と、明時信号蓄積手段あるいは暗時信号蓄積手段に蓄
積された信号あるいは該信号に基づく信号を所定期間毎
に出力するための出力手段５とを備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＭＯＳトランジ
スタ等を用いて作られるイメージセンサ等の撮像装置と
その撮像装置を用いた撮像方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＭＯＳトランジスタ等を用いて作られ
るイメージセンサは、撮像対象物の輝度値に対応する光
が電荷に変換されて撮像素子に蓄えられる。この蓄えら
れた電荷（輝度値）を外部から読み出すことによって画
像データが得られる。図５に従来の撮像素子を示す概略
ブロック図を示す。図５に示すように、撮像素子は、コ
ンデンサ等を用いて輝度値に対応して電荷を蓄積する画
素１０１と、それを外部に読み出すための出力回路１０
２とを備えている。なお画像の各画素１０１毎にこのよ
うな出力回路１０２が必要になる。一般には、図５のよ
うな撮像素子の輝度値をそのまま用いて画像を生成す
る。

【０００３】ところで、イメージセンサは様々な照明条
件の元で使われることがある。例えば外乱光がある場合
には、画素１０１の輝度値には、撮像対象物の輝度値に
よるものの他に、ノイズである外乱光の輝度値によるも
のが含まれる。外乱光の影響が小さいときには、撮像対
象物の輝度値に比べて外乱光によるノイズの輝度値のレ
ベルが小さいので、画素１０１の輝度値をそのまま用い
て画像を生成しても、明確な画像が画像データとして得
られる。しかしながら外乱光の影響が大きいときには、
撮像対象物による輝度値に比べて外乱光によるノイズの
輝度値のレベルが大きくなるので、撮像素子の輝度値を
そのまま用いたのでは明確な画像が得られなくなる。

【０００４】例えば図６に外乱光によるノイズが小さい
場合における画素の輝度値の時間変化を示し、図７に外
乱光によるノイズが大きい場合における画素の輝度値の
時間変化を示す。図６と図７において、撮像対象物によ
る輝度値（信号レベル）は斜線で示される部分であり、
外乱光による輝度値（ノイズレベル）がその下側の部分
である。また、図６と図７においては、外乱光の時間変
化は無視できるぐらい小さいものとしているので、輝度
値は時間的に一定である。図６と図７を比べると、図７
では、信号レベルとノイズレベルとの比が非常に小さく
なってしまっている。図７のように信号レベルとノイズ
レベルの比が小さくなると画素の輝度値をそのまま用い
たのではぼんやりとした画像となり、明確な画像が得ら
れなくなる。

【０００５】このような、外乱光の影響が大きい場合の
信号対ノイズ比を改良するための従来の方法として、撮
像対象物に対して照明を周期的に当てて撮影する方法が
知られている。図８に、図７と同様に外乱光によるノイ
ズレベルが大きい時に撮像対象物に周期的に照明を当て
た場合における画素の輝度値の時間変化を示す。例え
ば、時刻ｔからｔ＋１までの間では撮像対象物に照明を
当て、時刻ｔ＋１からｔ＋２までの間は照明を当てない
ようにする。このように照明を当てたり当てなかったり
する操作を周期的に繰り返す。図８において、撮像対象
物による輝度値（信号レベル）は斜線で示される部分で
ある。図８では、図７と同様に外乱光の時間変化は小さ
いものとしているので、ノイズレベルは一定である。こ
こで、時刻ｔからｔ＋１までの間の輝度値（これをＬ１
とする）を読み出したものを記憶しておき、時刻ｔ＋１
からｔ＋２までの間の輝度値（これをＬ２とする）を読
み出す時に、記憶しておいたＬ１からＬ２を引き算す
る。この引き算により、Ｌ１とＬ２のノイズレベルは相
殺されるので、斜線の部分で示される信号レベルだけを
取り出すことができる。このような輝度値の引き算を、
照明の変化と同期させて周期的に行うことにより、外乱
光によるノイズレベルが大きい場合においても、信号対
ノイズ比を大きくすることができ、結果的に明確な画像
を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで上述した従来
の技術は外乱光の時間変化が小さいときには有効であっ
たが、照明の変化の周期に対して外乱光の時間変化が大
きいときには外乱光によるノイズの影響を完全に取り去
ることができないという課題があった。

【０００７】図９に外乱光の時間変化が大きい場合にお
ける画素の輝度値の時間変化のグラフを示す。図９にお
いて、撮像対象物による輝度値は斜線で示される部分で
ある。図９では、外乱光によるノイズレベルが時間的に
大きく減少している。このため、例えば時刻ｔ乃至ｔ＋
１間の輝度値から時刻ｔ＋１乃至ｔ＋２間の輝度値を引
き算しても、斜線の部分で示される撮像対象物による輝
度値以外に、外乱光によるノイズのうち黒色で示される
部分が残ってしまう。このような引き算によって除去さ
れないノイズは外乱光の時間変化が大きいほど大きくな
る。

【０００８】そこで外乱光の時間変化が大きい場合に
は、照明の変化の周期を短くして、周期あたりの外乱光
の時間変化を小さくすることが考えられる。図１０は、
図９に比し照明の変化周期を短くした場合における画素
の輝度値の時間変化を示す。図１０において、時刻ｔ乃
至ｔ＋１間の輝度値から時刻ｔ＋１乃至ｔ＋２間の輝度
値を引き算した場合に、相殺されずに残るノイズの部分
を黒色で示している。図１０によれば黒色で示している
除去されないノイズの部分が、図９に比べて小さくなっ
ていることがわかる。例えば図１０では、照明の変化の
周期を図９の２分の１に短くしている。このため除去さ
れないノイズの大きさは２分の１に減少している。一般
に、照明の変化の周期と差分によって除去されないノイ
ズの大きさは比例する。したがって周期はできるだけ短
くした方がよいことがわかる。

【０００９】ところが、照明の変化の周期を短くする
と、それと同期して画素に蓄えられた輝度値を撮像素子
外部に読み出さなくてはならないので、高速な転送処理
が必要になる。ここでイメージセンサにおいては１チッ
プ上に２次元に大量の画素が組み込まれている。例え
ば、６４０×４８０個の画素の画像を撮像するイメージ
センサの場合、６４０×４８０個の画素が１チップ上に
ある。これらの画素の蓄える輝度値を高速に読み出すの
は困難であるので、照明の変化の周期を短くするのには
限界があった。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたものであり、外乱光の時間変化が大きい
場合においても信号対ノイズ比を大きくすることができ
る撮像装置および撮像方法を得ることを目的とするもの
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る撮像装置
は、撮像対象からの光を受信する画素と、撮像対象に対
する照明の明暗に同期して画素からの信号を切り替える
切替え手段と、照明が明時における画素からの信号を蓄
積する明時信号蓄積手段と、照明が暗時における画素か
らの信号を蓄積する暗時信号蓄積手段と、明時信号蓄積
手段あるいは暗時信号蓄積手段に蓄積された信号あるい
は該信号に基づく信号を所定期間毎に出力するための出
力手段とを備えたものである。

【００１２】また、この発明に係る撮像装置は、明時信
号蓄積手段からの信号と暗時信号蓄積手段からの信号と
の差分を演算する減算器と、この差分を蓄積する差分信
号蓄積手段とを備えたものである。

【００１３】また、この発明に係る撮像方法は、撮像対
象に対する照明の明暗に同期して画素からの信号を切り
替える段階と、照明が明時における画素からの信号を蓄
積する段階と、照明が暗時における画素からの信号を蓄
積する段階と、明時あるいは暗時に蓄積された信号ある
いは該信号に基づく信号を所定期間毎に出力する段階と
を備えたものである。

【００１４】また、この発明に係る撮像方法は、明時に
蓄積した信号と暗時に蓄積した信号との差分を演算する
段階と、この差分を蓄積する段階とを備えたものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．本発明では、画素
毎に、撮像対象物に照明を当てている時（明時）の輝度
値を積分する手段と、撮像対象物に照明を当てていない
時（暗時）の輝度値を積分する手段とを用意し、ｎ周期
分の輝度値を積分しておき、ｎ周期毎に積分した輝度値
を外部に読み出すことにする。ここで、ｎは正の整数で
ある。このようにすれば、ｎ周期ごとに転送処理を行え
ばよいので、高速な読み出しが不要になり、撮像対象物
に当てる照明の周期を短くすることができる。したがっ
て、外乱光に大きな時間変化がある場合であっても外乱
光の影響を抑制することができ、信号対ノイズ比を大き
くすることができる。

【００１６】図１は本発明の実施の形態１における撮像
素子を示すブロック図である。図１において１は撮像対
象からの光を受信しその輝度値を出力する画素、２は図
示しない照明装置の明暗に同期した同期信号を受け照明
の変化に同期して画素１からの信号供給経路を切り替え
る切替え手段としてのスイッチ、３は照明装置が明時で
ある時の画素１からの信号を蓄積する明時信号蓄積手段
としてのコンデンサであって、照明装置が明時である時
に選択されるスイッチ２の一端に接続されている。４は
照明装置が暗時である時の画素１からの信号を蓄積する
暗時信号蓄積手段としてのコンデンサであって、照明装
置が暗時である時に選択されるスイッチ２の他端に接続
されている。５はコンデンサ３あるいはコンデンサ４に
蓄積された信号を読み出すための出力手段としての出力
回路で、例えばコンデンサ３あるいはコンデンサ４に接
続された導体である。なお、本実施の形態1の撮像素子
は前記１乃至５より構成されており、撮像装置は前記撮
像素子と図示しない周辺装置とにより構成されている。

【００１７】次に図１の撮像素子を用いた撮像方法を図
２のフローチャート図に沿って説明する。ステップＳ１
では、撮像対象物に対する照明の明時と暗時が周期的に
繰り返される。ステップＳ２では照明の同期信号に基づ
き照明の明時と暗時とが判断され、スイッチ２の切り替
えを行う。照明の明時にはステップＳ３へ進み、明時に
画素１で受信した光に応じた輝度値がコンデンサ３に供
給され積分される。また照明の暗時にはステップＳ４へ
進み、暗時に画素１で受信した光に応じた輝度値がコン
デンサ４に供給され積分される。これによりステップＳ
３およびステップＳ４で、それぞれ明時の輝度値と暗時
の輝度値が別々のコンデンサに積分される。ステップＳ
５では、照明の切り替えのｎ周期毎に、出力回路５を介
してそれぞれのコンデンサの値を撮像素子外部から独立
に読み出す。

【００１８】このときｎを1より大きくとると、従来の
撮像装置の場合に比べて、信号転送の回数はｎ分の１に
減少する。従って、転送速度を高速にしなくても、照明
の切り替えの周期を短くすることができる。なお両方の
コンデンサの値を読み出した後、明時のコンデンサ３の
積分値から暗時のコンデンサ４の積分値を引き算する
と、その結果として外乱光のノイズは大部分が相殺され
る。これにより転送速度を上げずして、ノイズの少ない
撮像対象物の輝度値が得られる。なお外乱光のノイズの
抑制は、照明の切り替えの周期が短いほど効果が大きい
ので、実施の形態１の撮像素子を用いることにより従来
の撮像装置に比べて信号対ノイズ比の大きい明確な画像
を撮像することが可能になる。

【００１９】実施の形態２．図３は本発明の実施の形態
２における撮像素子を示すブロック図である。図３にお
いて、画素１は実施の形態１と同様にスイッチ２を介し
てコンデンサ３あるいはコンデンサ４とつながってい
る。スイッチ２は、照明の明暗変化に同期して、画素１
とコンデンサ３あるいはコンデンサ４との接続を切り替
える。一方のコンデンサ３は、撮像対象物に照明を当て
ている時（明時）の輝度値を積分して蓄える。もう一方
のコンデンサ４は、撮像対象物に照明を当てていない時
（暗時）の輝度値を積分して蓄える。また、この２つの
コンデンサは減算器６を介して差分信号蓄積手段として
のコンデンサ７とつながっている。このコンデンサ７
は、明時の輝度値と暗時の輝度値の差分を蓄えることが
でき、蓄えられた差分輝度値は出力回路８によって撮像
素子外部から読み出すことができる。なお、ここで差分
輝度値は、明時信号蓄積手段あるいは暗時信号蓄積手段
に蓄積された信号に基づく信号を構成している。

【００２０】図３の撮像素子を用いた撮像方法を図４の
フローチャート図に沿って説明する。ステップＳ１１で
は、撮像対象物に対する照明の明時と暗時が周期的に繰
り返される。ステップＳ１２では、照明の同期信号に基
づき照明の明時と暗時とが判断され、スイッチ２の切り
替えを行う。照明の明時にはステップＳ１３へ進み、明
時に画素１で受信した光に応じた輝度値がコンデンサ３
に供給され積分される。また照明の暗時にはステップＳ
１４へ進み、暗時に画素１で受信した光に応じた輝度値
がコンデンサ４に供給され積分される。これによりステ
ップＳ１３およびステップＳ１４で、それぞれ明時の輝
度値と暗時の輝度値が別々のコンデンサに積分される。
ステップＳ１５で、明時の輝度値と暗時の輝度値の差分
が減算器６によって計算され、計算された差分輝度値が
コンデンサ７に蓄えられる。ステップＳ１６では、照明
の切り替えのｎ周期毎に、コンデンサ７の値を撮像素子
外部に読み出す。

【００２１】このとき、ｎを1より大きくとると、従来
の撮像装置の場合に比べて、信号転送の回数はｎ分の１
に減少する。従って、転送速度を高速にしなくても、照
明の切り替えの周期を短くすることができる。また外部
から読み出されるコンデンサ７の値は、明時の輝度値か
ら暗時の輝度値を引き算したものなので、外乱光のノイ
ズは大部分が相殺されていて、ノイズの少ない撮像対象
物の輝度値が得られる。なお外乱光のノイズの抑制は、
照明の切り替えの周期が短いほど効果が大きいので、実
施の形態２の撮像素子を用いることにより、従来の撮像
装置に比べて信号対ノイズ比の大きい明確な画像を撮像
することが可能になる。

【００２２】なお実施の形態２によれば、減算器６を内
蔵しているためコンデンサ７から読み出した信号をその
まま用いることができ、撮像素子外部で明時の輝度値か
ら暗時の輝度値を引き算する必要がなくなり、撮像素子
の周辺装置のシステム構成が簡略になる。

【００２３】また、実施の形態１の場合には１つの画素
当たり外部との出力回路が２本必要だったのに比べ、実
施の形態２の場合には１つの画素当たり外部との出力回
路が１本で済むので、システム構成が簡略になる。

【００２４】なお上述の実施の形態では照明の変化周期
に同期して信号を読み出すようにしたが、所定時間毎に
信号を読み出すようにすることもできる。

【００２５】

【発明の効果】この発明に係る撮像装置によれば、撮像
対象からの光を受信する画素と、撮像対象に対する照明
の明暗に同期して画素からの信号を切り替える切替え手
段と、照明が明時における画素からの信号を蓄積する明
時信号蓄積手段と、照明が暗時における画素からの信号
を蓄積する暗時信号蓄積手段と、明時信号蓄積手段ある
いは暗時信号蓄積手段に蓄積された信号あるいは該信号
に基づく信号を所定期間毎に出力するための出力手段と
を備えたので、転送速度を上げることなく信号対ノイズ
比の大きい明確な画像を撮像する撮像装置を得ることが
できる。

【００２６】また、この発明に係る撮像装置によれば、
明時信号蓄積手段からの信号と暗時信号蓄積手段からの
信号との差分を演算する減算器と、この差分を蓄積する
差分信号蓄積手段とを備えたので、出力手段を簡略化し
た撮像装置を得ることができる。

【００２７】また、この発明に係る撮像方法によれば、
撮像対象に対する照明の明暗に同期して画素からの信号
を切り替える段階と、照明が明時における画素からの信
号を蓄積する段階と、照明が暗時における画素からの信
号を蓄積する段階と、明時あるいは暗時に蓄積された信
号あるいは該信号に基づく信号を所定期間毎に出力する
段階とを備えたので、転送速度を上げることなく信号対
ノイズ比の大きい明確な画像を撮像する撮像方法を得る
ことができる。

【００２８】また、この発明に係る撮像方法によれば、
明時に蓄積した信号と暗時に蓄積した信号との差分を演
算する段階と、この差分を蓄積する段階とを備えたの
で、読み出した信号をそのまま用いることのできる撮像
方法を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１における撮像素子を示
すブロック図である。

【図２】 本発明の実施の形態１の撮像方法を示すフロ
ーチャート図である。

【図３】 本発明の実施の形態２における撮像素子を示
すブロック図である。

【図４】 本発明の実施の形態２の撮像方法を示すフロ
ーチャート図である。

【図５】 従来の撮像装置を示す概略ブロック図であ
る。

【図６】 外乱光によるノイズが小さい場合における画
素の輝度値の時間変化を示すグラフである。

【図７】 外乱光によるノイズが大きい場合における画
素の輝度値の時間変化を示すグラフである。

【図８】 外乱光によるノイズレベルが大きい時に撮像
対象物に周期的に照明を当てた場合における画素の輝度
値の時間変化を示すグラフである。

【図９】 外乱光の時間変化が大きい場合における画素
の輝度値の時間変化を示すグラフである。

【図１０】 図９に比し照明の変化周期を短くした場合
における画素の輝度値の時間変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 画素、２ スイッチ、３ コンデンサ、４ コンデ
ンサ、５ 出力回路、６ 減算器、７ コンデンサ、８
出力回路、１０１ 画素、１０２ 出力回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 健一 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 久間 和生 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5C022 AA00 AB15 5C024 CX03 GZ31 HX29 HX35 HX50 5C072 AA01 BA11 EA06 FB13 FB16 5C077 LL02 MM04 PP47 PP71 PQ08 PQ11 SS01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像対象からの光を受信する画素と、撮
   像対象に対する照明の明暗に同期して前記画素からの信
   号を切り替える切替え手段と、前記照明が明時における
   前記画素からの信号を蓄積する明時信号蓄積手段と、前
   記照明が暗時における前記画素からの信号を蓄積する暗
   時信号蓄積手段と、前記明時信号蓄積手段あるいは前記
   暗時信号蓄積手段に蓄積された信号あるいは該信号に基
   づく信号を所定期間毎に出力するための出力手段とを備
   えたことを特徴とする撮像装置。
2. 【請求項２】 明時信号蓄積手段からの信号と暗時信号
   蓄積手段からの信号との差分を演算する減算器と、この
   差分を蓄積する差分信号蓄積手段とを備えたことを特徴
   とする請求項１記載の撮像装置。
3. 【請求項３】 撮像対象に対する照明の明暗に同期して
   画素からの信号を切り替える段階と、前記照明が明時に
   おける前記画素からの信号を蓄積する段階と、前記照明
   が暗時における前記画素からの信号を蓄積する段階と、
   前記明時あるいは前記暗時に蓄積された信号あるいは該
   信号に基づく信号を所定期間毎に出力する段階とを備え
   たことを特徴とする撮像方法。
4. 【請求項４】 明時に蓄積した信号と暗時に蓄積した信
   号との差分を演算する段階と、この差分を蓄積する段階
   とを備えたことを特徴とする請求項３記載の撮像方法。