(57)【要約】【課題】適正な映像を取得できる光量範囲（ダイナミックレンジ）を拡大するとともに、シャッタ機能と絞り機能も備えた撮像素子を提供することを目的とする。【解決手段】撮像素子の画素上に、光電変換部を遮光する遮光部材と、遮光部材を駆動するアクチュエータをＭＥＭＳ技術を用いて作成し、画素毎の遮光量を制御することで、ダイナミックレンジの拡大とシャッタ機能、絞り機能とを実現する。【選択図】図１
2006333439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部を持つ画素が２次元状に配置され、
前記光電変換部への入射光の全部または一部を可変に遮光するための、少なくとも１辺の長さが、ある画素の並び方向に並んだ画素列と、当該画素列に隣接する画素列との距離よりも短い遮光部材と、
前記遮光部材の位置を前記光電変換部上で移動させるための遮光駆動部とを含む遮光デバイスを備えたことを特徴とする撮像素子。
【請求項２】
前記遮光部材が端部で相互に連結されたことを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項３】
前記画素への入射光量を検知する入射光量検知部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項４】
前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の撮像素子。
【請求項５】
前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする請求項３に記載の撮像素子。
【請求項６】
前記遮光駆動部は、前記遮光部材を電磁気的な力で移動させるものであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像素子。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える遮光デバイスが遮光する遮光量を可変に制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【請求項８】
請求項１、２または４の何れか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第１の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第１の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスが遮光する遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【請求項９】
請求項４に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力と該撮像素子が備える遮光量記憶部に記憶された遮光量とを基に、該撮像素子が備える遮光部材が遮光する遮光量を算出する遮光量算出部と、
前記遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１０】
請求項３または５に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える入射光量検知部で検知された入射光量を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第４の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第４の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【請求項１１】
請求項７に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項８または９に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を映像信号として出力する出力回路とを有し、
前記撮像制御部は、前記出力回路の映像信号出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第２の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項１０に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、前記撮像ユニットが備える入射光量検知部の入射光量出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第５の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
請求項８乃至１０の何れか１項に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、撮像装置の状態に基づいて、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第３の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置に関し、特に、撮像素子上に光電変換部を覆う遮光部材を持つ撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型撮像素子、あるいはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型撮像素子のような固体撮像素子では、画素内に配置された光電変換部により、入射光を電荷に変換して、映像信号を得る。光電変換部としては、例えばフォトＭＯＳゲートやフォトダイオードが用いられる。ＣＣＤ型撮像素子、ＣＭＯＳ型撮像素子のいずれも、一定の露光時間の間、光入射により発生する電荷を蓄積する構造になっており、かかる時間が経過後、蓄積された電荷量に応じた信号を出力する。
【０００３】
電荷蓄積可能な量は有限であるため、強い光が入射した場合、電荷が飽和してしまい、適正な出力信号を得ることができない。これを防ぐため、フィルタや絞りなどの光学的手段により、光入射を制限した場合、今度は弱い光入射に対して蓄積電荷量が少なすぎて、出力信号が周辺のノイズに埋もれてしまい、適正な出力信号を得ることができない。
【０００４】
すなわち、固体撮像素子には、適正な出力信号を得ることができる入射光量範囲（ダイナミックレンジ）が存在する。そして、その範囲は一般に、撮像対象の多くが持つ広いダイナミックレンジに比べて非常に狭い。従って、固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大は強く望まれている。
【０００５】
固体撮像素子あるいは信号処理の側からダイナミックレンジ拡大を試みた従来技術としては、フォトダイオード発生電荷を光量に応じて蓄積手段から捨てていくことで大光量入射時の飽和を防ぐもの（例えば、非特許文献１参照）、露光中に蓄積と放電を繰り返し、その回数と残り蓄積量から信号量を得るもの（例えば、非特許文献２参照）などがある。
【０００６】
一方、ＣＣＤ型撮像素子の撮像面の前面に、透過型液晶パネル等の光透過率の変化するフィルタ手段を設け、フィルタ手段の光透過率を撮像素子が出力する映像信号レベルに応じて制御することで、光入射自体を制御して、ダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、ダイナミックレンジ拡大を目的としたものではないが、撮像素子の画素上に各画素の開口部の一部分を遮光する遮光マスクを設け、マイクロアクチュエータを用いて遮光マスクの位置を切り換えて複数回撮像することで、画素数を増やすことなく高解像度化する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【非特許文献１】Ｆｒｉｔｚ  Ｊ．Ｋｕｂ  ａｎｄ  Ｇｏｒｄｏｎ  Ｗｏｏｄ  Ａｎｄｅｒｓｏｎ，  ”Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ  ｆｏｒ  Ｌｏｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｕｌｓｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｌａｔｅｒａｌ  Ｂｌｏｏｍｉｎｇ  Ｄｒａｉｎ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  ｖｏｌ．  ４０，  Ｎｏ．  １０，  ｐｐ．１７４０−１７４４，  １９９３
【非特許文献２】Ｄａｖｉｄ  Ｓｔｏｐｐａ，  Ａｎｄｒｅａ  Ｓｉｍｏｎｉ，  Ｌｏｒｅｎｚｏ  Ｇｏｎｚｏ，  Ｍａｓｓｉｍｏ  Ｇｏｔｔａｒｄｉ  ａｎｄ  Ｇｉａｎ−Ｆｒａｎｃｏ  Ｄａｌｌａ  Ｂｅｔｔａ，  ”Ｎｏｖｅｌ  ＣＭＯＳ  Ｉｍａｇｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｗｉｔｈ  ａ  １３２−ｄＢ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｇｅ，”  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，  ｖｏｌ．３７，  Ｎｏ．１２，  ｐｐ．１８４６−１８５２，  ２００２
【特許文献１】特開平６−７０２２５号公報
【特許文献２】特開平８−１６３４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献１の方法では、電荷を捨てる量を制御するのに用いられるトランジスタがノイズ発生源となり、良好な映像信号が得られない可能性があり、非特許文献２の方法では、撮像素子の画素ごとにＡ／Ｄ変換回路等が必要となり、画素の開口率の低下、画素サイズの拡大を招く。
【０００９】
特許文献１の方法では、透過型液晶パネル等の光透過率の変化するフィルタ手段がＣＣＤ型撮像素子の前に置かれた構成となっており、非遮光時の透過率が低い（例えば液晶パネルでは透過率が最高でも０．５以下）ために、撮像された画像のコントラストの低下を招いたり、遮光時にも完全遮光にならない（例えば、液晶パネルでは遮光時も０．０１程度の透過率を示す）ために、電荷転送時には機械式シャッタが別に必要になったりする等の問題がある。また、液晶パネル等の材料の温度による特性変化が大きいため、低温や高温では性能がさらに制限される。さらに、液晶パネル等の応答速度が数ミリ秒程度のため透過と遮光の切換スピードが遅く、急激な光量変化に対して適切な光量制限ができない。
【００１０】
また、特許文献２の方法では、遮光マスクの画素の開口部に対する相対的な遮光位置が変化することによって時系列的に開口位置を切り換えることで高解像度化するのみで、遮光量を可変に制御するものではないため、ダイナミックレンジの拡大は行えない。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、適正な映像を取得できる光量範囲（以下、ダイナミックレンジと言う）を拡大するとともに、シャッタ機能や絞り機能も備えた撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
【００１３】
１．光電変換部を持つ画素が２次元状に配置され、
前記光電変換部への入射光の全部または一部を可変に遮光するための、少なくとも１辺の長さが、ある画素の並び方向に並んだ画素列と、当該画素列に隣接する画素列との距離よりも短い遮光部材と、
前記遮光部材の位置を前記光電変換部上で移動させるための遮光駆動部とを含む遮光デバイスを備えたことを特徴とする撮像素子。
【００１４】
２．前記遮光部材が端部で相互に連結されたことを特徴とする１に記載の撮像素子。
【００１５】
３．前記画素への入射光量を検知する入射光量検知部を備えたことを特徴とする１または２に記載の撮像素子。
【００１６】
４．前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする１または２に記載の撮像素子。
【００１７】
５．前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする３に記載の撮像素子。
【００１８】
６．前記遮光駆動部は、前記遮光部材を電磁気的な力で移動させるものであることを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の撮像素子。
【００１９】
７．１乃至６の何れか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える遮光デバイスが遮光する遮光量を可変に制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【００２０】
８．１、２または４の何れか１項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第１の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第１の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスが遮光する遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【００２１】
９．４に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力と該撮像素子が備える遮光量記憶部に記憶された遮光量とを基に、該撮像素子が備える遮光部材が遮光する遮光量を算出する遮光量算出部と、
前記遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【００２２】
１０．３または５に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える入射光量検知部で検知された入射光量を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第４の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第４の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
【００２３】
１１．７に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【００２４】
１２．８または９に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を映像信号として出力する出力回路とを有し、
前記撮像制御部は、前記出力回路の映像信号出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第２の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【００２５】
１３．１０に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、前記撮像ユニットが備える入射光量検知部の入射光量出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第５の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【００２６】
１４．８乃至１０の何れか１項に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、撮像装置の状態に基づいて、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第３の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、画素上の遮光部材を駆動させて、光電変換部への光の入射面積を可変に制御することで、ダイナミックレンジを拡大するとともに、シャッタ機能や絞り機能も備えた撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。尚、各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、重複する説明は省略する。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態である撮像素子の模式図であって、遮光部材の各画素に対する配置レイアウト例を模式的に示した正面図である。図１（ａ）は、各画素毎に遮光部材が設けられた例、図１（ｂ）は横方向の二画素の遮光部材が一体に設けられた例、図１（ｃ）は、縦横２画素ずつの４画素の遮光部材が一体に設けられた例である。なお、ここでは簡単のために縦横２画素ずつの二次元アレイの例を示すが、当然、画素数は特に制限されるものではない。
【００３０】
図１において、撮像素子１００は複数個の画素１１０を配列した素子であり、画素１１０は入射した光を電気信号に変換する光電変換部１１１を少なくとも１個有する。光電変換部１１１の光電変換出力は図示しない出力回路に向けて出力され、出力回路により映像信号として出力される。遮光部材１１２は光電変換部１１１への入射光の全部または一部を可変に遮光するように配置されている。
【００３１】
図１（ａ）の構成では、画素毎に遮光部材１１２が設けられているために、画素毎の遮光部材をそれぞれ独立して動作させることができ、画素毎に細やかな遮光制御が可能である。図１（ｂ）および（ｃ）の構成では、複数画素にまたがって遮光部材１１２が設けられているために、遮光部材１１２の配置に要する面積を画素面積に対して少ない比率にすることができ、その分、光電変換部１１１を大きくすることができて、画素面積を変えずに感度向上が可能である。さらに、図１（ｃ）の構成ならば、例えばカラーを構成する画素の組（例えば、ベイヤ配列ならばＲ、Ｇ、Ｇ、Ｂの４画素）を１つの遮光部材で遮光することで、画素の組の遮光率を同一にできるので、後段でのカラーバランス補正が簡単化できる。
【００３２】
図１（ａ）に示したように、遮光部材１１２の少なくとも一辺の長さａは、画素１１０の並びの列と列の間の距離（以下、列間距離と言う）ｄよりも短く設定されている。図１（ｂ）、図１（ｃ）についても同様である。ここで、列間距離ｄについて図２を用いて詳述する。図２は、列間距離の定義について説明するための画素１１０の配列を示す模式図である。
【００３３】
図２（ａ）において、矩形の画素１１０が水平および垂直方向に配列されている場合、例えば水平方向の隣り合うｎ列目の画素の並びＨｎとｎ＋１列目の画素の並びＨｎ＋１とを考えると、列間距離ｄはＨｎとＨｎ＋１の間の距離つまり画素ピッチＤｈとなる。垂直方向についても同様の考え方でよい。一方、図２（ｂ）に示した、六角形の画素１１０が稠密に配列された構造（所謂ハニカム構造）の撮像素子においては、水平および垂直方向については図２（ａ）と同様でよいが、斜め方向については、図２（ｂ）に示した斜め方向の隣り合うｎ列目の画素の並びＨｎとｎ＋１列目の画素の並びＨｎ＋１とを考えると、列間距離ｄはＨｎとＨｎ＋１の間の距離つまり斜め画素ピッチＤｂとなる。このように画素の配列に応じて列間距離が複数存在する場合、遮光部材１１２の少なくとも一辺の長さａは少なくとも一つの列間距離ｄよりも短く設定されている。
【００３４】
次に、遮光デバイス１１７のより具体的な構成例について、図３、図４および図５を用いて説明する。遮光デバイス１１７は、遮光部材１１２と遮光部材１１２を光電変換部１１１上で移動させるための遮光駆動部１１３とからなる。
【００３５】
図３は、遮光デバイス１１７の第１の実施の形態を示す図で、遮光デバイス１１７を構成する複数の遮光部材１１２ａが、画素１１０上を互いに平行に移動する形式の例を示した模式図であり、図３（ａ）は、２画素を撮像素子１００の撮像面側から見た図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ｂ断面の断面図である。本例では、遮光駆動部１１３を構成する第１の櫛歯状電極１１３ａを画素１１０表面上に、第２の櫛歯状電極１１３ｂを遮光部材１１２ａ上にそれぞれ設けて、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間の静電気力により、遮光部材１１２ａを互いに平行に図３（ａ）の上下方向に直線的に移動させるようになしてある。従って、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間に印加する電圧を制御することで、光電変換部１１１の遮光量を制御することができる。
【００３６】
図４は、遮光デバイス１１７の第２の実施の形態を示す図で、遮光デバイス１１７を構成する複数の遮光部材１１２ｂが、画素１１０上を回転軸１１４を中心に回動する形式の例を示した模式図であり、図４（ａ）は、２画素を撮像素子１００の撮像面側から見た図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｄ−Ｅ断面の断面図である。本例では、遮光駆動部１１３を構成する第１の櫛歯状電極１１３ａを画素１１０表面上に、第２の櫛歯状電極１１３ｂを遮光部材１１２ｂ上に、回転軸１１４を中心に同心円弧状に設けて、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間の静電気力により、遮光部材１１２ｂを回転軸１１４を中心に回動させるようになしてある。従って、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間に印加する電圧を制御することで、光電変換部１１１の遮光量を制御することができる。
【００３７】
図５は、遮光デバイス１１７の第３の実施の形態を示す図で、遮光デバイス１１７を構成する複数の遮光部材１１２ｃが支点１１５を中心に光電変換部１１１に覆い被さる位置と光電変換部１１１から離れる位置との間を回動する形式の例を示した模式図であり、図５（ａ）は、１画素を撮像素子１００の撮像面側から見た図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＧ側側面から見た図、図５（ｃ）は、図５（ａ）のＦ−Ｇ断面の断面図である。本例では、遮光駆動部１１３を構成する第１の櫛歯状電極１１３ａを画素１１０表面上に、第２の櫛歯状電極１１３ｂを板状部材１１２ｃの端部にそれぞれ設けて、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間の静電気力により、遮光部材１１２ｃを支点１１５を中心に光電変換部１１１に覆い被さる位置と光電変換部１１１から離れる位置との間を回動するようになしてある。従って、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間に印加する電圧を制御することで、光電変換部１１１の遮光量を制御することができる。
【００３８】
図３、図４および図５に述べた例では、遮光駆動部１１３として、櫛歯状電極からなる電極構造を用いた静電アクチュエータを例示したが、平行平板など他の電極構造の静電アクチュエータであってもよい。また微小なコイルを作製し、電磁力で部材を移動するようにしても良いし、前述した特許文献２に例示されていたような圧電機能を用いたマイクロアクチュエータを用いてもよい。これらの遮光駆動部の製造は、マイクロマシン技術と呼ばれる、一般的なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）製造プロセスを用いることで実現することが可能である。
【００３９】
遮光部材１１２（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ等）は、大きさが数ミクロン程度と小型であるため高速駆動が可能で、一般的な光スイッチとして用いられる液晶素子やエレクトロクロミック素子に比べ、非常に高速に光の遮断が可能である。また、完全遮光したときの遮光率も、液晶やエレクトロクロミック素子に比べて、きわめて高い。このため、入射光量を制御することによるダイナミックレンジ拡大のみならず、入射光量に無関係に遮光量を制御してカメラの絞りと同じく入射光量制御を行ったり、撮影終了後に完全遮光になるように制御してシャッタと同じ効果を出したりすることが可能である。特にシャッタは、全画素の遮光部材１１２を同時に制御することで、全画素同時露光（いわゆるグローバルシャッタ機能）が実現でき、シャッタ速度も非常に高速なものが実現できる。
【００４０】
また、前述したように、液晶等は温度により粘性が著しく変化するため、遮光性能が保証できる温度範囲が非常に狭くなるが、本実施の形態のような遮光デバイスによれば、遮光部材を機械的に動かしてその位置を変えるものであるから、遮光デバイスを構成する材料として無機材料等の温度変化によって特性が変化し難い材料を選択できるので、動作温度範囲はきわめて広い。
【００４１】
なお、遮光デバイス１１７の駆動のためのエネルギーは、後述する遮光制御部１２３から遮光駆動部１１３までの接続線により供給される。
【００４２】
次に、光電変換部１１１の遮光とダイナミックレンジの関係について、図６を用いて説明する。図６は、光電変換部１１１の遮光とダイナミックレンジの関係を示す模式図で、横軸に入射光量（Ｂ）、縦軸に撮像出力（Ｖ）をとった光電変換特性のグラフである。
【００４３】
まず、遮光を行わなかった場合、撮像出力（Ｖ）は、図６のＬ１のように、入射光量（Ｂ）が０（ゼロ）からＢ１までの範囲で線形性を保ち、Ｂ１以上では最大値（Ｖ＝ＭＡＸ）で飽和する。（実際には、ＣＣＤ等ではＢ１以上の高輝度になるとスミアやブルーミングといった不具合が発生する場合があるが、ここでは簡単のために単に飽和するとして説明する。）この場合のダイナミックレンジをＤ１とする。
【００４４】
遮光を５０％行う、つまり光電変換部１１１を半分遮光すると、撮像出力（Ｖ）は、図６のＬ２のように、入射光量（Ｂ）が０（ゼロ）から２×Ｂ１までの範囲で線形性を保ち、２×Ｂ１以上では最大値で飽和する。この場合のダイナミックレンジＤ２＝２×Ｄ１となり、ダイナミックレンジが２倍に拡大されたことになる。同様に、光電変換部１１１を７５％、つまり３／４遮光すると、図６のＬ３のように、ダイナミックレンジＤ３＝４×Ｄ１となり、ダイナミックレンジが４倍に拡大されたことになる。
【００４５】
従って、例えば図１（ａ）のように、撮像素子１００の各画素１１０毎に遮光部材１１２を設ければ、画素毎に遮光量を調整することが可能であり、強い光が入射している画素は遮光量を多く、弱い光が入射している画素は遮光量を少なくすることで、画素毎に、感度を犠牲にすることなく、ダイナミックレンジを制御することが可能となる。
【００４６】
図１（ｂ）、（ｃ）のように遮光部材１１２を構成すれば、各々、複数画素を一つのグループとして、ダイナミックレンジを制御することができる。従って、例えば、前述したように、カラーを構成する画素の組毎にダイナミックレンジを制御したり、画面上の位置毎や、水平あるいは垂直ライン毎にダイナミックレンジを制御したりすることが可能となる。
【００４７】
次に、本発明における遮光デバイス１１７の第４の実施の形態について、図７を用いて説明する。図７は、本発明における遮光デバイス１１７の第４の実施の形態を示す模式図で、図３に示した第１の実施の形態の遮光部材１１２ａが、撮像素子１００の全画素で一体化された例である。図７において、遮光部材１１２ｄは、図３の遮光部材１１２ａが画素の水平行の方向に１行ずつ連結され、さらに、撮像素子１００上で画素の配置された領域外で垂直方向に連結されて一体化されている。
【００４８】
遮光部材１１２ｄの垂直方向の連結部１１２ｅの裏面には、遮光駆動部１１３を構成する第２の櫛歯状電極１１３ｂが設けられ、撮像素子１００上の画素の配置された領域外で第２の櫛歯状電極１１３ｂに対向する部分の表面には第１の櫛歯状電極１１３ａが設けられており、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間に印加する電圧を制御することで、全画素の遮光部材１１２ｄを一括して移動させて全画素の遮光面積を同時に変化させることができる。これによって、画素１１０の露光量制御だけでなく、撮像素子１００の全画素同時露出が行えるシャッタ機能を実現することができる。
【００４９】
本実施の形態によれば、遮光部材１１２ｄの移動量は光電変換部１１１の大きさ程度で非常に小さいため動作の高速化が可能であり、従来の機械式シャッタに比べて格段に高速のシャッタを実現することができる。さらに、従来のフォーカルプレーンシャッタのように撮像素子上の位置によって露光のタイミングが異なるといったことがなく、全画素同時露光が行えるので、高速で移動する被写体についても画像の流れが生じない。
【００５０】
また、従来から知られているダイナミックレンジ拡大方法の１つで、露光時間の異なる複数枚の画像から適正露出部分を切り出して画像合成する方法においても、本実施の形態を用いることで非常に短い露出時間を実現することができるので、非常に明るい部分でも撮像素子の飽和が起こりにくく、従来に比べてダイナミックレンジを格段に広くすることが可能である。
【００５１】
図７に示した例では、遮光部材１１２ｄは、図３の遮光部材１１２ａが画素の水平行の方向に１行ずつ連結され、さらに、撮像素子１００上で画素の配置された領域外で垂直方向に連結されて一体化された例であるが、これに限らず、垂直列の方向に１列ずつ連結され、画素領域外で水平に連結されてもよい。
【００５２】
また、図７に示した例では、遮光部材１１２ｄは片側（図の右側）だけで垂直方向に連結されているが、図の左側にも連結部を設け、左側の連結部にも第１および第２の櫛歯状電極を設けてもよい。この場合、連結部を配置する部分の面積が大きくなる欠点はあるが、遮光部材１１２ｄの駆動力が大きくなり、機械的強度も増すので、より高速なシャッタ機能が実現できる。
【００５３】
次に、遮光デバイス１１７の駆動制御の第１の実施の形態について、図８および図９を用いて説明する。
【００５４】
図８は、撮像素子１００の１つの画素１１０に注目した時の回路ブロック図であり、図９は、図８に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。
【００５５】
まず、図８で、画素１１０は、光電変換部１１１と、遮光部材１１２と遮光駆動部１１３とからなる遮光デバイス１１７とを備え、複数の画素１１０と、後述する遮光量算出部１２１、遮光制御部１２３および出力回路１２６を含む周辺回路により、撮像素子１００が構成される。
【００５６】
光電変換部１１１の光電変換出力１１６は遮光量算出部１２１に入力され、遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２は遮光制御部１２３に入力され、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４によって遮光駆動部１１３が駆動されて、遮光部材１１２の遮光量が制御される。遮光量算出部１２１は、図示しない外部回路からの遮光量算出部制御信号１２５により動作が制御される。一方、光電変換部１１１の光電変換出力１１６と遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２は出力回路１２６にも入力され、出力回路１２６で、信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施された後、映像信号１２７として図示しない外部回路に向けて出力される。
【００５７】
また、図８に破線で示したように、画素１１０毎に遮光量を記憶する遮光量記憶部１２８を追加して設けてもよい。遮光量記憶部１２８は、例えば画素１１０内に設けられたキャパシタからなり、例えば図３に示した例の第１の櫛歯状電極１１３ａおよび第２の櫛歯状電極１１３ｂに並列に接続されることで、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間の静電気力をより安定的に長時間保持するものである。これによって、長秒時露出、つまり、遮光部材１１２の遮光量の制御から撮影終了までの時間が長い時でも、遮光部材１１２の遮光量をより安定して一定に保つことが可能となる。１つの遮光部材１１２で複数の画素を同時に遮光する場合、遮光量記憶部１２８は、当該複数画素毎に１つの割合で備えても良い。
【００５８】
次に、図８に示した撮像素子１００における遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを、図９を用いて説明する。図９は、撮像素子１００における１回の撮影操作での遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを示すフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ１０１では、遮光デバイス１１７の制御について第１のモードが選択されているか否かが判断される。第１のモードとは、「ダイナミックレンジの拡大を行う」モードである。第１のモードが選択されている場合（ステップ１０１；ＹＥＳ）、ステップＳ１０２の処理が実行され、第１のモードが選択されていない場合（ステップ１０１；ＮＯ）、ステップＳ１１１で、第２のモードが選択されて、処理が実行される。第２のモードとは、例えば「シャッタ動作を行う」モードである。
【００６０】
ステップＳ１０２で、遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量を所定値に設定し、ステップＳ１０３で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で、光電変換部１１１の第１の露光を行い、ステップＳ１０４に進む。
【００６１】
ステップＳ１１１では、図示しない外部回路により、露出時間や絞り値を調整する露出演算が行われ、適正な絞り量やシャッタ速度に相当する制御信号１２５が露光量算出部１２１に出力され、ステップＳ１０４に進む。
【００６２】
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３における第１の露光による光電変換部１１１の光電変換出力１１６又はステップＳ１１１で出力された制御信号１２５を基に、遮光量算出部１２１で撮影時の遮光量を計算し、ステップＳ１０５で、遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２を基に、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４により遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量の制御を行い、ステップＳ１０６で撮影が行われる。その後、光電変換部１１１の光電変換出力１１６は出力回路１２６に伝送され、ステップＳ１０７で、出力回路１２６で信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理が施された後、ステップＳ１０８で、映像信号１２７として図示しない外部回路に向けて出力される。
【００６３】
図８で遮光量記憶部１２８を追加して設ける場合、図８に破線で示したように、遮光部材１１２の現在の遮光量を記憶する遮光量記憶部１２８の遮光量記憶値１６１を、遮光量算出部１２１に入力することで、遮光量算出部１２１は、光電変換出力１１６と遮光量記憶値１６１を基に遮光量制御値１２２を算出することができる。それによって第１の露光が不要となり、ステップＳ１０２とステップＳ１０３の動作を省略することが可能なため、更なる高速動作が可能となる。
【００６４】
本実施の形態において、例えば、本撮像素子としてＦＴ（Ｆｌａｍｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）型ＣＣＤを用いる場合のように、ステップＳ１０５の撮影終了後、光電変換部１１１の光電変換出力１１６が出力回路１２６に伝送されるまでの時間、光電変換部１１１への光入射をやめさせたい場合がある。ＦＴ型ＣＣＤでは光電変換出力１１６の転送路として光電変換部１１１そのものを用いるため、転送中に光が入射すると光電変換出力１１６そのものが変化してしまうからである。このような場合には、本撮像ユニットと別体でシャッタ装置を設けてもよいし、または前述したように、ステップＳ１０６の撮影終了と同時に完全遮光になるように、本撮像ユニットの遮光デバイス１１７をシャッタとして用いてもよい。前者ならば遮光デバイス１１７の制御が簡単になり、後者ならば別体のシャッタが不要となる。
【００６５】
ステップＳ１０４での撮影時の遮光量計算の際に、図６で説明したように、第１の露光結果から、入射光量が少ない（つまり、暗い）と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い（つまり、明るい）と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部１１１が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。
【００６６】
なお、遮光量算出部１２１に入力される遮光量算出部制御信号１２５は、算出のタイミング等を制御する信号が主であるが、遮光量算出の対象となる画素１１０の情報、例えば撮像素子１００のチップ上の位置やフィルタ色等の情報を含めてもよい。これらの情報に基づいて遮光量を算出すれば、撮影画面上の部分的な露光制御やカラーバランス補正処理の簡略化が可能となる。
【００６７】
また、本実施の形態においては、２回目以降の撮影動作においては、ステップＳ１０２の処理を省略して、前回の撮影時の遮光量のままで第１の露光を行うことも可能である。この場合、遮光部材１１２の制御を２度しなくてよいので、更なる高速化が可能である。
【００６８】
次に、遮光デバイス１１７の駆動制御の第２の実施の形態について、図１０、図１１および図１２を用いて説明する。
【００６９】
図１０は、撮像素子１００の１つの画素１１０に注目した時の回路ブロック図であり、図１１は、図１０に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャート、図１２は、図１１に示したフローチャートの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【００７０】
まず、図１０においては、画素１１０に、入射光量を検知する入射光量検知部１３１が備えられている。入射光量検知部１３１は、遮光部材１１２によって遮光されない位置に配置されていればよく、画素１１０上であってもよいし、遮光部材１１２上に設けられていてもよい。入射光量検知部１３１の入射光量出力１３２は遮光量算出部１２１に入力される。
【００７１】
また、図８で説明したと同様に、画素１１０毎に、図１０に破線で示した遮光量を記憶する遮光量記憶部１２８を追加して設けてもよい。この効果も、前述した図８の説明と同じである。
【００７２】
次に、図１１のフローチャートにおいて、ステップＳ１０１では、第１のモードが選択されているか否かが判断される。第１のモードが選択されている場合（ステップ１０１；ＹＥＳ）、ステップＳ１２１の処理が実行され、第１のモードが選択されていない場合（ステップ１０１；ＮＯ）、ステップＳ１１１で第２のモードが選択されて、処理が実行される。
【００７３】
ステップＳ１２１で、入射光量検知部１３１の露光により入射光量を検知し、ステップＳ１２２で、入射光量検知部１３１の入射光量出力１３２を基に、遮光量算出部１２１で撮影時の遮光量を算出し、ステップＳ１２３で、遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２を基に、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４により遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量の制御を行う。以降の処理は図９に示したものと同じであり、説明を省略する。
【００７４】
次に、図１２を用いて遮光デバイス１１７の駆動制御のタイミングを説明する。入射光量検知部１３１は、ステップＳ１２１で入射光量を検知し、入射光量出力１３２を遮光量算出部１２１に送信する。遮光量算出部１２１は、ステップＳ１２２で、入射光量出力１３２を基に遮光量を算出し、遮光制御部１２３と出力回路１２６に遮光量制御値１２２を送信する。遮光量制御部１２３は、ステップＳ１２３で、遮光量制御値１２２を基に、遮光制御出力１２４で遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２を遮光位置に移動する。
【００７５】
一方、光電変換部１１１は、ステップＳ１０６で撮影を行い、光電変換出力１１６を出力回路１２６に送信する。出力回路１２６は、ステップＳ１０７で、光電変換出力１１６に遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施し、ステップＳ１０８で映像信号１２７を出力する。
【００７６】
本実施の形態においては、１回の撮影動作（ステップＳ１０６開始からステップＳ１０８完了まで）の間に、次回の撮影のための遮光量算出と遮光部材制御を並行して実行させるようになしてある。以下、上述のように、入射光量検知部１３１を用いた遮光量算出動作と、第１の光電変換部１１１を用いた撮影動作を並行して繰り返す。
【００７７】
図９で示した第１の実施の形態における遮光デバイス１１７の駆動制御の流れでは、光電変換部１１１での撮像動作は、ステップＳ１０３の第１の露光とステップＳ１０６の撮影の２回必要なため、映像信号１２７を得るまでに時間がかかるが、本第２の実施の形態では、光電変換部１１１での撮像動作はステップ１０６での撮影のみのため、映像信号１２７を得るまでの時間が短縮できる。
【００７８】
前述の図９の説明と同様に、本例においても、入射光量が少ない（つまり、暗い）と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い（つまり、明るい）と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部１１１が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。
【００７９】
次に、本発明における撮像ユニットの第１の実施の形態について、撮像装置を例に図１３および図１４を用いて説明する。
【００８０】
図１３は、撮像素子１００の１つの画素１１０に注目した時の撮像装置１の回路ブロック図で、撮像ユニット１０と、撮像制御部として機能する撮像装置制御部１４０とを有する。
【００８１】
画素１１０はそれぞれ、光電変換部１１１と、遮光部材１１２と遮光駆動部１１３とからなる遮光デバイス１１７とを備え、複数の画素１１０と、図示しない周辺回路を含めて撮像素子１００が構成される。撮像素子１００と、後述する遮光量算出部１２１、遮光制御部１２３および出力回路１２６を含む周辺回路により、撮像ユニット１０が構成される。
【００８２】
なお、ここでは遮光量算出部１２１、遮光制御部１２３および出力回路１２６を含む周辺回路は撮像素子１００とは別体のものとして説明するが、もちろん、これらは図８に示したように撮像素子１００の内部に含まれてもよい。例えばＣＭＯＳ型撮像素子ならば、これらを一体化することは特に難しいことではない。上記周辺回路を一体化した場合は、撮像素子自体が撮像ユニットとして動作することになる。
【００８３】
光電変換部１１１の光電変換出力１１６は遮光量算出部１２１に入力され、遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２は遮光制御部１２３に入力され、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４によって遮光駆動部１１３が駆動されて、遮光部材１１２の遮光量が制御される。遮光量算出部１２１の動作は、撮像装置制御部１４０の遮光量算出部制御信号１２５により制御される。
【００８４】
一方、光電変換部１１１の光電変換出力１１６と遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２は、出力回路１２６にも入力され、出力回路１２６で、遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施された後、映像信号１２７として撮像ユニット１０外にある撮像装置制御部１４０のインターフェース１４３を介してＣＰＵ１４２に入力される。ＣＰＵ１４２は、フラッシュメモリやハードディスク等の記憶デバイス１４６に記憶されたプログラムに従って映像信号１２７に所定の画像処理を施し、ディスプレイ１４４に表示したり、記憶デバイス１４６に記憶したりする。
【００８５】
また、図１３で破線で示したように、画素１１０毎に遮光量を記憶する遮光量記憶部１２８を追加して設けてもよい。遮光量記憶部１２８は、例えば画素１１０内に設けられたキャパシタからなり、例えば前述した図３に示した例の第１の櫛歯状電極１１３ａおよび第２の櫛歯状電極１１３ｂに並列に接続されることで、第１の櫛歯状電極１１３ａと第２の櫛歯状電極１１３ｂの間の静電気力をより安定的に長時間保持するものである。これによって、長秒時露出、つまり、遮光部材１１２の遮光量の制御から撮影終了までの時間が長い時でも、遮光部材１１２の遮光量をより安定して一定に保つことが可能となる。１つの遮光部材１１２で複数の画素を同時に遮光する場合、遮光量記憶部１２８は、当該複数画素毎に１つの割合で備えても良い。
【００８６】
遮光デバイス１１７の制御については、下記の３種類のモードでの制御が実行可能である。第１および第２のモードは、ダイナミックレンジの拡大を行うモードである。
【００８７】
第１のモードは、撮像ユニット１０上の遮光量算出部１２１によって、光電変換出力１１６を基に遮光量算出が行われ（第１の算出モード）、算出された遮光量制御値１２２が遮光制御部１２３に入力され、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４によって遮光駆動部１１３が駆動されて、遮光部材１１２の遮光量が制御される。
【００８８】
第２のモードは、ＣＰＵ１４２によって、インターフェース１４３に入力された映像信号１２７を基に遮光量算出が行われ（第２の算出モード）、算出された第２の遮光量制御値１５２がインターフェース１４３を介して遮光制御部１２３に入力され、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４によって遮光駆動部１１３が駆動されて、遮光部材１１２の遮光量が制御される。つまり、ＣＰＵ１４２は遮光量算出部として機能する。
【００８９】
第１および第２のモードでは、入射光量が少ない（つまり、暗い）と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い（つまり、明るい）と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部１１１が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。
【００９０】
第１のモードでは、撮像装置制御部１４０からは遮光量算出部制御信号１２５の供給を受けるだけで、ＣＰＵ１４２に依存することなく撮像ユニット１０内で完結した遮光量算出が行えるため、撮像装置１のシステム全体への負荷を増やすことなく、ダイナミックレンジ拡大が可能となる。
【００９１】
さらに、第２のモードでは、遮光量算出部としてＣＰＵ１４２を用いることで、撮像ユニット１０上の遮光量算出部１２１よりも更に高度な遮光量算出を行ったり、遮光量算出をプログラマブルにすることも可能となる。
【００９２】
第３のモードは、ＣＰＵ１４２によって、記憶デバイス１４６に記憶されたプログラムに従って第２の遮光量制御値１５２を算出し（第３の算出モード）、インターフェース１４３を介して遮光制御部１２３に入力する。
【００９３】
第３のモードでは、入射光量に無関係に遮光量を制御してカメラの絞りと同じく入射光量制御を行ったり、撮影終了後に完全遮光になるように制御してシャッタと同じ効果を出したりすることが可能である。特にシャッタは、全画素の遮光部材１１２を同時に制御することで、全画素同時露光（いわゆるグローバルシャッタ機能）が実現できる。さらに、使用される撮影レンズに合わせて画素毎に遮光量を調整することで、いわゆるコサイン４乗則等による周辺光量の低下を補正することも可能である。もちろん、ＣＰＵ１４２を用いることで、第２のモードと第３のモードを組み合わせた制御も可能である。
【００９４】
次に、本発明における撮像ユニットの第１の実施の形態の動作について説明する。図１４は、図１３に示した撮像装置１における１回の撮影操作での遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを示すフローチャートである。
【００９５】
ステップＳ１０１では、遮光デバイス１１７の制御について、第１のモードが選択されているか否かが判断される。遮光デバイス１１７の制御のモード選択は、例えば図１３に示した入力部材１４５で選択された撮像動作の設定に基づいて、ＣＰＵ１４２により選択される。例えば入力部材１４５で、「簡易ダイナミックレンジ拡大撮影」が選択された場合は第１のモードが、「高精度ダイナミックレンジ拡大撮影」が選択された場合は第２のモードが、「高速シャッタ撮影」が選択された場合には、第３のモードが選択される。
【００９６】
第１のモードが選択されている場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）、ステップＳ１０２以下の処理が実行される。ステップＳ１０２で、遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量を所定値に設定し、ステップＳ１０３で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で、光電変換部１１１の第１の露光を行う。
【００９７】
ステップＳ１０４（第１の算出モード）で、ステップＳ１０３における第１の露光による光電変換部１１１の光電変換出力１１６を基に、遮光量算出部１２１で撮影時の遮光量を計算し、ステップＳ１０５で、遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２を基に、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４により遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量の制御を行い、ステップＳ１０６で撮影が行われる。
【００９８】
その後、光電変換部１１１の光電変換出力１１６と遮光量算出部１２１で算出された遮光量制御値１２２は出力回路１２６に伝送され、ステップＳ１０７で、出力回路１２６で遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理が施された後、ステップＳ１０８で、映像信号１２７としてインターフェース１４３を介してＣＰＵ１４２に向けて出力される。ステップＳ１０９で、ＣＰＵ１４２により、映像信号１２７に対して記録あるいは表示に適した画像処理が施され、ステップＳ１１０で、記憶デバイス１４６に公知の画像ファイルとして記録され、あるいはディスプレイ１４４に表示される。
【００９９】
ステップＳ１０１で第１のモードが選択されなかった場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）、ステップＳ１１１で第２のモードが選択されているか否かが判断される。第２のモードが選択されている場合（ステップＳ１１１；ＹＥＳ）、ステップＳ１１２以下の処理が実行される。ステップＳ１１２で、遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量を所定値に設定し、ステップＳ１１３で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で、光電変換部１１１の第１の露光を行う。
【０１００】
ステップＳ１１４（第２の算出モード）で、ステップＳ１１３における第１の露光による光電変換部１１１の光電変換出力１１６を基に、ＣＰＵ１４２で撮影時の遮光量が計算され、第２の遮光量制御値１５２が遮光制御部１２３に入力され、ステップＳ１１５で、ＣＰＵ１４２で算出された第２の遮光量制御値１５２を基に、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４により遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２の遮光量の制御を行い、ステップＳ１０６に進む。以下、上述したステップＳ１０６以降の動作が行われる。
【０１０１】
ステップＳ１１１で第２のモードが選択されなかった場合（ステップＳ１１１；ＮＯ）、ステップＳ１２１に進む。ステップＳ１２１では、撮像装置１の各種状態が確認され、ステップＳ１２２（第３の算出モード）で、ＣＰＵ１４２により露出時間や絞り値を調定する露出演算が行われ、適正な絞り量やシャッタ速度に相当する第２の遮光量制御値１５２が、遮光制御部１２３に入力され、ステップＳ１１５に進む。以下、上述したステップＳ１１５以降の動作が行われる。
【０１０２】
図１３で遮光量記憶部１２８を追加して設ける場合、図１３に破線で示したように、遮光部材１１２の現在の遮光量を記憶する遮光量記憶部１２８の遮光量記憶値１６１を、遮光量算出部１２１に入力することで、遮光量算出部１２１は、光電変換出力１１６と遮光量記憶値１６１を基に遮光量制御値１２２を算出することができる。それによって第１の露光が不要となり、ステップＳ１０２とステップＳ１０３の動作を省略することが可能なため、更なる高速動作が可能となる。
【０１０３】
同様に、遮光量記憶値１６１を、インターフェース１４３を介してＣＰＵ１４２に入力することで、ステップＳ１１２とステップＳ１１３の動作を省略することも可能であるし、遮光量算出部としてＣＰＵ１４２を用いるならば、第２の遮光量制御値１５２を記憶デバイス１４６に記憶しておき、それを用いて次回の撮影の遮光量制御値１２２を算出することも可能である。
【０１０４】
本実施の形態において、例えば、撮像素子としてＦＴ（Ｆｌａｍｅ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）型ＣＣＤを用いる場合のように、ステップＳ１０５の撮影終了後、光電変換部１１１の光電変換出力１１６が出力回路１２６に伝送されるまでの時間、光電変換部１１１への光入射をやめさせたい場合がある。ＦＴ型ＣＣＤでは光電変換出力１１６の転送路として光電変換部１１１そのものを用いるため、転送中に光が入射すると光電変換出力１１６そのものが変化してしまうからである。このような場合には、本撮像ユニットと別体でシャッタ装置を設けてもよいし、または前述したように、ステップＳ１０６の撮影終了と同時に完全遮光になるように、本撮像ユニットの遮光デバイス１１７をシャッタとして用いてもよい。前者ならば遮光デバイス１１７の制御が簡単になり、後者ならば別体のシャッタが不要となる。
【０１０５】
ステップＳ１０４での撮影時の遮光量計算の際に、前述した図６で説明するように、第１の露光結果から、入射光量が少ない（つまり、暗い）と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い（つまり、明るい）と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部１１１が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。
【０１０６】
なお、遮光量算出部１２１に入力される遮光量算出部制御信号１２５は、算出のタイミング等を制御する信号が主であるが、遮光量算出の対象となる画素１１０の情報、例えば撮像素子１００のチップ上の位置やフィルタ色等の情報を含めてもよい。これらの情報に基づいて遮光量を算出すれば、撮影画面上の部分的な露光制御やカラーバランス補正処理の簡略化が可能となる。
【０１０７】
また、本実施の形態においては、２回目以降の撮影動作においては、ステップＳ１０２の処理を省略して、前回の撮影時の遮光量のままで第１の露光を行うことも可能である。この場合、遮光部材１１２の制御を２度しなくてよいので、更なる高速化が可能である。
【０１０８】
次に、本発明における撮像ユニットの第２の実施の形態について、撮像装置を例に図１５、図１６および図１７を用いて説明する。
【０１０９】
図１５は、撮像素子１００の１つの画素１１０に注目した時の撮像装置１の回路ブロック図で、撮像ユニット１０と、撮像制御部として機能する撮像装置制御部１４０とを有する。
【０１１０】
まず、図１５においては、図１０と同様に、画素１１０に入射光量を検知する入射光量検知部１３１が備えられている。入射光量検知部１３１は、遮光部材１１２によって遮光されない位置に配置されていればよく、画素１１０上であってもよいし、遮光部材１１２上に設けられていてもよい。入射光量検知部１３１の入射光量出力１３２は遮光量算出部１２１に入力される。
【０１１１】
また、図１３で説明したと同様に、画素１１０毎に、図１５に破線で示した遮光量を記憶する遮光量記憶部１２８を追加して設けてもよい。この効果も、前述した図１３の説明と同じである。さらに、図１５に破線で示したように光電変換部１１１の光電変換出力１１６を遮光量算出部１２１に入力し、入射光量検知部１３１の入射光量出力１３２ではなく、光電変換出力１１６を用いて遮光量を算出してもよい。この場合の動作は、図１３および図１４に示したものと同じである。
【０１１２】
次に、図１６を用いて図１５に示した撮像装置１における遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを説明する。図１６は、第２の実施の形態における撮像装置１の１回の撮影操作での遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを示すフローチャートである。
【０１１３】
ステップＳ２０１では、遮光デバイス１１７の制御について、第４のモードが選択されているか否かが判断される。第４のモードが選択されている場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）、ステップＳ２０３で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で入射光量検知部１３１の露光を行い、ステップＳ２０４（第４の算出モード）で、ステップＳ２０３における入射光量検知部１３１の露光による入射光量出力１３２を基に遮光量算出部１２１で撮影時の遮光量を算出し、ステップＳ１０５に進む。以降の処理は図１４に示したものと同じであり、説明を省略する。
【０１１４】
次に、ステップＳ２０１で第４のモードが選択されていない場合（ステップＳ２０１；ＮＯ）、ステップＳ２１１で第５のモードが選択されているか否かが判断される。第５のモードが選択されている場合（ステップＳ２１１；ＹＥＳ）、ステップＳ２１３で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で入射光量検知部１３１の露光を行い、ステップＳ２１４（第５の算出モード）で、ステップＳ２１３における入射光量検知部１３１の露光による入射光量出力１３２を基にＣＰＵ１４２で撮影時の遮光量を計算し、ステップＳ１１５に進む。以降の処理は図１４に示したものと同じであり、説明を省略する。
【０１１５】
ステップＳ２１１で第５のモードが選択されなかった場合（ステップＳ２１１；ＮＯ）は図１４と同様に第３のモードでの制御になるが、これについては、図１４と同一であるので、説明を省略する。
【０１１６】
第４のモードは、図１３で示した第１のモードと同様に、撮像ユニット１０上の遮光量算出部１２１によって、入射光量出力１３２を基に遮光量算出が行われ（第４の算出モード）、算出された遮光量制御値１２２が遮光制御部１２３に入力され、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４によって遮光駆動部１１３が駆動されて、遮光部材１１２の遮光量が制御される。
【０１１７】
第５のモードは、図１３で示した第２のモードと同様に、ＣＰＵ１４２によって、インターフェース１４３に入力された入射光量出力１３２を基に遮光量算出が行われ（第５の算出モード）、算出された第２の遮光量制御値１５２がインターフェース１４３を介して遮光制御部１２３に入力され、遮光制御部１２３の遮光制御出力１２４によって遮光駆動部１１３が駆動されて、遮光部材１１２の遮光量が制御される。つまり、ＣＰＵ１４２は遮光量算出部として機能する。
【０１１８】
次に、図１７を用いて遮光デバイス１１７の駆動制御のタイミングを説明する。図１７は、図１６に示したフローチャートの、第４と第５のモードでの動作タイミングを示すタイミングチャートである。なお、図１３乃至図１６と同一の部分には同符号を付してその説明を省略する。
【０１１９】
ステップＳ２０１で第４のモードが選択されている場合、入射光量検知部１３１は、ステップＳ２０３で入射光量を検知し、入射光量出力１３２を遮光量算出部１２１に送信する。遮光量算出部１２１は、ステップＳ２０４で、入射光量出力１３２を基に遮光量を算出し、遮光制御部１２３と出力回路１２６に遮光量制御値１２２を送信する。遮光量制御部１２３は、ステップＳ１０５で、遮光量制御値１２２を基に、遮光制御出力１２４で遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２を遮光位置に移動する。
【０１２０】
一方、光電変換部１１１は、ステップＳ１０６で撮影を行い、光電変換出力１１６を出力回路１２６に送信する。出力回路１２６は、ステップＳ１０７で、光電変換出力１１６に遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施し、ステップＳ１０８で映像信号１２７を出力する。
【０１２１】
ステップＳ２１１で第５のモードが選択されている場合、入射光量検知部１３１は、ステップＳ２１３で入射光量を検知し、入射光量出力１３２をＣＰＵ１４２に送信する。ＣＰＵ１４２は、ステップＳ２１４で、入射光量出力１３２を基に遮光量を算出し、遮光制御部１２３と出力回路１２６に第２の遮光量制御値１５２を送信する。遮光量制御部１２３は、ステップＳ１１５で、第２の遮光量制御値１５２を基に、遮光制御出力１２４で遮光駆動部１１３を駆動して、遮光部材１１２を遮光位置に移動する。以降は上述と同じであるので、説明は省略する。
【０１２２】
本実施の形態においては、１回の撮影動作（ステップＳ１０６開始からステップＳ１０８完了まで）の間に、次回の撮影のための遮光量算出と遮光部材制御を並行して実行させるようになしてある。以下、上述のように、入射光量検知部１３１を用いた遮光量算出動作と、第１の光電変換部１１１を用いた撮影動作を並行して繰り返す。
【０１２３】
これによって、図１４で示した第１の実施の形態における遮光部材１１２の駆動制御の流れでは、光電変換部１１１での撮像動作は、ステップＳ１０３あるいはステップＳ１１３の第１の露光とステップＳ１０６の撮影の２回必要なため、映像信号１２７を得るまでに時間がかかるが、本第２の実施の形態では、光電変換部１１１での撮像動作はステップ１０６での撮影のみのため、映像信号１２７を得るまでの時間が短縮できる。
【０１２４】
前述の図１４の説明と同様に、本例においても、入射光量が少ない（つまり、暗い）と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い（つまり、明るい）と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部１１１が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。
【０１２５】
さらに、図１４で示した第１の実施の形態における遮光デバイス１１７の駆動制御の流れでは、光電変換部１１１での撮像動作は、ステップＳ１０３あるいはステップＳ１１３の第１の露光とステップＳ１０６の撮影の２回必要なため、映像信号１２７を得るまでに時間がかかるが、本第２の実施の形態では、光電変換部１１１での撮像動作はステップ１０６での撮影のみのため、映像信号１２７を得るまでの時間が短縮できる。
【０１２６】
次に、本発明における撮像ユニットの第３の実施の形態について、撮像装置を例に図１８および図１９を用いて説明する。
【０１２７】
図１８は、撮像素子１００の１つの画素１１０に注目した時の撮像装置１の回路ブロック図で、図１３から、撮像ユニット１０内の遮光量算出部１２１を省略したものである。
【０１２８】
図１８では、図１３から遮光量算出部１２１が省略されているため、遮光量制御値１２２は存在しない。また、光電変換部１１１の光電変換出力１１６は出力回路１２６にのみ入力されている。また、遮光デバイス１１７の３つの制御モードの内、第１のモードは存在しない。その他は、図１３と同じである。
【０１２９】
次に、図１９を用いて図１８に示した撮像装置１における遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを説明する。図１９は、撮像装置１における１回の撮影操作での遮光デバイス１１７の駆動制御の流れを示すフローチャートである。上述したように、本発明における撮像ユニットの第１の実施の形態における遮光デバイス１１７の３つの制御モードの内、第１のモードは存在しない。つまり、図１９は、図１４から、ステップＳ１０１からステップＳ１０５を削除したものである。よって、詳細な説明は省略する。
【０１３０】
本第３の実施の形態によれば、撮像ユニット１０側に、演算機能が必要な遮光量算出部１２１を設けていないために、撮像ユニット１０の回路規模を小さくすることができ、小型化と低価格化に有利である。また、遮光量算出に撮像装置制御部１４０のＣＰＵ１４２を用いるために、高度な遮光量算出を行ったり、遮光量算出をプログラマブルにすることも可能となる。
【０１３１】
最後に、画素１１０への入射光量と遮光デバイス１１７の制御の一例を、図２０を用いて説明する。図２０は、撮像素子の画素への入射光量と、当該画素における光電変換部１１１の光電変換出力および遮光部材１１２の遮光率との関係を示すグラフである。ここに、遮光率とは、光電変換部１１１の全受光面積に対する遮光部材１１２で遮光された面積の比率であり、本発明における遮光量と同義である。
【０１３２】
入射光量と光電変換出力１１６の関係については、図６に示したように、直線的な関係で、遮光率を切り換えていくことで出力が飽和しないようにすることも可能であるが、その場合は、遮光率を切り換えることによって、異なる入射光量に対して同じ光電変換出力１１６が得られる（例えば、図６の一点鎖線で示したＶ（Ｂ０）のように）。そのために、図１３、図１５、図１８で示した回路ブロック図では、遮光量制御値１２２、あるいは第２の遮光量制御値１５２を出力回路１２６に入力して、その情報に基づき光電変換出力１１６と入射光量の関係を一義的に換算できるようにしていた。
【０１３３】
ここで、入射光量と光電変換出力の関係を一義的に決定することを考える。入射光量をＰ、遮光率をｋとすると、光電変換部１１１の受光量Ｙは、
Ｙ＝（１−ｋ）Ｐ・・・（式１）
となる。ここで、ｋを下記（式１−１）のように、
【０１３４】
【数１】
2006333439.tif 000003
【０１３５】
とすると、
【０１３６】
【数２】
2006333439.tif 000004
【０１３７】
となって、非線形の一例として、受光量Ｙと入射光量Ｐの関係が平方根の関係になり、受光量Ｙと光電変換出力の関係は一義的なので、入射光量と光電変換出力の関係が一義的に決定されるとともに、信号圧縮も行えて、ダイナミックレンジの拡大が達成できる。（式２）の関係をグラフ化したものが図２０である（但し、ａ＝１としている）。
【０１３８】
遮光部材１１２の遮光率を図２０の曲線Ａで示したように制御することで、図２０の曲線Ｂで示した光電変換出力１１６が、低輝度側では比較的急峻な立ち上がりを示し、高輝度側では圧縮されてなだらかな直線に近い単調増加のグラフとすることができる。このことから、低輝度側では、輝度の少しの変化に対して出力が大きく動いて高い感度を示し、高輝度側ではダイナミックレンジの拡大が達成できていることが分かる。
【０１３９】
上述のような方法であれば、入射光量と光電変換出力１１６の関係を一義的に決定できるので、図１３、図１５、図１８で示した、遮光量制御値１２２、あるいは第２の遮光量制御値１５２の出力回路１２６への入力は不要となる。もちろん、非線形化のための関数は、上述のものに限るものではない。上述の演算にあたっては、量子化ノイズの発生を抑えるために、できるだけ多数ビットのアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換を行うことが望ましく、撮像装置制御部１４０側での遮光量算出に好適の方法である。
【０１４０】
以上に述べたように、本発明によれば、画素上に光電変換部を遮光する遮光部材を設け、その遮光量を制御することで、ダイナミックレンジを拡大するとともに、シャッタ機能や絞り機能も備えた撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を提供することができる。
【０１４１】
尚、本発明における撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の一実施形態である撮像素子の模式図である。
【図２】列間距離の定義について説明するための画素の配列を示す模式図である。
【図３】本発明における遮光デバイスの第１の実施の形態を示す模式図である。
【図４】本発明における遮光デバイスの第２の実施の形態を示す模式図である。
【図５】本発明における遮光デバイスの第３の実施の形態を示す模式図である。
【図６】本発明における遮光とダイナミックレンジの関係を示す模式図で、横軸に入射光量（Ｂ）、縦軸に撮像出力（Ｖ）をとった光電変換特性のグラフである。
【図７】本発明における遮光デバイスの第４の実施の形態を示す模式図である。
【図８】本発明における撮像素子の第１の実施の形態を示す図で、撮像素子の１つの画素に注目した時の回路ブロック図である。
【図９】図８に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。
【図１０】本発明における撮像素子の第２の実施の形態を示す図で、撮像素子の１つの画素に注目した時の回路ブロック図である。
【図１１】図１０に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。
【図１２】本発明における遮光デバイスの動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【図１３】本発明における遮光デバイスを備えた撮像素子が適用された撮像ユニットの第１の実施の形態である撮像装置の回路ブロック図である。
【図１４】図１３に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。
【図１５】本発明における遮光デバイスを備えた撮像素子が適用された撮像ユニットの第２の実施の形態である撮像装置の回路ブロック図である。
【図１６】図１５に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。
【図１７】図１５に示した回路ブロックの動作のタイミングを示すタイミングチャートである。
【図１８】本発明における遮光デバイスを備えた撮像素子が適用された撮像ユニットの第３の実施の形態である撮像装置の回路ブロック図である。
【図１９】図１８に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。
【図２０】入射光量と光電変換出力および遮光率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１４３】
１  撮像装置
１０  撮像ユニット
１００  撮像素子
１１０  画素
１１１  光電変換部
１１２  遮光部材
１１３  遮光駆動部
１１３ａ  第１の櫛歯状電極
１１３ｂ  第２の櫛歯状電極
１１４  回転軸
１１５  支点
１１６  光電変換出力
１１７  遮光デバイス
１２１  遮光量算出部
１２２  遮光量制御値
１２３  遮光制御部
１２４  遮光制御出力
１２５  遮光量算出部制御信号
１２６  出力回路
１２７  映像信号
１２８  遮光量記憶部
１３１  入射光量検知部
１３２  入射光量出力
１４０  撮像装置制御部
１４１  バス
１４２  ＣＰＵ（中央処理装置）
１４３  インターフェース
１４４  ディスプレイ
１４５  入力部材
１４６  記憶デバイス
１５２  第２の遮光量制御値
１６１  遮光量記憶値
【図１】
2006333439.tif 000005
【図２】
2006333439.tif 000006
【図３】
2006333439.tif 000007
【図４】
2006333439.tif 000008
【図５】
2006333439.tif 000009
【図６】
2006333439.tif 000010
【図７】
2006333439.tif 000011
【図８】
2006333439.tif 000012
【図９】
2006333439.tif 000013
【図１０】
2006333439.tif 000014
【図１１】
2006333439.tif 000015
【図１２】
2006333439.tif 000016
【図１３】
2006333439.tif 000017
【図１４】
2006333439.tif 000018
【図１５】
2006333439.tif 000019
【図１６】
2006333439.tif 000020
【図１７】
2006333439.tif 000021
【図１８】
2006333439.tif 000022
【図１９】
2006333439.tif 000023
【図２０】
2006333439.tif 000024