JP3540593B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は撮像装置に関し、特に、イエロー(Ye)、シアン(Cy),グリーン(Gr),マゼンタ(Mg)の4種類の補色フィルタが配列されたインターレース・スキャン型CCD素子を用いたような撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
インターレース・スキャン型CCDは、プログレッシブ・スキャン型CCDと区別され、後者は垂直画素数対垂直CCDビット数が1:1であるのに対して、前者は2:1となっているため、前者から垂直解像度の高い画像を得るには、たとえば「フルフレームスチルカメラの露光制御方法」1994年テレビジョン学会年次大会p115〜116に記載されているように、メカニカルシャッタを使用して奇数ラインと偶数ラインとを別々のフィールドで読出すことが知られている。この一方で、両CCDが同一画素数の場合、インターレース・スキャン型の方が垂直CCDのビット数が少ないため、開口率を大きくできるなどの利点がある。
【0003】
図4は補色フィルタの配列を示す図であり、図5は従来のインターレース・スキャン型CCD撮像素子を用いたスチルカメラの輝度信号を作成するまでの信号処理ブロック図である。なお、図5においては、レンズおよびメカニカルシャッタを省略している。
【0004】
CCD素子1の出力信号は相関2重サンプリング回路(以下、CDS回路と称する)2でノイズが低減され、AGCアンプ3に与えられる。AGCアンプ3は露出制御部6からの制御信号によりその利得が制御される。AGCアンプ3で増幅されたCCD素子1からの信号はA/D変換器4によってディジタルデータに変換された後、Y作成回路5に入力される。Y作成回路5においては、アドレス(x,y)におけるディジタルデータをD(x,y)と表わすと、アドレス(x,y)における輝度信号は、
Y(x,y)=D(x,y)+D(x+1,y)+D(x,y+1)+D(x+1,y+1)
のように隣接する4データの加算により作成される。このとき、Yに占める4つの色フィルタの重みは等しく、次式で示される。
【0005】
Y=Ye+Cy+Gr+Mg
次に、このY信号は露出制御部6に入力される。この露出制御部6はたとえばマイクロコンピュータなどによって構成され、画面内のY信号平均値が所定値になるようにフレーム露光に適用する絞り値およびシャッタスピードを制御する。
【0006】
AGCアンプ3のゲインは、十分な露出が得られる場合にはCCD素子1の飽和レベルの最小値がA/D変換器4のフルスケールに一致するように露出制御部6によって設定される。露出が不十分となるような低照度では、不足している分だけAGCアンプ3のゲインが高く設定される。いずれにおいても、ゲインはフレーム露光前の数回のプリ露光により得られた結果に基づいて露出制御部6が設定する。
【0007】
CCD素子1の出力信号の一部が飽和レベルに達している場合、第1フィールドと第2フィールドの飽和レベルに段差が生じ、第2フィールドに読出される信号の飽和レベルは第1フィールドのそれよりも通常20%程度低下する。
【0008】
これは、CCD素子1の構造上原理的に発生するものであり、露光時にセンサに蓄えられた電荷が飽和信号量に達している場合、センサから垂直CCDに転送するまでの期間に電荷が基板に放出されるためである。
【0009】
上述のごとく、AGCアンプ3のゲインは、第2フィールドでのCCD素子1の飽和レベルがA/D変換器4のフルスケールに一致するように設定されるため、第1フィールドの飽和点付近の信号はA/D変換時にクリップされてしまう第1の問題点がある。
【0010】
このクリップ現象について図6および図7を参照して説明する。
図6および図7は垂直傾斜波形が得られる場合のフレーム露光終了後のCCD素子1の出力信号を実線で示す図であり、図6では第1フィールドにMgGrラインを、第2フィールドにYeCyラインをそれぞれ読出すものとする。図7では反対に第1フィールドにYeCyラインを、第2フィールドにMgGrラインをそれぞれ読出すものとする。
【0011】
第1および第2フィールドのCCD出力信号の飽和レベルをVS1,VS2とすると、前述の飽和レベルの段差により、
VS1≒1.2VS2
となる。前述のAGCアンプ3のゲイン設定により、A/D変換器4のフルスケール=VS2とされるので、第1フィールドに読出す信号は図6に示す一点鎖線の位置でクリップされる。すなわち図6の場合はMgGrの、図7の場合はYeCyの、ダイナミックレンジが約20%失われる。
【0012】
次に、図8に示したような補色フィルタの分光特性図から各ラインにおける水平加算信号Ye+Cy,Mg+Grは図9に示す分光特性になる。2つの特性曲線の全可視光域400〜700nmに対する積分値の比mは概ね次式で表わされる。
【0013】
m=∫(Ye+Cy)dλ/∫(Mg+Gr)dλ≒1.2
したがって、Y信号が2ライン周期で約20%変調されることになり、折返し歪みが発生するため、垂直解像度は劣化し、実際の撮影画像では斜線にギザが現われる。
【0014】
図10は従来例の他の例を示すブロック図である。この図10に示した例はオーム社発行「エレクトロニクス」1998年1月号p29で発表された例である。すなわち、前述の図5に示したA/D変換器4とY作成回路5との間に乗算回路8が配置され、セレクタ7によってラインごとにYeCyゲインと、GrMgゲインの異なる係数が切換えられ、その係数とA/D変換器4の出力とが乗算器8によって乗算される。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
図10に示した例では、乗算器8としてディジタル乗算器を用いる必要があり、その演算精度またはLSIのゲート規模やパワーが増大してしまうというトレードオフ関係にある問題が残る。また、この例でも前述の第1フィールドの飽和点付近の信号がA/D変換器4によってA/D変換するときにクリップされてしまうという問題点が残る。
【0016】
それゆえに、この発明の主たる目的は、上述の2つの問題点を解消し、演算精度やLSIのゲート規模およびパワーを増大させないような撮像装置を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、一方のラインの各画素には感度の高い色フィルタが配列され、他方のラインの各画素には感度の低い色フィルタが配列された撮像素子の全画素から、入射光の撮像素子への通過を遮断する遮光手段を作動させて信号を読み出し、読み出した信号を増幅手段にて増幅し、A/D変換手段でディジタル信号に変換する撮像装置であって、遮光手段によって遮光した後、感度の高いラインの信号電荷を第1フィールド期間に読み出し、感度の低いラインの信号電荷を第2フィールド期間に読み出し、第1フィールド期間での増幅手段のゲインを第2フィールド期間でのゲインに対して低く設定するように制御手段を備えて構成される。
【0018】
請求項2に係る発明では、請求項1の制御手段は、第1および第2フィールド期間のそれぞれの期間での撮像素子出力に基づく信号を積分して、第1フィールド期間での積分値に対する第2フィールド期間での積分値の比率を算出し、第1フィールド期間でのゲインを第2フィールド期間のゲインに対して前記比率だけ低く設定することを特徴とする。
【0019】
請求項3に係る発明では、請求項1または2の第1フィールド期間では、Ye、Cyの色フィルタが配列されたラインの信号電荷を読み出し、第2フィールド期間では、Gr,Mgの色フィルタが配列されたラインの信号電荷を読み出すことを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の一実施形態のブロック図である。図1において、CCD素子1〜Y作成回路5の構成は前述の図5と同じであり、AGCアンプ3を制御する露出制御部10のみが異なっている。また、図10に示した従来例では、A/D変換器4の後段の乗算器8にY信号作成用としてYeCyラインと、MgGrラインに異なる係数を掛けるようにしたが、この例では、たとえばマイクロコンピュータによって構成された露出制御部10によってAGCアンプ3に異なる係数を掛けるようにしている。
【0021】
図2は、この発明の一実施形態における、フレーム露光後のCCD素子1の出力信号を示す図であり、図7と同様に垂直傾斜波形を想定したうえで、第1フィールドにYeCyラインを、第2フィールドにMgGrラインをそれぞれ読出すものとする。ここでCCD素子1の出力信号を実線で示す。
【0022】
いま仮に、フィールド間の飽和レベル比S(=VS1/VS2)と感度比mとが
S=m=1.2
という前提で考える。
【0023】
露出制御部10は、図示の第1フィールドパルスに同期してフィールドによってAGCアンプ3のゲインを切換える。つまり、同ゲインを第1フィールドに1/1.2倍、第2フィールドに1倍に設定する。この結果、AGCアンプ3の出力信号は図2の一点鎖線で示すように、第1フィールドの傾斜および飽和レベルを第2フィールドのそれらに完全に一致させることができるので、従来例で述べたダイナミックレンジの損失および折り返し歪みという2つの問題とも100%解決できる。
【0024】
実際のCCD素子1についてのS、mはそれぞればらつきを生じるため、ばらつきに左右されず、過不足なく正確に補正するためにSまたはmをスチルカメラ製造時に実測する方法もある。たとえば、mについてはライトボックスを適正露出で撮像した非飽和出力データをもとに計算する。Sについてはライトボックスを最大露出で撮像して得られる全画面飽和したデータをもとに計算する。実測したS、mからのAGCアンプ3のフィールド間ゲイン比、つまりAGC変調度を設定する場合の方法は、ダイナミックレンジと折り返し歪み除去との優先度などを考慮して設定すればよい。
【0025】
図3はこの発明の他の実施の形態のブロック図である。この実施の形態は、図10に示したように設計段階でライン間の感度比mを計算するのではなく、ユーザが実際に使用するときにライン間の感度比mと飽和レベル比SをAGCアンプ3に設定するようにしたものである。このために、A/D変換器4の出力にはAE積分回路11が設けられる。AE積分回路11は、A/D変換器4の出力に基づいて輝度信号を生成するとともに、第1フィールドおよび第2フィールドのそれぞれに対応した信号が入力されると、各フィールドごとに積分演算を行ない、ライン間の感度比mと飽和レベル比Sを演算し、露出制御部6がその感度比mと飽和レベル比SをAGCアンプ3に設定する。この設定動作は、電源スイッチをオンしたときあるいはキャリブレーションキーを設けてそのキーが操作されたときに設定するようにすればよい。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、感度の高いラインの信号電荷を第1フィールド期間に読出し、感度の低いラインの信号電荷を第2フィールド期間に読出すとき、第1のフィールド期間のAGCアンプのゲインを第2フィールド期間のそれに対してある比率だけ低く設定するようにしたので、演算精度やLSIのゲート規模およびパワーを増大させることはなく、ダイナミックレンジ増加と折り返し歪み除去とを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態の信号処理ブロック図である。
【図2】この発明の一実施形態におけるフレーム露光後のCCD素子1の出力信号を示す図である。
【図3】この発明の他の実施形態のブロック図である。
【図4】補色フィルタの配列を示す図である。
【図5】従来のインターレース・スキャン型CCD撮像素子を用いたスチールカメラの輝度信号を作成するまでの信号処理ブロック図である。
【図6】垂直傾斜波形が得られる場合のフレームの露光終了後の第1フィールドにMgGrラインを、第2フィールドにYeCyラインを読出したときのCCD素子1の出力信号を示す図である。
【図7】同様にして、第1フィールドにYeCyラインを、第2フィールドにMgGrラインを読出したときのCCD素子1の出力信号を示す図である。
【図8】図4に示した補色フィルタの分光特性図である。
【図9】各ラインから得られる水平加算信号の分光特性図である。
【図10】従来例の他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 CCD素子
2 CDS回路
3 AGCアンプ
4 A/D変換器
6,10 露出制御部
11 AE積分回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a imaging device, in particular, yellow (Ye), cyan (Cy), Green (Gr), imaging such as with interlaced scanning
[0002]
[Prior art]
The interlace scan type CCD is distinguished from the progressive scan type CCD. The latter has a 1: 1 ratio of the number of vertical pixels to the number of bits of the vertical CCD, whereas the former has a ratio of 2: 1. To obtain an image having a high vertical resolution, for example, as described in “Exposure Control Method for Full-Frame Still Camera”, Annual Conference of the Institute of Television Engineers of Japan, p. It is known to read lines and lines in separate fields. On the other hand, if both CCDs have the same number of pixels, the interlaced scan type has the advantage that the aperture ratio can be increased because the number of bits of the vertical CCD is smaller.
[0003]
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement of complementary color filters, and FIG. 5 is a block diagram of signal processing until a luminance signal of a still camera using a conventional interlaced scan type CCD image sensor is created. In FIG. 5, the lens and the mechanical shutter are omitted.
[0004]
The output signal of the
Y (x, y) = D (x, y) + D (x + 1, y) + D (x, y + 1) + D (x + 1, y + 1)
Is created by adding four adjacent data. At this time, the weights of the four color filters in Y are equal, and are expressed by the following equation.
[0005]
Y = Ye + Cy + Gr + Mg
Next, this Y signal is input to the
[0006]
The gain of the
[0007]
If a part of the output signal of the
[0008]
This occurs in principle due to the structure of the
[0009]
As described above, since the gain of the
[0010]
This clipping phenomenon will be described with reference to FIGS.
FIGS. 6 and 7 are diagrams showing the output signals of the
[0011]
Assuming that the saturation levels of the CCD output signals of the first and second fields are VS1 and VS2, the above-described step of the saturation level causes
VS1 ≒ 1.2VS2
It becomes. Since the full scale of the A /
[0012]
Next, from the spectral characteristic diagram of the complementary color filter as shown in FIG. 8, the horizontal addition signals Ye + Cy, Mg + Gr in each line have the spectral characteristics shown in FIG. The ratio m of the integral value of the two characteristic curves with respect to the entire visible light region of 400 to 700 nm is approximately represented by the following equation.
[0013]
m = {(Ye + Cy) dλ / {(Mg + Gr) dλ} 1.2
Therefore, the Y signal is modulated by about 20% in a two-line cycle, and aliasing distortion is generated. As a result, the vertical resolution is degraded, and a jagged line appears in an actual photographed image.
[0014]
FIG. 10 is a block diagram showing another example of the conventional example. The example shown in FIG. 10 is an example published in Ohm's "Electronics", January 1998, p29. That is, a multiplying circuit 8 is arranged between the A /
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
In the example shown in FIG. 10, it is necessary to use a digital multiplier as the multiplier 8, and there remains a problem in a trade-off relationship that the calculation accuracy or the gate scale or power of the LSI increases. Also in this example, there remains a problem that the signal near the saturation point of the first field is clipped when the A /
[0016]
Therefore, a main object of the present invention is to solve the above two problems and to provide an imaging apparatus which does not increase the calculation accuracy, the gate scale and the power of the LSI.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, a high-sensitivity color filter is arranged in each pixel of one line, and a low-sensitivity color filter is arranged in each pixel of the other line. An imaging apparatus for operating a light-shielding unit that blocks light from passing through to an image sensor, reading a signal, amplifying the read signal by an amplifying unit, and converting the signal into a digital signal by an A / D converter, comprising: After the light is shielded, the signal charge of the line with high sensitivity is read out in the first field period, the signal charge of the line with low sensitivity is read out in the second field period, and the gain of the amplifying means in the first field period is changed in the second field period. The control means is provided so as to set the gain to be lower than the gain at the step (1).
[0018]
In the invention according to
[0019]
According to the third aspect of the present invention, in the first field period of the first or second aspect, the signal charges of the line on which the Ye and Cy color filters are arranged are read, and in the second field period, the Gr and Mg color filters are read. It is characterized by reading out signal charges of the arranged lines.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention. 1, the configuration of the
[0021]
FIG. 2 is a diagram showing an output signal of the
[0022]
Suppose now that the saturation level ratio S (= VS1 / VS2) between the fields and the sensitivity ratio m are S = m = 1.2.
Think on the assumption that.
[0023]
The
[0024]
Since S and m of the
[0025]
FIG. 3 is a block diagram of another embodiment of the present invention. In this embodiment, the sensitivity ratio m between lines is not calculated at the design stage as shown in FIG. 10, but the sensitivity ratio m between lines and the saturation level ratio S are set by the AGC when the user actually uses it. This is set to the
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when reading out signal charges on a line with high sensitivity in the first field period and reading out signal charges on a line with low sensitivity in the second field period, the AGC in the first field period is used. Since the gain of the amplifier is set to be lower than that of the second field period by a certain ratio, the dynamic range can be increased and the aliasing distortion can be eliminated without increasing the calculation accuracy, the gate size and the power of the LSI. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a signal processing block diagram according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing output signals of a
FIG. 3 is a block diagram of another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement of complementary color filters.
FIG. 5 is a block diagram of signal processing until a luminance signal of a still camera using a conventional interlaced scan CCD image sensor is created.
FIG. 6 is a diagram showing output signals of the
FIG. 7 is a diagram showing output signals of the
8 is a spectral characteristic diagram of the complementary color filter shown in FIG.
FIG. 9 is a spectral characteristic diagram of a horizontal addition signal obtained from each line.
FIG. 10 is a block diagram showing another example of the conventional example.
[Explanation of symbols]
Claims (3)
前記撮像手段から読み出された信号を、制御可能な可変ゲインで増幅する自動利得制御(AGC)増幅器(3)と、
前記自動利得制御増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するA/D変換手段(4)と、
前記A/D変換手段から出力されたディジタル信号に基づいて、輝度信号を作成する輝度信号作成手段(5)と、
前記輝度信号作成手段で作成された前記輝度信号に基づいて、前記輝度信号レベルが所定値になるよう前記撮像手段の光学系を制御する露出制御手段(10)とを備え、前記露出制御手段(10)はさらに、前記自動利得制御増幅器の前記可変ゲインを、前記第2フィールド期間に比べて前記第1フィールド期間で低くなるようにフィールドごとに切換え制御する、撮像装置。High sensitivity color filters are arranged in each pixel of one line, and low sensitivity color filters are arranged in each pixel of the other line. to block the Rukoto is opening and closing the mechanical shutter, the second field period where the first field period and the other signal charges of the line low sensitivity sensitive said one signal charge line is read out is read in alternate fields, the imaging means to read out the signal (1),
An automatic gain control (AGC) amplifier (3) for amplifying a signal read from the imaging means with a controllable variable gain;
A / D conversion means (4) for converting the signal amplified by the automatic gain control amplifier into a digital signal;
A luminance signal generation unit (5) for generating a luminance signal based on the digital signal output from the A / D conversion unit;
An exposure control unit (10) for controlling an optical system of the image pickup unit based on the luminance signal created by the luminance signal creation unit so that the luminance signal level becomes a predetermined value; 10) Further, the imaging apparatus performs switching control for each field such that the variable gain of the automatic gain control amplifier is lower in the first field period than in the second field period .
前記撮像手段から読み出された信号を、制御可能な可変ゲインで増幅する自動利得制御(AGC)増幅器(3)と、
前記自動利得制御増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するA/D変換手段(4)と、
前記A/D変換手段から出力されたディジタル信号を積分して、輝度信号を作成する積分手段(11)とを備え、前記積分手段はさらに、前記第1フィールド期間および前記第2フィールド期間のそれぞれの期間の積分値を算出して前記第1フィールド期間の積分値に対する前記第2フィールド期間の積分値の比率を算出し、
前記積分手段で作成された前記輝度信号に基づいて、前記輝度信号レベルが所定値になるよう前記撮像手段の光学系を制御する露出制御手段(6)をさらに備え、前記露出制御手段(6)はさらに、前記自動利得制御増幅器の前記可変ゲインを、前記第2フィールド期間に比べて前記第1フィールド期間で前記比率だけ低くなるようにフィールドごとに切換え制御する、撮像装置。 High sensitivity color filters are arranged in each pixel of one line, and low sensitivity color filters are arranged in each pixel of the other line. By opening and closing a mechanical shutter that shuts off the signal, a first field period in which the signal charge of the one line with high sensitivity is read out and a second field period in which the signal charge of the other line with low sensitivity is read out Imaging means (1) for reading out signals in the field of
An automatic gain control (AGC) amplifier (3) for amplifying a signal read from the imaging means with a controllable variable gain;
A / D conversion means (4) for converting the signal amplified by the automatic gain control amplifier into a digital signal;
Integrating means (11) for creating a luminance signal by integrating the digital signal output from the A / D conversion means, wherein the integrating means further comprises an integrating means for each of the first field period and the second field period And calculating the ratio of the integral value of the second field period to the integral value of the first field period,
An exposure control unit configured to control an optical system of the imaging unit based on the luminance signal generated by the integration unit so that the luminance signal level becomes a predetermined value; and the exposure control unit. Further, the imaging apparatus performs switching control for each field such that the variable gain of the automatic gain control amplifier is lower by the ratio in the first field period than in the second field period .
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