JP2550045B2

JP2550045B2 - 固体テレビカメラ装置

Info

Publication number: JP2550045B2
Application number: JP62012368A
Authority: JP
Inventors: 到三村; 和弘佐藤; 直樹小澤; 健二高橋; 良純江藤; 功二工藤; 俊之秋山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-01-24
Filing date: 1987-01-23
Publication date: 1996-10-30
Anticipated expiration: 2011-10-30
Also published as: JPS63158982A; EP0256131A4; EP0256131A1; KR880701054A; WO1987004581A1; KR920000297B1; US4825291A; EP0256131B1; DE3770720D1

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はテレビカメラ装置に係り、特に固体撮像装置
を用いた固体テレビカメラ装置に関する。

［従来の技術］現行のテレビカメラ装置は、信号蓄積型の撮像管また
は固体撮像装置の受光面に被写体の光学像を結像し、こ
の受光面で発生した信号電荷を一定の周波数で走査し、
電気信号に変換している。この走査周波数はテレビジョ
ン方式により定められており、例えばNTSC方式では毎秒
60フィールドである。そのため、信号の蓄積時間は16.7
msec（フィールド蓄積読みだしの場合）、あるいは33.3
msec（フレーム蓄積読みだしの場合）である。

このテレビカメラ装置用に実用化されている固体撮像
装置は、MOS型装置とCCD型装置とがある。これらの装置
は半導体基板上に形成された光電変換素子（例えばフォ
トダイオード）によって光学像を信号電荷に変換して蓄
積し、この信号電荷を走査回路等によって一定の周波数
で読みだし、映像信号を出力する。このように信号電荷
を光電変換素子（フォトダイオード）の寄生容量に蓄積
する蓄積型の固体撮像装置においては、各光電変換素子
の有する寄生容量によって、それに蓄積可能な信号電荷
量（飽和信号電荷量）が所定の値に決っている。

一方、各光電変換素子に蓄積される信号電荷の量は各
光電変換素子の信号蓄積時間と各光電変換素子への入射
光の強さ（被写体照度）との積に比例する。そのため、
信号蓄積時間が長い場合または被写体が明るく入射光が
強い場合は、光電変換素子に蓄積される信号電荷量は多
くなり、逆に、信号蓄積時間が短い場合または被写体が
暗く入射光が弱い場合には蓄積される信号電荷量は少な
くなる。光電変換素子から読みだされる信号電荷にはほ
ぼ一定の雑音電荷が混入するための撮像装置の信号対雑
音比（S/N）は、光電変換素子に蓄積される信号電荷量
に比例する。すなわちS/Nは信号蓄積時間と入射光の強
さ（被写体照度）とに依存して変化する。例えば信号蓄
積時間を２倍、あるいは入射光の強さを２倍にするとS/
Nが約6dB向上する。

上述の原理に基づいて、撮像装置のS/Nを向上させる
ために、入射光の強さ（被写体照度）に応じて信号の蓄
積時間を制御するように構成したものとして、例えば
（ａ）特開昭51−140510号公報，（ｂ）特開昭55−1102
09号公報，（ｃ）特開昭57−64711号公報，（ｄ）特開
昭59−196666号公報，（ｅ）特開昭60−74878号公報な
どがある。

［発明が解決しようとする問題点］これら従来技術は、カメラ等の自動焦点検出装置に使
用される蓄積型光電変換素子に関するものであり、入射
光の強さ（被写体照度）に応じて信号電荷の蓄積時間を
自由に設定し得る。しかしながら、本発明の対象である
テレビカメラ装置においては走査周波数が60フィールド
／秒と固定であるためにフィールド蓄積読みだしを採用
しているものでは信号電荷の最大蓄積時間は1/60秒（1
6.7msec）、フレーム蓄積読みだしのものでも高々1/30
秒（33.3msec）である。そのために入射光の強さが小さ
い低照度の被写体を撮影する場合に、S/Nを上げるため
に蓄積時間を長くしても取り得る最大蓄積時間は1/60秒
（16.7msec）あるいは1/30秒（33.3msec）に決ってしま
い、S/Nの低下による画質劣化を避けられない。

また、これらの従来技術は、入射光の強さ（被写体照
度）のみによって蓄積時間を制御するものであって、動
きのある被写体（動画）に対する配慮がない。すなわち
蓄積時間の増加に伴って生じる動画の解像度（動解像
度）の低下（像ぼけ）及び残像の増加といった問題につ
いてはこれら従来技術は何も言及していない。

本発明の目的は動く被写体では動解像度低下や残像の
発生がなく、静止被写体ではS/Nが高い固体テレビカメ
ラ装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］上記目的は被写体照度に応じた信号電荷を蓄積する複
数個の第１光電変換素子群と、上記被写体照度に応じた
信号電荷を蓄積する複数個の第２光電変換素子群と、上
記第１の光電変換素子群からの信号に基づいて被写体の
動きを検出する動き検出手段と、上記動き検出手段から
の信号に基づいて上記第２の光電変換素子群の蓄積時間
（走査周波数）を制御する蓄積時間制御手段とを有する
固体テレビカメラ装置によって達成される。

［作用］本発明においては、蓄積時間一定の受光素子からの信
号により被写体の動静を判定し、蓄積時間可変の受光素
子の蓄積時間を、動きのある被写体では短く、静止画で
は長くするように制御する。

そして、信号処理回路では蓄積時間の長い信号と、一
定蓄積時間の信号レベルを一致させ、混合して映像信号
を得る。

上記のように構成することにより、静止画においては
自動的に蓄積時間が長くなるのでS/N比が良くなり、か
つ、動画では自動的に蓄積時間が短くなるので動解像度
が低下するおそれもない、という優れた効果が得られ
る。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の概略を示す図である。本図では、固
体撮像板１と、これより画素をずらして重ね合わせた固
体撮像板２とで撮像装置を構成している。

固体撮像板１は被写体照度に応じた信号電荷を蓄積す
る光電変換素子（受光素子）３をマトリクス状に複数個
有している。光電変換素子３は被写体の動きを検出する
ための画素（動きモニタ用画素）である。同様に固体撮
像板２も光電変換素子４をマトリクス状に有している。
光電変換素子４は信号電荷の蓄積時間を走査回路８によ
って自由に変えられる画素（信号蓄積画素）である。走
査回路７は撮像板１を走査し、走査回路８は撮像板２を
走査する。走査回路８によって走査された撮像体２の信
号電荷はそえぞれ信号伝送路９を介して映像信号として
出力される。走査回路７によって走査された撮像板１の
信号電荷はそれぞれ信号伝送路20を介して動き検出回路
21に入力される。動き検出回路21は撮像板１の信号を基
に、被写体が動画であるか静止画であるかを判定し、そ
の結果を出力する。動き検出回路21の信号は走査制御回
路22に入力される。走査制御回路22は動き検出回路21の
信号によって、走査回路８の走査周波数を調整する。こ
れによって、撮像板２の信号蓄積時間は制御される。

なお、第１図の実施例では動きモニタ画素３と信号蓄
積画素４とを明確に示すため各々の受光素子を別個に設
けた二つの固体撮像板1,2を重ね合わせたものを例示し
ているが、動きモニタ画素３と信号蓄積画素４とは原理
的に同じものでよいから一つの固体撮像板上に形成され
た複数の受光素子のうち一部を動きモニタ画素として用
いてもよい。なお実用上は、信号蓄積画素の受光素子４
は蓄積容量の大きなものが望ましい。

第２図は本発明の固体テレビカメラ装置の全体構成を
示した図である。第２図において、第１図と同一のもの
には同一符号を付してある。被写体からの入射光Inはビ
ームスプリッター６によってその成分を２方向に分けら
れ、各撮像板1,2に取り込まれる。撮像板２の信号はプ
リアンプ24を介してゲイン調整回路17に入力される。ゲ
イン調整回路17は蓄積時間の変化に応じて出力レベルを
調整する。ゲイン調整回路17で調整された信号はサンプ
ルホールド回路10およびA/D変換回路11を介してフィー
ルドメモリ12に記憶される。フィールドメモリ12に記憶
された信号は時間軸補正回路18の信号に同期して読みだ
され、D/A変換回路91を介して映像信号として出力され
る。一方、撮像板１の信号はプリアンプ24′，サンプル
ホールド回路10′およびA/D変換回路11′を介して動き
検出回路21内のフィールドメモリ13に記憶される。フィ
ールドメモリ13に記憶されていた信号はフィールド毎に
フィールドメモリ14に転送され、記憶される。すなわち
フィールドメモリ14は１フィールド前の信号を記憶す
る。動き判定回路15はフィールドメモリ13,14の各信号
間の相関を検出し、被写体の動静を判定する。動き判定
回路15の判定結果は時間軸補正回路18及び走査制御回路
22に出力される。走査制御回路22は動き判定回路15の結
果に応じて走査回路８及びゲイン調整回路17を制御す
る。各フィールドメモリ12,13及び14はメモリR/W制御回
路25によって制御される。

第３図は第２図の動作を説明するためのタイミングチ
ャート図である。以下第３図を用いて第２図の実施例の
動作を説明する。

第３図では信号を３フィールド期間蓄積する場合を示
す。走査回路７は固体撮像板１の走査開始パルスP₇（P
₇₀，P₇₁，P₇₂，P₇₃………）を一定周波数（60Hz）で出
力する。撮像板１からは走査開始パルスP₇によって、各
フィールド毎に信号S₀′，S₁′，S₂′，S₃′，S₄′……
…が出力される。動き検出回路21はこの信号S₀′，
S₁′，S₂′，S₃′，S₄′………により被写体の動きを判
定する。

今、フィールドf₁で動き判定信号S₁′と、蓄積時間が
長くS/Nの良い固体撮像板２からの信号S₁を得たとす
る。このとき信号S₁は、ゲイン調整回路17によりレベル
調整され、サンプルホールド回路10およびA/D変換回路1
1を介してフィールドメモリ12に格納される。同時にフ
ィールドメモリ13の信号はフィールドメモリ14に転送さ
れる。

動き判定はフィールドメモリ14にある１フィールド前
の固体撮像板１の信号S_-1′とフィールドメモリ13にあ
る現フィールドの信号S₀′とにより行う。すなわち、動
き判定回路15により２フィールドの信号の相関を求め、
相関の高い場合は静止被写体と判定し、相関の低い場合
は動被写体と判定する。

なお、上記の相関は位置的に対応する画素間の差分信
号を累積する等の方法で行う。本例では信号S₀′，S₁′
およびS₂′の相関は高く、信号S₂′とS₃′との相関は低
い。そのため固体撮像板２は３フィールド期間（f₁，
f₂，f₃）の信号を累積する。

フィールドf₃では信号S₂′とS₃′の相関が低いので動
被写体と判定し、走査制御回路22は走査開始パルスP₈₂
を発生し信号S₄を読みだす。以上のような信号読みだし
により撮像板２の信号Snが得られる。信号蓄積画素４が
信号蓄積をしているフィールドf₂，f₃では信号蓄積画素
４の信号は得られない。この期間はフィールドメモリ12
に記憶してある信号を繰り返し用いて補間し信号Sn″を
得る。

第４図は第２図の動き検出回路21の他の実施例を示す
図である。本図の動き検出回路21は遅延回路49,差分回
路50,絶対値回路51,積算回路52から構成される。遅延回
路49の遅延時間は１フィールド期間である。フィールド
間相関は遅延回路49の出力信号53と原信号41の差を差分
回路50で求める。求められた差信号の絶対値を絶対値回
路51で検出し、積算回路52でその累積値を求める。この
回路の動作では相関の低い動被写体では大きな累積値
が、また相関の高さ静止被写体では小さな累積値が出力
端54に現れる。

第５図は動きモニタ画素３と信号蓄積画素４を１枚の
素板上に配置した場合の一実施例を示す図である。第５
図において、信号蓄積時間制御回路５は第１図の実施例
の動き検出回路21,走査制御回路22及び走査回路7,8をま
とめて表したものであり、その構成は第１図と同じであ
る。第５図では、１枚の固体撮像板32に、動きモニタ画
素３からの信号を取り出す信号線70と、信号蓄積画素４
から信号を取り出す信号線71との２種類の信号線が設け
られている。

次に、第６図は本装置をMOS形で構成した場合の一実
施例を示す図である。

まず第６図では垂直シフトレジスタ33とスイッチ34に
より各画素の走査を行う。スイッチ35,36は信号蓄積時
間制御回路５により開閉し、信号蓄積画素４の蓄積時間
を調節する。動きモニタ画素３を制御するスイッチ36は
各フィールドの走査期間は閉じているため、垂直シフト
レジスタ33の走査パルスが動きモニタ画素３に接続され
た垂直MOSトランジスタ37のゲートに伝わり、全てのフ
ィールドで信号電荷が読み出される。

信号蓄積画素４に信号を蓄積する場合はスイッチ35を
開く。このスイッチ35が開（オフ）の間は垂直シフトレ
ジスタ33の走査パルスは垂直MOSトランジスタ38に伝わ
らず、信号蓄積画素４に信号電荷は蓄積される。

信号を読み出す場合はスイッチ35を閉じ、垂直走査パ
ルスを垂直MOSトランジスタ38に伝える。なお、水平MOS
トランジスタ39,水平シフトレジスタ40は、水平方向に
信号を読み出すために用いる。

第７図は第６図におけるスイッチ35,36の制御タイミ
ングチャートである。これは第３図と同様に３フィール
ド期間信号を蓄積する場合を示す。

第６図において、パルス列56はスイッチ36の制御パル
ス、パルス列55はスイッチ35の制御パルスである。パル
ス列56のオン信号によりスイッチ36を閉じ、動きモニタ
画素３から信号S₁′，S₂′，S₃′，S₄′………を読みだ
す。パルス列55のオン信号により信号蓄積画素４から信
号S₁，S₄………を読みだす。動きモニタ画素３からはパ
ルス列56によって全てのフィールド毎で信号が読み出さ
れるが、信号蓄積画素４にはパルス列55のオフ信号によ
ってフィールド期間f₂，f₃に信号が蓄積される。

以上、説明した信号読みだしにより信号Sn′,Snが得
られ、３フィールド期間の間蓄積された信号S₄が得られ
る。

第８図は動きモニタ画素３と信号蓄積画素４とを１枚
の基板上に配置した場合の他の実施例を示す図である。
本実施例では、２つの垂直シフトレジスタ33′,33によ
って動きモニタ画素３と信号蓄積画素４との走査を行
う。すなわち、動きモニタ画素３を走査する垂直MOSト
ランジスタ37は垂直シフトレジスタ33′により開閉す
る。信号蓄積画素４の垂直MOSトランジスタ38は垂直シ
フトレジスタ33により開閉する。垂直シフトレジスタ3
3′は一定周期で垂直MOSトランジスタ37を開閉する。そ
のために動きモニタ画素３からは全てのフィールドで信
号が読み出される。一方、垂直シフトレジスタ33は信号
蓄積時間制御回路５からの信号55′に応じて動作する。

第９図は第８図のシフトレジスタ33,33′の駆動タイ
ミングチャートを示す図である。この図も第６図と同様
に３フィールド期間に信号を蓄積する場合を示す。第９
図においてパルス列56′はシフトレジスタ33′の走行開
始パルス、パルス列55′はシフトレジスタ33の走査開始
パルスである。これらのパルスによりシフトレジスタ3
3′,33は制御され、垂直走査パルス65,66が垂直MOSトラ
ンジスタ37,38を開閉し第６図のものと同様に信号Sn,S
n′が得られる。

第10図は第５図の固体撮像素子を用いた固体テレビカ
メラ装置の全体構成の実施例を示す図である。これは撮
像板32から得られる２種類の信号を処理する回路であ
り、第２図の処理回路の実施例とほぼ同じ構成である。

第11図は第２図の実施例の変形を示す図である。本図
において、第２図と異なるところは、映像信号としてフ
ィールドメモリ13の信号を使うことである。すなわち、
映像信号はフィールドメモリ12,13の信号を加算器19で
加算した信号からなる。これによってモニタ用として使
っていた入射光の一部を有効に利用することができる。

第12図は第11図の実施例のフィールドメモリ12,13か
らの信号読みだし方法を説明するための図である。

偶数フィールドでは、メモリ13にある動きモニタ画素
３から走査線信号60とメモリ12から走査線信号61とを同
時に読み出す。この走査線信号60と走査線信号61との２
信号を加算回路19によって混合することにより、２線同
時読みだしの動作が行われる。同様に走査線62と走査線
63を組み合わせて次の走査線信号を得る。以下、偶
（奇）フィールドでは同様な組合せで走査線信号を得
る。一方、奇（偶）フィールドでは走査線を組変え、走
査線61と走査線62の信号を用いて走査線信号を得る。以
上説明した信号読みだしによりインタレース走査を実現
し、テレビジョン信号を得ることができる。

第13図は３枚の固体撮像板を用いてカラーテレビジヨ
ンカメラを構成した実施例を示す図である。本カメラ装
置は、カラー映像信号を得るため、ダイクロイックプリ
ズム136,赤色（Ｒ）撮像板133,緑色（Ｇ）撮像板132,青
色（Ｂ）撮像板131,色信号処理回路（カラーエンコー
ダ）140及び駆動回路137,138,139が付加されている。

本実施例では青色（Ｂ）撮像板131の画素全てをモニ
タ画素として用いる。すなわち青色（Ｂ）撮像板131を6
0フィールド／秒で走査して信号を得、この信号を用い
て被写体の動きを検出する。動画と判定した場合は走査
制御回路22により駆動回路137,138をコントロールし、
赤色（Ｒ），緑色（Ｇ）撮像板の信号を読みだす。一
方、静止被写体と判断した場合は、駆動パルスの供給を
止め、信号を蓄積する。読みだした赤色（Ｒ），緑色
（Ｇ），青色（Ｂ）信号は一度フィールドメモリ121,12
2,123に格納し、メモリR/W制御回路251により信号の得
られないフィールドを補間した後色信号処理回路（カラ
ーエンコーダ）140に入力してカラーテレビジョン信号
を得る。

本カラーカメラによれば静止画において、赤色
（Ｒ），緑色（Ｇ）信号のS/Nがよくなる。赤色
（Ｒ），緑色（Ｇ）信号はテレビジョン信号の主な成分
であるので、結果として輝度信号のS/Nがよくなる。ま
た動きのある被写体に対する動解像度の低下もない。な
お、本実施例では青色（Ｂ）撮像板の信号をモニタ用に
したが、これは青色（Ｂ）信号が輝度信号への寄与率が
低いためであり、赤色（Ｒ），緑色（Ｇ），青色（Ｂ）
信号の何れを用いてもかまわない。

第14図は第２図の実施例をさらに明るさ検出回路を設
けた実施例を示す図である。

まず第14図の実施例を説明する前に明るさとテレビカ
メラ装置の動解像度の関係について説明する。

第15図はテレビカメラの走査周波数と動解像度および
S/Nの関係を示したもので第15図（Ａ）は動解像度の変
化を、第15図（Ｂ）はS/Nの変化を表している。なお、
第15図（Ｂ）の15B1は低照度被写体を撮像した場合を、
15B2は高照度被写体を撮像した場合を示す。

現行のテレビジョン方式（NTSC方式）では走査周波数
はF₀＝60フィールド／秒と定められているために、動解
像度はd₀と一定であるが、S/Nは第15図（Ｂ）から明ら
かなように被写体照度に応じて変化する。すなわち、低
照度被写体15B1の場合、S/NはＲ点であり、高照度被写
体15B2の場合はＰ点である。

そこで、第14図の実施例では走査周波数を可変し、暗
くとも静止している被写体（低照度被写体15B1）では信
号蓄積時間を長くしS/Nを向上させる。例えば、走査周
波数をFsにし、S/NをＳ点にもってくる。また、明るい
被写体（高照度被写体15B2）では信号蓄積時間を短くし
動解像度を向上させる。例えば、走査周波数をF_fにし、
動解像度をd_fにもってくる。静止している被写体を撮像
するときは動解像度がよい必要はなく、走査周波数はF₀
（60フィールド／秒）からFsまで遅くすることができ
る。この場合、S/NはＲ点からＳ点まで上がり、信号蓄
積によるS/Nの改善効果ｌが得られる。

また、テレビカメラ装置のS/Nは人間の視覚特性から
ある一定の値を満足していれば良く、無制限にS/Nを良
くする必要はない。したがって、被写体が十分に明るい
場合（高照度被写体15B2）は余剰なS/Nを高速走査に振
り替えることができる。すなわち走査周波数F₀でS/Nが
Ｐ点にあり十分大きく、S/NをＱ点の値まで下げること
が可能な場合は、F₀（60フィールド／秒）の走査周波数
をF_fまで高めることが可能となる。これによって動解像
度はd₀からd_fまでのｋの値だけ向上させることができ
る。

なお、実際の撮像デバイスでは信号の蓄積能力に限界
があり、一定以上の明るさでは使用できない。そのため
レンズ絞り等を利用し入射光を制限している。撮像デバ
イスの蓄積信号量は光量と蓄積時間（走査周波数の逆
数）の積に比例するため、走査周波数を可変することに
よりレンズ絞りの効果を出すことができる。したがっ
て、被写体が明るい場合（高照度被写体15B2）は、レン
ズ絞りで捨てていた余剰な光信号を動解像度に置換する
ことができる。

上述の動作を満足する実施例を第14図を用いて説明す
る。第14図において、第２図と異なるところは、明るさ
検出回路26と絞り27からの信号を走査制御回路22′に入
力するところである。モニタ画素３の信号を用いて検出
した被写体の明るさが、基準値を超える場合は映像信号
のS/Nはよいものである。そこで、本テレビカメラ装置
は、明るいときに走査周波数を60フィールド／秒より早
め、動解像度の向上を図る。

走査制御回路22′は、検出した明るさが基準値のレベ
ルを越えない場合は被写体を暗いとみなし、S/N改善の
ための信号蓄積動作を行う。撮像素子への入射光量が増
加し、S/Nの良い大振幅の信号が得られるようになる
と、信号蓄積画素４の走査周波数を自動的に速める。こ
れにより信号蓄積時間が短くなり、信号の振幅は小さく
なるが、動解像度は向上する。このとき、走査周波数の
制御は１回の読みだしで得られる信号レベルが基準の値
に収れんするように行う。

第14図の実施例では同時にレンズ絞り27の状況も監視
している。これはレンズ絞り27を開くことで撮像素子に
入射する光量が増し、自動的に走査周波数が速くなると
いう欠点を防止するためのものである。

本発明の主旨は、従来レンズ絞り27で捨てていた余剰
な光量を動解像度に置換するということであり、レンズ
絞り27が設定した値より開いた状態では走査周波数を変
化させないような制御を行う。

その結果、レンズ絞り27の値が設定した値に達し、か
つ検出した信号のレベルが一定の値を超えるときに初め
て60フィールド／秒より高速走査になる。

第16図は明るさ検出回路26の具体例を示す実施例であ
る。モニタ画素からの信号はゲート回路81を介し積算回
路82に入力される。ゲート回路81は画面のどの部分の明
るさを検出するかを決定するもので垂直同期信号と水平
同期信号に同期して開閉する。例えば全画面の明るさを
検出するには、常にゲートを開いて信号を伝達し、また
部分的に検出するには、その位置に対応する時刻を同期
信号から判定し、ゲートを開いて信号を伝達する。この
ゲート回路81の出力信号を積算回路82で積分し、明るさ
に対応した大きさの信号80を得る。

第17図は走査制御回路22の具体例を示す図である。高
速走査回路83は入力された明るさの信号80に基づき、60
フィールド／秒より高速の走査信号84を発生し、低速走
査回路85は被写体の明るさに応じて60フィールド／秒よ
り低速の走査信号86を発生する。コンパレータ87は明る
さ信号80と基準値76とを比較し、コンパレータ97はレン
ズ絞りの信号99と基準値78とを比較し、これらの比較結
果の信号96,98によって選択回路88を制御する。一方、
コンパレータ89は動き検出信号90と基準値77を比較し選
択回路91を制御する。選択回路91はコンパレータ89の信
号92に基づき、動被写体の場合は60フィールド／秒の走
査信号94を、また静止被写体では明るさに応じた低速走
査信号86を選択する。選択回路88はコンパレータ87及び
97の信号に基づいて、明るい場合かつレンズ絞りが基準
値より大きい（レンズが絞られている時）は高速走査信
号84を、また暗い場合あるいはレンズが開放に近く基準
値より小さな時は60フィールド／秒以下の走査信号95を
選択する。

以上のように選択した走査信号を発生することで本回
路は信号蓄積画素４の蓄積時間を制御する。

第18図は本発明に適合する撮像素子をCCD（Charge Co
upled Device）で構成した実施例である。モニタ画素３
の信号電荷を垂直方向に転送する垂直CCD105は信号電荷
を水平方向に転送する水平CCD107に接続されている。信
号蓄積画素４の垂直CCD106は水平CCD108に接続されてい
る。

信号蓄積時間の調整は受光画素と垂直CCDのあいだに
設けた転送ゲート109,110の開閉を走査制御回路22″に
よって制御することで行う。

第11図の実施例では、信号蓄積画素４およびモニタ画
素３の信号を加算回路19で加算して出力していたが、こ
の加算回路19の代わりに信号処理回路を用いる。信号処
理回路は低周波領域を信号蓄積画素４だけの信号で構成
し、高周波領域を全画素（信号蓄積画素４およびモニタ
画素３）の信号で構成する。

第19図にその動作の概要を示し、第20図にその処理回
路の詳細を示す。

第19図において125は信号蓄積画素４の信号スペクト
ラム、126はモニタ画素３の信号スペクトラム、127は全
画素の信号スペクトラムである。なお、ハッチ部分は信
号に含まれる雑音を表している。信号蓄積画素４の信号
は雑音が少なくS/Nが良い。モニタ画素３の信号は雑音
が多い。この２種類の信号を加算回路122で加算して得
られた加算信号127は、蓄積画素４だけを用いた信号よ
りS/Nは低いものとなるが、画素数が２倍となるため広
帯域（高解像度）を信号スペクトラムとなる。この広帯
域信号127をハイパスフィルタ（HPF）118を通過させて
高周波成分130だけを得、信号蓄積画素４の狭帯域信号1
25をローパスフィルタ（LPF）117を通過させて得、各々
を加算器120で加算して用いると広帯域で、高いS/Nの映
像128が得られる。

第20図において122は信号蓄積画素４とモニタ画素３
から広帯域な信号を作る加算回路、117はS/Nの良い低域
信号を抽出するローパスフィルタであり、ハイパスフィ
ルタ118と信号レベル調節回路119は高周波信号を作る回
路である。映像信号121はこれら２つの信号を加算回路1
20により合成する。

モニタ画素３と信号蓄積画素４の配置方法の他の実施
例を第21図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）および
（Ｅ）に示す。本実施例のいくつかにおいては同一撮像
面上にモニタ画素３と信号蓄積画素４とが配置してあれ
ば良く、画素ずらし配置，整列配置等どの様な配列方法
を用いても構わない。また、単板方式，多板方式の何れ
にも適用できることは言うまでもない。なお、第21図
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の実施例においてはモ
ニタ画素３と信号蓄積画素４の割合は1:1であるが、こ
の比率はどの様な値でも構わない。混合比率を変えた実
施例を第21図（Ｅ）に示す。

また撮像面を複数の小領域に分割し、個々の領域にお
いてモニタ画素の信号から動きを検出し、動解像度とS/
Nが最適となるような信号処理を行ってもよい。

テレビカメラの被写体は画面全体で動く場合は少な
く、静止部分と動部分が混在する場合が多い。そこで動
きのある被写体を含むブロック（動ブロック）では信号
蓄積時間の短い信号を、静止被写体しかないブロック
（静止ブロック）では蓄積時間の長居信号を用いる。こ
のようにブロック毎に蓄積時間の異なる信号から画質の
よいものだけを選択する。

第22図はブロック毎の信号処理を説明する図である。
本図では画面を４のブロック（第1,第2,第3,第４）に分
割している。第22図（Ａ）は動きを検出した後に読みだ
した蓄積時間の短い信号、第22図（Ｂ）はフィールドメ
モリにある蓄積時間の長い信号を表している。いま被写
体の動きを第1,第４ブロックで検出したとする。この場
合、第22図（Ａ）の第1,第４ブロックの信号と第22図
（Ｂ）の第2,第３のブロックの信号を選択し、第22図
（Ｃ）のような画面を構成する。

第23図は上述の信号処理を可能とするテレビカメラ装
置の具体例を示した図である。本テレビカメラ装置と第
２図に示した装置と異なる点はブロック毎の動き検出を
行う動き検出回路152,信号処理回路150,及び蓄積時間計
数回路153がある点である。本テレビカメラ装置では第
２図の実施例と同様に、信号蓄積画素４は静止被写体に
対し、数〜数十フィールド期間の信号蓄積を行いS/Nの
良い信号を得る。被写体の動きを検出した場合は１フィ
ールドの信号蓄積により動解像度の優れた信号をえる。

信号処理回路150は入力された信号蓄積画素４の信号
とフィールドメモリ12′の信号を加算する加算回路15
1、および加算回路151の出力信号と２つの入力信号のう
ち何れかを選択するスイッチ154から構成されている。
この処理回路150のスイッチ154は、信号蓄積画素４が信
号蓄積を行っている間は全ブロックにおいてフィールド
メモリ12′の信号を選択するように動作する。動きを検
出した場合はブロックの動きに応じて信号蓄積画素４の
出力、フィールドメモリ12′、あるいは加算回路151の
出力に接続される。すなわち動ブロックでは信号蓄積画
素４に、静止ブロックではS/Nに応じて加算回路151ある
いはフィールドメモリ12′の信号を選択するように動作
する。選択された信号は映像信号として出力されると同
時にフィールドメモリ12′に書き込まれる。すなわち出
力内容が次フィールドの処理に用いるメモリの内容とな
る。

次にスイッチ154の制御方法を説明する。第24図は信
号蓄積画素4,フィールドメモリ12′からの信号読みだし
を等価的に表した図である。フィールドメモリ12′の信
号の信号蓄積フィールド数をＬ、信号蓄積画素４の信号
の蓄積フィールド数をM,1フィールド期間に得られる信
号をS,雑音をとする。フィールドメモリ12′の信号は
Ｌ・ＳとＮに、信号蓄積画素４の信号はＭ・ＳとＮに分
けられ、これら雑音は信号に加法的に混入すると考えら
れる。このとき加算信号のS/N（SN1）は（１）式、フィールドメモリの信号のS/N（SN2）は（２）式とな
り、 SN2＝（Ｌ・Ｓ）／ …（２）加算信号のS/Nがフィールドメモリ12′のS/Nより良く
なる条件として不等式（３）を解くと（４）式が得られ
る。

そこで条件式（４）に当てはまるときは加算回路出力を
選択し、他の場合はフィールドメモリ12′の信号を選択
する。なお、Ｍ≧Ｌの時は信号蓄積画素のS/Nがフィー
ルドメモリ12′の信号よりS/Nが良い場合で、（５）式
の不等式を解き（６）式を得、加算回路151及び信号蓄
積画素４の信号の何れかを選択する。

蓄積時間計数回路153は各ブロック毎の信号蓄積時間
（L,M）を監視し、ＬとＭを比較してS/Mが最良となるよ
うにスイッチ154の制御信号を発生する。

上述のように本発明では動ブロックと静止ブロックを
区別して信号処理を行い、動解像度とS/Nを両立させ
る。この動作を実現するために動き検出回路152はブロ
ック毎の動き検出を行い、スイッチ154を制御する信号
を信号処理回路150に供給する。また走査制御回路22に
は動ブロックが検出された場合に走査開始指令を供給す
る。

第25図は信号処理回路150の他の実施例である。本回
路ではスイッチにより信号を選択する代わりに２つのゲ
イン調整回路155,156の出力を加算回路157で加算して出
力する。このゲイン調整回路155,156のゲインK,1−Ｋは
アナログ的に調整することで信号をいろいろな混合比に
することができる。このＫの値を制御することで緩やか
に動く被写体に対し、僅かなぼけを発生させるだけで大
きなS/Nが改善はかれる。

上記の実施例では読みだした信号とメモリの信号を用
いてブロック毎の制御を行う信号処理を説明したが、個
々の領域で独立の走査回路を設け、信号蓄積画素４の蓄
積時間を制御しても良い。ブロック毎に信号蓄積時間を
制御できるように構成すれば、一画面のうちでも静止し
ている部分はS/Nを向上させることができ、また動いて
いる部分の動解像度がそこなわれることもなくなり、全
体として優れたテレビジョン画面を再生することが可能
となる。

第22図ではテレビ画面を４のブロックに分割した例を
説明したが、これはいくつであっても構わない。また第
26図（Ａ），（Ｂ）に示したように分割しても良い。第
26図（Ａ），（Ｂ）は画面の中央ほどブロックの大きさ
を小さくしてあるため、人間が視覚的に敏感な画面中央
できめ細かな制御が可能となり一層の画質向上が図れ
る。

第19図に示した信号処理方法は前述のごとく広帯域
（高解像度）な信号128が得られる反面、以下に述べる
欠点がある。

すなわち、高域信号を再生する加算信号130には動き
モニタ画素３の雑音が含まれ、被写体が暗くなると高域
の雑音により画質低下が顕著になるということである。

第27図は第19図の映像信号のスペクトラム128を改め
て表したものである。以下、第27図を用いて全映像帯域
でのS/Nを考察する。第27図において映像信号の最高周
波数はf₁、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタのカッ
トオフ周波数はf₂で表してある。

信号蓄積画素４でＬフィールド期間の信号蓄積を行う
と信号は（Ｌ×Ｓ）となる。また信号読みだしの際に加
わる単位周波数当りの雑音パワーをN²（ｆ）で表すと、
信号（Ｌ×Ｓ）をＳにゲイン調整（1/L倍に調整）した
時の低域雑音のパワーN² _PLは次式（７）になる。

また、高域では動きモニタ画素３の信号と雑音がさら
に加わり、信号Ｓに対し雑音パワーN² _PHは見かけ上次式
（８）になる。

そのため全帯域での雑音パワーN² _Pは（７），（８）
式を帯域で積分して加算した次式（９）となる。

ここでN²（ｆ）に周波数特性がフラットなランダム雑音
を仮定すると、 N²（ｆ）＝N²とでき（９）式は次式（10），（11）のよ
うに書き直せる。

ここでf₂−０＝Δf₂，f₁−f₂＝Δf₁とすると（11）式から蓄積時間Ｌを長くしても蓄積時間に依存し
ない雑音成分（第３項）が存在することが分かる。この
固定分は高域信号に用いた動きモニタ画素３の雑音によ
り定める量である。第19図の信号処理方法では、この固
定雑音成分によりS/Nは信号Ｓが小さいときにテレビジ
ョン画像で必要とされている値（通常34dB以上と言われ
ている）を下まわるおそれがある。そこで、本実施例で
は被写体の明るさに応じて高域映像信号の利得を調節す
る。即ち、明るい被写体では高利得に、また暗い被写体
では低利得にする。これにより蓄積時間を長くしただけ
ではS/Nを十分に改善できないほど被写体が暗い場合で
も、高域雑音の混入が防止でき、像再生に十分なS/Nを
確保できる。さらに明るい被写体ではS/N、解像度とも
に優れた映像信号が得られる。

以下、図面を参照して説明する。

第28図は本実施例の固定テレビカメラ装置のブロック
図である。本実施例では、ゲイン調整回路119はハイパ
スフィルタ118により抽出された高域信号の利得Ｋを明
るさ検出回路26により検出した被写体の明るさ信号186
に応じて調節する。

この利得Ｋを（10），（11）式に導入して全体域での
雑音を求めると次式（12），（13）となり、利得Ｋを小
さくすると（11）式の第３項に示された雑音の固定分を
減少さることができる。

この利得Ｋは、例えば全体域でのS/Nが34dBを下回らな
いような値に制御する。これには、検出した被写体の明
るさの信号Sb（186）から以下の式（14）により利得Ｋ
を求めれば良い。

（14）式をＫについて解くと（15）式となる。またＬが
十分に大きな場合は簡単に（16）式として求めても良
い。

以上説明したように、被写体の明るさに応じてＫの値
を制御することで高域雑音の混入が防止でき、常に像再
生に必要なS/N（34dB）が確保できる。

なお、本実施例では34dBを確保する最低のS/Nとした
が、これは必ずしもこの値に固定されるものではない。

第29は信号処理回路の変形例を示す図である。本回路
は第28図のハイパスフィルタ118をローパスフィルタ11
7′と減算回路181により構成したものである。本回路に
よれば高域信号と低域信号のカットオフ周波数を等しく
できるという特徴がある。

第30図は明るさ検出回路26の具体例を示す図である。
本回路は動き検出画素３の信号を積算する積算回路82,K
値演算回路188から構成されている。積算回路82は動き
モニタ画素３の信号を積算して被写体の明るさを検出
し、明るさに応じたレベルの信号80をＫ値演算回路188
に出力する。Ｋ値演算回路188は被写体の明るさに応じ
て利得Ｋを出力する。

なお、被写体の明るさの検出には全画面の動きモニタ
画素３を用いる必要はなく、例えば画面中央の一部の領
域の画素だけを用いても良い。

第31図は明るさ検出回路の変形例を示す図であり、積
算回路82の前にゲート回路81が挿入されている。このゲ
ート回路81により明るさ検出に用いる画面の領域を決定
する。これにはテレビカメラの同期信号から走査位置を
検出し、ゲートを開閉すれば良い。この回路により、例
えば画面中央だけの信号を用いれば、中央部に重点をお
いた明るさ検出ができる。画面の端に明るい被写体があ
ってもその影響を受けにくくなるという特徴がある。

また、第22図のように画面を小さな領域に分割してこ
の領域毎にＫの値を制御しても良い。

以上、説明した明るさ検出方法は動きモニタ画素３の
信号を用いているが、動きモニタ画素３とは別に被写体
の明るさを検出する受光画素を設けてもなんら差しつか
えない。明るさ検出専用の受光画素の前に光拡散板を設
けることで被写体の明るさが平均化され、積算回路が不
用になるといった効果がある。

以上、本実施例によれば明るい被写体に対してはS/
N、解像度共に優れたテレビジョン信号が得られ、かつ
暗い被写体に対しても高域雑音の妨害の少ない固体テレ
ビジョンカメラ装置を構成できるといった効果がある。

［発明の効果］本発明によれば、動画では蓄積時間が短くなるので動
解像度が低下するおそれはなく、かつ、静止画では蓄積
時間が長くなるのでS/Nが高くなり、動解像度とS/Nとを
有効に調節でき、画質のよい映像信号を得ることができ
るという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概略を示す図である。第２図は本発明の固体テレビカメラ装置の実施例の全体
構成を示す図である。第３図は第２図の動作を説明するためのタイミングチャ
ート図である。第４図は第２図の動き検出回路21の他の実施例を示す図
である。第５図は動きモニタ画素と信号蓄積画素を同一基板上に
配置した実施例である。第６図は撮像板をMOS型素子で構成した実施例を示す図
である。第７図は第６図の動作を説明するためのタイミングチャ
ート図である。第８図は第５図の他の実施例を示す図である。第９図は第８図の動作を説明するためのタイミングチャ
ート図である。第10図は第５図の撮像装置を用いた固体テレビカメラ装
置の実施例の全体構成を示す図である。第11図は第２図の実施例の変形を示す図である。第12図は第11図の動作を説明するためのタイミングチャ
ート図である。第13図は本発明を３板式カラーカメラに適用した実施例
を示す図である。第14図は第２図の実施例の変形を示す図である。第15図は走査周波数と動解像度およびS/Nとの関係を示
す図である。第16図は第14図の明るさ検出回路26の具体例を示す図で
ある。第17図は第14図の走査制御回路22′の具体例を示す図で
ある。第18図は撮像板をCCD型素子で構成した実施例を示す図
である。第19図は第11図の加算回路19の代わりに用いる信号処理
回路の動作の概要を示す図である。第20図は第19図の動作を実現するための信号処理回路の
具体例を示す図である。第21図はモニタ画素３と信号蓄積画素４との配置例を示
す図である。第22図はブロック毎の信号処理を説明する図である。第23図はブロック毎の信号処理を行うテレビカメラ装置
の具体例を示す図である。第24図は第23図の信号蓄積画基４とフィールドメモリ1
2′からの信号読みだしを等価的に表した図である。第25図は第23図の信号処理回路150の他の実施例であ
る。第26図は画面の分割例を示す図である。第27図は第19図の信号処理回路の問題点を説明するため
の図である。第28図は本発明の別の実施例を示す図である。第29図は第28図の信号処理回路180の変形を示す図であ
る。第30図及び第31図は第28図の明るさ検出回路26の具体例
を示す図である。 1,2……固体撮像板、３……動きモニタ画素、４……信
号蓄積画素。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高橋健二国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者江藤良純国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者工藤功二国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者秋山俊之国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体照度に応じた信号電荷を蓄積する複
数個の第１光電変換素子群と、上記被写体照度に応じた
信号電荷を蓄積する複数個の第２光電変換素子群と、上
記第１光電変換素子群からの信号に基づいて被写体の動
きを検出する動き検出手段と、上記動き検出手段からの
信号に基づいて上記第２光電変換素子の蓄積時間を制御
する蓄積時間制御手段とを有する固体テレビカメラ装
置。
【請求項２】特許請求の範囲第１項において上記第１及
び第２の光電変換素子群は同一半導体基板上に設けられ
ていることを特徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項３】特許請求の範囲第１項において、上記第１
及び第２光電変換素子群はそれぞれ異なった半導体基板
上に設けられていることを特徴とする固体テレビカメラ
装置。
【請求項４】特許請求の範囲第１項において、上記被写
体の像を複数の色光成分に色分解する手段を備え、上記
第１光電変換素子群は、上記色光成分の少なくとも一つ
の色光に応じた信号電荷を蓄積することを特徴とする固
体テレビカメラ装置。
【請求項５】特許請求の範囲第２項において、上記第１
及び第２の光電変換素子群は市松模様に配置されている
ことを特徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項６】特許請求の範囲第１項において、上記動き
検出手段は、上記第１光電変換素子群からの信号のうち
現在の信号及び１フィールド前の信号の各々の差分信号
を検出する手段と、この検出手段からの出力信号の絶対
値の累積値が所定値より大きければ動画、小さければ静
止画として検出結果を出力する手段とからなることを特
徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項７】特許請求の範囲第１項において、上記第２
光電変換素子群の信号のみを映像信号として出力するこ
とを特徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項８】特許請求の範囲第１項において、上記第１
及び第２の光電変換素子群の各信号の合成信号を映像信
号として出力することを特徴とするテレビカメラ装置。
【請求項９】特許請求の範囲第８項において、上記合成
信号は上記第１及び第２の光電変換素子群の各信号を加
算回路で加算して得ることを特徴とする固体テレビカメ
ラ装置。
【請求項１０】特許請求の範囲第８項において、上記合
成信号は、上記第１及び第２の光電変換素子群の各信号
を加算した信号の高周波成分と、上記第２の光電変換素
子群の信号の低周波成分とを加算した信号であることを
特徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項１１】特許請求の範囲第１項において、上記第
１光電変換素子群からの信号に基づいて被写体の明るさ
を検出する明るさ検出手段を備え、上記蓄積時間制御回
路は上記動き検出手段及び明るさ検出手段からの両信号
に基づいて上記第２光電変換素子群の蓄積時間を制御す
ることを特徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項１２】特許請求の範囲第１項において、上記第
２光電変換素子群からの信号を複数のブロックに分割
し、このブロック毎に信号処理を行なうことを特徴とす
る固体テレビカメラ装置。
【請求項１３】特許請求の範囲第12項において、上記動
き検出手段は上記ブロック毎に被写体の動きを検出し、
さらに、上記動き検出手段からの信号に基づいて上記各
ブロック毎の信号蓄積時間を計数し記憶する第１記憶手
段と、上記第２光電変換素子群からの信号を入力し上記
動き検出手段及び上記第１記憶手段からの信号に応じた
映像信号を出力する信号処理手段とを有することを特徴
とする固体テレビカメラ装置。
【請求項１４】特許請求の範囲第13項において、上記信
号処理手段は、上記映像信号を記憶する第２記憶手段
と、この第２記憶手段からの信号、上記第２光電変換素
子群からの信号及びこれらを加算した加算信号の中のい
ずれかの信号を上記動き検出手段及び上記第１記憶手段
からの信号に応じて選択して上記映像信号を出力する手
段とからなることを特徴とする固体テレビカメラ装置。
【請求項１５】特許請求の範囲第14項において、上記信
号処理手段は、上記映像信号を記憶する第２記憶手段
と、この第２記憶手段からの信号をＫ倍する第１ゲイン
調整手段と、上記第２光電変換素子群からの信号を（１
−Ｋ）倍する第２ゲイン調整手段と、上記第１及び第２
ゲイン調整手段からの信号を加算して上記映像信号を出
力する加算手段とからなり，上記Ｋは上記動き検出手段
及び上記第１記憶手段からの信号に応じて上記各ブロッ
ク毎に制御されることを特徴とする固体テレビカメラ装
置。
【請求項１６】特許請求の範囲第１項において、上記第
１及び第２の光電変換素子群の加算信号から高域映像信
号を得、上記第２の光電変換素子群の信号から低域映像
信号を得る信号処理回路と、上記第１光電変換素子群か
らの信号に基づいて被写体の明るさを検出する明るさ検
出手段と、上記高域映像信号の利得を上記明るさ検出手
段の出力に応じて所定の利得に制御する回路とを有する
ことを特徴とする固体テレビカメラ装置。