JP7444589B2 - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態に係るデジタルカメラ1の機能ブロック図である。フォトンカウンティングタイプの撮像素子100には、単一光子を検出可能な受光素子の一例としてのアバランシェフォトダイオード(APD)が複数、二次元的に配列されている。また、撮像素子100は、各APDの出力信号に基づくパルスを計数するカウンタ回路(計数部)を有している。撮像素子100の動作は制御部104が制御する。撮像素子100は、各APDに対する計数値を画像データとして出力する。
フレームメモリ206は、パルス幅変更回路205からクエンチトランジスタ302に供給する電圧を異ならせて撮影された画像データを一時的に記憶する。ここでは、高い方の電圧(第1の電圧)を供給した状態で撮影した画像データを画像データShort、低い方の電圧(第2の電圧)を供給した状態で撮影した画像データを画像データLongと表記する。画像データShortの撮影時におけるパルス信号PLSのパルス幅は、画像データLongの撮影時におけるパルス信号PLSのパルス幅よりも短い。図3の例でいえば、第1の電圧がVH、第2の電圧がVLである。なお、画像データShortおよび画像データLongは例えば連続して撮影するなど、シーン変化の可能性が低い条件で撮影するものとする。
図5(a)はある単位画素について、フォトダイオード301に1秒間に入射するフォトンの数(入射フォトンレートRph[photon/s])と、カウンタ回路304の計数値(画素データOut)との関係例を示す図である。入射フォトンレートRphは、フォトダイオードの単位時間当たりの受光量に比例した値を有する。
Out’(x,y)=Rph(x,y)×Tacc …(1)
ここで、x、yは画素領域内のある単位画素の水平座標および垂直座標であり、Taccは、露光期間(すなわち、計数期間)の長さである。単位画素の座標は、例えば1フレームの画像データの左上角を原点(0,0)とし、右方向がx軸の正方向、下方向がy軸の正方向である直交座標系の座標であってよい。
Out(x,y)=Rph(x,y)×Tacc×exp(-Rph×Td) …(2)
ここで、Tdは、フォトンが入射した際に生成されるパルス信号PLSのパルス幅を示し、例えば実線602はTd=TdS、一点鎖線603はTd=TdLに対応するものとする。
p(x,y)=OutS(x,y)/OutL(x,y) …(3)
ここで、OutS(x,y)、OutL(x,y)はそれぞれ画像データShort、画像データLongの画素データである。また、式(3)に式(2)を適用すると、以下の式(4)が得られる。
p(x,y)=exp{Rph(x,y)×(TdL-TdS)} …(4)
Out’(x,y)=α(x,y)×OutS(x,y) …(5)
なお、補正係数α(x,y)は式(1)~式(5)から、入射フォトンレートRphを用いずに、以下の式(6)で表すことができる。
S801と同様にして読み出された計数値は、フレームメモリ206に画像データLongとして記憶される。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第1実施形態では、フォトン入射により生成されるパルス信号の幅が異なる条件で複数フレームの画像データを取得する構成であった。本実施形態では、フォトン入射により生成されるパルス信号の幅を、画素領域内で異ならせることで、1フレーム分の画像データから補正係数を算出する。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態では、フォトン入射により幅の異なる複数のパルス信号を生成するように単位画素を構成することにより、1フレームの撮影によって補正係数を算出可能とした。
単位画素1101はパルス幅変更回路1202を有している。パルス幅変更回路1202は反転バッファ303の出力であるパルス信号PLSSのパルス幅を延長することにより、パルス信号PLSSと異なるパルス幅のパルス信号PLSLを生成する。パルス幅変更回路1202は、例えば、遅延素子としての反転バッファ群1206とOR回路1207で構成される。パルス信号PLSSとその遅延信号の論理和信号を生成することにより、パルス幅を延長したパルス信号PLSLを生成する。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。第1実施形態から第3実施形態では、補正係数の算出に用いる画像データを取得する際の撮影条件は同一もしくは実質的に同一であった。本実施形態では、撮影条件を異ならせて取得した画像データを用いて補正係数を算出する。
フレームメモリ206は、所定の撮影条件で撮影することで得られた画像データを画像データHigh、所定の撮影条件よりもパルス信号の発生頻度が低い撮影条件で撮影することで得られた画像データを画像データLowとして一時的に保持する。なお、撮影時にパルス幅変更回路205がクエンチトランジスタ302に供給するVqncに変化はなく、例えばVqnc=VHであってよい。したがって、本実施形態ではフォトン入射に応じて生成されるパルス信号のパルス幅は撮影条件によらず共通である。
図12は、図5(a)と同様に、ある単位画素について、フォトダイオード301に1秒間に入射するフォトンの数(入射フォトンレートRph[photon/s])と、カウンタ回路304の計数値(画素データOut)との関係例を示す図である。
Rph2(x,y)=b×Rph1(x,y) …(7)
ここで、x、yは第1実施形態で説明したように、画素領域内のある単位画素の水平座標および垂直座標である。
Out1(x,y)=Rph1(x,y)×Tacc×exp(-Rph1×Td)…(8)
Out2(x,y)=Rph2(x,y)×Tacc×exp(-Rph2×Td)…(9)
ここで、Tdは単位画素にフォトンが入射した際に反転バッファ303から出力されるパルス信号のパルス幅である。また、Taccは画像データHighおよび画像データLowの露光時間である。なお、ここでは、画像データHighおよび画像データLowの露光時間は同一としたが、異なっていてもよい。
p(x,y)=Out2(x,y)/Out1(x,y) …(10)
Out’(x,y)=β(x,y)×Out2(x,y) …(11)
したがって、補正係数βは式(7)~(11)を使って以下の式(12)で表すことができる。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。本実施形態では、第1実施形態で説明したパルス幅変更回路205を備えた撮像素子100を用い、動画撮影中に自動露出制御を行うことが可能な撮像装置について説明する。
S1801で制御部104’は、パルス幅変更回路205に対する設定がVqnc=VLとなるよう、必要に応じて変更してから、1フレーム分の撮影動作を実行する。得られた画像データは、画像データLongとしてフレームメモリ206に保存する。
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
Claims (20)
- アバランシェフォトダイオードを有し、フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、
前記アバランシェフォトダイオードに抵抗または容量を接続するか否かを切り替えることにより、前記パルス信号のパルス幅を制御する制御手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態または、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行うことを特徴とする撮像装置。 - 前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値が、
前記複数の受光手段のうち、第1の複数の受光手段について得られた計数値と、前記第1の複数の受光手段と前記パルス信号の幅が異なる第2の複数の受光手段について得られた計数値であることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値が、
前記複数の受光手段が第1のパルス幅のパルス信号を出力するように設定された状態で得られた計数値と、前記複数の受光手段が第2のパルス幅のパルス信号を出力するように設定された状態で得られた計数値であることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値が、
前記複数の受光手段が出力するパルス信号について得られた計数値と、前記パルス信号のパルス幅を変更した信号について得られた計数値であることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 - 前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値の比と、前記パルス幅の差に基づいて前記補正係数を算出することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態または、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行い、
前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値が、
前記複数の受光手段のうち、第1の複数の受光手段について得られた計数値と、前記第1の複数の受光手段と前記パルス信号の幅が異なる第2の複数の受光手段について得られた計数値であることを特徴とする撮像装置。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態または、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行い、
前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値が、
前記複数の受光手段が第1のパルス幅のパルス信号を出力するように設定された状態で得られた計数値と、前記複数の受光手段が第2のパルス幅のパルス信号を出力するように設定された状態で得られた計数値であることを特徴とする撮像装置。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態または、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行い、
前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値が、
前記複数の受光手段が出力するパルス信号について得られた計数値と、前記パルス信号のパルス幅を変更した信号について得られた計数値であることを特徴とする撮像装置。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値の比と、前記パルス幅の差に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行うことを特徴とする撮像装置。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行い、
前記複数の受光手段が、受光面積の異なる第1の受光手段と第2の受光手段とを含み、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値が、前記第1の受光手段が出力する前記パルス信号の計数値と、前記第2の受光手段が出力する前記パルス信号の計数値であることを特徴とする撮像装置。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記複数の計数手段の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行い、
前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値が、前記複数の受光手段への入射光量を低減させた状態で得られた計数値と、前記複数の受光手段への入射光量を低減させない状態で得られた計数値であることを特徴とする撮像装置。 - 前記複数の受光手段への入射光量を低減させた状態が、光学フィルタを用いた状態であり、前記複数の受光手段への入射光量を低減させない状態が、前記光学フィルタを用いない状態であることを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。
- 前記複数の受光手段への入射光量を低減させない状態が、撮影レンズの絞りを第1の絞り値としての撮影であり、前記複数の受光手段への入射光量を低減させる状態が、前記第1の絞り値よりも絞りを絞った第2の絞り値での撮影であることを特徴とする請求項11に記載の撮像装置。
- 前記補正手段は、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数手段で得られた計数値の比と、前記パルス信号の発生頻度の比に基づいて前記補正係数を算出することを特徴とする請求項10から13のいずれか1項に記載の撮像装置。
- フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光手段と、
前記複数の受光手段が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数手段と、
前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値に基づいて露出制御を行う露出制御手段と、を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記露出制御手段は、動画撮影中、前記露出制御を間欠的に行うことを特徴とする請求項15に記載の撮像装置。
- 前記露出制御手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数手段で得られた計数値の差が予め定められた値より大きい場合には、露出量が変わらず、前記パルス信号の発生頻度が低下する撮影条件に変更することを特徴とする請求項15または16に記載の撮像装置。
- アバランシェフォトダイオードを有し、フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光部と、
前記複数の受光部が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数部と、を有する撮像装置の制御方法であって、
補正手段が、前記複数の計数部の計数値を補正して、補正した計数値を画像データとして出力する補正工程と、
制御手段が、前記アバランシェフォトダイオードに抵抗または容量を接続するか否かを切り替えることにより、前記パルス信号のパルス幅を制御する制御工程と、を有し、
前記補正工程において前記補正手段は、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態または、前記パルス信号の発生頻度が異なる条件において前記複数の計数部で得られた計数値に基づいて補正係数を算出し、前記補正係数を用いて前記補正を行うことを特徴とする撮像装置の制御方法。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光部と、
前記複数の受光部が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数部と、を有する撮像装置の制御方法であって、
露出制御手段が、前記パルス信号のパルス幅が異なる状態において前記複数の計数部で得られた計数値に基づいて露出制御を行う露出制御工程と、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。 - フォトンの入射に応じてパルス信号を出力する複数の受光部と、前記複数の受光部が出力する前記パルス信号を計数する複数の計数部と、を有する撮像装置のコンピュータに、請求項18または19に記載の撮像装置の制御方法の各工程を実行させるプログラム。
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