JP2001245213A

JP2001245213A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2001245213A
Application number: JP2000051134A
Authority: JP
Inventors: Juichi Yoneyama; 寿一米山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】破壊読出し撮像素子を使用し、広いダイナミ
ックレンジを有する撮像装置を実現する。【解決手段】アレイ状に配列され入射光を蓄積して画
像情報信号に変換して出力する光電変換素子１１および
該光電変換素子１１から異なる蓄積時間の第１と第２の
画像情報信号群を読み出す読出し制御手段１２，１３を
有する撮像素子１０と、前記第１と第２の画像情報信号
群をそれぞれ別個に記憶する記憶部２３，３３と、該記
憶部２３，３３に記憶された第１および第２の画像情報
信号群のいずれか一方の画像情報信号群出力レベルが予
め定められた適正レベル範囲内であるか否かを判定し、
判定された画像情報信号群に適正レベル範囲外の出力レ
ベルの画像情報信号がある場合には、他方の画像情報信
号群の対応する画像情報信号に置換して出力する画像信
号合成部４０とを備えた撮像装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、撮像装置に関し、
特に広いダイナミックレンジを有し例えば輝度差の大き
い画像等を的確に撮像することができる撮像装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の一般的な撮像装置の概略
的な構成を示すブロック図である。同図に示すように、
従来の撮像装置は、アレイ状に配列された複数の光電変
換素子２と読出し制御部３とを備えた撮像素子１と、記
憶処理部を構成するＡ／Ｄ変換部４と記憶部５、制御部
６、および信号処理部８とＤ／Ａ変換部９とを備えた画
像表示部７等によって構成されている。

【０００３】撮像素子１は、各光電変換素子２によって
入射光を対応する電荷に変換して蓄積する。入射光を対
応する電荷に変換して蓄積することを露光と言い、蓄積
する時間を露光時間と称する。蓄積された電荷を読出し
制御部３によって画像信号として順次時系列的に読み出
し、読み出された画像信号を順次Ａ／Ｄ変換部４に供給
する。

【０００４】Ａ／Ｄ変換部４は、撮像素子１の読出し制
御部３から送出されるアナログ信号である画像情報信号
群をデジタル信号に変換する。記憶部５は、Ａ／Ｄ変換
部４によってデジタル信号に変換された画像情報信号を
記憶する。

【０００５】画像表示部７は、前記記憶部５から読み出
された画像情報信号を必要に応じて例えば信号処理部８
でγ補正、解像度補正や色度の補正等を行なう。Ｄ／Ａ
変換部９は信号処理部８で得られた補正後のデジタル画
像情報信号をアナログ信号に戻し、図示しないＣＲＴ表
示装置や液晶表示器等の表示機構によって表示画像が再
現される。なお、制御部６は、上記各部に作動指令信号
あるいは作動条件等を示す信号を与え、各部の動作が上
述のように行なわれるよう制御する。

【０００６】図５に示される撮像装置を、例えば、ビデ
オカメラに使用した場合、ある一定時間露光した後に読
出し動作に入るが、その時同時に次の画面の露光を行な
う。この露光時間は、通常のテレビジョン方式に採用さ
れているＮＴＣ方式では１／３０秒になっている。ま
た、撮像装置に電子シャッタ機能を持たせ、露光時間を
通常より短くして使用する場合もあるが、このような場
合でも一連の画像信号を読み出すために必要な時間は通
常と変わらない。即ち、露光時間と対応して画像信号を
読み出すための読出し時間を短くすることは困難であ
り、読出し時間と露光時間との差の残りの時間の画像信
号はそのまま捨てられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の撮像装置に
おいては、１画面の露光動作によって得られる画像信号
をすべての光電変換素子２について１回だけしか読み出
さないため、撮像装置のダイナミックレンジを広くする
ことができないという問題点があった。これを図６を用
いて説明する。図６は、それぞれ異なった照度の入射光
を受ける光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの出力レベル、即
ち出力電圧値、と露光時間との関係を示す出力電圧−露
光時間特性グラフである。

【０００８】図６に示されるように、例えば画像信号を
読み出すための露光時間を時刻０から時刻Ｔ１までとし
た場合、光電変換素子Ａと光電変換素子Ｂの出力レベル
ＶＡ１，ＶＢ１は雑音レベルＶＮＬを充分に越えてい
る。また、光電変換素子Ｃの出力レベルＶＣ１も若干で
はあるが雑音レベルＶＮＬを越えている。従って、光電
変換素子Ａ，Ｂ，Ｃによる画像信号は的確に読み出すこ
とができる。しかしながら、光電変換素子Ｄの出力レベ
ルＶＤ１は、雑音レベルＶＮＬに達していないため、光
電変換素子Ｄによる画像信号を正確に読み出すことはで
きない。

【０００９】逆に、露光時間を時刻０〜Ｔ１よりも長い
時刻０〜Ｔ２として画像信号を読み出すようにすると、
光電変換素子Ｄによる画像信号の出力レベルＶＤ２は、
雑音レベルＶＮＬを越えるようになり、時刻Ｔ１では読
み出すことができなかった光電変換素子Ｄによる画像信
号を読み出すことができる。また、光電変換素子Ｂ，Ｃ
による画像信号の出力レベルＶＢ２，ＶＣ２も飽和レベ
ルＶＳＡＴ以下であり、従ってこれらの光電変換素子Ｂ
およびＣの画像信号も的確に読み出すことができる。し
かしながら、光電変換素子Ａによる画像信号ＶＡ２は途
中で飽和しており、従って、光電変換素子Ａによる画像
信号を正確には読み出すことができない。

【００１０】即ち、露光時間が短いと、光の弱い、即ち
暗い領域では雑音レベルによって制限されるため光電変
換素子Ａ〜Ｃの照度範囲の撮像しかすることができず、
また露光時間が長いと、光の強い、即ち明るい領域では
飽和レベルによって制限されるため光電変換素子Ｂ〜Ｄ
の照度範囲の撮像しかすることができない。従って、す
べての光電変換素子Ａ〜Ｄの照度範囲を含むより広い照
度範囲にわたり的確に撮像を行なうことができないとい
う不都合があった。

【００１１】即ち、従来の撮像装置では、入射光の強
い、即ち明るい領域では飽和レベルによって制限を受
け、入射光の弱い、即ち暗い領域では雑音レベルによっ
て制限を受けるため、撮像装置のダイナミックレンジを
広くすることができないという問題点があった。

【００１２】本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて
なされたものであり、より広範囲のレベルの入射光に対
し的確に撮像を行なうことができる、即ち広いダイナミ
ックレンジを有する撮像装置を実現することを目的とす
る。

【００１３】本発明の他の目的は、撮像装置において、
被写体の移動の有無および明るさ等の状況に応じて最適
の露光条件を選択し、もって被写体条件の広範囲の変化
に対しても的確な撮像ができるようにすることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の第１の態様に係わる撮像装置では、アレイ状に
配列され入射光を蓄積して画像情報信号に変換し破壊読
出しで出力する複数の光電変換画素と、前記複数の光電
変換画素から互いに異なる第１および第２の蓄積時間で
蓄積した信号電荷に対応する第１および第２の画像情報
信号群を読み出す信号読出し制御手段と、前記第１およ
び第２の画像情報信号群に対応する信号をそれぞれ別個
に記憶する第１および第２の記憶手段と、前記第１およ
び第２の記憶手段に記憶された第１および第２の画像情
報信号群のいずれか一方の画像情報信号群の出力レベル
が予め定められたレベル範囲内であるか否かを判定する
判定手段と、前記第１および第２の画像情報信号群のい
ずれか一方または双方のレベルを変換して前記第１およ
び第２の画像情報信号群が共通の蓄積時間に相当するレ
ベルを持つようレベル変換を行なうレベル変換手段と、
前記判定手段により判定された画像情報信号群に前記レ
ベル範囲外の出力レベルの画像情報信号が検出された場
合には、他方の画像情報信号群の対応する画像情報信号
に置換して出力する画像信号合成手段とを設けた構成と
する。

【００１５】このような構成に係わる撮像装置では、前
記判定手段によって、前記第１および第２の記憶手段に
記憶された第１および第２の画像情報信号群のいずれか
一方の画像情報信号群にその出力レベルが予め定められ
たレベル範囲内でない画像情報信号があるものと判定さ
れた場合には、前記画像信号合成手段が前記レベル範囲
外の出力レベルの画像情報信号を含む画像情報信号群と
は別の画像情報信号群に対応する画像情報信号に置換し
て出力する。また、前記第１および第２の記憶手段に記
憶された第１および第２の画像情報信号群は、前記信号
読出し制御手段によって互いに異なる蓄積時間で蓄積し
た信号電荷に対応するものであるため、それぞれの画像
情報信号群の取り得る出力レベル範囲が異なっている。
従って、一方の画像情報信号群に前記予め定められたレ
ベル範囲内にない画像情報信号がある場合は、他方の画
像情報信号群の対応する画像情報信号は前記予め定めら
れたレベル範囲内にある可能性が高くなる。従って、前
記判定手段により一方の画像情報信号群に前記レベル範
囲外の出力レベルの画像情報信号か検出された場合に、
前記画像信号合成手段によってその画像情報信号を他方
の画像情報信号群の対応する画像情報信号に置換して出
力することにより、前記レベル範囲外の広い範囲にわた
り的確に撮像を行なうことが可能になり、広いダイナミ
ックレンジを得ることができる。

【００１６】この場合、前記判定手段は、前記第１およ
び第２の画像情報信号群の内、蓄積時間の短い方の画像
情報信号群の信号レベルが予め設定されたレベル以上で
あるか否か、または前記蓄積時間の長い方の画像情報信
号群の信号レベルが予め設定されたレベル以下であるか
否かを判定する機能を有すると好都合である。

【００１７】前記第１および第２の画像情報信号群の
内、蓄積時間の短い方の画像情報信号群の下限はノイズ
レベルで決定される。従って、蓄積時間の短い方の画像
情報信号群の信号レベルが例えばノイズレベルあるいは
該ノイズレベルに近い予め設定されたレベル以上である
か否かを判定することにより、得られた画像情報信号群
が適切な撮像により得られたものであるか否かが判定で
きる。また、蓄積時間の長い方の画像情報信号群の信号
レベルは通常、回路の飽和レベルによって決定されるか
ら、蓄積時間の長い方の画像情報信号群の信号レベルが
この飽和レベルあるいは飽和レベルに近い予め設定され
たレベル以下であるか否かを判定することにより得られ
た画像情報信号群が適切な撮像によって得られたもので
あるか否かが判定される。従って、このような判定によ
って適切な範囲内にないものと判定された画像情報信号
を適切なレベル範囲内の対応する画像情報信号に置換し
て出力することにより前述のように広いダイナミックレ
ンジを実現することが可能になる。

【００１８】また、前記判定手段は、前記レベル変換手
段により共通の蓄積時間に相当するレベルに変換された
双方の画像情報信号群のレベル差が予め設定されたレベ
ル以下であるか否かを判定する機能を有するものとする
こともできる。

【００１９】このような判定により、被写体が静止物体
であるかあるいは移動物体であるかを知ることができ
る。従って、例えば双方の画像情報信号群のレベル差が
予め設定されたレベル以下である場合は、前記第１およ
び第２の蓄積時間の内長い時間の蓄積時間の画像情報信
号を採用して適切な撮像を行なうこともできる。これに
対して、前記双方の画像情報信号群のレベルさが予め設
定されたレベルより大きい場合は、短い蓄積時間に対応
する画像情報信号群または画像情報信号を採用すること
によりほぼ静止した移動物の画像を得ることもできる。

【００２０】また、前記第１および第２の記憶手段は、
前記信号読出し制御手段によって読み出された第１およ
び第２の画像情報信号群を前記レベル変換手段により互
いに同じ蓄積時間に相当するレベルに変換した後に前記
第１および第２の画像情報信号群を記憶するよう構成す
ると好都合である。

【００２１】あるいは、前記レベル変換手段は、前記第
１および第２の記憶手段から読み出した画像情報信号群
を互いに同じ蓄積時間に相当するレベルに変換して前記
信号合成手段に供給するよう構成することもできる。

【００２２】第１および第２の画像情報信号群を予め同
じ蓄積時間に相当するレベルに変換した後に第１および
第２の記憶手段に記憶させておけば、該記憶手段から読
み出した画像情報信号群を使用して直ちに画像合成を行
なうことができ、構成および処理が単純化される。ま
た、第１および第２の記憶手段から読み出した後に画像
情報信号群を互いに同じ蓄積時間に相当するレベルに変
換する場合は、画像情報信号群の内必要な部分のみのレ
ベル変換を行なうよう構成することもでき、信号処理を
簡略化し処理速度を向上させることができる。

【００２３】さらに、前記第１および第２の記憶手段に
記憶する前に、前記信号読出し制御手段によって読み出
された前記第１および第２の画像情報信号群をデジタル
信号に変換する第１および第２のＡ／Ｄ変換手段を備
え、該Ａ／Ｄ変換手段の少なくとも一方にＡ／Ｄ変換利
得を設定変更可能な調整手段を設けることもできる。

【００２４】この場合、前記第１および第２のＡ／Ｄ変
換手段の分解能が互いに異なるものとすることもでき
る。

【００２５】前記第１および第２の記憶手段に記憶する
画像情報信号群をデジタル信号に変換する第１および第
２のＡ／Ｄ変換手段を使用し、これらＡ／Ｄ変換手段の
少なくとも一方のＡ／Ｄ変換利得を設定変更可能な調整
手段を設けることにより、第１および第２の画像情報信
号群を互いに同じ蓄積時間に相当するレベルに変換する
場合に、前記第１および第２の蓄積時間の比率が任意の
値であっても適切に対処することができる。

【００２６】また、第１および第２のＡ／Ｄ変換手段の
分解能を互いに異ならせ、露光時間の違いによる出力レ
ベルの粗さを補正することによって、各蓄積時間によっ
て得られた画像情報信号の出力レベルの粗さを均一化す
ることができる。

【００２７】また、相関二重サンプリング手段を更に設
けて、光電変換画素より出力される信号電荷からノイズ
成分を差分し第１および第２の記憶手段に出力すれば、
各画素で生ずる固定パターンノイズやランダムノイズを
減算することができ、これによって、ＳＮ比を向上させ
ることが可能となる。

【００２８】また、本発明の第２の態様に係わる撮像装
置では、アレイ状に配列され入射光を蓄積して画像情報
信号に変換し破壊読出しで出力する複数の光電変換画素
と、前記複数の光電変換画素から、１画面分の読出し時
間内で第１の蓄積時間および該第１の蓄積時間より長い
第２の蓄積時間に分割し、該第１および第２の蓄積時間
に対応する第１および第２の画像情報信号群を読み出す
ための信号読出し制御手段と、前記信号読出し制御手段
によって読み出された第１および第２の画像情報信号群
をＡ／Ｄ変換し、かつ共通の蓄積時間に相当するレベル
に変換した後それぞれ記憶する第１および第２の記憶手
段と、前記判定手段によって、前記第１および第２の記
憶手段に記憶された第１および第２の画像情報信号群に
適正レベル範囲外の出力レベルの画像情報信号がある場
合には、他方の画像情報信号群の対応する画像情報信号
に置換して出力する画像信号合成手段とを設ける。

【００２９】この場合、前記第１の記憶手段は前記読出
し制御手段により読み出された第１の画像情報信号群を
前記第１の蓄積時間に対する前記第２の蓄積時間の倍数
で乗算したものを記憶し、前記判定手段によって前記第
２の記憶手段に記憶された第２の画像情報信号群の出力
レベルが所定レベルを超えているものと判定された場合
に、前記画像信号合成手段は前記第１の記憶手段に記憶
された対応する画像情報信号を選択出力するよう構成す
ることもできる。

【００３０】また、前記第１および第２の記憶手段に記
憶され、共通の蓄積時間に相当するレベルに変換した画
像情報信号群のレベル差が所定の値より大きい場合は、
前記画像信号合成手段は前記第１の記憶手段に記憶され
た画像情報信号を選択出力するよう構成することもでき
る。

【００３１】あるいは、前記第２の記憶手段は、前記信
号読出し制御手段から読み出された第２の画像情報信号
群を前記第１の蓄積時間に対する前記第２の蓄積時間の
倍数で除算して記憶し、前記第１の画像情報信号群の内
に所定のノイズレベルより低い画像情報信号がある場合
には、第２の記憶手段に記憶された対応する画像情報信
号を選択出力するよう構成してもよい。

【００３２】また、光電変換画素は垂直信号線に接続さ
れ、垂直信号線は２つに分岐して各々にサンプルホール
ド回路を配置し、各々のサンプルホールド回路はそれぞ
れ独立した水平信号線と接続され、一方の水平信号線は
第１の記憶手段と接続され、他方の水平信号線は第２の
記憶手段と接続されるように構成することもできる。

【００３３】サンプルホールド回路には、各光電変換画
素から１フレームにおいて２度信号が読み込まれる。一
方の読出しで画素から暗信号が読み出される。これは固
定パターンノイズやランダムノイズによる信号である。
他方の読出しで画素から光電荷に対応する明信号が読み
出される。しかし、この信号にも一方の信号と同じ固定
パターンノイズやランダムノイズが含まれる。そして、
サンプルホールド回路では、一方の信号と他方の信号と
の差分処理を行う。換言すれば、サンプルホールド回路
とは、差分処理回路と言える。

【００３４】このような構成とすれば、各画素で生ずる
固定パターンノイズやランダムノイズを減算することが
でき、これによって、ＳＮ比を向上させることが可能と
なる。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
わる撮像装置につき説明する。図１は、本発明の１実施
形態に係わる撮像装置の概略の構成を示す。図１に示さ
れる撮像装置は、撮像素子１０と、第１および第２の記
憶処理部２０および３０と、画像信号合成部４０と、画
像表示部５０と、制御部６０とを備えている。

【００３６】撮像素子１０は、アレイ状に配列された複
数の光電変換素子１１および第１と第２の信号読出し制
御手段１２，１３を備えている。第１の記憶処理部２０
は、前記撮像素子１０の第１の読出し制御部１２からの
読出し信号を受けてデジタル信号に変換する第１のＡ／
Ｄ変換部２１と、Ａ／Ｄ変換部２１の出力を所定の露光
時間に対応するレベルに変換する第１のレベル変換部２
２と、第１の記憶部２３とを備えている。第２の記憶処
理部３０は、前記撮像素子１０の第２の読出し制御部１
３からの信号を受けてデジタル信号に変換する第２のＡ
／Ｄ変換部３１と、Ａ／Ｄ変換部３１の出力を所定の露
光時間に対応するレベルに変換する第２のレベル変換部
３２と、第２の記憶部３３とを備えている。

【００３７】また、画像信号合成部４０は、前記第１の
記憶処理部２０の記憶部２３からの読出し出力および第
２の記憶処理部３０の第２の記憶部３３からの読出し信
号を受けるレベル判定部４１と、該レベル判定部４１の
判定に従って第１および第２の記憶部２３，３３のいず
れか一方の読出し信号を選択して出力する出力信号選択
部４２を備えている。

【００３８】また、画像表示部５０は、出力信号選択部
４２から供給された出力信号に必要なγ補正等を行なう
視覚補正部５１と、該視覚補正部５１から出力されたデ
ジタル映像信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換部
５２とを備えている。また、画像表示部５０は、図示し
ないＣＲＴディスプレイのような画像表示装置あるいは
プリンタ等を備えていてもよく、あるいはこれらの表示
装置またはプリンタ等を画像表示部５０のＤ／Ａ変換部
の出力に接続しても良い。また、視覚補正部５１とＤ／
Ａ変換部５２との順序は逆でも良く、画像信号合成部４
０の出力をＤ／Ａ変換部５２で受けてアナログ信号に変
換し、その後視覚補正部５１で視覚補正を行なってもよ
い。

【００３９】制御部６０は、上記各部に制御信号等を供
給して各部の動作を制御するものである。なお、前記第
１の記憶処理部２０におけるレベル変換部２２と、第２
の記憶処理部３０におけるレベル変換部３２は、一方の
みを設け、他方を省略することもできる。また、各レベ
ル変換部２２，３２を記憶部２３および３３の後に設
け、各記憶部２３，３３から読出したデータに対してレ
ベル変換を行なうよう構成することもできる。

【００４０】図１の構成において、撮像素子１０は、各
光電変換素子１１によって入射光に応じた電荷を蓄積し
て画像信号に変換すると共に、それぞれの画素に対し第
１と第２の読出し制御部１２，１３によって蓄積時間が
短い画像信号（以下、「短露光時間信号」と称する）、
および露光が長い画像信号（以下、「長露光時間信号」
と称する）をそれぞれ並列に読み出す。

【００４１】第１の記憶処理部２０は、撮像素子１０の
第１の読出し制御手段１２から出力された、アナログ信
号である短露光時間信号を第１のＡ／Ｄ変換部２１でデ
ジタル信号に変換し、第１のレベル変換部２２を経て、
第１の記憶部２３に記憶させる。また、第２の記憶処理
部３０は、撮像素子１０の第２の読出し制御部１３から
読み出された、アナログ信号である長露光時間信号を第
２のＡ／Ｄ変換部３１でデジタル信号に変換し、第２の
レベル変換部３２を経て第２の記憶部３３に記憶させ
る。そして、第１および第２のレベル変換部２２および
３２は、各Ａ／Ｄ変換部２１および３１から供給され
る、互いに異なる蓄積時間によって得られた短露光時間
信号と長露光時間信号を、同一の蓄積時間とした場合
に、各画像信号が取り得る出力レベルに演算することに
よってレベル変換を行なう。従って、各記憶部２３，３
３に記憶された画像信号は互いに同じ蓄積時間とした場
合に得られる信号レベルを有する信号となる。但し、記
憶部２３，３３に記憶される各画像信号の出力レベルの
比を予め定められた所定の比率にしておくこともでき
る。また、各レベル変換部２２，３２の前段のＡ／Ｄ変
換部２１，３１の利得と合わせてレベル変換を行なうよ
うにすることもできる。

【００４２】画像信号合成部４０の、レベル判定部４１
は、前記第２の記憶部３３に記憶された長露光時間信号
の画像信号の出力レベルが飽和しているか否か、あるい
は第１の記憶部２３に記憶された短露光時間信号の画像
信号の出力レベルがノイズレベル以上か否かを判定す
る。あるいは、レベル判定部４１は、第１および第２の
記憶部２３，３３から読み出した画像信号の差を演算し
てその差が所定値以上であるか否かを判定し、被写体の
動きを検出することもできる。

【００４３】出力信号選択部４２は、このようなレベル
判定部４１の判定結果に基づき第１および第２の記憶部
２３，３３からの読出し信号の内いずれか一方の信号を
選択して画像表示部５０に出力する。出力信号選択部４
２は、後に詳細に説明するように種々の方法で信号選択
を行なうことができる。例えば、出力信号選択部４２
は、記憶部３３から読み出された長露光時間の信号を主
信号として採用して通常出力し、該長露光時間信号群の
出力の内出力レベルが飽和した画像信号のみを記憶部２
３から読み出した対応する画素の短露光時間の画像信号
で置き換えて出力することができる。

【００４４】あるいは、出力信号選択部４２は、記憶部
２３から読み出した短露光時間の画像信号を主信号とし
て通常出力し、該短露光時間の画像信号群の内規定のノ
イズレベル以下の信号を記憶部３３から読み出した対応
する画素の長露光時間信号に置き換えることもできる。

【００４５】あるいは、出力信号選択部４２は、主信号
として例えば、記憶部３３から読み出した長露光時間信
号群を採用し、記憶部２３から読み出した短露光時間信
号群と記憶部３３から読み出した長露光時間信号群との
差が所定値より大きい画素については短露光時間信号に
置き換えることもでき、この場合は移動物のほぼ静止し
た画像を得ることができる。

【００４６】次に、画像表示部５０は、前記画像信号合
成部４０の出力信号選択部４２から与えられた画像信号
を視覚補正部５１によって、必要に応じてγ補正、解像
度補正、色度の補正、その他を行ない、Ｄ／Ａ変換部５
２でアナログ信号に変換した後、図示しないＣＲＴディ
スプレイ装置や液晶表示装置等の表示機構によって画像
を表示する。あるいは、画像表示機構としては、プリン
タ等を使用することもできる。また、視覚補正部５１と
Ｄ／Ａ変換部５２とは順序を逆に配置しても良く、例え
ばＤ／Ａ変換部５２によってアナログ信号に変換した後
の信号に対して視覚補正を行なうこともできる。

【００４７】制御部６０は、以上の各部に駆動信号、動
作指令信号、タイミング信号、その他を与え、上記各部
の動作を制御する。

【００４８】次に図２を参照して図１の撮像装置の動作
をさらに具体的に説明する。図２は、それぞれ異なった
照度の入射光即ち画像光を受ける光電変換素子Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄから出力される短露光時間および長露光時間の画
像信号の出力レベル、即ち出力電圧ＶＡ１，ＶＡ２；Ｖ
Ｂ１，ＶＢ２；ＶＣ１，ＶＣ２；ＶＤ１，ＶＤ２と露光
時間との関係を示す出力電圧−露光時間特性グラフであ
る。なお、各光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、図１にお
いて参照数字１１で総称的に示された光電変換素子群に
含まれるものである。

【００４９】本発明においては、各光電変換素子として
破壊読出しのものを想定しているため、前記短露光時間
信号と長露光時間信号とを順次読み出すようにする。即
ち、１画面分の読出し時間内で、露光時間を０からＴ１
までの短露光時間と、それより例えば６４倍長い長露光
時間、即ちＴ１〜Ｔ２、に分割する。

【００５０】まず、短露光時間信号の読出しを行なうた
め、時刻Ｔ１において、制御部６０から撮像素子１０に
読出し命令を与え、光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが時刻
０〜Ｔ１まで入射光を蓄積して得られた画像信号即ち短
露光時間信号を読出し制御部１２によって読み出す。そ
して、読み出した短露光時間信号群を記憶処理部２０に
おいて、Ａ／Ｄ変換部２１によりデジタル信号に変換
し、レベル変換部２２により例えば６４倍して記憶部２
３に記憶させる。この読出し動作により、光電変換素子
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの電荷はリセットされてゼロになり、再
び画像電荷の蓄積を開始する。なお、レベル変換部２２
において、入力信号を６４倍する動作は、Ａ／Ｄ変換部
２１から出力された信号を例えばシフトレジスタにより
６ビットシフトすることによって行なわれる。

【００５１】各光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの電荷は時
刻Ｔ１から蓄積を開始し時刻Ｔ２まで蓄積される。そし
て、時刻Ｔ２において長露光時間信号を読み出すため、
制御部６０から撮像素子１０に読出し命令を与える。こ
れによって、前記光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが時刻Ｔ
１からＴ２まで入射光を蓄積して得られた画像信号、即
ち長露光時間信号が第２の読出し制御部１３によって読
み出される。読出し制御部１３から出力された長露光時
間信号群は記憶処理部３０において、Ａ／Ｄ変換部３１
によりデジタル信号に変換され、記憶部３３にそのまま
のレベルで記憶される。

【００５２】即ち、この場合には、前記第１のレベル変
換部２２において、短露光時間信号を６４倍して記憶部
２３に記憶しているから、第２のレベル変換部３２は省
略しあるいはレベル変換動作を行なわないものとするこ
とができる。

【００５３】以上の動作によって、記憶部２３および記
憶部３３に記憶された画像信号群は共通の蓄積時間、即
ち長露光時間Ｔ１〜Ｔ２に対応するレベルに揃えられて
いる。なお、時刻Ｔ２において各光電変換素子Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄに蓄積された入射光に応じた電荷はリセットされ
各光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの蓄積電荷はゼロとな
る。

【００５４】このようにして各記憶部２３，３３に蓄積
された短露光時間信号と長露光時間信号とは画像信号合
成部４０において、レベル判定部４１によって所定のレ
ベル範囲内にあるか否かが判定され、その判定結果に基
づき出力信号選択部４２が記憶部２３，３３のいずれか
一方の読出し信号を出力する。レベル判定部４１の判定
は、この場合は、例えば、第２の記憶部３３から読み出
した長露光時間信号が飽和レベルを越えているか否かを
判定し、もし越えておればその画素に対応する記憶部２
３からの読出し信号を出力する。図２の例では、光電変
換素子Ａの長露光時間信号ＶＡ２が所定の飽和レベルＶ
ＳＡＴに達しているため、この光電変換素子Ａについて
は短露光時間信号ＶＡ１を６４倍したものを使用する。

【００５５】これによって、一般に長露光時間の信号は
短露光時間の信号に比べてＳ／Ｎが良好であるため、長
露光時間の信号を主信号とし、飽和した光電変換素子の
み短露光時間の信号で置換することにより、撮像装置の
ダイナミックレンジを拡大しかつ良好な画像を得ること
ができる。

【００５６】なお、前記長露光時間信号が飽和レベルに
達していないかどうかを判定する場合には、記憶部３３
から読み出したデジタル化された長露光時間信号が、量
子化誤差等を考慮して予め定められた規定飽和レベルを
越えているか否かで判定する。

【００５７】この結果、光電変換素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄか
ら出力されるすべての画像信号を正確に読み出すことが
でき、撮像装置のダイナミックレンジを６４倍拡大する
ことができる。従って、撮像素子１０が本来有するダイ
ナミックレンジを、例えば、１０００倍（６０デシベ
ル）とした場合、撮像装置全体としては６４０００倍
（９６デシベル）のダイナミックレンジを得ることがで
きる。

【００５８】ところで、図２を用いて説明した撮像装置
の動作は、１画面分のみの説明であり、実際のビデオカ
メラ等では、この１画面が順次連続することになる。即
ち、通常のテレビジョンの走査時間は、１画面分の読出
し時間が例えば１／３０秒と規定されており、本発明に
おいてもこの時間内に短露光時間信号と長露光時間信号
の双方の信号を読み出す必要がある。しかしながら、前
記従来の技術において説明したように、露光時間を短く
しても光蓄積時間と対応して画像信号を読み出すための
読出し時間を短くすることは難しく、１画面中で短露光
時間の画面と長露光時間の画面を個別の２回に分けて読
み出すことは困難である。このため、短露光時間画像信
号の読出し動作と、長露光時間画像信号の読出し動作と
は時間的に位相をずらして行ない、読み出した信号をそ
れぞれ第１と第２の記憶部２３，３３に記憶させてお
き、これら記憶部２３，３３から信号を読み出す時に位
相を揃えるよう構成すればよい。

【００５９】従来の撮像素子においては、アレイ状に配
置された各行の画素を読み出して、一時蓄積手段に画像
信号を一時的に記憶させ、水平走査回路を走査して一時
蓄積手段に記憶されている信号を順次時系列的に読み出
していた。各画素は一時蓄積手段に記憶させた後は一旦
リセットされ、次の画面の画像情報を蓄積を開始する。
各行を一回りして再度同一行に戻って来るまでの時間が
標準的な露光時間であった。本発明においては、一時蓄
積手段を２組設け、即ち記憶部２３，３３を設け、各行
を一回りして来る途中で、当該行をもう一度読み出すこ
とができるようにしている。

【００６０】従来の走査方式として日本における標準テ
レビジョン方式のＮＴＳＣ式方式では、飛越し走査方式
が採用されており、撮像素子においてはまず第１行目の
信号を読み出した次は第３行目、その次は第５行目、…
のようにまず奇数行目を順次読み出して最後の行迄読み
出し、奇数フィールドの読出し信号を得る。次に、第２
行目、第４行目、第６行目、…というように偶数行目を
順次読み出し、偶数フィールドの読出し信号を得る。

【００６１】このようにして１画面分の画素を読み出し
た後に再度第１行目に戻る。以上のようにして元の行に
戻ってくるまでの時間は１／３０秒となっており、この
時間が標準的な露光時間である。各行の読出し時間は、
水平同期信号の周期の６３．５マイクロ秒となってい
る。さらに詳細には、水平同期信号の周期である６３．
５マイクロ秒の一部は、水平帰線期間として利用されて
おり、この間は画像信号はない。この水平帰線期間を利
用し、各画素の電荷を一時蓄積手段に一時記憶させ、一
時記憶された信号を水平読出し期間に順次時系列的に読
み出すようになっている。

【００６２】このような従来の走査方式に対し、本発明
においても、同様に奇数フィールドにおいては、第１行
目、第３行目、第５行目、…のように奇数行目を順次読
み出す。但し、本発明では、第１７行目を読み出す時に
再度第１行目を読み出す。即ち、水平帰線期間の前半で
１行目を読み出して、第１の一時蓄積手段に記憶し、さ
らに、水平帰線期間の後半で１７行目を読み出して第２
の一時蓄積手段に記憶する。そして、水平読出し期間で
は、前記第１と第２の一時蓄積手段に記憶されている信
号を同時に読み出して、それぞれ第１の記憶部２３と第
２の記憶部３３に記憶させる。

【００６３】このようにすると、最初に１行目を読み出
し、次に１７行目と同時に１行目を読み出すまでの１行
目の画素の蓄積時間は水平同期信号クロック８個分であ
るので、８×６３．５マイクロ秒＝５０８マイクロ秒となり、これが短露光時間信号となる。

【００６４】また、最初に１行目を読み出し、再度１行
目に戻ってくる時間は、最初からは、１／３０秒（３
３，３３３マイクロ秒）後であるが、途中で一度読み出
されているので蓄積時間は３３，３３３−５０８＝３
２，８２５マイクロ秒となり、これが長露光時間信号と
なる。

【００６５】従って、長露光時間信号と短露光時間信号
との比は、３２８２５／５０８＝６４．６となる。

【００６６】以上の動作を繰り返して、３行目と１９行
目、５行目と２１行目、…を順次読み出す。さらに、偶
数フィールドでは、２行目と１８行目、４行目と２０行
目、…を同時に順次読み出すことにより約１対６４の露
光時間の比の１画面分の短露光時間と長露光時間の画像
信号が得られる。露光時間の比の端数は後述のようにＡ
／Ｄ変換部のゲインの微調整で補正し、結果として１対
６４の比を得ることができる。

【００６７】また、別の実施形態として、奇数フィール
ドでは、例えば、１行目と３３行目、３行目と３５行
目、…を同時に順次読み出し、偶数フィールドでは２行
目と３４行目、４行目と３６行目、…を同時に順次読み
出す。この場合は、短露光時間と長露光時間の露光時間
比が１対３１．８となり、端数をＡ／Ｄ変換部のゲイン
で調整して１対３２の比率の画像を得ることができる。
なお、ＮＴＳＣ方式以外の方式、例えば、ＨＤＴＶ、Ｐ
ＡＬ方式においても同時に読み出す行の組合わせを変え
ることにより同様に適切な比を持った画像信号を得るこ
とができる。

【００６８】このようにして第１および第２の記憶部２
３，３３に記憶された信号を順次読み出す。前述のよう
に、第１および第２の記憶部２３，３３に記憶する時に
は、例えば１７行目と１行目と言うように異なった画素
の信号を記憶させており、同一画素の信号が同時に記憶
されるのではない。即ち記憶時には位相がずれている。
これに対し、記憶部２３，３３に記憶された短露光時間
信号と長露光時間信号を読み出す時には位相を揃えて、
即ち対応する同一の画素の信号を同時に読み出す。位相
がずれて記憶された信号を位相を揃えて読み出すこと
は、汎用の半導体メモリ（ＲＡＭ）を使用しても容易に
達成できるが、最近では画像処理用としてこの種の動作
が特に容易な半導体メモリも市販されている。

【００６９】以上のようにして記憶部２３，３３から読
み出された信号に基づき、前述のように画像信号合成部
４０においてレベル判定および出力信号選択が行なわ
れ、広いダイナミックレンジにわたり適切に入射光のレ
ベルに対応した画像信号を得ることができる。

【００７０】以上説明した実施形態では、長露光時間信
号群の出力を主信号として、採用し、出力レベルが飽和
した信号、例えば図２の信号ＶＡ２、のみを対応する短
露光時間の信号、例えばＶＡ１、によって置換する構成
とした。このような構成によって、一般的には、長露光
時間の信号は短露光時間の信号に比べてＳ／Ｎが良く、
良好な画質が得られるため、高画質かつ広いダイナミッ
クレンジを有する撮像装置が実現できる。

【００７１】これに対し、短露光時間の画像信号を主信
号とする構成も考えられる。例えば、撮像時に手振れ等
が生じた場合等には、露光時間が長い方が手振れ等によ
る影響が大きく現れるため、短露光時間の画像信号を主
信号とした方が手振れ等の影響が少なく良好な画質が得
られる。このような場合には、主信号である短露光時間
信号がノイズレベルを越えているか否か、即ち第１の記
憶部２３の出力レベルが、量子化雑音等を考慮して予め
定められた規定ノイズレベル以上か否かを判定し、規定
ノイズレベル以下の信号を長露光時間信号に置換する。

【００７２】この時は、第２の記憶処理部３０における
第２のレベル変換部３２によって長露光時間信号を１／
６４倍に演算して第２の記憶部３３に記憶させておく。
そして、第１の記憶部２３の出力レベルが規定ノイズレ
ベル以下の画像信号を、第２の記憶部３３から読み出し
た対応する画像信号と置き換えることによりダイナミッ
クレンジを拡大し、しかも手振れ等の影響が少なくなっ
た良好な品質の画像を得ることができる。図２の例で
は、短露光時間の画像信号ＶＤ１がノイズレベル以下で
あるので、対応する長露光時間の画像信号ＶＤ２を１／
６４倍にして置換する。

【００７３】なお、撮像装置の手振れ等を検出する方法
としては、例えば撮像して得られた画像の周辺部即ちエ
ッジの画像信号で判定する方法や、加速度センサや角速
度センサ等で検出する方法が知られており、これらの方
法を使用して、あるいは露光時間の長短により、主信号
を自動あるいは手動で短露光時間信号と長露光時間信号
に切り換えて採用してもよい。

【００７４】以上から明らかなように、長露光時間信号
を主信号としても、また短露光時間信号を主信号として
も、撮像装置のダイナミックレンジを拡大することがで
きる。

【００７５】以上までの説明では、レベル判定部４１
（図１）は、飽和している画素あるいはノイズレベル以
下の画素の検出を行なうものとして説明した。レベル判
定部４１は、このような機能のみではなく、短露光時間
信号と長露光時間信号の差を求める機能をもたせること
ができ、これによって移動物体の検出機能等を実現する
ことでがきる。

【００７６】即ち、静止物を撮像した場合には、短露光
時間場面と長露光時間画面には同一の画像が撮像されて
おり、両方の画像信号が等しいので、その差を演算する
とゼロになるが、移動物体の場合は、短露光時間画面と
長露光時間画面の画像は異なっているので両者の差を演
算してもゼロにはならない。従って、短露光時間信号と
長露光時間信号の差を演算して差がゼロであれば、対応
画素は背景を撮像していることが分かる。また、これら
の差がゼロではない画素は、短露光時間画面では移動被
写体のほぼ静止した画像、長露光時間画面では軌跡を含
めた移動物を撮像していることになる。

【００７７】従って、主信号として例えば長露光時間信
号を採用し、上述の差がゼロでない画素については短露
光時間信号に置換すれば、ほぼ静止した移動物の画像が
得られる。これに対し、短露光時間信号を主信号として
採用し、上述の差がゼロでない画素については長露光時
間信号に置換すれば、例えば、静止した背景部分を移動
した移動物が尾を引いたようになり、移動物の移動状態
を強調した画像が得られる。

【００７８】以上のように、同一の画素から得られた短
露光時間信号と長露光時間信号とを種々の方法で組合わ
せることにより、短露光時間信号によって得られる画面
と長露光時間信号によって得られる画面とを種々の態様
で組合わせることができ、例えば移動物を撮像した場
合、撮像装置の用途や撮像目的に応じた所望の画像を得
ることができる。

【００７９】次に、図１の撮像装置におけるＡ／Ｄ変換
部につき詳細に説明する。図１に示された撮像装置にお
いて、第１のＡ／Ｄ変換部２１と第２のＡ／Ｄ変換部３
１の分解能が同一である場合には、例えば短露光時間信
号の出力レベルを前述のように６４倍にした場合、この
短露光時間信号の出力レベルは、０，６４，１２８，…
の飛び飛びの値、即ち離散的な値しか存在しないので長
露光時間信号の出力レベルに比較して取り得る出力レベ
ルが粗くなる。

【００８０】画像信号の出力レベルが粗くなることを防
止するには、第１のＡ／Ｄ変換部２１の分解能を予め第
２のＡ／Ｄ変換部３１の分解能より細かくしておくこと
が望ましい。この例では、短露光時間と長露光時間との
比が６４であり、理想的には、第１のＡ／Ｄ変換部２１
の分解能が６４倍（６ビット）細かいことが望ましい。
しかしながら、現実的には、このような値に限定される
ことなく、Ａ／Ｄ変換器の入手のし易さや経済性等を考
慮し、例えば第１のＡ／Ｄ変換部２１の分解能を１２ビ
ット程度とし、第２のＡ／Ｄ変換部２２の分解能を８ビ
ット程度としても実用上充分な画質でダイナミックレン
ジの拡大効果を得ることができる。

【００８１】また、Ａ／Ｄ変換部２１，３１のＡ／Ｄ変
換ゲインを微調整することによって回路構成の簡略化を
図ることもできる。即ち、前述のように長露光時間と短
露光時間との画像信号を置換して合成する際に、短露光
時間と長露光時間との比が２，４，８，…，６４，…と
いうように２の巾乗になっている場合には、第１および
第２のＡ／Ｄ変換部２１，３１によってデジタル変換さ
れた画像信号をレベル補正する際に単純にシフトするだ
けで良い。従って、レベル変換部２２，３２を例えばシ
フトレジスタによって構成できる等回路構成を簡略化す
ることができる。しかしながら、一般に使用されている
ＮＴＳＣ方式等のテレビジョン方式では、水平帰線期間
の位置等が規定されており、短露光時間と長露光時間と
の比を２の巾乗とすることが困難な場合が多い。勿論、
デジタル乗算器等を使用して小数点以下を含めた演算を
すれば正確な画像合成は可能ではあるが、回路構成が複
雑で高価になるという問題点が生じる。

【００８２】このような問題点を解決するためには、例
えばレベル補正手段、即ちレベル変換部２２，３２、は
２の巾乗のレベル補正を行なうものに限定しておき、第
１および第２のＡ／Ｄ変換部２１，３１のゲイン（利
得）を自由に変えることができるようにすれば回路構成
が簡単で安価にすることができる。一般に、市販されて
いるＡ／Ｄ変換器のゲインは可変抵抗器等で可変・微調
整ができるので、これは容易に実現できる。例えば、前
述のように長露光時間が短露光時間の６４．６倍になっ
ている時には、第１のＡ／Ｄ変換部２１のゲインを６
４．６／６４＝１．０１倍としておき、デジタル乗算を
２の巾乗である６４倍とすればよい。これによって、レ
ベル変換部２２はシフトレジスタ等によって構成し、単
純に２進データのシフトを行なうものとすることがで
き、回路構成が簡略化することができる。

【００８３】図３は図１の撮像装置において使用するこ
とができる撮像素子１０の一例を示す概略的回路図であ
る。図３に示される撮像素子は図２を用いて前に説明し
た画像信号の読出し動作を行なうものである。なお、図
３においては、説明の簡略化のために３行×３列の合計
９個の画素Ｓ１１〜Ｓ３３のみを示している。

【００８４】図３の撮像素子は、前述のようにマトリク
ス状に配置された複数の画素Ｓｉｊ（ｉ＝１，２，３；
ｊ＝１，２，３）を備えており、Ｓｉｊはｉ行ｊ列の
画素を示している。

【００８５】各画素Ｓｉｊは、光電変換素子であるフォ
トダイオードＰＤｉｊ、例えば接合型ＦＥＴからなる増
幅素子ＱＡｉｊ、前記フォトダイオードＰＤｉｊの電荷
を増幅素子ＱＡｉｊのゲートに転送するＭＯＳＦＥＴか
らなる転送素子ＱＴｉｊ、増幅素子ＱＡｉｊの制御電極
の電荷をリセットするためのＭＯＳＦＥＴからなるリセ
ット用スイッチ素子ＱＲＳＴｉｊを備えている。

【００８６】各フォトダイオードＰＤｉｊのカソードは
共通に高レベル側の電源ＶＤＤに接続され、アノードは
転送素子ＱＴｉｊのソースに接続されている。転送素子
ＱＴｉｊのドレインは増幅素子ＱＡｉｊのゲートおよび
プリセット用スイッチ素子ＱＲＳＴｉｊのソースに接続
されている。増幅素子ＱＡｉｊのドレインは電源ＶＤＤ
に接続され、ソースはそれぞれの列の垂直信号線ＬＶｊ
に接続されている。転送素子ＱＴｉｊのゲートは各行の
転送制御ラインに接続され、後に説明する第１の垂直駆
動回路ＶＳＲ１および第２の垂直駆動回路ＶＳＲ２から
それぞれ転送制御信号φＴＲＬｉおよびφＴＲＳｉを受
ける。さらに、各プリセット用スイッチ素子ＱＲＳＴｉ
ｊのドレインは各行のプリセット制御線を介して前記第
１および第２の垂直駆動回路ＶＳＲ１，ＶＳＲ２からそ
れぞれプリセット信号φＲＤＬｉおよびφＲＤＳｉを受
ける。

【００８７】また、図３において、ＬＶｊは前述のよう
にｊ列目の垂直信号線であり（ｊ＝１，２，３）であ
り、各垂直信号線ＬＶｊに接続されたＱＲＶｊは該垂直
信号線ＬＶｊのリセットを行なうためのＭＯＳＦＥＴか
らなるスイッチ素子である。各列のスイッチ素子ＱＲＶ
ｊのゲートは共通に接続されリセット制御信号φＲＳＴ
Ｖが供給できるように構成されている。各垂直信号線Ｌ
Ｖｊと低レベル側の電源ＶＥＥとの間には選択された増
幅素子ＱＡｉｊの負荷となる低電流源ＣＳＶｊが接続さ
れている。従って、垂直駆動回路ＶＳＲ１，ＶＳＲ２で
選択され画素の増幅素子ＱＡｉｊはソースフォロアとし
て動作する。

【００８８】なお、各々のプリセット用スイッチ素子Ｑ
ＲＳＴｉｊのゲートは共通に接続されてプリセット制御
信号φＲＧを受ける。

【００８９】次に、Ｈｊはｊ列目の水平読出し回路であ
り、各列ごとに設けられ、それぞれＭＯＳＦＥＴからな
る水平読出しスイッチＱＨＳｊ，ＱＨＬｊと、第１およ
び第２の蓄積容量ＣＴＳｊ，ＣＴＬｊと、転送素子ＱＴ
Ｓｊ，ＱＴＬｊを備えている。各転送素子ＱＴＳｊおよ
びＱＴＬｊのソースは共に対応する垂直信号線ＬＶｊに
接続され、ドレインはそれぞれ水平読出しスイッチＱＨ
Ｓｊ，ＱＨＬｊのソースにそれぞれ接続されている。各
列の転送素子ＱＴＳｊのゲートは共通に接続されて短露
光時間信号用の転送制御信号φＴＳを受ける。また、各
列の転送素子ＱＴＬｊのゲートは共通に接続されて長露
光時間信号用の転送制御信号φＴＬを受ける。

【００９０】各転送素子ＱＴＳｊのドレインとグランド
間には第１の蓄積容量、即ち短露光時間蓄積容量ＣＴＳ
ｊが接続されている。また、転送素子ＱＴＬｊのドレイ
ンとグランド間には第２の蓄積容量、即ち長露光時間蓄
積容量ＣＴＬｊが接続されている。

【００９１】各水平読出しスイッチＱＨＳｊ，ＱＨＬｊ
のゲートは各列ごとに共通に接続されて水平駆動回路Ｈ
ＳＲからの水平選択信号を受けるよう構成されている。
また、各列の水平読出しスイッチＱＨＳｊのドレインは
共通に接続されて短露光時間用水平信号線を介して短露
光時間信号出力ＳＯＵＴに接続されている。また、他の
水平読出しスイッチＱＨＬｊのドレインも共通に接続さ
れて長露光時間信号用水平信号線を介して長露光時間信
号出力ＬＯＵＴに接続されている。

【００９２】次に、ＶＳＲ１は、第１の垂直駆動回路で
あり、行ごとに各画素を選択して短露光時間信号を読み
出すための駆動信号φＴＲＬｉ，φＲＤＬｉを出力す
る。また、ＶＳＲ２は、第２の垂直駆動回路であり、行
ごとに各画素を選択駆動して長露光時間信号を読み出す
ための駆動信号φＴＲＳｉ，φＲＤＳｉを出力する。こ
れら第１および第２の垂直駆動回路ＶＳＲ１，ＲＳＲ２
はそれぞれクロック信号φＶ１，φＶ２に基づき、順次
各行を選択駆動する。

【００９３】また、ＨＳＲは水平駆動回路であり、各列
ごとに順次水平走査信号φＨｊを出力して水平読出し回
路Ｈｊの水平読出しスイッチ素子ＱＨＳｊ，ＱＨＬｊの
ゲートに供給し、各蓄積容量ＣＴＳｊ，ＣＴＬｊの蓄積
電荷に対応する信号を順次各出力端子ＳＯＵＴ，ＬＯＵ
Ｔに接続する働きをなす。

【００９４】次に、図３の撮像素子の動作を説明する。
この場合、水平帰線期間に短露光時間行であるｉ行目
と、長露光時間行であるｊ行目を読み出すものとして説
明する。

【００９５】まず、短露光時間行であるｉ行目の信号を
読み出して、蓄積容量ＣＴＳｊに一時蓄積する。即ち、
ゲートリセットパルスφＲＧをローレベルにして、全画
素のリセット素子ＱＲＳＴｉｊをオンにする。この時、
選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレインに第２の
垂直駆動回路ＶＲＳ２から供給されるドレインリセット
信号φＲＤＳｉを高レベルの電圧ＶＤＨとし、非選択行
のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレインリセット信号は
低レベルの電圧ＶＤＬとする。ここで、ＶＤＨは画素部
の増幅素子ＱＡｉｊがオンになる電圧、ＶＤＬはオフに
なる電圧である。

【００９６】次に、ゲートリセットパルスφＲＧをハイ
にして全リセットトランジスタＱＲＳＴｉｊをオフにす
る。全リセットトランジスタＱＲＳＴｉｊをオフにして
も、増幅素子ＱＡｉｊの浮遊容量等で選択画素の増幅素
子はオン、非選択画素の増幅素子はオフに保たれる。次
に、第２の垂直駆動回路ＶＳＲ２から供給される選択行
の転送パルスφＴＲＳｉをローレベルにして、選択行の
転送素子ＱＴｉｊをオンにすると、画素部の光電変換素
子ＰＤｉｊに蓄積されていた短露光時間の信号電荷が増
幅素子ＱＡｉｊのゲートに転送される。その結果、増幅
素子ＱＡｉｊのソース電圧、即ち垂直読出しラインＬＶ
ｊの電圧が上昇する。この時、短露光時間転送パルスφ
ＴＳによって、短露光時間信号転送素子ＱＴＳｊをオン
にし、短露光時間信号を第１の蓄積容量ＣＴＳｊに充電
する。

【００９７】次に、長露光時間行のｊ行目の信号を読み
出して、第２の一時蓄積容量ＣＴＬｊに充電する。即
ち、再度、ゲートリセットパルスφＲＧをローレベルに
して、全画素のリセット素子ＱＲＳＴｉｊをオンにす
る。この時、選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレ
インに第１の垂直駆動回路ＶＳＲ１から加えられるドレ
インリセット信号φＲＤＬｉを高レベルのＶＤＨとし、
非選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレインリセッ
ト信号φＲＤＬｉは低レベルの電圧ＶＤＬとする。ここ
で、ＶＤＨは画素部の増幅素子ＱＡｉｊがオンになる電
圧、ＶＤＬはオフになる電圧である。

【００９８】次にφＲＧをハイにしてリセット素子ＱＲ
ＳＴｉｊをオフにする。リセット素子ＱＲＳＴｉｊをオ
フにしても、増幅素子ＱＡｉｊの浮遊容量等で選択画素
の増幅素子はオン、非選択画素の増幅素子はオフに保た
れる。次に、第１の垂直駆動回路ＶＳＲ１から選択行の
転送素子ＱＴｉｊに加えられる転送パルスφＴＲＬｉを
ローレベルとして、選択行の転送素子ＱＴｉｊをオンに
する。これによって、画素部の光電変換素子ＰＤｉｊに
蓄積されていた信号電荷が増幅素子ＱＡｉｊのゲートに
転送され該ゲートの電圧が上昇する。この結果、増幅素
子ＱＡｉｊのソース電圧、即ち垂直読出しラインＬＶｊ
の電圧が上昇する。

【００９９】この時、長露光時間信号転送パルスφＴＬ
によって、長露光時間信号転送素子ＱＴＬｊをオンに
し、垂直読出しラインＬＶｊからの長露光時間信号を第
２の蓄積容量である長露光時間蓄積容量ＣＴＬｊに充電
する。

【０１００】以上のようにして、短露光時間信号と長露
光時間信号が、それぞれの一時蓄積用の容量ＣＴＳｊと
ＣＴＬｊに蓄積される。従って、水平読出し期間に、水
平駆動回路ＨＳＲを水平クロックφＨにより、走査し
て、水平転送パルスφＨｊを順次発生させ、短露光時間
用と長露光時間用の水平読出しスイッチＱＨＳｊとＱＨ
Ｌｊを順次オンにする。これによって、短露光時間の画
像信号はＳＯＵＴ端子に長露光時間の画像信号はＬＯＵ
Ｔ端子にそれぞれ時系列信号として出力される。

【０１０１】図４は図１の撮像装置において使用するこ
とができる撮像素子１０の別の例を示す概略回路図であ
る。図４においても簡略化のために３行×３列の合計９
個の画素のみを示している。

【０１０２】この撮像素子は、第１と第２のサンプルホ
ールド回路を有している点を除き図３の撮像素子と同様
であるので、同様な点に関しては説明を省略する。各画
素は、垂直信号線ＬＶｊに接続されている。また、垂直
信号線ＬＶｊは、途中で２つに分岐している。一方の垂
直信号線は長時間露光による信号を出力するための回路
であって、長時間用水平信号線を介して長時間用信号出
力端子ＬＯＵＴに接続される。他方の垂直信号線は短時
間露光による信号を出力するための回路であって、短時
間用水平信号線を介して短時間用信号出力端子ＳＯＵＴ
に接続される。

【０１０３】分岐したそれぞれの垂直信号線には、サン
プルホールド回路が接続されている。長時間用のサンプ
ルホールド回路は、転送素子ＱＴＬｊ、明信号用容量Ｃ
ＳＬｊ、暗信号用容量ＣＴＬｊ、容量リセットスイッチ
ＱＲＬｊ、水平読出しスイッチＱＨＬｊからなる。短時
間用のサンプルホールド回路は、転送素子ＱＴＳｊ、明
信号用容量ＣＳＳｊ、暗信号用容量ＣＴＳｊ、容量リセ
ットスイッチＱＲＳｊ、水平読出しスイッチＱＨＳｊか
らなる。

【０１０４】次に、図４の撮像素子の動作を説明する。
ここでも、水平帰線期間に短露光時間行であるｉ行目
と、長露光時間行であるｊ行目を読み出すものとして説
明する。

【０１０５】まず、短露光時間行であるｉ行目の暗信号
を読み出して、暗信号用容量ＣＴＳｊに一時蓄積する。
即ち、転送素子ＱＴＳｊと容量リセットスイッチＱＲＳ
ｊをオン状態とし、ゲートリセットパルスφＲＧをロー
レベルにして、全画素のリセット素子ＱＲＳＴｉｊをオ
ンにする。この時、選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊ
のドレインに第２の垂直駆動回路ＶＲＳ２から供給され
るドレインリセット信号φＲＤＳｉを高レベルの電圧Ｖ
ＤＨとし、非選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレ
インリセット信号は低レベルの電圧ＶＤＬとする。ここ
で、ＶＤＨは画素部の増幅素子ＱＡｉｊがオンになる電
圧、ＶＤＬはオフになる電圧である。この動作によっ
て、リセットされた増幅素子ＱＡｉｊのノイズ信号が暗
信号用容量ＣＴＳｊに蓄積される。このノイズ信号は、
固定パターンノイズやランダムノイズであり、ここでは
暗信号と称す。

【０１０６】次いで容量リセットスイッチＱＲＳｊをオ
フにして、また、ゲートリセットパルスφＲＧをハイに
して全リセットトランジスタＱＲＳＴｉｊをオフにす
る。全リセットトランジスタＱＲＳＴｉｊをオフにして
も、増幅素子ＱＡｉｊの浮遊容量等で選択画素の増幅素
子はオン、非選択画素の増幅素子はオフに保たれる。

【０１０７】次に、短時間露光であるｉ行目の明信号を
読み出して、明信号用容量ＣＳＳｊに一時蓄積する。即
ち、第２の垂直駆動回路ＶＳＲ２から供給される選択行
の転送パルスφＴＲＳｉをローレベルにして、選択行の
転送素子ＱＴｉｊをオンにすると、画素部の光電変換素
子ＰＤｉｊに蓄積されていた短露光時間の信号電荷が増
幅素子ＱＡｉｊのゲートに転送される。その結果、増幅
素子ＱＡｉｊのソース電圧、即ち垂直読出しラインＬＶ
ｊの電圧が上昇する。この時、短露光時間転送パルスφ
ＴＳによって、短露光時間信号転送素子ＱＴＳｊをオン
にし、短露光時間信号を明信号用容量ＣＳＳｊに充電す
る。この明信号には、光電変換素子ＰＤｉｊにて光電変
換された信号電荷による成分と、上記暗信号による成分
が含まれている。

【０１０８】次に、長露光時間行のｊ行目の暗信号を読
み出して、暗信号用容量ＣＴＬｊに充電する。即ち、転
送素子ＱＴＬｊと容量リセットスイッチＱＲＬｊをオン
状態とし、ゲートリセットパルスφＲＧをローレベルに
して、全画素のリセット素子ＱＲＳＴｉｊをオンにす
る。この時、選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレ
インに第１の垂直駆動回路ＶＳＲ１から加えられるドレ
インリセット信号φＲＤＬｉを高レベルのＶＤＨとし、
非選択行のリセット素子ＱＲＳＴｉｊのドレインリセッ
ト信号φＲＤＬｉは低レベルの電圧ＶＤＬとする。ここ
で、ＶＤＨは画素部の増幅素子ＱＡｉｊがオンになる電
圧、ＶＤＬはオフになる電圧である。この動作によっ
て、リセットされた増幅素子ＱＡｉｊのノイズ信号が暗
信号用容量ＣＴＬｊに蓄積される。

【０１０９】次いで容量リセットスイッチＱＲＬｊをオ
フにして、また、φＲＧをハイにしてリセット素子ＱＲ
ＳＴｉｊをオフにする。リセット素子ＱＲＳＴｉｊをオ
フにしても、増幅素子ＱＡｉｊの浮遊容量等で選択画素
の増幅素子はオン、非選択画素の増幅素子はオフに保た
れる。

【０１１０】次に、長時間露光であるｊ行目の明信号を
読み出して、明信号用容量ＣＳＬｊに一時蓄積する。即
ち、第１の垂直駆動回路ＶＳＲ１から選択行の転送素子
ＱＴｉｊに加えられる転送パルスφＴＲＬｉをローレベ
ルとして、選択行の転送素子ＱＴｉｊをオンにする。こ
れによって、画素部の光電変換素子ＰＤｉｊに蓄積され
ていた信号電荷が増幅素子ＱＡｉｊのゲートに転送され
該ゲートの電圧が上昇する。この結果、増幅素子ＱＡｉ
ｊのソース電圧、即ち垂直読出しラインＬＶｊの電圧が
上昇する。

【０１１１】この時、長露光時間信号転送パルスφＴＬ
によって、転送素子ＱＴＬｊをオンにし、垂直読出しラ
インＬＶｊからの長露光時間信号を明信号用容量ＣＳＬ
ｊに充電する。

【０１１２】次に、各サンプルホールド回路に蓄積され
た明信号と暗信号の差分処理を行いながら水平信号線に
読み出す。即ち、水平駆動回路ＨＳＲから各列ごとに順
次水平走査信号φＨｊを出力してサンプルホールド回路
の水平読出しスイッチＱＨＳｊ、ＱＨＬｊのゲートに供
給し、これらのスイッチをオンにする。この動作によっ
て、短時間露光の信号は、短時間用の水平信号線を介し
て出力端子ＬＯＵＴに、また、長時間露光の信号は、長
時間用の水平信号線を介して出力端子ＳＯＵＴに導かれ
る。この時、水平信号線上に出力される信号は、明信号
用容量（ＣＳＳｊ，ＣＳＬｊ）に蓄積された明信号から
暗信号用容量（ＣＴＳｊ，ＣＴＬｊ）に蓄積された暗信
号を減算したものとなる。即ち、いわゆる相関二重サン
プリングと称されている信号処理をここでは行ってい
る。

【０１１３】なお、上記の動作は一つの列について説明
した。次の列を読み出すときには、その前にφＲＨによ
って水平信号線リセットトランジスタをオンすることに
より、水平信号線をリセットする。

【０１１４】以上のようにして、ノイズを削除された短
露光時間の画像信号はＳＯＵＴ端子に、ノイズを削除さ
れた長露光時間の画像信号はＬＯＵＴ端子にそれぞれ時
系列信号として出力される。

【０１１５】図４の撮像素子においては、暗信号用容量
を垂直信号線と直列に接続した。しかし、これに限ら
ず、明信号用容量と同様に垂直信号線と並列的に接続し
て差分用のアンプを配置させても良い。或いは、端子Ｌ
ＯＵＴ、ＳＯＵＴに相関二重サンプリング回路を接続
し、これらの端子から信号を出力させた後に差分処理を
行っても構わない。

【０１１６】なお、本発明に係わる撮像装置は、上述の
ようにビデオカメラに適用する場合のみならず、電子ス
チルカメラその他の装置にも適用できることは明らかで
ある。

【０１１７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、撮像素
子の性能に制約されることなく、撮像素子本来のダイナ
ミックレンジを越える広いダイナミックレンジを有する
撮像素子を容易に実現することが可能になる。

【０１１８】また、例えば主信号として長露光時間の信
号を使用し出力レベルが飽和した信号部分のみを短露光
時間の信号によって置換する場合には、広いダイナミッ
クレンジを確保しながら、良好なＳ／Ｎ比の撮像を行な
うことができる。従って、高品質かつ広いダイナミック
レンジを有する高性能の撮像装置が容易に実現できる。

【０１１９】また、例えば短露光時間の信号を主信号と
し、規定ノイズレベル以下の信号を長露光時間信号に置
換する場合には、撮像時における手振れ等の影響を軽減
し、しかも広いダイナミックレンジを有する撮像装置が
実現できる。

【０１２０】さらに本発明によれば、短露光時間信号と
長露光時間信号との差を求めることにより、静止した移
動物の画像を得、あるいは移動物の移動状態を強調した
画像を得ることができる等、移動物を撮像した場合、用
途や目的に応じた多様な撮像を行なうことが可能にな
り、極めて広い応用範囲を有する撮像装置が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施形態に係わる撮像装置の概略的
構成を示す説明的ブロック図である。

【図２】異なった照度の画像光を受ける画素の出力電圧
と露光時間との関係を示す出力電圧−露光時間特性グラ
フである。

【図３】図１の撮像装置で使用される撮像素子の一例を
示す概略的回路図である。

【図４】図１の撮像装置で使用される撮像素子の別の例
を示す概略回路図である。

【図５】従来の撮像装置の概略の構成を示す説明的ブロ
ック図である。

【図６】従来の撮像装置における画素の出力電圧と露光
時間との関係を示す出力電圧−露光時間特性グラフ。

【符号の説明】

１０撮像素子１１光電変換素子１２第１の信号読出し制御部１３第２の信号読出し制御部２０第１の記憶処理部２１第１のＡ／Ｄ変換部２２第１のレベル変換部２３第１の記憶部３０第２の記憶処理部３１第２のＡ／Ｄ変換部３２第２のレベル変換部３３第２の記憶部４０画像信号合成部４１レベル判定部４２出力信号選択部５０画像表示部５１視覚補正部５２Ｄ／Ａ変換部６０制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アレイ状に配列され入射光を蓄積して画
像情報信号に変換し破壊読み出しで出力する複数の光電
変換画素と、前記複数の光電変換画素から互いに異なる第１および第
２の蓄積時間で蓄積した信号電荷に対応する第１および
第２の画像情報信号群を読み出す信号読出し制御手段
と、前記第１および第２の画像情報信号群に対応する信号を
それぞれ別個に記憶する第１および第２の記憶手段と、前記第１および第２の記憶手段に記憶された第１および
第２の画像情報信号群のいずれか一方の画像情報信号群
の出力レベルが予め定められたレベル範囲内であるか否
かを判定する判定手段と、前記第１および第２の画像情報信号群のいずれか一方ま
たは双方のレベルを変換して前記第１および第２の画像
情報信号群が共通の蓄積時間に相当するレベルを持つよ
うレベル変換を行なうレベル変換手段と、前記判定手段により判定された画像情報信号群に前記レ
ベル範囲外の出力レベルの画像情報信号が検出された場
合には、他方の画像情報信号群の対応する画像情報信号
に置換して出力する画像信号合成手段と、を具備することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】前記判定手段は、前記第１および第２の
画像情報信号群の内、蓄積時間の短い方の画像情報信号
群の信号レベルが予め設定されたレベル以上であるか否
か、または前記蓄積時間の長い方の画像情報信号群の信
号レベルが予め設定されたレベル以下であるか否かを判
定することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】前記判定手段は、前記レベル変換手段に
より共通の蓄積時間に相当するレベルに変換された双方
の画像情報信号群のレベル差が予め設定されたレベル以
下であるか否かを判定することを特徴とする請求項１記
載の撮像装置。
【請求項４】前記第１および第２の記憶手段は、前記
信号読出し制御手段によって読み出された第１および第
２の画像情報信号群を前記レベル変換手段により互いに
同じ蓄積時間に相当するレベルに変換した後に前記第１
および第２の画像情報信号群を記憶することを特徴とす
る請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】前記レベル変換手段は、前記第１および
第２の記憶手段から読み出した画像情報信号群を互いに
同じ蓄積時間に相当するレベルに変換して前記信号合成
手段に供給することを特徴とする請求項１に記載の撮像
装置。
【請求項６】前記第１および第２の記憶手段に記憶す
る前に、前記信号読出し制御手段によって読み出された
前記第１および第２の画像情報信号群をデジタル信号に
変換するＡ／Ｄ変換手段を備え、該Ａ／Ｄ変換手段の少
なくとも一方にＡ／Ｄ変換利得を設定変更可能な調整手
段が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のい
ずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】前記第１および第２のＡ／Ｄ変換手段の
分解能が互いに異なることを特徴とする請求項６に記載
の撮像装置。
【請求項８】前記信号電荷に含まれるノイズを削除す
るための相関二重サンプリング手段が設けられているこ
とを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項９】複数の光電変換画素と、前記複数の光電変換画素から、１画面分の読出し時間内
で第１の蓄積時間および該第１の蓄積時間より長い第２
の蓄積時間に分割し、該第１および第２の蓄積時間に対
応する第１および第２の画像情報信号群を読み出すため
の信号読出し制御手段と、前記信号読出し制御手段によって読み出された第１およ
び第２の画像情報信号群をＡ／Ｄ変換し、かつ共通の蓄
積時間に相当するレベルに変換した後それぞれ記憶する
第１および第２の記憶手段と、前記第１および第２の記憶手段に記憶された第１および
第２の画像情報信号群のいずれか一方の画像情報信号群
の出力レベルが予め定められた適正レベル範囲内である
か否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって、前記第１および第２の記憶手段
に記憶された第１および第２の画像情報信号群に適正レ
ベル範囲外の出力レベルの画像情報信号がある場合に
は、他方の画像情報信号群の対応する画像情報信号に置
換して出力する画像信号合成手段と、を具備することを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】前記第１の記憶手段は前記読出し制御
手段により読み出された第１の画像情報信号群を前記第
１の蓄積時間に対する前記第２の蓄積時間の倍数で乗算
したものを記憶し、前記判定手段によって前記第２の記憶手段に記憶された
第２の画像情報信号群の出力レベルが所定レベルを超え
ているものと判定された場合に、前記画像信号合成手段
は前記第１の記憶手段に記憶された対応する画像情報信
号を選択出力することを特徴とする請求項９に記載の撮
像装置。
【請求項１１】前記第１および第２の記憶手段に記憶
され、共通の蓄積時間に相当するレベルに変換した画像
情報信号群のレベル差が所定の値より大きい場合は、前
記画像信号合成手段は前記第１の記憶手段に記憶された
画像情報信号を選択出力することを特徴とする請求項９
に記載の撮像装置。
【請求項１２】前記第２の記憶手段は、前記信号読出
し制御手段から読み出された第２の画像情報信号群を前
記第１の蓄積時間に対する前記第２の蓄積時間の倍数で
除算して記憶し、前記第１の画像情報信号群の内に所定のノイズレベルよ
り低い画像情報信号がある場合には、第２の記憶手段に
記憶された対応する画像情報信号を選択出力することを
特徴とする請求項９に記載の撮像装置。
【請求項１３】前記複数の光電変換画素は垂直信号線
に接続され、前記垂直信号線に接続された第１のサンプ
ルホールド回路及び第２のサンプルホールド回路を有
し、前記第１及び第２のサンプルホールド回路は、各画
素より出力される光信号からノイズ信号を差分して水平
信号線に出力することを特徴とする請求項９に記載の撮
像装置。