JP2004112739A - 固体イメージセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】蛍光灯の照明下でもフリッカや縞を生じることなく広い範囲で感度調整が行える固体イメージセンサの実現。
【解決手段】複数の画素Ｐｍｎと、複数の画素から読み出された信号を増幅し、増幅率が可変であるゲイン可変アンプ３２とを備え、画素の蓄積時間がサイクル時間より小さい時間範囲で任意に設定可能である固体イメージセンサ１であって、光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部４３と、蓄積時間を、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、照明フリッカが発生しない複数のフリッカレス時間のいずれかに設定するように段階的に変化させると共に、検出した明るさ及び蓄積時間の設定値に応じて、ゲイン可変アンプの増幅率を変化させる。
【選択図】 図４
【解決手段】複数の画素Ｐｍｎと、複数の画素から読み出された信号を増幅し、増幅率が可変であるゲイン可変アンプ３２とを備え、画素の蓄積時間がサイクル時間より小さい時間範囲で任意に設定可能である固体イメージセンサ１であって、光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部４３と、蓄積時間を、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、照明フリッカが発生しない複数のフリッカレス時間のいずれかに設定するように段階的に変化させると共に、検出した明るさ及び蓄積時間の設定値に応じて、ゲイン可変アンプの増幅率を変化させる。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体イメージセンサに関し、特に室内撮影を行う場合の蛍光灯によるフリッカノイズを低減した固体イメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イメージセンサには、撮像管と固体撮像素子（固体イメージセンサ）があり、高速現象の観察用として使用される特殊なものを除けば、ほとんどのものは蓄積型である。蓄積型のイメージセンサは、入射光像に対応した信号電荷を画素に蓄積し、走査方式にて順次読み出され、出力信号電流となる。各画素は走査サイクルの間信号電荷を蓄積する。
【０００３】
近年、固体イメージセンサは、デジタルカメラや携帯端末などの製品に内蔵されて大量に使用されるようになった。固体イメージセンサは大別して電荷転送型イメージセンサで構成されるＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）と、ＣＭＯＳトランジスタでイメージセンサを構成したＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）とがある。ＣＭＯＳ型イメージセンサは、ＭＯＳＦＥＴの製造プロセスと同一の技術で製造することができ、単一電源で駆動できて消費電力も小さく、更に各種信号処理回路を同一チップ上に搭載できることから、ＣＣＤイメージセンサに替わるものとして有望視されている。本発明は、固体イメージセンサであれば、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどのいずれにも適用可能であるが、ここでは特にＣＭＯＳ型イメージセンサを例として説明を行う。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサは、複数の垂直選択線と水平選択線とに接続されてマトリクス状に配置された複数の画素領域を有している。各画素領域には、フォトダイオードなどの光電変換素子が形成されている。各光電変換素子の受光面に入射した光は光電変換されて素子内に電荷が蓄積される。蓄積された電荷は、画素内に設けられたソースフォロワアンプなどで増幅され、１画素分の画像データとして所定のタイミングで読み出される。所定の水平選択線に接続された複数の画像データは垂直走査シフトレジスタからの行選択信号により一斉に出力され、ついで水平方向シフトレジスタからの列選択信号に基づいて順次外部システム側に出力される。
【０００５】
デジタルカメラや携帯端末などに使用される固体イメージセンサは、光学絞りなどにより入射光量を調整することは行えないので、撮影環境の明るさ（照度）に合わせて固体イメージセンサで自動的に出力を調整するオートゲインコントロール機能を有することが要求される。このオートゲインコントロールのもっとも一般的な方法は、固体イメージセンサの出力部のアンプをゲイン可変アンプとして、画像の最高レベルや平均レベルに応じてアンプの増幅率（ゲイン）を変えることにより、常に一定の出力レベルが得られるようにする方法である。
【０００６】
もう１つのオートゲインコントロールの方法は、蓄積時間を変えることである。上記のように、固体イメージセンサの各画素は一旦信号を読み出した後次に信号を読み出すまでの間電荷を蓄積する。この蓄積時間は感度に関係し、蓄積時間が短いほど蓄積される電荷が少なくなり、感度が低下する。近年の固体イメージセンサは、各画素に蓄積された電荷を行毎にリセットする機能を有しており、蓄積時間を任意に短くできるようになっている。この蓄積時間を変化させる機能をオートゲインコントロールに利用することが行われている。
【０００７】
図１と図２は、従来のＣＭＯＳイメージセンサにおけるオートゲインコントロールを説明する図であり、図１は蓄積時間に対応する積分ライン数の調整を示し、図２はゲインの調整を示す。図１及び図２において、下側の部分は上側のグラフの明るさ値が０から２０００の範囲を拡大して示したものである。ここでは、ＣＭＯＳイメージセンサは５１２本の行数を有し、３０Ｈｚの読み出しサイクルで各画素のデータが読み出されるものとする。従って、蓄積時間は最大でも１／３０秒であり、この時に積分ライン数は５１２本になる。蓄積時間を減少させると積分ライン数は５１２本から減少する。
【０００８】
明るさ値は、ＣＭＯＳイメージセンサへの入射光量を検出したデータで、例えば、１４ビットで表されるので、０から１６１６３８４までの値をとるとする。ここでは、明るさ値は、０がもっとも明るく、値が増加するに従って暗くなる。図１及び図２に示すように、明るさ値が０から１０００まで変化する間は、積分ライン数を増加させ、感度を高くする。明るさ値が１０００を超えて変化する時には、積分ライン数を最大値に固定した上でゲインを増加させる。
【０００９】
撮影環境が室内の場合、照明には蛍光灯が使用される場合が多いが、蛍光灯の照明下での撮影では、映像に蛍光灯のフリッカに起因するフリッカノイズが発生することが分かっている。蛍光灯は電源周波数の２倍の周波数で発光量が変動する。従って、電源周波数が５０Ｈｚの地域であれば蛍光灯の発光量は１００Ｈｚで変動し、電源周波数が６０Ｈｚの地域であれば蛍光灯の発光量は１２０Ｈｚで変動する。この蛍光灯の発光周波数と固体イメージセンサの蓄積時間の関係が問題である。
【００１０】
図３は、フリッカノイズの発生を説明する図であり、（ａ）は発光周波数が１００Ｈｚの場合を、（ｂ）は発光周波数が１２０Ｈｚの場合を示している。図３において、１フレームの先頭から第ｘライン目の水平選択線（以下、第ｘラインという）に接続された画素のフォトダイオードによる信号蓄積について説明する。第ｘラインでの信号蓄積開始時刻をｌｘｂ、信号蓄積終了時刻をｌｘｅ、信号蓄積時間（積分時間）をｔｓとする。なお、先頭の水平選択線から末尾の水平選択線までの垂直走査期間及び垂直ブランキング期間の合計を１フレーム周期Ｔとすると、１例として１フレーム周期Ｔ＝１／３０秒であり、従って、フレーム周波数ｆ＝３０Ｈｚである。
【００１１】
図３の（ｂ）に示すように、発光周期が１／１２０秒の蛍光灯の場合には、蛍光灯の発光周期の整数倍（４倍）がＣＭＯＳイメージセンサの１フレーム周期に一致する。従って、第ｘラインでの信号蓄積開始時刻ｌｘｂ及び信号蓄積終了時刻ｌｘｅは、ｎフレーム目と次のｎ＋１フレーム目とで蛍光灯の発光周期に対して同一のタイミングとなる。このため、発光周波数が１２０Ｈｚの蛍光灯の照明下での撮影では、フレーム間での映像の明るさは一定となる。
【００１２】
一方、図３の（ａ）に示すように、発光周期が１／１００秒の蛍光灯の場合には、蛍光灯の発光周期の整数倍がＣＭＯＳイメージセンサの１フレーム周期に一致せず、この例では１フレーム当たりほぼ３．３周期となる。従って、信号蓄積時間ｔｓを蛍光灯の発光周期に合わせない限り、第ｘラインでの信号蓄積開始時刻ｌｘｂ及び信号蓄積終了時刻ｌｘｅは、ｎフレーム目と次のｎ＋１フレーム目とで蛍光灯の発光周期に対して同一のタイミングとはならない。このため、発光周波数が１００Ｈｚの蛍光灯の照明下での撮影では、フレーム間での映像の明るさがフレーム毎に異なり、フリッカを発生してしまう。
【００１３】
図６はフレーム間の問題であるが、同一フレーム内で異なる水平ラインに接続された画素での信号蓄積については、発光周波数が１００Ｈｚ及び１２０Ｈｚの両方で、蛍光灯の発光周期に対して同一のタイミングにならない。このため、発光周波数が１００Ｈｚ及び１２０Ｈｚの両方で、同一フレーム内のライン毎の明るさに違いが生じ、映像に明暗の縞を生じてしまう。蛍光灯の照明下でフリッカや縞を生じないようにするには、蓄積時間を蛍光灯の発光周期の整数倍に設定する必要がある。
【００１４】
そのため、図１に示すように、従来は明るさ値が１０００以上の場合には、５０Ｈｚと６０Ｈｚでそれぞれ蓄積時間を発光周期の整数倍に設定することによりこのような問題を生じないようにしていたが、明るさ値が０から１０００の間では蓄積時間を変化させるため、この明るさ範囲ではフリッカや縞を生じるという問題があった。しかし実際の使用状況では、蛍光灯の照明が行われる室内で撮影を行う場合には、照明の強度が小さいため、明るさ値が１０００以上の場合がほとんどであり、図１及び図２のような感度調整の方法でもほとんど問題は生じなかった。
【００１５】
しかし、日本では電源周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚの地域があり、工場出荷時に、使用される地域を想定して仕向地毎に蓄積時間を設定していた。しかし、仕向地と異なる地域で使用されるとやはりフリッカや縞を生じるという問題があった。
【００１６】
このような問題を解決するため、本出願人は、特願２００１−１３０１５０号で、固体イメージセンサの出力信号から照明光のフリッカを検出して、蛍光灯を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで点灯させた照明光下であるか判定し、蓄積時間を蛍光灯の発光周期に対応した値に設定する構成を開示している。
【００１７】
また、特開平１０−３０４２４９号公報は、フリッカノイズ低減のための別の手法を開示している。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１０−３０４２４９号公報（すべて）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、固体イメージセンサ、特にＣＭＯＳイメージセンサの感度が向上しており、蛍光灯で照明される光強度の比較的弱い室内の撮影でも、積分時間を変化させなければ感度調整が十分に行えなくなってきた。
【００２０】
本発明は、このような問題を解決して、蛍光灯の照明下でもフリッカや縞を生じることなく広い範囲で感度調整が行える固体イメージセンサの実現を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するため、本発明の固体イメージセンサは、蓄積時間とアンプの増幅率を併用して感度調整を行う。そのため、画素から読み出された信号を増幅するアンプをゲイン可変アンプとし、入射する光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部を設け、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、照明フリッカが発生しない複数のフリッカレス時間のいずれかに設定するように段階的に変化させると共に、検出した明るさ及び蓄積時間の設定値に応じて、ゲイン可変アンプの増幅率を変化させることを特徴とする。
【００２２】
本発明の固体イメージセンサは、蓄積時間とアンプの増幅率を併用して感度調整を行うので調整範囲を広くできる。蓄積時間を変化させてもフリッカや縞が生じないように、照明フリッカを検出して１２０Ｈｚ又は１００Ｈｚに対するフリッカを生じないフリッカレスの値に蓄積時間を段階的に変化させ、蓄積時間の段階的な変化に対してアンプの増幅率を併用して総合的な感度がなめらかに変化するようにする。
【００２３】
照明フリッカが蛍光灯を５０Ｈｚで点灯した時の１００Ｈｚの発光周期である場合には、蓄積時間をｎ／１００秒（ｎは１，２，３）に設定し、照明フリッカが蛍光灯を６０Ｈｚで点灯した時の１２０Ｈｚの発光周期である場合には、蓄積時間をｎ／１２０秒（ｎは１，２，３，４）に設定する。
【００２４】
明るさ・照明フリッカ検出部は、前述の特願２００１−１３０１５０号に開示された、１フレーム内に割り当てた所定の平均輝度検出領域で画素信号の平均輝度をフレーム毎に検出し、フレーム間の平均輝度の差を演算し、演算した平均輝度の差から蛍光灯を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで点灯した環境下の照明フリッカであるかを判定する構成により実現できる。しかし、本発明はこれに限定されず、入射する光画像の明るさ及び照明フリッカが検出できるのであれば、どのような方法で検出してもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の実施例のＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す図である。
【００２６】
図４は、ｍ行ｎ列の画素配列を有するＣＭＯＳイメージセンサ１の４×４が素分の回路例を示している。複数の垂直選択線ＣＬ１〜ＣＬ４と水平選択線ＲＷ１〜ＲＷ４とに接続される画素領域Ｐ１１〜Ｐ４４がマトリクス状に配列されている。各画素領域Ｐ１１〜Ｐ４４には光電変換素子としてフォトダイオード１０が形成されている。光電変換素子はフォトダイオード１０に替えて例えばフォトゲートを用いても実現できる。
【００２７】
ＣＭＯＳイメージ線さは、各画素領域Ｐ１１〜Ｐ４４に例えばＭＯＳＦＥＴ（本実施例ではＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを例示している）で構成されるソースフォロワアンプ１４や水平選択トランジスタ１６などが配置されたＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）構成を有している。
【００２８】
以下、行番号をｍとし、列番号をｎとして画素領域Ｐｍｎの回路構成について説明する。画素領域Ｐｍｎ内のフォトダイオード１０のカソード側は、例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴのリセットトランジスタ１２のソース電極及びソースフォロワアンプ１４のゲート電極に接続されている。
【００２９】
各リセットトランジスタ１２のドレイン電極は、リセット電圧ＶＲが印加されるリセット電圧供給線ＶＲｍに接続され、ゲート電極はリセット信号線ＲＳＴｍに接続されている。ソースフォロワアンプ１４のドレイン電極はリセット電圧供給線ＶＲｍに接続され、ソース電極は例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴの水平選択トランジスタ１６のドレイン電極に接続されている。各水平選択トランジスタ１６のゲート電極は選択信号が供給される水平選択線ＲＷｍに接続されている。各水平選択トランジスタ１６のソース電極は垂直選択線ＣＬｎに接続されている。
【００３０】
リセット電圧供給線ＶＲｍ及び水平選択線ＲＷｍは、垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４に接続されている。垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４内に設けられた図示していないシフトレジスタにより、所定のタイミングで水平選択線ＲＷｍに順次選択信号が出力されるようになっている。
【００３１】
各垂直選択線ＣＬｎは、それぞれアンプ／ノイズキャンセル回路６とたとえばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴの列選択トランジスタとを介して信号共通出力線３０に接続されている。列選択トランジスタ２０のゲート電極には、水平走査シフトレジスタ８から列選択信号が所定タイミングで順次入力され、アンプ／ノイズキャンセル回路６により固定パターン雑音の除去された画像データが順次信号共通出力線３０に出力され、アンプ３２を介して外部システムに送出されるようになっている。アンプ３２は、増幅率（ゲイン）が可変のゲイン可変アンプである。
【００３２】
次に、ＣＭＯＳイメージセンサ１の動作について簡単に説明する。まず、リセット信号ＲＳＴによりリセットトランジスタ１２が所定のタイミングでオンになると、フォトダイオード１０がリセット電位ＶＲに充電される。ついで光の入射に伴いフォトダイオード１０の放電が始まり、リセット電位ＶＲより電位が低下する。所定時間経過後に水平選択信号ＲＷが水平選択線ＲＷｍに出力されると当該水平選択線ＲＷｍに接続された水平選択トランジスタ１６のゲート電極に当該水平選択信号ＲＷが入力して水平選択トランジスタ１６がオンになる。これによりソースフォロワアンプ１４からの出力電圧が画素領域Ｐｍｎの画像データとして垂直選択線ＣＬｎに出力される。
【００３３】
本実施例のＣＭＯＳイメージセンサは、上記の構成に加えて、マイクロプロセッサ４１と、Ｄ／Ａ変換器４４と、Ａ／Ｄ変換器４５とを有する。マイクロプロセッサ４１の内部にはＣＭＯＳイメージセンサ１の制御を行う制御部４２と、アンプ３２の出力をＡ／Ｄ変換器４５でデジタル変換した出力信号から、画素に入射する光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部４３とがソフトウエアで構成されている。マイクロプロセッサ４１は、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、リセット信号を出力するタイミング（すなわち積分ライン数）を設定するデータを垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４に出力すると共に、Ｄ／Ａ変換器４４にアンプ３２のゲインを設定するデータを出力する。これに応じて、蓄積時間（積分ライン数）が設定され、アンプ３２のゲインが設定される。
【００３４】
図５と図６は、本実施例におけるオートゲインコントロールを説明する図であり、それぞれ図１及び図２に対応し、フレーム周波数ｆは３０Ｈｚである。図５は、本実施例のオートゲインコントロールにおける積分ライン数の変化を示し、図６は本実施例のオートゲインコントロールにおけるアンプゲインの変化を示す。また、図７は５０Ｈｚの電源周波数で蛍光灯を点灯した場合（発光周期１００ｚ）のアンプゲインと蓄積時間の制御値を示し、図８は６０Ｈｚの電源周波数で蛍光灯を点灯した場合（発光周期１２０ｚ）のアンプゲインと蓄積時間の制御値を示す。
【００３５】
図５及び図６から明らかなように、本実施例では、明るさ値が３４１から２０００の範囲においても、積分ライン数（蓄積時間）を段階的に変化させ、更にアンプゲインも変化させて、総合的な感度が明るさ値に応じてなめらかに変化するようにしている。発光周期が１２０Ｈｚの場合には、蓄積時間は１／１２０秒、２／１２０秒、３／１２０秒、４／１２０秒に段階的に変化し、発光周期が１００Ｈｚの場合には、蓄積時間は１／１００秒、２／１００秒、３／１００秒に段階的に変化する。蓄積時間が段階的に変化すると積分時間の変化は最大６ｄＢの変化を生じるので、この間はアンプゲインを調整する。
【００３６】
プロセッサ４１の明るさ・照明フリッカ検出部４３は、後述する方法で画素に入射する光画像の明るさと照明フリッカを検出する。制御部４２は、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、図７及び図８の表から積分ライン数（蓄積時間）とアンプゲインを決定し、垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４に積分ライン数（蓄積時間）を指示するデータを出力し、Ｄ／Ａ変換器４４にアンプゲインを指示するデータを出力する。例えば、照明フリッカが５０Ｈｚで、明るさ値が５００であれば、図７の表から蓄積時間を１０ｍ秒（１６０ライン）に設定し、アンプゲインを４ｄＢに設定する。
【００３７】
実施例の明るさ・照明フリッカ検出部４３における照明フリッカの検出は、前述の特願２００１−１３０１５０号に開示された方法で行う。この方法について簡単に説明する。
【００３８】
図９は、照明フリッカを検出するフローチャートである。まず、ＣＭＯＳイメージセンサの信号蓄積時間を発光周波数が１２０Ｈｚの蛍光灯の照明下でフリッカノイズを生じない信号蓄積時間ｔｓに設定する（ステップＳ１）。蛍光灯の発光周期が１／１２０秒の場合、フリッカノイズによる１フレーム内の輝度むらは１／１２０秒で周期的になる。従って、当該周期の整数倍であってＣＭＯＳイメージセンサの１フレーム周期１／３０秒以下となる１／１２０、２／１２０、３／１２０、又は４／１２０秒が、発光周波数１２０Ｈｚの蛍光灯の照明下でフリッカノイズを生じない信号蓄積時間の取りえる値となる。
【００３９】
次に、図１０の画像面上で参照番号５０で示す所定の平均輝度検出領域での画像データの平均輝度をフレーム毎に検出する（ステップＳ２）。図１０では、斜線で示された平均輝度検出領域５０がほぼ等間隔で水平選択線ｄ２本おきに３箇所示されている。平均輝度検出領域５０は、所定数の隣接する水平選択線に接続された複数の画素で構成される。また、各平均輝度検出領域５０の水平選択線の本数ｄ１は、フリッカノイズにより生じる輝度むらの周期の整数倍に一致しない数に設定する。
【００４０】
また、平均輝度検出領域５０は、水平選択線総数Ｖの３／１０倍を間隔として１フレーム内で１乃至３箇所設定することが望ましい。
【００４１】
次に、各フレーム間（例えば当該フレームとその直前フレーム）の平均輝度差を算出する（ステップＳ３）。次に平均輝度差が所定の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ４）。平均輝度差が閾値を超えていたらフレーム毎に輝度差が生じているので蛍光灯の発光周波数が１００Ｈｚであると判定する（ステップＳ５）。超えていなければ、１２０Ｈｚであると判定する。
【００４２】
以上のようにして照明フリッカが判定できる。
【００４３】
なお、上記のような照明フリッカの検出方法以外にも、例えば固体イメージセンサの一部に入射光に比例した光を受ける受光素子を設け、その受光量の変化を検出して照明フリッカを検出することも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蛍光灯の照明下でもフリッカや縞を生じることなく広い範囲で感度調整が行える固体イメージセンサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体イメージセンサのオートゲインコントロールの従来例における積分ライン数の変化を示す図である。
【図２】固体イメージセンサのオートゲインコントロールの従来例におけるアンプゲインの変化を示す図である。
【図３】蛍光灯照明によるフリッカの問題を説明する図である。
【図４】本発明の実施例のＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す図である。
【図５】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおける積分ライン数の変化を示す図である。
【図６】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおけるアンプゲインの変化を示す図である。
【図７】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおける電源周波数が１００Ｈｚ時の制御値を示す図である。
【図８】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおける電源周波数が１２０Ｈｚ時の制御値を示す図である。
【図９】照明フリッカの検出処理を示すフローチャートである。
【図１０】照明フリッカの検出処理における平均輝度検出領域を示す図である。
【符号の説明】
１…ＣＭＯＳイメージセンサ
４…垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路
６…アンプ／ノイズキャンセル回路
３２…ゲイン可変アンプ
４１…プロセッサ
４３…明るさ・照明フリッカ検出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体イメージセンサに関し、特に室内撮影を行う場合の蛍光灯によるフリッカノイズを低減した固体イメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イメージセンサには、撮像管と固体撮像素子（固体イメージセンサ）があり、高速現象の観察用として使用される特殊なものを除けば、ほとんどのものは蓄積型である。蓄積型のイメージセンサは、入射光像に対応した信号電荷を画素に蓄積し、走査方式にて順次読み出され、出力信号電流となる。各画素は走査サイクルの間信号電荷を蓄積する。
【０００３】
近年、固体イメージセンサは、デジタルカメラや携帯端末などの製品に内蔵されて大量に使用されるようになった。固体イメージセンサは大別して電荷転送型イメージセンサで構成されるＣＣＤ固体撮像素子（ＣＣＤ型イメージセンサ）と、ＣＭＯＳトランジスタでイメージセンサを構成したＣＭＯＳ型固体撮像素子（ＣＭＯＳ型イメージセンサ）とがある。ＣＭＯＳ型イメージセンサは、ＭＯＳＦＥＴの製造プロセスと同一の技術で製造することができ、単一電源で駆動できて消費電力も小さく、更に各種信号処理回路を同一チップ上に搭載できることから、ＣＣＤイメージセンサに替わるものとして有望視されている。本発明は、固体イメージセンサであれば、ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサなどのいずれにも適用可能であるが、ここでは特にＣＭＯＳ型イメージセンサを例として説明を行う。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
【０００４】
ＣＭＯＳイメージセンサは、複数の垂直選択線と水平選択線とに接続されてマトリクス状に配置された複数の画素領域を有している。各画素領域には、フォトダイオードなどの光電変換素子が形成されている。各光電変換素子の受光面に入射した光は光電変換されて素子内に電荷が蓄積される。蓄積された電荷は、画素内に設けられたソースフォロワアンプなどで増幅され、１画素分の画像データとして所定のタイミングで読み出される。所定の水平選択線に接続された複数の画像データは垂直走査シフトレジスタからの行選択信号により一斉に出力され、ついで水平方向シフトレジスタからの列選択信号に基づいて順次外部システム側に出力される。
【０００５】
デジタルカメラや携帯端末などに使用される固体イメージセンサは、光学絞りなどにより入射光量を調整することは行えないので、撮影環境の明るさ（照度）に合わせて固体イメージセンサで自動的に出力を調整するオートゲインコントロール機能を有することが要求される。このオートゲインコントロールのもっとも一般的な方法は、固体イメージセンサの出力部のアンプをゲイン可変アンプとして、画像の最高レベルや平均レベルに応じてアンプの増幅率（ゲイン）を変えることにより、常に一定の出力レベルが得られるようにする方法である。
【０００６】
もう１つのオートゲインコントロールの方法は、蓄積時間を変えることである。上記のように、固体イメージセンサの各画素は一旦信号を読み出した後次に信号を読み出すまでの間電荷を蓄積する。この蓄積時間は感度に関係し、蓄積時間が短いほど蓄積される電荷が少なくなり、感度が低下する。近年の固体イメージセンサは、各画素に蓄積された電荷を行毎にリセットする機能を有しており、蓄積時間を任意に短くできるようになっている。この蓄積時間を変化させる機能をオートゲインコントロールに利用することが行われている。
【０００７】
図１と図２は、従来のＣＭＯＳイメージセンサにおけるオートゲインコントロールを説明する図であり、図１は蓄積時間に対応する積分ライン数の調整を示し、図２はゲインの調整を示す。図１及び図２において、下側の部分は上側のグラフの明るさ値が０から２０００の範囲を拡大して示したものである。ここでは、ＣＭＯＳイメージセンサは５１２本の行数を有し、３０Ｈｚの読み出しサイクルで各画素のデータが読み出されるものとする。従って、蓄積時間は最大でも１／３０秒であり、この時に積分ライン数は５１２本になる。蓄積時間を減少させると積分ライン数は５１２本から減少する。
【０００８】
明るさ値は、ＣＭＯＳイメージセンサへの入射光量を検出したデータで、例えば、１４ビットで表されるので、０から１６１６３８４までの値をとるとする。ここでは、明るさ値は、０がもっとも明るく、値が増加するに従って暗くなる。図１及び図２に示すように、明るさ値が０から１０００まで変化する間は、積分ライン数を増加させ、感度を高くする。明るさ値が１０００を超えて変化する時には、積分ライン数を最大値に固定した上でゲインを増加させる。
【０００９】
撮影環境が室内の場合、照明には蛍光灯が使用される場合が多いが、蛍光灯の照明下での撮影では、映像に蛍光灯のフリッカに起因するフリッカノイズが発生することが分かっている。蛍光灯は電源周波数の２倍の周波数で発光量が変動する。従って、電源周波数が５０Ｈｚの地域であれば蛍光灯の発光量は１００Ｈｚで変動し、電源周波数が６０Ｈｚの地域であれば蛍光灯の発光量は１２０Ｈｚで変動する。この蛍光灯の発光周波数と固体イメージセンサの蓄積時間の関係が問題である。
【００１０】
図３は、フリッカノイズの発生を説明する図であり、（ａ）は発光周波数が１００Ｈｚの場合を、（ｂ）は発光周波数が１２０Ｈｚの場合を示している。図３において、１フレームの先頭から第ｘライン目の水平選択線（以下、第ｘラインという）に接続された画素のフォトダイオードによる信号蓄積について説明する。第ｘラインでの信号蓄積開始時刻をｌｘｂ、信号蓄積終了時刻をｌｘｅ、信号蓄積時間（積分時間）をｔｓとする。なお、先頭の水平選択線から末尾の水平選択線までの垂直走査期間及び垂直ブランキング期間の合計を１フレーム周期Ｔとすると、１例として１フレーム周期Ｔ＝１／３０秒であり、従って、フレーム周波数ｆ＝３０Ｈｚである。
【００１１】
図３の（ｂ）に示すように、発光周期が１／１２０秒の蛍光灯の場合には、蛍光灯の発光周期の整数倍（４倍）がＣＭＯＳイメージセンサの１フレーム周期に一致する。従って、第ｘラインでの信号蓄積開始時刻ｌｘｂ及び信号蓄積終了時刻ｌｘｅは、ｎフレーム目と次のｎ＋１フレーム目とで蛍光灯の発光周期に対して同一のタイミングとなる。このため、発光周波数が１２０Ｈｚの蛍光灯の照明下での撮影では、フレーム間での映像の明るさは一定となる。
【００１２】
一方、図３の（ａ）に示すように、発光周期が１／１００秒の蛍光灯の場合には、蛍光灯の発光周期の整数倍がＣＭＯＳイメージセンサの１フレーム周期に一致せず、この例では１フレーム当たりほぼ３．３周期となる。従って、信号蓄積時間ｔｓを蛍光灯の発光周期に合わせない限り、第ｘラインでの信号蓄積開始時刻ｌｘｂ及び信号蓄積終了時刻ｌｘｅは、ｎフレーム目と次のｎ＋１フレーム目とで蛍光灯の発光周期に対して同一のタイミングとはならない。このため、発光周波数が１００Ｈｚの蛍光灯の照明下での撮影では、フレーム間での映像の明るさがフレーム毎に異なり、フリッカを発生してしまう。
【００１３】
図６はフレーム間の問題であるが、同一フレーム内で異なる水平ラインに接続された画素での信号蓄積については、発光周波数が１００Ｈｚ及び１２０Ｈｚの両方で、蛍光灯の発光周期に対して同一のタイミングにならない。このため、発光周波数が１００Ｈｚ及び１２０Ｈｚの両方で、同一フレーム内のライン毎の明るさに違いが生じ、映像に明暗の縞を生じてしまう。蛍光灯の照明下でフリッカや縞を生じないようにするには、蓄積時間を蛍光灯の発光周期の整数倍に設定する必要がある。
【００１４】
そのため、図１に示すように、従来は明るさ値が１０００以上の場合には、５０Ｈｚと６０Ｈｚでそれぞれ蓄積時間を発光周期の整数倍に設定することによりこのような問題を生じないようにしていたが、明るさ値が０から１０００の間では蓄積時間を変化させるため、この明るさ範囲ではフリッカや縞を生じるという問題があった。しかし実際の使用状況では、蛍光灯の照明が行われる室内で撮影を行う場合には、照明の強度が小さいため、明るさ値が１０００以上の場合がほとんどであり、図１及び図２のような感度調整の方法でもほとんど問題は生じなかった。
【００１５】
しかし、日本では電源周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚの地域があり、工場出荷時に、使用される地域を想定して仕向地毎に蓄積時間を設定していた。しかし、仕向地と異なる地域で使用されるとやはりフリッカや縞を生じるという問題があった。
【００１６】
このような問題を解決するため、本出願人は、特願２００１−１３０１５０号で、固体イメージセンサの出力信号から照明光のフリッカを検出して、蛍光灯を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで点灯させた照明光下であるか判定し、蓄積時間を蛍光灯の発光周期に対応した値に設定する構成を開示している。
【００１７】
また、特開平１０−３０４２４９号公報は、フリッカノイズ低減のための別の手法を開示している。
【００１８】
【特許文献１】
特開平１０−３０４２４９号公報（すべて）
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、固体イメージセンサ、特にＣＭＯＳイメージセンサの感度が向上しており、蛍光灯で照明される光強度の比較的弱い室内の撮影でも、積分時間を変化させなければ感度調整が十分に行えなくなってきた。
【００２０】
本発明は、このような問題を解決して、蛍光灯の照明下でもフリッカや縞を生じることなく広い範囲で感度調整が行える固体イメージセンサの実現を目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を実現するため、本発明の固体イメージセンサは、蓄積時間とアンプの増幅率を併用して感度調整を行う。そのため、画素から読み出された信号を増幅するアンプをゲイン可変アンプとし、入射する光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部を設け、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、照明フリッカが発生しない複数のフリッカレス時間のいずれかに設定するように段階的に変化させると共に、検出した明るさ及び蓄積時間の設定値に応じて、ゲイン可変アンプの増幅率を変化させることを特徴とする。
【００２２】
本発明の固体イメージセンサは、蓄積時間とアンプの増幅率を併用して感度調整を行うので調整範囲を広くできる。蓄積時間を変化させてもフリッカや縞が生じないように、照明フリッカを検出して１２０Ｈｚ又は１００Ｈｚに対するフリッカを生じないフリッカレスの値に蓄積時間を段階的に変化させ、蓄積時間の段階的な変化に対してアンプの増幅率を併用して総合的な感度がなめらかに変化するようにする。
【００２３】
照明フリッカが蛍光灯を５０Ｈｚで点灯した時の１００Ｈｚの発光周期である場合には、蓄積時間をｎ／１００秒（ｎは１，２，３）に設定し、照明フリッカが蛍光灯を６０Ｈｚで点灯した時の１２０Ｈｚの発光周期である場合には、蓄積時間をｎ／１２０秒（ｎは１，２，３，４）に設定する。
【００２４】
明るさ・照明フリッカ検出部は、前述の特願２００１−１３０１５０号に開示された、１フレーム内に割り当てた所定の平均輝度検出領域で画素信号の平均輝度をフレーム毎に検出し、フレーム間の平均輝度の差を演算し、演算した平均輝度の差から蛍光灯を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで点灯した環境下の照明フリッカであるかを判定する構成により実現できる。しかし、本発明はこれに限定されず、入射する光画像の明るさ及び照明フリッカが検出できるのであれば、どのような方法で検出してもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
図４は、本発明の実施例のＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す図である。
【００２６】
図４は、ｍ行ｎ列の画素配列を有するＣＭＯＳイメージセンサ１の４×４が素分の回路例を示している。複数の垂直選択線ＣＬ１〜ＣＬ４と水平選択線ＲＷ１〜ＲＷ４とに接続される画素領域Ｐ１１〜Ｐ４４がマトリクス状に配列されている。各画素領域Ｐ１１〜Ｐ４４には光電変換素子としてフォトダイオード１０が形成されている。光電変換素子はフォトダイオード１０に替えて例えばフォトゲートを用いても実現できる。
【００２７】
ＣＭＯＳイメージ線さは、各画素領域Ｐ１１〜Ｐ４４に例えばＭＯＳＦＥＴ（本実施例ではＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを例示している）で構成されるソースフォロワアンプ１４や水平選択トランジスタ１６などが配置されたＡＰＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｉｘｅｌ Ｓｅｎｓｏｒ）構成を有している。
【００２８】
以下、行番号をｍとし、列番号をｎとして画素領域Ｐｍｎの回路構成について説明する。画素領域Ｐｍｎ内のフォトダイオード１０のカソード側は、例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴのリセットトランジスタ１２のソース電極及びソースフォロワアンプ１４のゲート電極に接続されている。
【００２９】
各リセットトランジスタ１２のドレイン電極は、リセット電圧ＶＲが印加されるリセット電圧供給線ＶＲｍに接続され、ゲート電極はリセット信号線ＲＳＴｍに接続されている。ソースフォロワアンプ１４のドレイン電極はリセット電圧供給線ＶＲｍに接続され、ソース電極は例えばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴの水平選択トランジスタ１６のドレイン電極に接続されている。各水平選択トランジスタ１６のゲート電極は選択信号が供給される水平選択線ＲＷｍに接続されている。各水平選択トランジスタ１６のソース電極は垂直選択線ＣＬｎに接続されている。
【００３０】
リセット電圧供給線ＶＲｍ及び水平選択線ＲＷｍは、垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４に接続されている。垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４内に設けられた図示していないシフトレジスタにより、所定のタイミングで水平選択線ＲＷｍに順次選択信号が出力されるようになっている。
【００３１】
各垂直選択線ＣＬｎは、それぞれアンプ／ノイズキャンセル回路６とたとえばＮチャンネルＭＯＳＦＥＴの列選択トランジスタとを介して信号共通出力線３０に接続されている。列選択トランジスタ２０のゲート電極には、水平走査シフトレジスタ８から列選択信号が所定タイミングで順次入力され、アンプ／ノイズキャンセル回路６により固定パターン雑音の除去された画像データが順次信号共通出力線３０に出力され、アンプ３２を介して外部システムに送出されるようになっている。アンプ３２は、増幅率（ゲイン）が可変のゲイン可変アンプである。
【００３２】
次に、ＣＭＯＳイメージセンサ１の動作について簡単に説明する。まず、リセット信号ＲＳＴによりリセットトランジスタ１２が所定のタイミングでオンになると、フォトダイオード１０がリセット電位ＶＲに充電される。ついで光の入射に伴いフォトダイオード１０の放電が始まり、リセット電位ＶＲより電位が低下する。所定時間経過後に水平選択信号ＲＷが水平選択線ＲＷｍに出力されると当該水平選択線ＲＷｍに接続された水平選択トランジスタ１６のゲート電極に当該水平選択信号ＲＷが入力して水平選択トランジスタ１６がオンになる。これによりソースフォロワアンプ１４からの出力電圧が画素領域Ｐｍｎの画像データとして垂直選択線ＣＬｎに出力される。
【００３３】
本実施例のＣＭＯＳイメージセンサは、上記の構成に加えて、マイクロプロセッサ４１と、Ｄ／Ａ変換器４４と、Ａ／Ｄ変換器４５とを有する。マイクロプロセッサ４１の内部にはＣＭＯＳイメージセンサ１の制御を行う制御部４２と、アンプ３２の出力をＡ／Ｄ変換器４５でデジタル変換した出力信号から、画素に入射する光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部４３とがソフトウエアで構成されている。マイクロプロセッサ４１は、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、リセット信号を出力するタイミング（すなわち積分ライン数）を設定するデータを垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４に出力すると共に、Ｄ／Ａ変換器４４にアンプ３２のゲインを設定するデータを出力する。これに応じて、蓄積時間（積分ライン数）が設定され、アンプ３２のゲインが設定される。
【００３４】
図５と図６は、本実施例におけるオートゲインコントロールを説明する図であり、それぞれ図１及び図２に対応し、フレーム周波数ｆは３０Ｈｚである。図５は、本実施例のオートゲインコントロールにおける積分ライン数の変化を示し、図６は本実施例のオートゲインコントロールにおけるアンプゲインの変化を示す。また、図７は５０Ｈｚの電源周波数で蛍光灯を点灯した場合（発光周期１００ｚ）のアンプゲインと蓄積時間の制御値を示し、図８は６０Ｈｚの電源周波数で蛍光灯を点灯した場合（発光周期１２０ｚ）のアンプゲインと蓄積時間の制御値を示す。
【００３５】
図５及び図６から明らかなように、本実施例では、明るさ値が３４１から２０００の範囲においても、積分ライン数（蓄積時間）を段階的に変化させ、更にアンプゲインも変化させて、総合的な感度が明るさ値に応じてなめらかに変化するようにしている。発光周期が１２０Ｈｚの場合には、蓄積時間は１／１２０秒、２／１２０秒、３／１２０秒、４／１２０秒に段階的に変化し、発光周期が１００Ｈｚの場合には、蓄積時間は１／１００秒、２／１００秒、３／１００秒に段階的に変化する。蓄積時間が段階的に変化すると積分時間の変化は最大６ｄＢの変化を生じるので、この間はアンプゲインを調整する。
【００３６】
プロセッサ４１の明るさ・照明フリッカ検出部４３は、後述する方法で画素に入射する光画像の明るさと照明フリッカを検出する。制御部４２は、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、図７及び図８の表から積分ライン数（蓄積時間）とアンプゲインを決定し、垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路４に積分ライン数（蓄積時間）を指示するデータを出力し、Ｄ／Ａ変換器４４にアンプゲインを指示するデータを出力する。例えば、照明フリッカが５０Ｈｚで、明るさ値が５００であれば、図７の表から蓄積時間を１０ｍ秒（１６０ライン）に設定し、アンプゲインを４ｄＢに設定する。
【００３７】
実施例の明るさ・照明フリッカ検出部４３における照明フリッカの検出は、前述の特願２００１−１３０１５０号に開示された方法で行う。この方法について簡単に説明する。
【００３８】
図９は、照明フリッカを検出するフローチャートである。まず、ＣＭＯＳイメージセンサの信号蓄積時間を発光周波数が１２０Ｈｚの蛍光灯の照明下でフリッカノイズを生じない信号蓄積時間ｔｓに設定する（ステップＳ１）。蛍光灯の発光周期が１／１２０秒の場合、フリッカノイズによる１フレーム内の輝度むらは１／１２０秒で周期的になる。従って、当該周期の整数倍であってＣＭＯＳイメージセンサの１フレーム周期１／３０秒以下となる１／１２０、２／１２０、３／１２０、又は４／１２０秒が、発光周波数１２０Ｈｚの蛍光灯の照明下でフリッカノイズを生じない信号蓄積時間の取りえる値となる。
【００３９】
次に、図１０の画像面上で参照番号５０で示す所定の平均輝度検出領域での画像データの平均輝度をフレーム毎に検出する（ステップＳ２）。図１０では、斜線で示された平均輝度検出領域５０がほぼ等間隔で水平選択線ｄ２本おきに３箇所示されている。平均輝度検出領域５０は、所定数の隣接する水平選択線に接続された複数の画素で構成される。また、各平均輝度検出領域５０の水平選択線の本数ｄ１は、フリッカノイズにより生じる輝度むらの周期の整数倍に一致しない数に設定する。
【００４０】
また、平均輝度検出領域５０は、水平選択線総数Ｖの３／１０倍を間隔として１フレーム内で１乃至３箇所設定することが望ましい。
【００４１】
次に、各フレーム間（例えば当該フレームとその直前フレーム）の平均輝度差を算出する（ステップＳ３）。次に平均輝度差が所定の閾値を超えているか否かを判定する（ステップＳ４）。平均輝度差が閾値を超えていたらフレーム毎に輝度差が生じているので蛍光灯の発光周波数が１００Ｈｚであると判定する（ステップＳ５）。超えていなければ、１２０Ｈｚであると判定する。
【００４２】
以上のようにして照明フリッカが判定できる。
【００４３】
なお、上記のような照明フリッカの検出方法以外にも、例えば固体イメージセンサの一部に入射光に比例した光を受ける受光素子を設け、その受光量の変化を検出して照明フリッカを検出することも可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、蛍光灯の照明下でもフリッカや縞を生じることなく広い範囲で感度調整が行える固体イメージセンサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体イメージセンサのオートゲインコントロールの従来例における積分ライン数の変化を示す図である。
【図２】固体イメージセンサのオートゲインコントロールの従来例におけるアンプゲインの変化を示す図である。
【図３】蛍光灯照明によるフリッカの問題を説明する図である。
【図４】本発明の実施例のＣＭＯＳイメージセンサの構成を示す図である。
【図５】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおける積分ライン数の変化を示す図である。
【図６】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおけるアンプゲインの変化を示す図である。
【図７】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおける電源周波数が１００Ｈｚ時の制御値を示す図である。
【図８】実施例の固体イメージセンサのオートゲインコントロールおける電源周波数が１２０Ｈｚ時の制御値を示す図である。
【図９】照明フリッカの検出処理を示すフローチャートである。
【図１０】照明フリッカの検出処理における平均輝度検出領域を示す図である。
【符号の説明】
１…ＣＭＯＳイメージセンサ
４…垂直走査シフトレジスタ／リセット制御回路
６…アンプ／ノイズキャンセル回路
３２…ゲイン可変アンプ
４１…プロセッサ
４３…明るさ・照明フリッカ検出部
Claims (4)
- マトリクス状に配置され、入射光量に応じた電荷を蓄積する複数の画素と、
所定のサイクル時間で前記複数の画素から順次読み出された信号を増幅し、増幅率が可変であるゲイン可変アンプとを備え、
前記複数の画素が電荷を蓄積する蓄積時間が前記所定のサイクル時間より小さい時間範囲で任意に設定可能である固体イメージセンサであって、
入射する光画像の明るさ及び照明フリッカを検出する明るさ・照明フリッカ検出部と、
前記蓄積時間を、検出した明るさ及び照明フリッカに応じて、前記照明フリッカが発生しない複数のフリッカレス時間のいずれかに設定するように段階的に変化させると共に、検出した明るさ及び前記蓄積時間の設定値に応じて、前記ゲイン可変アンプの増幅率を変化させる制御部とを備えることを特徴とする固体イメージセンサ。 - 前記明るさ・照明フリッカ検出部が検出した前記照明フリッカが、蛍光灯を５０Ｈｚで点灯した時の発光周期を検出した時には、前記制御部は前記蓄積時間をｎ／１００秒（ｎは正の整数）に設定する請求項１に記載の固体イメージセンサ。
- 前記明るさ・照明フリッカ検出部が検出した前記照明フリッカが、蛍光灯を６０Ｈｚで点灯した時の発光周期を検出した時には、前記制御部は前記蓄積時間をｎ／１２０秒（ｎは正の整数）に設定する請求項１に記載の固体イメージセンサ。
- 前記明るさ・照明フリッカ検出部は、１フレーム内に割り当てた所定の平均輝度検出領域で画素信号の平均輝度をフレーム毎に検出し、フレーム間の前記平均輝度の差を演算し、演算した平均輝度の差から蛍光灯を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚで点灯した環境下の照明フリッカであるかを判定する請求項１から３のいずれか１項に記載の固体イメージセンサ。
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