JP2002142151A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高照度では高解像度で、低照度では高感度な撮
像装置を提供する。 【解決手段】プログレッシブCCDを用いて画素混合読み
出し、独立読み出しの選択読み出しが可能な構成とし、
高照度時には独立読み出し、低照度時には混合読み出し
を行う。

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係り、特
に高解像度化と高感度化に好適な撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の撮像装置において光信号を電気信
号に変換するために用いる撮像素子としてＣＣＤ(Charg
e Coupled Device)を用いることが多い。ＣＣＤには、
プログレッシブタイプのものと、インターレースタイプ
のものがある。

【０００３】プログレッシブタイプのＣＣＤは、ＣＣＤ
の全ての画素に蓄積した信号を独立して読み出すことが
できる。例えば、ＮＴＳＣ方式対応のインターレースタ
イプのＣＣＤでは、有効走査線数は４８０ライン強であ
り、CCDの垂直有効画素数もこれと同様に約４８０画素
ある。この画素に蓄積した信号を読み出す場合、インタ
ーレース走査に対応して垂直画素数の２分の１である２
４０ラインの信号を１フィールド期間に読み出す。この
際、垂直の画素数約４８０から、２４０ラインの信号を
読み出すために垂直方向に隣接する画素の信号を混合し
て２４０ラインの信号を出力する混合読み出しを用いる
ことが多い。

【０００４】これに対し、プログレッシブCCDの場合
は、全ての画素の信号を順次読み出す。ＮＴＳＣ方式の
テレビジョン信号を、インターレース方式のＣＣＤと同
じフィールドレートで２４０ラインのフィールド画像を
生成するためには、１フィールドで全ライン、すなわち
４８０ラインの信号を読み出す。

【０００５】プログレッシブCCDを用いた場合、１フィ
ールドに全ラインの信号を出力し、インターレース方式
の２倍のライン数の信号を出力できるため、解像度を向
上できる。一方、画素混合を行なう場合、２画素の信号
をCCD内部で加算するため、CCDから出力する信号電圧が
２倍となり、低照度時の感度を向上させることができ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の撮像装
置は、プログレッシブCCDの場合は独立読み出し方式に
より読み出しを行い、インターレースCCDの場合は混合
読み出し方式により読みだしを行っており、プログレッ
シブCCDを用いた場合、解像度の点で有利である反面、
感度ではインターレース方式に劣り、感度面で有利なイ
ンターレース方式は解像度の点でプログレッシブに劣る
という問題があった。

【０００７】本発明の目的は、上記問題を解決し、高照
度では高解像度で且つ低照度時の高感度化が可能な撮像
装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明では、プログレッシブタイプで、混合読み出
しと独立読みだしの両方の読み出し方法が可能な撮像素
子と、この撮像素子の出力信号を用いて、映像信号を生
成する信号処理手段と、撮像装置周辺の照度を検出する
照度検出手段と、撮像素子の読み出しを制御する制御手
段と、によって撮像装置を構成し、上記照度検出手段に
よって検出された照度に応じて上記撮像素子の読み出し
を切り替える。

【０００９】照度検出手段は、撮像装置の周辺の明るさ
を検出し、明るさが充分にであるときにはプログレッシ
ブ方式の利点を活かして撮像素子を順次独立読み出し
し、高解像度の信号を出力する。照度検出手段により、
暗いと判定した場合には、撮像素子の動作モードを画素
混合モードに切り替える。

【００１０】上記の動作により、明るいときには独立読
み出し、暗いときには混合読み出しすることにより、精
細感が重要な高照度では高解像度、感度が重要な低照度
では高感度が可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明による撮像装置の一実施形
態について説明する。図１は本発明による撮像装置の構
成を示すブロック図である。同図において１０はレン
ズ、１１は順次読み出し方式の撮像素子である。本実施
形態において撮像素子１１は、順次読み出し方式のＣＣ
Ｄを用いる。１２はＣＣＤを駆動する駆動回路、１３は
Ａ／Ｄ変換回路である。１４は信号処理回路、１６はマ
イコン等の制御回路である。また、１７は撮像装置が撮
像する周辺環境における明るさ、あるいは照度を検出す
る照度検出回路である。

【００１２】次に本実施形態の動作について説明する。
レンズ１に入射した光は撮像素子１１の撮像面上に結像
する。撮像素子１１は、その撮像面上に２次元状に配列
された複数の画素を備えており、各画素において撮像面
上に結像した光信号を電気信号に変換する。

【００１３】本実施形態において、撮像素子１１は順次
読み出し方式のＣＣＤを用いる。この撮像素子は、全て
の画素に蓄積した信号を画素毎に順次、独立に読み出し
可能である。また、この撮像素子は垂直方向に隣接する
画素同士の信号を撮像素子の内部で混合して出力するこ
とも可能である。この撮像素子１１の構成とその動作に
ついては後述する。

【００１４】撮像素子１１から出力された映像信号は、
Ａ／Ｄ変換回路１３によって画素毎にデジタル信号に変
換される。このＡ／Ｄ変換の前に、アナログ信号の増幅
度の調整や、公知の低雑音化処理であるＣＤＳ(Correla
ted Double Sampling)処理を行っても良い。信号処理回
路１４は、Ａ／Ｄ変換回路１３の出力するデジタル映像
信号から、所定のフォーマットの映像信変換して出力す
る。信号処理回路１４が出力する信号のフォーマットは
任意であるが、例えばＮＴＳＣ方式のアナログテレビジ
ョン信号や、輝度信号Ｙと２種の色差信号Ｃｂ，Ｃｒか
ら構成されるデジタルビデオである。信号処理回路１４
の詳細な動作については後述する。

【００１５】制御回路１６は、照度検出手段１７の検出
結果に基づき、一定照度以上の場合には撮像素子の駆動
を順次読み出しとし、一定照度以下になったときには画
素混合読み出しを行なう。この制御の他に、撮像装置に
おいて従来から一般に行なわれている露光制御や、信号
処理における画質調整用のパラメータ等の制御を行なっ
ても良い。

【００１６】次に、撮像素子１１について説明する。図
２は撮像素子１１の構成を示す図であり、既に説明した
ようにプログレッシブスキャンタイプのCCDである。図
２において２０は画素である。なお、引き出し線は代表
する１画素のみ記載し、その他の画素については省略し
ている。２２は垂直転送部、２３は水平転送部、２４は
出力アンプである。画素２０において光電変換により生
成された画素信号は、転送ゲート２１を介して垂直ＣＣ
Ｄ２２に転送される。画素から垂直ＣＣＤへの転送動作
は、垂直帰線期間中に、全画素一斉に行われる。垂直Ｃ
ＣＤに転送された画素信号は、垂直走査期間の水平帰線
期間中に垂直ＣＣＤ内を上方に転送され、さらに、水平
走査期間中に水平ＣＣＤ内を転送され、出力アンプ２４
で増幅された後、出力部２３から順次出力される。

【００１７】この撮像素子の垂直方向の信号転送は、垂
直ＣＣＤのゲートに３層の駆動パルスを供給することに
よって行なわれる。３相構造のゲートＶ１，Ｖ２，Ｖ３
のうち、Ｖ２ゲートには画素が接続されている。なお、
図２においてＶ１，Ｖ２，Ｖ３の接続は、Ｍ列目の垂直
ＣＣＤのみ記載し、その他の列の垂直ＣＣＤとの同様の
接続については省略している。

【００１８】図３は、垂直ＣＣＤの信号転送のためＶ
１，Ｖ２，Ｖ３の各ゲートに供給するパルス波形を示す
図であり、ＨＤは水平の同期信号である。この動作モー
ドは、全ラインの信号を独立に読み出す独立読み出しモ
ード（以下モード１）であり、水平帰線期間に垂直ＣＣ
Ｄを１段（１ライン）転送する。撮像素子の全有効画素
数を出力することが可能であり、例えば有効画素数が水
平７２０、垂直４８０であれば、同サイズの画像を出力
できる。

【００１９】上記モード１における垂直ＣＣＤの信号転
送動作を説明する。時刻ｔ１ではＶ２にハイレベル、Ｖ
１とＶ３にローレベルのパルスが供給されており、この
ときＶ２ゲート下にポテンシャル井戸が形成されてお
り、転送される信号電荷の位置はＶ２ゲート下となって
いる。以下時刻ｔ２でＶ３をハイレベルとし、さらにｔ
３でＶ２をローレベルとすることで、信号電荷はＶ３ゲ
ート下に移動する。同様にｔ４からｔ７までの間にＶ
１，Ｖ２，Ｖ３ゲートに所定のパルスを供給すること
で、信号電荷を１ラインだけ垂直ＣＣＤを移動すること
ができる。上記の動作を垂直帰線期間毎に行なうこと
で、全ラインの信号を出力することができる。

【００２０】図４は、図３と同様に垂直ＣＣＤの信号転
送のためＶ１，Ｖ２，Ｖ３の各ゲートに供給するパルス
波形を示す図である。この動作モードは、垂直方向に隣
接するラインの信号を混合して読み出す混合読み出しモ
ード（以下モード２）であり、水平帰線期間に垂直ＣＣ
Ｄを２段（２ライン）転送する。垂直ＣＣＤを転送され
た信号は、水平ＣＣＤ内において隣接ラインの信号と混
合される。この動作で撮像素子を駆動した場合、例えば
有効画素数が水平７２０、垂直４８０のＣＣＤであれ
ば、水平は７２０画素、垂直はＣＣＤの垂直有効画素数
の２分の１に相当する垂直２４０画素の画像を出力でき
る。このような動作は、図３と同様、ｔ１からｔ７まで
の１段転送の動作を、ｔ７以降、繰り返すことによって
実現している。

【００２１】上記駆動モードによる動作時にＣＣＤが出
力する映像信号のタイミングは、垂直同期信号における
１フィールド期間における有効ライン数を２４０とし、
各モードにおける信号読み出し速度を一定とすると、有
効ライン数４８０であるＳ１の１画面分の信号出力に要
する時間Ｔ１は１フィールド（ＮＴＳＣ方式の場合、１
／６０秒）である。この場合、撮像素子は倍速駆動して
おり、表示用の出力ビデオ信号のために信号の出力速度
を１／２に変換、すなわち時間軸方向に２倍に伸張する
必要がある。

【００２２】同様にして、上記モード２に相当する信号
Ｓ２の場合、画素混合により、Ｓ１の出力ライン数の半
分となり、フィールドあたり２４０ラインの映像信号を
倍速で読み出している。このようにして倍速出力された
信号をモニタに表示するため、１／２の速度に変換す
る。

【００２３】また、画素混合のモードでは、倍速読み出
しせず、撮像素子出力駆動時にプログレッシブモードの
１／２としても良い。この場合、通常、モニタへの表示
レートであるフィールドあたり２４０ラインの信号を直
接出力することが可能であり、速度変換は不要である。

【００２４】図１における信号処理回路１４の構成を図
４に示す。図４において５０は輝度信号処理回路、５１
は色信号処理回路、５２は速度変換回路、５３はエンコ
ード回路である。

【００２５】輝度信号処理回路５０では、マトリクス演
算による輝度信号の生成、フィルタリング、ガンマ補正
等の公知の処理を行う。また、色信号処理回路ではマト
リクス演算による色信号ＲＧＢの生成、ＲＧＢのゲイン
調整を行うホワイトバランス調整、ガンマ補正を行った
後、色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙを生成する。

【００２６】上記、輝度信号処理におけるマトリクス演
算は、（１）式で表すことができる。

【００２７】Ｙ＝ΣＫij×Ｓij −−−（１） （１）式においてＫijはマトリクス係数、Ｓijは画素信
号である。（１）式は輝度信号Ｙに対する式であるが、
ＲＧＢについても、係数Ｋijの値が異なるが、同様の式
で表わされる。この係数Ｋijの値により、ＹＲＧＢ信号
の分光特性を設定することができる。

【００２８】なお、画素混合読み出し、独立読み出しの
切り替えを行ったときには、各々の読み出し方式におい
て撮像素子から出力される画素の信号の種類が変化す
る。図２にその構成示したＣＣＤの場合、各画素にはＭ
（マゼンタ），Ｇ（緑），Ｃ（シアン），Ｙ（黄色）の
各フィルタが設けられており、独立読み出し時にはこれ
ら４種類の画素が独立して読み出され、上記（１）式に
おけるＳij はこれら４種類の信号となる。これに対
し、画素混合読み出し時には、Ｍ＋Ｃ、Ｇ＋Ｙ、Ｇ＋
Ｃ、Ｍ＋Ｙの４種類の信号となる。このように、読み出
し方式に応じてＣＣＤの出力信号の種類、組成が異なる
ため、読み出し方式を変えたときには、それに連動して
マトリクス係数Ｋijも変更する。

【００２９】このように、画素混合読み出し時には、独
立読み出し時に各画素の信号を独立に読み出すのに対し
て、ＣＣＤ出力の時点で２画素の信号を混合して出力す
るので信号レベルが平均して２倍となり、感度が２倍に
向上することになる。

【００３０】以上のような動作により輝度信号処理回
路、色信号処理回路で生成された画像信号を、速度変換
回路５２で速度変換し、エンコーダ回路５３でＮＴＳＣ
等、所定の信号フォーマットにエンコードして出力す
る。速度変換は、前記したようにＣＣＤから出力された
倍速信号を１／２の速度に変換し、ＮＴＳＣ等の標準の
フレームレートに変換するための処理を行う。図６は、
本発明において独立読み出しと混合読み出しを制御する
方法を示すグラフ図である。横軸は照度、縦軸は信号レ
ベルを表している。明るいとき、すなわち高照度時には
解像度の高い映像信号を生成できる独立読み出しを行
い、低い照度時には高感度が得られる混合読み出しを行
う。図６では、照度Ｌｂより高いときには独立読み出
し、Ｌｂ以下の照度では混合読み出しを行う。

【００３１】図６において、実線で示した６０は絞りや
露光時間（シャッタ速度）を考慮したＣＣＤの出力信号
レベルを示している。点線６１はＣＣＤの出力信号に対
し、信号処理回路における増幅度を考慮した出力信号レ
ベルを示し、撮像素子の動作モードは独立読み出しであ
る。太い実線６２は、画素混合時の出力レベルを示して
いる。このとき、信号処理における増幅は、自動で行な
うＡＧＣ(Automatic Gain Control)である。

【００３２】ＣＣＤの信号出力レベルは、照度が低下す
ると、それに比例して低下する。照度がＬｂまで低下し
たとき、独立読み出しを継続して行なった場合、実線６
０で示した直線を延長した直線で示すように、ＣＣＤの
出力信号レベルはさらに低下する。これに対し、照度Ｌ
ｂで画素混合を行なったときには、実線６０で示すよう
に照度ＬｂＣＣＤ出力信号レベルが２倍となる。このと
き、出力信号のレベルがほぼ一定となるよう、ＡＧＣで
ゲインの補正を行なう。また、このとき露光時間を変え
て映像信号出力レベルの補正を行なっても良い。これに
より、独立読み出しでは照度Ｌｂから映像信号の出力レ
ベルが低下し始めるのに対し、混合読み出しにより照度
Ｌａまで一定の出力レベルを保つことができ、感度を向
上できる。

【００３３】以上、説明したように、本実施形態では、
低照度時には混合読み出し、高照度では独立読み出しす
ることにより、低照度時の高感度化と、高照度時の高解
像度化を両立できる。

【００３４】照度と信号量を用いて、本発明の他の実施
例について説明する。

【００３５】図７を用いて、本発明の他の実施例につい
て説明する。図７は本発明による撮像装置の一実施形態
の構成を示すブロック図である。図１に示したブロック
図と同一の部分は同一符号を付けている。本実施形態で
は、照度検出手段として、絞り６０、また信号処理１４
が出力する信号出力の平均レベル、および信号処理１４
およびＡ／Ｄ変換回路１３の信号の増幅度から、制御回
路１６によって撮像装置周辺の明るさを計算し、照度検
出として用いるものである。信号処理回路１４、制御回
路１６を用いて照度検出を行なうものであり、撮像装置
の構成が簡単化できる。

【００３６】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明では、低
照度時には混合読み出し、高照度では独立読み出しする
ことにより、低照度時には高感度、高照度時の高解像度
化の撮像装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による撮像装置の一実施形態の構成を示
すブロック図

【図２】ＣＣＤの構成を示す図

【図３】ＣＣＤの駆動パルスタイミングを示す図

【図４】ＣＣＤの駆動パルスタイミングを示す図

【図５】本発明における信号処理回路の構成を示すブロ
ック図

【図６】本発明における制御方法を示すグラフ図

【図７】本発明による撮像装置の一実施形態の構成を示
すブロック図

【符号の説明】

１０…レンズ １１…撮像素子 １２…駆動回路 １３…Ａ／Ｄ変換回路 １４…信号処理回路 １６…制御回路 １７…照度検出回路 ２１…メモリ １３…Ａ／Ｄ変換回路 １４…信号処理回路 １６…制御回路 １７…照度検出回路 ２０…画素 ２２…垂直転送部 ２３…水平転送部 ２４…出力アンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｐ Ｆ (72)発明者 大田和 久雄 茨城県ひたちなか市稲田1410番地 株式会 社日立製作所デジタルメディア製品事業部 内 Ｆターム(参考） 2H002 AB06 DB02 DB25 EB01 FB24 HA01 JA07 JA08 ZA01 2H054 AA01 BB11 5C022 AA11 AB04 AB12 AC42 AC69 CA00 5C024 AX01 CX37 CX41 GY04 GZ27 GZ28 HX23 HX28 HX50

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光信号を電気信号に変換する複数の画素を
   備え、該複数の画素に蓄積した画像信号を垂直方向に混
   合して出力する混合読み出しと、該画像信号を画素毎に
   独立に読み出す独立読み出しの読み出し方法が可能な撮
   像素子と、 該撮像素子から出力された電気信号から映像信号を生成
   する信号処理手段と、 撮影環境の明るさを検出する照度検出手段と、 該照度検出手段が検出した明るさに応じて、該混合読み
   出しと該独立読み出しのうちのいずれか一方の読み出し
   方法により読み出しを行うよう、該撮像素子を制御する
   制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記撮像素子に入射す
   る光量を調整する絞り手段を備え、 前記照度検出手段は、該絞り手段の絞り値と、前記信号
   処理手段から出力される映像信号の平均レベルと、前記
   信号処理手段における信号の増幅度から前記撮影環境の
   明るさを検出することを特徴とする撮像装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記制御手段
   は、前記照度検出手段が検出する明るさが所定の明るさ
   より暗いことが検出されたときに、前記混合読み出しに
   より前記画素信号を読み出すよう前記撮像素子を制御
   し、該明るさが該所定の明るさより明るいことが検出さ
   れたときには、前記独立読み出しにより読み出しを行う
   よう前記撮像素子を制御することを特徴とする撮像装
   置。