(57)【要約】【課題】複数に分割された露光期間を感度比を入射光量に応じて自由に設定し、撮像状態に応じてダイナミックレンジを最適化する。【解決手段】電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積した電荷を垂直および水平方向に転送し、画像信号として出力する固体撮像装置の撮像方法であって、電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、入射光量に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御し、第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を受光素子ごとに設けられた電荷保持素子からなる電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷を垂直方向に転送し、第２期間終了後の第３のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を垂直方向に転送する。【選択図】図１
2007074762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光に応じて受光素子に蓄積した電荷を転送部に転送し、画像信号として出力する固体撮像装置であって、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記入射光量に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する制御手段と、
上記受光素子ごとに設けられ、上記受光素子に蓄積した電荷を保持する電荷保持手段と、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記転送部に転送し、第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送して出力させる転送制御手段と
を有する固体撮像装置。
【請求項２】
上記固体撮像装置は、上記画像信号を検波する検波手段を有し、
上記制御手段は、当該検波手段の出力信号に応じて、上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項３】
上記固体撮像装置は、露光時間制御手段を有し、上記検波回路から供給された検波信号が演算回路で演算処理され、演算結果に応じて上記第１と第２の期間の露光期間の感度比を設定する
請求項１記載の固体撮像装置。
【請求項４】
画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、
列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
上記垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送して、時系列の画像信号として出力する転送素子からなる水平転送部と、
上記水平転送部により出力された画像信号を検波する検波手段と、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記検波手段の出力信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する露光時間制御手段と、
上記受光部の受光素子ごとに設けられ、各受光素子から転送された電荷を保持する電荷保持素子からなる電荷保持手段と、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光部の受光素子から電荷を上記電荷保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記垂直転送部に転送し、上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該第２期間中に上記受光部の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送する転送制御手段と
を有する固体撮像装置。
【請求項５】
上記第２のタイミングは、上記垂直転送部に前のフィールドの画像信号に応じた蓄積電荷の転送終了後に設定されている
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項６】
上記第１のタイミングで上記受光部の受光素子から電荷が上記電荷保持手段に転送した後、各受光素子の電荷がクリアされ、次の電荷蓄積期間が開始する
請求項４記載の固体撮像装置。
【請求項７】
画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、
列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子から電荷を列方向に転送する垂直転送部と、
上記垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送して、時系列の画素信号として出力する転送素子からなる水平転送部と、
上記水平転送部により出力された画素信号を検波する検波手段と、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記検波手段の出力信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する露光時間制御手段と、
上記受光部の受光素子ごとに設けられ、各受光素子から転送された電荷を保持する電荷保持素子からなる電荷保持手段と、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光部の受光素子から電荷を上記電荷保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、奇数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送し、第３のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、偶数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該第２期間中に上記受光部の奇数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送し、第５のタイミングで上記第２期間中に上記受光部の偶数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送する制御手段と
を有する固体撮像装置。
【請求項８】
上記第１のタイミングで上記受光部の受光素子に蓄積した電荷が上記電荷保持手段に転送した後、各受光素子の電荷がクリアされ、次の電荷蓄積期間が開始する
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項９】
上記第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている奇数行の受光素子の蓄積電荷が上記垂直転送部に転送した後、上記垂直転送部において一回の転送動作が行われる
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
上記転送動作が行われた後、上記垂直転送部の各転送素子に保持されている奇数行受光素子の蓄積電荷が、上記第３のタイミングで上記電荷保持手段から送られてきた偶数行の受光素子の蓄積電荷と混合される
請求項８記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
上記第４のタイミングで上記奇数行の受光素子の蓄積電荷が上記垂直転送部に転送した後、上記垂直転送部において一回の転送動作が行われる
請求項７記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
上記転送動作が行われた後、上記垂直転送部に保持されている奇数行受光素子の蓄積電荷が、上記第５のタイミングで上記偶数行の受光素子から送られてきた蓄積電荷と混合される
請求項９記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積した電荷を垂直および水平方向に転送し、画像信号として出力する固体撮像装置の撮像方法であって、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記入射光量に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御し、
上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持素子からなる電荷保持手段に保持し、
第２のタイミングで上記保持された電荷を上記垂直方向に転送し、
上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記垂直方向に転送する
固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１４】
マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子の列ごとに配置された垂直転送部によって上記マトリックスの列方向に転送し、上記垂直転送部により送られてきた電荷を水平転送素子によって上記マトリックスの行方向に転送し、時系列の画像信号として出力する固体撮像装置の撮像方法であって、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記画像信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持素子からなる電荷保持手段に保持し、
第２のタイミングで上記保持された電荷を上記垂直転送部に転送し、
上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記垂直転送部に転送する
固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１５】
上記第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送した後、上記受光素子の電荷をクリアし、次の電荷蓄積期間を開始する
請求項１４記載の固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１６】
上記第２のタイミングは、上記垂直転送部に前のフィールドの画像に応じた蓄積電荷の転送終了後に設定されている
請求項１４記載の固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１７】
マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子の列ごとに上記マトリックスの列方向に転送し、転送されてきた電荷を水平転送素子によって上記マトリックスの行方向に転送し、時系列の画像信号として出力する固体撮像装置の撮像方法であって、
上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記画像信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持素子からなる電荷保持手段に保持し、
第２のタイミングで上記保持された電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を転送し、第３のタイミングで上記保持された電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を列方向に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで奇数行の受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送し、第５のタイミングで偶数行の受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する
固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１８】
上記第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送した後、上記受光素子の電荷をクリアし、次の電荷蓄積期間を開始する
請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。
【請求項１９】
上記固体撮像装置は垂直転送部を有し上記第２のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷が転送され、上記第２のタイミングは、上記垂直転送部に前のフィールドの画像に応じた蓄積電荷の転送終了後に設定されている
請求項１７記載の固体撮像装置の撮像方法。
【請求項２０】
上記第２のタイミングでの転送動作の後、上記垂直転送部により一回の転送動作を行い、転送後各転送素子の電荷を上記第３のタイミングで送られてきた電荷と混合する
請求項１９記載の固体撮像装置の撮像方法。
【請求項２１】
上記第４の転送動作の後、上記垂直転送部により一回の転送動作を行い、転送後の各転送素子の電荷を上記第５のタイミングで送られてきた電荷と混合する
請求項１９記載の固体撮像装置の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置、例えば、電荷蓄積期間を複数の期間に分割し、入射光量、画像のコントラストなどに応じて分割した複数の期間の内少なくとも一つの期間における露光時間を制御することにより、各期間の入射光量−感度特性を制御し、入射光量に対して飽和しにくく、ダイナミックレンジが広くできる固体撮像装置およびその撮像方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge Coupled Device:電荷結合デバイス）などを用いた固体撮像装置において、フォトダイオードなどの受光素子を用いて、撮像対象物からの入射光に応じて電荷を蓄積し、転送素子などにより蓄積した信号電荷を時系列の電気信号に変換し、画像信号として出力する。
【０００３】
図７は従来の固体撮像装置の一構成例を示すブロック図である。
図示のように、本例の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素子３０、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング発生回路６０、同期信号発生回路７０、輝度信号検波回路８０および演算回路９０により構成されている。
【０００４】
同期信号発生回路７０により水平同期信号ＨＤと垂直同期信号ＶＤがそれぞれ発生される。タイミング発生回路６０は同期信号発生回路７０からの水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに同期して動作し、固体撮像装置全体の動作タイミングを制御する駆動パルス信号Ｓ６０を発生する。駆動回路５０は、タイミング発生回路６０からの駆動パルス信号Ｓ６０を電流／振幅増幅して、固体撮像素子３０に入力する。
【０００５】
撮像対象物からの入射光は、対物レンズ１０および光学フィルタ２０を介して固体撮像素子３０に照射される。固体撮像素子３０は、駆動回路５０により増幅された駆動パルス信号Ｓ５０により設定したタイミングで、入射光量に応じた電気信号である画像信号Ｓ３０を生成し、信号処理回路４０に出力する。信号処理回路４０は、固体撮像素子３０からの画像信号を処理して、それに同期信号発生回路７０からの水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤを加えた後、ビデオ信号ＳVDOとして出力する。
【０００６】
輝度信号検波回路８０は、信号処理回路４０において処理途中の輝度信号情報を含む映像信号（以下、単に輝度信号という）Ｓ４０を受けて、それを検波し、検波信号Ｓ８０を出力する。
演算回路９０は、輝度信号検波回路８０からの検波信号Ｓ８０を受けて、それに基づき画像の明るさ、コントラストや逆光状態の判定を行う。判定結果に応じて、シャッタスピードやＡＧＣの設定を行う制御信号Ｓ９０を発生し、対物レンズ１０、タイミング発生回路６０および信号処理回路４０にそれぞれ供給し、このフィードバックにより露光制御を行う。
【０００７】
図８は、従来の固体撮像装置に用いられている固体撮像素子３０の構造を示す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０は、マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ、ｍ，ｎは正の整数である）個の受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 ，…，ＰＤm,n により構成されている受光部、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８により構成されている。
なお、垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置されている受光素子の列に応じて、マトリックスの列方向に配置されているｎ列の転送素子３２-1，３２-2，…，３２-nにより構成されている。
【０００８】
即ち、固体撮像素子３０は一般的なインタライン方式の固体撮像素子で、垂直方向に隣り合った受光素子の信号電荷を垂直転送部の垂直転送素子内部で混合するフィールド読み出し動作を前提としている。
【０００９】
受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 ，…，ＰＤm,n は、例えば、露光期間（電荷蓄積期間）中に入射した光量に応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサにより構成され、垂直転送素子および水平転送素子は、例えば、レジスタにより構成されている。
出力アンプ３８からの出力信号は、固体撮像素子３０により発生した画像信号Ｓ３０である。
【００１０】
図９は固体撮像素子３０の動作タイミングを示す波形図、図１０は固体撮像素子３０における電荷転送および混合の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を参照しつつ、本例の固体撮像素子３０における電荷蓄積、転送および混合動作について説明する。
図９に示すように、露光期間Ａに受光部の各受光素子に蓄積した電荷が時間ＴRO1 のタイミングで垂直転送部の転送素子（以下、単に垂直転送レジスタという）に読み出される。この動作は垂直転送レジスタ内の電荷転送が終了した後の垂直ブランキング期間に入って初めて可能となり、垂直ブランキング以外には行うことができない。また、この読み出し直後に空になった受光素子は次１フィールドの蓄積動作を開始する。
【００１１】
同一露光期間Ａに蓄積された信号電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した信号電荷と偶数行の受光素子で蓄積した信号電荷が垂直転送レジスタ内で混合されたのち、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａと露光期間Ｂにそれぞれ蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増幅され、画像信号Ｓ３０として出力される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述した従来の固体撮像装置においては、１フィールドの画像を構成する各画素の蓄積期間は各フィールド当たり１期間のみで、入力光量に対する感度特性は図１１に示すように、一次関数の直線となる。この場合、入力光量がある程度大きくなると、受光素子の出力が飽和してしまい、画像の高輝度の部分が潰れてしまう。画像の飽和を回避するためには、電子シャッタなどの露光制御機能を利用して光量に対する感度特性を抑えてしまう使い方があるが、反対に暗い部分での感度が不足してしまい、十分な出力レベルを得ることができなくなる。即ち、１画面中の輝度レベルの差が大きい被写体を撮像する場合に、十分なダイナミックレンジを得ることができないという不利益がある。
【００１３】
また、図７に示すように、信号処理回路４０からの輝度信号Ｓ４０は輝度信号検波回路８０において積分処理やピーク検出などの処理が施され、輝度信号検波回路８０からの検波信号Ｓ８０は演算回路９０において、画像の明るさやコントラスト、逆光状態の判定などが行われる。演算回路９０において判定された画像状態に対して、電子シャッタのスピード制御や対物レンズ１０のメカアイリス制御、またはＡＧＣのゲイン制御などが自動的に行われるが、従来の固体撮像装置が選択できる露光設定は一通りであるため、１画面中の輝度レベルの差が大きい被写体を撮像する場合には、十分なダイナミックレンジを得ることができないという問題点が残ったままである。
【００１４】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、画像状態の判定結果に応じて複数に分割された露光期間の感度比を任意に設定することで、入射光量に応じて感度特性を自由に設定でき、撮像状態に応じてダイナミックレンジを最適化できる固体撮像装置およびその撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明の固体撮像装置は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光に応じて受光素子に蓄積した電荷を転送部に転送し、画像信号として出力する固体撮像装置であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記入射光量に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する制御手段と、上記受光素子ごとに設けられ、上記受光素子に蓄積した電荷を保持する電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記電荷保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記転送部に転送し、第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記転送部に転送して出力させる転送制御手段とを有する。
【００１６】
また、本発明では、好適には上記画像信号を検波する検波手段を有し、上記制御手段は、当該検波手段の出力信号に応じて、上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する。また、本発明の固体撮像装置は、上記受光素子に蓄積した電荷を保持する電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記転送素子に転送し、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記第２期間中に上記受光素子に蓄積した電荷を上記転送素子に転送して出力させる転送制御手段とを有する。
【００１７】
また、本発明の固体撮像装置は、画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する垂直転送部と、上記垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送して、時系列の画像信号として出力する転送素子からなる水平転送部と、上記水平転送部により出力された画像信号を検波する検波手段と、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記検波手段の出力信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する露光時間制御手段と、上記受光部の受光素子ごとに設けられ、各受光素子から転送された電荷を保持する電荷保持素子からなる電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光部の受光素子から電荷を上記電荷保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷を上記垂直転送部に転送し、上記第２期間終了後の第３のタイミングで当該第２期間中に上記受光部の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送する転送制御手段とを有する。
【００１８】
また、本発明の固体撮像装置は、画素ごとに設けられ、マトリックス状に配置された複数の受光素子からなる受光部と、列方向に連なって上記受光部の受光素子列ごとに配置され、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて上記受光素子から電荷を列方向に転送する垂直転送部と、上記垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送して、時系列の画素信号として出力する転送素子からなる水平転送部と、上記水平転送部により出力された画素信号を検波する検波手段と、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記検波手段の出力信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御する露光時間制御手段と、上記受光部の受光素子ごとに設けられ、各受光素子から転送された電荷を保持する電荷保持素子からなる電荷保持手段と、上記第１期間終了後の第１のタイミングで当該第１期間中に上記受光部の受光素子から電荷を上記電荷保持手段に転送し保持させ、第２のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、奇数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送し、第３のタイミングで上記電荷保持手段に保持されている電荷の内、偶数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで当該第２期間中に上記受光部の奇数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送し、第５のタイミングで上記第２期間中に上記受光部の偶数行の受光素子から電荷を上記垂直転送部に転送する制御手段とを有する。
【００１９】
また、本発明の固体撮像装置の撮像方法は、電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて受光素子に電荷を蓄積し、蓄積した電荷を垂直および水平方向に転送し、画像信号として出力する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記入射光量に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持素子からなる電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷を上記垂直方向に転送し、上記第２期間終了後の第３のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記垂直方向に転送する。
【００２０】
さらに、本発明の固体撮像装置の撮像方法は、マトリックス状に配置された複数の受光素子が電荷蓄積期間中に撮像対象物からの入射光量に応じて電荷を蓄積し、蓄積した電荷を上記受光素子の列ごとに上記マトリックスの列方向に転送し、転送されてきた電荷を水平転送素子によって上記マトリックスの行方向に転送し、時系列の画像信号として出力する固体撮像装置の撮像方法であって、上記電荷蓄積期間を少なくとも第１期間と第２期間の二つの期間に分割し、上記画像信号に応じて上記分割した期間の内、少なくとも一つの期間の時間長を制御し、上記第１期間終了後の第１のタイミングで上記受光素子に蓄積した電荷を上記受光素子ごとに設けられた電荷保持素子からなる電荷保持手段に保持し、第２のタイミングで上記保持された電荷の内、奇数行の受光素子で蓄積した電荷を転送し、第３のタイミングで上記保持された電荷の内、偶数行の受光素子で蓄積した電荷を列方向に転送し、上記第２期間終了後の第４のタイミングで奇数行の受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送し、第５のタイミングで偶数行の受光素子に蓄積した電荷を列方向に転送する。
【００２１】
本発明によれば、固体撮像装置の撮像期間は複数の、例えば、少なくとも二つの期間に分割され、入射光量に応じて分割した複数の期間の内、少なくとも一つの期間の露光時間が制御されるので、被写体からの入射光量および撮像条件、撮像目的などに応じて複数に分割した露光期間の感度比が任意に設定でき、固体撮像装置のダイナミックレンジの最適化が実現できる。
【００２２】
具体的に、例えば、画素ごとに設けられマトリックス状に配置された受光素子からなる受光部、露光期間中に受光素子に蓄積した信号電荷を垂直方向に転送および混合する垂直転送レジスタ、垂直転送レジスタから送られてきた信号電荷を水平方向に転送する水平転送レジスタからなる固体撮像素子に、水平転送レジスタから出力された画像信号の輝度信号を検波する検波手段が付け加えられ、検波手段の検波結果に応じて分割された複数の期間の内、少なくとも一つの期間における露光期間を制御することにより、各露光期間の感度比を設定でき、固体撮像装置のダイナミックレンジを最適化することができる。
【００２３】
また、分割された複数の期間の露光時間を自由に設定するため、固体撮像素子には、各受光部の受光素子ごとにそれぞれの受光素子の蓄積電荷を一時保持する電荷保持素子が設けられている。例えば、一例として、電荷蓄積時間が第１期間と第２期間の二つに分割した場合、第１期間終了後の第１のタイミングで各受光素子に蓄積した信号電荷がすべて電荷保持素子に転送される。そして、垂直転送レジスタにおける１フィールドの垂直転送が終了した後の第２のタイミングおよび第３のタイミングにおいて、電荷保持素子内の奇数行および偶数行の保持電荷が順次垂直転送レジスタに転送され、垂直転送レジスタにおいて混合される。さらに、第２期間終了後の第４および第５のタイミングにおいて、奇数行および偶数行の受光素子に蓄積した信号電荷が順次垂直転送レジスタに転送され、垂直転送レジスタにおいて混合された後、水平レジスタに転送され、さらに水平転送レジスタにより時系列の画像信号として出力される。
このように分割された複数の期間の露光時間が任意に設定することができ、固体撮像素子の入射光量−感度特性を任意に設定でき、ダイナミックレンジの最適化が実現できる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明の固体撮像装置およびその方法によれば、画像状態の判定結果に応じて複数に分割された露光期間の感度比を任意に設定することで、中低輝度領域と高輝度領域の光量−感度特性のバランスを自由に設定できるため、逆光状態やコントラストの大小などの被写体の状況に応じて撮像装置のダイナミックレンジを最適化できる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示す回路図である。
図示のように、本例の固体撮像装置は、対物レンズ１０、光学フィルタ２０、固体撮像素子３０ａ、信号処理回路４０、駆動回路５０、タイミング発生回路６０ａ、同期信号発生回路７０、輝度信号検波回路８０および演算回路９０により構成されている。
【００２６】
本実施形態の固体撮像装置は、図７に示す従来の固体撮像装置と較べると、固体撮像素子３０ａ、タイミング発生回路６０ａを除けば、他の構成部分はほぼ同じ回路により構成されている。
ただし、本発明においては、固体撮像素子３０ａの構成および動作タイミングを工夫したことによって、電荷蓄積期間から分割された複数の期間の内、少なくとも一つの期間における露光時間を任意に設定することができ、これにより固体撮像装置における各露光期間の感度特性を自由に設定でき、高輝度領域における光量−感度特性の劣化を回避でき、ダイナミックレンジの最適化を実現した。また、改良が行われた固体撮像素子３０ａの動作タイミングを制御するため、タイミング発生回路６０ａはそれに応じた変更が行われる。
【００２７】
図１に示す固体撮像装置において、同期信号発生回路７０により水平同期信号ＨＤと垂直同期信号ＶＤがそれぞれ発生される。タイミング発生回路６０ａは同期信号発生回路７０からの水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤに同期して動作し、固体撮像装置全体の動作タイミングを制御する駆動パルス信号Ｓ６０ａを発生する。駆動回路５０は、タイミング発生回路６０からの駆動パルス信号Ｓ６０ａを電流／振幅増幅して、固体撮像素子３０ａに入力する。
【００２８】
撮像対象物からの入射光は、対物レンズ１０および光学フィルタ２０を介して固体撮像素子３０ａに照射される。固体撮像素子３０ａは、駆動回路５０により増幅された駆動パルス信号Ｓ５０により設定したタイミングで、入射光量に応じて画像信号Ｓ３０ａを生成し、信号処理回路４０に出力する。信号処理回路４０は、固体撮像素子３０からの画像信号を処理して、それに同期信号発生回路７０からの水平同期信号ＨＤおよび垂直同期信号ＶＤを加えた後、ビデオ信号ＳVDOとして出力する。
【００２９】
輝度信号検波回路８０は、信号処理回路４０において処理途中の輝度信号Ｓ４０を受けて、それを検波し、検波信号Ｓ８０を出力する。
演算回路９０は、輝度信号検波回路８０からの検波信号Ｓ８０を受けて、それに基づき画像の明るさ、コントラストや逆光状態の判定を行う。判定結果に応じて、シャッタスピード制御、対物レンズのメカアイリス制御またはＡＧＣのゲイン制御を行う制御信号Ｓ９０を発生し、対物レンズ１０、タイミング発生回路６０ａおよび信号処理回路４０にそれぞれ供給し、このフィードバックにより露光制御を行う。
【００３０】
図２は本実施形態における固体撮像素子３０ａの内部構成を示す配置図である。図示のように、固体撮像素子３０ａは、マトリクス状に配置された複数、例えば、（ｍ×ｎ）個の受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n により構成されている受光部を有し、さらに受光部に各受光素子ごとに電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n が設けられ、これによって本実施形態の固体撮像装置にはそれぞれの受光素子の蓄積電荷を保持する電荷保持機能が加えられた。さらに、図７に示す従来の固体撮像装置と同様に、受光部の列方向に連なって、受光素子の各列ごとに設けられている転送素子からなる垂直転送部３２、垂直転送部から送られてきた電荷を行方向に転送する転送素子からなる水平転送部３４、水平転送部の終端に設けられ、電荷の有無を検出する電荷検出アンプ３６、電荷検出アンプ３６からの信号を出力する出力アンプ３８がそれぞれ設けられている。
【００３１】
受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，ＰＤ1,3 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，…，ＰＤ3,1 ，…，ＰＤm,1 …，ＰＤm,n は、例えば、露光期間中に入射した光量に応じて所定量の電荷を蓄積するフォトダイオードなどの光センサにより構成されている。電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n は、受光素子に蓄積した電荷を一時保持する電荷保持素子からなり、その例として、例えば、レジスタまたはキャパシタにより構成することができる。
【００３２】
垂直転送部３２は、例えば、マトリクス状に配置されている受光素子の列に応じて、マトリックスの列方向に配置されているｎ列の転送素子３２-1，３２-2，…，３２-nにより構成され、転送素子は、例えばレジスタにより構成されている。
水平転送部３４は、垂直転送部からの送られてきた電荷を水平方向（受光素子がなすマトリクスの行方向）に転送する水平転送素子からなる。なお、水平転送素子は、垂直転送部と同様に、例えば、レジスタにより構成されている。
【００３３】
図３は本実施形態の固体撮像素子３０ａの動作タイミングを示す波形図、図４は固体撮像素子３０ａにおける電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。以下、これらの図面を参照しつつ、本実施形態の固体撮像装置の電荷蓄積および転送動作について説明する。
図３に示すように、本実施形態の固体撮像素子３０ａにおける電荷蓄積期間を二つの期間、即ち、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１とに分割されている。露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１は、通常動作期間と垂直ブランキング期間の間に、任意に配分されている。
露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１の内、少なくとも一つの露光期間、例えば、露光期間Ａ１が図１に示す演算回路９０からの制御信号Ｓ９０に応じて設定可能であり、これにより、分割された各露光期間の入射光量−感度特性が任意に設定でき、各露光期間の間の感度比が自由に設定できる。
【００３４】
以下、露光期間Ａ１、Ｂ１の順で固体撮像素子３０ａの動作を説明する。
露光期間Ａ１に各受光素子に蓄積した電荷が時間ＴRO1 のタイミングで各受光素子ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n からそれぞれの受光素子に対応して設けられている電荷保持素子ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n に読み出される。なお、この読み出し動作は垂直転送レジスタ内の信号電荷に影響を与えないため、垂直転送が終了したか否かに関わらず、任意のタイミングで行うことが可能である。また、この読み出し直後に空になった受光素子は次の蓄積動作を開始する。
【００３５】
図４は、固体撮像素子３０ａにおける受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ2,i ，…，ＰＤm,i からなる一行の受光素子、電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ2,i ，…，ＣＲm,iからなる一行の電荷保持素子および垂直転送レジスタ３０-iの電荷蓄積および転送動作を図示したものである。
同図（ａ）は、例として受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ2,i ，…，ＰＤm,i から電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ2,i ，…，ＣＲm,i に信号電荷が転送される様子を示している。
【００３６】
次に、前フィールドの信号電荷の垂直転送が終了した後、図３に示す時間ＴRO2 のタイミングで各電荷保持素子の内、奇数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｂ）に示すように、受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…などの奇数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ1,i ，ＣＲ3,i ，…に保持されている電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。
【００３７】
次に、垂直転送部において、垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO3 のタイミングで各電荷保持素子の内、偶数行の受光素子により露光期間Ａ１に蓄積した信号電荷が垂直レジスタに読み出される。
図４（ｃ）に示すように、受光素子ＰＤ2,i ，ＰＤ4,i ，…などの偶数行の受光素子に対応した電荷保持素子ＣＲ2,i ，ＣＲ4,i ，…に保持されている電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。
これにより、同一露光期間Ａ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００３８】
次に、露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の内、奇数行に相当する受光素子の蓄積電荷が時間ＴRO4 のタイミング各受光素子からそれぞれの受光素子に応じて設けられている垂直転送レジスタに読み出される。そして垂直転送部において垂直転送を一行分行った後に、時間ＴRO5 のタイミングで露光期間Ｂ１に蓄積された電荷の内、偶数行に相当する受光素子の蓄積電荷が各受光素子から垂直転送レジスタに読み出される。
これにより、同一露光期間Ｂ１に蓄積された奇数行と偶数行の受光素子の信号電荷は垂直転送レジスタにおいて混合される。
【００３９】
図４（ｄ）に示すように、受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…などの奇数行の受光素子に蓄積した信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送される。図４（ｅ）に示すように、受光素子ＰＤ2,i ，ＰＤ4,i ，…などの偶数行の受光素子に蓄積した信号電荷がそれぞれ垂直転送レジスタ３２-iに転送され、垂直転送レジスタ３２-iにおいて、垂直転送で送られてきた奇数行の受光素子ＰＤ1,i ，ＰＤ3,i ，…により蓄積した信号電荷と混合される。
【００４０】
以上述べた一連の動作によって垂直転送レジスタには、露光期間Ａ１に蓄積された電荷と露光期間Ｂ１に蓄積された電荷が交互に保持される。そして、読み出しが完了した後、垂直転送、垂直レジスタ−水平レジスタ間転送および水平転送によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１に蓄積した信号電荷は時系列に電荷検出アンプ３６に転送され、電荷検出の結果が出力アンプ３８により増幅され、画像信号Ｓ３０ａとして出力される。
【００４１】
このように、露光期間Ａ１、Ｂ１のそれぞれの信号電荷は、それぞれの露光期間の違いから、入力光量に対して図５（ａ）、（ｂ）に示す光量−感度特性が得られる。そして、固体撮像素子３０ａの後段に設けられている信号処理回路４０によってこれらの信号に対して加算／補正処理が行われ、固体撮像装置全体の特性として、図５（ｃ）に示す光量−感度特性を得ることができる。
即ち、露光期間Ａ１および露光期間Ｂ１は任意に設定できるため、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、それぞれの露光期間に対応した感度特性の傾きを任意に制御することができる。これに応じて固体撮像装置全体の光量−感度特性は図５（ｃ）に示すように、傾きが任意に設定でき、ダイナミックレンジの最適化制御が実現できる。
【００４２】
図１に示す本実施形態の固体撮像装置において、信号処理回路４０からの輝度信号Ｓ４０は輝度信号検波回路８０において積分処理やピーク検出などの処理が施され、輝度信号検波回路８０からの検波信号Ｓ８０は演算回路９０において、画像の明るさやコントラスト、逆光状態の判定などが行われる。演算回路９０において判定された画像状態に対して、電子シャッタのスピード制御や対物レンズ１０のメカアイリス制御、またはＡＧＣのゲイン制御などを行う制御信号Ｓ９０が生成され、これを対物レンズ１０、タイミング発生回路６０ａおよび信号処理回路４０にフィードバックすることにより、それぞれの制御が撮像条件および撮像目的に応じて自動的に行われる。
【００４３】
このような特徴を有する本実施形態の固体撮像装置において、検波回路８０からの検波信号Ｓ８０およびそれに基づいて演算回路９０で演算処理した結果に応じて生成した制御信号Ｓ９０によって、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１の感度比を任意に設定することができ、撮像状況および撮像目的になどに応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを最適化することができる。
例えば、図６（ａ）に示すように画像のコントラストが小さく且つ全体に暗い状態では、露光期間Ａ１のみの露光設定としたり、同図（ｂ）のように画像のコントラストが小さいが全体に明るい状態では、露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１の感度比を同じにするか露光期間Ａ１のみ（或いはＢ１のみ）の信号を使ったりすることが可能である。反対に同図（ｃ）に示すように画像のコントラストが大きい場合には露光期間Ａ１と露光期間Ｂ１の感度比を大きくすることで画像のダイナミックレンジを改善することができ、コントラストの度合いに応じて露光期間Ａ１および露光期間Ｂ１の感度比を変化させることも有効である。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態によれば、入射光は対物レンズ１０、光学フィルタ２０を介して固体撮像素子３０ａに照射し、固体撮像素子３０ａは露光期間を複数に分割し各期間で蓄積信号電荷に応じた画像信号Ｓ３０ａを生成し、信号処理回路４０に入力する。同期信号発生回路７０により生成した水平および垂直同期信号ＨＤ，ＶＤはタイミング発生回路６０ａおよび信号処理回路４０にそれぞれ供給し、タイミング発生回路はそれに応じた同期信号パルス信号Ｓ６０ａを生成し、駆動回路５０により増幅した後固体撮像素子３０ａに入力し、その動作タイミングを制御し、信号処理回路４０は、画像信号に同期信号を加えた複合映像信号ＳVDO を出力する。輝度信号検波回路８０は信号処理回路４０からの輝度信号Ｓ４０を検波して検波信号Ｓ８０を出力し、演算回路９０は検波信号Ｓ８０を演算処理し、画像の明るさ、コントラストや逆光状態を判定し、制御信号Ｓ９０を生成し、対物レンズ、タイミング発生回路６０ａおよび信号処理回路４０にフィードバックし、露光制御を行うので、撮像の状態に応じてダイナミックレンジの最適化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る固体撮像装置の一実施形態を示す回路図である。
【図２】本発明における固体撮像素子の内部構成を示す配置図である。
【図３】本発明における固体撮像素子の動作タイミングを示す波形図である。
【図４】本発明における固体撮像素子における電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。
【図５】本発明の固体撮像装置の光量−感度特性を示すグラフである。
【図６】被写体の明るさ、コントラストの状況を示す概念図である。
【図７】従来の固体撮像装置の一例を示すブロック図である。
【図８】従来の固体撮像素子の内部構成を示す配置図である。
【図９】従来の固体撮像素子の動作タイミングを示す波形図である。
【図１０】従来の固体撮像素子における電荷蓄積および電荷転送の動作を示す概念図である。
【図１１】従来の固体撮像装置の光量−感度特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１０…対物レンズ、２０…光学フィルタ、３０，３０ａ…固体撮像素子、４０…信号処理回路、５０…駆動回路、６０，６０ａ…タイミング発生回路、７０…同期信号発生回路、８０…輝度信号検波回路、９０…演算回路、ＰＤ1,1 ，ＰＤ1,2 ，…，ＰＤ1,n ，ＰＤ2,1 ，ＰＤ2,2 ，…，ＰＤ3,1 ，ＰＤ3,2 ，…，ＰＤm,1 ，ＰＤm,2 …，ＰＤm,n …受光素子、ＣＲ1,1 ，ＣＲ1,2 ，…，ＣＲ1,n ，ＣＲ2,1 ，ＣＲ2,2 ，…，ＣＲ3,1 ，ＣＲ3,2 ，…，ＣＲm,1 ，ＣＲm,2 ，…，ＣＲm,n …電荷保持素子、３２…垂直転送部、３２-1，３２-2，…，３２-n…垂直転送レジスタ、３４…水平転送分、３６…電荷検出アンプ、３８…出力アンプ。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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