(57)【要約】【課題】低輝度光を検出しても動画表示に適したフレームレートを確保できると共に広いダイナミックレンジを確保できるようにした画像情報処理装置を提供する。【解決手段】単一画素の輝度情報に応じて電子増倍部による増倍率を設定し、電子増倍部によってフォトダイオードで検出される光電子を増倍する。この場合、フォトダイオードの検出電位Ｖpixをコンパレータの閾値電位Ｖthと比較し、電位Ｖpixの低下度を検出することで輝度情報を検出する。最大露光時間が経過しても閾値電位Ｖthを跨がないときには強制的に増倍率を最大値に設定して電子を増倍する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一画素に対応して設けられ光を電子に変換する光電子変換部（２）と、
電子増倍部（８）の増倍率を前記単一画素の輝度情報に応じて設定する増倍率設定手段（７）と、
前記単一画素に対応して設けられると共に前記光電子変換部（２）の後段に配設され前記光電子変換部が変換した光電子を前記増倍率設定手段により設定された増倍率によって増倍する電子増倍部（８）と、を備えることを特徴とする画像情報処理装置。
【請求項２】
前記光電子変換部が変換する光電子の変換ノードを初期電位に設定する初期設定手段（４）と、
前記初期設定手段により設定された初期電位から開始し前記光電子変換部が変換した光電子により前記初期電位を低下させる第１電位を所定の第２電位と比較する比較手段（９）と、を備え、
前記増倍率設定手段は、前記比較手段により前記第１電位が前記第２電位を下回ると判定するまでの時間に応じて前記電子増倍部によって光電子を増倍する増倍率を設定することを特徴とする請求項１記載の画像情報処理装置。
【請求項３】
前記単一画素を含む画素群の温度情報を取得する温度情報取得手段（５０）を備え、
前記増倍率設定手段は、前記温度情報取得手段の温度情報を加味して増倍率を設定することを特徴とする請求項１または２記載の画像情報処理装置。
【請求項４】
前記比較手段は前記初期電位を低下させた第１電位を所定の第２電位と所定周期毎に比較するように構成され、
前記比較手段により所定周期毎に行われる比較回数をカウントするカウント手段（７）を備え、
前記増倍率設定手段は、前記カウント手段によるカウント回数に応じて増倍率を設定することを特徴とする請求項２または３記載の画像情報処理装置。
【請求項５】
前記光電子変換部が変換する光電子の変換ノードを初期電位に設定する初期設定手段（４）と、
前記初期設定手段が初期設定されたタイミングから最大露光時間を計測する計測手段（７）と、を備え、
前記増倍率設定手段は、前記計測手段により最大露光時間が計測されると当該最大露光時間に対応した増倍率を設定することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の画像情報処理装置。
【請求項６】
前記光電子変換部が変換する光電子の変換ノードを初期電位に設定する初期設定手段（４）と、
前記初期設定手段により設定された初期電位から開始し前記光電子変換部が変換した光電子により前記初期電位を低下させた第１電位を所定の第２電位と比較する比較手段（９）と、
前記比較手段により前記第１電位が前記第２電位を下回ると判定するまでの時間を露光時間として出力する露光時間出力手段（Ｃ２）と、を備えることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の画像情報処理装置。
【請求項７】
前記増倍率設定手段により設定される増倍率を出力する増倍率出力手段（７）と、を備えることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の画像情報処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像情報処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の画像情報処理装置は例えばＣＭＯＳ型の電荷蓄積イメージャを備えた構成とされている。電荷蓄積イメージャは例えばフォトダイオードに照射される光強度と露光時間に応じた電荷を蓄積し当該蓄積電荷を信号変換出力する方式を採用している。特許文献１にはこのようなイメージセンサの一態様が挙げられている。
【０００３】
特許文献１記載のイメージセンサは、フォトダイオードの光電流に応じた傾斜度から輝度を算出しこの露光時間をフィードバックしている。一般に、フォトダイオードには検出範囲があり、低輝度では長時間露光して出力を確保すると共に高輝度では短時間露光して露光時間を限定することで出力飽和を防ぎ、これにより輝度のダイナミックレンジを広くしている。また輝度に応じて増幅ブロックの増幅率を可変とすることでＡＤ変換のダイナミックレンジを確保している。ピクセル毎にピクセル値、露光時間及びゲインの３種類の情報を得て、この３種類の情報に基づいて入射光の照度を求め、このように処理することでピクセル出力電圧のみを用いた場合に比較してダイナミックレンジを拡大している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１９２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の技術ではダイナミックレンジを維持したまま動画の撮影や動く物体の撮影をすることが困難である。これは低輝度光を検出するときには露光時間を長くする必要があるためであり、動画表示に適したフレームレート（例えば３０ｆｐｓ以上）を確保できないためである。
【０００６】
本発明の目的は、低輝度光を検出しても動画表示に適したフレームレートを確保できると共に広いダイナミックレンジを確保できるようにした画像情報処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、光電子変換部は単一画素に対応して設けられ光を入力すると電子に変換する。増倍率設定手段は光電子増倍部の増倍率を単一画素の輝度情報に応じて設定し、光電子増倍部は単一画素毎に設けられると共に光電子変換部の後段に配設され光電子変換部が変換した光電子を増倍率設定手段により設定される増倍率によって増倍する。すると、たとえ高輝度光又は低輝度光を検出しても当該輝度情報の大小に応じて光電子を増倍できる。このため特に低輝度光を検出したときの１画素当たりの露光時間を短くできる。高輝度から低輝度までの検出範囲のダイナミックレンジを確保しながら１画像当たりの露光時間も短くでき、これにより動画表示に適したフレームレートを確保できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る画像情報処理装置の電気的構成を概略的に示すブロック図
【図２】輝度検出部を主に示す電気的構成例
【図３】光電子変換部、電子増倍部、リセット部の構成を概略的に示す半導体構造断面図
【図４】電子増倍作用の説明図
【図５】全体動作の流れを示すフローチャート
【図６】輝度に応じた各ノードの信号変化を示すタイミングチャート（その１）
【図７】輝度に応じた各ノードの信号変化を示すタイミングチャート（その２）
【図８】輝度に応じた各ノードの信号変化を示すタイミングチャート（その３）
【図９】光電子変換部の出力と露光時間との関係図
【図１０】比較例を示す図１相当図
【図１１】Ｓ／Ｎ対入力電子数の増倍率に応じた関係図
【図１２】本発明の第２実施形態を示す温度情報取得手段の構成例
【図１３】温度情報取得手段の配置例
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、画像情報処理装置の第１実施形態について図１〜図１１を参照しながら説明する。図１に画像情報処理装置内の電気的構成例をブロック図で示す。なお、以下では、画像情報処理装置１内の構成のうち特に単一画素に対応した電気的構成を主に説明する。
【００１０】
画像情報処理装置１は、車両後方又は車両前方検知用のモニタカメラ、または、車室内における乗員検知用のモニタカメラ等として用いることができ、ピクセル数は例えば数百ピクセル×数百ピクセル程度で設定されている。なお、これ以上又はこれ以下のピクセル数のものを用いても良い。詳細な説明は従来技術と同様のため省略するが、各画素Ｐｘ（ピクセル）は従来技術と同様に２次元マトリックス状に配置され、各行または各列に読出回路（図示せず）が配設され、所定のアドレス選択信号が印加されることにより、画素Ｐｘ毎に画素値（ピクセル値）、露光時間、増幅率が出力されるように構成されている。
【００１１】
図１に示すように、画像情報処理装置１内のイメージセンサは、フォトダイオード２、電荷−電圧変換部３、リセット部４、ノイズ除去部５、ＡＤ変換部６、設定部７、及び電子増倍部８などの電気的構成を備える。なお、本実施形態の図１に示す構成においては、フォトダイオード２、電荷−電圧変換部３、リセット部４、電子増倍部８は単一画素Ｐｘ毎に設けられる。
【００１２】
フォトダイオード２に光が照射されると、設定部７はフォトダイオード２の輝度情報を検出する。具体例は後述するが、設定部７はフォトダイオード２が発生する光電子の電荷蓄積度の時間変化（例えば電圧変化の勾配）を検出することで輝度情報を検出する。設定部７が輝度情報を検出すると、この輝度情報に応じてフォトダイオード２の露光時間を制御する。電子増倍部８は設定部７により設定される輝度情報に応じた増倍率によって光電子を増倍する。電荷−電圧変換部３は、電子増倍部８によって増倍される電子を電圧変換する。
【００１３】
ノイズ除去部５は画素に生じる特有のノイズを除去しＡＤ変換部６に出力する。なお、本実施形態の図１に示す構成ではノイズ除去部５とＡＤ変換部６との間に増幅部を設けていない。ＡＤ変換部６は、設定部７が算出した増倍率及び露光時間、並びにノイズ除去部５によるノイズ除去後の画素値（ピクセル値）をＡＤ変換して出力する。リセット部４は、電圧変換処理後に蓄積された電荷（電子）を放出してリセットし、当該蓄積ノードの電位を初期電位に設定する。
【００１４】
図２は、前述した図１に示す電気的ブロックのうち要部の具体的な回路構成例を示す。図２の左から、フォトダイオード２、転送トランジスタＴｒ１、電子増倍部８、転送トランジスタＴｒ２、電荷蓄積コンデンサＣ１、が順に接続されている。電子増倍部８はフォトダイオード２で生じた光電子を増倍し、コンデンサＣ１は当該増倍された電子を蓄積する。
【００１５】
なお、フォトダイオード２には、リセットトランジスタＴｒ３、コンデンサＣ１にはリセットトランジスタＴｒ４が接続されている。これらのリセットトランジスタＴｒ３及びＴｒ４は前述のリセット部４を構成する。これらのリセットトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４にリセット信号ＣＴ４が与えられることにより当該トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４がオンされると、フォトダイオード２に蓄積された電子が放出され電位Ｖpixが初期電位（≒電源電位Ｖｃｃ）に初期化されると共に、コンデンサＣ１の電位Ｖoutもまた初期電位（≒電源電位Ｖｃｃ）に初期化される。
【００１６】
他方、コンパレータ９が、所定の閾値電位Ｖthとフォトダイオード２の発生電位ＶpixとをクロックＣＬＫの発生タイミングで比較し、この結果を比較結果Ｖcomp（「Ｈ」「Ｌ」の論理レベル）で出力する。この比較結果Ｖcompの出力は、一部否定入力型のＡＮＤゲート１０に入力されている。このＡＮＤゲート１０にはクロックＣＬＫも与えられており、比較結果Ｖcompの出力論理レベルに応じて、転送トランジスタＴｒ１に対し転送制御信号ＣＴ１を与える。
【００１７】
したがって、フォトダイオード２の発生電位Ｖpixが閾値電位Ｖthを下回ると、比較結果Ｖcompが「Ｌ」となり、その後のクロックＣＬＫの発生タイミングにおいて転送トランジスタＴｒ１がオンすることで電子増倍部８に光電子が転送される。
【００１８】
電子増倍部８が光電子を必要に応じて増倍した後、転送トランジスタＴｒ２に転送制御信号ＣＴ２としてオン信号が与えられると、電子増倍部８の蓄積電子がコンデンサＣ１に転送される。コンデンサＣ１の端子にはトランジスタＴｒ５の制御端子（ゲート）が接続されている。
【００１９】
トランジスタＴｒ５はソースフォロワ回路を構成するものでコンデンサＣ１の端子電圧とほぼ同一の電圧をソース側に出力する。トランジスタＴｒ５のソースと抵抗Ｒ１との間には選択トランジスタＴｒ６が接続されている。
【００２０】
選択トランジスタＴｒ６にアドレス選択信号ＣＴＳが与えられると、トランジスタＴｒ５及びＴｒ６を通じて負荷抵抗Ｒ１に通電される。この負荷抵抗Ｒ１の端子電圧はコンデンサＣ１の端子電圧に応じて変動する電圧である。
【００２１】
このため、この負荷抵抗Ｒ１の端子電圧がノイズ除去部５となるＣＤＳ回路１１を通じてＡＤ変換器１２に与えられると、このコンデンサＣ１の端子電圧に応じた画素値（ピクセル値）をデジタル値として取得できる。
【００２２】
他方、コンパレータ９の比較結果ＶcompはトランジスタＴｒ７のゲート（制御端子）にも与えられる。トランジスタＴｒ７のソースには抵抗（図示せず）を通じてコンデンサＣ２が接続されている。また、トランジスタＴｒ７のソースとグランドとの間にはリセットトランジスタＴｒ８が接続されている。
【００２３】
リセットトランジスタＴｒ８はゲート（制御端子）にリセット信号ＣＴ４としてオン信号が与えられると、コンデンサＣ２の蓄積電荷を放出するもので、初期設定タイミングにおいてコンデンサＣ２の端子電圧を初期電圧（≒０）にする。
【００２４】
本実施形態では、初期設定タイミングにおいて閾値電位Ｖthがフォトダイオード２の電位Ｖpixより低くなるため、コンパレータ９はその比較結果Ｖcompを「Ｈ」レベルにする。トランジスタＴｒ７は比較結果Ｖcompの論理レベルが初期の「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに切換わるまでの間、コンデンサＣ２に充電し端子電圧を増加させる。コンデンサＣ２には選択トランジスタＴｒ９が接続されている。選択トランジスタＴｒ９にアドレス選択信号ＣＴＳが与えられ当該選択トランジスタＴｒ９がオンされると、コンデンサＣ２の端子のアナログ電圧をＡＤ変換器１３に入力させることができる。ＡＤ変換器１３はこのコンデンサＣ２の端子のアナログ電圧をＡＤ変換することで露光時間として出力する。
【００２５】
図３は、要部の半導体構造断面と各平面領域におけるポテンシャルを示す。この図３に示す断面構造において、支持基板２０は例えばシリコン（Ｓｉ）を使用して構成され基板はグランドＧＮＤに接地されており裏面電極は設けられていない。支持基板２０の表面には、フォトダイオード２、転送トランジスタＴｒ１、電子増倍部８、転送トランジスタＴｒ２、リセットトランジスタＴｒ４（コンデンサＣ１含む）が順に構成される。フォトダイオード２は、主にＰ＋領域２１、Ｎ−領域２２を接合したＰＮ接合により構成される。なお、他構造のフォトダイオードを適用しても良い。
【００２６】
このフォトダイオード２に光照射されるとＮ−領域２２に光電子が蓄積する。支持基板２０の表面上にはゲート絶縁膜１９を介して転送トランジスタＴｒ１のゲート２３が形成されている。転送トランジスタＴｒ１は転送制御信号ＣＴ１としてオン信号がゲート２３に与えられるとチャネルを形成し多数キャリアとなる電子をＮ−領域２４に転送する。なお、支持基板２０の表層には、これらのＮ−領域２２からＮ−領域２４にかけて、Ｐ＋領域２１、Ｐ領域２５、Ｐ−領域２６の順にＰ型不純物濃度を順に薄くした状態で配設されている。これにより、図３の下段に示したように、Ｎ−領域２２からＮ−領域２４にかけてポテンシャルを順に低くできるため電子の転送を容易にできる。
【００２７】
図４は電子増倍部８の構造と電子増倍原理を示す。基本原理はアバランシェ増倍作用を用いている。電子増倍部８についてアバランシェ増倍作用を用いた構成にすると画素のサイズを極力大きくすることなく構成できる。
【００２８】
支持基板２０上には電子増倍制御用のゲート２７が設けられており、このゲート２７に電子増倍制御信号ＣＴ３を「Ｈ」「Ｌ」のパルスとして設定されたパルス数分印加し、これにより、支持基板２０の表層に形成されたＰ＋領域２８とＮ−領域２４とにキャリアを繰り返し移動させる。このとき電子が加速し半導体に衝突することで電子を弾き出させ、これにより電子を爆発的に増加させる。本実施形態ではこのようなアバランシェ増倍作用を用い、ゲート２７に対する印加パルス数に応じてＮ−領域２４の蓄積電子を増倍させる。
【００２９】
図３に戻って電子増倍部８の構成領域から離間して、トランジスタＴｒ４を構成するＮ＋領域２９が配設されている。Ｎ−領域２４とＮ＋領域２９との間には支持基板２０の表層に位置してＰ＋領域２８、Ｐ領域３０、Ｐ−領域３１が順に設けられる。これもまた図３の下段に示すように、Ｎ−領域２４からＮ＋領域２９にかけてポテンシャルを順に低くするために不純物濃度に勾配を付与しているものである。
【００３０】
Ｐ領域３０及びＰ−領域３１上にはゲート絶縁膜１９を介して転送トランジスタＴｒ２のゲート３２が形成されており、転送トランジスタＴｒ２のゲート３２に転送制御信号ＣＴ２としてオン信号が与えられると、電子増倍部８のＮ−領域２４（及びＰ＋領域２８）に蓄積した電子がＮ＋領域２９に転送される。Ｐ＋領域２８からＰ領域３０及びＰ−領域３１に至るまで不純物濃度が順に低くなるよう濃度勾配が施されているため、電子をＮ＋領域２９まで容易に転送できる。Ｎ＋領域２９は電荷検出部（浮動拡散：Floating Diffusion：ＦＤ）となり、電気的には前述のコンデンサＣ１を構成するもので、このＮ＋領域２９の蓄積電荷（電子）に応じた電位Ｖoutを出力できる。
【００３１】
リセットトランジスタＴｒ４は、このＮ＋領域２９とこのＮ＋領域２９に離間したＮ＋領域３３と、これらの両領域２９及び３３上にゲート絶縁膜を介して構成されたゲート３４とを備えて構成されるもので、リセットトランジスタＴｒ４のゲート３４にリセット信号ＣＴ４としてオン信号が印加されると、Ｎ＋領域２９に蓄積された電子をリセット接続ノードＲＳＴとなるＮ＋領域３５を介して電源電位Ｖｃｃノード側に放出でき出力電位Ｖoutを初期電位（≒Ｖｃｃ）に戻すことができる。
【００３２】
図５は動作の一連の流れをフローチャートにより示し、図６は高輝度時、図７は中輝度時、図８は低輝度時における各部ノード信号をタイミングチャートで示す。フォトダイオード２に光入力されると（Ｓ１）、当該フォトダイオード２は光電子に変換する（図５のＳ２）。リセット出力が解除（Ｔｒ３、Ｔｒ４、Ｔｒ８が共にオフ）されている間、光電子は主にＮ−領域２２に蓄積されるが、フォトダイオード２に照射される光の輝度に応じて光電子の蓄積度が異なるため、電位Ｖpixの下降勾配も輝度に応じて変化する。すなわち図６に示すように、高輝度のときには電位Ｖpixの低下度が大きく、図７に示す中輝度のときには電位Ｖpixの低下度が比較的小さく、図８に示すように低輝度のときには電位Ｖpixの低下度がさらに小さくなる。
【００３３】
コンパレータ９は電位Ｖpixと閾値電位Ｖthを比較するが、この間、設定部７のカウント部はクロックＣＬＫの立上りをカウントし続ける。電位Ｖpixの下降勾配が大きいと図６に示すように閾値電位Ｖthを下回るまでのクロックＣＬＫのカウント数が少なくなり、電位Ｖpixの下降勾配が小さいと図７に示すように閾値電圧Ｖthを下回るまでのクロックＣＬＫのカウント数が多くなる。したがって、コンパレータ９を用いて閾値を跨ぐ時間を計測することができ、設定部７はこのカウント数の大小に応じて輝度を検出できる（図５のＳ３）。
【００３４】
図６に示すようにコンパレータ９がその出力Ｖcompを立下げると、クロックＣＬＫの立上りタイミングにおいて転送トランジスタＴｒ１のゲート２３に転送制御信号ＣＴ１としてオン信号が与えられる。
【００３５】
すると、フォトダイオード２のＮ−領域２２に発生した光電子が電子増倍部８のＮ−領域２４に転送される。このタイミングで露光処理が実質的にストップする。これにより、露光時間を制御できる（図５のＳ４）。
【００３６】
続いて、設定部７は、検出された輝度情報（カウント数の大小）に応じて制御ゲート２７に印加する制御パルス数を設定し、当該設定回数分、電子増倍制御信号ＣＴ３として制御パルス（Ｈｉ，Ｌｏ）を電子増倍部８のゲート２７に印加する。ここで、図６に示すように、高輝度時にはクロックＣＬＫのカウント数が少ないため、電子増倍部８の制御ゲート２７に印加する制御パルス数も少なく設定される。他方、図７に示すように中輝度時にはクロックＣＬＫのカウント数が高輝度時に比較して多いため、制御パルス数は多く設定される。すると、電子増倍度を輝度情報に応じて変更することができ、輝度情報に応じた電子増倍率で光電子を増倍できる（図５のＳ５）。
【００３７】
その後、図６又は図７に示すように、転送トランジスタＴｒ２に転送制御信号ＣＴ２としてオン信号が印加されると、電子増倍部８で電子数が調整された電子がＮ−領域２４からＮ＋領域２９に転送される。すると、Ｎ＋領域２９を構成するコンデンサＣ１はこの電荷量に応じた電圧Ｖoutに変換出力し（図５のＳ６）、ソースフォロワとなるトランジスタＴｒ５を通じて当該電圧Ｖoutに応じた電圧が抵抗Ｒ１に与えられる。この後、ＣＤＳ回路１１が抵抗Ｒ１の端子電圧についてノイズ除去処理し（図５のＳ７）、ＡＤ変換器１２がＡ／Ｄ変換処理を行う（図５のＳ８）ことで画素値（ピクセル値）を出力できる（図５のＳ９）。
【００３８】
他方、コンパレータ９の出力電圧ＶcompはトランジスタＴｒ７のゲートに与えられる。トランジスタＴｒ７は電圧Ｖcompが「Ｈ」レベルとなっている間、トランジスタＴｒ７をオンしてコンデンサＣ２に通電しコンデンサＣ２が当該電流を充電する。コンデンサＣ２はリセットトランジスタＴｒ８がオフしている間に電流を充電し、この充電電圧を選択トランジスタＴｒ９、ＡＤ変換器１３を通じて露光時間として出力する。これにより露光時間を出力できる。尚、図１に示すように、この画像情報処理装置１は、設定部７が設定した増倍率の情報をＡＤ変換部６を通じて出力している。したがって、この画像情報処理装置１の後段で処理する装置は、画素値、増倍率、露光時間の情報を用いて実際の光強度を算出できる。
【００３９】
さて、図８に示す低輝度時にはキャリア（電子）の増加率が低いため時間経過したとしても電位Ｖpixが閾値電位Ｖthを下回らない場合がある。このような場合に備え、本実施形態では最大露光時間を設けている。設定部７は、クロックＣＬＫのカウント数が最大カウント数に達したか否かを判定し、当該達したと判定したときに最大露光時間が経過したことを断定する。設定部７は最大露光時間が経過したとしても電位Ｖpixが閾値電位Ｖthを下回らない場合には、低輝度であると判定し、最大露光時間制御を行う。
【００４０】
すなわち図５のステップＳ３にて閾値を跨ぐ時間を計測したとしても最大露光時間を超えてしまう場合、設定部７は低輝度であると判定し強制的に転送トランジスタＴｒ１に対し転送制御信号ＣＴ１としてオン信号を印加する。したがって露光処理が強制的に終了される。この図８に示す場合には、設定部７は低輝度と判定するため、電子増倍部８の制御パルス数は前述の高輝度時、中輝度時に比較して多く設定され、この場合、低輝度状況に合わせた最大値に設定される。したがって、この制御パルス数に応じた増倍数で電子が増倍され、当該電子増倍率に応じた電圧Ｖoutを検出できる。
【００４１】
図９に露光時間とフォトダイオード出力の関係を示す。フォトダイオード２が低輝度出力のときには露光時間に応じたフォトダイオード２の信号出力の変動度が低く、フォトダイオード２が高輝度出力のときには露光時間に応じたフォトダイオード２の信号出力の変動度が高い。そこで、設定部７により低輝度と判定されたときには、電子増倍部８が光電子を増倍し中輝度又は高輝度に近い出力にすることができる。
【００４２】
図１０は比較構成例を示す。この図１０に記載の構成例では、本実施形態の電子増倍部８を用いることなくノイズ除去部５の除去処理後の信号を輝度検出部１０７で検出した輝度情報に応じて増幅部１００で信号を増幅する構成を採用している。この構成では、電荷−電圧変換部３のノイズ成分をノイズ除去部５で除去したとしても後段で増幅しているため、Ｓ／Ｎ比が図１の構成に比較して悪化しやすい。本実施形態では、図１に示すようにフォトダイオード２の直後段の電子増倍部８で電子を増倍する構成を採用しているため、例えばノイズ除去部５の後段に別途増幅部１００を設けることなく信号を増幅できＳ／Ｎ比を高くできる。
【００４３】
図１１はＳ／Ｎ対フォトダイオード２の入力電子数（ｅ−）の関係を概略的に示すが、この図１１のＳ／Ｎの求め方を説明する。ＳＰＨをホトンシグナル、Ｍを増倍率、ｘを増倍反復回数、Ｆを過剰雑音係数、ＮＲをリードアウトノイズ、ＮＤをダークチャージノイズ、ＮＰＨをホトンショットノイズとする。過剰雑音係数Ｆは以下の（１）式で表される。
【００４４】
【数１】
2014017653.tif 000003
トータルシグナルＳ、トータルノイズＮは、それぞれ以下の（２）式、（３）式で表される。なお、リードアウトノイズＮＲは読出時の読出回路に発生し、ダークチャージノイズＮＤは光を当てない状態で発生する電荷によるノイズであり、ホトンショットノイズＮＰＨは光電面で生まれる量子化雑音である。
【００４５】
【数２】
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（２）式に示すように、トータルシグナル（電子数）ＳはホトンシグナルＳＰＨに電子増倍率Ｍを増倍反復回数ｘだけ乗じた数となる。トータルノイズＮはダークチャージノイズＮＤ、ホトンショットノイズＮＰＨの項に電子増倍率Ｍ、過剰雑音係数Ｆの項が影響するもののリードアウトノイズＮＲの項には電子増倍率Ｍの影響を生じない。すなわち、電子増倍部８による電子増倍後の回路構成にリードアウトノイズＮＲが生じると仮定すれば、電子増倍の効果に伴い、電子増倍率Ｍが関与する「√ＦＭ２×」の項は、ホトンショットノイズＮＰＨ、ダークチャージノイズＮＤの項のみに影響し、リードアウトノイズＮＲの項には影響しなくなるためである。すなわち、例えば増幅部１００を用いた図１０の構成に比較して回路ノイズ成分を抑制できる。これはグラフで表すと図１１に示すように表される。
【００４６】
この図１１に示すように、入力電子数が低い低照度のときには、例えば電子増倍率Ｍを２以上とすれば入力電子数が少なくてもＳ／Ｎが１を超える。また、入力電子数が低い低照度のときには、電子増倍率Ｍを１００以上にすると電子増倍率Ｍをさらに上げたとしてもＳ／Ｎはほとんど変化しない。逆に、入力電子数が高い高照度のときには、電子増倍率Ｍを上げてもＳ／Ｎは逆に低下する。したがって、これらの低照度及び高照度の場合を考慮し、これらのトレードオフで電子増倍率Ｍを設定することが望ましい。すると、システムに適したＳ／Ｎを実現できる。
【００４７】
また、図９に示すようにフォトダイオード２の検出領域が所定範囲で定められている場合、従来構成では低輝度の場合であってもフォトダイオード出力が検出範囲の最低レベルに入るまで長い時間Ｔ１を必要とする。しかし本実施形態の構成では低輝度時には電子を増倍しているため時間Ｔ２を時間Ｔ１に比較して短時間にできる。各種設定を行うことで動画撮影、動く物体の撮影時におけるフレームレート（例えば３０ｆｐｓ以上）を十分に確保できるようになる。低輝度から中輝度、高輝度においても当該輝度情報に応じた増倍率で電子を増倍しているためダイナミックレンジを拡大できる。
【００４８】
本実施形態によれば、単一画素Ｐｘの輝度情報に応じて電子増倍部８による増倍率を設定し、電子増倍部８がフォトダイオード２で発生する光電子を増倍している。これにより高輝度光又は低輝度光を検出しても輝度情報の大小に応じて光電子を増倍でき、このため、特に低輝度光を検出したときの１画素当たりの露光時間を短くできる。低輝度から高輝度まで輝度情報に応じた増倍率で電子を増倍するため、ダイナミックレンジを拡大できる。
【００４９】
リセットが解除されてから最大露光時間を経過しても検出電位Ｖpixが閾値電位Ｖthを跨がないときには強制的に露光処理を終了し、設定部７により増倍率が当該低輝度情報に応じた最大値に設定され、電子増倍部８がこの増倍率で電子を増倍する。したがって１画素当りの露光時間が最大露光時間以上になることがなくなり露光時間を極力短くできる。
【００５０】
リセット部４（トランジスタＴｒ３，Ｔｒ４）が電位Ｖpix、Ｖoutを初期電位Ｖｃｃに設定した後、コンパレータ９は初期電位Ｖｃｃから低下させた電位Ｖpixを閾値電位Ｖthと比較する。そして、設定部７はコンパレータ９により電位Ｖpixが閾値電位Ｖthを下回ると判定されるまでの時間に応じて電子増倍部８が増倍する増倍率を設定している。この際、設定部７のカウント部がコンパレータ９による比較回数についてクロックＣＬＫの立上りをカウントすることでカウントし、このカウント回数に応じて電子増倍部８の増倍率を設定している。また、コンデンサＣ２はコンパレータ９の出力Ｖcompが「Ｈ」レベルとなる間充電され、この充電電圧についてＡＤ変換器１３を通じて露光時間として出力している。これにより、画素値（ピクセル値）および露光時間を取得できる。時間をクロックＣＬＫのカウント数でカウントする実施形態を示したが時間を検出可能であればこの時間の検出方法は前述の方法に限られない。
【００５１】
（第２実施形態）
図１２および図１３は、本発明の第２実施形態を示すもので、前述実施形態と異なるところは温度情報取得手段の温度情報を加味して増倍率を設定しているところにある。前述実施形態と同一又は類似部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００５２】
図１２及び図１３は温度情報取得手段の概要を示す。図１２に示すように、温度情報取得手段となる温度検出回路５０は、ピエゾ抵抗Ｒ２に定電流Ｉを通電しこの出力電圧Ｖｐの変化に基づいて温度を検出する。図１３に示すように、画素ＰｘはＣＣＤ撮像素子５１内に配列されているが、温度検出回路５０は画素Ｐｘ群の配列に隣接して配置されている。温度検出回路５０はこのＣＣＤ撮像素子５１の温度を検出し画素Ｐｘの温度を推定する。環境温度が変化すると電子増倍率Ｍが変化する。このため、前述実施形態における設定部７などが温度検出回路５０により検出される温度情報を取得し、電子増倍部８の増倍率（例えばパルス数）をこの温度情報に応じて変化させて設定することが望ましい。すると、電子増倍部８の増倍率を温度依存性良く設定できる。
本実施形態によれば、設定部７が温度検出回路５０の温度情報を加味して増倍率を設定するため、増倍率の温度依存性が高くても温度変化に伴う増倍率の変動の影響を極力抑制できる。
【００５３】
（他の実施形態）
前述実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。電子増倍率を変化させるため制御パルス数を変化させる実施形態を示したが、この制御パルス数の制御に代えて、バイアス電圧の高低の制御を行うようにしても良い。すなわち、低輝度の場合には標準電圧に比較して高電圧のパルスを印加し、高輝度の場合には標準電圧よりも低電圧のパルスを印加する。
【００５４】
前述実施形態では、高輝度の場合にも制御パルスを電子増倍部８に印加する実施形態を示したが、例えば高輝度の場合には電子増倍部８に制御パルスを印加しなくても良い。
電子増倍部８はアバランシェ増倍作用を有する構造を用いた例を示したが、ＩｎＧａＡｓなどの化合物光半導体によるアバランシェフォトダイオードを用いて構成しても良い。
【符号の説明】
【００５５】
図面中、１は画像情報処理装置、２はフォトダイオード（光電子変換部）、４はリセット部（初期設定手段）、６はＡＤ変換部、７は設定部（カウント手段、増倍率設定手段、計測手段、増倍率出力手段）、８は電子増倍部、９はコンパレータ（比較手段）、５０は温度検出回路（温度情報取得手段）、Ｃ２はコンデンサ（露光時間出力手段）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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