JP3823919B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は動体を検出することができる撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
撮像装置についてはこれまで様々のものが提案されている。
【０００３】
ダイナミックレンジの広い撮像装置として、撮像のための画素に、光電変換素子及び光電変換素子への入射光量を自然対数的に光電変換して出力する対数変換部を配置した固体撮像装置が提案されている。特開平３−１９２７６４号公報はそのような撮像装置を開示している。同公報に開示された撮像装置は、光電変換素子として例えばフォトダイオードを採用し、対数変換部に対数変換用のＭＯＳトランジスタを採用している。同公報は対数変換部の出力を蓄積する積分回路も組み合わせた画素も開示している。
【０００４】
また、対数変換型撮像装置において、画素間での感度のバラツキをキャンセル処理できる撮像装置も提案されている。特開２００１−９４８７８号公報はそのような撮像装置を開示している。同公報に開示された撮像装置は、各画素に一様に光を照射して画素間の感度バラツキを検出してその感度バラツキをキャンセル処理するという手法によらずに、感度のバラツキをキャンセル処理するものである。
【０００５】
一方、撮像の分野では、例えば不法侵入者その他のものの監視等のために移動体を検出することについても研究されており、背景差分法（背景画像と入力画像の差分をとる方法）等の手法が提案されている。特開平７−３３６６９４号公報はそのような背景差分法による移動体検出方法を開示している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１９２７６４号公報
【特許文献２】
特開２００１−９４８７８号公報
【特許文献３】
特開平７−３３６６９４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、撮像装置による動体の検出についてみれば、従来の動体検出は撮像素子からの信号の複雑な処理を必要とするものであり、そのような複雑な信号処理を行わずに簡単に動体の存在を検出できる撮像装置の出現が望まれる。そのような撮像装置があれば、監視分野等に応用しやすい。
【０００８】
そこで本発明は、複雑な信号処理を要することなく、簡単に動体の存在を検出できる動体抽出型の撮像装置を提供することを課題とする。
【０００９】
また、本発明は動体存在の検出を行う状態、通常の撮像を行う状態のいずれにでも設定可能の撮像装置を提供することを課題とする。
【００１０】
さらに本発明は、動体の存在を検出し、その動体が何であるかをより確かに視認可能ならしめる撮像装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前記課題を解決するため研究を重ね、次のことを見いだした。
【００１２】
被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示できれば、複雑な信号処理或いは画像処理を要することなく、該静止背景部とは異なる濃度による表示部分があることをもって動体の存在を検出できる。動体は撮像装置側からみれば被撮像領域中に輝度の変化する部分を発生させる。従って例えば、被撮像領域中における輝度の変化しない部分については一様な濃度で表示し、換言すれば一様な濃度で背景部として表示し、輝度の変化する部分についてはその一様な濃度の背景部に対し濃度の高い、又は低い濃度で表示すれば、その濃度の高い又は低い表示部分があることをもって動体の存在を検出できる。
【００１３】
このような表示は、例えば、光電変換素子及び該光電変換素子の出力をそれへの入射光量の対数値に比例する電気信号に変換する対数変換用トランジスタを含む対数変換部を撮像用画素に配置した、或いは該撮像用画素にさらに対数変換部の出力を蓄積するための積分回路を配置した撮像装置を利用して行える。
【００１４】
すなわち、対数変換用トランジスタに通常の撮像のための第１電圧を印加して撮像を行った後、該トランジスタにリセットのための第２電圧を印加する。そのとき、該第２電圧を制御することで行える。
【００１５】
例えば、第１電圧と第２電圧の差の絶対値が、通常撮像状態のために印加するとすれば採用する第２電圧と第１電圧との差の絶対値よりも小さくなる電圧を採用する。そうすれば、対数変換用トランジスタにリセット残しが生じ、且つ、該リセット残しは対数変換用トランジスタの特性により入射光量の多かった画素ほど多く、入射光量の少なかった画素ほど小さくなる。従って、第１電圧を印加して撮像を行ったときに各画素から出力される映像信号と、該リセット残しのあるリセットを行ったときに各画素から出力される雑音信号との差分を用いて差分処理を該映像信号に施せば、差分処理後の映像信号は、輝度が変化しない被撮像領域部分（静止背景部）を撮像した各画素については同様の値となる。この手法により輝度が変化しない被撮像領域部分（静止背景部等）についてはほぼ一様な画像濃度で（例えばグレー色に）表示できる。
【００１６】
一方、動体は、被撮像領域中に輝度が「暗」→「明」、「暗」→「明」→「暗」、「明」→「暗」、「明」→「暗」→「明」などと変化する部分を発生させる。そのような輝度変化が、一様濃度の静止背景部に対しより暗く又は明るく表示される。このような現象を利用して入射光が変化する被撮像領域部分を抽出し、動体の存在を検出できる。
【００１７】
本発明は前記知見に基づき次の撮像装置を提供する。
（１）第１の撮像装置
それぞれが、光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、前記対数変換用トランジスタに与える電圧を制御するための電圧制御部と、前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
前記電圧制御部は、
撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、該第２電圧を前記第１電圧との差の絶対値が通常撮像状態が得られる場合の値より小さくなるように設定することで、被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態を実現し、前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する、
固体撮像装置。
（２）第２の撮像装置
それぞれが、光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、前記対数変換用トランジスタに与える電圧を制御するための電圧制御部と、前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
前記電圧制御部は、
撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、
該第２電圧を制御することで、通常撮像状態と、被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態との切り換えを行い、
前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する、
固体撮像装置。
（３）第３の撮像装置
駆動条件を変更することにより、通常撮像状態と被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態との切り換えが可能な撮像素子と、
該動体抽出撮像状態における撮像データに動体が含まれているか否かを検知するための動体ディテクタと、
該動体ディテクタが動体を検知したときに前記撮像素子の駆動条件を変更して該撮像素子を動体抽出撮像状態から通常撮像状態に切り換えるための切換え回路と、
を含んでいる撮像装置。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（１）専ら動体存在検出に用いる固体撮像装置
この撮像装置は、撮像素子、撮像素子へ印加する各種電圧を制御する電圧制御部及び出力回路を備えている。
【００１９】
撮像素子は複数の撮像用画素を有しており、各画素は、光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部の出力を蓄積するための積分回路を備えている。
【００２０】
電圧制御部は、対数変換用トランジスタに与える電圧を制御する。さらに言えば、電圧制御部は、撮像時に対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を積分回路に蓄積させ、対数変換用トランジスタのリセット時に対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させる。
【００２１】
電圧制御部は、また、第２電圧を第１電圧との差の絶対値が通常撮像状態が得られる場合の値より小さくなるように設定することで、被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態を実現する。
【００２２】
出力回路は各画素からの信号を受け取って出力する。さらに言えば、出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する。
【００２３】
この撮像装置によると、動体抽出撮像状態の実現により、静止背景部を表す一様濃度の背景画像に対し、輝度の変化をもたらす動体の少なくとも一部を暗く又は明るく表示できる撮像データを生成することができる。それにより、複雑な信号処理或いは画像処理を要することなく、動体の存在を検出できる。
【００２４】
輝度変化をもたらす動体の抽出をより確実に行えるようにするために、電圧制御部として、動体抽出撮像状態において、被撮像領域に含まれる静止背景部全体を均一な中間的濃度で表示する撮像信号を生成するように第１電圧及び第２電圧を設定するものを採用することができる。
【００２５】
また、電圧制御部は、第２電圧を通常撮像状態が得られる場合の値とは異ならせて動体抽出撮像状態を実現するものでもよい。
【００２６】
動体の移動速さ及び（又は）移動方向を知るために動体抽出撮像状態において得られる１フレームの撮像データに、被撮像領域に動体が存在する場合、その動体の移動軌跡を示すデータを含ませることができる。かかるデータを用いて動体の移動速さ及び（又は）移動方向を検出することができる理由は次のとおりである。
【００２７】
すなわち、動体抽出撮像状態により得られる動体を示す暗く又は明るい表示部分の幅及び向きは動体の動く速さ、方向によって異なってくる。動体を示す暗く又は明るい表示部分の幅は動体の移動速さが大きいほど大きくなる。通常、静止画からは速さ情報、移動方向情報は読み取れないが、この撮像装置により得られる静止画においては、動体を示す暗く又は明るい表示部分の幅を測定すること及び（又は）その向きを判別することにより動体の移動速さ及び（又は）移動方向を検出することが可能である。また、この速さ及び（又は）方向の判定は前記移動軌跡を示すデータに基づいて演算器を用いて、自動的に行うことも容易であるし、予めその幅と速さ等の対応表を作成しておけば、目視にて人間が判断することも容易である。
【００２８】
撮像装置は、光電変換素子と対数変換用トランジスタとを電気的に接離するためのスイッチをさらに備えていてもよい。その場合、電圧制御部として、該スイッチをオフした状態で該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加することによって該トランジスタをリセットするものを採用することができる。
（２）動体存在の検出を行う状態（動体抽出撮像状態）、通常の撮像を行う状態（通常撮像状態）のいずれにでも設定可能の固体撮像装置
この撮像装置は、撮像素子、撮像素子へ印加する各種電圧を制御する電圧制御部及び出力回路を備えている。
【００２９】
撮像素子は複数の撮像用画素を有しており、各画素は、光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部の出力を蓄積するための積分回路を備えている。
【００３０】
電圧制御部は、対数変換用トランジスタに与える電圧を制御する。さらに言えば、電圧制御部は、撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させる。
【００３１】
電圧制御部は、また、第２電圧を制御することで、通常撮像状態と、被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態との切り換えを行う。
【００３２】
出力回路は各画素からの信号を受け取って出力する。さらに言えば、出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する。
【００３３】
この撮像装置によると、動体抽出撮像状態と通常撮像状態の切り換えを行うことができる。
【００３４】
動体抽出撮像状態においては、静止背景部を表す一様濃度の背景画像に対し、輝度変化をもたらす動体を暗く又は明るく表示できる。それにより、複雑な信号処理或いは画像処理を要することなく、動体の存在を検出できる。
【００３５】
通常撮像状態においては、被撮像領域各部の輝度に応じた画像表示を行えるように撮像できる。
【００３６】
電圧制御部として、例えば、第１電圧と第２電圧との差の絶対値が、通常撮像状態を実現する場合の値より小さくなるように該第２電圧を制御することで動体抽出撮像状態への切り換えを行うものを採用できる。その場合、電圧制御部として、例えば、第１電圧と第２電圧との差の絶対値が、通常撮像状態を実現する場合の略半分の値となるように該第２電圧を制御することで動体抽出撮像状態への切り換えを行うものを採用してもよい。
【００３７】
また、電圧制御部として、例えば、第１電圧と第２電圧との差の絶対値が、動体抽出撮像状態を実現する場合の値より大きくなるように該第２電圧を制御することで通常撮像状態への切り換えを行うものを採用できる。
【００３８】
撮像装置は、光電変換素子と対数変換用トランジスタとを電気的に接離するためのスイッチをさらに備えていてもよく、その場合、電圧制御部として、該スイッチをオフした状態で該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加することによって該トランジスタをリセットするものを採用することができる。
【００３９】
対数変換部における対数変換用トランジスタの代表例はＭＯＳトランジスタであり、該ＭＯＳトランジスタを採用する場合、電圧制御部は、撮像時に該対数変換用ＭＯＳトランジスタのソース電極に第１電圧を印加した状態で光電変換素子から対数変換部を介して出力される信号を第１信号として前記積分回路に蓄積させ、リセット時に該対数変換用ＭＯＳトランジスタのソース電極に第２電圧を印加して該トランジスタをリセットしたときの信号を第２信号として前記積分回路に蓄積させるものとすることができる。
（３）動体の存在を検出し、その動体が何であるかをより確かに視認可能ならしめる撮像装置
この撮像装置は、駆動条件を変更することにより、通常撮像状態と被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態との切り換えが可能な撮像素子と、該動体抽出撮像状態における撮像データに動体が含まれているか否かを検知するための動体ディテクタと、該動体ディテクタが動体を検知したときに前記撮像素子の駆動条件を変更して該撮像素子を動体抽出撮像状態から通常撮像状態に切り換えるための切換え回路とを含んでいる撮像装置。
【００４０】
撮像素子の代表例は、それぞれが光電変換素子及び該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部を有する複数の画素を備えているものである。この撮像素子を採用する場合、切換え回路として、対数変換用トランジスタに印加する電圧を制御して撮像状態を切り換えるものを採用できる。また、撮像素子の画素は、該対数変換部の出力を蓄積するための積分回路をさらに備えていてもよい。
【００４１】
撮像装置は、通常撮像状態にある前記撮像素子を動体抽出撮像状態に切り換えるための切換え信号を切換え回路に送る信号発生器をさらに備えていてもよい。
【００４２】
また、信号発生器は、タイマを備え、該タイマが所定時間をカウントしたときに切換え信号を切換え回路に送るものでもよい。
【００４３】
動体デイテクタは、動体の有無を判定する基準となる閾値と撮像素子からの出力とを比較するためのコンパレータを含むものでもよい。
【００４４】
以上説明した三つのタイプの撮像装置はいずれも監視カメラ等への応用が可能である。
【００４５】
以下、図１から図５を参照して固体撮像装置の１例について説明する。図１は撮像装置の１例の全体構成を示すブロック図、図２は画素の配列された画素部等の構成を示す図、図３は一つの画素の構成を示す図、図４は通常撮像状態を実現する様子を示すタイミングチャートである。図５は動体抽出撮像状態を実現する様子を示すタイミングチャートである。
【００４６】
この撮像装置は、図１に示すとおり、画素部Ｇ、これに接続された垂直走査回路１及び出力回路８を備えており、出力回路８には水平走査回路２が接続されているとともに出力アンプＡｍが接続されている。画素部Ｇ等は駆動条件を変更することで通常撮像状態と動体抽出撮像状態との切り換えを行える撮像素子を構成している。
【００４７】
撮像装置はまた、画素部Ｇ等へ電圧レギュレータＲｇを介して所定の各種電圧信号等を供給するための電圧制御部１０を備えている。各部を所定のタイミングで動作させるためのタイミングジェネレータＴＧも備えている。電圧制御部１０には通常撮像状態と動体抽出撮像状態との切り換えを指示する手動スイッチＳＷが設けられている。このスイッチＳＷの手動操作により、電圧制御部１０に内蔵された通常撮像状態と動体抽出撮像状態との切換え回路に指示して、通常撮像状態と動体抽出撮像状態との切換えを行うことができる。
【００４８】
画素部Ｇには、図２に示すように、撮像用の画素Ｇ１１〜Ｇｍｎが行列配置（マトリクス配置）されている。垂直走査回路１は、各画素に走査用信号φＶを与える行（ロウ）ライン３１、３２、・・・３ｎを順次走査していくとともに、ライン４１、４２、・・・４ｎを介して各画素の後述するキャパシタＣに電圧φＶＤを供給する。
【００４９】
水平走査回路２は、各画素から出力信号線６１、６２、・・・６ｍに導出される光電変換信号を画素ごとに水平方向（行方向）に順次読み出す。図２において５は電源ラインである。
【００５０】
なお、後ほど説明する図３においては行ラインは３で、φＶＤ供給ラインは４で、出力信号線は６で示してある。
【００５１】
各画素には、以上述べたライン３１、３２、・・・３ｎ、４１、４２、・・・４ｎ、出力信号線６１、６２、・・・６ｍ、電源ライン５だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらの図示を省略している。
【００５２】
図１に示す出力回路８は、図２に示す定電流電源７１、７２、・・・７ｍ、選択回路８１、８２、・・・８ｍ及び補正回路９を含んでいる。
【００５３】
定電流電源７１、７２、・・・７ｍは出力信号線６１、６２、・・・６ｍにそれぞれ接続されている。選択回路８１、８２、・・・８ｍは信号線６１〜６ｍを介して画素Ｇ１１〜Ｇｍｎから与えられる映像信号とノイズ信号をサンプルホールドする回路である。補正回路９は選択回路８１、８２、・・・８ｍから映像信号及びノイズ信号が順に送出されてくると、補正処理、すなわち映像信号とノイズ信号との差分を該映像信号から差し引く処理を行い、ノイズ除去された映像信号を外部に出力して画像表示に供する。なお、定電流電源７１〜７ｍのそれぞれの一端には直流電圧ＶＰＳが印加される。
【００５４】
かかる固体撮像装置においては、画素Ｇａｂ（ａ：１≦ａ≦ｍの自然数、ｂ：１≦b ≦ｎの自然数）からの出力である映像信号及びノイズ信号が、それぞれ、出力信号線６ａを介して出力されるとともに、この出力信号線６ａに接続された定電流電源７ａによって増幅される。そして、画素Ｇａｂから出力された映像信号及びノイズ信号が順番に選択回路８ａに送出されるとともに、この選択回路８ａにおいて、該映像信号及びノイズ信号がサンプルホールドされ、その後、選択回路８ａより、サンプルホールドされた映像信号が補正回路９に送出された後、同じくサンプルホールドされたノイズ信号が補正回路９に送出される。補正回路９では、選択回路８ａより与えられた映像信号を、同じく選択回路８ａより与えられたノイズ信号に基づいて補正処理して、ノイズ除去した映像信号を出力アンプＡｍを介して増幅して外部に出力する。選択回路８１〜８ｍ及び補正回路９のそれぞれの構成例として、本出願人が特開平２００１−２２３９４８号公報において提示した構成などが挙げられる。なお、選択回路８１、８２、・・・８ｍに補正回路を含ませてもよい。
【００５５】
次に画素Ｇ１１〜Ｇｍｎのそれぞれの１例を図３を参照して説明する。
図３に示す画素は、光電変換素子の１例であるフォトダイオードＰＤ、該フォトダイオードＰＤの出力をそれへの入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２を含む対数変換部Ｌ及び対数変換部Ｌの出力を蓄積するためのキャパシタＣを含む積分回路ＩＴ等を備えている。
【００５６】
さらに説明すると、各画素においては、アノードが接地されたフォトダイオードＰＤのカソードにスイッチング用のＭＯＳトランジスタＴ１のドレインが接続され、トランジスタＴ１のソースに対数変換用のＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びドレインとＭＯＳトランジスタＴ３のゲートが接続されている。トランジスタＴ３は対数変換された信号に相当する電流を流すためのものである。
【００５７】
また、ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにソースフォロワ増幅用のＭＯＳトランジスタＴ５のゲート及びキャパシタリセット用のＭＯＳトランジスタＴ４のドレインが接続され、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースにスイッチング用（信号読み出し用）のＭＯＳトランジスタＴ６のドレインが接続されている。そして、ＭＯＳトランジスタＴ６のソースが出力信号線６（図２の出力信号線６１〜６ｍに相当）に接続されている。なお、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ６はいずれもＰチャンネル型のトランジスタである。
【００５８】
対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２のソースには信号φＶＰＳが入力される。ＭＯＳトランジスタＴ３、Ｔ５のドレインは接地されている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースにはキャパシタＣが接続され、該キャパシタＣにはフォトダイオードＰＤからの電気信号をキャパシタＣで積分するための参照電圧（信号φＶＤ）が入力される。
【００５９】
また、ＭＯＳトランジスタＴ４のソースには直流電圧ＲＳＢが入力され、該トランジスタＴ４のゲートに信号φＲＳＴが入力される。さらに、ＭＯＳトランジスタＴ１のゲートにはトランジスタＴ１のオン、オフ操作のための信号φＳが、ＭＯＳトランジスタＴ６のゲートにはトランジスタＴ６のオン、オフ操作のための信号φＶが入力される。
【００６０】
このように構成された画素において、ＭＯＳトランジスタＴ６及び出力信号線６を介して、−端に直流電圧ＶＰＳが印加された定電流電源７（図２の定電流電源７１〜７ｍに相当する）が、ＭＯＳトランジスタＴ５のソースに接続される。
【００６１】
従って、ＭＯＳトランジスタＴ６がオンのとき、ＭＯＳトランジスタＴ５はソースフオロワのＭＯＳトランジスタとして動作し、定電流電源７によって増幅された電圧信号を出力信号線６に出力する。
【００６２】
このようにソースフオロワ回路を構成することにより、信号を大きく出力する増幅回路が構成される。従って、この増幅回路により十分大きく増幅された信号が得られるため、後続の信号処理回路（図示せず）での処理が容易になる。また、増幅回路の負荷抵抗部分を構成する定電流電源７１〜７ｍを画素内に設けずに、列（カラム）方向に配置された複数の画素が接続される出力信号線６１〜６ｍ毎に設けることにより、負荷抵抗又は定電流電源の数を低減でき、半導体チップ上で増幅回路が占める面積を少なくできる。
【００６３】
次に、先ず、以上説明した撮像装置による通常の撮像動作及び各画素の感度バラツキ検出動作について説明し、そのあと動体存在の検出動作について説明する。
【００６４】
対数変換用ＭＯＳトランジスタＴ２のソースに供給する信号φＶＰＳは通常撮像状態を得るときには２値の電圧信号とする。すなわち、映像信号及び感度バラツキによるノイズ信号のそれぞれを読み出すときにはトランジスタＴ２をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧をロー（Ｌｏｗ）とし、トランジスタＴ２をリセットするときには、該電圧よりも高くトランジスタＴ２にローの信号φＶＰＳを与えた時よりも大きい電流が流れ得るようにするハイ（Ｈｉ）の電圧を採用する。
【００６５】
しかし、動体の存在検出のための動体抽出撮像状態を得るときには、トランジスタＴ２をリセットするとき、前記ハイ電圧に代えて、ここではロー電圧とハイ電圧との丁度中間の電圧を採用する。
【００６６】
キャパシタＣに与える参照電圧φＶＤについては、通常撮像状態、動体抽出撮像状態のいずれにおいても３値の電圧信号を採用する。すなわち、キヤパシタＣを積分動作させる際の電圧値を最も高いＶｈとし、映像信号読み出し時の電圧値をＶｈよりも低いＶｍとし、ノイズ信号読み出し時の電圧値をＶｍよりもさらに低いＶｌとする。
【００６７】
以下の説明において、画素等に与える電圧信号等は電圧制御部１０が電圧レギュレータＲｇを介して行う。
（１−１）通常撮像状態での撮像動作
先ず、電圧制御部１０に設けられたスイッチＳＷを通常撮像状態側に設定する。
（１−１−１）映像信号出力
以下の説明において、ＭＯＳトランジスタＴ１をオン、オフする信号φＳは撮像動作の間、常にロー（Ｌｏｗ）であり、トランジスタＴ１はオン状態である。また、キャパシタリセット用トランジスタＴ４へ与える信号φＲＳＴをハイ（Ｈｉ）としてトランジスタＴ４をオフとする。そしてＭＯＳトランジスタＴ２がサブスレッシヨルド領域で動作するように、トランジスタＴ２のソースに与える信号φＶＰＳをローとするとともにキャパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値をＶｈとしてキャパシタＣによる積分動作を可能とする。
【００６８】
このような状態においてフォトダイオードＰＤに被撮像領域からの光が入射されると、光電流が発生し、トランジスタＴ２のサブスレッショルド特性により、トランジスタＴ２、Ｔ３のゲートに光電流を、入射光量に対して自然対数的に変化するように変換した値に相当する電圧が発生する。
【００６９】
この入射光量に対して自然対数的に変化する電圧に基づき、トランジスタＴ３で電流増幅されたドレイン電流がキヤパシタＣから流れて、キヤパシタＣが放電する。よって、ＭＯＳトランジスタＴ５のゲート電圧が、入射光量の積分値の自然対数値に比例した電圧となる。そして、キヤパシタＣが積分動作を行うことで得られる映像信号を読み出すために、信号φＶＤの電圧値をＶｍとするとともに、ＭＯＳトランジスタＴ６にローのパルス信号φＶを与える。これによりＭＯＳトランジスタＴ５のゲート電圧に応じたソース電流がＭＯＳトランジスタＴ６を介して出力信号線６へ流れる。
【００７０】
このとき、トランジスタＴ５がソースフオロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６には映像信号が電圧信号としてあらわれる。その後、信号φＶをハイにしてトランジスタＴ６をオフするとともに、信号φＶＤの電圧値をＶｈとする。このようにトランジスタＴ５、Ｔ６を介して出力される映像信号は、トランジスタＴ５のゲート電圧に比例した値となり、そのためフォトダイオードＰＤへの入射光量の積分値の自然対数値に比例した信号となる。
（１−１−２）感度バラツキ検出（ノイズ信号出力）
図４に示すように、電圧値Ｖｍのパルス信号φＶＤとローのパルス信号φＶが与えられて映像信号が出力されると、信号φＶＤをＶｈとした後、信号φＳをハイにしてトランジスタＴ１をオフにしてリセット動作を開始させる。このとき、トランジスタＴ２のソース側より正の電荷が流れ込み、トランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が再結合され、ある程度まで、トランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルが上がる。
【００７１】
しかし、トランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがある値まで上がると、そのリセット速度が遅くなる。特に、明るい被撮像領域が急に暗くなった場合にこの傾向が顕著となる。よって、次に、トランジスタＴ２のソースに与える信号φＶＰＳをハイにする。このように、トランジスタＴ２のソース電圧を高くすることで、トランジスタＴ２のソース側から流入する正の電荷の量が増加し、トランジスタＴ２のゲート及びドレイン、そしてトランジスタＴ３のゲートに蓄積された負の電荷が速やかに再結合される。このとき、信号φＲＳＴをローとしてトランジスタＴ４をオンにして、キヤパシタＣとトランジスタＴ５のゲートとの接続ノードの電圧を初期化する。
【００７２】
そして、信号φＶＰＳをハイにすることで、トランジスタＴ２のゲート及びドレインのポテンシャルがさらに高くなると、トランジスタＴ２のソースに与える信号φＶＰＳをローにして、トランジスタＴ２のポテンシャル状態をもとの状態に戻す。このように、トランジスタＴ２のポテンシャルの状態がもとの状態にリセットされると、信号φＲＳＴをハイにして、トランジスタＴ４をオフにする。
【００７３】
すると、キヤパシタＣが積分動作を行って、キヤパシタＣとトランジスタＴ５のゲートとの接続ノードの電圧が、リセットされたトランジスタＴ２のゲート電圧に応じたものとなる。そこで、パルス信号φＶをトランジスタＴ６のゲートに与えてトランジスタＴ６をオンにするとともに信号φＶＤの電圧値をＶｌにする。これにより、トランジスタＴ２、Ｔ３の特性のバラツキに起因する各画素の感度のバラツキを表す出力電流が出力信号線６に流れる。
【００７４】
このとき、トランジスタＴ５がソースフオロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、出力信号線６にはノイズ信号が電圧信号としてあらわれる。その後、再び、パルス信号φＲＳＴをトランジスタＴ４に与えて、キヤパシタＣとトランジスタＴ５のゲートとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φＳをローにしてトランジスタＴ１を導通させて撮像動作が行える状態にする。
【００７５】
以上の説明においては、光電変換により得られた電気信号を積分するためにキャパシタＣに与える電圧φＶＤをＶｈ、Ｖｍ、Ｖｌの３値としたが、該電気信号積分のためにキャパシタＣに与える電圧φＶＤは一定であっても構わない。しかし、前記のような３値を採用することで、ノイズが除去された映像信号におけるオフセットを低くすることができ、それにより、撮像装置の後段に接続される出力バッファやＡＤ変換器等の動作範囲を有効に利用することができる。なお、映像信号読み出し時にキヤパシタＣに与える信号φＶＤの電圧値を積分時に与える電圧値より高くするようにしても構わない。
【００７６】
また、以上説明した撮像装置では、ＰチヤンネルのＭＯＳトランジスタを用いて各画素を構成したが、画素をＮチヤンネルのＭＯＳトランジスタを用いて構成しても構わない。このとき、各素子の極性が逆になる。固体撮像装置に設けられる定電流電源７１〜７ｍについても、図２と逆の極性となる。このようなこと以外は既に説明した撮像装置と実質上同様である。
（１−２）動体抽出撮像状態での撮像動作
電圧制御部１０に設けられたスイッチＳＷを動体抽出撮像状態側に設定する。
【００７７】
映像信号出力のための動作は前記通常撮像状態の場合と同様である。しかし、ノイズ信号出力動作において、ＭＯＳトランジスタＴ２のリセット処理において採用する信号φＶＰＳとして、前記通常撮像状態の場合におけるノイズ信号出力の場合のハイの信号φＶＰＳに代えて、図５に示すように、ハイとローの丁度中間の電圧信号、換言すればハイ信号とロー信号の差の絶対値の２分の１の大きさとなる電圧信号が採用される。これにより動体抽出を行える。それ以外は通常撮像状態におけるノイズ出力処理と同様である。なお、通常撮像状態の場合におけるノイズ信号出力の場合のロー信号φＶＰＳに代えてハイとローの丁度中間の電圧信号を採用するようにしてもよい。
【００７８】
この動体抽出撮像状態においても、通常撮像状態の場合と同様に、φＶＰＳをローにして撮像を行ったときに各画素から出力される映像信号と、φＶＰＳをハイの２分の１にしてＭＯＳトランジスタＴ２をリセットしたとき各画素から出力される雑音信号（ノイズ信号）との差分が、補正回路９による差分処理により該映像信号から差し引かれて出力される。
【００７９】
しかし、ＭＯＳトランジスタＴ２のリセット処理において採用する信号φＶＰＳとして、通常撮像状態の場合におけるノイズ信号出力の場合のハイの信号φＶＰＳに代えて、ハイとローの丁度中間の電圧信号が採用される結果、ＭＯＳトランジスタＴ２にリセット残しが生じる。しかも、該リセット残しはＭＯＳトランジスタＴ２の特性により入射光量の多かった画素ほど多く、入射光量の少なかった画素ほど小さくなる。従って、前記差分処理後の映像信号は、輝度が変化しない被撮像領域部分を撮像した各画素については同様の値となる。かくして被撮像領域における静止背景部については略一様にグレー表示する信号が出力される。これを用いて図示省略の画像表示装置に静止背景部については略一様にグレーで表示させることができる。
【００８０】
一方、動体については、輝度が「暗」→「明」、「暗」→「明」→「暗」、「明」→「暗」、「明」→「暗」→「明」などと映像信号の積分期間中に変化する。
【００８１】
輝度が「暗」→「明」に変化し、リセット期間の開始まで「明」状態のままであった場合、映像信号は、積分期間中常時「明」状態であったときと比較して高くなる。雑音信号はリセット開始時の積分回路入力部の電圧にのみ依存した値となるため、リセット開始時は「明」状態であるので、雑音信号は常時「明」状態のときと同じである。すると、差分処理後の映像信号出力は減少し、得られる画像は入射光が「暗」→「明」に変化した部分が暗くなったものとなる。また、常時「暗」状態であったときと比較すると、映像信号は低く、雑音信号も低くなるが、雑音信号が低くなる量より映像信号が低くなる量の方が少なく、差分処理後の映像信号出力は減少する。
【００８２】
輝度が「暗」→「明」→「暗」に変化し、リセット期間の開始まで「暗」状態のままであった場合、映像信号は、積分期間中常時「暗」状態であったときと比較して低くなる。雑音信号はリセット開始時の積分回路入力部の電圧にのみ依存した値となるため、リセット開始時は「暗」状態であるので、雑音信号は常時「暗」状態のときと同じである。すると、差分処理後の映像信号出力は増加し、得られる画像は入射光が「暗」→「明」→「暗」に変化した部分が明るくなったものとなる。
【００８３】
輝度が「明」→「暗」に変化する場合は、同様の理由で、差分処理後の映像信号出力は増加し、得られる画像は輝度変化部分が明るくなる。
【００８４】
輝度が「明」→「暗」→「明」に変化する場合は、差分処理後の映像信号出力は減少し、得られる画像は輝度変化部分が暗くなる。
【００８５】
このような現象により入射光が変化した部分を抽出でき、これにより動体の存在を検出できる。
【００８６】
また、撮像装置から出力される１フレームの撮像データには、被撮像領域に動体が存在する場合、その動体の存在を示すデータが含まれる。該動体存在を示すデータは動体の移動軌跡を示すデータを含んでいる。すなわち、暗く又は明るく表示される部分の幅の大きさ（換言すれば動体の動く速さ）と幅の向き（換言すれば動体の移動方向）で構成される移動軌跡である。従って、該移動軌跡を示すデータから逆に動体移動の速さ及び（又は）方向を知ることも可能である。この速さ及び（又は）方向の判定は、既述のとおり、移動軌跡を示すデータに基づいて図示省略の演算器を用いて、自動的に行うことも容易であるし、予めその幅と速さ等の対応表を作成しておけば、目視にて人間が判断することも容易である。
【００８７】
以上説明したタイプの撮像装置を用いて通常撮像状態で動体を含む被撮像領域を撮像する例を図６（Ａ）に示し、動体抽出撮像状態にて動体を含む被撮像領域を撮像する例を図６（Ｂ）に示す。動体は黒いボールであり、白い壁の前に置いたテーブルの上を図中右から左へ転動している。例えばボールの左右のエッジ部分に着目すると、ボールの左側のエッジ部分の左方への移動により撮像装置から見ると輝度が「明」から「暗」に変化する被撮像領域部分が幅と向きを持った明るい部分Ｐとして表示され、ボールの右側のエッジ部分の左方への移動により撮像装置から見ると輝度が「暗」から「明」に変化する被撮像領域部分が幅と向きを持った暗い部分Ｑとして表示される。
【００８８】
以上、通常撮像、動体抽出撮像のいずれでも行える撮像装置の例について説明したが、電圧制御部１０を動体抽出撮像専用のものとすれば、撮像装置を動体存在検出専用の撮像装置とすることができる。その場合には、前記の切換えスイッチＳＷは不要である。
【００８９】
次に、図７及び図８を参照して固体撮像装置の他の例について説明する。図７は固体撮像装置の他の例の全体構成を示すブロック図である。図８は図７に示す装置の動作を示すフローチャートである。
【００９０】
図７に示す固体撮像装置は、図１に示す撮像装置において、電圧制御部１０を電圧制御部１０’に置き換え、出力アンプＡｍからの出力をコンパレータＣｐへも導き、該コンパレータを一方で電圧制御部１０’に接続するとともに他方でタイマＴｍを介して電圧制御部１０’へ接続したものである。それ以外は図１に示す装置と同様の構成である。図１の装置と実質上同じ部分については同じ参照符号を付してある。
【００９１】
この撮像装置は、先ず動体の有無を検出し、動体存在が認められれば該動体が何であるかをより確かに視認可能ならしめる装置である。
【００９２】
電圧制御部１０’は、図８に示すように、当初、撮像装置を動体抽出撮像状態に設定し、その状態で撮像させ、その結果動体の存在が検出されると、内部の切換え回路により撮像装置を通常撮像状態に切り換えて通常の撮像を行わせ、これにより動体のより確かな視認を可能ならしめ、所定時間ののち再び装置を動体抽出撮像状態に戻す。
【００９３】
さらに説明すると、コンパレータＣｐは動体抽出撮像状態における撮像データに動体が含まれているか否かを検知する動体ディテクタの１例である。コンパレータＣｐは、出力アンプＡｍから出力される撮像データと予め準備された、動体が存在するか否かを判断するための参照データとを比較し、比較結果を電圧制御部１０’へ入力する一方、タイマーＴｍをスタートさせる。
【００９４】
タイマーＴｍは、通常撮像状態を動体抽出撮像状態に戻すための切換え信号を電圧制御部１０’に内蔵された切換え回路ヘ送る信号発生器の１例であり、タイマスタートから所定時間をカウントしたとき該切換え信号を送出する。その後は初期状態に復帰する。
【００９５】
電圧制御部１０’はコンパレータＣｐからの比較結果が動体の存在を示しているときは、内部の切換え回路により動体抽出撮像状態を通常撮像状態に切り換え、コンパレータＣｐからの比較結果が動体の存在を示していないときは、該切換えは行わない。電圧制御部１０’は動体抽出撮像状態を通常撮像状態に切り換えたときは、切り換えから所定時間のカウントによりタイマＴｍから入力されてくる切換え信号に基づいて通常撮像状態を動体抽出撮像状態に戻す。
【００９６】
前記コンパレータで用いる参照データについてさらに説明すると、動体抽出撮像状態での出力アンプＡｍからの出力信号は、動体が無い場合は一定中間調（ここではグレー）表示を行うための一定の値になり、動体がある場合はそのエッジ部が高い、若しくは、低い出力信号となる。従って、例えば動体抽出撮像状態での撮像画像データに含まれる各画像の出力値が予め設定された上下の閥値を超えた場合に、動体が検知されたと認識できる。従って出力アンプＡｍから並列に出力されてくる信号をコンパレータにも並列に入力し、上下に設定した閾値との比較を順次行うことにより、動体の有無が判定される。
【００９７】
なお、通常撮像状態から動体抽出撮像状態へ戻すにあたっては、前記のタイマー等を採用せず、動体を目視、確認したあと手動で該切り換えを行えるスイッチ装置を設けてもよい。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によると、複雑な信号処理を要することなく、簡単に動体の存在を検出できる動体抽出型の撮像装置を提供することができる。
【００９９】
また本発明によると、動体存在の検出を行う状態、通常の撮像を行う状態のいずれにでも設定可能の撮像装置を提供することができる。
【０１００】
また本発明によると、動体の存在を検出し、その動体が何であるかをより確かに視認可能ならしめる撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体撮像装置の１例の全体構成を示すブロック図である。
【図２】画素の配列された画素部等の構成を示す図である。
【図３】一つの画素の構成を示す図である。
【図４】通常撮像状態を実現する様子を示すタイミングチャートである。
【図５】動体抽出撮像状態を実現する様子を示すタイミングチャートである。
【図６】図６（Ａ）は通常撮像状態による、動体（ボール）を含む被撮像領域の撮像例を示し、図６（Ｂ）は動体抽出撮像状態による、動体を含む被撮像領域の撮像例を示している。
【図７】固体撮像装置の他の例の全体構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｇ 画素部
１ 垂直走査回路
２ 水平走査回路
３、３１〜３ｎ 行ライン
４、 ４１〜４ｎ ライン
５ 電源ライン
６、６１〜６ｍ 出力信号線
７１〜７ｍ 定電流電源
８ 出力回路
８１〜８ｍ 選択回路
９ 補正回路
１０、１０’ 電圧制御部
Ａｍ 出力アンプ
Ｒｇ 電圧レギュレータ
ＴＧ タイミングジェネレータ
ＳＷ 撮像状態切換えスイッチ
Ｇ１１〜Ｇｍｎ 画素
ＰＤ フォトダイオード
Ｔ１ スイッチング用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ２ 対数変換用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ３ ＭＯＳトランジスタ
Ｔ４ キャパシタリセット用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ５ ソースフォロワ増幅用ＭＯＳトランジスタ
Ｔ６ 信号読み出し用ＭＯＳトランジスタ
Ｃ キャパシタ（積分用コンデンサ）
Ｃｐ コンパレータ
Ｔｍ タイマ

Claims (5)

1. それぞれが、光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、前記対数変換用トランジスタに与える電圧を制御するための電圧制御部と、前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
   前記電圧制御部は、
   撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、該第２電圧を前記第１電圧との差の絶対値が通常撮像状態が得られる場合の値より小さくなるように設定することで、被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態を実現し、前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
2. 前記電圧制御部は、前記動体抽出撮像状態において、前記静止背景部の全体を均一な中間的濃度で表示する撮像信号を生成するように前記第１電圧及び第２電圧を設定する請求項１記載の固体撮像装置。
3. それぞれが、光電変換素子、該光電変換素子の出力を該素子への入射光量の対数値に比例する電気信号に変換するための対数変換用トランジスタを含む対数変換部及び該対数変換部からの出力を蓄積するための積分回路を備える複数の画素と、前記対数変換用トランジスタに与える電圧を制御するための電圧制御部と、前記各画素からの信号を受け取って出力するための出力回路とを備えており、
   前記電圧制御部は、
   撮像時に前記対数変換用トランジスタに撮像のための第１電圧を印加した状態で、前記光電変換素子から対数変換部を介して出力される第１信号を前記積分回路に蓄積させ、該対数変換用トランジスタのリセット時に該対数変換用トランジスタに第２電圧を印加して該トランジスタをリセットし、該リセットにより得られる第２信号を前記積分回路に蓄積させ、
   該第２電圧を制御することで、通常撮像状態と、被撮像領域に含まれる動体の少なくとも一部を、該被撮像領域に含まれる静止背景部とは異なる濃度で表示する撮像信号を生成する動体抽出撮像状態との切り換えを行い、
   前記出力回路は前記第１信号と前記第２信号との差分に相当する信号を出力する、
   ことを特徴とする固体撮像装置。
4. 前記電圧制御部は、前記第１電圧と前記第２電圧との差の絶対値が、通常撮像状態を実現する場合の値より小さくなるように該第２電圧を制御することで動体抽出撮像状態への切り換えを行う請求項３記載の固体撮像装置。
5. 前記動体抽出撮像状態における撮像データに動体が含まれているか否かを検知するための動体ディテクタをさらに含んでおり、前記電圧制御部は、該動体ディテクタが該動体抽出撮像状態における撮像データに動体が含まれていることを検知したとき該動体抽出撮像状態を通常撮像状態に切り換える請求項１、２、３又は４記載の固体撮像装置。