(57)【要約】【課題】イメージセンサのダイナミックレンジを広げる。【解決手段】トランジスタＴｒ１１は、Ｌレベルのリセット信号RSTがゲートに供給されて、オンし、コンデンサＣ１１を充電する。リセット期間経過後、トランジスタＴｒ１１はオフする。フォトダイオードＰＤ１には、コンデンサＣ１１から電流が供給されて受光量に対応する電流が流れる。受光量が多く、ノードＢの電位が低下すると、充電制御部２３は、コンデンサＣ２１からの電流ｉbをノードＢに供給する。コンデンサＣ２１の放電によりノードＣの電位が低下すると、トランジスタＴｒ１１は、再度、オンして、コンデンサＣ１１を再充電する。外部のプロセッサは、再充電により変化した画素部１１（x,y）の画素信号Ｓoutの変化分に基づいて、画素信号のダイナミックレンジを広げるような補正を行う。【選択図】図２
2007096387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光量に応じた画素信号を出力する複数の画素部を備え、
前記画素部が、
一端から充電及び放電される容量成分と、
第１の期間に前記容量成分を充電する充電部と、
前記容量成分の前記一端に接続され、前記受光量に応じた電流を流して前記容量成分を放電する光電変換部と、
前記容量成分の前記一端の電位に応じた信号レベルの光検出信号を出力する受光部と、
前記第１の期間に続く第２の期間の後に、前記光検出信号を画素信号として出力する信号出力部と、
前記第２の期間に、前記光検出信号の信号レベルが所定の信号レベルを越えたときに、前記容量成分を再充電する充電制御部と、を備えた、
ことを特徴とするイメージセンサ。
【請求項２】
前記再充電をしたときには、前記信号出力部が、前記画素信号に前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画素信号の補正を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項３】
前記再充電によって得られた前記画素信号と、前記再充電によらずに得られた前記画素信号との境界を検出し、前記境界で特定される前記再充電によって得られた前記画素信号に、前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画素信号の補正を行う信号処理部を、さらに備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載のイメージセンサ。
【請求項４】
請求項１に記載のイメージセンサの前記画素信号を処理する画像処理装置であって、
前記再充電によって得られた前記画素信号と、前記再充電によらずに得られた前記画素信号との境界を検出し、前記境界で特定される前記再充電によって得られた前記画素信号に、前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画素信号の補正を行う、
ことを特徴とする画像処理装置。
【請求項５】
コンピュータに、
請求項１に記載のイメージセンサの前記画素信号に基づく複数の画像データを用いて、前記再充電によって得られた前記画素信号と、前記再充電によらずに得られた前記画素信号との境界を検出する処理と、
前記境界で特定される前記再充電によって得られた前記画素信号に基づく前記画像データに、前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画像データの補正を行う処理と、を実行させる
ことを特徴とする画像処理プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イメージセンサ、イメージセンサの画素信号を処理する画像処理装置及び画像処理プログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被写体の画像を再生するためのイメージセンサとして、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor；相捕型金属酸化膜半導体）イメージセンサ、ＣＣＤ（Charge Coupled Device;電荷結合素子）イメージセンサ等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
イメージセンサは、被写体からの光をそれぞれ受光する複数の画素部を備え、複数の画素部は行列配置される。ＣＭＯＳイメージセンサの場合、各画素部は、図１２に示すように、フォトダイオードＰＤ７１と、トランジスタＴｒ７１〜Ｔｒ７３と、コンデンサＣ７１と、を備える。
【０００４】
ＰチャンネルＦＥＴであるトランジスタＴｒ７１は、ゲートにＬ（ロー）レベルのリセット信号が印加されてオンし、電源の電圧ＶddをコンデンサＣ７１に印加してコンデンサＣ７１を充電する。
【０００５】
リセット信号RSTがＨレベルになり、フォトダイオードＰＤ７１が被写体からの光を受光すると、フォトダイオードＰＤ７１に、受光量に対応する量の電流が流れる。
【０００６】
コンデンサＣ７１は、放電してフォトダイオードＰＤ７１に電流を供給する。ノードＡの電位は、受光量に対応する放電量分だけ低下する。トランジスタＴｒ７２は、このノードＡの電位に応じたゲート電圧に従って、光検出信号を電流増幅する。
【０００７】
Ｌレベルの選択信号SELが、ＰチャンネルＦＥＴであるトランジスタＴｒ７３に供給されると、トランジスタＴｒ７３はオンして、このときの電位の画素信号を出力する。
【特許文献１】特開平１１−１１２０１６号公報（第３−４頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、従来のイメージセンサでは、ダイナミックレンジが狭く、被写体の明暗が大きい場合、イメージセンサの分解能を低下させないようにすると、明部では、ノードＡの電位が上限値に達して飽和してしまう。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、ダイナミックレンジを広げることが可能なイメージセンサ、画像処理装置及び画像処理プログラム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】
【００１０】
この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るイメージセンサは、
受光量に応じた画素信号を出力する複数の画素部を備え、
前記画素部が、
一端から充電及び放電される容量成分と、
第１の期間に前記容量成分を充電する充電部と、
前記容量成分の前記一端に接続され、前記受光量に応じた電流を流して前記容量成分を放電する光電変換部と、
前記容量成分の前記一端の電位に応じた信号レベルの光検出信号を出力する受光部と、
前記第１の期間に続く第２の期間の後に、前記光検出信号を画素信号として出力する信号出力部と、
前記第２の期間に、前記光検出信号の信号レベルが所定の信号レベルを越えたときに、前記容量成分を再充電する充電制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
前記再充電をしたときには、前記信号出力部が、前記画素信号に前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画素信号の補正を行うようにしてもよい。
【００１２】
前記再充電によって得られた前記画素信号と、前記再充電によらずに得られた前記画素信号との境界を検出し、前記境界で特定される前記再充電によって得られた前記画素信号に、前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画素信号の補正を行う信号処理部を、さらに備えるようにしてもよい。
【００１３】
本発明の第２の観点に係る画像処理装置は、
上記第１の観点に係るイメージセンサの前記画素信号を処理する画像処理装置であって、
前記再充電によって得られた前記画素信号と、前記再充電によらずに得られた前記画素信号との境界を検出し、前記境界で特定される前記再充電によって得られた前記画素信号に、前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画素信号の補正を行うことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の観点に係る画像処理プログラムは、
コンピュータに、
上述のイメージセンサの前記画素信号に基づく複数の画像データを用いて、前記再充電によって得られた前記画素信号と、前記再充電によらずに得られた前記画素信号との境界を検出する処理と、
前記境界で特定される前記再充電によって得られた前記画素信号に基づく前記画像データに、前記所定の信号レベルに対応するオフセット値を加算することにより、前記画像データの補正を行う処理と、
を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、イメージセンサのダイナミックレンジを広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態に係るイメージセンサを、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
実施形態１に係るイメージセンサ１の構成を図１に示す。
実施形態１に係るイメージセンサ１は、例えば、デジタルカメラ、イメージスキャナに備えられるものである。イメージセンサ１は、画素部１１（x,y）（ｘ；０〜ｍまでの自然数、ｙ；０〜ｎまでの自然数）と、垂直走査回路１２と、スイッチ１３−ｘと、水平走査回路１４と、出力回路１５と、Ａ／Ｄ変換器１６と、メモリ１７と、プロセッサ１８と、を備える。
【００１７】
各画素部１１（x,y）は、被写体からの光を受光するものであり、イメージセンサ１において行列配置される。この画素部１１（x,y）の数がイメージセンサ１の画素数になる。
【００１８】
垂直走査回路１２は、各列の画素部１１（x,y）にリセット信号RST(y)と、選択信号SEL(y)と、を供給する。リセット信号RST(y)は、各列の画素部１１（x,y）をリセットするための信号であり、垂直走査回路１２は、例えば、２ｍｓ周期で予め設定されたリセット期間にＬ（ロー）レベルのリセット信号RST(y)を、出力して各列の画素部１１（x,y）をリセットする。選択信号SEL(y)は、各画素部１１（x,y）から画素信号を選択して出力させるための信号であり、垂直走査回路１２は、リセット期間が終了してから予め設定された時間経過後、各列の画素部１１（x,y）に選択信号SEL(y)を出力する。
【００１９】
各画素部１１（x,y）は、図２に示すように、受光回路部２１と、信号出力部２２と、充電制御部２３と、を備える。
【００２０】
受光回路部２１は、受光量に対応した電位の光検出信号Ｓ１を生成するものであり、トランジスタＴｒ１１と、フォトダイオードＰＤ１と、コンデンサＣ１１と、からなる。
【００２１】
トランジスタＴｒ１１は、コンデンサＣ１１に電源の電圧Ｖddを印加してコンデンサＣ１１を充電する充電部であり、ＰチャンネルＦＥＴ（Field Effect Transistor；電界効果トランジスタ）からなる。電圧Ｖddは、接地の電位０Ｖを基準としてあり、以降、電位Ｖddとも記載する。また、ゲート電圧については、ゲート−ソース間の電圧とする。
【００２２】
トランジスタＴｒ１１のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、トランジスタＴｒ１１は、ゲート端子が制御端となり、ゲート−ソース間のゲート電圧ＶgsがトランジスタＴｒ１１のスレッショルド電圧Ｖth11を越えるとオンする。トランジスタＴｒ１１がオンすると、ソース−ドレイン間に印加された電圧に対応する電流を流す電流路となり、トランジスタＴｒ１１は、電源の電圧ＶddをコンデンサＣ１１に印加する。
【００２３】
フォトダイオードＰＤ１は、被写体からの光を受光して、受光量に対応する電位の光検出信号Ｓ１に変換する光電変換素子であり、例えば、ＰＩＮフォトダイオード、アバランシダイオード等が用いられる。フォトダイオードＰＤ１は、受光すると、光電変換により受光量に対応する量の電子と正孔とを発生させる。
【００２４】
この受光回路部２１は、フォトダイオードＰＤ１のＮ型領域に蓄積された電子を利用して光検出信号Ｓ１を発生させるタイプのものであり、フォトダイオードＰＤ１のカソードは、トランジスタＴｒ１１のドレインに接続され、アノードは接地される。尚、トランジスタＴｒ１１のドレインとフォトダイオードＰＤ１のカソード及びコンデンサＣ１１との接続点をノードＡとする。また、このノードＡの電位をＶaとする。この電位Ｖaは、光検出信号Ｓ１の信号レベルに対応する。
【００２５】
コンデンサＣ１１は、トランジスタＴｒ１１のオンによって、電源からの電流供給を受けて電荷を蓄積し、後述する図３に示すように一端が電位Ｖamaxとなるまで充電され、蓄積した電荷をフォトダイオードＰＤ１に供給する容量成分である。コンデンサＣ１１の一端は、トランジスタＴｒ１１のドレイン（ノードＡ）に接続され、他端は接地されて接地の電位０Ｖに保持される。尚、このコンデンサＣ１１は、フォトダイオードＰＤ１の接合容量や、トランジスタＴｒ２３の寄生容量であってもよい。
【００２６】
フォトダイオードＰＤ１は受光によって受光量に対応する量の電流を流し、コンデンサＣ１１は、フォトダイオードＰＤ１を介して放電される。
【００２７】
受光量が多くなるに従ってコンデンサＣ１１の放電量は多くなるというように、受光量に応じてノードＡの電圧Ｖaが決定される。
【００２８】
信号出力部２２は、リセット信号RSTによるリセットが解除されてから予め設定された時間経過後にＬレベルの選択信号SELが供給されたときに、受光回路部２１が変換した光検出信号Ｓ１を画素信号Ｓoutとして出力するものである。信号出力部２２は、トランジスタＴｒ２１〜Ｔｒ２４と、抵抗Ｒ２１と、からなる。
【００２９】
トランジスタＴｒ２１，Ｔｒ２２は、ミラー回路を構成するものであり、ともにＰチャンネルＦＥＴからなる。トランジスタＴｒ２１のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、トランジスタＴｒ２１のゲートとドレインとは接続される。
【００３０】
トランジスタＴｒ２２のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、トランジスタＴｒ２２のゲートとトランジスタＴｒ２１のゲートとが接続される。そして、トランジスタＴｒ２２は、トランジスタＴｒ２１のドレイン電流に対応したドレイン電流を流す。また、トランジスタＴｒ２１は、電圧Ｖddの電源からトランジスタＴｒ２３に電流を供給する。
【００３１】
トランジスタＴｒ２３は、電位Ｖaがゲートに供給され、電位Ｖaに基づいて電流増幅するものであり、ＮチャンネルＦＥＴからなる。トランジスタＴｒ２３のゲートは、ノードＡに接続され、電位Ｖaが印加される。また、トランジスタＴｒ２３のドレインは、トランジスタＴｒ２１のドレインに接続され、トランジスタＴｒ２２のソースは接地される。
【００３２】
抵抗Ｒ２１は、トランジスタＴｒ２２に流れるドレイン電流に対応する電位を発生させるためのものであり、その一端はトランジスタＴｒ２２のドレインに接続され、他端は、接地される。このトランジスタＴｒ２２のドレインと抵抗Ｒ２１の一端との接続点をノードＢとし、ノードＢの電位をＶbとする。このノードＢの電位Ｖbは、ノードＡの電位Ｖaに基づいて設定され、電位Ｖaに対応して変化する。
【００３３】
トランジスタＴｒ２４は、ＮチャンネルＦＥＴからなり、選択信号SELに基づいて出力信号Ｓoutを選択出力するものである。Ｈレベルの選択信号SELは、リセット期間が終了したときから、予め設定された時間経過後、トランジスタＴｒ２４のゲートに供給される。
【００３４】
トランジスタＴｒ２４のソースは、ノードＢに接続され、ドレインは、出力信号Ｓoutを出力する出力端子に接続される。そして、トランジスタＴｒ２４は、ゲートにＨレベルの選択信号SELが供給されたときにオンして、画素部１１（x,y）の出力信号Ｓoutを出力する。
【００３５】
充電制御部２３は、トランジスタＴｒ１１を制御してコンデンサＣ１１への充電制御を行うものである。充電制御部２３は、ダイオードＤ２１と、コンデンサＣ２１と、抵抗Ｒ２２，Ｒ２３と、からなる。
【００３６】
ダイオードＤ２１のカソードは、ノードＢに接続される。抵抗Ｒ２２は、コンデンサＣ２１からダイオードＤ２１を介してノードＢに流出する電流ｉbを制限する抵抗であり、抵抗Ｒ２２の一端はダイオードＤ２１のアノードに接続される。
【００３７】
コンデンサＣ２１は、その一端が抵抗Ｒ２２の他端と抵抗Ｒ２３の一端とに接続される。コンデンサＣ２１の一端と抵抗Ｒ２３の一端との接続点をノードＣとして、ノードＣの電位をＶcとする。コンデンサＣ２１の他端は接地される。
【００３８】
抵抗Ｒ２３は、コンデンサＣ２１を充電する電流ｉcを制限するための抵抗であり、その他端は、リセット信号RSTが供給されるリセット端子に接続される。
【００３９】
コンデンサＣ２１は、リセット期間中、Ｌレベルのリセット信号RSTが供給されると、抵抗Ｒ２３を介して放電する。また、コンデンサＣ２１は、リセット期間経過後にＨ（ハイ）レベルのリセット信号RSTが印加されると、抵抗Ｒ２３を介して充電される。Ｈレベルのリセット信号RSTの電位は電源の電位Ｖddとし、Ｌレベルのリセット信号RSTの電位は接地の電位とする。
【００４０】
ダイオードＤ２１の順方向電圧をＶf21として、リセット後、ノードＢの電位Ｖbが電位（−Ｖf21−(Ｒ２２/Ｒ２３)Ｖdd+((Ｒ２２＋Ｒ２３)/Ｒ２３)Ｖc）よりも高いときは、ダイオードＤ２１は非導通となり、電流の逆流を阻止する。リセット後、ノードＢの電位Ｖbが急峻に立ち上がるが、この場合にはダイオードＤ２１は、コンデンサＣ２１への電流の逆流を阻止し、ノードＣの電位ＶcがノードＢの電位に追従して急峻に立ち上がり、コンデンサＣ１１を十分充電する前にトランジスタＴｒ１１をオフとしてしまうことを抑えている。
【００４１】
電位Ｖbが電位（−Ｖｆ21−(Ｒ２２/Ｒ２３)Ｖdd+((Ｒ２２＋Ｒ２３)/Ｒ２３)Ｖc）以下になったとき、ダイオードＤ２１は導通し、コンデンサＣ２１は、抵抗Ｒ２２、ダイオードＤ２１を介して放電し、ノードＢ側に電流ｉbを供給する。
【００４２】
尚、電位Ｖcは、（（Ｒ２３／（Ｒ２２＋Ｒ２３））（Ｖb＋Ｖｆ21＋(Ｒ２２／Ｒ２３)Ｖdd））で示される。抵抗Ｒ２２の抵抗値は、抵抗Ｒ２３の抵抗値よりも十分小さく設定される。このように設定されることにより、リセット後、ダイオードＤ２１の導通するとき、コンデンサＣ２１の抵抗Ｒ２２を介しての放電量は、抵抗Ｒ２３を介しての充電量より大きくなり、ノードＣの電位Ｖcは低下する。また、電位Ｖbは主としてトランジスタＴｒ２２のドレイン電流による抵抗Ｒ２１の電圧降下を反映させるべきもので、このため、抵抗Ｒ２３は可能な限り大きな値とする。
【００４３】
このように、フォトダイオードＰＤ１の受光量が多く、ノードＡの電位Ｖaが急峻に低下し、それに伴って、ノードＢの電位Ｖbも低下した場合、リセット後にノードＢの電位Ｖbに追従するノードＣの電位Ｖｃも低下し、トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsがスレッショルド電圧Ｖth11を越えるまで低下する。また、本実施形態１では、このトランジスタＴｒ１１をオンとしてコンデンサＣ１１を再充電するときの電位Ｖbが、後述する画素信号Ｓoutの所定の信号レベルに対応する。
【００４４】
その結果、トランジスタＴｒ１１は、オンして、コンデンサＣ１１を再充電する。尚、コンデンサＣ２１の容量は、コンデンサＣ１１への再充電が行われる再充電期間を確保できるような容量に設定される。
【００４５】
図１に戻り、スイッチ１３−ｘは、それぞれ、トランジスタによって構成され、オンオフすることにより、画素信号Ｓoutを出力したり、遮断したりするものである。
【００４６】
水平走査回路１４は、各スイッチ１３−ｘをオンオフ制御することにより、各画素部１１（x,y）が出力した信号Ｓoutを出力回路１５に選択出力するものである。
【００４７】
出力回路１５は、各画素部１１（x,y）から出力された画素信号Ｓoutを増幅し、増幅した画素信号を出力するものである。
Ａ／Ｄ変換器１６は、出力回路１５が出力したアナログの画素信号をデジタルの画素データに変換するものである。メモリ１７は、各画素部１１（x,y）が出力した画素データ等を記憶するものである。
【００４８】
プロセッサ１８は、Ａ／Ｄ変換器１６が出力した画像データに対して信号処理を行うものである。プロセッサ１８は、信号処理として、各画素部１１（x,y）から出力された画素信号のダイナミックレンジを広げるような補正を行う。
【００４９】
具体的に、プロセッサ１８は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された画像データを、一旦、メモリ１７に記憶する。
プロセッサ１８は、画像データをメモリ１７から読み出し、読み出した画素データを各画素部１１（x,y）の画素データを輝度信号として取得する。
【００５０】
プロセッサ１８は、画素部１１（x,y）のうち、画素部１１（x,y）と、画素部１１（x,y）に隣接する画素部１１（x-1,y）（x+1,y）（x,y-1）（x,y+1）の輝度信号との差分を求めることにより輝度信号に対する１階微分を行う。プロセッサ１８は、この１階微分によって１階微分値を取得する。この１階微分値は、輝度信号の信号レベルの変化分を示す。
【００５１】
プロセッサ１８は、さらに、輝度信号に対する２階微分を行う。この２階微分値の符号が変化した場合、このときの輝度信号の信号レベルが輝度信号の極値としての極大値又は極小値であり、この極値が存在する位置が充電制御部２３の再充電による境界を示す。
【００５２】
そして、この境界に囲まれた領域が充電制御部２３の再充電によって各画素部１１（x,y）の画素信号の信号レベルが変化した領域となる。このように、プロセッサ１８は、輝度信号に対する２階微分を行うことにより、充電制御部２３による再充電による境界を検出する。
【００５３】
プロセッサ１８は、境界で囲まれた再充電領域の輝度信号の信号レベルと境界上の微分値とを加算して、輝度信号の補正値を取得する。プロセッサ１８は、元の被写体画像の輝度信号の代わりに、取得した輝度信号の補正値をメモリ１７に記憶する。プロセッサ１８は、このようにして、各画素部１１（x,y）から出力された画素信号のダイナミックレンジを広げる補正を行う。
【００５４】
次に実施形態１に係るイメージセンサ１の動作を説明する。
図３に示すように、垂直走査回路１２は、時刻ｔ１１〜ｔ１２のリセット期間中、画素部１１（x,y）のうちの所定の画素部１１（p,q）に、Ｌレベルのリセット信号RSTを供給すると、Ｌレベルのリセット信号RSTは、ノードＣを介してトランジスタＴｒ１１のゲートに供給される。ノードＣの電位ＶcはコンデンサＣ２１、Ｒ２３で決まる時定数に従って降下する。
【００５５】
トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsがスレッショルド電圧Ｖth11を越えると、トランジスタＴｒ１１は、オンしてコンデンサＣ１１に電源の電圧Ｖddを印加し、コンデンサＣ１１を充電する。ノードＡの電位ＶaはＶamaxになる。ノードＡの電位Ｖaの上昇に応じてノードＢの電位Ｖbも上昇する。
【００５６】
時刻ｔ１２において、リセット信号RSTがＨレベルとすると、ノードＣの電位Ｖcは上昇し、トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsは、トランジスタＴｒ１１のスレッショルド電圧Ｖth11未満となり、トランジスタＴｒ１１はオフする。
【００５７】
コンデンサＣ１１は、フォトダイオードＰＤ１を介して放電する。このとき、フォトダイオードＰＤ１には、受光量に対応する値の電流が流れる。ノードＡの電位Ｖａは、受光量に対応する放電量に従って低下する。
【００５８】
トランジスタＴｒ２１は、電圧Ｖddの電源からの電流をトランジスタＴｒ２３に供給し、トランジスタＴｒ２３は、電位Ｖaがゲートに印加されて、トランジスタＴｒ２３には、ゲート電圧に対応するドレイン電流が流れる。
【００５９】
トランジスタＴｒ２２、抵抗Ｒ２１にも、トランジスタＴｒ２３のドレイン電流に対応した電流が流れる。ノードＡの電位Ｖaは、コンデンサＣ１１の放電に伴って低下し、ノードＢの電位Ｖbも低下する。
【００６０】
一方、充電制御部２３のコンデンサＣ２１は、抵抗Ｒ２３を介してＨレベルのリセット信号RSTが印加されて充電されているが、ダイオードＤ２１からノードＢに、電流ｉbを流し、ノードＣの電位Ｖcも、電位Ｖa、Ｖbの低下に伴って低下する。
【００６１】
トランジスタＴｒ１１のソース電位Ｖs11（＝Ｖdd）と、ノードＣの電位Ｖcとの電位差が、トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsとなっている。ノードＣの電位Ｖcが低下しても、トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsがスレッショルド電圧Ｖth11未満であれば、トランジスタＴｒ１１はオンせず、充電制御部２３は、再充電を行わない。
【００６２】
時刻ｔ１３において、Ｌレベルの選択信号Selectが供給されると、トランジスタＴｒ２４はオンし、画素部１１（p,q）は、このときの電位Ｖｂ＝Ｖout1の信号Ｓoutを出力する。
【００６３】
一方、フォトダイオードＰＤ１の受光量が多い場合、ノードＡの電位Ｖa，ノードＢの電位Ｖbは、図４に示すように、急速に低下し、コンデンサＣ２１の放電量は多くなり、充電制御部２３は、ノードＣの電位Ｖcをすぐに低下させる。
【００６４】
時刻ｔ２１において、トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsがスレッショルド電圧Ｖth11を越えると、トランジスタＴｒ１１はオンして、コンデンサＣ１１を再充電する。
【００６５】
再充電により、電位Ｖａは上昇し、電位Ｖbも上昇する。電位Ｖbが（−Ｖｆ21−(Ｒ２２／Ｒ２３)Ｖdd＋((Ｒ２３＋Ｒ２２)／Ｒ２３)Ｖc）より高くなると、電流ｉbは流れず、コンデンサＣ２１は、再び、Ｈレベルのリセット信号RSTにより充電され、電位Ｖcも上昇する。
【００６６】
電位Ｖcが上昇して、トランジスタＴｒ１１のゲート電圧Ｖgsがスレッショルド電圧Ｖth11以下になると、トランジスタＴｒ１１はオフし、コンデンサＣ１１の再充電が停止する。
【００６７】
時刻ｔ１３において、Ｈレベルの選択信号Selectが供給されると、トランジスタＴｒ２４はオンし、画素部１１（p,q）は、このときの電位Ｖｂ＝Ｖout2の信号Ｓoutを出力する。
【００６８】
図１に示す垂直走査回路１２は、このように動作する各画素部１１（x,y）に、順次、リセット信号RST(y)、選択信号SEL(y)を出力して、各画素部１１（x,y）から画素信号Ｓoutを出力させる。
【００６９】
水平走査回路１４は、各スイッチ１３−ｘをオンオフ制御することにより、各画素部１１（x,y）が出力した画素信号Ｓoutを出力回路１５に選択出力する。
【００７０】
出力回路１５は、画素信号Ｓoutを増幅し、増幅した画素信号Ｓoutを出力する。Ａ／Ｄ変換器１６は、出力回路１５から順次出力されたアナログの画素信号Ｓoutをデジタルの画素データに変換する。
【００７１】
プロセッサ１８は、図５に示すフローチャートに従って、輝度信号に対する信号処理を行う。
プロセッサ１８は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された各画素部１１（x,y）の画素データからなる画像データを、一旦、メモリ１７に記憶する（ステップＳ１１）。
【００７２】
プロセッサ１８は、各画素部１１（x,y）の画素データをメモリ１７から読み出して、読み出した画素データを各画素部１１（x,y）の輝度信号として取得する（ステップＳ１２）。
【００７３】
プロセッサ１８は、各画素部１１（x,y）の輝度信号に対して１階微分を行い、輝度信号の微分値を取得する（ステップＳ１３）。
【００７４】
プロセッサ１８は、輝度信号に対する２階微分を行う（ステップＳ１４）。プロセッサ１８は、２階微分値の正負の反転と、隣接する画素の輝度信号が再充電に対応した所定の信号レベルか否かと、に基づいて境界が存在する否かを判定する（ステップＳ１５）。
【００７５】
２階微分値の正負が反転している場合、プロセッサ１８は、輝度信号の極値が存在すると判定し、また、隣接する画素の輝度信号が、所定の信号レベルであれば（ステップＳ１５においてＹｅｓ）、極値が存在する位置を境界として検出する。
【００７６】
プロセッサ１８は、このように判定すると、境界に囲まれた再充電領域の輝度信号の信号レベルと、再充電に対応したオフセット値とを加算して、輝度信号の補正値を取得する（ステップＳ１６）。
【００７７】
プロセッサ１８は、元の被写体画像の輝度信号の代わりに、輝度信号の補正値をメモリ１７に記憶する（ステップＳ１７）。
【００７８】
一方、２階微分値の正負反転がなかった場合、プロセッサ１８は、輝度信号の極値は存在しないと判定し（ステップＳ１５においてＮｏ）、この信号処理を終了させる。
【００７９】
次に、このイメージセンサ１の動作を具体的に説明する。
被写体の画像が図６（ａ）に示すような画像である場合、本実施形態１では、各画素部１１（x,y）から出力された画素信号Ｓoutに基づいて生成される画像は、図６（ｂ）に示すような画像になる。
【００８０】
図６（ｂ）において、Ａ−Ａ'ライン上の座標を、それぞれ、（0,y1），（x1,y1），（m,y1）とする。これらの座標における各画素部１１（x,y）のノードＢの電位Ｖbを比較すると、それぞれの電圧Ｖbは、図７に示すような電位になる。
【００８１】
座標（0,y1）における画素部１１（0,y1）は、選択信号SELが供給されたときに、Ｖb＝Ｖout11を画素信号Ｓoutの信号レベルとして、この画素信号Ｓoutを出力する。
【００８２】
座標（x1,y1）における画素部１１（x1,y1）は、選択信号SELが供給されたときに、画素部１１（0,y1）と同じＶb＝Ｖout11を画素信号Ｓoutの信号レベルとして、この画素信号Ｓoutを出力する。
【００８３】
座標（m,y1）における画素部１１（m,y1）は、選択信号SELが供給されたときに、Ｖb＝Ｖout12を画素信号Ｓoutの信号レベルとして、この画素信号Ｓoutを出力する。
【００８４】
そして、この座標（x1,0），（x1,n），（m,n），（m,0）を結ぶラインが境界であり、この境界に囲まれた領域が再充電領域になる。
プロセッサ１８は、この図６（ｂ）に示す画像のデータをメモリ１７に、一旦、記憶してから、この画像のデータを読み出し、Ａ−Ａ'ライン上で、図８に示すような輝度信号を取得する（ステップＳ１１，Ｓ１２の処理）。
【００８５】
図８（ｂ）に示すように、プロセッサ１８は、例えば、水平方向に互いに隣接する画素部１１（x,y）の輝度信号の差分を取るなどして、各画素部１１（x,y）の輝度信号に対して１階微分を行うことにより、輝度信号の１階微分値を取得する（ステップＳ１３の処理）。
【００８６】
プロセッサ１８は、さらに２階微分を行い、極値となって、かつ、輝度信号が所定の信号レベル極大値ｄ１となる座標（x1,y1）を充電制御部２３の再充電による境界として検出する（ステップＳ１４，Ｓ１５の処理）。
【００８７】
プロセッサ１８は、再充電領域における輝度信号の信号レベルとオフセット値ｄ２とを加算して、図８（ｃ）に示すような輝度信号の補正値を取得する。なお、図８（ｂ）に示すように、扱う画像が、輝度信号が直線的に変化するものと見做せる場合は、オフセット値d2は輝度信号の１階微分値の絶対値で示せ、所定のオフセット値ｄ２に代えてこれを用いてもよい。そして、プロセッサ１８は、元の被写体画像の輝度信号の代わりに、この補正値をメモリ１７に記憶する（ステップＳ１６，Ｓ１７の処理）。
【００８８】
図８（ｃ）に示すように、このような再充電と補正とを行わなかった場合、輝度信号のダイナミックレンジは、ｄ２で飽和してしまう。一方、充電制御部２３が再充電を行い、プロセッサ１８が輝度信号に対する補正を行った結果、輝度信号のダイナミックレンジは、Range1となる。このように、再充電と補正とを行った場合のダイナミックレンジRange1は、補正しなかった場合のダイナミックレンジｄ２よりも広くなる。
【００８９】
以上説明したように、本実施形態１によれば、イメージセンサ１の各画素部１１（x,y）は、受光回路部２１のフォトダイオードＰＤ１に並列接続されたコンデンサＣ１１に蓄積されている電荷が、画素信号Ｓoutが所定の信号レベルとなるまで放電された場合にコンデンサＣ１１を再充電する充電制御部２３を備えるようにした。
【００９０】
さらに、イメージセンサ１のプロセッサ１８は、輝度信号に基づいて微分値を求め、この微分値に基づいて、再充電に基づく輝度信号を補正するようにした。
従って、小容量のコンデンサＣ１１を効率的に使用でき、イメージセンサ１のダイナミックレンジを広げることができる。
【００９１】
（実施形態２）
実施形態２に係るイメージセンサは、各画素部の充電制御部が、受光回路部によって変換された画素信号の信号レベルと予め設定された信号レベルとの電位差を生成し、この電位差に基づいて充電部を制御するようにしたものである。また、再充電がされたときには、各画素部の充電制御部が、再充電の前の放電量に対応するオフセット値を出力に与えるようにしたものである。このため、このイメージセンサは、実施形態１に係るイメージセンサのように、再充電により生じるオフセット値をソフト的に補正する手間を省ける。
【００９２】
実施形態２に係るイメージセンサ１の画素部１１（x,y）の構成を図９に示す。
受光回路部２１は、トランジスタＴｒ４１と、フォトダイオードＰＤ２と、コンデンサＣ４１と、を備える。
【００９３】
フォトダイオードＰＤ２、コンデンサＣ４１は、それぞれ、実施形態１のフォトダイオードＰＤ１、コンデンサＣ１１と同様のものである。
【００９４】
トランジスタＴｒ４１，Ｔｒ４２は、ともにＰチャンネルＦＥＴからなるものである。トランジスタＴｒ４１のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、ドレインは、ノードＡに接続される。トランジスタＴｒ４１は、ゲートにリセット信号RSTが供給され、リセット信号RSTがＬレベルのときにオンしてコンデンサＣ４１を充電する。
【００９５】
トランジスタＴｒ４２は、再充電のときに、コンデンサＣ４１を充電するためのものであり、トランジスタＴｒ４２のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、ドレインは、ノードＡに接続される。
【００９６】
このように、実施形態２に係る画素部１１（x,y）の受光回路部２１は、リセット信号RSTによるリセットによりコンデンサＣ４１に電圧を印加するトランジスタＴｒ４１と、再充電時にコンデンサＣ４１に電圧を印加するトランジスタＴｒ４２と、が備えられる。
【００９７】
信号出力部２２は、トランジスタＴｒ５１〜５５と、コンデンサＣ５１と、を備える。トランジスタＴｒ５１は、ＰチャンネルＦＥＴからなる。トランジスタＴｒ５１のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、ゲートには、ノードＡの電位Ｖaが印加され、ノードＡの電位に応じたドレイン電流を流す。
【００９８】
トランジスタＴｒ５２は、実施形態１のトランジスタＴｒ２４に対応するものであり、ＮチャンネルＦＥＴからなる。トランジスタＴｒ５２のソースは、トランジスタＴｒ５１のドレインに接続され、ゲートには、選択信号SELが印加される。Ｈレベルの選択信号SELによってトランジスタＴｒ５２はオンとなって出力電流を出力端子Ｓ’outに流す。この出力電流が本実施形態の画素信号となる。なお、出力電流を電流電圧変換して出力するなどしてもよい。
【００９９】
トランジスタＴｒ５３〜Ｔｒ５５は、出力電流を増幅するためのものである。トランジスタＴｒ５３，Ｔｒ５５は、ＰチャンネルＦＥＴからなり、トランジスタＴｒ５４は、ＮチャンネルＦＥＴからなる。
【０１００】
トランジスタＴｒ５３のソースは、電圧Ｖddの電源に接続され、ゲートには、リセット信号RSTが供給される。トランジスタＴｒ５４のドレインは、トランジスタＴｒ５３のドレインに接続され、ソースは接地される。
【０１０１】
トランジスタＴｒ５５のゲートは、トランジスタＴｒ５３のドレインに接続され、ソースは電圧Ｖddの電源に接続され、ドレインは、トランジスタＴｒ５１のドレイン、トランジスタＴｒ５２のソースに接続される。
【０１０２】
コンデンサＣ５１は、トランジスタＴｒ５５のゲート電圧を保持するためのものであり、その一端は、トランジスタＴｒ５５のゲートに接続され、他端は接地される。
【０１０３】
充電制御部２３は、トランジスタＴｒ６１〜Ｔｒ６８と、抵抗Ｒ３１，Ｒ３２と、からなる。トランジスタＴｒ６１，Ｔｒ６２，Ｔｒ６５，Ｔｒ６７は、ＰチャンネルＦＥＴからなり、トランジスタＴｒ６３，Ｔｒ６４，Ｔｒ６６，Ｔｒ６８は、ＮチャンネルＦＥＴからなる。トランジスタＴｒ６１〜Ｔｒ６６は、コンパレータ２４を構成し、トランジスタＴｒ６７、Ｔｒ６８はインバータ２５を構成するものである。
【０１０４】
トランジスタＴｒ６１〜Ｔｒ６３は、それぞれ、実施形態１のトランジスタＴｒ２１〜Ｔｒ２３に対応するものである。トランジスタＴｒ６４のドレインはトランジスタＴｒ６２のドレインに接続され、ソースは接地される。
【０１０５】
トランジスタＴｒ６５のゲートは、トランジスタＴｒ６２のドレインに接続される。トランジスタＴｒ６６のドレインは、トランジスタＴｒ６５のドレインに接続され、ソースは接地される。トランジスタＴｒ６６のゲートには、基準電圧Ｖref1が印加される。トランジスタＴｒ６５のドレインには、トランジスタＴｒ６４のゲートの電位に対するトランジスタＴｒ６３のゲートの電位変化を反転した電位変化が生じる。
【０１０６】
トランジスタＴｒ６７のソースは、電圧Ｖddの電源に接続される。トランジスタＴｒ６８のドレインは、トランジスタＴｒ６７のドレインに接続され、ソースは接地される。
【０１０７】
トランジスタＴｒ６７のゲートとトランジスタＴｒ６８のゲートとは接続されてインバータ２５が構成され、さらに、トランジスタＴｒ６５のドレインに接続される。このインバータ２５は、トランジスタＴｒ６５のドレインの電位を反転して、トランジスタＴｒ４２のゲートに供給する。
【０１０８】
抵抗Ｒ３１，Ｒ３２は、コンパレータ２４のヒステリシスを設定するための抵抗であり、抵抗Ｒ３１の一端はトランジスタＴｒ６５のドレインに接続され、抵抗Ｒ３１の他端は、トランジスタＴｒ６４のゲートと、抵抗Ｒ３２の一端とに接続される。抵抗Ｒ３２の他端には、基準電圧Ｖref2が印加される。
【０１０９】
抵抗Ｒ３１，Ｒ３２との接続点の電位をＶxとする。実施形態２では、この電位Ｖxが予め設定された信号レベルとなる。コンパレータ２４は、ノードＡの電位Ｖaと電位Ｖxとを比較する。そして、コンパレータ２４は、この電位Ｖaと電位Ｖxとの電位を比較し、電位Ｖaが電位Ｖxより高いときにトランジスタＴｒ６５、Ｔｒ６６の互いのドレインを接続したノードＹの電位ＶｙをＬレベルとし、電位Ｖaが電位Ｖxより低いときに電位ＶｙをＨレベルとし、この電位Ｖｙに基づいて、受光回路部２１のコンデンサＣ４１に電圧を印加してコンデンサＣ４１を充電するように、トランジスタＴｒ４２を制御する。
【０１１０】
次に実施形態２に係るイメージセンサ１の動作を説明する。
図１０に示すように、リセット信号ＲＳＴをＬレベルとすると、トランジスタＴｒ４１、Ｔｒ５３がオンとなり、コンデンサＣ４１、Ｃ５１が充電される。また、トランジスタＴｒ５５はオフとなっている。ここではノードＡの電位Ｖaが、電位Ｖxより高く、コンパレータ２４のノードＹはＬレベル（接地）となっている。これにより、インバータ２５の出力をＨレベル（＝Ｖdd）とし、トランジスタＴｒ５４をオフとしている。インバータ２５の出力により、トランジスタＴｒ４２はオフとなっている。このとき、電位Ｖxは（Ｖx１＝Ｒ３１Ｖref2／（Ｒ３１＋Ｒ３２））となっている。
【０１１１】
リセット信号ＲＳＴをＨレベルとすると、コンデンサＣ４１は、受光量に応じた電流を流すフォトダイオードＰＤ２を介して放電され、ノードＡの電位Ｖaは低下する。
【０１１２】
電位ＶaはトランジスタＴｒ５１のゲートに与えられる。ここで、コンデンサＣ４１の充電直後の電位Ｖaを予め、電源電圧Ｖddを基準にトランジスタＴｒ５１のスレッショルド電圧Ｖth51より低い値とすることで、トランジスタＴｒ５１は、電位Ｖa、すなわち、コンデンサＣ４１の放電量に応じたドレイン電流i51を流す。このドレイン電流は、トランジスタＴｒ５２に流れ込み、トランジスタＴｒ５２のドレイン電流i52となる。
【０１１３】
ノードＡの電位Ｖaが電位Ｖx１より低くなる前に選択信号SELがトランジスタＴｒ５２のゲートに与えられると、トランジスタＴｒ５１のドレイン電流i51がそのまま出力電流Ａout１として出力される。
【０１１４】
これに対して、図１１に示すように選択信号SELの発生タイミングに先立ちノードＡの電位Ｖaが電位Ｖx１より低くなると、ノードＹの電位ＶyはＨレベルとなる（時刻ｔ２１）。ノードＹの電位ＶyがＨレベルとなると、インバータ２５の出力がＬレベルとなってトランジスタＴｒ４２がオンとなって、コンデンサＣ４１が再充電され、ノードＡの電位Ｖaは急峻に上昇する。
【０１１５】
ノードＹの電位ＶyがＨレベルでは、電位Ｖxは、（Ｖx２＝（Ｒ３２Ｖy +Ｒ３１Ｖref2）／（Ｒ３１＋Ｒ３２））となっている。ノードＡの電位Ｖaが電位Ｖx２より高くなると、ノードＹの電位ＶyはＬレベルとなる。これにより、インバータ２５の出力がＨレベルとなってトランジスタＴｒ４２がオフとなって、コンデンサＣ４１の再充電が終了する。ここで、トランジスタＴｒ４２がオフとなるタイミングには、コンデンサＣ４１が十分充電され、電位Ｖaがリセット信号ＲＳＴによってコンデンサＣ４１が充電されたときの値と等しくなるように、抵抗Ｒ３１、Ｒ３２、基準電圧Ｖref2は設定される。
【０１１６】
また、電位ＶyがＨレベルとなると、トランジスタＴｒ５４はオンとなり、コンデンサＣ５１が放電され、トランジスタＴｒ５５がオンとなり、ドレイン電流i55をトランジスタＴｒ５２のソースに与える。このドレイン電流i55は、再充電前のコンデンサＣ４１の放電量に対応する電流である。トランジスタＴｒ５２のドレイン電流i52は、ドレイン電流i55をオフセット値としてトランジスタＴｒ５１のドレイン電流i51に加算したものとなる。
【０１１７】
コンデンサＣ４１の再充電の後に選択信号SELが発生すると、その時点でのコンデンサＣ４１の放電量に対応するトランジスタＴｒ５１のドレイン電流i51と、充電前のコンデンサＣ４１の放電量に対応するトランジスタＴｒ５５のドレイン電流i55とが加算されてなる出力電流Ａout2が出力される。
【０１１８】
以上説明したように、本実施形態２によれば、充電制御部２３のコンパレータ２４は、ノードＡの電位Ｖaと電位Ｖxとを比較する。そして、コンパレータ２４は、この電位ＶaとＶxとの電位差に基づいて、受光回路部２１のコンデンサＣ４１を充電するように、トランジスタＴｒ４２を制御するようにした。
【０１１９】
従って、実施形態１と同様に、フォトダイオードＰＤ２の受光量が多い場合、リセット信号RSTを用いなくても、受光回路部２１のコンデンサＣ４１を再充電することができる。しかも、本実施形態２のイメージセンサでは、実施形態１における再充電により生じるオフセットをソフト的に補正するという手間を省くことができる。
【０１２０】
また、充電制御部２３は、コンパレータ２４を備えることにより、コンデンサＣ４１の充電制御をより正確に行うことができる。
【０１２１】
尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、上記実施の形態では、イメージセンサとしてＣＭＯＳイメージセンサについて説明した。しかし、イメージセンサは、このものに限られるものではなく、ＣＣＤであってもよい。
【０１２２】
上記実施形態１では、充電制御部２３がトランジスタＴｒ１１をオンさせるタイミングをノードＡの電位が予め設定された電位未満になったときとした。しかし、実施形態のトランジスタの導電型、電源及び信号の極性を反転することにより、例えば、受光回路部２１がノードＡの電位を反転出力させるような場合、充電制御部２３がトランジスタＴｒ１１をオンさせるタイミングをノードＡの電位が予め設定された電位を下から上に越えたときとすることもできる。
【０１２３】
上記実施形態２では、充電制御部２３が再充電を行うのは、１回に限られるものではなく、２回以上であってもよい。この場合、再充電、すなわち、ＶyがＨレベルとなることをカウントするカウンタと、そのカウント値に応じて、トランジスタＴｒ５５の複数を順次オンとする構成を設ければよい。
【０１２４】
また、各画素部１１（x,y）の信号出力部２２と充電制御部２３の間にスイッチを設け、プロセッサ１８がこのスイッチのオンオフ制御を行うようにすることもできる。このように構成されれば、場合に応じて上記実施形態のような再充電を行うことができる。
【０１２５】
また、上記実施形態１では、プロセッサ１８は、暗い領域から明るい領域方向に輝度信号を走査することにより、輝度信号の微分を行うようにした。しかし、走査方向は、この逆であってもよい。この場合でも、プロセッサ１８は、信号処理を同じように行うことにより、輝度信号のダイナミックレンジを広げることができる。
【０１２６】
さらに、プロセッサ１８は、メモリ１７に記憶した画像データに対して、画像処理により充電制御部２３の再充電によるエッジ部を検出し、再充電領域を取得することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の実施形態１に係るＣＭＯＳイメージセンサの構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示すＣＭＯＳイメージセンサの画素部の構成を示す回路図である。
【図３】受光量が少ない場合の図２に示す画素部の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】受光量が多い場合の図２に示す画素部の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】図１に示すプロセッサが実行する信号処理を示すフローチャートである。
【図６】具体的な画像を示す図であり、図６（ａ）は、被写体の画像を示し、図６（ｂ）は、各画素部が出力する画素信号に基づいて生成された画像を示す。
【図７】図６（ｂ）のＡ−Ａ'ライン上の各座標における信号レベルを示す図である。
【図８】図１に示すプロセッサの具体的動作を示す図であり、図８（ａ）は、図６（ｂ）のＡ−Ａ'ライン上の輝度信号を示し、図８（ｂ）は、図８（ｂ）に示す輝度信号を微分したときの微分した輝度信号の絶対値を示し、図８（ｃ）は、補正した輝度信号を示す。
【図９】本発明の実施形態２に係るイメージセンサの画素部の構成を示す回路図である。
【図１０】受光量が少ない場合の図９に示す画素部の動作を示すタイミングチャートである。
【図１１】受光量が多い場合の図９に示す画素部の動作を示すタイミングチャートである。
【図１２】従来のイメージセンサの画素部の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１  イメージセンサ
１１（x,y）  画素部
１７  メモリ
１８  プロセッサ
２１  受光回路部
２２  信号出力部
２３  充電制御部
【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６】
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