JP2001177771A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮像レンズ機構に絞りを必要とすることな
く、ダイナミックレンジ拡大率を正確に一定に設定でき
る固体撮像装置を提供すること。 【解決手段】 露光時間を異ならせて撮像する２つの画
像によりダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置に
おいて、撮像素子の露光の開始時点を制御する電子シャ
ッタパルスのタイミング又は露光の終了時点を制御する
フィールドパルスのいづれかが水平又は垂直ブランキン
グ期間に入るように調整して前記両画像の露光時間比を
一定にすることにより、ダイナミックレンジの拡大率を
一定にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、露光時間を異な
らせて撮像する２つの画像によりダイナミックレンジを
拡大する固体撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビデオカメラでは一般に、露出が多い場
合、暗い被写体はよく写るが、明るい被写体は撮像素子
の出力が飽和してしまいうまく写らない、逆に露出が少
ない場合には、明るい被写体はよく写るが暗い被写体は
うまく写らない現象が生ずる。これは撮像素子のダイナ
ミックレンジによるものである。そこで、電子シャッタ
ースピードのみを変えた２つの同一画像を処理すること
によりダイナミックレンジを拡大することがなされてい
る。この場合のダイナミックレンジの拡大率は２つの画
像の露光時間の比になる。

【０００３】ところで、上記のダイナミックレンジの拡
大率は一定でないと、人間が見る場合にも画像が不自然
に見えるし、コンピュータにより画像を処理する場合な
どではこの拡大率を正確に一定にしなければ処理が複雑
になってしまう。しかし、ダイナミックレンジの拡大率
は上述のように２つの画像の露光時間の比によって決ま
るので、倍率によっては露光時間の開始パルスを映像期
間内に置かないと所定の拡大率とならない場合が出てく
る。

【０００４】ダイナミックレンジ拡大率が決まると、一
方の露光時間の長いＡフィールドの画像（ここでは主画
像という）と、露光時間の短いＢフィールドの画像（副
画像という）の露光時間を例えば８倍の場合図５の表に
示すように設定する必要がある。拡大率を８倍とし、主
画像の露光時間を２６２．５Ｈ（Ｈは水平走査時間）と
すると、副画像の露光時間を３２．８１２５Ｈにしなけ
ればならない。露光開始時点の電子シャッタパルスは、
フィールドパルスの３２．８１２５Ｈ前、即ち映像期間
が露光開始タイミングとなり、飛び込みノイズが画面に
出る。

【０００５】映像期間に入らないように、副画像の露光
時間を３３Ｈとすると、ダイナミックレンジの拡大率は
７．９５倍となって８倍から変化してしまう。

【０００６】従来このような場合には、図６に示すよう
に、撮像レンズ機構に絞りを付けて調整していた。即
ち、撮像レンズ機構６１に入射した光学像を、駆動回路
６２によって露光時間を制御されるＣＣＤ６３に撮像
し、信号処理回路６４にてメモリ６５とにより画像処理
する撮像装置において、絞り６６を付けて露光時間を微
調整していた。

【０００７】しかし、絞り機構付の撮像レンズ機構は高
価となり振動に弱く、機構的に露光時間を調整すること
は煩雑であり、速い速度でダイナミックレンジ拡大率を
設定できないなどの問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
固体撮像装置では、画像への影響を与えないでダイナミ
ックレンジ拡大率を一定にする場合、撮像レンズ機構に
絞りが必要となり、高価で振動に弱く、煩雑でありしか
も速い速度にダイナミックレンジ拡大率を設定できない
という問題があった。

【０００９】この発明は、これらの問題を解決し、撮像
レンズ機構に絞りを必要とすることなく、ダイナミック
レンジ拡大率を正確に一定に設定できる固体撮像装置を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明の基本的な特徴によれば、露光時間を異な
らせて撮像する２つの画像によりダイナミックレンジを
拡大する固体撮像装置において、撮像素子の露光の開始
時点を制御する電子シャッタパルスのタイミング又は露
光の終了時点を制御するフィールドパルスのいづれかが
水平又は垂直ブランキング期間に入るように調整して前
記両画像の露光時間比を一定にすることにより、ダイナ
ミックレンジの拡大率を一定にする固体撮像装置を提供
する。

【００１１】また、本願発明の他の特徴によれば、露光
時間を異ならせて撮像する２つの画像によりダイナミッ
クレンジを拡大する固体撮像装置において、撮像素子の
露光の開始時点を制御する電子シャッタパルスのタイミ
ングが水平同期パルスの時点となり、露光の終了時点を
制御するフィールドパルスが水平又は垂直ブランキング
期間に入るように調整して前記両画像の露光時間比を一
定にすることにより、ダイナミックレンジの拡大率を一
定にする固体撮像装置を提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を用いて説明する。図１に本発明一実施形態の構成を
示す。この撮像装置１０は、被写体の光学像を取り込む
撮像レンズ機構１１と、この光学像を撮像するＣＣＤ等
の固体撮像素子１２と、この固体撮像素子１２の露光時
間を制御する露光時間制御回路１３と、上記固体撮像素
子１２の撮像した画像を処理する信号処理回路１４と、
この回路による信号処理時に画像を記憶するメモリ１５
とから成り、露光時間制御回路１３は水平同期パルスな
どから露光開始の電子シャッタパルス及び露光終了のフ
ィールドシフトパルスを発生させる駆動回路１６と、主
画像及び副画像の露光時間比が正確に所定のダイナミッ
クレンジの拡大率になるよう上記駆動回路１６が発生し
た露光終了のフィールドシフトパルスを前後にずらすフ
ィールドシフトタイミング調整回路１７とから成る。

【００１３】次に、図２及び図３を用いて上記固体撮像
装置における主画像及び副画像の露光時間制御の動作を
説明する。図２は主画像、即ちＮＴＳＣのＡフィールド
に関する波形図であり、図３は副画像、即ちＮＴＳＣの
Ｂフィールドに関する波形図である。

【００１４】図２及び図３において、波形ＣＢＬＫの低
レベルＬは映像のブランキング期間を示し、垂直ブラン
キングと水平ブランキングがあり、上の数字はＮＴＳＣ
方式ＴＶの走査線の番号を示している。ＦＶ１〜ＦＶ４
は固体撮像素子１２に加えられる垂直転送パルスであ
り、Ｈ１Ａ及びＨ２Ａは水平転送パルスであって、これ
らのパルスにより固体撮像素子１２において得られた２
次元の画像信号が１次元の信号として取り出され信号処
理回路１４に送られる。

【００１５】ＦＥＳは電子シャッタパルスであり、フォ
トダイオードに蓄積された電荷の掃き捨てを行い、パル
スがでていないタイミングより露光が始まる。電子シャ
ッタパルスＦＥＳは、映像に影響を与えないように映像
期間中では水平走査期間間隔で設定でき、水平又は垂直
ブランキング期間内では自由なタイミングで設定でき
る。

【００１６】ＦＳＰはフィールドシフトパルスでありこ
れらのパルスの位置により各々Ａフィールド（主画
像）、Ｂフィールド（副画像）における露光時間が決定
される。即ち図２（ａ）の電子シャッタパルスＦＥＳの
最後のパルスの位置から図２（ｂ）のフィールドシフト
パルスＦＳＰ′のパルス位置までが主画像の露光時間Ｔ
ａとなり、図３の最後の電子シャッタパルスＦＥＳから
フィールドシフトパルスＦＳＰまでが副画像の露光時間
Ｔｂとなる。これらの露光時間Ｔａ，Ｔｂの比をダイナ
ミックレンジの拡大率に合わせることになる。

【００１７】いま、ダイナミックレンジの拡大率を８倍
とし、主画像の露光時間Ｔａを２６２．５Ｈとした場
合、副画像の露光時間Ｔｂは３２．８１２５Ｈにしなけ
ればならない。この場合３３Ｈ前、即ち５０８ラインの
水平ブランキング期間に電子シャタパルスを発生させ、
フィールドシフトパルスＦＳＰを０．１８７５Ｈ前に発
生させれば、副画像の露光時間Ｔｂを３２．８１２５Ｈ
にすることができる。

【００１８】また、拡大率をそのままとし、主画像の露
光時間Ｔａを２００Ｈとした場合、図５の表から明らか
なように副画像の露光時間Ｔｂは２５Ｈとなる。２５Ｈ
は映像期間に入らないので、フィールドシフトパルスＦ
ＳＰを前後に微調整する必要はなくＦＳＰから２５Ｈ前
のブランキングに電子シャッタパルスＦＥＳを発生させ
ればよい。

【００１９】同様に、ＮＴＳＣ方式においてシャッタス
ピードを１／１００秒として蛍光灯のもとでフリッカが
発生しないように、主画像の露光時間Ｔａを１５７Ｈと
すると、ダイナミックレンジの拡大率が８倍の場合、副
画像の露光時間Ｔｂは１９．６２５Ｈとなる。この場合
普通に設定すると露光時間の終了時点を決めるフィール
ドシフトパルスＦＳＰは映像期間内に入ってしまうの
で、フィールドシフトパルスＦＳＰが垂直ブランキング
期間に入るように、このパルスの２０Ｈ前の水平ブラン
キング期間に電子シャッタパルスＦＥＳを発生させ、フ
ィールドシフトパルスＦＳＰを２０Ｈよりも０．３７５
Ｈ前に発生させることにより、正確にダイナミックレン
ジの拡大率を８倍とすることができる。

【００２０】勿論、フィールドシフトパルスＦＳＰが垂
直ブランキング期間に入るように、このパルスの１９Ｈ
前の水平ブランキング期間に電子シャッタパルスＦＥＳ
を発生させ、１９Ｈよりも０．６２５Ｈだけフィールド
シフトパルスＦＳＰを後に発生させてもダイナミックレ
ンジの拡大率を正確に８倍とすることができる。

【００２１】このような電子シャッタパルスＦＥＳ及び
フィールドシフトパルスＦＳＰの発生タイミングの調整
は図１の構成のフィールドシフトタイミング調整回路１
７においてなされる。実際には、電子シャッタパルスＦ
ＥＳの発生タイミングはカウンタにより管理されてい
る。ダイナミックレンジの拡大率、主画像の露光時間Ｔ
ａ、そのときの電子シャッタスピードＦＥＳ及びフィー
ルドシフトパルスＦＳＰの発生タイミングのテーブルを
リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）に記憶させておき、こ
のテーブルを引くことによってフィールドシフトパルス
ＦＳＰのタイミング調整ができる。

【００２２】同様に、副画像の露光時間Ｔｂを先に決
め、ダイナミックレンジの拡大率に正確に合わせるため
に主画像の露光時間を決めるようにすることもできる。
この場合にはダイナミックレンジの拡大率、副画像の露
光時間、そのときの電子シャッタスピードＦＥＳ及びフ
ィールドシフトパルスＦＳＰの発生タイミングのテーブ
ルをリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）に記憶させてお
き、このテーブルを引くことによってフィールドシフト
パルスＦＳＰのタイミング調整を行うことができる。

【００２３】上記実施態様では、撮像画像の信号とは無
関係に電子シャッタスピードＦＥＳ及びフィールドシフ
トパルスＦＳＰの発生タイミングを決めていたが、撮像
画像の信号に応じて行うことにより、自動露出が可能と
なる。図４にこの種の本発明の実施形態の構成を示す。
この固体撮像装置４０は、被写体の光学像を取り込む撮
像レンズ機構４１と、この光学像を撮像するＣＣＤ等の
固体撮像素子４２と、この固体撮像素子４２の露光時間
を制御する露光時間制御回路４３と、上記固体撮像素子
１２の撮像した画像を処理する信号処理回路４４と、こ
の回路による信号処理時に画像を記憶するメモリ４５と
から成り、信号処理回路から広いダイナミックレンジの
画像が得られる。

【００２４】露光時間制御回路４３は、信号処理回路４
４出力の画像信号を積分する積分器４６と、この積分電
圧を所定電圧と比較しその差を出力する比較器４７と、
露光開始の電子シャッタパルス及び露光終了のフィール
ドシフトパルスを発生させる駆動回路４８と、主画像及
び副画像の露光時間比が正確に所定のダイナミックレン
ジの拡大率になるよう上記駆動回路４８が発生した露光
終了のフィールドシフトパルスを前後にずらすフィール
ドシフトタイミング調整回路４９とから成る。

【００２５】信号処理回路４４から得られ広いダイナミ
ックレンジの画像（主画像及び副画像）の映像信号は、
積分器４６において積分される。この積分値は全体とし
ての露出程度に比例しており、これが比較器４７で比較
される基準値よりも大きければ露出過度であり、基準値
よりも小さければ露出不足である。したがって、比較器
４７の結果によって主画像及び副画像の露出時間を変化
させる。

【００２６】なお、上記実施形態では主画像及び副画像
の合成画像を積分したが、主画像及び副画像の露出時間
の比はダイナミックレンジの拡大率によって決まってく
るので、主画像又は副画像を積分するようにしてもよ
い。また、全画面でなく、窓を設けてその内部の積分値
を用いることもできる。

【００２７】更に、適正露出の判定は上記実施形態では
積分器を用いて積分値の比較によって行っているが、ピ
ーク検出を行いそれと基準値の比較を行うようにするこ
ともできる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、撮像レンズ機構に絞り
を必要とすることなく、ダイナミックレンジ拡大率を正
確に一定に設定できる固体撮像装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の固体撮像装置の構成を示
す図。

【図２】図１の固体撮像装置の主画像の露光時間Ｔａを
説明するための図。

【図３】図１の固体撮像装置の副画像の露光時間Ｔｂを
説明するための図。

【図４】本発明の他の実施形態の固体撮像装置の構成を
示す図。

【図５】固体撮像装置においてダイナミックレンジが８
倍のときの主画像と副画像の露光時間の関係を説明する
ための図。

【図６】従来の固体撮像装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１０・・・固体撮像装置、１１，４１・・・撮像レンズ
機構、１２，４２・・・固体撮像素子、１３，４３・・
・露光時間制御回路、１４，４４・・・信号処理回路、
１５，４５・・・メモリ、１７，４９・・・フィールド
シフトタイミング調整回路、１６，４８・・・駆動回
路、４６・・・積分器、４７・・・比較器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 露光時間を異ならせて撮像する２つの画
   像によりダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置に
   おいて、撮像素子の露光の開始時点を制御する電子シャ
   ッタパルスのタイミング又は露光の終了時点を制御する
   フィールドパルスのいづれかが水平又は垂直ブランキン
   グ期間に入るように調整して前記両画像の露光時間比を
   一定にすることにより、ダイナミックレンジの拡大率を
   一定にすることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 露光時間を異ならせて撮像する２つの画
   像によりダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置に
   おいて、撮像素子の露光の開始時点を制御する電子シャ
   ッタパルスのタイミングが水平同期パルスの時点とな
   り、露光の終了時点を制御するフィールドパルスが水平
   又は垂直ブランキング期間に入るように調整して前記両
   画像の露光時間比を一定にすることにより、ダイナミッ
   クレンジの拡大率を一定にすることを特徴とする固体撮
   像装置。
3. 【請求項３】 被写体の光学像を取り込む撮像レンズ機
   構と、 この光学像を撮像する固体撮像素子と、 この固体撮像素子の露光の開始及び終了タイミングを制
   御する露光時間制御回路と、 前記固体撮像素子の撮像した画像を処理する信号処理回
   路とを有し、 前記露光時間制御回路は、前記固体撮像素子により撮像
   する連続画像の露光時間が所定の比の異なるように制御
   すると共に、前記撮像素子の露光の開始時点を制御する
   電子シャッタパルスのタイミングが水平同期パルスの時
   点となり、露光の終了時点を制御するフィールドパルス
   が水平又は垂直ブランキング期間に入るように調整して
   前記固体撮像素子を制御することを特徴とする固体撮像
   装置。
4. 【請求項４】 被写体の光学像を取り込む撮像レンズ機
   構と、 この光学像を撮像する固体撮像素子と、 この固体撮像素子の露光の開始及び終了タイミングを制
   御する露光時間制御回路と、 前記固体撮像素子の撮像した画像を処理する信号処理回
   路とを有し、前記露光時間制御回路は、前記信号処理回
   路の出力画像を積分しその積分値により露光時間を変化
   させると共に、前記固体撮像素子により撮像する連続画
   像の露光時間が所定の比となるように制御すると共に、
   前記撮像素子の露光の開始時点を制御する電子シャッタ
   パルスのタイミングが水平同期パルスの時点となり、露
   光の終了時点を制御するフィールドパルスが水平又は垂
   直ブランキング期間に入るように調整して前記固体撮像
   素子を制御することを特徴とする固体撮像装置。