JP4329617B2 - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は撮像装置および撮像方法に関する。

受光面に入射する光を光電変換することによって電荷を生成し該電荷を予め設定された電荷蓄積時間に応じて蓄積し該蓄積した電荷に対応する撮像信号を出力する固体撮像素子がある。このような固体撮像素子は、前記光電変換を行う画素が行と列をなすようにマトリクス状に配置されている。
固体撮像素子がＣＭＯＳセンサで構成されている場合、前記画素からの撮像信号の読み出しは、画素が配列された行（ライン）単位で順次読み出すか、あるいは、単一画素単位で順次読み出すいわゆるフォーカルプレーン的な読み出しになる。
ところで、このようなＣＭＯＳセンサを有する撮像装置が商用電源で動作する光源から出射される光の下で使用されると、ＣＭＯＳセンサにおける前記電荷蓄積時間が前記光源の光の明暗の変動周期の整数倍でない場合に、ＣＭＯＳセンサから出力される撮像信号によって形成される画面（フレーム）において水平方向に延在する縞状のノイズが生じることが知られている。
このような不都合を回避するため、撮像装置に前記光源の光の明暗の周期的な変動を検出する光量検出器と、前記光量検出器の検出信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記ＣＭＯＳセンサから出力されデジタル信号に変換された撮像信号を前記Ａ／Ｄ変換器から供給される前記検出信号の変動の周期に基づいて補正する補正回路とを設けた撮像装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
前記補正回路は、利得アンプ（乗算器）を有し、この利得アンプの増幅率を前記Ａ／Ｄ変換器から供給される検出信号に応じて増減することによって前記撮像信号のレベルの補正を行っている。
特開２００３−３３３４２３号公報

しかしながら前記従来の撮像装置では、利得アンプによる増幅に伴ってノイズ量の増大や撮像信号の分解能が劣化することが避けられず、撮像信号によって生成される画像のＳ／Ｎ比が低下したり画像の階調のなめらかさが低下するおそれがあった。
また、前記利得アンプを用いて撮像信号を補正するために、利得アンプに加えて、前記検出信号用のＡ／Ｄ変換器や、デジタル信号に変換された検出信号を前記補正回路に伝達する配線などを設ける必要があり、部品点数の増加や構成の複雑化が避けられずコストダウンを図る上で不利があった。
また、撮像素子の一部領域を信号処理で拡大する電子ズーム機能動作時に利得アンプの補正関数が複雑となって補正が困難になる課題もあった。
さらに、前記従来の撮像装置では、固体撮像素子がＣＣＤのように１フレーム毎に撮像信号を出力するものに適用した場合、フレーム毎に利得アンプで増幅率を変えることになるが、増幅率を大きくしたフレームでノイズ量の増大や分解能の劣化による階調のなめらかさの低下が生じていた。
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、その目的は、撮像された画面上に横筋状のノイズが現れることを確実に防止でき、併せて、撮像信号の読み出し方式に拘わらず、撮像信号のＳ／Ｎ比の低下や分解能の低下を防止し、撮像信号によって生成される画像の階調のなめらかさを確保でき、かつ、コストダウンを図る上でも有利な撮像装置および撮像方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、受光面に入射された光を光電変換することによって電荷を生成し該電荷を設定された電荷蓄積時間に応じて蓄積し該蓄積した電荷に対応する検出信号を出力する固体撮像素子と、前記電荷蓄積時間を設定する制御手段とを有する撮像装置であって、前記固体撮像素子の受光面には、該受光面に入射される光によって形成される被写体像に対応する検出信号を撮像信号として出力する撮像領域と、前記受光面に入射される光の光量に対応する検出信号を光量検出信号として出力する光量検出領域とが設けられ、前記光量検出信号を検出する検出回路が設けられ、前記電荷蓄積時間は、前記撮像領域の電荷蓄積時間である撮像用電荷蓄積時間と、前記光量検出領域の電荷蓄積時間である光量検出用電荷蓄積時間との２つの時間であり、前記制御手段は、前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定するように構成され、前記受光面に入射する光源からの光の明暗が一定の周期で変動する変動周期であるとした場合、前記制御手段は前記光量検出用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍以外の時間に設定するとともに、前記検出回路で検出された前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動しているか否かを判定し、前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると判定したときに前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間に設定するように構成されていることを特徴とする。
また、本発明は、受光面に入射された光を光電変換することによって電荷を生成し該電荷を設定された電荷蓄積時間に応じて蓄積し該蓄積した電荷に対応する検出信号を出力する固体撮像素子と、前記電荷蓄積時間を設定する制御手段とを有する撮像装置の撮像方法であって、前記固体撮像素子の受光面には、該受光面に入射される光によって形成される被写体像に対応する検出信号を撮像信号として出力する撮像領域と、前記受光面に入射される光の光量に対応する検出信号を光量検出信号として出力する光量検出領域とが設けられ、前記光量検出信号を検出する検出回路を有し、前記電荷蓄積時間は、前記撮像領域の電荷蓄積時間である撮像用電荷蓄積時間と、前記光量検出領域の電荷蓄積時間である光量検出用電荷蓄積時間との２つの時間であり、前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間を前記制御手段により独立して設定し、前記受光面に入射する光源からの光の明暗が一定の周期で変動する変動周期であるとした場合、前記制御手段により前記光量検出用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍以外の時間に設定し、前記検出回路で検出された前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動しているか否かを前記制御手段により判定し、前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると前記制御手段が判定したときに前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間に設定することを特徴とする。

本発明によれば、固体撮像素子の撮像領域の撮像用電荷蓄積時間と光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定できるように構成したので、例えば、光源から出射される光の明暗の変動周期が一定の変動周期であるとした場合、光量検出用電荷蓄積時間を変動周期の整数倍以外の時間に設定するとともに、光量検出信号が変動周期で周期的に変動しているか否かを判定し、光量検出信号が変動周期で周期的に変動していると判定されたときに、撮像用電荷蓄積時間を変動周期の整数倍の時間に設定することにより、撮像領域の撮像用画素における撮像用電荷蓄積時間内の光量の和がそれぞれ同一となるようにすることができる。
このため、明暗が周期的に変動する光源下で撮影を行う場合に、撮像された画面上に横筋状のノイズが現れることを確実に防止することができる。
また、従来と違って利得アンプによる撮像信号の補正を行わないので、構成が簡素で済みコストダウンを図る上でも有利である。また、ライン単位あるいは画素単位の撮像信号を増幅する利得アンプを用いないので、固体撮像素子の露光タイミングが１フレーム毎に同一タイミングで露光して撮像信号の読み出しを行うものに適用したものでも、利得アンプの増幅率の増加を回避することができる。
さらに、明暗が周期的に変動する光源の環境下において撮像用電荷蓄積時間を変動周期の整数倍に設定していた場合、明暗が周期的に変動しない光源の環境に変化したときに、撮像用電荷蓄積時間を変動周期の整数倍以外の時間に設定することが可能となる。

撮像された画面上に横筋状のノイズが現れることを確実に防止でき、併せて、撮像信号の読み出し方式に拘わらず、撮像信号のＳ／Ｎ比の低下や分解能の低下を防止し、撮像信号によって生成される画像の階調のなめらかさを確保でき、かつ、コストダウンを図るという目的を、固体撮像素子の受光面に撮像領域と光量検出領域とを設け、撮像領域の撮像用電荷蓄積時間と光量検出領域の光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定し、受光面に入射する光源からの光の明暗が一定の周期で変動する変動周期であるとした場合、制御手段により光量検出用電荷蓄積時間を変動周期の整数倍以外の時間に設定し、検出回路で検出された光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動しているか否かを制御手段により判定し、光量検出信号が変動周期で周期的に変動していると制御手段が判定したときに撮像用電荷蓄積時間を変動周期の整数倍の時間に設定することによって実現した。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１における撮像装置の構成を示すブロック図、図２は固体撮像素子の受光面を示す説明図、図３は光電変換部の原理を示す回路図、図４は光電変換部の電荷蓄積時間の説明図、図５は実施例１の撮像装置の動作説明図、図６、図７は光源の明暗の変動周期と電荷蓄積時間との関係を示す説明図である。
図１に示すように、撮像装置１００は、ＣＭＯＳセンサからなる固体撮像素子１０と信号処理部３０を備えている。
図２に示すように、固体撮像素子１０は、不図示の撮影光学系によって導かれた被写体像の光が入射される受光面１１を備え、受光面１１に入射された光を光電変換することによって電荷を生成し該電荷を設定された電荷蓄積時間に応じて蓄積し該蓄積した電荷に対応する検出信号を出力するように構成されている。
受光面１１には、受光面１１に入射される光によって形成される被写体像に対応する検出信号を撮像信号Ｓ１として出力する撮像領域１２と、受光面１１に入射される光の光量に対応する検出信号を光量検出信号Ｓ２として出力する光量検出領域１４とが設けられている。
本実施例では、撮像領域１２および光量検出領域１４は矩形状を呈し、光量検出領域１４は、撮像領域１２の一辺に隣接して撮像領域１２よりも小さい面積を有している。また、撮像領域１２と光量検出領域１４とは、撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２との読み出し動作が独立して行われるように構成されている。
撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２とは、制御回路２０の制御に基づいてスイッチ１６により切り替えられＡ／Ｄ変換器１８に供給される。
Ａ／Ｄ変換器１８は、スイッチ１６から供給される撮像信号Ｓ１または光量検出信号Ｓ２をアナログ信号からデジタル信号に変換して信号処理部３０に供給するものである。
制御回路２０は、スイッチ１６の切替を行うとともに、撮像領域１２および光量検出領域１４の読み出しを制御するものであり、後述する固体撮像素子１０における撮像用電荷蓄積時間と光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定するように構成されている。制御回路２０は例えばマイクロコンピュータによって構成される。
本実施例では、固体撮像素子１０は、スイッチ１６が切り替えられることにより、撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２とが同一の経路を介して時間的に切り分けられて順次出力される。言い換えると、撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２とが別々の読み出し動作により同一の経路を介して順次出力されることになる。

信号処理部３０は、信号処理回路３２と、検出回路３４と、制御部３６とを有している。
信号処理回路３２は、Ａ／Ｄ変換器１８から供給されるデジタル化された撮像信号Ｓ１を処理することにより定義にのっとった映像信号を生成するものである。なお、このような映像信号の生成は従来公知の手法によってなされるものであり、本発明の要旨と関わらないため詳細な説明は省略する。
検出回路３４は、Ａ／Ｄ変換器１８から供給されるデジタル化された光量検出信号Ｓ２から光源の明暗の周期性変動を検出するものである。
制御部３６は、信号処理回路３２の制御を行うとともに、検出回路３４の検出結果に基づいて制御回路２０に前記指令を与えるものである。制御部３６は例えばマイクロコンピュータによって構成される。
本実施例では、制御回路２０、信号処理部３２、検出回路３４、制御部３６によって特許請求の範囲の制御手段が構成され、制御回路２０、検出回路３４、制御部３６によって特許請求の範囲の設定手段が構成され、信号処理部３２によって特許請求の信号処理手段が構成されている。

ここで、図３を参照して、固定撮像素子部１０の撮像領域１２を構成する画素について説明する。なお、光量検出領域１４を構成する画素も撮像領域１２を構成する画素と同様に構成されている。
本実施例では、複数の画素１０Ａが行方向と列方向にマトリックス状に配置され、いわゆるＸ−Ｙアドレッシング走査方式によって行方向と列方向に画素１０Ａが走査されることで画素１０Ａに蓄積された電荷（信号電荷）を検出信号（撮像信号Ｓ１あるいは光検出信号Ｓ２）として読み出されるように構成されている。
画素１０Ａは、フォトダイオード１００２、電荷掃き出しスイッチ１００４、電荷読み出しスイッチ１００６、増幅器１００８とを有している。
フォトダイオード１００２は、前記光を受光して電荷に光電変換するものである。
電荷掃き出しスイッチ１００４は、フォトダイオード１００２のアノードと基準電位（グランドレベル）との間に設けられ、電荷掃き出しスイッチ１００４がオンすることでフォトダイオード１００２で生成された電荷（信号電荷）をグランドに掃き出し、これにより画素１０Ａに蓄積された電荷を０にするものである。
電荷読み出しスイッチ１００６はフォトダイオード１００２のアノードに接続され電荷読み出しスイッチ１００６がオンすることでフォトダイオード１００２で生成された電荷を出力し、これにより画素１０Ａに蓄積された電荷を信号として出力するものである。
本実施例では、電荷読み出しスイッチ１００６はＸ−Ｙアドレッシング走査方式における行方向のスイッチ１００６Ａと、Ｘ−Ｙアドレッシング走査方式における列方向のスイッチ１００６Ｂとの２つで構成されている。
増幅器１００８は、電荷読み出しスイッチ１００６を介して読み出された電荷、すなわち前記信号を増幅することにより検出信号を生成し出力するものである。
図４に示すように、電荷掃き出しスイッチ１００４を一度オンして検出信号を０にしたタイミングＴ１から、電荷読み出しスイッチ１００６をオンにして信号を読み出すタイミングＴ２までの時間Ｔｓが電荷蓄積時間となる。
本実施例では、撮像領域１２の画素の電荷蓄積時間を撮像用電荷蓄積時間といい、光量検出領域１４の画素の電荷蓄積時間を光量検出用電荷蓄積時間といい、これら撮像用電荷蓄積時間と光量検出用電荷蓄積時間との２つの時間により固体撮像素子１０の電荷蓄積時間が構成されている。
制御回路２０による前記撮像用電荷蓄積時間の設定と前記光量検出用電荷蓄積時間の設定は、電荷掃き出しスイッチ１００４、電荷読み出しスイッチ１００６のオン、オフのタイミングを制御することによってなされる。

固体撮像素子１０における撮像信号Ｓ１および光量検出信号Ｓ２の生成動作についてさらに説明する。
図５において、符号Ｔｖ１、Ｔｖ２、Ｔｖ３は、それぞれ信号処理回路３２から出力される前記映像信号の１フレーム分の時間である。
フレーム時間Ｔｖ１は、映像として有効となる撮像信号Ｓ１を読み出す時間Ｔｖｄ１と、光量検出信号Ｓ２を読み出す時間Ｔｆｌ１とからなる。以下同様に、フレーム時間Ｔｖ２は、映像として有効となる撮像信号Ｓ１を読み出す時間Ｔｖｄ２と、光量検出信号Ｓ２を読み出す時間Ｔｆｌ２とからなる。フレーム時間Ｔｖ３は、映像として有効となる撮像信号Ｓ１を読み出す時間Ｔｖｄ３と、光量検出信号Ｓ２を読み出す時間Ｔｆｌ３とからなる。
撮像信号Ｓ１を読み出す時間Ｔｖｄ１、Ｔｖｄ２、Ｔｖｄ３、……と、光量検出信号Ｓ２を読み出す時間Ｔｆｌ１、Ｔｆｌ２、Ｔｆｌ３、……との設定は、スイッチ１６を切り替える時間を制御することによりなされる。言い換えると、フレーム時間Ｔｖ１、Ｔｖ２、Ｔｖ３、……のうち、撮像信号Ｓ１を読み出す時間Ｔｖｄ１、Ｔｖｄ２、Ｔｖｄ３、……を除く残りの時間が光量検出信号Ｓ２を読み出す時間Ｔｆｌ１、Ｔｆｌ２、Ｔｆｌ３、……として割り当てられることになる。

Ｔｖｄｓは上述した撮像用電荷蓄積時間であって、映像信号として有効となる撮像領域１２の画素（以下、有効領域画素と記す）の電荷蓄積時間である。ＣＭＯＳセンサの場合、各画素の電荷を順次読み出すので、撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓは一定時間ずつずれることになる。
上述したように、まず、電荷掃き出しスイッチ１００４をオンして画素の電荷を０とし、次いで撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが経過したあとで電荷読み出しスイッチ１００６を順次オンして画素の電荷を読み出し、これにより撮像信号Ｓ１が出力される。
Ｔｆｌｓは上述した光量検出用電荷蓄積時間であって、光量検出部１４の画素（以下、光量検出画素と記す）の電荷蓄積時間である。
上述したように、まず、電荷掃き出しスイッチ１００４をオンして画素の電荷を０とし、次いで光量検出用電荷蓄積時間Ｔｆｌｓが経過したあとで電荷読み出しスイッチ１００６を順次オンして画素の電荷を読み出し、これにより光量検出信号Ｓ２が出力される。
なお、前記光量検出用電荷蓄積時間は、Ａ／Ｄ変換器１８に入力される光量検出信号Ｓ２が飽和しないように制御される。
また、光量検出信号Ｓ２の読み出しは１つの画面毎、すなわち１フレームに１回ずつ行われ、光量検出信号Ｓ２の読み出しは例えば各フレームに対応する垂直同期信号の始まりの位相から常に一定時間遅れたタイミングでなされるように設定される。

次に、検出回路３４による光源の明暗の周期性変動の検出について説明する。
検出回路３４は、光量検出信号Ｓ２を入力して光源の明暗の変動の周期性の有無を検出しその検出結果を制御部３６に供給する。
光源の明暗が周期的に変動する主な発生要因は、その光源に供給される交流電源（商用電源）の周波数に起因する。光源の明暗の変動の周波数は、交流電源の電圧が最大となる点が１周期に２回あることから、交流電源の周波数の２倍の周波数となることが多い。
検出回路３４は、例えば電源周波数の２倍の周波数を通過帯域の中心周波数として構成されたＢＰＦ（バンドパスフィルター）を有し、制御部３６は、この検出回路３４を通過した信号の周期的変動の大きさに基づいて光源が周期性変動する光源か否かを判断する。なお、検出回路３４はＢＰＦを用いたものに限定されるものではなく従来公知の様々な回路を適用可能であることはいうまでもない。

図６は撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍以外の時間となっている場合、言い換えると、撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍となっていない場合、言い換えると、小数点以下の桁を有する実数倍（例えば１．１倍、２．５倍、４／３倍など）となっている場合の関係を示した説明図であり、（Ａ）は光量と各画素の電荷蓄積時間との関係を示す図であり、（Ｂ）は各画素に蓄積される電荷量を示す図である。
図６（Ａ）に示すように、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、……における撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが同じであっても、図６（Ｂ）に示すように、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、……で電荷を読み出しているタイミングによって撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓ内の光量の和が異なってしまう。このため、同じ光量の被写体部分を撮像したとしても、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから得られる撮像信号Ｓ１の出力レベルが異なり、結果として画面上に横筋状にノイズとして現れるようになる。

図７は撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍となっている場合、例えば１倍、２倍、３倍、……となっている場合の関係を示した説明図であり、（Ａ）は光量と各画素の電荷蓄積時間との関係を示す図であり、（Ｂ）は各画素に蓄積される電荷量を示す図である。
図７（Ａ）に示すように、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、……における撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが同じであり、図７（Ｂ）に示すように、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、……で画素を読み出しているタイミングに関わらず、撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓ内に光源の明暗が整数回分だけ変動するので、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、……における撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓ内の光量の和がそれぞれ同一となる。
このため、同じ光量の被写体部分を撮像したときに、各画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、……から得られる撮像信号Ｓ１が同じ出力レベルとなり、画面上に横筋状にノイズは現れない。

一方、光量検出領域１４の画素においても、図６、図７で説明したのと同様の原理により、光量検出用電荷蓄積時間が光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍でなければ、光量検出信号Ｓ２は光源の明暗の変動の周期に対応して変動し、光量検出用電荷蓄積時間が光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍であれば、光量検出信号Ｓ２は光源の明暗の変動の周期に対応した変動をしないことになる。

次に本実施例の撮像装置１００の動作について説明する。
制御部３６は制御回路２０に指令を送り、制御回路２０によって光量検出領域１４の光量検出用電荷蓄積時間が光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍とならないように設定している。具体的には、交流電源周波数が５０Ｈｚおよび６０Ｈｚであれば、光量検出用電荷蓄積時間が前記交流電源周波数の倍である１００Ｈｚおよび１２０Ｈｚの整数倍の周期とならないように設定する。言い換えると、光量検出用電荷蓄積時間が周期１／１００ｓｅｃおよび１／１２０ｓｅｃの整数倍の周期以外の時間となるように設定する。
制御回路２０は、スイッチ１６を１フレーム毎に１回切り替えることにより、撮像領域１２からの撮像信号Ｓ１と光量検出領域１４からの光量検出信号Ｓ２とを読み出し同一の経路を介して信号処理部３０に供給する。
この状態で、制御部３６は、検出回路３４から得られる検出結果を監視し、光源の明暗が周期的に変動していると判断すると、制御回路２０に指令を与え、撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓが光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍となるように設定する。具体的には例えば蛍光灯下などの環境下においてこのような動作を行う。
制御部３６は、光源の明暗が周期的に変動していないと判断すると、制御回路２０に指令を与え、撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓを光源の明暗の変動の周期ＴＬｔの整数倍の時間以外の時間にも設定できるように制御する。具体的には例えば太陽光などの環境下においてこのような動作を行う。

以上説明したように、本実施例によれば、固体撮像素子１０の撮像領域１２の撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓと前記光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定できるように構成した。
したがって、光源から出射される光の明暗の変動周期が一定の変動周期ＴＬｔであるとした場合、前記光量検出用電荷蓄積時間を変動周期ＴＬｔの整数倍以外の時間に設定するとともに、光量検出信号Ｓ２が変動周期ＴＬｔで周期的に変動しているか否かを判定し、光量検出信号Ｓ２が前記変動周期ＴＬｔで周期的に変動していると判定されたときに、撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓを変動周期ＴＬｔの整数倍の時間に設定するように構成することにより、撮像領域１２の前記撮像用画素における撮像用電荷蓄積時間Ｔｖｄｓ内の光量の和がそれぞれ同一となるようにすることができる。
このため、明暗が周期的に変動する光源下で撮影を行う場合に、撮像された画面上に横筋状のノイズが現れることを確実に防止することができる。
また、従来のように撮像信号を増幅する利得アンプの増幅率を変化させて光源の周期的な変動の影響を補正する場合、利得アンプに供給される撮像信号がデジタル信号で構成されていると、利得アンプの増幅により撮像信号の分解能が劣化することになり、前記撮像信号によって生成される画像の階調のなめらかさが低下するおそれがあった。
しかしながら、本実施例によれば、利得アンプの増幅率を用いないため、撮像信号の分解能の劣化がなく前記撮像信号によって生成される画像の階調のなめらかさを確保する上で有利となる。
また、従来と違って利得アンプによる撮像信号の補正を行わないので、構成が簡素で済みコストダウンを図る上でも有利である。
また、従来の撮像装置では、固体撮像素子がＣＣＤのように１フレーム毎に撮像信号に同一露光タイミングで得た撮像信号を出力するものを用いた場合、フレーム毎に利得アンプの増幅率を増減させるために光量が低下したフレームでのＳ／Ｎ比の低下や分解能の低下が避けられなかったが、本実施例では、撮像信号のＳ／Ｎ比の低下や分解能の低下を防止することができる。

また、本実施例によれば、固体撮像素子１０の受光面１１に撮像領域１２と光量検出部１４とを設けたので、固体撮像素子１０およびこの固体撮像素子１０に光を導く撮影光学系を小型化する上で有利となる。
例えば、撮影光学系を構成するレンズが円形を呈し、撮像領域１２が矩形であった場合、撮影光学系によって受光面１１に導かれる光束が形成する円弧部分と撮像領域１２の一辺との間に形成されるデッドスペースに光量検出部１４を配置すれば、固体撮像素子１０の受光面１１を拡大したり、撮影光学系の口径を大きく確保したりする必要がない。

次に実施例２について説明する。
実施例２は、実施例１が撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２を時間的に切り分けて個体撮像素子部１０から信号処理部３０に供給しているのに対し、光量検出信号Ｓ２に基づく光源の光量の変動の検出を固体撮像素子１０で行い、変動の検出結果を撮像信号Ｓ１の出力（読み出し）タイミングとは独立したタイミングで信号処理部３０に供給している点が実施例１と相違している。
図８は実施例２の撮像装置１００Ａを示すブロック図であり、以下実施例１と同様の部分および部材には図１と同一の符号を付して説明する。
図８に示すように、制御回路２０は、撮像領域１２および光量検出領域１４の読み出しを制御するとともに、固体撮像素子１０における撮像用電荷蓄積時間と光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定する。
撮像領域１２から読み出される撮像信号Ｓ１はＡ／Ｄ変換器１８と信号線を介して信号処理回路３２に供給される。
光量検出領域１４から読み出される光量検出信号Ｓ２は検出回路２２に供給される。
検出回路２２は、例えば電源周波数の２倍の周波数を通過帯域の中心周波数として構成されたＢＰＦ（バンドパスフィルター）を有し、制御回路２０は、この検出回路２２を通過した信号の周期的変動の大きさを表す検出データを生成し、この検出データを制御部３６に供給する。前記検出データの制御部３６への供給は制御回路２０と制御部３６を接続する信号線によって行われる。また、検出回路２２がＢＰＦを用いたものに限定されるものではなく従来公知の様々な回路を適用可能であることは実施例１と同様である。
制御部３６は、前記検出データに基づいて光源が周期性変動する光源か否かを判断し、以下実施例１と同様の制御を行う。
したがって、実施例２では、実施例１と同様に撮像領域１２と光量検出領域１４とは独立して構成されているが、実施例１と異なり撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２とは別々の読み出し動作により互いに異なる経路を介して出力されている。
本実施例では、制御回路２０、検出回路２２、信号処理部３２、制御部３６によって特許請求の範囲の制御手段が構成され、制御回路２０、検出回路２２、制御部３６によって特許請求の範囲の設定手段が構成され、信号処理部３２によって特許請求の信号処理手段が構成されている。
また、光量検出信号Ｓ２に対応する検出データを伝達する信号線によって特許請求の範囲の第１の経路が構成され、撮像信号Ｓ１を伝達する信号線によって特許請求の範囲の第２の経路が構成されている。

このような構成においても実施例１と同様の作用効果を奏することはもちろんである。
また、実施例２では、実施例１と異なり、スイッチ１６によって撮像信号Ｓ１と光量検出信号Ｓ２を時間的に切り分けて信号処理部３０に順次供給しない。したがって、実施例１に比較してスイッチ１６を省くことができ、構成を簡素化する上で有利となる。
また、前記検出データを制御部３６に供給するタイミングと、撮像信号Ｓ１を信号処理回路３２に供給するタイミングを独立して設定することができ、撮像信号Ｓ１の読み出し時間の設定を自由に行う上で有利である。また、例えばこれら検出データと撮像信号Ｓ１を信号処理部３０に同時に（並行して）供給したり、１フレーム当たりに複数の検出データを供給したりすることができ、設計の自由度を確保する上で有利となる。

次に実施例３について説明する。
実施例３が実施例１、２と異なるのは、固体撮像素子１０の撮像領域１２と光量検出領域１４が撮像信号Ｓ１の読み出し動作と光量検出信号Ｓ２の読み出し動作とが時間的に連続して行われる点である。
図９は実施例３の撮像装置１００Ｂの構成を示すブロック図、図１０は撮像領域１２および光量検出領域１４部分の回路図である。
図９に示すように、固体撮像素子１０を構成する撮像領域１２、光量検出領域１４は、Ｘ−Ｙアドレッシング方式で構成されている。
図１０に示すように、固体撮像素子１０の上下方向(垂直方向)に４列に配列された画素のうち、上３列の画素が撮像領域１２の有効領域画素を構成し、下１列の画素が光量検出領域１４の光量検出画素を構成している。
固体撮像素子１０は、水平読み出し制御回路１０２０と、垂直読み出し制御回路１０２２と、撮像領域用の電荷掃き出し制御回路１０２４と、光量検出領域用の電荷掃き出し制御回路１０２６とを備えている。
水平読み出し制御回路１０２０は、水平方向の読み出し制御信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４を紙面左から右へ順次一定時間のみオンする。
垂直読み出し制御回路１０２２は、上下方向の読み出し制御信号ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳ３、ＶＳＬを紙面上方からＲ下方へ順次一定時間のみオンする。
これにより、撮像領域１２と光量検出領域１４の画素に蓄積された電荷が左上から右下に向かって１列づつ順次読み出され撮像信号Ｓ１、光量検出信号Ｓ２としてＡ／Ｄ変換器１８に供給される。
撮像領域用の電荷掃き出し制御回路１０２４は、撮像領域１２の撮像用電荷蓄積時間を制御する掃き出し制御信号ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３を出力するものである。撮像領域用の電荷掃き出し制御回路１０２４は、上下方向の読み出し制御信号ＶＳ１、ＶＳ２、ＶＳ３がオンされるタイミングに対してそれぞれ撮像領域１２の撮像用電荷蓄積時間分だけ前のタイミングで掃き出し制御信号ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３と順次オンさせて電荷を掃き出させる。
光量検出領域用の電荷掃き出し制御回路１０２６は、光量検出領域１４の光量検出用電荷蓄積時間を制御する掃き出し制御信号ＶＲＬを出力するものである。光量検出領域用の電荷掃き出し制御回路１０２６は、上下方向の読み出し制御信号ＶＳＬがオンされるタイミングに対して光量検出領域１４の光量検出用電荷蓄積時間の撮像用電荷蓄積時間分だけ前のタイミングで掃き出し制御信号ＶＳＬをオンさせて電荷を掃き出させる。
したがって、これら水平読み出し制御回路１０２０、垂直読み出し制御回路１０２２、撮像領域用の電荷掃き出し制御回路１０２４、光量検出領域用の電荷掃き出し制御回路１０２６が動作することによって、撮像信号Ｓ１の読み出し動作と光量検出信号Ｓ２の読み出し動作とが時間的に連続して行われる。
また、信号処理部３０の信号処理回路３２と検出回路３４は、撮像信号Ｓ１の読み出し動作と光量検出信号Ｓ２の読み出し動作に同期して動作する。
このように構成された実施例３においても実施例１と同様の作用効果を奏することはもちろんである。
また、実施例３では、撮像信号Ｓ１の読み出し動作と光量検出信号Ｓ２の読み出し動作とを独立して行わないため、制御回路２０の制御を簡素化する上で有利となる。

また、図１０の構成では、画素当たりの電荷掃き出しスイッチ１００４が１つ設けられ、上下方向が同一の位置にある全ての画素の電荷掃き出しスイッチ１００４が同一の画素掃き出し制御信号ＶＲ１、ＶＲ２、ＶＲ３、ＶＲＬによってオンするように構成されている。そのため、上下方向が同一の位置にある全ての画素では同一のタイミングで電荷の掃き出しが行われている。
これに対して図１１に示すように、画素当たりの電荷掃き出しスイッチ１００４に加えて別の電荷掃き出しスイッチ１００５を増設し、これら別の電荷掃き出しスイッチ１００５をそれぞれ水平読み出し制御回路１０２０の水平方向の読み出し制御信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４によってオンさせるように構成すれば、水平方向が同一の位置にある画素の電荷の掃き出しタイミングを一致させることが可能となる。

また、ＣＣＤのように全画面領域を同一タイミングで読み出す形式の固体撮像素子であっても、図９と同様に構成することで、各画素の電荷を掃き出すタイミングを２種類独立して設定することにより、撮像領域１２および光量検出領域１４を構成することができることは無論である。

図１２は、固体撮像素子１０の撮像領域１２のうち、一部の領域を限定して撮像信号Ｓ１を読み出すことによって、画像を拡大する電子ズーム機能を実現した場合における撮像信号Ｓ１および光量検出信号Ｓ２の読み出しタイミングを示す図である。
図１２において、前記電子ズーム機能が無効の場合における撮像信号Ｓ１を読み出す時間はＴｖｄ１、Ｔｖｄ２、Ｔｖｄ３、……であり、前記電子ズーム機能が有効の場合における撮像信号Ｓ１を読み出す時間はＴｖｄ１´、Ｔｖｄ２´、Ｔｖｄ３´、……である。図示されているように、電子ズーム機構が有効になった場合には撮像信号Ｓ１を読み出す時間が短くなる。このため、電子ズーム機能の有効、無効に対応して光源の周期的変動に起因する横縞状のノイズの形状は変化する場合がある。
しかしながら、本発明によれば、図１２に示すように、光量検出信号Ｓ２を読み出す時間Ｔｆｌ１、Ｔｆｌ２、Ｔｆｌ３、……は電子ズーム機構の有効、無効に拘わらず一定であるため、光量検出用信号Ｓ２の読み出し時間は影響を受けない。
したがって、前記電子ズーム機能の有効、無効に関わらず、前記横縞状のノイズの発生を確実に防止することができる。

なお、上述した各実施例では、光源から出射される光の明暗の変動周期が一定の変動周期であるとした場合、前記光量検出用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍以外の時間に設定するとともに、前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動しているか否かを判定し、前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると判定されたときに、前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間に設定するように構成したので、明暗が周期的に変動する光源下で撮影を行う場合に、撮像された画面上に横筋状のノイズが現れることを確実に防止する上で有利となる。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、各実施例以外の種々の方法で撮像用電荷蓄積時間と光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定することによって撮像信号および光量検出信号のレベルを補正することができる。

本発明の実施例１における撮像装置の構成を示すブロック図である。 固体撮像素子の受光面を示す説明図である。 光電変換部の原理を示す回路図である。 光電変換部の電荷蓄積時間の説明図である。 実施例１の撮像装置の動作説明図である。 光源の明暗の変動周期と電荷蓄積時間との関係を示す説明図である。 光源の明暗の変動周期と電荷蓄積時間との関係を示す説明図である。 実施例２の撮像装置１００Ａを示すブロック図である。 実施例３の撮像装置１００Ｂの構成を示すブロック図である。 撮像領域１２および光量検出領域１４部分の回路図である。 撮像領域１２および光量検出領域１４部分の他の例を示す回路図である。 固体撮像素子１０の撮像領域１２のうち、一部の領域を限定して撮像信号Ｓ１を読み出すことによって、画像を拡大する電子ズーム機能を実現した場合における撮像信号Ｓ１および光量検出信号Ｓ２の読み出しタイミングを示す図である。

符号の説明

１００……撮像装置、１０……固体撮像素子、１２……撮像領域、１４……光量検出領域、２０……制御回路、３０……信号処理部、３２……信号処理回路、３４……検出回路、３６……制御部。

Claims (15)

1. 受光面に入射された光を光電変換することによって電荷を生成し該電荷を設定された電荷蓄積時間に応じて蓄積し該蓄積した電荷に対応する検出信号を出力する固体撮像素子と、前記電荷蓄積時間を設定する制御手段とを有する撮像装置であって、
   前記固体撮像素子の受光面には、該受光面に入射される光によって形成される被写体像に対応する検出信号を撮像信号として出力する撮像領域と、前記受光面に入射される光の光量に対応する検出信号を光量検出信号として出力する光量検出領域とが設けられ、
   前記光量検出信号を検出する検出回路が設けられ、
   前記電荷蓄積時間は、前記撮像領域の電荷蓄積時間である撮像用電荷蓄積時間と、前記光量検出領域の電荷蓄積時間である光量検出用電荷蓄積時間との２つの時間であり、
   前記制御手段は、前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間とを独立して設定するように構成され、
   前記受光面に入射する光源からの光の明暗が一定の周期で変動する変動周期であるとした場合、前記制御手段は前記光量検出用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍以外の時間に設定するとともに、前記検出回路で検出された前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動しているか否かを判定し、前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると判定したときに前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間に設定するように構成されている、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 前記制御手段は、前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると判定されないときに、前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間と異なる時間にも設定できるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記撮像領域と前記光量検出領域は、前記撮像信号の読み出し動作と前記光量検出信号の読み出し動作とが独立して行われるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記撮像領域と前記光量検出領域は、前記撮像信号の読み出し動作と前記光量検出信号の読み出し動作とが独立して行われるように構成され、前記制御手段は、前記撮像信号と前記光量検出信号の何れか一方を選択するスイッチと、前記スイッチを介して入力された前記光量検出信号に基づいて前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間との設定を行う設定手段と、前記スイッチを介して入力された前記撮像信号を信号処理することにより映像信号を生成する信号処理手段とを有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
5. 前記撮像領域と前記光量検出領域は、前記撮像信号の読み出し動作と前記光量検出信号の読み出し動作とが独立して行われるように構成され、前記制御手段は、第１の経路を介して供給される前記光量検出信号に基づいて前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間との設定を行う設定手段と、前記第１の経路とは別の第２の経路を介して供給される前記撮像信号を信号処理することにより映像信号を生成する信号処理手段とを有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
6. 前記撮像領域と前記光量検出領域は、前記撮像信号および前記光量検出信号の読み出し動作が時間的に連続して行われるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
7. 前記撮像領域と前記光量検出領域は、前記撮像信号の読み出し動作と前記光量検出信号の読み出し動作とが連続して行われるように構成され、前記制御手段は、前記光量検出信号に基づいて前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間との設定を行う設定手段と、前記撮像信号を信号処理することにより映像信号を生成する信号処理手段とを有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
8. 前記光源は商用電源が供給されることで前記光を出射し、前記変動周期は前記商用電源の周期の１／２であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
9. 固体撮像素子はＣＭＯＳセンサあるいはＣＣＤであることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
10. 受光面に入射された光を光電変換することによって電荷を生成し該電荷を設定された電荷蓄積時間に応じて蓄積し該蓄積した電荷に対応する検出信号を出力する固体撮像素子と、前記電荷蓄積時間を設定する制御手段とを有する撮像装置の撮像方法であって、
    前記固体撮像素子の受光面には、該受光面に入射される光によって形成される被写体像に対応する検出信号を撮像信号として出力する撮像領域と、前記受光面に入射される光の光量に対応する検出信号を光量検出信号として出力する光量検出領域とが設けられ、
    前記光量検出信号を検出する検出回路を有し、
    前記電荷蓄積時間は、前記撮像領域の電荷蓄積時間である撮像用電荷蓄積時間と、前記光量検出領域の電荷蓄積時間である光量検出用電荷蓄積時間との２つの時間であり、
    前記撮像用電荷蓄積時間と前記光量検出用電荷蓄積時間を前記制御手段により独立して設定し、
    前記受光面に入射する光源からの光の明暗が一定の周期で変動する変動周期であるとした場合、前記制御手段により前記光量検出用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍以外の時間に設定し、
    前記検出回路で検出された前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動しているか否かを前記制御手段により判定し、
    前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると前記制御手段が判定したときに前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間に設定する、
    ことを特徴とする撮像方法。
11. 前記光量検出信号が前記変動周期で周期的に変動していると判定されないときに、前記撮像用電荷蓄積時間を前記変動周期の整数倍の時間と異なる時間に設定することを特徴とする請求項１０記載の撮像方法。
12. 前記撮像領域からの前記撮像信号の読み出し動作と、前記光量検出領域からの前記光量検出信号の読み出し動作とを独立して行うことを特徴とする請求項１０記載の撮像方法。
13. 前記撮像領域からの前記撮像信号の読み出し動作と、前記光量検出領域からの前記光量検出信号の読み出し動作とを時間的に連続して行うことを特徴とする請求項１０記載の撮像方法。
14. 前記変動周期は商用電源の周期の１／２であることを特徴とする請求項１０記載の撮像方法。
15. 前記固体撮像素子はＣＭＯＳセンサあるいはＣＣＤであることを特徴とする請求項１０記載の撮像方法。

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