JP2004304377A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像モードを通常撮像モードと動体抽出モードとで簡単に切り替えることができるとともに動体抽出撮像モードにおいては複雑な信号処理を要することなく、簡単に動体の存在を検出できる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、撮像素子１０、照明光を撮像領域に照射する照明装置２０及び照明装置１０からの照明光を制御するコントローラ３０を有する。撮像素子１０は、撮像領域中に輝度変化する部分があるとき該部分について該領域中の輝度変化しない他の部分を示す画像信号とは異なるレベルの画像信号を出力できる。コントローラ３０は照明装置１０に照明光を一定に維持させることで動体抽出モードを実現し、照明光を変化させることで通常撮像モードを実現する。他の例では、対数変換用トランジスタＴ２のリセット用第２電圧の印加期間を制御することで通常撮像モード又は動体抽出モードを設定する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像モードを通常撮像モードと動体抽出モードとで切り替えできる撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
撮像装置についてはこれまで様々のものが提案されている。
ダイナミックレンジの広い撮像装置として、撮像のための画素に、光電変換素子及び光電変換素子への入射光量を自然対数的に光電変換して出力する対数変換部を配置した固体撮像装置が提案されている。特開平３−１９２７６４号公報はそのような撮像装置を開示している。同公報に開示された撮像装置は、光電変換素子として例えばフォトダイオードを採用し、対数変換部に対数変換用のＭＯＳトランジスタを採用している。同公報は対数変換部の出力を蓄積する積分回路も組み合わせた画素も開示している。
【０００３】
また、対数変換型撮像装置において、画素間での感度のバラツキをキャンセル処理できる撮像装置も提案されている。特開２００１−９４８７８号公報はそのような撮像装置を開示している。同公報に開示された撮像装置は、各画素に一様に光を照射して画素間の感度バラツキを検出してその感度バラツキをキャンセル処理するという手法によらずに、感度のバラツキをキャンセル処理するものである。
【０００４】
一方、撮像の分野では、例えば不法侵入者その他のものの監視等のために移動体を検出することについても研究されており、フレーム間差分法（前画面と現画面のフレーム間差分画面をとる方法）や背景差分法（背景画像と入力画像の差分をとる方法）といった手法が提案されている。特開平５−１４５８２３号公報はフレーム間差分法を紹介しており、特開平７−３３６６９４号公報は背景差分法を開示している。
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１９２７６４号公報
【特許文献２】特開２００１−９４８７８号公報
【特許文献３】特開平５−１４５８２３号公報
【特許文献４】特開平７−３３６６９４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、撮像装置による動体の検出についてみれば、従来のフレーム間差分法や背景差分法による動体検出は撮像素子からの信号の複雑な処理を必要とするものであり、そのような複雑な信号処理を行わずに簡単に動体の存在を検出できる撮像装置の出現が望まれる。そのような撮像装置があれば監視分野等に応用しやすい。さらには、撮像モードを通常撮像モードと動体抽出モード（動体検知モード）とで切り替えできる撮像装置があればなお監視分野等に応用しやすい。
【０００７】
そこで本発明は、撮像モードを通常撮像モードと動体抽出モードとで簡単に切り替えることができるとともに動体抽出撮像モードにおいては複雑な信号処理を要することなく、簡単に動体の存在を検出できる撮像装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前記課題を解決するため研究を重ね、次のことを見いだした。
撮像領域中を動体が移動する場合、例えば該動体のエッジ部に着目すると、動体エッジ部が移動することで該エッジ部に対する静止背景部の輝度が撮像素子から見て変化する。換言すれば、動体により輝度が変化する撮撮像領域中の部分は、該動体の少なくとも一部を示していると言える。従って、撮像領域に含まれる輝度が変化する部分、換言すれば該輝度変化をもたらす動体の少なくとも一部を該撮像領域に含まれる輝度変化しない部分或いは静止背景部とは異なる濃度で表示できる画像データを取得できれば、複雑な信号処理或いは画像処理を要することなく、動体の存在を検出できる。
【０００９】
例えば、撮像領域中における輝度の変化しない部分については一様な濃度で表示し、換言すれば一様な濃度で背景部として表示し、輝度の変化する部分についてはその一様な濃度の背景部に対し高い濃度で、又は低い濃度で表示できれば、その濃度の高い又は低い表示部分があることをもって動体の存在を検出できる。
【００１０】
このような動体検出は、例えば、光電変換素子及び該光電変換素子の出力をそれへの入射光量の対数値に比例する電気信号に変換する対数変換用トランジスタを含む対数変換部を撮像用画素に配置した、或いは該撮像用画素にさらに対数変換部の出力を蓄積するための積分回路を配置した撮像素子を利用して行える。例えば、対数変換用トランジスタに通常の撮像のための第１電圧を印加して撮像を行った後、該トランジスタにリセットのための第２電圧を印加し、そのとき、該第２電圧の大きさを制御することで行える。
【００１１】
また、かかる撮像素子は、撮像領域中の輝度変化しない部分に対する輝度変化する部分を動体としてとらえようとするものであるため、撮像素子により撮像される被撮像領域の照明条件が一定であるときは動体検出が可能であるが、被撮像領域の照明が変化するようなときは、動体だけでなく静止背景部も輝度変化した部分となるので動体検出は行えない一方、通常撮像が可能となる。この現象を利用すれば、撮像素子の駆動条件を動体抽出モードに設定したままでも、照明条件を変更することで簡単に通常撮像モードと動体抽出モードの切り替えを行える。
【００１２】
また、本発明者の研究によると、撮像領域に含まれる輝度が変化する部分、換言すれば該輝度変化をもたらす動体の少なくとも一部を該撮像領域に含まれる輝度変化しない部分或いは静止背景部とは異なる濃度で表示できる画像データを取得できる撮像素子は、該撮像素子の駆動タイミング（例えば信号印加・印加解除のタイミング等）をコントロールすることでも、例えば、前記のリセット用第２電圧の印加期間（第２電圧のパルス幅）をコントロールすることでも、そのような画像データを取得できる動体抽出モードに設定することも、通常撮像モードに設定することも可能である。
【００１３】
本発明は前記知見に基づき次の第１、第２の撮像装置を提供する。
＜第１の撮像装置＞
被撮像領域を撮像するための撮像素子と、
該被撮像領域撮像用の照明光を該被撮像領域に照射するための照明装置と、
該照明装置からの照明光を一定に維持又は変化させるように該照明装置を制御する照明装置コントローラとを備えており、
前記撮像素子は、該撮像素子による撮像領域中に前記照明光照射のもとで輝度が変化する部分があるとき該部分について該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分を示す画像信号とは異なるレベルの画像信号を出力できる素子であり、
前記照明装置コントローラは前記照明装置に照明光を一定に維持させることで該撮像素子による動体抽出モードを実現し、前記照明装置に照明光を変化させることで該撮像素子による通常撮像モードを実現する撮像装置。
＜第２の撮像装置＞
撮像領域を撮像するための撮像素子を備えており、
該撮像素子は、
それぞれが光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、
前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより前記対数変換部から得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、前記リセット用第２電圧の印加期間を制御することで通常撮像モード又は動体抽出モードを実現可能であり、該動体抽出モードにおいては、撮像領域中に動体により輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなり、
前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する撮像装置。
いずれにしても本発明に係る撮像装置は監視カメラ等への応用が可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態の撮像装置は、被撮像領域を撮像するための固体撮像素子と、該被撮像領域撮像用の照明光を該被撮像領域に照射するための照明装置と、該照明装置からの照明光を一定に維持又は変化させるように該照明装置を制御する照明装置コントローラとを備えている。
【００１５】
該固体撮像素子は、該撮像素子による撮像領域中に前記照明光照射のもとで輝度が変化する部分があるとき該部分について該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分を示す画像信号とは異なるレベルの画像信号を出力できる素子である。
【００１６】
照明装置コントローラは照明装置に照明光を一定に維持させることで該撮像素子による動体抽出モードを実現し、前記照明装置に照明光を変化させることで該撮像素子による通常撮像モードを実現する。
【００１７】
この撮像装置によると、撮像素子の駆動条件を変更しなくても、照明装置コントローラにより照明装置の照明光を一定に維持するだけで簡単に動体抽出モードを実現できる。動体抽出モードでは、照明光が一定に維持されることで、撮像素子による撮像領域中に輝度変化しない静止背景部に対し動体により輝度が変化する部分が生じ、撮像素子は該部分について輝度変化しない他の部分を示す画像信号とは異なるレベルの画像信号を出力する。これにより動体の存在を検出できる。
【００１８】
また、照明装置コントローラにより照明装置の照明光を変化させることで、簡単に通常撮像モードを実現できる。通常撮像モードでは、照明光が変化することで、撮像素子による撮像領域中の静止部分も動体も共に輝度変化する部分となり、そのため撮像素子は静止部分も動体も同じように撮像する結果となる。
通常撮像モードと動体抽出モードの切り替えも照明装置コントローラにより照明装置の照明条件を変更するだけで簡単に行える。
【００１９】
なお、「照明光を一定に維持する」とは、換言すれば「照明条件を一定に維持する」ことであり、照明光の強度を実質上一定に維持する等して照明光を一定状態に維持することである。「照明光を変化させる」とは、換言すれば「照明条件を変化させる」ことであり、照明光の強度を変化させる（例えば、照明光を点滅させたり、照明光の強度を増減させる）こと等を指す。光源からの照明光そのものは一定に維持しておいて、光源の前に光遮断部材を出し入れしたり、光強度を弱めるフィルタを出し入れしたりすることで照明光を変化させてもよい。
【００２０】
照明装置コントローラには、電気的に照明光を変化させ得るものだけでなく、光遮断部材やフィルタ等を用いて機械的に照明光を変化させ得るものも含まれる。また照明装置コントローラは手動で照明装置の照明条件を制御できるものでも、外部からの指示信号に呼応して照明装置の照明条件を制御できるものでもよい。
【００２１】
照明装置の照明光は通常の電球や蛍光灯等により得られるものと同様のものでもよいが、撮像装置を用いる場所等によっては人目では感知できない赤外光が好ましい。例えば、或る場所で予定された人が集まるときは通常撮像モードに設定し、そうでないときは侵入者の監視のために動体抽出モードに設定する場合、通常撮像モードにおいて人目が感じる照明光を用いると、その点滅等により不快感を生じさせるが、赤外光であればその心配はない。
【００２２】
固体撮像素子の代表例として次のものを挙げることができる。
それぞれが光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、
前記対数変換用トランジスタに与える電圧を制御するための電圧制御部と、
前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
前記電圧制御部は、
撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより前記対数変換部から得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、該第２電圧を前記第１電圧との差の絶対値が通常撮像状態が得られる場合の値より小さくなるように設定することで前記撮像領域中に輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなる撮像状態を実現し、
前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する撮像素子である。
【００２３】
この撮像素子によると、例えば、静止背景部を表す一様濃度の背景画像に対し、輝度の変化をもたらす動体の少なくとも一部を暗く又は明るく表示できる画像データを生成することができる。それにより、複雑な信号処理或いは画像処理を要することなく、動体の存在を検出できる。
既述のとおり、動体により輝度が変化する撮像領域中の部分は、該動体の少なくとも一部を示していると言える。
【００２４】
そこで、いま述べた撮像素子の電圧制御部に係わる
「撮像領域中に動体により輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなる撮像状態」との点は、
「撮像領域に動体が含まれるとき該動体の少なくとも一部については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域に含まれる静止背景部についてのそれとは異なるものとなる撮像状態」と、或いは「撮像領域に動体が含まれるとき該動体の少なくとも一部を該撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示できる撮像信号を生成する撮像状態」と言い換えることができる。
＜第１実施形態の撮像装置の具体例＞
次に図１から図５を参照して第１実施形態の撮像装置の具体例を説明する。
図１に示す撮像装置は、固体撮像素子１０及び照明装置２０とそのコントローラ３０を含んでいる。
【００２５】
照明装置１０はここでは撮像素子により撮像される被撮像領域に対し撮像のための照明光として赤外光を照射するものである。コントローラ３０は、手動により又は外部からの指示信号に呼応して照明装置２０を点灯状態に維持するか、又は点滅させるように該照明装置２０を制御するものである。
【００２６】
次に固体撮像素子１０について詳述する。
図１は撮像素子１０を含む撮像装置の全体を示すブロック図、図２は撮像素子１０の画素の配列された画素部等の構成を示す図、図３は一つの画素の構成を示す図、図４は通常撮像状態を実現できる駆動電圧印加タイミングを示すタイミングチャートである。図５は動体抽出撮像状態を実現できる駆動電圧印加タイミングを示すタイミングチャートである。
【００２７】
撮像素子１０は、図１に示すとおり、画素部Ｇ、これに接続された垂直走査回路１及び出力回路８を備えており、出力回路８には水平走査回路２が接続されているとともに出力アンプＡｍが接続されている。この出力アンプＡｍから画像データが出力され、図示省略のディスプレイによる画像表示や記録媒体への画像データの記録等に供される。
【００２８】
撮像素子１０はまた、画素部Ｇ等へ電圧レギュレータＲｇを介して所定の各種電圧信号等を供給するための電圧制御部ＶＣを備えている。各部を所定のタイミングで動作させるためのタイミングジェネレータＴＧも備えている。
【００２９】
画素部Ｇには、図２に示すように、撮像用の画素Ｇ１１〜Ｇｍｎが行列配置（マトリクス配置）されている。垂直走査回路１は、各画素に走査用信号φＶを与える行（ロウ）ライン３１、３２、・・・３ｎを順次走査していくとともに、ライン４１、４２、・・・４ｎを介して各画素の後述するキャパシタＣに電圧φＶＤを供給する。
【００３０】
水平走査回路２は、各画素から出力信号線６１、６２、・・・６ｍに導出される光電変換信号を画素ごとに水平方向（行方向）に順次読み出す。図２において５は電源ラインである。
なお、後ほど説明する図３においては行（ロウ）ラインは３で、φＶＤ供給ラインは４で、出力信号線は６で示してある。
【００３１】
各画素には、以上述べたライン３１、３２、・・・３ｎ、４１、４２、・・・４ｎ、出力信号線６１、６２、・・・６ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらの図示を省略している。
図１に示す出力回路８は、図２に示す定電流電源７１、７２、・・・７ｍ、選択回路８１、８２、・・・８ｍ及び補正回路９を含んでいる。
【００３２】
定電流電源７１、７２、・・・７ｍは出力信号線６１、６２、・・・６ｍにそれぞれ接続されている。選択回路８１、８２、・・・８ｍは信号線６１〜６ｍを介して画素Ｇ１１〜Ｇｍｎから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする回路である。補正回路９は選択回路８１、８２、・・・８ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されてくると、補正処理、すなわち映像信号とノイズ信号との差分を該映像信号から差し引く処理を行い、ノイズ除去された映像信号を外部に出力して画像表示に供する。なお、定電流源７１〜７ｍのそれぞれの一端には直流電圧ＶＰＳが印加される。
【００３３】
かかる固体撮像素子１０においては、画素Ｇａｂ（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦ｂ ≦ｎの自然数）からの出力である映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６ａを介して出力されるとともに、この出力信号線６ａに接続された定電流電源７ａによって増幅される。そして、画素Ｇａｂから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８ａに送出されるとともに、この選択回路８ａにおいて、該映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされ、その後、選択回路８ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路９に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路９に送出される。
【００３４】
補正回路９では、選択回路８ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路８ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を出力アンプＡｍを介して増幅して外部に出力する。選択回路８１〜８ｍ及び補正回路９のそれぞれの構成例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。なお、選択回路８１、８２、・・・８ｍに補正回路を含ませてもよい。
【００３５】
次に画素Ｇ１１〜Ｇｍｎのそれぞれの１例を図３を参照して説明する。
図３に示す画素は、光電変換素子の１例であるフォトダイオードＰＤ、該フォトダイオードＰＤの出力をそれへの入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２を含む対数変換部Ｌ及び対数変換部Ｌの出力を蓄積するためのキャパシタＣを含む積分回路ＩＴ等を備えている。なお、フォトダイオードＰＤは赤外光に感応するものである。
【００３６】
さらに説明すると、各画素においては、アノード電位をＶＰＤとした（接地電位でもよい）フォトダイオードＰＤのカソードにスイッチング用のＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、トランジスタＴ１のソースに対数変換用のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続されている。トランジスタＴ３は対数変換された信号に相当する電流を流すためのものである。
【００３７】
また、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにソースフォロワ増幅用のＭＯＳトランジスタＴ５のゲート及びキャパシタリセット用のＭＯＳトランジスタＴ４のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースにスイッチング用（信号読み出し用）のＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続されている。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のソースが出力信号線６（図３の出力信号線６１〜６ｍに相当）に接続されている。なお、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６はいずれもＰチャンネル型のトランジスタである。
【００３８】
対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには信号φＶＰＳが入力される。ＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ５のドレインの電位はＶＰＤとされる。なお、該ドレインは接地されていてもよい。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにはキャパシタＣが接続され、該キャパシタＣにはフォトダイオードＰＤからの電気信号をキャパシタＣで積分するための参照電圧（信号φＶＤ）が入力される。
【００３９】
また、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースには直流電圧ＲＳＢが入力され、該トランジスタＴ４のゲートに信号φＲＳＴが入力される。さらに、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートにはトランジスタＴ１のオン、オフ操作のための信号φＳが、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにはトランジスタＴ６のオン、オフ操作のための信号φＶが入力される。
【００４０】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び出力信号線６を介して、−端に直流電圧ＶＰＳが印加された定電流電源７（図２の定電流電源７１〜７ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに接続される。
【００４１】
従って、ＭＯＳトランジスタＴ６がオンのとき、ＭＯＳトランジスタＴ５はソースフオロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流電源７によって増幅された電圧信号を出力信号線６に出力する。
【００４２】
このようにソースフオロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、この増幅回路により十分大きく増幅された信号が得られるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流電源７１〜７ｍを画素内に設けずに、列（カラム）方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６１〜６ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流電源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００４３】
次に、以上説明した撮像素子において可能である通常の撮像動作及び各画素の感度バラツキ検出動作について説明し、そのあと動体存在の検出動作について説明する。
【００４４】
対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに供給する信号φＶＰＳは通常撮像状態を得るときにはハイ（Ｈｉｇｈ） とロー（Ｌｏｗ） の電圧信号を用いる。すなわち、映像信号及び感度バラツキによるノイズ信号のそれぞれを読み出すときにはトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をロー（Ｌｏｗ）とし、トランジスタＴ２をリセットするときには、該電圧よりも高くトランジスタＴ２にローの信号φＶＰＳを与えた時よりも大きい電流が流れ得るようにするハイ（Ｈｉ）の電圧を採用する。
【００４５】
なお、後述するように、ノイズ信号読出し後キャパシタＣをリセットするときには、光電変換素子の残存信号除去のために、トランジスタＴ２のソースにハイとローの中間程度の値の電圧を印加する。
【００４６】
しかし、動体の存在検出のための動体抽出撮像状態を得るときには、トランジスタＴ２をリセットするとき、前記ハイ電圧に代えて、ここではロー電圧とハイ電圧との中間程度の値の電圧を採用する（図５参照）。
【００４７】
キャパシタＣに与える参照電圧φＶＤについては、通常撮像状態、動体抽出撮像状態のいずれにおいても３値の電圧信号を採用する。すなわち、キヤパシタＣを積分動作させる際の電圧値を最も高いＶｈとし、映像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりもさらに低いＶｌとする。
【００４８】
以下の説明において、電圧信号等の画素等への印加は電圧制御部ＶＣが電圧レギュレータＲｇを介して行う。
（１）通常撮像状態での撮像動作
先ず、撮像素子１０を通常撮像状態に設定する。
（１−１）映像信号（画像信号）出力
以下の説明において、ＭＯＳトランジスタＴ１をオン、オフする信号φＳは撮像動作の間、常にロー（Ｌｏｗ）であり、トランジスタＴ１はオン状態である。また、キャパシタリセット用トランジスタＴ４へ与える信号φＲＳＴをハイ（Ｈｉ）としてトランジスタＴ４をオフとする。そしてＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッシヨルド領域で動作するように、トランジスタＴ２のソースに与える信号φＶＰＳをローとするとともにキャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値をＶｈとしてキャパシタＣによる積分動作を可能とする。
【００４９】
このような状態においてフォトダイオードＰＤに被撮像領域からの光が入射されると、光電流が発生し、トランジスタＴ２のサブスレッショルド特性により、トランジスタＴ２、Ｔ３のゲートに光電流を、入射光量に対して自然対数的に変化するように変換した値に相当する電圧が発生する。
【００５０】
この入射光量に対して自然対数的に変化する電圧に基づき、トランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキヤパシタＣから流れて、キヤパシタＣが放電する。よって、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲート電圧が、入射光量の積分値の自然対数値に比例した電圧となる。そして、キヤパシタＣが積分動作を行うことで得られる映像信号を読み出すために、信号φＶＤの電圧値をＶｍとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ６にローのパルス信号φＶを与える。これによりＭＯＳトランジスタＴ５のゲート電圧に応じたソース電流がＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６へ流れる。
【００５１】
このとき、トランジスタＴ５がソースフオロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６には映像信号が電圧信号としてあらわれる。その後、信号φＶをハイにしてトランジスタＴ６をオフするとともに、信号φＶＤの電圧値をＶｈとする。このようにトランジスタＴ５、Ｔ６を介して出力される映像信号は、トランジスタＴ５のゲート電圧に比例した値となり、そのためフォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値の自然対数値に比例した信号となる。
（１−２）感度バラツキ検出（ノイズ信号出力）
図４に示すように、電圧値Ｖｍのパルス信号φＶＤとローのパルス信号φＶが与えられて映像信号が出力されると、信号φＶＤをＶｈとした後、信号φＳをハイにしてトランジスタＴ１をオフにしてリセット動作を開始させる。このとき、トランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、トランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、トランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００５２】
しかし、トランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被撮像領域が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、トランジスタＴ２のソースに与える信号φＶＰＳをハイにする。このように、トランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、トランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、トランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳＴをローとしてトランジスタＴ４をオンにして、キヤパシタＣとトランジスタＴ５のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００５３】
そして、信号φＶＰＳをハイにすることで、トランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがさらに高くなると、トランジスタＴ２のソースに与える信号φＶＰＳをローにして、トランジスタＴ２のポテンシャル状態をもとの状態に戻す。このように、トランジスタＴ２のポテンシャルの状態がもとの状態にリセットされると、信号φＲＳＴをハイにして、トランジスタＴ４をオフにする。
【００５４】
すると、キヤパシタＣが積分動作を行って、キヤパシタＣとトランジスタＴ５のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなる。そこで、パルス信号φＶをトランジスタＴ６のゲートに与えてトランジスタＴ６をオンにするとともに信号φＶＤの電圧値をＶｌにする。これにより、トランジスタＴ２、Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線６に流れる。
【００５５】
このとき、トランジスタＴ５がソースフオロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６にはノイズ信号が電圧信号としてあらわれる。その後、信号φＳをローにしてトランジスタＴ１を導通させてトランジスタＴ２のソースに与える電圧をハイとローの中間程度の値の電圧とし、パルス信号φＲＳＴをトランジスタＴ４に与えて、キヤパシタＣとトランジスタＴ５のゲートとの接続ノードの電圧をリセットし、撮像動作が行える状態にする。
【００５６】
以上の説明においては、光電変換により得られた電気信号を積分するためにキャパシタＣに与える電圧φＶＤをＶｈ、Ｖｍ、Ｖｌの３値としたが、該電気信号積分のためにキャパシタＣに与える電圧φＶＤは一定であっても構わない。しかし、前記のような３値を採用することで、ノイズが除去された映像信号におけるオフセットを低くすることができ、それにより、撮像素子の後段に接続されるアナログ／デジタル変換器等の動作範囲を有効に利用することができる。なお、映像信号読み出し時にキヤパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値を積分時に与える電圧値より高くするようにしても構わない。
【００５７】
また、以上説明した撮像素子では、ＰチヤンネルのＭＯＳトランジスタを用いて各画素を構成したが、画素をＮチヤンネルのＭＯＳトランジスタを用いて構成しても構わない。このとき、各素子の極性が逆になる。固体撮像素子に設けられる定電流電源７１〜７ｍについても、図２と逆の極性となる。このようなこと以外は既に説明した撮像素子と実質上同様である。
（２）動体抽出撮像状態での撮像動作
撮像素子１０を動体抽出撮像状態に設定する。
【００５８】
映像信号出力のための動作は前記通常撮像状態の場合と同様である。しかし、ノイズ信号出力動作において、ＭＯＳトランジスタＴ２のリセット処理において採用する信号φＶＰＳとして、前記通常撮像状態の場合におけるノイズ信号出力の場合のハイの信号φＶＰＳに代えて、図５に示すように、ハイとローの中間程度の値の電圧信号が採用される。これにより動体抽出を行える。それ以外は通常撮像状態におけるノイズ出力処理と同様である。なお、通常撮像状態の場合におけるノイズ信号出力の場合のロー信号φＶＰＳに代えてハイとローの中間程度の値の電圧信号を採用するようにしてもよい。
【００５９】
この動体抽出撮像状態においても、通常撮像状態の場合と同様に、φＶＰＳをローにして撮像を行ったときに各画素から出力される映像信号と、φＶＰＳをハイとローの中間程度の値の電圧にしてＭＯＳトランジスタＴ２をリセットしたとき各画素から出力される雑音信号（ノイズ信号）との差分が、補正回路９による差分処理により該映像信号から差し引かれて出力される。
【００６０】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のリセット処理において採用する信号φＶＰＳとして、通常撮像状態の場合におけるノイズ信号出力の場合のハイの信号φＶＰＳに代えて、ハイとローの中間程度の値の電圧信号が採用される結果、ＭＯＳトランジスタＴ２にリセット残しが生じる。しかも、該リセット残しはＭＯＳトランジスタＴ２の特性により入射光量の多かった画素ほど多く、入射光量の少なかった画素ほど小さくなる。従って、前記差分処理後の映像信号は、輝度が変化しない被撮像領域部分を撮像した各画素については同様の値となる。かくして被撮像領域における静止背景部については略一様にグレー表示可能の信号が出力される。これを用いて静止背景部については略一様にグレーで表示させることが可能である。
【００６１】
一方、動体については、輝度が「暗」→「明」、「暗」→「明」→「暗」、「明」→「暗」、「明」→「暗」→「明」などと映像信号の積分期間中に変化する。
【００６２】
輝度が「暗」→「明」に変化し、リセット期間の開始まで「明」状態のままであった場合、映像信号は、積分期間中常時「明」状態であったときと比較して高くなる。雑音信号はリセット開始時の積分回路入力部の電圧にのみ依存した値となるため、リセット開始時は「明」状態であるので、雑音信号は常時「明」状態のときと同じである。すると、差分処理後の映像信号出力は減少し、素子１０への入射光が「暗」→「明」に変化した部分を暗く表示できるものとなる。また、常時「暗」状態であったときと比較すると、映像信号は低く、雑音信号も低くなるが、雑音信号が低くなる量より映像信号が低くなる量の方が少なく、差分処理後の映像信号出力は減少する。
【００６３】
輝度が「暗」→「明」→「暗」に変化し、リセット期間の開始まで「暗」状態のままであった場合、映像信号は、積分期間中常時「暗」状態であったときと比較して低くなる。雑音信号はリセット開始時の積分回路入力部の電圧にのみ依存した値となるため、リセット開始時は「暗」状態であるので、雑音信号は常時「暗」状態のときと同じである。すると、差分処理後の映像信号出力は増加し、素子１０への入射光が「暗」→「明」→「暗」に変化した部分を明るく表示できるものとなる。
【００６４】
輝度が「明」→「暗」に変化する場合は、同様の理由で、差分処理後の映像信号出力は増加し、輝度変化部分を明るく表示できるものとなる。
輝度が「明」→「暗」→「明」に変化する場合は、差分処理後の映像信号出力は減少し、輝度変化部分を暗く表示できるものとなる。
このような現象により入射光が変化した部分を抽出でき、これにより動体の存在を検出できる。
【００６５】
撮像素子１０を通常撮像状態に設定して動体を含む撮像領域を撮像してディスプレイに表示するとすれば、例えば、図６（Ａ）に示すような画像となり、素子１０を動体抽出撮像状態に設定して動体を含む撮像領域を撮像してディスプレイに表示するとすれば、例えば、図６（Ｂ）に示すような画像となる。
【００６６】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、動体は黒いボールであり、白い壁の前に置いたテーブルの上を図中右から左へ転動している。例えばボールの左右のエッジ部分に着目すると、ボールの左側のエッジ部分の左方への移動により撮像素子から見ると輝度が「明」から「暗」に変化する被撮像領域部分が幅と向きを持った明るい部分Ｐとして表示され、ボールの右側のエッジ部分の左方への移動により撮像素子から見ると輝度が「暗」から「明」に変化する被撮像領域部分が幅と向きを持った暗い部分Ｑとして表示される。
【００６７】
以上、駆動条件を変更することで、通常撮像、動体抽出撮像のいずれもなし得る撮像素子１０について説明したが、常時、動体抽出撮像状態に設定したままでも、従って駆動条件を常時図５に示す状態にしたままでも、次のようにして、通常撮像モードと動体抽出モードとで必要に応じて簡単に切り替えて撮像を行える。
【００６８】
すなわち、照明装置コントローラ３０により照明装置２０を点灯状態に維持し、それにより照明光を一定に維持するだけで簡単に動体抽出モードを実現できる。この動体抽出モードでは、照明光が一定に維持されることで、撮像素子１０による撮像領域中に静止背景部に対し動体により輝度が変化する部分が生じ、撮像素子１０は該部分について明るく又は暗く表示できる画像データを出力し、輝度変化しない他の部分（静止背景部）についてはグレーの一様な濃度で表示できる画像データを出力できる。かくして動体存在を検出できる。
【００６９】
一方、照明装置コントローラ３０により照明装置２０を点滅させることで、簡単に通常撮像モードを実現できる。この通常撮像モードでは、照明光が点滅することで、撮像素子１０による撮像領域中の静止部分も動体も共に輝度変化する部分となり、そのため撮像素子１０は静止部分も動体も同じように撮像する結果となる。
【００７０】
通常撮像モードと動体抽出モードの切り替えも照明装置コントローラ３０により照明装置の照明条件を変更するだけで簡単に行える。
【００７１】
このことから分かるように、撮像素子１０は、前記説明における動体抽出撮像状態を実現するようにのみ構成されていてもよく、その場合でも、通常撮像モード、動体抽出モードのいずれも実現できる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態の撮像装置は次の撮像素子を備えている。すなわち、
該撮像素子は、
それぞれが光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えている。
【００７２】
該撮像素子は、撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより前記対数変換部から得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させる。
【００７３】
また、該撮像素子は、前記リセット用第２電圧の印加期間を制御することで通常撮像モード又は動体抽出モードを実現する。該動体抽出モードにおいては、撮像領域中に動体により輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなる。
前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する。
【００７４】
この撮像装置によると、対数変換用トランジスタへのリセット用第２電圧の印加期間（換言すれば第２電圧のパルス幅）を切り替えるだけで、簡単に撮像モードを通常撮像モードにも、動体抽出モードにも設定できる。
【００７５】
例えば、通常撮像モードは、リセット用第２電圧印加期間を対数変換用トランジスタにリセット残しが生じないように定めることで実現でき、動体抽出モードは、リセット用第２電圧印加期間を対数変換用トランジスタのリセット残しが生じるように定めることで、換言すれば通常撮像モード時より短く定めることで実現できる。
【００７６】
リセット用第２電圧印加期間の切り替えによる通常撮像モード又は動体抽出モードの設定は、例えば撮像素子コントローラの指示のもとに行ってもよいが、例えば該コントローラに通常撮像モード又は動体抽出モードの設定切り替えのための切り替えスイッチを設けておき、これによりオペレータが任意に切り替え指示できるようにしてもよい。
【００７７】
いずれにしても、対数変換用トランジスタのリセット時にリセット残しを生じさせることで、撮像領域中に輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなる動体抽出モードが実現される。
【００７８】
かかる動体抽出モードにおいては、例えば、静止背景部を表す一様濃度の背景画像に対し、輝度の変化をもたらす動体の少なくとも一部を暗く又は明るく表示できる画像データを生成することができる。それにより、複雑な信号処理或いは画像処理を要することなく、動体の存在を検出できる。
既述のとおり、動体により輝度が変化する撮撮像領域中の部分は、該動体の少なくとも一部を示していると言える。
【００７９】
そこで、いま述べた
「撮像領域中に動体により輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなる動体抽出モード」との点は、
「撮像領域に動体が含まれるとき該動体の少なくとも一部については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域に含まれる静止背景部についてのそれとは異なるものとなる動体抽出モード」と、或いは
「撮像領域に動体が含まれるとき該動体の少なくとも一部を該撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示できる撮像信号を生成する動体抽出モード」と言い換えることができる。
＜第２実施形態の撮像装置の具体例＞
図７及び図８を参照して第２実施形態の撮像装置の具体例を説明する。
この撮像装置は、撮像素子１０’及び撮像素子コントローラ４０を含んでいる。図７はこれらをブロック図で示している。撮像素子１０’は、第１実施形態における撮像素子１０から電圧制御部ＶＣを省き、コントローラ４０で動作制御できるようにしたものである。撮像素子１０と実質上同じ部分については撮像素子１０と同じ参照符号を付してある。コントローラ４０は電圧レギュレータＴＧに指示して画素部Ｇ等へ所定の各種電圧信号等を供給させるとともに、タイミングジエネレータＴＧに指示して各部を所定のタイミングで動作させる。
【００８０】
この撮像素子１０’は、第１実施形態における撮像素子１０と異なり、コントローラ４０の指示のもとに、対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２のリセットにあたり、図８に示すように、該トランジスタのソースにハイ（Ｈｉｇｈ）の電圧信号φＶＰＳをトランジスタＴ２にリセット残しが生じない十分な印加期間（パルス幅）で印加することで通常撮像モードを実現し、図９に示すように、トランジスタＴ２のソースに同じくハイ（Ｈｉｇｈ）の電圧信号φＶＰＳをトランジスタＴ２にリセット残しが生じるように短い印加期間（パルス幅）だけ印加することで動体抽出モードを実現する。
【００８１】
換言すれば、この実施形態の撮像装置は、電圧信号φＶＰＳの印加期間（パルス幅）の切り替えが可能とした撮像素子を含むものである。φＶＰＳ印加期間（パルス幅）の切り替えは前記撮像素子コントローラ４０により行われるのであるが、例えば該コントローラ４０に該切り替え用の手動スイッチを設けておく等により行えるようにしてもよい。
【００８２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、撮像モードを通常撮像モードと動体抽出モードとで簡単に切り替えることができるとともに動体抽出撮像モードにおいては複雑な信号処理を要することなく、簡単に動体の存在を検出できる撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す撮像素子における画素の配列された画素部等の構成を示す図である。
【図３】一つの画素の構成を示す図である。
【図４】図１から図３に示す撮像素子において通常撮像状態を実現し得る駆動電圧印加タイミング例を示すタイミングチャートである。
【図５】図１から図３に示す撮像素子において動体抽出撮像状態を実現し得る駆動電圧印加タイミング例を示すタイミングチャートである。
【図６】図６（Ａ）は通常撮像状態による、動体（ボール）を含む被撮像領域の撮像例を示し、図６（Ｂ）は動体抽出撮像状態による、動体を含む被撮像領域の撮像例を示している。
【図７】第２実施形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図８】第２実施形態の撮像装置における通常撮像モードにおける駆動電圧印加タイミング例を示すタイミングチャートである。
【図９】第２実施形態の撮像装置における動体抽出モードにおける駆動電圧印加タイミング例を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０、１０’撮像素子
２０ 照明装置
３０ 照明装置コントローラ
４０ 撮像素子コントローラ
Ｇ 画素部 ８１〜８ｍ 選択回路
１ 垂直走査回路 ９ 補正回路
２ 水平走査回路 １０ 電圧制御部
３、３１〜３ｎ 行（ロウ）ライン Ａｍ 出力アンプ
４、４１〜４ｎ ライン Ｒｇ 電圧レギュレータ
５ 電源ライン ＴＧ タイミングジエネレータ６、６１〜６ｍ 出力信号線 Ｇ１１〜Ｇｍｎ 画素
７１〜７ｍ 定電流電源 ＰＤ フォトダイオード
８ 出力回路
Ｔ１ スイッチング用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ２ 対数変換用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３ ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４ キャパシタリセット用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ５ ソースフォロワ増幅用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ６ 信号読出し用ＭＯＳトランジスタ
Ｃ キャパシタ（積分用コンデンサ）

Claims (5)

1. 被撮像領域を撮像するための撮像素子と、
   該被撮像領域撮像用の照明光を該被撮像領域に照射するための照明装置と、
   該照明装置からの照明光を一定に維持又は変化させるように該照明装置を制御する照明装置コントローラとを備えており、
   前記撮像素子は、該撮像素子による撮像領域中に前記照明光照射のもとで輝度が変化する部分があるとき該部分について該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分を示す画像信号とは異なるレベルの画像信号を出力できる素子であり、
   前記照明装置コントローラは前記照明装置に照明光を一定に維持させることで該撮像素子による動体抽出モードを実現し、前記照明装置に照明光を変化させることで該撮像素子による通常撮像モードを実現することを特徴とする撮像装置。
2. 前記照明装置は赤外光を照射するものである請求項１記載の撮像装置。
3. 前記撮像素子は、
   それぞれが光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、
   前記対数変換用トランジスタに与える電圧を制御するための電圧制御部と、
   前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
   前記電圧制御部は、
   撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより前記対数変換部からの第２信号を前記積分回路に蓄積させ、該第２電圧を前記第１電圧との差の絶対値が通常撮像状態が得られる場合の値より小さくなるように設定することで前記撮像領域中に輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなる撮像状態を実現し、
   前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する請求項１又は２記載の撮像装置。
4. 撮像領域を撮像するための撮像素子を備えており、
   該撮像素子は、
   それぞれが光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、
   前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
   撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより前記対数変換部から得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、前記リセット用第２電圧の印加期間を制御することで通常撮像モード又は動体抽出モードを実現可能であり、該動体抽出モードにおいては、撮像領域中に動体により輝度が変化する部分があるとき該部分については前記積分回路にそれぞれ蓄積される前記第１信号と前記第２信号との差分が該撮像領域中の輝度が変化しない他の部分についてのそれとは異なるものとなり、
   前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力することを特徴とする撮像装置。
5. 前記動体抽出モードにおける前記リセット用第２電圧印加期間は前記対数変換用トランジスタのリセット残しが生じるように前記通常撮像モード時より短い請求項４記載の撮像装置。

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