JP2003009007A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被写体像に明暗の差が大きくてもハイライトが
飛んでしまうことのない高ダイナミックレンジの画像信
号を、１度の撮像で生成することのできる固体撮像素子
を提供する。 【解決手段】撮像面に結像された被写体像を光電変換し
て画像信号を生成する固体撮像素子であって、該固体撮
像素子の撮像面側に可視光の透過率が部分的に変更可能
な部材を配置する。この可視光の透過率が部分的に変更
可能な部材は、液晶濃度を部分的に変更可能とした液晶
パネルであることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は固体撮像素子に関
し、特に、高ダイナミックレンジの画像信号を生成する
ことのできる固体撮像素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像データをデジタル処理する撮像装
置、例えば静止画を扱うデジタルスチルカメラや、動画
を扱うデジタルビデオカメラでは、撮像レンズ等の撮像
光学系を通して得られた光学画像を固体撮像素子により
光電変換し、得られた画像信号をデジタル処理するよう
になっている。

【０００３】このような固体撮像素子としては、一般
に、撮像面に多数の受光素子（画素）を配列して形成し
てなるＣＣＤ（Charge Coupled Devices）が多用されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかる固体撮像素子を
用いて被写体像を撮像した場合に、撮像された画像中に
部屋の外と内という具合に明暗の差が大きい部分が存在
すると、部屋の外の部分が明るすぎて白く飛んでしまう
現象が見られる。これは、明るい部分に相当する画素に
おいて光電変換により蓄積された電荷が、一定量を超え
てオーバーフローを起こすことが原因である。図６は、
従来の固体撮像素子における入射光量に対する出力値を
示す図である。このように入射光量が一定量を超えると
オーバーフローを起こしてしまい、その結果、有効な入
射光量は狭い範囲に限られ、ダイナミックレンジが狭く
なる。

【０００５】このような現象を回避するため、従来、露
出制御時に絞りを使って被写体像全体の光量を落とした
り、電子シャッターを用いて電荷を途中で捨てるように
しているが、いずれも被写体像全体に亘って制御をかけ
ることとなるため、画像全体が暗くなりがちとなる等、
結局のところダイナミックレンジの拡大は実現できてい
ない。

【０００６】また、例えば特開昭６３−３０６７７８号
等で提案されているように、同一の被写体についてアン
ダー目で露光した画像信号とオーバー目で露光した画像
信号とを生成し、これらの画像データを合成することに
より、ダイナミックレンジの拡大された１枚の画像を得
る手法も知られているが、同一の被写体に対して露光量
をアンダー目とオーバー目とに異ならせた少なくとも２
回の露光作業が必要となるため、それだけ撮像時間が長
くかかる問題がある。

【０００７】そこで、本発明は、被写体像に明暗の差が
大きくてもハイライトが飛んでしまうことのない高ダイ
ナミックレンジの画像信号を、１度の撮像で生成するこ
とのできる固体撮像素子を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の請求項１記載の発明は、撮像面に結像された被写体像
を光電変換して画像信号を生成する固体撮像素子であっ
て、該固体撮像素子の撮像面側に可視光の透過率が部分
的に変更可能な部材を配置したことを特徴とする固体撮
像素子である。

【０００９】請求項２記載の発明は、上記可視光の透過
率が部分的に変更可能な部材は、液晶濃度を部分的に変
更可能とした液晶パネルであることを特徴とする請求項
１記載の固体撮像素子である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１１】図１は、本発明に係る固体撮像素子を示す
一部切欠する斜視図である。固体撮像素子１は、基板１
１上に受光素子と構成部品（図示せず）とからなる多数
の画素１２がＸＹ方向に２次元的に配列されており、基
板１１の背面には多数の端子１３が設けられている。こ
れら基板１１、画素１２及び電極端子１３により従来よ
り公知のＣＣＤ１０が構成される。

【００１２】各画素１２により形成される面は被写体像
の撮像面を構成しており、この撮像面の前面に枠体１４
が設けられ、該枠体１４に可視光の透過率が部分的に変
更可能な部材が配設されている。

【００１３】この可視光の透過率が部分的に変更可能な
部材は、被写体像からの可視光の各画素１２への入射量
を部分的に可変させる所謂シャッターの役割を果たすも
のであり、かかる機能を有するものであればどのような
部材を用いてもよいが、本実施形態では、部分的に濃度
を変化させることにより透過率の制御が容易である点で
液晶パネル１５を用いている。この液晶パネル１５は、
ＣＣＤ１０の撮像面を保護する保護カバーを兼用するこ
ともできる。なお、図１では、液晶パネル１５は一部切
欠して示している。

【００１４】この液晶パネル１５は、可視光を透過可能
な基板（図示せず）間に格子状にセル１５ａを配列し、
各セル１５ａ内に液晶が封止されてなり、各セル１５ａ
内の液晶の濃度が部分的に変更可能とされている（図
２）。

【００１５】液晶パネル１５における各セル１５ａの大
きさは、複数の画素、例えば４つの画素１２毎に一つの
セル１５ａが対応するように設けてもよいが、各画素１
２毎にそれぞれ１対１で対応するように設ける方が、よ
りきめ細かな制御が行えるために好ましい。本実施形態
では後者の例を示している。

【００１６】各セル１５ａには、それぞれアドレスが割
り振られており、そのアドレスを指定することにより、
例えば図２において斜線で示される２つのセル群Ｃ１、
Ｃ２を構成する各セル１５ａをＯＮ状態として液晶濃度
を上げる。このようにして液晶濃度が上げられたセル群
Ｃ１、Ｃ２における各セル１５ａは、図３に示すように
液晶パネル１５における可視光の透過率がＯＦＦ状態の
各セル１５ａの透過率よりも低下し、そのＯＮ状態の各
セル１５ａに対応する各画素１２への入射光量が減じら
れる。

【００１７】なお、各セル１５ａ毎に変更される液晶濃
度は画一的なものに限らず、各画素１２への入射光量に
応じて適宜増減させることにより、各セル１５ａ毎に濃
度調節を可能とすることが好ましい。

【００１８】また、図１において、１６は液晶パネル１
５における各セル１５ａの液晶濃度を制御するための端
子である。

【００１９】以上のように、この固体撮像素子１によれ
ば、被写体像中に大きな明暗の差が存在していても、液
晶パネル１５において、ＣＣＤ１０の撮像面に結像され
る入射光量の多いハイライトな部分に対応する画素１２
に対応するセル１５ａの液晶濃度を上げて部分的に可視
光の透過率を減じ、それに対応する画素１２への入射光
量を低下させることができる。従って、入射光量に応じ
て画素１２に対する透過率を可変できるため、図４
（Ａ）に示すように、入射光量に対する出力値の関係は
複数の傾きが存在することになる。この傾きを出力に応
じて切り替えることで、有効な入射光量の範囲を広くす
ることができ、ダイナミックレンジの拡大を図ることが
できる。これにより、従来のように得られた画像が部分
的に白く飛んでしまうような現象を招くことがなくな
り、１度の撮像で高ダイナミックレンジの画像信号を生
成することができるようになる。

【００２０】なお、入射光量の多いハイライトな部分に
対応する画素１２に対する可視光の透過率を変更する
際、出力値にオフセットを付けるようにすることも好ま
しい。このようにすれば、図４（Ｂ）に示すように、入
射光量に対する出力値に連続性が保たれるので、固体撮
像素子１からの出力信号に対する後段の信号処理時に、
どの画素の透過率を変更させたかを検出する必要がなく
なるため、処理作業の簡素化を図ることができるように
なる。

【００２１】かかる固体撮像素子１を用いて被写体像を
撮像する際の制御系の一例を、図５に示す構成ブロック
図を用いて説明する。ここではＡＥ（Automatic Exposu
re：自動露出）回路を用い、一旦撮像された被写体像の
明るさから液晶パネル１５の液晶濃度をフィードバック
制御する例を示している。

【００２２】図示しないレンズ群等からなる撮像光学系
を介して固体撮像素子１に入射した可視光は、液晶パネ
ル１５を透過してＣＣＤ１０の撮像面に被写体像を結像
する。ここで、撮像面に被写体像が結像されたＣＣＤ１
０は、制御部２によって駆動制御されるＣＣＤドライバ
３の駆動により、各画素１２毎の光量を光電変換し、そ
の蓄積された電荷を画像信号としてＡＥ回路４に出力す
る。

【００２３】ＡＥ回路４は、ＣＣＤ１０から出力される
画像信号から被写体像における各画素１２毎の明るさを
検出し、その検出信号を制御部２に出力する。

【００２４】制御部２では、ＡＥ回路４から送られた各
画素１２毎の明るさの検出信号から、入射光量が一定レ
ベル以上となる画素１２を判別すると共に、その画素１
２における入射光量から低下させるべき可視光の透過率
を演算し、その演算値からその画素１２に対応する部分
の液晶パネル１５の液晶濃度の度合いを演算する。次い
で、上記判別された画素１２に対応する液晶パネル１５
のセル１５ａを選定し、そのセル１５ａのアドレス値及
びそのセル１５ａの液晶の濃度値の情報を液晶ドライバ
５に出力する。

【００２５】液晶ドライバ５は、制御部２から送られた
アドレス値に相当する各セル１５ａの液晶濃度をそれぞ
れ指定された濃度となるように調整制御し、液晶パネル
１５を透過してＣＣＤ１０の各画素１２に入射する可視
光の透過率を部分的に低下させる。

【００２６】ＡＥ回路４は、この液晶パネル１５の部分
的な濃度の調整制御の後、再度液晶パネル１５を透過し
てＣＣＤ１０の撮像面に結像された被写体像の各画素１
２毎の明るさを検出し、その検出結果に応じて、依然と
して入射光量が一定レベル以上となる画素１２が存在す
る場合には上記同様の処理を繰り返す。また、検出の結
果、可視光の透過率を低下させた画素１２における入射
光量が一定レベル以下となった場合には、ＣＣＤ１０か
ら出力された画像信号を出力することにより、高ダイナ
ミックレンジを有する画像信号が生成される。

【００２７】かかる固体撮像素子１を用いた制御系は、
静止画を扱うデジタルスチルカメラや、動画を扱うデジ
タルビデオカメラにおける撮像素子の制御系として適用
可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、被写体像に明暗の差が
大きくてもハイライトが飛んでしまうことのない高ダイ
ナミックレンジの画像信号を、１度の撮像で生成するこ
とのできる固体撮像素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体撮像素子の一部切欠する斜視図

【図２】液晶パネルの部分正面図

【図３】固体撮像素子の部分断面図

【図４】（Ａ）（Ｂ）は本発明に係る固体撮像素子の入
射光量と出力値との関係を示す図

【図５】固体撮像素子を用いた制御系を示す構成ブロッ
ク図

【図６】従来の固体撮像素子の入射光量と出力値との関
係を示す図

【符号の説明】

１：固体撮像素子 １０：ＣＣＤ １１：基板 １２：画素 １３：端子 １４：枠体 １５：液晶パネル １５ａ：セル １６：端子 ２：制御部 ３：ＣＣＤドライバ ４：ＡＥ回路 ５：液晶ドライバ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA25 EA32 EA37 MA02 MA13 4M118 AA02 AB01 BA10 GC01 GC14 GC20 HA04 5C022 AA00 AC55 CA00 5C024 CX46 EX56 GY01

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像面に結像された被写体像を光電変換し
   て画像信号を生成する固体撮像素子であって、該固体撮
   像素子の撮像面側に可視光の透過率が部分的に変更可能
   な部材を配置したことを特徴とする固体撮像素子。
2. 【請求項２】上記可視光の透過率が部分的に変更可能な
   部材は、液晶濃度を部分的に変更可能とした液晶パネル
   であることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。