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広ダイナミックレンジイメージセンサ

国内特許コード P07A009864
整理番号 ShIP‐P04078
掲載日 2007年5月25日
出願番号 特願2003-156301
公開番号 特開2004-363666
登録番号 特許第4392492号
出願日 平成15年6月2日(2003.6.2)
公開日 平成16年12月24日(2004.12.24)
登録日 平成21年10月23日(2009.10.23)
発明者
  • 川人 祥二
出願人
  • 国立大学法人静岡大学
発明の名称 広ダイナミックレンジイメージセンサ
発明の概要

【課題】これまでのCMOSイメージセンサはダイナミックレンジが狭いため、明るい部分と暗い部分とが同時に存在している場合には、良好な撮像を行うことができなかった。
【解決手段】イメージセンサの画素部から長時間の蓄積による低照度信号と、短時間の蓄積による中照度信号と、超短時間の蓄積による高照度信号とを取り出すことにより、高照度における光電荷の飽和を防止してダイナミックレンジを広げることができる。また、複数の短時間蓄積信号のそれぞれ異なる蓄積時間の組み合わせからなる広ダイナミックレンジ撮像条件を動的に変更することにより、さらにダイナミックレンジの適応的制御が行える。
【選択図】 図12

従来技術、競合技術の概要
非常に明るい部分と暗い部分が同時に存在している場合でも良好に撮像を行うことができる広いダイナミックレンジを持ったイメージセンサの従来技術は数多く存在する。 CMOSイメージセンサ上でダイナミックレンジを高照度側へ拡大する処理として多くの方式が存在する。
これには(1)特開平7-274072号で提示されている、画素回路内に比較器と係数器を配置して、フォトダイオードが外部から設定したしきい値に達するまでのクロック数を計測する方式、(2)特開2000-253320号で提示されている、画素回路内に比較器と係数器を配置して、一フレーム期間内にフォトダイオードが、外部から設定したしきい値に達した回数を計測する方式、(3)特開2001-169184号ならびに(4)特開2001-186414号に提示されている、4トランジスタ型画素回路において、フォトダイオードのブルーミング電荷を1垂直期間より十分短い期間、フローティングディフュージョンに蓄積する方式、ならびに信号レベルとリセットレベルの差分と、信号検出部で一垂直期間より十分短い期間蓄積した信号分から求める方式、(5)Yibing (Michelle) Wang他によってthe 2001 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors, pp137-140で発表された”A High Dynamic Range CMOS APS Image Sensor”で説明されているような、4トランジスタ型画素回路のフローティングディフュージョンを、高照度用の感度の低い光電変換素子として利用する方式、(6)米国特許公報6175383号、6369737号、2002/0027606号および、IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.35, No.5の”100000-Pixel, 120-dB Imager in TFA Technology”に記載されている、蓄積時間と読み出し信号レベルから浮動小数点表現により画素値を求める方式、(7)特開2000-83198ならびに特開2002-77733で提示されている、入射光量に対して対数的に信号電圧が変化する対数圧縮型画素回路を利用する方式、(8)CMOSイメージセンサにおいて、n行目の信号読みだしを行う際に、Δだけずれた行の信号の読みだしも行うことで、長時間蓄積信号と短時間蓄積信号を獲得し、これらを合成して広ダイナミックレンジ化を図る方式(US Patent 6115065)、などがある。
【0003】
【特許文献1】
特開平7-274072号公報
【特許文献2】
特開2000-253320号公報
【特許文献3】
特開2001-169184号公報
【特許文献4】
特開2001-186414号公報
【特許文献5】
米国特許第6175383号明細書
【特許文献6】
米国特許第6369737号明細書
【特許文献7】
米国特許第2002/0027606号明細書
【特許文献8】
特開2000-83198号公報
【特許文献9】
特開2002-77733号公報
【特許文献10】
米国特許第6115065号明細書
【非特許文献1】
Yibing (Michelle) Wang etc. ”A High Dynamic Range CMOS APS Image Sensor”, the 2001 IEEE Workshop on Charge-Coupled Devices and Advanced Image Sensors, pp137-140
【非特許文献2】
”100000-Pixel, 120-dB Imager in TFA Technology”IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol.35, No.5
産業上の利用分野
この発明は、イメージセンサにおけるダイナミックレンジの拡大に関するものである。
特許請求の範囲 【請求項1】 イメージアレイセンサと、
前記イメージアレイセンサに長時間蓄積された光電荷による信号を全画素に対してフレーム周期の1/2よりも短時間に集中読み出しを行う手段と、
各画素毎の信号に関し、フレーム周期から長時間蓄積期間を差し引いた残余期間の全部またはその一部を利用してn回(nは以上の整数)の短時間蓄積を行う手段と、
前記長時間蓄積された光電荷による信号の全画素短時間集中読み出し完了後に第1番目の短時間蓄積の光電荷による信号を全画素に対してフレーム周期の1/2よりも短時間に集中読み出しを行う手段と、
番目(i=1,…,p-1;pは整数であり、かつp≦n)の短時間蓄積の光電荷による信号の全画素短時間集中読み出し完了後に、i+1番目の短時間蓄積の光電荷による信号を全画素に対してフレーム周期の1/2よりも短時間に集中読み出しを行う手段と、
前記長時間蓄積の光電荷による信号および前記i番目(i=1,…,p)の短時間蓄積の光電荷による信号を合成する手段とからなり、
前記短時間蓄積の各々の蓄積時間は前記残余期間を前記短時間蓄積の回数nで等分した時間以下である広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項2】さらに、垂直走査開始信号との時間差が外部から制御可能なリセット信号により前記短時間蓄積の光電荷の初期化を行い、任意時間の短時間蓄積を可能とするリセット手段を備えてなる請求項1記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項3】さらに、長時間蓄積信号がその線形範囲を超えて飽和しているかどうかを判定し、飽和している場合には短時間蓄積信号の読み出しを行い、飽和していない場合には読み出しを行わないという適応的制御手段を備えてなる請求項1記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項4】前記適応的制御手段は、さらに、i番目の短時間蓄積信号がその線形範囲を超えて飽和しているかどうかを判定し、飽和している場合にはi+1番目の短時間蓄積信号の読み出しを行い、飽和していない場合には読み出しを行わないものである請求項3記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項5】さらに、それ以前に取得した長時間蓄積信号及び短時間蓄積信号が飽和しているかどうかを表すオーバーフロー信号作成手段と、短時間蓄積信号の振幅の最大値が設定したしきい値よりも小さいかどうかを表すアンダーフロー信号作成手段と、前記オーバーフロー信号および前記アンダーフロー信号を用いて短時間蓄積信号の数及びそれぞれの蓄積時間の組み合わせを動的に変更する手段とを備えてなる請求項1記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項6】前記オーバーフロー信号作成手段は、各蓄積信号が飽和しているかどうかを、複数画素におけるしきい値を越えている画素の数により判定して信号作成するものであり、前記アンダーフロー信号作成手段は、その振幅の最大値が設定したしきい値よりも小さいかどうかを、複数画素におけるしきい値を越えている画素の数により判定して信号作成するものである請求項5記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項7】前記アンダーフロー信号作成手段は、それ以前に取得した短時間蓄積信号に対して得たヒストグラムの平均値が、設定したしきい値よりも小さいかどうかを判定して信号作成するものである請求項5記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項8】さらに、既に読み出した長時間蓄積による映像信号または短時間蓄積による映像ごとのヒストグラムを求める手段と、そのヒストグラムの平均値が、あるしきい値以下の場合には高いゲインに設定し、また高ゲインに設定して読み出した信号に対しては、ヒストグラムの平均値が別に設けたしきい値を越えている場合には、低いゲインの設定に戻すゲイン可変の増幅器をカラムに備えてなる請求項1記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項9】さらに、信号を短時間に高速に読み出すために、並列に信号の水平転送を行う複数の読み出し回路をカラムに設けてなる請求項1乃至5記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項10】さらに、並列に信号の水平転送を行うために、カラーフィルタの画素成分毎に分けた画素成分毎の読み出し回路をカラムに設けてなる請求項1乃至5記載の広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項11】イメージアレイセンサと、前記イメージアレイセンサから長時間蓄積信号を得る手段と、前記イメージアレイセンサから複数種類の短時間蓄積信号を得る手段と、既に画像メモリに書き込まれた信号を読み出して、それが設定したしきい値を越える場合には、演算を施したイメージセンサからの読み出し信号を画像メモリの対応する画素位置において上書きをするという動作を、前記長時間蓄積信号と複数種類の短時間蓄積信号とを蓄積時間の長い順に読み出した映像信号に対して繰り返し行うことにより合成する手段とを備えてなる広ダイナミックレンジイメージセンサ。
【請求項12】イメージアレイセンサと、前記イメージアレイセンサから長時間蓄積信号を得る手段と、前記イメージアレイセンサから複数種類の短時間蓄積信号を得る手段と、蓄積時間の種類を表すために蓄積時間の長い信号から短い信号に向かって順次増加するようにゾーン番号を割り当てる手段と、前記長時間蓄積信号と複数種類の短時間蓄積信号のうちいずれか1つを、前記ゾーン番号とともに記憶する画像メモリと、前記イメージアレイセンサから読み出した長時間蓄積信号が飽和していない場合にはゾーン番号をそのまま書き込むとともに長時間蓄積信号を画像メモリに書き込み、飽和している場合にはゾーン番号を1つ大きな値にして書き込む第1の書き込み制御手段と、次に書き込むべき短時間蓄積信号のゾーン番号と、既に前記画像メモリに記憶されたゾーン番号とを比較し、既に記憶されている画像信号が飽和していると判断した場合には、次に書き込むべき短時間蓄積信号を新画像信号として前記画像メモリに書き込み、飽和していないと判断した場合には、画像信号及びゾーン番号の更新を行わない第2の書き込み制御手段とを備えてなる広ダイナミックレンジイメージセンサ。
産業区分
  • テレビ
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2003156301thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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