JP2005086630A - Imaging apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、入射光量に対して線形的に変化する電気信号を出力する線形変換動作と、入射光量に対して自然対数的に変化する電気信号を出力する対数変換動作との間で、その光電変換動作を切り換えることが可能な撮像装置や、露光量を変化させて異なる光電変換特性を切り換えることが可能な撮像装置などの、複数の光電変換特性を切り換えることが可能な撮像装置に関する。 The present invention provides a photoelectric conversion between a linear conversion operation that outputs an electric signal linearly changing with respect to an incident light amount and a logarithmic conversion operation that outputs an electric signal that naturally changes logarithmically with respect to the incident light amount. The present invention relates to an imaging apparatus capable of switching a plurality of photoelectric conversion characteristics, such as an imaging apparatus capable of switching a conversion operation and an imaging apparatus capable of switching different photoelectric conversion characteristics by changing an exposure amount.
従来、入射光量に対して線形変換する線形変換動作を行う固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが2桁と狭いため、広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像したときは、ダイナミックレンジ以外の範囲の輝度情報は出力されない。又、従来の固体撮像装置として、入射光量に対して対数変換する対数変換動作を行うものがある(特許文献1参照)。この固体撮像素子においては、そのダイナミックレンジが5〜6桁と広いため、少々広い輝度範囲の輝度分布を構成する被写体を撮像しても、輝度分布内の全輝度情報を電気信号に変換して出力することができる。しかしながら、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。これらに対して、本出願人は、上述の線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることが可能なものを提案している(特許文献2参照)。 Conventionally, in a solid-state imaging device that performs a linear conversion operation that linearly converts the amount of incident light, its dynamic range is as narrow as two orders of magnitude, so when imaging a subject that constitutes a luminance distribution in a wide luminance range, other than the dynamic range The luminance information in the range is not output. Further, as a conventional solid-state imaging device, there is one that performs a logarithmic conversion operation for logarithmically converting the amount of incident light (see Patent Document 1). In this solid-state imaging device, the dynamic range is as wide as 5 to 6 digits. Therefore, even if an image of a subject constituting a luminance distribution in a slightly wide luminance range is captured, all luminance information in the luminance distribution is converted into an electrical signal. Can be output. However, since the imageable area becomes wider with respect to the luminance distribution of the subject, an area without luminance data is formed in the low luminance area or the high luminance area in the imageable area. On the other hand, the present applicant has proposed what can switch between the above-described linear conversion operation and logarithmic conversion operation (see Patent Document 2).
又、本出願人は、線形変換動作と対数変換動作とが切替可能な固体撮像素子を備え、各種条件に応じて固体撮像素子の光電変換特性を自動的に切り換えることのできる撮像装置を提案している(特許文献3〜特許文献6参照)。尚、特許文献3では、撮像する被写体の明るさに応じて、特許文献4では、撮像する被写体の輝度範囲に応じて、特許文献5では、被写体までの距離と撮像倍率に応じて、特許文献6では、計測した被写体の輝度分布形状に応じて、それぞれ、固体撮像素子の光電変換特性を自動的に切り換える。
しかしながら、特許文献3〜特許文献6において、撮像する被写体に応じた光電変換特性を設定することができるが、固体撮像素子から出力される画像信号が全て同一の光電変換特性により得られた画像信号となる。そのため、固体撮像素子が線形変換動作を行ったときに得られた画像信号は、そのダイナミックレンジが狭いものとなり、又、固体撮像素子が対数変換動作を行ったときに得られた画像信号は、その階調性が線形変換された場合と比べて乏しいため、コントラストの悪い画像信号となってしまう。
However, in
このような問題を鑑みて、画像信号として用いる信号を、異なる光電変換特性で撮像されて得た信号から輝度範囲毎に選択する撮像装置を提供することを目的とする。 In view of such a problem, an object of the present invention is to provide an imaging apparatus that selects a signal used as an image signal for each luminance range from signals obtained by imaging with different photoelectric conversion characteristics.
上記目的を達成するために、本発明の撮像装置は、n種類の光電変換特性に応じた画像信号を出力する複数の画素を有する固体撮像素子を備える撮像装置において、前記n種類の光電変換特性が切り換えられた前記固体撮像素子から得られるn種類の画像信号を、前記画素毎に格納するメモリと、前記各画素の輝度範囲を確認する輝度範囲確認部と、前記メモリに格納されたn種類の画像信号から、該輝度範囲確認部で確認された輝度範囲に応じた画像信号を選択する選択部と、を備え、前記選択部は、前記各画素の輝度範囲に応じて前記n種類の光電変換特性による画像信号を画素毎に選択することにより、前記n種類の画像信号が合成された画像信号を出力することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an imaging apparatus according to the present invention is an imaging apparatus including a solid-state imaging element having a plurality of pixels that output image signals corresponding to n types of photoelectric conversion characteristics, and the n types of photoelectric conversion characteristics. A memory that stores n types of image signals obtained from the solid-state imaging device that has been switched for each pixel, a luminance range confirmation unit that confirms a luminance range of each pixel, and n types of images stored in the memory A selection unit that selects an image signal corresponding to the luminance range confirmed by the luminance range confirmation unit from the image signal of the pixel, and the selection unit selects the n types of photoelectric signals according to the luminance range of each pixel. By selecting an image signal based on conversion characteristics for each pixel, an image signal in which the n types of image signals are combined is output.
このような撮像装置において、前記n種類の光電変換特性として第1〜第n光電変換特性を使用するとともに、前記第1〜第n光電変換特性それぞれに対応した前記輝度範囲を第1〜第n輝度範囲とし、又、前記第1〜第n光電変換特性それぞれによって得られた前記画像信号を第1〜第n画像信号とする。このとき、前記固体撮像素子の光電変換特性を前記第1〜第n光電変換特性の間で切り換える。そして、光電変換特性が切り換えられた前記画像信号を前記画素毎に前記メモリに格納することで、前記各画素毎に前記メモリに第1〜第n画像信号が格納された状態となる。その後、前記輝度範囲確認部において、前記各画素毎に前記第1〜第n輝度範囲のいずれであるかを確認する。このとき、第s(sは、1≦s≦nの自然数)輝度範囲であることが確認されると、前記メモリから第s画像信号を選択する。このようにして、n種類の光電変換特性による画像信号を画素毎に選択することにより、前記n種類の画像信号が合成された画像信号が生成される。 In such an imaging apparatus, the first to nth photoelectric conversion characteristics are used as the n types of photoelectric conversion characteristics, and the luminance ranges corresponding to the first to nth photoelectric conversion characteristics are set to the first to nth photoelectric conversion characteristics. A luminance range is set, and the image signals obtained by the first to n-th photoelectric conversion characteristics are defined as first to n-th image signals. At this time, the photoelectric conversion characteristic of the solid-state imaging device is switched between the first to nth photoelectric conversion characteristics. Then, by storing the image signal whose photoelectric conversion characteristics are switched in the memory for each pixel, the first to nth image signals are stored in the memory for each pixel. Thereafter, the luminance range confirmation unit confirms which one of the first to nth luminance ranges for each pixel. At this time, when it is confirmed that the luminance range is s (s is a natural number of 1 ≦ s ≦ n), the s-th image signal is selected from the memory. In this way, by selecting an image signal having n types of photoelectric conversion characteristics for each pixel, an image signal in which the n types of image signals are combined is generated.
このような撮像装置において、前記各画像信号毎に、前記輝度範囲確認部で輝度範囲を確認する画素を中心とする周辺の画素の画像信号との相対関係により当該輝度範囲を確認する画素の画像信号を新たに設定するローパスフィルタを備え、前記輝度範囲確認部が前記ローパスフィルタより与えられる前記各画素の画像信号より前記各画素の輝度範囲を確認する。即ち、前記ローパスフィルタにおいて、第1〜第n−1画像信号それぞれに対して、入力された画像信号と、入力された画像信号を出力した第1画素周辺の第2画素における画像信号とを加重加算することで、ノイズ成分を低減した画像信号を生成し、前記輝度範囲確認部に送出する。よって、前記輝度範囲確認部では、前記ローパスフィルタで新たに生成された第1〜第n−1画像信号に基づいて、輝度範囲を確認する。 In such an imaging apparatus, for each image signal, an image of a pixel whose luminance range is confirmed by a relative relationship with an image signal of a peripheral pixel centered on the pixel whose luminance range is confirmed by the luminance range confirmation unit. A low-pass filter for newly setting a signal is provided, and the luminance range confirmation unit confirms the luminance range of each pixel from the image signal of each pixel given from the low-pass filter. That is, in the low-pass filter, the input image signal and the image signal in the second pixel around the first pixel that outputs the input image signal are weighted for each of the first to n−1th image signals. By adding, an image signal with a reduced noise component is generated and sent to the luminance range confirmation unit. Therefore, the luminance range confirmation unit confirms the luminance range based on the first to n−1th image signals newly generated by the low-pass filter.
このような撮像装置において、入射光量に対して線形的に変化する画像信号を出力する第1状態から入射光量に対して対数的に変化する画像信号を出力する第2状態へ前記固体撮像素子の前記光電変換特性を切り換えるものとしても構わない。このとき、2種類の光電変換特性によって切り換えるものとするとき、前記光電変換特性を第1状態のみ又は第2状態のみで使用するものとし、第1状態及び第2状態を交互に切り換えるものとしても構わない。又、前記固体撮像素子の前記各画素への露光量を切り換えることによって、前記固体撮像素子の前記光電変換特性を切り換えるものとしても構わない。 In such an imaging apparatus, the solid-state imaging device changes from a first state in which an image signal linearly changing with respect to the amount of incident light is output to a second state in which an image signal that changes logarithmically with respect to the amount of incident light is output. The photoelectric conversion characteristics may be switched. At this time, when switching between two types of photoelectric conversion characteristics, the photoelectric conversion characteristics may be used only in the first state or only in the second state, and the first state and the second state may be switched alternately. I do not care. The photoelectric conversion characteristics of the solid-state image sensor may be switched by switching the exposure amount of the solid-state image sensor to each pixel.
又、このような撮像装置において、前記固体撮像素子が複数種類の色フィルタを備えて前記画像信号として複数種類の色信号を出力するものとしても構わない。 In such an imaging apparatus, the solid-state imaging device may include a plurality of types of color filters and output a plurality of types of color signals as the image signals.
このとき、前記固体撮像素子を構成する前記画素それぞれに対して、全種類の前記色信号が生成されて、前記メモリに格納されるとともに、前記輝度範囲確認部において、前記各画素の前記各色信号毎に輝度範囲を確認した後、前記選択部において、前記各色信号毎に、確認された輝度範囲に応じた前記光電変換特性により得られた色信号を前記メモリより選択するものとしても構わない。即ち、RGB信号となる色信号が前記固体撮像素子から出力されるとき、ある画素のRGB信号の輝度範囲がそれぞれ、第x輝度範囲、第y輝度範囲、第z輝度範囲であることが前記輝度範囲確認部で確認されたとき、前記選択部において、R信号は第x画像信号となるR信号が、G信号は第y画像信号となるG信号が、B信号は第z画像信号となるB信号がそれぞれ選択される。 At this time, all types of the color signals are generated for each of the pixels constituting the solid-state imaging device and stored in the memory, and the luminance range confirmation unit determines the color signals of the pixels. After confirming the luminance range every time, the selection unit may select, for each color signal, the color signal obtained from the photoelectric conversion characteristics corresponding to the confirmed luminance range from the memory. That is, when a color signal that is an RGB signal is output from the solid-state imaging device, the luminance range of the RGB signal of a certain pixel is the x-th luminance range, the y-th luminance range, and the z-th luminance range, respectively. When confirmed by the range confirmation unit, in the selection unit, the R signal is an R signal that is an xth image signal, the G signal is a G signal that is a yth image signal, and the B signal is a B signal that is a zth image signal. Each signal is selected.
本発明によると、同一フレームの画像信号を全て同一の光電変換特性となる画像信号により形成されるのではなく、各画素の輝度範囲毎に光電変換特性の異なる画像信号を選択することができる。よって、全体のダイナミックレンジを狭めることなく、各画素の輝度範囲に応じて最適な光電変換特性を選択することができる。更に、このように広いダイナミックレンジでの撮像が可能となるとともに、線形変換特性となる光電変換特性が選択された輝度範囲においては、階調性豊かなものとして高コントラストの画像を出力させることができる。又、輝度範囲を確認するための信号がローパスフィルタを通じて与えられるようにすることで、ノイズ成分による影響が低減された信号により各画素の輝度範囲を確認することができる。 According to the present invention, not all image signals of the same frame are formed by image signals having the same photoelectric conversion characteristics, but image signals having different photoelectric conversion characteristics can be selected for each luminance range of each pixel. Therefore, it is possible to select an optimal photoelectric conversion characteristic according to the luminance range of each pixel without narrowing the entire dynamic range. Furthermore, it is possible to image in such a wide dynamic range, and in the luminance range in which the photoelectric conversion characteristic that is the linear conversion characteristic is selected, it is possible to output a high-contrast image with rich gradation. it can. Further, by providing a signal for confirming the luminance range through the low-pass filter, it is possible to confirm the luminance range of each pixel by a signal in which the influence of the noise component is reduced.
<撮像装置の構成>
本発明の実施形態である撮像装置の構成について、図1を参照して説明する。図1は、撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
<Configuration of imaging device>
A configuration of an imaging apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating an internal configuration of the imaging apparatus.
図1の撮像装置は、複数のレンズから構成される光学系1と、光学系1を通じて入射される光の入射光量を電気信号に変換する固体撮像素子2と、固体撮像素子2から出力される電気信号を増幅するアンプ3と、アンプ3で増幅された電気信号をデジタル信号に変換するAD変換回路4と、AD変換回路4からのデジタル信号の最低レベルを設定する黒基準補正回路5と、黒基準補正回路5で黒基準値により補正されたデジタル信号が固体撮像素子2の各画素の感度などによるFPN(固定パターンノイズ:Fixed Pattern Noise)を除去するFPN補正回路6と、FPN補正回路6でFPN除去されたデジタル信号より自動露出制御(AE)及びホワイトバランス(WB)を行うためのそれぞれの評価値を検出するAE・WB評価値検出回路7と、FPN補正回路6でFPN除去されたデジタル信号について色バランスがとれるように各色信号毎に補正を行うWB制御回路8と、WB制御回路8から出力される隣接する複数の画素の色信号に基づいて各色信号の補間を行う色補間回路9と、色補間回路9から出力される各色信号を他の色信号により色合いを各画素毎に補正する色補正回路10と、色補正回路10から出力されるデジタル信号の階調変換を行う階調変換回路11と、階調変換回路11から出力されるデジタル信号についてエッジ強調などの処理を施すコアリング回路12と、各ブロックの制御を行う全体制御部13と、光学系1に備えられる絞り1aによる露光量を制御する絞り制御部14と、固体撮像素子2及びAD変換回路4に動作タイミング用のクロックを与えるタイミング生成回路15と、を備える。
1 is output from an
このように構成される撮像装置においては、光学系1を介して光が各画素毎に異なる色フィルタを備えた固体撮像素子2に入射されると、各画素において光電変換動作が行われ、各画素毎に異なる色信号となるアナログ信号が出力される。即ち、図2のように、RGBによるベイヤ型配列となる色フィルタが固体撮像素子2に設けられるとき、Rとなる色フィルタが設けられた画素からは赤色を表すR信号が、Gとなる色フィルタが設けられた画素からは緑色を表すG信号が、Bとなる色フィルタが設けられた画素からは青色を表すB信号が、それぞれ出力される。尚、固体撮像素子2は、後述するように、全体制御部13によって駆動条件が変更されることにより、線形変換動作と対数変換動作とが切り替わる輝度位置が変更される。これによって、固体撮像素子2のダイナミックレンジが変化する。切換点が高輝度側になるほどダイナミックレンジが広くなる。
In the imaging apparatus configured as described above, when light is incident on the solid-
この固体撮像素子2からシリアルに出力されるR信号及びG信号及びB信号が、アンプ3において増幅された後、AD変換回路4においてデジタル信号に変換される。このようにデジタル信号に変換されたR信号及びG信号及びB信号が黒基準補正回路5に与えられると、全体制御部13から与えられるダイナミックレンジ制御信号に基づいて、最低輝度値となる黒レベルが基準値(0)に補正される。即ち、固体撮像素子2のダイナミックレンジによって黒レベルが異なるため、AD変換回路4から出力されるR信号及びG信号及びB信号それぞれの信号レベルに対して、黒レベルとなる信号レベルが減算されることで、基準値補正が行われる。
The R signal, the G signal, and the B signal that are serially output from the solid-
この黒基準補正が行われたR信号及びG信号及びB信号は、FPN補正回路6において格納しているFPN成分を減算することによって、FPN成分が除去される。このFPN成分は、固体撮像素子2内の各画素を構成するMOSトランジスタの閾値バラツキなどが原因となって生じるオフセットバラツキである。尚、このFPN成分を抽出する際、RGB信号それぞれについて、均一光照射時に固体撮像素子2から出力される各画素に対する画像信号から色フィルタの透過率の差異に基づくオフセットを減算する。このとき、このような各色フィルタの透過率に基づくオフセットを、均一光照射時のRGB信号それぞれの平均値により求めるものとし、この平均値を均一光照射時のRGB信号から減算することで、各画素のFPN成分を抽出するものとしても構わない。このようにFPN成分が除去されたR信号及びG信号及びB信号が、AE・WB評価値検出回路7及びWB制御回路8に与えられる。
The FPN component is removed from the R signal, the G signal, and the B signal subjected to the black reference correction by subtracting the FPN component stored in the FPN correction circuit 6. This FPN component is an offset variation caused by a threshold variation of MOS transistors constituting each pixel in the solid-
AE・WB評価値検出回路7では、与えられたR信号及びG信号及びB信号より成る画像信号の輝度値を確認することにより、被写体の輝度範囲を表す輝度の平均値分布範囲を算出し、露光量を設定するAE評価値として全体制御部13に送出する。このAE評価値に基づいて全体制御部13が絞り1aの開口度を制御することで、露光量が制御される。又、AE・WB評価値検出回路7では、与えられたR信号及びG信号及びB信号よりそれぞれの輝度比及び輝度差を確認し、ホワイトバランスを行うための基準値であるWB評価値を算出し、全体制御部13に送出する。そして、WB制御回路8では、全体制御部13より与えられるWB評価値及びダイナミックレンジデータに基づいて、R信号及びG信号及びB信号が、同一の光電変換特性となるようにホワイトバランス処理が施される。
The AE / WB evaluation
WB制御回路8でホワイトバランス処理が施されたR信号及びG信号及びB信号は、色補間回路9において色補間処理が施される。図2のようなRGBによるベイヤ型配列となる色フィルタが固体撮像素子2に設けられているとき、各画素から出力される色信号は、その画素が設けられる色フィルタによる色信号のみである。よって、色補間回路9において、他の色信号が隣接する画素の色信号により生成されることで、色補間処理が施される。
The R, G, and B signals that have been subjected to white balance processing by the
そして、RGBそれぞれの色フィルタが各画素G11〜G44に図2のように配列されているとき、画素G11,G31,G13,G33からR信号r11,r31,r13,r33が、画素G21,G41,G12,G32,G23,G43,G14,G34からG信号g21,g41,g12,g32,g23,g43,g14,g34が、画素G22,G42,G24,G44からB信号b22,b42,b24,b44が、出力される。このとき、画素G22,G23,G32,G33のRGB信号が、以下の式のように表される。 When the RGB color filters are arranged in the pixels G11 to G44 as shown in FIG. 2, the R signals r11, r31, r13, and r33 are converted from the pixels G11, G31, G13, and G33 to the pixels G21, G41, and G33, respectively. G signals G21, g41, g12, g32, g23, g43, g14, g34 from G12, G32, G23, G43, G14, G34, and B signals b22, b42, b24, b44 from pixels G22, G42, G24, G44. Is output. At this time, RGB signals of the pixels G22, G23, G32, and G33 are expressed by the following equations.
画素G22のR信号r22、G信号g22、B信号b22
r22=(r11+r31+r13+r33)/4
g22=(g21+g12+g32+g23)/4
b22=b22
画素G32のR信号r32、G信号g32、B信号b32
r32=(r31+r33)/2
g32=g32
b32=(b22+b42)/2
画素G23のR信号r23、G信号g23、B信号b23
r23=(r13+r33)/2
g23=g23
b23=(b22+b24)/2
画素G33のR信号r33、G信号g33、B信号b33
r33=r33
g33=(g32+g23+g43+g34)/4
b33=(b22+b42+b24+b44)/4
R signal r22, G signal g22, B signal b22 of pixel G22
r22 = (r11 + r31 + r13 + r33) / 4
g22 = (g21 + g12 + g32 + g23) / 4
b22 = b22
R signal r32, G signal g32, B signal b32 of the pixel G32
r32 = (r31 + r33) / 2
g32 = g32
b32 = (b22 + b42) / 2
R signal r23, G signal g23, B signal b23 of pixel G23
r23 = (r13 + r33) / 2
g23 = g23
b23 = (b22 + b24) / 2
R signal r33, G signal g33, B signal b33 of pixel G33
r33 = r33
g33 = (g32 + g23 + g43 + g34) / 4
b33 = (b22 + b42 + b24 + b44) / 4
このように画素補間処理を行うことで、各画素毎にRGB信号が得られると、各画素のRGB信号が色補正回路10に与えられ、各画素の色合いを強調するための色補正処理が施される。このとき、RGB信号はそれぞれ、他の色信号の値により色補正が施される。即ち、画素GklのRGB信号rkl,gkl,bklを以下の式に代入することによって、色合い補正が施された画素GklのRGB信号rxkl,gxkl,bxklが生成される。この際、a1〜a3,b1〜b3,c1〜c3によるマトリックス係数が、全体制御部13から入力されるダイナミックレンジ制御信号に基づいて切り換えられて、各画素のRGB信号による色合いが強調される。
By performing pixel interpolation processing in this way, when RGB signals are obtained for each pixel, the RGB signals of each pixel are given to the
rxkl=a1×rkl+a2×gkl+a3×bkl
gxkl=b1×rkl+b2×gkl+b3×bkl
bxkl=c1×rkl+c2×gkl+c3×bkl
rxkl = a1 * rkl + a2 * gkl + a3 * bkl
gxkl = b1 * rkl + b2 * gkl + b3 * bkl
bxkl = c1 * rkl + c2 * gkl + c3 * bkl
色補正回路10で色補正が施されたRGB信号は、階調変換回路11に与えられて、適切な出力レベルとなるように、全体制御部13から入力されるダイナミックレンジ制御信号及びAE評価値に基づいて、γカーブに基づく変化やデジタルゲインの変化により階調特性を変化させる。この階調変換回路11の詳細については後述する。そして、エッジ成分に対して、図3のように、基準信号レベルからみて所定範囲内の出力を全て基準信号レベルに変換するレベル変換特性を備えるコアリング回路12において、RGB信号それぞれに重畳したノイズ成分が除去されるとともに、エッジ成分が抽出されてエッジ強調処理が施される。
The RGB signal subjected to the color correction by the
<固体撮像素子の構成例>
図1のように構成される撮像装置における固体撮像素子2の構成について、図面を参照して説明する。図4は、本例の固体撮像素子の一部の構成を概略的に示すブロック図であり、図5は、各画素の構成を示す回路図である。
<Configuration example of solid-state imaging device>
The configuration of the solid-
固体撮像素子2は、図4に示すように、G11〜Gmnは行列配置(マトリクス配置)された画素を示している。21は垂直走査回路であり、各画素に信号φVを与える行(ライン)23−1,23−2,・・・,23−nを順次走査していくとともに、ライン24−1,24−2,・・・,24−nを介して各画素に信号φVDを、ライン25−1,25−2,・・・,25−nを介して各画素に信号φVPSを、それぞれ与える。22は水平走査回路であり、画素から出力信号線26−1,26−2,・・・,26−mに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。20は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン23−1〜23−n,24−1〜24−n,25−1〜25−nや出力信号線26−1〜26−m、電源ライン20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4ではこれらについて省略する。
As shown in FIG. 4, in the solid-
又、出力信号線26−1〜26−mのそれぞれには、定電流源27−1〜27−mが接続されるとともに、信号線26−1〜26−mのそれぞれを介して与えられる画素G11〜Gmnから与えられる画像信号とノイズ信号をサンプルホールドする選択回路28−1〜28−mが設けられる。そして、補正回路29に選択回路28−1〜28−mから画像信号及びノイズ信号が順に送出されると、この補正回路29で補正処理が行われて、ノイズ除去された画像信号が外部に出力される。尚、定電流源27−1〜27−mの一端に直流電圧VPSが印加される。
Also, constant current sources 27-1 to 27-m are connected to the output signal lines 26-1 to 26-m, and pixels are provided via the signal lines 26-1 to 26-m, respectively. Selection circuits 28-1 to 28-m for sample-holding image signals and noise signals supplied from G11 to Gmn are provided. Then, when the image signal and the noise signal are sequentially transmitted from the selection circuits 28-1 to 28-m to the
このような固体撮像素子において、画素Gab(a:1≦a≦mの自然数、b:1≦b≦nの自然数)からの出力となる画像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線26−aを介して出力されるとともに、この出力信号線26−aに接続された定電流源27−aによって増幅される。そして、画素Gabから出力された画像信号及びノイズ信号が順番に選択回路28−aに送出されるとともに、この選択回路28−aにおいて、送出された画像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされる。その後、選択回路28−aより、サンプルホールドされた画像信号が補正回路29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29に送出される。補正回路29では、選択回路28−aより与えられた画像信号を、同じく選択回路28−aより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した画像信号をアンプ3に出力する。
In such a solid-state imaging device, an image signal and a noise signal output from the pixel Gab (a natural number of a: 1 ≦ a ≦ m, b: 1 ≦ b ≦ n) are respectively output signal lines 26- The signal is output via a and amplified by a constant current source 27-a connected to the output signal line 26-a. The image signal and noise signal output from the pixel Gab are sequentially sent to the selection circuit 28-a, and the sent image signal and noise signal are sampled and held in the selection circuit 28-a. Thereafter, after the sampled and held image signal is sent to the
このような構成の固体撮像素子2において、画素G11〜Gmnは、図5に示すように、カソードに直流電圧VPDが印加されたフォトダイオードPDのアノードにMOSトランジスタT1のドレインが接続され、MOSトランジスタT1のソースに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る。又、MOSトランジスタT3のソースにMOSトランジスタT4のゲート及びMOSトランジスタT5のドレインが接続され、MOSトランジスタT4のソースにMOSトランジスタT6のドレインが接続される。そして、MOSトランジスタT6のドレインが出力信号線26(図4の出力信号線26−1〜26−mに相当する)に接続される。尚、MOSトランジスタT1〜T6は、PチャネルのMOSトランジスタである。
In the solid-
MOSトランジスタT2のソースにはライン25(図4のライン25−1〜25−nに相当する)を介して信号φVPSが入力され、MOSトランジスタT3,T4のドレインに直流電圧VPDが印加される。又、MOSトランジスタT3のソースには、その一端にライン24(図4のライン24−1〜24−nに相当する)を介して信号φVDが与えられるキャパシタCの他端が接続される。又、MOSトランジスタT5のソースには直流電圧VRGが入力され、そのゲートに信号φRSが入力される。更に、MOSトランジスタT1,T6のゲートにはそれぞれ、信号φS,φVが入力される。 The signal φVPS is input to the source of the MOS transistor T2 via the line 25 (corresponding to the lines 25-1 to 25-n in FIG. 4), and the DC voltage VPD is applied to the drains of the MOS transistors T3 and T4. Further, the other end of the capacitor C to which the signal φVD is applied via the line 24 (corresponding to the lines 24-1 to 24-n in FIG. 4) is connected to the source of the MOS transistor T3. The DC voltage VRG is input to the source of the MOS transistor T5, and the signal φRS is input to the gate thereof. Further, signals φS and φV are input to the gates of the MOS transistors T1 and T6, respectively.
尚、信号φVPSは2値の電圧信号で、入射光量が所定値を超えたときにMOS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VLとし、又、この電圧よりも高くMOSトランジスタT2を導通状態にする電圧をVHとする。又、信号φVDは、3値の電圧信号であり、キャパシタCを積分動作させる際の電圧値を最も高いVhとし、画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よりも低いVlとする。 The signal φVPS is a binary voltage signal. When the amount of incident light exceeds a predetermined value, the voltage for operating the MOS transistor T2 in the subthreshold region is VL, and the voltage higher than this voltage is used for the MOS transistor T2. The voltage for making the conductive state is VH. The signal φVD is a ternary voltage signal, the voltage value when integrating the capacitor C is set to the highest Vh, the voltage value when reading the image signal is set to Vm lower than Vh, and the noise signal is read The voltage value is set to Vl lower than Vm.
このように構成される固体撮像素子2における画素G11〜Gmnの動作について、図6のタイムチャートを参照して説明する。まず、電圧値Vmのパルス信号φVDとパルス信号φVが与えられて画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MOSトランジスタT1をOFFにして、リセット動作が始まる。次に、MOSトランジスタT2のソースに与える信号φVPSをVHにして、MOSトランジスタT2のソース電圧を高くすることで、MOSトランジスタT2のゲート及びドレイン、そしてMOS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φRSをローとして、MOSトランジスタT5をONにして、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
The operation of the pixels G11 to Gmn in the solid-
そして、MOSトランジスタT2のソースに与える信号φVPSをVLにして、MOSトランジスタT2のポテンシャル状態を基の状態に戻した後、信号φRSをハイにして、MOSトランジスタT5をOFFにする。その後、キャパシタCが積分動作を行って、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたMOSトランジスタT2のゲート電圧に応じたものとなる。そして、パルス信号φVをMOSトランジスタT6のゲートに与えてMOSトランジスタT6をONにするとともに信号φVDの電圧値をVlにする。このとき、MOSトランジスタT4がソースフォロワ型のMOSトランジスタとして動作するため、出力信号線26にはノイズ信号が電圧信号として現れる。その後、再び、パルス信号φRSをMOSトランジスタT5に与えて、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φSをローにしてMOSトランジスタT1を導通させて撮像動作が行える状態にする。
Then, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T2 is set to VL to return the potential state of the MOS transistor T2 to the original state, and then the signal φRS is set to high to turn off the MOS transistor T5. Thereafter, the capacitor C performs an integration operation, and the voltage at the connection node between the capacitor C and the gate of the MOS transistor T4 becomes in accordance with the reset gate voltage of the MOS transistor T2. Then, the pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T6 to turn on the MOS transistor T6 and set the voltage value of the signal φVD to Vl. At this time, since the MOS transistor T4 operates as a source follower type MOS transistor, a noise signal appears on the
このようにノイズ信号が出力された後、MOSトランジスタT1がONとされると、撮像動作が開始される。このとき、信号φRSをハイとして、MOSトランジスタT5をOFFとする。又、MOSトランジスタT2のソースに与える信号φVPSをVL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、積分動作を行うようにする。そして、フォトダイオードPDより入射光量に応じた光電荷がMOSトランジスタT2に流れ込むと、MOSトランジスタT2はカットオフ状態であるので、光電荷がMOSトランジスタT2のゲートに蓄積される。 After the noise signal is output in this way, the imaging operation is started when the MOS transistor T1 is turned on. At this time, the signal φRS is set high and the MOS transistor T5 is turned off. Further, the signal φVPS applied to the source of the MOS transistor T2 is set to VL, and the voltage value of the signal φVD applied to the capacitor C is set to Vh to perform the integration operation. When photocharge corresponding to the amount of incident light flows from the photodiode PD into the MOS transistor T2, the MOS transistor T2 is in a cut-off state, so that the photocharge is accumulated at the gate of the MOS transistor T2.
よって、撮像する被写体の輝度が低くフォトダイオードPDに入射される入射光量が少ない場合は、MOSトランジスタT2のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧がMOSトランジスタT2のゲートに現れるため、入射光量の積分値に対して線形的に変化する電圧がMOSトランジスタT3のゲートに現れる。又、撮像する被写体の輝度が高くフォトダイオードPDに入射される入射光量が多く、MOSトランジスタT2のゲートに蓄積された光電荷量に応じた電圧が高くなると、MOSトランジスタT2がサブスレッショルド領域で動作を行うため、入射光量に対して自然対数的に変化する電圧がMOSトランジスタT3のゲートに現れる。 Therefore, when the brightness of the subject to be imaged is low and the amount of incident light entering the photodiode PD is small, a voltage corresponding to the amount of photocharge accumulated at the gate of the MOS transistor T2 appears at the gate of the MOS transistor T2, A voltage that changes linearly with respect to the integrated value of the amount of light appears at the gate of the MOS transistor T3. Also, when the luminance of the subject to be imaged is high and the amount of incident light entering the photodiode PD is large, and the voltage according to the amount of photocharge accumulated at the gate of the MOS transistor T2 increases, the MOS transistor T2 operates in the subthreshold region. Therefore, a voltage that changes logarithmically with respect to the amount of incident light appears at the gate of the MOS transistor T3.
この入射光量に対して線形的に又は自然対数的に変化する電圧がMOSトランジスタT3で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタCから流れるため、MOSトランジスタT4のゲート電圧が、入射光量の積分値に対して線形的又は自然対数的に変化する電圧となる。そして、信号φVDの電圧値をVmとするとともに、MOSトランジスタT6にパルス信号φVを与えることで、MOSトランジスタT4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。このとき、MOSトランジスタT4がソースフォロワ型のMOSトランジスタとして動作するため、出力信号線6には画像信号が電圧信号として現れる。その後、信号φVをハイにしてMOSトランジスタT6をOFFにするとともに、信号φVDの電圧値をVhとする。 Since a drain current that is linearly or naturally logarithmically changed with respect to the incident light amount flows from the capacitor C, the gate voltage of the MOS transistor T4 is set to the integrated value of the incident light amount. Thus, the voltage changes linearly or in a natural logarithm. Then, by setting the voltage value of the signal φVD to Vm and applying the pulse signal φV to the MOS transistor T6, a source current corresponding to the gate voltage of the MOS transistor T4 flows to the output signal line 6 via the MOS transistor T6. . At this time, since the MOS transistor T4 operates as a source follower type MOS transistor, an image signal appears as a voltage signal on the output signal line 6. Thereafter, the signal φV is set high to turn off the MOS transistor T6, and the voltage value of the signal φVD is set to Vh.
このように動作するとき、撮像時の信号φVPSの電圧値VLが低くなり、リセット時の信号φVPSの電圧値VHとの差を大きくするほど、MOSトランジスタT2のゲート・ソース間のポテンシャルの差が大きくなり、MOSトランジスタT2がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。よって、図7のように、電圧値VLが低いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。そこで、例えば、被写体の輝度範囲を検出し、被写体の輝度範囲が狭いと電圧値VLを低くして、線形変換する輝度範囲を広くし、又、被写体の輝度範囲が広いと電圧値VLを高くして、対数変換する輝度範囲を広くすることで、被写体の特性に合った光電変換特性とすることができる。尚、電圧値VLを最小とするとき、常に線形変換する状態とし、又、電圧値VLを最大とするとき、常に対数変換する状態とすることもできる。 When operating in this way, the voltage value VL of the signal φVPS at the time of imaging decreases, and the potential difference between the gate and the source of the MOS transistor T2 increases as the difference from the voltage value VH of the signal φVPS at the time of reset increases. The ratio of subject luminance at which the MOS transistor T2 operates in the cutoff state increases. Therefore, as shown in FIG. 7, the lower the voltage value VL, the larger the ratio of subject luminance to be linearly converted. Therefore, for example, the luminance range of the subject is detected, and if the luminance range of the subject is narrow, the voltage value VL is lowered to widen the luminance range for linear conversion, and if the luminance range of the subject is wide, the voltage value VL is increased. By widening the luminance range for logarithmic conversion, photoelectric conversion characteristics that match the characteristics of the subject can be obtained. It should be noted that when the voltage value VL is minimized, it is possible to always perform linear conversion. When the voltage value VL is maximized, it is possible to always perform logarithmic conversion.
このように動作する固体撮像素子2の画素G11〜Gmnに与える信号φVPSの電圧値VLの値を全体制御部13が切り換えることによって、被写体の輝度範囲などに応じてダイナミックレンジを切り換えられる固体撮像素子2とすることができる。即ち、全体制御部13が信号φVPSの電圧値VLの値を切り換えることで、固体撮像素子2の画素G11〜Gmnにおける線形変換動作から対数変換動作へ切り替わる変極点(輝度値)を設定することができる。尚、撮像時に対数変換動作に変わるときのMOSトランジスタT2のゲート電圧に至るまでにMOSトランジスタT2に流れ込む光電荷量が、全ての画素において等しい。
The solid-state image pickup device in which the dynamic range can be switched according to the luminance range of the subject by the
尚、本構成例では、図5のように構成される画素を備えた固体撮像素子としたが、このような構成に限られるものではなく、線形変換動作と対数変換動作を各画素において自動的に切り換えることが可能なものであれば、特許文献2に示されるような構成の画素などのような他の構成の画素より構成されるものとしても構わない。又、撮像時の信号φVPSの電圧値VLを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変極点を変更するものとしたが、リセット時の信号φVPSの電圧値VHを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変極点を変更するものとしても構わない。又、リセット時間を変更することで上記変極点を変更するものとしても構わない。更に、各画素にRGBフィルタを備えるものとしたが、シアン(Cyan)、マゼンタ(Magenta)、イエロー(Yellow)などの他の色フィルタを備えるものとしても構わない。
In this configuration example, a solid-state imaging device including pixels configured as shown in FIG. 5 is used. However, the present invention is not limited to this configuration, and linear conversion operation and logarithmic conversion operation are automatically performed in each pixel. As long as it can be switched to the above, it may be composed of a pixel having another configuration such as a pixel having a configuration as shown in
上述のような画素G11〜Gmnを備えた固体撮像素子2は、n個の光電変換特性を各フレーム毎に循環して切り換えるため、信号φVPSの電圧値VLがn個の値VL1〜VLnとされる。そして、1フレーム毎に信号φVPSの電圧値VL1〜VLnが切り換えられて画素G11〜Gmnに与えられるため、画素G11〜Gmnはnフレーム毎に同一の光電変換特性によって動作する。以下では、2つの光電変換特性を各フレーム毎に循環して切り換えるものとし、一方の光電変換特性を、図7におけるグラフa1のように対数変換特性による光電変換特性とし、他方の光電変換特性を、図7におけるグラフa4のように線形変換特性による光電変換特性とする。
Since the solid-
よって、1フレーム毎に信号φVPSが切り替わり、画素G11〜Gmnの光電変換特性が1フレーム毎に対数変換特性と線形変換特性との間で切り替わる。即ち、画素G11〜Gmnの光電変換特性を対数変換特性として撮像されたときのフレームの次のフレームが、画素G11〜Gmnの光電変換特性を線形変換特性として撮像され、又、画素G11〜Gmnの光電変換特性を線形変換特性として撮像されたときのフレームの次のフレームが、画素G11〜Gmnの光電変換特性を対数変換特性として撮像される。このとき、固体撮像素子2を対数変換特性及び線形変換特性によって動作させたときのRGB信号の信号レベルと輝度値との関係を、図8のグラフに示す。尚、図8のグラフはR信号の信号レベルと輝度値との関係を示すもので、以下では、R信号を代表して説明する。
Therefore, the signal φVPS is switched every frame, and the photoelectric conversion characteristics of the pixels G11 to Gmn are switched between the logarithmic conversion characteristic and the linear conversion characteristic every frame. That is, the next frame of the frame when the photoelectric conversion characteristic of the pixels G11 to Gmn is imaged as the logarithmic conversion characteristic is imaged with the photoelectric conversion characteristic of the pixels G11 to Gmn as the linear conversion characteristic. The next frame after the image captured with the photoelectric conversion characteristic as the linear conversion characteristic is imaged with the photoelectric conversion characteristic of the pixels G11 to Gmn as the logarithmic conversion characteristic. At this time, the graph of FIG. 8 shows the relationship between the signal level of the RGB signal and the luminance value when the solid-
固体撮像素子2を線形変換動作させたとき、図8のグラフb2のように変化するため、輝度値Lmaxrのとき固体撮像素子2における画素の出力が飽和するため、R信号の信号レベルがVmaxr1で飽和する。又、固体撮像素子2を対数変換動作させたとき、図8のグラフb1のように変化するため、輝度値Lmaxrのとき、R信号の信号レベルが線形動作させたときの信号レベルVmaxr1より低いVmaxr2となる。よって、固体撮像素子2を線形動作させたときに画素の出力が飽和する輝度値Lmaxrに対して、線形変換動作時のR信号の信号レベルVmaxr1と対数変換動作時のR信号の信号レベルVmaxr2との差ΔVmaxrがVmaxr1−Vmaxr2となる。
When the solid-
同様に、線形変換動作を行ったときに画素出力が飽和する際の線形変換されたGB信号の信号レベルがそれぞれVmaxg1、Vmaxb1であり、そのときの輝度値がGB信号それぞれに対してLmaxg、Lmaxbとする。そして、この輝度値Lmaxg、Lmaxbそれぞれに対して対数変換されたGB信号の信号レベルがそれぞれVmaxg2、Vmaxb2とする。このとき、輝度値Lmaxgにおける線形変換動作時と対数変換動作時のG信号の信号レベルの差ΔVmaxgがVmaxg1−Vmaxg2となり、輝度値Lmaxbにおける線形変換動作時と対数変換動作時のB信号の信号レベルの差ΔVmaxbがVmaxb1−Vmaxb2となる。 Similarly, the signal levels of the linearly converted GB signal when the pixel output is saturated when the linear conversion operation is performed are Vmaxg1 and Vmaxb1, respectively, and the luminance values at that time are Lmaxg and Lmaxb for the GB signals, respectively. And The signal levels of the GB signal logarithmically converted for the luminance values Lmaxg and Lmaxb are Vmaxg2 and Vmaxb2, respectively. At this time, the difference ΔVmaxg in the G signal level between the linear conversion operation and the logarithmic conversion operation at the luminance value Lmaxg is Vmaxg1−Vmaxg2, and the signal level of the B signal at the linear conversion operation and the logarithmic conversion operation at the luminance value Lmaxb. The difference ΔVmaxb is Vmaxb1−Vmaxb2.
<階調変換回路の第1例>
図1のように構成される撮像装置における階調変換回路の第1例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。図9は、階調変換回路の内部構成の一例を示すブロック図である。
<First Example of Tone Conversion Circuit>
A first example of the gradation conversion circuit in the imaging apparatus configured as shown in FIG. 1 will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 9 is a block diagram illustrating an example of an internal configuration of the gradation conversion circuit.
本例の階調変換回路11は、図9に示すように、固体撮像素子2の光電変換特性が線形変換特性であるときのフレームのRGB信号が格納されるメモリ111aと、固体撮像素子2の光電変換特性が対数変換特性であるときのフレームのRGB信号が格納されるメモリ111bと、固体撮像素子2が線形変換特性により光電変換動作を行うときに出力が飽和するRGB信号の信号レベル(線形動作時の飽和レベル)とメモリ111aからのRGB信号の信号レベルとをそれぞれ比較する比較部112r,112g,112bと、固体撮像素子2が線形変換特性により光電変換動作を行うときに出力が飽和する輝度値Lmaxに対する対数変換動作時と線形変換動作時の信号レベルの差(オフセット)をメモリ111bからのRGB信号それぞれの信号レベルに加算する加算器113r,113g,113bと、メモリ111aからのRGB信号と加算器113r,113g,113bそれぞれからのRGB信号とを選択して出力する選択部114r,114g,114bと、選択部114r,114g,114bで選択されたRGB信号に対して再生出力装置における階調特性による階調変換を行う階調特性変換部115と、を備える。
As shown in FIG. 9, the gradation conversion circuit 11 of this example includes a
このように構成される階調変換回路11の動作について、図10のタイミングチャートを参照して以下に説明する。まず、固体撮像素子2が線形変換動作を行って得られたNフレームのRGB信号が色補間回路9で色補間されて、画素G11〜Gmn全てに対してRGB信号が得られた後、各画素のRGB信号が色補正回路10で色補正されて、階調変換回路11に入力される。このNフレームの線形変換されたRGB信号は、メモリ111aにおいて、画素G11〜Gmnそれぞれに対応した領域に格納される。そして、固体撮像素子2においてNフレームのRGB信号が全て出力されると、対数変換動作を行うようにリセットされて、対数変換動作を行い、N+1フレームのRGB信号を出力する。このとき、色補正回路10で色補正された画素G11〜GmnそれぞれのRGB信号は、メモリ111bにおいて、画素G11〜Gmnそれぞれに対応した領域に格納される。
The operation of the gradation conversion circuit 11 configured as described above will be described below with reference to the timing chart of FIG. First, RGB signals of N frames obtained by the solid-
このように、固体撮像素子2が線形変換動作を行うことで得られたRGB信号がメモリ111aに格納されるとともに、固体撮像素子2が対数変換動作を行うことで得られたRGB信号がメモリ111bに格納されると、固体撮像素子2が線形変換動作を行って得られたN+2フレームのRGB信号がメモリ111aに格納されるとき、メモリ111aからNフレームのRGB信号が読み出されるとともに、メモリ111bからN+1フレームのRGB信号が読み出される。そして、画素G11〜Gmnそれぞれに対して、RGB信号それぞれの線形動作時の飽和レベルであるか否かを比較部112r,112g,112bで確認し、比較部112r,112g,112bでの比較結果に応じて、選択部114r,114g,114bにおいて、メモリ111aからのNフレームのRGB信号又は加算器113r,113g,113bそれぞれからのN+1フレームのRGB信号を選択する。
As described above, the RGB signal obtained by the solid-
具体的には、メモリ111aから読み出されたNフレームのR信号が比較部112r及び選択部114rに、メモリ111aから読み出されたNフレームのG信号が比較部112g及び選択部114gに、メモリ111aから読み出されたNフレームのB信号が比較部112b及び選択部114bに、それぞれ出力される。又、メモリ111bから読み出されたN+1フレームのR信号が加算器113rを介して選択部114rに、メモリ111bから読み出されたN+1フレームのG信号が加算器113gを介して選択部114gに、メモリ111bから読み出されたN+1フレームのB信号が加算器113bを介して選択部114bに、それぞれ出力される。
Specifically, the N frame R signal read from the
そして、比較部112rでは、Nフレームにおける各画素のR信号の信号レベルが線形動作時の飽和レベルVmaxr1であるか否かを確認し、比較部112gでは、Nフレームにおける各画素のG信号の信号レベルが線形動作時の飽和レベルVmaxg1であるか否かを確認し、比較部112bでは、Nフレームにおける各画素のB信号の信号レベルが線形動作時の飽和レベルVmaxb1であるか否かを確認する。又、加算器113rでは、N+1フレームにおける各画素のR信号の信号レベルにオフセットΔVmaxrが加算され、加算器113gでは、N+1フレームにおける各画素のG信号の信号レベルにオフセットΔVmaxgが加算され、加算器113bでは、N+1フレームにおける各画素のB信号の信号レベルにオフセットΔVmaxbが加算される。
Then, the
更に、選択部114rでは、比較部112rでの画素G11〜Gmnそれぞれの線形変換されたR信号に対する比較結果が入力され、画素Gabの線形変換されたR信号の信号レベルが飽和レベルVmaxr1より小さい値であるとき、画素GabのR信号として、メモリ111aから読み出されたNフレームの画素GabのR信号を選択し、又、画素Gabの線形変換されたR信号の信号レベルが飽和レベルVmaxr1と等しい値であるとき、画素GabのR信号として、N+1フレームの加算器113rからの画素GabのR信号を選択する。
Further, in the
同様に、選択部114gでは、画素Gabの線形変換されたG信号の信号レベルが飽和レベルVmaxg1より小さい値であるとき、画素GabのG信号として、メモリ111aから読み出されたNフレームの画素GabのG信号を選択し、又、画素Gabの線形変換されたG信号の信号レベルが飽和レベルVmaxg1と等しい値であるとき、画素GabのG信号として、N+1フレームの加算器113gからの画素GabのG信号を選択する。又、選択部114bでは、画素Gabの線形変換されたB信号の信号レベルが飽和レベルVmaxb1より小さい値であるとき、画素GabのB信号として、メモリ111aから読み出されたNフレームの画素GabのB信号を選択し、又、画素Gabの線形変換されたB信号の信号レベルが飽和レベルVmaxb1と等しい値であるとき、画素GabのB信号として、N+1フレームの加算器113gからの画素GabのB信号を選択する。
Similarly, in the
このように、N+2フレームのRGB信号が固体撮像素子2より出力されるとき、同時に、まず、各画素のRGB信号毎に、線形変換されたNフレームの信号レベルが飽和レベルに達しているか比較部112r,112g,122bそれぞれで確認する。そして、線形変換されたNフレームの信号レベルが飽和レベルに達していない場合、線形変換されたNフレームの信号を選択部114r,114g,114bで選択し、又、線形変換されたNフレームの信号レベルが飽和レベルに達している場合、対数変換されるとともに加算器113r,113g,113bでオフセットが加算されたN+1フレームの信号を選択部114r,114g,114bで選択する。
As described above, when the RGB signal of N + 2 frame is output from the solid-
よって、図11のように、選択部114r,114g,114bで選択されて出力される各画素のRGB信号がそれぞれ、輝度Lmaxr、Lmaxg、Lmaxbより低い輝度範囲では線形変換された信号となり、輝度Lmaxr、Lmaxg、Lmaxb以上の輝度範囲では対数変換された信号となる。尚、図11には、図9のように変化するR信号に対して選択部114rより出力されるR信号の状態を示したが、GB信号それぞれについても、輝度値Lmaxrのときの信号レベルVmaxr1が、輝度値Lmaxgのときの信号レベルVmaxg1及び輝度値Lmaxbのときの信号レベルVmaxb1に変更されるが、図11のR信号と同様に表すことができる。
Therefore, as shown in FIG. 11, the RGB signals of the respective pixels selected and output by the
このように、選択部114r,114g,114bそれぞれから出力されたRGB信号は、階調階調特性変換部115に与えられると、RGB信号の各輝度値に、再生出力装置における階調特性による階調変換が行われる。即ち、再生出力装置がCRTモニタである場合、CRTモニタに適した階調特性とするため、RGB信号それぞれに対してγ補正を施す。
As described above, when the RGB signals output from the
このようにして、N+2フレームのRGB信号が固体撮像素子2から出力されるとき、Nフレーム及びN+1フレームのRGB信号を各画素毎に選択するとともに階調変換して、後段のコアリング回路12に出力する。このとき、線形変換されたNフレームのRGB信号をメモリ111aから削除するとともに、線形変換されたN+2フレームのRGB信号をメモリ111aに格納する。
In this way, when the RGB signal of N + 2 frame is output from the solid-
その後、対数変換されたN+3フレームのRGB信号が固体撮像素子2から出力されるとき、階調変換回路11では、対数変換されたN+1フレームのRGB信号をメモリ111bより読み出すとともに、線形変換されたN+2フレームのRGB信号をメモリ111aより読み出す。そして、加算器113r,113g,113bからのN+1フレームのRGB信号及びメモリ111aからのN+2フレームのRGB信号のいずれかを各画素毎に選択部114r,114g,114bで選択するとともに階調特性変換部115で階調変換して、後段のコアリング回路12に出力する。このとき、対数変換されたN+1フレームのRGB信号をメモリ111bから削除するとともに、対数変換されたN+3フレームのRGB信号をメモリ111bに格納する。
After that, when the logarithmically converted N + 3 frame RGB signal is output from the solid-
尚、図10のように、NフレームのRGB信号が固体撮像素子2から出力されるとき、線形変換されたN−2フレームのRGB信号がメモリ111aより読み出されるとともに、対数変換されたN−1フレームのRGB信号がメモリ111bより読み出された後、選択部114r,114g,114bで選択される。又、N+1フレームのRGB信号が固体撮像素子2から出力されるとき、線形変換されたNフレームのRGB信号がメモリ111aより読み出されるとともに、対数変換されたN−1フレームのRGB信号がメモリ111bより読み出された後、選択部114r,114g,114bで選択される。
As shown in FIG. 10, when N-frame RGB signals are output from the solid-
この図10のタイミングチャートに示す動作を繰り返すことによって、固体撮像素子2が線形変換されたRGB信号及び対数変換されたRGB信号をフレーム毎に交互に出力するとともに、各画素のRGB信号毎に、輝度Lmaxr、Lmaxg、Lmaxbより低い輝度範囲では線形変換されてメモリ111aに格納された信号を選択して階調変換するとともに、輝度Lmaxr、Lmaxg、Lmaxb以上の輝度範囲では対数変換されてメモリ111bに格納された信号を選択し階調変換し、後段のコアリング回路12に出力する。
By repeating the operation shown in the timing chart of FIG. 10, the solid-
<階調変換回路の第2例>
図1のように構成される撮像装置における階調変換回路の第2例について、図面を参照して以下に詳細に説明する。図12は、階調変換回路の内部構成の一例を示すブロック図である。尚、図12の階調変換回路において、図9の階調変換回路と同様の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
<Second Example of Tone Conversion Circuit>
A second example of the gradation conversion circuit in the imaging apparatus configured as shown in FIG. 1 will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 12 is a block diagram illustrating an example of the internal configuration of the gradation conversion circuit. In the gradation conversion circuit of FIG. 12, the same components as those of the gradation conversion circuit of FIG. 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
本例の階調変換回路11は、図12に示すように、メモリ111a,111bと、比較部112r,112g,112bと、加算器113r,113g,113bと、選択部114r,114g,114bと、階調特性変換部115と、メモリ111aから出力されるRGB信号それぞれが入力されて比較部112r,112g,112bに出力する5画素×5画素毎のローパスフィルタ(LPF)116r,116g,116bと、を備える。このようにLPF116r,116g,116bを設けることによって、選択部114r,114g,114bで選択出力されるRGB信号の画素周辺の複数の画素の信号レベルが比較部112r,112g,112bの比較結果に反映される。
As shown in FIG. 12, the gradation conversion circuit 11 of this example includes
このように構成したとき、画素G(a-2)(b-2),G(a-1)(b-2),Ga(b-2),G(a+1)(b-2),G(a+2)(b-2),G(a-2)(b-1),G(a-1)(b-1),Ga(b-1),G(a+1)(b-1),G(a+2)(b-1),G(a-2)b,G(a-1)b,Gab,G(a+1)b,G(a+2)b,G(a-2)(b+1),G(a-1)(b+1),Ga(b+1),G(a+1)(b+1),G(a+2)(b+1),G(a-2)(b+2),G(a-1)(b+2),Ga(b+2),G(a+1)(b+2),G(a+2)(b+2)のRGB信号それぞれが、LPF116r,116g,116bに入力される。LPF116r,116g,116bでは、画素Gabと画素Gab周辺の24画素による上述の25画素のRGB信号それぞれに対して、所定の係数を乗算した後に加算する。このとき、画素G(a-2)(b-2)〜G(a+2)(b+2)に対して係数A11〜A55が乗算されるとき、画素G(a-2)(b-2)〜G(a+2)(b+2)と係数A11〜A55の関係が以下のようになる。又、係数A11〜A55の総和が1となるように設定される。又、係数A11〜A55がLPF116r,116g,116bそれぞれで異なるものとしても構わないし、同一であるものとしても構わない。
画素G(a-2)(b-2)〜G(a+2)(b+2)の位置関係
G(a-2)(b-2) G(a-1)(b-2) Ga(b-2) G(a+1)(b-2) G(a+2)(b-2)
G(a-2)(b-1) G(a-1)(b-1) Ga(b-1) G(a+1)(b-1) G(a+2)(b-1)
G(a-2)b G(a-1)b Gab G(a+1)b G(a+2)b
G(a-2)(b+1) G(a-1)(b+1) Ga(b+1) G(a+1)(b+1) G(a+2)(b+1)
G(a-2)(b+2) G(a-1)(b+2) Ga(b+2) G(a+1)(b+2) G(a+2)(b+2)
係数A11〜A55と画素G(a-2)(b-2)〜G(a+2)(b+2)との位置関係
A11 A21 A31 A41 A51
A12 A22 A32 A42 A52
A13 A23 A33 A43 A53
A14 A24 A34 A44 A54
A15 A25 A35 A45 A55
When configured in this way, the pixels G (a-2) (b-2), G (a-1) (b-2), Ga (b-2), G (a + 1) (b-2) , G (a + 2) (b-2), G (a-2) (b-1), G (a-1) (b-1), Ga (b-1), G (a + 1) (b-1), G (a + 2) (b-1), G (a-2) b, G (a-1) b, Gab, G (a + 1) b, G (a + 2) b, G (a-2) (b + 1), G (a-1) (b + 1), Ga (b + 1), G (a + 1) (b + 1), G (a + 2 ) (b + 1), G (a-2) (b + 2), G (a-1) (b + 2), Ga (b + 2), G (a + 1) (b + 2), The RGB signals of G (a + 2) (b + 2) are input to the LPFs 116r, 116g, and 116b. The
Positional relationship of pixels G (a-2) (b-2) to G (a + 2) (b + 2) G (a-2) (b-2) G (a-1) (b-2) Ga (b-2) G (a + 1) (b-2) G (a + 2) (b-2)
G (a-2) (b-1) G (a-1) (b-1) Ga (b-1) G (a + 1) (b-1) G (a + 2) (b-1)
G (a-2) b G (a-1) b Gab G (a + 1) b G (a + 2) b
G (a-2) (b + 1) G (a-1) (b + 1) Ga (b + 1) G (a + 1) (b + 1) G (a + 2) (b + 1)
G (a-2) (b + 2) G (a-1) (b + 2) Ga (b + 2) G (a + 1) (b + 2) G (a + 2) (b + 2)
Positional relationship between coefficients A11 to A55 and pixels G (a-2) (b-2) to G (a + 2) (b + 2)
A11 A21 A31 A41 A51
A12 A22 A32 A42 A52
A13 A23 A33 A43 A53
A14 A24 A34 A44 A54
A15 A25 A35 A45 A55
即ち、LPF116r,116g,116bにおいて、周辺の24画素のRGB信号の信号レベルとの加重平均を行ったRGB信号の信号レベルが、比較部112r,112g,112bに出力される。よって、比較部112r,112g,112bでは、出力する画素を中心とする25画素のRGB信号それぞれを加重平均して求められた信号レベルと飽和レベルVmaxr1,Vmaxg1,Vmaxb1とを比較し、その比較結果を選択部114r,114g,114bに出力する。このように、LPF116r,116g,116b及び比較部112r,112g,112bが動作するとき、加算部113r,113g,113b及び選択部114r,114g,114b及び階調特性変換部115は、第1例と同様の動作を行う。
That is, the signal levels of the RGB signals obtained by performing weighted averaging with the signal levels of the RGB signals of the surrounding 24 pixels in the
本例のように、LPF116r,116g,116bを比較部112r,112g,112bの前段に設けることにより、比較部112r,112g,112bでRGB信号それぞれの信号レベルを確認するとき、各信号に重畳されるノイズ信号を除去して確認することができる。よって、上述の第1例と比べて、ノイズに対する影響を低減することができる。
By providing the
又、本実施形態において、複数種類の色フィルタを1つの固体撮像素子に設けた単板の固体撮像素子としたが、例えば、RGBの色フィルタ毎に固体撮像素子を備えた三板の固体撮像素子のように、同一の色フィルタが備えられた固体撮像素子を色フィルタの種類毎に備える構成としても構わない。更に、色フィルタの備えられることのないモノクロの画像信号を出力する固体撮像素子としても構わない。更に、上述の各例では、線形変換特性と対数変換特性の2つの光電変換特性を切り換えるものとしたが、線形変換特性において固体撮像素子の露光時間(積分時間)を換えた画像を合成するようにしても良い。この場合の実施形態を以下に説明する。 In the present embodiment, a single-plate solid-state image sensor having a plurality of types of color filters provided in one solid-state image sensor is used. For example, a three-plate solid-state image sensor having a solid-state image sensor for each RGB color filter As described above, a solid-state imaging device having the same color filter may be provided for each type of color filter. Furthermore, a solid-state imaging device that outputs a monochrome image signal without a color filter may be used. Further, in each of the above-described examples, the two photoelectric conversion characteristics of the linear conversion characteristic and the logarithmic conversion characteristic are switched, but an image in which the exposure time (integration time) of the solid-state imaging device is changed in the linear conversion characteristic is synthesized. Anyway. An embodiment in this case will be described below.
このように露光時間により光電変換特性を切り換える固体撮像素子2に設けられる画素G11〜Gmnの構成は、例えば、図13のような構成とされる。図13に示す画素は、図5に示す画素からMOSトランジスタT1を省くとともに、MOSトランジスタT3のソースに一端が接続されるとともに一端に直流電圧VPSが印加されたキャパシタC1と、MOSトランジスタのソースにドレインが接続されるとともにMOSトランジスタT4のゲートにソースが接続されたMOSトランジスタT7とを追加した構成となる。このMOSトランジスタT7のゲートに信号φSWが与えられるとともに、MOSトランジスタT3のドレインに信号φDが与えられる。尚、MOSトランジスタT7は、PチャネルのMOSトランジスタである。
The configuration of the pixels G11 to Gmn provided in the solid-
パルス信号φVがMOSトランジスタT6のゲートに与えられて、出力信号が読み出されると、まず、信号φVPSをVHとしてリセット動作を行う。このとき、まず、ハイレベルのパルス信号φDをMOSトランジスタT3のドレインに与えることによって、キャパシタC1に蓄積された電荷をMOSトランジスタT3を通して信号φDの信号線路に放出して、キャパシタC1とMOSトランジスタT3のソースとの接続ノードの電圧をリセットする。又、信号φRSにパルス信号を与えることによってキャパシタCをリセットする。 When the pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T6 and the output signal is read, first, a reset operation is performed with the signal φVPS as VH. At this time, first, a high level pulse signal φD is given to the drain of the MOS transistor T3, whereby the charge accumulated in the capacitor C1 is discharged to the signal line of the signal φD through the MOS transistor T3, and the capacitor C1 and the MOS transistor T3 are discharged. Reset the voltage of the connection node with the source of Further, the capacitor C is reset by applying a pulse signal to the signal φRS.
そして、リセットされたMOSトランジスタT2のゲート電圧がMOSトランジスタT3のゲートに与えられ、このMOSトランジスタT2のゲート電圧に応じたドレイン電流がMOSトランジスタT3を通じてキャパシタC1に流れるため、キャパシタC1とMOSトランジスタT3のソースとの接続ノードの電圧が、リセットされたMOSトランジスタT2のゲート電圧に応じたものとなる。そして、信号φVPSをVLとして、次の撮像動作に備える。尚、この信号φD,φVPSの動作については、図1の画素G11〜Gmn全てに対して、同時に行われる。 The reset gate voltage of the MOS transistor T2 is applied to the gate of the MOS transistor T3, and a drain current corresponding to the gate voltage of the MOS transistor T2 flows to the capacitor C1 through the MOS transistor T3. Therefore, the capacitor C1 and the MOS transistor T3 The voltage at the connection node with the source of the transistor corresponds to the gate voltage of the reset MOS transistor T2. Then, the signal φVPS is set to VL to prepare for the next imaging operation. The operations of the signals φD and φVPS are simultaneously performed for all the pixels G11 to Gmn in FIG.
信号φVPSをVLとして撮像動作が開始すると、フォトダイオードPDへの入射光量に対して線形的に又は自然対数的に変化した電圧がMOSトランジスタT2,T3のゲートに現れる。そして、この入射光量に対して線形的に又は自然対数的に変化した電圧がMOSトランジスタT3で電流増幅されたドレイン電流がキャパシタC1に流れ、キャパシタC1とMOSトランジスタT3のソースとの接続ノードの電圧が、入射光量の積分値に対して線形的に又は自然対数的に変化した電圧となる。 When the imaging operation is started with the signal φVPS as VL, a voltage that changes linearly or in a natural logarithm with respect to the amount of light incident on the photodiode PD appears at the gates of the MOS transistors T2 and T3. A drain current obtained by amplifying the voltage linearly or naturally logarithmically with respect to the incident light quantity in the MOS transistor T3 flows to the capacitor C1, and the voltage at the connection node between the capacitor C1 and the source of the MOS transistor T3. Is a voltage that changes linearly or in a natural logarithm with respect to the integrated value of the incident light quantity.
そして、次に、ローレベルのパルス信号φSWをMOSトランジスタT7のゲートに与えることによってMOSトランジスタT7が導通し、キャパシタC1とMOSトランジスタT3のソースとの接続ノードの電圧がキャパシタCによってサンプリングされる。よって、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧が、入射光量の積分値に対して線形的に又は自然対数的に比例した電圧となる。尚、撮像動作が開始してからパルス信号φSWが与えられるまでの動作については、図1の画素G11〜Gmn全てに対して、同時に行われる。 Then, by applying a low level pulse signal φSW to the gate of the MOS transistor T7, the MOS transistor T7 becomes conductive, and the voltage at the connection node between the capacitor C1 and the source of the MOS transistor T3 is sampled by the capacitor C. Therefore, the voltage at the connection node between the capacitor C and the gate of the MOS transistor T4 becomes a voltage that is linearly or naturally logarithmically proportional to the integrated value of the incident light quantity. Note that the operation from the start of the imaging operation to the application of the pulse signal φSW is performed simultaneously for all of the pixels G11 to Gmn in FIG.
その後、ローレベルのパルス信号φVをMOSトランジスタT6のゲートに与えるとともに信号φVDを電圧値Vmとすることによって、撮像時における映像信号を読み出す。このとき、キャパシタCとMOSトランジスタT4のゲートとの接続ノードの電圧がMOSトランジスタT4で電流増幅される。このMOSトランジスタT4で電流増幅された出力電流が、MOSトランジスタT6を介して出力信号線6に出力される。 Thereafter, the low-level pulse signal φV is applied to the gate of the MOS transistor T6, and the signal φVD is set to the voltage value Vm, thereby reading the video signal at the time of imaging. At this time, the voltage at the connection node between the capacitor C and the gate of the MOS transistor T4 is amplified by the MOS transistor T4. The output current amplified by the MOS transistor T4 is output to the output signal line 6 via the MOS transistor T6.
このような画素を固体撮像素子2が備えるとき、信号φDによってキャパシタC1がリセットされてから信号φSWによってキャパシタCへの電荷の移動が終了するまでの時間を制御することで、固体撮像素子2の露光時間(積分時間)が制御される。よって、この露光時間(積分時間)を制御することで、固体撮像素子2の光電変換特性における変極点や線形変換特性における増幅率(線形変換する差異の傾きに相当する)を切り換えることができる。
When the solid-
このようにすることで、例えば、図14のように、固体撮像素子2の光電変換特性が全輝度範囲で線形変換特性を備えるものとなり、積分時間を長くしてその増幅率(傾き)を大きくするとともに、積分時間を短くしてその増幅率(傾き)を小さくすることができる。この図14のように線形変換特性として露光時間を切り換えた画像信号、換言すれば光電変換特性を切り換えた画像信号を上述のように合成する際、低輝度側では積分時間を長くした光電変換特性によって得られた画像信号を用いるようにすることで、できるだけ線形特性で高コントラストの画像を出力することができる。
By doing so, for example, as shown in FIG. 14, the photoelectric conversion characteristics of the solid-
又、固体撮像素子の各画素への露光量を切り換えることによって、光電変換特性を切り換えるようにしても構わない。このとき、絞りによるレンズの開口率や露光時間を切り換えることによって光電変換特性を切り換えることができる。更に、本実施形態において、低輝度側の画像信号として線形変換された信号を用いるとともに高輝度側の画像信号として対数変換された信号を用いるものとしたが、高輝度側の画像信号として線形変換された信号を用いるとともに低輝度側の画像信号として対数変換された信号を用いるものとしても構わない。このとき、高輝度を線形特性となる光電変換特性を用いて撮像する場合、露光時間を短くするか、又は、絞りによるレンズの開口率を小さくすることによって、露光量を小さくする必要がある。 Further, the photoelectric conversion characteristics may be switched by switching the exposure amount to each pixel of the solid-state imaging device. At this time, the photoelectric conversion characteristics can be switched by switching the aperture ratio of the lens by the diaphragm and the exposure time. Furthermore, in the present embodiment, the linearly converted signal is used as the low luminance side image signal and the logarithmically converted signal is used as the high luminance side image signal. However, the linear conversion is performed as the high luminance side image signal. It is also possible to use a logarithmically converted signal as an image signal on the low luminance side as well as using the converted signal. At this time, when imaging with high luminance using a photoelectric conversion characteristic that is a linear characteristic, it is necessary to reduce the exposure amount by shortening the exposure time or by reducing the aperture ratio of the lens by the diaphragm.
1 光学系
2 固体撮像素子
3 アンプ
4 AD変換回路
5 黒基準補正回路
6 FPN補正回路
7 AE・WB評価値検出回路
8 WB制御回路
9 色補間回路
10 色補正回路
11 階調変換回路
12 コアリング回路
13 全体制御部
14 絞り制御部
15 タイミング生成回路
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記n種類の光電変換特性が切り換えられた前記固体撮像素子から得られるn種類の画像信号を、前記画素毎に格納するメモリと、
前記各画素の輝度範囲を確認する輝度範囲確認部と、
前記メモリに格納されたn種類の画像信号から、該輝度範囲確認部で確認された輝度範囲に応じた画像信号を選択する選択部と、
を備え、
前記選択部は、前記各画素の輝度範囲に応じて前記n種類の光電変換特性による画像信号を画素毎に選択することにより、前記n種類の画像信号が合成された画像信号を出力することを特徴とする撮像装置。 In an imaging apparatus including a solid-state imaging device having a plurality of pixels that output image signals corresponding to n types of photoelectric conversion characteristics,
A memory that stores, for each pixel, n types of image signals obtained from the solid-state imaging device in which the n types of photoelectric conversion characteristics are switched;
A luminance range confirmation unit for confirming the luminance range of each pixel;
A selection unit that selects an image signal corresponding to the luminance range confirmed by the luminance range confirmation unit from n types of image signals stored in the memory;
With
The selection unit outputs an image signal obtained by combining the n types of image signals by selecting an image signal based on the n types of photoelectric conversion characteristics for each pixel according to a luminance range of each pixel. An imaging device that is characterized.
前記輝度範囲確認部が前記ローパスフィルタより与えられる前記各画素の画像信号より前記各画素の輝度範囲を確認することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 A low pass for newly setting an image signal of a pixel for checking the luminance range by a relative relationship with an image signal of a peripheral pixel around the pixel whose luminance range is confirmed by the luminance range confirmation unit for each image signal With a filter,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the luminance range confirmation unit confirms a luminance range of each pixel from an image signal of each pixel given from the low-pass filter.
前記輝度範囲確認部において、前記各画素の前記各色信号毎に輝度範囲を確認した後、
前記選択部において、前記各色信号毎に、確認された輝度範囲に応じた前記光電変換特性により得られた色信号を前記メモリより選択することを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。 For each of the pixels constituting the solid-state imaging device, all kinds of the color signals are generated and stored in the memory,
In the luminance range confirmation unit, after confirming the luminance range for each color signal of each pixel,
6. The imaging apparatus according to claim 5, wherein the selection unit selects, from the memory, a color signal obtained by the photoelectric conversion characteristic corresponding to the confirmed luminance range for each color signal.
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