(57)【要約】【課題】画素が飽和してしまうような輝度が高い場合でも、装置のダイナミックレンジが狭くなるのを抑制することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】この撮像装置は、複数の画素７と、画素７に蓄積される電荷を増加する増加部１０と、画素７の露光時間を変更する露光時間変更部９とを備え、画素７に入射する光の輝度に応じて、１画素以上の画素グループ単位で、画素７に蓄積される電荷の増加動作の回数の制御と画素７の露光時間の制御とを切り替えることにより装置の感度を変化させるように構成されている。【選択図】図３
2009055540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の画素と、
前記画素に蓄積される電荷を増加させる増加部と、
前記画素の露光時間を変更させる露光時間変更部とを備え、
前記画素に入射する光の輝度に応じて、１画素以上の画素グループ単位で、前記画素に蓄積される電荷の増加動作の回数の制御と前記画素の露光時間の制御とを切り替えるように構成されている、撮像装置。
【請求項２】
前記画素に入射する光の輝度が所定の値よりも低いときには、前記増加部による電荷の増加動作の回数の制御により感度が調節されるとともに、前記画素に入射する光の輝度が所定の値よりも高いときには、前記露光時間変更部による前記画素の露光時間の制御により感度が調節されるように構成されている、請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記画素は、電荷を転送する機能を有するとともに、電荷を増加するための電圧を印加する第１転送ゲート電極を含む、請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記画素は、光電変換機能を有するとともに光電変換により生成された電荷を蓄積するための蓄積部と、前記蓄積部に隣接するように形成され、電荷を転送するとともに、前記露光時間変更部に含まれる第２転送ゲート電極とを含み、
前記第２転送ゲート電極によって前記画素の露光時間が制御されるように構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記画素は、前記増加部と前記露光時間変更部との制御の切替を行う画素内制御回路を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記画素は、前記蓄積部に蓄積された電荷による信号を、前記複数の画素から行単位で読み出すための第１読出しゲート電極および列単位で読み出すための第２読出しゲート電極を含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特に、画素に入射する光の輝度に応じて感度が変更可能な撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、画素に入射する光の輝度に応じて感度が変更可能な撮像装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、複数のゲート電極を備え、ゲート電極下に形成される高電界領域において、衝突電離により電荷が増加される、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ（撮像装置）が開示されている。このＣＣＤイメージセンサでは、直前のフレームの輝度に比例するように、直後のフレームの高電界領域の電界の強さを調節することにより、ＣＣＤイメージセンサの感度を高くすることが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特許第３４８３２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の撮像装置では、画素に入射する光の輝度が低い場合には、衝突電離による電荷の増加動作により感度の調節を行うことが可能である一方、画素が飽和してしまうような輝度が高い場合には感度の調節を行うことができないという不都合がある。このため、撮像装置のダイナミックレンジが狭くなるという問題点がある。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、画素が飽和してしまうような輝度が高い場合でも、装置のダイナミックレンジが狭くなるのを抑制することが可能な撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の一の局面による撮像装置は、複数の画素と、画素に蓄積される電荷を増加させる増加部と、画素の露光時間を変更させる露光時間変更部とを備え、画素に入射する光の輝度に応じて、１画素以上の画素グループ単位で、画素に蓄積される電荷の増加動作の回数の制御と画素の露光時間の制御とを切り替えるように構成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳ型の撮像装置のブロック図である。図２は、本発明の第１実施形態による撮像装置の複数の画素から構成される撮像素子を示す図である。図３は、本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の増加動作の制御を示すブロック図である。図４は、本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。図１〜図４を参照して、第１実施形態による撮像装置の構成について説明する。
【００１０】
この第１実施形態によるＣＭＯＳ型の撮像装置は、図１に示すように、レンズ１と、後述する電荷の増加部９を含む撮像素子２と、ノイズを低減するためのＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ：相関二重サンプリング）および増幅率を自動的に制御するためのＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｇａｉｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）などを含むアナログ処理部３、Ａ／Ｄ変換部４、デジタル処理回路部５および増加回数保持メモリ６により構成されている。
【００１１】
撮像素子２は、アナログ処理部３に接続されているとともに、アナログ処理部３は、Ａ／Ｄ変換部４に接続されている。また、Ａ／Ｄ変換部４は、デジタル処理回路部５に接続されており、デジタル処理回路部５は、増加回数保持メモリ６に接続されている。また、デジタル処理回路部５は、増加回数保持メモリ６に保持される増加回数に基づいて、撮像素子２における電荷の増加回数を制御するとともに、後述する画素７の露光時間を制御するように構成されている。
【００１２】
また、図２に示すように、撮像素子２は、マトリクス状に配置される複数の画素７により構成されている。なお、第１実施形態では、画素７ごとに増加回数が制御される場合について説明する。また、画素７ごとに増加回数を制御するのではなく、２画素以上の画素グループごとに増加回数を制御してもよい。
【００１３】
また、各画素７には、図３に示すように、光電変換機能を有するとともに光電変換により生成された電荷を蓄積するためのフォトダイオード（ＰＤ）８と、画素７の露光時間を制御する露光時間変更部９と、電荷の増加部１０と、フローティングディフージョン（ＦＤ）アンプ１１とが含まれている。なお、フォトダイオード８は、本発明の「蓄積部」の一例である。フォトダイオード８は、露光時間変更部９に接続されるとともに、露光時間変更部９は、増加部１０に接続されている。また、増加部１０は、ＦＤアンプ１１に接続されている。また、ＦＤアンプ１１に接続されるデジタル処理回路部５には、信号処理回路５ａと露光時間・増加回数切替制御回路５ｂとが含まれており、信号処理回路５ａと露光時間・増加回数切替制御回路５ｂとによって各画素７の露光時間変更部９および増加部１０が独立して制御されるように構成されている。なお、図３にはマトリクス状に配置される複数の画素７のうち、２つの画素７のみを記している。
【００１４】
また、図４に示すように、画素７は、フォトダイオード８と、フォトダイオード８に隣接するように設けられる転送ゲート電極１２〜１５と、読出しゲート電極１６および１７と、読出しゲート電極１７にゲートが接続されるＦＤアンプ１１と、ＦＤアンプ１１のソース／ドレインの一方に接続される選択トランジスタ１８とを含んでいる。ここで、第１実施形態では、転送ゲート電極１２は、露光時間変更部９に含まれ、画素７の露光時間を制御する機能を有するように構成されている。なお、転送ゲート電極１２は、本発明の「第２転送ゲート電極」の一例である。また、転送ゲート電極１３〜１５下において電荷の増加動作が行われるように構成されている。ここで、第１実施形態では、読出しゲート電極１６は、マトリクス状に配置される画素７の列方向の出力を制御するとともに、読出しゲート電極１７は、行方向の出力を制御するように構成されている。なお、読出しゲート電極１６および１７は、それぞれ、本発明の「第２読出しゲート電極」および「第１読出しゲート電極」の一例である。また、読出しゲート電極１６が画素７の行方向の出力を制御するとともに、読出しゲート電極１７が列方向の出力を制御するように構成してもよい。
【００１５】
図５は、本発明の第１実施形態による撮像装置の動作の制御フローを示したフローチャートである。図６は、本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の選択の制御フローを示したフローチャートである。図７は、画素に入射する光の明るさ（輝度）と、電荷の増加動作後の輝度値および露光時間制御後の輝度値との関係を示す図である。図５〜図７を参照して、本発明の第１実施形態による撮像装置の動作について説明する。なお、この撮像装置の動作では、電荷の増加動作の回数は、直前のフレームの画像情報に基づいて制御されており、画素７ごとによって異なっている。ここでは、直前のフレームの画像情報に基づいて、増加動作の回数が画素７ごとによって、０回、１００回および１０００回に設定されている場合について説明する。また、例として、フレームの画素数が５×５の２５画素で構成されている場合について説明する。
【００１６】
まず、図５に示すように、ステップＳ１において、画素７が短時間露光される。この短時間の露光は、図７に示すように、画素７に入射する光の輝度が、通常の露光時間では画素７が飽和してしまうような高輝度の場合に、画素７が飽和してしまうのを抑制するために行うものである。次に、ステップＳ２において、短時間露光を終了する。これにより、フォトダイオード８には、電荷が蓄積される。次に、ステップＳ３において、フォトダイオード８に蓄積された電荷は、転送ゲート電極１２〜１４下を介して、転送ゲート電極１５下に蓄積される。
【００１７】
次に、ステップＳ４において、所定の画素７（輝度が高く飽和してしまう画素７）が選択され、転送ゲート電極１５下に蓄積された電荷は、ＦＤアンプ１１に転送される。具体的には、図６に示すように、ステップＳ４１において、まず、０行目の画素７が選択され、ステップＳ４２において、読出しゲート電極１７がオン状態にされる。次に、ステップＳ４３において、０列目〜４列目の画素７が順次選択される。次に、ステップＳ４４において、画素７が飽和するような輝度が高い画素７では、読出しゲート電極１６がオン状態にされるとともに、画素７に蓄積された電荷がＦＤアンプ１１に転送される。次に、ステップＳ４５において、読出しゲート電極１７をオフ状態にする。同様に、ステップＳ４１の行選択の動作を１行目から４行目まで順次行うことにより、画素７が飽和するような輝度が高い画素７に蓄積された電荷がＦＤアンプ１１に転送される。
【００１８】
次に、図５に示すように、ステップＳ５において、選択トランジスタ１８（図４参照）をオン状態にすることにより、画素７が飽和するような輝度が高い画素７のＦＤアンプ１１から信号が出力される。
【００１９】
次に、ステップＳ６において、画素７の追加の露光が行われる。これにより、画素７は、通常の露光時間分露光されたことになる。次に、ステップＳ７において、フォトダイオード８に蓄積された電荷は、転送ゲート電極１２〜１４下を介して、転送ゲート電極１５下に蓄積される。ここで、ステップＳ３において転送された電荷と、ステップＳ７において転送された電荷とが加算される。
【００２０】
次に、ステップＳ８において、ステップＳ４と同様に、所定の画素７（輝度が高い画素７）が選択され、転送ゲート電極１５下に蓄積された電荷は、ＦＤアンプ１１に転送される。この後、ステップＳ９において、選択トランジスタ１８（図４参照）をオン状態にすることにより、輝度が高い画素７のＦＤアンプ１１から信号が出力される。
【００２１】
次に、ステップＳ１０において、転送ゲート電極１３〜１５下の間で、電荷の増加動作が行われる。具体的には、転送ゲート電極１５下に形成される一時蓄積井戸に蓄積された電荷が転送ゲート電極１４下に形成される電荷転送障壁を乗り越えて転送ゲート電極１３下に形成される電荷集積井戸に移動する際に、転送ゲート電極１３下と転送ゲート電極１４下との界面に形成される高電界領域において、衝突電離により電荷が増加される。ここで、第１実施形態では、転送ゲート電極１３に高電圧を印加することにより、高電界領域が形成されるように構成されている。なお、転送ゲート電極１３下と転送ゲート電極１４下との界面に形成される高電界領域は、本発明の「増加部」の一例である。また、転送ゲート電極１３は、本発明の「第１転送ゲート電極」の一例である。また、電荷を一時蓄積井戸と電荷集積井戸との間を繰り返し移動させることによって、さらなる電荷の増加動作が行われる。ここでは、電荷の増加動作は、１００回行われる。なお、この電荷の増加動作は、撮像素子２（図２参照）の全ての画素７について行われるが、画素７が飽和するような輝度が高い画素７や、画素７が飽和するほどではないが輝度が高い画素７についてはステップＳ５およびステップＳ９において信号が出力されているために、これらの輝度が高い画素７において電荷の増加の動作が行われても画像に影響を及ぼさない。
【００２２】
次に、ステップＳ１１において、ステップＳ８と同様に、撮像素子２の所定の領域の画素７（輝度が中程度の画素７）の電荷がＦＤアンプ１１に転送される。この後、ステップＳ１２において、輝度が中程度の画素７の信号が出力される。
【００２３】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１０と同様に、転送ゲート電極１３〜１５下の間で、電荷の増加動作が行われる。ここでは、電荷の増加動作は、９００回行われる。これにより、ステップＳ１０の電荷の増加動作と合わせて、合計１０００回の増加動作が行われたことになる。なお、この電荷の増加動作は、ステップＳ１０と同様に、撮像素子２の全ての画素７について行われる。
【００２４】
次に、ステップＳ１４において、ステップＳ４、Ｓ８およびＳ１１と同様に、撮像素子２の所定の領域の画素７（輝度が低い画素７）の電荷がＦＤアンプ１１に転送される。この後、ステップＳ１５において、輝度が低い画素７の信号が出力される。
【００２５】
次に、図７を参照して、画像のデジタル合成について説明する。
【００２６】
図７に示すように、画素７に入射する光が画素７が飽和するくらい明るい場合、画素７の露光時間を通常の露光時間よりも短くするように制御される。また、画素７に入射する光が画素７が飽和するほどではないが明るい（高輝度）場合、電荷の増加動作は行われない（増加動作０回）。この場合、画素７に入射する光の輝度が画素７の出力の輝度値となる。また、画素７に入射する光が中程度（中輝度）の場合、１００回の電荷の増加動作が行われ、増加動作された電荷の輝度が画素７の出力の輝度値となる。また、画素７に入射する光が暗い（低輝度）場合、１０００回の電荷の増加動作が行われ、増加された電荷の輝度が画素７の出力の輝度値となる。全ての画素７から出力された輝度値と増加動作の回数を参照して、画像がデジタル合成される。このように、第１実施形態では、画素７に入射する光が高輝度以上の場合には、画素７の露光時間を制御することにより感度が調節され、画素７に入射する光が中輝度以下の場合には、電荷の増加回数を制御することにより感度が調節されるように、露光時間制御と電荷の増加回数制御とが切り替えられる。
【００２７】
図８は、本発明の第１実施形態による撮像装置の感度の制御フローを示したフローチャートである。図８を参照して、本発明の第１実施形態による感度の制御の動作について説明する。なお、ここでは、撮像素子２に含まれる複数の画素７において、画素７ごとに独立して、感度の制御が行われている場合について説明する。
【００２８】
図８に示すように、ステップＳ５１において、直前のフレームの所定の画素７が、露光時間制御であったか、または、電荷の増加回数制御であったかの情報が取得される。また、露光時間（Ｔｉ−１）、増加回数（Ｎｉ−１）および輝度値（Ｂｉ−１）の情報が取得される。次に、ステップＳ５２において、直前のフレームが、増加回数制御であった場合は、ステップＳ５３に進む。ここで、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が、画素７の飽和値レベルよりも高いか、低いかが判断される。なお、飽和値レベルとは、画素７に入射する光の明るさと輝度値との関係において、線形特性が得られる最大のレベルを意味する。なお、判断のレベルとして、飽和値レベル以外の輝度値を用いてもよい。直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が、画素７の飽和値レベルよりも高い場合には、ステップＳ５４に進み、直前のフレームの所定の画素７の増加動作の回数（Ｎｉ−１）が０回であるかどうかが判断される。増加回数（Ｎｉ−１）が０回の場合は、ステップＳ５５に進み、電荷の増加回数制御から露光時間制御に切り替えられる。また、増加動作の回数（Ｎｉ−１）が０回でない場合は、ステップＳ５６に進み、現在のフレームの所定の画素７の増加動作の回数（Ｎｉ）は、増加動作の回数（Ｎｉ−１）からある回数（β）だけ減算された値に設定される。
【００２９】
また、ステップＳ５３において、直前のフレームの輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の飽和値レベルよりも低い場合、ステップＳ５７に進む。ここで、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の最低輝度値レベルよりも高いか低いかが判断される。なお、最低輝度値レベルとは、画素７に入射する光の明るさと輝度値との関係において、撮像装置の所定の精度が得られる最低のレベルを意味する。なお、判断のレベルとして、最低輝度値レベル以外の輝度値を用いてもよい。直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の最低輝度値レベルよりも低い場合、ステップＳ５８に進むとともに、現在のフレームの所定の画素７の増加動作の回数（Ｎｉ）は、直前のフレームの所定の画素７の増加動作の回数（Ｎｉ−１）にある回数（β）だけ加算された値に設定される。また、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の最低輝度値レベルよりも高い場合、ステップＳ５９に進むとともに、現在のフレームの所定の画素７の増加動作の回数（Ｎｉ）は、直前のフレームの所定の画素７の増加動作の回数（Ｎｉ−１）と同じ回数に設定される。
【００３０】
また、ステップＳ５２において、直前のフレームが露光時間制御である場合、ステップＳ６０に進む。ここで、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の飽和値レベルよりも高いか低いかが判断される。直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の飽和値レベルよりも高い場合、ステップＳ６１に進むとともに、現在のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ）は、直前のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ−１）から、ある時間（α）だけ減算された値に設定される。また、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の飽和値レベルよりも低い場合、ステップＳ６２に進む。ここで、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が、画素７の最低輝度値レベルよりも高いか低いかが判断される。直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の最低輝度値レベルよりも低い場合、ステップＳ６３に進むとともに、直前のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ−１）があらかじめ設定されている最長露光時間と等しいかどうかが判断される。ここで、露光時間（Ｔｉ−１）が最長露光時間と等しい場合、ステップＳ６４に進むとともに、露光時間制御から電荷の増加回数制御に切り替えられる。また、露光時間（Ｔｉ−１）が最長露光時間と等しくない場合、ステップＳ６５に進むとともに、現在のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ）は、直前のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ−１）にある時間（α）だけ加算された値に設定される。
【００３１】
また、ステップＳ６２において、直前のフレームの所定の画素７の輝度値（Ｂｉ−１）が画素７の最低輝度値レベルよりも高い場合、ステップＳ６６に進むとともに、現在のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ）は、直前のフレームの所定の画素７の露光時間（Ｔｉ−１）と等しくなるように設定される。
【００３２】
なお、電荷の増加回数の制御は、撮像素子２の領域ごとに行ってもよいし、フレーム単位で行ってもよい。また、電荷の増加回数の制御は、全ての画素７について並列処理を行ってもよいし、画素７ごとに逐次処理してもよい。
【００３３】
第１実施形態では、上記のように、画素７に入射する光の輝度に応じて、画素単位で、画素７に蓄積される電荷の増加動作の回数の制御と画素７の露光時間の制御とを切り替えることにより装置の感度を変化させることによって、１フレームの画像の中で、画素７が飽和してしまうような輝度が高い場合は、露光時間を短くすることにより画素７が飽和してしまうのを抑制するとともに、輝度が低い場合は、増加部１０によって電荷の増加動作を行うことができるので、撮像装置のダイナミックレンジが狭くなるのを抑制することができる。
【００３４】
また、第１実施形態では、上記のように、画素７に入射する光の輝度が所定の値よりも低いときには、増加部１０による電荷の増加動作の回数の制御により感度を調節するとともに、画素７に入射する光の輝度が所定の値よりも高いときには、露光時間変更部９による画素７の露光時間の制御により感度を調節することによって、容易に、輝度が低い場合は、増加動作の回数の制御によって最適な画像を得ることができるとともに、画素７が飽和してしまうような輝度が高い場合も、露光時間の制御によって最適な画像を得ることができる。
【００３５】
また、第１実施形態では、上記のように、画素７が、電荷を転送するとともに、電荷を増加するための電圧を印加する転送ゲート電極１３を含むことによって、容易に、電荷を転送しながら、電荷を増加することができる。
【００３６】
また、第１実施形態では、上記のように、画素７は、フォトダイオード８に隣接するように形成され、電荷を転送する機能を有するとともに、露光時間変更部９に含まれる転送ゲート電極１２を含み、転送ゲート電極１２によって画素７の露光時間を制御するように構成することによって、転送ゲート電極１２をオン／オフのタイミングを制御することにより、容易に、画素７の露光時間を制御することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態による撮像装置の画素の増加部の制御のブロック図である。図９を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、フレーム単位で電荷の増加動作の回数を制御する撮像装置の構成について説明する。
【００３８】
この第２実施形態による撮像装置の画素７ａには、図９に示すように、フォトダイオード８、画素７ａの露光時間を制御する露光時間変更部９、電荷の増加部１０およびＦＤアンプ１１が含まれている。また、デジタル処理回路部５には、信号処理回路５ａと露光時間・増加回数切替制御回路５ｂとが含まれており、信号処理回路５ａと露光時間・増加回数切替制御回路５ｂとによって撮像素子２に含まれる全ての画素７ａの露光時間変更部９と増加部１０とが同じ制御を受けるように構成されている。なお、図９にはマトリクス状に配置される複数の画素７ａのうち、２つの画素７ａのみを記している。
【００３９】
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４０】
図１０は、本発明の第２実施形態による撮像装置の制御フローを示したフローチャートである。図１０を参照して、本発明の第２実施形態による撮像装置の動作について説明する。
【００４１】
図１０に示すように、ステップＳ７１において、切替制御アルゴリズム（図８参照）が行われる。ここで、直前のフレームの画像情報に基づいてフレーム単位で切替制御アルゴリズムが行われる。次に、ステップＳ７２において、ステップＳ７１において決定された露光時間に基づいてフォトダイオード８（図９参照）が露光される。次に、ステップＳ７３において、ステップＳ７１において決定された増加回数に基づいて、電荷の増加動作が行われる。その後、ステップＳ７４において、ＦＤアンプ１１（図９参照）に電荷が転送される。
【００４２】
第２実施形態では、上記のように、画素７ａに入射する光の輝度に応じて、フレーム単位で、画素７ａに蓄積される電荷の増加動作の回数の制御と画素７ａの露光時間の制御とを切り替えることにより装置の感度を変化させることによって、画素７ａが飽和してしまうような輝度が高い場合は、露光時間を短くすることにより画素７ａが飽和してしまうのを抑制するとともに、輝度が低い場合は、増加部１０ａによって電荷の増加動作を行うことができるので、撮像装置のダイナミックレンジが狭くなるのを抑制することができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図１１は、本発明の第３実施形態による撮像装置の画素の増加部の制御のブロック図である。図１１を参照して、この第３実施形態では、上記第２実施形態と異なり、ＣＣＤ型の撮像装置の構成について説明する。
【００４４】
この第３実施形態によるＣＣＤ型の撮像装置は、図１１に示すように、画素７ｂには、フォトダイオード８ａと露光時間変更部９ａとが含まれており、複数のフォトダイオード８ａが画素７ｂの外部に設けられた増加部１０ａに接続されている。なお、フォトダイオード８ａは、本発明の「蓄積部」の一例である。また、増加部１０ａは、アンプ１９に接続されているとともに、アンプ１９は、信号処理回路５ａに接続されている。また、信号処理回路５ａ、露光時間変更部９ａおよび増加部１０ａには、露光時間・増加回数切替制御回路５ｂが接続されている。なお、図１１にはマトリクス状に配置される複数の画素７ｂのうち、２つの画素７ｂのみを記している。また、ＣＣＤ型の撮像装置では、上記第２実施形態と同様に、直前のフレームの情報に基づいて、フレーム単位で画素７ｂの露光時間と電荷の増加動作の回数とが制御されるように構成されている。
【００４５】
なお、第３実施形態のその他の構成および動作は、上記第２実施形態と同様である。
【００４６】
また、第３実施形態の効果は、上記第２実施形態と同様である。
【００４７】
（第４実施形態）
図１２は、本発明の第４実施形態による撮像装置の制御フローを示したフローチャートである。図１２を参照して、この第４実施形態では、上記第１実施形態と異なり、すべての画素７において、蓄積される電荷をＦＤアンプ１１に転送させた後、すべての画素７の電荷を同時に読み出す撮像装置の構成について説明する。
【００４８】
この第４実施形態による撮像装置の画素７の構成は、図４に示す上記第１実施形態と同様である。
【００４９】
次に、図１２を参照して、本発明の第４実施形態による撮像装置の動作について説明する。
【００５０】
まず、図４に示すように、ステップＳ８１において、画素７が短時間露光される。この短時間の露光は、上記第１実施形態と同様に、画素７に入射する光の輝度が、通常の露光時間では画素７が飽和してしまうような高輝度の場合に、画素７が飽和してしまうのを抑制するために行うものである。次に、ステップＳ８２において、短時間露光を終了する。これにより、フォトダイオード８には、電荷が蓄積される。次に、ステップＳ８３において、フォトダイオード８に蓄積された電荷は、転送ゲート電極１２〜１４下を介して、転送ゲート電極１５下に蓄積される。
【００５１】
次に、ステップＳ８４において、所定の画素７（輝度が高く飽和してしまう画素７）が選択され、転送ゲート電極１５下に蓄積された電荷は、ＦＤアンプ１１に転送される。具体的には、図６に示す上記第１実施形態と同様である。
【００５２】
次に、ステップＳ８５において、画素７の追加の露光が行われる。これにより、画素７は、通常の露光時間分露光されたことになる。次に、ステップＳ８６において、フォトダイオード８に蓄積された電荷は、転送ゲート電極１２〜１４下を介して、転送ゲート電極１５下に蓄積される。ここで、ステップＳ８３において転送された電荷と、ステップＳ８６において転送された電荷とが加算される。
【００５３】
次に、ステップＳ８７において、ステップＳ８４と同様に、所定の画素７（輝度が高い画素７）が選択され、転送ゲート電極１５下に蓄積された電荷は、ＦＤアンプ１１に転送される。
【００５４】
次に、ステップＳ８８において、転送ゲート電極１３〜１５下の間で、電荷の増加動作が行われる。具体的な動作は、上記第１実施形態と同様である。ここでは、電荷の増加動作は、１００回行われる。なお、この電荷の増加動作は、撮像素子２の全ての画素７について行われるが、輝度が高い画素７についてはステップＳ８４およびＳ８７において信号がＦＤアンプ１１に転送されているために、輝度が高い画素７において電荷の増加動作が行われても画像に影響を及ぼさない。
【００５５】
次に、ステップＳ８９において、ステップＳ８７と同様に、撮像素子２の所定の領域の画素７（輝度が中程度の画素７）の電荷がＦＤアンプ１１に転送される。
【００５６】
次に、ステップＳ９０において、ステップＳ８８と同様に、転送ゲート電極１３〜１５の間で、電荷の増加動作が行われる。ここでは、電荷の増加動作は、９００回行われる。これにより、ステップＳ８８の電荷の増加動作と合わせて、合計１０００回の増加動作が行われたことになる。なお、この電荷の増加動作は、ステップＳ８８と同様に、撮像素子２の全ての画素７について行われる。この後、ステップＳ９１において、ステップＳ８４、Ｓ８７およびＳ８９と同様に、ＦＤアンプ１１に電荷が転送される。
【００５７】
次に、ステップＳ９２において、すべての画素７のＦＤアンプ１１に蓄積される電荷の信号が、同時に出力される。これにより、画素７が飽和するような輝度、高輝度、中輝度および低輝度の画素７ごとに出力する場合と異なり、信号の出力を１回の動作で行うことが可能となるので、撮像素子２の出力の動作を高速に行うことが可能となる。
【００５８】
なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００５９】
また、第４実施形態の効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００６０】
（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の制御を示すブロック図である。図１４は、本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。図１３および図１４を参照して、この第５実施形態では、上記第１実施形態と異なり、増加動作と露光時間の制御とが画素７ｃ内で行われる撮像装置の構成について説明する。
【００６１】
この第５実施形態による画素７ｃには、図１３に示すように、フォトダイオード８と、露光時間変更部９と、電荷の増加部１０と、ＦＤアンプ１１と、非破壊アンプ（フローティングゲートアンプ：ＦＧアンプ）２０と、画素内制御回路２１とが含まれている。フォトダイオード８は、露光時間変更部９に接続されているとともに、露光時間変更部９は、増加部１０に接続されている、また、増加部１０は、ＦＤアンプ１１に接続されている。また、非破壊アンプ２０は、増加部１０とＦＤアンプ１１とに接続されている。なお、ＦＤアンプ１１では、信号が検出された後、信号電荷がリセットされてしまい信号電荷を再利用することはできないが、非破壊アンプ２０では、信号電荷を保持したまま信号の検出をすることが可能である。また、画素内制御回路２１は、増加部１０と非破壊アンプ２０とに接続されている。また、画素７ｃの外には、信号処理回路５ａが設けられており、信号処理回路５ａは、ＦＤアンプ１１と画素内制御回路２１とに接続されている。ここで、第５実施形態では、画素内制御回路２１によって、各画素７ｃの電荷の増加動作の回数と露光時間とが制御されるように構成されている。
【００６２】
また、図１４に示すように、画素７ｃは、ゲート部２２と、アンプ部２３と、比較部２４と、増加駆動制御部２５とから構成されている。ゲート部２２は、フォトダイオード８と、フォトダイオード８に隣接するように設けられる転送ゲート電極１２〜１５と、読出しゲート電極１７とから構成されている。なお、フォトダイオード８は、本発明の「蓄積部」の一例である。また、電荷の増加の動作時には、転送ゲート電極１３〜１５下において電荷の増加の動作が行われるように構成されている。
【００６３】
また、アンプ部２３は、ＦＤアンプ１１と、選択トランジスタ１８とから構成されている。ＦＤアンプ１１は、ゲート部２２の読出しゲート電極１７に接続されているとともに、選択トランジスタ１８に接続されている。また、信号は、選択トランジスタ１８を介して出力されるように構成されている。
【００６４】
また、比較部２４は、非破壊アンプ２０により構成されており、非破壊アンプ２０は、転送ゲート電極１５と読出しゲート電極１７との間に接続されている。また、非破壊アンプ２０は、画素７ｃに蓄積される電荷と所定の電圧の閾値（Ｖｔｈ）とを比較することにより、電荷の増加動作の制御を行うように構成されている。
【００６５】
また、増加駆動制御部２５は、比較部２４の出力を元にして、増加レジスタ駆動信号を印加するかしないかの選択を行う論理回路を含んでいる。たとえば、図１４に示す２つのＡＮＤ回路２６ａおよび２６ｂなどにより構成されている。また、ＡＮＤ回路２６ａおよび２６ｂには、それぞれ、画素７ｃに蓄積される電荷と閾値（Ｖｔｈ）とを比較した信号が入力されるように構成されている。
【００６６】
また、転送ゲート電極１２のゲートには、比較部２４の出力を元にして、露光レジスタ駆動信号を印加するかしないかの選択を行う論理回路の出力が接続されている。たとえば、図１４に示すＡＮＤ回路２７などにより構成されている。また、ＡＮＤ回路２７には、露光レジスタ駆動信号と、画素７ｃに蓄積される電荷と閾値（Ｖｔｈ）とを比較した信号とが入力されるように構成されており、転送ゲート電極１２のゲートのオン／オフにより、フォトダイオード８の露光時間の制御が行われるように構成されている。
【００６７】
また、画素７ｃの外には、メモリ２８が設けられており、画素７ｃに蓄積される電荷が閾値（Ｖｔｈ）を上回るまでの増加回数制御および露光時間制御の回数が記憶されている。
【００６８】
なお、第５実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００６９】
図１５は、本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の制御フローを示したフローチャートである。図１６は、本発明の第５実施形態による撮像装置の露光時間の制御フローを示したフローチャートである。図１７は、本発明の第５実施形態による撮像装置の電荷の増加回数の制御フローを示したフローチャートである。図１５〜図１７を参照して、本発明の第５実施形態による画素７ｃの動作について説明する。
【００７０】
まず、図１５に示すように、ステップＳ１０１において、フォトダイオード８に蓄積される電荷がリセットされた後、画素７ｃが短時間露光される。これにより、フォトダイオード８に電荷が蓄積される。次に、ステップＳ１０２において、露光時間制御と増加回数制御との制御信号がオン状態にされる。次に、ステップＳ１０３において、転送ゲート電極１２（図１４参照）への露光の制御のための露光レジスタ駆動信号の入力が開始される。
【００７１】
次に、ステップＳ１０４において、露光時間の制御が行われる。具体的には、図１６に示すように、ステップＳ１２１において、露光時間がｔ秒加算される。次に、ステップＳ１２２において、フォトダイオード８に蓄積され、非破壊アンプ２０まで転送された電荷による信号と、閾値（Ｖｔｈ）とを比較し、非破壊アンプ２０の信号が大きければ、露光時間制御の制御信号がオフ状態にされる。なお、ステップＳ１２１の露光時間をｔ秒加算する動作は、所定回数繰り返される。
【００７２】
次に、図１５に示すように、ステップＳ１０５において、露光のためのレジスタ駆動信号の入力が終了する。この後、ステップＳ１０６において、転送ゲート電極１４および１５（図１４参照）への増加動作の回数の制御のための増加レジスタ駆動信号の入力が開始される。
【００７３】
次に、ステップＳ１０７において、増加回数の制御が行われる。具体的には、図１７に示すように、ステップＳ１３１において、増加回数がｎ回加算される。次に、ステップＳ１３２において、転送ゲート電極１３下で増加され、非破壊アンプ２０まで転送された電荷による信号と、閾値（Ｖｔｈ）とを比較し、非破壊アンプ２０の信号が大きければ、増加回数制御の制御信号がオフ状態にされる。なお、ステップＳ１３１の増加回数をｎ回加算する動作は、所定回数繰り返される。
【００７４】
次に、図１５に示すように、ステップＳ１０８において、電荷の増加動作のためのレジスタ駆動信号の入力が終了する。この後、ステップＳ１０９において、ＦＤアンプ１１に電荷が転送される。
【００７５】
第５実施形態では、上記のように、画素７ｃは、露光時間変更部９と増加部１０との制御の切替を行う画素内制御回路２１を含むことによって、画素内制御回路２１を画素７ｃの外に設ける場合と異なり、同一フレーム内の信号を用いて、装置の感度を制御することができる。
【００７６】
（第６実施形態）
図１８は、本発明の第６実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。図１８を参照して、この第６実施形態では、上記第１実施形態と異なり、電荷の増加をフォトダイオード８と転送ゲート電極１３ａおよび１４ａとの間で行う撮像装置の構成について説明する。
【００７７】
この第６実施形態による撮像装置の画素７ｄは、図１８に示すように、フォトダイオード８と、フォトダイオード８に隣接するように設けられる転送ゲート電極１３ａおよび１４ａと、読出しゲート電極１５および１６と、ＦＤアンプ１１と、選択トランジスタ１８とを含んでいる。なお、フォトダイオード８は、本発明の「蓄積部」の一例である。また、フォトダイオード８と、転送ゲート電極１３ａおよび１４ａ下において電荷の増加の動作が行われるように構成されている。また、読出しゲート電極１５は、マトリクス状に配置される画素７ｄの列方向の出力を制御するとともに、読出しゲート電極１６は、行方向の出力を制御するように構成されている。
【００７８】
なお、第６実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００７９】
次に、図１８を参照して、本発明の第６実施形態による電荷の増加の動作について説明する。
【００８０】
まず、フォトダイオード８に蓄積された電荷が、転送ゲート電極１３ａ下に形成される電荷転送障壁を乗り越えて転送ゲート電極１４ａ下に形成される電荷集積井戸に移動される。このとき、転送ゲート電極１３ａ下と転送ゲート電極１４ａ下との界面に形成される高電界領域において、衝突電離により電荷が増加される。なお、転送ゲート電極１３ａ下と転送ゲート電極１４ａ下との界面に形成される高電界領域は、本発明の「増加部」の一例である。また、電荷をフォトダイオード８と電荷集積井戸との間を繰り返し移動させることによって、さらなる電荷の増加が行われる。
【００８１】
なお、第６実施形態のその他の動作は、上記第１実施形態と同様である。
【００８２】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００８３】
たとえば、上記第１実施形態および第４実施形態では、画素を、画素が飽和するような輝度が高い画素、画素が飽和するほどではないが輝度の高い画素、中程度の画素および低い画素の４つのグループに分けて信号を出力する例を示したが、本発明はこれに限らず、画素を４つ以外のグループに分けて出力してもよい。
【００８４】
また、上記第１実施形態および第５実施形態では、転送ゲート電極１３下で電荷の増加動作が行われる例を示したが、本発明はこれに限らず、転送ゲート電極１３以外の転送ゲート電極下で電荷の増加動作を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の第１実施形態によるＣＭＯＳ型の撮像装置のブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による撮像装置の複数の画素から構成される撮像素子を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の増加動作の制御を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態による撮像装置の動作の制御フローを示したフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態による撮像装置の画素の選択の制御フローを示したフローチャートである。
【図７】画素に入射する光の明るさ（輝度）と、電荷の増加動作後の輝度値および露光時間制御後の輝度値との関係を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態による撮像装置の感度の制御フローを示したフローチャートである。
【図９】本発明の第２実施形態による撮像装置の画素の増加部の制御のブロック図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による撮像装置の制御フローを示したフローチャートである。
【図１１】本発明の第３実施形態による撮像装置の画素の増加部の制御のブロック図である。
【図１２】本発明の第４実施形態による撮像装置の制御フローを示したフローチャートである。
【図１３】本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の制御を示すブロック図である。
【図１４】本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。
【図１５】本発明の第５実施形態による撮像装置の画素の制御フローを示したフローチャートである。
【図１６】本発明の第５実施形態による撮像装置の露光時間の制御フローを示したフローチャートである。
【図１７】本発明の第５実施形態による撮像装置の電荷の増加動作回数の制御フローを示したフローチャートである。
【図１８】本発明の第６実施形態による撮像装置の画素の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００８６】
７、７ａ、７ｂ、７ｃ  画素
８、８ａ  フォトダイオード（蓄積部）
９、９ａ  露光時間変更部
１０、１０ａ  増加部
１２  転送ゲート電極（第２転送ゲート電極）
１３  転送ゲート電極（第１転送ゲート電極）
１６  読出しゲート電極（第２読出しゲート電極）
１７  読出しゲート電極（第１読出しゲート電極）
【図１】
2009055540.tif 000003
【図２】
2009055540.tif 000004
【図３】
2009055540.tif 000005
【図４】
2009055540.tif 000006
【図５】
2009055540.tif 000007
【図６】
2009055540.tif 000008
【図７】
2009055540.tif 000009
【図８】
2009055540.tif 000010
【図９】
2009055540.tif 000011
【図１０】
2009055540.tif 000012
【図１１】
2009055540.tif 000013
【図１２】
2009055540.tif 000014
【図１３】
2009055540.tif 000015
【図１４】
2009055540.tif 000016
【図１５】
2009055540.tif 000017
【図１６】
2009055540.tif 000018
【図１７】
2009055540.tif 000019
【図１８】
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