JP4390100B2 - 固体撮像装置およびその駆動方法 - Google Patents

固体撮像装置およびその駆動方法 Download PDF

Info

Publication number
JP4390100B2
JP4390100B2 JP2003315277A JP2003315277A JP4390100B2 JP 4390100 B2 JP4390100 B2 JP 4390100B2 JP 2003315277 A JP2003315277 A JP 2003315277A JP 2003315277 A JP2003315277 A JP 2003315277A JP 4390100 B2 JP4390100 B2 JP 4390100B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
pixel
time
frame
voltage value
timing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003315277A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2005086407A (ja
Inventor
将之 池辺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dai Nippon Printing Co Ltd
Original Assignee
Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dai Nippon Printing Co Ltd filed Critical Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority to JP2003315277A priority Critical patent/JP4390100B2/ja
Publication of JP2005086407A publication Critical patent/JP2005086407A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP4390100B2 publication Critical patent/JP4390100B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Description

本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に関し、特に、ＭＯＳイメージセンサのダイナミックレンジを拡大するための技術に関する。
固体撮像装置は、画像入力処理を行う基本素子として、様々な分野で広く利用されている。現在、一般に利用されている固体撮像装置は、ＣＣＤイメージセンサとＭＯＳイメージセンサに大別される。ＭＯＳイメージセンサの原理は、個々の画素ごとに受光素子として機能するフォトダイオードを設け、このフォトダイオードの出力をＭＯＳトランジスタで増幅して取り出すものであり、特に、ＣＭＯＳ回路を採用したＣＭＯＳイメージセンサは、低消費電力で駆動する小型の固体撮像素子として有望視されている。
固体撮像装置によって高品質の画像データを得るためには、ダイナミックレンジをできる限り広げる必要があり、そのための様々な方法が提案されてきている。ダイナミックレンジが狭いと、露光超過となった画素については、いわゆる「白とび」が発生することになる。そこで、たとえば、下記の特許文献１には、感度の異なる撮像素子を集積することによりダイナミックレンジを広げる方法が開示されている。また、特許文献２には、各画素に対数変換回路を設置することによりダイナミックレンジを広げる方法が開示されている。更に、下記の非特許文献１には、抵抗ネットワークを用いて強い光信号を周囲に拡散して対処する方法が開示されている。
特開２００３−２１８３４３号公報 特開平５−１２９５７９号公報 宇井博貴，有馬裕，村尾文秀，小守伸史，久間和生，「感度自動調節機能を有する人工網膜ＬＳＩ」電気学会論文誌Ｂ，vol.120-E，No.5，pp.197-203，２０００年５月
上述したとおり、これまでも、固体撮像装置のダイナミックレンジを広げるために、様々な手法が提案されてきている。しかしながら、いずれの手法も複雑な構造物や複雑な回路を付加する必要が生じるため、装置の小型化、低コスト化を図ることが困難になるという問題がある。
そこで本発明は、できるだけ単純な構成により、広いダイナミックレンジを確保することが可能な固体撮像装置を提供することを目的とする。
(1) 本発明の第１の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
この画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
を備える固体撮像装置において、
検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／ｋ（但し、ｋ＞２）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／ｋとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／ｋのタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
個々の画素の検出値に実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
を更に設けるようにしたものである。
(2) 本発明の第２の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
この画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
を備える固体撮像装置において、
検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ （ｎは２以上の自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
個々の画素の検出値に実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
を更に設けるようにしたものである。
(3) 本発明の第３の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
この画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
を備える固体撮像装置において、
検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ ｎ （ｎは自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ ｎ となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ ｎ のタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
個々の画素の検出値に実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
を更に設け、
複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うようにしたものである。
(4) 本発明の第４の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
この画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
を備える固体撮像装置において、
検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジ未満かつフルレンジの１／２を越えていた場合には、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該選択画素を再リセットし、モニタした電圧値がフルレンジであった場合には、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２（ｎ＋１）となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）のタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
個々の画素の検出値に実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
を更に設けるようにしたものである。
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る固体撮像装置において、
１つおきに連続した自然数からなる複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うようにしたものである。
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第２〜第５の態様に係る固体撮像装置において、
Ｔ／２ｎなる実露光時間を示すデータとして、値ｎを露光時間記憶部に記憶させるようにしたものである。
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６の態様に係る固体撮像装置において、
制御検出部に、個々の画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出す機能をもたせ、
データ出力部が、個々の画素の実露光時間として記憶されている値ｎを参照し、個々の画素の検出値を示すデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、個々の画素の画素値を示す画像データとして出力するようにしたものである。
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第６の態様に係る固体撮像装置において、
制御検出部に、個々の画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出す機能をもたせ、
データ出力部が、個々の画素の実露光時間として記憶されている値ｎを参照し、個々の画素の検出値を示すデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、ｍビットのデジタルデータに圧縮する圧縮処理を行い、この圧縮されたデータを、個々の画素の画素値を示す画像データとして出力するようにしたものである。
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第８の態様に係る固体撮像装置において、
データ出力部が、各画素の実露光時間についての統計量を求め、この統計量を考慮した圧縮処理を実施するようにしたものである。
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る固体撮像装置において、
データ出力部が、複数通りの実露光時間のそれぞれについて、対応する画素の頻度値を求め、ｍビットのデジタルデータで表現されるダイナミックレンジを、頻度値に応じた幅をもつ区間に按分し、個々の実露光時間ごとに得られるデジタルデータを、それぞれ対応する按分区間内に圧縮して割り当てる圧縮処理を行うようにしたものである。
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第１〜第１０の態様に係る固体撮像装置において、
画素配列部が、ＭＯＳイメージセンサによって構成されているようにしたものである。
(12) 本発明の第１２の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する固体撮像装置の駆動方法において、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
時刻ｔ１＋Ｔ／ｋ（但し、ｋ＞２）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／ｋとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／ｋのタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにしたものである。
(13) 本発明の第１３の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する固体撮像装置の駆動方法において、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ （ｎは２以上の自然数）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにしたものである。
(14) 本発明の第１４の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する固体撮像装置の駆動方法において、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
時刻ｔ１＋Ｔ／２ ｎ （ｎは自然数）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ ｎ となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ ｎ のタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにし、
複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うようにしたものである。
(15) 本発明の第１５の態様は、リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する固体撮像装置の駆動方法において、
時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジ未満かつフルレンジの１／２を越えていた場合には、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該画素を再リセットし、モニタした電圧値がフルレンジであった場合には、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２（ｎ＋１）となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）のタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにしたものである。
(16) 本発明の第１６の態様は、上述の第１５の態様に係る固体撮像装置の駆動方法において、
１つおきに連続した自然数からなる複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うようにしたものである。
(17) 本発明の第１７の態様は、上述の第１３〜第１６の態様に係る固体撮像装置の駆動方法において、
各画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出した後、当該検出値を得るのに要した実露光時間Ｔ／２ｎの値ｎを参照し、ｍビットのデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、撮像した画像データとして出力させるようにしたものである。
(18) 本発明の第１８の態様は、上述の第１３〜第１６の態様に係る固体撮像装置の駆動方法において、
各画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出した後、当該検出値を得るのに要した実露光時間Ｔ／２ｎの値ｎを参照し、ｍビットのデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、ｍビットのデジタルデータに圧縮する圧縮処理を行い、この圧縮されたデータを、撮像した画像データとして出力させるようにしたものである。
(19) 本発明の第１９の態様は、上述の第１８の態様に係る固体撮像装置の駆動方法において、
各画素についての検出値を得るのに要した実露光時間の統計量を求め、この統計量を考慮した圧縮処理を実施するようにしたものである。
(20) 本発明の第２０の態様は、上述の第１９の態様に係る固体撮像装置の駆動方法において、
複数通りの実露光時間のそれぞれについて、対応する画素の頻度値を求め、ｍビットのデジタルデータで表現されるダイナミックレンジを、頻度値に応じた幅をもつ区間に按分し、個々の実露光時間ごとに得られるデジタルデータを、それぞれ対応する按分区間内に圧縮して割り当てる圧縮処理を行うようにしたものである。
本発明に係る固体撮像装置では、１フレーム分の標準露光時間の途中で、各画素からの出力電圧をモニタし、その結果に基づいて、所定タイミングで再リセットを行うようにし、各画素ごとにその受光量に応じた露光時間を設定するようにしたため、単純な構成により、広いダイナミックレンジを確保することが可能になる。
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
＜＜＜ 第１章：固体撮像装置の基本構造 ＞＞＞
図１は、本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の基本構成を示すブロック図である。図示のとおり、この固体撮像装置は、行選択部１０、列選択部２０、画素配列部３０、検出制御部４０、露光時間記憶部５０、タイマー部６０、データ出力部７０なる構成要素を備えている。
画素配列部３０は、この固体撮像装置の主要部であり、多数の画素Ｐを二次元マトリックス状に配列することにより構成されている。図に小さな正方形で示す構成要素が個々の画素Ｐであり、図では便宜上、画素配列部３０の４隅に配置された一部の画素Ｐのみを示し、その他の画素の図示を省略している。また、ここでは、１つの画素Ｐを正方形のブロックとして示してあるが、実際には、個々の画素Ｐの内部には、光検出に必要な構造体が組み込まれている。
行選択部１０および列選択部２０は、画素配列部３０内の特定の画素を選択画素として選択する機能をもった構成要素である。行選択部１０は、図示のとおり、行選択ライン１１によって特定の行を選択し、列選択部２０は、図示のとおり、列選択ライン２１によって特定の列を選択する。具体的には、特定の行選択ライン１１や列選択ライン２１に対して所定の電圧を印加することにより、特定の画素Ｐを選択することができる。特定の行に所属する画素Ｐをすべて選択したり、特定の列に所属する画素Ｐを選択したり、その組み合わせにより、特定の単一画素Ｐのみを選択したりすることができる。
各画素Ｐには、それぞれ読出信号ライン３１およびリセット信号ライン４１が接続されており、検出制御部４０は、これら各ライン３１，４１を用いて、行選択部１０および列選択部２０によって選択された特定の画素Ｐにアクセスし、後述するリセット処理や、信号読出処理を実行することができる。
個々の画素Ｐは、検出制御部４０からリセット信号ライン４１を介して与えられるリセット信号によりリセットされ、このリセット時からの受光量に応じて徐々に増加する電圧値を出力する機能をもっている。たとえば、ＭＯＳイメージセンサからなる固体撮像装置の場合、個々の画素Ｐには、それぞれフォトダイオードが組み込まれており、リセットにより、このフォトダイオードが満充電状態になる。そして、リセット後、時間とともに、充電されていた電荷が徐々に放電してゆくことになり、この放電した電荷量を示す電気信号が、ＭＯＳトランジスタにより増幅され、電圧値として出力される。フォトダイオードからの放電電荷量は、フォトダイオードの受光量に左右され、受光量が多ければ多いほど、放電電荷量も多くなる。
各画素Ｐには、時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間が設定される。たとえば、一般的な動画撮影用の固体撮像装置の場合、標準露光時間Ｔは、１／３０秒に設定され、１秒間に３０フレームの撮影が行われる。検出制御部４０は、行選択部１０や列選択部２０に対して、所望の画素を選択する指示を与えた上で、選択された画素Ｐを、１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットし、この画素Ｐから、１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を読み出す処理を行う。画素Ｐのリセット処理は、リセット信号ライン４１に所定のリセット信号を与えることにより行い、画素Ｐから出力される電圧値の読出処理は、読出信号ライン３１の電圧を測定することにより行う。検出制御部４０内には、Ａ／Ｄ変換器が組み込まれており、個々の画素Ｐについて測定された電圧値はデジタル化され、当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出される。標準露光時間Ｔは、各画素Ｐを外光（撮像対象物からの光）の照射下においた状態で、蓄積電荷の放電を行なわせる期間ということになる。
この周期Ｔの間に実行される固体撮像装置の駆動動作を、図２のグラフに基づいて説明しよう。図２の上段は、特定の画素Ｐから出力される読出信号の電圧値を示すグラフであり、下段は、当該画素Ｐに対して検出制御部４０によって実行されるリセットのタイミングを示すグラフである。１フレーム分の標準露光時間は、時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔに設定されており、１つのフレームの終了時刻ｔ２は、次のフレームの開始時刻ｔ１に相当する。検出制御部４０は、この周期Ｔごとに、画素Ｐにリセット信号を与えてリセット処理を行う。図２の下段に示す例では、時刻ｔ１においてリセット信号Ｒ１が与えられ、時刻ｔ２においてリセット信号Ｒ２が与えられている。リセット信号が与えられた瞬間、画素Ｐから出力される読出信号の電圧値は０になり、その後、時間の経過とともに、この電圧値は徐々に増加してゆく。なお、逆に、電圧値が徐々に減少するような機能をもった画素Ｐを用いてもかまわないが、ここでは便宜上、電圧値が徐々に増加してゆく例を述べることにする。
たとえば、図２に示すグラフＡは、時刻ｔ１から徐々に増加してゆき、時刻ｔ２に至った時点で、電圧値＝０．７５Ｅになるまで単調増加している（但し、値Ｅは、電圧値のフルレンジ）。前述したとおり、電圧値の増加の程度は、当該画素Ｐの受光量に依存しており、受光量の多い画素ほど電圧値の増加割合も多くなり、グラフの傾斜が急になる。こうして、リセット時から周期Ｔが経過した時刻ｔ２の時点における電圧値が、当該画素Ｐの当該フレームにおける受光量を示す検出値（図示のグラフＡの場合は、０．７５Ｅ）ということになる。もちろん、時刻ｔ２では、次のフレームのためのリセット信号Ｒ２が与えられることになるので、電圧値０．７５Ｅは、直ちに０に落ちてしまい、再び次のフレームにおいて、時間とともに電圧値が増加することになる。このように、周期Ｔごとにリセットを行って電圧値を０に落とすとともに、その直前の電圧値を測定することにより、周期Ｔの間隔で当該画素Ｐの受光量を示す検出値を得ることができる。
なお、リセットのタイミングは、画素配列部３０内の全画素について同期させてもかまわないし、個々の画素ごとに異ならせるようにしてもかまわない。通常は、同一行に所属する画素についてはリセットタイミングを同期させるが、行ごとにタイミングを少しずつずらすような駆動形態がとられることが多い。もっとも、１フレームの周期Ｔは、全画素について共通であり、いずれの画素も周期Ｔが標準露光時間となる。
結局、個々の画素についての受光量のアナログ的なダイナミックレンジは、読出信号ライン３１を介して読み出される電圧値０〜Ｅということになり、図２に示す時刻ｔ２において読み出される電圧値が、電圧値０〜Ｅの範囲に収まっていれば、実際の受光量に応じた正しい検出値が得られることになる。たとえば、図２のグラフＡに示すような電圧増加が生じた画素については、０．７５Ｅなる検出値が得られ、この検出値は、実際の受光量に応じた正しい値ということになる。ところが、より強い光の照射を受け、図２のグラフＢに示すような電圧増加が生じた画素については、正しい検出値を得ることができない。なぜなら、グラフＢは、時刻ｔｂにおいて既に飽和してしまっているので、時刻ｔ２において得られた１．０Ｅなる飽和状態の検出値は、グラフＢの傾斜を正しく示すものになっていないからである。もちろん、グラフＢよりも更に傾斜が急なグラフも、周期Ｔの途中で飽和状態になるので、検出値としては、同じ１．０Ｅなる値が得られることになる。
このような現象がいわゆる「白とび」であり、一定以上の輝度をもった画素が、すべて真っ白で表現されてしまうことになる。この「白とび」を防ぐために、画素の感度を全体的に低下させたり、標準露光時間Ｔをより短く設定したりすると、今度は、輝度の低い画素からの信号を十分に検出することができなくなり、いわゆる「黒とび」が生じてしまうことになる。本発明は、このような問題を解決するために、見かけ上、検出値のダイナミックレンジを広げることができるユニークな駆動方法を提示するものである。以下、その基本原理を説明する。
＜＜＜ 第２章：本発明の基本原理 ＞＞＞
いま、図３のグラフに示すように、１フレームの周期Ｔの中間時刻ｔ１＋Ｔ／２において、画素Ｐが出力する電圧値をモニタした場合を考えてみる。この場合、もし、この画素Ｐの電圧値の増加割合がグラフＡのようなものだとしたら、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタされる電圧値は、図示のとおり、Ｅ／２より小さくなる。これに対して、もし、この画素Ｐの電圧値の増加割合がグラフＢのようなものだとしたら、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタされる電圧値は、図示のとおり、Ｅ／２より大きくなる。別言すれば、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点で電圧値をモニタした結果、グラフＡのように、Ｅ／２以下であれば、時刻ｔ２の時点での電圧値はＥ以下であると予想できるが、グラフＢのように、Ｅ／２を越えていれば、時刻ｔ２に至る前に電圧値はＥに達して飽和状態になると予想できる。
このように、中間時刻で中間状態の電圧値をモニタすることにより、１フレームの終了時刻ｔ２において飽和状態になるかどうかを予想する点が、本発明に係る駆動方法の第１の特徴である。もっとも、中間時刻での電圧値のモニタは、画素Ｐにおける電荷の蓄積状態に影響を与えることのない非破壊的な手法で行う必要がある。このような点を考慮すると、本発明は、いわゆるＣＣＤイメージセンサへの適用には向いていない。ＣＣＤイメージセンサでは、個々の画素からの信号を読み出す際に、それまでに蓄積されていた電荷をいわゆるバケツリレー方式で転送することになるので、中間時刻での電圧値のモニタを実施すると、電荷の蓄積状態に影響を与えることになる。したがって、現在のところ、本発明は、ＭＯＳイメージセンサからなる固体撮像装置への適用を意図したものになっている。ＭＯＳイメージセンサでは、前述したとおり、リセット時に充電されたフォトダイオードの放電電荷量をＭＯＳトランジスタの出力として読み出すことができるので、中間時刻での電圧値をモニタしても、電荷の蓄積状態に影響を与えることはない。
もちろん、時刻ｔ２の時点において出力電圧が飽和するか否かは、あくまでも予想であり、物理的には、必ずしも予想どおりになるとは限らない。ただ、前述したとおり、１フレームの周期Ｔは、実用上、１／３０秒程度の比較的短い時間であり、このような短いフレーム時間では、画素に照射されている光の光量が急激に変化する可能性は低い。別言すれば、周期Ｔの間、電圧値の増加割合（グラフの傾斜）はほぼ一定と考えても大きな支障は生じない。したがって、上述した手法による予想は、ほぼ正確なものになる。
さて、本発明に係る駆動方法の第２の特徴は、中間時刻での予想の結果、飽和状態になることが予想される場合には、再リセットを行うことにより、１フレームの終了時刻ｔ２において出力電圧が飽和することを回避する点にある。たとえば、図３のグラフＢの場合、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタされる電圧値はＥ／２を越えているので、このままでは、時刻ｔｂの時点で電圧値はフルレンジＥに達し、１フレームの終了時刻ｔ２では、出力電圧が飽和してしまうことになる。
そこで、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタされる電圧値が、Ｅ／２を越えていた場合には、その時点で直ちに再リセットを行うことにしてみる。図４は、このような再リセットを実施した場合の電圧値の変化を示すグラフである。すなわち、もし、電圧増加の状態がグラフＡのような場合には、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタされる電圧値は、Ｅ／２以下となっているので、再リセットを行う必要はない。しかしながら、もし、電圧増加の状態がグラフＢ１のような場合には、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタされる電圧値は、Ｅ／２を越えているので、この時点で再リセットを行うようにする。図に示すリセット信号Ｒ３は、このような再リセットを行うための信号である。再リセットを行わないと、グラフＢ１は、図に破線で示すように伸び、やがて飽和状態に達してしまうが、リセット信号Ｒ３による再リセットを行うと、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点で電圧値は０に落ち、そこからグラフＢ２のような電圧増加が繰り返される。グラフＢ１とグラフＢ２とは幾何学的には合同図形になり、図示の例の場合、時刻ｔ２で得られるグラフＢ２についての検出値は０．６３Ｅということになる。
もちろん、こうして得られた検出値０．６３Ｅは、画素Ｐの正しい受光量を示す値にはなっていない。なぜなら、この検出値は、標準露光時間Ｔだけ露光を行うことにより得られた値ではなく、その半分のＴ／２なる露光時間だけ露光を行うことにより得られた値になっているためである。当然、正しい受光量を示す値は、その２倍の値１．２６Ｅということになる。このように、中間時刻において再リセットを行った場合、実露光時間は、再リセット時から１フレームの終了時刻ｔ２に至るまでの時間ということになり、最終的な画像データとしては、後述するように、個々の画素の検出値に実露光時間を加味した値を用いる必要がある。
ここで、再び図１のブロック図に示す構成要素の説明を行う。既に述べたとおり、検出制御部４０は、行選択部１０および列選択部２０によって選択された画素を、１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、この選択画素から出力される電圧値を、１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで読み出し、これを当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う機能をもっている。本発明の場合、この検出制御部４０は、このような基本的な機能に加えて、更に、上述した再リセット処理を行う機能を併せもっている。すなわち、検出制御部４０は、１フレームの中間時刻において、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素に対する再リセットを行う機能をもっている。
一方、図１に示すタイマー部６０は、クロックおよびカウンタ回路から構成され、時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測する機能を有する。検出制御部４０は、このタイマー部６０によって計測された時間に基づいて、種々の処理を行うタイミングを認識することになる。
また、露光時間記憶部５０は、個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する構成要素である。具体的には、露光時間記憶部５０内には、画素配列部３０に配列されている画素Ｐの総数と同じ数の記憶場所が確保されており、全画素について、それぞれ実露光時間が記憶されることになる。この実露光時間は、上述したとおり、実際の電圧検出値に対する補正を行う上で重要な情報になる。
データ出力部７０は、検出制御部４０で検出された個々の画素の検出値（時刻ｔ２における出力電圧値）に、露光時間記憶部５０内に記憶されている実露光時間を加味した値を、撮像した実際の画像データとして出力する機能をもった構成要素である。具体的には、（標準露光時間Ｔ／実露光時間）なるファクターを、実際の電圧検出値に乗じる補正を行い、補正後のデータを画像データとして出力する処理が行われる。
＜＜＜ 第３章：本発明の具体的な駆動方法 ＞＞＞
続いて、上述した基本原理に基づく具体的な駆動方法を説明する。図４を用いて説明したように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２において、モニタした電圧値がＥ／２以下であった場合（たとえば、グラフＡのような場合）には、再リセットを行うことなしにそのまま時刻ｔ２まで静観することにすれば、最終的に得られる電圧値は飽和することなく、０〜Ｅという適正な範囲内の電圧値（グラフＡの場合、０．７５Ｅ）として検出されることになる。一方、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２において、モニタした電圧値がＥ／２を越えていた場合（たとえば、グラフＢ１のような場合）には、その時点で再リセットを行えば（リセット信号Ｒ３）、最終的に得られる電圧値はやはり飽和することなく、０〜Ｅという適正な範囲内の電圧値（グラフＢ２の場合、０．６３Ｅ）として検出されることになる。
しかしながら、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２において、このような処理を行ったとしても、すべての場合に対処できるわけではない。たとえば、上述したグラフＢに示す場合よりも更に強い光が照射された場合を考えてみよう。図５のグラフＣは、このような強い光が照射された場合の電圧値の増加割合を示すグラフである。図示のとおり、電圧値がモニタされる中間時刻ｔ１＋Ｔ／２より前の時刻ｔｃにおいて、既に電圧値はフルレンジの値Ｅに達してしまっており、その後、電圧値は飽和状態となっている。図６は、このような電圧増加が生じているときに、前述の手法で再リセットを行った結果を示す。すなわち、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２におけるモニタの結果、「電圧値はＥ／２を越えている」と判断されるので、リセット信号Ｒ３による再リセットが行われている。しかしながら、前半期間のグラフＣ１の段階で既に飽和状態となってしまっているので、当然ながら、後半期間のグラフＣ２も同様に飽和状態となり、再リセットの効果が有効に作用していない。
このように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２におけるモニタ結果に基づき再リセットを行う方法は、図３のグラフＡやＢのような割合で電圧値が増加する場合には有効であるが、図５のグラフＣのような割合で電圧値が増加する場合には対処できない。そこで、グラフＣに対処するために、図７に示すように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／４におけるモニタを行ってみる。この時点では、グラフＣはまだ飽和段階に達していないが、グラフＡ，Ｂについてのモニタ電圧値がＥ／２以下であるのに対し、グラフＣについてのモニタ電圧値はＥ／２を越えていることがわかる。そこで、この中間時刻ｔ１＋Ｔ／４におけるモニタの結果、電圧値がＥ／２を越えていた場合には、その時点で直ちに再リセットを行うのではなく、時刻ｔ２−Ｔ／４の時点で再リセットを行うことにしてみよう。そうすると、図８に示すように、グラフＣ１はやがて飽和状態に達してしまうが、時刻ｔ２−Ｔ／４のタイミングで再リセット信号Ｒ４が与えられて再リセットされることになるので、再リセット後のグラフＣ２は、１フレームの終了時刻ｔ２において、飽和電圧には達しない。
結局、中間時刻ｔ１＋Ｔ／４におけるモニタ結果に基づき、時刻ｔ２−Ｔ／４のタイミングで再リセットを行う方法をとれば、グラフＣのような電圧増加にも対処可能になる。この場合の実露光時間は、リセット信号Ｒ４が与えられてから、次のリセット信号Ｒ２が与えられるまでの時間、すなわち、Ｔ／４（標準露光時間Ｔの４分の１）ということになるので、時刻ｔ２における電圧の検出値（図８のグラフＣ２のピーク電圧）を４倍する補正を行うことにより、実際の受光量に合致した画像データが得られることになる。
このグラフＣに示す場合よりも更に強い光が照射された場合は、図９に示すように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８におけるモニタを行えばよい。図示のグラフＤ１は、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８の時点では、まだ飽和段階に達していないが、モニタ電圧値はＥ／２を越えていることがわかる。そこで、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８におけるモニタの結果、電圧値がＥ／２を越えていた場合には、時刻ｔ２−Ｔ／８の時点で再リセットを行えばよい。そうすれば、図９に示すように、グラフＤ１はやがて飽和状態に達してしまうが、時刻ｔ２−Ｔ／８のタイミングで再リセット信号Ｒ５を与えて再リセットすることになるので、再リセット後のグラフＤ２は、１フレームの終了時刻ｔ２において、飽和電圧には達しない。
このように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８におけるモニタ結果に基づき、時刻ｔ２−Ｔ／８のタイミングで再リセットを行う方法をとれば、グラフＤ１のような電圧増加にも対処可能になる。この場合の実露光時間は、リセット信号Ｒ５が与えられてから、次のリセット信号Ｒ２が与えられるまでの時間、すなわち、Ｔ／８（標準露光時間Ｔの８分の１）ということになるので、時刻ｔ２における電圧の検出値（図９のグラフＤ２のピーク電圧）を８倍する補正を行うことにより、実際の受光量に合致した画像データが得られることになる。
もちろん、図９に示すグラフＤ１の場合よりも更に強い光が照射された場合にも対処することができるようにするためには、モニタを行う中間時刻を更に早めるとともに、再リセットのタイミングを更に遅めるようにすればよい。結局、モニタを行う中間時刻と、再リセットを行うタイミングとの関係は、１フレームの開始時刻ｔ１から、時間Ｔ／２，Ｔ／４，Ｔ／８，…後の中間時刻でモニタした結果、電圧値がＥ／２を越えていた場合には、１フレームの終了時刻ｔ２より時間Ｔ／２，Ｔ／４，Ｔ／８，…前のタイミングで再リセットを行えばよいことになり、この場合の実露光時間は、それぞれＴ／２，Ｔ／４，Ｔ／８，…ということになる。
もっとも、モニタを行う中間時刻は、必ずしも時刻ｔ１から時間Ｔ／２ｎで示される時間の経過後に設定する必要はなく、原理的には、所定の値ｋについて、時刻ｔ１から時間Ｔ／ｋの経過後に設定することが可能である。この場合、再リセットは、時刻ｔ２から時間Ｔ／ｋだけ前のタイミングで行えばよく、実露光時間は、Ｔ／ｋということになる。値ｋは任意の値でかまわないが、ｋ≧２でなければ、対応する実露光時間を確保することができなくなる。すなわち、ｋ＝２に設定すると、図４に示す例のように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２の時点でモニタし、再リセットする必要がある場合は（電圧値がＥ／２を越えていた場合は）、直ちに再リセットすることにより、Ｔ／２なる実露光時間を確保することができるが、ｋ＜２に設定すると、中間時刻ｔ１＋Ｔ／ｋの時点でモニタし、再リセットする必要があっても、もはや再リセット後にＴ／ｋなる露光時間を確保することはできなくなる。
結局、一般論として述べれば、検出制御部４０は、時刻ｔ１＋Ｔ／ｋ（但し、ｋ≧２）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／ｋとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／ｋのタイミングで当該選択画素を再リセットする処理を行えばよい。そして、データ出力部７０において、時刻ｔ２において検出される電圧値を、ｋ倍する補正を行えば、正しい受光量に応じた画素データを得ることができ、実質的にダイナミックレンジをｋ倍に拡張することができるようになる。
ただ、実用上は、値ｋは任意の値に設定するのではなく、上述の例のように、ｋ＝２ｎ（ｎは自然数）に設定するのが好ましい。そうすれば、データ出力部７０におけるｋ倍の演算を極めて容易に行うことが可能になる。たとえば、ｎ＝１，２，３，…の場合、ｋ＝２，４，８，…になるので、得られた検出値をｋ倍する演算は、単なるビットのシフト演算になる。
ここでは、具体的に、時刻ｔ２で検出される電圧値０〜Ｅが、検出制御部４０によって、８ビットのデジタル値０〜２５５に変換されて検出されたものとしよう。このとき、露光時間記憶部５０には、Ｔ／２ｎなる実露光時間を示すデータとして、値ｎを記憶させておけばよい。たとえば、図４に示すグラフＡの場合であれば、実露光時間は標準露光時間Ｔに等しくなるので、ｎ＝０の場合に相当し、露光時間記憶部５０には、ｎ＝０なる値が記憶されることになる。また、グラフＢの場合であれば、実露光時間はＴ／２になるので、ｎ＝１の場合に相当し、露光時間記憶部５０には、ｎ＝１なる値が記憶されることになる。同様に、図８のグラフＣ１の場合は、ｎ＝２なる値が記憶され、図９のグラフＤ１の場合は、ｎ＝３なる値が記憶されることになる。
データ出力部７０は、露光時間記憶部５０に記憶されているｎの値に応じて、検出制御部４０によって検出された８ビットのデジタル値を、ｎビットだけ左にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れる処理を行えばよい。たとえば、図４において、グラフＢ２の時刻ｔ２における電圧値０．６３Ｅが、検出制御部４０によって、「１０１００００１」なる８ビットのデジタルデータとして検出されたとしよう。この場合、露光時間記憶部５０には、ｎ＝１なる値（実露光時間Ｔ／２を示す値）が記憶されているので、データ出力部７０は、上記デジタルデータを１ビット分左にシフトし、ＬＳＢに０を入れる処理を行い、「１０１００００１０」なる９ビットのデータを、画像データとして出力する処理を行えばよい。
同様に、図８のグラフＣ２の時刻ｔ２における電圧値が「１０１００００１」なる８ビットのデジタルデータとして検出された場合は、ｎ＝２なる値を参照して２ビット分のシフトを行い、「１０１００００１００」なる１０ビットのデータが画像データとして出力され、図９のグラフＤ２の時刻ｔ２における電圧値が「１０１００００１」なる８ビットのデジタルデータとして検出された場合は、ｎ＝３なる値を参照して３ビット分のシフトを行い、「１０１００００１０００」なる１１ビットのデータが画像データとして出力される。
結局、実用上は、検出制御部４０によって、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該選択画素を再リセットするようにすればよい。このとき、ｎの値を１フレーム分の実露光時間を示すデータとして露光時間記憶部５０に記憶させておくようにし、検出制御部４０によって、個々の画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出すようにしておけば、データ出力部７０は、このｍビットのデータをｎビットだけシフトする演算を行うことにより、画像データを生成することができるようになる。具体的には、データ出力部７０は、個々の画素の実露光時間として露光時間記憶部５０に記憶されている値ｎを参照し、個々の画素の検出値を示すｍビットのデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、個々の画素の画素値を示す画像データとして出力する処理を行うことになる。
さて、これまでの説明では、図４のグラフＢ１のような電圧増加が生じた場合には、ｎ＝１に設定して中間時刻ｔ１＋Ｔ／２でモニタを行い、図８のグラフＣ１のような電圧増加が生じた場合には、ｎ＝２に設定して中間時刻ｔ１＋Ｔ／４でモニタを行い、図９のグラフＤ１のような電圧増加が生じた場合には、ｎ＝３に設定して中間時刻ｔ１＋Ｔ／８でモニタを行い、それぞれ所定タイミングで再リセットをかければ、１フレームの終了時刻ｔ２において、電圧値の飽和を回避できることを述べた。したがって、上述したグラフＡ〜Ｄ１のすべてに対応可能な固体撮像装置を実現するためには、図１０に示すように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８（ｎ＝３），ｔ１＋Ｔ／４（ｎ＝２），ｔ１＋Ｔ／２（ｎ＝１）の各時点でそれぞれモニタを行い、電圧値がＥ／２を越えていた場合には、所定のタイミングで再リセットをかけるようにすればよい。
たとえば、図１０のグラフＤ１のような割合で電圧増加が生じていた場合を考えてみよう。この場合、最初に実施される中間時刻ｔ１＋Ｔ／８（ｎ＝３）におけるモニタで、電圧値がＥ／２を越えている旨の認識がなされるので、時刻ｔ２−Ｔ／８なるタイミングでリセット信号Ｒ５を与えて再リセットされることが決定される。こうして、再リセットが決定されてしまった場合には、中間時刻ｔ１＋Ｔ／４（ｎ＝２）およびｔ１＋Ｔ／２（ｎ＝１）の時点でのモニタはもはや必要ない。グラフＤ１は、やがて飽和状態になるが、時刻ｔ２−Ｔ／８において再リセットされてグラフＤ２となり、フレームの終了時刻ｔ２では、適正レンジ０〜Ｅの間の電圧値が検出される。
次に、図１０のグラフＣ１のような割合で電圧増加が生じていた場合を考えてみよう。この場合、最初に実施される中間時刻ｔ１＋Ｔ／８（ｎ＝３）におけるモニタでは、電圧値はＥ／２以下なので、再リセットのタイミング決定はなされない。そして、２番目に実施される中間時刻ｔ１＋Ｔ／４（ｎ＝２）におけるモニタで、電圧値がＥ／２を越えている旨の認識がなされるので、時刻ｔ２−Ｔ／４なるタイミングでリセット信号Ｒ４を与えて再リセットされることが決定される。こうして、再リセットが決定されてしまった場合には、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２（ｎ＝１）の時点でのモニタはもはや必要ない。グラフＣ１は、やがて飽和状態になるが、時刻ｔ２−Ｔ／４において再リセットされてグラフＣ２となり、フレームの終了時刻ｔ２では、適正レンジ０〜Ｅの間の電圧値が検出される。
また、図１０のグラフＢ１のような割合で電圧増加が生じていた場合を考えてみよう。この場合、最初に実施される中間時刻ｔ１＋Ｔ／８（ｎ＝３）におけるモニタおよび２番目に実施される中間時刻ｔ１＋Ｔ／４（ｎ＝２）におけるモニタでは、電圧値はＥ／２以下なので、再リセットのタイミング決定はなされない。そして３番目に実施される中間時刻ｔ１＋Ｔ／２（ｎ＝１）におけるモニタで、電圧値がＥ／２を越えている旨の認識がなされるので、時刻ｔ２−Ｔ／２なるタイミングでリセット信号Ｒ３を与えて再リセットされることが決定される。この場合、リセットタイミングｔ２−Ｔ／２は、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２に一致するので、グラフＢ１は、直ちに再リセットされてグラフＢ２になり、フレームの終了時刻ｔ２では、適正レンジ０〜Ｅの間の電圧値が検出される。
最後に、図１０のグラフＡのような割合で電圧増加が生じていた場合を考えてみよう。この場合、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８（ｎ＝３）、中間時刻ｔ１＋Ｔ／４（ｎ＝２）、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２（ｎ＝１）のいずれの時点におけるモニタでも、電圧値はＥ／２以下なので、再リセットのタイミング決定はなされず、再リセットは行われない。しかし、フレームの終了時刻ｔ２では、適正レンジ０〜Ｅの間の電圧値が検出されることになる。
以上は、ｎ＝３，ｎ＝２，ｎ＝１に対応する３つの中間時刻でモニタを行った例であり、この例の場合、実質的なダイナミックレンジを８倍まで広げることが可能になる。もちろん、ｎ＝４以上に設定した中間時刻でもモニタを行い、これに応じた再リセットのタイミング決定を行うようにすれば、ダイナミックレンジを２ｎ倍に広げることが可能である。要するに、複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、その結果必要な場合には、再リセットのタイミング決定を行うようにすればよい。もっとも、過去に行われたモニタにおいて、既に再リセットのタイミング決定が行われている場合には、もはや再リセットのタイミング決定は不要であるので、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うことになる。
＜＜＜ 第４章：より効率的な変形例 ＞＞＞
前章では、図１０に示す具体的な例に基づいて、ｎ＝３，ｎ＝２，ｎ＝１に対応する３つの中間時刻でモニタを行うことにより、実質的なダイナミックレンジを８倍まで広げる基本的な実施形態を述べた。ここでは、モニタ回数をより低減させることが可能な効率的な変形例を説明する。
これまで述べた基本的な実施形態の原理は、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで電圧値をモニタし、得られた電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで再リセットする、というものであった。別言すれば、モニタ時に、電圧値がＥ／２以下か、Ｅ／２を越えているか、の二者択一の判断を行い、前者の場合は、再リセットのタイミング決定は行わず、後者の場合は、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎを再リセットタイミングとして決定する、という処理を行うことになる。
ここで述べる変形例では、モニタ時に、次のような三者択一の判断を行うようにする。すなわち、電圧値がＥ／２以下か、Ｅ／２以上かつＥ未満か、Ｅか、のいずれであるかを判断し、電圧値がＥ／２以下の場合は、再リセットのタイミング決定は行わず、Ｅ／２以上かつＥ未満の場合は、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎを再リセットタイミングとして決定し、Ｅの場合は、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）を再リセットタイミングとして決定する、という処理を行う。
このような処理の意味を、ｎ＝１の場合を例にとって説明しよう。ｎ＝１の場合、図３に示すように、中間時刻ｔ１＋Ｔ／２においてモニタが行われる。ここで、もし、電圧増加の割合が図３のグラフＡであったとすると、モニタされる電圧値はＥ／２以下ということになり、再リセットは行われない。一方、電圧増加の割合がグラフＢであったとすると、モニタされる電圧値はＥ／２以上かつＥ未満ということになり、既に述べたとおり、時刻ｔ２−Ｔ／２（＝ｔ１＋Ｔ／２）が再リセットタイミングとして決定され、直ちに再リセットが行われる。ここまでの処理操作は、これまで述べてきた基本的な実施形態と同様である。
ここで述べる変形例の特徴は、モニタされる電圧値がＥであった場合の取り扱いである。前述した基本的な実施形態では、モニタされる電圧値がＥ／２以上であった場合には、すべて時刻ｔ２−Ｔ／２ｎを再リセットタイミングとして決定していた。しかしながら、このような再リセットでは、モニタされる電圧値がＥであった場合には、必ずしも時刻ｔ２における電圧値の飽和を回避することはできない。たとえば、図６に示す例のように、電圧増加の割合がグラフＣ１であった場合、モニタを行った中間時刻ｔ１＋Ｔ／２において、既に電圧値は飽和状態になっている。そのため、上述したｎ＝１なる設定による再リセット処理（時刻ｔ２−Ｔ／２のタイミングでの再リセット処理）を行ったとしても、電圧値の飽和を回避することはできない。
ところが、ここで述べる変形例では、図１１に示すように、ｎ＝１なる設定によるモニタ（中間時刻ｔ１＋Ｔ／２におけるモニタ）において、グラフＣ１については、電圧値がＥであると認識されるので、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）、すなわち、時刻ｔ２−Ｔ／４を再リセットタイミングとして決定する処理が行われることになる。すなわち、グラフＣ１は、図１１に示すとおり、時刻ｔ２−Ｔ／４において、リセット信号Ｒ４によって再リセットされ、グラフＣ２となり、時刻ｔ２における電圧値の飽和が回避される。
このように、ここで述べる変形例の特徴は、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで電圧値をモニタしたときに、電圧値がＥであった場合には、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）を再リセットタイミングとして決定するという点にある。このような手法をとれば、モニタ操作を１回おきに省略することが可能になる。たとえば、図１１に示す例の場合、ｎ＝２なる設定によるモニタ（中間時刻ｔ１＋Ｔ／４におけるモニタ）は不要になる。これは、ｎ＝２なる設定によるモニタを行ったときに、電圧値がＥ／２を越えると判断されるケースを、ｎ＝１なる設定によるモニタを行ったときに、電圧値がＥになるケースとして判断しているためである。
要するに、この変形例を実施する際には、検出制御部４０に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジ未満かつフルレンジの１／２を越えていた場合には、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該選択画素を再リセットし、モニタした電圧値がフルレンジであった場合には、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２（ｎ＋１）となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）のタイミングで当該選択画素を再リセットする処理を実行させればよい。
また、この変形例では、モニタ操作を１回おきに省略することが可能なので、実用上は、１つおきに連続した自然数からなる複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うようにすればよい。たとえば、図１０に示すように、グラフＤ１，Ｃ１，Ｂ１，Ａのすべてに対処するためには、上述した基本的な実施形態の場合、ｎ＝３，ｎ＝２，ｎ＝１なる設定を行い、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８，ｔ１＋Ｔ／４，ｔ１＋Ｔ／２の３つのタイミングでモニタを行うようにしていたが、ここで述べた変形例を適用した場合、ｎ＝３，ｎ＝１なる設定を行い、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８，ｔ１＋Ｔ／２の２つのタイミングでモニタを行うようにすれば足りる。
しかも、図１０のグラフＤ１よりも更に急峻なグラフＥ１が存在し、中間時刻ｔ１＋Ｔ／８（ｎ＝３）におけるモニタの結果、電圧値がフルレンジＥに達していたと判断された場合、この変形例では、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）のタイミング、すなわち、時刻ｔ２−Ｔ／１６という再リセットタイミングが決定されることになる。これは、前述した基本的な実施形態では、ｎ＝４なる設定を行うことにより得られる効果である。別言すれば、基本的な実施形態において、ｎ＝４，ｎ＝３，ｎ＝２，ｎ＝１なる設定を行い、合計４回のモニタタイミングを設けた場合と同様の効果が、本変形例では、ｎ＝４，ｎ＝２なる設定を行い、合計２回のモニタタイミングを設けただけで得られることになる。
＜＜＜ 第５章：ダイナミックレンジの圧縮を行う変形例 ＞＞＞
これまで述べた実施形態では、データ出力部７０からは、拡大されたダイナミックレンジをもつ画像データの出力が行われた。たとえば、実露光時間がＴ／２ｎに設定された画素から読み出された検出値に対しては、データ出力部７０において、２ｎ倍する補正が行われることになる。したがって、たとえば、検出制御部４０がｍビットのデジタルデータとして検出値を出力する機能を有していた場合、データ出力部７０から出力される画像データは、（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータになることは、既に述べたとおりである。
しかしながら、データ出力部７０から出力される画像データのダイナミックレンジを単に拡張しただけでは、実用上、好ましくないケースもある。たとえば、パソコンなどで用いられている画像データは、８ビットのダイナミックレンジをもつデータとして取り扱われるのが一般的であるので、データ出力部７０から、９ビット、１０ビット、あるいは１１ビットの画像データが出力されても、これをそのまま取り込んで、一般的なアプリケーションソフトウエア上で利用することはできない。
このような利用上の便宜を考慮すると、データ出力部７０において、ダイナミックレンジの圧縮処理を併せて行うようにしておくのが好ましい。すなわち、検出制御部４０が、個々の画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出す機能を有していた場合、データ出力部７０は、まず、個々の画素の実露光時間として露光時間記憶部５０内に記憶されている値ｎを参照し、個々の画素の検出値を示すデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを作成した上で、この（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、ｍビットのデジタルデータに圧縮する圧縮処理を行い、この圧縮されたデータを、個々の画素の画素値を示す画像データとして出力する処理を行えばよい。
このように、（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、ｍビットのデジタルデータに圧縮する方法としては、たとえば、ＭＳＢ側からｍビットを取り出し、ＬＳＢ側のｎビットを捨ててしまうような単純な方法を採ることも可能である。しかしながら、実用上は、実際に得られた画像データの内容に応じて、できるだけ合理的な圧縮を行うのが好ましい。基本的な方針として、近接する画素値が密集して出現しているようなレンジ帯については圧縮率を小さくし、画素値の出現頻度の少ないレンジ帯については圧縮率を大きくすればよい。
このような方針で圧縮を行うには、データ出力部７０に、各画素の実露光時間についての統計量を求め、この統計量を考慮した圧縮処理を実施する機能をもたせておけばよい。これを具体例で示そう。
たとえば、１フレーム分の撮像を行った結果、図１２(a) に示すような実露光時間分布が得られたとしよう。この図１２(a) は、撮像された１フレーム分の二次元画像上の個々の画素について、その実露光時間を示したものである。たとえば、Ｔ／８と記された領域に所属する画素は、時刻ｔ２−Ｔ／８なるタイミングで再リセットを行うことにより電圧値の検出が行われた画素であり、実露光時間はＴ／８となっている。これに対して、Ｔと記された領域に所属する画素は、再リセットを行うことなく、標準露光時間Ｔがそのまま実露光時間となった画素である。当然、Ｔ／８と記された領域に所属する画素には非常に強い光が照射されたことになり、Ｔと記された領域に所属する画素には弱い光が照射されたことになる。
図１２(b) は、Ｔ，Ｔ／２，Ｔ／４，Ｔ／８という４種類の実露光時間ごとに、画素の頻度値を集計したヒストグラムであり、図１２(a) に示す各領域の面積を示すヒストグラムになっている。この例では、実露光時間Ｔの領域に所属する画素が最も多く、図１２(a) に示す領域Ｔが最も大きな面積を有することが示されている。このような統計量が得られた場合、この統計量を考慮した圧縮処理を行うようにする。すなわち、最も頻度値の大きな実露光時間Ｔに対応するレンジについての圧縮率をできるだけ小さくし、最も頻度値の小さな実露光時間Ｔ／８に対応するレンジについての圧縮率をできるだけ大きく設定すれば、この画像に適した合理的な圧縮処理が可能になる。
図１３は、このような方針によって行われた圧縮処理の結果の一例を示すグラフである。このグラフの横軸の「輝度データ」とは、圧縮前の画素値を示し、横軸の「出力データ」とは、圧縮後の画素値を示している。この例は、１１ビット（０〜２０４７）からなる輝度データを８ビット（０〜２５５）からなる出力データに圧縮した例である。輝度データの０〜２５５のレンジは、実露光時間がＴである画素からの検出値が分布するレンジであり、図示の例では、このレンジが出力データの０〜１９６なるレンジに割り当てられている。若干、ダイナミックレンジは縮まるものの、圧縮率はそれほど大きくはない。同様に、輝度データの２５６〜５１１のレンジは、実露光時間がＴ／２である画素からの検出値が分布するレンジであり、輝度データの５１２〜１０２３のレンジは、実露光時間がＴ／４である画素からの検出値が分布するレンジであり、輝度データの１０２４〜２０４７のレンジは、実露光時間がＴ／８である画素からの検出値が分布するレンジである。輝度データ上、１０２４〜２０４７のレンジは最も広いが、図１２に示す結果から、実露光時間がＴ／８である画素の頻度値は最も小さいので、出力データ上では、このレンジは、２４１〜２５５という狭い範囲内に圧縮されている。
実は、図１３に示すグラフにおいて、出力データの各区間の幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は、図１２(b) に示す各ヒストグラムＴ，Ｔ／２，Ｔ／４，Ｔ／８の頻度値に比例するように設定されている。このような圧縮処理を行うためには、要するに、データ出力部７０が、複数通りの実露光時間のそれぞれについて、対応する画素の頻度値を求め、ｍビットのデジタルデータで表現されるダイナミックレンジを、この頻度値に応じた幅をもつ区間に按分し、個々の実露光時間ごとに得られるデジタルデータを、それぞれ対応する按分区間内に圧縮して割り当てるようにすればよい。
図１４(a) ，(b) は、別な画像についての実露光時間分布図およびヒストグラムである。この画像では、実露光時間がＴ／４である画素の頻度値が最も大きくなっている。そのため、各ヒストグラムＴ，Ｔ／２，Ｔ／４，Ｔ／８の頻度値に比例するように、出力データの各区間の幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を設定すると、図１５に示すようなグラフが得られることになる。輝度データの５１２〜１０２３のレンジは、頻度値が最も大きな実露光時間がＴ／４である画素からの検出値が分布するレンジであり、出力データ上では、９６〜２４０という最も広いレンジが対応づけられている。
本発明の一実施形態に係る固体撮像装置の基本構成を示すブロック図である。 図１に示す固体撮像装置内の１画素から出力される電圧値の変化の様子およびリセットのタイミングを示すグラフである。 １フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／２における電圧値のモニタ操作を説明するグラフである。 １フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／２における再リセット操作を説明するグラフである。 急峻な立ち上がりをもつ電圧増加が生じた様子を示すグラフである。 図５に示す電圧増加が生じた際に、１フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／２における再リセット操作を説明するグラフである。 １フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／４における電圧値のモニタ操作を説明するグラフである。 １フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／４における電圧値のモニタ操作および時刻ｔ２−Ｔ／４における再リセット操作を説明するグラフである。 １フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／８における電圧値のモニタ操作および時刻ｔ２−Ｔ／８における再リセット操作を説明するグラフである。 １フレーム中の時刻ｔ１＋Ｔ／８，ｔ１＋Ｔ／４，ｔ１＋Ｔ／２における電圧値のモニタ操作および時刻ｔ２−Ｔ／２，ｔ２−Ｔ／４，ｔ２−Ｔ／８における再リセット操作を説明するグラフである。 本発明の変形例に係る再リセット操作を説明するグラフである。 図１に示すデータ出力部７０によって求められた特定の画像についての実露光時間分布図（図(a) ）およびヒストグラム（図(b) ）である。 図１２に示す統計量を考慮して得られたダイナミックレンジの圧縮処理を説明するグラフである。 図１に示すデータ出力部７０によって求められた別な特定の画像についての実露光時間分布図（図(a) ）およびヒストグラム（図(b) ）である。 図１４に示す統計量を考慮して得られたダイナミックレンジの圧縮処理を説明するグラフである。
符号の説明
１０…行選択部
１１…行選択ライン
２０…列選択部
２１…列選択ライン
３０…画素配列部
３１…読出信号ライン
４０…検出制御部
４１…リセット信号ライン
５０…露光時間記憶部
６０…タイマー部
７０…データ出力部
Ａ〜Ｄ２…電圧値の増加を示すグラフ
Ｅ…電圧値のフルレンジ
Ｌ１〜Ｌ４…区間の幅
Ｐ…画素
Ｒ１〜Ｒ５…リセット信号
Ｔ…１フレームの周期（標準露光時間）
ｔ１…１フレームの開始時刻
ｔ２…１フレームの終了時刻
ｔｂ，ｔｃ…電圧値が飽和する時刻

Claims (20)

  1. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
    前記画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
    選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
    を備える固体撮像装置において、
    前記検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／ｋ（但し、ｋ＞２）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／ｋとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／ｋのタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
    個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
    個々の画素の検出値に前記実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
    を更に備えることを特徴とする固体撮像装置。
  2. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
    前記画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
    選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
    を備える固体撮像装置において、
    前記検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ （ｎは２以上の自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
    個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
    個々の画素の検出値に前記実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
    を更に備えることを特徴とする固体撮像装置。
  3. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
    前記画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
    選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
    を備える固体撮像装置において、
    前記検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ ｎ （ｎは自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ ｎ となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ ｎ のタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
    個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
    個々の画素の検出値に前記実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
    を更に備え、
    複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うことを特徴とする固体撮像装置。
  4. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成される画素配列部と、
    前記画素配列部内の特定の画素を選択画素として選択する画素選択部と、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を計測するタイマー部と、
    選択画素を１フレームの開始時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、選択画素から１フレームの終了時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出す処理を行う検出制御部と、
    を備える固体撮像装置において、
    前記検出制御部に、時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで、選択画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジ未満かつフルレンジの１／２を越えていた場合には、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該選択画素を再リセットし、モニタした電圧値がフルレンジであった場合には、当該選択画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２（ｎ＋１）となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）のタイミングで当該選択画素を再リセットする機能をもたせ、
    個々の画素について、それぞれ１フレーム分の実露光時間を示すデータを記憶する露光時間記憶部と、
    個々の画素の検出値に前記実露光時間を加味した値を撮像した画像データとして出力するデータ出力部と、
    を更に備えることを特徴とする固体撮像装置。
  5. 請求項４に記載の固体撮像装置において、
    １つおきに連続した自然数からなる複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うことを特徴とする固体撮像装置。
  6. 請求項２〜５のいずれかに記載の固体撮像装置において、
    Ｔ／２ｎなる実露光時間を示すデータとして、値ｎを露光時間記憶部に記憶させることを特徴とする固体撮像装置。
  7. 請求項６に記載の固体撮像装置において、
    制御検出部が、個々の画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出す機能を有し、
    データ出力部が、個々の画素の実露光時間として記憶されている値ｎを参照し、個々の画素の検出値を示すデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、個々の画素の画素値を示す画像データとして出力することを特徴とする固体撮像装置。
  8. 請求項６に記載の固体撮像装置において、
    制御検出部が、個々の画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出す機能を有し、
    データ出力部が、個々の画素の実露光時間として記憶されている値ｎを参照し、個々の画素の検出値を示すデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、ｍビットのデジタルデータに圧縮する圧縮処理を行い、この圧縮されたデータを、個々の画素の画素値を示す画像データとして出力することを特徴とする固体撮像装置。
  9. 請求項８に記載の固体撮像装置において、
    データ出力部が、各画素の実露光時間についての統計量を求め、この統計量を考慮した圧縮処理を実施することを特徴とする固体撮像装置。
  10. 請求項９に記載の固体撮像装置において、
    データ出力部が、複数通りの実露光時間のそれぞれについて、対応する画素の頻度値を求め、ｍビットのデジタルデータで表現されるダイナミックレンジを、前記頻度値に応じた幅をもつ区間に按分し、個々の実露光時間ごとに得られるデジタルデータを、それぞれ対応する按分区間内に圧縮して割り当てる圧縮処理を行うことを特徴とする固体撮像装置。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の固体撮像装置において、
    画素配列部が、ＭＯＳイメージセンサによって構成されていることを特徴とする固体撮像装置。
  12. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する方法であって、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
    時刻ｔ１＋Ｔ／ｋ（但し、ｋ＞２）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／ｋとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／ｋのタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
    各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  13. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する方法であって、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
    時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ （ｎは２以上の自然数）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
    各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  14. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する方法であって、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
    時刻ｔ１＋Ｔ／２ ｎ （ｎは自然数）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジの１／２を越えていた場合に、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ ｎ となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ ｎ のタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
    各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにし、
    複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  15. リセット時からの受光量に応じて徐々に変化する電圧値を出力する機能をもった画素を、多数配列することにより構成された固体撮像装置を駆動する方法であって、
    時刻ｔ１からｔ２に至る周期Ｔをもった１フレーム分の標準露光時間を設定し、各画素を時刻ｔ１のタイミングでリセットするとともに、各画素から時刻ｔ２のタイミングで出力される電圧値を当該画素についての当該フレームにおける検出値として取り出すようにし、
    時刻ｔ１＋Ｔ／２ｎ（ｎは自然数）のタイミングで、各画素から出力される電圧値をモニタし、モニタした電圧値がフルレンジ未満かつフルレンジの１／２を越えていた場合には、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２ｎとなるように、時刻ｔ２−Ｔ／２ｎのタイミングで当該画素を再リセットし、モニタした電圧値がフルレンジであった場合には、当該画素についての１フレーム分の実露光時間がＴ／２（ｎ＋１）となるように、時刻ｔ２−Ｔ／２（ｎ＋１）のタイミングで当該画素を再リセットするようにし、
    各画素の検出値に当該検出値を得るのに要した実露光時間を加味した値を、撮像した画像データとして出力させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  16. 請求項１５に記載の駆動方法において、
    １つおきに連続した自然数からなる複数通りのｎを設定し、１フレーム内の複数通りのタイミングで電圧値のモニタを行い、過去に行われたモニタで再リセットのタイミング決定がなされていないことを条件として、再リセットのタイミング決定を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  17. 請求項１３〜１６のいずれかに記載の駆動方法において、
    各画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出した後、当該検出値を得るのに要した実露光時間Ｔ／２ｎの値ｎを参照し、前記ｍビットのデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、撮像した画像データとして出力させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  18. 請求項１３〜１６のいずれかに記載の駆動方法において、
    各画素の検出値をｍビットのデジタルデータの形式で取り出した後、当該検出値を得るのに要した実露光時間Ｔ／２ｎの値ｎを参照し、前記ｍビットのデジタルデータをｎビットだけ左方向にシフトさせ、ＬＳＢ側のｎビット分に０を入れることにより得られる（ｍ＋ｎ）ビットのデジタルデータを、ｍビットのデジタルデータに圧縮する圧縮処理を行い、この圧縮されたデータを、撮像した画像データとして出力させるようにしたことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  19. 請求項１８に記載の駆動方法において、
    各画素についての検出値を得るのに要した実露光時間の統計量を求め、この統計量を考慮した圧縮処理を実施することを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
  20. 請求項１９に記載の駆動方法において、
    複数通りの実露光時間のそれぞれについて、対応する画素の頻度値を求め、ｍビットのデジタルデータで表現されるダイナミックレンジを、前記頻度値に応じた幅をもつ区間に按分し、個々の実露光時間ごとに得られるデジタルデータを、それぞれ対応する按分区間内に圧縮して割り当てる圧縮処理を行うことを特徴とする固体撮像装置の駆動方法。
JP2003315277A 2003-09-08 2003-09-08 固体撮像装置およびその駆動方法 Expired - Fee Related JP4390100B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003315277A JP4390100B2 (ja) 2003-09-08 2003-09-08 固体撮像装置およびその駆動方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003315277A JP4390100B2 (ja) 2003-09-08 2003-09-08 固体撮像装置およびその駆動方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005086407A JP2005086407A (ja) 2005-03-31
JP4390100B2 true JP4390100B2 (ja) 2009-12-24

Family

ID=34415601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003315277A Expired - Fee Related JP4390100B2 (ja) 2003-09-08 2003-09-08 固体撮像装置およびその駆動方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4390100B2 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100801758B1 (ko) 2006-01-19 2008-02-11 엠텍비젼 주식회사 이미지 센서 및 그 제어 방법
JP4998056B2 (ja) * 2006-05-11 2012-08-15 セイコーエプソン株式会社 撮像装置、撮像システム及び撮像方法
KR100834763B1 (ko) 2006-11-14 2008-06-05 삼성전자주식회사 동적 촬영 대역의 확장을 위한 이미지 센서 및 화소에수광된 광량을 측정하는 방법
US8289430B2 (en) * 2007-02-09 2012-10-16 Gentex Corporation High dynamic range imaging device
US8063350B2 (en) * 2007-08-03 2011-11-22 Cognex Corporation Circuits and methods allowing for pixel array exposure pattern control
JP5262247B2 (ja) * 2008-03-31 2013-08-14 カシオ計算機株式会社 撮像装置、撮像方法及びプログラム
JP7055727B2 (ja) * 2018-09-20 2022-04-18 株式会社ニコン 撮像素子およびカメラ

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005086407A (ja) 2005-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6831689B2 (en) Optical imager using a method for adaptive real-time expanding of the dynamic range
EP1083740B1 (en) Electronic still camera capable of removing noise component in image data and signal processing method thereof
US8538174B2 (en) Image processing device
US8982232B2 (en) Image processing apparatus and image processing method
US20020085112A1 (en) Image input apparatus
EP2833635A1 (en) Image processing device, image-capturing element, image processing method, and program
CA2746019C (en) Image sensor with double charge transfer for large dynamic range and method of reading
CN108886594B (zh) 具有模拟计数器元件的数字单位单元
US10154220B2 (en) Imaging system with dynamic reconstruction workload allocation
KR20080025048A (ko) 화상 데이터 처리 장치, 화상 데이터 처리 방법 및프로그램
JP6762806B2 (ja) 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体
JP2013090124A5 (ja)
JP4390100B2 (ja) 固体撮像装置およびその駆動方法
CN109997352B (zh) 摄像装置、相机以及摄像方法
WO2015009848A1 (en) System and method for automatic exposure and dynamic range compression
JP2004297546A (ja) 撮像装置
JP4985220B2 (ja) 画像処理装置、カメラ、画像処理プログラムおよび画像処理方法
WO2019187901A1 (ja) 撮像装置、撮像方法、およびプログラム
JP3279545B2 (ja) 焼き付き防止機能付き表示装置および焼き付き防止方法
US7667760B2 (en) Image sensor output correction device
JP2004140484A (ja) 画像取り込み装置および画像取り込み方法
JP2008131529A (ja) 撮像装置、画像処理装置、方法およびプログラム
EP1653730B1 (en) Electronic camera
JP2008017176A (ja) 画像処理装置および方法、並びにプログラム
US9258504B2 (en) Semiconductor device, method of controlling the same, and camera based on reference comparison

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060530

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20060731

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070116

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20070517

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20090930

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121016

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131016

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees