JP3053988B2

JP3053988B2 - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP3053988B2
Application number: JP5012747A
Authority: JP
Inventors: 一成大井; 卓靖藤谷
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-01-28
Filing date: 1993-01-28
Publication date: 2000-06-19
Anticipated expiration: 2015-06-19
Also published as: JPH06225217A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ビデオカメラに使用
される固体撮像装置に関し、素子の駆動と信号読み出し
方を改良したものである。

【０００２】

【従来の技術】電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮
像素子が開発されている。この固体撮像素子として、現
在一般的な縦形オーバーフロードレイン構造を有するイ
ンターライン転送形ＣＣＤ２次元イメージセンサー（以
下ＩＴＣＣＤと言う）を用いた白黒ビデオカメラの構成
を図９に示している。

【０００３】図９において、１０１は被写体であり、こ
の被写体の明暗は図１２に示すように上側が黒く、下側
にいくにしたがって白くなる被写体１００である。図１
２（ａ）は、実際は図１２（ｂ）に示すように連続して
明暗が変化しているのであるが、図面上実線の線密度を
持って図面の明暗を表すこととする。被写体像は、レン
ズ１０２、絞り装置１０３を介して撮像素子１０４の撮
像面に結像される。撮像素子１０４で得られた映像信号
は、カメラ信号処理回路１０５で相関２重サンプリング
（ＣＤＳ）等の雑音処理、利得設定、ブランキング、ク
ランプ、ガンマ、白／黒クリップ等の処理を受けて、ア
ナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器１０６に入力される。

【０００４】Ａ／Ｄ変換器１０６の出力は、フィールド
メモリ１０７にて１フィールド遅延された後、加算器１
０８に入力されて現在のＡ／Ｄ変換出力と加算される。
加算器１０８の出力は、Ｄ／Ａ変換器１０９でアナログ
信号（映像信号）に変換されて出力端子１１０に導出さ
れる。

【０００５】同期信号発生回路１１１は、テレビジョン
方式に準拠した同期信号（例えば複合同期信号、垂直帰
線消去パルス）を作成している。作成された垂直帰線パ
ルスは、１／２分周器１１２により分周（分周出力はＦ
Ｉパルスと言われる）されてＣＣＤ駆動回路１１３に入
力されている。ＣＣＤ駆動回路１１３は、撮像素子１０
４を駆動するための駆動パルスを作成してＣＣＤに与え
ている。

【０００６】ここで、上記撮像素子１０４の各種駆動パ
ルスについて図２を参照して説明しておく。図１０
（ａ）は垂直ブランキングパルスＶＢＬであり、図１０
（ｂ）はこれを１／２分周器１１２で分周したＦＩパル
スである。図１０（ｃ）は掃き出しパルスＶＥＳであ
り、撮像素子１０４のフォトダイオードに蓄積されてい
る電荷を基板に掃き出し、フォトダイオードを一旦空に
するためのパルスである。また図１０（ｄ）はフィール
ドシフトパルスであり、撮像素子１０４のフォトダイオ
ードに蓄積されている電荷を読み出すために、一斉に垂
直レジスタにシフトさせるためのパルスである。上記掃
き出しパルスＶＥＳは、垂直ブランキングパルスＶＢＬ
の立上がりに近い部分に発生し、フィールドシフトパル
スＦＳは、垂直ブランキングパルスＶＢＬの立ち下がり
に近い部分に発生するようにＣＣＤ駆動回路１１３にて
設定されている。また掃き出しパルスＶＥＳは、フィー
ルドシフトパルスＦＳにより制御されて１フィールドお
きに発生するように設定されている。

【０００７】今、掃き出しパルスＶＥＳとフィールドシ
フトパルスＦＳの間隔を１／１０００秒とすると、この
間でパルスＦＩがハイレベルであるとこの期間が露光時
間（１／１０００秒）となる。また、フィールドパルス
ＦＳからＦＳまでの間の露光時間は、１／６０秒とな
る。図１０（ｅ）は、１／１０００秒の露光時間で得ら
れた信号電荷の蓄積特性ＶＳ１と、１／６０秒の露光時
間で得られた信号電荷の蓄積特性ＶＳ２を示している
（被写体は図１２であり光強度は共通）。また図１０
（ｆ）は、先の加算器１０８から得られる合成信号に対
応した合成蓄積特性を示している。

【０００８】図９に戻って説明する。絞り制御回路１１
４には、カメラ信号処理回路１０５からの映像信号が入
力されている。絞り制御回路１１４は、パルスＦＩによ
り制御されている。絞り制御回路１１４の制御出力は、
サンプルホールド回路１１５に入力される。サンプルホ
ールド回路１１５は、パルスＦＩがハイレベルのとき導
通状態となり、パルスＦＩがローレベルのときホールド
状態となる。サンプルホールド回路１１５の出力は、絞
り駆動回路１１６に入力されて絞り駆動制御信号とな
る。サンプルホールド回路１１５が導通状態になってい
る期間（パルスＦＩがハイレベルの期間）では、信号Ｖ
Ｓ１が絞り制御回路１１４に入力されて、信号レベルの
検出により露光状態を判定され、適正な絞り制御が行わ
れる。しかし、サンプルホールド回路１１５が非導通状
態になっている期間（パルスＦＩがローレベルの期間）
では、先に制御した絞り状態が維持される。

【０００９】ところで、蓄積特性ＶＳ１では、１／１０
００秒の露光時間で得られた信号、蓄積特性ＶＳ２で
は、１／６０秒の露光時間で得られた信号が得られる。
このように２度の露光を行うのは、ＣＣＤ撮像素子のダ
イナミックレンジの不足を補うためである。つまり、短
時間の露光では、輝度の高い部分の良好な撮像を行い、
時間の長い露光では輝度の低い暗い部分の良好な撮像を
行えるように、ダイナミックレンジを拡大するためであ
る。ここで、絞り制御回路１１４の検出感度を見ると、
蓄積特性ＶＳ１で撮像した場合、蓄積特性ＶＳ２のとき
に比べて６０／１０００＝約１／１７である。逆に、合
成蓄積特性を用いて検出を行うとすると、蓄積特性ＶＳ
１のケースの約１７倍と言える。次に、フォトダイオー
ド１個に蓄積可能な最大電荷量Ｑmax と露光時間及び光
強度について考えて見る。今、フォトダイオード１個へ
の単位時間当たりの平均光強度をＩとすると、蓄積信号
電荷Ｑは、蓄積時間ｔに対して

【００１０】

【数１】ここで平均光強度Ｉが時間によらず一定とすると、Ｑ＝
Ｉ・ｔとなる。次にｔ＝１／６０秒（通常露光時）の
ときの最大電荷量Ｑmax をＱmax ＝Ｉ0 ×（１／６０）
とすると、１／１０００秒露光した場合の電荷量Ｑ´
は、Ｑ´＝Ｉ´×（１／１０００）の電荷量となる。こ
こで、最大電荷量に達成する光強度Ｉ´が与えられるも
のとすると、Ｉ´×（１／１０００）＝Ｑmax ＝Ｉ0 ×
（１／６０）の関係が成立し、光強度Ｉ´は

【００１１】Ｉ´＝約（１７×Ｉ0 ）と表せる。この結
果より、光強度Ｉ´は、光強度Ｉ0 の約１７倍あり、こ
れは光強度Ｉ0 の約１７倍の光入力まで、線形で応答で
きることである。つまり露光時間が短いと、それだけ大
きな光入力（Ｉ0 の倍数）まで素子が線形で応答できる
ことになる。図１１は、縦軸に電荷量、横軸に光強度を
示し、１／６０秒の露光時間の場合と、１／１０００秒
の露光時間の場合と、合成露光の場合を示している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来のカメラ
装置によると、露光時間として第１の時間１／１０００
秒、第２の時間１／６０秒があり、この時間により露光
されて得た映像信号を合成しているが、第１、第２の時
間は、露光量のダイナミックレンジを異ならせて、フォ
トダイオードのダイナミックレンジが狭いのを補うため
のものである。

【００１３】しかしながら次のような問題がある。つま
り、第１と第２の時間は、時間長が異なり、異なるフィ
ールドに設定されている。この結果、各露光時間により
撮影された映像信号を合成した場合、動く被写体の場合
２重画像となる。しかも、露光時間の配列が１／１００
０秒（明るい被写体部分に適切）、１／６０（暗い被写
体部分に適切）となっているために、当然明るい部分が
先に撮像され、次に暗い部分が撮像される。このこと
は、両者を合成した結果は、被写体が動く場合には、例
えば被写体の影のみが動くような不自然な画像となって
しまう。

【００１４】そこでこの発明は、異なる露光時間で撮像
された映像信号を合成してダイナミックを拡大する撮像
の場合、不自然な２重画像が生じるのを抑えることがで
きる固体撮像装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、第１の露光
時間＞第２の露光時間＞…＞第ｎの露光時間の関係を持
つ露光時間を設定する露光時間設定手段と、前記露光時
間の配置がが第１・第２・…・第ｎ・第（ｎ−１）・…
・第２・第１の関係になるように上記露光時間設定手段
の露光状態を設定する露光時間状態配置手段と、前記
（２ｎ−１）個の露光状態により露光された映像を合成
して映像を得る手段とを備える。

【００１６】

【作用】上記の手段により、短い露光時間が、撮像順番
から言えば時間的な中間位置に配置されるために、動く
ような被写体があった場合、全体露光時間（２ｎ−１）
の中央の時間で最も明るい部分が適切な撮像状態にな
り、暗い部分との位置的なバランスが取れた映像を得る
ことができる。また、被写体が静止している場合の静止
画像では、高分解能で高ダイナミックレンジに明暗を識
別した画像を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明する。

【００１８】図１はこの発明の一実施例である。１０１
は被写体であり、図１２に示すようにこの被写体の明暗
は上側が黒く、下側にいくにしたがって白くなる被写体
１００である。図１２（ａ）は、実際は図１２（ｂ）に
示すように連続して明暗が変化しているのであるが、図
面上実線の線密度を持って図面の明暗を表すこととす
る。被写体像は、レンズ１０２、絞り装置１０３を介し
て撮像素子１０４の撮像面に結像される。撮像素子１０
４で得られた映像信号は、カメラ信号処理回路１０５で
相関２重サンプリング（ＣＤＳ）等の雑音処理、利得設
定、ブランキング、クランプ、ガンマ、白／黒クリップ
等の処理を受けて、出力端子２０１に導出されている。

【００１９】同期信号発生器１１１は、映像信号より同
期信号（例えば垂直帰線消去パルス）を分離してクロッ
クを作成している。作成されたクロックは、ＣＣＤ駆動
回路１１３に入力されている。ＣＣＤ駆動回路１１３
は、撮像素子１０４を駆動するための駆動パルスを作成
して与えている。

【００２０】絞り制御回路１１４には、カメラ信号処理
回路１０５からの映像信号が入力されている。絞り制御
回路１１４の出力は、絞り駆動回路１１６に入力されて
絞り駆動制御信号となる。

【００２１】図２は撮像素子１０４の動作原理を説明す
るために示している。撮像面にはフォトダイオード群が
２次元配列されており、フォトダイオード群の縦の列に
沿って垂直転送レジスタ群が設けられている。また各垂
直転送レジスタを延長するように、１フィールド分のバ
ッファレジスタ部が設けられ、このバッファレジスタ部
の先端に水平転送レジスタが設けられている。同図
（ａ）はフォトダイオード群から垂直転送レジスタ群に
一斉に信号電荷がシフトされた状態であり、このシフト
はフィールドシフトパルスにより実行される。同図
（ｂ）は、垂直転送レジスタ群の信号電荷が、高速でバ
ッファレジスタ部に転送された状態、同図（ｃ）はバッ
ファレジスタ部の信号電荷が水平転送レジスタに１ライ
ン分転送された状態、同図（ｄ）は水平転送レジスタの
信号電荷が読み出された状態を示している。

【００２２】図３は、上記した実施例の動作を説明する
ために示したタイミングチャートである。図３（ａ）は
垂直ブランキングパルスＶＢＬを示している。また図３
（ｂ）は、撮像素子１０４に与えるフィールドシフトパ
ルスを示している。フィールドシフトパルスは、１フィ
ールド期間にＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３の複数が順次用意
されており、ＦＳ１〜ＦＳ２までの時間がｔ１、ＦＳ２
〜ＦＳ３までの時間がｔ２、ＦＳ３〜ＦＳ１までの時間
がｔ１である。そしてｔ１＞ｔ２の関係が設定されてい
る。このフィールドシフトパルスＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ
３は、ＣＣＤ駆動回路１１３により、垂直ブランキング
パルスＶＢＬに同期して作成され、撮像素子１０４の所
定の端子に供給されている。よって、撮像素子１０４で
は、時間ｔ１、ｔ２、ｔ１の異なる露光時間があり、１
フィールド期間に３回の露光が行われることになる。

【００２３】同図（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、光強度を
同じ条件にした場合の上記露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ１に
よって得られる蓄積特性である。同図（ｃ）の特性は、
露光時間が長いために（つまり絞りが大きく開いている
のと等価）、時間に換算すると早く最大電荷量に達する
（感度が高い）ことを表している。同図（ｄ）の特性
は、露光時間が短いために（つまり絞りが小さく絞られ
ているのと等価）、時間に換算すると長い時間かかって
最大電荷量に達する（感度が低い）ことを表している。
同図（ｆ）は、上記３つの特性の合成特性である。なお
最大電荷量以上の電荷は、撮像素子１０４において縦型
オーバーフロードレインにより基板に排出される。ここ
で、ｔ２＝１／１０００秒とすると、ｔ１＝０．４７／
６０秒である。そして、ｔ１における最大電荷量に達成
する光強度Ｉt1は、

【００２４】Ｉt1＝（１／０．４７）Ｉ0 ＝約２×Ｉ0
であり、この光強度以下の被写体部分の映像が再現さ
れ、それ以外の部分は基板に排出される。Ｉ0 は、１／
６０秒露光時のときの最大電荷量Ｑmax をＱmax ＝Ｉ0
×（１／６０）として算出した光強度である。また、ｔ
２における最大電荷量に達成する光強度Ｉt1は、Ｉt2＝
（１／６０）×１０００×Ｉ0 ＝約１７×Ｉ0 であり、
この時間では約１７×Ｉ0 までの光強度を再現する。図
４（ａ）には、時間ｔ１による露光時の蓄積特性、同図
（ｂ）には時間ｔ２による蓄積特性、同図（ｃ）には合
成特性を拡大して示している。

【００２５】上記ような露光特性により撮像された信号
電荷は、バッファレジスタ部（図２参照）で合成されて
出力される。このように撮像された映像信号の場合、被
写体の明るい部分が明瞭になっている画（高ダイナミッ
クレンジ）が画面の中央に位置し、左右に暗い部分が明
瞭になっている画（低ダイナミックレンジ）が画面の左
右に位置するような画像を得ることができる。

【００２６】例えば丸い明るい被写体が左から右に移動
するような場合を撮像したとすると、図５の（ａ１）〜
（ｄ１）に示すような各画像の関係となる。このように
画面の中央で明瞭な被写体を得ることができ、バランス
が良く自然な画像となる。また、上側（黒）から下側
（白）にいくにしたがって明るくなるダイナミックレン
ジの広い静止した被写体を撮像した場合、図５の（ａ
２）〜（ｃ２）のようにｔ１の露光画（ａ２、ｃ２）は
暗い部分が明瞭となり、ｔ２の露光画（ｂ２）は、明る
い部分が明瞭となる。必要以上に蓄積された電荷は、ド
レインを通して排出されている。この結果、合成結果
は、図５（ｄ２）に示すように全体的に明瞭な映像とな
る。

【００２７】この発明は上記の実施例に限定されるもの
ではない。先の実施例では、異なる露光時間による信号
電荷をバッファレジスタ部において合成するとした、し
かし、カメラ信号処理回路１０５の出力映像信号を合成
するようにしても良い。また、露光時間を１フィールド
期間に３個設定したがこれに限るものではなく、さらに
多くても良い。

【００２８】図６はその実施例であり、図１と同一部分
には同一符号を付している。この実施例であると、撮像
素子１０４から読み出された信号は、カメラ信号処理回
路１０５で処理され、映像信号として複数メモリを有す
る合成回路に導かれる。合成回路は、カメラ信号処理回
路１０５の出力映像信号をフレームメモリ１〜２ｎ−１
にそれぞれ１フィールド分ずつ振り分けるスイッチ３０
１に供給される。この実施例では、露光時間として、第
１の露光時間＞第２の露光時間＞…＞第ｎの露光時間が
ある。そして、ＣＣＤ駆動回路１１３は、撮像素子１０
４に対して、露光時間の配置が第１・第２・…・第ｎ・
第（ｎ−１）・…・第２・第１の関係になるように設定
する。そして、メモリ１〜２ｎ−１には、それぞれ露光
時間の第１・第２・…・第ｎ・第（ｎ−１）・…・第２
・第１に対応する映像信号がそれぞれ格納される。

【００２９】最後の映像信号の格納が終わると、メモリ
１〜２ｎ−１の信号は、同期して同じクロックにより読
み出され、加算器３０２で合成される。合成信号は、ス
イッチ３０３を介してメモリ３０４に格納される。メモ
リ１〜２ｎ−１及びスイッチ３０３の制御は、コントロ
ーラ３０５により実現されている。メモリ３０４に格納
された信号は、第１の露光時間＞第２の露光時間＞…＞
第ｎの露光時間の長さの関係を有する露光時間により拡
大されたダイナミックレンジを有する。ここで露光時間
ｔの関係をｔi ＝２・ｔ( i-1)とし、ｎ＝４とすると、
ダイナミックレンジの拡大率ＣD は

【００３０】

【数２】より１５倍拡大されたダイナミックレンジとなる。また
この実施例はでは、ｔi ＝２・t(i-1) としたが、ｔi を所定の関係に選ぶことにより、入出力
特性を任意のものにすることができる。例えば、入力を
ｘ、出力をｙとするとｙ＝ｘ^2・2 の入出力関係に近くなるようにすることもできる。この
場合はガンマ補正を行わせることに相当する。図７
（Ａ）は入射光強度と露光時間の関係を示し、図７
（Ｂ）は、加算蓄積された信号の入出力特性を示してい
る。上記の実施例においても、図１で説明した実施例と
同様な効果を得ることができる。

【００３１】図８はさらにまたこの発明の他の実施例で
ある。この実施例では、カメラ信号処理回路１０５から
出力された映像信号をアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換
器４０１でデジタル化し、加算器４０２に供給する。加
算器４０２の出力は、丸め回路４０３に供給される。丸
め回路４０３の出力は、メモリ４０４に格納され、この
メモリ４０４の出力が先の加算器４０２に入力されてい
る。加算器４０２で加算されるのは、先に説明した露光
時間の第１・第２・…・第ｎ・第（ｎ−１）・…・第２
・第１に対応する映像信号が順に加算される。これによ
りメモリ４０４からは、撮像ダイナミックレンジの拡大
された映像信号が得られる。この実施例においても図１
で説明した効果と同様な効果が得られる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
異なる露光時間で撮像された映像信号を合成してダイナ
ミックを拡大する撮像の場合、不自然な２重画像が生じ
るのを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示すブロック図。

【図２】図１の撮像素子の動作原理説明図。

【図３】図１の装置の動作を説明するために示したタイ
ミングチャート。

【図４】同じく図１の装置の動作を説明するために示し
た特性説明図。

【図５】図１の装置の動作を説明するために示した画像
説明図。

【図６】この発明の他の実施例を示すブロック図。

【図７】図６の装置の動作を説明するために示した特性
説明図。

【図８】この発明のさらに他の実施例を示すブロック
図。

【図９】従来の固体撮像装置を示すブロック図。

【図１０】図９の固体撮像装置の動作を説明するために
示したタイミングチャート。

【図１１】図９の固体撮像装置の信号電荷量の特性を説
明する図。

【図１２】この発明の動作を説明するために示した被写
体の例を示す図。

【符号の説明】

１００、１０１…被写体、１０２…レンズ、１０３…絞
り装置、１０４…撮像素子、１０５…カメラ信号処理回
路、１１３…ＣＣＤ駆動回路、１１４…絞り制御回路、
１１６…絞り駆動回路、１１１…同期信号発生回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/335 H04N 5/232 - 5/235

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の露光時間＞第２の露光時間＞…＞
第ｎの露光時間の関係を持つ露光時間を設定する露光時
間設定手段と、前記露光時間の配置が第１・第２・…・第ｎ・第（ｎ−
１）・…・第２・第１の関係になるように上記露光時間
設定手段の露光状態を設定する露光時間状態配置手段
と、前記（２ｎ−１）個の露光状態により露光された映像を
合成して映像を得る手段とを具備したことを特徴とする
固体撮像装置。