JP4759850B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関するもので、特に、受光量に対してその出力電圧が自然対数的に変化する特性を有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されている固体撮像素子には、光電変換素子で発生した光電荷を読み出す手段によってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、又、ＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して読み出すようになっている。しかしながら、このような従来の固体撮像素子は、発生した光電荷の電荷量に比例した出力が出力されるため、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。
【０００３】
一方、本出願人は、ダイナミックレンジを広くするために、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とが備えられることによって、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力することができる固体撮像素子を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。しかしながら、この対数変換型の固体撮像素子は、ダイナミックレンジが非常に広いため、この固体撮像素子の出力をそのまま画像として再生すると、被写体によってはコントラストがかなり低い画像になる場合がある。
【０００４】
そこで、例えば、固体撮像素子からの１フィールド分の出力の最大値と最小値を検出し、検出した出力の最大値と最小値に応じて、ＡＧＣ（Auto Gain Control）処理を行うことで、被写体の輝度範囲に応じた出力ダイナミックレンジとするような自動調節が行われる。即ち、撮像している被写体の最高輝度が出力ダイナミックレンジの最大値に、撮像している被写体の最低輝度が出力ダイナミックレンジの最小値に、それぞれなるように、固体撮像素子からの出力のゲインを調整する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにＡＧＣ処理して出力ダイナミックレンジの自動調節を行う場合、従来の固体撮像装置では、その調整パターンは１つに限られていた。又、その調節パターンを撮影対象の輝度変化を敏感に反映させるような設定にしてあったとすると、撮影対象の輝度分布範囲が激しく変動する場合には、映像の明るさも同様に激しく変動して、見づらくなることがあった。又、手動にて出力ダイナミックレンジを調節することも可能であるが、各条件下で複数のパラメータを最適なものに設定するのは、ユーザーにとって煩雑な操作である上、設定操作と確認動作を繰り返す必要があり、その設定に時間を要する。
【０００６】
このような問題を鑑みて、本発明は、撮影対象や目的に応じた映像調節を行う複数の自動調節モードを有する固体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明の他の目的は、手動にて調節を行う際、容易に調節を行うことのできる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する複数の画素を有する固体撮像素子と、所定期間毎に、前記固体撮像素子より出力された電気信号に基づいて被写体の輝度範囲を検出するとともに、検出した輝度範囲に基づいて前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを調節する調節部と、該調節部で出力ダイナミックレンジを調節するためのパラメータが複数の撮像条件毎に格納されるメモリと、を有し、前記調節部において、選択された撮像条件に応じたパラメータが前記メモリより読み出されて、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする。
【０００８】
このような固体撮像装置において、ユーザーによって、撮像条件が選択されて指示されると、選択された撮像条件に応じたパラメータが、調節部によって読み出される。調節部では、固体撮像素子より出力される電気信号に基づいて、被写体の輝度範囲を検出すると、メモリより読み出したパラメータと検出した輝度範囲に基づいて、固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを設定する。
【０００９】
このような固体撮像装置において、請求項２に記載するように、前記パラメータが、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲の最低輝度に対する前記電気信号の第１信号レベルと、前記輝度範囲の最高輝度に対する前記電気信号の第２信号レベルと、であり、前記調節部において、検出した前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度と、選択された撮像条件に応じた前記第１及び第２信号レベルとに基づいて、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにしても構わない。
【００１０】
このとき、固体撮像素子からの出力される電気信号が、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号であるとき、被写体の輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出されると、それぞれを、第１信号レベルと第２信号レベルに対応させて、Ａ／Ｄ変換に用いるための低電圧側及び高電圧側の基準電圧が設定されることによって、固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節される。
【００１１】
又、請求項３に記載するように、前記パラメータに、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための測定時間及び決定条件が含まれ、前記調節部において、選択された撮像条件に応じた前記測定時間及び前記決定条件に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、自動設定が行われるようにしても構わない。
【００１２】
このとき、決定条件として、（１）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上の時のみ反映させる、（２）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上で、且つ、所定時間以上継続した時に反映させる、（３）最低輝度及び最高輝度の実際の変化量に対して一定の割合分のみ反映させる、（４）最低輝度及び最高輝度の過去の複数の値との平均値を算出し、この平均値を反映させる、などの測定するための各種方法が挙げられる。
【００１３】
又、請求項４に記載するように、前記輝度範囲を測定するための測定時間を入力するための入力部を有し、前記調節部において、前記入力部より入力された前記測定時間に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、手動設定が行われるようにしても構わない。
【００１４】
請求項２に記載の固体撮像装置において、請求項５に記載するように、前記輝度範囲を測定するための測定時間を入力するための入力部を有し、前記調節部において、前記入力部より入力された前記測定時間に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、手動設定が行われるようにしても構わない。
【００１５】
又、請求項６に記載するように、前記パラメータに、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための決定条件が含まれ、前記調節部において、前記入力部より入力された前記測定時間と選択された撮像条件に応じた前記決定条件とに従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにしても構わない。
【００１６】
このとき、決定条件として、（１）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上の時のみ反映させる、（２）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上で、且つ、所定時間以上継続した時に反映させる、（３）最低輝度及び最高輝度の実際の変化量に対して一定の割合分のみ反映させる、（４）最低輝度及び最高輝度の過去の複数の値との平均値を算出し、この平均値を反映させる、などといった測定するための各種方法が挙げられる。
【００１７】
又、請求項７に記載するように、前記パラメータに、一つ以上の前記撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための測定時間及び決定条件が含まれ、前記調節部において、選択された撮像条件に応じた前記測定時間及び前記決定条件に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、自動設定が行われるようにしても構わない。
【００１８】
請求項８に記載の固体撮像装置は、請求項２〜請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記第１及び第２信号レベルの値を調節するために入力可能な信号レベル入力部を有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００２０】
＜固体撮像装置の構成＞
まず、各実施形態で共通する固体撮像装置の構成について、説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示す固体撮像装置は、入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する固体撮像素子１と、固体撮像素子１からの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２，９と、Ａ／Ｄ変換器９で変換されたデジタル信号が与えられて入力部７が操作されて指示された調節モードに基づいてＡ／Ｄ変換器２の基準値の設定を行う演算回路３と、演算回路３で設定された基準値に基づいた電圧を発生するＤ／Ａ変換器４，５と、各種調節モード時のパラメータが格納されるメモリ６と、ユーザーに操作される入力部７と、演算回路３を通じて出力されたデジタル信号によって映像を再生する表示部８とを有する。尚、固体撮像素子１から与えられ、Ａ／Ｄ変換器２及び演算回路３を通じて表示装置８に送出される信号を再生用映像信号と呼ぶ。又、固体撮像素子１から与えられ、Ａ／Ｄ変換器９を通じて演算回路３に送出される信号を測定用映像信号と呼ぶ。
【００２２】
このような固体撮像装置において、被写体を撮像した固体撮像素子１より対数変換された映像信号が出力されると、Ａ／Ｄ変換器２において、Ｄ／Ａ変換器４によって設定された低輝度側の基準電圧及びＤ／Ａ変換器５によって設定された高輝度側の基準電圧と、それぞれ比較されて、デジタル信号に変換される。このデジタル信号に変換された再生用映像信号は、演算回路３に与えられた後、表示装置８に出力され、表示装置８において映像が再生される。
【００２３】
又、入力部７が操作されることによって、複数の調節モードより、ユーザーの所望するコントラストや明るさに調節するための自動調節モード又は手動調節モードが設定される。このとき、自動調節の場合は、メモリ６より設定された調節モードに用いられる各種パラメータが演算回路３に読み出される。そして、Ａ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換された測定用映像信号より、各種設定モード毎に予め設定された所定の期間毎に、最低輝度及び最高輝度を検出する。この最低輝度及び最高輝度となる測定用映像信号とメモリ６より読み出された各種パラメータとに基づいて、低輝度側及び高輝度側の基準電圧のデジタル値を設定し、Ｄ／Ａ変換器４，５に送出する。
【００２４】
又、手動調節の場合は、メモリ６より設定された調節モードに用いられる各種パラメータが演算回路３に読み出される。そして、ユーザーによって、入力部７が操作されて、最低輝度及び最高輝度の測定期間が指定される。この指定された期間の最低輝度及び最高輝度が、Ａ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換された測定用映像信号より、演算回路３で検出される。そして、この最低輝度及び最高輝度となる測定用映像信号とメモリ６より読み出された各種パラメータとに基づいて、低輝度側及び高輝度側の基準電圧のデジタル値を設定し、Ｄ／Ａ変換器４，５に送出する。
【００２５】
このように、各調節モードにおいて、演算回路３で低輝度側及び高輝度側の基準電圧のデジタル値が設定されると、Ｄ／Ａ変換器４，５では、アナログ変換することによって、それぞれ、低輝度側及び高輝度側の基準電圧をＡ／Ｄ変換器２に送出する。よって、Ａ／Ｄ変換器２では、Ｄ／Ａ変換器４，５によって新たに設定された低輝度側及び高輝度側の基準電圧に基づいて、固体撮像素子１より出力される再生用映像信号をデジタル変換する。このようにして、Ａ／Ｄ変換器２における固体撮像素子１からの出力のダイナミックレンジが調節され、コントラストや明るさが調節される。
【００２６】
１．固体撮像素子の構成例
このような固体撮像装置における固体撮像素子の構成例を、以下に示す。図２は、固体撮像素子の構成を示す回路ブロック図である。図３は、図２の固体撮像素子の一部を示す回路図である。
【００２７】
図２において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１１は垂直走査回路であり、行（ライン）１３−１、１３−２、・・・、１３−ｎを順次走査していく。１２は水平走査回路であり、画素から出力信号線１５−１、１５−２、・・・、１５−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１４は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン１３−１、１３−２・・・、１３−ｎや出力信号線１５−１、１５−２・・・、１５−ｍ、電源ライン１４だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。
【００２８】
出力信号線１５−１、１５−２、・・・、１５−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線１５−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは直流電圧線１６に接続され、ドレインは出力信号線１５−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン１７に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは出力信号線１５−１に接続され、ソースは最終的な信号線１８に接続され、ゲートは水平走査回路１２に接続されている。
【００２９】
画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２が設けられている。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタＱ１との接続関係は図３（ａ）のようになる。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価であり、図３（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ２から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。
【００３０】
ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路１２によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように図４の画素内にはスイッチ用のＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３も設けられている。このＭＯＳトランジスタＴ３も含めて表わすと、図３（ａ）の回路は正確には図３（ｂ）のようになる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ３がＭＯＳトランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴ２との間に挿入されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ３は行の選択を行うものであり、トランジスタＱ２は列の選択を行うものである。
【００３１】
１−ａ 画素の第１例
このような構成の固体撮像素子における画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の一例について、図４を参照して以下に説明する。図４において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換器）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードはＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びゲート、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選択用のＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線１５（この出力信号線１５は図３の１５−１、１５−２、・・・、１５−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３は、それぞれ、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。
【００３２】
又、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされている。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには信号φＶが入力される。
【００３３】
このような構成の画素において、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。そして、ＭＯＳトランジスタＴ３にパルス信号φＶを与えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２は、そのゲート電圧に応じてソース電流を、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して信号線１５に出力電流として出力する。
【００３４】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号線１５には出力信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介して出力される出力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量が自然対数的に変換された信号となる。
【００３５】
１−ｂ 画素の第２例
図２のような構成の固体撮像素子における画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の別例について、図５を参照して以下に説明する。図５は、本実施形態に使用する固体撮像素子に設けられた画素の構成を示す回路図である。
【００３６】
図５に示すように、本例では、画素の出力側を構成するＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３が、図４の画素と同様の構成をしている。このような図４の画素において、フォトダイオードＰＤのアノードに直流電圧ＶPSが印加される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加されるとともに、そのソースがＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びフォトダイオードＰＤのカソードに接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには直流電圧ＶPGが印加される。
【００３７】
このような構成の画素において、フォトダイオードＰＤに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値の電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに発生する。尚、このとき、フォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１のソースに流れ込むため、強い光が入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くなる。
【００３８】
このようにして光電流に対して自然対数的に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れると、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとして、前記光電流を自然対数的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介して出力信号線１５に導出される。このようにして入射光量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。
【００３９】
尚、固体撮像素子の構成は図２に限定されるものでなく、画素からの出力を一旦サンプルホールドするホールド回路を有するものでも構わない。又、画素の構成についても、図４及び図５の回路構成に限定されるものでなく、対数変換動作が行える画素であればよい。例えば、積分回路や増幅回路を備えたような回路構成の画素でも構わないし、その設けられたＭＯＳトランジスタの閾値特性が原因となる各画素の感度バラツキを検出することができるような回路構成としても構わない。
【００４０】
２．出力ダイナミックレンジの調節動作
以下に、簡単に、調節動作の動作原理について、図面を参照して説明する。図６は、動作原理を説明するための、被写体の輝度とデジタル信号に変換されたときの映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフである。尚、図６のグラフは、輝度を対数値とした片対数グラフである。
【００４１】
今、Ａ／Ｄ変換器９によって、固体撮像素子１から出力される映像信号が、０〜Ｄの信号レベルとなるデジタル信号に変換される。このとき、図６（ａ）のように、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍより低い輝度値の映像信号が全て信号レベル０のデジタル信号に変換されるとともに、信号レベルＤの映像信号に相当する最高輝度ＢＭより高い輝度値の映像信号が全て信号レベルＤのデジタル信号に変換される。又、Ａ／Ｄ変換器２では、固体撮像素子１から出力される映像信号が、図６（ｂ）のように、０〜ＤＭの信号レベルとなるデジタル信号に変換される。このとき、Ａ／Ｄ変換器９では、Ａ／Ｄ変換器２に比べて、そのダイナミックレンジが十分広くなるように、設定されている。
【００４２】
このように、Ａ／Ｄ変換器９において、図６（ａ）のグラフの関係に基づいて、固体撮像素子１から出力される映像信号がデジタル信号に変換されるとき、自動調節でメモリ６より読み出されるように設定された測定期間又は手動調節でユーザーに指定された測定期間の間、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９より与えられるデジタル信号の最小値Ｄａ及び最大値Ｄｂが検出される。この検出されたデジタル信号の最小値Ｄａ及び最大値Ｄｂから、演算回路３において、図６（ａ）のグラフの関係に基づいて、測定期間中の最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが算出される。
【００４３】
そして、検出した最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂとなる被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２によって変換されたデジタル信号のダイナミックレンジ０〜ＤＭにおいて、メモリ６によって各種調節モードで設定された範囲に収まるように、設定される。例えば、デジタル信号のダイナミックレンジにおいて、被写体の輝度範囲が図６（ｂ）のような範囲に収まるように設定されるとき、検出した最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂがそれぞれ、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１に対応するように、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベルＤＭの映像信号に相当する最低輝度ＢＭ１が設定される。
【００４４】
即ち、最低輝度Ｂｍ１が（１）式のようにして求められるとともに、最高輝度ＢＭ１が（２）式のようにして求められる。
Bm1=(Dm1×Bb-Ba×DM1)/(Dm1-DM1) …（１）
BM1=[DM×(Ba-Bb)+(Dm1×Bb-Ba×DM1)]/(Dm1-DM1) …（２）
【００４５】
このようにして求められた最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられる。そして、Ｄ／Ａ変換器４，５それぞれでアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２でデジタル信号に変換するための最低輝度及び最高輝度それぞれを示す基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定される。この基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられたＡ／Ｄ変換器２では、固体撮像素子１から出力される映像信号の電圧値が基準電圧Ｖｍ１以下となるとき、信号レベル０のデジタル信号に、又は、固体撮像素子１から出力される映像信号の電圧値が基準電圧ＶＭ１以下となるとき、信号レベルＤＭのデジタル信号に、それぞれ変換されるように、固体撮像素子１から出力される映像信号をデジタル変換する。
【００４６】
このように、Ａ／Ｄ変換器９からの測定用映像信号を用いて検出した被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２で変換されたデジタル信号のダイナミックレンジより狭い範囲となるようにすることで、検出した輝度範囲より広い範囲での輝度変化にも対応することができる。即ち、図７（ａ）のように、Ａ／Ｄ変換器９からの測定用映像信号を用いて検出した被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２で変換されたデジタル信号のダイナミックレンジの低輝度側に位置するとき、撮像時に輝度範囲より高い輝度の部分を撮像したとしても、高輝度側における変換可能な信号レベルに余裕があるので、デジタル信号に変換することができる。又、図７（ｂ）のように、Ａ／Ｄ変換器９からの測定用映像信号を用いて検出した被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２で変換されたデジタル信号のダイナミックレンジの高輝度側に位置するとき、撮像時に輝度範囲より低い輝度の部分を撮像したとしても、低輝度側における変換可能な信号レベルに余裕があるので、デジタル信号に変換することができる。
【００４７】
又、検出した最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂのそれぞれを対応させる信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔の広さを切り換えることによって、再生される映像のコントラストを変化させることができる。即ち、図８（ａ）のように、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を広くした場合は、コントラストが高くなるが、前述した輝度変化に対する余裕が小さくなる。又、図８（ｂ）のように、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を狭くした場合は、コントラストが低くなるが、前述した輝度変化に対する余裕が大きくなる。
【００４８】
尚、このように調節動作を行うとき、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの値の設定については、以下の（１）〜（４）の条件のうち、１つ以上の条件が組み合わされた条件を満たす値に設定されるようにすることで、安定させることができる。
（１）最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの変化量が所定値以上となるときに検出された最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの値を反映。
（２）最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの変化量が所定時間以上継続して所定値以上となるときに検出された最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの値を反映。
（３）最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの実際の変化量に対して一定の割合分（例えば１／２）のみを反映。
（４）検出した最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂと過去の複数回に設定された最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂとの平均値を反映。
【００４９】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して、説明する。図９は、入力部の操作釦の配置を示す図である。
【００５０】
図９に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、入力部７ａ（図１の入力部７に相当する）には、手動調節モードに設定するための手動設定釦７１と、各種自動調節モードに設定するための自動設定釦７２ａ〜７２ｃと、手動調節モード時にゲイン調整を行うためのゲイン調整釦７３と、手動調節モード時にオフセット調整を行うためのオフセット調整釦７４と、自動調節モード時にコントラスト調整を行うためのコントラスト調整釦７５とが設けられる。そして、メモリ６には、各自動調節モードにおける信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の値と最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの測定期間と決定条件とが格納されるとともに、手動調節モードにおける信号レベルＤｍ１，ＤＭ１と決定条件とが格納される。
【００５１】
図９のような入力部７ａを備える固体撮像装置の動作について、以下に説明する。尚、説明を簡単にするために、Ａ／Ｄ変換器２において、１２ビットのデジタル信号に変換されるものとする。
【００５２】
１．自動調節モード
自動設定釦７２ａを操作することによって、一般用途向けの自動調節モードに、自動設定釦７２ｂを操作することによって、溶接部分観察向けの自動調節モードに、自動設定釦７２ｃを操作することによって、監視カメラ向けの自動調節モードに、それぞれ設定される。各自動調節モードにおける動作について、以下に説明する。
【００５３】
１−ａ 一般用途向け
Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５（上述のＤＭに相当）のデジタル信号に変換されるとき、図１０のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を８００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３２００とされる。即ち、高輝度側と低輝度側に、同程度の余裕を持たせる。
【００５４】
図１０のように、検出された輝度範囲が対応付けされるとき、演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出される最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂはそれぞれ、５フレーム毎に、各フレームで検出される最低輝度と最高輝度の平均値とする。即ち、１秒に３０フレームが撮像されるので、０．２秒間、各フレーム毎に、撮像した被写体の最低輝度及び最高輝度の検出が行われる。そして、各フレーム毎に検出された５つの最低輝度及び最高輝度をそれぞれ平均することによって、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂを得る。
【００５５】
そして、このようにして得た最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１０の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最低輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００５６】
１−ｂ 溶接部分観察向け
Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５のデジタル信号に変換されるとき、図１１のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を７００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を２５００とされる。即ち、高輝度側に、低輝度側と比べて大きめの余裕を持たせる。
【００５７】
図１１のように、検出された輝度範囲が対応付けされるとき、演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出される最低測定輝度Ｂａを、一般用途向けのものと同様、５フレーム毎に、各フレームで検出される最低輝度の平均値とする。又、最高測定輝度Ｂｂが、各フレーム毎に演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出され、現在のＡ／Ｄ変換器２への基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１を設定する最高測定輝度Ｂｂよりもその値が高くなったことが検出されたとき、検出した値を最高測定輝度Ｂｂとして置き換える。逆に、現在のＡ／Ｄ変換器２への基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１を設定する最高測定輝度Ｂｂよりもその値が低くなったことが検出されたときは、例えば３秒間というように所定時間以上継続してその値が検出されるか確認された後、継続した場合にのみ、検出した値を最高測定輝度Ｂｂとして置き換える。
【００５８】
このようにすることで、溶接開始時に、アーク光が点滅する場合には、アーク光の部分が長時間にわたって飽和状態のままにならないように、そのアーク光における最高輝度が最高測定輝度Ｂｂとして速やかに検出される。又、アーク光が瞬間的に消えたとき、そのときの最高輝度を最高測定輝度Ｂｂとしてすぐには検出しないようにする。これにより、アーク光の点滅で最高輝度自体は激しく変動したときでも、最高測定輝度Ｂｂはあまり変動しないようにして、映像の明るさを安定したものとする。又、溶接が完全に終了してアーク光が消えたときは、数秒間、被写体の最高輝度が低くなったことが検知されるため、この低くなった最高輝度が最高測定輝度Ｂｂとして検出される。
【００５９】
そして、このようにして得た最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１１の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最低輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００６０】
１−ｃ 監視カメラ向け
Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５のデジタル信号に変換されるとき、図１２のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を１０２４、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３０７２とされる。即ち、高輝度側と低輝度側に、同程度の余裕を持たせるとともに、一般向けの場合と比べて、その余裕を広めにする。
【００６１】
図１２のように、検出された輝度範囲が対応付けされるとき、演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出される最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂはそれぞれ、３０フレーム分毎に、各フレームで検出される最低輝度と最高輝度の平均値とする。即ち、１秒に３０フレームが撮像されるので、１秒間、各フレーム毎に、撮像した被写体の最低輝度及び最高輝度の検出が行われる。そして、各フレーム毎に検出された３０個の最低輝度及び最高輝度をそれぞれ平均することによって、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂを得る。
【００６２】
このように、一般用途向けと比べて、長い時間に検出された最低輝度及び最高輝度の平均値を、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂとすることによって、映像調節の変化が緩やかになるようにして、一時的な外乱光などに応答して映像の明るさが急激に変動することを防ぐ。
【００６３】
そして、このようにして得た最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１２の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最高輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００６４】
１−ｄ コントラスト調整
このように、１−ａ〜１−ｃで説明した各自動調節モードが設定されたとき、コントラスト調整釦７５を操作することによって、各自動調節モードで設定された信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の値を変化させることによって、コントラスト調整を行うことができる。即ち、図８を参照して説明したように、コントラスト調整釦７５を操作して、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を変化させることで、コントラストの調整を行う。
【００６５】
２．手動調節モード
手動設定釦７１を１秒以上押し続けることによって、手動調節モードに設定され、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が開始される。そして、再び、手動設定釦７１を押すことによって、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が終了し、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが決定される。即ち、図１３のように、手動調節モードが設定されて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が開始されてから終了されるまでの期間を通じて、最低となるものを最低測定輝度Ｂａとし、最高となるものを最高測定輝度Ｂｂとする。この決定された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが、演算回路３によってメモリ６に格納される。
【００６６】
今、１−ａと同様、Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５のデジタル信号に変換されるとき、図１０のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を８００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３２００とされるものとする。
【００６７】
よって、上述したように最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが決定されると、この最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１０の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最高輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００６８】
更に、このようにして、基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定された後、ゲイン調整釦７３やオフセット調整釦７４が操作されることによって、明るさやコントラストの微調整を行うことができる。
【００６９】
ゲイン調整釦７３が操作されると、図１４のように、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾きが切り換えられる。このとき、所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルが一定とされる。図１４の場合、５つの傾きを選択することが可能である。又、オフセット釦７４が操作されると、図１５のように、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾きを一定とし、所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルが切り換えられる。このとき、オフセット釦７４が操作される直前での信号レベルが基準値とされ、その相対値が設定される。図１５の場合、５つの相対値を選択することが可能である。
【００７０】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して、説明する。図１６は、入力部の操作釦の配置を示す図である。尚、図１６において、図９と同一の部分については、同一の符号を付す。
【００７１】
図１６に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、入力部７ｂ（図１の入力部７に相当する）には、手動調節モードに設定するための手動設定釦７１ａ〜７１ｃと、各種自動調節モードに設定するための自動設定釦７２と、ゲイン調整釦７３と、オフセット調整釦７４と、コントラスト調整釦７５とを有する。このような入力部７ｂが操作されたとき、固体撮像装置は、基本的には、第１の実施形態と同様の動作を行う。
【００７２】
即ち、自動設定釦７２が操作されたとき、例えば、第１の実施形態で説明した一般用途向けの自動調節モードが設定され、自動的に、Ａ／Ｄ変換器９及び演算回路３及びＤ／Ａ変換器４，５によって、図１０のような関係を用いて、Ａ／Ｄ変換器２に与える基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定される。このように自動調節モードが行われるとき、コントラスト調整釦７５が操作されることによって、第１の実施形態と同様、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を変化させることで、コントラストの調整が行われる。
【００７３】
又、手動設定釦７１ａを１秒以上押し続けて手動調節モードに設定した後、再び、手動設定釦７１ａを押すことによって、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が行われると、図１０のような関係となるように、メモリ６より最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を８００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３２００が読み出される。そして、検出された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１０の関係を用いて、最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１を設定すると、Ｄ／Ａ変換器４，５により、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００７４】
又、手動設定釦７１ｂを１秒以上押し続けて手動調節モードに設定した後、再び、手動設定釦７１ｂを押すことによって、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が行われると、図１１のような関係となるように、メモリ６より最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を７００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を２５００が読み出される。そして、検出された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１１の関係を用いて、最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１を設定すると、Ｄ／Ａ変換器４，５により、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００７５】
又、手動設定釦７１ｃを１秒以上押し続けて手動調節モードに設定した後、再び、手動設定釦７１ｃを押すことによって、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が行われると、図１２のような関係となるように、メモリ６より最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を１０２４、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３０７２が読み出される。そして、検出された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１２の関係を用いて、最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１を設定すると、Ｄ／Ａ変換器４，５により、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００７６】
このように手動調節モードによって、基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定されると、ゲイン調整釦７３及びオフセット釦７４がそれぞれ操作されることによって、第１の実施形態と同様、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾き及び所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルを変化させることで、コントラストや明るさの微調整が行われる。
【００７７】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して、説明する。図１７は、入力部の操作釦の配置を示す図である。尚、図１７において、図９及び図１６と同一の部分については、同一の符号を付す。
【００７８】
図１７に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、入力部７ｃ（図１の入力部７に相当する）には、手動調節モードに設定するための手動設定釦７１ａ〜７１ｃと、各種自動調節モードに設定するための自動設定釦７２ａ〜７２ｃと、ゲイン調整釦７３と、オフセット調整釦７４と、コントラスト調整釦７５とを有する。このような入力部７ｃが操作されたとき、固体撮像装置は、基本的には、第１及び第２の実施形態と同様の動作を行う。
【００７９】
更に、ユーザーによって指示されて実行されている各種調節モードを示すための表示用ＬＥＤ（Light Emitting Diode）７６と、ゲイン調整釦７３及びコントラスト調整釦７５がそれぞれ操作されたときのゲイン及びコントラストそれぞれの変化量を示すための表示用ＬＥＤ７７と、オフセット調整釦７４が操作されたときのオフセットの変化量を示すための表示用セグメントＬＥＤ７８とを有する。
【００８０】
このように入力部７ｃが構成されるとき、手動設定釦７１ａ〜７１ｃ又は自動設定釦７２ａ〜７２ｃのいずれかが操作されると、指示された調節モードがいずれであるか示すために、表示用ＬＥＤ７６の一つが点滅する。尚、手動設定釦７１〜７１ｃのいずれかが操作されたときは、第２の実施形態と同様の動作が行われ、又、自動設定釦７２ａ〜７２ｃのいずれかが操作されたときは、第１の実施形態と同様の動作が行われる。
【００８１】
又、ゲイン調整釦７３が操作されることによって、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾きの大きさが、表示用ＬＥＤ７７が表示されることによって示される。又、コントラスト調整釦７５が操作されることによって、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔の広さが、表示用ＬＥＤ７７が表示されることによって示される。更に、オフセット調整釦７４が操作されることによって、変化される所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルの相対値が表示用セグメントＬＥＤ７８に表示される。
【００８２】
尚、上述の実施形態において、演算回路で検出される最低測定輝度Ｂａが、輝度分布の最低輝度から度数を輝度で積分した値が輝度分布全体のｘパーセントとなる輝度とされるとともに、演算回路で検出される最高測定輝度Ｂｂが、輝度分布の最高輝度から度数を輝度で積分した値が実効面積のｘパーセントとなる輝度とされるようにしても構わない。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によると、様々な撮像条件となる、様々な撮像対象や目的に応じて、各種パラメータを格納し、このパラメータを読み出すことによって、固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを調節することができるので、その撮像条件に最適な出力ダイナミックレンジを容易に調節することができる。よって、各撮像条件に対して、より効果的な映像調節を行うことができる。又、出力ダイナミックレンジの広い固体撮像素子からの出力を、十分、生かすことができ、その撮像条件に応じた見やすい映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図２】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図３】図２の固体撮像素子の一部を示す回路図。
【図４】図２の固体撮像素子内に設けられた画素の構成を示す回路図。
【図５】図２の固体撮像素子内に設けられた画素の構成を示す回路図。
【図６】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図７】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図８】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図９】入力部の操作釦の配置を示す図。
【図１０】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１１】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１２】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１３】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１４】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１５】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１６】入力部の操作釦の配置を示す図。
【図１７】入力部の操作釦の配置を示す図。
【符号の説明】
１ 固体撮像素子
２ Ａ／Ｄ変換器
３ 演算回路
４，５ Ｄ／Ａ変換器
６ メモリ
７ 入力部
８ 表示部
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関するもので、特に、受光量に対してその出力電圧が自然対数的に変化する特性を有する固体撮像素子を備えた固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より使用されている固体撮像素子には、光電変換素子で発生した光電荷を読み出す手段によってＣＣＤ型とＭＯＳ型に大きく分けられる。ＣＣＤ型は光電荷をポテンシャルの井戸に蓄積しつつ、転送するようになっており、又、ＭＯＳ型はフォトダイオードのｐｎ接合容量に蓄積した電荷をＭＯＳトランジスタを通して読み出すようになっている。しかしながら、このような従来の固体撮像素子は、発生した光電荷の電荷量に比例した出力が出力されるため、ダイナミックレンジが狭いという欠点がある。
【０００３】
一方、本出願人は、ダイナミックレンジを広くするために、入射した光量に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタをサブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスするバイアス手段とが備えられることによって、入射光量に対して自然対数的に変換された電気信号を出力することができる固体撮像素子を提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。しかしながら、この対数変換型の固体撮像素子は、ダイナミックレンジが非常に広いため、この固体撮像素子の出力をそのまま画像として再生すると、被写体によってはコントラストがかなり低い画像になる場合がある。
【０００４】
そこで、例えば、固体撮像素子からの１フィールド分の出力の最大値と最小値を検出し、検出した出力の最大値と最小値に応じて、ＡＧＣ（Auto Gain Control）処理を行うことで、被写体の輝度範囲に応じた出力ダイナミックレンジとするような自動調節が行われる。即ち、撮像している被写体の最高輝度が出力ダイナミックレンジの最大値に、撮像している被写体の最低輝度が出力ダイナミックレンジの最小値に、それぞれなるように、固体撮像素子からの出力のゲインを調整する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにＡＧＣ処理して出力ダイナミックレンジの自動調節を行う場合、従来の固体撮像装置では、その調整パターンは１つに限られていた。又、その調節パターンを撮影対象の輝度変化を敏感に反映させるような設定にしてあったとすると、撮影対象の輝度分布範囲が激しく変動する場合には、映像の明るさも同様に激しく変動して、見づらくなることがあった。又、手動にて出力ダイナミックレンジを調節することも可能であるが、各条件下で複数のパラメータを最適なものに設定するのは、ユーザーにとって煩雑な操作である上、設定操作と確認動作を繰り返す必要があり、その設定に時間を要する。
【０００６】
このような問題を鑑みて、本発明は、撮影対象や目的に応じた映像調節を行う複数の自動調節モードを有する固体撮像装置を提供することを目的とする。又、本発明の他の目的は、手動にて調節を行う際、容易に調節を行うことのできる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する複数の画素を有する固体撮像素子と、所定期間毎に、前記固体撮像素子より出力された電気信号に基づいて被写体の輝度範囲を検出するとともに、検出した輝度範囲に基づいて前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを調節する調節部と、該調節部で出力ダイナミックレンジを調節するためのパラメータが複数の撮像条件毎に格納されるメモリと、を有し、前記調節部において、選択された撮像条件に応じたパラメータが前記メモリより読み出されて、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする。
【０００８】
このような固体撮像装置において、ユーザーによって、撮像条件が選択されて指示されると、選択された撮像条件に応じたパラメータが、調節部によって読み出される。調節部では、固体撮像素子より出力される電気信号に基づいて、被写体の輝度範囲を検出すると、メモリより読み出したパラメータと検出した輝度範囲に基づいて、固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを設定する。
【０００９】
このような固体撮像装置において、請求項２に記載するように、前記パラメータが、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲の最低輝度に対する前記電気信号の第１信号レベルと、前記輝度範囲の最高輝度に対する前記電気信号の第２信号レベルと、であり、前記調節部において、検出した前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度と、選択された撮像条件に応じた前記第１及び第２信号レベルとに基づいて、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにしても構わない。
【００１０】
このとき、固体撮像素子からの出力される電気信号が、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号であるとき、被写体の輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出されると、それぞれを、第１信号レベルと第２信号レベルに対応させて、Ａ／Ｄ変換に用いるための低電圧側及び高電圧側の基準電圧が設定されることによって、固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節される。
【００１１】
又、請求項３に記載するように、前記パラメータに、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための測定時間及び決定条件が含まれ、前記調節部において、選択された撮像条件に応じた前記測定時間及び前記決定条件に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、自動設定が行われるようにしても構わない。
【００１２】
このとき、決定条件として、（１）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上の時のみ反映させる、（２）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上で、且つ、所定時間以上継続した時に反映させる、（３）最低輝度及び最高輝度の実際の変化量に対して一定の割合分のみ反映させる、（４）最低輝度及び最高輝度の過去の複数の値との平均値を算出し、この平均値を反映させる、などの測定するための各種方法が挙げられる。
【００１３】
又、請求項４に記載するように、前記輝度範囲を測定するための測定時間を入力するための入力部を有し、前記調節部において、前記入力部より入力された前記測定時間に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、手動設定が行われるようにしても構わない。
【００１４】
請求項２に記載の固体撮像装置において、請求項５に記載するように、前記輝度範囲を測定するための測定時間を入力するための入力部を有し、前記調節部において、前記入力部より入力された前記測定時間に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、手動設定が行われるようにしても構わない。
【００１５】
又、請求項６に記載するように、前記パラメータに、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための決定条件が含まれ、前記調節部において、前記入力部より入力された前記測定時間と選択された撮像条件に応じた前記決定条件とに従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにしても構わない。
【００１６】
このとき、決定条件として、（１）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上の時のみ反映させる、（２）最低輝度及び最高輝度の変化量が所定値以上で、且つ、所定時間以上継続した時に反映させる、（３）最低輝度及び最高輝度の実際の変化量に対して一定の割合分のみ反映させる、（４）最低輝度及び最高輝度の過去の複数の値との平均値を算出し、この平均値を反映させる、などといった測定するための各種方法が挙げられる。
【００１７】
又、請求項７に記載するように、前記パラメータに、一つ以上の前記撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための測定時間及び決定条件が含まれ、前記調節部において、選択された撮像条件に応じた前記測定時間及び前記決定条件に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されるようにして、自動設定が行われるようにしても構わない。
【００１８】
請求項８に記載の固体撮像装置は、請求項２〜請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置において、前記第１及び第２信号レベルの値を調節するために入力可能な信号レベル入力部を有することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００２０】
＜固体撮像装置の構成＞
まず、各実施形態で共通する固体撮像装置の構成について、説明する。図１は、本実施形態の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示す固体撮像装置は、入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する固体撮像素子１と、固体撮像素子１からの出力をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器２，９と、Ａ／Ｄ変換器９で変換されたデジタル信号が与えられて入力部７が操作されて指示された調節モードに基づいてＡ／Ｄ変換器２の基準値の設定を行う演算回路３と、演算回路３で設定された基準値に基づいた電圧を発生するＤ／Ａ変換器４，５と、各種調節モード時のパラメータが格納されるメモリ６と、ユーザーに操作される入力部７と、演算回路３を通じて出力されたデジタル信号によって映像を再生する表示部８とを有する。尚、固体撮像素子１から与えられ、Ａ／Ｄ変換器２及び演算回路３を通じて表示装置８に送出される信号を再生用映像信号と呼ぶ。又、固体撮像素子１から与えられ、Ａ／Ｄ変換器９を通じて演算回路３に送出される信号を測定用映像信号と呼ぶ。
【００２２】
このような固体撮像装置において、被写体を撮像した固体撮像素子１より対数変換された映像信号が出力されると、Ａ／Ｄ変換器２において、Ｄ／Ａ変換器４によって設定された低輝度側の基準電圧及びＤ／Ａ変換器５によって設定された高輝度側の基準電圧と、それぞれ比較されて、デジタル信号に変換される。このデジタル信号に変換された再生用映像信号は、演算回路３に与えられた後、表示装置８に出力され、表示装置８において映像が再生される。
【００２３】
又、入力部７が操作されることによって、複数の調節モードより、ユーザーの所望するコントラストや明るさに調節するための自動調節モード又は手動調節モードが設定される。このとき、自動調節の場合は、メモリ６より設定された調節モードに用いられる各種パラメータが演算回路３に読み出される。そして、Ａ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換された測定用映像信号より、各種設定モード毎に予め設定された所定の期間毎に、最低輝度及び最高輝度を検出する。この最低輝度及び最高輝度となる測定用映像信号とメモリ６より読み出された各種パラメータとに基づいて、低輝度側及び高輝度側の基準電圧のデジタル値を設定し、Ｄ／Ａ変換器４，５に送出する。
【００２４】
又、手動調節の場合は、メモリ６より設定された調節モードに用いられる各種パラメータが演算回路３に読み出される。そして、ユーザーによって、入力部７が操作されて、最低輝度及び最高輝度の測定期間が指定される。この指定された期間の最低輝度及び最高輝度が、Ａ／Ｄ変換器９でデジタル信号に変換された測定用映像信号より、演算回路３で検出される。そして、この最低輝度及び最高輝度となる測定用映像信号とメモリ６より読み出された各種パラメータとに基づいて、低輝度側及び高輝度側の基準電圧のデジタル値を設定し、Ｄ／Ａ変換器４，５に送出する。
【００２５】
このように、各調節モードにおいて、演算回路３で低輝度側及び高輝度側の基準電圧のデジタル値が設定されると、Ｄ／Ａ変換器４，５では、アナログ変換することによって、それぞれ、低輝度側及び高輝度側の基準電圧をＡ／Ｄ変換器２に送出する。よって、Ａ／Ｄ変換器２では、Ｄ／Ａ変換器４，５によって新たに設定された低輝度側及び高輝度側の基準電圧に基づいて、固体撮像素子１より出力される再生用映像信号をデジタル変換する。このようにして、Ａ／Ｄ変換器２における固体撮像素子１からの出力のダイナミックレンジが調節され、コントラストや明るさが調節される。
【００２６】
１．固体撮像素子の構成例
このような固体撮像装置における固体撮像素子の構成例を、以下に示す。図２は、固体撮像素子の構成を示す回路ブロック図である。図３は、図２の固体撮像素子の一部を示す回路図である。
【００２７】
図２において、Ｇ11〜Ｇｍｎは行列配置（マトリクス配置）された画素を示している。１１は垂直走査回路であり、行（ライン）１３−１、１３−２、・・・、１３−ｎを順次走査していく。１２は水平走査回路であり、画素から出力信号線１５−１、１５−２、・・・、１５−ｍに導出された光電変換信号を画素ごとに水平方向に順次読み出す。１４は電源ラインである。各画素に対し、上記ライン１３−１、１３−２・・・、１３−ｎや出力信号線１５−１、１５−２・・・、１５−ｍ、電源ライン１４だけでなく、他のライン（例えば、クロックラインやバイアス供給ライン等）も接続されるが、図２ではこれらについて省略する。
【００２８】
出力信号線１５−１、１５−２、・・・、１５−ｍごとにＮチャネルのＭＯＳトランジスタＱ１、Ｑ２が図示の如く１組ずつ設けられている。出力信号線１５−１を例にとって説明すると、ＭＯＳトランジスタＱ１のゲートは直流電圧線１６に接続され、ドレインは出力信号線１５−１に接続され、ソースは直流電圧ＶPS’のライン１７に接続されている。一方、ＭＯＳトランジスタＱ２のドレインは出力信号線１５−１に接続され、ソースは最終的な信号線１８に接続され、ゲートは水平走査回路１２に接続されている。
【００２９】
画素Ｇ11〜Ｇｍｎには、後述するように、それらの画素で発生した光電荷に基づく信号を出力するＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ２が設けられている。ＭＯＳトランジスタＴ２と上記ＭＯＳトランジスタＱ１との接続関係は図３（ａ）のようになる。ここで、ＭＯＳトランジスタＱ１のソースに接続される直流電圧ＶPS’と、ＭＯＳトランジスタＴ２のドレインに接続される直流電圧ＶPD’との関係はＶPD’＞ＶPS’であり、直流電圧ＶPS’は例えばグランド電圧（接地）である。この回路構成は上段のＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに信号が入力され、下段のＭＯＳトランジスタＱ１のゲートには直流電圧ＤＣが常時印加される。このため下段のＭＯＳトランジスタＱ１は抵抗又は定電流源と等価であり、図３（ａ）の回路はソースフォロワ型の増幅回路となっている。この場合、ＭＯＳトランジスタＴ２から増幅出力されるのは電流であると考えてよい。
【００３０】
ＭＯＳトランジスタＱ２は水平走査回路１２によって制御され、スイッチ素子として動作する。尚、後述するように図４の画素内にはスイッチ用のＮチャネルのＭＯＳトランジスタＴ３も設けられている。このＭＯＳトランジスタＴ３も含めて表わすと、図３（ａ）の回路は正確には図３（ｂ）のようになる。即ち、ＭＯＳトランジスタＴ３がＭＯＳトランジスタＱ１とＭＯＳトランジスタＴ２との間に挿入されている。ここで、ＭＯＳトランジスタＴ３は行の選択を行うものであり、トランジスタＱ２は列の選択を行うものである。
【００３１】
１−ａ 画素の第１例
このような構成の固体撮像素子における画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の一例について、図４を参照して以下に説明する。図４において、ｐｎフォトダイオードＰＤが感光部（光電変換器）を形成している。そのフォトダイオードＰＤのアノードはＭＯＳトランジスタＴ１のドレイン及びゲート、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ２のソースは行選択用のＭＯＳトランジスタＴ３のドレインに接続されている。ＭＯＳトランジスタＴ３のソースは出力信号線１５（この出力信号線１５は図３の１５−１、１５−２、・・・、１５−ｍに対応する）へ接続されている。尚、ＭＯＳトランジスタＴ１〜Ｔ３は、それぞれ、ＮチャネルのＭＯＳトランジスタでバックゲートが接地されている。
【００３２】
又、フォトダイオードＰＤのカソード及びＭＯＳトランジスタＴ２のドレインには直流電圧ＶPDが印加されるようになっている。一方、ＭＯＳトランジスタＴ１のソースには直流電圧ＶPSが印加され、ＭＯＳトランジスタＴ１がサブスレッショルド領域で動作するようにバイアスされている。又、ＭＯＳトランジスタＴ３のゲートには信号φＶが入力される。
【００３３】
このような構成の画素において、フォトダイオードＰＤに光が入射されると、光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、ＭＯＳトランジスタＴ１，Ｔ２のゲートに光電流を自然対数的に変換した値の電圧が発生する。そして、ＭＯＳトランジスタＴ３にパルス信号φＶを与えることによって、ＭＯＳトランジスタＴ２は、そのゲート電圧に応じてソース電流を、ＭＯＳトランジスタＴ３を介して信号線１５に出力電流として出力する。
【００３４】
このとき、ＭＯＳトランジスタＴ２がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号線１５には出力信号が電圧信号として現れる。その後、信号φＶをローレベルにしてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。このように、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介して出力される出力信号は、ＭＯＳトランジスタＴ２のゲート電圧に比例した値となるため、フォトダイオードＰＤへの入射光量が自然対数的に変換された信号となる。
【００３５】
１−ｂ 画素の第２例
図２のような構成の固体撮像素子における画素Ｇ11〜Ｇmnの構成の別例について、図５を参照して以下に説明する。図５は、本実施形態に使用する固体撮像素子に設けられた画素の構成を示す回路図である。
【００３６】
図５に示すように、本例では、画素の出力側を構成するＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３が、図４の画素と同様の構成をしている。このような図４の画素において、フォトダイオードＰＤのアノードに直流電圧ＶPSが印加される。そして、ＭＯＳトランジスタＴ４のドレインに直流電圧ＶPDが印加されるとともに、そのソースがＭＯＳトランジスタＴ２のゲート及びフォトダイオードＰＤのカソードに接続される。又、ＭＯＳトランジスタＴ４のゲートには直流電圧ＶPGが印加される。
【００３７】
このような構成の画素において、フォトダイオードＰＤに光が入射すると光電流が発生し、ＭＯＳトランジスタのサブスレッショルド特性により、光電流を自然対数的に変換した値の電圧がＭＯＳトランジスタＴ１のソース及びＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに発生する。尚、このとき、フォトダイオードＰＤで発生した負の光電荷がＭＯＳトランジスタＴ１のソースに流れ込むため、強い光が入射されるほどＭＯＳトランジスタＴ１のソース電圧が低くなる。
【００３８】
このようにして光電流に対して自然対数的に変化した電圧がＭＯＳトランジスタＴ２のゲートに現れると、パルス信号φＶが与えられてＭＯＳトランジスタＴ３をＯＮとして、前記光電流を自然対数的に変換した値となる電流が、ＭＯＳトランジスタＴ２，Ｔ３を介して出力信号線１５に導出される。このようにして入射光量の対数値に比例した信号（出力電流）を読み出すと、ＭＯＳトランジスタＴ３をＯＦＦにする。
【００３９】
尚、固体撮像素子の構成は図２に限定されるものでなく、画素からの出力を一旦サンプルホールドするホールド回路を有するものでも構わない。又、画素の構成についても、図４及び図５の回路構成に限定されるものでなく、対数変換動作が行える画素であればよい。例えば、積分回路や増幅回路を備えたような回路構成の画素でも構わないし、その設けられたＭＯＳトランジスタの閾値特性が原因となる各画素の感度バラツキを検出することができるような回路構成としても構わない。
【００４０】
２．出力ダイナミックレンジの調節動作
以下に、簡単に、調節動作の動作原理について、図面を参照して説明する。図６は、動作原理を説明するための、被写体の輝度とデジタル信号に変換されたときの映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフである。尚、図６のグラフは、輝度を対数値とした片対数グラフである。
【００４１】
今、Ａ／Ｄ変換器９によって、固体撮像素子１から出力される映像信号が、０〜Ｄの信号レベルとなるデジタル信号に変換される。このとき、図６（ａ）のように、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍより低い輝度値の映像信号が全て信号レベル０のデジタル信号に変換されるとともに、信号レベルＤの映像信号に相当する最高輝度ＢＭより高い輝度値の映像信号が全て信号レベルＤのデジタル信号に変換される。又、Ａ／Ｄ変換器２では、固体撮像素子１から出力される映像信号が、図６（ｂ）のように、０〜ＤＭの信号レベルとなるデジタル信号に変換される。このとき、Ａ／Ｄ変換器９では、Ａ／Ｄ変換器２に比べて、そのダイナミックレンジが十分広くなるように、設定されている。
【００４２】
このように、Ａ／Ｄ変換器９において、図６（ａ）のグラフの関係に基づいて、固体撮像素子１から出力される映像信号がデジタル信号に変換されるとき、自動調節でメモリ６より読み出されるように設定された測定期間又は手動調節でユーザーに指定された測定期間の間、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９より与えられるデジタル信号の最小値Ｄａ及び最大値Ｄｂが検出される。この検出されたデジタル信号の最小値Ｄａ及び最大値Ｄｂから、演算回路３において、図６（ａ）のグラフの関係に基づいて、測定期間中の最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが算出される。
【００４３】
そして、検出した最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂとなる被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２によって変換されたデジタル信号のダイナミックレンジ０〜ＤＭにおいて、メモリ６によって各種調節モードで設定された範囲に収まるように、設定される。例えば、デジタル信号のダイナミックレンジにおいて、被写体の輝度範囲が図６（ｂ）のような範囲に収まるように設定されるとき、検出した最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂがそれぞれ、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１に対応するように、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベルＤＭの映像信号に相当する最低輝度ＢＭ１が設定される。
【００４４】
即ち、最低輝度Ｂｍ１が（１）式のようにして求められるとともに、最高輝度ＢＭ１が（２）式のようにして求められる。
Bm1=(Dm1×Bb-Ba×DM1)/(Dm1-DM1) …（１）
BM1=[DM×(Ba-Bb)+(Dm1×Bb-Ba×DM1)]/(Dm1-DM1) …（２）
【００４５】
このようにして求められた最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられる。そして、Ｄ／Ａ変換器４，５それぞれでアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２でデジタル信号に変換するための最低輝度及び最高輝度それぞれを示す基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定される。この基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられたＡ／Ｄ変換器２では、固体撮像素子１から出力される映像信号の電圧値が基準電圧Ｖｍ１以下となるとき、信号レベル０のデジタル信号に、又は、固体撮像素子１から出力される映像信号の電圧値が基準電圧ＶＭ１以下となるとき、信号レベルＤＭのデジタル信号に、それぞれ変換されるように、固体撮像素子１から出力される映像信号をデジタル変換する。
【００４６】
このように、Ａ／Ｄ変換器９からの測定用映像信号を用いて検出した被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２で変換されたデジタル信号のダイナミックレンジより狭い範囲となるようにすることで、検出した輝度範囲より広い範囲での輝度変化にも対応することができる。即ち、図７（ａ）のように、Ａ／Ｄ変換器９からの測定用映像信号を用いて検出した被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２で変換されたデジタル信号のダイナミックレンジの低輝度側に位置するとき、撮像時に輝度範囲より高い輝度の部分を撮像したとしても、高輝度側における変換可能な信号レベルに余裕があるので、デジタル信号に変換することができる。又、図７（ｂ）のように、Ａ／Ｄ変換器９からの測定用映像信号を用いて検出した被写体の輝度範囲が、Ａ／Ｄ変換器２で変換されたデジタル信号のダイナミックレンジの高輝度側に位置するとき、撮像時に輝度範囲より低い輝度の部分を撮像したとしても、低輝度側における変換可能な信号レベルに余裕があるので、デジタル信号に変換することができる。
【００４７】
又、検出した最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂのそれぞれを対応させる信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔の広さを切り換えることによって、再生される映像のコントラストを変化させることができる。即ち、図８（ａ）のように、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を広くした場合は、コントラストが高くなるが、前述した輝度変化に対する余裕が小さくなる。又、図８（ｂ）のように、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を狭くした場合は、コントラストが低くなるが、前述した輝度変化に対する余裕が大きくなる。
【００４８】
尚、このように調節動作を行うとき、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの値の設定については、以下の（１）〜（４）の条件のうち、１つ以上の条件が組み合わされた条件を満たす値に設定されるようにすることで、安定させることができる。
（１）最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの変化量が所定値以上となるときに検出された最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの値を反映。
（２）最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの変化量が所定時間以上継続して所定値以上となるときに検出された最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの値を反映。
（３）最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂの実際の変化量に対して一定の割合分（例えば１／２）のみを反映。
（４）検出した最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂと過去の複数回に設定された最低測定輝度Ｂａや最高測定輝度Ｂｂとの平均値を反映。
【００４９】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して、説明する。図９は、入力部の操作釦の配置を示す図である。
【００５０】
図９に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、入力部７ａ（図１の入力部７に相当する）には、手動調節モードに設定するための手動設定釦７１と、各種自動調節モードに設定するための自動設定釦７２ａ〜７２ｃと、手動調節モード時にゲイン調整を行うためのゲイン調整釦７３と、手動調節モード時にオフセット調整を行うためのオフセット調整釦７４と、自動調節モード時にコントラスト調整を行うためのコントラスト調整釦７５とが設けられる。そして、メモリ６には、各自動調節モードにおける信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の値と最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの測定期間と決定条件とが格納されるとともに、手動調節モードにおける信号レベルＤｍ１，ＤＭ１と決定条件とが格納される。
【００５１】
図９のような入力部７ａを備える固体撮像装置の動作について、以下に説明する。尚、説明を簡単にするために、Ａ／Ｄ変換器２において、１２ビットのデジタル信号に変換されるものとする。
【００５２】
１．自動調節モード
自動設定釦７２ａを操作することによって、一般用途向けの自動調節モードに、自動設定釦７２ｂを操作することによって、溶接部分観察向けの自動調節モードに、自動設定釦７２ｃを操作することによって、監視カメラ向けの自動調節モードに、それぞれ設定される。各自動調節モードにおける動作について、以下に説明する。
【００５３】
１−ａ 一般用途向け
Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５（上述のＤＭに相当）のデジタル信号に変換されるとき、図１０のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を８００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３２００とされる。即ち、高輝度側と低輝度側に、同程度の余裕を持たせる。
【００５４】
図１０のように、検出された輝度範囲が対応付けされるとき、演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出される最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂはそれぞれ、５フレーム毎に、各フレームで検出される最低輝度と最高輝度の平均値とする。即ち、１秒に３０フレームが撮像されるので、０．２秒間、各フレーム毎に、撮像した被写体の最低輝度及び最高輝度の検出が行われる。そして、各フレーム毎に検出された５つの最低輝度及び最高輝度をそれぞれ平均することによって、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂを得る。
【００５５】
そして、このようにして得た最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１０の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最低輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００５６】
１−ｂ 溶接部分観察向け
Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５のデジタル信号に変換されるとき、図１１のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を７００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を２５００とされる。即ち、高輝度側に、低輝度側と比べて大きめの余裕を持たせる。
【００５７】
図１１のように、検出された輝度範囲が対応付けされるとき、演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出される最低測定輝度Ｂａを、一般用途向けのものと同様、５フレーム毎に、各フレームで検出される最低輝度の平均値とする。又、最高測定輝度Ｂｂが、各フレーム毎に演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出され、現在のＡ／Ｄ変換器２への基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１を設定する最高測定輝度Ｂｂよりもその値が高くなったことが検出されたとき、検出した値を最高測定輝度Ｂｂとして置き換える。逆に、現在のＡ／Ｄ変換器２への基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１を設定する最高測定輝度Ｂｂよりもその値が低くなったことが検出されたときは、例えば３秒間というように所定時間以上継続してその値が検出されるか確認された後、継続した場合にのみ、検出した値を最高測定輝度Ｂｂとして置き換える。
【００５８】
このようにすることで、溶接開始時に、アーク光が点滅する場合には、アーク光の部分が長時間にわたって飽和状態のままにならないように、そのアーク光における最高輝度が最高測定輝度Ｂｂとして速やかに検出される。又、アーク光が瞬間的に消えたとき、そのときの最高輝度を最高測定輝度Ｂｂとしてすぐには検出しないようにする。これにより、アーク光の点滅で最高輝度自体は激しく変動したときでも、最高測定輝度Ｂｂはあまり変動しないようにして、映像の明るさを安定したものとする。又、溶接が完全に終了してアーク光が消えたときは、数秒間、被写体の最高輝度が低くなったことが検知されるため、この低くなった最高輝度が最高測定輝度Ｂｂとして検出される。
【００５９】
そして、このようにして得た最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１１の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最低輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００６０】
１−ｃ 監視カメラ向け
Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５のデジタル信号に変換されるとき、図１２のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を１０２４、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３０７２とされる。即ち、高輝度側と低輝度側に、同程度の余裕を持たせるとともに、一般向けの場合と比べて、その余裕を広めにする。
【００６１】
図１２のように、検出された輝度範囲が対応付けされるとき、演算回路３でＡ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて検出される最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂはそれぞれ、３０フレーム分毎に、各フレームで検出される最低輝度と最高輝度の平均値とする。即ち、１秒に３０フレームが撮像されるので、１秒間、各フレーム毎に、撮像した被写体の最低輝度及び最高輝度の検出が行われる。そして、各フレーム毎に検出された３０個の最低輝度及び最高輝度をそれぞれ平均することによって、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂを得る。
【００６２】
このように、一般用途向けと比べて、長い時間に検出された最低輝度及び最高輝度の平均値を、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂとすることによって、映像調節の変化が緩やかになるようにして、一時的な外乱光などに応答して映像の明るさが急激に変動することを防ぐ。
【００６３】
そして、このようにして得た最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１２の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最高輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００６４】
１−ｄ コントラスト調整
このように、１−ａ〜１−ｃで説明した各自動調節モードが設定されたとき、コントラスト調整釦７５を操作することによって、各自動調節モードで設定された信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の値を変化させることによって、コントラスト調整を行うことができる。即ち、図８を参照して説明したように、コントラスト調整釦７５を操作して、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を変化させることで、コントラストの調整を行う。
【００６５】
２．手動調節モード
手動設定釦７１を１秒以上押し続けることによって、手動調節モードに設定され、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が開始される。そして、再び、手動設定釦７１を押すことによって、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が終了し、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが決定される。即ち、図１３のように、手動調節モードが設定されて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が開始されてから終了されるまでの期間を通じて、最低となるものを最低測定輝度Ｂａとし、最高となるものを最高測定輝度Ｂｂとする。この決定された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが、演算回路３によってメモリ６に格納される。
【００６６】
今、１−ａと同様、Ａ／Ｄ変換器２において信号レベル０〜４０９５のデジタル信号に変換されるとき、図１０のように、上述した検出動作により検出された最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を８００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３２００とされるものとする。
【００６７】
よって、上述したように最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂが決定されると、この最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１０の関係を用いて、信号レベル０の映像信号に相当する最低輝度Ｂｍ１及び信号レベル４０９５の映像信号に相当する最高輝度ＢＭ１が設定される。この設定された最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１に相当する値がそれぞれ、Ｄ／Ａ変換器４，５に与えられると、Ｄ／Ａ変換器４，５でアナログ変換され、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００６８】
更に、このようにして、基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定された後、ゲイン調整釦７３やオフセット調整釦７４が操作されることによって、明るさやコントラストの微調整を行うことができる。
【００６９】
ゲイン調整釦７３が操作されると、図１４のように、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾きが切り換えられる。このとき、所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルが一定とされる。図１４の場合、５つの傾きを選択することが可能である。又、オフセット釦７４が操作されると、図１５のように、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾きを一定とし、所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルが切り換えられる。このとき、オフセット釦７４が操作される直前での信号レベルが基準値とされ、その相対値が設定される。図１５の場合、５つの相対値を選択することが可能である。
【００７０】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して、説明する。図１６は、入力部の操作釦の配置を示す図である。尚、図１６において、図９と同一の部分については、同一の符号を付す。
【００７１】
図１６に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、入力部７ｂ（図１の入力部７に相当する）には、手動調節モードに設定するための手動設定釦７１ａ〜７１ｃと、各種自動調節モードに設定するための自動設定釦７２と、ゲイン調整釦７３と、オフセット調整釦７４と、コントラスト調整釦７５とを有する。このような入力部７ｂが操作されたとき、固体撮像装置は、基本的には、第１の実施形態と同様の動作を行う。
【００７２】
即ち、自動設定釦７２が操作されたとき、例えば、第１の実施形態で説明した一般用途向けの自動調節モードが設定され、自動的に、Ａ／Ｄ変換器９及び演算回路３及びＤ／Ａ変換器４，５によって、図１０のような関係を用いて、Ａ／Ｄ変換器２に与える基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定される。このように自動調節モードが行われるとき、コントラスト調整釦７５が操作されることによって、第１の実施形態と同様、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔を変化させることで、コントラストの調整が行われる。
【００７３】
又、手動設定釦７１ａを１秒以上押し続けて手動調節モードに設定した後、再び、手動設定釦７１ａを押すことによって、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が行われると、図１０のような関係となるように、メモリ６より最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を８００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３２００が読み出される。そして、検出された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１０の関係を用いて、最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１を設定すると、Ｄ／Ａ変換器４，５により、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００７４】
又、手動設定釦７１ｂを１秒以上押し続けて手動調節モードに設定した後、再び、手動設定釦７１ｂを押すことによって、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が行われると、図１１のような関係となるように、メモリ６より最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を７００、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を２５００が読み出される。そして、検出された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１１の関係を用いて、最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１を設定すると、Ｄ／Ａ変換器４，５により、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００７５】
又、手動設定釦７１ｃを１秒以上押し続けて手動調節モードに設定した後、再び、手動設定釦７１ｃを押すことによって、演算回路３において、Ａ／Ｄ変換器９から与えられる測定用映像信号に基づいて、最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂの検出が行われると、図１２のような関係となるように、メモリ６より最低測定輝度Ｂａに対応させる信号レベルＤｍ１を１０２４、最高測定輝度Ｂｂに対応させる信号レベルＤＭ１を３０７２が読み出される。そして、検出された最低測定輝度Ｂａ及び最高測定輝度Ｂｂより、図１２の関係を用いて、最低輝度Ｂｍ１及び最高輝度ＢＭ１を設定すると、Ｄ／Ａ変換器４，５により、Ａ／Ｄ変換器２に基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が与えられる。
【００７６】
このように手動調節モードによって、基準電圧Ｖｍ１，ＶＭ１が設定されると、ゲイン調整釦７３及びオフセット釦７４がそれぞれ操作されることによって、第１の実施形態と同様、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾き及び所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルを変化させることで、コントラストや明るさの微調整が行われる。
【００７７】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して、説明する。図１７は、入力部の操作釦の配置を示す図である。尚、図１７において、図９及び図１６と同一の部分については、同一の符号を付す。
【００７８】
図１７に示すように、本実施形態の固体撮像装置において、入力部７ｃ（図１の入力部７に相当する）には、手動調節モードに設定するための手動設定釦７１ａ〜７１ｃと、各種自動調節モードに設定するための自動設定釦７２ａ〜７２ｃと、ゲイン調整釦７３と、オフセット調整釦７４と、コントラスト調整釦７５とを有する。このような入力部７ｃが操作されたとき、固体撮像装置は、基本的には、第１及び第２の実施形態と同様の動作を行う。
【００７９】
更に、ユーザーによって指示されて実行されている各種調節モードを示すための表示用ＬＥＤ（Light Emitting Diode）７６と、ゲイン調整釦７３及びコントラスト調整釦７５がそれぞれ操作されたときのゲイン及びコントラストそれぞれの変化量を示すための表示用ＬＥＤ７７と、オフセット調整釦７４が操作されたときのオフセットの変化量を示すための表示用セグメントＬＥＤ７８とを有する。
【００８０】
このように入力部７ｃが構成されるとき、手動設定釦７１ａ〜７１ｃ又は自動設定釦７２ａ〜７２ｃのいずれかが操作されると、指示された調節モードがいずれであるか示すために、表示用ＬＥＤ７６の一つが点滅する。尚、手動設定釦７１〜７１ｃのいずれかが操作されたときは、第２の実施形態と同様の動作が行われ、又、自動設定釦７２ａ〜７２ｃのいずれかが操作されたときは、第１の実施形態と同様の動作が行われる。
【００８１】
又、ゲイン調整釦７３が操作されることによって、輝度の対数値とデジタル信号の信号レベルとの関係を表す直線の傾きの大きさが、表示用ＬＥＤ７７が表示されることによって示される。又、コントラスト調整釦７５が操作されることによって、信号レベルＤｍ１，ＤＭ１の間隔の広さが、表示用ＬＥＤ７７が表示されることによって示される。更に、オフセット調整釦７４が操作されることによって、変化される所定の基準輝度Ｂ０のデジタル信号の信号レベルの相対値が表示用セグメントＬＥＤ７８に表示される。
【００８２】
尚、上述の実施形態において、演算回路で検出される最低測定輝度Ｂａが、輝度分布の最低輝度から度数を輝度で積分した値が輝度分布全体のｘパーセントとなる輝度とされるとともに、演算回路で検出される最高測定輝度Ｂｂが、輝度分布の最高輝度から度数を輝度で積分した値が実効面積のｘパーセントとなる輝度とされるようにしても構わない。
【００８３】
【発明の効果】
本発明によると、様々な撮像条件となる、様々な撮像対象や目的に応じて、各種パラメータを格納し、このパラメータを読み出すことによって、固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを調節することができるので、その撮像条件に最適な出力ダイナミックレンジを容易に調節することができる。よって、各撮像条件に対して、より効果的な映像調節を行うことができる。又、出力ダイナミックレンジの広い固体撮像素子からの出力を、十分、生かすことができ、その撮像条件に応じた見やすい映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体撮像装置の内部構成を示すブロック図。
【図２】固体撮像素子の構成を示すブロック回路図。
【図３】図２の固体撮像素子の一部を示す回路図。
【図４】図２の固体撮像素子内に設けられた画素の構成を示す回路図。
【図５】図２の固体撮像素子内に設けられた画素の構成を示す回路図。
【図６】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図７】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図８】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図９】入力部の操作釦の配置を示す図。
【図１０】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１１】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１２】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１３】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１４】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１５】被写体の輝度と映像信号の信号レベルとの関係を示すグラフ。
【図１６】入力部の操作釦の配置を示す図。
【図１７】入力部の操作釦の配置を示す図。
【符号の説明】
１ 固体撮像素子
２ Ａ／Ｄ変換器
３ 演算回路
４，５ Ｄ／Ａ変換器
６ メモリ
７ 入力部
８ 表示部
Claims (6)
- 入射光量に対して自然対数的に変換した電気信号を出力する複数の画素を有する固体撮像素子と、
所定期間毎に、前記固体撮像素子より出力された電気信号に基づいて被写体の輝度範囲を検出するとともに、検出した輝度範囲に基づいて前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジを調節する調節部と、
該調節部で出力ダイナミックレンジを調節するためのパラメータが複数の撮像条件毎に格納されるメモリと、
を有し、
前記パラメータが、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲の最低輝度に対する前記電気信号の第１信号レベルと、前記輝度範囲の最高輝度に対する前記電気信号の第２信号レベルと、であり、
前記調節部において、選択された撮像条件に応じたパラメータが前記メモリより読み出されて、検出した前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度と、選択された撮像条件に応じた前記第１及び第２信号レベルとに基づいて、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする固体撮像装置。 - 前記パラメータに、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための測定時間及び決定条件が含まれ、
前記調節部において、選択された撮像条件に応じた前記測定時間及び前記決定条件に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 入力部を有し、前記入力部は手動調節用操作部を含み、
前記複数の撮像条件は手動調節モードを含み、
前記手動調節モードでは、
前記手動調節用操作部を操作して前記輝度範囲を測定するための測定時間を指定し、
前記調節部において、前記手動調節用操作部より指定された前記測定時間に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。 - 前記パラメータに、前記複数の撮像条件毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための決定条件が含まれ、
前記手動調節モードでは、
前記調節部において、前記手動調節用操作部より指定された前記測定時間と選択された前記手動調節モードに応じた前記決定条件とに従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする請求項３に記載の固体撮像装置。 - 前記複数の撮像条件は複数の自動調節モードを含み、
前記パラメータに、前記複数の自動調節モード毎に設定された、前記輝度範囲を測定するための測定時間及び決定条件が含まれ、
前記自動調節モードでは、
前記調節部において、選択された自動調節モードに応じた前記測定時間及び前記決定条件に従って前記輝度範囲の最低輝度及び最高輝度が検出され、前記固体撮像素子の出力ダイナミックレンジが調節されることを特徴とする請求項１、３、４のいずれかに記載の固体撮像装置。 - 前記第１及び第２信号レベルの値を調節するために入力可能な信号レベル入力部を有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
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