(57)【要約】【課題】撮像画像の感度ムラを低減し、画質を向上することができるアレイセンサ、撮像装置および撮像方法の提供を図る。【解決手段】複数のセンサ素子６を含むセンサ素子アレイ(１)と、複数の前記センサ素子のそれぞれに接続された複数の信号処理回路２０を含む信号処理回路アレイ(２)と、を有するアレイセンサ(１０)であって、前記信号処理回路は、前記センサ素子の出力の積分時間(Ｔｉ)を設定する積分時間設定容量Ｃｔを含み、前記積分時間設定容量の電圧Ｖｔと、時間に対して所定の変化特性を有する基準波Ｗｒの電圧を比較して、前記センサ素子の出力の積分時間を制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセンサ素子を含むセンサ素子アレイと、
複数の前記センサ素子のそれぞれに接続された複数の信号処理回路を含む信号処理回路アレイと、を有するアレイセンサであって、
前記信号処理回路は、
前記センサ素子の出力の積分時間を設定する積分時間設定容量を含み、前記積分時間設定容量の電圧と、時間に対して所定の変化特性を有する基準波の電圧を比較して、前記センサ素子の出力の積分時間を制御する、
ことを特徴とするアレイセンサ。
【請求項２】
前記信号処理回路は、さらに、
前記センサ素子の出力による電荷を前記積分時間だけ蓄積する積分容量と、
前記センサ素子の目標となる前記積分時間を設定するための積分時間設定目標電圧を受け取って前記積分容量の電圧と比較する第１比較器と、
前記基準波の電圧が印加されたノードと前記積分時間設定容量の間に設けられた積分時間設定スイッチと、を有し、
前記積分時間設定目標電圧と前記積分容量の電圧が等しくなったとき、前記積分時間に対応した前記基準波の電圧を前記積分時間設定容量に保存する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアレイセンサ。
【請求項３】
前記積分時間設定容量に対する前記積分時間に対応した前記基準波の電圧の保存は、実際の撮像を行う前に、複数の前記センサ素子により一定の温度とされた温度板を撮像して行う、
ことを特徴とする請求項２に記載のアレイセンサ。
【請求項４】
前記基準波は、
時間の経過に対して電圧が増加するように変化する変化特性を有する、
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアレイセンサ。
【請求項５】
前記基準波は、
前記時間の経過に対して電圧レベルが一定の比率で増加する変化特性を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載のアレイセンサ。
【請求項６】
前記基準波は、
前記時間の経過に対して電圧レベルが少なくとも異なる２つの比率で増加する変化特性を有し、
前記積分時間設定目標電圧と前記積分容量の電圧が等しくなる電圧の近傍における第１比率は、それまでの時間の経過に対する第２比率よりも大きい、
ことを特徴とする請求項４に記載のアレイセンサ。
【請求項７】
前記信号処理回路は、さらに、
前記センサ素子の出力と前記積分容量の間に設けられた積分制御スイッチと、
前記積分時間設定容量の電圧と前記基準波の電圧を比較して、前記積分制御スイッチを制御する第２比較器と、を有し、
前記積分時間設定容量の電圧と前記基準波の電圧が等しくなったとき、前記積分時間が経過したとして前記積分容量に対する電荷の蓄積を停止する、
ことを特徴とする請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載のアレイセンサ。
【請求項８】
前記積分時間設定容量に保存するために使用する前記基準波の時間に対する変化特性は、前記積分時間が経過したとして前記積分容量に対する電荷の蓄積を停止するために使用する前記基準波の時間に対する変化特性と等しい、
ことを特徴とする請求項７に記載のアレイセンサ。
【請求項９】
被写体を撮像する光学系と、
前記光学系により撮像された前記被写体の像を電気信号に変換する請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載のアレイセンサと、
前記アレイセンサを制御すると共に、前記アレイセンサの出力を受け取って処理する制御系と、を有する、
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
前記制御系は、
それぞれの前記信号処理回路を介して出力される前記センサ素子の出力を読み出すセンサ信号読み出し回路と、
前記積分時間設定目標電圧を発生する積分時間設定目標電圧発生回路と、
前記基準波を発生する基準波発生回路と、を有する、
ことを特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記制御系は、さらに、
前記センサ素子の出力による電荷を強制的に前記積分容量に蓄積するための強制積分信号を発生する強制積分信号発生回路と、
画素選択信号ＣＳｐを発生する画素選択信号発生回路と、
前記積分時間の設定、および、設定された前記積分時間を使用して前記被写体の撮像において、前記積分容量を所定のリセット電圧に充電するためのリセット信号を発生するリセット信号発生回路と、
前記センサ信号読み出し回路により読み出した前記センサ素子の出力を記録するフレームバッファ回路と、を有する、
ことを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。
【請求項１２】
さらに、
前記制御系の出力を受け取って、電気信号に変換された前記被写体の像を表示する表示系を有する、
ことを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１３】
複数のセンサ素子を含むセンサ素子アレイと、複数の前記センサ素子のそれぞれに接続された複数の信号処理回路を含む信号処理回路アレイと、を有するアレイセンサを用いた撮像方法であって、
前記信号処理回路は、前記センサ素子の出力の積分時間を設定する積分時間設定容量と、前記センサ素子の出力による電荷を前記積分時間だけ蓄積する積分容量と、を含み、
前記撮像方法は、
前記センサ素子の目標となる前記積分時間を設定するための積分時間設定目標電圧を受け取って前記積分容量の電圧と比較し、
前記積分時間設定目標電圧と前記積分容量の電圧が等しくなったとき、前記積分時間に対応した、時間に対して所定の変化特性を有する基準波の電圧を前記積分時間設定容量に保存し、
前記積分時間設定容量の電圧と前記基準波の電圧が等しくなったとき、前記積分時間が経過したとして前記積分容量に対する電荷の蓄積を停止する、
ことを特徴とする撮像方法。
【請求項１４】
前記積分時間設定容量に対する、前記積分時間に対応した前記基準波の電圧の保存は、実際に撮像を行う実際の撮像期間より前の積分時間の設定期間において、複数の前記センサ素子により一定の温度とされた温度板を撮像して行う、
ことを特徴とする請求項１３に記載の撮像方法。
【請求項１５】
前記積分時間の設定期間において使用する前記基準波の時間に対する変化特性は、前記実際の撮像期間において使用する前記基準波の時間に対する変化特性と等しい、
ことを特徴とする請求項１４に記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレイセンサ、撮像装置および撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、アレイセンサ(撮像素子，イメージセンサ)を含む撮像装置として、例えば、入射する赤外線を電気信号に変換して画像信号を取得する赤外線アレイセンサを含む赤外線画像撮像装置が実用化されている。ここで、赤外線アレイセンサにおいて、赤外線を感知するセンサ素子(感光素子)としては、例えば、ＨｇＣｄＴｅ(テルル化カドミウム水銀)フォトダイオードや量子井戸型のセンサ素子などが利用される。
【０００３】
このような複数のセンサ素子を含むセンサアレイでは、例えば、各画素に相当するセンサ素子に対してそれぞれ信号処理回路が設けられているが、センサ素子のサイズは、例えば、画像の高精細化の要求に伴って小さくなり、センサ素子の出力も小さくなる。そのため、各信号処理回路は、対応するセンサ素子(画素)の出力を一定時間だけ積分容量に蓄積した後、順次読み出すようになっている。
【０００４】
しかしながら、各画素の特性にばらつきがある場合や、光学系のシェーディングの効果で全画素に均一の光量が入射しない場合等では、全画素を同じ積分時間で動作させると、均一な背景を撮像しても各画素の積分容量に蓄積される信号量にばらつきが生じる。
【０００５】
また、撮像装置の画素全体で一定のダイナミックレンジを確保しようとした場合、同じ積分時間を適用すると、最も信号量の大きい画素に積分時間を合わせる必要があり、信号量の少ない画素ではＳ／Ｎ比を十分に確保できない虞がある。すなわち、画素を単独のセンサとして使用した場合に比べて、撮像装置全体のＳ／Ｎ比が低下するといった問題が生じる虞がある。
【０００６】
ところで、従来、センサ素子の出力のばらつきの影響を低減して、得られる画像の品質を向上させるようにした撮像装置として、様々な提案がなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２５１８８８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９９３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、例えば、赤外線画像撮像装置において、同じ積分時間を適用して撮像すると、撮像装置全体のＳ／Ｎ比が低下するといった問題がある。
【０００９】
また、例えば、チップ全体において、感光材料として用いられる化合物半導体材料の均一性を向上させることは難しく、大面積のチップを用いたアレイセンサにおいて、構成するセンサ素子間の感度にばらつきが生じてしまう。その結果、アレイセンサ(および、アレイセンサを使用した撮像装置)によって撮像された画像に感度ムラが生じ、画質が低下する虞がある。
【００１０】
そこで、画素ごとに異なる積分時間を適用することが考えられるが、画素数の多いセンサ素子アレイでは単純に配線すると画素ごとの積分時間調を整用するための信号線が莫大な数になるため、実現することは困難である。
【００１１】
また、画素ごとに適正な積分時間が違う場合の対策として、例えば、連続して撮像する画像フレームごとに積分時間を変化させて撮像する。そして、撮像後のデータ処理で複数のフレーム画像からそれぞれの画素に適正な積分時間で撮像されたデータをモザイク状に組み合わせることで、１枚の画像を生成することも考えられる。しかしながら、この手法を適用すると、例えば、動画として得られる画像データのフレームレートが著しく低下するといった問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施形態によれば、複数のセンサ素子を含むセンサ素子アレイと、複数の前記センサ素子のそれぞれに接続された複数の信号処理回路を含む信号処理回路アレイと、を有するアレイセンサが提供される。
【００１３】
前記信号処理回路は、前記センサ素子の出力の積分時間を設定する積分時間設定容量を含み、前記積分時間設定容量の電圧と、時間に対して所定の変化特性を有する基準波の電圧を比較して、前記センサ素子の出力の積分時間を制御する。
【発明の効果】
【００１４】
開示のアレイセンサ、撮像装置および撮像方法によれば、撮像画像の感度ムラを低減し、画質を向上することができるという効果を奏する。また、開示のアレイセンサ、撮像装置および撮像方法によれば、動画として得られる画像データのフレームレートを低下させることなく、画素ごとに最適な積分時間で撮像することができるという効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、アレイセンサの一例を模式的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示すアレイセンサにおける信号処理回路の一例を説明するための図である。
【図３】図３は、信号処理回路の一実施例を示す回路図である。
【図４】図４は、図３に示す信号処理回路における積分時間設定時の動作を説明するための図である。
【図５】図５は、図３に示す信号処理回路における撮像時の動作を説明するための図である。
【図６】図６は、撮像装置の一実施例を示すブロック図である。
【図７】図７は、図６に示す撮像装置の動作シーケンスを説明するための図である。
【図８】図８は、本実例の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、アレイセンサ、撮像装置および撮像方法の実施例を詳述する前に、アレイセンサおよび信号処理回路の例およびその課題を、図１および図２を参照して説明する。図１は、アレイセンサの一例を模式的に示す図である。
【００１７】
図１に示されるように、アレイセンサ１０は、例えば、可視光や赤外線(InfraRed：ＩＲ)の撮像デバイスで、複数のセンサ素子(感光素子)を備えるセンサ素子アレイ１、および、各センサ素子に接続された信号処理回路を要素とする信号処理回路アレイ２を含む。ここで、センサ素子アレイ１と信号処理回路アレイ２は、導電性の金属バンプ(例えば、Ｉｎバンプ)３を介して電気的に接続される。
【００１８】
センサ素子アレイ１は、入力光に応答して電気信号(信号電流)を生成する複数の光電変換素子(センサ素子)が格子状に形成された光電変換素子アレイ(二次元センサアレイ)であり、例えば、入射する赤外線(ＩＲ)を電気信号に変換して画像信号を取得する。なお、図１は、センサ素子(６)および信号処理回路(２００)が格子状に配列されたマトリクスアレイセンサを示すが、後述する本実施例の適用は、センサ素子および処理回路が直線状に配列されたリニアアレイセンサ(一次元センサアレイ)であってもよい。
【００１９】
赤外線センサ素子アレイ１は、ＨｇＣｄＴｅ基板上に複数のＨｇＣｄＴｅフォトダイオードを形成したものでもよいが、例えば、ＧａＡｓ(ガリウム砒素)基板上に量子井戸型のセンサ素子を形成したものでもよい。具体的に、量子井戸型の赤外線センサ素子アレイ１としては、ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＡｓ下側コンタクト層、ＡｌＧａＡｓ(アルミニウムガリウム砒素)／ＧａＡｓ多重量子井戸(ＭＱＷ：Multi Quantum Well)層、表面に光結合器用の回折格子溝を有するｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層、ｎ−ＧａＡｓ上側コンタクト層上に形成されたオーミック電極、表面に形成された光結合器の一部となるミラー電極、ミラー電極上に形成されたバンプ下地電極を備え、素子分離溝によって行列状に分離されたものを適用することができる。なお、後述する本実施例の適用は、赤外線のアレイセンサ１０に限定されないのはもちろんである。
【００２０】
図２は、図１に示すアレイセンサにおける信号処理回路の一例を説明するための図であり、画素(光センサ：赤外線センサ素子)６に対してそれぞれ設けられる信号処理回路２００の一例を示すものである。上述したように、アレイセンサ１０において、センサ素子アレイ１に設けられた複数のセンサ素子(光センサ)６は、例えば、金属バンプ３を介して、信号処理回路アレイ２に設けられた複数の信号処理回路２００にそれぞれ接続される。すなわち、複数の光センサ６を含むセンサアレイでは、例えば、各画素に相当する光センサ６(センサ素子)に対してそれぞれ信号処理回路２００が設けられ、光センサ６の出力を一定時間だけ積分容量Ｃｉに蓄積した後、順次読み出すようになっている。
【００２１】
すなわち、図２に示されるように、信号処理回路２００は、スイッチＳＷｓ，ＳＷｒ，ＳＷｐ、トランジスタ(積分トランジスタ)Ｔｒ、容量(積分容量)Ｃｉを含む。スイッチＳＷｓは、光センサ６とトランジスタＴｒ(例えば、ｎチャネル型ＭＯＳ(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタのソース)の間に設けられ、積分開始信号ＣＳｓによりオン／オフ制御される。
【００２２】
スイッチＳＷｒ(リセット制御スイッチ)は、所定のリセット電圧Ｖｒが与えられた配線(例えば、高電圧電源線)とトランジスタＴｒ(例えば、ｎＭＯＳトランジスタのドレイン)の間に設けられ、リセット制御信号ＣＳｒによりオン／オフ制御される。そして、スイッチＳＷｐ(画素選択スイッチ)は、トランジスタＴｒ(例えば、ｎＭＯＳトランジスタのドレイン)と出力回路(図示しない)の間に設けられ、画素選択信号ＣＳｐによりオン／オフ制御される。
【００２３】
積分容量Ｃｉには、例えば、リセット制御信号ＣＳｒによりスイッチＳＷｒがオンしてリセット電圧Ｖｒを格納(充電)した後、スイッチＳＷｒがオフし、積分開始信号ＣＳｓによりスイッチＳＷｓがオンする。これにより、積分容量Ｃｉには、スイッチＳＷｓおよび積分トランジスタＴｒを介して、光センサ６の出力が与えられ、積分容量Ｃｉに蓄積される。
【００２４】
なお、積分開始信号ＣＳｓは、光センサ６の出力を積分容量Ｃｉに蓄積する時間を規定するもので、全ての信号処理回路２００に対して共通に与えられる。このようにして、各光センサ６(画素)に設けられた信号処理回路２００の積分容量Ｃｉに蓄積された信号(積分容量Ｃｉの電圧Ｖｃｉ)は、画素選択信号ＣＳｐにより制御されるスイッチＳＷｐを介して順に読み出される。
【００２５】
ところで、それぞれの光センサ６は、例えば、材料的に不安定な物質を使用するため、或いは、光学系のシェーディング効果等により、全ての光センサ６を同じ積分時間で動作させると、均一な背景を撮像しても積分容量Ｃｉの出力にばらつきが生じる。具体的に、図１では、例えば、出力が適正、出力が低い、および、出力が高い画素を想定している。
【００２６】
このとき、全ての画素に対して与える一定の積分時間は、最も信号量の大きい画素(最も出力が高い画素)に合わせて積分時間を設定することになるため、信号量の少ない画素(出力が低い画素)ではＳ／Ｎ比を十分に確保できないことになる。すなわち、出力が低い画素において、蓄積した信号量は、積分容量Ｃｉの総量のわずかな部分になるため十分なＳ／Ｎ比を確保するのが難しくなる。
【００２７】
これは、高いダイナミックレンジが求められるが、材料的に不安定な物質をセンサ素子として使うことが多い熱赤外線や紫外線センサを利用した撮像装置で特に大きな問題になる。なお、以下に説明する本実施例の適用は、これらの赤外線画像撮像装置等に限定されるものではない。また、本実施例の適用は、光センサ(センサ素子)６および信号処理回路(２０)が格子状に配列されたマトリクスアレイセンサに限定されず、例えば、光センサおよび処理回路が直線状に配列されたリニアアレイセンサであってもよいのは前述した通りである。
【００２８】
以下、アレイセンサ、撮像装置および撮像方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。図３は、信号処理回路の一実施例を示す回路図である。図３に示されるように、本実施例の信号処理回路２０は、図２を参照して説明した信号処理回路２００に対して、２つの比較器(コンパレータ)ＣＭＰ１，ＣＭＰ２、積分時間設定容量Ｃｓｔ、スイッチＳＷｔおよび論理和回路(オアゲート)ＯＲが追加されている。なお、スイッチＳＷｓ，ＳＷｒ，ＳＷｐ、積分トランジスタＴｒおよび積分容量Ｃｉは、信号処理回路２００におけるものと同様であり、その説明は省略する。
【００２９】
コンパレータ(第１比較器)ＣＭＰ１は、積分時間の設定時に使用され、その一方の入力には、積分時間を設定するための目標となる電圧(積分時間設定目標電圧)Ｖｐが入力され、その他方の入力は、積分容量Ｃｉの電圧(出力電圧)Ｖｃｉが入力されている。そして、スイッチ(積分時間設定スイッチ)ＳＷｔは、コンパレータＣＭＰ１の出力信号ＣＳ１によりオン／オフ制御され、これにより、積分時間設定容量Ｃｔに格納される電圧レベルが決められる。
【００３０】
すなわち、スイッチＳＷｔは、時間に対して所定の変化特性を有する基準波Ｗｒの電圧が印加されたノードと積分時間設定容量Ｃｔの間に設けられている。コンパレータＣＭＰ１は、積分時間設定目標電圧Ｖｐと積分容量Ｃｉの電圧Ｖｉが等しくなったとき、スイッチＳＷｔをオンして、積分時間Ｔｉに対応した基準波Ｗｒの電圧を積分時間設定容量Ｃｔに保存する。ここで、基準波Ｗｒは、例えば、時間の経過に対して電圧レベルが一定の比率で増加する特性を有するノコギリ波を適用することができ、信号ＣＳ１によりスイッチＳＷｔがオンするタイミングの電圧レベルが積分時間設定容量Ｃｔに格納されるようになっている。
【００３１】
なお、基準波Ｗｒの波形としては、例えば、図３に示す信号処理回路２０を適用する場合、時間に対して電圧レベルが増加する変化特性を有していればよく、電圧レベルが一定の比率で増加するノコギリ波でなくてもよい。ただし、撮像時においては、積分時間設定容量Ｃｔに格納される電圧レベルから撮像時間を求めることになるため、積分時間設定時に用いた基準波Ｗｒと同じ波形のものを再現して使用することになる。すなわち、基準波Ｗｒとしては、再現可能な波形であることが求められる。
【００３２】
コンパレータ(第２比較器)ＣＭＰ２は、実際の撮像時に、光センサ６に適した積分時間により、その光センサ６の出力を積分容量Ｃｉに与えて蓄積する動作を行わせるために使用される。コンパレータＣＭＰ２の一方の入力には、基準波Ｗｒが入力され、コンパレータＣＭＰ２の他方の入力には、積分時間設定容量Ｃｔの電圧(出力電圧)Ｖｔが入力されている。
【００３３】
そして、スイッチＳＷｓは、オアゲートＯＲを介したコンパレータＣＭＰ２の出力信号ＣＳ２によりオン／オフ制御され、これにより、光センサ６の出力を、その光センサ６に適した積分時間だけ、積分容量Ｃｉに与えて蓄積させることができる。なお、オアゲートＯＲには、強制積分信号ＣＳｆも入力され、スイッチＳＷｓは、コンパレータＣＭＰ２の出力信号ＣＳ２および強制積分信号ＣＳｆの論理和によりオン／オフ制御されるようになっている。
【００３４】
図４は、図３に示す信号処理回路における積分時間設定時(積分時間の設定期間)の動作を説明するための図であり、図５は、図３に示す信号処理回路における撮像時(実際の撮像期間)の動作を説明するための図である。また、図６は、撮像装置の一実施例を示すブロック図であり、本実施例のセンサ素子アレイを適用した赤外線画像撮像装置の一例を示すものである。
【００３５】
まず、各画素(センサ素子，光センサ６)に対する積分時間の設定を行う場合、アレイセンサ１０(センサ素子アレイ１)に対して均一な光を入射させる。例えば、図６に示す赤外線画像撮像装置において、全ての部分が一定の温度とされた温度板１１を光学系(レンズ)１２の前面に移動させる。そして、その一定の温度とされた温度板１１(基準画像)を、光学系１２を介してアレイセンサ１０により撮像する。この際、入射させた光に対するセンサ素子アレイ(光センサ６)の出力の目標値を積分時間設定目標電圧Ｖｐとして外部から与える。
【００３６】
図４に示されるように、タイミングＰ１０で、リセット信号ＣＳｒにより積分容量Ｃｉをリセット電圧Ｖｒに充電した後、タイミングＰ１１で、強制積分信号ＣＳｆの入力と同時に、基準波(ノコギリ波)Ｗｒの電圧を０Ｖから時間に対して一定の比率で増加する。これにより、積分容量Ｃｉから光センサ６に電流が流れ始め、積分容量Ｃｉに蓄積した電圧Ｖｃｉ(＝Ｖｒ)が徐々に低下する。
【００３７】
各画素(光センサ６)について、積分容量Ｃｉの電圧Ｖｃｉが積分時間設定目標電圧Ｖｐに等しくなると、コンパレータＣＭＰ１が動作し、積分時間設定容量Ｃｔの電圧Ｖｔとして、ＶｃｉとＶｐが同じになった時点のノコギリ波Ｗｒの電圧を格納する。すなわち、積分時間設定容量Ｃｔは、ノコギリ波ＷｒにおけるタイモングＰ１２の電圧を保持する。この後、積分時間設定目標電圧Ｖｐの電圧を、リセット時に積分容量Ｃｉに加わる電圧よりも高く設定し続けることにより、積分時間設定容量Ｃｔの電圧Ｖｔはそのまま維持される。
【００３８】
ここで、上述した積分時間設定容量Ｃｔに対してＶｃｉとＶｐが同じになったタイミングＰ１２のノコギリ波Ｗｒの電圧を保持する処理は、全ての光センサ６(全ての信号処理回路２０)で行われる。これにより、各画素の光センサ６に流れる電流にばらつきがあっても、目標とする各画素の出力電圧を得ることができる適正な積分時間Ｔｉ(Ｐ１１とＰ１２の間の時間)がそれぞれの積分時間設定容量Ｃｔに電圧として格納される。すなわち、それぞれの光センサ６に適した積分時間が、ノコギリ波Ｗｒの波形を経由して電圧Ｖｔとして積分時間設定容量Ｃｔに保持されることになる。なお、図４を参照して説明した積分時間の設定処理は、実際に撮像を行う前の電源投入時の初期処理として行ってもよいが、例えば、所定の時間間隔で行うこともできる。
【００３９】
次に、図４を参照して説明したようにして積分時間の設定処理を行った後における、撮像時の動作を、図５を参照して説明する。ここで、積分時間設定目標電圧Ｖｐは、リセット時に積分容量Ｃｉに印加される電圧Ｖｒよりも常に高く設定され、積分時間設定容量Ｃｔの電圧Ｖｔは、それぞれの画素(光センサ６)で常に一定であるものとする。さらに、１フレームの撮像終了後、ノコギリ波(基準波)Ｗｒの電圧は、最も高い電圧に維持されているものとする。
【００４０】
図５に示されるように、タイミングＰ２０で、リセット信号ＣＳｒにより積分容量Ｃｉをリセット電圧Ｖｒに充電した後、タイミングＰ２１で、ノコギリ波Ｗｒの電圧を０Ｖから時間に対して一定の比率で増加する。ここで、図５に示すノコギリ波Ｗｒの波形は、図４に示すノコギリ波Ｗｒの波形と同一である。
【００４１】
コンパレータＣＭＰ２は、例えば、積分時間設定容量Ｃｔの電圧Ｖｔがノコギリ波Ｗｒの電圧よりも高い時のみ(Ｐ２１からＰ２２の期間)、スイッチ(積分制御スイッチ)ＳＷｓをオンさせる。これにより、各画素に対して、設定した電圧Ｖｔまでノコギリ波Ｗｒの電圧が上昇する期間(積分期間Ｔｉ)、積分容量Ｃｉから光センサ６に電流が流れ、入射した光の強さに対応する光センサ６の抵抗値変化が電圧として積分容量Ｃｉに記録される。
【００４２】
さらに、ノコギリ波Ｗｒの電圧が所定の電圧まで上昇して一定値(タイミングＰ２３)になると、全ての画素の積分が終わる。その後、タイミングＰ２４から、画素選択信号ＣＳｐを順に入力してスイッチＳＷｐを制御して、映像信号の読み出し、すなわち、各画素の積分容量Ｃｉの電圧Ｖｃｉの測定を行い、センサ素子アレイ１の全ての光センサ６の出力から画像を生成する。図５において、タイミングＰ２０〜Ｐ２５の期間が１フレーム時間に対応し、同様の処理を繰り返すことで、複数フレームによる動画像を生成することができる。
【００４３】
以上、説明したように、本実施形態によれば、配線量を著しく増加させることなく、それぞれの画素に対して適切な積分時間で撮像することができ、撮像画像の感度ムラを低減し、画質を向上することが可能になる。また、本実施形態によれば、画素自体によるＳ／Ｎ比を犠牲にすることなく、撮像装置全体でのダイナミックレンジを確保することが可能になる。さらに、本実施形態によれば、動画として得られる画像データのフレームレートを低下させることなく、画素ごとに最適な積分時間で撮像することもできる。
【００４４】
図６に示されるように、本実施例のアレイセンサ１０を適用した赤外線画像撮像装置の一例は、さらに、温度板１１、光学系(レンズ)１２、アレイセンサ１０を制御する制御系(制御装置)４、および、表示系(モニタ)５を含む。光学系１２は、被写体(図示しない)を撮像してアレイセンサ１０(センサ素子アレイ１)上に結像し、光学系１２により撮像された被写体の像は、アレイセンサ１０(信号処理回路アレイ２)により電気信号に変換されて制御系４に入力される。なお、図６は、本実施形態の撮像装置に関連する構成を示し、例えば、アレイセンサ１０を駆動する駆動回路、Ａ／Ｄ変換器および演算回路等は省略されているが、これらは、知られている様々な回路を適用することができる。
【００４５】
アレイセンサ１０(センサ素子アレイ１)の受光面には、入射する光を結像させるための光学系１２が設けられ、光学系１２の受光面には均一な温度面を発生できる温度板１１が移動可能として配置されている。すなわち、温度板１１は、温度板駆動機構により光学系光路に出し入れできるようになっていて、光学系１２の前面に移動させて温度板１１による標準となる画像(基準画像)を撮像し、各画素の積分時間の設定に使用する。
【００４６】
アレイセンサ１０は、センサ素子アレイ１および信号処理回路アレイ２を含み、センサ素子アレイ１は、複数の光センサ６を含み、そして、各光センサ６には、信号処理回路アレイ２における信号処理回路２０がそれぞれ接続されている。なお、赤外線画像撮像装置のアレイセンサ(赤外線アレイセンサ)１０におけるセンサ素子(光センサ６)としては、例えば、、ＨｇＣｄＴｅ(テルル化カドミウム水銀)フォトダイオードや量子井戸型のセンサ素子などが利用される。また、各光センサ６は、一次元(リニアアレイセンサ)または二次元(マトリクスアレイセンサ)として配置され、それぞれの画素(光センサ６)には、図３を参照して説明した信号処理回路２０が接続されている。
【００４７】
制御系４は、制御回路４０、センサ信号読み出し回路４１、積分時間設定目標電圧発生回路４２、強制積分信号発生回路４３、画素選択信号発生回路４４、ノコギリ波信号発生回路４５、リセット信号発生回路４６およびフレームバッファ回路４７を含む。センサ信号読み出し回路４１は、それぞれの信号処理回路２０を介して出力される光素子６の出力を読み出し、デジタル信号に変換してフレームバッファ回路４７に出力する。
【００４８】
また、積分時間設定目標電圧発生回路４２は、積分時間設定目標電圧Ｖｐを発生し、強制積分信号発生回路４３は、強制積分信号ＣＳｆを発生する。さらに、画素選択信号発生回路４４は、画素選択信号ＣＳｐを発生し、ノコギリ波信号発生回路４５は、ノコギリ波(基準波)Ｗｒを発生し、そして、リセット信号発生回路４６は、リセット信号ＣＳｒを発生する。ここで、制御回路４０は、制御系４における各回路４１〜４７の制御を行う。このようにして発生された各種信号を使用して、図４および図５を参照して説明した処理を行い、それぞれの画素に対して適切な積分時間を設定して撮像する。そして、撮像された画像は、フレームバッファ回路４７に格納され、１フレームごと読み出して表示系５に表示される。なお、図６に示す撮像装置は、単なる例であり、様々な変更および変形が可能なのはいうまでもない。
【００４９】
図７は、図６に示す撮像装置の動作シーケンスを説明するための図であり、前述した図４および図５を参照して説明した動作をまとめて概略的に示すものである。すなわち、図７における積分時間設定処理は、図４を参照して説明した信号処理回路２０における積分時間設定時の動作に対応する。また、図７における１フレーム目の期間および２フレーム目の期間における撮像期間(実際の撮像期間)は、それぞれ図５を参照して説明した信号処理回路２０における撮像時の動作に対応し、それぞれ読み出し期間が追加されている。
【００５０】
１フレーム目の期間において、撮像期間の後に、例えば、ある画素１に対応する画素選択信号ＳＣｐ１を入力してその画素１の撮像データを読み出し、さらに、他の画素２に対応する画素選択信号ＳＣｐ２を入力してその画素２の撮像データを読み出す。同様に、２フレーム目の期間において、撮像期間の後に、例えば、画素１に対応する画素選択信号ＳＣｐ１を入力して画素１の撮像データを読み出し、さらに、画素２に対応する画素選択信号ＳＣｐ２を入力して画素２の撮像データを読み出す。また、タイミングＰ３０で示されるように、積分容量Ｃｉの電圧Ｖｃｉが積分時間設定目標電圧Ｖｐに等しくなった時点のノコギリ波Ｗｒの電圧を積分時間設定容量Ｃｔに格納した後、Ｖｐの電圧をＣｉに加わる電圧よりも高く設定し続ける様子が示されている。
【００５１】
すなわち、図７に示されるように、撮像装置の動作シーケンスは、まず、温度板１１を光路内に移動した後、積分時間設定目標電圧Ｖｐを一定の電圧とし、リセット信号ＣＳｒにより、積分容量Ｃｉに既定の電圧(Ｖｒ)を充電後、強制積分信号ＣＳｆを入力する。これと同時に、ノコギリ波Ｗｒの電圧を一定速度で増加させ、各画素内(信号処理回路２０)の積分時間設定容量Ｃｔに適正な電圧(ＶｃｉがＶｐに等しくなった時点のＷｒの電圧)を格納する。この時点(Ｐ３０)で、積分時間設定目標電圧Ｖｐの電圧値をリセット時に積分容量Ｃｉに蓄積される電圧Ｖｃｉよりも高い電圧に設定する。これにより、積分時間設定容量Ｃｔの電圧Ｖｔの値は、その後変化しなくなる。
【００５２】
その後は、１フレームごとの撮像と、撮像された画像データの読み出しを繰り返し行う(１フレーム目の期間，２フレーム目の期間，…)ことになる。リセット信号ＣＳｒにより積分容量Ｃｉに一定の電圧(Ｖｒ)を蓄積した後、ノコギリ波Ｗｒの電圧を一定速度で増加させることで、各画素の撮像を、それぞれの画素に適した積分時間(Ｔｉ)で行う。ここで、積分時間設定期間で使用するノコギリ波Ｗｒの波形は、それぞれのフレームの撮像期間で使用するノコギリ波Ｗｒの波形と同一であることが求められる。
【００５３】
そして、ノコギリ波Ｗｒの電圧が一定電圧に達して撮像期間が終了した後、各画素に対して画素選択信号ＣＳｐ(ＣＳｐ１，ＣＳｐ２)を逐次入力し、その際に出力されるアレイセンサ１０(信号処理回路２０)の出力をセンサ信号読み出し回路４１で読み出す。センサ信号読み出し回路４１は、各画素に対応する信号処理回路２０の出力をデジタル信号に変換し、フレームバッファ回路４７における対応する画像位置に記録する。フレームバッファ回路４７に記録された画像情報は、表示系５に出力されて表示される。
【００５４】
図８は、本実例の変形例を説明するための図である。ここで、図８(a)は、時間の経過に対して電圧レベルが一定の比率で増加する変化特性を有するノコギリ波を示し、図８(b)は、時間の経過に対して電圧レベルが異なる２つの比率で増加する変化特性を有する波形を示す。
【００５５】
すなわち、図８(a)に示すノコギリ波(基準波)Ｗｒは、図４を参照して説明した積分時間の設定を行う期間(ＰＰ１およびＰＰ２)において、時間の経過に対して電圧レベルが一定の比率ｒ０で増加する変化特性を有している。
【００５６】
これに対して、図８(b)に示す基準波Ｗｒ’は、図４を参照して説明した積分時間の設定を行う期間(ＰＰ１およびＰＰ２)において、時間の経過に対して電圧レベルが異なる２つの比率ｒ１，ｒ２で増加する変化特性を有している。ここで、基準波Ｗｒ’において、積分時間設定目標電圧Ｖｐと積分容量Ｃｉの電圧が等しくなる電圧の近傍における比率(第１比率)ｒ１は、それまでの時間の経過に対する比率(第２比率)ｒ２よりも大きくされ、電圧レベルが急激に変化するようになっている。この急激に変化する部分(期間ＰＰ１)において、積分時間設定容量Ｃｔに適正な積分時間に相当する電圧(ＶｃｉがＶｐに等しくなった時点のＷｒ’の電圧)を格納するため、積分時間設定の時間分解能を向上させることが可能になる。
【００５７】
なお、基準波の波形としては、例えば、図３に示す信号処理回路２０を適用する場合、時間に対して電圧レベルが増加する変化特性を有していればよく、電圧レベルが一定の比率で増加するノコギリ波(図８(a)の波形Ｗｒ)でなくてもよい。例えば、基準波の波形としては、図８(b)に示すような時間の経過に対して電圧レベルが異なる比率で増加する波形Ｗｒ’、さらには、曲線的な波形であってもよい。なお、信号処理回路２０を変形することにより、時間に対して電圧レベルが減少する変化特性を有する変化特性の基準波を適用することも可能なのはいうまでもない。すなわち、基準波としては、時間に対する電圧レベルの変化が積分時間設定期間と、それぞれのフレームの撮像期間で、再現性のある同一の波形を有していることが求められる。このように、本実施形態によれば、例えば、特性が均一でないアレイセンサを用いても、各画素に適正な積分時間を個別に設定することが可能なため、センサ素子アレイ全体のダイナミックレンジを大きくとることが、製造歩留りを向上させることができる。
【００５８】
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５９】
１    センサ素子アレイ(赤外線センサ素子アレイ)
２    信号処理回路アレイ
３    導電バンプ
４    制御系(制御装置)
５    表示系(表示装置)
６    センサ素子(赤外線センサ素子，光センサ，画素)
１０    アレイセンサ(赤外線アレイセンサ，撮像素子，イメージセンサ)
１１    温度板
１２    光学系(レンズ)
２０，２００    信号処理回路
４０    制御回路
４１    センサ信号読み出し回路
４２    積分時間設定目標電圧発生回路
４３    強制積分信号発生回路
４４    画素選択信号発生回路
４５    ノコギリ波信号発生回路
４６    リセット信号発生回路
４７    フレームバッファ回路
ＣＭＰ１，ＣＭＰ２    コンパレータ(比較器)
Ｃｉ    積分容量
ＣＳｆ    強制積分信号
ＣＳｐ    画素選択信号
ＣＳｒ    リセット制御信号
ＣＳｓ    積分開始信号
Ｃｔ    積分時間設定容量
ＯＲ    論理和回路(オアゲート)
ＳＷｐ    画素選択スイッチ
ＳＷｒ    リセット制御スイッチ
ＳＷｓ    積分制御スイッチ
Ｔｒ    トランジスタ(積分トランジスタ)
Ｔｉ    積分時間
Ｗｒ，Ｗｒ’    基準波(ノコギリ波)
【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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