(57)【要約】【課題】より簡単に、HDR画像を生成することができるようにする。【解決手段】固体撮像素子は、画素のフォトダイオードPDで生成された電荷を保持する高感度FD４０H及び低感度FD４０Lと、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lとの接続をオンオフするFD接続トランジスタと、画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lを接続させる制御を行う飽和検知回路とを備える。本技術は、例えば、ダイナミックレンジを拡大したHDR画像を生成する固体撮像素子等に適用できる。【選択図】図２
2019022173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、
前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、
前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う制御回路と
を備える固体撮像素子。
【請求項２】
前記第１の電荷保持部の電荷容量は、前記第２の電荷保持部の電荷容量より小さく形成され、
前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧の一致が検出されるまでは、前記第１の電荷保持部で前記電荷が保持される構成とされた
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項３】
前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧を比較するコンパレータをさらに備え、
前記制御回路は、前記光電変換部で生成された電荷を前記第１の電荷保持部に転送する電荷転送期間の一部を、前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧の一致を検出する第１検知期間とし、前記コンパレータの比較結果に基づいて、前記電圧の一致を検出する
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項４】
前記ランプ信号の電圧を、前記第１の電荷保持部の飽和レベルに対応する電圧に設定するDACをさらに備える
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項５】
前記DACは、前記電荷転送期間の前半部分において、前記ランプ信号の電圧を、前記第１の電荷保持部の飽和レベルに対応する電圧に設定する
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項６】
前記DACは、前記第１の電荷保持部の飽和レベルに対応する電圧を、動作モードに応じて変更する
請求項４に記載の固体撮像素子。
【請求項７】
前記制御回路は、前記第１検知期間において前記電圧の一致が検出されたとき、一致したことを示す検知結果をラッチ記憶する
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項８】
前記制御回路は、前記光電変換部で生成された電荷を前記第１の電荷保持部に転送する前に、前記検知結果をリセットする
請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項９】
前記制御回路は、前記画素信号の電圧が前記ランプ信号の電圧と一致したことを示す検知結果を、前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧が一致するまでの時間をカウントするカウンタに出力する
請求項７に記載の固体撮像素子。
【請求項１０】
前記画素信号の電圧が前記ランプ信号の電圧と一致したことを示す検知結果が供給された場合、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて補正した画素データを演算する演算部をさらに備える
請求項９に記載の固体撮像素子。
【請求項１１】
前記演算部は、前記カウンタまたは信号処理部である
請求項１０に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記制御回路は、前記第１検知期間に加えてD相期間の一部を、前記電圧の一致を検出する第２検知期間とし、前記電圧の一致が検出されたとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う
請求項３に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記第２検知期間で前記電圧の一致が検出された場合、前記第１の電荷保持部のみを用いた画素データと、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて補正した画素データとを合成し、合成後の画素データを演算する演算部をさらに備える
請求項１２に記載の固体撮像素子。
【請求項１４】
前記第１検知期間で前記電圧の一致が検出された場合、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて補正した画素データを出力し、前記第２検知期間で前記電圧の一致が検出された場合、前記合成後の画素データを出力し、前記第１検知期間および前記第２検知期間のいずれでも電圧の一致が検出されなかった場合、前記第１の電荷保持部のみを用いた前記画素データを出力する出力部と
をさらに備える
請求項１３に記載の固体撮像素子。
【請求項１５】
前記画素から出力された画素信号の電圧が前記ランプ信号の電圧と一致するまでの時間に基づいて画素データを算出するカウンタと、
前記第１の電荷保持部のみを用いた前記画素データについては、そのまま出力し、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部の両方を用いた前記画素データについては、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて前記画素データを補正した補正後の画素データを出力する出力部と
をさらに備える
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１６】
前記第１の電荷保持部の電荷をリセットする第１のリセットトランジスタと、
前記第２の電荷保持部の電荷をリセットする第２のリセットトランジスタと
をさらに備え、
前記第１の電荷保持部の電荷容量は、前記第２の電荷保持部の電荷容量より小さく形成され、
前記第１の電荷保持部は、前記第１及び第２のリセットトランジスタを介して、所定のリセット電圧に接続されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１７】
前記第１の電荷保持部の電荷をリセットする第１のリセットトランジスタと、
前記第２の電荷保持部の電荷をリセットする第２のリセットトランジスタと
をさらに備え、
前記第１の電荷保持部の電荷容量は、前記第２の電荷保持部の電荷容量より小さく形成され、
前記第１の電荷保持部は、前記第１のリセットトランジスタを介して、所定のリセット電圧に接続されている
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１８】
前記第１の電荷保持部、前記第２の電荷保持部、および、前記接続トランジスタは、複数の画素で共有された構成とされた
請求項１に記載の固体撮像素子。
【請求項１９】
画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、前記接続トランジスタを制御する制御回路とを備える固体撮像素子の、
前記制御回路が、前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う
固体撮像素子の制御方法。
【請求項２０】
画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、
前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、
前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う制御回路と
を備える固体撮像素子
を備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、固体撮像素子およびその制御方法、並びに電子機器に関し、特に、より簡単に、HDR画像を生成することができるようにした固体撮像素子およびその制御方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイナミックレンジを拡大したHDR（High Dynamic Range）画像を実現する各種の技術が知られている。
【０００３】
HDR画像を実現する第１の技術としては、例えば、露光時間の違う複数枚の画像を時間方向にHDR合成する技術がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方法は、画像を複数回読み出すために時間がかかるため、フレームレートが低くなる。また、複数回読み出すことにより消費電力も大きくなる。さらに、撮像タイミングの異なる複数枚の画像の合成なので、動きのある被写体の撮像には弱い。
【０００４】
HDR画像を実現する第２の技術としては、画素アレイ部内に配列された複数の画素に対して、露光時間、フォトダイオードの面積、電荷を蓄積するFD(フローティングディフュージョン)の面積などを異ならせることで画素の感度を変え、空間方向にHDR合成する技術がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、この方法では、解像度が落ちてしまう。
【０００５】
HDR画像を実現する第３の技術として、フォトダイオードの電荷の転送ゲート電圧を制御することにより、何回かに分けて一部読み出しを行い、後段の信号処理にてHDR合成する技術がある（例えば、特許文献３参照）。しかし、この方法では、やはり複数回読み出しを行うために時間がかかり、フレームレートが低く、消費電力も大きくなる。また、撮像タイミングの異なる画像の合成なので、動きのある被写体の撮像にも弱い。さらに、電圧制御による画面内の特性ばらつきが発生することも懸念される。
【０００６】
また、撮像タイミングの異なる複数枚の画像の合成には、動きのある被写体のために動体検知回路を設けたり、空間方向のHDR合成に対しては空間フィルタを設ける必要があるなど、後段の複雑な処理回路も必要となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−５０１５１号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１６６００号公報
【特許文献３】特開２０１１−２５９４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本技術は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より簡単に、HDR画像を生成することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本技術の第１の側面の固体撮像素子は、画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う制御回路とを備える。
【００１０】
本技術の第２の側面の固体撮像素子の制御方法は、画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、前記接続トランジスタを制御する制御回路とを備える固体撮像素子の、前記制御回路が、前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う。
【００１１】
本技術の第３の側面の電子機器は、画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う制御回路とを備える固体撮像素子を備える。
【００１２】
本技術の第１乃至第３の側面においては、画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、前記接続トランジスタを制御する制御回路が、固体撮像素子に設けられ、前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部が接続されるように制御される。
【００１３】
固体撮像素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１４】
本技術の第１乃至第３の側面によれば、より簡単に、HDR画像を生成することができる。
【００１５】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本技術を適用した固体撮像素子の概略構成を示すブロック図である。
【図２】画素と飽和検知回路の詳細回路を示す図である。
【図３】高照度の場合と低照度の場合の画素の動作を説明する図である。
【図４】高照度の場合の画素の第１の駆動制御を説明するタイミングチャートである。
【図５】飽和検知回路の各状態を説明するテーブルである。
【図６】低照度の場合の画素の第１の駆動制御を説明するタイミングチャートである。
【図７】HDR処理を説明する図である。
【図８】高照度の場合の画素の第２の駆動制御を説明するタイミングチャートである。
【図９】低照度の場合の画素の第２の駆動制御を説明するタイミングチャートである。
【図１０】高照度の場合の画素の第３の駆動制御を説明するタイミングチャートである。
【図１１】第３の駆動制御を実行する場合のカウンタ部の構成例を示す図である。
【図１２】第３の駆動制御におけるHDR処理を説明する図である。
【図１３】画素のその他の回路構成を示す図である。
【図１４】画素のさらにその他の回路構成を示す図である。
【図１５】本技術を適用した電子機器としての撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図１６】イメージセンサの使用例を説明する図である。
【図１７】体内情報取得システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である
【図１８】内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【図１９】カメラヘッド及びＣＣＵの機能構成の一例を示すブロック図である。
【図２０】車両制御システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【図２１】車外情報検出部及び撮像部の設置位置の一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本技術を実施するための形態（以下、実施の形態という）について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．固体撮像素子の全体構成
２．画素と飽和検知回路の詳細構成
３．第１の駆動制御
４．第２の駆動制御
５．第３の駆動制御
６．その他の画素回路構成
７．まとめ
８．電子機器への適用例
９．体内情報取得システムへの応用例
１０．内視鏡手術システムへの応用例
１１．移動体への応用例
【００１８】
＜１．固体撮像素子の全体構成＞
図１は、本技術を適用した固体撮像素子の概略構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示される固体撮像素子１は、画素アレイ部１１、垂直走査回路１２、DAC（Digital to Analog Converter）１３、比較部１４、カウンタ部１５、水平走査回路１６、信号処理部１７、出力部１８、および、タイミング制御部１９を少なくとも備える。
【００２０】
画素アレイ部１１には、複数の画素２１が行方向及び列方向の行列状に２次元配置されている。行列状に配置された各画素２１には、垂直走査回路１２から、リセット信号RST、転送信号TRG、および選択信号SELが、各駆動配線２２を介して供給される。各画素２１は、フォトダイオードなどの光電変換部の光電変換により生成した画素信号VSLを、第１垂直信号線２３を介して列方向に伝送し、比較部１４に出力する。
【００２１】
比較部１４には、画素アレイ部１１の各画素列に対応して、コンパレータ（比較器）３１と飽和検知回路３２が設けられている。また、カウンタ部１５には、画素アレイ部１１の各画素列に対応して、カウンタ（CNT）３３が設けられている。したがって、コンパレータ３１、飽和検知回路３２、および、カウンタ３３は、画素列と同じ数だけ設けられている。
【００２２】
画素２１の回路構成については、図２を参照して後述するが、画素２１は、FD(フローティングディフュージョン)として、高感度用の高感度FD４０Hと低感度用の低感度FD４０L（図２）を有しており、受光により生成した電荷に応じて、低照度用の高感度と、高照度用の低感度とを切り替える。低照度用の高感度の場合は高感度用の高感度FD４０Hのみが用いられ、高照度用の低感度の場合は高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの両方が用いられる。高感度と低感度を切り替えるためのFD制御信号GAが、同列の飽和検知回路３２から第２垂直信号線２４を介して、各画素２１に供給される。
【００２３】
リセット信号RST、転送信号TRG、または選択信号SELを伝送する各駆動配線２２は、画素アレイ部１１の行列状の画素配列に対して、画素行ごとに水平方向に沿って配線されている。第１垂直信号線２３および第２垂直信号線２４は、画素列ごとに垂直方向に沿って配線されている。
【００２４】
垂直走査回路１２は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、画素アレイ部１１の各画素２１を全画素同時あるいは行単位等で駆動する。
【００２５】
DAC１３は、時間経過に応じてレベル（電圧）が階段状に変化するランプ信号Rampを生成し、比較部１４内の各コンパレータ３１に供給する。
【００２６】
比較部１４の各コンパレータ３１は、同列の画素２１から第１垂直信号線２３を介して供給される画素信号VSLの電圧を、DAC１３から供給されるランプ信号Rampの電圧と比較し、その比較結果Compを、飽和検知回路３２およびカウンタ３３に出力する。
【００２７】
比較部１４の各飽和検知回路３２には、コンパレータ３１から比較結果Compが供給される他、タイミング制御部１９から、検知リセット信号DET_RSTおよび検知イネーブル信号DET_ENBが供給される。
【００２８】
各飽和検知回路３２は、コンパレータ３１からの比較結果Compに基づいて、検知イネーブル信号DET_ENBが示す検知期間中の高感度FD４０Hの飽和を検知する。飽和検知回路３２は、高感度FD４０Hが飽和したか否かを示す飽和検知結果を、高感度と低感度を切り替えるためのFD制御信号GAとして、画素２１に出力する。画素２１では、高感度FD４０Hが飽和したことを示すFD制御信号GAが供給された場合、高感度から低感度へと感度が切り替えられる。
【００２９】
カウンタ部１５の各カウンタ３３は、コンパレータ３１の比較時間をカウントする。より具体的には、各カウンタ３３は、画素信号VSLとランプ信号Rampとを比較した比較結果Compが、HiレベルからLoレベルへ、または、LoレベルからHiレベルへ変化するまでの時間をカウントする。
【００３０】
カウンタ３３は、例えば、P相（Preset Phase）期間で、Hiレベルの比較結果Compが供給されている間だけダウンカウントするとともに、D相（Data Phase）期間で、Hiレベルの比較結果Compが供給されている間だけアップカウントする。そして、カウンタ３３は、P相期間のダウンカウント値と、D相期間のアップカウント値との加算結果を、CDS(Correlated Double Sampling；相関２重サンプリング)処理およびAD変換処理後の画素データとする。
【００３１】
さらに、カウンタ３３は、飽和検知回路３２による飽和検知結果に基づいて、AD変換処理後の画素データを、HDR（High Dynamic Range）の画素データに変換するHDR処理を実行し、HDR処理後の画素データを水平走査回路１６に出力する。
【００３２】
なお、P相期間でアップカウントし、D相期間でダウンカウントしてもよい。
【００３３】
コンパレータ３１、飽和検知回路３２、及び、カウンタ３３は、画素信号のCDS処理とAD変換処理を行うAD変換部を構成する。
【００３４】
水平走査回路１６は、シフトレジスタやアドレスデコーダなどによって構成され、カウンタ部１５内の複数のカウンタ３３を所定の順番で順に選択する。この水平走査回路１６による選択走査により、カウンタ３３で一時的に保持されている画素データ（AD変換後の画素信号）が順番に信号処理部１７に出力される。
【００３５】
信号処理部１７は、水平走査回路１６から順次供給される信号に対し、所定の信号処理を行って出力部１８に出力する。信号処理部１７は、例えば、バファリングだけする場合もあるし、黒レベル調整、列ばらつき補正など各種のデジタル信号処理を行う場合もある。なお、各カウンタ３３が実行すると説明したHDR処理を、信号処理部１７が行ってもよい。
【００３６】
出力部１８は、固体撮像素子１のHDR処理後の画素信号（HDR画像信号を）外部へ出力する。
【００３７】
タイミング制御部１９は、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータなどによって構成され、タイミングジェネレータで生成された各種のタイミングを基に、垂直走査回路１２、DAC１３、カウンタ部１５、及び、水平走査回路１６などの駆動制御を行う。また、タイミング制御部１９は、検知リセット信号DET_RSTおよび検知イネーブル信号DET_ENBを生成し、比較部１４の飽和検知回路３２に供給する。
【００３８】
以上のように構成される固体撮像素子１は、CDS処理とAD変換処理を行うAD変換部が画素列ごとに配置されたカラムAD方式と呼ばれるCMOSイメージセンサである。
【００３９】
固体撮像素子１は、画素アレイ部１１の画素単位に自動で感度調整を行い、その結果に基づいて、HDR画像の画素データを出力することができる撮像素子である。
【００４０】
なお勿論、固体撮像素子１は、動作モードを変更することにより、ダイナミックレンジを拡大しない通常モードの撮像を行うこともできる。
【００４１】
＜２．画素と飽和検知回路の詳細構成＞
図２を参照して、画素２１と飽和検知回路３２の詳細回路について説明する。
【００４２】
図２には、１つの画素２１と、それと同じ画素列に配置されたコンパレータ３１、飽和検知回路３２、および、カウンタ３３が示されている。
【００４３】
画素２１は、フォトダイオードPD、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの２つのFD、転送トランジスタ４１、第１リセットトランジスタ４２A、第２リセットトランジスタ４２B、FD接続トランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、並びに、選択トランジスタ４５を有する。
【００４４】
フォトダイオードPDは、受光した光量に応じた電荷（信号電荷）を生成し、かつ、蓄積する。フォトダイオードPDは、アノード端子が接地されているとともに、カソード端子が転送トランジスタ４１を介して高感度FD４０Hに接続されている。
【００４５】
転送トランジスタ４１は、転送信号TRGによりオンされたとき、フォトダイオードPDで生成された電荷を読み出し、高感度FD４０Hに転送する。
【００４６】
高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lは、フォトダイオードPDから読み出された電荷を保持する。例えば、高感度FD４０Hは、保持可能な電荷容量が低感度FD４０Lのそれよりも小さく形成されることにより、低感度FD４０Lよりも高感度に設定される。なお、高感度FD４０Hの電荷容量は、必ずしも低感度FD４０Lの電荷容量より小さい場合に限られず、例えば、同一の電荷容量でもよい。高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lは、FD接続トランジスタ４３がオンされたとき、１つの電荷蓄積部を構成する。
【００４７】
第１リセットトランジスタ４２Aおよび第２リセットトランジスタ４２Bは、リセット信号RSTによりオンされたとき、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lを、所定のリセット電圧Vrstが印加された第２リセットトランジスタ４２Bのドレインと接続することで、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lに蓄積された電荷を排出する。リセット電圧Vrstは、例えば、定電圧源VDDとされる。
【００４８】
FD接続トランジスタ４３は、飽和検知回路３２から第２垂直信号線２４を介して供給されるFD制御信号GAに基づいて、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lとの接続を制御（オンオフ）する。
【００４９】
増幅トランジスタ４４は、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの電位に応じた画素信号を出力する。すなわち、増幅トランジスタ４４は、第１垂直信号線２３を介して接続されている定電流源としての負荷MOS（不図示）とソースフォロワ回路を構成し、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lに蓄積されている電荷に応じたレベルを示す画素信号VSLが、増幅トランジスタ４４から選択トランジスタ４５を介して比較部１４のコンパレータ３１に出力される。
【００５０】
選択トランジスタ４５は、選択信号SELにより画素２１が選択されたときオンされ、画素２１の画素信号VSLを、第１垂直信号線２３を介してコンパレータ３１に出力する。転送信号TRG、選択信号SEL、及びリセット信号RSTが伝送される各信号線は、図１の各駆動配線２２に対応する。
【００５１】
飽和検知回路３２は、１つのAND回路５１と、フリップフロップ回路を構成する２つのNOR回路５２および５３とで構成される。
【００５２】
AND回路５１には、コンパレータ３１の出力である比較結果Compと、タイミング制御部１９からの検知イネーブル信号DET_ENBが、入力される。AND回路５１は、比較結果Compと検知イネーブル信号DET_ENBのAND（論理積）演算を行い、その演算結果を、NOR回路５２に供給する。AND回路５１の出力信号をSIG_Aとする。
【００５３】
NOR回路５２には、AND回路５１の出力である、比較結果Compと検知イネーブル信号DET_ENBのAND信号と、NOR回路５３の出力が、入力される。NOR回路５２は、比較結果Compと検知イネーブル信号DET_ENBのAND信号と、NOR回路５３の出力のNOR（否定論理和）演算を行い、その演算結果を、NOR回路５３に供給する。NOR回路５２の出力信号をSIG_Bとする。
【００５４】
NOR回路５３には、NOR回路５２の出力と、タイミング制御部１９からの検知リセット信号DET_RSTが、入力される。NOR回路５３は、NOR回路５２の出力と検知リセット信号DET_RSTのNOR（否定論理和）演算を行い、その演算結果を、NOR回路５２に供給するとともに、FD制御信号GAとして、画素２１のFD接続トランジスタ４３に供給する。NOR回路５３の出力は、NOR回路５２の入力としてフィードバックされるとともに、飽和検知信号として、カウンタ部１５内の同一列のカウンタ３３にも供給される。
【００５５】
カウンタ３３は、飽和検知信号に基づいてAD変換処理後の画素データをゲイン比に応じた補正を行うことで、HDR処理後の画素データを生成して、水平走査回路１６に出力する。
【００５６】
即ち、カウンタ３３は、コンパレータ３１からの比較結果Compに基づいて、所定のビット数（例えば、１０ビット）でカウントし、アナログの画素信号をデジタルの画素データにAD変換する。ここで、飽和検知信号が飽和したことを示している場合、カウンタ３３は、AD変換された画素データを、低照度と高照度のゲイン比で補正し、補正後の画素データを出力する。より具体的には、カウンタ３３は、AD変換処理後の画素データを、（高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの合計容量値）／（高感度FD４０Hの容量値）の比で乗算した後の結果を、画素データとして出力する。一方、飽和検知信号が飽和していないことを示している場合には、カウンタ３３は、AD変換処理後の画素データをそのまま水平走査回路１６に出力する。
【００５７】
次に、図３のポテンシャル図を参照しながら、高照度の場合と低照度の場合の、画素２１の動作について説明する。
【００５８】
図３のAは、高照度の場合の画素２１の動作を示している。
【００５９】
所定の露光期間が終了し、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をFDに転送する前に、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lをリセットするリセット動作が実行される。
【００６０】
すなわち、図３のAに示されるように、第１リセットトランジスタ４２Aおよび第２リセットトランジスタ４２BのゲートにHiレベルのリセット信号RSTが供給され、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lがリセット電圧Vrstにリセットされる。
【００６１】
第１リセットトランジスタ４２Aおよび第２リセットトランジスタ４２Bがオフに戻され、リセット動作が終了すると、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をFDに転送する電荷転送動作が開始される。
【００６２】
電荷転送動作では、フォトダイオードPDに蓄積された電荷が、初めに、高感度FD４０Hに転送される。そして、転送される電荷の量が所定のオーバーフローレベル（飽和レベル）を超えた場合、飽和検知回路３２が、それを検知し、HiレベルのFD制御信号GAをFD接続トランジスタ４３に供給することにより、FD接続トランジスタ４３をオンさせる。これにより、図３のAの右側に示されるように、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lが接続され、画素２１の感度が、低照度用の高感度から、高照度用の低感度へ切替えられる。
【００６３】
これに対して、低照度の場合、図３のBに示されるように、フォトダイオードPDから転送された電荷の量がオーバーフローレベルを超えないので、FD接続トランジスタ４３はオンされず、転送された電荷は高感度FD４０Hのみに蓄積され、高感度が維持される。
【００６４】
上述した画素２１の動作において、高感度と低感度を切り替えるオーバーフローレベルは、ランプ信号Rampの電圧によって決定される。したがって、ランプ信号Rampの電圧を調整（変更）することにより、オーバーフローレベルは任意のレベルに設定することができる。
【００６５】
＜３．第１の駆動制御＞
＜高照度の場合の画素動作＞
次に、図３を参照して説明した画素動作を行う第１の駆動制御について説明する。
【００６６】
初めに、図４および図５を参照して、高照度の場合の画素２１の動作を説明する。
【００６７】
図４は、高照度の場合の画素２１の動作を示すタイミングチャートを示している。図５は、コンパレータ３１および飽和検知回路３２の入出力信号を示すテーブルである。
【００６８】
図４には、画素信号VSLおよびランプ信号Rampと、検知リセット信号DET_RST、検知イネーブル信号DET_ENB、比較結果Comp、FD制御信号GA、リセット信号RST、転送信号TRG、及び、選択信号SELが示されている。
【００６９】
図４において、画素信号VSLおよびランプ信号Rampは、図中、下方向にレベルが下がるほど高電圧である。図５において、検知イネーブル信号DET_ENB、比較結果Comp、FD制御信号GA、リセット信号RST、転送信号TRG、及び、選択信号SELのHiレベルは“１”で、Loレベルは“０”で表されている。
【００７０】
最初の時刻ｔ１から画素２１の選択期間（1H）が終了するまで、画素２１の選択トランジスタ４５には、Hiレベルの選択信号SELが供給され、選択トランジスタ４５がオンされる。
【００７１】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は、飽和検知回路３２をリセットする検知リセット期間である。検知リセット期間では、検知リセット信号DET_RSTがHiレベルに設定され、それ以前の飽和検知結果（飽和履歴）を示すFD制御信号GAがリセットされる。
【００７２】
図５のテーブルにおける状態ST_Aが、検知リセット信号DET_RSTがHiレベルに設定された直後の状態を示している。
【００７３】
検知リセット信号DET_RSTがHiレベル（“１”）に設定された場合、NOR回路５３の出力であるFD制御信号GAはLoレベル（“０”）となるので、飽和検知結果（飽和履歴）がリセットされる。
【００７４】
また、検知リセット期間中の所定のタイミングで、画素２１へ供給されるリセット信号RSTがHiレベルに設定され、図３を参照して説明したように、第１リセットトランジスタ４２Aおよび第２リセットトランジスタ４２Bがオンされて、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lがリセット電圧Vrstにリセットされる。
【００７５】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、CDS処理のリセットレベルを検出するP相期間である。P相期間では、画素信号VSLとランプ信号Rampの電圧が比較され、画素信号VSLとランプ信号Rampの電圧が一致したタイミングが検出されて、リセットレベルが検出される。
【００７６】
次に、時刻ｔ３から時刻ｔ９までの期間は、フォトダイオードPDに蓄積された電荷をFDに転送する電荷転送期間である。
【００７７】
この電荷転送期間のうち、時刻ｔ３から所定時間経過した時刻ｔ４から時刻ｔ８までの前半部分の期間において、検知イネーブル信号DET_ENBがHiレベル（“１”）に設定され、転送電荷のオーバーフローレベルの超過、換言すれば、低照度用の高感度から高照度用の低感度へ画素２１の感度の切替えを検知する検知期間が設定される。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ４になるまでの間に、時刻ｔ１にHiレベルに設定された検知リセット信号DET_RSTはLoレベルに戻される。
【００７８】
電荷転送期間において、DAC１３からコンパレータ３１に供給されるランプ信号Rampの電圧は、図３で説明したオーバーフローレベル（飽和レベル）に対応する電圧VOFLに設定される。
【００７９】
検知期間が開始された時刻ｔ４より後の時刻ｔ５において、Hiレベルの転送信号TRGが転送トランジスタ４１に供給されることにより転送トランジスタ４１がオンされ、画素信号VSLが、初期値V0から徐々に上昇していく。
【００８０】
そして、時刻ｔ６において、電荷の転送に応じて変化する画素信号VSLの電圧が、オーバーフローレベルに対応する電圧VOFLよりも高くなり、比較結果CompがHiレベル（“１”）に変更される。
【００８１】
図５のテーブルにおける状態ST_Dが、比較結果CompがHiレベルに変更された直後の状態を示している。
【００８２】
比較結果CompがHiレベル（“１”）に設定された場合、検知イネーブル信号DET_ENBもHiレベルであるので、AND回路５１の出力信号SIG_AはHiレベル（“１”）となり、時刻ｔ７において、NOR回路５３の出力であるFD制御信号GAがHiレベル（“１”）となる。FD制御信号GAがHiレベル（“１”）となることにより、図３を参照して説明したように、画素２１のFD接続トランジスタ４３がオンし、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lが接続される。すなわち、画素２１の感度が、低照度用の高感度から、高照度用の低感度へ切替えられる。
【００８３】
画素２１の感度が高感度から低感度へ切替えられると、画素信号VSLの電圧は、ランプ信号Rampの電圧VOFLよりも再び低くなり、電荷の量に応じた所定の電圧V1で安定する。画素２１の感度が高感度から低感度へ切替えられてから、画素信号VSLの電圧が、電荷の量に応じた所定の電圧V1で安定するまで、ある程度の時間が必要である。この感度変更後の電圧が安定するための時間を電荷転送期間内で確保するために、検知期間は、電荷転送期間のうちの前半部分の所定期間に設定される。
【００８４】
図５のテーブルにおける状態ST_Cが、画素信号VSLの電圧がランプ信号Rampの電圧VOFLよりも再び低くなり、比較結果CompがLoレベルに変更された直後の状態を示している。この場合、NOR回路５３の出力であるFD制御信号GAは、その前の状態が保持されるから、Hiレベル（“１”）が維持される。すなわち、飽和検知回路３２は、検知期間において、画素信号VSLの電圧がランプ信号Rampの電圧VOFLと一致したことをラッチ記憶する。
【００８５】
時刻ｔ８において、検知イネーブル信号DET_ENBがLoレベル（“０”）に設定され、検知期間が終了する。
【００８６】
図５のテーブルにおける状態ST_Bが、検知イネーブル信号DET_ENBがLoレベルに変更された直後の状態を示している。この場合、NOR回路５３の出力であるFD制御信号GAは、その前の状態が保持されるので、Hiレベル（“１”）が維持される。
【００８７】
CDS処理の信号レベルを検出するD相期間が開始する時刻ｔ９に合わせて、ランプ信号Rampが、再び、初期値V0に制御される。D相期間では、画素信号VSLの電圧がランプ信号Rampの電圧と一致し、比較結果CompがLoレベル（“０”）に変化する時刻ｔ１０までの時間が、カウンタ３３でカウントされる。
【００８８】
＜低照度の場合の画素動作＞
次に、図６を参照して、低照度の場合の画素２１の動作を説明する。
【００８９】
図６は、低照度の場合の画素２１の動作を示すタイミングチャートを示している。
【００９０】
低照度の場合、検知期間において、電荷の転送に応じて変化する画素信号VSLの電圧が、オーバーフローレベルに対応する電圧VOFLよりも高くならないため、FD制御信号GAは、画素２１の選択期間中、Hiレベル（“１”）にはならない。したがって、図３を参照して説明したように、FD接続トランジスタ４３はオンされず、高感度が維持され、転送された電荷は高感度FD４０Hのみに蓄積される。
【００９１】
そして、D相期間において、高感度FD４０Hに蓄積された電荷に対応する画素信号VSLの電圧とランプ信号Rampの電圧が比較され、比較結果CompがLoレベル（“０”）に変化する時刻ｔ１８までの時間が、カウンタ３３でカウントされる。
【００９２】
＜HDR処理＞
図７は、カウンタ３３で実行されるHDR処理を説明する図である。
【００９３】
カウンタ３３は、高感度FD４０Hのみを用いた低照度用の高感度（高ゲイン）の場合も、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの両方を用いた高照度用の低感度（低ゲイン）の場合も、同じADレンジでAD変換される。
【００９４】
図７上段は、画素が受光する照度と、固定ADレンジ内のAD変換後の画素データとの対応を示すグラフである。
【００９５】
グラフの横軸で示される画素照度が、ゼロからBR1までの範囲では、高感度FD４０Hのみが用いられ、BR1からBR2までの範囲では、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの両方が用いられる。換言すれば、BR1に相当する画素照度が、高感度（高ゲイン）から低感度（低ゲイン）へ切り替わるオーバーフローレベルに相当する照度（受光量）となる。
【００９６】
カウンタ３３が実行するHDR処理では、図７下段に示されるように、高感度FD４０Hのみを用いた場合には、AD変換処理後の画素データ（AD変換値）をそのまま出力するが、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの両方を用いた場合には、AD変換処理後の画素データを、（高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの合計容量値）／（高感度FD４０Hの容量値）のゲイン比で補正し、補正後の画素データを出力する。
【００９７】
以上の第１の駆動制御によれば、画素２１が高感度FD４０Hと低感度FD４０Lを備え、電荷転送期間の前半に設定した検知期間において、高感度FD４０Hが飽和したか（オーバーフローレベルを超過したか）が判定される。そして、高感度FD４０Hが飽和したと判定された場合、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lが接続され、画素２１の感度が、低照度用の高感度から、高照度用の低感度へ切替えられる。一方、高感度FD４０Hが飽和しない場合、高感度が維持される。
【００９８】
そして、カウンタ部１５のカウンタ３３が、飽和検知結果（飽和検知信号）に基づいて、HDR処理を実行し、ダイナミックレンジを拡大したHDR画像の画素データに変換して、出力する。
【００９９】
したがって、固体撮像素子１の第１の駆動制御によれば、画素アレイ部１１の画素単位に自動で感度調整を行い、その結果に基づいて、HDR画像の画素データを出力することができる。すなわち、より簡単に、HDR画像を生成することができる。
【０１００】
＜４．第２の駆動制御＞
次に、固体撮像素子１の第２の駆動制御について説明する。
【０１０１】
なお、以下の第２の駆動制御の説明では、上述した第１の駆動制御と異なる部分に着目して説明する。
【０１０２】
図８は、第２の駆動制御における高照度の場合の画素２１の動作を示すタイミングチャートを示している。
【０１０３】
図８は、第１の駆動制御における図４のタイミングチャートと対応し、図４の時刻ｔ１乃至ｔ１０が、図８の時刻ｔ２１乃至ｔ３０に対応する。
【０１０４】
図９は、第２の駆動制御における低照度の場合の画素２１の動作を示すタイミングチャートを示している。
【０１０５】
図９は、第１の駆動制御における図６のタイミングチャートと対応し、図６の時刻ｔ１１乃至ｔ１８が、図９の時刻ｔ４１乃至ｔ４８に対応する。
【０１０６】
図４および図６を参照して説明した第１の駆動制御では、P相期間およびD相期間のいずれにおいても、ランプ信号Rampが、時間経過に応じて、初期値V0から電圧VOFLに近づくように下り傾斜の電圧信号となっていた。そのため、DAC１３は、D相期間が開始する時刻ｔ９および時刻ｔ１７に合わせて、ランプ信号Rampを、再び初期値V0に大きく変更する制御を行う必要があった。
【０１０７】
これに対して、図８および図９の第２の駆動制御では、D相期間のランプ信号Rampが、時間経過に応じて、電圧VOFLに近い電圧VBLから初期値V0に近づくように上り傾斜の電圧信号となっている点が異なる。D相期間が開始する時刻ｔ２９およびｔ４７の直前に、電圧VOFLよりも所定電圧高い電圧VBLに設定しているのは、D相期間において、画素信号VSLとランプ信号Rampの電圧の一致を確実に検出するためである。
【０１０８】
第１の駆動制御では、カウンタ３３は、比較結果CompがHiレベルからLoレベルへ変化するまでの比較時間をカウントしたが、第２の駆動制御では、比較結果CompがLoレベルからHiレベルへ変化するまでの比較時間をカウントする。
【０１０９】
第２の駆動制御のその他の駆動は、上述した第１の駆動制御と同様である。
【０１１０】
このように第２の駆動制御では、D相期間のカウントを行う際のランプ信号Rampを、電圧VOFLに近い電圧VBLから初期値V0に近づくように上り傾斜の電圧信号とすることにより、D相期間の直前に、ランプ信号Rampの電圧を、電圧VOFLから初期値V0に大きく変更する必要がないので、制御を簡単にすることができ、駆動時間を短縮することができる。
【０１１１】
なお、第２の駆動制御において、P相期間中のランプ信号Rampについても、D相期間のランプ信号Rampと同様に上り傾斜の電圧信号としてもよい。
【０１１２】
＜５．第３の駆動制御＞
次に、固体撮像素子１の第３の駆動制御について説明する。
【０１１３】
なお、以下の第３の駆動制御の説明では、上述した第２の駆動制御と異なる部分に着目して説明する。
【０１１４】
図１０は、第３の駆動制御における高照度の場合の画素２１の動作を示すタイミングチャートを示している。図１０は、第２の駆動制御における図８のタイミングチャートと対応する。
【０１１５】
高照度の場合の第３の駆動制御は、図９で示した第２の駆動制御と同じであるので、説明は省略する。
【０１１６】
低照度の場合の第３の駆動制御では、低照度用の高感度から高照度用の低感度へ画素２１の感度の切替えを検知する検知期間が、電荷転送期間の前半と、D相期間の前半の２つの期間に設定されている。すなわち、電荷転送期間の前半に設定される検知期間を第１検知期間とし、D相期間の前半に設定される検知期間を第２検知期間とすると、第１検知期間は、第２の駆動制御と同じであり、第３の駆動制御では、第２検知期間が新たに設けられている。
【０１１７】
固体撮像素子１は、第１検知期間において、高照度の場合におけるオーバーフローを検知するのに対して、第２検知期間において、高照度と低照度の中間の中照度の場合におけるオーバーフローを検知する。
【０１１８】
図１０のタイミングチャートの時刻ｔ６１乃至ｔ６６における動作は、図９のタイミングチャートの時刻ｔ４１乃至ｔ４６における動作と同様であるので、説明は省略する。
【０１１９】
時刻ｔ６７の直前に、ランプ信号Rampの電圧が、電圧VOFLよりも所定電圧高い電圧VBLに設定された後、タイミング制御部１９は、検知イネーブル信号DET_ENBを再びHiレベル（“１”）に変更（設定）し、第２検知期間を開始する。
【０１２０】
そして、第２検知期間中の時刻ｔ６８において、画素信号VSLの電圧がランプ信号Rampの電圧と一致すると、比較結果CompがHiレベル（“１”）に変更される。
【０１２１】
すると、時刻ｔ６９において、NOR回路５３の出力であるFD制御信号GAがHiレベル（“１”）となる。FD制御信号GAがHiレベル（“１”）となることにより、画素２１のFD接続トランジスタ４３がオンし、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lが接続される。すなわち、画素２１の感度が、低照度用の高感度から、高照度用の低感度へ切替えられる。これにより、比較結果Compが再びLoレベルに変更される。
【０１２２】
時刻ｔ７０において、タイミング制御部１９は、検知イネーブル信号DET_ENBをLoレベル（“０”）に変更（設定）する。これにより、第２検知期間が終了する。
【０１２３】
そして、第２検知期間以降の時刻ｔ７１において、画素信号VSLの電圧がランプ信号Rampの電圧と再び一致し、比較結果CompがHiレベル（“１”）に変更される。
【０１２４】
この第３の駆動制御では、画素２１の照度が中照度である場合、上述したように、画素信号VSLとランプ信号Rampとの電圧の一致が、２回検出される。そのため、カウンタ部１５には、例えば、図１１に示されるように、同一画素列の１個のコンパレータ３１に対して、２つのカウンタ３３Aおよび３３Bが必要となる。
【０１２５】
図１１は、第３の駆動制御を実行する場合のカウンタ部１５の構成例を示す図である。
【０１２６】
なお、図１１において、同一画素列のコンパレータ３１及び飽和検知回路３２の構成は、図２で示した構成と同じである。
【０１２７】
図１１のカウンタ部１５では、同一画素列の１個のコンパレータ３１に対して２つのカウンタ３３Aおよび３３Bが設けられており、カウンタ３３Aとコンパレータ３１との間には、スイッチ回路７１が設けられている。
【０１２８】
カウンタ３３Aおよび３３Bそれぞれは同一であり、P相期間では、Hiレベルの比較結果Compが供給されている間だけダウンカウントし、D相期間では、Loレベルの比較結果Compが供給されている間だけアップカウントする。
【０１２９】
カウンタ３３Aは、アップカウントを開始してから、第２検知期間中に画素信号VSLとランプ信号Rampの電圧が一致するまで、アップカウントを実行する。スイッチ回路７１は、飽和検知信号に基づいて、画素信号VSLとランプ信号Rampの電圧が一致したことが検出されると、接続をオフする。
【０１３０】
カウンタ３３Bは、アップカウントを開始してから、第２検知期間終了後に、画素信号VSLとランプ信号Rampの電圧が一致するまで、アップカウントを実行する。
【０１３１】
換言すれば、カウンタ３３Aは、低照度用の高感度FD４０Hのみを用いた場合のカウント値を演算し、カウンタ３３Bは、高照度用の高感度FD４０Hと低感度FD４０Lを用いた場合のカウント値を演算する。
【０１３２】
以上のように、第３の駆動制御では、画素２１の照度（受光量）を、低照度、中照度、高照度の３段階に分け、固体撮像素子１は、画素照度が中照度である場合には、D相期間の第２検知期間と、その後の期間の合計２回、画素信号VSLとランプ信号Rampとの電圧の一致を検出する。画素照度が高照度である場合には、画素信号VSLとランプ信号Rampとの電圧の一致が、電荷転送期間の第１検知期間のみで検出され、画素照度が低照度である場合には、第２検知期間より後の残りのD相期間のみで検出される。
【０１３３】
なお、第３の駆動制御を実行する場合の固体撮像素子１の構成はこれに限定されない。例えば、カウンタ３３が同一画素列に対して１つのみで、１つのカウンタ３３で低照度と高照度の両方のカウントを行う構成を採用してもよい。あるいはまた、２つのカウンタ３３Aおよび３３Bそれぞれに対して、コンパレータ３１と飽和検知回路３２を並列に備える構成を採用してもよい。
【０１３４】
＜HDR処理＞
図１２は、第３の駆動制御におけるHDR処理を説明する図である。
【０１３５】
図１２の上段のグラフに示されるように、ゼロからBRcまでの画素２１が受光可能な照度のうち、ゼロからBraまでの低照度では、高感度FD４０Hのみを用いて照度が検出され、BRaからBRbまでの中照度では、高感度FD４０Hのみを用いた状態と、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの両方を用いた状態のそれぞれで、照度が検出される。BRbからBRcまでの高照度では、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lを用いた状態のみで、照度が検出される。
【０１３６】
BRaからBRbまでの中照度では、２回の検出結果が得られるので、それらの結果が、３：７や５：５などの所定の合成比で合成され、HDR画像の画素データとして出力される。
【０１３７】
即ち、カウンタ３３は、ゼロからBRcまでの低照度では、AD変換処理後の画素データをそのまま出力し、BRaからBRbまでの中照度では、AD変換処理後の画素データと、ゲイン比で補正した補正後の画素データを合成した合成後の画素データを出力し、BRbからBRcまでの高照度では、AD変換処理後の画素データをゲイン比で補正した補正後の画素データを出力する。
【０１３８】
図７を参照して説明した、低照度と高照度の２段階に分けてHDR画像の画素データを生成する方法では、低照度と高照度の境界で検出方法が突然切り替わるため、両者の境界付近の画素データに段差が発生することが懸念される。
【０１３９】
第３の駆動制御のように、低照度と高照度の中間的な中照度については、低照度用の高感度FD４０Hのみを用いた場合と、高照度用の高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lを用いた場合の両方で検出することで、段差を考慮した画素データを生成することが可能となる。
【０１４０】
＜６．その他の画素回路構成＞
画素２１の回路構成は、図２を参照して説明した構成に限定されず、その他の構成も採用することができる。
【０１４１】
図１３は、画素２１のその他の回路構成を示している。
【０１４２】
図１２において、図２と対応する部分については同一の符号を付してあり、その部分についての説明は省略する。
【０１４３】
図２の画素回路と図１３の画素回路は、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの間にFD接続トランジスタ４３が配置され、高感度FD４０Hが転送トランジスタ４１と増幅トランジスタ４４の間に配置される点で共通する。
【０１４４】
一方、図２の画素回路では、高感度FD４０Hが、第１リセットトランジスタ４２Aおよび第２リセットトランジスタ４２Bを介して、所定のリセット電圧Vrstに接続されているのに対して、図１３の画素回路では、高感度FD４０Hは、第２リセットトランジスタ４２Bのみを介して、所定のリセット電圧Vrstに接続されている。第１リセットトランジスタ４２Aは、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lとの間に接続され、低感度FD４０Lがグランドに接続されている。
【０１４５】
図１４は、画素２１のさらにその他の回路構成であり、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの２つのFD、第１リセットトランジスタ４２A、第２リセットトランジスタ４２B、FD接続トランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、並びに、選択トランジスタ４５を複数画素で共有する共有画素構造を採用した回路構成を示している。
【０１４６】
共有画素構造を採用した場合、図１４に示されるように、フォトダイオードPDと転送トランジスタ４１のみが画素２１ごとに配置され、その他の高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの２つのFD、第１リセットトランジスタ４２A、第２リセットトランジスタ４２B、FD接続トランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、並びに、選択トランジスタ４５が、共有単位であるｎ個の画素２１に対してそれぞれ１つずつ設けられる。複数画素で共通に利用される２つのFD、第１リセットトランジスタ４２A、第２リセットトランジスタ４２B、FD接続トランジスタ４３、増幅トランジスタ４４、並びに、選択トランジスタ４５は、例えば、共有単位の複数画素のいずれかの領域や中間の領域に配置される。
【０１４７】
なお、図１４は、図２の回路構成を共有画素構造に変更した構成であるが、図１３の回路構成についても同様に共有画素構造に変更可能である。
【０１４８】
共有画素構造を採用した固体撮像素子１では、FD共有して使用される２以上の画素２１のフォトダイオードPDに蓄積された電荷を同時にFDに転送すると、FDを用いて複数画素の画素信号を加算するFD加算を行うことができるが、オーバーフローレベルへ到達する確率は高くなる。
【０１４９】
したがって、固体撮像素子１では、複数画素の画素信号をFDを用いて加算するFD加算モードや１画素単位で画素信号を出力する単独画素モードなどの各種の動作モードや、シャッタスピード等の撮像時の設定値等に応じて、オーバーフローレベル（電圧VOFL）は、適切に変更される。
【０１５０】
＜７．まとめ＞
以上説明した固体撮像素子１は、フォトダイオードPDで生成された電荷を保持する高感度FD４０H（第１の電荷保持部）および低感度FD４０L（第２の電荷保持部）の２つのFDと、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lとの接続を制御（オンオフ）するFD接続トランジスタ４３と、画素２１から出力された画素信号VSLの電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号Rampの電圧と一致したとき、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lを接続させる制御を行う制御回路としての飽和検知回路３２とを備える。
【０１５１】
電荷転送期間では、フォトダイオードPDに蓄積された電荷が、初めに高感度FD４０Hへ転送される。そして、画素信号VSLの電圧が高感度FD４０Hのオーバーフローレベルに対応する電圧VOFLに設定されたランプ信号Rampの電圧と一致し、高感度FD４０Hの飽和が検知されたとき、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lとの接続がオンされ、フォトダイオードPDで生成された電荷が高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの両方に蓄積される。
【０１５２】
すなわち、画素信号VSLの電圧とランプ信号Rampの電圧の一致が検出されるまでは、高感度FD４０Hで電荷が保持され、一致が検出された後は、高感度FD４０Hと低感度FD４０Lの両方で電荷が保持される。
【０１５３】
従って、固体撮像素子１によれば、受光量に応じて画素ごとに自動で感度調整を行って、HDR画像の画素データを出力することができる。すなわち、より簡単に、HDR画像を生成することができる。
【０１５４】
HDR画像を生成する手法として一般的な、撮像タイミングの異なる複数枚の画像を合成する手法や、画素の感度を画素アレイ部内で異ならせて受光する手法などと比較して、１回の撮像でHDR画像を生成することができるため、フレームレートが低くなることはなく、消費電力も抑えられる。また、１回の撮像でHDR画像を生成することができるので、動きのある被写体に対しても影響が少なく、動体検知や空間フィルタなどの後処理も不要である。
【０１５５】
＜８．電子機器への適用例＞
本技術は、固体撮像素子への適用に限られるものではない。即ち、本技術は、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等の撮像装置や、撮像機能を有する携帯端末装置や、画像読取部に固体撮像素子を用いる複写機など、画像取込部（光電変換部）に固体撮像素子を用いる電子機器全般に対して適用可能である。固体撮像素子は、ワンチップとして形成された形態であってもよいし、撮像部と信号処理部または光学系とがまとめてパッケージングされた撮像機能を有するモジュール状の形態であってもよい。
【０１５６】
図１５は、本技術を適用した電子機器としての、撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【０１５７】
図１５の撮像装置１００は、レンズ群などからなる光学部１０１、図１の固体撮像素子１の構成が採用される固体撮像素子（撮像デバイス）１０２、およびカメラ信号処理回路であるDSP(Digital Signal Processor)回路１０３を備える。また、撮像装置１００は、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７、および電源部１０８も備える。DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６、操作部１０７および電源部１０８は、バスライン１０９を介して相互に接続されている。
【０１５８】
光学部１０１は、被写体からの入射光（像光）を取り込んで固体撮像素子１０２の撮像面上に結像する。固体撮像素子１０２は、光学部１０１によって撮像面上に結像された入射光の光量を画素単位で電気信号に変換して画素信号として出力する。この固体撮像素子１０２として、図１の固体撮像素子１、即ち、高感度FD４０Hおよび低感度FD４０Lの２つのFDを備え、受光量に応じて高感度FD４０Hと低感度FD４０Lを接続して感度を自動で切替えることで、ダイナミックレンジを拡大したHDR画像を出力する固体撮像素子を用いることができる。
【０１５９】
表示部１０５は、例えば、液晶パネルや有機EL(Electro Luminescence)パネル等のパネル型表示装置からなり、固体撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を表示する。記録部１０６は、固体撮像素子１０２で撮像された動画または静止画を、ハードディスクや半導体メモリ等の記録媒体に記録する。
【０１６０】
操作部１０７は、ユーザによる操作の下に、撮像装置１００が持つ様々な機能について操作指令を発する。電源部１０８は、DSP回路１０３、フレームメモリ１０４、表示部１０５、記録部１０６および操作部１０７の動作電源となる各種の電源を、これら供給対象に対して適宜供給する。
【０１６１】
以上のように、固体撮像素子１０２として、上述した固体撮像素子１を用いることで、ダイナミックレンジを拡大したHDR画像を簡単に生成することができる。従って、ビデオカメラやデジタルスチルカメラ、さらには携帯電話機等のモバイル機器向けカメラモジュールなどの撮像装置１００においても、撮像画像の高画質化を図ることができる。
【０１６２】
＜イメージセンサの使用例＞
図１６は、上述の固体撮像素子１をイメージセンサとして使用する場合の使用例を示す図である。
【０１６３】
イメージセンサは、例えば、以下のように、可視光や、赤外光、紫外光、X線等の光をセンシングする様々なケースに使用することができる。
【０１６４】
・ディジタルカメラや、カメラ機能付きの携帯機器等の、鑑賞の用に供される画像を撮影する装置
・自動停止等の安全運転や、運転者の状態の認識等のために、自動車の前方や後方、周囲、車内等を撮影する車載用センサ、走行車両や道路を監視する監視カメラ、車両間等の測距を行う測距センサ等の、交通の用に供される装置
・ユーザのジェスチャを撮影して、そのジェスチャに従った機器操作を行うために、TVや、冷蔵庫、エアーコンディショナ等の家電に供される装置
・内視鏡や、赤外光の受光による血管撮影を行う装置等の、医療やヘルスケアの用に供される装置
・防犯用途の監視カメラや、人物認証用途のカメラ等の、セキュリティの用に供される装置
・肌を撮影する肌測定器や、頭皮を撮影するマイクロスコープ等の、美容の用に供される装置
・スポーツ用途等向けのアクションカメラやウェアラブルカメラ等の、スポーツの用に供される装置
・畑や作物の状態を監視するためのカメラ等の、農業の用に供される装置
【０１６５】
＜９．体内情報取得システムへの応用例＞
本開示に係る技術（本技術）は、上述したように様々な製品へ応用することができる。例えば、本開示に係る技術は、カプセル型内視鏡を用いた患者の体内情報取得システムに適用されてもよい。
【０１６６】
図１７は、本開示に係る技術が適用され得る、カプセル型内視鏡を用いた患者の体内情報取得システムの概略的な構成の一例を示すブロック図である。
【０１６７】
体内情報取得システム１０００１は、カプセル型内視鏡１０１００と、外部制御装置１０２００とから構成される。
【０１６８】
カプセル型内視鏡１０１００は、検査時に、患者によって飲み込まれる。カプセル型内視鏡１０１００は、撮像機能及び無線通信機能を有し、患者から自然排出されるまでの間、胃や腸等の臓器の内部を蠕動運動等によって移動しつつ、当該臓器の内部の画像（以下、体内画像ともいう）を所定の間隔で順次撮像し、その体内画像についての情報を体外の外部制御装置１０２００に順次無線送信する。
【０１６９】
外部制御装置１０２００は、体内情報取得システム１０００１の動作を統括的に制御する。また、外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００から送信されてくる体内画像についての情報を受信し、受信した体内画像についての情報に基づいて、表示装置（図示せず）に当該体内画像を表示するための画像データを生成する。
【０１７０】
体内情報取得システム１０００１では、このようにして、カプセル型内視鏡１０１００が飲み込まれてから排出されるまでの間、患者の体内の様子を撮像した体内画像を随時得ることができる。
【０１７１】
カプセル型内視鏡１０１００と外部制御装置１０２００の構成及び機能についてより詳細に説明する。
【０１７２】
カプセル型内視鏡１０１００は、カプセル型の筐体１０１０１を有し、その筐体１０１０１内には、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、給電部１０１１５、電源部１０１１６、及び制御部１０１１７が収納されている。
【０１７３】
光源部１０１１１は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、撮像部１０１１２の撮像視野に対して光を照射する。
【０１７４】
撮像部１０１１２は、撮像素子、及び当該撮像素子の前段に設けられる複数のレンズからなる光学系から構成される。観察対象である体組織に照射された光の反射光（以下、観察光という）は、当該光学系によって集光され、当該撮像素子に入射する。撮像部１０１１２では、撮像素子において、そこに入射した観察光が光電変換され、その観察光に対応する画像信号が生成される。撮像部１０１１２によって生成された画像信号は、画像処理部１０１１３に提供される。
【０１７５】
画像処理部１０１１３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等のプロセッサによって構成され、撮像部１０１１２によって生成された画像信号に対して各種の信号処理を行う。画像処理部１０１１３は、信号処理を施した画像信号を、ＲＡＷデータとして無線通信部１０１１４に提供する。
【０１７６】
無線通信部１０１１４は、画像処理部１０１１３によって信号処理が施された画像信号に対して変調処理等の所定の処理を行い、その画像信号を、アンテナ１０１１４Ａを介して外部制御装置１０２００に送信する。また、無線通信部１０１１４は、外部制御装置１０２００から、カプセル型内視鏡１０１００の駆動制御に関する制御信号を、アンテナ１０１１４Ａを介して受信する。無線通信部１０１１４は、外部制御装置１０２００から受信した制御信号を制御部１０１１７に提供する。
【０１７７】
給電部１０１１５は、受電用のアンテナコイル、当該アンテナコイルに発生した電流から電力を再生する電力再生回路、及び昇圧回路等から構成される。給電部１０１１５では、いわゆる非接触充電の原理を用いて電力が生成される。
【０１７８】
電源部１０１１６は、二次電池によって構成され、給電部１０１１５によって生成された電力を蓄電する。図１７では、図面が煩雑になることを避けるために、電源部１０１１６からの電力の供給先を示す矢印等の図示を省略しているが、電源部１０１１６に蓄電された電力は、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、及び制御部１０１１７に供給され、これらの駆動に用いられ得る。
【０１７９】
制御部１０１１７は、ＣＰＵ等のプロセッサによって構成され、光源部１０１１１、撮像部１０１１２、画像処理部１０１１３、無線通信部１０１１４、及び、給電部１０１１５の駆動を、外部制御装置１０２００から送信される制御信号に従って適宜制御する。
【０１８０】
外部制御装置１０２００は、ＣＰＵ，ＧＰＵ等のプロセッサ、又はプロセッサとメモリ等の記憶素子が混載されたマイクロコンピュータ若しくは制御基板等で構成される。外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００の制御部１０１１７に対して制御信号を、アンテナ１０２００Ａを介して送信することにより、カプセル型内視鏡１０１００の動作を制御する。カプセル型内視鏡１０１００では、例えば、外部制御装置１０２００からの制御信号により、光源部１０１１１における観察対象に対する光の照射条件が変更され得る。また、外部制御装置１０２００からの制御信号により、撮像条件（例えば、撮像部１０１１２におけるフレームレート、露出値等）が変更され得る。また、外部制御装置１０２００からの制御信号により、画像処理部１０１１３における処理の内容や、無線通信部１０１１４が画像信号を送信する条件（例えば、送信間隔、送信画像数等）が変更されてもよい。
【０１８１】
また、外部制御装置１０２００は、カプセル型内視鏡１０１００から送信される画像信号に対して、各種の画像処理を施し、撮像された体内画像を表示装置に表示するための画像データを生成する。当該画像処理としては、例えば現像処理（デモザイク処理）、高画質化処理（帯域強調処理、超解像処理、ＮＲ（Ｎｏｉｓｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）処理及び／若しくは手ブレ補正処理等）、並びに／又は拡大処理（電子ズーム処理）等、各種の信号処理を行うことができる。外部制御装置１０２００は、表示装置の駆動を制御して、生成した画像データに基づいて撮像された体内画像を表示させる。あるいは、外部制御装置１０２００は、生成した画像データを記録装置（図示せず）に記録させたり、印刷装置（図示せず）に印刷出力させてもよい。
【０１８２】
以上、本開示に係る技術が適用され得る体内情報取得システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１０１１２に適用され得る。具体的には、撮像部１０１１２として、上述した固体撮像素子１を適用することができる。撮像部１０１１２に本開示に係る技術を適用することにより、カプセル型内視鏡１０１００をより小型化できるため、患者の負担を更に軽減することができる。また、カプセル型内視鏡１０１００を小型化しつつも、ダイナミックレンジを拡大した鮮明な術部画像を得ることができるため、検査の精度が向上する。
【０１８３】
＜１０．内視鏡手術システムへの応用例＞
本開示に係る技術は、例えば、内視鏡手術システムに適用されてもよい。
【０１８４】
図１８は、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの概略的な構成の一例を示す図である。
【０１８５】
図１８では、術者（医師）１１１３１が、内視鏡手術システム１１０００を用いて、患者ベッド１１１３３上の患者１１１３２に手術を行っている様子が図示されている。図示するように、内視鏡手術システム１１０００は、内視鏡１１１００と、気腹チューブ１１１１１やエネルギー処置具１１１１２等の、その他の術具１１１１０と、内視鏡１１１００を支持する支持アーム装置１１１２０と、内視鏡下手術のための各種の装置が搭載されたカート１１２００と、から構成される。
【０１８６】
内視鏡１１１００は、先端から所定の長さの領域が患者１１１３２の体腔内に挿入される鏡筒１１１０１と、鏡筒１１１０１の基端に接続されるカメラヘッド１１１０２と、から構成される。図示する例では、硬性の鏡筒１１１０１を有するいわゆる硬性鏡として構成される内視鏡１１１００を図示しているが、内視鏡１１１００は、軟性の鏡筒を有するいわゆる軟性鏡として構成されてもよい。
【０１８７】
鏡筒１１１０１の先端には、対物レンズが嵌め込まれた開口部が設けられている。内視鏡１１１００には光源装置１１２０３が接続されており、当該光源装置１１２０３によって生成された光が、鏡筒１１１０１の内部に延設されるライトガイドによって当該鏡筒の先端まで導光され、対物レンズを介して患者１１１３２の体腔内の観察対象に向かって照射される。なお、内視鏡１１１００は、直視鏡であってもよいし、斜視鏡又は側視鏡であってもよい。
【０１８８】
カメラヘッド１１１０２の内部には光学系及び撮像素子が設けられており、観察対象からの反射光（観察光）は当該光学系によって当該撮像素子に集光される。当該撮像素子によって観察光が光電変換され、観察光に対応する電気信号、すなわち観察像に対応する画像信号が生成される。当該画像信号は、ＲＡＷデータとしてカメラコントロールユニット（ＣＣＵ：  Ｃａｍｅｒａ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１１２０１に送信される。
【０１８９】
ＣＣＵ１１２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）やＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）等によって構成され、内視鏡１１１００及び表示装置１１２０２の動作を統括的に制御する。さらに、ＣＣＵ１１２０１は、カメラヘッド１１１０２から画像信号を受け取り、その画像信号に対して、例えば現像処理（デモザイク処理）等の、当該画像信号に基づく画像を表示するための各種の画像処理を施す。
【０１９０】
表示装置１１２０２は、ＣＣＵ１１２０１からの制御により、当該ＣＣＵ１１２０１によって画像処理が施された画像信号に基づく画像を表示する。
【０１９１】
光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）等の光源から構成され、術部等を撮影する際の照射光を内視鏡１１１００に供給する。
【０１９２】
入力装置１１２０４は、内視鏡手術システム１１０００に対する入力インタフェースである。ユーザは、入力装置１１２０４を介して、内視鏡手術システム１１０００に対して各種の情報の入力や指示入力を行うことができる。例えば、ユーザは、内視鏡１１１００による撮像条件（照射光の種類、倍率及び焦点距離等）を変更する旨の指示等を入力する。
【０１９３】
処置具制御装置１１２０５は、組織の焼灼、切開又は血管の封止等のためのエネルギー処置具１１１１２の駆動を制御する。気腹装置１１２０６は、内視鏡１１１００による視野の確保及び術者の作業空間の確保の目的で、患者１１１３２の体腔を膨らめるために、気腹チューブ１１１１１を介して当該体腔内にガスを送り込む。レコーダ１１２０７は、手術に関する各種の情報を記録可能な装置である。プリンタ１１２０８は、手術に関する各種の情報を、テキスト、画像又はグラフ等各種の形式で印刷可能な装置である。
【０１９４】
なお、内視鏡１１１００に術部を撮影する際の照射光を供給する光源装置１１２０３は、例えばＬＥＤ、レーザ光源又はこれらの組み合わせによって構成される白色光源から構成することができる。ＲＧＢレーザ光源の組み合わせにより白色光源が構成される場合には、各色（各波長）の出力強度及び出力タイミングを高精度に制御することができるため、光源装置１１２０３において撮像画像のホワイトバランスの調整を行うことができる。また、この場合には、ＲＧＢレーザ光源それぞれからのレーザ光を時分割で観察対象に照射し、その照射タイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御することにより、ＲＧＢそれぞれに対応した画像を時分割で撮像することも可能である。当該方法によれば、当該撮像素子にカラーフィルタを設けなくても、カラー画像を得ることができる。
【０１９５】
また、光源装置１１２０３は、出力する光の強度を所定の時間ごとに変更するようにその駆動が制御されてもよい。その光の強度の変更のタイミングに同期してカメラヘッド１１１０２の撮像素子の駆動を制御して時分割で画像を取得し、その画像を合成することにより、いわゆる黒つぶれ及び白とびのない高ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【０１９６】
また、光源装置１１２０３は、特殊光観察に対応した所定の波長帯域の光を供給可能に構成されてもよい。特殊光観察では、例えば、体組織における光の吸収の波長依存性を利用して、通常の観察時における照射光（すなわち、白色光）に比べて狭帯域の光を照射することにより、粘膜表層の血管等の所定の組織を高コントラストで撮影する、いわゆる狭帯域光観察（Ｎａｒｒｏｗ  Ｂａｎｄ  Ｉｍａｇｉｎｇ）が行われる。あるいは、特殊光観察では、励起光を照射することにより発生する蛍光により画像を得る蛍光観察が行われてもよい。蛍光観察では、体組織に励起光を照射し当該体組織からの蛍光を観察すること（自家蛍光観察）、又はインドシアニングリーン（ＩＣＧ）等の試薬を体組織に局注するとともに当該体組織にその試薬の蛍光波長に対応した励起光を照射し蛍光像を得ること等を行うことができる。光源装置１１２０３は、このような特殊光観察に対応した狭帯域光及び／又は励起光を供給可能に構成され得る。
【０１９７】
図１９は、図１８に示すカメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。
【０１９８】
カメラヘッド１１１０２は、レンズユニット１１４０１と、撮像部１１４０２と、駆動部１１４０３と、通信部１１４０４と、カメラヘッド制御部１１４０５と、を有する。ＣＣＵ１１２０１は、通信部１１４１１と、画像処理部１１４１２と、制御部１１４１３と、を有する。カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１とは、伝送ケーブル１１４００によって互いに通信可能に接続されている。
【０１９９】
レンズユニット１１４０１は、鏡筒１１１０１との接続部に設けられる光学系である。鏡筒１１１０１の先端から取り込まれた観察光は、カメラヘッド１１１０２まで導光され、当該レンズユニット１１４０１に入射する。レンズユニット１１４０１は、ズームレンズ及びフォーカスレンズを含む複数のレンズが組み合わされて構成される。
【０２００】
撮像部１１４０２は、撮像素子で構成される。撮像部１１４０２を構成する撮像素子は、１つ（いわゆる単板式）であってもよいし、複数（いわゆる多板式）であってもよい。撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、例えば各撮像素子によってＲＧＢそれぞれに対応する画像信号が生成され、それらが合成されることによりカラー画像が得られてもよい。あるいは、撮像部１１４０２は、３Ｄ（Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）表示に対応する右目用及び左目用の画像信号をそれぞれ取得するための１対の撮像素子を有するように構成されてもよい。３Ｄ表示が行われることにより、術者１１１３１は術部における生体組織の奥行きをより正確に把握することが可能になる。なお、撮像部１１４０２が多板式で構成される場合には、各撮像素子に対応して、レンズユニット１１４０１も複数系統設けられ得る。
【０２０１】
また、撮像部１１４０２は、必ずしもカメラヘッド１１１０２に設けられなくてもよい。例えば、撮像部１１４０２は、鏡筒１１１０１の内部に、対物レンズの直後に設けられてもよい。
【０２０２】
駆動部１１４０３は、アクチュエータによって構成され、カメラヘッド制御部１１４０５からの制御により、レンズユニット１１４０１のズームレンズ及びフォーカスレンズを光軸に沿って所定の距離だけ移動させる。これにより、撮像部１１４０２による撮像画像の倍率及び焦点が適宜調整され得る。
【０２０３】
通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４０４は、撮像部１１４０２から得た画像信号をＲＡＷデータとして伝送ケーブル１１４００を介してＣＣＵ１１２０１に送信する。
【０２０４】
また、通信部１１４０４は、ＣＣＵ１１２０１から、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を受信し、カメラヘッド制御部１１４０５に供給する。当該制御信号には、例えば、撮像画像のフレームレートを指定する旨の情報、撮像時の露出値を指定する旨の情報、並びに／又は撮像画像の倍率及び焦点を指定する旨の情報等、撮像条件に関する情報が含まれる。
【０２０５】
なお、上記のフレームレートや露出値、倍率、焦点等の撮像条件は、ユーザによって適宜指定されてもよいし、取得された画像信号に基づいてＣＣＵ１１２０１の制御部１１４１３によって自動的に設定されてもよい。後者の場合には、いわゆるＡＥ（Ａｕｔｏ  Ｅｘｐｏｓｕｒｅ）機能、ＡＦ（Ａｕｔｏ  Ｆｏｃｕｓ）機能及びＡＷＢ（Ａｕｔｏ  Ｗｈｉｔｅ  Ｂａｌａｎｃｅ）機能が内視鏡１１１００に搭載されていることになる。
【０２０６】
カメラヘッド制御部１１４０５は、通信部１１４０４を介して受信したＣＣＵ１１２０１からの制御信号に基づいて、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御する。
【０２０７】
通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２との間で各種の情報を送受信するための通信装置によって構成される。通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２から、伝送ケーブル１１４００を介して送信される画像信号を受信する。
【０２０８】
また、通信部１１４１１は、カメラヘッド１１１０２に対して、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を送信する。画像信号や制御信号は、電気通信や光通信等によって送信することができる。
【０２０９】
画像処理部１１４１２は、カメラヘッド１１１０２から送信されたＲＡＷデータである画像信号に対して各種の画像処理を施す。
【０２１０】
制御部１１４１３は、内視鏡１１１００による術部等の撮像、及び、術部等の撮像により得られる撮像画像の表示に関する各種の制御を行う。例えば、制御部１１４１３は、カメラヘッド１１１０２の駆動を制御するための制御信号を生成する。
【０２１１】
また、制御部１１４１３は、画像処理部１１４１２によって画像処理が施された画像信号に基づいて、術部等が映った撮像画像を表示装置１１２０２に表示させる。この際、制御部１１４１３は、各種の画像認識技術を用いて撮像画像内における各種の物体を認識してもよい。例えば、制御部１１４１３は、撮像画像に含まれる物体のエッジの形状や色等を検出することにより、鉗子等の術具、特定の生体部位、出血、エネルギー処置具１１１１２の使用時のミスト等を認識することができる。制御部１１４１３は、表示装置１１２０２に撮像画像を表示させる際に、その認識結果を用いて、各種の手術支援情報を当該術部の画像に重畳表示させてもよい。手術支援情報が重畳表示され、術者１１１３１に提示されることにより、術者１１１３１の負担を軽減することや、術者１１１３１が確実に手術を進めることが可能になる。
【０２１２】
カメラヘッド１１１０２及びＣＣＵ１１２０１を接続する伝送ケーブル１１４００は、電気信号の通信に対応した電気信号ケーブル、光通信に対応した光ファイバ、又はこれらの複合ケーブルである。
【０２１３】
ここで、図示する例では、伝送ケーブル１１４００を用いて有線で通信が行われていたが、カメラヘッド１１１０２とＣＣＵ１１２０１との間の通信は無線で行われてもよい。
【０２１４】
以上、本開示に係る技術が適用され得る内視鏡手術システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、カメラヘッド１１１０２の撮像部１１４０２に適用され得る。具体的には、撮像部１１４０２として、上述した固体撮像素子１を適用することができる。撮像部１１４０２に本開示に係る技術を適用することにより、カメラヘッド１１１０２を小型化しつつも、ダイナミックレンジを拡大した鮮明な術部画像を得ることができる。
【０２１５】
なお、ここでは、一例として内視鏡手術システムについて説明したが、本開示に係る技術は、その他、例えば、顕微鏡手術システム等に適用されてもよい。
【０２１６】
＜１１．移動体への応用例＞
さらに、本開示に係る技術は、例えば、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット等のいずれかの種類の移動体に搭載される装置として実現されてもよい。
【０２１７】
図２０は、本開示に係る技術が適用され得る移動体制御システムの一例である車両制御システムの概略的な構成例を示すブロック図である。
【０２１８】
車両制御システム１２０００は、通信ネットワーク１２００１を介して接続された複数の電子制御ユニットを備える。図２０に示した例では、車両制御システム１２０００は、駆動系制御ユニット１２０１０、ボディ系制御ユニット１２０２０、車外情報検出ユニット１２０３０、車内情報検出ユニット１２０４０、及び統合制御ユニット１２０５０を備える。また、統合制御ユニット１２０５０の機能構成として、マイクロコンピュータ１２０５１、音声画像出力部１２０５２、及び車載ネットワークＩ／Ｆ（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）１２０５３が図示されている。
【０２１９】
駆動系制御ユニット１２０１０は、各種プログラムにしたがって車両の駆動系に関連する装置の動作を制御する。例えば、駆動系制御ユニット１２０１０は、内燃機関又は駆動用モータ等の車両の駆動力を発生させるための駆動力発生装置、駆動力を車輪に伝達するための駆動力伝達機構、車両の舵角を調節するステアリング機構、及び、車両の制動力を発生させる制動装置等の制御装置として機能する。
【０２２０】
ボディ系制御ユニット１２０２０は、各種プログラムにしたがって車体に装備された各種装置の動作を制御する。例えば、ボディ系制御ユニット１２０２０は、キーレスエントリシステム、スマートキーシステム、パワーウィンドウ装置、あるいは、ヘッドランプ、バックランプ、ブレーキランプ、ウィンカー又はフォグランプ等の各種ランプの制御装置として機能する。この場合、ボディ系制御ユニット１２０２０には、鍵を代替する携帯機から発信される電波又は各種スイッチの信号が入力され得る。ボディ系制御ユニット１２０２０は、これらの電波又は信号の入力を受け付け、車両のドアロック装置、パワーウィンドウ装置、ランプ等を制御する。
【０２２１】
車外情報検出ユニット１２０３０は、車両制御システム１２０００を搭載した車両の外部の情報を検出する。例えば、車外情報検出ユニット１２０３０には、撮像部１２０３１が接続される。車外情報検出ユニット１２０３０は、撮像部１２０３１に車外の画像を撮像させるとともに、撮像された画像を受信する。車外情報検出ユニット１２０３０は、受信した画像に基づいて、人、車、障害物、標識又は路面上の文字等の物体検出処理又は距離検出処理を行ってもよい。
【０２２２】
撮像部１２０３１は、光を受光し、その光の受光量に応じた電気信号を出力する光センサである。撮像部１２０３１は、電気信号を画像として出力することもできるし、測距の情報として出力することもできる。また、撮像部１２０３１が受光する光は、可視光であっても良いし、赤外線等の非可視光であっても良い。
【０２２３】
車内情報検出ユニット１２０４０は、車内の情報を検出する。車内情報検出ユニット１２０４０には、例えば、運転者の状態を検出する運転者状態検出部１２０４１が接続される。運転者状態検出部１２０４１は、例えば運転者を撮像するカメラを含み、車内情報検出ユニット１２０４０は、運転者状態検出部１２０４１から入力される検出情報に基づいて、運転者の疲労度合い又は集中度合いを算出してもよいし、運転者が居眠りをしていないかを判別してもよい。
【０２２４】
マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車内外の情報に基づいて、駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置の制御目標値を演算し、駆動系制御ユニット１２０１０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両の衝突回避あるいは衝撃緩和、車間距離に基づく追従走行、車速維持走行、車両の衝突警告、又は車両のレーン逸脱警告等を含むＡＤＡＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｄｒｉｖｅｒ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍ）の機能実現を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２５】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０又は車内情報検出ユニット１２０４０で取得される車両の周囲の情報に基づいて駆動力発生装置、ステアリング機構又は制動装置等を制御することにより、運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２６】
また、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で取得される車外の情報に基づいて、ボディ系制御ユニット１２０２０に対して制御指令を出力することができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車外情報検出ユニット１２０３０で検知した先行車又は対向車の位置に応じてヘッドランプを制御し、ハイビームをロービームに切り替える等の防眩を図ることを目的とした協調制御を行うことができる。
【０２２７】
音声画像出力部１２０５２は、車両の搭乗者又は車外に対して、視覚的又は聴覚的に情報を通知することが可能な出力装置へ音声及び画像のうちの少なくとも一方の出力信号を送信する。図２０の例では、出力装置として、オーディオスピーカ１２０６１、表示部１２０６２及びインストルメントパネル１２０６３が例示されている。表示部１２０６２は、例えば、オンボードディスプレイ及びヘッドアップディスプレイの少なくとも一つを含んでいてもよい。
【０２２８】
図２１は、撮像部１２０３１の設置位置の例を示す図である。
【０２２９】
図２１では、車両１２１００は、撮像部１２０３１として、撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５を有する。
【０２３０】
撮像部１２１０１，１２１０２，１２１０３，１２１０４，１２１０５は、例えば、車両１２１００のフロントノーズ、サイドミラー、リアバンパ、バックドア及び車室内のフロントガラスの上部等の位置に設けられる。フロントノーズに備えられる撮像部１２１０１及び車室内のフロントガラスの上部に備えられる撮像部１２１０５は、主として車両１２１００の前方の画像を取得する。サイドミラーに備えられる撮像部１２１０２，１２１０３は、主として車両１２１００の側方の画像を取得する。リアバンパ又はバックドアに備えられる撮像部１２１０４は、主として車両１２１００の後方の画像を取得する。撮像部１２１０１及び１２１０５で取得される前方の画像は、主として先行車両又は、歩行者、障害物、信号機、交通標識又は車線等の検出に用いられる。
【０２３１】
なお、図２１には、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮影範囲の一例が示されている。撮像範囲１２１１１は、フロントノーズに設けられた撮像部１２１０１の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１２，１２１１３は、それぞれサイドミラーに設けられた撮像部１２１０２，１２１０３の撮像範囲を示し、撮像範囲１２１１４は、リアバンパ又はバックドアに設けられた撮像部１２１０４の撮像範囲を示す。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４で撮像された画像データが重ね合わせられることにより、車両１２１００を上方から見た俯瞰画像が得られる。
【０２３２】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、距離情報を取得する機能を有していてもよい。例えば、撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、複数の撮像素子からなるステレオカメラであってもよいし、位相差検出用の画素を有する撮像素子であってもよい。
【０２３３】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を基に、撮像範囲１２１１１ないし１２１１４内における各立体物までの距離と、この距離の時間的変化（車両１２１００に対する相対速度）を求めることにより、特に車両１２１００の進行路上にある最も近い立体物で、車両１２１００と略同じ方向に所定の速度（例えば、０ｋｍ／ｈ以上）で走行する立体物を先行車として抽出することができる。さらに、マイクロコンピュータ１２０５１は、先行車の手前に予め確保すべき車間距離を設定し、自動ブレーキ制御（追従停止制御も含む）や自動加速制御（追従発進制御も含む）等を行うことができる。このように運転者の操作に拠らずに自律的に走行する自動運転等を目的とした協調制御を行うことができる。
【０２３４】
例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４から得られた距離情報を元に、立体物に関する立体物データを、２輪車、普通車両、大型車両、歩行者、電柱等その他の立体物に分類して抽出し、障害物の自動回避に用いることができる。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、車両１２１００の周辺の障害物を、車両１２１００のドライバが視認可能な障害物と視認困難な障害物とに識別する。そして、マイクロコンピュータ１２０５１は、各障害物との衝突の危険度を示す衝突リスクを判断し、衝突リスクが設定値以上で衝突可能性がある状況であるときには、オーディオスピーカ１２０６１や表示部１２０６２を介してドライバに警報を出力することや、駆動系制御ユニット１２０１０を介して強制減速や回避操舵を行うことで、衝突回避のための運転支援を行うことができる。
【０２３５】
撮像部１２１０１ないし１２１０４の少なくとも１つは、赤外線を検出する赤外線カメラであってもよい。例えば、マイクロコンピュータ１２０５１は、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在するか否かを判定することで歩行者を認識することができる。かかる歩行者の認識は、例えば赤外線カメラとしての撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像における特徴点を抽出する手順と、物体の輪郭を示す一連の特徴点にパターンマッチング処理を行って歩行者か否かを判別する手順によって行われる。マイクロコンピュータ１２０５１が、撮像部１２１０１ないし１２１０４の撮像画像中に歩行者が存在すると判定し、歩行者を認識すると、音声画像出力部１２０５２は、当該認識された歩行者に強調のための方形輪郭線を重畳表示するように、表示部１２０６２を制御する。また、音声画像出力部１２０５２は、歩行者を示すアイコン等を所望の位置に表示するように表示部１２０６２を制御してもよい。
【０２３６】
以上、本開示に係る技術が適用され得る車両制御システムの一例について説明した。本開示に係る技術は、以上説明した構成のうち、撮像部１２０３１に適用され得る。具体的には、撮像部１２０３１として、上述した固体撮像素子１を適用することができる。撮像部１２０３１に本開示に係る技術を適用することにより、小型化しつつも、ダイナミックレンジを拡大した、より見やすい撮影画像を得ることができる。また、得られた撮影画像を用いて、ドライバの疲労を軽減したり、ドライバや車両の安全度を高めることが可能になる。
【０２３７】
本技術の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【０２３８】
例えば、上述した実施の形態の全てまたは一部を適宜組み合わせた形態を採用することができる。
【０２３９】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
【０２４０】
なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、
前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、
前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う制御回路と
を備える固体撮像素子。
（２）
前記第１の電荷保持部の電荷容量は、前記第２の電荷保持部の電荷容量より小さく形成され、
前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧の一致が検出されるまでは、前記第１の電荷保持部で前記電荷が保持される構成とされた
前記（１）に記載の固体撮像素子。
（３）
前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧を比較するコンパレータをさらに備え、
前記制御回路は、前記光電変換部で生成された電荷を前記第１の電荷保持部に転送する電荷転送期間の一部を、前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧の一致を検出する第１検知期間とし、前記コンパレータの比較結果に基づいて、前記電圧の一致を検出する
前記（１）または（２）に記載の固体撮像素子。
（４）
前記ランプ信号の電圧を、前記第１の電荷保持部の飽和レベルに対応する電圧に設定するDACをさらに備える
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（５）
前記DACは、前記電荷転送期間の前半部分において、前記ランプ信号の電圧を、前記第１の電荷保持部の飽和レベルに対応する電圧に設定する
前記（４）に記載の固体撮像素子。
（６）
前記DACは、前記第１の電荷保持部の飽和レベルに対応する電圧を、動作モードに応じて変更する
前記（４）または（５）に記載の固体撮像素子。
（７）
前記制御回路は、前記第１検知期間において前記電圧の一致が検出されたとき、一致したことを示す検知結果をラッチ記憶する
前記（３）乃至（６）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（８）
前記制御回路は、前記光電変換部で生成された電荷を前記第１の電荷保持部に転送する前に、前記検知結果をリセットする
前記（７）に記載の固体撮像素子。
（９）
前記制御回路は、前記画素信号の電圧が前記ランプ信号の電圧と一致したことを示す検知結果を、前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧が一致するまでの時間をカウントするカウンタに出力する
前記（７）または（８）に記載の固体撮像素子。
（１０）
前記画素信号の電圧が前記ランプ信号の電圧と一致したことを示す検知結果が供給された場合、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて補正した画素データを演算する演算部をさらに備える
前記（９）に記載の固体撮像素子。
（１１）
前記演算部は、前記カウンタまたは信号処理部である
前記（１０）に記載の固体撮像素子。
（１２）
前記制御回路は、前記第１検知期間に加えてD相期間の一部を、前記電圧の一致を検出する第２検知期間とし、前記電圧の一致が検出されたとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う
前記（３）に記載の固体撮像素子。
（１３）
前記第２検知期間で前記画素信号の電圧と前記ランプ信号の電圧の一致が検出された場合、前記第１の電荷保持部のみを用いた画素データと、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて補正した画素データとを合成し、合成後の画素データを演算する演算部をさらに備える
前記（１２）に記載の固体撮像素子。
（１４）
前記第１検知期間で前記電圧の一致が検出された場合、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて補正した画素データを出力し、前記第２検知期間で前記電圧の一致が検出された場合、前記合成後の画素データを出力し、前記第１検知期間および前記第２検知期間のいずれでも電圧の一致が検出されなかった場合、前記第１の電荷保持部のみを用いた前記画素データを出力する出力部と
をさらに備える
前記（１３）に記載の固体撮像素子。
（１５）
前記画素から出力された画素信号の電圧が前記ランプ信号の電圧と一致するまでの時間に基づいて画素データを算出するカウンタと、
前記第１の電荷保持部のみを用いた前記画素データについては、そのまま出力し、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部の両方を用いた前記画素データについては、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部のゲイン比に応じて前記画素データを補正した補正後の画素データを出力する出力部と
をさらに備える
前記（１）乃至（１１）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１６）
前記第１の電荷保持部の電荷をリセットする第１のリセットトランジスタと、
前記第２の電荷保持部の電荷をリセットする第２のリセットトランジスタと
をさらに備え、
前記第１の電荷保持部の電荷容量は、前記第２の電荷保持部の電荷容量より小さく形成され、
前記第１の電荷保持部は、前記第１及び第２のリセットトランジスタを介して、所定のリセット電圧に接続されている
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１７）
前記第１の電荷保持部の電荷をリセットする第１のリセットトランジスタと、
前記第２の電荷保持部の電荷をリセットする第２のリセットトランジスタと
をさらに備え、
前記第１の電荷保持部の電荷容量は、前記第２の電荷保持部の電荷容量より小さく形成され、
前記第１の電荷保持部は、前記第１のリセットトランジスタを介して、所定のリセット電圧に接続されている
前記（１）乃至（１５）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１８）
前記第１の電荷保持部、前記第２の電荷保持部、および、前記接続トランジスタは、複数の画素で共有された構成とされた
前記（１）乃至（１７）のいずれかに記載の固体撮像素子。
（１９）
画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、前記接続トランジスタを制御する制御回路とを備える固体撮像素子の、
前記制御回路が、前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う
固体撮像素子の制御方法。
（２０）
画素の光電変換部で生成された電荷を保持する第１及び第２の電荷保持部と、
前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部との接続をオンオフする接続トランジスタと、
前記画素から出力された画素信号の電圧が、時間経過に応じてレベルが変化するランプ信号の電圧と一致したとき、前記第１の電荷保持部と前記第２の電荷保持部を接続させる制御を行う制御回路と
を備える固体撮像素子
を備える電子機器。
【符号の説明】
【０２４１】
１  固体撮像素子，  １１  画素アレイ部，  １３  DAC，  １４  比較部，  １５  カウンタ部，  １７  信号処理部，  １８  出力部，  ２１  画素，  PD  フォトダイオード，  ２３  第１垂直信号線，  ２４  第２垂直信号線，  ３１  コンパレータ，  ３２  飽和検知回路，  ３３（３３A,３３B）  カウンタ，  ４１  転送トランジスタ，  ４２A  第１リセットトランジスタ，  ４２B  第２リセットトランジスタ，FDH  高感度，FDL  低感度，  ４３  FD接続トランジスタ，  ４４  増幅トランジスタ，  ４５  選択トランジスタ，  ５１  AND回路，  ５２，５３  NOR回路，  ７１  スイッチ回路，  １００  撮像装置，  １０２  固体撮像素子
【図１】
2019022173.tif 000003
【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】
2019022173.tif 000009
【図８】
2019022173.tif 000010
【図９】
2019022173.tif 000011
【図１０】
2019022173.tif 000012
【図１１】
2019022173.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2019022173.tif 000015
【図１４】
2019022173.tif 000016
【図１５】
2019022173.tif 000017
【図１６】
2019022173.tif 000018
【図１７】
2019022173.tif 000019
【図１８】
2019022173.tif 000020
【図１９】
2019022173.tif 000021
【図２０】
2019022173.tif 000022
【図２１】
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