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JP2006333439A - Imaging device, imaging unit, and imaging apparatus - Google Patents

Imaging device, imaging unit, and imaging apparatus Download PDF

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JP2006333439A
JP2006333439A JP2006020631A JP2006020631A JP2006333439A JP 2006333439 A JP2006333439 A JP 2006333439A JP 2006020631 A JP2006020631 A JP 2006020631A JP 2006020631 A JP2006020631 A JP 2006020631A JP 2006333439 A JP2006333439 A JP 2006333439A
Authority
JP
Japan
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light shielding
imaging
amount
unit
light
Prior art date
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Pending
Application number
JP2006020631A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takashi Morimoto
隆史 森本
Koichi Ishida
耕一 石田
Takeshi Endo
毅 遠藤
Naoki Kubo
直樹 久保
Satoru Hirose
悟 広瀬
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Inc
Original Assignee
Konica Minolta Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Konica Minolta Inc filed Critical Konica Minolta Inc
Priority to JP2006020631A priority Critical patent/JP2006333439A/en
Publication of JP2006333439A publication Critical patent/JP2006333439A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80Constructional details of image sensors
    • H10F39/805Coatings
    • H10F39/8057Optical shielding

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

【課題】適正な映像を取得できる光量範囲(ダイナミックレンジ)を拡大するとともに、シャッタ機能と絞り機能も備えた撮像素子を提供することを目的とする。
【解決手段】撮像素子の画素上に、光電変換部を遮光する遮光部材と、遮光部材を駆動するアクチュエータをMEMS技術を用いて作成し、画素毎の遮光量を制御することで、ダイナミックレンジの拡大とシャッタ機能、絞り機能とを実現する。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide an image sensor that expands a light amount range (dynamic range) in which a proper image can be acquired and has a shutter function and an aperture function.
On a pixel of an image sensor, a light shielding member that shields a photoelectric conversion unit and an actuator that drives the light shielding member are created using MEMS technology, and a light shielding amount for each pixel is controlled, thereby controlling a dynamic range. Realizes enlargement, shutter function, and aperture function.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置に関し、特に、撮像素子上に光電変換部を覆う遮光部材を持つ撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置に関する。   The present invention relates to an image pickup device, an image pickup unit, and an image pickup device, and more particularly to an image pickup device, an image pickup unit, and an image pickup device having a light shielding member that covers a photoelectric conversion unit on the image pickup device.

従来のCCD(Charge Coupled Device)型撮像素子、あるいはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型撮像素子のような固体撮像素子では、画素内に配置された光電変換部により、入射光を電荷に変換して、映像信号を得る。光電変換部としては、例えばフォトMOSゲートやフォトダイオードが用いられる。CCD型撮像素子、CMOS型撮像素子のいずれも、一定の露光時間の間、光入射により発生する電荷を蓄積する構造になっており、かかる時間が経過後、蓄積された電荷量に応じた信号を出力する。   In a solid-state imaging device such as a conventional CCD (Charge Coupled Device) type imaging device or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) type imaging device, incident light is converted into electric charges by a photoelectric conversion unit arranged in the pixel. Get a video signal. For example, a photo MOS gate or a photodiode is used as the photoelectric conversion unit. Both the CCD image sensor and the CMOS image sensor have a structure for accumulating charges generated by light incidence for a certain exposure time, and after that time, a signal corresponding to the accumulated charge amount. Is output.

電荷蓄積可能な量は有限であるため、強い光が入射した場合、電荷が飽和してしまい、適正な出力信号を得ることができない。これを防ぐため、フィルタや絞りなどの光学的手段により、光入射を制限した場合、今度は弱い光入射に対して蓄積電荷量が少なすぎて、出力信号が周辺のノイズに埋もれてしまい、適正な出力信号を得ることができない。   Since the amount of charge that can be accumulated is finite, when strong light is incident, the charge is saturated and an appropriate output signal cannot be obtained. In order to prevent this, if the light incidence is limited by optical means such as a filter or a diaphragm, the accumulated charge amount is too small for the weak light incidence, and the output signal is buried in the surrounding noise, so it is appropriate Can not obtain a stable output signal.

すなわち、固体撮像素子には、適正な出力信号を得ることができる入射光量範囲(ダイナミックレンジ)が存在する。そして、その範囲は一般に、撮像対象の多くが持つ広いダイナミックレンジに比べて非常に狭い。従って、固体撮像素子のダイナミックレンジ拡大は強く望まれている。   That is, the solid-state imaging device has an incident light amount range (dynamic range) in which an appropriate output signal can be obtained. In general, the range is very narrow compared to the wide dynamic range of many imaging objects. Therefore, it is strongly desired to expand the dynamic range of the solid-state imaging device.

固体撮像素子あるいは信号処理の側からダイナミックレンジ拡大を試みた従来技術としては、フォトダイオード発生電荷を光量に応じて蓄積手段から捨てていくことで大光量入射時の飽和を防ぐもの(例えば、非特許文献1参照)、露光中に蓄積と放電を繰り返し、その回数と残り蓄積量から信号量を得るもの(例えば、非特許文献2参照)などがある。   As a prior art that attempted to expand the dynamic range from the solid-state imaging device or the signal processing side, the photodiode-generated charge is discarded from the storage means according to the amount of light to prevent saturation when a large amount of light is incident (for example, non- There is a technique in which accumulation and discharge are repeated during exposure and a signal amount is obtained from the number of times and the remaining accumulation amount (for example, see Non-Patent Document 2).

一方、CCD型撮像素子の撮像面の前面に、透過型液晶パネル等の光透過率の変化するフィルタ手段を設け、フィルタ手段の光透過率を撮像素子が出力する映像信号レベルに応じて制御することで、光入射自体を制御して、ダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。   On the other hand, filter means for changing light transmittance, such as a transmissive liquid crystal panel, is provided in front of the image pickup surface of the CCD image pickup device, and the light transmittance of the filter means is controlled according to the video signal level output from the image pickup device. Thus, a method for expanding the dynamic range by controlling light incidence itself has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、ダイナミックレンジ拡大を目的としたものではないが、撮像素子の画素上に各画素の開口部の一部分を遮光する遮光マスクを設け、マイクロアクチュエータを用いて遮光マスクの位置を切り換えて複数回撮像することで、画素数を増やすことなく高解像度化する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
Fritz J.Kub and Gordon Wood Anderson, ”Compressing Photodetectors for Long Optical Pulses Using a Lateral Blooming Drain structure,”IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 40, No. 10, pp.1740−1744, 1993 David Stoppa, Andrea Simoni, Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi and Gian−Franco Dalla Betta, ”Novel CMOS Image Sensor With a 132−dB Dynamic Range,” IEEE Journal of Solid−State Circuits, vol.37, No.12, pp.1846−1852, 2002 特開平6−70225号公報 特開平8−163449号公報
Although not intended to expand the dynamic range, a light-shielding mask that shields part of the opening of each pixel is provided on the pixels of the image sensor, and the micro-actuator is used to switch the position of the light-shielding mask and capture multiple times. Thus, a method for increasing the resolution without increasing the number of pixels has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
Fritz J.M. Kub and Gordon Wood Anderson, “Compressing Photodetectors for Long Optical Pulses Usage a Lateral Blowing Drain Structure,” IE Trav. 40, no. 10, pp. 1740-1744, 1993 David Stopa, Andre Simoni, Lorenzo Gonzo, Massimo Gottardi and Gian-Franco Dulla Beta 37, no. 12, pp. 1846-1852 2002 JP-A-6-70225 JP-A-8-163449

しかしながら、非特許文献1の方法では、電荷を捨てる量を制御するのに用いられるトランジスタがノイズ発生源となり、良好な映像信号が得られない可能性があり、非特許文献2の方法では、撮像素子の画素ごとにA/D変換回路等が必要となり、画素の開口率の低下、画素サイズの拡大を招く。   However, in the method of Non-Patent Document 1, there is a possibility that a transistor used for controlling the amount of charge to be discarded becomes a noise generation source, and a good video signal may not be obtained. An A / D conversion circuit or the like is required for each pixel of the element, which causes a decrease in pixel aperture ratio and an increase in pixel size.

特許文献1の方法では、透過型液晶パネル等の光透過率の変化するフィルタ手段がCCD型撮像素子の前に置かれた構成となっており、非遮光時の透過率が低い(例えば液晶パネルでは透過率が最高でも0.5以下)ために、撮像された画像のコントラストの低下を招いたり、遮光時にも完全遮光にならない(例えば、液晶パネルでは遮光時も0.01程度の透過率を示す)ために、電荷転送時には機械式シャッタが別に必要になったりする等の問題がある。また、液晶パネル等の材料の温度による特性変化が大きいため、低温や高温では性能がさらに制限される。さらに、液晶パネル等の応答速度が数ミリ秒程度のため透過と遮光の切換スピードが遅く、急激な光量変化に対して適切な光量制限ができない。   In the method of Patent Document 1, a filter unit that changes light transmittance, such as a transmissive liquid crystal panel, is placed in front of a CCD image sensor, and the transmittance when not shielded is low (for example, a liquid crystal panel). In this case, the transmittance is at most 0.5 or less. Therefore, the contrast of the captured image is reduced, and the light is not completely shielded even when the light is shielded (for example, a liquid crystal panel has a transmittance of approximately 0.01 even when shielded). Therefore, there is a problem that a separate mechanical shutter is required at the time of charge transfer. In addition, since the characteristic change due to the temperature of a material such as a liquid crystal panel is large, the performance is further limited at low and high temperatures. Furthermore, since the response speed of a liquid crystal panel or the like is about several milliseconds, the switching speed between transmission and light shielding is slow, and it is not possible to appropriately limit the amount of light for a sudden change in the amount of light.

また、特許文献2の方法では、遮光マスクの画素の開口部に対する相対的な遮光位置が変化することによって時系列的に開口位置を切り換えることで高解像度化するのみで、遮光量を可変に制御するものではないため、ダイナミックレンジの拡大は行えない。   In the method of Patent Document 2, the amount of light shielding is variably controlled only by increasing the resolution by switching the opening position in time series by changing the light shielding position relative to the opening of the pixel of the light shielding mask. The dynamic range cannot be expanded.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、適正な映像を取得できる光量範囲(以下、ダイナミックレンジと言う)を拡大するとともに、シャッタ機能や絞り機能も備えた撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and expands a light amount range (hereinafter referred to as a dynamic range) in which an appropriate image can be acquired, and has an image pickup element, an image pickup unit, and an image pickup device having a shutter function and an aperture function. An object is to provide an apparatus.

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。   The object of the present invention can be achieved by the following constitution.

1.光電変換部を持つ画素が2次元状に配置され、
前記光電変換部への入射光の全部または一部を可変に遮光するための、少なくとも1辺の長さが、ある画素の並び方向に並んだ画素列と、当該画素列に隣接する画素列との距離よりも短い遮光部材と、
前記遮光部材の位置を前記光電変換部上で移動させるための遮光駆動部とを含む遮光デバイスを備えたことを特徴とする撮像素子。
1. Pixels with photoelectric conversion parts are arranged in a two-dimensional shape,
A pixel column in which at least one side is arranged in the arrangement direction of a certain pixel, and a pixel column adjacent to the pixel column, in order to variably shield all or part of incident light to the photoelectric conversion unit; A light shielding member shorter than the distance of
An image pickup device comprising: a light shielding device including a light shielding driving unit for moving the position of the light shielding member on the photoelectric conversion unit.

2.前記遮光部材が端部で相互に連結されたことを特徴とする1に記載の撮像素子。   2. 2. The image pickup device according to 1, wherein the light shielding members are connected to each other at an end portion.

3.前記画素への入射光量を検知する入射光量検知部を備えたことを特徴とする1または2に記載の撮像素子。   3. The imaging device according to 1 or 2, further comprising an incident light amount detection unit that detects an incident light amount to the pixel.

4.前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする1または2に記載の撮像素子。   4). 3. The image sensor according to 1 or 2, further comprising: a light shielding amount storage unit that stores a light shielding amount that the light shielding device shields from light.

5.前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする3に記載の撮像素子。   5. 4. The image pickup device according to 3, wherein the light shielding device includes a light shielding amount storage unit that stores a light shielding amount that is shielded from light.

6.前記遮光駆動部は、前記遮光部材を電磁気的な力で移動させるものであることを特徴とする1乃至5の何れか1項に記載の撮像素子。   6). The imaging device according to any one of 1 to 5, wherein the light shielding driving unit is configured to move the light shielding member with an electromagnetic force.

7.1乃至6の何れか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える遮光デバイスが遮光する遮光量を可変に制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
7.1 The imaging device according to any one of 1 to 6,
An imaging unit comprising: a light shielding control unit that variably controls a light shielding amount of light shielding by a light shielding device included in the imaging element.

8.1、2または4の何れか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第1の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第1の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスが遮光する遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
8. The imaging device according to any one of items 1, 2, or 4,
Based on the photoelectric conversion output of the photoelectric conversion unit provided in the image sensor, a light shielding amount calculation unit having a first calculation mode for calculating the light shielding amount of the light shielding device provided in the image sensor;
An imaging unit, comprising: a light-blocking control unit that controls a light-blocking amount that the light-blocking device blocks light according to a calculation result of the light-blocking amount calculation unit having the first calculation mode.

9.4に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力と該撮像素子が備える遮光量記憶部に記憶された遮光量とを基に、該撮像素子が備える遮光部材が遮光する遮光量を算出する遮光量算出部と、
前記遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
An imaging device according to 9.4;
Based on the photoelectric conversion output of the photoelectric conversion unit included in the imaging device and the light shielding amount stored in the light shielding amount storage unit included in the imaging device, the light shielding amount for calculating the light shielding amount that the light shielding member included in the imaging device shields. A calculation unit;
An imaging unit, comprising: a light shielding control unit that controls a light shielding amount of the light shielding device according to a calculation result of the light shielding amount calculation unit.

10.3または5に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える入射光量検知部で検知された入射光量を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第4の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第4の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
10. The imaging device according to 10.3 or 5,
A light-blocking amount calculation unit having a fourth calculation mode for calculating a light-blocking amount of a light-blocking device included in the imaging device, based on the incident light amount detected by the incident light amount detection unit included in the imaging element;
An imaging unit comprising: a light shielding control unit that controls a light shielding amount of the light shielding device according to a calculation result of the light shielding amount calculation unit having the fourth calculation mode.

11.7に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
An imaging unit according to 11.7;
An imaging apparatus comprising: an imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit.

12.8または9に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を映像信号として出力する出力回路とを有し、
前記撮像制御部は、前記出力回路の映像信号出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第2の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
An imaging unit according to 12.8 or 9,
An imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit;
An output circuit that outputs a photoelectric conversion output of a photoelectric conversion unit included in the imaging device as a video signal;
The imaging control unit includes a light shielding amount calculation unit having a second calculation mode for calculating a light shielding amount of a light shielding device included in the imaging device based on a video signal output of the output circuit. apparatus.

13.10に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、前記撮像ユニットが備える入射光量検知部の入射光量出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第5の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
An imaging unit according to 13.10.
An imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit;
The imaging control unit includes a light-blocking amount calculation unit having a fifth calculation mode for calculating a light-blocking amount of a light-blocking device included in the imaging element based on an incident light amount output of an incident light amount detection unit included in the imaging unit. An imaging apparatus characterized by that.

14.8乃至10の何れか1項に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、撮像装置の状態に基づいて、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第3の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
The imaging unit according to any one of 14.8 to 10,
An imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit;
The imaging apparatus, comprising: a light shielding amount calculation unit having a third calculation mode for calculating a light shielding amount of a light shielding device included in the imaging device based on a state of the imaging device.

本発明によれば、画素上の遮光部材を駆動させて、光電変換部への光の入射面積を可変に制御することで、ダイナミックレンジを拡大するとともに、シャッタ機能や絞り機能も備えた撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を提供することができる。   According to the present invention, an image sensor having a shutter function and a diaphragm function is expanded while a light-shielding member on a pixel is driven to variably control an incident area of light to the photoelectric conversion unit. An imaging unit and an imaging apparatus can be provided.

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。尚、各図中、同一符号は同一または相当部分を示し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol shows the same or an equivalent part, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、本発明の一実施形態である撮像素子の模式図であって、遮光部材の各画素に対する配置レイアウト例を模式的に示した正面図である。図1(a)は、各画素毎に遮光部材が設けられた例、図1(b)は横方向の二画素の遮光部材が一体に設けられた例、図1(c)は、縦横2画素ずつの4画素の遮光部材が一体に設けられた例である。なお、ここでは簡単のために縦横2画素ずつの二次元アレイの例を示すが、当然、画素数は特に制限されるものではない。   FIG. 1 is a schematic view of an image sensor according to an embodiment of the present invention, and is a front view schematically showing an example of an arrangement layout for each pixel of a light shielding member. FIG. 1A shows an example in which a light shielding member is provided for each pixel, FIG. 1B shows an example in which light shielding members of two pixels in the horizontal direction are provided integrally, and FIG. This is an example in which a four-pixel light shielding member for each pixel is provided integrally. Here, for the sake of simplicity, an example of a two-dimensional array of two pixels vertically and horizontally is shown, but the number of pixels is naturally not limited.

図1において、撮像素子100は複数個の画素110を配列した素子であり、画素110は入射した光を電気信号に変換する光電変換部111を少なくとも1個有する。光電変換部111の光電変換出力は図示しない出力回路に向けて出力され、出力回路により映像信号として出力される。遮光部材112は光電変換部111への入射光の全部または一部を可変に遮光するように配置されている。   In FIG. 1, an image sensor 100 is an element in which a plurality of pixels 110 are arranged. The pixel 110 has at least one photoelectric conversion unit 111 that converts incident light into an electrical signal. The photoelectric conversion output of the photoelectric conversion unit 111 is output to an output circuit (not shown), and is output as a video signal by the output circuit. The light shielding member 112 is disposed so as to variably shield all or part of the incident light to the photoelectric conversion unit 111.

図1(a)の構成では、画素毎に遮光部材112が設けられているために、画素毎の遮光部材をそれぞれ独立して動作させることができ、画素毎に細やかな遮光制御が可能である。図1(b)および(c)の構成では、複数画素にまたがって遮光部材112が設けられているために、遮光部材112の配置に要する面積を画素面積に対して少ない比率にすることができ、その分、光電変換部111を大きくすることができて、画素面積を変えずに感度向上が可能である。さらに、図1(c)の構成ならば、例えばカラーを構成する画素の組(例えば、ベイヤ配列ならばR、G、G、Bの4画素)を1つの遮光部材で遮光することで、画素の組の遮光率を同一にできるので、後段でのカラーバランス補正が簡単化できる。   In the configuration of FIG. 1A, since the light shielding member 112 is provided for each pixel, the light shielding member for each pixel can be operated independently, and fine light shielding control is possible for each pixel. . In the configurations of FIGS. 1B and 1C, since the light shielding member 112 is provided across a plurality of pixels, the area required for the arrangement of the light shielding member 112 can be reduced with respect to the pixel area. Thus, the photoelectric conversion unit 111 can be enlarged, and the sensitivity can be improved without changing the pixel area. Further, in the configuration of FIG. 1C, for example, a pixel set (for example, four pixels R, G, G, and B in the case of a Bayer array) is shielded by one light shielding member, thereby forming a pixel. Since the shading rates of the two groups can be made the same, color balance correction in the subsequent stage can be simplified.

図1(a)に示したように、遮光部材112の少なくとも一辺の長さaは、画素110の並びの列と列の間の距離(以下、列間距離と言う)dよりも短く設定されている。図1(b)、図1(c)についても同様である。ここで、列間距離dについて図2を用いて詳述する。図2は、列間距離の定義について説明するための画素110の配列を示す模式図である。   As shown in FIG. 1A, the length a of at least one side of the light shielding member 112 is set to be shorter than the distance d between the columns of the pixels 110 (hereinafter referred to as the inter-column distance) d. ing. The same applies to FIGS. 1B and 1C. Here, the inter-column distance d will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing the arrangement of the pixels 110 for explaining the definition of the inter-column distance.

図2(a)において、矩形の画素110が水平および垂直方向に配列されている場合、例えば水平方向の隣り合うn列目の画素の並びHnとn+1列目の画素の並びHn+1とを考えると、列間距離dはHnとHn+1の間の距離つまり画素ピッチDhとなる。垂直方向についても同様の考え方でよい。一方、図2(b)に示した、六角形の画素110が稠密に配列された構造(所謂ハニカム構造)の撮像素子においては、水平および垂直方向については図2(a)と同様でよいが、斜め方向については、図2(b)に示した斜め方向の隣り合うn列目の画素の並びHnとn+1列目の画素の並びHn+1とを考えると、列間距離dはHnとHn+1の間の距離つまり斜め画素ピッチDbとなる。このように画素の配列に応じて列間距離が複数存在する場合、遮光部材112の少なくとも一辺の長さaは少なくとも一つの列間距離dよりも短く設定されている。   In FIG. 2A, when the rectangular pixels 110 are arranged in the horizontal and vertical directions, for example, consider an array Hn of adjacent pixels in the nth column in the horizontal direction and an array Hn + 1 in the n + 1th column. The inter-column distance d is the distance between Hn and Hn + 1, that is, the pixel pitch Dh. The same idea may be applied to the vertical direction. On the other hand, in the imaging device having a structure (so-called honeycomb structure) in which hexagonal pixels 110 are densely arranged as shown in FIG. 2B, the horizontal and vertical directions may be the same as those in FIG. With regard to the diagonal direction, when considering the pixel array Hn and the pixel sequence Hn + 1 of the n + 1th column shown in FIG. 2B, the inter-column distance d is Hn and Hn + 1. The distance between them, ie, the diagonal pixel pitch Db. Thus, when there are a plurality of inter-column distances according to the arrangement of the pixels, the length a of at least one side of the light shielding member 112 is set to be shorter than at least one inter-column distance d.

次に、遮光デバイス117のより具体的な構成例について、図3、図4および図5を用いて説明する。遮光デバイス117は、遮光部材112と遮光部材112を光電変換部111上で移動させるための遮光駆動部113とからなる。   Next, a more specific configuration example of the light shielding device 117 will be described with reference to FIGS. 3, 4, and 5. The light shielding device 117 includes a light shielding member 112 and a light shielding driving unit 113 for moving the light shielding member 112 on the photoelectric conversion unit 111.

図3は、遮光デバイス117の第1の実施の形態を示す図で、遮光デバイス117を構成する複数の遮光部材112aが、画素110上を互いに平行に移動する形式の例を示した模式図であり、図3(a)は、2画素を撮像素子100の撮像面側から見た図、図3(b)は、図3(a)のA−B断面の断面図である。本例では、遮光駆動部113を構成する第1の櫛歯状電極113aを画素110表面上に、第2の櫛歯状電極113bを遮光部材112a上にそれぞれ設けて、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間の静電気力により、遮光部材112aを互いに平行に図3(a)の上下方向に直線的に移動させるようになしてある。従って、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間に印加する電圧を制御することで、光電変換部111の遮光量を制御することができる。   FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of the light shielding device 117, and is a schematic diagram showing an example of a format in which a plurality of light shielding members 112a constituting the light shielding device 117 move in parallel with each other on the pixel 110. 3A is a diagram of two pixels viewed from the imaging surface side of the image sensor 100, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 3A. In this example, the first comb-like electrode 113a constituting the light-shielding driving unit 113 is provided on the surface of the pixel 110, and the second comb-like electrode 113b is provided on the light-shielding member 112a, so that the first comb-like electrode is provided. By the electrostatic force between the electrode 113a and the second comb-like electrode 113b, the light shielding members 112a are linearly moved in the vertical direction in FIG. Therefore, the light shielding amount of the photoelectric conversion unit 111 can be controlled by controlling the voltage applied between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b.

図4は、遮光デバイス117の第2の実施の形態を示す図で、遮光デバイス117を構成する複数の遮光部材112bが、画素110上を回転軸114を中心に回動する形式の例を示した模式図であり、図4(a)は、2画素を撮像素子100の撮像面側から見た図、図4(b)は、図4(a)のC−D−E断面の断面図である。本例では、遮光駆動部113を構成する第1の櫛歯状電極113aを画素110表面上に、第2の櫛歯状電極113bを遮光部材112b上に、回転軸114を中心に同心円弧状に設けて、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間の静電気力により、遮光部材112bを回転軸114を中心に回動させるようになしてある。従って、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間に印加する電圧を制御することで、光電変換部111の遮光量を制御することができる。   FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the light shielding device 117, and shows an example of a format in which a plurality of light shielding members 112 b constituting the light shielding device 117 rotate around the rotation axis 114 on the pixel 110. 4A is a diagram of two pixels viewed from the imaging surface side of the image sensor 100, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the CDE cross section of FIG. 4A. It is. In this example, the first comb-shaped electrode 113a constituting the light-shielding drive unit 113 is formed on the surface of the pixel 110, the second comb-shaped electrode 113b is disposed on the light-shielding member 112b, and concentrically around the rotation shaft 114. The light shielding member 112b is rotated about the rotation shaft 114 by the electrostatic force between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b. Therefore, the light shielding amount of the photoelectric conversion unit 111 can be controlled by controlling the voltage applied between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b.

図5は、遮光デバイス117の第3の実施の形態を示す図で、遮光デバイス117を構成する複数の遮光部材112cが支点115を中心に光電変換部111に覆い被さる位置と光電変換部111から離れる位置との間を回動する形式の例を示した模式図であり、図5(a)は、1画素を撮像素子100の撮像面側から見た図、図5(b)は、図5(a)のG側側面から見た図、図5(c)は、図5(a)のF−G断面の断面図である。本例では、遮光駆動部113を構成する第1の櫛歯状電極113aを画素110表面上に、第2の櫛歯状電極113bを板状部材112cの端部にそれぞれ設けて、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間の静電気力により、遮光部材112cを支点115を中心に光電変換部111に覆い被さる位置と光電変換部111から離れる位置との間を回動するようになしてある。従って、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間に印加する電圧を制御することで、光電変換部111の遮光量を制御することができる。   FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the light shielding device 117, and the positions where the plurality of light shielding members 112 c constituting the light shielding device 117 cover the photoelectric conversion unit 111 around the fulcrum 115 and the photoelectric conversion unit 111. FIG. 5A is a schematic diagram illustrating an example of a form that rotates between positions away from each other. FIG. 5A is a diagram in which one pixel is viewed from the imaging surface side of the image sensor 100, and FIG. The figure seen from the G side side surface of 5 (a), FIG.5 (c) are sectional drawings of the FG cross section of Fig.5 (a). In this example, the first comb-like electrode 113a constituting the light-shielding driving unit 113 is provided on the surface of the pixel 110, and the second comb-like electrode 113b is provided on the end of the plate-like member 112c. Due to the electrostatic force between the comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b, the position between the position where the light-shielding member 112c is covered by the photoelectric conversion unit 111 around the fulcrum 115 and the position away from the photoelectric conversion unit 111. It is designed to rotate. Therefore, the light shielding amount of the photoelectric conversion unit 111 can be controlled by controlling the voltage applied between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b.

図3、図4および図5に述べた例では、遮光駆動部113として、櫛歯状電極からなる電極構造を用いた静電アクチュエータを例示したが、平行平板など他の電極構造の静電アクチュエータであってもよい。また微小なコイルを作製し、電磁力で部材を移動するようにしても良いし、前述した特許文献2に例示されていたような圧電機能を用いたマイクロアクチュエータを用いてもよい。これらの遮光駆動部の製造は、マイクロマシン技術と呼ばれる、一般的なMEMS(Micro Electro−Mechanical System)製造プロセスを用いることで実現することが可能である。   In the example described in FIGS. 3, 4, and 5, an electrostatic actuator using an electrode structure composed of comb-like electrodes is illustrated as the light shielding drive unit 113, but an electrostatic actuator having another electrode structure such as a parallel plate is illustrated. It may be. Further, a minute coil may be manufactured and the member may be moved by electromagnetic force, or a microactuator using a piezoelectric function as exemplified in Patent Document 2 described above may be used. The manufacture of these light-shielding drive units can be realized by using a general MEMS (Micro Electro-Mechanical System) manufacturing process called micromachine technology.

遮光部材112(112a、112b、112c等)は、大きさが数ミクロン程度と小型であるため高速駆動が可能で、一般的な光スイッチとして用いられる液晶素子やエレクトロクロミック素子に比べ、非常に高速に光の遮断が可能である。また、完全遮光したときの遮光率も、液晶やエレクトロクロミック素子に比べて、きわめて高い。このため、入射光量を制御することによるダイナミックレンジ拡大のみならず、入射光量に無関係に遮光量を制御してカメラの絞りと同じく入射光量制御を行ったり、撮影終了後に完全遮光になるように制御してシャッタと同じ効果を出したりすることが可能である。特にシャッタは、全画素の遮光部材112を同時に制御することで、全画素同時露光(いわゆるグローバルシャッタ機能)が実現でき、シャッタ速度も非常に高速なものが実現できる。   The light shielding member 112 (112a, 112b, 112c, etc.) is small, about several microns in size, so that it can be driven at high speed, and is much faster than liquid crystal elements and electrochromic elements used as general optical switches. It is possible to block light. Further, the light shielding rate when completely shielded from light is extremely high as compared with liquid crystals and electrochromic elements. Therefore, in addition to expanding the dynamic range by controlling the amount of incident light, the amount of light is controlled regardless of the amount of incident light, and the amount of incident light is controlled in the same way as the aperture of the camera. It is possible to produce the same effect as the shutter. In particular, by simultaneously controlling the light shielding members 112 of all the pixels, the shutter can realize all pixel simultaneous exposure (so-called global shutter function), and can realize a very high shutter speed.

また、前述したように、液晶等は温度により粘性が著しく変化するため、遮光性能が保証できる温度範囲が非常に狭くなるが、本実施の形態のような遮光デバイスによれば、遮光部材を機械的に動かしてその位置を変えるものであるから、遮光デバイスを構成する材料として無機材料等の温度変化によって特性が変化し難い材料を選択できるので、動作温度範囲はきわめて広い。   Further, as described above, since the viscosity of liquid crystal and the like changes remarkably with temperature, the temperature range in which the light shielding performance can be guaranteed becomes very narrow. However, according to the light shielding device as in the present embodiment, the light shielding member is mechanically Since the position of the light-shielding device is changed by changing the position of the light-shielding device, a material whose characteristics are hardly changed by a temperature change such as an inorganic material can be selected.

なお、遮光デバイス117の駆動のためのエネルギーは、後述する遮光制御部123から遮光駆動部113までの接続線により供給される。   The energy for driving the light shielding device 117 is supplied through a connection line from a light shielding control unit 123 to a light shielding driving unit 113 described later.

次に、光電変換部111の遮光とダイナミックレンジの関係について、図6を用いて説明する。図6は、光電変換部111の遮光とダイナミックレンジの関係を示す模式図で、横軸に入射光量(B)、縦軸に撮像出力(V)をとった光電変換特性のグラフである。   Next, the relationship between the light shielding of the photoelectric conversion unit 111 and the dynamic range will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram showing the relationship between the light shielding of the photoelectric conversion unit 111 and the dynamic range, and is a graph of photoelectric conversion characteristics in which the horizontal axis represents the incident light quantity (B) and the vertical axis represents the imaging output (V).

まず、遮光を行わなかった場合、撮像出力(V)は、図6のL1のように、入射光量(B)が0(ゼロ)からB1までの範囲で線形性を保ち、B1以上では最大値(V=MAX)で飽和する。(実際には、CCD等ではB1以上の高輝度になるとスミアやブルーミングといった不具合が発生する場合があるが、ここでは簡単のために単に飽和するとして説明する。)この場合のダイナミックレンジをD1とする。   First, when the light is not shielded, the imaging output (V) maintains linearity in the range where the incident light quantity (B) is 0 (zero) to B1, as indicated by L1 in FIG. Saturates at (V = MAX). (Actually, in the case of a CCD or the like, there is a case where defects such as smear and blooming may occur when the luminance is higher than B1, but here it will be described as simply saturated for the sake of simplicity.) The dynamic range in this case is denoted as D1. To do.

遮光を50%行う、つまり光電変換部111を半分遮光すると、撮像出力(V)は、図6のL2のように、入射光量(B)が0(ゼロ)から2×B1までの範囲で線形性を保ち、2×B1以上では最大値で飽和する。この場合のダイナミックレンジD2=2×D1となり、ダイナミックレンジが2倍に拡大されたことになる。同様に、光電変換部111を75%、つまり3/4遮光すると、図6のL3のように、ダイナミックレンジD3=4×D1となり、ダイナミックレンジが4倍に拡大されたことになる。   When 50% is shielded, that is, when the photoelectric conversion unit 111 is half shielded, the imaging output (V) is linear in the range of incident light quantity (B) from 0 (zero) to 2 × B1, as indicated by L2 in FIG. It retains the property and saturates at the maximum value at 2 × B1 or more. In this case, the dynamic range D2 = 2 × D1, and the dynamic range is doubled. Similarly, if the photoelectric conversion unit 111 is shielded by 75%, that is, 3/4, the dynamic range becomes D3 = 4 × D1 as indicated by L3 in FIG. 6, and the dynamic range is expanded four times.

従って、例えば図1(a)のように、撮像素子100の各画素110毎に遮光部材112を設ければ、画素毎に遮光量を調整することが可能であり、強い光が入射している画素は遮光量を多く、弱い光が入射している画素は遮光量を少なくすることで、画素毎に、感度を犠牲にすることなく、ダイナミックレンジを制御することが可能となる。   Therefore, for example, as shown in FIG. 1A, if a light shielding member 112 is provided for each pixel 110 of the image sensor 100, the light shielding amount can be adjusted for each pixel, and strong light is incident. A pixel has a large light shielding amount, and a pixel receiving weak light has a small light shielding amount, so that the dynamic range can be controlled for each pixel without sacrificing sensitivity.

図1(b)、(c)のように遮光部材112を構成すれば、各々、複数画素を一つのグループとして、ダイナミックレンジを制御することができる。従って、例えば、前述したように、カラーを構成する画素の組毎にダイナミックレンジを制御したり、画面上の位置毎や、水平あるいは垂直ライン毎にダイナミックレンジを制御したりすることが可能となる。   If the light shielding member 112 is configured as shown in FIGS. 1B and 1C, the dynamic range can be controlled with a plurality of pixels as one group. Therefore, for example, as described above, the dynamic range can be controlled for each set of pixels constituting the color, or the dynamic range can be controlled for each position on the screen, for each horizontal or vertical line. .

次に、本発明における遮光デバイス117の第4の実施の形態について、図7を用いて説明する。図7は、本発明における遮光デバイス117の第4の実施の形態を示す模式図で、図3に示した第1の実施の形態の遮光部材112aが、撮像素子100の全画素で一体化された例である。図7において、遮光部材112dは、図3の遮光部材112aが画素の水平行の方向に1行ずつ連結され、さらに、撮像素子100上で画素の配置された領域外で垂直方向に連結されて一体化されている。   Next, a fourth embodiment of the light shielding device 117 according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing the fourth embodiment of the light shielding device 117 according to the present invention. The light shielding member 112a of the first embodiment shown in FIG. This is an example. In FIG. 7, the light shielding member 112d is connected to the light shielding member 112a of FIG. 3 one row at a time in the horizontal direction of the pixels, and is further connected in the vertical direction outside the area where the pixels are arranged on the image sensor 100. It is integrated.

遮光部材112dの垂直方向の連結部112eの裏面には、遮光駆動部113を構成する第2の櫛歯状電極113bが設けられ、撮像素子100上の画素の配置された領域外で第2の櫛歯状電極113bに対向する部分の表面には第1の櫛歯状電極113aが設けられており、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間に印加する電圧を制御することで、全画素の遮光部材112dを一括して移動させて全画素の遮光面積を同時に変化させることができる。これによって、画素110の露光量制御だけでなく、撮像素子100の全画素同時露出が行えるシャッタ機能を実現することができる。   A second comb-shaped electrode 113b constituting the light shielding driving unit 113 is provided on the back surface of the connecting portion 112e in the vertical direction of the light shielding member 112d. A first comb-shaped electrode 113a is provided on the surface of the portion facing the comb-shaped electrode 113b, and a voltage applied between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b. By controlling this, it is possible to simultaneously move the light shielding members 112d of all the pixels and simultaneously change the light shielding area of all the pixels. Thereby, not only the exposure amount control of the pixel 110 but also a shutter function capable of simultaneous exposure of all the pixels of the image sensor 100 can be realized.

本実施の形態によれば、遮光部材112dの移動量は光電変換部111の大きさ程度で非常に小さいため動作の高速化が可能であり、従来の機械式シャッタに比べて格段に高速のシャッタを実現することができる。さらに、従来のフォーカルプレーンシャッタのように撮像素子上の位置によって露光のタイミングが異なるといったことがなく、全画素同時露光が行えるので、高速で移動する被写体についても画像の流れが生じない。   According to the present embodiment, the amount of movement of the light shielding member 112d is very small, about the size of the photoelectric conversion unit 111, so that the operation can be speeded up, and the shutter is much faster than the conventional mechanical shutter. Can be realized. Furthermore, unlike the conventional focal plane shutter, the exposure timing does not differ depending on the position on the image sensor, and all pixels can be exposed simultaneously, so that no image flows even for a subject moving at high speed.

また、従来から知られているダイナミックレンジ拡大方法の1つで、露光時間の異なる複数枚の画像から適正露出部分を切り出して画像合成する方法においても、本実施の形態を用いることで非常に短い露出時間を実現することができるので、非常に明るい部分でも撮像素子の飽和が起こりにくく、従来に比べてダイナミックレンジを格段に広くすることが可能である。   Also, in the method of expanding the dynamic range, which is one of the conventionally known dynamic range expansion methods, and the image is synthesized by cutting out the appropriate exposure portion from a plurality of images having different exposure times, it is very short by using this embodiment. Since the exposure time can be realized, the image sensor is less likely to be saturated even in a very bright portion, and the dynamic range can be significantly widened compared to the conventional case.

図7に示した例では、遮光部材112dは、図3の遮光部材112aが画素の水平行の方向に1行ずつ連結され、さらに、撮像素子100上で画素の配置された領域外で垂直方向に連結されて一体化された例であるが、これに限らず、垂直列の方向に1列ずつ連結され、画素領域外で水平に連結されてもよい。   In the example shown in FIG. 7, the light shielding member 112 d is connected to the light shielding member 112 a of FIG. 3 in a horizontal direction of the pixels one by one, and further in the vertical direction outside the area where the pixels are arranged on the image sensor 100. However, the present invention is not limited to this, and may be connected one column at a time in the vertical column direction and horizontally connected outside the pixel region.

また、図7に示した例では、遮光部材112dは片側(図の右側)だけで垂直方向に連結されているが、図の左側にも連結部を設け、左側の連結部にも第1および第2の櫛歯状電極を設けてもよい。この場合、連結部を配置する部分の面積が大きくなる欠点はあるが、遮光部材112dの駆動力が大きくなり、機械的強度も増すので、より高速なシャッタ機能が実現できる。   In the example shown in FIG. 7, the light shielding member 112d is connected in the vertical direction only on one side (the right side in the figure), but a connecting part is also provided on the left side in the figure, and the first and A second comb-like electrode may be provided. In this case, although there is a drawback that the area of the portion where the connecting portion is disposed is increased, the driving force of the light shielding member 112d is increased and the mechanical strength is increased, so that a faster shutter function can be realized.

次に、遮光デバイス117の駆動制御の第1の実施の形態について、図8および図9を用いて説明する。   Next, a first embodiment of drive control of the light shielding device 117 will be described with reference to FIGS.

図8は、撮像素子100の1つの画素110に注目した時の回路ブロック図であり、図9は、図8に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。   FIG. 8 is a circuit block diagram when focusing on one pixel 110 of the image sensor 100, and FIG. 9 is a flowchart showing an operation flow of the circuit block shown in FIG.

まず、図8で、画素110は、光電変換部111と、遮光部材112と遮光駆動部113とからなる遮光デバイス117とを備え、複数の画素110と、後述する遮光量算出部121、遮光制御部123および出力回路126を含む周辺回路により、撮像素子100が構成される。   First, in FIG. 8, the pixel 110 includes a photoelectric conversion unit 111, a light shielding device 117 including a light shielding member 112 and a light shielding driving unit 113, and includes a plurality of pixels 110, a light shielding amount calculation unit 121 described later, and light shielding control. The imaging device 100 is configured by peripheral circuits including the unit 123 and the output circuit 126.

光電変換部111の光電変換出力116は遮光量算出部121に入力され、遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122は遮光制御部123に入力され、遮光制御部123の遮光制御出力124によって遮光駆動部113が駆動されて、遮光部材112の遮光量が制御される。遮光量算出部121は、図示しない外部回路からの遮光量算出部制御信号125により動作が制御される。一方、光電変換部111の光電変換出力116と遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122は出力回路126にも入力され、出力回路126で、信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施された後、映像信号127として図示しない外部回路に向けて出力される。   The photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is input to the light shielding amount calculation unit 121, and the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121 is input to the light shielding control unit 123. The light shielding drive unit 113 is driven by 124 and the light shielding amount of the light shielding member 112 is controlled. The operation of the light shielding amount calculation unit 121 is controlled by a light shielding amount calculation unit control signal 125 from an external circuit (not shown). On the other hand, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 and the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121 are also input to the output circuit 126, and the output circuit 126 performs predetermined signals such as signal amplification and noise removal. After the processing, the video signal 127 is output to an external circuit (not shown).

また、図8に破線で示したように、画素110毎に遮光量を記憶する遮光量記憶部128を追加して設けてもよい。遮光量記憶部128は、例えば画素110内に設けられたキャパシタからなり、例えば図3に示した例の第1の櫛歯状電極113aおよび第2の櫛歯状電極113bに並列に接続されることで、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間の静電気力をより安定的に長時間保持するものである。これによって、長秒時露出、つまり、遮光部材112の遮光量の制御から撮影終了までの時間が長い時でも、遮光部材112の遮光量をより安定して一定に保つことが可能となる。1つの遮光部材112で複数の画素を同時に遮光する場合、遮光量記憶部128は、当該複数画素毎に1つの割合で備えても良い。   Further, as indicated by a broken line in FIG. 8, a light shielding amount storage unit 128 that stores a light shielding amount for each pixel 110 may be additionally provided. The light shielding amount storage unit 128 includes, for example, a capacitor provided in the pixel 110, and is connected in parallel to, for example, the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b in the example illustrated in FIG. Thus, the electrostatic force between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b is more stably maintained for a long time. As a result, even when the exposure time is long, that is, when the time from the control of the light shielding amount of the light shielding member 112 to the end of photographing is long, the light shielding amount of the light shielding member 112 can be kept more stable and constant. When a plurality of pixels are simultaneously shielded by one light shielding member 112, the light shielding amount storage unit 128 may be provided at a ratio of one for each of the plurality of pixels.

次に、図8に示した撮像素子100における遮光デバイス117の駆動制御の流れを、図9を用いて説明する。図9は、撮像素子100における1回の撮影操作での遮光デバイス117の駆動制御の流れを示すフローチャートである。   Next, the flow of drive control of the light shielding device 117 in the image sensor 100 shown in FIG. 8 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a flowchart showing a flow of drive control of the light shielding device 117 in one imaging operation in the image sensor 100.

ステップS101では、遮光デバイス117の制御について第1のモードが選択されているか否かが判断される。第1のモードとは、「ダイナミックレンジの拡大を行う」モードである。第1のモードが選択されている場合(ステップ101;YES)、ステップS102の処理が実行され、第1のモードが選択されていない場合(ステップ101;NO)、ステップS111で、第2のモードが選択されて、処理が実行される。第2のモードとは、例えば「シャッタ動作を行う」モードである。   In step S101, it is determined whether or not the first mode is selected for the control of the light shielding device 117. The first mode is a mode for “enlarging the dynamic range”. If the first mode is selected (step 101; YES), the process of step S102 is executed. If the first mode is not selected (step 101; NO), the second mode is selected in step S111. Is selected and the process is executed. The second mode is, for example, a “shutter operation” mode.

ステップS102で、遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量を所定値に設定し、ステップS103で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で、光電変換部111の第1の露光を行い、ステップS104に進む。   In step S102, the light shielding drive unit 113 is driven to set the light shielding amount of the light shielding member 112 to a predetermined value, and in step S103, the first time of the photoelectric conversion unit 111 is shorter than the time required for original photographing. Exposure is performed, and the process proceeds to step S104.

ステップS111では、図示しない外部回路により、露出時間や絞り値を調整する露出演算が行われ、適正な絞り量やシャッタ速度に相当する制御信号125が露光量算出部121に出力され、ステップS104に進む。   In step S111, an exposure calculation for adjusting the exposure time and aperture value is performed by an external circuit (not shown), and a control signal 125 corresponding to an appropriate aperture amount and shutter speed is output to the exposure amount calculation unit 121, and the process proceeds to step S104. move on.

ステップS104では、ステップS103における第1の露光による光電変換部111の光電変換出力116又はステップS111で出力された制御信号125を基に、遮光量算出部121で撮影時の遮光量を計算し、ステップS105で、遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122を基に、遮光制御部123の遮光制御出力124により遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量の制御を行い、ステップS106で撮影が行われる。その後、光電変換部111の光電変換出力116は出力回路126に伝送され、ステップS107で、出力回路126で信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理が施された後、ステップS108で、映像信号127として図示しない外部回路に向けて出力される。   In step S104, based on the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 by the first exposure in step S103 or the control signal 125 output in step S111, the light shielding amount calculation unit 121 calculates the light shielding amount at the time of shooting, In step S <b> 105, based on the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121, the light shielding driving unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123 to control the light shielding amount of the light shielding member 112. In step S106, shooting is performed. Thereafter, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is transmitted to the output circuit 126. After predetermined signal processing such as signal amplification and noise removal is performed in the output circuit 126 in step S107, the video signal is output in step S108. 127 is output to an external circuit (not shown).

図8で遮光量記憶部128を追加して設ける場合、図8に破線で示したように、遮光部材112の現在の遮光量を記憶する遮光量記憶部128の遮光量記憶値161を、遮光量算出部121に入力することで、遮光量算出部121は、光電変換出力116と遮光量記憶値161を基に遮光量制御値122を算出することができる。それによって第1の露光が不要となり、ステップS102とステップS103の動作を省略することが可能なため、更なる高速動作が可能となる。   When the light shielding amount storage unit 128 is additionally provided in FIG. 8, the light shielding amount storage value 161 of the light shielding amount storage unit 128 that stores the current light shielding amount of the light shielding member 112 is set as the light shielding as shown by the broken line in FIG. By inputting to the amount calculation unit 121, the light shielding amount calculation unit 121 can calculate the light shielding amount control value 122 based on the photoelectric conversion output 116 and the light shielding amount storage value 161. As a result, the first exposure is not necessary, and the operations in steps S102 and S103 can be omitted, so that a higher speed operation is possible.

本実施の形態において、例えば、本撮像素子としてFT(Flame Transfer)型CCDを用いる場合のように、ステップS105の撮影終了後、光電変換部111の光電変換出力116が出力回路126に伝送されるまでの時間、光電変換部111への光入射をやめさせたい場合がある。FT型CCDでは光電変換出力116の転送路として光電変換部111そのものを用いるため、転送中に光が入射すると光電変換出力116そのものが変化してしまうからである。このような場合には、本撮像ユニットと別体でシャッタ装置を設けてもよいし、または前述したように、ステップS106の撮影終了と同時に完全遮光になるように、本撮像ユニットの遮光デバイス117をシャッタとして用いてもよい。前者ならば遮光デバイス117の制御が簡単になり、後者ならば別体のシャッタが不要となる。   In the present embodiment, for example, as in the case where an FT (Frame Transfer) type CCD is used as the main image sensor, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is transmitted to the output circuit 126 after the photographing in step S105. In some cases, it is desired to stop the light incident on the photoelectric conversion unit 111 until the time until This is because the FT-type CCD uses the photoelectric conversion unit 111 itself as a transfer path for the photoelectric conversion output 116, and therefore the photoelectric conversion output 116 itself changes when light enters during transfer. In such a case, a shutter device may be provided separately from the main imaging unit, or, as described above, the light shielding device 117 of the main imaging unit so as to be completely shielded simultaneously with the end of photographing in step S106. May be used as a shutter. In the former case, the control of the light shielding device 117 is simplified, and in the latter case, a separate shutter is unnecessary.

ステップS104での撮影時の遮光量計算の際に、図6で説明したように、第1の露光結果から、入射光量が少ない(つまり、暗い)と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い(つまり、明るい)と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部111が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。   When calculating the light shielding amount at the time of photographing in step S104, as described with reference to FIG. 6, the pixel determined that the incident light amount is small (that is, dark) from the first exposure result has a small light shielding amount. If pixels that are judged to have a lot of light (that is, bright) are made to have a large amount of light shielding, the pixels in the dark part will have sufficient sensitivity, and the pixels in the very bright part will not be saturated easily. The dynamic range expansion that is the object of the present invention is achieved.

なお、遮光量算出部121に入力される遮光量算出部制御信号125は、算出のタイミング等を制御する信号が主であるが、遮光量算出の対象となる画素110の情報、例えば撮像素子100のチップ上の位置やフィルタ色等の情報を含めてもよい。これらの情報に基づいて遮光量を算出すれば、撮影画面上の部分的な露光制御やカラーバランス補正処理の簡略化が可能となる。   Note that the light shielding amount calculation unit control signal 125 input to the light shielding amount calculation unit 121 is mainly a signal for controlling the calculation timing and the like, but information about the pixel 110 that is the target of the light shielding amount calculation, for example, the image sensor 100. Information such as the position on the chip and the filter color may be included. If the light shielding amount is calculated based on these pieces of information, partial exposure control and color balance correction processing on the photographing screen can be simplified.

また、本実施の形態においては、2回目以降の撮影動作においては、ステップS102の処理を省略して、前回の撮影時の遮光量のままで第1の露光を行うことも可能である。この場合、遮光部材112の制御を2度しなくてよいので、更なる高速化が可能である。   In the present embodiment, in the second and subsequent shooting operations, the process of step S102 can be omitted, and the first exposure can be performed with the light shielding amount at the previous shooting. In this case, since it is not necessary to control the light shielding member 112 twice, the speed can be further increased.

次に、遮光デバイス117の駆動制御の第2の実施の形態について、図10、図11および図12を用いて説明する。   Next, a second embodiment of drive control of the light shielding device 117 will be described with reference to FIG. 10, FIG. 11, and FIG.

図10は、撮像素子100の1つの画素110に注目した時の回路ブロック図であり、図11は、図10に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャート、図12は、図11に示したフローチャートの動作タイミングを示すタイミングチャートである。   FIG. 10 is a circuit block diagram when focusing on one pixel 110 of the image sensor 100. FIG. 11 is a flowchart showing an operation flow of the circuit block shown in FIG. 10, and FIG. 12 is shown in FIG. 6 is a timing chart showing the operation timing of the flowchart.

まず、図10においては、画素110に、入射光量を検知する入射光量検知部131が備えられている。入射光量検知部131は、遮光部材112によって遮光されない位置に配置されていればよく、画素110上であってもよいし、遮光部材112上に設けられていてもよい。入射光量検知部131の入射光量出力132は遮光量算出部121に入力される。   First, in FIG. 10, the pixel 110 is provided with an incident light amount detection unit 131 that detects the incident light amount. The incident light amount detection unit 131 may be disposed at a position that is not shielded by the light shielding member 112, and may be provided on the pixel 110 or may be provided on the light shielding member 112. The incident light amount output 132 of the incident light amount detector 131 is input to the light shielding amount calculator 121.

また、図8で説明したと同様に、画素110毎に、図10に破線で示した遮光量を記憶する遮光量記憶部128を追加して設けてもよい。この効果も、前述した図8の説明と同じである。   Further, as described with reference to FIG. 8, a light shielding amount storage unit 128 that stores a light shielding amount indicated by a broken line in FIG. 10 may be additionally provided for each pixel 110. This effect is also the same as described above with reference to FIG.

次に、図11のフローチャートにおいて、ステップS101では、第1のモードが選択されているか否かが判断される。第1のモードが選択されている場合(ステップ101;YES)、ステップS121の処理が実行され、第1のモードが選択されていない場合(ステップ101;NO)、ステップS111で第2のモードが選択されて、処理が実行される。   Next, in the flowchart of FIG. 11, in step S101, it is determined whether or not the first mode is selected. If the first mode is selected (step 101; YES), the process of step S121 is executed. If the first mode is not selected (step 101; NO), the second mode is set in step S111. Once selected, the process is executed.

ステップS121で、入射光量検知部131の露光により入射光量を検知し、ステップS122で、入射光量検知部131の入射光量出力132を基に、遮光量算出部121で撮影時の遮光量を算出し、ステップS123で、遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122を基に、遮光制御部123の遮光制御出力124により遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量の制御を行う。以降の処理は図9に示したものと同じであり、説明を省略する。   In step S121, the incident light amount is detected by exposure of the incident light amount detection unit 131. In step S122, the light shielding amount calculation unit 121 calculates the light shielding amount at the time of photographing based on the incident light amount output 132 of the incident light amount detection unit 131. In step S123, based on the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121, the light shielding driving unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123 to control the light shielding amount of the light shielding member 112. I do. The subsequent processing is the same as that shown in FIG.

次に、図12を用いて遮光デバイス117の駆動制御のタイミングを説明する。入射光量検知部131は、ステップS121で入射光量を検知し、入射光量出力132を遮光量算出部121に送信する。遮光量算出部121は、ステップS122で、入射光量出力132を基に遮光量を算出し、遮光制御部123と出力回路126に遮光量制御値122を送信する。遮光量制御部123は、ステップS123で、遮光量制御値122を基に、遮光制御出力124で遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112を遮光位置に移動する。   Next, the drive control timing of the light shielding device 117 will be described with reference to FIG. In step S <b> 121, the incident light amount detection unit 131 detects the incident light amount, and transmits an incident light amount output 132 to the light shielding amount calculation unit 121. In step S 122, the light shielding amount calculation unit 121 calculates a light shielding amount based on the incident light amount output 132, and transmits the light shielding amount control value 122 to the light shielding control unit 123 and the output circuit 126. In step S123, the light shielding amount control unit 123 drives the light shielding driving unit 113 with the light shielding control output 124 based on the light shielding amount control value 122, and moves the light shielding member 112 to the light shielding position.

一方、光電変換部111は、ステップS106で撮影を行い、光電変換出力116を出力回路126に送信する。出力回路126は、ステップS107で、光電変換出力116に遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施し、ステップS108で映像信号127を出力する。   On the other hand, the photoelectric conversion unit 111 performs imaging in step S <b> 106 and transmits the photoelectric conversion output 116 to the output circuit 126. In step S107, the output circuit 126 performs predetermined signal processing such as signal amplification and noise removal according to the light shielding amount on the photoelectric conversion output 116, and outputs the video signal 127 in step S108.

本実施の形態においては、1回の撮影動作(ステップS106開始からステップS108完了まで)の間に、次回の撮影のための遮光量算出と遮光部材制御を並行して実行させるようになしてある。以下、上述のように、入射光量検知部131を用いた遮光量算出動作と、第1の光電変換部111を用いた撮影動作を並行して繰り返す。   In the present embodiment, during one shooting operation (from the start of step S106 to the completion of step S108), the calculation of the light shielding amount for the next shooting and the light shielding member control are executed in parallel. . Hereinafter, as described above, the light-shielding amount calculation operation using the incident light amount detection unit 131 and the imaging operation using the first photoelectric conversion unit 111 are repeated in parallel.

図9で示した第1の実施の形態における遮光デバイス117の駆動制御の流れでは、光電変換部111での撮像動作は、ステップS103の第1の露光とステップS106の撮影の2回必要なため、映像信号127を得るまでに時間がかかるが、本第2の実施の形態では、光電変換部111での撮像動作はステップ106での撮影のみのため、映像信号127を得るまでの時間が短縮できる。   In the flow of drive control of the light-shielding device 117 in the first embodiment shown in FIG. 9, the imaging operation in the photoelectric conversion unit 111 is required twice, that is, the first exposure in step S103 and the imaging in step S106. Although it takes time to obtain the video signal 127, in the second embodiment, the imaging operation in the photoelectric conversion unit 111 is only performed in step 106, so the time until the video signal 127 is obtained is shortened. it can.

前述の図9の説明と同様に、本例においても、入射光量が少ない(つまり、暗い)と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い(つまり、明るい)と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部111が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。   Similarly to the description of FIG. 9 described above, also in this example, a pixel determined to have a small amount of incident light (that is, dark) has a small amount of light shielding, and a pixel determined to have a large amount of incident light (that is, bright) has a light shielding amount. If the number of pixels is increased, sufficient sensitivity can be obtained for dark pixels, and the photoelectric conversion unit 111 is less likely to be saturated even for very bright pixels, so that the dynamic range expansion that is the object of the present invention is achieved. .

次に、本発明における撮像ユニットの第1の実施の形態について、撮像装置を例に図13および図14を用いて説明する。   Next, a first embodiment of the imaging unit according to the present invention will be described with reference to FIGS. 13 and 14 by taking an imaging apparatus as an example.

図13は、撮像素子100の1つの画素110に注目した時の撮像装置1の回路ブロック図で、撮像ユニット10と、撮像制御部として機能する撮像装置制御部140とを有する。   FIG. 13 is a circuit block diagram of the imaging apparatus 1 when attention is paid to one pixel 110 of the imaging element 100, and includes the imaging unit 10 and an imaging apparatus control unit 140 that functions as an imaging control unit.

画素110はそれぞれ、光電変換部111と、遮光部材112と遮光駆動部113とからなる遮光デバイス117とを備え、複数の画素110と、図示しない周辺回路を含めて撮像素子100が構成される。撮像素子100と、後述する遮光量算出部121、遮光制御部123および出力回路126を含む周辺回路により、撮像ユニット10が構成される。   Each of the pixels 110 includes a photoelectric conversion unit 111 and a light shielding device 117 including a light shielding member 112 and a light shielding driving unit 113, and the imaging device 100 includes a plurality of pixels 110 and a peripheral circuit (not shown). The imaging unit 10 includes the imaging element 100 and peripheral circuits including a light shielding amount calculation unit 121, a light shielding control unit 123, and an output circuit 126, which will be described later.

なお、ここでは遮光量算出部121、遮光制御部123および出力回路126を含む周辺回路は撮像素子100とは別体のものとして説明するが、もちろん、これらは図8に示したように撮像素子100の内部に含まれてもよい。例えばCMOS型撮像素子ならば、これらを一体化することは特に難しいことではない。上記周辺回路を一体化した場合は、撮像素子自体が撮像ユニットとして動作することになる。   Here, the peripheral circuit including the light shielding amount calculation unit 121, the light shielding control unit 123, and the output circuit 126 will be described as being separate from the image sensor 100. However, as a matter of course, these are as shown in FIG. 100 may be included. For example, in the case of a CMOS image sensor, it is not particularly difficult to integrate them. When the peripheral circuits are integrated, the image pickup device itself operates as an image pickup unit.

光電変換部111の光電変換出力116は遮光量算出部121に入力され、遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122は遮光制御部123に入力され、遮光制御部123の遮光制御出力124によって遮光駆動部113が駆動されて、遮光部材112の遮光量が制御される。遮光量算出部121の動作は、撮像装置制御部140の遮光量算出部制御信号125により制御される。   The photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is input to the light shielding amount calculation unit 121, and the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121 is input to the light shielding control unit 123. The light shielding drive unit 113 is driven by 124 and the light shielding amount of the light shielding member 112 is controlled. The operation of the light shielding amount calculation unit 121 is controlled by a light shielding amount calculation unit control signal 125 of the imaging device control unit 140.

一方、光電変換部111の光電変換出力116と遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122は、出力回路126にも入力され、出力回路126で、遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施された後、映像信号127として撮像ユニット10外にある撮像装置制御部140のインターフェース143を介してCPU142に入力される。CPU142は、フラッシュメモリやハードディスク等の記憶デバイス146に記憶されたプログラムに従って映像信号127に所定の画像処理を施し、ディスプレイ144に表示したり、記憶デバイス146に記憶したりする。   On the other hand, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 and the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121 are also input to the output circuit 126, and the output circuit 126 performs signal amplification and noise according to the light shielding amount. After performing predetermined signal processing such as removal, the video signal 127 is input to the CPU 142 via the interface 143 of the imaging device control unit 140 outside the imaging unit 10. The CPU 142 performs predetermined image processing on the video signal 127 according to a program stored in the storage device 146 such as a flash memory or a hard disk, and displays the image signal 127 on the display 144 or stores it in the storage device 146.

また、図13で破線で示したように、画素110毎に遮光量を記憶する遮光量記憶部128を追加して設けてもよい。遮光量記憶部128は、例えば画素110内に設けられたキャパシタからなり、例えば前述した図3に示した例の第1の櫛歯状電極113aおよび第2の櫛歯状電極113bに並列に接続されることで、第1の櫛歯状電極113aと第2の櫛歯状電極113bの間の静電気力をより安定的に長時間保持するものである。これによって、長秒時露出、つまり、遮光部材112の遮光量の制御から撮影終了までの時間が長い時でも、遮光部材112の遮光量をより安定して一定に保つことが可能となる。1つの遮光部材112で複数の画素を同時に遮光する場合、遮光量記憶部128は、当該複数画素毎に1つの割合で備えても良い。   Further, as indicated by a broken line in FIG. 13, a light shielding amount storage unit 128 that stores a light shielding amount for each pixel 110 may be additionally provided. The light shielding amount storage unit 128 includes, for example, a capacitor provided in the pixel 110 and is connected in parallel to, for example, the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b in the example illustrated in FIG. Thus, the electrostatic force between the first comb-shaped electrode 113a and the second comb-shaped electrode 113b is more stably maintained for a long time. As a result, even when the exposure time is long, that is, when the time from the control of the light shielding amount of the light shielding member 112 to the end of photographing is long, the light shielding amount of the light shielding member 112 can be kept more stable and constant. When a plurality of pixels are simultaneously shielded by one light shielding member 112, the light shielding amount storage unit 128 may be provided at a ratio of one for each of the plurality of pixels.

遮光デバイス117の制御については、下記の3種類のモードでの制御が実行可能である。第1および第2のモードは、ダイナミックレンジの拡大を行うモードである。   As for the control of the light shielding device 117, the following three types of modes can be executed. The first and second modes are modes for expanding the dynamic range.

第1のモードは、撮像ユニット10上の遮光量算出部121によって、光電変換出力116を基に遮光量算出が行われ(第1の算出モード)、算出された遮光量制御値122が遮光制御部123に入力され、遮光制御部123の遮光制御出力124によって遮光駆動部113が駆動されて、遮光部材112の遮光量が制御される。   In the first mode, the light shielding amount calculation unit 121 on the imaging unit 10 calculates the light shielding amount based on the photoelectric conversion output 116 (first calculation mode), and the calculated light shielding amount control value 122 is the light shielding control. The light shielding driving unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123 and the light shielding amount of the light shielding member 112 is controlled.

第2のモードは、CPU142によって、インターフェース143に入力された映像信号127を基に遮光量算出が行われ(第2の算出モード)、算出された第2の遮光量制御値152がインターフェース143を介して遮光制御部123に入力され、遮光制御部123の遮光制御出力124によって遮光駆動部113が駆動されて、遮光部材112の遮光量が制御される。つまり、CPU142は遮光量算出部として機能する。   In the second mode, the CPU 142 calculates the light shielding amount based on the video signal 127 input to the interface 143 (second calculation mode), and the calculated second light shielding amount control value 152 sets the interface 143. The light shielding drive unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123, and the light shielding amount of the light shielding member 112 is controlled. That is, the CPU 142 functions as a light shielding amount calculation unit.

第1および第2のモードでは、入射光量が少ない(つまり、暗い)と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い(つまり、明るい)と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部111が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。   In the first and second modes, a pixel judged to have a small amount of incident light (that is, dark) has a small amount of light shielding, and a pixel judged to have a large amount of incident light (that is, bright) has a large amount of light blocked. For example, sufficient sensitivity can be obtained for pixels in dark portions, and the photoelectric conversion unit 111 is less likely to be saturated in pixels in very bright portions, so that the dynamic range expansion that is the object of the present invention is achieved.

第1のモードでは、撮像装置制御部140からは遮光量算出部制御信号125の供給を受けるだけで、CPU142に依存することなく撮像ユニット10内で完結した遮光量算出が行えるため、撮像装置1のシステム全体への負荷を増やすことなく、ダイナミックレンジ拡大が可能となる。   In the first mode, only by receiving the light shielding amount calculation unit control signal 125 from the imaging device control unit 140, the light shielding amount calculation completed within the imaging unit 10 can be performed without depending on the CPU 142. The dynamic range can be expanded without increasing the load on the entire system.

さらに、第2のモードでは、遮光量算出部としてCPU142を用いることで、撮像ユニット10上の遮光量算出部121よりも更に高度な遮光量算出を行ったり、遮光量算出をプログラマブルにすることも可能となる。   Furthermore, in the second mode, by using the CPU 142 as the light shielding amount calculation unit, it is possible to perform more advanced light shielding amount calculation than the light shielding amount calculation unit 121 on the imaging unit 10 or to make the light shielding amount calculation programmable. It becomes possible.

第3のモードは、CPU142によって、記憶デバイス146に記憶されたプログラムに従って第2の遮光量制御値152を算出し(第3の算出モード)、インターフェース143を介して遮光制御部123に入力する。   In the third mode, the CPU 142 calculates the second light shielding amount control value 152 according to the program stored in the storage device 146 (third calculation mode) and inputs the second light shielding amount control value 152 to the light shielding control unit 123 via the interface 143.

第3のモードでは、入射光量に無関係に遮光量を制御してカメラの絞りと同じく入射光量制御を行ったり、撮影終了後に完全遮光になるように制御してシャッタと同じ効果を出したりすることが可能である。特にシャッタは、全画素の遮光部材112を同時に制御することで、全画素同時露光(いわゆるグローバルシャッタ機能)が実現できる。さらに、使用される撮影レンズに合わせて画素毎に遮光量を調整することで、いわゆるコサイン4乗則等による周辺光量の低下を補正することも可能である。もちろん、CPU142を用いることで、第2のモードと第3のモードを組み合わせた制御も可能である。   In the third mode, the amount of light shielded is controlled regardless of the amount of incident light, and the amount of incident light is controlled in the same way as the diaphragm of the camera, or the same effect as the shutter is obtained by controlling the light to be completely shielded after shooting. Is possible. In particular, the shutter can simultaneously control the light shielding members 112 of all the pixels to realize simultaneous exposure of all the pixels (so-called global shutter function). Further, by adjusting the light shielding amount for each pixel in accordance with the photographing lens to be used, it is possible to correct a decrease in the amount of peripheral light due to a so-called cosine fourth law or the like. Of course, by using the CPU 142, control combining the second mode and the third mode is also possible.

次に、本発明における撮像ユニットの第1の実施の形態の動作について説明する。図14は、図13に示した撮像装置1における1回の撮影操作での遮光デバイス117の駆動制御の流れを示すフローチャートである。   Next, the operation of the first embodiment of the imaging unit in the present invention will be described. FIG. 14 is a flowchart showing a flow of drive control of the light shielding device 117 in one imaging operation in the imaging apparatus 1 shown in FIG.

ステップS101では、遮光デバイス117の制御について、第1のモードが選択されているか否かが判断される。遮光デバイス117の制御のモード選択は、例えば図13に示した入力部材145で選択された撮像動作の設定に基づいて、CPU142により選択される。例えば入力部材145で、「簡易ダイナミックレンジ拡大撮影」が選択された場合は第1のモードが、「高精度ダイナミックレンジ拡大撮影」が選択された場合は第2のモードが、「高速シャッタ撮影」が選択された場合には、第3のモードが選択される。   In step S101, it is determined whether or not the first mode is selected for the control of the light shielding device 117. The mode selection for the control of the light shielding device 117 is selected by the CPU 142 based on the setting of the imaging operation selected by the input member 145 shown in FIG. For example, the first mode is selected when “simple dynamic range expansion shooting” is selected with the input member 145, and the second mode is “high speed shutter shooting” when “high accuracy dynamic range expansion shooting” is selected. When is selected, the third mode is selected.

第1のモードが選択されている場合(ステップS101;YES)、ステップS102以下の処理が実行される。ステップS102で、遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量を所定値に設定し、ステップS103で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で、光電変換部111の第1の露光を行う。   When the first mode is selected (step S101; YES), the processing after step S102 is executed. In step S102, the light shielding drive unit 113 is driven to set the light shielding amount of the light shielding member 112 to a predetermined value, and in step S103, the first time of the photoelectric conversion unit 111 is shorter than the time required for original photographing. Perform exposure.

ステップS104(第1の算出モード)で、ステップS103における第1の露光による光電変換部111の光電変換出力116を基に、遮光量算出部121で撮影時の遮光量を計算し、ステップS105で、遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122を基に、遮光制御部123の遮光制御出力124により遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量の制御を行い、ステップS106で撮影が行われる。   In step S104 (first calculation mode), based on the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 by the first exposure in step S103, the light shielding amount calculation unit 121 calculates the light shielding amount at the time of shooting, and in step S105. Based on the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121, the light shielding driving unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123 to control the light shielding amount of the light shielding member 112. Shooting is performed in S106.

その後、光電変換部111の光電変換出力116と遮光量算出部121で算出された遮光量制御値122は出力回路126に伝送され、ステップS107で、出力回路126で遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理が施された後、ステップS108で、映像信号127としてインターフェース143を介してCPU142に向けて出力される。ステップS109で、CPU142により、映像信号127に対して記録あるいは表示に適した画像処理が施され、ステップS110で、記憶デバイス146に公知の画像ファイルとして記録され、あるいはディスプレイ144に表示される。   Thereafter, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 and the light shielding amount control value 122 calculated by the light shielding amount calculation unit 121 are transmitted to the output circuit 126. In step S107, the output circuit 126 amplifies the signal according to the light shielding amount, After predetermined signal processing such as noise removal is performed, the video signal 127 is output to the CPU 142 via the interface 143 in step S108. In step S109, the CPU 142 performs image processing suitable for recording or display on the video signal 127. In step S110, the video signal 127 is recorded as a known image file in the storage device 146 or displayed on the display 144.

ステップS101で第1のモードが選択されなかった場合(ステップS101;NO)、ステップS111で第2のモードが選択されているか否かが判断される。第2のモードが選択されている場合(ステップS111;YES)、ステップS112以下の処理が実行される。ステップS112で、遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量を所定値に設定し、ステップS113で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で、光電変換部111の第1の露光を行う。   If the first mode is not selected in step S101 (step S101; NO), it is determined whether or not the second mode is selected in step S111. When the second mode is selected (step S111; YES), the processing after step S112 is executed. In step S112, the light shielding drive unit 113 is driven to set the light shielding amount of the light shielding member 112 to a predetermined value, and in step S113, the first time of the photoelectric conversion unit 111 is shorter than the time required for original photographing. Perform exposure.

ステップS114(第2の算出モード)で、ステップS113における第1の露光による光電変換部111の光電変換出力116を基に、CPU142で撮影時の遮光量が計算され、第2の遮光量制御値152が遮光制御部123に入力され、ステップS115で、CPU142で算出された第2の遮光量制御値152を基に、遮光制御部123の遮光制御出力124により遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112の遮光量の制御を行い、ステップS106に進む。以下、上述したステップS106以降の動作が行われる。   In step S114 (second calculation mode), based on the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 by the first exposure in step S113, the CPU 142 calculates the light shielding amount at the time of shooting, and the second light shielding amount control value. 152 is input to the light shielding control unit 123. In step S115, the light shielding driving unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123 based on the second light shielding amount control value 152 calculated by the CPU 142. The light shielding amount of the light shielding member 112 is controlled, and the process proceeds to step S106. Thereafter, the operations after step S106 described above are performed.

ステップS111で第2のモードが選択されなかった場合(ステップS111;NO)、ステップS121に進む。ステップS121では、撮像装置1の各種状態が確認され、ステップS122(第3の算出モード)で、CPU142により露出時間や絞り値を調定する露出演算が行われ、適正な絞り量やシャッタ速度に相当する第2の遮光量制御値152が、遮光制御部123に入力され、ステップS115に進む。以下、上述したステップS115以降の動作が行われる。   If the second mode is not selected in step S111 (step S111; NO), the process proceeds to step S121. In step S121, various states of the imaging apparatus 1 are confirmed, and in step S122 (third calculation mode), an exposure calculation for adjusting the exposure time and aperture value is performed by the CPU 142 to obtain an appropriate aperture amount and shutter speed. The corresponding second light shielding amount control value 152 is input to the light shielding control unit 123, and the process proceeds to step S115. Thereafter, the operations after step S115 described above are performed.

図13で遮光量記憶部128を追加して設ける場合、図13に破線で示したように、遮光部材112の現在の遮光量を記憶する遮光量記憶部128の遮光量記憶値161を、遮光量算出部121に入力することで、遮光量算出部121は、光電変換出力116と遮光量記憶値161を基に遮光量制御値122を算出することができる。それによって第1の露光が不要となり、ステップS102とステップS103の動作を省略することが可能なため、更なる高速動作が可能となる。   When the light shielding amount storage unit 128 is additionally provided in FIG. 13, the light shielding amount storage value 161 of the light shielding amount storage unit 128 that stores the current light shielding amount of the light shielding member 112, as indicated by a broken line in FIG. By inputting to the amount calculation unit 121, the light shielding amount calculation unit 121 can calculate the light shielding amount control value 122 based on the photoelectric conversion output 116 and the light shielding amount storage value 161. As a result, the first exposure is not necessary, and the operations in steps S102 and S103 can be omitted, so that a higher speed operation is possible.

同様に、遮光量記憶値161を、インターフェース143を介してCPU142に入力することで、ステップS112とステップS113の動作を省略することも可能であるし、遮光量算出部としてCPU142を用いるならば、第2の遮光量制御値152を記憶デバイス146に記憶しておき、それを用いて次回の撮影の遮光量制御値122を算出することも可能である。   Similarly, by inputting the light shielding amount storage value 161 to the CPU 142 via the interface 143, the operations in step S112 and step S113 can be omitted. If the CPU 142 is used as the light shielding amount calculation unit, It is also possible to store the second light shielding amount control value 152 in the storage device 146 and use it to calculate the light shielding amount control value 122 for the next shooting.

本実施の形態において、例えば、撮像素子としてFT(Flame Transfer)型CCDを用いる場合のように、ステップS105の撮影終了後、光電変換部111の光電変換出力116が出力回路126に伝送されるまでの時間、光電変換部111への光入射をやめさせたい場合がある。FT型CCDでは光電変換出力116の転送路として光電変換部111そのものを用いるため、転送中に光が入射すると光電変換出力116そのものが変化してしまうからである。このような場合には、本撮像ユニットと別体でシャッタ装置を設けてもよいし、または前述したように、ステップS106の撮影終了と同時に完全遮光になるように、本撮像ユニットの遮光デバイス117をシャッタとして用いてもよい。前者ならば遮光デバイス117の制御が簡単になり、後者ならば別体のシャッタが不要となる。   In the present embodiment, for example, when an FT (Frame Transfer) type CCD is used as the image sensor, after the photographing in step S105 is completed, until the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is transmitted to the output circuit 126. There is a case where it is desired to stop the light incident on the photoelectric conversion unit 111 during this time. This is because the FT-type CCD uses the photoelectric conversion unit 111 itself as a transfer path for the photoelectric conversion output 116, and therefore the photoelectric conversion output 116 itself changes when light enters during transfer. In such a case, a shutter device may be provided separately from the main imaging unit, or, as described above, the light shielding device 117 of the main imaging unit so as to be completely shielded simultaneously with the end of photographing in step S106. May be used as a shutter. In the former case, the control of the light shielding device 117 is simplified, and in the latter case, a separate shutter is unnecessary.

ステップS104での撮影時の遮光量計算の際に、前述した図6で説明するように、第1の露光結果から、入射光量が少ない(つまり、暗い)と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い(つまり、明るい)と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部111が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。   When calculating the light shielding amount at the time of photographing in step S104, as described with reference to FIG. 6 described above, the pixel determined that the incident light amount is small (that is, dark) from the first exposure result has a small light shielding amount. If pixels that are judged to have a large amount of incident light (that is, bright) are made to have a large amount of light shielding, the pixels in the dark part will have sufficient sensitivity, and the photoelectric conversion unit 111 will not be saturated even in the pixels in the very bright part. Thus, the dynamic range expansion that is the object of the present invention is achieved.

なお、遮光量算出部121に入力される遮光量算出部制御信号125は、算出のタイミング等を制御する信号が主であるが、遮光量算出の対象となる画素110の情報、例えば撮像素子100のチップ上の位置やフィルタ色等の情報を含めてもよい。これらの情報に基づいて遮光量を算出すれば、撮影画面上の部分的な露光制御やカラーバランス補正処理の簡略化が可能となる。   Note that the light shielding amount calculation unit control signal 125 input to the light shielding amount calculation unit 121 is mainly a signal for controlling the calculation timing and the like, but information about the pixel 110 that is the target of the light shielding amount calculation, for example, the image sensor 100. Information such as the position on the chip and the filter color may be included. If the light shielding amount is calculated based on these pieces of information, partial exposure control and color balance correction processing on the photographing screen can be simplified.

また、本実施の形態においては、2回目以降の撮影動作においては、ステップS102の処理を省略して、前回の撮影時の遮光量のままで第1の露光を行うことも可能である。この場合、遮光部材112の制御を2度しなくてよいので、更なる高速化が可能である。   In the present embodiment, in the second and subsequent shooting operations, the process of step S102 can be omitted, and the first exposure can be performed with the light shielding amount at the previous shooting. In this case, since it is not necessary to control the light shielding member 112 twice, the speed can be further increased.

次に、本発明における撮像ユニットの第2の実施の形態について、撮像装置を例に図15、図16および図17を用いて説明する。   Next, a second embodiment of the imaging unit according to the present invention will be described with reference to FIGS. 15, 16, and 17 taking an imaging apparatus as an example.

図15は、撮像素子100の1つの画素110に注目した時の撮像装置1の回路ブロック図で、撮像ユニット10と、撮像制御部として機能する撮像装置制御部140とを有する。   FIG. 15 is a circuit block diagram of the imaging apparatus 1 when attention is paid to one pixel 110 of the imaging element 100, and includes the imaging unit 10 and an imaging apparatus control unit 140 that functions as an imaging control unit.

まず、図15においては、図10と同様に、画素110に入射光量を検知する入射光量検知部131が備えられている。入射光量検知部131は、遮光部材112によって遮光されない位置に配置されていればよく、画素110上であってもよいし、遮光部材112上に設けられていてもよい。入射光量検知部131の入射光量出力132は遮光量算出部121に入力される。   First, in FIG. 15, similarly to FIG. 10, the pixel 110 is provided with an incident light amount detection unit 131 that detects the incident light amount. The incident light amount detection unit 131 may be disposed at a position that is not shielded by the light shielding member 112, and may be provided on the pixel 110 or may be provided on the light shielding member 112. The incident light amount output 132 of the incident light amount detector 131 is input to the light shielding amount calculator 121.

また、図13で説明したと同様に、画素110毎に、図15に破線で示した遮光量を記憶する遮光量記憶部128を追加して設けてもよい。この効果も、前述した図13の説明と同じである。さらに、図15に破線で示したように光電変換部111の光電変換出力116を遮光量算出部121に入力し、入射光量検知部131の入射光量出力132ではなく、光電変換出力116を用いて遮光量を算出してもよい。この場合の動作は、図13および図14に示したものと同じである。   Further, as described with reference to FIG. 13, a light shielding amount storage unit 128 that stores a light shielding amount indicated by a broken line in FIG. 15 may be additionally provided for each pixel 110. This effect is also the same as described above with reference to FIG. Further, as indicated by a broken line in FIG. 15, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is input to the light shielding amount calculation unit 121, and the photoelectric conversion output 116 is used instead of the incident light amount output 132 of the incident light amount detection unit 131. The light shielding amount may be calculated. The operation in this case is the same as that shown in FIGS.

次に、図16を用いて図15に示した撮像装置1における遮光デバイス117の駆動制御の流れを説明する。図16は、第2の実施の形態における撮像装置1の1回の撮影操作での遮光デバイス117の駆動制御の流れを示すフローチャートである。   Next, the flow of drive control of the light shielding device 117 in the imaging apparatus 1 shown in FIG. 15 will be described using FIG. FIG. 16 is a flowchart showing a flow of drive control of the light shielding device 117 in one shooting operation of the imaging apparatus 1 according to the second embodiment.

ステップS201では、遮光デバイス117の制御について、第4のモードが選択されているか否かが判断される。第4のモードが選択されている場合(ステップS201;YES)、ステップS203で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で入射光量検知部131の露光を行い、ステップS204(第4の算出モード)で、ステップS203における入射光量検知部131の露光による入射光量出力132を基に遮光量算出部121で撮影時の遮光量を算出し、ステップS105に進む。以降の処理は図14に示したものと同じであり、説明を省略する。   In step S201, it is determined whether or not the fourth mode is selected for the control of the light shielding device 117. When the fourth mode is selected (step S201; YES), in step S203, the incident light amount detection unit 131 is exposed in a time shorter than the time required for original photographing, and step S204 (fourth calculation mode) is performed. ), The light shielding amount calculation unit 121 calculates the light shielding amount at the time of photographing based on the incident light amount output 132 by the exposure of the incident light amount detection unit 131 in step S203, and the process proceeds to step S105. The subsequent processing is the same as that shown in FIG.

次に、ステップS201で第4のモードが選択されていない場合(ステップS201;NO)、ステップS211で第5のモードが選択されているか否かが判断される。第5のモードが選択されている場合(ステップS211;YES)、ステップS213で、本来の撮影に要する時間よりも短い時間で入射光量検知部131の露光を行い、ステップS214(第5の算出モード)で、ステップS213における入射光量検知部131の露光による入射光量出力132を基にCPU142で撮影時の遮光量を計算し、ステップS115に進む。以降の処理は図14に示したものと同じであり、説明を省略する。   Next, when the fourth mode is not selected in step S201 (step S201; NO), it is determined whether or not the fifth mode is selected in step S211. When the fifth mode is selected (step S211; YES), in step S213, the incident light amount detection unit 131 is exposed in a time shorter than the time required for original photographing, and step S214 (fifth calculation mode) is performed. In step S213, the CPU 142 calculates a light shielding amount at the time of photographing based on the incident light amount output 132 by the exposure of the incident light amount detector 131 in step S213, and the process proceeds to step S115. The subsequent processing is the same as that shown in FIG.

ステップS211で第5のモードが選択されなかった場合(ステップS211;NO)は図14と同様に第3のモードでの制御になるが、これについては、図14と同一であるので、説明を省略する。   If the fifth mode is not selected in step S211 (step S211; NO), the control is performed in the third mode as in FIG. 14, but this is the same as in FIG. Omitted.

第4のモードは、図13で示した第1のモードと同様に、撮像ユニット10上の遮光量算出部121によって、入射光量出力132を基に遮光量算出が行われ(第4の算出モード)、算出された遮光量制御値122が遮光制御部123に入力され、遮光制御部123の遮光制御出力124によって遮光駆動部113が駆動されて、遮光部材112の遮光量が制御される。   In the fourth mode, similarly to the first mode shown in FIG. 13, the light shielding amount calculation unit 121 on the imaging unit 10 calculates the light shielding amount based on the incident light amount output 132 (fourth calculation mode). ), The calculated light shielding amount control value 122 is input to the light shielding control unit 123, and the light shielding driving unit 113 is driven by the light shielding control output 124 of the light shielding control unit 123 to control the light shielding amount of the light shielding member 112.

第5のモードは、図13で示した第2のモードと同様に、CPU142によって、インターフェース143に入力された入射光量出力132を基に遮光量算出が行われ(第5の算出モード)、算出された第2の遮光量制御値152がインターフェース143を介して遮光制御部123に入力され、遮光制御部123の遮光制御出力124によって遮光駆動部113が駆動されて、遮光部材112の遮光量が制御される。つまり、CPU142は遮光量算出部として機能する。   In the fifth mode, similarly to the second mode shown in FIG. 13, the CPU 142 calculates the light shielding amount based on the incident light amount output 132 input to the interface 143 (fifth calculation mode). The second light-shielding amount control value 152 is input to the light-shielding control unit 123 via the interface 143, and the light-shielding drive unit 113 is driven by the light-shielding control output 124 of the light-shielding control unit 123. Be controlled. That is, the CPU 142 functions as a light shielding amount calculation unit.

次に、図17を用いて遮光デバイス117の駆動制御のタイミングを説明する。図17は、図16に示したフローチャートの、第4と第5のモードでの動作タイミングを示すタイミングチャートである。なお、図13乃至図16と同一の部分には同符号を付してその説明を省略する。   Next, the drive control timing of the light shielding device 117 will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a timing chart showing operation timings in the fourth and fifth modes of the flowchart shown in FIG. The same parts as those in FIGS. 13 to 16 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

ステップS201で第4のモードが選択されている場合、入射光量検知部131は、ステップS203で入射光量を検知し、入射光量出力132を遮光量算出部121に送信する。遮光量算出部121は、ステップS204で、入射光量出力132を基に遮光量を算出し、遮光制御部123と出力回路126に遮光量制御値122を送信する。遮光量制御部123は、ステップS105で、遮光量制御値122を基に、遮光制御出力124で遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112を遮光位置に移動する。   When the fourth mode is selected in step S <b> 201, the incident light amount detection unit 131 detects the incident light amount in step S <b> 203 and transmits an incident light amount output 132 to the light shielding amount calculation unit 121. In step S <b> 204, the light shielding amount calculation unit 121 calculates a light shielding amount based on the incident light amount output 132, and transmits the light shielding amount control value 122 to the light shielding control unit 123 and the output circuit 126. In step S <b> 105, the light shielding amount control unit 123 drives the light shielding driving unit 113 with the light shielding control output 124 based on the light shielding amount control value 122 to move the light shielding member 112 to the light shielding position.

一方、光電変換部111は、ステップS106で撮影を行い、光電変換出力116を出力回路126に送信する。出力回路126は、ステップS107で、光電変換出力116に遮光量に応じた信号増幅、雑音除去等の所定の信号処理を施し、ステップS108で映像信号127を出力する。   On the other hand, the photoelectric conversion unit 111 performs imaging in step S <b> 106 and transmits the photoelectric conversion output 116 to the output circuit 126. In step S107, the output circuit 126 performs predetermined signal processing such as signal amplification and noise removal according to the light shielding amount on the photoelectric conversion output 116, and outputs the video signal 127 in step S108.

ステップS211で第5のモードが選択されている場合、入射光量検知部131は、ステップS213で入射光量を検知し、入射光量出力132をCPU142に送信する。CPU142は、ステップS214で、入射光量出力132を基に遮光量を算出し、遮光制御部123と出力回路126に第2の遮光量制御値152を送信する。遮光量制御部123は、ステップS115で、第2の遮光量制御値152を基に、遮光制御出力124で遮光駆動部113を駆動して、遮光部材112を遮光位置に移動する。以降は上述と同じであるので、説明は省略する。   When the fifth mode is selected in step S211, the incident light amount detector 131 detects the incident light amount in step S213 and transmits the incident light amount output 132 to the CPU 142. In step S <b> 214, the CPU 142 calculates a light shielding amount based on the incident light amount output 132 and transmits the second light shielding amount control value 152 to the light shielding control unit 123 and the output circuit 126. In step S115, the light shielding amount control unit 123 drives the light shielding driving unit 113 with the light shielding control output 124 based on the second light shielding amount control value 152, and moves the light shielding member 112 to the light shielding position. Since the subsequent steps are the same as described above, description thereof is omitted.

本実施の形態においては、1回の撮影動作(ステップS106開始からステップS108完了まで)の間に、次回の撮影のための遮光量算出と遮光部材制御を並行して実行させるようになしてある。以下、上述のように、入射光量検知部131を用いた遮光量算出動作と、第1の光電変換部111を用いた撮影動作を並行して繰り返す。   In the present embodiment, during one shooting operation (from the start of step S106 to the completion of step S108), the calculation of the light shielding amount for the next shooting and the light shielding member control are executed in parallel. . Hereinafter, as described above, the light-shielding amount calculation operation using the incident light amount detection unit 131 and the imaging operation using the first photoelectric conversion unit 111 are repeated in parallel.

これによって、図14で示した第1の実施の形態における遮光部材112の駆動制御の流れでは、光電変換部111での撮像動作は、ステップS103あるいはステップS113の第1の露光とステップS106の撮影の2回必要なため、映像信号127を得るまでに時間がかかるが、本第2の実施の形態では、光電変換部111での撮像動作はステップ106での撮影のみのため、映像信号127を得るまでの時間が短縮できる。   Accordingly, in the flow of driving control of the light shielding member 112 in the first embodiment shown in FIG. 14, the imaging operation in the photoelectric conversion unit 111 is the first exposure in step S103 or step S113 and the imaging in step S106. However, in this second embodiment, since the imaging operation in the photoelectric conversion unit 111 is only for photographing in step 106, the video signal 127 is obtained. Time to get can be shortened.

前述の図14の説明と同様に、本例においても、入射光量が少ない(つまり、暗い)と判断した画素は遮光量を少なく、入射光量が多い(つまり、明るい)と判断した画素は遮光量を多くするようにすれば、暗い部分の画素は十分な感度がとれ、非常に明るい部分の画素も光電変換部111が飽和しにくくなるので、本発明の目的であるダイナミックレンジ拡大が達成される。   Similarly to the description of FIG. 14 described above, also in this example, a pixel determined to have a small amount of incident light (that is, dark) has a small amount of light shielding, and a pixel determined to have a large amount of incident light (that is, bright) If the number of pixels is increased, sufficient sensitivity can be obtained for dark pixels, and the photoelectric conversion unit 111 is less likely to be saturated even for very bright pixels, so that the dynamic range expansion that is the object of the present invention is achieved. .

さらに、図14で示した第1の実施の形態における遮光デバイス117の駆動制御の流れでは、光電変換部111での撮像動作は、ステップS103あるいはステップS113の第1の露光とステップS106の撮影の2回必要なため、映像信号127を得るまでに時間がかかるが、本第2の実施の形態では、光電変換部111での撮像動作はステップ106での撮影のみのため、映像信号127を得るまでの時間が短縮できる。   Furthermore, in the flow of drive control of the light shielding device 117 in the first embodiment shown in FIG. 14, the imaging operation in the photoelectric conversion unit 111 is performed by the first exposure in step S103 or step S113 and the imaging in step S106. Since it is necessary twice, it takes time until the video signal 127 is obtained. However, in the second embodiment, the video signal 127 is obtained because the imaging operation in the photoelectric conversion unit 111 is only the shooting in step 106. Can be shortened.

次に、本発明における撮像ユニットの第3の実施の形態について、撮像装置を例に図18および図19を用いて説明する。   Next, a third embodiment of the imaging unit according to the present invention will be described with reference to FIGS. 18 and 19 by taking an imaging apparatus as an example.

図18は、撮像素子100の1つの画素110に注目した時の撮像装置1の回路ブロック図で、図13から、撮像ユニット10内の遮光量算出部121を省略したものである。   FIG. 18 is a circuit block diagram of the image pickup apparatus 1 when attention is paid to one pixel 110 of the image pickup element 100. FIG. 18 omits the light shielding amount calculation unit 121 in the image pickup unit 10 from FIG.

図18では、図13から遮光量算出部121が省略されているため、遮光量制御値122は存在しない。また、光電変換部111の光電変換出力116は出力回路126にのみ入力されている。また、遮光デバイス117の3つの制御モードの内、第1のモードは存在しない。その他は、図13と同じである。   In FIG. 18, since the light shielding amount calculation unit 121 is omitted from FIG. 13, the light shielding amount control value 122 does not exist. Further, the photoelectric conversion output 116 of the photoelectric conversion unit 111 is input only to the output circuit 126. Of the three control modes of the light shielding device 117, the first mode does not exist. Others are the same as FIG.

次に、図19を用いて図18に示した撮像装置1における遮光デバイス117の駆動制御の流れを説明する。図19は、撮像装置1における1回の撮影操作での遮光デバイス117の駆動制御の流れを示すフローチャートである。上述したように、本発明における撮像ユニットの第1の実施の形態における遮光デバイス117の3つの制御モードの内、第1のモードは存在しない。つまり、図19は、図14から、ステップS101からステップS105を削除したものである。よって、詳細な説明は省略する。   Next, the flow of drive control of the light shielding device 117 in the imaging apparatus 1 shown in FIG. 18 will be described using FIG. FIG. 19 is a flowchart showing a flow of drive control of the light shielding device 117 in one imaging operation in the imaging apparatus 1. As described above, the first mode does not exist among the three control modes of the light shielding device 117 in the first embodiment of the imaging unit of the present invention. That is, FIG. 19 is obtained by deleting steps S101 to S105 from FIG. Therefore, detailed description is omitted.

本第3の実施の形態によれば、撮像ユニット10側に、演算機能が必要な遮光量算出部121を設けていないために、撮像ユニット10の回路規模を小さくすることができ、小型化と低価格化に有利である。また、遮光量算出に撮像装置制御部140のCPU142を用いるために、高度な遮光量算出を行ったり、遮光量算出をプログラマブルにすることも可能となる。   According to the third embodiment, since the light shielding amount calculation unit 121 that requires a calculation function is not provided on the imaging unit 10 side, the circuit scale of the imaging unit 10 can be reduced, and the size can be reduced. It is advantageous for lowering the price. In addition, since the CPU 142 of the imaging device control unit 140 is used for light shielding amount calculation, it is possible to perform advanced light shielding amount calculation or make the light shielding amount calculation programmable.

最後に、画素110への入射光量と遮光デバイス117の制御の一例を、図20を用いて説明する。図20は、撮像素子の画素への入射光量と、当該画素における光電変換部111の光電変換出力および遮光部材112の遮光率との関係を示すグラフである。ここに、遮光率とは、光電変換部111の全受光面積に対する遮光部材112で遮光された面積の比率であり、本発明における遮光量と同義である。   Finally, an example of the amount of light incident on the pixel 110 and the control of the light shielding device 117 will be described with reference to FIG. FIG. 20 is a graph showing the relationship between the amount of light incident on the pixel of the image sensor, the photoelectric conversion output of the photoelectric conversion unit 111 and the light shielding rate of the light shielding member 112 in the pixel. Here, the light shielding rate is the ratio of the area shielded by the light shielding member 112 to the total light receiving area of the photoelectric conversion unit 111, and is synonymous with the light shielding amount in the present invention.

入射光量と光電変換出力116の関係については、図6に示したように、直線的な関係で、遮光率を切り換えていくことで出力が飽和しないようにすることも可能であるが、その場合は、遮光率を切り換えることによって、異なる入射光量に対して同じ光電変換出力116が得られる(例えば、図6の一点鎖線で示したV(B0)のように)。そのために、図13、図15、図18で示した回路ブロック図では、遮光量制御値122、あるいは第2の遮光量制御値152を出力回路126に入力して、その情報に基づき光電変換出力116と入射光量の関係を一義的に換算できるようにしていた。   As shown in FIG. 6, the relationship between the incident light amount and the photoelectric conversion output 116 is a linear relationship, and it is possible to prevent the output from being saturated by switching the light shielding rate. By switching the light shielding rate, the same photoelectric conversion output 116 is obtained for different incident light amounts (for example, V (B0) indicated by a one-dot chain line in FIG. 6). For this purpose, in the circuit block diagrams shown in FIGS. 13, 15, and 18, the light shielding amount control value 122 or the second light shielding amount control value 152 is input to the output circuit 126, and the photoelectric conversion output is based on the information. The relationship between 116 and the amount of incident light can be uniquely converted.

ここで、入射光量と光電変換出力の関係を一義的に決定することを考える。入射光量をP、遮光率をkとすると、光電変換部111の受光量Yは、
Y=(1−k)P・・・(式1)
となる。ここで、kを下記(式1−1)のように、
Here, it is considered that the relationship between the incident light quantity and the photoelectric conversion output is uniquely determined. If the incident light quantity is P and the light shielding rate is k, the received light amount Y of the photoelectric conversion unit 111 is
Y = (1-k) P (Formula 1)
It becomes. Here, k is expressed as (Equation 1-1) below.

Figure 2006333439
Figure 2006333439

とすると、 Then,

Figure 2006333439
Figure 2006333439

となって、非線形の一例として、受光量Yと入射光量Pの関係が平方根の関係になり、受光量Yと光電変換出力の関係は一義的なので、入射光量と光電変換出力の関係が一義的に決定されるとともに、信号圧縮も行えて、ダイナミックレンジの拡大が達成できる。(式2)の関係をグラフ化したものが図20である(但し、a=1としている)。 Thus, as an example of nonlinearity, the relationship between the received light amount Y and the incident light amount P is a square root relationship, and the relationship between the received light amount Y and the photoelectric conversion output is unambiguous, so the relationship between the incident light amount and the photoelectric conversion output is unambiguous. In addition, signal compression can be performed, and an expansion of the dynamic range can be achieved. FIG. 20 is a graph showing the relationship of (Formula 2) (provided that a = 1).

遮光部材112の遮光率を図20の曲線Aで示したように制御することで、図20の曲線Bで示した光電変換出力116が、低輝度側では比較的急峻な立ち上がりを示し、高輝度側では圧縮されてなだらかな直線に近い単調増加のグラフとすることができる。このことから、低輝度側では、輝度の少しの変化に対して出力が大きく動いて高い感度を示し、高輝度側ではダイナミックレンジの拡大が達成できていることが分かる。   By controlling the light shielding rate of the light shielding member 112 as shown by the curve A in FIG. 20, the photoelectric conversion output 116 shown by the curve B in FIG. 20 shows a relatively steep rise on the low luminance side, and the high luminance On the side, it can be compressed into a monotonically increasing graph close to a gentle straight line. From this, it can be seen that on the low luminance side, the output moves greatly with respect to a slight change in luminance and shows high sensitivity, and on the high luminance side, the expansion of the dynamic range can be achieved.

上述のような方法であれば、入射光量と光電変換出力116の関係を一義的に決定できるので、図13、図15、図18で示した、遮光量制御値122、あるいは第2の遮光量制御値152の出力回路126への入力は不要となる。もちろん、非線形化のための関数は、上述のものに限るものではない。上述の演算にあたっては、量子化ノイズの発生を抑えるために、できるだけ多数ビットのアナログ/デジタル(A/D)変換を行うことが望ましく、撮像装置制御部140側での遮光量算出に好適の方法である。   With the method as described above, the relationship between the incident light quantity and the photoelectric conversion output 116 can be uniquely determined. Therefore, the light shielding amount control value 122 or the second light shielding amount shown in FIG. 13, FIG. 15, and FIG. It is not necessary to input the control value 152 to the output circuit 126. Of course, the function for non-linearization is not limited to the above. In the above-described calculation, it is desirable to perform analog / digital (A / D) conversion with as many bits as possible in order to suppress the generation of quantization noise, which is a suitable method for calculating the light shielding amount on the imaging device control unit 140 side. It is.

以上に述べたように、本発明によれば、画素上に光電変換部を遮光する遮光部材を設け、その遮光量を制御することで、ダイナミックレンジを拡大するとともに、シャッタ機能や絞り機能も備えた撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を提供することができる。   As described above, according to the present invention, the light shielding member that shields the photoelectric conversion unit is provided on the pixel, and the light shielding amount is controlled to expand the dynamic range, and also include the shutter function and the aperture function. An image pickup device, an image pickup unit, and an image pickup apparatus can be provided.

尚、本発明における撮像素子、撮像ユニットおよび撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。   Note that the detailed configuration and detailed operation of each component constituting the imaging device, imaging unit, and imaging apparatus of the present invention can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

本発明の一実施形態である撮像素子の模式図である。It is a schematic diagram of an image sensor which is one embodiment of the present invention. 列間距離の定義について説明するための画素の配列を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the arrangement | sequence of the pixel for demonstrating the definition of the distance between columns. 本発明における遮光デバイスの第1の実施の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 1st Embodiment of the light-shielding device in this invention. 本発明における遮光デバイスの第2の実施の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 2nd Embodiment of the light-shielding device in this invention. 本発明における遮光デバイスの第3の実施の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 3rd Embodiment of the light-shielding device in this invention. 本発明における遮光とダイナミックレンジの関係を示す模式図で、横軸に入射光量(B)、縦軸に撮像出力(V)をとった光電変換特性のグラフである。It is a schematic diagram which shows the relationship between the light shielding in this invention, and a dynamic range, and is a graph of the photoelectric conversion characteristic which took the incident light quantity (B) on the horizontal axis, and took the imaging output (V) on the vertical axis | shaft. 本発明における遮光デバイスの第4の実施の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows 4th Embodiment of the light-shielding device in this invention. 本発明における撮像素子の第1の実施の形態を示す図で、撮像素子の1つの画素に注目した時の回路ブロック図である。1 is a diagram illustrating a first embodiment of an image sensor according to the present invention, and is a circuit block diagram when attention is paid to one pixel of the image sensor. FIG. 図8に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of operation | movement of the circuit block shown in FIG. 本発明における撮像素子の第2の実施の形態を示す図で、撮像素子の1つの画素に注目した時の回路ブロック図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the image pick-up element in this invention, and is a circuit block diagram when paying attention to one pixel of an image pick-up element. 図10に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。11 is a flowchart showing an operation flow of the circuit block shown in FIG. 10. 本発明における遮光デバイスの動作タイミングを示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the operation timing of the light-shielding device in this invention. 本発明における遮光デバイスを備えた撮像素子が適用された撮像ユニットの第1の実施の形態である撮像装置の回路ブロック図である。1 is a circuit block diagram of an imaging apparatus that is a first embodiment of an imaging unit to which an imaging device including a light-shielding device according to the present invention is applied. 図13に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。14 is a flowchart showing an operation flow of the circuit block shown in FIG. 13. 本発明における遮光デバイスを備えた撮像素子が適用された撮像ユニットの第2の実施の形態である撮像装置の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the imaging device which is 2nd Embodiment of the imaging unit to which the imaging device provided with the light-shielding device in this invention was applied. 図15に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。16 is a flowchart showing an operation flow of the circuit block shown in FIG. 15. 図15に示した回路ブロックの動作のタイミングを示すタイミングチャートである。16 is a timing chart showing operation timing of the circuit block shown in FIG. 15. 本発明における遮光デバイスを備えた撮像素子が適用された撮像ユニットの第3の実施の形態である撮像装置の回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the imaging device which is 3rd Embodiment of the imaging unit to which the imaging device provided with the light-shielding device in this invention was applied. 図18に示した回路ブロックの動作の流れを示すフローチャートである。FIG. 19 is a flowchart showing an operation flow of the circuit block shown in FIG. 18. FIG. 入射光量と光電変換出力および遮光率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between an incident light quantity, a photoelectric conversion output, and a light-shielding rate.

符号の説明Explanation of symbols

1 撮像装置
10 撮像ユニット
100 撮像素子
110 画素
111 光電変換部
112 遮光部材
113 遮光駆動部
113a 第1の櫛歯状電極
113b 第2の櫛歯状電極
114 回転軸
115 支点
116 光電変換出力
117 遮光デバイス
121 遮光量算出部
122 遮光量制御値
123 遮光制御部
124 遮光制御出力
125 遮光量算出部制御信号
126 出力回路
127 映像信号
128 遮光量記憶部
131 入射光量検知部
132 入射光量出力
140 撮像装置制御部
141 バス
142 CPU(中央処理装置)
143 インターフェース
144 ディスプレイ
145 入力部材
146 記憶デバイス
152 第2の遮光量制御値
161 遮光量記憶値
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Imaging device 10 Imaging unit 100 Image pick-up element 110 Pixel 111 Photoelectric conversion part 112 Light-shielding member 113 Light-shielding drive part 113a 1st comb-tooth-shaped electrode 113b 2nd comb-tooth-shaped electrode 114 Rotating shaft 115 Support point 116 Photoelectric conversion output 117 Light-shielding device 121 Shading amount calculation unit 122 Shading amount control value 123 Shading control unit 124 Shading control output 125 Shading amount calculation unit control signal 126 Output circuit 127 Video signal 128 Shading amount storage unit 131 Incident light amount detection unit 132 Incident light amount output 140 Imaging device control unit 141 Bus 142 CPU (Central Processing Unit)
143 Interface 144 Display 145 Input member 146 Storage device 152 Second light shielding amount control value 161 Light shielding amount storage value

Claims (14)

光電変換部を持つ画素が2次元状に配置され、
前記光電変換部への入射光の全部または一部を可変に遮光するための、少なくとも1辺の長さが、ある画素の並び方向に並んだ画素列と、当該画素列に隣接する画素列との距離よりも短い遮光部材と、
前記遮光部材の位置を前記光電変換部上で移動させるための遮光駆動部とを含む遮光デバイスを備えたことを特徴とする撮像素子。
Pixels with photoelectric conversion parts are arranged in a two-dimensional shape,
A pixel column in which at least one side is arranged in the arrangement direction of a certain pixel, and a pixel column adjacent to the pixel column, in order to variably shield all or part of incident light to the photoelectric conversion unit; A light shielding member shorter than the distance of
An image pickup device comprising: a light shielding device including a light shielding driving unit for moving the position of the light shielding member on the photoelectric conversion unit.
前記遮光部材が端部で相互に連結されたことを特徴とする請求項1に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 1, wherein the light shielding members are connected to each other at an end portion. 前記画素への入射光量を検知する入射光量検知部を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 1, further comprising an incident light amount detection unit that detects an incident light amount to the pixel. 前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 1, further comprising: a light shielding amount storage unit that stores a light shielding amount that the light shielding device shields from light. 前記遮光デバイスが遮光する遮光量を記憶する遮光量記憶部を備えたことを特徴とする請求項3に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 3, further comprising: a light shielding amount storage unit that stores a light shielding amount that the light shielding device shields from light. 前記遮光駆動部は、前記遮光部材を電磁気的な力で移動させるものであることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の撮像素子。 The imaging device according to claim 1, wherein the light shielding drive unit moves the light shielding member with an electromagnetic force. 請求項1乃至6の何れか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える遮光デバイスが遮光する遮光量を可変に制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
The imaging device according to any one of claims 1 to 6,
An imaging unit comprising: a light shielding control unit that variably controls a light shielding amount of light shielding by a light shielding device included in the imaging element.
請求項1、2または4の何れか1項に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第1の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第1の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスが遮光する遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
The image sensor according to any one of claims 1, 2, or 4,
Based on the photoelectric conversion output of the photoelectric conversion unit provided in the image sensor, a light shielding amount calculation unit having a first calculation mode for calculating the light shielding amount of the light shielding device provided in the image sensor;
An imaging unit, comprising: a light-blocking control unit that controls a light-blocking amount that the light-blocking device blocks light according to a calculation result of the light-blocking amount calculation unit having the first calculation mode.
請求項4に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力と該撮像素子が備える遮光量記憶部に記憶された遮光量とを基に、該撮像素子が備える遮光部材が遮光する遮光量を算出する遮光量算出部と、
前記遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
The image sensor according to claim 4,
Based on the photoelectric conversion output of the photoelectric conversion unit included in the imaging device and the light shielding amount stored in the light shielding amount storage unit included in the imaging device, the light shielding amount for calculating the light shielding amount that the light shielding member included in the imaging device shields. A calculation unit;
An imaging unit, comprising: a light shielding control unit that controls a light shielding amount of the light shielding device according to a calculation result of the light shielding amount calculation unit.
請求項3または5に記載の撮像素子と、
前記撮像素子が備える入射光量検知部で検知された入射光量を基に、該撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第4の算出モードを有する遮光量算出部と、
前記第4の算出モードを有する遮光量算出部の算出結果に従って前記遮光デバイスの遮光量を制御する遮光制御部とを備えたことを特徴とする撮像ユニット。
The image sensor according to claim 3 or 5,
A light-blocking amount calculation unit having a fourth calculation mode for calculating a light-blocking amount of a light-blocking device included in the imaging device, based on the incident light amount detected by the incident light amount detection unit included in the imaging element;
An imaging unit comprising: a light shielding control unit that controls a light shielding amount of the light shielding device according to a calculation result of the light shielding amount calculation unit having the fourth calculation mode.
請求項7に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
An imaging unit according to claim 7;
An imaging apparatus comprising: an imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit.
請求項8または9に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部と、
前記撮像素子が備える光電変換部の光電変換出力を映像信号として出力する出力回路とを有し、
前記撮像制御部は、前記出力回路の映像信号出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第2の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
The imaging unit according to claim 8 or 9,
An imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit;
An output circuit that outputs a photoelectric conversion output of a photoelectric conversion unit included in the imaging device as a video signal;
The imaging control unit includes a light shielding amount calculation unit having a second calculation mode for calculating a light shielding amount of a light shielding device included in the imaging device based on a video signal output of the output circuit. apparatus.
請求項10に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、前記撮像ユニットが備える入射光量検知部の入射光量出力を基に、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第5の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
The imaging unit according to claim 10;
An imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit;
The imaging control unit includes a light-blocking amount calculation unit having a fifth calculation mode for calculating a light-blocking amount of a light-blocking device included in the imaging element based on an incident light amount output of an incident light amount detection unit included in the imaging unit. An imaging apparatus characterized by that.
請求項8乃至10の何れか1項に記載の撮像ユニットと、
前記撮像ユニットが備える撮像素子による撮像を制御する撮像制御部とを有し、
前記撮像制御部は、撮像装置の状態に基づいて、前記撮像素子が備える遮光デバイスの遮光量を算出する第3の算出モードを有する遮光量算出部を備えたことを特徴とする撮像装置。
The imaging unit according to any one of claims 8 to 10,
An imaging control unit that controls imaging by an imaging element included in the imaging unit;
The imaging apparatus, comprising: a light shielding amount calculation unit having a third calculation mode for calculating a light shielding amount of a light shielding device included in the imaging device based on a state of the imaging device.
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