JP6128406B1 - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

撮像装置（１００）は、複数の単位画素セル（１２１）を含み、複数の単位画素セルに含まれる単位画素セルは、１フレーム内の第１の露光期間において第１の撮像データを取得し、１フレーム内の第１の露光期間とは異なる第２の露光期間において第２の撮像データを取得し、単位画素セルの単位時間当たりの感度は、第１の露光期間と第２の露光期間とで異なっている。撮像装置（１００）は、少なくとも第１の撮像データと第２の撮像データとを含む多重露光画像データを出力する。

Description

本願は撮像装置に関し、特に多重露光が可能な撮像装置に関する。
撮像システムが、民生分野および産業分野などに幅広く普及している。撮像システムにおいては、１フレーム期間に１回の露光および読み出し（「通常露光」と呼ぶ場合がある。）を行う撮像装置が通常用いられている。また、１フレーム期間に複数回の露光および１回の読み出しを行う撮像装置が知られている。その複数回の露光は、一般に「多重露光」と呼ばれている。多重露光では順次撮像される撮像データが重畳されて、重畳された撮像データは１つの撮像データとして読み出される。
多重露光により得られた撮像データは、被写体の変化の情報、例えば動き情報を含んでいる。背景のような動かない静止体は、多重露光でも通常露光と同様に撮像される。一方、動きを伴う被写体を撮像する場合、多重露光によると、その変化を撮像データに反映できる。多重露光によれば、被写体の動きの軌跡を１枚の画像で確認できる。このように、多重露光は動体解析および高速現象の解析に有用である。
例えば特許文献１が、露光期間を変えながら多重露光による撮像（以下、「多重露光撮像」と呼ぶ。）が可能な撮像装置を開示している。その撮像装置によると、動解像度が高くより自然で連続的な画像が得られる。
特開２００１−１９７３７３号公報
上述した従来の撮像装置では、動きのある被写体撮像のさらなる向上が求められていた。
上記課題を解決するために、本開示の一態様による撮像装置は、１フレーム期間において複数の撮像データを複数のタイミングで取得し、複数の撮像データを多重化する画像取得部であって、複数の撮像データは、共通の表示属性の程度が異なる少なくとも２つの撮像データを含む画像取得部と、画像取得部によって多重化された撮像データを出力する出力インタフェースを有する画像出力部と、を備える。
なお、包括的又は具体的な態様は、システム、集積回路、コンピュータプログラム又はコンピュータ読み取り可能なＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体で実現されてもよい。また、包括的又は具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム又は記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によると、動きのある被写体撮像のさらなる向上が可能な撮像装置を提供できる。
図１は、例示的な第１の実施形態による撮像装置１００のブロック構成の模式図である。 図２Ａは、画像取得部１２０の典型的なブロック構成の模式図である。 図２Ｂは、単位画素セル１２１の断面模式図である。 図３は、１フレーム期間における多重露光の典型的な動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図４は、多重露光撮像で得られる撮像データを示す模式図である。 図５は、１フレーム期間における多重露光において、第１電極１２１Ａおよび第２電極１２１Ｂの間の電位差の変化（第１電極１２１Ａに印加する電圧の変化）の様子を示すタイミングチャートである。 図６は、多重化された撮像データのイメージおよび個々に分離された撮像データのイメージを示す模式図である。 図７は、共通の表示属性の程度をそれらの最大値に揃えた個々の撮像データのイメージを示す模式図である。 図８Ａは、多重化された撮像データに識別子を重畳した様子を示す模式図である。 図８Ｂは、多重化された撮像データに識別子を重畳した様子を示す模式図である。 図９Ａは、図８Ａに示される撮像データに共通の表示属性の程度を同一にする処理を施した撮像データを示す模式図である。 図９Ｂは、図８Ｂに示される撮像データに共通の表示属性の程度を同一にする処理を施した撮像データを示す模式図である。 図１０は、例示的な第２の実施形態による撮像装置１０１のブロック構成の模式図である。 図１１は、１フレーム期間における多重露光の典型的な動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図１２Ａは多重露光画像の例を示す模式図である。 図１２Ｂは多重露光画像の例を示す模式図である。 図１３Ａは、１フレーム期間における多重露光の典型的な動作タイミングを示すタイミングチャートである。 図１３Ｂは多重露光画像の例を示す模式図である。 図１４は、例示的な第４の実施形態による撮像装置１０２のブロック構成の模式図である。
本開示による実施形態を説明する前に、本願発明者が考察した従来技術の問題点を説明する。
例えば特許文献１は、多重露光の各撮像の間で露光期間を変化させ、撮像時の明度を時系列に変化させる方法を提案している。しかしながら、露光期間は被写体の速度に密接に関連する。そのため、ブレのない画像を撮るためには使用可能な露光期間は制限される。また、露光間隔も一定ではなくなるので、時間軸に正確に対応した撮像を行うことができなくなる。
このような課題に鑑み、本願発明者は新規な構造を備えた撮像装置に想到した。
本開示は、下記の項目に記載の撮像装置を含んでいる。
〔項目１〕
１フレーム期間において複数の撮像データを複数のタイミングで取得し、複数の撮像データを多重化する画像取得部であって、複数の撮像データは、共通の表示属性の程度が異なる少なくとも２つの撮像データを含む画像取得部と、
画像取得部によって多重化された撮像データを出力する出力インタフェースを有する画像出力部と、を備える撮像装置。
項目１に記載の撮像装置によると、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データを時系列に判別することができる。
〔項目２〕
１フレーム期間において複数の撮像データを複数のタイミングで取得し、複数の撮像データを多重化する画像取得部であって、複数の撮像データは、共通の表示属性の程度が異なる少なくとも２つの撮像データを含む画像取得部と、
画像取得部によって多重化された撮像データを、複数の撮像データの各々に関連した撮像データに被写体情報に基づいて分離し、分離された撮像データの少なくとも１つを個々に出力する出力インタフェースを有する画像出力部と、を備える撮像装置。
項目２に記載の撮像装置によると、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データを時系列に判別することができる。例えば、１フレーム期間で取得された多重化された撮像データからコマ送り動画のような動画像データを得ることができる。
〔項目３〕
複数の撮像データの各データの間で共通の表示属性の程度は異なる、項目１または２に記載の撮像装置。
〔項目４〕
共通の表示属性は、明るさおよび色の少なくとも一方である、項目１から３のいずれかに記載の撮像装置。
項目４に記載の撮像装置によると、共通の表示属性のバリエーションを提供できる。
〔項目５〕
共通の表示属性の程度の時系列変化は、単調増加または単調減少である、項目１から４のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目６〕
共通の表示属性の程度の時系列変化はランダムである、項目１から４のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目７〕
画像出力部は、複数の撮像データが取得された時間推移を示す識別子を多重化された撮像データに重畳する、項目１から６のいずれかに記載の撮像装置。
項目７に記載の撮像装置によると、表示属性の程度の違いに加えて識別子も付記されるので、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データを時系列に判別することが容易になる。
〔項目８〕
１フレーム期間において複数のタイミングで複数の撮像データを取得し、複数の撮像データを多重化する画像取得部と、
複数の撮像データが取得された時間推移を示す識別子を画像取得部によって多重化された撮像データに重畳する画像出力部であって、重畳された撮像データを出力する出力インタフェースを有する画像出力部と、を備える撮像装置。
項目８に記載の撮像装置によると、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データを時系列に判別することができる。
〔項目９〕
画像取得部は、１フレーム期間において複数のタイミングで複数の撮像データを多重露光で取得し、多重露光の各露光期間の長さは全て等しい、項目１から８のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目１０〕
画像出力部から出力された撮像データに基づいて画像を表示する表示装置をさらに備える、項目１から９のいずれかに記載の撮像装置。
項目１０に記載の撮像装置によると、撮影画像を表示装置に表示することでそれをすぐに確認することができる。
〔項目１１〕
画像取得部は、単位画素セルが２次元に配列された画素アレイを含み、
単位画素セルは、
第１電極、第２電極、および第１電極と第２電極との間の光電変換膜を有し、入射光を光電変換する光電変換部と、
第２電極に接続され、光電変換部で発生した信号電荷を検出する電荷検出回路と、
を含み、
画像取得部は、１フレーム期間においてグローバルシャッタおよび多重露光によって複数の撮像データを複数のタイミングで取得する、項目１から１０のいずれかに記載の撮像装置。
項目１１に記載の撮像装置によると、光電変換部を備えるイメージセンサを有する撮像装置を提供できる。
〔項目１２〕
画像取得部は、多重露光の各撮像の間で、第１および第２電極の間の電位差を変化させる、項目１１に記載の撮像装置。
項目１２に記載の撮像装置によると、第１および第２電極の間の電位差を変化させることにより、単位画素セルの単位時間当たりの感度を変化させることができる。
〔項目１３〕
多重露光の各撮像の間で、単位画素セルの単位時間当たりの感度が変化する、項目１１に記載の撮像装置。
〔項目１４〕
複数の単位画素セルを含み、
前記複数の単位画素セルに含まれる単位画素セルは、１フレーム期間内の第１の露光期間において第１の撮像データを取得し、前記１フレーム期間内の前記第１の露光期間とは異なる第２の露光期間において第２の撮像データを取得し、
前記単位画素セルの単位時間当たりの感度は、前記第１の露光期間と前記第２の露光期間とで異なっており、
少なくとも前記第１の撮像データと前記第２の撮像データとを含む多重露光画像データを出力する、撮像装置。
〔項目１５〕
前記単位画素セルは、
第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間にあり、光電変換により信号電荷を発生する光電変換膜と、を含む光電変換部と、
前記第２の電極に電気的に接続され、前記信号電荷を検出する信号検出回路と、を含み、
前記第１の電極と第２の電極と間の電位差は、前記第１の露光期間と前記第２の露光期間とで異なっている、項目１４に記載の撮像装置。
〔項目１６〕
前記第１の電極に電圧を供給する電圧制御回路をさらに備え、
前記電圧制御回路は、前記第１の露光期間と前記第２の露光期間とで異なる電圧を前記第１の電極に供給する、項目１５に記載の撮像装置。
〔項目１７〕
前記第１の露光期間と前記第２の露光期間との間に非露光期間を有し、
前記非露光期間において、前記信号検出回路が前記信号電荷を検出しないように前記第１の電極と第２の電極と間の電位差が設定されている、項目１５または項目１６に記載の撮像装置。
〔項目１８〕
前記第１の露光期間の長さと前記第２の露光期間の長さとは等しい、項目１４〜１７のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目１９〕
前記単位画素セルは、前記１フレーム期間内の互いに異なる複数の露光期間のそれぞれにおいて撮像データを取得し、
前記複数の露光期間のうち先の露光時間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度の方が、後の露光期間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度よりも高い、項目１４〜１８のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目２０〕
前記単位画素セルは、前記１フレーム期間内の互いに異なる複数の露光期間のそれぞれに対応して撮像データを取得し、
前記複数の露光期間のうち先の露光時間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度の方が、後の露光期間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度よりも低い、項目１４〜１８のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目２１〕
前記単位画素セルは、前記１フレーム期間内の互いに異なる複数の露光期間のそれぞれに対応して撮像データを取得し、
前記複数の露光期間のそれぞれにおける前記単位画素セルの単位時間当たりの感度は、ランダムに設定される、項目１４〜１８のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目２２〕
前記単位画素セルによって取得された前記第１の撮像データおよび前記第２の撮像データを含む前記多重露光画像データを処理する信号処理回路をさらに備え、
前記信号処理回路は、前記多重露光画像データから、前記第１の撮像データに基づく第１の画像データと、前記第２の撮像データに基づく第２の画像データとを抽出する、項目１４〜１８のいずれかに記載の撮像装置。
〔項目２３〕
前記第１の画像データと前記第２の画像データとの間で、動きを伴う被写体像の明るさまたは色が異なる、項目２２に記載の撮像装置。
〔項目２４〕
前記信号処理回路は、抽出された第１の画像データおよび第２の画像データに基づいて、前記多重露光画像データにおいて、動きを伴う被写体像の明るさ又は色を揃える処理を行う、項目２３に記載の撮像装置。
〔項目２５〕
前記信号処理回路は、抽出された第１の画像データおよび第２の画像データに基づいて、動きを伴う被写体像の時間変化を示す識別子を、前記多重露光画像データに付加する、項目２２に記載の撮像装置。
本開示の一態様によれば、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データの時系列を判別することが可能になる。
以下、図面を参照しながら、本開示による実施形態を説明する。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、一の実施形態と他の実施形態とを組み合わせることも可能である。以下の説明において、同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付している。また、重複する説明は省略する場合がある。さらに、例示するパルス波形のパルス間隔、パルス幅、パルスの振幅、および他信号との位相関係は例示に限定されず、任意に設定され得る。
（第１の実施形態）
〔１．１．撮像装置１００の構造〕
図１は、第１の実施形態による撮像装置１００のブロック構成を模式的に示している。図２Ａは、画像取得部１２０の典型的なブロック構成を模式的に示している。図２Ｂは、単位画素セル１２１の断面を模式的に示している。
撮像装置１００は、光学系１１０と、画像取得部１２０と、画像出力部１３０と、システムコントローラ１４０と、を備えている。
光学系１１０は、絞り、手振れ補正レンズ、ズームレンズおよびフォーカスレンズなどを有している。ズームレンズを光軸に沿って移動させることにより、被写体像の拡大、縮小をすることができる。また、フォーカスレンズを光軸に沿って移動させることにより、被写体像の合焦位置を調整することができる。なお、光学系１１０を構成するレンズの数は要求される機能に応じて適宜決定される。
画像取得部１２０は、いわゆるイメージセンサである。図２Ａに示されるように、例えば画像取得部１２０は、複数の単位画素セル１２１が二次元に配列された画素アレイおよび周辺駆動回路を含んでいる。周辺駆動回路は、行走査回路１２２および列走査回路１２３を有している。複数の単位画素セル１２１は、各信号線を介して行走査回路１２２および列走査回路１２３に電気的に接続されている。周辺駆動回路は、電圧制御回路１２４をさらに含んでいる。電圧制御回路１２４については後述する。
図２Ｂに示されるように、単位画素セル１２１は、入射光を光電変換する光電変換部１２１Ｄおよび電荷検出回路１２１Ｆを有する。光電変換部１２１Ｄは、第１電極１２１Ａ、第２電極１２１Ｂ、および第１電極１２１Ａと第２電極１２１Ｂとの間の光電変換膜１２１Ｃを有している。電荷検出回路１２１Ｆは、半導体基板１２１Ｈ上に設けられており、層間絶縁層１２１Ｇ内のコンタクトプラグ１２１Ｅを介して第２電極１２１Ｂに電気的に接続されている。電荷検出回路１２１Ｆは、光電変換部１２１Ｄで発生した信号電荷を検出することができる。なお、単位画素セル１２１は、典型的には光電変換膜を有する積層型のセルであるが、シリコンフォトダイオードを備えたセルであっても構わない。
画像取得部１２０は、共通の表示属性の程度を示す制御信号、すなわち、得られる撮像データにおける共通の表示属性の程度に対応する制御信号に基づいて、その程度を変化させる制御回路を有している。画像取得部１２０は、１フレーム期間において複数のタイミングで共通の表示属性の程度が異なる複数の撮像データを取得し、複数の撮像データを多重化する。すなわち、１フレーム期間において、光電変換部１２１Ｄは、複数のタイミングで共通の表示属性の程度が異なる複数の撮像データを取得する。電荷検出回路１２１Ｆは、これらの複数の撮像データを含む撮像データを読み出す。電荷検出回路１２１Ｆは、これら複数の撮像データを別々に読み出してもよい。その場合には、電荷検出回路１２１Ｆによって読み出された複数の撮像データは、読み出された後に重畳される。共通の表示属性については後述する。
画像出力部１３０は出力バッファ１３１を有する。画像出力部１３０は出力バッファ１３１を介して撮像データを外部に出力する。画像出力部１３０は、画像取得部１２０によって多重化された撮像データを外部に出力することができる。
画像出力部１３０から出力されるデータは、典型的にはＲＡＷデータであり、例えば１２ビット幅の信号である。ただし、本開示はこれに限定されず、その出力データは、例えばＨ．２６４規格に準拠して圧縮された圧縮データであってもよい。圧縮データは、例えば、８ビット幅の信号である。その場合、例えば画像出力部１３０が、Ｈ．２６４規格に準拠して圧縮データを生成するビデオコーデックを有していてもよい。
システムコントローラ１４０は、撮像装置１００全体を制御する。具体的に説明すると、システムコントローラ１４０は、光学系１１０、画像取得部１２０および画像出力部１３０を制御する。システムコントローラ１４０は、典型的には半導体集積回路であり、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。
例えば、撮像装置１００は、信号処理回路２１０および表示装置２２０などを含む外部機器２００に接続され得る。例えば外部機器２００は、パーソナルコンピュータおよびスマートフォンなどである。具体的には、撮像装置１００は、信号処理回路２１０、例えばＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）に電気的に接続される。信号処理回路２１０は、撮像装置１００からの出力信号を受け取り、例えばガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、およびオートホワイトバランスなどの処理を行う。表示装置２２０は例えば液晶ディスプレイおよび有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイであり、信号処理回路２１０からの出力信号に基づいて画像を表示する。なお、撮像装置１００からの出力データをフラッシュメモリのような記録媒体に一旦保存してもよい。
〔１．２． 撮像装置１００の動作〕
図３は、１フレーム期間における多重露光の典型的な動作タイミングを示している。図中のＶＤは１フレーム期間の開始パルスを示す。露光信号は、露光が有効であるか無効であるかを示す信号である。Ｈｉ期間が有効期間（露光状態）であり、Ｌｏｗ期間が無効期間（非露光状態）である。表示属性設定信号は、共通の表示属性の程度を設定するための信号である。設定された信号パルスの高さが高いほど、共通の表示属性の程度が高いことを示している。なお、露光信号と表示属性設定信号とは、両方の機能を兼ねる単一の信号であってもよい。
本明細書において、共通の表示属性は、明るさおよび色の少なくとも一方である。明るさは、各画素セルのＲＧＢ信号から得られる明度であり、色は、ＲＧＢ信号から得られる色相または彩度である。
露光信号および表示属性設定信号のパルス波形のそれぞれは、露光期間および共通の表示属性の程度をそれぞれ示している。各パルス波形、つまり制御信号は画像取得部１２０に供給される。それらの制御信号は、システムコントローラ１４０によって生成される制御信号であってもよいし、画像取得部１２０の内部で生成される制御信号であっても構わない。
図３には、１フレーム期間に５回の露光を実施する例を示している。画像取得部１２０は各撮像で取得された複数の撮像データを多重化する。換言すると、複数の撮像データが重畳されて１つの撮像データが得られる。背景等の動きがない被写体は、画素アレイ内の同じ位置にある単位画素セル１２１によって各露光期間で撮像される。そして同一の単位画素セル１２１によって撮像データが蓄積される。これに対し、各撮像の間で動きがある被写体は、それぞれに対応する露光タイミングにおいて位置する、画素アレイ内の単位画素セルによって撮像される。その結果、５回の露光全てにおいて撮像に関与した単位画素セル１２１が異なれば、それぞれの撮像データは独立した５つの像として重畳される。
表示属性設定信号に応じて共通の表示属性の程度を変化させて各撮像を行うことで、各露光期間において得られる撮像データを変化させることができる。例えば、各撮像の間で撮像データの明度を変化させて撮像することで、明度が互いに異なった複数の撮像データを取得できる。そのため、重畳された撮像データにおいて、動きのある被写体の５つの像の間で、共通の表示属性の程度が互いに異なる。
図４は、図３に示される多重露光撮像で得られる撮像データを模式的に例示している。共通の表示属性の程度の違いを明度で個々に表現している。明度が高いほど、時系列上最新の撮像データであることを示している。取得された撮像データの時系列が明度情報より判別可能であることが分かる。
共通の表示属性の程度の変化の仕方（または、変化の規則性）は任意である。この変化の規則性はシステム起動時などに決定される。この変化の規則性は既知であるので、上述した例に限らず多重露光で得られる撮像データから動きのある同一被写体像の時系列が判別可能である。共通の表示属性の程度の時系列変化は、典型的には単調増加または単調減少である。ただし、共通の表示属性の程度の時系列変化はランダムであってもよい。
図３に示されるように、本実施形態では１フレーム期間において、多重露光の各露光期間は、典型的には全て等しく、各露光間隔も全て等しい。これは、露光期間を調整する従来技術とは大きく異なると言える。ただし、当然に、従来技術と同様に各露光期間を可変にすることもできる。
本実施形態では、露光期間の変更に代えて、多重露光における撮像毎に単位画素セル１２１の単位時間当たりの感度を変更している。その結果、各撮像の間で明るさおよび色情報を変化させることができる。具体的に説明すると、光電変換部１２１Ｄの第１電極１２１Ａおよび第２電極１２１Ｂの間の電位差を変化させることで、単位時間当たりの感度を変更することが可能になる（図２Ｂを参照）。そのような感度変更の詳細な説明は、例えば特開２００７−１０４１１３号公報に記載されている。その開示内容の全てを参考のために本明細書に援用する。
撮像における感度の変化の仕方（または、変化の規則性）は任意である。感度の時系列変化は、典型的には単調増加または単調減少である。ただし、感度の時系列変化はランダムであってもよい。
また、第１電極１２１Ａおよび第２電極１２１Ｂの間の電位差を小さくすることにより、光電変換された電荷を検出させないようにし、感度を実質的にゼロにすることもできる。これによれば、グローバルシャッタ動作が可能になる。
上述したように、画像取得部１２０は、共通の表示属性の程度を示す制御信号に基づいてその程度を変化させる制御回路を有している。例えば制御回路は、第１電極１２１Ａおよび第２電極１２１Ｂへの印加電圧を制御する電圧制御回路１２４（図２Ａを参照）であり得る。電圧制御回路１２４は半導体基板１２１Ｈ上に設けられていてもよいし、半導体基板１２１Ｈ以外の基板に設けられていてもよい。複数の単位画素セル１２１は光電変換膜制御線を介して電圧制御回路１２４に電気的に接続されている。具体的に説明すると、第２電極１２１Ｂの電位は電荷検出回路１２１Ｆの電位に等しく、光電変換膜制御線は第１電極１２１Ａに電気的に接続されている。電圧制御回路１２４は、共通の表示属性の程度を示す制御信号に基づいて所定の電位を第１電極１２１Ａに印加する。
図５は、１フレーム期間における多重露光において第１電極１２１Ａおよび第２電極１２１Ｂの間の電位差の変化（第１電極１２１Ａに印加する電圧の変化）の様子を模式的に示している。図５に示される例では、共通の表示属性の程度は第１電極１２１Ａおよび第２電極１２１Ｂの間の電位差に相当する。電位差を設定する信号パルスの高さが高いほど、電位差が大きいことを意味している。
図示されている電位差に関して、Ｌｏｗレベルは光電変換されないレベルに相当する。換言すると、Ｌｏｗレベルはグローバルシャッタ動作が可能なレベルに対応している。Ｌｏｗレベル以外のレベルは光電変換されるのに十分なレベルに相当する。Ｈｉレベルは光電変換が最も高い効率で行われるレベルに相当する。従って、電位差が大きくなるほど、単位画素セル１２１の感度は高くなる。Ｌｏｗおよびそれ以外の電位差レベルを含むサイクルを複数回繰り返すことで、多重露光撮像が行われる。各撮像の間で電位差を変化させることにより、各露光期間中の感度を変更している。
このように、第１電極１２１Ａと第２電極１２１Ｂの間の電位差を多重露光の各撮像の間で変更すること、およびグローバルシャッタ動作によって、多重露光と各撮像における感度の変更との両立が可能になる。その結果、多重露光の各撮像において、共通の表示属性（具体的には明度）の程度を独立して変更することができる。多重露光の各撮像で明度が異なる画像を取得できるので、多重化された１つの撮像データにおいて動きのある被写体像の時系列を確認することが可能となる。
上述したとおり、共通の表示属性を色とすることもできる。光電変換膜を有する積層型センサにおいて、光電変換膜への印加電圧を変化させることで分光特性を変化させることができる。例えば特開２００７−１０４１１３号公報によると、Ｒ、ＧおよびＢのそれぞれの色に対応する光電変換膜への印加電圧を上下することで、各色の感度を大きくまたは小さくすることができる。このような特性を本開示に適用することができる。例えば、被写体は白色であるとする。その場合、青色、緑色の順で感度を下げるように制御すれば、白色、黄色、赤色のように色温度を順に低下させるように被写体の色を変化させることができる。
例えば特開２００９−００５０６１号公報は、シリコンフォトダイオードを備えるイメージセンサにおいて、基板へのバイアス電圧を変化させて、電荷の捕獲領域を変化させることにより、分光特性を変更する技術を開示している。この技術によると、バイアス電圧を大きくした場合、その分だけ長波長側の光に対する感度が相対的に低下する。このような特性を本開示に適用することができる。例えば白色の被写体であれば、バイアス電圧を大きくすることで、白色、水色、青色のように色温度を順に上昇させるように被写体の色を変化させることができる。
このように、種々の公知技術を広く利用することで、色を共通の表示属性とすることができる。各撮像の間で単位画素セル１２１の分光特性を動的に変化させることで、１フレーム期間において複数のタイミングで共通の表示属性、つまり色の程度が異なる複数の撮像データを取得できる。
次に、画像出力部１３０の他の実施形態を説明する。画像出力部１３０は画像取得部１２０によって多重化された撮像データから動きを伴う被写体像を抽出して、それらを個々の撮像データに分離してもよい。
図６は、多重化された撮像データのイメージおよび個々に分離された撮像データのイメージを模式的に示している。図６（ａ）の撮像データは図４に示される多重化された撮像データに対応している。
画像取得部１２０は、１フレーム期間において複数のタイミングで共通の表示属性の程度が異なる複数の撮像データを取得し、複数の撮像データを多重化する。画像出力部１３０は、多重化された撮像データから、同一被写体像を被写体情報に基づいてパターン検出することができる。例えば被写体情報とは、被写体の形状、明度および色に関するパターンなどである。画像出力部１３０は、多重化された撮像データを個々の撮像データにそのパターン検出結果に基づいて分離することができる。そして、画像出力部１３０は、共通の表示属性の程度の変化情報に基づいて分離した個々の撮像データを時系列に並べることができる。例えば出力バッファ１３１は、分離された撮像データの少なくとも１つをその時系列順に個々に出力することができる。
このような構成によると、多重化された１つの撮像データに基づいて、各々が時間的な順序関係を有する複数の撮像データを生成できる。図６に示される例では、図６（ａ）に示される多重化された５つの円形の被写体像を、図６（ｂ）に示される５つの撮像データに個々に分離することができる。それぞれの明度情報に基づいて分離された撮像データを時系列に並べることにより、動画像のような連続した画像が得られる。換言すると、１フレーム期間で取得された多重化された撮像データから、コマ送り動画のような動画像データを得ることができる。
例えばその動画像データを外部機器２００に送信することにより、外部機器２００側でその動画像データを再生して、表示装置２２０にコマ送り動画を表示させることができる。同時に、撮像データを多重化することにより、画像取得部１２０から出力されるデータ量の圧縮にも効果がある。また、高速に多重露光撮像を行うことで、非常に短い時間間隔で取得されたデータを多重化できる。そのため、撮影が困難な時間領域の現象をスローモーション動画として再生することも可能である。
また、画像出力部１３０は、視認性を向上させるために、共通の表示属性の程度を同一にするように、時系列順に得られた複数の撮像データを処理してもよい。多重露光画像において動きが見られる同一被写体像を、複数の撮像データに分離し時系列に並べると、各撮像で得られた撮像データの時間的な順序関係が明確になる。例えば、画像出力部１３０は、既知である共通の表示属性の程度の変化情報を用いて、個々の撮像データの共通の表示属性の程度をそれらの最大値に揃えてもよい。ただし、最大値に限られず、例えばそれらの平均値に揃えても構わない。これにより、個々の被写体像の間で共通の表示属性はコマ毎には変化せず、視認性が良くなる。
図７は、共通の表示属性の程度をそれらの最大値に揃えた個々の撮像データのイメージを模式的に示している。個々の撮像データの間で円形の被写体像の明度は同一になるので、これらの撮像データを動画として再生すると、動画像の印象が向上する。
画像出力部１３０の別の他の実施形態を説明する。画像出力部１３０は、画像取得部１２０によって複数の撮像データが取得された時間推移を示す識別子を多重化された撮像データに重畳することができる。
図８Ａおよび図８Ｂは、多重化された撮像データに識別子を重畳した様子を示している。図８Ａに示されるように、画像出力部１３０は、共通の表示属性の程度の変化情報から時系列を判別し、時間推移を示す矢印を多重化された撮像データに重畳することができる。または、画像出力部１３０は、時間推移を表す番号を被写体像の周辺に付すことができる。識別子は、図示される例に限らず、アルファベット等の数字または文字、矢印等の図形、および○または△等の記号であり得る。
このような構成によると、表示属性の程度の違いに加えて識別子も付記されるので、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データの時系列を判別することが容易になる。
画像出力部１３０は、画像取得部１２０によって複数の撮像データが取得された時間推移を示す識別子を多重化された撮像データに重畳し、さらに、共通の表示属性の程度を同一にするように時系列順に得られた複数の撮像データを処理してもよい。これにより、視認性をさらに向上させることができる。
図９Ａは、図８Ａに示される撮像データに共通の表示属性の程度を同一にする処理を施した撮像データのイメージを模式的に示している。図９Ｂは、図８Ｂに示される撮像データに共通の表示属性の程度を同一にする処理を施した撮像データのイメージを模式的に示している。
図８Ａおよび図８Ｂに示される画像においても、時系列は十分に判別可能となる。なお、多重露光の各撮像で明度が異なると、明度の低い被写体像の視認性はどうしても低下してしまう。そこで、画像出力部１３０は、既知である共通の表示属性の程度の変化情報を用いて、個々の撮像データの共通の表示属性の程度をそれらの最大値に揃えることができる。
このような構成によると、識別子により、多重化された撮像データにおいて個々の撮像データを時系列に判別することが容易になり、かつ、個々の被写体像の間で共通の表示属性は変化せず、視認性が良くなる。
本実施形態によると、１フレーム期間に得られた多重露光画像において、動きのある被写体像の時間的な順序関係、またはある特定のタイミングで取得された被写体像を判別することができる。例えば、撮像装置１００を外部機器２００に接続することで、多重化された撮像データまたは複数の撮像データの各々に基づいて表示装置２２０に被写体像を表示させることができる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態による撮像装置１０１は、外部信号検出部１５０を備えている点で第１の実施形態による撮像装置１００とは異なる。以下、撮像装置１００と共通する部分の説明は省略し、差異点を主として説明する。
〔２．１．撮像装置１０１〕
図１０は、第２の実施形態による撮像装置１０１のブロック構成を模式的に示している。
撮像装置１０１は、光学系１１０と、画像取得部１２０と、画像出力部１３０と、システムコントローラ１４０と、外部信号検出器１５０と、を備えている。
外部信号検出器１５０は、外部の音、光、振動、および傾きなどに関する外部信号を検出する。外部信号検出器１５０は、その外部信号に応じてシステムコントローラ１４０に表示属性設定信号を送信する。表示属性設定信号は、ＨｉまたはＬｏｗの２値であってもよく、一定の範囲内で連続的に変化するアナログ値であってもよい。例えば、外部信号検出器１５０は光検出器およびマイクロフォンなどである。
例えば、内部状態に応じて音を発するような移動物体を撮像する場合、外部信号検出器１５０として音圧検出器であるマイクロフォンを用いることができる。マイクロフォンの一般的な方式においては、音圧を電圧に変換する。その変換特性はｍＶ／Ｐａ等の単位で表され、音圧に対して出力電圧は線形に変化する。
例えば外部信号検出器１５０は、マイクロフォンから得られる出力電圧と表示属性設定信号レベルとの関係が対応付けられたルックアップテーブルを参照して、表示属性設定信号を生成することができる。または、外部信号検出器１５０は、外部信号をシステムコントローラ１４０に送信し、システムコントローラ１４０がルックアップテーブルを参照して、外部信号に応じて表示属性設定信号のレベルを決定してもよい。
〔２．２．撮像装置１０１の動作〕
図１１は、１フレーム期間における多重露光の典型的な動作タイミングを示している。外部信号は外部信号検出部１５０により検出された信号レベルを示している。マイクロフォンを用いる場合、外部信号は上述した音圧である。図１１には、移動物体から発せられている音の大小を検出した離散的な信号レベルを示している。第１の実施形態と同様に、多重露光における各露光期間は全て等しく、露光間隔も全て等しい。
外部信号の波形より、移動物体の状態が時々刻々と変化している様子が分かる。図中の時刻ｔ１から時刻ｔ５は多重露光撮影の各撮像時の表示属性設定信号レベルを決定するタイミングを示している。例えばシステムコントローラ１４０は、多重露光の各撮像の前に外部信号レベルをサンプリングし、表示属性の程度の設定レベルを決定する。決定された表示属性の程度の設定レベルに従って各撮像が実行される。
図１２Ａおよび図１２Ｂに多重露光画像の例を示す。共通の表示属性の程度の違いを明度で個々に表現している。つまり、音の大小の違いは、単位画素セル１２１の感度を変更することで、明度の違いとして視認される。図１２Ａは従来技術を用いて多重露光撮像して得られた撮像データのイメージ例を示し、図１２Ｂは本実施形態による撮像装置１０１で多重露光撮像して得られた撮像データのイメージ例を示している。従来技術によれば、移動物体の状態が変化しているにも拘わらず、各被写体像の間で状態の変化を識別できる差異は見られない。これに対し、本実施形態による多重露光撮像によれば、音の大小に応じて明度が変化している。各被写体像の間で状態の変化を識別できる差異を確認でき、被写体の状態が変化している様子が分かる。
本実施形態によると、被写体、特に移動体から発せられる、光、音、および振動などの、何らかの影響を外部に及ぼす変動を、表示属性の程度の違いからその状態毎に区別して確認できる。
（第３の実施形態）
本実施形態による撮像装置は、特定のタイミングで表示属性設定信号を変化させる点で第１の実施形態による撮像装置１００とは異なる。本実施形態による撮像装置は、第１の実施形態による撮像装置１００と同様に、図１に示されるブロック構成を有している。
図１３Ａは、１フレーム期間における多重露光の典型的な動作タイミングを示している。第１の実施形態では表示属性設定信号レベルを多重露光の各撮像毎に変化させた。本実施形態では、表示属性設定信号レベルを特定のタイミングで変化させる。例えば図示されるように１フレーム期間に１５回の撮像を行うとする。１５回の撮像を３つのグループに分けて、５回の撮像毎に、表示属性設定信号レベルを変化させている。本実施形態においても、共通の表示属性の程度の時系列変化は、単調増加、単調減少またはランダムである。図１３Ａに示される例では、その時系列変化は単調増加である。
このような動作タイミングによると、被写体の全体的な動きの傾向を判別することができる。表示属性設定信号レベルに応じて各撮像毎に感度を変化させるとき、その撮像回数が多いと、各撮像の間で感度差を出すことはある程度で限界を迎える可能性がある。そのような場合でも、グループ単位（例えば、５つの撮像毎に）で表示属性設定信号レベルを変化させれば、図１３Ｂに示されるようにグループ単位内での被写体の細かな動きと、各グループ間の時間軸での全体的な動きとの両方を把握できる。
（第４の実施形態）
第４の実施形態による撮像装置１０２は、表示装置１８０を備えている点で第１の実施形態による撮像装置１００とは異なる。以下、撮像装置１００と共通する部分の説明は省略し、差異点を主として説明する。
図１４は、第４の実施形態による撮像装置１０２のブロック構成を模式的に示している。
撮像装置１０２は、例えばスマートフォン、デジタルカメラおよびビデオカメラなどである。撮像装置１０２は、光学系１１０と、画像取得部１２０と、信号処理回路１６０と、システムコントローラ１７０と、表示装置１８０と、を備えている。撮像装置１０２は、第２の実施形態で説明した外部信号検出器１５０をさらに備えていても構わない。
信号処理回路１６０は、例えばＤＳＰである。信号処理回路１６０は、画像取得部１２０からの出力データを受け取り、例えばガンマ補正、色補間処理、空間補間処理、およびオートホワイトバランスなどの処理を行う。また、信号処理回路１６０は、上述した画像出力部１３０に相当する機能を有している。信号処理回路１６０は、多重化された撮像データ、個々に分離された複数の撮像データ、それらに識別子を重畳した撮像データなどを出力する。
表示装置１８０は、例えば液晶ディスプレイおよび有機ＥＬディスプレイである。信号処理回路１６０からの出力信号に基づいて、例えば図４、図６、図７、図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａ、図９Ｂおよび図１２Ｂに示される画像を表示することができる。表示装置１８０は、通常露光で得られた画像を表示できることは言うまでもない。
表示装置１８０は、タッチパネルのような入力インタフェースを備えていてもよい。これにより、ユーザは、タッチペンを用いて、信号処理回路１６０の処理内容の選択、制御および画像取得部１２０の撮像条件を、入力インタフェースを介して設定できる。
システムコントローラ１７０は、撮像装置１０２全体を制御する。システムコントローラ１７０は、典型的には半導体集積回路であり、例えばＣＰＵである。
本実施形態によると、撮影画像を表示装置１８０に表示することでそれをすぐに確認することができ、かつ、表示装置１８０を利用したＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）制御が可能になる。
本開示による撮像装置は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、カメラ付携帯電話、電子内視鏡などの医療用カメラ、車載カメラ、ロボット用カメラなどに利用できる。
１００，１０１，１０２ 撮像装置
１１０ 光学系
１２０ 画像取得部
１２１ 単位画素セル
１２１Ａ 第１電極
１２１Ｂ 第２電極
１２１Ｃ 光電変換膜
１２１Ｄ 光電変換部
１２１Ｅ コンタクトプラグ
１２１Ｆ 電荷検出回路
１２１Ｇ 層間絶縁層
１２１Ｈ 半導体基板
１２２ 行走査回路
１２３ 列走査回路
１２４ 電圧制御回路
１３０ 画像出力部
１３１ 出力バッファ
１４０ システムコントローラ
１５０ 外部信号検出部
１６０ 信号処理回路
１７０ システムコントローラ
１８０ 表示装置
２００ 外部機器
２１０ 信号処理回路
２２０ 表示装置

Claims (15)

  1. 複数の単位画素セルを含み、
    前記複数の単位画素セルに含まれる単位画素セルは、１フレーム期間内の第１の露光期間において第１の撮像データを取得し、前記１フレーム期間内の前記第１の露光期間とは異なる第２の露光期間において第２の撮像データを取得し、
    前記単位画素セルの単位時間当たりの感度は、前記第１の露光期間と前記第２の露光期間とで異なっており、
    少なくとも前記第１の撮像データと前記第２の撮像データとを含む多重露光画像データを出力する、
    撮像装置。
  2. 前記単位画素セルは、
    第１の電極と、前記第１の電極に対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間にあり、光電変換により信号電荷を発生する光電変換膜と、を含む光電変換部と、
    前記第２の電極に電気的に接続され、前記信号電荷を検出する信号検出回路と、
    を含み、
    前記第１の電極と第２の電極と間の電位差は、前記第１の露光期間と前記第２の露光期間とで異なっている、
    請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記第１の電極に電圧を供給する電圧制御回路をさらに備え、
    前記電圧制御回路は、前記第１の露光期間と前記第２の露光期間とで異なる電圧を前記第１の電極に供給する、
    請求項２に記載の撮像装置。
  4. 前記第１の露光期間と前記第２の露光期間との間に非露光期間を有し、
    前記非露光期間において、前記信号検出回路が前記信号電荷を検出しないように前記第１の電極と第２の電極と間の電位差が設定されている、
    請求項２に記載の撮像装置。
  5. 前記第１の露光期間の長さと前記第２の露光期間の長さとは等しい、
    請求項１に記載の撮像装置。
  6. 前記単位画素セルは、前記１フレーム期間内の互いに異なる複数の露光期間のそれぞれにおいて撮像データを取得し、
    前記複数の露光期間のうち先の露光時間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度の方が、後の露光期間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度よりも高い、
    請求項１に記載の撮像装置。
  7. 前記単位画素セルは、前記１フレーム期間内の互いに異なる複数の露光期間のそれぞれに対応して撮像データを取得し、
    前記複数の露光期間のうち先の露光時間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度の方が、後の露光期間における前記単位画素セルの単位時間当たりの感度よりも低い、
    請求項１に記載の撮像装置。
  8. 前記単位画素セルは、前記１フレーム期間内の互いに異なる複数の露光期間のそれぞれに対応して撮像データを取得し、
    前記複数の露光期間のそれぞれにおける前記単位画素セルの単位時間当たりの感度は、ランダムに設定される、
    請求項１に記載の撮像装置。
  9. 前記多重露光画像データを処理する信号処理回路をさらに備え、
    前記信号処理回路は、前記多重露光画像データから、動きを伴う被写体に対応する被写体像であって、前記第１の撮像データに基づく第１の被写体像と、前記第２の撮像データに基づく第２の被写体像とを抽出する、
    請求項１に記載の撮像装置。
  10. 前記第１の被写体像と前記第２の被写体像との間で、明るさが異なる、
    請求項９に記載の撮像装置。
  11. 前記信号処理回路は、抽出された第１の被写体像および第２の被写体像に基づいて、前記多重露光画像データにおいて、前記第１の被写体像および前記第２の被写体像の明るさを揃える処理を行う、
    請求項１０に記載の撮像装置。
  12. 前記第１の被写体像と前記第２の被写体像との間で、色が異なる、
    請求項９に記載の撮像装置。
  13. 前記信号処理回路は、抽出された第１の被写体像および第２の被写体像に基づいて、前記多重露光画像データにおいて、前記第１の被写体像および前記第２の被写体像の色を揃える処理を行う、
    請求項１０に記載の撮像装置。
  14. 前記信号処理回路は、抽出された第１の被写体像および第２の被写体像に基づいて、時間変化を示す識別子を前記多重露光画像データに付加する、
    請求項９に記載の撮像装置。
  15. 前記第１の被写体像を含み前記第２の被写体像を含まない第１の画像データおよび前記第２の被写体像を含み前記第１の被写体像を含まない第２の画像データのうち、少なくとも１つを出力する、
    請求項９に記載の撮像装置。
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