JP2001298749A

JP2001298749A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2001298749A
Application number: JP2000111327A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Sugawara; 正幸菅原; Takayuki Yamashita; 誉行山下
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-26
Anticipated expiration: 2020-04-12
Also published as: JP4002050B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高画質用途に使用されるカメラにおいて広い
ダイナミックレンジを有する画像信号を得る。【解決手段】撮像装置において、３色分解プリズムブ
ロックの構成を有し、さらに該３色分解プリズムブロッ
クの入射光側に、入射光の強度の１／（ｎ＋１）を反射
し、ｎ／（ｎ＋１）を透過して前記３色分解プリズムブ
ロックに入射させる第４のプリズムを有するプリズムブ
ロックと、前記第４のブロックにおいて前記反射した入
射光を全反射して得られた光出力を受光するように配置
された単板カラー撮像デバイスと、前記３色分解プリズ
ムブロックのそれぞれの光出力部に配置されたＲ、Ｇ、
Ｂそれぞれの撮像デバイスと、前記単板カラー撮像デバ
イスから得られるカラー信号と前記Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ
の撮像デバイスから得られたカラー信号を合成して出力
する信号合成部を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば複数のＣ
ＣＤを使用したビデオカメラに関する。詳しくは、ＣＣ
Ｄ等の撮像デバイスにより光電変換された信号を、ダイ
ナミックレンジの広い信号とする構成に関する。さらに
詳述すれば、よりダイナミックレンジの広い被写体の画
像出力与えるカラー撮像方式を有する撮像装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＣＣＤを撮像デバイスにしたカメラなど
の分野において、ＣＣＤ等により光電変換した信号をＡ
／Ｄ変換し、デジタル的に信号処理する方法が一般的に
行われている。その際、人間の目の解像度は暗い方に対
して高く、明るい方に対しては低いという特性があるた
めに、光量に対してリニアな特性を持つ光電変換した信
号を単純にＡ／Ｄ変換しただけでは、Ａ／Ｄ変換のダイ
ナミックレンジを有効に使えないという問題がある。そ
こで、撮像デバイスとＡ／Ｄ変換器との間に、非線形な
伝達特性を持つ回路を挿入することにより、Ａ／Ｄ変換
器のダイナミックレンジを有効に使う工夫がなされてい
る。

【０００３】また、撮像デバイスそのもののダイナミッ
クレンジの狭さを解消する手法として、実際の露光量と
異なる露光量として撮像し、異なる露光量で撮像した信
号を合成することも行われている。この方法には、光学
系においてミラーあるいはプリズムによりレンズの結像
光を２分割し、それぞれ異なる露光で撮像する方法、同
一の撮像デバイス内部において時分割で異なる露光量で
撮像した信号を加算して出力する方法などが取られてい
た。

【０００４】前者においては、光学系において、あるい
は、電子シャッタを使用してそれぞれの撮像デバイスの
露光量を異ならせることが行われている。

【０００５】前者の例として、特開平８−１５４２１０
において、レンズによる結像光を、プリズムを使用した
分光手段により結像光を１：１に分光し、一方に撮像素
子、他方に減光手段のＮＤフィルタを通して撮像素子を
配置し、２つの撮像素子の出力信号を合成する２板式の
技術が開示されている。また、情報メディア学会誌Ｖｏ
ｌ．５３、Ｎｏ．５（１９９９）には、「屋外環境下に
おける走行中の車両のナンバープレート認識」におい
て、２板の光学系を用いて、異なる露光条件での画像を
同一タイミングで撮像し、その２つの画像を合成するこ
とで明るさの変化に強い高速撮像を実現した技術が開示
されている。これを図１に示す。ここでは、入射光を、
ビームスプリッタにより光強度の異なる透過光と反射光
に分光し、各々の光は各々のＳＣＣＤ素子に結像されて
同一タイミングで光電変換されている。そして、露光条
件に対応した透過光と反射光の光強度比は、ビームスプ
リッタに蒸着した多層反射膜の特性によって決めてい
る。ここでは、ビームスプリッタによって分岐する透過
光と反射光の強度比が４５：１となるように決定し、撮
像装置のダイナミックレンジとして１．５×１０⁴を満
足しているとしている。

【０００６】後者の例では、撮像デバイスそのものの内
部構成を変更することにより実現されているものもあ
る。

【０００７】しかしながら、前者においてはいずれもモ
ノクロ撮影か単板カラー撮影を目的とした構成であり、
また後者においては特殊な撮像デバイスの使用を必要と
し、高画質用途に使用されるＲＧＢ３板撮像方式で、し
かも従来使用されている撮像デバイスを使用して実現し
たものは存在しなかった。

【０００８】また現在、広いダイナミックレンジを有す
る被写体をモニター上で画像として再現する信号処理技
術、すなわち、撮像された信号を処理して規定された信
号レベルとする非線形な伝達特性を持つ回路（一般的に
は、ニー回路、ガンマ回路など）技術もデジタル化によ
り高性能化してきているが、撮像デバイスであるＣＣＤ
そのもののダイナミックレンジの制約により、高性能化
にも限界があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術の中で、も
っとも高画質用途に適していると思われるものは、光学
系において露光量を変化させる方式であり、そして、Ｎ
Ｄフィルタなどを使用して入射光を無駄にすることな
く、入射光を有効に使用する方法である。この方法とし
て前述したビームスプリッタを使用した方式があげられ
る。この方式の場合は、従来の撮像デバイスを利用する
ことができる。また、この方式の場合、電子シャッタの
機能をダイナミックレンジの拡大を目的として使用しな
くて済む利点がある。

【００１０】本発明の目的は、従来の高画質用途に使用
されるカメラにおいて広いダイナミックレンジを有する
画像信号を得ることであり、とくにＲＧＢ３板撮像方式
を使用した撮像装置において、より広いダイナミックレ
ンジを有する撮像装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに、本発明による撮像装置においては、３色分解プリ
ズムブロックの構成を有し、さらに該３色分解プリズム
ブロックの入射光側に、入射光の強度の１／（ｎ＋１）
を反射し、ｎ／（ｎ＋１）を透過して前記３色分解プリ
ズムブロックに入射させる第４のプリズムを有するプリ
ズムブロックと、前記第４のブロックにおいて前記反射
した入射光を全反射して得られた光出力を受光するよう
に配置された単板カラー撮像デバイスと、前記３色分解
プリズムブロックのそれぞれの光出力部に配置された
Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの撮像デバイスと、前記単板カラー
撮像デバイスから得られるカラー信号と前記Ｒ、Ｇ、Ｂ
それぞれの撮像デバイスから得られたカラー信号とを合
成して出力する信号合成部を備えた。

【００１２】また、前記信号合成部において、前記Ｒ，
Ｇ，Ｂそれぞれの撮像デバイスから得られたそれぞれの
信号が飽和点以下の場合はそれぞれの信号のみを含み、
前記それぞれの信号が飽和点を超えた場合においては、
前記単板カラー撮像デバイスからの対応する信号成分を
含んで合成出力信号を構成した。

【００１３】また、前記合成出力信号は、前記単板カラ
ー撮像デバイスあるいは、前記Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの撮
像デバイスが有するダイナミックレンジのｎ倍のダイナ
ミックレンジを実質的に有する被写体の画像を表してい
る。

【００１４】また、前記Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの撮像デバ
イスから得られたそれぞれの信号があらかじめ設定した
レベル以下の場合はそれぞれの信号のみを含み、前記そ
れぞれの信号が該設定レベルを超えた場合においては、
それぞれの信号を該設定レベルに置き換えた信号と、さ
らに前記単板カラー撮像デバイスからの対応する信号成
分とを含んで合成出力信号を構成した。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図面を参照
して説明する。第２図は、本発明による実施形態の１例
であり、ＣＣＤ単体のダイナミックレンジを超えた、広
いダイナミックレンジの被写体画像を得ることができる
撮像方式を示している。ただし、この図においては図示
していないが、光学プリズムの入射面側に通常配置され
る赤外カットフィルタ、撮像素子の入射面側に配置され
る光学フィルタなどの光学部材が使用されるのは当然で
ある。また、撮像レンズについても本発明に直接係わら
ないので簡略図としている。

【００１６】図２において、被写体１０１からの光は撮
影レンズ１０２を通して結像光となる。この結像光はプ
リズム光学系に入射する。このプリズム光学系は、撮影
レンズの光軸に沿って進む入射光を最初に反射する反射
面１１１、そして次々と反射する反射面１１２、そして
１１３を有している。最初の反射面１１１は、入射光の
光の強度を１：ｎ（すなわち、１／ｎ）に分岐する。す
なわち、入射光の１／（ｎ＋１）を反射し、ｎ／（ｎ＋
１）を透過させる。反射面１１２はダイクロイック層で
あり、反射面１１１を透過したｎ／（ｎ＋１）のうち赤
色光を分岐し、反射面１１３もダイクロイック層であ
り、透過光のうち青色光を分岐する。ここでｎは、所望
するダイナミックレンジの値から決定され、それが通常
のダイナミックレンジの１０倍である場合、近似値とし
てｎに１０を与える。この場合、入射光の１／１１を反
射し、残りの１０／１１を透過させる。

【００１７】この透過光は、反射面１１２、反射面１１
３でそれぞれ赤色、青色、そして反射面１１３を透過し
た緑色の光束に分解される。ここで、最初の反射面によ
って反射された１／ｎの光強度を有する入射光は、この
反射面にほぼ対抗している面でさらに全反射して出力光
１０３となり、同様に反射面１１２のダイクロイック層
による反射光は同様にほぼ対抗して配置されている面で
さらに全反射して出力光１０６になり、さらに同様に反
射面１１３による反射光はさらに全反射して出力光１０
５となる。

【００１８】ここで出力光１０４は反射面１１１、１１
２、１１３を透過した透過光であり、残余の緑色成分で
ある。通常、透過光による像と反射光による像は、左右
あるいは上下において対称となっているが、出力光１０
３、１０５そして１０６は２回全反射しているので、像
の向きは透過光と同じになっている。

【００１９】出力光１０３は、単板カラー撮像素子であ
る撮像素子１０７上に結像し、撮像素子１０７により光
電変換される。一方、緑の出力光１０４、青の出力光１
０５、赤の出力光１０６は、それぞれ撮像素子１０８、
１０９、１１０により光電変換される。

【００２０】図３は、図２における撮像素子１０７、１
０８、１０９から出力される信号を処理し、最終的に出
力信号１２３として出力するまでのブロックダイヤグラ
ムである。図２と同様の個所には同一の符号を付してい
る。

【００２１】撮像素子１０７から光電変換されたＳｙ信
号１１４が出力され、一方３色の緑青赤の分光を受ける
撮像素子１０８、１０９、１１０から、それぞれＳｇ信
号１１５、Ｓｂ信号１１６、Ｓｒ信号１１７が出力され
る。Ｓｙ信号１１４は単板カメラ処理部１１８で処理さ
れ、Ｓｈ信号１２０となる。このＳｈ信号はカラー信号
であり、コンポーネント信号（Ｒ、Ｇ、Ｂあるいはある
いは輝度色差信号Ｙ、Ｕ、Ｖ）である。一方、Ｓｇ信
号、Ｓｂ信号、Ｓｒ信号はＲＧＢカメラ処理装置に入力
され、Ｓｌ信号１２１となる。この信号もコンポーネン
ト信号（Ｒ、Ｇ、Ｂあるいは輝度色差信号Ｙ、Ｕ、Ｖ）
である。

【００２２】ここで、同期信号発生器１３１から各部に
供給される同期信号が単板カメラ信号処理装置とＲＧＢ
カメラ信号処理装置にも供給され、Ｓｈ信号１２０とＳ
ｌ信号１２１との間で、被写体の同一部分の映像位相が
等しくなるように、それぞれの撮像素子を駆動している
ことはもちろんである。また、図２の各撮像素子とプリ
ズムとの配置関係についても、それぞれの反射面で分岐
された４つの入射光が、それぞれの撮像素子の同一画素
に結像するように適切に配置されていることは説明する
までもない。

【００２３】また、単板カメラ信号処理装置１１８とＲ
ＧＢカメラ信号処理装置１１９については、通常のカメ
ラ用のものでもよいが、デジタル信号処理装置が望まし
い。そして、ＲＧＢカメラ信号処理においては、通常の
カメラとしてのセッティングが行われている。一方単板
カメラ信号処理装置においては、ＲＧＢカメラ信号処理
のセッティングにおいて規定された光量の１０倍の白色
光を入射したときに（ｎ＝１０としているので）、規定
レベルのＳｈ信号が得られるようにセッティングされて
いる。

【００２４】Ｓｈ信号１２０とＳｌ信号１２１とは、合
成装置１２２により、合成された信号１２３を出力す
る。

【００２５】この合成装置において、前述のようにセッ
ティングされた場合の、Ｓｈ信号１２０とＳｌ信号１２
１を単純加算した場合の例を図４で示す。ここでは、入
射光を赤色、青色、緑色それぞれの強度が等しい白色光
とし、撮像素子１０８、１０９、１１０の飽和点を２０
４の位置とすると、Ｓｇ，Ｓｂ，Ｓｒそれぞれの信号
は、２０１で示すラインのように２０４を境に飽和特性
を示す。これに対して、撮像素子１０７への入射光は１
／１０（ｎ＝１０）となっていることから、Ｓｙ信号２
０２は、１０倍までの入射光量に対して飽和特性を示さ
ない。したがって、合成された信号は２０３で示すよう
な特性を示すことになる。通常において、映像システム
においては、限られた振幅内に信号を抑えるためにハイ
ライト部分に対してニー処理を施すのが一般的であり、
ちょうどこのニー処理を施したような形になっている。

【００２６】図４においては、分解能の低い単板カラー
撮像素子からの信号がＲＧＢカメラ信号処理のリニアな
領域の信号部分に加算されている。２０１は、信号Ｓ
ｇ、Ｓｂ、Ｓｒを表し、２０２は信号Ｓｙを表してい
る。２０３は合成信号である。また、２０４は信号Ｓ
ｇ、Ｓｂ、Ｓｒの飽和点、２０５は信号Ｓｙの飽和点を
表している。この実施形態においては、合成信号２０３
は、ＲＧＢカメラ信号処理装置の出力信号がリニアな領
域、すなわち２０４の飽和点以下のレベルに対して、Ｓ
ｙ信号２０２の１／１０のレベルが加算されている。高
画質を求める場合、この飽和点２０４以下の入射光量時
におけるこの加算は、画質の劣化を引き起こす場合があ
る。それはいわゆる単板カラー撮像素子による折り返し
ノイズと言われる信号が加算される場合である。したが
って、単純加算することは高画質を追求した場合に問題
になる。

【００２７】したがって、高画質を追求した場合は、図
５に示すような加算をする必要がある。図５は、単なる
加算ではなく、単板カメラ信号処理の出力であるＳｈ信
号２０２をＤＣレベルシフトの手法を用いて所定レベル
以下の信号をゼロとして、２１０に示すような信号を生
成し、その信号の約１／４を２０１で示した信号に加算
し、最終的に飽和点２０４以上の入射光量において２０
３で示す特性を得ることが好ましい。この場合、飽和点
２０４以下の入射光量においては、Ｓｇ信号、Ｓｂ信
号、Ｓｒ信号から生成した高画質のＲＧＢカメラ信号処
理装置の出力信号のみが得られ、飽和点以上の入射光量
時にはＳｙから生成した単板カメラ信号処理装置の映像
が加算された信号となる。飽和点以上においては、解像
度がそれほど無くても違和感は生じないので、全体とし
て高画質でしかも広いダイナミックレンジを有する映像
信号を得ることができる。

【００２８】図５は、通常、撮像素子出力に対して施さ
れる一般的なニー特性を示している。図５においては、
２１０で示す信号を約１／４に減衰させて２０１に示す
信号に加算しているが、この減衰量については任意に設
定できるようにすることは容易であり、その場合、最終
的な出力の信号レベルを規定値にするように出力レベル
調整部を設けることで解決可能である。図６は、このよ
うな合成装置のブロックダイヤグラムを示している。図
３と同様個所は同一の番号を付している。

【００２９】以上において、撮像素子１０７から１１０
の飽和レベルを同一としたが実際にはズレがあり、また
白色光のみを入力することもない。また、通常、限られ
た振幅内に信号を抑えるためにハイライト部分に対して
ニー処理を施して、規定レベル内の信号にしている。こ
の場合、規定レベルに対して通常５００％から６００％
の大きさの飽和レベルを持たせている。

【００３０】したがって、本発明に関わる技術を使用す
る場合、ＲＧＢの３板のＣＣＤ出力に対しては、ほぼ飽
和レベルまでの領域を規定レベル近くまでの領域に使用
し、規定レベル以上の領域に関しては、実施形態におけ
る単板カラー撮像素子からの信号を使用するように設定
することができる。このようにすることにより、規定レ
ベル以下に対してはＳ／Ｎ比が上昇し、さらに高輝度側
に対しても従来設定以上のダイナミックレンジを持つ撮
像装置を構成することができる。通常、限られた振幅内
に信号を抑えるためにハイライト部分に対してニー処理
を施して規定レベル内の信号レベルとしているので、こ
のように構成した場合においても、入射光量と信号出力
との関係は、やはり図５に示すような形になる。

【００３１】また、上述において飽和点としたが、飽和
点における出力レベルを超えないあらかじめ設定した出
力レベルを設け、この出力レベルを超える出力を生じさ
せる入力レベルの場合は、この設定出力レベルに置き換
えるようにすることが実際的である。このようにするこ
とで、撮像素子における個々の飽和点のバラツキを無視
することができ、回路設定が統一できるようになる。ま
た、ＲＧＢカメラ信号処理出力に対して単板カメラ信号
処理出力を加える際の基準が明確になり、高画質用途撮
像装置として有利になる。

【００３２】以上の実施形態においては、ＲＧＢの３板
のＣＣＤを使用した場合の１０倍のダイナミックレンジ
となっている。反射面１１１において入射光の可視光の
強度を１：ｎ（１／ｎ）に分光した場合、ダイナミック
レンジは、従来方式に比べ、ダイナミックレンジがｎ倍
となる。

【００３３】以上、本発明を、本実施形態を使用して説
明したが、本発明の趣旨を逸脱しないで、次の形態に変
更することは容易である。

【００３４】単板カラー撮像デバイスを、モノクロ撮像
デバイスとする。この場合、この輝度信号を、ＲＧＢカ
メラ信号処理出力に加算する際に、ＲＧＢカメラ信号処
理出力のＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの飽和、あるいは設定値以
上に対応させて加算する。

【００３５】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、従
来の技術では困難であった高画質用途の３板撮像方式カ
メラのダイナミックレンジを拡大し、広いダイナミック
レンジを有する画像信号を得ることができる撮像装置が
実現可能となる。なお、高輝度部分の画像信号は単板カ
ラー撮像画像となるので解像度として低輝度部分に比べ
て低下するが、ハイライト部分は通常の部分よりも解像
度が要求されないので問題は生じない。

【００３６】また、撮像デバイスの電子シャッタを使用
していないので、従来の３板撮像方式カメラの電子シャ
ッタによる個々の露出調整にも影響を与えず、また従来
の３色分解プリズムブロック部分に対する入射光量の減
少もわずかであり、高画質用途の撮像装置として効果的
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例の構成を示す図である。

【図２】本発明の実施形態における光学ブロックの構成
を示す図である。

【図３】本発明の実施形態における、光学ブロックの構
成を示す図であり、それぞれの撮像デバイスの出力信号
を処理し、最終的に合成出力信号を得るブロックダイヤ
グラムを示す図である。

【図４】本発明の実施形態における、単板カラー撮像素
子からのカラー信号であるＳｈ信号１２０、ＲＧＢ３板
のそれぞれのＣＣＤ出力Ｓｌ信号１２１、そして合成信
号１２３との関係を示す図である。

【図５】図３と同様の図であり、好ましい合成の実施形
態を示す図である。

【図６】本発明の実施形態における、合成装置の構成を
示す図である。

【符号の説明】

１０１被写体１０２撮影レンズ１０３出力光Ｙ１０４出力光Ｇ１０５出力光Ｂ１０６出力光Ｒ１０７単板カラー撮像素子１０８出力光Ｇの撮像素子１０９出力光Ｂの撮像素子１１０出力光Ｒの撮像素子１１１出力光をｎ：１に分ける反射面１１２赤色光を反射する反射面１１３青色光を反射する反射面１１４信号Ｓｙ１１５信号Ｓｇ１１６信号Ｓｂ１１７信号Ｓｒ１１８単板カメラ信号処理１１９ＲＧＢカメラ信号処理１２０信号Ｓｈ１２１信号Ｓｌ１２２合成装置１２３合成信号２０１信号Ｓｇ、Ｓｂ、Ｓｒ２０２信号Ｓｙ２０３合成信号２０４信号Ｓｇ、Ｓｂ、Ｓｒの飽和点２０５信号Ｓｙの飽和点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３色分解プリズムブロックの構成を有
し、さらに該３色分解プリズムブロックの入射光側に、
入射光の強度の１／（ｎ＋１）を反射し、ｎ／（ｎ＋
１）を透過して前記３色分解プリズムブロックに入射さ
せる第４のプリズムを有するプリズムブロックと、前記第４のブロックにおいて前記反射した入射光を全反
射して得られた光出力を受光するように配置された単板
カラー撮像デバイスと、前記３色分解プリズムブロックのそれぞれの光出力部に
配置されたＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの撮像デバイスと、前記単板カラー撮像デバイスから得られるカラー信号と
前記Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの撮像デバイスから得られたカ
ラー信号とを合成して出力する信号合成部を備えること
を特徴とする撮像装置。
【請求項２】前記信号合成部において、前記Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの撮像デバイスから得られたそ
れぞれの信号が飽和点以下の場合はそれぞれの信号のみ
を含み、前記それぞれの信号が飽和点を超えた場合にお
いては、前記単板カラー撮像デバイスからの対応する信
号成分を含んで合成出力信号を構成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３】前記合成出力信号は、前記単板カラー撮
像デバイスあるいは、前記Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの撮像デ
バイスが有するダイナミックレンジのｎ倍のダイナミッ
クレンジを実質的に有する被写体の画像を表しているこ
とを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】前記信号合成部において、前記Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれの撮像デバイスから得られたそ
れぞれの信号があらかじめ設定したレベル以下の場合は
それぞれの信号のみを含み、前記それぞれの信号が該設
定レベルを超えた場合においては、それぞれの信号を該
設定レベルに置き換えた信号と、さらに前記単板カラー
撮像デバイスからの対応する信号成分とを含んで合成出
力信号を構成することを特徴とする請求項１に記載の撮
像装置。