JP2010192659A - Imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被写体の状況に応じて、出力特性を変えて撮像することができる撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus capable of imaging with changing output characteristics in accordance with the state of a subject.
従来より、CCDやCMOSイメージセンサ等の半導体撮像素子(以下、単に撮像素子ともいう)を備えた撮像装置は、種々の装置に用いられており、一例としてテレビドアフォンやネットワークカメラを挙げることができる。この撮像装置は、撮像素子内に格子状に配置された複数の受光素子を備え、受光した光を各受光素子によって電気信号に変換することにより、この電気信号に基づいた画像を出力する。詳しくは、撮像素子は、予め設定された電荷蓄積期間中に、各受光素子で受光した受光量に応じた量の電荷を蓄積すると共に、その蓄積した電荷(以下、蓄積電荷ともいう)の量に応じた電気信号を出力する。撮像装置は、撮像素子から出力された電気信号に基づいて面画像としてのフレームを構成し、それを時系列に連続させることによって動画像を出力する。ここで、撮像素子は、一般的に、受光した光量(以下、受光光量ともいう)に比例する量の電荷を蓄積する特性を有しており、そのため、撮像素子から出力される電気信号は、受光光量の増加に伴って線形的に増加する、いわゆる線形特性を示すが、撮像素子の電荷を蓄積することができる容量(以下、電荷蓄積容量ともいう)に達するまで電荷が蓄積されてしまうと(以下、飽和状態ともいう)、撮像素子から出力される電気信号は、所定の飽和電位で一定になってしまう。こうして撮像素子のダイナミックレンジが規定されてしまうため、飽和状態に至らないように相対的に暗い被写体を撮像したときには、各撮像素子から出力された電気信号の大きさに応じた明るさの階調が画像に現れる一方で、飽和状態に至ってしまうような相対的に明るい被写体を撮像したときには画像が真っ白、つまり白飛びしてしまうことになる。そこで、被写体の明るさに応じて電荷蓄積期間を変更することによって、比較的狭いダイナミックレンジであっても、画像の白飛びを回避するようにした撮像装置が知られている。すなわち、この撮像装置では、明るい被写体を撮像するときには電荷蓄積期間を短くすることによって、電荷の蓄積が飽和状態に至らないようにして白飛びを回避するようにしている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an image pickup apparatus including a semiconductor image pickup device (hereinafter also simply referred to as an image pickup device) such as a CCD or a CMOS image sensor has been used in various devices, and examples thereof include a TV door phone and a network camera. . This image pickup apparatus includes a plurality of light receiving elements arranged in a grid pattern in the image pickup element, and converts the received light into an electric signal by each light receiving element, thereby outputting an image based on the electric signal. Specifically, the image sensor accumulates an amount of charge corresponding to the amount of light received by each light receiving element during a preset charge accumulation period, and the amount of the accumulated charge (hereinafter also referred to as accumulated charge). The electric signal according to is output. The imaging device forms a frame as a plane image based on the electrical signal output from the imaging element, and outputs a moving image by continuing the frame in time series. Here, the image sensor generally has a characteristic of accumulating an amount of electric charge proportional to the amount of received light (hereinafter also referred to as the amount of received light). Therefore, an electrical signal output from the image sensor is Although it shows a so-called linear characteristic that increases linearly with the increase in the amount of received light, if charge is accumulated until it reaches a capacity (hereinafter also referred to as charge storage capacity) that can store the charge of the image sensor. An electrical signal output from the image sensor (hereinafter also referred to as a saturated state) becomes constant at a predetermined saturation potential. Since the dynamic range of the image sensor is defined in this way, when a relatively dark subject is imaged so as not to reach saturation, the gradation of brightness according to the magnitude of the electrical signal output from each image sensor Appears in the image, but when a relatively bright subject that is in a saturated state is imaged, the image is completely white, that is, whites are blown out. In view of this, there is known an imaging apparatus that avoids whiteout of an image even in a relatively narrow dynamic range by changing the charge accumulation period according to the brightness of the subject. That is, in this imaging apparatus, when a bright subject is imaged, the charge accumulation period is shortened so that the accumulation of charges does not reach a saturation state to avoid overexposure.
しかしながら、例えば太陽を背にした人を撮像するときのように、一視野内に明暗差が大きい箇所を含む被写体を撮像する時には、明るい箇所に合わせて電荷蓄積期間を短くすると、暗い箇所が真っ黒、つまり黒潰れしてしまう一方、暗い箇所に合わせて電荷蓄積期間を長くすると、明るい箇所が白飛びしてしまう。 However, when imaging a subject that includes a part with a large difference in brightness in one field of view, such as when imaging a person with the sun behind, if the charge accumulation period is shortened according to the bright part, the dark part is completely black. In other words, the black portion is crushed, but if the charge accumulation period is lengthened in accordance with the dark portion, the bright portion will be blown out.
そこで、種々の方法により、線形特性とは異なる出力特性を得ることで、撮像素子のダイナミックレンジを拡大させる(以下、ワイドダイナミックレンジともいう)ことが試みられている。 Therefore, attempts have been made to expand the dynamic range of the image sensor (hereinafter also referred to as a wide dynamic range) by obtaining output characteristics different from the linear characteristics by various methods.
例えば、特許文献1に開示された撮像素子では、受光素子で生成、蓄積される電荷の量が多いとき(より具体的には、フォトダイオードで生成され、蓄積された電荷が、予め設定されたポテンシャル障壁(電位障壁)を越えて外部に溢れた場合)には、その電荷蓄積期間の所定の中間タイミングで、それまでに蓄積された蓄積電荷の全てを一旦排出する、いわゆる電荷排出動作を行うことによって、電気信号の出力タイミングにおける飽和状態を回避し、そのことでワイドダイナミックレンジを実現している。
For example, in the image sensor disclosed in
また、例えば、特許文献2には、受光光量に応じて発生した光電流を入力するMOSトランジスタと、このMOSトランジスタを閾値電圧以下でかつサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とを備え、当該MOSトランジスタによって光電流を対数圧縮変換することで、ワイドダイナミックレンジ化を実現する技術が開示されている。
ところで、前記特許文献1に開示されている撮像素子では、受光光量が所定の光量を超えている場合には、電荷蓄積期間の所定の中間タイミングにて蓄積電荷を(受光光量が大きければ大きいほど、加速度的に)一旦排出してしまい、その後の残存期間に再蓄積された電荷に基づいて出力電位を決定するため、受光光量の大きさや電荷排出タイミングの始期、終期や電荷排出期間の長さ等によっては、最終的な出力信号において階調逆転が生じることが懸念される。例えば、1つの出力フレームが明暗差の大きい階調グラデーションで構成されると考える。このとき、暗部では電荷排出が行なわれず、受光光量の増加に応じて、その出力は徐々に線形的に増加(線形特性)するとしても、一旦電荷排出動作が行なわれると、その過程で蓄積電荷は加速度的に排出されるから、階調グラデーションの途中でそれまで単調増加していた出力は、一転してゼロになる。この結果、再蓄積された電荷の量を、電荷排出後に設定される再蓄積期間と電荷蓄積期間全体の比に基づいて補正しようとしても、(出力がゼロとなる点がある限り)階調グラデーションは、その暗から明の階調変化のいずれかの部分で階調逆転を生じうることとなる。
By the way, in the imaging device disclosed in
一方、特許文献2に開示されている撮像素子の出力は、飽和電位に漸近するような対数特性を示す。そうして、この撮像装置は、理論的には極めて広いダイナミックレンジを実現することができる。しかしながら、ワイドダイナミックレンジ(例えば光量比として1:106(約120[dB]))の出力信号を実現するには、飽和状態を確実に回避するために、受光光量が大きくなるほど出力を圧縮することになる。そのため、出力信号のコントラストの低下や実質的な階調数の低下を招くことになる。
On the other hand, the output of the image sensor disclosed in
このコントラストの低下や階調数の低下といった課題に対して、アナログアンプによって出力を増幅することが考えられるが、このようにすると、ノイズ成分も同時に増幅されることとなる。 In response to the problems such as the reduction in contrast and the reduction in the number of gradations, it is conceivable to amplify the output by an analog amplifier. However, in this case, the noise component is also amplified at the same time.
以上のように、従来のワイドダイナミックレンジの撮像素子を備えた撮像装置は、ダイナミックレンジが広いという利点が得られる一方で、被写体の状況によっては、その出力画像がコントラストが低く且つ、階調が低くなってしまう場合があるといった欠点を有している。 As described above, an imaging apparatus having a conventional wide dynamic range imaging device has an advantage of a wide dynamic range. On the other hand, depending on the condition of the subject, the output image has low contrast and gradation. It has a drawback that it may be lowered.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、被写体の状況に応じて白飛び等を回避しつつも、高画質の撮像が可能な撮像装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an imaging device capable of high-quality imaging while avoiding overexposure depending on the state of the subject. It is in.
本願発明者らは、例えば特許文献1の撮像素子は、製造プロセスを適切に設定して作成することで、電荷排出動作を実行しても、それまでに蓄積された蓄積電荷の全てが排出されることなく、受光光量に基づく電荷生成と電荷排出が平衡状態に近くなって対数特性に類似する出力特性を発現させうること、およびフォトダイオードで生成されて蓄積された電荷の排出に係るポテンシャル障壁の初期の高さを適宜制御することによって、撮像装置のダイナミックレンジを容易に変更し得ることに気付いた。そこで、被写体の状況に応じて、ダイナミックレンジを最適化しながら撮像を行うことに着目した。
The inventors of the present application, for example, by creating an image pickup device of
本発明の撮像装置は、それぞれ受光することによって電荷を生じると共に、複数のラスタを構成するように格子状に配置された複数の受光素子と、該受光素子のそれぞれに対応して設けられると共に、前記受光素子で生じた電荷を蓄積しかつ、その電荷の蓄積量に応じた出力信号を出力する複数の画素回路と、を有し、前記出力信号に基づいて構成されるフレームを、時系列に連続して出力する撮像素子を備え、前記撮像素子は、前記各画素回路から排出された電荷を蓄積するオーバーフロードレインと、該オーバーフロードレインに蓄積された電荷の量に応じた制御電位を出力する制御電位発生部と、前記各画素回路と前記オーバーフロードレインとの間でポテンシャル障壁を構成すると共に、前記制御電位に応じて、前記ポテンシャル障壁の高さを変更することにより、前記画素回路から前記オーバーフロードレインへの電荷の排出態様を変更する電荷排出ゲートと、を有しかつ、前記各画素回路に蓄積されている電荷の一部を、前記各画素回路の出力信号の出力前に前記オーバーフロードレインに排出させる蓄積電荷排出動作を実行可能な蓄積電荷排出回路をさらに有する。 The imaging device of the present invention generates charges by receiving light, and is provided corresponding to each of the plurality of light receiving elements arranged in a lattice so as to form a plurality of rasters, A plurality of pixel circuits for accumulating the charges generated in the light receiving element and outputting an output signal corresponding to the accumulated amount of the charges, and a frame configured based on the output signal in time series An image pickup device that continuously outputs, and the image pickup device outputs an overflow drain that accumulates charges discharged from each pixel circuit, and a control potential that outputs a control potential corresponding to the amount of charges accumulated in the overflow drain. A potential barrier is formed between the potential generator, each of the pixel circuits, and the overflow drain, and the potential failure is determined according to the control potential. A charge discharge gate that changes the discharge mode of the charge from the pixel circuit to the overflow drain by changing the height of the pixel circuit, and a part of the charge accumulated in each pixel circuit, It further has an accumulated charge discharging circuit capable of executing an accumulated charge discharging operation for discharging to the overflow drain before outputting an output signal of each pixel circuit.
前記撮像装置は、前記画素回路の出力信号に応じて、前記制御電位発生部を通じて前記制御電位を制御することによって、前記電荷排出の開始電位に対応する前記電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の初期高さを設定する制御部をさらに備えている。 The imaging apparatus controls the control potential through the control potential generation unit according to the output signal of the pixel circuit, whereby the initial height of the potential barrier of the charge discharge gate corresponding to the charge discharge start potential Is further provided.
この構成によると、蓄積電荷排出回路は、制御電位を出力する制御電位発生部を有し、この制御電位発生部は、オーバーフロードレインに蓄積された電荷の量に応じた制御電位を出力する。電荷排出ゲートは、各画素回路とオーバーフロードレインとの間でポテンシャル障壁を構成し、そのポテンシャル障壁の高さに応じて各画素回路からオーバーフロードレインへの電荷の排出態様を変更させる。すなわち、各画素回路の受光素子の受光光量に応じて電荷が蓄積されることによって、電荷排出ゲートにより構成されるポテンシャル障壁を越えて、オーバーフロードレインへの電荷の排出が開始される。その電荷の排出に伴い、オーバーフロードレインに蓄積される電荷が増大するため、制御電位発生部の出力である制御電位が変化し、それによって電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の高さが変更される。より具体的には、ポテンシャル障壁の高さが低くなる。そうしてポテンシャル障壁を越えてオーバーフロードレインへと排出される電荷がさらに増大し、それに伴いオーバーフロードレインに蓄積される電荷量も増大するため、制御電位がさらに変化して、電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の高さがさらに変更される(さらに低くなる)。こうして、ポテンシャル障壁を越えてオーバーフロードレインへの電荷の排出が開始された後は、その電荷の排出量(換言すれば、受光素子の受光光量)に応じて、電荷の排出が促進されることになる。従って、電荷排出の開始前は、受光素子の受光光量の増大に対し電荷の蓄積量が線形的に増加する一方、電荷排出の開始後は、受光素子の受光光量の増大に対し電荷の蓄積量が非線形の、具体的には対数関数的に増加するようになって電荷の蓄積が抑制されるため、画素回路の出力信号の出力タイミングにおいて蓄積電荷が飽和することが回避される。そうして、受光素子の受光光量に対する出力特性は、線形特性の範囲と対数特性の範囲とを組み合わせた特性となって、ダイナミックレンジが拡大し得る。 According to this configuration, the accumulated charge discharging circuit has a control potential generating unit that outputs a control potential, and the control potential generating unit outputs a control potential corresponding to the amount of charge accumulated in the overflow drain. The charge discharge gate forms a potential barrier between each pixel circuit and the overflow drain, and changes the discharge mode of charge from each pixel circuit to the overflow drain according to the height of the potential barrier. That is, by accumulating charges according to the amount of light received by the light receiving element of each pixel circuit, discharging of the charges to the overflow drain is started beyond the potential barrier constituted by the charge discharging gate. As the charge is discharged, the charge accumulated in the overflow drain increases, so that the control potential, which is the output of the control potential generation unit, changes, thereby changing the height of the potential barrier of the charge discharge gate. More specifically, the height of the potential barrier is lowered. As a result, the amount of charge discharged to the overflow drain beyond the potential barrier further increases, and the amount of charge stored in the overflow drain also increases accordingly, so that the control potential further changes, and the potential barrier of the charge discharge gate changes. Is further changed (lower). Thus, after discharge of charge to the overflow drain is started beyond the potential barrier, discharge of charge is promoted according to the discharge amount of the charge (in other words, the amount of light received by the light receiving element). Become. Therefore, before the start of charge discharge, the amount of accumulated charge increases linearly with the increase in the amount of light received by the light receiving element. Is non-linear, specifically increasing in a logarithmic function and charge accumulation is suppressed, so that the accumulated charge is prevented from being saturated at the output timing of the output signal of the pixel circuit. Thus, the output characteristic of the light receiving element with respect to the amount of received light is a characteristic that combines the range of the linear characteristic and the range of the logarithmic characteristic, and the dynamic range can be expanded.
ここで、前記の構成ではさらに、制御部が、電荷排出の開始電位に対応する電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の初期高さを設定することにより、電荷排出の開始タイミングが変更されることになり、ひいては、受光素子の受光光量に対する電荷の蓄積特性が、線形特性から対数特性へと変わるタイミングが変更されることになる。このことは、受光素子の受光光量に対する画素回路の出力特性が変更されることを意味する。具体的には、ポテンシャル障壁の初期高さを相対的に低く設定して、電荷排出の開始タイミングが早くなるようにすることで、画素回路の出力特性は対数特性となる範囲が拡大し、ダイナミックレンジは相対的に拡大する一方、ポテンシャル障壁の初期高さを相対的に高く設定して、電荷排出の開始タイミングが遅くなるようにすることで、画素回路の出力特性は線形特性となる範囲が拡大し、ダイナミックレンジは相対的に縮小する。 Here, in the above configuration, the control unit further changes the charge discharge start timing by setting the initial height of the potential barrier of the charge discharge gate corresponding to the charge discharge start potential. As a result, the timing at which the charge accumulation characteristic with respect to the amount of light received by the light receiving element changes from the linear characteristic to the logarithmic characteristic is changed. This means that the output characteristics of the pixel circuit with respect to the amount of light received by the light receiving element are changed. Specifically, by setting the initial height of the potential barrier relatively low so that the charge discharge start timing is advanced, the range of the output characteristics of the pixel circuit becomes logarithmic, and dynamic While the range expands relatively, the initial height of the potential barrier is set relatively high so that the charge discharge start timing is delayed, so that the output characteristics of the pixel circuit are in a linear characteristic range. The dynamic range is enlarged and the dynamic range is relatively reduced.
制御部はさらに、そのポテンシャル障壁の初期高さを、画素回路の出力信号に応じて設定することにより、画素回路の出力信号、つまり被写体の状況に応じてダイナミックレンジを変更することになり、被写体の状況に応じてダイナミックレンジが最適化される。その結果、白飛びの回避は勿論のこと、不必要に出力画像のコントラストが低下したり、階調数が低下したりすることが回避され得る。 The control unit further sets the initial height of the potential barrier according to the output signal of the pixel circuit, thereby changing the dynamic range according to the output signal of the pixel circuit, that is, the state of the subject. The dynamic range is optimized according to the situation. As a result, it is possible not only to avoid overexposure but also to avoid unnecessary reduction in the contrast of the output image and reduction in the number of gradations.
第2の発明では、第1の発明において、前記各画素回路の出力信号をデジタル信号に変換した撮像データを含んで構成される前記フレームを出力する出力信号処理部をさらに備え、前記制御部は、前記フレームに含まれる前記撮像データの最大値が、予め設定されている前記撮像素子の最大出力値となるように、前記ポテンシャル障壁の初期高さを制御する。ここでの「最大出力値」には、撮像素子の最大出力値そのもの、の他にも、その最大出力値に対して所定だけ低く、実質的に最大出力値とみなすことができる値も含まれる。 According to a second invention, in the first invention, further comprising an output signal processing unit that outputs the frame configured to include imaging data obtained by converting an output signal of each pixel circuit into a digital signal, and the control unit includes: The initial height of the potential barrier is controlled so that the maximum value of the imaging data included in the frame becomes a preset maximum output value of the imaging device. The “maximum output value” here includes, in addition to the maximum output value of the image sensor itself, a value that is lower than the maximum output value by a predetermined amount and can be regarded as a substantially maximum output value. .
フレームに含まれる撮像データの最大値が、撮像素子の最大出力値となるようにすることで、画像の白飛びを回避しつつも、撮像素子の最大出力値まで出力が上がるため、不必要に出力を圧縮することがなく、コントラストの低下や階調数の低下が回避される。 By making the maximum value of the imaging data included in the frame the maximum output value of the image sensor, the output increases up to the maximum output value of the image sensor while avoiding overexposure of the image, which is unnecessary. The output is not compressed, and a decrease in contrast and a decrease in the number of gradations are avoided.
第3の発明では、第2の発明において、前記制御部は、前記出力信号に応じた電位指定信号を出力するように構成され、前記制御電位発生部は、前記オーバーフロードレインの蓄積電荷量を入力として、当該蓄積電荷量が増大すればするほど高い制御電位を出力する反転アンプと、前記制御部からの電位指定信号に対応する電荷排出指定電位を当該制御電位に加算する加算器と、を含んで構成され、前記電荷排出ゲートは、前記制御電位が高ければ高いほどポテンシャル障壁の高さを低くするように構成され、前記制御部はさらに、前記フレームに含まれる前記撮像データの最大値が、前記撮像素子の最大出力値を超えるときには、前記電荷排出指定電位が上がるように前記電位指定信号を出力する一方、前記撮像データの最大値が、前記最大出力値を下回るときには、前記電荷排出指定電位が下がるように前記電位指定信号を出力するように構成されている。 According to a third aspect, in the second aspect, the control unit is configured to output a potential designation signal corresponding to the output signal, and the control potential generation unit inputs an accumulated charge amount of the overflow drain. An inverting amplifier that outputs a higher control potential as the amount of accumulated charge increases, and an adder that adds a charge discharge designated potential corresponding to a potential designation signal from the control unit to the control potential. The charge discharge gate is configured to lower the potential barrier height as the control potential is higher, and the control unit further includes a maximum value of the imaging data included in the frame, When the maximum output value of the image sensor is exceeded, the potential specifying signal is output so that the charge discharge specified potential is increased, while the maximum value of the imaging data is the maximum value. When below the output value is configured to output the potential designation signal so that the charge discharging specified potential decreases.
こうすることで、反転アンプと加算器とを含む簡易な回路構成の制御電位発生部によって、電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の高さをオーバーフロードレインの蓄積電荷量に応じて変更し得ると共に、その初期高さをも変更し得る。 In this way, the height of the potential barrier of the charge discharge gate can be changed according to the accumulated charge amount of the overflow drain by the control potential generator having a simple circuit configuration including the inverting amplifier and the adder. The height can also be changed.
そうして制御部が、フレームに含まれる撮像データの最大値が撮像素子の最大出力値を超えるとき、換言すれば飽和により白飛びするときには、電荷排出指定電位を上げることによって、制御電位発生部を通じて電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の初期高さが低くなり、前述したように、電荷排出の開始タイミングが早まってダイナミックレンジが拡大する一方、前記最大値が前記最大出力値を下回るとき、換言すれば飽和が生じていないときには、電荷排出指定電位を上げることによって、電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の初期高さが高くなり、前述したように、電荷排出開始タイミングが遅くなってダイナミックレンジが縮小する。そうして、ポテンシャル障壁の初期高さの制御により、前記最大値が前記最大出力値となるようにすることが実現し得る。 Thus, when the maximum value of the imaging data included in the frame exceeds the maximum output value of the imaging element, in other words, when the control unit generates whitening due to saturation, the control potential generating unit The initial height of the potential barrier of the charge discharging gate is reduced through the above, and as described above, when the charge discharge start timing is advanced and the dynamic range is expanded, the maximum value is lower than the maximum output value, in other words, When saturation does not occur, by raising the charge discharge designated potential, the initial height of the potential barrier of the charge discharge gate increases, and as described above, the charge discharge start timing is delayed and the dynamic range is reduced. Thus, it can be realized that the maximum value becomes the maximum output value by controlling the initial height of the potential barrier.
第4の発明では、第1ないし第3の何れかの発明において、前記撮像素子に対し、前記各画素回路の撮像モードを、前記蓄積電荷排出回路による前記蓄積電荷排出動作を実行しない第1撮像モードと、前記蓄積電荷排出動作を実行する第2撮像モードと、の間で切り替える撮像モード切替部をさらに備えており、前記撮像素子は、所定の数のフレームを出力する毎に、前記画素回路が前記第1撮像モードで撮像した前記出力信号に基づいて構成される第1撮像モードラスタを、少なくともその一部に含んで構成される撮像モード判定フレームを出力し、前記制御部はさらに、前記撮像モード判定フレームにおける前記第1撮像モードラスタを構成する前記出力信号に基づいて、前記撮像モード切替部を通じて、前記各画素回路の撮像モードを前記第1又は第2撮像モードに指定する。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the first imaging that does not execute the accumulated charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit in the imaging mode of each pixel circuit with respect to the image sensor. An imaging mode switching unit that switches between a mode and a second imaging mode for executing the stored charge discharging operation, and the imaging device outputs the pixel circuit each time a predetermined number of frames are output. Outputs an imaging mode determination frame configured to include at least a part of a first imaging mode raster configured based on the output signal captured in the first imaging mode, and the control unit further includes: Based on the output signal constituting the first imaging mode raster in the imaging mode determination frame, the imaging mode of each pixel circuit is set through the imaging mode switching unit. Serial to specify the first or second imaging mode.
第1撮像モードでは、蓄積電荷排出回路による蓄積電荷排出動作を実行しないため、出力信号は、受光素子の受光光量の増加に伴い線形的に増加する。このため、第1撮像モードで撮像したときには、撮像装置はコントラストが高く且つ階調が高い画像を出力することができる一方で、飽和により画像が白飛びする場合がある。これに対し、第2撮像モードでは、前述したように、蓄積電荷排出動作を実行するため、ダイナミックレンジが拡大する。 In the first imaging mode, since the accumulated charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit is not executed, the output signal increases linearly as the amount of light received by the light receiving element increases. For this reason, when imaging in the first imaging mode, the imaging apparatus can output an image with high contrast and high gradation, but the image may be overexposed due to saturation. On the other hand, in the second imaging mode, as described above, since the accumulated charge discharging operation is executed, the dynamic range is expanded.
前記制御部は、撮像モード判定フレームに含まれる、第1撮像モードで撮像した出力信号に基づいて、撮像モード切替部を通じて各画素回路の撮像モードを指定するため、ダイナミックレンジが相対的に狭い第1撮像モードで撮像しても出力される画像に何ら問題が生じないときには、第1撮像モードで撮像を行う。一方、第1撮像モードで撮像したときに、例えば白飛び等の問題を生じ得るときには、ダイナミックレンジが相対的に広い第2撮像モードに切り替えて撮像を行う。こうした第1撮像モードと第2撮像モードとの切り替えによって、白飛び等を回避しつつ、コントラストがさらに高くかつ階調性のさらに高い画像が出力され得る。 Since the control unit designates the imaging mode of each pixel circuit through the imaging mode switching unit based on the output signal imaged in the first imaging mode included in the imaging mode determination frame, the dynamic range is relatively narrow. If there is no problem with the output image even if the image is captured in the one imaging mode, the imaging is performed in the first imaging mode. On the other hand, when a problem such as overexposure can occur when the image is captured in the first image capturing mode, the image capturing is performed by switching to the second image capturing mode having a relatively wide dynamic range. By switching between the first imaging mode and the second imaging mode, an image with higher contrast and higher gradation can be output while avoiding overexposure.
ここで、第2撮像モードでの撮像時には、前述したように、ポテンシャル障壁の初期高さを設定すべく、フレームに含まれる撮像データについての判定を行うことになるのに対し、第1撮像モードでの撮像時には、そうした判定を行わない。従って、第1撮像モードと第2撮像モードとを切り替える構成は、少なくとも第2撮像モードでの撮像時における、フレームの撮像データに関する判定処理を省略し得るという利点がある。 Here, at the time of imaging in the second imaging mode, as described above, in order to set the initial height of the potential barrier, the determination on the imaging data included in the frame is performed, whereas the first imaging mode Such a determination is not performed during imaging. Therefore, the configuration for switching between the first imaging mode and the second imaging mode has an advantage that the determination process regarding the imaging data of the frame can be omitted at least during imaging in the second imaging mode.
第5の発明では、第4の発明において、前記撮像素子は、前記オーバーフロードレインの蓄積電荷をクリアするクリアスイッチをさらに有し、前記撮像モード切替部は、前記クリアスイッチをオンにすることによって前記蓄積電荷排出回路が前記蓄積電荷排出動作を実行しない第1撮像モードにする一方、前記クリアスイッチをオフにすることによって前記蓄積電荷排出回路が前記蓄積電荷排出動作を実行する第2撮像モードにするように構成されている。 In a fifth aspect based on the fourth aspect, the imaging device further includes a clear switch that clears the accumulated charge in the overflow drain, and the imaging mode switching unit turns on the clear switch to turn on the clear switch. The accumulated charge discharging circuit is set to the first imaging mode in which the accumulated charge discharging operation is not performed, and the accumulated charge discharging circuit is set to the second imaging mode in which the accumulated charge discharging operation is performed by turning off the clear switch. It is configured as follows.
クリアスイッチをオンにして、オーバーフロードレインの蓄積電荷をクリアするときには、電荷排出ゲートのポテンシャル障壁を越えて電荷が排出されても、その電荷がクリアされることで、オーバーフロードレインには実質的に電荷が蓄積されない。このことにより、前述したような、制御電位の変化に伴うポテンシャル障壁の高さの変更が行われない。つまり、電荷の排出が促進されず、よって蓄積電荷排出動作が行われない。これに対し、クリアスイッチをオフにしたときには、前述したように、電荷排出ゲートのポテンシャル障壁を越えて電荷が排出されたときには、オーバーフロードレインに電荷が蓄積されるようになり、制御電位の変化に伴いポテンシャル障壁の高さが変更し(低くなって)、電荷の排出が促進される。つまり、蓄積電荷排出動作が行われる。 When the stored charge in the overflow drain is cleared by turning on the clear switch, even if the charge is discharged beyond the potential barrier of the charge discharging gate, the charge is cleared, so that the overflow drain is substantially charged. Does not accumulate. As a result, the height of the potential barrier is not changed as the control potential changes as described above. That is, the discharge of charge is not promoted, and therefore the accumulated charge discharging operation is not performed. On the other hand, when the clear switch is turned off, as described above, when the charge is discharged beyond the potential barrier of the charge discharging gate, the charge is accumulated in the overflow drain, which causes a change in the control potential. Along with this, the height of the potential barrier changes (becomes lower), facilitating the discharge of charges. That is, the accumulated charge discharging operation is performed.
以上説明したように、本発明の撮像装置では、被写体の状況に応じて、ダイナミックレンジを最適化することによって、白飛び等を回避しつつ、高画質な画像を出力することができる。 As described above, the imaging apparatus of the present invention can output a high-quality image while avoiding overexposure by optimizing the dynamic range according to the condition of the subject.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiment is merely exemplary in nature.
本発明の撮像装置1は、図1に示すように、入射した光を電気信号に変換して撮像データとして出力する撮像素子2と、該撮像素子2から出力された撮像データを一時的に格納するバッファメモリ3と、該バッファメモリ3から撮像データが転送されて、その撮像データに基づき画像データを構築する画像処理部4と、撮像素子2の撮像モードを、詳しくは後述するが、ダイナミックレンジが相対的に狭いNDR(Narrow Dynamic Range)モードとダイナミックレンジが相対的に広いWDR(Wide Dynamic Range)モードとに切り替える撮像モード切替部5と、バッファメモリ3に格納された撮像データに基づいて撮像モード切替部5に対して撮像モードを指定すると共に、撮像素子2の動作全体を制御する制御部6と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
撮像素子2は、図1に示すように、主走査方向(図1における上下方向)及びそれに直交する副走査方向(図1における左右方向)のそれぞれの方向に並んで配置されることによって行列状に配設された複数の画素回路211と、該画素回路211に連設された蓄積電荷排出回路212と、を有するセンサエリア21と、該センサエリア21の、図1においては右側に配設された出力信号処理部22と、センサエリア21の、図1においては下側に配設された周辺回路23と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
画素回路211は、図1,図2に示すように(尚、図2は図1に対して90°時計回りに回転させた状態を示している)、等間隔(例えば7.8μm間隔)となるように主走査方向に、例えば640個、副走査方向に、例えば480個配置されており、これにより、画素回路211は、1つの撮像素子2内に、合計640×480個設けられている。これによって、この撮像素子2は、いわゆる1/3インチの撮像素子を構成すると共に、撮像装置1はVGA相当の解像度をもつ画像を出力することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2 (where FIG. 2 shows a state in which the
各画素回路211は、図3に示すように、受光素子としてのフォトダイオード211aと、該フォトダイオード211aで生成されかつ第1ノードN1に蓄積された電荷を第2ノードN2に転送するための転送ゲート211bと、第2ノードN2に蓄積されている電荷をクリアし得るリセットスイッチ211cと、第2ノードN2の電位に対応する信号を増幅して出力するアンプ211dと、該アンプ211dと出力ノードNOとの間に配設されて、前記アンプ211dにより増幅した信号を所定のタイミングで画素回路211から出力する画素選択スイッチ211eと、を備えている。
As shown in FIG. 3, each
フォトダイオード211aは、半導体のpn接合によって構成されており、いわゆる光起電力効果によって、入射光を受けて、その受光光量に応じた量の電荷を発生させる。このフォトダイオード211aのカソード側は第1ノードN1に接続されている一方、アノード側は接地電位VSSを供給する接地ノードN4に接続されて接地電位VSSにバイアスされている。従って、フォトダイオード211aで発生する電荷は負電荷となり、この負電荷が、フォトダイオード211aの電荷を蓄積できる容量としての第1ノードN1に蓄積される。
The
転送ゲート211bは、第1ノードN1と第2ノードN2との間に介設されかつ、例えばトランジスタによって構成されるスイッチ素子であり、転送制御信号TGによってそのオン、オフが制御される。これによって転送ゲート211bは、第1ノードN1に蓄積されている電荷の、第1ノードN1から第2ノードN2への転送のタイミングを制御する機能を有している。
The
リセットスイッチ211cは、第2ノードN2と電源電位VDDを供給する電源電位ノードN3との間に介設されかつ、例えばトランジスタによって構成されるスイッチ素子であり、リセット制御信号RFによってそのオン、オフが制御される。これによって、リセットスイッチ211cは、所定のタイミングで(つまり、第1ノードN1から第2ノードN2に電荷を転送する前に)第2ノードN2の電荷を除去する機能を有している。尚、電源電位VDDは、第2ノードN2の電荷が負電荷であるので正電位とされている。
The
アンプ211dは、前述したように、第2ノードN2の電荷に対応する信号を増幅して出力するものであり、その入力ノードが第2ノードN2と接続されると共に、その出力ノードが、画素選択スイッチ211eを介して出力ノードNOに接続されており、例えばソースフォロア回路によって構成される。
As described above, the
画素選択スイッチ211eは、アンプ211dと出力ノードNOとの間に介設されかつ、例えばトランジスタによって構成されるスイッチ素子であり、画素選択制御信号PSによってそのオン、オフが制御される。これによって、画素選択スイッチ211eは、アンプ211dによって増幅された信号の、当該アンプ211dから出力ノードNOへの、ひいては出力信号処理部22への出力タイミングを制御する機能を有している。
The
蓄積電荷排出回路212は、図1,図2に示すように、この実施形態においては、1つの画素回路211に対し1つ設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, one accumulated
蓄積電荷排出回路212は、第1ノードN1に蓄積されている電荷を、必要に応じて排出させるための回路であり、図3に示すように、接地電位VSSを供給する接地ノードN4によって接地電位VSSにバイアスされたオーバーフロードレイン212bと、オーバーフロードレイン容量としての第5ノードN5と前記画素回路211の第1ノードN1との間に介設される電荷排出ゲート212aと、第5ノードN5と電源電位VDD2を供給する電源電位ノードN6との間に介設されるクリアスイッチ212cと、その入力ノードが第5ノードN5に接続されると共に、その出力ノードが電荷排出ゲート212aに接続される反転アンプ212dと、を備えている。
The accumulated
ここで、電源電位VDD2は切り替え可能な電源電位であり、撮像モード切替部5によって電源電位VDD、又はこれより低い中間電位としての電源電位(但し、正電位)のいずれかに切り替えられる。
Here, the power supply potential VDD2 is a switchable power supply potential, and is switched by the imaging
電荷排出ゲート212aは、第1ノードN1に蓄積されている電荷の、第1ノードN1から第5ノードN5への転送(つまり、排出)を制御する機能を有する。本実施形態では、この電荷排出ゲート212aは、等価的に可変抵抗として機能するトランジスタによって構成され、詳しくは後述するが、反転アンプ212dの出力電位Vgに基づいて制御されることによって、電荷排出ゲート212aによって構成されるポテンシャル障壁の高さが変化して電荷排出動作が変更制御されることになる。
The
オーバーフロードレイン212bは、第1ノードN1から電荷排出ゲート212aを通って第5ノードN5に転送された電荷を蓄積する。
The
クリアスイッチ212cは、トランジスタによって構成されるスイッチ素子であり、クリア制御信号ROによって、そのオン、オフが制御される。クリアスイッチ212cがオンのときには、電源電位ノードN6から供給される電源電位VDD2によって第5ノードN5の電荷を消滅させる一方、クリアスイッチ212cがオフのときには、第5ノードN5の電荷が消滅しないため、第1ノードN1から排出されてオーバーフロードレイン212bに電荷(電子)が蓄積されるに伴い、第5ノードN5の電位が低下することになる。尚、詳しくは後述するが、電源電位VDD2の電源電位の切り替え制御、及びこのクリアスイッチ212cの制御によって、撮像素子2(各画素回路211)の撮像モードを、NDRモードとWDRモードとの間で切り替えることができる。
The
尚、撮像モード切替部5が出力するクリア制御信号ROは、撮像素子2における主走査方向(図3においては図の上下方向)に連なる各蓄積電荷排出回路212のクリアスイッチ212cに共通に入力されており、主走査方向に連なる各蓄積電荷排出回路212は、クリア制御信号ROをHiレベルに制御することで同時に電荷排出動作を実行する。撮像素子2は、このような構成単位を副走査方向(図3においては図の左右方向)に複数行有しており(図示せず)、副走査方向において各行の電荷排出動作は、撮像モード切替部5が出力するRO_1,RO_2・・・によって独立して制御される。
The clear control signal RO output from the imaging
即ち、本実施形態では、主走査方向に連なる各蓄積電荷排出回路212を一単位として、撮像モードをNDRモードとWDRモードとの間で切り替えることができ、後述の1フレーム中の副走査方向において、NDRモードで撮像する行とWDRモードで撮像する行とを混在させることができる(図11等を参照)。
That is, in the present embodiment, the image pickup mode can be switched between the NDR mode and the WDR mode with each accumulated
反転アンプ212dは、入力電位としての第5ノードN5の電位が高いときには出力電位Vgが低くなり、逆に第5ノードN5の電位が低いときには出力電位Vgが高くなるように構成されている。この出力電位Vgが電荷排出ゲート212aを構成するトランジスタのゲートに印加される。これによって、電荷排出ゲート212aの抵抗値(ポテンシャル障壁)は、第5ノードN5の電位に応じて変化することになる。
The inverting
ここで、センサエリア21の動作について説明する。センサエリア21に光が入射すると、フォトダイオード211aで電荷が発生し、その電荷が第1ノードN1に蓄積される。この第1ノードN1の電荷は、1フレーム期間中に設定される所定の電荷蓄積期間においてフォトダイオード211aに光が入射している間、蓄積され続ける。そうして、第1ノードN1における電荷の蓄積量が電荷排出ゲート212aが有する電位としてのポテンシャル障壁を越えると、第1ノードN1から第5ノードN5へ電荷が溢れる。
Here, the operation of the
ここで、電源電位VDD2は切り替え可能に構成された電源電位であって、本実施形態では、予め2系統の電源(その電位は、例えばVDDと、VDD×3/4)を用意しておき、撮像モード切替部5が出力する信号(図示せず)に基づき、これらの系統を切り替えることでVDD2の電位をいずれかに設定する。尚、この系統の切り替えは、ラスタ単位で可能とされている。
Here, the power supply potential VDD2 is a power supply potential configured to be switchable. In the present embodiment, two power sources (the potentials are, for example, VDD and VDD × 3/4) are prepared in advance. Based on a signal (not shown) output by the imaging
この電源電位VDD2の切り替えについては、系統をVDDと、VDD×αとしておき、後者を撮像モード切替部5に備えたDAコンバータで生成するようにしてもよい。
Regarding the switching of the power supply potential VDD2, the system may be set to VDD and VDD × α, and the latter may be generated by a DA converter provided in the imaging
さて、電源電位VDD2の電位を電源電位VDDと同じ電位に切り替え設定し、かつクリアスイッチ212cがオンのときには、第5ノードN5の電位が電源電位VDDと略同じであるので、第1ノードN1から第5ノードN5に溢れた電荷は第5ノードN5に吸引され消滅する(つまり、VDDがクリア電位となる)。従って、第5ノードN5の電位は、電源電位VDDのままで変わらないので、反転アンプ212dの出力電位Vgは、低いままであり、電荷排出ゲート212aが有するポテンシャル障壁は、高いままで変化しない。そのため、クリアスイッチ212cがオンの状態では、第1ノードN1の蓄積電荷の量は、フォトダイオード211aの受光光量の増加に伴って線形的に増加し、所定の受光光量でフォトダイオード211aの電荷蓄積容量に達して飽和する。従って、画素回路211から出力される前記出力信号もフォトダイオード211aの受光光量の増加に伴って線形的に増加し、所定の受光光量で飽和するような特性となる(このようにして飽和に達した出力信号の電位を「飽和電位」とも呼称する)。この出力特性は、ダイナミックレンジが相対的に狭いという欠点を有するものの、飽和に至らないような所定の受光光量以下においては、線形的な出力特性が得られるという利点がある。このように、クリアスイッチ212cをオンにした状態では、撮像素子2の撮像モードが、第1撮像モードとしてのNDRモードになる。
When the potential of the power supply potential VDD2 is switched to the same potential as the power supply potential VDD and the
これに対し、クリアスイッチ212cをオフにしたときには、第1ノードN1から第5ノードN5に排出された電荷は、オーバーフロードレイン212bに蓄積されることになり、その排出量に応じて第5ノードN5の電位は次第に低くなる。このため、反転アンプ212dの出力電位Vgは次第に高くなり、それに伴い電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁は次第に低くなる。このことにより、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷の排出が促進される。そうして電荷の排出が促進されることに伴い、第5ノードN5の電位がさらに低下し、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の高さもさらに低くなる。こうして、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷の排出が加速度的に促進されることになる。
On the other hand, when the
尚、本実施形態においては、クリアスイッチ212cをオフする前の所定期間において、電源電位VDD2を電源電位VDDより低い電位(例えば、クリア電位はVDD×3/4)に切り替え、クリアスイッチ212cをオンすることで、オーバーフロードレイン212bに蓄積された排出電荷を一旦クリアする。こうすることで、第5ノードN5の電位は電源電位VDDより低い電位に設定され、前記所定期間において反転アンプ212dを経て出力される出力電位Vgは、少なくとも上述したNDRモードのときよりも高くなる。従って、電荷排出ゲート212aが形成するポテンシャル障壁の高さはNDRモードの場合よりも低くなる。その結果、飽和電位に達する前に第1ノードN1から第5ノードN5に電荷が溢れることとなる。つまり、機能的に表現すると、電荷排出ゲート212aはNDRモードのときよりも、受光光量が小さい段階で電荷の排出を開始するよう制御される、ということである。
In this embodiment, in a predetermined period before the
更に、本実施形態においては、電荷排出ゲート212aのゲート幅およびゲート長を電荷移動を制限するように(即ち、ゲート幅を狭く、又はかつゲート長を長くするように)調整することで、仮に電荷排出ゲート212aが開放(反転アンプ212dの出力Vgが大きくなり電荷を完全に排出し得る状態、つまりポテンシャル障壁の高さが最低となった状態)された場合であっても、予め定められた電荷排出期間において第1ノードN1に蓄積された電荷がオーバーフロードレイン212bに全て排出されない程度に、電荷排出量(あるいは電荷排出速度)を抑制するようにしている。つまり、本実施形態の撮像装置1においては、電荷排出動作を行なっても、それまでに第1ノードN1に蓄積された電荷は全て排出されず、その一部のみが排出されることとなる。
Furthermore, in the present embodiment, the gate width and gate length of the
尚、電荷移動を制限する方法としては、上述したゲート部分の物理的形状を調整する以外に、電荷排出ゲート212aを構成するトランジスタの不純物濃度を低く調整するようにしてもよい。
As a method for limiting the charge transfer, in addition to adjusting the physical shape of the gate portion described above, the impurity concentration of the transistor constituting the
以上説明してきたように、オーバーフロードレイン212bを一旦中間電位でクリアする制御、及び電荷排出を抑制する構成を導入したことで、本実施形態の撮像素子は、
i)受光光量が小さく、フォトダイオード211aで生成された電荷が電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁(上述のように、NDRモードよりも障壁の高さは低い)を越えて溢れない場合は、出力特性は線形特性を示し、
ii)受光光量が大きくなり、フォトダイオード211aで生成された電荷が電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁を越えて溢れた場合は、フォトダイオード211aで新たに生成される電荷の量に応じて電荷排出量が動的に(しかも自律的に)調整される、
という新規な作用をもたらす。
As described above, by introducing the control that once clears the
i) When the amount of received light is small and the charge generated by the
ii) When the amount of received light increases and the charge generated by the
This brings about a new action.
従って、電荷蓄積期間中の少なくとも一部の期間において、クリアスイッチ212cをオフにすることによって、第1ノードN1の蓄積電荷の量は、フォトダイオード211aの受光光量の増加に伴って線形的に増加せずに、受光光量が増加しても飽和が抑制される。このとき、画素回路211から出力される出力信号は、フォトダイオード211aの受光光量の増加に伴って、その飽和に対応する上限値に漸近するような、対数特性に類似する特性を示すようになる。このように本実施形態の撮像素子は、受光光量が小さい場合の出力は線形特性を示すが、受光光量が大きくなるとその出力は対数特性を示し、これらの特性が所定の光量(フォトダイオード211aで生成された電荷が電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁を越えて溢れ始める光量)において繋がった、ハイブリッドな出力特性を備える。これによって、通常の対数特性を備える撮像素子と同様にワイドダイナミックレンジを確保できると共に、単に対数特性を備える撮像素子と比較して、線形特性部分が存在する分、高輝度領域の圧縮の程度が小さくなり、高輝度領域における階調性が確保されるという効果を奏する。
Accordingly, by turning off the
更に、上述のように、オーバーフロードレイン212bをクリアする電位を調整可能(VDD×α)とすれば、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の高さを任意に設定できるため、線形特性から対数特性に切り替えるポイント設定の自由度が高まり、あらゆる撮像条件に対応することが可能となる。
Further, as described above, if the potential for clearing the
このように、クリアスイッチ212cをオフにする期間を設けることによって、撮像素子2の撮像モードが第2撮像モードとしてのWDRモードになる。
Thus, by providing a period during which the
しかしながら、この出力特性は、ダイナミックレンジが相対的に広いという利点を有するものの、飽和に至らないような所定の受光光量以下においては出力を圧縮している点において変わりなく、コントラストの低下や階調数の低下を招くという課題が残存する。 However, although this output characteristic has the advantage of a relatively wide dynamic range, it does not change in that the output is compressed below a predetermined received light quantity that does not lead to saturation. The problem remains that the number decreases.
そうして所定の電荷蓄積期間が経過した後に、転送制御信号TGによって転送ゲート211bをオンにし、第1ノードN1の蓄積電荷を第2ノードN2に転送する。第2ノードN2に転送された電荷に対応する信号は、所定のタイミングでアンプ211dによって増幅されて出力ノードNOから出力信号として出力される。
After a predetermined charge accumulation period elapses, the transfer control signal TG turns on the
続いて、撮像素子2のセンサエリア21以外の構成要素について説明する。
Next, components other than the
出力信号処理部22は、図示省略のCDSと、ADコンバータと、を備えている。
The output
CDSとADコンバータは、各画素回路211に対応して主走査方向にそれぞれ640個設けられている。
640 CDSs and AD converters are provided in the main scanning direction corresponding to each
CDSは、出力ノードNOから出力された出力信号に含まれるノイズをいわゆる相関二重サンプルにより除去する。 The CDS removes noise included in the output signal output from the output node NO by so-called correlated double samples.
ADコンバータは、出力ノードNOから出力された出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。 The AD converter converts the output signal output from the output node NO from an analog signal to a digital signal.
周辺回路23は、画素回路211が撮像するときの同期をとるタイミング信号を出力する。このタイミング信号には、前記の転送制御信号TG、リセット制御信号RF及び画素選択制御信号PSも含まれている。
The
ここで、撮像素子2の動作について説明する。まず、周辺回路23から主走査方向(図3においては図面の上下方向)に延びる画素行(以下、ラスタともいう)ごとにタイミング信号が出力される。周辺回路23から出力されたタイミング信号は、図示省略の制御信号線を通って各画素回路211及び各蓄積電荷排出回路212に出力される。次に、タイミング信号に基づいて各画素回路211で撮像が行われる。このとき、前述したように各画素回路211から出力信号が出力される。撮像は、主走査方向に連なる複数の画素回路211等で構成されるラスタ単位で副走査方向にずらしながら480列走査され、これによって1フレーム分の640×480画素の出力信号を得ることができる。この出力信号は、読出信号線を通って出力信号処理部22に出力され、この出力信号処理部22でノイズ除去とデジタル信号化が行われる。そうして、このデジタル信号化された出力信号(以下、撮像データともいう)が撮像データパスを介してバッファメモリ3に転送される。尚、出力信号処理部22は、全てのラスタ(480本)について共有されており、本実施形態の撮像素子2には640個の出力信号処理部22が搭載されている。
Here, the operation of the
尚、本実施形態では、各画素回路211に1つの蓄積電荷排出回路212を設けているが、図14のように、主走査方向及び副走査方向に隣接する4つの画素回路211によって1つの画素グループを構成し、その画素グループで1つの蓄積電荷排出回路212を共有してもよい。ここで、第1ノードN1に電荷を蓄積する電荷蓄積期間は、いわゆる電子シャッタを切るタイミングによって決定されるが、この電子シャッタを切る方法としていわゆるローリングシャッタ動作を用いると、ラスタ単位でシャッタを切るので、副走査方向に隣接するラスタの画素回路211間で、同じ蓄積電荷排出回路212に電荷を排出するタイミングが重畳し、そのことが画素回路211からの電荷排出動作に悪影響を及ぼす虞がある。これを回避するには、蓄積電荷排出回路212が跨る2つのラスタ単位でシャッタを切るローリングシャッタ動作を行うことが好ましい。また、4つの画素回路211から排出される電荷が1つのオーバーフロードレイン212bに蓄積されるため、オーバーフロードレイン212bの電荷を蓄積できる容量を超える虞がある。この場合には、電荷がオーバーフロードレイン212bから周囲のフォトダイオード211aに溢れ出て、撮像装置1から出力される画像の画質が劣化する。この点について、図2のように、各画素回路211に対して1つの蓄積電荷排出回路212を設けた構成は、1つの画素回路211に対して十分なオーバーフロードレイン容量を確保することができる点で有利である。また、図2のように、蓄積電荷排出回路212を複数の画素回路211で共有せずに各画素回路211に対して1つの蓄積電荷排出回路212を設けることは、蓄積電荷排出回路212に排出される電荷が周囲の画素回路211に影響を及ぼさないので、1ラスタ単位でローリングシャッタ動作を行うことができる点でも有利になる。
In this embodiment, each
また、図15のように、画素回路211に対して蓄積電荷排出回路212を千鳥に配設し、4つの画素回路211で実質2つの蓄積電荷排出回路212を割り当ててもよい。こうすることで、図14の構成をとるよりも、1つの画素回路211に対するオーバーフロードレイン容量を大きくすることができる。しかしながら、ローリングシャッタ動作を用いる場合には、ラスタ単位でシャッタを切るので、隣接するラスタの画素回路211から同じ蓄積電荷排出回路212に電荷が排出されるタイミングがずれることによる影響が副走査方向に隣接する画素回路211だけでなく、全画素回路211に拡がる虞がある。このため、撮像素子2に搭載された全ての画素回路211について同一のタイミングで電子シャッタ動作を行なう、いわゆるグローバルシャッタ動作を用いるほうが好ましい。
Further, as shown in FIG. 15, the accumulated
さらに、図16ように、4つの画素回路211で実質4つの蓄積電荷排出回路212を割り当ててもよい。こうすることで、1つの画素回路211に対するオーバーフロードレイン容量をさらに大きくすることができる。しかしながら、前記と同様に、隣接するラスタの画素回路211から同じ蓄積電荷排出回路212に電荷が排出されるタイミングがずれることによる影響が全画素回路211に拡がるため、グローバルシャッタ動作を用いるほうが好ましい。
Further, as shown in FIG. 16, substantially four accumulated
尚、図14ないし図16のように、1つの蓄積電荷排出回路212を複数の画素回路211によって共有する場合には、図4に示すように、各画素回路211と蓄積電荷排出回路212との間に電荷排出ゲート212aを設ければよい。
14 to 16, when one accumulated
また、図14ないし図16のような構成においても、上述したように電荷排出ゲート212aにおける電荷排出能力を抑制するように構成することが好ましい。
14 to 16, it is preferable that the charge discharging capability of the
次に、撮像装置1の撮像素子2以外の構成要素について説明する。バッファメモリ3は、前述したように、撮像素子2から出力された撮像データを一時的に格納する記憶装置であり、本実施形態では2フレーム分の記憶容量を有するデュアルポートメモリである。
Next, components other than the
画像処理部4は、バッファメモリ3から転送される撮像データを画像処理することにより画像データに変換する機能を有する。この画像処理部4で行われる画像処理には、例えば図5に示すように、光が撮像素子2に入射する前に、画素回路211に対応するように、緑のフィルタを千鳥に配置すると共に、その緑のフィルタの間に赤及び青のフィルタを交互に配置した、いわゆるベイヤ配列のカラーフィルタに通しておいて、それによって得られる赤、緑、青の色情報を有する撮像データに対して、対象とする撮像データの実際の色を周囲の撮像データの色から推測する、いわゆる補間処理がある。この画像処理部4は、前記のような画像処理を行うために、撮像データ(いわゆるRAWデータ)を格納するための記憶装置を有している。尚、この記憶装置をバッファメモリ3として用いてもよい。
The
撮像モード切替部5は、制御部6からの制御信号に基づいて、クリアスイッチ212cをオン、オフするためのクリア制御信号ROを撮像素子2に送り、それによって各撮像素子2の撮像モードをNDRモード又はWDRモードにする機能を有する。但し、上述したように、撮像モードの切替は、主走査方向に連なる各電荷排出回路212を一単位として列単位に行なわれる。
The imaging
制御部6は、図示は省略するがCPUと、いわゆるワイヤードロジックで構成される演算部と、を備えて構成され、出力信号処理部22と周辺回路23とを制御することによって、撮像素子2の動作全体を制御する。制御部6はまた、各画素回路211について適切な撮像モードを判断し、撮像モード切替部5に対して判断した撮像モードにするように命令する機能を有する。このとき、制御部6は、判断した撮像モードを示すモード指定信号を撮像モード切替部5に送り、このモード指定信号に基づいて、撮像モード切替部5は、クリア制御信号ROを撮像素子2に送る。尚、図例では、制御部6とは別に、撮像モード切替部5の機能ブロックを設けているが、この制御部6の中に撮像モード切替部5の機能を含めてもよい。
Although not shown, the
次に、制御部6が実行する撮像モードの判断処理について、図7に示すフローチャートを参照しながら説明する。
Next, imaging mode determination processing executed by the
前述したように、撮像素子2から出力される撮像データは、640(画素)×480(ラスタ)のフレームを構成する。そうして、撮像装置1は、1秒間に30フレームを出力することによって動画を提供する。制御部6は、適切な撮像モードの判断を、撮像モード判定フレームに基づいて行う。そのために制御部6は、図6に示すように、所定枚数のフレームを出力する毎に撮像モード判定フレームを挿入することを命令する。本実施形態では、撮像装置1が30フレーム/秒に設定されているのに対し、0.5秒毎に適切な撮像モードの判断を行うべく、制御部6は、14枚のフレームを出力する毎に撮像モード判定フレームを挿入することを命令する。撮像モード判定フレームは、各画素回路211が第1撮像モードで撮像を行ったときの撮像データによって構成され、制御部6は、基本的には、その撮像モード判定フレーム内に飽和状態の撮像データが含まれているか否かに基づいて、適切な撮像モードを判断する。
As described above, the imaging data output from the
先ず、図7に示すフローチャートにおける各変数を定義すると、FCは撮像したフレーム数をカウントするフレームカウンタ、INSERTは撮像モード判定フレームの挿入の有無を示す挿入フラグ、INSERT_Rは撮像モード判定フレームを挿入するタイミングを制御する制御定数であり、ここでは15に設定している。また、PMは撮像モードを示すパラメータ、TEMPはパラメータPMを退避する退避変数である。 First, when each variable in the flowchart shown in FIG. 7 is defined, FC is a frame counter for counting the number of captured frames, INSERT is an insertion flag indicating whether or not an imaging mode determination frame is inserted, and INSERT_R is an imaging mode determination frame. This is a control constant for controlling the timing, and is set to 15 here. PM is a parameter indicating the imaging mode, and TEMP is a save variable for saving the parameter PM.
同フローチャートにおいて先ず、ステップS1では、以下のステップで使用する変数の初期化を行う。具体的には、フレームカウンタFCに0を、挿入フラグINSERTに0を、パラメータPMにNDRモードをそれぞれ入力する。 In the flowchart, first, in step S1, variables used in the following steps are initialized. Specifically, 0 is input to the frame counter FC, 0 is input to the insertion flag INSERT, and the NDR mode is input to the parameter PM.
続くステップS2では、ユーザーから撮像の指示がされているか否かを判定する。ユーザーから撮像の指示がされている場合には、ステップS3に移行する一方、ユーザーから撮像の指示がされていない場合には、処理を終了する。尚、撮像装置1がランタイムモニタ等のオペレーティングシステムを搭載している場合には、所定のブレーク期間を経て、ステップS1又はステップS2に戻るループを構成してもよい。
In the subsequent step S2, it is determined whether or not an instruction for imaging has been given by the user. If the user has instructed imaging, the process proceeds to step S3. On the other hand, if the user has not instructed imaging, the process ends. When the
前記ステップS3では、撮像モード判定フレームの挿入を行うか否かを判定する。具体的には、挿入フラグINSERTが0の場合にはステップS4に移行して撮像モード判定フレームの挿入を行う一方、挿入フラグINSERTが0でない場合にはステップS12に移行して撮像モード判定フレームの挿入を行わない。 In step S3, it is determined whether or not an imaging mode determination frame is to be inserted. Specifically, when the insertion flag INSERT is 0, the process proceeds to step S4 to insert an imaging mode determination frame, whereas when the insertion flag INSERT is not 0, the process proceeds to step S12 and the imaging mode determination frame is inserted. Do not insert.
まず、撮像モード判定フレームの挿入を行う(つまり、挿入フラグINSERTが0の場合)として説明を続けると、前記ステップS4では、パラメータPMを退避変数TEMPに退避する。 First, when the description is continued assuming that an imaging mode determination frame is inserted (that is, when the insertion flag INSERT is 0), in step S4, the parameter PM is saved in the save variable TEMP.
続くステップS5では、撮像モード切替部5に対して撮像モードをNDRモードにするように命令し、撮像を行う。このため、これまでNDRモードで撮像を行っていた場合は、そのままNDRモードで撮像を行うことになるのに対し、これまでWDRモードで撮像を行っていた場合は、NDRモードに切り替わることになる。これによって得られるNDRモードのフレームが撮像モード判定フレームとなる。
In subsequent step S5, the imaging
続くステップS6では、前記ステップS5で得られた撮像モード判定フレームをバッファメモリ3に格納する。
In subsequent step S6, the imaging mode determination frame obtained in step S5 is stored in the
続くステップS7では、バッファメモリ3に格納した撮像モード判定フレームの中に飽和状態の撮像データが含まれているか否かを判定(以下、飽和判定ともいう)する。このとき、撮像データが飽和状態にあるとは、例えば撮像データが8ビットで出力されているのであれば、その上限値である255のときであるとしてもよい。尚、本実施形態において、撮像データを8ビットで出力しているが、出力ビットは適宜変更してもよく、例えば10ビットや12ビットとしてもよい。また、所定の値(例えば、250)を超えたときには、撮像データが飽和状態にあると判断してもよい。こうすることで、アンプ211dや出力信号処理部22のADコンバータで、出力信号に生じ得る誤差の影響を回避することができる。尚、撮像データが飽和状態にあるとは、換言すれば、その撮像データを画像として出力したときに白飛びするということである。
In subsequent step S7, it is determined whether or not the imaging mode determination frame stored in the
飽和判定は、撮像モード判定フレームに含まれる全ての撮像データを対象として行ってもよいが、一部の撮像データに対してのみ行ってもよい。例えば、前述したベイヤ配列のカラーフィルタによって得られる赤、緑、青の色情報を有する撮像データのうち、緑の色情報をもつ撮像データのみを対象として判定を行ってもよい。緑の色情報は、人の視覚特性において輝度との相関が最も高くかつ、1フレーム内に千鳥に配置されるため判定対象の撮像データの数が半減し、判定に要する処理時間や処理リソースの点で有利になる。また、厳密性を求める場合には、撮像データの赤、緑、青の色情報から輝度成分(Y成分)を計算(YC分離)し、その輝度成分に基づいて飽和判定を行ってもよい。また、飽和判定は、撮像モード判定フレームから最も大きい値を有する撮像データを抽出し、その撮像データが所定の値を超えているか否かによって判定してもよい。さらに、飽和状態の撮像データが所定数以上存在しているときに、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていると判定してもよい。 The saturation determination may be performed on all the imaging data included in the imaging mode determination frame, but may be performed on only a part of the imaging data. For example, determination may be made only for imaging data having green color information among imaging data having red, green, and blue color information obtained by the Bayer array color filter described above. Green color information has the highest correlation with luminance in human visual characteristics, and is arranged in a staggered manner within one frame, so the number of image data to be determined is halved, and the processing time and processing resources required for determination are reduced. This is advantageous in terms. Further, when calculating the strictness, the luminance component (Y component) may be calculated (YC separation) from the red, green, and blue color information of the imaging data, and the saturation determination may be performed based on the luminance component. Further, the saturation determination may be performed by extracting imaging data having the largest value from the imaging mode determination frame and determining whether or not the imaging data exceeds a predetermined value. Furthermore, when there is a predetermined number or more of saturated imaging data, it may be determined that the imaging mode determination frame includes saturated imaging data.
そうして、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていると判断されるときは、ステップS8に移行する一方、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていないと判断されるときは、ステップS9に移行する。 If it is determined that the imaging mode determination frame includes saturated imaging data, the process proceeds to step S8, while the imaging mode determination frame does not include saturation imaging data. If so, the process proceeds to step S9.
前記ステップS8では、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれているため、より詳細には、撮像素子2の受光光量が大きく、NDRモードで撮像すると飽和状態になる撮像データが出力されるため、パラメータPMにWDRモードを入力する。そうして、ステップS10に移行する。
In Step S8, since the imaging mode determination frame includes the imaging data in the saturated state, more specifically, the imaging data that has a large amount of light received by the
前記ステップS9では、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれてないため、より詳細には、撮像素子2の受光光量が小さく、NDRモードで撮像しても飽和状態の撮像データが出力されないため、パラメータPMにNDRモードを入力する。そうして、ステップS14に移行する。
In step S9, since the imaging mode determination frame does not include saturated imaging data, more specifically, the amount of light received by the
前記ステップS10では、前記ステップS4で退避変数TEMPに退避しておいたパラメータPMがWDRモードであるか否かを判定する。そうして、退避変数TEMPがWDRモードのときは、ステップS11に移行する一方、退避変数TEMPがWDRモードでないときは、ステップS14に移行する。 In step S10, it is determined whether or not the parameter PM saved in the save variable TEMP in step S4 is in the WDR mode. Thus, when the save variable TEMP is in the WDR mode, the process proceeds to step S11. On the other hand, when the save variable TEMP is not in the WDR mode, the process proceeds to step S14.
前記ステップS11では、バッファメモリ3から前記ステップS6で格納した撮像モード判定フレームの1つ前に格納したフレームを取り出して画像処理部4に出力する。そうして、ステップS15に移行する。一方、前記ステップS14では、直近にバッファメモリ3に格納されたフレームを画像処理部4に出力する。つまり、前記ステップS6でバッファメモリ3に格納した撮像モード判定フレームを画像処理部4に出力する。そうして、ステップS15に移行する。
In step S 11, the frame stored immediately before the imaging mode determination frame stored in
ここで、ステップS11における撮像モード判定フレームの1つ前にバッファメモリ3に格納したフレームとは、退避変数TEMPが示すWDRモードで撮像したフレームのことである。つまり、撮像モード判定フレームが挿入される前に画像処理部4に出力されたフレームを2回続けて画像処理部4に出力することになる。すなわち、図8の(a)に示すように、撮像モード判定フレームを挿入する前に画像処理部4に出力されたフレームの撮像モードがWDRモードで、撮像モード判定フレームを挿入した後に画像処理部4に出力するフレームの撮像モードもWDRモードのときには、この状態のままフレームを画像処理部4に出力すると、連続して出力されるWDRモードのフレームの間に飽和状態の撮像データを含むNDRモードのフレームが画像処理部4に出力される。この撮像モードが一瞬切り替わる状態を動画として出力すると、動画を見ている人は一瞬白飛びした画像を見ることになり、違和感を感じてしまう。このことを防止するため、NDRモードの撮像モード判定フレームを画像処理部4に出力する代わりに、撮像モード判定フレームを挿入する前に画像処理部4に出力したWDRモードのフレームを2回続けて出力している。
Here, the frame stored in the
これに対し、図8の(b)に示す、撮像モード判定フレームを挿入する前に画像処理部4に出力されたフレームの撮像モードがNDRモードで、撮像モード判定フレームを挿入した後に画像処理部4に出力するフレームの撮像モードもNDRモードのときや、図8の(c)に示す、撮像モード判定フレームを挿入する前に画像処理部4に出力されたフレームの撮像モードがNDRモードで、撮像モード判定フレームを挿入した後に画像処理部4に出力するフレームの撮像モードがWDRモードのときや、図8の(d)に示す、撮像モード判定フレームを挿入する前に画像処理部4に出力されたフレームの撮像モードがWDRモードで、撮像モード判定フレームを挿入した後に画像処理部4に出力するフレームの撮像モードがNDRモードのときには、前述した撮像モードが一瞬だけ切り替わる状態が起きないので、ステップS14において、撮像モード判定フレームをそのまま画像処理部4に出力している。
On the other hand, the imaging mode of the frame output to the
尚、本実施形態では、上述のように撮像モード判定フレームとしてNDRモードで撮像したフレームを用いているが、これに換えて、WDRモードで撮像したフレームを用いることが可能である。何故ならば、NDRモードで撮像した際に出力が丁度飽和する状態をWDRモードで撮像すれば、NDRモードで飽和が発生するときのWDRモードにおける撮像データの値を特定することが可能だからである。 In the present embodiment, as described above, a frame imaged in the NDR mode is used as the imaging mode determination frame. However, a frame imaged in the WDR mode can be used instead. This is because it is possible to specify the value of imaging data in the WDR mode when saturation occurs in the NDR mode by imaging in the WDR mode when the output is just saturated when imaging in the NDR mode. .
さて、撮像モード判定フレームとしてWDRモードで撮像したフレームを用いた場合に問題となるのは、NDRモードで撮像していた状態で、WDRモードの撮像モード判定フレームを挿入し、ここで以降の撮像モードとしてNDRモードで撮像するよう判定された場合である。この場合は、上述のステップS11においてNDRモードで撮像したフレームを2回出力するように制御すればよい。これを一般化すると、撮像モード判定フレームの前後に連続するフレームが、撮像モード判定フレームで用いる撮像モードと異なる撮像モードで撮像されている場合は、撮像モード判定フレームを破棄して、撮像モード判定フレームの直前のフレームを再度出力するように制御する、ということになる。 Now, when a frame imaged in the WDR mode is used as the imaging mode determination frame, the problem is that the imaging mode determination frame in the WDR mode is inserted in the state where the image is captured in the NDR mode, and the subsequent imaging is performed here. This is a case where it is determined that an image is captured in the NDR mode as a mode. In this case, it is only necessary to perform control so that the frame imaged in the NDR mode is output twice in step S11 described above. To generalize this, if frames that are continuous before and after the imaging mode determination frame are captured in an imaging mode that is different from the imaging mode used in the imaging mode determination frame, the imaging mode determination frame is discarded and the imaging mode determination is performed. That is, control is performed so that the frame immediately before the frame is output again.
更に、上述したように撮像モード判定フレームとして、NDRモードのみならずWDRモードで撮像したフレームも採用できるのであるから、現在の(即ち、撮像モード判定フレームを挿入する直前に撮像されたフレームの)撮像モードがWDRモードであれば撮像モード判定フレームをWDRモードとし、現在の撮像モードがNDRモードであれば撮像モード判定フレームをNDRモードとして挿入すれば、図8(a)に示すような撮像モード判定フレームとその前後で撮像モードが切り替わるという不具合を解消することが可能となる。当該制御を採用した場合は、上述したような、同一フレームを2回にわたって出力することが回避される。 Furthermore, as described above, since the frame captured in the WDR mode as well as the NDR mode can be adopted as the imaging mode determination frame, the current (that is, the frame captured immediately before the imaging mode determination frame is inserted). When the imaging mode is the WDR mode, the imaging mode determination frame is set to the WDR mode. When the current imaging mode is the NDR mode, the imaging mode determination frame is inserted as the NDR mode. It is possible to eliminate the problem that the imaging mode is switched between the determination frame and before and after the determination frame. When this control is employed, it is possible to avoid outputting the same frame twice as described above.
尚、撮像モード判定フレームは、撮像モードの判定にのみ用い、画像処理部4には出力しないように、画素回路2から出力する単位時間当たりのフレーム数を、撮像装置1から出力する単位時間当たりのフレーム数よりも多くしてもよい。例えば、画素回路2が、1秒間に32フレームを出力するように構成することによって、撮像モード判定フレーム(尚、撮像モード判定フレームは1秒間に2枚である)を画像処理部4に出力しなくても、撮像装置1としては1秒間に30フレームを出力することが可能である。この場合は前述したフローチャートにおけるステップS11のような、同一フレームを2回にわたって出力することが回避される。
Note that the imaging mode determination frame is used only for determination of the imaging mode, and is not output to the
前記ステップS11及び前記ステップS14から移行してきた前記ステップS15では、フレームカウンタFCに1加算する。 In step S15 which has shifted from step S11 and step S14, 1 is added to the frame counter FC.
続くステップS16では、フレームカウンタFCを制御定数INSERT_Rで割り、その余りを挿入フラグINSERTに入力する。そうして、前記ステップS2に戻る。尚、本実施形態では、INSERT_Rを15に設定しており、14枚のフレームを出力する毎に、撮像モード判定フレームを挿入することができる。尚、制御定数INSERT_Rは、適宜変更してもよい。即ち、撮像装置1に別途ユーザー指定によるモード設定を設け、例えば、高速で動く被写体に対しては、制御定数INSERT_Rの値を小さくし、NDRモードとWDRモードの切換え機会を増加するような制御とすることが好ましい。
In subsequent step S16, the frame counter FC is divided by the control constant INSERT_R, and the remainder is input to the insertion flag INSERT. Then, the process returns to step S2. In this embodiment, INSERT_R is set to 15, and an imaging mode determination frame can be inserted every time 14 frames are output. Note that the control constant INSERT_R may be changed as appropriate. That is, a mode setting by user designation is separately provided in the
次に、挿入フラグINSERTが0でなく、撮像モード判定フレームの挿入を行わない場合は、前記ステップS3からステップS12に移行する。 Next, when the insertion flag INSERT is not 0 and the imaging mode determination frame is not inserted, the process proceeds from step S3 to step S12.
前記ステップS12では、撮像モード切替部5に対して撮像モードをパラメータPMの値にするように命令し、撮像を行う。従って、NDRモードで撮像している最中ではそのままNDRモードで撮像が行われ、WDRモードで撮像している最中ではそのままWDRモードで撮像が行われる。
In step S12, the imaging
続くステップS13では、前記ステップS12で得られるフレームをバッファメモリ3に格納する。そうして、前記ステップS14に移行する。
In the subsequent step S13, the frame obtained in step S12 is stored in the
前記ステップS14では、前述したように、直近にバッファメモリ3に格納されたフレームを画像処理部4に出力する。つまり、前記ステップS12でバッファメモリ3に格納したフレームを画像処理部4に出力する。そうして、ステップS15及びステップS16を経て、ステップS2に戻る。
In step S14, as described above, the most recently stored frame in the
このようにして、撮像装置1による撮像中には、NDRモードによって撮像された撮像データにより構成される撮像モード判定フレームに基づいて、適切な撮像モードが、NDRモードであるか、WDRモードであるかが判断され、その判断結果に基づいて、撮像素子2の撮像モードが適切な撮像モードに設定される。つまり、ダイナミックレンジが相対的に狭いNDRモードでの撮像が可能なときには、NDRモードで撮像が行われ、NDRモードでの撮像では飽和してしまうときには、ダイナミックレンジが相対的に広いWDRモードでの撮像が行われる。こうして、撮像装置1は、NDRモードとWDRモードとのそれぞれの利点を活かしつつ、それぞれの欠点を補うことによって、白飛び等を回避しつつ、高画質の撮像をすることができる。
In this manner, during imaging by the
尚、本実施形態では、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれているか否かを判定することのみに基づいて、それ以降に出力するフレームの撮像モードを決定しているが、例えば図9に示すように、前記ステップS7で撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていると判断された場合には、撮像モード判定フレームに含まれる全撮像データの平均値が所定値よりも大きいか否かを判定するステップS7Aに移行するようにしてもよい。 In the present embodiment, the imaging mode of a frame to be output after that is determined based only on whether or not the imaging mode determination frame includes saturated imaging data. As shown in FIG. 9, when it is determined in step S7 that the imaging mode determination frame includes saturated imaging data, the average value of all the imaging data included in the imaging mode determination frame is a predetermined value. You may make it transfer to step S7A which determines whether it is larger than this.
前記ステップS7Aでは、撮像モード判定フレームに含まれる全撮像データの平均値が所定値よりも大きいときに前記ステップS8に移行して、以降の撮像モードをWDRモードに設定する一方、撮像モード判定フレームに含まれる全撮像データの平均値が所定値以下のときには前記ステップS9に移行して、以降の撮像モードをNDRモードに設定する。これによって、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれており且つ、撮像モード判定フレームに含まれる全撮像データの平均値が所定値よりも大きいときにのみ、撮像モードをWDRモードとし、それ以外のときには、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていても、撮像モードをNDRモードとする。このことにより、撮像モード判定フレームにおいて飽和状態(つまり、高輝度)の撮像データが比較的広い範囲に拡がっているとき(平均値が所定値よりも大きいとき)には、白飛びの領域が広くなることから、撮像モードをWDRモードとして画像の白飛びを回避する一方、その飽和状態の撮像データが局所的にしかないとき(平均値が所定値以下のとき)には、白飛びの領域が局所的であることから、撮像モードをNDRモードとする。こうすることで、より人間の視覚に近い画像を得ることができる。 In step S7A, when the average value of all the imaging data included in the imaging mode determination frame is larger than a predetermined value, the process proceeds to step S8, and the subsequent imaging mode is set to the WDR mode, while the imaging mode determination frame is set. When the average value of all the imaging data included in is less than or equal to a predetermined value, the process proceeds to step S9, and the subsequent imaging mode is set to the NDR mode. As a result, the imaging mode is set to the WDR mode only when the imaging mode determination frame includes saturated imaging data and the average value of all the imaging data included in the imaging mode determination frame is greater than a predetermined value. In other cases, even when saturated imaging data is included in the imaging mode determination frame, the imaging mode is set to the NDR mode. As a result, when the imaging data in a saturated state (that is, high brightness) is spread over a relatively wide range (when the average value is larger than the predetermined value) in the imaging mode determination frame, the overexposed area is wide. Therefore, when the imaging mode is set to the WDR mode to avoid over-exposure of the image, and when the imaging data in the saturated state is only local (when the average value is equal to or less than a predetermined value), the over-exposed region is localized. Therefore, the imaging mode is set to the NDR mode. By doing so, an image closer to human vision can be obtained.
尚、人間は一般に画像の中央部を注視する傾向があるため、ステップS7Aにおいては、撮像モード判定フレームに含まれる全撮像データの平均値ではなく、撮像モード判定フレームの中央部に含まれる撮像データの平均値が所定値よりも大きいか否かを判定してもよい。このようにすることで人間の感覚とマッチングした撮像モードの判定が可能となる。 Note that since humans generally tend to gaze at the center of the image, in step S7A, not the average value of all the imaging data included in the imaging mode determination frame, but the imaging data included in the center of the imaging mode determination frame. It may be determined whether the average value of is greater than a predetermined value. In this way, it is possible to determine the imaging mode that matches the human sense.
また、図9に示す制御と同じ内容の制御であれば適宜変更してもよく、例えばステップS7とステップS7Aとの順序を入れ替えてもよい。 Moreover, as long as it is the control of the same content as the control shown in FIG. 9, you may change suitably, for example, you may replace the order of step S7 and step S7A.
さらに、図10に示すように、前記ステップS7で撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていると判断されたときには、所定の値以下の撮像データの発生頻度が所定の基準値よりも小さいか否かを判定するステップS7Bに移行するようにしてもよい。 Furthermore, as shown in FIG. 10, when it is determined in step S7 that the imaging mode determination frame includes saturated imaging data, the frequency of occurrence of imaging data below a predetermined value is greater than a predetermined reference value. Alternatively, the process may proceed to step S7B for determining whether the value is smaller.
前記ステップS7Bでは、撮像モード判定フレームにおいて所定の値以下の撮像データの発生頻度が所定の基準値よりも小さい場合に前記ステップS8に移行して、以降の撮像モードをWDRモードに設定する一方、撮像データの発生頻度が所定の基準値以上の場合には前記ステップS9に移行して、以降の撮像モードをNDRモードに設定する。これによって、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれており且つ、撮像モード判定フレームにおいて所定の値以下の撮像データの発生頻度が所定の基準値よりも小さいときにのみ、撮像モードをWDRモードとし、それ以外のときには、撮像モード判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていても、撮像モードをNDRモードとする。すなわち、前記と同様に、撮像モード判定フレームにおいて飽和状態の撮像データが比較的広い範囲に拡がっているとき(発生頻度が基準値よりも小さいとき)には、白飛びの領域が広くなることから、撮像モードをWDRモードとして画像の白飛びを回避する一方、撮像モード判定フレームにおいて飽和状態の撮像データが局所的にしかないとき(発生頻度が基準値以上のとき)には、白飛びの領域が局所的であり、画像全体としては暗いと判断されることから撮像モードをNDRモードとする。 In step S7B, when the occurrence frequency of imaging data below a predetermined value in the imaging mode determination frame is smaller than a predetermined reference value, the process proceeds to step S8, and the subsequent imaging mode is set to the WDR mode. If the occurrence frequency of the imaging data is greater than or equal to a predetermined reference value, the process proceeds to step S9, and the subsequent imaging mode is set to the NDR mode. Thus, the imaging mode is changed only when the imaging mode determination frame includes saturated imaging data and the frequency of occurrence of imaging data below a predetermined value in the imaging mode determination frame is smaller than a predetermined reference value. In the WDR mode, otherwise, the imaging mode is set to the NDR mode even when the imaging mode determination frame includes saturated imaging data. That is, as described above, when the imaging data in the saturation state in the imaging mode determination frame is spread over a relatively wide range (when the occurrence frequency is smaller than the reference value), the whiteout region becomes wide. When the imaging mode is set to the WDR mode to avoid overexposure of the image, and when the imaging data in the imaging mode determination frame is only in a saturated state (when the occurrence frequency is equal to or higher than the reference value), the overexposed region is Since it is determined to be local and the entire image is dark, the imaging mode is set to the NDR mode.
尚、このステップS7Bにおいても、前記と同様に撮像モード判定フレームの中央部に含まれる撮像データのみを頻度計測する対象としてもよい。 In step S7B as well, only the imaging data included in the central portion of the imaging mode determination frame may be subject to frequency measurement in the same manner as described above.
また、図10に示す制御と同じ内容の制御であれば適宜変更してもよく、例えば前記ステップS7Bにおいては、所定の値以上の撮像データの発生頻度が所定値よりも大きいか否かを判定し、所定の値以上の撮像データの発生頻度が所定値よりも大きいときに撮像モードをWDRモードにする処理にしたり、ステップS7とステップS7Bとの順序を入れ替えたりしてもよい。 Further, the control may be appropriately changed as long as the control has the same content as the control shown in FIG. Then, when the occurrence frequency of imaging data greater than or equal to a predetermined value is greater than the predetermined value, the imaging mode may be changed to the WDR mode, or the order of step S7 and step S7B may be switched.
また、本実施形態では、飽和判定の結果に基づいて、撮像モード判定フレームの次のフレーム以降のフレームの撮像モードを決定し、リアルタイムに撮像モードの変更を行っているが、例えば撮像モード判定フレームで判定した結果を所定の時間(例えば0.5秒間)だけ保留し、その後もう一度飽和判定をして、双方の結果が一致した場合にのみ、飽和判定により決定した撮像モードで以降に出力するフレームを撮像してもよい。こうすることで、通常、マクロな入射光量は緩やかに変化するのに対し、例えば撮像データに含まれるノイズ等の影響により、撮像データが飽和状態の境で前後して飽和判定の結果がその判定毎に入れ替わったとしても、実際の撮像モードが頻繁に入れ替わることを防止することができる。 Further, in the present embodiment, the imaging mode of a frame subsequent to the imaging mode determination frame is determined based on the saturation determination result, and the imaging mode is changed in real time. Frames that are output in the imaging mode determined by the saturation determination only when the result determined in is held for a predetermined time (for example, 0.5 seconds), and then the saturation determination is performed again and both results match. May be imaged. In this way, the amount of incident light normally changes gradually, but the result of the saturation determination is that the result of the saturation determination before and after the saturation of the imaging data due to the noise included in the imaging data, for example. Even if they are changed every time, it is possible to prevent the actual imaging mode from being changed frequently.
さらに、本実施形態では、撮像モード判定フレームの画素全体をNDRモードの撮像データで構成しているが、本撮像素子2は、図3等に示すように、画素回路211と蓄積電荷排出回路212とが1:1対応であって、画素回路211毎に、個別にNDRモードとWDRモードとを設定し得る構成であることを利用して、例えば図11の(a)に示すように、撮像モード判定フレームを、NDRモードの撮像データで構成されるラスタとWDRモードで構成されるラスタとが交互になるように構成してもよい。こうすることで、飽和判定をするときには当該撮像モード判定フレームにおける半数の撮像データを判定対象として飽和判定をすることができる。また、その内の緑の色情報をもつ撮像データをさらに抽出して、それを判定対象として飽和判定をしてもよい。これによって、処理時間の短縮や処理リソースの軽減を図ることができる。このことは、撮像装置のコストを低減する点で有利である。尚、飽和判定の判定対象を減少させるサンプリングは、本実施形態のように640×480画素のVGA相当の撮像素子においても有効であると共に、例えば1280×1024画素(いわゆるSXGA)や1600×1200画素(いわゆるUXGA)のような高解像度の撮像素子を用いる場合に、特に有効である。
Furthermore, in the present embodiment, the entire pixels of the imaging mode determination frame are configured by imaging data in the NDR mode. However, the
尚、図14のように、副走査方向に隣接する2つの画素回路211間で1つの蓄積電荷排出回路212を共有する場合には、前述したように1ラスタ単位でシャッタを切ることによる不具合が想定されるので、図11の(b)に示すように、2ラスタ単位でNDRモードの撮像データとWDRモードの撮像データとが交互になるように撮像モード判定フレームを構成すればよい。尚、このとき、図14に示す1つの画素グループは、WDRモード又はNDRモードで撮像するラスタに完全に包含される必要があり、1つの画素グループがWDRモードとNDRモードの両方に跨るように設定すべきではない。
As shown in FIG. 14, when one accumulated
また、前記実施形態では、撮像モード判定フレームを周期的に挿入し、最適な撮像モードを周期的に判定しているが、変形例として、撮像素子2から、時系列で出力される各フレームをNDRモードの撮像データ(ラスタ)とWDRモードの撮像データ(ラスタ)とによって構成すると共に、時間的に連続する2つのフレームでラスタを合成することで、撮像モード判定フレームを等価的に構成すると共に、その撮像モード判定フレームに基づく判定結果に応じて、時間的に連続する2つのフレーム間でラスタを適宜合成して、撮像装置1から出力するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the imaging mode determination frame is periodically inserted and the optimal imaging mode is periodically determined. However, as a modification, each frame output in time series from the
即ち、この変形例は、撮像モード切替部5によって切り替えられた撮像モードに基づいて、撮像素子2は、フレームを構成するNDRモードで撮像した出力信号に基づくラスタ(第1撮像モードラスタ)と、WDRモードで撮像した出力信号に基づくラスタ(第2撮像モードラスタ)とを出力する。そして制御部6は、第1撮像モードラスタと第2撮像モードラスタのうち、一方の撮像モードのラスタに含まれる出力信号(バッファメモリ3に格納された撮像データ)に基づいて、選択されるべき撮像モードを判定するとともに、この判定結果に基づいて、フレーム及び、このフレームの直前に撮像されたフレームから、第1撮像モードラスタ又は第2撮像モードラスタを選択し、合成するようにしたものである。
That is, in this modification, based on the imaging mode switched by the imaging
具体的には、前記フレームカウンタFCが偶数のときには、図12の(a)に示すように、副走査方向(同図の上下方向)における奇数行目(行数は1からカウントするものとする)のラスタ(以下、奇数ラスタともいう)はNDRモードの撮像データによって構成する一方、偶数行目のラスタ(以下、偶数ラスタともいう)はWDRモードの撮像データによって構成する。つまり、1つのフレーム内において、NDRモードで撮像されたラスタと、WDRモードで撮像されたラスタは相互に隣接するよう交互に配置されている。 Specifically, when the frame counter FC is an even number, as shown in FIG. 12A, the odd-numbered row (number of rows is counted from 1) in the sub-scanning direction (vertical direction in the drawing). ) Raster (hereinafter also referred to as odd-numbered raster) is constituted by imaging data in NDR mode, while a raster in even-numbered rows (hereinafter also referred to as even-numbered raster) is constituted by imaging data in WDR mode. That is, in one frame, rasters captured in the NDR mode and rasters captured in the WDR mode are alternately arranged so as to be adjacent to each other.
一方、前記フレームカウンタFCが奇数のときには、図12の(b)に示すように、同図(a)とは逆に、奇数ラスタをWDRモードの撮像データによって構成する一方、偶数ラスタをNDRモードの撮像データによって構成する。つまり、隣接するフレーム間において、NDRモードで撮像されたラスタとWDRモードで撮像されたラスタの位置を入れ替えるようにしている。 On the other hand, when the frame counter FC is an odd number, as shown in FIG. 12 (b), contrary to FIG. 12 (a), the odd raster is composed of imaging data in the WDR mode, while the even raster is in the NDR mode. It is comprised by the imaging data of. That is, the positions of rasters captured in the NDR mode and rasters captured in the WDR mode are exchanged between adjacent frames.
尚、NDRモードで撮像されたラスタとWDRモードで撮像されたラスタは逆にしてもよい。そうして、制御部6は、図13に示すように、フレームカウンタFCが1の場合には、フレームカウンタFCが0のときにバッファメモリ3に格納したフレーム(以下、第0フレームともいう)から奇数ラスタの撮像データ(つまり、NDRモードの撮像データ)を抽出すると共に、フレームカウンタFCが1のときにバッファメモリ3に格納したフレーム(以下、第1フレームともいう)から偶数ラスタの撮像データ(つまり、NDRモードの撮像データ)を抽出する。こうして、第0及び第1フレームによって、等価的に、NDRモードの撮像データのみにより構成される撮像モード判定フレームを作成する。そうして、この等価的な撮像モード判定フレームからさらに緑の色情報をもつ撮像データを抽出して飽和判定をする。尚、飽和判定は、前述の種々の判定方法を採用することが可能である。
The raster imaged in the NDR mode and the raster imaged in the WDR mode may be reversed. Then, as shown in FIG. 13, when the frame counter FC is 1, the
ここで、撮像データ判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれている場合には、制御部6は、第0フレームの偶数ラスタの撮像データ(つまり、WDRモードの撮像データ)と第1フレームの奇数ラスタの撮像データ(つまり、WDRモードの撮像データ)とを合成して画像処理部4に出力(DMA転送)する。
Here, when the imaging data determination frame includes saturated imaging data, the
これに対し、撮像データ判定フレームに飽和状態の撮像データが含まれていない場合には、制御部6は、第0フレームの奇数ラスタの撮像データ(つまり、NDRモードの撮像データ)と第1フレームの偶数ラスタの撮像データ(つまり、NDRモードの撮像データ)とを合成して画像処理部4に出力(DMA転送)する。
On the other hand, when the imaging data determination frame does not include saturated imaging data, the
第0フレームと第1フレームとを合成して画像処理部4に出力するのと並行して、撮像素子2は、フレームカウンタFCが2のフレーム(以下、第2フレームともいう)をバッファメモリ3に出力する。
In parallel with the synthesis of the 0th frame and the 1st frame and output to the
そうして、今度は第1フレームの偶数ラスタの撮像データと第2フレームの奇数ラスタの撮像データを基にして前記と同様に飽和判定をする。このとき、制御部6は、既に第1フレームについては飽和判定をしているので、第2フレームにおける奇数ラスタの撮像データ(つまり、NDRモードの撮像データ)ついてのみ飽和判定を行えばよい。このとき、既に行なった第1フレームの飽和判定の結果と、新たに行なった第2フレームの飽和判定の結果が異なる場合は、時系列的な順序が後である第2フレームに基づく判定結果を優先させるようにしてもよい。
Then, the saturation determination is performed in the same manner as described above based on the even-numbered raster image data of the first frame and the odd-numbered raster image data of the second frame. At this time, since the
尚、本実施形態では、連続する2つのフレームからNDRモードで撮像したラスタを抽出し、これを合成して撮像モード判定フレームを等価的に構成しているが、NDRモードで撮像したラスタに替えて、WDRモードで撮像したラスタを用いてもよい。 In this embodiment, a raster imaged in the NDR mode is extracted from two consecutive frames, and these are combined to form an equivalent imaging mode determination frame. However, the raster imaged in the NDR mode is used instead. A raster imaged in the WDR mode may be used.
また、隣接するラスタ間では一般的に画像の相間は非常に高いため、撮像モード判定フレームとして640×480画素の画像を構築するのではなく、1回の撮像で得られたNDRモードで撮像されたラスタ(あるいはWDRモードで撮像されたラスタ)のみに基づいて、飽和判定等を行なうようにしてもよい。 In addition, since the phase between images is generally very high between adjacent rasters, an image of 640 × 480 pixels is not constructed as an imaging mode determination frame, but an image is captured in the NDR mode obtained by one imaging. Saturation determination or the like may be performed based on only the raster (or the raster imaged in the WDR mode).
以降は、前記と同様の制御を繰り返し行うことによって、合成したフレームを連続的に画像処理部4に出力する。こうすることでも、NDRモードの撮像データに基づくフレームと、WDRモードの撮像データに基づくフレームとが切り替わりながら出力されるため、白飛び等を回避しつつ、しかも不必要にコントラストが低下したり、階調が低下したりすることを回避した動画像を得ることができる。また、この制御を行うことによって、いわゆるプログレッシブスキャンと同様の効果が得られるので、高速で動く被写体であっても画像ぶれの少ない動画を得ることができるという付随的な効果を得ることもできる。
(実施形態2)
次に、図17を参照しながら、本発明の実施形態2に係る撮像装置101について説明する。実施形態2に係る撮像装置101は、WDRモードにおける動作が、実施形態1に係る撮像装置1と異なる。具体的に実施形態2に係る撮像装置101では、電荷排出動作を実行するWDRモードにおいて、その電荷排出を開始する電位(蓄積電荷量)を変更することによって、ダイナミックレンジを変更するようにしている。
Thereafter, by repeating the same control as described above, the synthesized frames are continuously output to the
(Embodiment 2)
Next, the
この実施形態2に係る撮像装置101は、電源電位ノードと、反転アンプと、制御部の機能と、撮像モード切替部の機能と、が実施形態1と異なる。そこで、実施形態1と同様の構成は、同じ符号を付して、実施形態1と異なる構成を中心に説明する。
The
撮像装置101は、制御電位発生部212eの入力ノードが、第5ノードN5及び撮像モード切替部5に接続されると共に、クリアスイッチ212cをオンにすることによって第5ノードN5に供給される電源電位が、電源電位ノードN3から供給される電源電位VDDとされた構成となっている。
In the
制御部6は、実施形態1と同様に、撮像素子2全体の動作を制御すると共に、撮像モード切替部5に対してモード指定信号を送信する一方で、実施形態1とは異なり、詳しくは後述するが、フレームに含まれる撮像データに基づいて、WDRモードにおける蓄積電荷の排出開始電位に係る電位指定信号を決定し、その電位指定信号を撮像モード切替部5に送信する。尚、本実施形態では、電位指定信号の出力ビット数を8ビットにしている。
Similar to the first embodiment, the
撮像モード切替部5は、実施形態1と同様に、制御部6からのモード指定信号に基づいて、クリア制御信号RO及びRO_1,RO_2・・・を撮像素子2に送り、それによって各画素回路211の撮像モードをNDRモード又はWDRモードにする一方で、実施形態1で説明した構成に加えて、制御部6からの電位指定信号をデジタル信号からアナログ信号に変換し、そのアナログ信号に変換した電荷排出指定電位V_refを制御電位発生部212eに出力するポートを備える。
As in the first embodiment, the imaging
制御電位発生部212eは、実施形態1における反転アンプ212dに加算器を追加して構成されており、第5ノードN5の電位(以下、第5ノード電位ともいう)V_n5と、撮像モード切替部5から入力される電荷排出指定電位V_refと、に基づくアナログ信号を演算することによって制御電位Vgを生成し、それを出力する。
The control
ここで、WDRモードにおける制御電位Vgの特性について、図18を参照しながら説明する。 Here, the characteristics of the control potential Vg in the WDR mode will be described with reference to FIG.
図18は、第1ノードN1から電荷排出ゲート212aを介して第5ノードN5に排出された溢れ電荷量deに対する制御電位Vgの特性を示している。この図において、V_ref0,V_ref1,V_ref2,V_ref3及びV_ref4は、それぞれ制御部6から出力される前記電位指定信号(8ビット)が0,63,127,191及び255のときの電荷排出指定電位に対応する。
FIG. 18 shows the characteristic of the control potential Vg with respect to the overflow charge amount de discharged from the first node N1 to the fifth node N5 through the
制御電位Vgは、溢れ電荷量deが0のときには、電荷排出指定電位V_refに等しくなる一方、溢れ電荷量deが0よりも大きいときには、溢れ電荷量deの増加に比例して増加する特性を有する。従って、制御電位Vgは、下記(1)式で表すことができる。 When the overflow charge amount de is 0, the control potential Vg is equal to the charge discharge designated potential V_ref, and when the overflow charge amount de is larger than 0, the control potential Vg increases in proportion to the increase of the overflow charge amount de. . Therefore, the control potential Vg can be expressed by the following formula (1).
Vg=V_ref+k×de ・・・(1)
ここで、kは溢れ電荷量deの増分に対する制御電位Vgの増分、すなわち傾きを表す。
Vg = V_ref + k × de (1)
Here, k represents the increment of the control potential Vg with respect to the increment of the overflow charge amount de, that is, the inclination.
この(1)式は下記(2)式に変形することができる。 This equation (1) can be transformed into the following equation (2).
Vg=V_ref+k×VDD−k×(VDD−de) ・・・(2)
この(2)式において、VDDは電源電位ノードN3から供給される電源電位であるので、VDD−deは第5ノード電位V_n5と等価である。従って、下記(3)式と表すことができる。
Vg = V_ref + k * VDD-k * (VDD-de) (2)
In the formula (2), VDD is a power supply potential supplied from the power supply potential node N3, so VDD-de is equivalent to the fifth node potential V_n5. Therefore, it can be expressed as the following formula (3).
Vg=V_ref+k×VDD−k×V_n5 ・・・(3)
この(3)式は、下記(4)式に変形することができる。
Vg = V_ref + k × VDD−k × V_n5 (3)
This equation (3) can be transformed into the following equation (4).
Vg=V_ref+k(VDD−V_n5) ・・・(4)
この(4)式の第2項のVDD−V_n5は減算であるので、減算器ないし反転アンプで構成することができる。また、傾きkは、減算後の出力に対する増幅率ないし反転アンプの増幅率によって設定することができる。また、(4)式の第1項と第2項との加算は、加算器で行うことができる。そのため、本実施形態では、制御電位Vgが(1)式で表されるような特性となるように、制御電位発生部212eを反転アンプ(あるいは減算器)と加算器とで構成している。
Vg = V_ref + k (VDD−V_n5) (4)
Since VDD-V_n5 in the second term of the equation (4) is subtraction, it can be constituted by a subtractor or an inverting amplifier. Further, the slope k can be set by the amplification factor for the output after subtraction or the amplification factor of the inverting amplifier. Further, the addition of the first term and the second term in the equation (4) can be performed by an adder. Therefore, in the present embodiment, the control
つまり、第1ノードN1から第5ノードN5に電荷が排出される前の制御電位Vgは、電荷排出指定電位V_refと等価であり、この電荷排出指定電位V_refが電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の初期高さに相当することから、実施形態2においては、撮像モード切替部5が、制御部6からの電位指定信号に応じた電荷排出指定電位V_refを制御電位発生部212eに出力することによって、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の初期高さを変更設定することができる。そうして、第1ノードN1の電荷が電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁を越えてオーバーフロードレイン212bに蓄積された後は、実施形態1と同様に、第5ノード電位V_n5が低下し、それによって制御電位Vgが上昇し、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の高さが低下するので、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷排出が促進されることになる。
That is, the control potential Vg before the charge is discharged from the first node N1 to the fifth node N5 is equivalent to the charge discharge specified potential V_ref, and this charge discharge specified potential V_ref is the initial potential barrier of the
ここで、蓄積電荷排出動作を実行するWDRモードにおいて、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の初期高さの変更に伴う、電荷排出動作の変化について説明する。尚、以下の説明には、実施形態1における説明と一部重複する部分がある。
Here, in the WDR mode in which the accumulated charge discharging operation is performed, a change in the charge discharging operation accompanying a change in the initial height of the potential barrier of the
先ず、制御部6が撮像モード切替部5に電位指定信号として「63」を送信するとき(図18のV_ref1に該当)のように、比較的小さい電荷排出指定電位V_refを制御電位発生部212eに入力するときの電荷の動きについて、図19を参照しながら説明する。
First, when the
図19は、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の状態と、電荷の動きと、を模式的に示した図である。この図において、縦軸はポテンシャル障壁の高さを表す一方、横軸において、W1は第5ノードN5(オーバーフロードレイン容量)の配置領域(以下、オーバーフロードレイン領域ともいう)に、W2は電荷排出ゲート212aの配置領域(以下、電荷排出ゲート領域ともいう)に、W3はフォトダイオード211aの配置領域(以下、フォトダイオード領域ともいう)に、W4は転送トランジスタ211bの配置領域(以下、転送トランジスタ領域ともいう)に、W5は第2ノードN2(いわゆるフローティングデフュージョン)の配置領域(以下、フローティングデフュージョン領域ともいう)に、それぞれ対応する。
FIG. 19 is a diagram schematically showing the state of the potential barrier of the
図19に示すように、制御電位Vgの原点は縦軸の上方にあり、制御電位Vgの値が大きくなるほど、ポテンシャル障壁のピークは下方に移動、つまりポテンシャル障壁の高さは低く設定される。 As shown in FIG. 19, the origin of the control potential Vg is above the vertical axis, and as the value of the control potential Vg increases, the potential barrier peak moves downward, that is, the potential barrier height is set lower.
図19の(a)に示す、第1ノードN1から第5ノードN5に電荷が排出される前において、制御電位Vgは、前述したように電荷排出指定電位V_refと等価であるため、電荷排出指定電位V_refと同様に比較的小さく、基板電位(つまり0V)との差が比較的小さくなっている。そのため、電荷排出ゲート212aの初期のポテンシャル障壁は、比較的高く設定されている。この状態において、フォトダイオード211aが受光することによって発生する電荷は、フォトダイオード211aのポテンシャル井戸(つまり、フォトダイオード領域W3)に蓄積される。
Before the charge is discharged from the first node N1 to the fifth node N5 shown in FIG. 19A, the control potential Vg is equivalent to the charge discharge specified potential V_ref as described above. Like the potential V_ref, it is relatively small, and the difference from the substrate potential (that is, 0 V) is relatively small. Therefore, the initial potential barrier of the
フォトダイオード211aの受光光量が増大するにつれて、フォトダイオード領域W3に電荷がさらに蓄積されると、図19の(b)に示すように、電荷が電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁を越えて、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に溢れ出る。
As the amount of light received by the
そうして、前記フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に溢れ出た電荷がオーバーフロードレイン領域W1に蓄積される(電荷排出動作を行うため、クリアスイッチ212cはオフである)。このオーバーフロードレイン領域W1に電荷が蓄積されることによって、第5ノード電位V_n5は低下し、前記(4)式によっても理解できるように、制御電位Vgが大きくなるので、図19の(c)に示すように、電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁の高さは低下する。その結果、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に電荷がさらに溢れ出ることになる。こうして、蓄積電荷排出動作が促進されることになる。
Thus, the charges overflowing from the photodiode region W3 to the overflow drain region W1 are accumulated in the overflow drain region W1 (the
このとき、フォトダイオード領域W3における電荷の蓄積量は、フォトダイオード211aで新たに発生する電荷の量と、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に排出される電荷の量と、のバランスによって決まる。
At this time, the amount of charge accumulated in the photodiode region W3 is determined by the balance between the amount of charge newly generated in the
仮に、電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁の高さが低下せずに一定であるとすると、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に排出される電荷の量は、フォトダイオード211aで発生する電荷の量に比例する。このことは、一定の抵抗値を有する抵抗に対し電圧を印加するときに、電圧を大きくすると電流も比例して大きくなることと同様の仕組みである。そのため、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に電荷が排出されていても、フォトダイオード領域W3に蓄積される電荷の量は、増加率は電荷が排出されていないときよりも低下するものの、フォトダイオード211aで発生する電荷の量の増加に伴って、線形的に増加する。
If the potential barrier height of the charge discharge gate region W2 is constant without decreasing, the amount of charge discharged from the photodiode region W3 to the overflow drain region W1 is the amount of charge generated in the
これに対し、本発明の撮像装置では、オーバーフロードレイン領域W1における電荷の蓄積量が増加することに伴って、電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁の高さが低下するので、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に排出される電荷の量は、フォトダイオード211aで発生する電荷の量の増加に伴って、比例して増加せずに、加速的に増加する。また、撮像装置101は、実施形態1と同様に、電荷排出ゲート212aのゲート幅及びゲート長(あるいは不純物濃度)を調整することによって、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷の排出能力が抑制されており、それによって、フォトダイオード211aで新たに発生する電荷の量が、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷の排出量を上回るように構成されている。このことから、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に電荷が排出されているときにフォトダイオード領域W3に残存する電荷の量は、新たに生成される電荷量と排出される電荷量とのバランスによって自律的に調整され、フォトダイオード211aで発生する電荷の量の増加に伴って、線形的に増加せずに、対数的に増加することになる。ここで、撮像データの値(撮像素子の出力値)は、フォトダイオード領域W3における電荷の蓄積量に基づいているので、図22に示すように、フォトダイオード211aの受光光量が比較的大きくないとき(つまり、フォトダイオード211aの受光光量が小から中程度であって、蓄積電荷が電荷排出ゲートを越えて溢れない状況)には、フォトダイオード211aの受光光量の増加に伴い線形的に増加する一方、フォトダイオード211aの受光光量が比較的大きくなったときに電荷の排出を開始して、それ以降は、フォトダイオード211aの受光光量の増加に伴い対数的に増加する。つまり、撮像データの値は、線形特性と対数特性とが繋がったハイブリッドな出力特性を示す。そのため、線形特性の撮像データよりもダイナミックレンジが拡大する。更に、線形特性となる領域を有することから、低輝度域(受光光量が小さい状態)において受光光量の増加に伴い急激に出力が増加する単純な対数特性と比較して、実質的な階調数を多く確保することが可能となる。
On the other hand, in the imaging device of the present invention, the height of the potential barrier of the charge discharge gate region W2 decreases as the amount of accumulated charge in the overflow drain region W1 increases, and therefore overflows from the photodiode region W3. The amount of charge discharged to the drain region W1 does not increase in proportion to the amount of charge generated in the
次に、制御部6が撮像モード切替部5に電位指定信号として「191」を送信するとき(図18のV_ref3に該当)のように、比較的大きい電荷排出指定電位V_refが制御電位発生部212eに入力されるときの電荷の動きについて、図20を参照しながら説明する。
Next, when the
図20の(a)に示す、第1ノードN1から第5ノードN5に電荷が排出される前において、制御電位Vgは、前述したように、電荷排出指定電位V_refと等価であるため、電荷排出指定電位V_refと同様に比較的大きく、基板電位(つまり0V)との差が比較的大きくなっている。そのため、電荷排出ゲート212aの初期のポテンシャル障壁の高さは、図19の(a)と比較して低く設定されている。
Before the charge is discharged from the first node N1 to the fifth node N5 shown in FIG. 20A, the control potential Vg is equivalent to the charge discharge designated potential V_ref as described above. Similar to the specified potential V_ref, it is relatively large, and the difference from the substrate potential (that is, 0 V) is relatively large. Therefore, the height of the initial potential barrier of the
図20の(a)の状態からフォトダイオード領域W3に電荷が蓄積されると、同図の(b)に示すように、初期のポテンシャル障壁の高さが低い分、フォトダイオード211aの受光光量が比較的小さいときであっても、電荷が電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁を越えて、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に溢れ出す。
When charges are accumulated in the photodiode region W3 from the state of FIG. 20A, the received light quantity of the
そうして、前記フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に溢れ出た電荷がオーバーフロードレイン領域W1に蓄積されて、電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁の高さがさらに低下する(図20の(c)参照)。その結果、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に電荷がさらに溢れ出す。 Thus, the charges overflowing from the photodiode region W3 to the overflow drain region W1 are accumulated in the overflow drain region W1, and the potential barrier height of the charge discharge gate region W2 is further lowered ((c in FIG. 20). )reference). As a result, charges further overflow from the photodiode region W3 to the overflow drain region W1.
このことから、電荷排出が開始された以降は、初期のポテンシャル障壁の高さが高い場合と同様に、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に電荷が排出されているときにフォトダイオード領域W3に蓄積される電荷の量は、フォトダイオード211aで発生する電荷の量に対して線形的に増加せずに、対数的に増加する。従って、図23に示すように、撮像データの値は、線形特性と対数特性とが繋がったハイブリッドな特性を示す一方、前記初期のポテンシャル障壁の高さが高い場合と比較して、フォトダイオード211aの受光光量が比較的小さいときから電荷排出が開始されるため、対数特性を示す範囲が相対的に広くなる。そのため、初期のポテンシャル障壁の高さが低いとき(図23)は、その初期のポテンシャル障壁の高さが高いとき(図22)よりもダイナミックレンジが拡大する。
Therefore, after the charge discharge is started, the charge is discharged to the photodiode region W3 when the charge is discharged from the photodiode region W3 to the overflow drain region W1, as in the case where the initial height of the potential barrier is high. The amount of accumulated charge does not increase linearly with respect to the amount of charge generated in the
このように、制御電位発生部212eに入力する電荷排出指定電位V_refを変えることによって、電荷排出ゲート212aの初期のポテンシャル障壁の高さが変わり、撮像素子2のダイナミックレンジを変えることができる。
As described above, by changing the charge discharge designated potential V_ref input to the control
次に参考として、撮像モードがNDRモードのときの電荷の動きについて、図21を参照しながら説明する。NDRモードにおいては、電位指定信号を例えば「8」にして、小さい電荷排出指定電位V_refを制御電位発生部212eに入力することにより初期のポテンシャル障壁の高さを高くすることが好ましい。尚、電位指定信号は、0よりも大きくかつ、比較的小さい値で適宜設定すればよい。
Next, for reference, the movement of charge when the imaging mode is the NDR mode will be described with reference to FIG. In the NDR mode, it is preferable to increase the initial potential barrier height by setting the potential designation signal to “8”, for example, and inputting a small charge discharge designation potential V_ref to the control
図21の(a)に示す、第1ノードN1から第5ノードN5に電荷が排出される前において、制御電位Vgは、前述したように、電荷排出指定電位V_refと等価であるため、電位指定信号ひいては電荷排出指定電位V_refと同様に比較的小さく、基板電位(つまり0V)と略同じになっている。そのため、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁は比較的高くなっている。
Before the charge is discharged from the first node N1 to the fifth node N5 shown in (a) of FIG. 21, the control potential Vg is equivalent to the charge discharge specified potential V_ref as described above. The signal and the charge discharge designated potential V_ref are comparatively small and substantially the same as the substrate potential (that is, 0 V). Therefore, the potential barrier of the
図21の(a)の状態からフォトダイオード領域W3に電荷が蓄積され、同図の(b)に示すように、フォトダイオード211aの電荷が電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁を越えると、フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に溢れ出す。このとき、クリアスイッチ212cがオンである(つまり、第5ノードN5と電源電位ノードN3とが接続されている)ので、前記フォトダイオード領域W3からオーバーフロードレイン領域W1に溢れ出た電荷は、直ちに電源電位ノードN3に吸引され、オーバーフロードレイン領域W1に蓄積されることなく消滅する。そのため、制御電位Vgは変化せず、電荷排出ゲート領域W2のポテンシャル障壁の高さは低下することなく、一定のままとなる。
When charge is accumulated in the photodiode region W3 from the state of FIG. 21A and the charge of the
そうして、蓄積電荷の転送タイミングにおいて転送制御信号TGをHiにすることによって、第1ノードN1と第2ノードN2とを接続し、それによって、図21の(c)に示すように、フォトダイオード領域W3に蓄積された電荷をフローティングデフュージョン領域W5に転送する。このフローティングデフュージョン領域W5に転送された電荷は、アンプ211d及び出力信号処理部22を通じて撮像素子2から撮像データとして出力される。
Then, the transfer control signal TG is set to Hi at the transfer timing of the accumulated charge, thereby connecting the first node N1 and the second node N2, and as shown in FIG. The charge accumulated in the diode region W3 is transferred to the floating diffusion region W5. The charges transferred to the floating diffusion region W5 are output as image data from the
このことから、NDRモードでは、電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁の高さを下げる電荷排出動作を行わないため、フォトダイオード領域W3に蓄積される電荷の量は、フォトダイオード211aで発生する電荷の量の増加に伴い線形的に増加する。このため、図24に示すように、出力は、フォトダイオード211aの受光光量の増加に伴い線形的に増加すると共に、所定の受光光量でフォトダイオード211aの電荷蓄積容量に対応する値に達して飽和する。
For this reason, in the NDR mode, the charge discharging operation for reducing the height of the potential barrier of the
以上説明したように、実施形態2においてはWDRモードにおいて、ダイナミックレンジを変更することにより、ダイナミックレンジを被写体に応じて最適化する制御を行う。 As described above, in the second embodiment, control is performed to optimize the dynamic range according to the subject by changing the dynamic range in the WDR mode.
次に、WDRモードにおいて実行されるダイナミックレンジの最適化に関係する、制御部6による電位指定信号の決定処理について説明する。
Next, determination processing of the potential designation signal by the
制御部6は、撮像モードがNDRモードのときには、前述したように、電位指定信号を例えば「8」の一定値とする。
When the imaging mode is the NDR mode, the
一方、撮像モードがWDRモードのときには、制御部6は、フレームに含まれる撮像データの最大値(以下、単に撮像データの最大値ともいう)が所定の値となるように、電位指定信号を設定する。前述したように、電位指定信号の変更に伴い、制御電位発生部212eに入力する電荷排出指定電位V_refを変えることによって、フォトダイオード211aの受光光量に対する出力特性において、線形特性領域と対数特性領域との割合が変更されることで、同一の受光光量に対する出力値が変わるようになる。そこで、制御部6は、フレームに含まれる撮像データの最大値が、所定の値、図22に示すように、ここでは最大出力値になるように電位指定信号に決定する。こうすることによって、撮像素子2の出力は、最大出力値まで上がることなり、不必要に出力を圧縮することが無くなり、1フレーム内では、その全体として階調数を最も確保することができる。
On the other hand, when the imaging mode is the WDR mode, the
図25は、撮像データが8ビットで出力されているときに、制御部6において、撮像データの最大値が、所定の値としての最大出力値となるような電位指定信号に決定する処理について説明する図である。尚、図25においては、前記最大出力値を、NDRモードとは異なるように、250に設定しているが、最大出力値は適宜変更してもよい。
FIG. 25 illustrates a process in which the
まず、実施形態1において説明したように、撮像モードがNDRモードからWDRモードに切り替わった直後は、それまではNDRモードでの撮像が可能であったため、フォトダイオード211aの受光光量は、NDRモードにおいて飽和に相当する受光光量付近である場合が多く、電荷排出量はそれほど多くないと推定することができる。一方で、撮像素子2の出力特性としては、なるべく線形特性の範囲を広くして、出力が圧縮される対数特性の範囲は狭いことが望ましい。そのため、初期のポテンシャル障壁を比較的高くすべく、電位指定信号は比較的小さい値に設定する。本実施形態では、撮像モードがNDRモードからWDRモードに切り替わった直後には、制御部6は、8ビットの電位指定信号を「32」に設定することとする。この「32」は、以降の電位指定信号を、32刻みで設定するべく、256を8等分しているという意味もある。
First, as described in the first embodiment, immediately after the imaging mode is switched from the NDR mode to the WDR mode, since the imaging in the NDR mode was possible until then, the received light amount of the
電位指定信号を「32」とした状態で撮像を行い、制御部6は、それによって出力されるフレームに含まれる撮像データの最大値を抽出する。図25に示すように、その撮像データの最大値が、例えば飽和(255)に達していて最大出力値を超えているときには、制御部6は、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷排出量が不足していると判断し、より電荷排出量が増えるように、電位指定信号に「32」を加算し、電位指定信号を「64」に決定する。そうして、電荷排出ゲート212aの初期のポテンシャル障壁をさらに下げた状態で、撮像を行う。尚、撮像データの最大値が最大出力値を超えていないときには、後述する2分探索法を実行することになる。
Imaging is performed in a state where the potential designation signal is “32”, and the
電位指定信号を「64」とした状態での撮像によって出力されるフレームの撮像データの最大値が、図25に示すように例えば150であって、最大出力値を超えていないとする。制御部6は、第1ノードN1から第5ノードN5への電荷排出量が過多であったと判断し、電荷排出量を減らすようにする。以降の電位指定信号は、いわゆる2分探索法によって決定される。具体的には、制御部6は、電位指定信号を「32」と「64」の中間の値である「48」に決定する。
Assume that the maximum value of the imaging data of the frame output by imaging in the state where the potential designation signal is “64” is, for example, 150 as shown in FIG. 25 and does not exceed the maximum output value. The
そうして、電位指定信号を「48」とした状態で撮像し、それによって出力されるフレームの撮像データの最大値と最大出力値との大小を比較する。例えば図25の例では、電位指定信号を「48」にすることによって、撮像データの最大値が250になっている。従って、この例では、探索を終了し、以降は電位指定信号を「48」とした状態で撮像を継続する。 Then, imaging is performed in a state where the potential designation signal is “48”, and the maximum value and the maximum output value of the imaging data of the frame output thereby are compared. For example, in the example of FIG. 25, the maximum value of the imaging data is 250 by setting the potential designation signal to “48”. Therefore, in this example, the search is terminated, and thereafter, imaging is continued with the potential designation signal set to “48”.
つまり、制御部6は、撮像データの最大値が最大出力値よりも小さくなるまで、電位指定信号を32ずつ加算し、撮像データの最大値が最大出力値よりも小さくなった以降は、電位指定信号を2分探索法によって決定する。この場合では、256を32刻みにした数である8回と、刻み幅32を2分探索法により探索するときの最大探索回数の5回と、を加えた13回が最大探索回数となる。例えば、撮像データの最大値が最大出力値になる場合の電位指定信号(以下、最適な電位指定信号ともいう)が229のときには、電位指定信号は、32,64,96,128,160,192,224,255,240,232,228,230,229の順に遷移するので、13回で探索することができる。このように、電位指定信号の決定に2分探索法を用いることによって、フォトダイオード211aの受光光量が急激に変化したとしても、最適な電位指定信号を順番に探す追随型の制御(いわゆる線形探索)に比べて、極めて高速に探索することができる。しかしながら、電位指定信号の決定に2分探索法を用いることによって、撮像データの値が増加と減少とを繰り返す場合がある。例えば、前記最適な電位指定信号が229のときに、電位指定信号が232,228,230,229のように変化する場合のように、撮像データの値が高くなったり、低くなったりしながら収束する場合がある。この状態で撮像された出力画像を人が見たときには、不快に感じることがある。そのため、本実施形態では、一旦、最適な電位指定信号になった後は、フレームを出力する毎に、撮像データの最大値の変化量を調べ、その変化量が所定の値(例えば、5)よりも小さいときには、電位指定信号の値を±1ずつ変化させる追随型の制御をする一方、変化量が所定の値以上のときには、2分探索法を用いることにしている。
That is, the
ここで、実施形態1に係る撮像装置1では、1ラスタ期間における電荷蓄積期間、つまり、蓄積電荷転送期間よりも前の期間中の少なくとも一部の期間において、クリアスイッチ212cをオフにする電荷排出期間を設けるようにしているが(例えば、図26における一点鎖線参照)、実施形態2に係る撮像装置101では、前述したように、電位指定信号の最適化により、例えば図22に示すように、撮像データの最大値を、出力最大値にすることができるため、電荷排出期間を電荷蓄積期間の全期間(蓄積電荷転送期間よりも前の全期間(拡張電荷排出期間))に設定すればよい(図26参照)。こうすることで、電荷蓄積期間において、第1ノードN1の蓄積電荷が電荷排出ゲート212aのポテンシャル障壁を越えたときには、電荷排出動作が開始されることになる。尚、電荷排出期間を電荷蓄積期間の全期間とせずに、一部の期間としてもよく、その場合には、電荷排出期間の終期を蓄積電荷転送期間の始期と対応させるようにしてもよい。
Here, in the
このように実施形態2の撮像装置101では、撮像データの値は、前述した図22等のように、線形特性と対数特性とが繋がったハイブリッドな特性を示す。そうして、撮像データの値は、線形特性と対数特性とが切り替わる受光光量を変えながら(つまり、電荷排出を開始する受光光量を変えながら)、撮像データの最大値が所定の値(250)に近づく特性を示す。そのため、前記実施形態1の撮像装置1では、WDRモードで撮像すると、NDRモードよりもダイナミックレンジが拡大するものの、そのダイナミックレンジが所定のレンジ幅に固定されるため、被写体の状況によっては、具体的には飽和に至らないような所定の受光光量以下においては、出力を不必要に圧縮していることになり、コントラストの低下や階調数の低下を招くことも起こり得るのに対し、本実施形態2の撮像装置101では、ダイナミックレンジが最適化されるため、コントラストの低下や階調数の低下を招かないという利点がある。
As described above, in the
従って、本発明の実施形態2に係る撮像装置101では、白飛び等を回避しつつ、高画質な画像を出力することができる。
Therefore, the
尚、実施形態2に係る撮像装置101においては、WDRモードのときに、NDRモードのときと同程度の比較的小さい電位指定信号で撮像して飽和が生じないのであれば、電荷排出動作が実行されないため、出力特性は、NDRモードと略同じ、線形特性を示すことになる。このため、実施形態1において説明した、判定フレームを利用して撮像モードをNDRモードとWDRモードとの間で切り替えるような動作を行わずに、常にWDRモードとしてもよい。但し、WDRモードにおいては、前述したように、ダイナミックレンジを最適化するために、最適な電位指定信号を探索する処理が必要であるのに対し、NDRモードとWDRモードとの間で切り替え動作を行っている場合において、NDRモードでの撮像中はそうした処理が必要ないため、処理負担の観点において、NDRモードとWDRモードとの間での切り替え動作は利点がある。
In the
以上説明したように、本発明の撮像装置は、白飛び等を回避しつつ、コントラストが高く且つ、階調が高い画像を出力することができるため、例えばテレビドアフォンやネットワークカメラを含む各種装置に利用したときに、常に高画質な画像が得られる点で有用である。 As described above, the image pickup apparatus of the present invention can output an image with high contrast and high gradation while avoiding overexposure or the like. For example, the image pickup apparatus can be applied to various apparatuses including a television door phone and a network camera. This is useful in that a high-quality image can always be obtained when used.
1,101 撮像装置
2 撮像素子
21 センサエリア
211 画素回路
211a フォトダイオード(受光素子)
212 蓄積電荷排出回路
212a 電荷排出ゲート
212b オーバーフロードレイン
212c クリアスイッチ
212e 制御電位発生部
22 出力信号処理部
3 バッファメモリ
4 画像処理部
5 撮像モード切替部
6 制御部
Vg 制御電位
V_n5 第5ノード電位
V_ref 電荷排出指定電位
1,101
212 Accumulated
Claims (5)
前記撮像素子は、前記各画素回路から排出された電荷を蓄積するオーバーフロードレインと、該オーバーフロードレインに蓄積された電荷の量に応じた制御電位を出力する制御電位発生部と、前記各画素回路と前記オーバーフロードレインとの間でポテンシャル障壁を構成すると共に、前記制御電位に応じて、前記ポテンシャル障壁の高さを変更することにより、前記画素回路から前記オーバーフロードレインへの電荷の排出態様を変更する電荷排出ゲートと、を有しかつ、前記各画素回路に蓄積されている電荷の一部を、前記各画素回路の出力信号の出力前に前記オーバーフロードレインに排出させる蓄積電荷排出動作を実行可能な蓄積電荷排出回路をさらに有し、
前記画素回路の出力信号に応じて、前記制御電位発生部を通じて前記制御電位を制御することによって、前記電荷排出の開始電位に対応する前記電荷排出ゲートのポテンシャル障壁の初期高さを設定する制御部をさらに備えていることを特徴とする撮像装置。 A charge is generated by receiving each light, and a plurality of light receiving elements arranged in a lattice pattern so as to form a plurality of rasters, and a charge generated by the light receiving elements are provided corresponding to each of the light receiving elements. And a plurality of pixel circuits that output an output signal corresponding to the amount of accumulated charge, and that continuously output frames configured based on the output signal in time series With
The imaging device includes an overflow drain that accumulates charges discharged from the pixel circuits, a control potential generator that outputs a control potential according to the amount of charges accumulated in the overflow drains, and the pixel circuits. A charge that forms a potential barrier with the overflow drain and changes the discharge mode of the charge from the pixel circuit to the overflow drain by changing the height of the potential barrier according to the control potential. A discharge gate, and an accumulation charge discharge operation capable of discharging a part of the charge accumulated in each pixel circuit to the overflow drain before outputting an output signal of each pixel circuit. A charge discharging circuit;
A control unit that sets an initial height of a potential barrier of the charge discharge gate corresponding to the charge discharge start potential by controlling the control potential through the control potential generation unit according to an output signal of the pixel circuit. An image pickup apparatus further comprising:
前記各画素回路の出力信号をデジタル信号に変換した撮像データを含んで構成される前記フレームを出力する出力信号処理部をさらに備え、
前記制御部は、前記フレームに含まれる前記撮像データの最大値が、予め設定されている前記撮像素子の最大出力値となるように、前記ポテンシャル障壁の初期高さを制御することを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 1,
An output signal processing unit for outputting the frame including imaging data obtained by converting the output signal of each pixel circuit into a digital signal;
The control unit controls an initial height of the potential barrier so that a maximum value of the imaging data included in the frame becomes a preset maximum output value of the imaging element. Imaging device.
前記制御部は、前記出力信号に応じた電位指定信号を出力するように構成され、
前記制御電位発生部は、前記オーバーフロードレインの蓄積電荷量を入力として、当該蓄積電荷量が増大すればするほど高い制御電位を出力する反転アンプと、前記制御部からの電位指定信号に対応する電荷排出指定電位を当該制御電位に加算する加算器と、を含んで構成され、
前記電荷排出ゲートは、前記制御電位が高ければ高いほどポテンシャル障壁の高さを低くするように構成され、
前記制御部はさらに、前記フレームに含まれる前記撮像データの最大値が、前記撮像素子の最大出力値を超えるときには、前記電荷排出指定電位が上がるように前記電位指定信号を出力する一方、前記撮像データの最大値が、前記最大出力値を下回るときには、前記電荷排出指定電位が下がるように前記電位指定信号を出力するように構成されていることを特徴とする撮像装置。 The imaging device according to claim 2,
The control unit is configured to output a potential designation signal corresponding to the output signal,
The control potential generation unit receives an accumulated charge amount of the overflow drain as an input, and outputs an inverting amplifier that outputs a higher control potential as the accumulated charge amount increases, and a charge corresponding to a potential designation signal from the control unit An adder for adding the discharge designated potential to the control potential,
The charge discharge gate is configured such that the higher the control potential, the lower the potential barrier height,
The control unit further outputs the potential designation signal so that the charge discharge designated potential is increased when the maximum value of the imaging data included in the frame exceeds the maximum output value of the imaging element, while the imaging An image pickup apparatus configured to output the potential designation signal so that the charge discharge designated potential is lowered when a maximum value of data is lower than the maximum output value.
前記撮像素子に対し、前記各画素回路の撮像モードを、前記蓄積電荷排出回路による前記蓄積電荷排出動作を実行しない第1撮像モードと、前記蓄積電荷排出動作を実行する第2撮像モードと、の間で切り替える撮像モード切替部をさらに備えており、
前記撮像素子は、所定の数のフレームを出力する毎に、前記画素回路が前記第1撮像モードで撮像した前記出力信号に基づいて構成される第1撮像モードラスタを、少なくともその一部に含んで構成される撮像モード判定フレームを出力し、
前記制御部はさらに、前記撮像モード判定フレームにおける前記第1撮像モードラスタを構成する前記出力信号に基づいて、前記撮像モード切替部を通じて、前記各画素回路の撮像モードを前記第1又は第2撮像モードに指定することを特徴とする撮像装置。 The imaging apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The imaging mode of each of the pixel circuits for the imaging device is a first imaging mode in which the accumulated charge discharging operation by the accumulated charge discharging circuit is not executed, and a second imaging mode in which the accumulated charge discharging operation is executed. An imaging mode switching unit that switches between
The imaging device includes at least a part of a first imaging mode raster configured based on the output signal captured by the pixel circuit in the first imaging mode every time a predetermined number of frames are output. Output an imaging mode judgment frame consisting of
The control unit further controls the imaging mode of each pixel circuit through the imaging mode switching unit based on the output signal constituting the first imaging mode raster in the imaging mode determination frame. An imaging apparatus characterized by specifying a mode.
前記撮像素子は、前記オーバーフロードレインの蓄積電荷をクリアするクリアスイッチをさらに有し、
前記撮像モード切替部は、前記クリアスイッチをオンにすることによって前記蓄積電荷排出回路が前記蓄積電荷排出動作を実行しない第1撮像モードにする一方、前記クリアスイッチをオフにすることによって前記蓄積電荷排出回路が前記蓄積電荷排出動作を実行する第2撮像モードにするように構成されていることを特徴とする撮像装置。 The imaging apparatus according to claim 4,
The imaging device further includes a clear switch for clearing the accumulated charge in the overflow drain,
The imaging mode switching unit switches to the first imaging mode in which the accumulated charge discharging circuit does not execute the accumulated charge discharging operation by turning on the clear switch, while turning off the clear switch. An imaging apparatus, wherein the discharging circuit is configured to be in a second imaging mode in which the accumulated charge discharging operation is executed.
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