(57)【要約】  【課題】  被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することのできる撮像装置を提供する。  【解決手段】  撮像装置は、長時間露光用と短時間露光用のグループに分割され所定のフレーム期間内において異なる露光時間の蓄積電荷を読出し可能な撮像素子１と、撮像素子１の読出しタイミングを調整するタイミングパルス発生器２を備える。長時間露光用のグループから長時間露光の蓄積電荷を読み出す第１の読出しタイミングと、短時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第２の読出しタイミングを、それぞれ独立に調整する。【選択図】  図１
2008066937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全画素が長時間露光画素グループと短時間露光画素グループに分割され、各画素グループの画素から所定のフレーム期間内において異なる露光時間の蓄積電荷信号を読出し可能な撮像手段と、
前記フレーム期間内において長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングで、前記長時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第１の読出し手段と、
前記フレーム期間内において短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングで、前記短時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第２の読出し手段と、
前記第１の読出しタイミングおよび前記第２の読出しタイミングをそれぞれ独立に調整する読出しタイミング調整手段と、
前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号を用いて、長時間露光信号を生成する長時間露光信号生成手段と、
前記短時間露光画素グループから読み出した前記短時間露光の蓄積電荷信号を用いて、短時間露光信号を生成する短時間露光信号生成手段と、
前記長時間露光信号と前記短時間露光信号を合成して、全画素分の映像信号を生成する合成手段と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記フレーム期間内における前記第１の読出しタイミングで、前記短時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第３の読出し手段を備え、
前記長時間露光信号作成手段は、
前記短時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号を、前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号に加算して、前記長時間露光信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記フレーム期間内における第２の読出しタイミングで、前記長時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第４の読出し手段を備え、
前記長時間露光信号作成手段は、
前記長時間露光画素グループから読み出した前記短時間露光の蓄積電荷信号を、前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号に加算して、前記長時間露光信号を生成することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記長時間露光画素グループの画素と前記短時間露光画素グループの画素は、縦方向または横方向に交互に配置されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記長時間露光画素グループおよび前記短時間露光画素グループの各々において、画素配列がベイヤー配列となるように、前記画素が配置されたことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１の読出し手段は、
前記長時間露光画素グループの各画素に接続する第１の転送路と、前記長時間露光画素グループの各画素から前記第１の転送路への読出し経路となる第１のゲート電極を備え、
前記第２の読出し手段は、
前記短時間露光画素グループの各画素に接続する第２の転送路と、前記短時間露光画素グループの各画素から前記第２の転送路への読出し経路となる第２のゲート電極を備え、
前記読出しタイミング調整手段は、
前記第１の読出しタイミングで前記第１のゲート電極にゲート電圧を印加し、前記第２の読出しタイミングで前記第２のゲート電極にゲート電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第３の読出し手段は、
前記短時間露光画素グループの各画素に接続する前記第１の転送路と、前記短時間露光画素グループの各画素から前記第１の転送路への読出し経路となる第３のゲート電極を備え、
前記読出しタイミング調整手段は、
前記第１の読出しタイミングで前記第３のゲート電極にゲート電圧を印加することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記第４の読出し手段は、
前記長時間露光画素グループの各画素に接続する前記第１の転送路と、前記長時間露光画素グループの各画素から前記第１の転送路への読出し経路となる前記第１のゲート電極を備え、
前記読出しタイミング調整手段は、
前記第２の読出しタイミングで前記第１のゲート電極にゲート電圧を印加することを特徴とする請求項３に記載の撮像装置。
【請求項９】
全画素が長時間露光画素グループと短時間露光画素グループに分割され、各画素グループの画素から所定のフレーム期間内において異なる露光時間の蓄積電荷信号を読出し可能な撮像手段を用い、
前記フレーム期間内において長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングと、前記フレーム期間内において短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングを、それぞれ独立に調整し、
前記第１の読出しタイミングで、前記長時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出し、
前記第２の読出しタイミングで、前記短時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出し、
前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号を用いて、長時間露光信号を生成し、
前記短時間露光画素グループから読み出した前記短時間露光の蓄積電荷信号を用いて、短時間露光信号を生成し、
前記長時間露光信号と前記短時間露光信号を合成して、全画素分の映像信号を生成することを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビデオカメラ等に用いられる撮像装置に関し、特にダイナミックレンジを拡大する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＣＣＤなどの個体撮像素子から露光量の異なる画像信号を得て、ダイナミックレンジを拡大する撮像装置が知られている（例えば特許文献１参照）。従来の撮像装置では、フィルタを設けた画素（フォトダイオード）とフィルタを設けない画素（フォトダイオード）が一行おきに配置されている。
【０００３】
この従来の撮像装置は、フィルタを用いて画素の感度に差を設けることにより、画素の露光量が異なるように構成されており、１度の露光でも露光量の異なる画像信号が得られる。そして、このようにして得られた露光量の異なる画像信号を合成して、画像信号のダイナミックレンジを拡大する。
【特許文献１】特開平５−６４０８３号公報（第８−１０頁、第１１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の撮像装置においては、ダイナミックレンジを拡大するために、フィルタを用いて画素の感度に差を設けて、画素の露光量が異なるように構成している。そのため、フィルタを設けた画素とフィルタを設けない画素の露光量の比を変えるためには、フィルタの交換を行わなければならない。つまり、従来の撮像装置では、画素の露光量の比を変えるのが困難であるという問題があった。したがって、明暗の差の大きい被写体を撮影するときに、被写体の明暗の差の度合いに応じて、画素の露光量の比を調整することが困難であるという問題があった。例えば、撮像装置を監視カメラ等として用いた場合に、明暗の差の大きい被写体を撮影するのに不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたもので、画素グループごとに露光時間の調整が可能であり、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することのできる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】
【０００６】
本発明の撮像装置は、全画素が長時間露光画素グループと短時間露光画素グループに分割され、各画素グループの画素から所定のフレーム期間内において異なる露光時間の蓄積電荷信号を読出し可能な撮像手段と、前記フレーム期間内において長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングで、前記長時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第１の読出し手段と、前記フレーム期間内において短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングで、前記短時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第２の読出し手段と、前記第１の読出しタイミングおよび前記第２の読出しタイミングをそれぞれ独立に調整する読出しタイミング調整手段と、前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号を用いて、長時間露光信号を生成する長時間露光信号生成手段と、前記短時間露光画素グループから読み出した前記短時間露光の蓄積電荷信号を用いて、短時間露光信号を生成する短時間露光信号生成手段と、前記長時間露光信号と前記短時間露光信号を合成して、全画素分の映像信号を生成する合成手段と、を備えた構成を有している。
【０００７】
この構成により、第１の読出しタイミングを変えることにより、長時間露光画素グループの画素の露光時間（長時間露光期間）を容易に変えることができる。また、第２の読出しタイミングを変えることにより、短時間露光画素グループの画素の露光時間（短時間露光期間）を容易に変えることができる。このように、第１の読出しタイミングと第２の読出しタイミングをそれぞれ調整することにより、画素グループごとに露光時間を調整することができ、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することができる。例えば、明暗の差の大きい被写体を撮影するときには、長時間露光期間を長くして短時間露光期間を短くするように調整することにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【０００８】
また、本発明の撮像装置は、前記フレーム期間内における前記第１の読出しタイミングで、前記短時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第３の読出し手段を備え、前記長時間露光信号作成手段は、前記短時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号を、前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号に加算して、前記長時間露光信号を生成する構成を有している。
【０００９】
この構成により、長時間露光画素グループから読み出した長時間露光の蓄積電荷信号だけでなく、短時間露光画素グループから読み出した長時間露光の蓄積電荷信号を利用することができ、長時間露光信号の感度が向上する。
【００１０】
また、本発明の撮像装置は、前記フレーム期間内における第２の読出しタイミングで、前記長時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第４の読出し手段を備え、前記長時間露光信号作成手段は、前記長時間露光画素グループから読み出した前記短時間露光の蓄積電荷信号を、前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号に加算して、前記長時間露光信号を生成する構成を有している。
【００１１】
この構成により、長時間露光画素グループから読み出した長時間露光の蓄積電荷信号だけでなく、長時間露光画素グループから読み出した短時間露光の蓄積電荷信号を利用することができ、長時間露光信号の感度がさらに向上する。
【００１２】
また、本発明の撮像装置では、前記長時間露光画素グループの画素と前記短時間露光画素グループの画素は、縦方向または横方向に交互に配置された構成を有している。
【００１３】
この構成により、長時間露光画素グループの画素と短時間露光グループの画素が、縦方向または横方向に偏りなく配置される。したがって、全画素を二つの画素グループ（長時間露光画素グループと短時間露光グループ）に分割したときに、各画素グループに解像度の偏りが生じるのを抑えることができる。
【００１４】
また、本発明の撮像装置では、前記長時間露光画素グループおよび前記短時間露光画素グループの各々において、画素配列がベイヤー配列となるように、前記画素が配置された構成を有している。
【００１５】
この構成により、長時間露光画素グループや短時間露光画素グループから読み出した蓄積電荷信号がベイヤー配列信号となるので、これらの蓄積電荷信号から生成した長時間露光信号や短時間露光信号は一般的な信号処理（原色ベイヤー用の信号処理）で容易に画像処理を行うことができる。
【００１６】
また、本発明の撮像装置では、前記第１の読出し手段は、前記長時間露光画素グループの各画素に接続する第１の転送路と、前記長時間露光画素グループの各画素から前記第１の転送路への読出し経路となる第１のゲート電極を備え、前記第２の読出し手段は、前記短時間露光画素グループの各画素に接続する第２の転送路と、前記短時間露光画素グループの各画素から前記第２の転送路への読出し経路となる第２のゲート電極を備え、前記読出しタイミング調整手段は、前記第１の読出しタイミングで前記第１のゲート電極にゲート電圧を印加し、前記第２の読出しタイミングで前記第２のゲート電極にゲート電圧を印加する構成を有している。
【００１７】
この構成により、第１の読出しタイミングで、第１のゲート電極にゲート電圧を印加すると、長時間露光画素グループの各画素から第１の転送路へ長時間露光の蓄積電荷信号が読み出される。また、第２の読出しタイミングで、第２のゲート電極にゲート電圧を印加すると、短時間露光画素グループの各画素から第２の転送路へ短時間露光の蓄積電荷信号が読み出される。このようにして、画素グループごとに露光時間を調整することができる。
【００１８】
また、本発明の撮像装置では、前記第３の読出し手段は、前記短時間露光画素グループの各画素に接続する前記第１の転送路と、前記短時間露光画素グループの各画素から前記第１の転送路への読出し経路となる第３のゲート電極を備え、前記読出しタイミング調整手段は、前記第１の読出しタイミングで前記第３のゲート電極にゲート電圧を印加する構成を有している。
【００１９】
この構成により、第１の読出しタイミングで、第３のゲート電極にゲート電圧を印加すると、短時間露光画素グループの各画素から第１の転送路へ長時間露光の蓄積電荷信号が読み出される。これにより、短時間露光画素グループから読み出した長時間露光の蓄積電荷信号を利用することができる。
【００２０】
また、本発明の撮像装置では、前記第４の読出し手段は、前記長時間露光画素グループの各画素に接続する前記第１の転送路と、前記長時間露光画素グループの各画素から前記第１の転送路への読出し経路となる前記第１のゲート電極を備え、前記読出しタイミング調整手段は、前記第２の読出しタイミングで前記第１のゲート電極にゲート電圧を印加する構成を有している。
【００２１】
この構成により、第２の読出しタイミングで、第１のゲート電極にゲート電圧を印加すると、長時間露光画素グループの各画素から第１の転送路へ短時間露光の蓄積電荷信号が読み出される。これにより、長時間露光画素グループから読み出した短時間露光の蓄積電荷信号を利用することができる。
【００２２】
本発明の撮像方法は、全画素が長時間露光画素グループと短時間露光画素グループに分割され、各画素グループの画素から所定のフレーム期間内において異なる露光時間の蓄積電荷信号を読出し可能な撮像手段を用い、前記フレーム期間内において長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングと、前記フレーム期間内において短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングを、それぞれ独立に調整し、前記第１の読出しタイミングで、前記長時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出し、前記第２の読出しタイミングで、前記短時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出し、前記長時間露光画素グループから読み出した前記長時間露光の蓄積電荷信号を用いて、長時間露光信号を生成し、前記短時間露光画素グループから読み出した前記短時間露光の蓄積電荷信号を用いて、短時間露光信号を生成し、前記長時間露光信号と前記短時間露光信号を合成して、全画素分の映像信号を生成する。
【００２３】
この方法によっても、上記のように、第１の読出しタイミングを変えることにより、長時間露光画素グループの画素の露光時間（長時間露光期間）を容易に変えることができる。また、第２の読出しタイミングを変えることにより、短時間露光画素グループの画素の露光時間（短時間露光期間）を容易に変えることができる。このように、第１の読出しタイミングと第２の読出しタイミングをそれぞれ調整することにより、画素グループごとに露光時間を調整することができ、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することができる。例えば、明暗の差の大きい被写体を撮影するときには、長時間露光期間を長くして短時間露光期間を短くするように調整することにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、全画素が二つの画素グループに分割されており各画素グループの画素から異なる露光時間の蓄積電荷信号を読出し可能な撮像手段と、長時間露光画素グループから長時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第１の読出しタイミングと短時間露光画素グループから短時間露光の蓄積電荷信号を読み出す第２の読出しタイミングをそれぞれ独立に調整する読出しタイミング調整手段を設けることにより、画素グループごとに露光時間の調整が可能であり、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することができるという効果を有する撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態の撮像装置および撮像方法について、図面を用いて説明する。本実施の形態では、監視カメラ等として用いられる撮像装置の場合を例示する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態の撮像装置を図１〜図７に示す。図１は、本実施の形態の撮像装置の構成を示すブロック図である。図２は、本実施の形態の撮像素子１の構成を示すブロック図である。図３は、撮像素子１の主要な構成を示す説明図である。また、図４は、撮像素子１の画素配置を示す説明図である。
【００２７】
まず、図１を参照して、撮像装置の構成について説明する。図１に示すように、撮像装置は、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子１と、撮像素子１の読出しタイミングの制御を行うタイミングパルス発生器２を備えている。ここでは、撮像素子１が、本発明の撮像手段に相当し、タイミングパルス発生器２が、本発明の読出しタイミング調整手段に相当する。
【００２８】
撮像装置は、撮像素子１からの二つの出力信号（長時間露光信号と短時間露光信号）に後述する同時化の処理を施す時間軸変換器３と、時間軸変換器３からの出力信号（同時化された長時間露光信号と短時間露光信号）を合成して全画素分の映像信号を生成する合成回路４を備えている。時間軸変換器３は、長時間露光信号と短時間露光信号をそれぞれ書き込んで読み出すための二つのラインメモリ５を備えている。ここでは、合成回路４が、本発明の合成手段に相当する。
【００２９】
また、撮像装置は、映像信号のコントラストを強調するような階調補正処理を施す階調補正回路６と、映像信号を輝度信号と色差信号に分離してビデオ出力信号として出力する輝度色差信号作成回路７を備えている。
【００３０】
つぎに、図２〜図４を参照して、撮像素子１の構成について説明する。図２および図３に示すように、撮像素子１は、受光素子として複数のフォトダイオード８を備えている。撮像素子１の画素数は、このフォトダイオード８の総数によって決まる。そして、図３に示すように、このフォトダイオード８は、撮像素子１の基板９上に平面的に配置されており、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８の二つのグループに分割されている。図３では、長時間露光用のフォトダイオード８が「Ｌ」で示されており、短時間露光用のフォトダイオード８が「Ｓ」で示されている。
【００３１】
画素とは、撮像素子１（ＣＣＤ等）を構成する受光素子をいい、ここでは、フォトダイオード８が、本発明の画素に相当する。また、画素グループとは、画素のグループであり、ここでは、長時間露光用のフォトダイオード８のグループが、本発明の長時間露光画素グループに相当し、短時間露光用のフォトダイオード８のグループが、本発明の短時間露光画素グループに相当する。
【００３２】
図３に示すように、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、縦方向および横方向に交互に配置されている。すわなち、下から奇数行目（１行目、３行目、…）は長時間露光用のフォトダイオード８の行であり、下から偶数行目（２行目、４行目、…）は短時間露光用のフォトダイオード８の行である。また、左から奇数列目（１列目、３列目、…）は長時間露光用のフォトダイオード８の列であり、左から偶数列目（２列目、４列目、…）は短時間露光用のフォトダイオード８の列である。
【００３３】
図３に示した撮像素子１では、下から奇数行目の長時間露光用のフォトダイオード８と、下から偶数行目の短時間露光用のフォトダイオード８が互いにずれた位置になるように、各フォトダイオード８が配置されている。また、左から奇数列目の長時間露光用のフォトダイオード８と、左から偶数列目の短時間露光用のフォトダイオード８が互いにずれた位置になるように、各フォトダイオード８が配置されている。
【００３４】
また、本実施の形態の撮像素子１では、図４に示すように、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８の各グループにおいて、画素配列がベイヤー配列となるように、各フォトダイオード８が配置されている。
【００３５】
つまり、下から奇数行目の長時間露光用のフォトダイオード８のグループについてみると、下から１行目の長時間露光用のフォトダイオード８の行では、Ｇ成分用のフォトダイオード８とＢ成分用のフォトダイオード８が交互に配置されており、下から３行目の長時間露光用のフォトダイオード８の行では、Ｒ成分用のフォトダイオード８とＧ成分用のフォトダイオード８が交互に配置されている。図４では、長時間用のＧ成分用のフォトダイオード８が「ＬＧ」で示されており、長時間用のＢ成分用のフォトダイオード８が「ＬＢ」で示されている。また、長時間用のＲ成分用のフォトダイオード８が「ＬＲ」で示されている。
【００３６】
同様に、下から偶数行目の短時間露光用のフォトダイオード８のグループについてみると、下から２行目の短時間露光用のフォトダイオード８の行では、Ｇ成分用のフォトダイオード８とＢ成分用のフォトダイオード８が交互に配置されており、下から４行目の短時間露光用のフォトダイオード８の行では、Ｒ成分用のフォトダイオード８とＧ成分用のフォトダイオード８が交互に配置されている。図４では、短時間用のＧ成分用のフォトダイオード８が「ＳＧ」で示されており、短時間用のＢ成分用のフォトダイオード８が「ＳＢ」で示されている。また、短時間用のＲ成分用のフォトダイオード８が「ＳＲ」で示されている。
【００３７】
ここで、Ｒ成分用（またはＧ成分用、Ｂ成分用）のフォトダイオード８とは、Ｒ成分（またはＧ成分用、Ｂ成分用）の波長領域の感度が高いフォトダイオード８をいう。この場合、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の感度の異なるフォトダイオード８を、それぞれＲ成分用、Ｇ成分用、Ｂ成分用のフォトダイオード８として用いてもよい。また、感度特性が同じフォトダイオード８に、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の波長領域の透過率が高いカラーフィルタをそれぞれ設けて、Ｒ成分用、Ｇ成分用、Ｂ成分用のフォトダイオード８として用いてもよい。
【００３８】
図２および図３に示すように、撮像素子１は、フォトダイオード８に蓄積された電荷（蓄積電荷）を垂直方向（縦方向、図３では下向き）に転送する二つの垂直転送路（第１垂直転送路１０および第２垂直転送路１１）と、垂直転送路から転送された電荷を水平方向（横方向、図３では左向き）に転送する水平転送路１２を備えている。ここでは、蓄積電荷が、本発明の蓄積電荷信号に相当する。また、第１垂直転送路１０が、本発明の第１の転送路に相当し、第２垂直転送路１１が、本発明の第２の転送路に相当する。
【００３９】
撮像素子１は、長時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０への読出し経路となる第１ゲート電極１３と、短時間露光用のフォトダイオード８から第２垂直転送路１１への読出し経路となる第２ゲート電極１４を備えている。第１ゲート電極１３は、タイミングパルス発生器２からゲート電圧が印加されると、長時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０へ蓄積電荷を読み出すように制御されている。また、第２ゲート電極１４は、タイミングパルス発生器２からゲート電圧が印加されると、短時間露光用のフォトダイオード８から第２垂直転送路１１へ蓄積電荷を読み出すように制御されている。本実施の形態では、第１ゲート電極１３にゲート電圧を印加する第１の読出しタイミングと、第２ゲート電極１４にゲート電圧を印加する第２の読出しタイミングは、それぞれ独立に調整可能である。ここでは、第１ゲート電極１３が、本発明の第１のゲート電極に相当し、第２ゲート電極１４が、本発明の第２のゲート電極に相当する。そして、第１ゲート電極１３と第１垂直転送路１０が、本発明の第１の読出し手段に相当し、第２ゲート電極１４と第２垂直転送路１１が、本発明の第２の読出し手段に相当する。
【００４０】
図３に示した例では、左から奇数列目の長時間露光用のフォトダイオード８に対応する位置に、第１垂直転送路１０が設けられており、左から偶数列目の短時間露光用のフォトダイオード８に対応する位置に、第２垂直転送路１１が設けられている。そして、第１ゲート電極１３によって、長時間露光用のフォトダイオード８と第１垂直転送路１０が接続されており、第２ゲート電極１４によって、短時間露光用のフォトダイオード８と第２垂直転送路１１が接続されている。
【００４１】
そして、タイミングパルス発生器２から第１ゲート電極１３にゲート電圧を印加するタイミング（第１の読出しタイミング）と、タイミングパルス発生器２から第２ゲート電極１４にゲート電圧を印加するタイミング（第２の読出しタイミング）は、それぞれ独立に制御されている。このようにして、撮像素子１は、１フレーム期間内に異なる露光時間の蓄積電荷（長時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷と短時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷）をそれぞれ独立に読み出すことができるように構成されている。
【００４２】
また、図２および図３に示すように、撮像素子１は、第１垂直転送路１０に読み出された蓄積電荷の電荷量に応じて長時間露光信号を生成する長時間露光信号生成部１５と、第２垂直転送路１１に読み出された蓄積電荷の電荷量に応じて短時間露光信号を生成する短時間露光信号生成部１６を備えている。ここでは、長時間露光信号生成部１５が、本発明の長時間露光信号生成手段に相当し、短時間露光信号生成部１６が、本発明の短時間露光信号生成手段に相当する。
【００４３】
以上のように構成された撮像装置について、図５〜図７を用いてその動作を説明する。
【００４４】
本発明の第１の実施の形態の撮像装置で被写体を撮影すると、撮像素子１のフォトダイオード８が入射光を受光し、光電効果によって電荷が蓄積される。図５には、フォトダイオード８の蓄積電荷量の時間変化の様子が示されている。図５に示すように、本実施の形態の撮像素子１では、１フレーム期間の開始時点において、タイミングパルス発生器２から基板電圧が印加され、すべてのフォトダイオード８（全画素）の残留電荷をリセットされる。そして、所定の長時間露光期間の間、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。したがって、１フレーム期間の開始時点（１フレーム期間の開始時の全電荷リセットの時点）が、長時間露光期間の開始時点であるともいえる。
【００４５】
そして、長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第１ゲート電極１３にゲート電圧が印加され、長時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷が読み出される。この第１の読出しタイミングは、長時間露光期間の終了時点であるともいえる。本実施の形態では、第１の読出しタイミングで短時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷の読出しは行わない。
【００４６】
その後、１フレーム期間中に、もう一度、タイミングパルス発生器２から基板電圧が印加され、すべてのフォトダイオード８（全画素）の残留電荷をリセットされる。そして、所定の短時間露光期間の間、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。したがって、１フレーム期間中の全電荷リセットの時点が、短時間露光期間の開始時点であるともいえる。
【００４７】
そして、短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第２ゲート電極１４にゲート電圧が印加され、短時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷が読み出される。この第２の読出しタイミングは、１フレーム期間の終了時点であり、短時間露光期間の終了時点であるともいえる。本実施の形態では、第２の読出しタイミングで長時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷の読出しは行わない。
【００４８】
図６には、フォトダイオード８から蓄積電荷が読み出され、撮像素子１から長時間露光信号と短時間露光信号が出力される様子が示されている。上記のようにして、第１の読出しタイミングで長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷は、第１ゲート電極１３を介して第１垂直転送路１０に読み出されて、第１垂直転送路１０上に保持される。また、第２の読出しタイミングで短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷は、第２ゲート電極１４を介して第２垂直転送路１１に読み出されて、第２垂直転送路１１上に保持される。
【００４９】
そして、第１垂直転送路１０と第２垂直転送路１１にそれぞれ保持された蓄積電荷は、垂直方向（図６では下向き）に順次転送され、水平転送路１２に読み出される。水平転送路１２に読み出された蓄積電化は、水平方向（図６では左向き）に順次転送され、長時間露光信号と短時間露光信号として出力される。
【００５０】
このようにして、長時間露光信号生成部１５は、長時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷を用いて長時間露光信号を生成し、短時間露光信号生成部１６は、短時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷を用いて短時間露光信号を生成する。そして、生成された長時間露光信号と短時間露光信号は、撮像素子１から出力信号として出力され、増幅器１７によって増幅される。この場合、撮像素子１からの出力信号は、１ライン（１行）ごとに長時間露光信号、短時間露光信号の順に出力される。
【００５１】
図７は、撮像素子１から読み出された長時間露光信号と短時間露光信号に、時間軸変換器３が同時化の処理を施す様子を示す説明図である。時間軸変換器３では、長時間露光信号と短時間露光信号の時間軸を２倍にする（１／２速度にする）とともに、長時間露光信号と短時間露光信号の位相を一致させる同時化の処理が行われる。
【００５２】
具体的には、撮像素子１から１ラインごとに読み出された長時間露光信号と短時間露光信号を、それぞれ時間軸変換器３のラインメモリ５に書き込む。このとき、長時間露光信号と短時間露光信号は、読み出されたときのクロックレートで書き込まれる。そして、各ラインメモリ５に書き込まれた長時間露光信号と短時間露光信号を、１／２のクロックレートで読み出す。このとき、互いの位相が揃うようなタイミングで、長時間露光信号と短時間露光信号が読み出される。
【００５３】
そして、合成回路４で、同時化された長時間露光信号と短時間露光信号が合成されて、全画素分の映像信号が生成される。その後、階調補正回路６で、映像信号のコントラストを強調するような階調補正処理が施され、輝度色差信号作成回路７で、輝度信号と色差信号に分離されてビデオ出力信号として出力される。
【００５４】
このような発明の第１の実施の形態の撮像装置によれば、すべてのフォトダイオード８が二つのグループ（長時間露光用のグループと短時間露光用のグループ）に分割されており、各グループのフォトダイオード８から異なる露光時間の蓄積電荷を読出し可能な撮像素子１と、長時間露光用のフォトダイオード８から長時間露光の蓄積電荷を読み出す第１の読出しタイミングと短時間露光用のフォトダイオード８から短時間露光の蓄積電荷を読み出す第２の読出しタイミングをそれぞれ独立に調整するタイミングパルス発生器２が設けられているので、フォトダイオード８のグループごとに露光時間の調整が可能であり、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５５】
すなわち、本実施の形態では、第１の読出しタイミングを変えることにより、長時間露光用のフォトダイオード８の露光時間（長時間露光期間）を容易に変えることができる。また、第２の読出しタイミングを変えることにより、短時間露光用のフォトダイオード８の露光時間（短時間露光期間）を容易に変えることができる。このように、第１の読出しタイミングと第２の読出しタイミングをそれぞれ調整することにより、フォトダイオード８のグループごとに露光時間を調整することができ、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することができる。例えば、明暗の差の大きい被写体を撮影するときには、長時間露光期間を長くして短時間露光期間を短くするように調整することにより、ダイナミックレンジを拡大することができる。
【００５６】
また、本実施の形態では、第１の読出しタイミングで、第１ゲート電極１３にゲート電圧を印加すると、長時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０へ長時間露光の蓄積電荷が読み出される。また、第２の読出しタイミングで、第２ゲート電極１４にゲート電圧を印加すると、短時間露光用のフォトダイオード８から第２垂直転送路１１へ短時間露光の蓄積電荷が読み出される。このようにして、フォトダイオード８のグループごとに露光時間を調整することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、縦方向または横方向に偏りなく配置される。したがって、すべてのフォトダイオード８を二つのグループ（長時間露光用のグループと短時間露光用のグループ）に分割したときに、各グループに解像度の偏りが生じるのを抑えることができる。
【００５８】
また、本実施の形態では、長時間露光用のフォトダイオード８や短時間露光用のフォトダイオード８から読み出した蓄積電荷がベイヤー配列となるので、これらの蓄積電荷から生成した長時間露光信号や短時間露光信号は一般的な信号処理（原色ベイヤー用の信号処理）で容易に画像処理を行うことができる。
【００５９】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の撮像装置について、図８〜図１１を用いて説明する。本実施の形態の撮像装置は、撮像素子１が第３ゲート電極１８を備えている点で第１の実施の形態と相違する。本実施の形態の撮像装置の構成および動作は、ここで特に言及しない限り、第１の実施の形態と同様である。
【００６０】
図８は、本実施の形態の撮像素子１の構成を示すブロック図であり、図９は、撮像素子１の主要な構成を示す説明図である。図８および図９に示すように、撮像素子１は、短時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０への読出し経路となる第３ゲート電極１８を備えている。図９に示した例では、第３ゲート電極１８によって、短時間露光用のフォトダイオード８と第１垂直転送路１０が接続されている。第３ゲート電極１８は、タイミングパルス発生器２からゲート電圧が印加されると、短時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０へ蓄積電荷を読み出すように制御されている。ここでは、第３ゲート電極１８が、本発明の第３のゲート電極に相当する。また、第３ゲート電極１８と第１垂直転送路１０が、本発明の第３の読出し手段に相当する。
【００６１】
以上のように構成された撮像装置について、図１０および図１１を用いてその動作を説明する。
【００６２】
図１０には、フォトダイオード８の蓄積電荷量の時間変化の様子が示されている。図１０に示すように、本実施の形態の撮像素子１では、第１の実施の形態と同様、１フレーム期間の開始時点において、タイミングパルス発生器２から基板電圧が印加され、すべてのフォトダイオード８（全画素）の残留電荷をリセットされる。そして、所定の長時間露光期間の間、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。
【００６３】
そして、長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第１ゲート電極１３および第３ゲート電極１８にゲート電圧が印加され、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用の蓄積電荷が読み出される。
【００６４】
その後、１フレーム期間中に、もう一度、タイミングパルス発生器２から基板電圧が印加され、すべてのフォトダイオード８（全画素）の残留電荷をリセットされる。そして、所定の短時間露光期間の間、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。
【００６５】
そして、短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第２ゲート電極１４にゲート電圧が印加され、短時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷が読み出される。本実施の形態では、第２の読出しタイミングで長時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷の読出しは行わない。
【００６６】
図１１には、フォトダイオード８から蓄積電荷が読み出され、撮像素子１から長時間露光信号と短時間露光信号が出力される様子が示されている。上記のようにして、第１の読出しタイミングで長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷は、第１ゲート電極１３を介して第１垂直転送路１０に読み出されて、第１垂直転送路１０上に保持される。本実施の形態では、第１の読出しタイミングで短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷も、第３ゲート電極１８を介して第１垂直転送路１０に読み出されて、第１垂直転送路１０上に保持される。そして、第１垂直転送路１０上において、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された長時間露光の蓄積電荷に、短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された長時間露光の蓄積電荷が加算される。また、第２の読出しタイミングで短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷は、第２ゲート電極１４を介して第２垂直転送路１１に読み出されて、第２垂直転送路１１上に保持される。
【００６７】
そして、第１垂直転送路１０と第２垂直転送路１１にそれぞれ保持された蓄積電荷は、垂直方向（図１１では下向き）に順次転送され、水平転送路１２に読み出される。水平転送路１２に読み出された蓄積電化は、水平方向（図１１では左向き）に順次転送され、長時間露光信号と短時間露光信号として出力される。
【００６８】
このようにして、長時間露光信号生成部１５は、長時間露光用のフォトダイオード８からの長時間露光の蓄積電荷に、短時間露光用のフォトダイオード８からの長時間露光の蓄積電荷を加算して長時間露光信号を生成する。短時間露光信号生成部１６は、短時間露光用のフォトダイオード８からの短時間露光の蓄積電荷を用いて短時間露光信号を生成する。そして、生成された長時間露光信号と短時間露光信号は、撮像素子１から出力信号として出力される。
【００６９】
このような発明の第２の実施の形態の撮像装置によっても、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００７０】
その上、本実施の形態では、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出した長時間露光の蓄積電荷だけでなく、短時間露光用のフォトダイオード８から読み出した長時間露光の蓄積電荷を利用することができ、長時間露光信号の感度が２倍に向上する。
【００７１】
本実施の形態では、第１の読出しタイミングで、第３ゲート電極１８にゲート電圧を印加すると、短時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０へ長時間露光の蓄積電荷が読み出される。これにより、短時間露光用のフォトダイオード８から読み出した長時間露光の蓄積電荷を利用することができる。
【００７２】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の撮像装置について、図１２を用いて説明する。本実施の形態の撮像装置の構成は、第２の実施の形態と同様である。したがって、ここでは、本実施の形態の撮像装置について、図１２を用いてその動作を説明する。
【００７３】
図１２には、フォトダイオード８の蓄積電荷量の時間変化の様子が示されている。図１２に示すように、本実施の形態の撮像素子１では、第２の実施の形態と同様、１フレーム期間の開始時点において、タイミングパルス発生器２から基板電圧が印加され、すべてのフォトダイオード８（全画素）の残留電荷をリセットされる。そして、所定の長時間露光期間の間、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。
【００７４】
そして、長時間露光期間が経過した後の第１の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第１ゲート電極１３および第３ゲート電極１８にゲート電圧が印加され、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用の蓄積電荷が読み出される。
【００７５】
その後、１フレーム期間中に、もう一度、タイミングパルス発生器２から基板電圧が印加され、すべてのフォトダイオード８（全画素）の残留電荷をリセットされる。そして、所定の短時間露光期間の間、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。
【００７６】
そして、短時間露光期間が経過した後の第２の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第２ゲート電極１４にゲート電圧が印加され、短時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷が読み出される。本実施の形態では、第２の読出しタイミングで、タイミングパルス発生器２から第１ゲート電極１３にゲート電圧が印加され、長時間露光用のフォトダイオード８の蓄積電荷が読み出される。ここでは、第１ゲート電極１３と第１垂直転送路１０が、本発明の第４の読出し手段に相当する。
【００７７】
上記のようにして、第１の読出しタイミングで長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷は、第１ゲート電極１３を介して第１垂直転送路１０に読み出されて、第１垂直転送路１０上に保持される。本実施の形態では、第２の実施の形態と同様、第１の読出しタイミングで短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷も、第３ゲート電極１８を介して第１垂直転送路１０に読み出されて、第１垂直転送路１０上に保持される。そして、第１垂直転送路１０上において、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された長時間露光の蓄積電荷に、短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された長時間露光の蓄積電荷が加算される。
【００７８】
また、第２の読出しタイミングで短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷は、第２ゲート電極１４を介して第２垂直転送路１１に読み出されて、第２垂直転送路１１上に保持される。本実施の形態では、第２の読出しタイミングで長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された蓄積電荷が、第１ゲート電極１３を介して第１垂直転送路１０に読み出されて、第１垂直転送路１０上に保持される。そして、第１垂直転送路１０上において、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された長時間露光の蓄積電荷と短時間露光用のフォトダイオード８から読み出された長時間露光の蓄積電荷に、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出された短時間露光の蓄積電荷がさらに加算される。
【００７９】
そして、第１垂直転送路１０と第２垂直転送路１１にそれぞれ保持された蓄積電荷は、垂直方向に順次転送され、水平転送路１２に読み出される。水平転送路１２に読み出された蓄積電化は、水平方向に順次転送され、長時間露光信号と短時間露光信号として出力される。
【００８０】
このようにして、長時間露光信号生成部１５は、長時間露光用のフォトダイオード８からの長時間露光の蓄積電荷に、短時間露光用のフォトダイオード８からの長時間露光の蓄積電荷を加算し、さらに長時間露光用のフォトダイオード８からの短時間露光の蓄積電荷を加算して長時間露光信号を生成する。短時間露光信号生成部１６は、短時間露光用のフォトダイオード８からの短時間露光の蓄積電荷を用いて短時間露光信号を生成する。そして、生成された長時間露光信号と短時間露光信号は、撮像素子１から出力信号として出力される。
【００８１】
このような発明の第３の実施の形態の撮像装置によっても、第２の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。
【００８２】
その上、本実施の形態では、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８から読み出した長時間露光の蓄積電荷だけでなく、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出した短時間露光の蓄積電荷を利用することができ、長時間露光信号の感度がさらに向上する。
【００８３】
本実施の形態では、第２の読出しタイミングで、第１ゲート電極１３にゲート電圧を印加すると、長時間露光用のフォトダイオード８から第１垂直転送路１０へ短時間露光の蓄積電荷が読み出される。これにより、長時間露光用のフォトダイオード８から読み出した短時間露光の蓄積電荷を利用することができる。
【００８４】
以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。
【００８５】
例えば、以上の説明では、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、行ごとおよび列ごとに交互に配置された例について説明した（図３参照）。つまり、フォトダイオード８の各行が、同じ長時間露光用のフォトダイオード８（または短時間露光用のフォトダイオード８）で構成された例、あるいは、フォトダイオード８の各列が、同じ長時間露光用のフォトダイオード８（または短時間露光用のフォトダイオード８）で構成された例について説明した。しかし、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、図１３に示すように、フォトダイオード８の各行または各列において、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が交互に配置されていてもよい。
【００８６】
また、以上の説明では、フォトダイオード８の行と列が互いにずれた位置になるように、フォトダイオード８が配置された例について説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。例えば、図１４（ａ）〜（ｄ）に示すように、フォトダイオード８の行と列が揃うように、フォトダイオード８が配置されてもよい。
【００８７】
そして、図１４（ａ）に示すように、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、列ごと（例えば１列ごと）に交互に配置されてもよい。また、図１４（ｂ）に示すように、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、行ごと（例えば１行ごと）に交互に配置されてもよい。
【００８８】
また、図１４（ｃ）に示すように、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、市松模様を形成するように、一つずつ縦方向および横方向に交互に配置されていてもよい。また、図１４（ｄ）に示すように、長時間露光用のフォトダイオード８と短時間露光用のフォトダイオード８が、２行×２列のブロックで市松模様を形成するように、ブロック単位で縦方向および横方向に交互に配置されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
以上のように、本発明にかかる撮像装置は、画素グループごとに露光時間の調整が可能であり、被写体の明暗の差の度合いに応じてダイナミックレンジを拡大することができるという効果を有し、監視カメラなどに用いられる撮像装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の第１の実施の形態における撮像装置のブロック図
【図２】本発明の第１の実施の形態における撮像装置の撮像素子のブロック図
【図３】本発明の第１の実施の形態における撮像装置の撮像素子の説明図
【図４】本発明の第１の実施の形態における撮像装置の撮像素子の画素配置の説明図
【図５】本発明の第１の実施の形態における撮像装置の動作のタイミングの説明図
【図６】本発明の第１の実施の形態における撮像装置の撮像素子の動作の説明図
【図７】本発明の第１の実施の形態における撮像装置の時間軸変換器の動作の説明図
【図８】本発明の第２の実施の形態における撮像装置の撮像素子のブロック図
【図９】本発明の第２の実施の形態における撮像装置の撮像素子の説明図
【図１０】本発明の第２の実施の形態における撮像装置の動作のタイミングの説明図
【図１１】本発明の第２の実施の形態における撮像装置の撮像素子の動作の説明図
【図１２】本発明の第３の実施の形態における撮像装置の動作のタイミングの説明図
【図１３】他の実施の形態における撮像装置の撮像素子の画素配置の説明図
【図１４】更に他の実施の形態における撮像装置の撮像素子の画素配置の説明図（ａ）一列ごとに交互に配置したときの画素配置の説明図（ｂ）一行ごとに交互に配置したときの画素配置の説明図（ｃ）一つの画素ごとに交互に配置したときの画素配置の説明図（ｄ）二つの画素ごとに交互に配置したときの画素配置の説明図
【符号の説明】
【００９１】
１  撮像素子
２  タイミングパルス発生器
４  合成回路
８  フォトダイオード
１０  第１垂直転送路
１１  第２垂直転送路
１３  第１ゲート電極
１４  第２ゲート電極
１５  長時間露光信号生成部
１６  短時間露光信号生成部
１８  第３ゲート電極
【図１】
2008066937.tif 000003
【図２】
2008066937.tif 000004
【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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【図１４】
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