JP4389766B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
この特許文献1の撮像装置の撮像素子にあっては、まず、各ライン(画素列)を平面視上側から平面視下側まで順次リセットし、そのリセットされた画素列のうち標準露光時間経過したものから順次電荷を読み出す。そして、その電荷の読み出しを終えた画素列のうち所定時間経過したものから順次リセットし、そのリセットされた画素列のうち短露光時間経過したものから順次電荷を読み出すようになっている。即ち、撮像素子は、標準露光時間後の電荷を読み出す画素列、所定時間後のリセット動作を実行する画素列及び短露光時間後の電荷を読み出す画素列が順次移動するローリングシャッタを実現している。
上記撮像装置において、前記飽和状態が、前記第1電荷の読出しに基づき得られる画像
信号の輝度値が出力階調の最大値を示す状態である、ことが好ましい。
また、本発明に係る撮像装置の他の態様は、複数のセンサセルを含む撮像素子と、デジタルシグナルプロセッサと、を備え、前記デジタルシグナルプロセッサが、前記複数のセンサセルの第1画素列から第1露光時間に発生した第1電荷を読み出し、前記第1電荷に基づき前記第1画素列の露光による飽和状態を判断し、前記判断に基づき第1露出コードと第2露出コードと第3露出コードとの中からいずれかひとつを選択し、前記第2露出コードまたは前記第3露出コードを選択した場合、前記第1電荷の読み出しのあとに前記第1画素列から前記第1露光時間より短い第2露光時間に発生した第2電荷を読み出し、前記第2電荷に基づき前記第1画素列に対応する画像を生成するものであり、前記デジタルシグナルプロセッサが、前記第1画素列に対し前記第1電荷の読み出しから第1所定時間後に第1リセット動作を実行できるよう、前記第1電荷の読み出しから第2所定時間後に第2リセット動作を実行できるよう構成され、前記第1露出コードが前記第1リセット動作と前記第2リセット動作とのうちいずれも実行しない状態を示し、前記第2露出コードが前記第1リセット動作を実行する状態を示し、前記第3露出コードが前記第2リセット動作を実行する状態を示すものである、ことを特徴とするものであってもよい。
上記撮像装置において、前記デジタルシグナルプロセッサが、前記複数のセンサセルの第2画素列から前記第1露光時間に発生した第3電荷を読出し、前記第3電荷の読み出しのあとに前記第2画素列から前記第2露光時間より短い第3露光時間に発生した第4電荷を読出し、前記第4電荷に基づき前記第2画素列に対応する画像を生成するものである、ことが好ましい。また、上記撮像装置において、撮像素子が、さらに、第1露光読出カウンタと、第2露光読出カウンタと、を含み、前記第1露光読出カウンタに基づき前記第1電荷が前記デジタルシグナルプロセッサに読み出され、前記第2露光読出カウンタに基づき前記第2電荷が前記デジタルシグナルプロセッサに読み出されるものである、ことが好ましい。また、上記撮像装置において、デジタルシグナルプロセッサが、さらに、飽和判定部を含み、前記飽和判定部が、前記第1画素列に含まれる複数の画素の各々について、前記第1電荷の読出しに基づき得られる画像信号の輝度値が出力階調の最大値を示す状態であるか否かを判定するものである、ことが好ましい。また、上記撮像装置において、デジタルシグナルプロセッサが、さらに、前記露出コードを出力する露出コード判定部を含み、前記露出コード判定部が、前記最大値を示す状態である画素の数が、前記第1画素列に含まれる複数の画素に対し、所定割合以上であるか否かを判断するものである、ことが好ましい。また、上記撮像装置において、デジタルシグナルプロセッサが、さらに、画素値計算部を含み、前記画素値計算部が、前記画像を生成するものである、ことが好ましい。
さらに、少なくとも1つのラインを特定する読み出しライン特定手段と、その特定されたラインの読み出しを制御する読み出し制御手段と、前記特定されたラインのうち前記読み出しが行われたラインのみを当該読み出しの直後にリセットする直後リセット手段とを備えるようにしてもよい。
この構成によれば、撮像素子のライン毎にリセットタイミングを設定することができ、例えば、単に1ラインずつ平面視上側から順次リセットさせて全てのラインに同じ露光時間を設定する方法と異なり、ライン毎に適切な露光時間の長さを設定することができる。
また、前記制御信号生成手段は、前記撮像素子の各ラインの露光時間を示すコードを格納するコード格納手段と、リセットを実行可能なラインを特定するリセットライン特定手段と、そのライン特定手段で特定されたラインの露光時間を示すコードを前記コード格納手段から読み出し、その読み出されたコードに基づいて前記制御信号を生成する信号生成手段と、その生成された制御信号に基づいて前記撮像素子で撮像された画像の輝度値(飽和状態)をライン毎に評価(検出)し、その評価結果に基づいて前記格納手段に格納されている各ラインのコードを更新するコード更新手段とを備えるようにしてもよい。
この撮像装置1は、1フレーム期間に2種類の露光時間(標準露光時間、短露光時間)で画像を撮像する撮像素子を備える。即ち、本発明の撮像素子は、各ライン(画素列)を平面視上側から平面視下側まで順次リセットする処理と、リセット後に特定の露光時間経過したものから順次電荷を読み出す処理とが同時に実行される(但し、「リセット」と「読み出し」は別々のライン番号)。具体的には、図1に示すように、標準露光時間経過後に電荷の読み出しを終えた画素列から第1所定時間経過した画素列(ライン)又は第2所定時間経過した画素列(ライン)を順次リセットし、また、標準露光読み出しとは別に、前記リセットから第3所定時間経過した画素列(ライン)から順次電荷を読み出すようになっている(短露光時間読み出し)。つまり、本発明の撮像素子は、図1に示すように、標準露光時間後に電荷を読み出す画素列(以下、「標準露光読出ラインL」とも呼ぶ。)、第1所定時間後にリセット動作を実行させる画素列(以下、「第1リセットラインR1」とも呼ぶ。)、第2所定時間後にリセット動作を実行させる画素列(以下、「第2リセットラインR2」とも呼ぶ。)及び短露光時間(第3所定時間)後に電荷を読み出す画素列(以下、「短露光読出ラインS」とも呼ぶ。)が順次移動するローリングシャッタを実現している。これにより、第1リセットラインR1と第2リセットラインR2とで選択される2画素列を同時にリセットさせるようになっている。なお、本実施形態において、標準露光時間とは、短露光時間読み出しが実行され、その直後のリセットが実行されてから、次の読み出しが行われるまでの時間である。短露光時間とは、第1リセットラインR1もしくは第2リセットラインR2でのリセットが実行されてから、次の読み出しが行われるまでの時間である。
またその際、この撮像装置1は、先行するフレーム期間において短露光時間と標準露光時間とで撮像された画像の輝度値の大小(明るさ)を画素列毎に評価し、その評価結果に基づいて、引き続くフレーム期間における短露光時間と標準露光時間とを画素列毎に設定するようになっている。即ち、本発明の撮像装置1は、短露光時間において飽和画素となってしまう部分がある場合、その部分を含む画素列の短露光時間をより短くする制御を行う。なお、明るさの評価方法としては、画素列毎に短露光時間で撮像された画像内で輝度値が飽和している画素の総和を評価値とする方法が挙げられる。また、露光時間の制御方法としては、前記評価値がある所定値(例えば10%)以上であった画素列の短露光時間をより短くし、前記評価値(飽和画素の総和)が0の画素列の短露光時間を長くする方法が挙げられる。
図2は、本発明の撮像装置の一実施形態の内部構成を示すブロック図である。この図2に示すように、撮像装置1は、撮像素子2、AFE(Analog Front End)3、及びDSP(Digital Signal Processor)4を含んで構成される。
まず、本発明の撮像素子の構成を示す。
撮像素子2は、図3に示すように、通信部(受信)5、読出ラインスキャナ6、複数ラインリセットスキャナ7、基準タイミング発生器8、駆動パルス発生器9、センサセルアレイ10、及び水平転送部11を含んで構成される。
第4リセットアドレスデコーダ26は、読出ラインスキャナ6の標準露光読出カウンタ17の値(標準読出ライン番号)が示す行番号のライン信号のみ有効「1」とし、他の行番号のライン信号を無効「0」としたライン信号群を生成する。そして、第4リセットアドレスデコーダ26は、その生成されたライン信号群をORロジック27に出力する。
次に、本発明の撮像装置の構成を説明する。本発明の撮像装置は、前述の撮像素子2、AFE3及びDSP4を含んで構成される。
さらに、DSP4は、図9に示すように、プリプロセス部36、TG(タイミング制御部)37、ALC(Automatic Level Control)38、通信部(送信)39、及び画素値計算部40を含んで構成される。ここで、ALC38は、撮像画像の明るさを制御するロジックであり、飽和が無く、S/Nが良好な画像が得られるように、露光時間を制御する。
前記コード「1」は、第1リセットラインR1と第2リセットラインR2との両方でリセット動作を実行しない状態を示す。即ち、後述の図11における「中露光」を示す。
前記コード「2」は、第1リセットラインR1でのみリセット動作を実行する状態を示す。即ち、後述の図11における「短露光」を示す。
このように、本発明の撮像装置は、少なくとも3つの露光条件を制御している。
プリプロセス部36は、図10に示すように、AFE3(ADC35)から出力されるデジタル画像信号を画素信号処理部41で信号処理(例えば、黒レベル補正)し、その信号処理されたデジタル画像信号をALC38(最適露出コード判定機43(後述))と画素値計算部40とに出力する。また、プリプロセス部36は、その信号処理されたデジタル画像信号の輝度値が飽和状態(出力階調の最大値)になっているか否かを判定する飽和判定部42を含む。そして、プリプロセス部36は、飽和判定部42の判定結果(判定フラグ)を最適露出コード判定機43に出力する。
また、センサリセット設定器46は、TG37から出力される第1リセットライン番号及び第2リセットライン番号に対応する露出コードをETメモリ45から読み出させる指令(以下、「露出コード読み出し指令」とも呼ぶ。)をメモリアービタ44に出力する。センサリセット設定器46は、メモリアービタ44から、前記2つの露出コードを受け取ると、その2つの露出コードから制御ビット(2ビット)を生成する。そして、センサリセット設定器46は、その制御ビットを通信部(送信)39に出力する。
一方、画素値計算部40は、プリプロセス部36(画素信号処理部41)から出力されるデジタル画像信号と、ALC38(メモリアービタ44)から読み出される露出コードとに基づいてダイナミックレンジが広い画像(広Dレンジ画像)を生成する。そして、画素値計算部40は、その生成された広Dレンジ画像を外部機器(不図示)に出力する。本発明は、画素値計算部40の構成に関しては言及しない。
本発明の撮像装置の動作説明にあたり図11を用いる。まず図11を説明する。
前述のとおり、本発明の撮像素子は、以下の4つのラインに対して同時に処理を施す。即ち、標準露光読出ラインL、短露光読出カラインS、第1リセットラインR1、及び第2リセットラインR2である。各ラインL、S、R1、R2は、前述のとおり特定のオフセット量をもって、同じ速度で自走する。具体的には、標準読出ライン番号と短読出ライン番号とのオフセット量は第0オフセットレジスタによって決定され、短読出ライン番号と第1リセットライン番号とのオフセット量は第1オフセットレジスタによって決定され、短読出ライン番号と第2リセットライン番号とのオフセット量は第2オフセットレジスタによって決定される。これにより、標準露光読出ラインL、短露光読出カラインS、第1リセットラインR1、及び第2リセットラインR2のライン番号は特定の位相差をもって、同じ速度で自走(カウントアップ)する。その動きを示したのが図11である。
さらに、図11によれば、標準露光と短露光との組み合わせが3種類ある。一つ目は、第1リセットラインR1でも第2リセットラインR2でもリセット動作を実行しない「中露光」と名付けた露光条件であり、短露光時間を最も長くすることができ、明部のS/Nを向上させることができる。二つ目は、第2リセットラインR2を実行する「超短露光」と名付けた露光条件であり、短露光時間を最も短くすることができ、極めて明るい部分を飽和させることなく撮影することができる。三つ目は、第1リセットラインR1を実行する「短露光」と名付けた露光条件であり、前記2つの露光条件の中間の露光時間である。
本発明のALCは、最初にフレーム単位に、撮像素子2からの撮像画像信号の明るさ(輝度値)を評価し、その評価結果に基づいて標準露光時間と短露光時間を算出する。両者の時間は、撮像素子2の第0オフセットレジスタ13で決定する。即ち、ALC38は、前記評価結果に基づいて、第0オフセットレジスタ13にセットする値を算出し、その値をDSP4の通信部(送信)39に出力する。通信部(送信)39は、その出力された値を撮像素子2に送信する。撮像素子2は、その送信された値を第0オフセットレジスタ13にセットする。次に、ALC38は、短露光読み出しの画像信号を取得し、その撮像画像の明るさ(輝度値)を評価し、その評価結果に基づいて、撮像素子2の第1オフセットレジスタ14と第2オフセットレジスタ15にセットすべき値を算出する。そして、その算出された値を通信部(送信)39に出力する。通信部(送信)39は、その出力された値を撮像素子2に送信する。撮像素子2は、その送信された値を前記第1オフセットレジスタ、第2オフセットレジスタにセットする。以上の処理により、撮像素子2の初期化動作が終了し、以降、ALC38は本発明の最も重要なライン単位での露出制御を行う。
まず、図11に示すように、フレーム(N−1)の撮像時、全ラインが第1リセットラインR1でリセットを行う状態(短露光状態)、即ち、露出コードを「2」とする。この露出条件において、仮に7行目の画素列への入射光量が増加し、また、13行目の画素列への入射光量が減少したとする。これを前提に、撮像素子2及びDSP4(ALC38)の動作を説明する。
次に、DSP4(ALC38)の動作を絡めて説明する。水平転送部11から出力された光電変換された信号はAFE3に転送され、図7に示すように、AFE3によって、デジタル画像信号(1画素列分の画像を示す信号)としてDSP4(プリプロセス部36)に出力される。さらに、図9及び図10に示すプリプロセス部36によって、デジタル的に黒レベル補正等がなされ、そのデジタル画像信号が画素値計算部40に出力される。また、プリプロセス部36では、飽和判定部42によって、当該デジタル画像信号が飽和状態となっているかどうか判定され、判定フラグが最適露出コード判定機43に出力される。
そして、上記フローが他の画素列でも繰り返され、フレーム(N−1)の撮像が終了したとする。そして、図11に示すフレームNの撮像が開始されt9 ’の期間になると(フレームN−1のt9に対応)、第1飽和処理器加算器19の加算結果は「7」、第2飽和処理器加算器22の加算結果は「4」となる。すると、図10に示すセンサリセット設定器46によって、7行目の画素列に対応する露出コード「3」(更新値)と4行目の画素列に対応する露出コード「2」(未更新)とがメモリアービタ44から読み出され、それらの露出コード「3」「2」に基づいて制御ビット(0、0)が生成され、その制御ビット(0、0)がDSP4の通信部(送信)39を介して撮像素子2に送信される。さらに、図9に示す撮像素子2によって、その送信された制御ビット(0、0)が通信部(受信)5のリセット制御レジスタ16に保持される。そして、第1リセットレジスタ20と第2リセットレジスタ23とによって、そのリセット制御レジスタ16の値に基づいて数値「0」が保持されて、第1及び第2リセットラインR1及びR2の該当行が無くなる。その結果、4行目及び7行目のいずれでもリセット動作が実行されない。このように7行目に着目すると、N−1フレームで実行されていた第1リセットが不実行となる。なお、このように、ライン単位で、わずか2ビットの制御ビットをDSP4と撮像素子2でやり取り(通信)するのみで、ライン毎に露光条件を制御することができる。
上記実施形態では、2つのリセットライン(第1及び第2リセットラインR1及びR2)を用いることで、リセット動作の実行・不実行を制御する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、3つ以上のリセットラインを用いるようにしてもよい。
Claims (8)
- 複数のセンサセルを含む撮像素子と、
デジタルシグナルプロセッサと、を備え、
前記デジタルシグナルプロセッサが、前記複数のセンサセルの第1画素列から第1電荷を読み出し、前記第1電荷に基づき前記第1画素列の露光による飽和状態を判断し、前記判断に基づき第1露出コードと第2露出コードと第3露出コードとの中からいずれかひとつを選択し、前記第2露出コードまたは前記第3露出コードを選択した場合、前記第1画素列から第2電荷を読み出し、前記第2電荷に基づき前記第1画素列に対応する画像を生成するものであり、
前記デジタルシグナルプロセッサが、前記第1画素列に対し前記第1電荷の読み出しから第1所定時間後に第1リセット動作を実行できるよう、前記第1電荷の読み出しから第2所定時間後に第2リセット動作を実行できるよう構成され、
前記第1露出コードが前記第1リセット動作と前記第2リセット動作とのうちいずれも実行しない状態を示し、前記第2露出コードが前記第1リセット動作を実行する状態を示し、前記第3露出コードが前記第2リセット動作を実行する状態を示すものである、
ことを特徴とする撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、
前記飽和状態が、前記第1電荷の読出しに基づき得られる画像信号の輝度値が出力階調の最大値を示す状態である、
ことを特徴とする撮像装置。 - 複数のセンサセルを含む撮像素子と、
デジタルシグナルプロセッサと、を備え、
前記デジタルシグナルプロセッサが、前記複数のセンサセルの第1画素列から第1露光時間に発生した第1電荷を読み出し、前記第1電荷に基づき前記第1画素列の露光による飽和状態を判断し、前記判断に基づき第1露出コードと第2露出コードと第3露出コードとの中からいずれかひとつを選択し、前記第2露出コードまたは前記第3露出コードを選択した場合、前記第1電荷の読み出しのあとに前記第1画素列から前記第1露光時間より短い第2露光時間に発生した第2電荷を読み出し、前記第2電荷に基づき前記第1画素列に対応する画像を生成するものであり、
前記デジタルシグナルプロセッサが、前記第1画素列に対し前記第1電荷の読み出しから第1所定時間後に第1リセット動作を実行できるよう、前記第1電荷の読み出しから第2所定時間後に第2リセット動作を実行できるよう構成され、
前記第1露出コードが前記第1リセット動作と前記第2リセット動作とのうちいずれも実行しない状態を示し、前記第2露出コードが前記第1リセット動作を実行する状態を示し、前記第3露出コードが前記第2リセット動作を実行する状態を示すものである、
ことを特徴とする撮像装置。 - 請求項3に記載の撮像装置において、
前記デジタルシグナルプロセッサが、
前記複数のセンサセルの第2画素列から前記第1露光時間に発生した第3電荷を読出し、
前記第3電荷の読み出しのあとに前記第2画素列から前記第2露光時間より短い第3露光時間に発生した第4電荷を読出し、
前記第4電荷に基づき前記第2画素列に対応する画像を生成するものである、
ことを特徴とする撮像装置。 - 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の撮像装置において、撮像素子が、さらに、
第1露光読出カウンタと、
第2露光読出カウンタと、を含み、
前記第1露光読出カウンタに基づき前記第1電荷が前記デジタルシグナルプロセッサに読み出され、前記第2露光読出カウンタに基づき前記第2電荷が前記デジタルシグナルプロセッサに読み出されるものである、
ことを特徴とする撮像装置。 - 請求項1ないし5のいずれか一項に記載の撮像装置において、デジタルシグナルプロセッサが、さらに、
飽和判定部を含み、
前記飽和判定部が、前記第1画素列に含まれる複数の画素の各々について、前記第1電荷の読出しに基づき得られる画像信号の輝度値が出力階調の最大値を示す状態であるか否かを判定するものである、
ことを特徴とする撮像装置。 - 請求項6に記載の撮像装置において、デジタルシグナルプロセッサが、さらに、
前記第1露出コード、前記第2露出コード、および前記第3露出コードを出力する露出コード判定部を含み、
前記露出コード判定部が、前記最大値を示す状態である画素の数が、前記第1画素列に含まれる複数の画素に対し、所定割合以上であるか否かを判断するものである、
ことを特徴とする撮像装置。 - 請求1ないし7のいずれか一項に記載の撮像装置において、デジタルシグナルプロセッサが、さらに、
画素値計算部を含み、
前記画素値計算部が、前記画像を生成するものである、
ことを特徴とする撮像装置。
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