JP2010028264A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低照度環境化においてもＳ／Ｎと残像特性のバランスが良い鮮明な映像を取得することのできる撮像装置を得る。
【解決手段】Ｓ／Ｎ検出回路９は、映像信号処理部６の出力に基づいてＳ／Ｎ値を検出する。ＣＣＤ２へ入射する光の照度が低下した場合、Ｓ／Ｎ検出回路９で検出されたＳ／Ｎ値が所定の閾値に低下するまで電子増倍モード制御部１０１による電子増倍モードの制御を行う。それ以上ＣＣＤ２へ入射する光の照度が低下した場合、切り換え制御部１０３は、スローシャッターモード制御部１０２によるスローシャッターモードに切り換える。
【選択図】図１

Description

この発明は、高感度化機能として、撮像素子のシャッター時間（露光時間）を伸ばして撮像するスローシャッター機能と、撮像素子の電子増倍機能とを備えた撮像装置に関するものである。

従来、撮像装置における低照度下での映像取得方法として、自動的に撮像素子の感度を向上させる自動電子増倍の機能を用いたものがあった（例えば、特許文献１参照）。
また、スローシャッターの倍率により、ＡＧＣ（Auto Gain Control）補正データを読み出し、補正を行うことで、レンズから入ってきた被写体の明るさの変化量とスローシャッターの倍率の変化による出力信号の変化量とを一致させる自動スローシャッター機能を有する撮像装置があった（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−２２３５８８号公報 特開平７−７５００７号公報

上記のように、従来、撮像装置における低照度下での映像取得方法として、撮像素子の感度を向上する電子増倍の機能と、シャッター時間を伸ばして撮像するスローシャッターの機能があった。しかしながら、電子増倍の場合は、スローシャッター機能と比較して、取得映像のＳ／Ｎが悪いという問題がある。一方、スローシャッター機能の場合は、Ｓ／Ｎは良いが、残像が発生してしまい鮮明に撮影することが出来ないという問題がある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、低照度環境化においてもＳ／Ｎと残像特性のバランスが良い鮮明な映像を取得することのできる撮像装置を得ることを目的とする。

この発明に係る撮像装置は、電子増倍モードの制御を行う電子増倍モード制御部と、スローシャッターモードの制御を行うスローシャッターモード制御部と、撮像素子から得られた映像信号の信号対雑音比に基づいて、スローシャッターモード制御部と電子増倍モード制御部との切り換えを行う切り換え制御部とを備えたものである。

この発明の撮像装置は、電子増倍モードとスローシャッターモードとをＳ／Ｎ値に基づいて切り換えるようにしたので、低照度環境化においてもＳ／Ｎと残像特性のバランスが良い鮮明な映像を取得することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による撮像装置を示す構成図である。
図において、撮像装置はレンズ１、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）２、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路３、アンプ４、Ａ／Ｄ変換器５、映像信号処理部６、映像信号出力部７、メモリ回路８、Ｓ／Ｎ検出回路９、制御部１０、電子増倍制御回路１１、タイミングジェネレータ１２、ＣＣＤ駆動回路１３を備えている。尚、本発明の各実施の形態では、撮像装置として監視カメラに適用した場合を説明する。

レンズ１は入射光を結像するためのレンズであり、ＣＣＤ２は、レンズ１から入射した光を光電変換する撮像素子である。各実施の形態ではＣＣＤ２として光電変換した電荷をＣＣＤ内部で増倍して高感度化を行うことが可能な電荷増倍型ＣＣＤを使用する。ＣＤＳ回路３は、ＣＣＤ２から出力された信号のノイズを除去するノイズ除去回路である。アンプ４は、ＣＤＳ回路３の出力信号を増幅する増幅部、Ａ／Ｄ変換器５は、アンプ４から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する変換部である。映像信号処理部６は、Ａ／Ｄ変換器５から入力されるデジタル信号に各種画像処理を施す信号処理部、映像信号出力部７は、映像信号処理部６から出力される信号を所定の映像フォーマットに変換して映像信号を出力する出力部である。

メモリ回路８は、１フィールド分の映像データを保存する記憶部であり、スローシャッター時において映像出力がない期間が存在する時に、映像信号処理部６はメモリ回路８に保存されている映像データを補完映像データとして映像信号出力部７に出力するよう構成されている。Ｓ／Ｎ検出回路９は、映像信号処理部６から出力される映像信号のＳ／Ｎ（信号対雑音比）を検出する回路である。制御部１０は撮像装置の各種制御を司る機能部であり、電子増倍モード制御部１０１、スローシャッターモード制御部１０２、切り換え制御部１０３を備えている。尚、これらの制御部の詳細については後述する。

電子増倍制御回路１１は、制御部１０からの指示に基づいて電子増倍倍率を制御する制御回路である。タイミングジェネレータ１２は、制御部１０からの指示に基づいてシャッター時間を制御するＣＣＤ２の露光時間の制御部である。ＣＣＤ駆動回路１３は、電子増倍制御回路１１およびタイミングジェネレータ１２からの信号に基づいて所定の駆動パルスをＣＣＤ２に供給する回路である。

制御部１０の電子増倍モード制御部１０１は、映像信号処理部６から出力される映像信号の輝度レベルの値に基づいて、被写体の照度が低くなるにつれてＣＣＤ２の感度が上がるようＣＣＤ２における電子増倍レベルを制御する機能部である。スローシャッターモード制御部１０２は、照度が低くなるにつれてシャッター時間（ＣＣＤ２の露光時間）が、予め定めた通常モードのシャッター時間より長くなるよう制御を行う機能部である。切り換え制御部１０３は、Ｓ／Ｎ検出回路９で検出されたＳ／Ｎの値に基づいて、低照度下における電子増倍モード制御部１０１とスローシャッターモード制御部１０２との切り換え制御を行う機能部である。尚、これら電子増倍モード制御部１０１〜切り換え制御部１０３は、それぞれの機能に対応したソフトウェアと、これを実行するマイクロプロセッサやメモリ等のハードウェアから構成されている。

次に、実施の形態１の動作について説明する。
最初に、全体の動作について説明する。
図２は、本発明の実施の形態１による、低照度下でＳ／Ｎの良い映像を取得する監視カメラの制御切り換え方法を示す状態遷移図である。
図２において、（ａ）は、低照度下で照度を変化したときの、照度に基づいて切り換えを行う場合の電子増倍モードとスローシャッターモードの状態遷移図である。照度に基づいてモード切り換えを行う場合、電子増倍モードにおいて照度を低くしたとき、電子増倍レベルを最小値（ＭＩＮ）から最大値（ＭＡＸ）まで変化させてから、スローシャッターモードに切り換わることになる。そのため、電子増倍モードとスローシャッターモードの動作切り換え点付近では、非常にＳ／Ｎ値が悪くなってしまう。そして、このような切り換え制御では、Ｓ／Ｎが悪くなった状態でスローシャッターモードに切り換わり、更に照度が低くなるにつれてシャッター時間を長くしていき露光時間を長くすることになる。

一方、図２において、（ｂ）は、Ｓ／Ｎに基づいて切り換えを行う場合の電子増倍モードとスローシャッターモードの状態遷移図である。図１の切り換え制御部１０３は、予めＳ／Ｎに関する閾値を有しており、また、照度変化に伴いＳ／Ｎ検出回路９がＳ／Ｎを算出する。ここで、Ｓ／Ｎ閾値は、Ｓ／Ｎが悪くならないよう、図２（ａ）の動作切り換え点におけるＳ／Ｎ値より十分高く設定されている。切り換え制御部１０３は、Ｓ／Ｎ検出回路９から得られたＳ／Ｎ値が、Ｓ／Ｎに関する閾値より高いか低いかを判定して電子増倍モード制御部１０１かスローシャッターモード制御部１０２に制御機能切り換え命令を送信する。このとき、Ｓ／Ｎ値が前記Ｓ／Ｎに関する閾値より低くなる（悪化する）と、電子増倍モード制御部１０１による電子増倍モードからスローシャッターモード制御部１０２によるスローシャッターモードへと切り換える。

図２に示すように、照度に基づく切り換えと比較して電子増倍モードとスローシャッターモードの動作切り換え時の照度が高くなり、Ｓ／Ｎ値が閾値以下にはならないため、監視カメラとしてのＳ／Ｎ値の低下を防止することができる。更に、被写体毎にＳ／Ｎ値が変化するため、被写体に応じて切換ポイントを適切に変化させることができる。このように、実施の形態１の状態遷移を実施することにより、Ｓ／Ｎの良い映像を得ることが出来る。
また、実施の形態１では、電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換え後、照度の低下に合わせてシャッター時間を通常時間から順に伸ばしていき、低照度での撮影を実現する。

一方、スローシャッター機能で動作している状態で、照度が高くなっていき、Ｓ／Ｎが良くなると、再び電子増倍機能に切り換える。このとき、もしＳ／Ｎ値が上述した電子増倍モードからスローシャッターモードに切り換えたときのＳ／Ｎ値より高くなることでスローシャッターモードから電子増倍モードへ切り換えるよう設定していると、Ｓ／Ｎ値が電子増倍モードとスローシャッターモードの閾値付近である場合、微小な照度変化においてモード切り換えが頻発に発生するため、状態が安定しなくなる。この問題を解決するため、図３のように、スローシャッターモードから電子増倍モードへの切り換えには、Ｓ／Ｎ値が電子増倍モードからスローシャッターモードに切り換えた際のＳ／Ｎ値より一定値以上高くなることを必要とする。これにより、境界条件付近での機能切り換えにヒステリシスを付加することができる。

次に、実施の形態１における動作の詳細について説明する。
監視カメラにおいて、内蔵された電子増倍型ＣＣＤ出力の輝度レベルにより、被写体の照度が予め決められた照度に関する閾値より低くなった場合、制御部１０は低照度であると認識する。制御部１０が低照度であると認識した場合、電子増倍モード制御部１０１による電子増倍機能を使用して撮影を行う。照度を低くしていったとき切り換え制御部１０３はＳ／Ｎ値を確認し、Ｓ／Ｎ値がＳ／Ｎに関する閾値より高い場合は電子増倍機能を引き続き使用する。もし、Ｓ／Ｎ値がＳ／Ｎに関する閾値より低くなった場合は、電子増倍機能からスローシャッターモード制御部１０２によるスローシャッター機能へ機能切り換えを行う。機能切り換え後、照度が変化した場合、再度Ｓ／Ｎ値を確認し、Ｓ／Ｎ値がＳ／Ｎに関する閾値より一定値以上高くなると電子増倍機能に切り換える。電子増倍機能時及びスローシャッター機能時においてＳ／Ｎ値の確認を繰り返し、照度に応じた機能の切り換えを自動に行うことができる。

次に、このような実施の形態１の動作の詳細を、図４のフローチャートを用いて説明する。
先ず、低照度下での撮影開始をスタートとして、ステップＳＴ１にて、電子増倍モード制御部１０１による電子増倍モードの制御を開始する。ステップＳＴ２へ移行して、切り換え制御部１０３は、内蔵された電子増倍型ＣＣＤ出力の輝度レベルにより、被写体の照度が予め決められた照度に関する閾値より高いか低いかを判定する。ここで、閾値より低くなった場合は低照度であると判断して、ステップＳＴ３へ移行する。ステップＳＴ３において、Ｓ／Ｎ検出回路９で得られたＳ／Ｎ値を確認し、ステップＳＴ４でそのＳ／Ｎ値結果が予め設定したＳ／Ｎ閾値より低いかを判定する。判定の結果、Ｓ／Ｎ値が閾値より低い場合、切り換え制御部１０３は、ステップＳＴ５に移行してスローシャッターモード制御部１０２によるスローシャッターモードの制御に切り換える。ステップＳＴ４において、Ｓ／Ｎ値が閾値より高い場合は、引き続き電子増倍モードとする。

ステップＳＴ５においてスローシャッターモードに切り換えた後、そのスローシャッターモードでの動作中、切り換え制御部１０３は、ステップＳＴ６、ＳＴ７で、Ｓ／Ｎを確認する。ステップＳＴ７において、Ｓ／Ｎの値が、電子増倍モードからスローシャッターモードに切り換えたときのＳ／Ｎ閾値より一定値以上高いかを判定する。ここで、一定値以上高いと判定した場合は、ステップＳＴ８に移行して電子増倍モードを使用するようにモード切り換え処理を行う。

ステップＳＴ８において電子増倍モードに切り換えた後はステップＳＴ２に戻り、被写体の照度が予め決められた照度に関する閾値より低いかを判定する。ステップＳＴ２において、被写体の照度が閾値より高くなった場合、低照度処理を終了とする。一方、ステップＳＴ２において、被写体の照度が閾値より低い場合、Ｓ／Ｎ値に基づいた電子増倍モードとスローシャッターモードの切り換えを繰り返し行う。

以上のように、実施の形態１の撮像装置によれば、入射した光を電気信号に変換すると共に、撮像感度の電子増倍機能を有する撮像素子と、撮像素子の電子増倍を行うことで、撮像感度を増大させる電子増倍モードの制御を行う電子増倍モード制御部と、撮像素子の露光時間を通常モードの露光時間よりも長くして、撮像感度を増大させるスローシャッターモードの制御を行うスローシャッターモード制御部と、撮像素子から得られた映像信号の信号対雑音比に基づいて、スローシャッターモード制御部と電子増倍モード制御部との切り換えを行う切り換え制御部とを備えたので、被写体の照度が低照度であっても、Ｓ／Ｎと残像特性のバランスが良い鮮明な映像を取得することができる。

また、実施の形態１の撮像装置によれば、切り換え制御部は、撮像素子への入射する光の照度が低下した場合、撮像素子から得られた映像信号の信号対雑音比が所定の閾値に低下するまで電子増倍モードの制御を行い、それ以上光の照度が低下した場合にスローシャッターモードに切り換えるようにしたので、被写体の照度が低照度であると認識された場合に電子増倍モードを開始し、算出したＳ／Ｎが閾値より低くなることにより、スローシャッターモードに切り換えることが可能になり、低照度においてＳ／Ｎが良い鮮明な映像を取得することができる。

また、実施の形態１の撮像装置によれば、切り換え制御部は、電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換え後、スローシャッターモードから電子増倍モードへの切り換えを行う場合は、信号対雑音比の値が閾値よりも予め定められた値以上高くなった時点で行うようにしたので、Ｓ／Ｎが閾値付近となる微小な照度変化が発生した場合でも、頻繁にモード切り換えの発生を防止することができ、安定したモード切り換え制御を行うことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、撮像素子における電子増倍レベルとシャッター時間との対応関係を予め設定しておき、電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換え時に、この対応関係に基づいてスローシャッターモードのシャッター時間を決定するようにしたものである。
撮像装置としての図面上の構成は、実施の形態１と同様であるため、図１を援用して説明する。実施の形態２における制御部１０は、図５に示すような電子増倍レベルとシャッター時間との対応関係を示すデータを有している。そして、制御部１０の切り換え制御部１０３は、低照度下における電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換え時に、図５に示す電子増倍レベルに対応したシャッター時間をスローシャッターモード制御部１０２に指示するよう構成されている。これ以外の構成については実施の形態１と同様であるため、ここでの説明は省略する。

次に、実施の形態２の監視カメラの動作について説明する。
図６は、実施の形態２の監視カメラによる電子増倍モードからスローシャッターモードへの状態遷移を示す説明図である。
電子増倍モードで照度を低くしたとき、電子増倍レベルの増加に伴いＳ／Ｎが悪化する。切り換え制御部１０３は、Ｓ／Ｎ検出回路９で算出されたＳ／Ｎに対して、予め設定したＳ／Ｎに関する閾値より低いか高いかを判定して、閾値より低いとき、電子増倍モードからスローシャッターモードへ切り換える。
実施の形態２では、予め図５に示すようなスローシャッターモードにおけるシャッター時間と電子増倍モードにおける電子増倍レベルの対応関係を有しているため、電子増倍モードからスローシャッターモードへ切り換える際、切り換え制御部１０３は、電子増倍モード制御部１０１が電子増倍制御回路１１に指示した電子増倍レベルを読み出し、この電子増倍レベルに対応するシャッター時間をスローシャッターモード制御部１０２に指示する。スローシャッターモード制御部１０２は、このシャッター時間をタイミングジェネレータ１２に送信してスローシャッターモードを開始させる。例えば、図５に示すように、電子増倍レベルがＡのとき、シャッター時間は通常時間のＢ倍になるとする。電子増倍モードでの動作時に、照度を低くしていき、電子増倍レベルがＡのときＳ／Ｎ値が閾値以下になるとすると、電子増倍モードからスローシャッターモードに制御モードが切り換わる。このときのシャッター時間は通常時間のＢ倍となる。更に、照度を低くするにつれて、このシャッター時間から露光時間を順に伸ばしていく。このように、電子増倍モードとスローシャッターモードの切り換え時のシャッター時間を変化させることにより、切り換え時における感度レベルの差を解消する。

次に、実施の形態２の監視カメラにおける動作の詳細を図７のフローチャートを用いて説明する。
図７のフローチャートは、低照度環境において電子増倍モードでの撮影を開始してからスローシャッターモードへの切り換えを完了するまでの処理手順を示す。
尚、スローシャッターモードへの切り換え後は、実施の形態１と同様に、Ｓ／Ｎを確認し、Ｓ／Ｎ閾値より一定値以上高くなった場合に電子増倍モードに切り換え、以降は電子増倍モードとスローシャッターモードを繰り返すため、これらの動作に対する説明は省略する。

図７のフローチャートにおいて、先ず、監視カメラの低照度撮影開始をスタートとして、ステップＳＴ１１において電子増倍モードの制御を開始する。ここで、切り換え制御部１０３は、ステップＳＴ１２において、Ｓ／Ｎを確認し、ステップＳＴ１３で、Ｓ／Ｎ値結果が予め設定したＳ／Ｎ閾値より低いかを判定する。判定の結果、Ｓ／Ｎ値が閾値より高い場合は、引き続き電子増倍モードを使用する。逆に、Ｓ／Ｎ値が閾値より低い場合は、ステップＳＴ１６において、スローシャッターモードに切り換える。このとき実施の形態２ではスローシャッターモードに切り換える前に、ステップＳＴ１４において電子増倍モードにおける電子増倍レベルを確認する。

次に、切り換え制御部１０３は、ステップＳＴ１５において、予め設定された図５に示すような電子増倍レベルとシャッター時間との対応関係に基づいて、電子増倍モードにおける電子増倍レベルと出力映像の感度レベルが同等になるスローシャッターモードにおけるスローシャッター時間を読み出す。この状態でステップＳＴ１６に移行し、読み出したシャッター時間をスローシャッターモード制御部１０２に指示し、スローシャッターモード制御部１０２は、指示されたシャッター時間でスローシャッターモードによる制御を開始する。

以上のように、実施の形態２の撮像装置によれば、切り換え制御部は、電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換えを行う場合、予め定めた電子増倍モードにおける電子増倍レベルとスローシャッターモードにおける露光時間との対応関係に基づいて、切り換え時の電子増倍レベルに対応した露光時間でスローシャッターモードの指示を行うようにしたので、被写体の照度が低照度であると認識された場合、電子増倍モードからスローシャッターモードに切り換えた際に、感度差のない鮮明な映像を取得することができる。

この発明の実施の形態１による撮像装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による撮像装置の状態遷移を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による撮像装置のヒステリシス特性の説明図である。 この発明の実施の形態１による撮像装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態２による撮像装置の電子増倍レベルとシャッター時間との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による撮像装置の状態遷移を示す説明図である。 この発明の実施の形態２による撮像装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２ ＣＣＤ（撮像素子）、９ Ｓ／Ｎ検出回路、１０ 制御部、１１ 電子増倍制御回路、１２ タイミングジェネレータ、１３ ＣＣＤ駆動回路、１０１ 電子増倍モード制御部、１０２ スローシャッターモード制御部、１０３ 切り換え制御部。

Claims (4)

1. 入射した光を電気信号に変換すると共に、撮像感度の電子増倍機能を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の電子増倍を行うことで、撮像感度を増大させる電子増倍モードの制御を行う電子増倍モード制御部と、
   前記撮像素子の露光時間を通常モードの露光時間よりも長くして、撮像感度を増大させるスローシャッターモードの制御を行うスローシャッターモード制御部と、
   前記撮像素子から得られた映像信号の信号対雑音比に基づいて、前記スローシャッタモード制御部と前記電子増倍モード制御部との切り換えを行う切り換え制御部とを備えた撮像装置。
2. 切り換え制御部は、撮像素子へ入射する光の照度が低下した場合、当該撮像素子から得られた映像信号の信号対雑音比が所定の閾値に低下するまで電子増倍モードの制御を行い、それ以上前記光の照度が低下した場合にスローシャッターモードに切り換えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 切り換え制御部は、電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換え後、当該スローシャッターモードから前記電子増倍モードへの切り換えを行う場合は、信号対雑音比の値が閾値よりも予め定められた値以上高くなった時点で行うことを特徴とする請求項２記載の撮像装置。
4. 切り換え制御部は、電子増倍モードからスローシャッターモードへの切り換えを行う場合、予め定めた電子増倍モードにおける電子増倍レベルとスローシャッターモードにおける露光時間との対応関係に基づいて、切り換え時の電子増倍レベルに対応した露光時間でスローシャッターモードの指示を行うことを特徴とする請求項２または請求項３記載の撮像装置。

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