JP2017120971A - 固体撮像素子及び撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の画素が配された画素部と、第1のタイミングで前記画素部から読み出される第1の画像信号と、前記第1のタイミングとは異なる第2のタイミングで前記画素部から読み出される第2の画像信号とを合成することによって、第3の画像信号を生成する画像信号合成手段とを有している。
【選択図】図3
Description
本発明の目的は、HDR画像を高速に取得し得る固体撮像素子及び撮像装置を提供することにある。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による固体撮像素子及びその固体撮像素子を用いた撮像装置について図面を用いて説明する。本実施形態による撮像装置309は、撮影条件の異なる2つの画像、即ち、第1の画像と第2の画像とを取得し、これら2つの画像を固体撮像素子の内部で合成することによってHDR画像を生成するものである。
基板101は、受光部104と、A/D変換部(アナログ/デジタル変換部)105と、接続部106と、制御部103とを有している。受光部104は、光学系301(図4参照)によって形成される被写体像を受光するものである。受光部104には、光を電気に変換する光電変換部(光電変換素子)をそれぞれ含む複数の画素(単位画素)601(図2参照)が、行方向及び列方向に2次元的に配置されている。A/D変換部105は、受光部104に配された単位画素601から出力されるアナログの画像信号(画素信号)をデジタルの画像信号に変換する。接続部106は、A/D変換部105から出力されるデジタルの画像信号を基板102側に転送するためのものである。制御部103は、受光部104及びA/D変換部105を制御する。なお、基板101には、後述する周辺回路部606(図2参照)も設けられているが、図1においては省略されている。
基板101に設けられた接続部106と基板102に設けられた接続部107とは、例えばマイクロバンプやビア等によって電気的に接合されている。こうして、基板101と基板102とが電気的に接続されている。
これに対し、本実施形態による固体撮像素子302では、当該固体撮像素子302内に設けられた信号処理部108においてHDR画像の生成を行う。このため、本実施形態では、複数の画像信号を固体撮像素子302の外部に出力することを要しない。このため、本実施形態によれば、高速でHDR画像を取得し得る固体撮像素子及び撮像装置を提供することが可能となる。
なお、受光部104によって被写体像を受光し、A/D変換部105によってA/D変換を行い、信号処理部108によって信号処理を行うのに要する時間は、出力部110によって1つの画像信号を外部に出力するのに要する時間に対して十分短い。
なお、制御部103が垂直選択回路602と水平選択回路603とを制御することによって、信号の読み出しが行われる単位画素601が選択される。図2においては、説明を簡略化するため、8行×8列の単位画素601が図示されているが、実際には、受光部104には、数千行×数千列の単位画素601が設けられている。
まず、操作部307を介してユーザによって行われる指示等に基づいて、感度、絞り値、露光時間等の撮影条件の初期設定が行われる(ステップS401)。次に、光学系301等を制御し、固体撮像素子302を用いて撮影が行われる(ステップS402)。具体的には、固体撮像素子302の受光部104に対して所定時間の露光が行われる。受光部104において行われる光電変換によってアナログの画像信号が生成され、かかるアナログの画像信号がA/D変換部105によってデジタルの画像信号に変換される。そして、こうして得られたデジタルの画像信号が信号処理部108へと読み出される(ステップS403)。
図7(b)に示す第2の画像702は、第1の画像701において飽和レベルに達していた部分が飽和レベルに達しないような撮影条件で取得されたものである。第2の画像702においては、輝度が比較的高い部分においても画像情報が存在している。具体的には、第2の画像702においては、窓枠704の内側の部分においても画像情報が存在している。一方、輝度が低い部分においては、画像信号が黒レベルに近い状態となっている。具体的には、人物705の部分において、画像信号が黒レベルに近い状態となっており、人物705の認識が困難になっている。
図7(c)に示すHDR画像703は、図7(a)に示す第1の画像701と図7(b)に示す第2の画像702とを合成することにより得られたものである。図7(c)に示すHDR画像703においては、輝度が比較的高い部分においても、輝度が比較的低い部分においても、十分な情報が存在している。即ち、図7(c)に示すHDR画像703においては、窓枠704の内側の部分においても、人物705の部分においても、被写体情報が十分に反映されている。
このように、本実施形態によれば、固体撮像素子302内でHDR画像が生成されるため、HDR画像を生成するための複数の画像を固体撮像素子302の外部に出力することを要しない。このため、本実施形態によれば、HDR画像を高速で取得し得る固体撮像素子及び撮像装置を提供することができる。
本発明の第2実施形態による固体撮像素子及び撮像装置について図面を用いて説明する。図1乃至図7に示す第1実施形態による固体撮像素子及び撮像装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本実施形態による固体撮像素子302及び撮像装置309は、第1の画像信号の解析結果に基づいて、第2の画像信号を取得する際の読み出し範囲を限定し、これにより、第2の画像信号を取得する際の読み出し時間を短縮するものである。第2の画像信号を取得する際の読み出し時間が短縮されるため、HDR画像の生成に要する時間を更に短縮することが可能となる。
本実施形態による固体撮像素子302及び撮像装置309の基本的な構成は、図1乃至図4を用いて上述した第1実施形態による固体撮像素子302及び撮像装置309の基本的な構成と同様である。
図8(b)に示す第2の画像802は、図8(a)に示す第1の画像801において飽和レベルに達していた部分が飽和レベルに達しないような撮影条件で取得された画像である。本実施形態では、第2の画像信号を取得する際には、受光部104に配された全ての単位画素601からの信号が読み出されるわけではなく、受光部104のうちの一部の領域内に位置する単位画素601からのみ信号が読み出される。具体的には、図8(a)に示す第1の画像801において信号レベルが飽和レベルに達していた領域と当該領域の周辺の領域とを含む領域内に位置する単位画素601からの信号のみが、第2の画像を取得する際に読み出される。本実施形態によれば、受光部104のうちの一部の領域内に位置する単位画素601からのみ信号が読み出されるため、第2の画像の読み出しに要する時間を短縮することができ、ひいては、HDR画像をより高速に取得することが可能となる。
図8(c)に示すHDR画像803は、図8(a)に示す第1の画像801と、図8(b)に示す第2の画像802とを合成することにより得られた画像である。第1の画像801において信号レベルが飽和レベルに達していた領域と当該領域の周辺の領域とを含む領域については、第1の画像801と第2の画像802とを合成することによって画像信号が生成されている。一方、かかる領域以外の領域については、第1の画像801の画像信号に適切なゲイン等を乗算することによって画像信号が生成されている。
次に、信号レベル解析部205による第1の画像801の解析の結果に基づいて、第2の画像を取得する際の撮影条件と読み出し領域とが設定される(ステップS906)。具体的には、信号レベル解析部205による第1の画像の解析結果に基づいて、例えば、第2の画像を取得する際の露光時間が制御部103によって設定される。なお、第2の画像を取得する際の撮影条件は、電荷蓄積時間の設定のみに限定されるものではない。第1実施形態において上述したように、電荷蓄積時間の設定と、A/D変換部105におけるゲインの設定等とを適宜組み合わせることによって、第2の画像を取得する際の撮影条件を設定するようにしてもよい。第2の画像を取得する際の読み出し領域は、以下のようにして設定される。即ち、信号レベル解析部205によって、第1の画像801に対する解析が行われる。具体的には、各々の単位画素601からの信号が、信号レベル解析部205によって解析される。そして、信号レベル解析部205による解析の結果に基づいて、信号レベルが所定レベル以上である単位画素601を含む領域が読み出し領域として設定される。具体的には、信号レベルが所定レベル以上である単位画素601が位置している領域と、当該領域の周辺の領域とを含む領域が、読み出し領域として設定される。例えば、図8(b)に示す第2の画像802のように、信号レベルが所定レベル以上である単位画素601を含む矩形の領域が、読み出し領域として設定される。読み出し領域をこのように設定した場合には、後述する第2の画像信号の読み出し(ステップS908)においては、以下のような動作となる。即ち、垂直選択回路602による読み出し行の選択と、水平選択回路603による読み出し列の選択とを組み合わせることによって、読み出し領域に位置する単位画素601からの信号が読み出される。なお、読み出し領域が矩形の領域となるのは、読み出し行と読み出し列とを制限することによって、読み出し領域を画定するためである。
本発明の第3実施形態による固体撮像素子及び撮像装置について図面を用いて説明する。図1乃至図9に示す第1又は第2実施形態による固体撮像素子及び撮像装置と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略または簡潔にする。
本実施形態による固体撮像素子302は、基板101側に設けられた単位画素601からの信号が基板102側に直接入力されるものである。なお、本実施形態による撮像装置309の基本的な構成は、図4を用いて上述した第1実施形態による撮像装置309の基本的な構成と同様である。
基板1001は、受光部104と、接続部1003と、制御部103とを有している。受光部104には、複数の単位画素601が行方向及び列方向に2次元的に配置されている。接続部1003は、受光部104からの信号を基板1002に転送するためのものである。なお、ここでは、2×2の4つの単位画素601を含む1つの画素ブロック607に対して1つの接続部1003が割り当てられている。換言すれば、4つの単位画素601が1つの接続部1003を共用している。制御部103は、受光部104を制御する。
基板1001側に設けられた複数の接続部1003と基板1002側に設けられた複数の接続部1004とは、貫通電極1005によってそれぞれ電気的に接続されている。貫通電極1005としては、例えば、Through Silicon Via(以下TSV)等が用いられている。
ある単位画素601によって生成される信号が、当該単位画素601と接続部1003を共有している他の単位画素601によって生成される信号と混合されないように、制御部103によって適切な制御が行われる。接続部1003を共有する複数の単位画素601の各々によって生成される信号は、制御部103による制御に基づいて、基板1102側に順次出力される。なお、図11においては、説明を簡略化するため、8行×8列の単位画素601が図示されているが、実際には数千行×数千列の単位画素601が設けられている。
図13(b)に示す第2の画像1302は、図13(a)に示す第1の画像1301において信号レベルが飽和レベルに達していた領域においても信号レベルが飽和レベルに達しないような撮影条件で設定された画像である。本実施形態では、画素ブロック607毎に部分信号処理部1006が設けられているため、細かい範囲での画像の合成が可能である。このため、本実施形態によれば、第2の画像を取得する際における信号の読み出し範囲をより細かく設定することができ、第2の画像を取得する際に読み出される画像信号を少なくすることができる。このため、本実施形態によれば、第2の画像信号の読み出し時間をより短縮することができ、ひいては、HDR画像をより高速に取得することが可能となる。
図13(c)に示すHDR画像1303は、図13(a)に示す第1の画像1301と、図13(b)に示す第2の画像1302とを合成することにより生成された画像である。第1の画像1301において信号レベルが飽和レベルに達していた領域と、当該領域の周辺の領域については、第1の画像1301と第2の画像1302とを合成することによって画像信号が生成されている。これらの領域以外の領域については、第1の画像1301の画像信号に適切なゲイン等を乗算することによって画像信号が生成されている。
このように、基板1001側に設けられた単位画素601からの信号が基板1002側に直接入力されるようにしてもよい。
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態においては、第2の画像を取得する際の撮影条件を第1の画像の解析結果に基づいて設定する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。第2の画像を取得する際の撮影条件を、第1の画像を解析の結果に基づかずに設定するようにしてもよい。例えば、第1の画像を解析することなく、第1の画像を取得する際の露光量と第2の画像を取得する際の露光量とが所定程度異なるように、第2の画像を取得する際の撮影条件を設定するようにしてもよい。
また、第3実施形態では、1つの画素ブロック607に2×2の4つの単位画素601が含まれている場合を例に説明したが、1つの画素ブロック607に含まれる単位画素601の数は4つに限定されるものではない。例えば、1つの画素ブロック607に含まれる単位画素601の数が、5つ以上であってもよいし、3つ以下であってもよい。例えば、1つの単位画素601に対して1つの部分信号処理部1006が割り当てられていてもよい。
また、上記実施形態では、2回の撮影によって取得される第1の画像と第2の画像とを画像を合成することによってHDR画像を生成する場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、3回以上の撮影によって取得される3つ以上の画像を合成することによってHDR画像を生成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、基板101,1001と基板102,1002とが積層された固体撮像素子302を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、1つの基板上に受光部104、信号処理部108等の全ての構成要素が含まれていてもよい。また、3つ以上の基板を積層することによって、固体撮像素子302を構成してもよい。
また、上記実施形態では、各種画像処理を固体撮像素子302内に設けられた信号処理部108によって全て行う場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、固体撮像素子302とは別個に画像処理素子(図示せず)を配し、固体撮像素子302内に設けられた信号処理部108と固体撮像素子302の外部に設けられた画像処理素子とで各種画像処理を分担するようにしてもよい。
104…受光部
105…A/D変換部
106、107…接続部
108…信号処理部
109…メモリ部
110…出力部
201…信号増幅部
202…基準レベル調整部
203…補正部
204…現像処理部
205…信号レベル解析部
206…画像信号合成部
301…光学系
302…固体撮像素子
303…タイミング信号発生部
304…駆動部
305…記録部
306…制御部
307…走査部
308…表示部
309…撮像装置
601…単位画素
602…垂直選択回路
603…水平選択回路
604…駆動信号線
605…垂直信号線
606…周辺回路部
607…画素ブロック
1003、1004…接続部
1005…貫通電極
1006…部分信号処理部
1101…駆動信号線
1201…A/D変換部
Claims (9)
- 複数の画素が配された画素部と、
第1のタイミングで前記画素部から読み出される第1の画像信号と、前記第1のタイミングとは異なる第2のタイミングで前記画素部から読み出される第2の画像信号とを合成することによって、第3の画像信号を生成する画像信号合成手段と
を有することを特徴とする固体撮像素子。 - 前記画素からの信号に対してアナログ−デジタル変換を行うアナログ−デジタル変換手段を更に有し、
前記第1の画像信号及び前記第2の画像信号は、前記アナログ−デジタル変換手段によってアナログ−デジタル変換が行われた後のデジタルの画像信号である
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 前記第3の画像信号は、表現し得る最小輝度と最大輝度との比率が、前記第1の画像信号と前記第2の画像信号とのいずれよりも大きい
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の画像信号における信号レベルと前記第2の画像信号における信号レベルとを異ならせるように制御を行う制御手段を更に有する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の画像信号における前記信号レベルを解析する信号レベル解析手段を更に備え、
前記制御手段は、前記信号レベル解析手段による前記解析の結果に基づいて前記第2の画像信号の前記信号レベルを制御する
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。 - 前記第1の画像信号における前記信号レベルを解析する信号レベル解析手段を更に備え、
前記制御手段は、前記信号レベル解析手段による前記第1の画像信号の前記解析の結果に基づいて、前記第2の画像信号を取得する際に読み出しが行われる前記画素を決定する
ことを特徴とする請求項4に記載の固体撮像素子。 - 前記制御手段は、前記第1の画像信号において前記信号レベルが所定レベル以上又は所定レベル以下となっている前記画素を含む範囲を、前記第2の画素信号を取得する際に前記画素からの読み出しが行われる読み出し範囲として決定する
ことを特徴とする請求項5又は6に記載の固体撮像素子。 - 第1の基板と、
前記第1の基板上に配された第2の基板とを更に有し、
前記画像信号合成手段は、前記第1の基板に配されており、
前記画素部は、前記第2の基板に配されている
ことを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子。 - 複数の画素が配された画素部と、第1のタイミングで前記画素部から読み出される第1の画像信号と、前記第1のタイミングとは異なる第2のタイミングで前記画素部から読み出される第2の画像信号とを合成することによって、第3の画像信号を生成する画像信号合成手段とを含む固体撮像素子
を有することを特徴とする撮像装置。
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