JP3805094B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラなどに組み込んで用いられる固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、露光量の異なる２つの画像信号を合成してダイナミックレンジの高い映像信号を得るための固体撮像装置としては、例えば、特開平７−３２２１４７号公報で開示されているようなものがある。以下、図１５及び図１６を参照しながら、従来の固体撮像装置について説明する。なお、図１５は従来の形態に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図１６は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【０００３】
この種の固体撮像装置は、図１５で示すように、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子（ＣＣＤ）４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、制御手段であるマイクロ・コンピュータ１０から構成されている。そして、この際における固体撮像素子４としては通常一般的な固体撮像素子の２倍の走査線数の画像信号を出力可能な全画素読み出し型の固体撮像素子が用いられており、この固体撮像素子４では片側の走査線に対応する画素の露光時間を電子シャッタ（図示省略）で切り換えることによって露光量の異なる２つの画像信号、つまり、露光量の大きな画像信号Ｓlongと露光量の小さな画像信号Ｓshortとを得ることが行われている。
【０００４】
また、信号合成手段６においては、固体撮像素子４から出力されてきた画像信号Ｓlong及びＳshortを単純に合成することによって合成信号Ｓmixが得られることになっており、合成信号Ｓmixはカメラ信号処理回路７へと出力されている。なお、この際における画像信号Ｓlongは長時間露光によって得られた信号、画像信号Ｓshortは短時間露光によって得られた信号であり、図１６で示すように、画像信号Ｓlongは入射光量Ｌ１で飽和し、かつ、画像信号Ｓshortは入射光量Ｌ１よりも大きな入射光量Ｌ２で飽和することになっている。そこで、これらの画像信号Ｓlong及びＳshortを加算してなる合成信号Ｓmixの階調特性は、画像信号Ｓlongよりも見かけ上のダイナミックレンジが拡大したものとなる。
【０００５】
さらに、信号合成手段６から出力してカメラ信号処理回路７へと入力した合成信号Ｓmixは、ガンマ補正やアパーチャ補正などの信号処理が施されて映像信号となったうえで出力端子８から装置外へと出力される。そして、この際における合成信号Ｓmixは平均信号レベル検出手段９に対しても入力されており、合成信号Ｓmixに基づいて検出された１画面分の平均信号レベルは平均信号レベル検出手段９からマイクロ・コンピュータ１０へと転送されている。そこで、このマイクロ・コンピュータ１０によっては、１画面分の平均信号レベルが所定の値となるよう、絞り装置駆動手段３を用いたうえで絞り装置２を調整することが実行される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来構成とされた固体撮像装置においては、画像信号Ｓlongが入射光量Ｌ１で飽和し、かつ、画像信号Ｓshortが入射光量Ｌ２で飽和することになっているが、画像信号Ｓshortの飽和する入射光量Ｌ２を画像信号Ｓlongの飽和する入射光量Ｌ１で除した値Ｌ２／Ｌ１で表されるダイナミックレンジを制御するための手段が設けられていないため、被写体のダイナミックレンジが固体撮像装置のダイナミックレンジ、つまり、Ｌ２／Ｌ１を越えている場合やＬ２／Ｌ１を大きく下回っている場合には被写体の画像を良好な状態で再現することができなくなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような不都合に鑑みて創案されたものであって、被写体のダイナミックレンジに対応した良好なダイナミックレンジを得ることが可能であり、被写体画像の再現性が良好な固体撮像装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る固体撮像装置は、露光量の異なる画像信号を出力する固体撮像素子と、固体撮像素子から出力される画像信号を合成する信号合成手段と、信号合成手段から出力される合成信号のピークレベルを検出するピークレベル検出手段と、光学レンズ及び固体撮像素子間に配置された絞り装置と、固体撮像素子から出力される画像信号のうちで露光量が最大となる画像信号の平均信号レベルを検出する平均信号レベル検出手段と、ピークレベル及び平均信号レベルを用いた演算処理によってピークレベル及び平均信号レベルを所定の範囲内に保つように、固体撮像素子から出力される画像信号の露光量比、並びに、絞り装置を介して固体撮像素子に入射する入射光量を算出する演算手段と、演算手段の算出結果に基づいて画像信号の露光量比及び絞り装置を調整する制御手段とを備えている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図２は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、図１及び図２において、従来の形態に係る図１５及び図１６と同一になる部分には同一符号を付している。
【００１６】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０を備えているとともに、ピークレベル検出手段１２及びピークレベル判定手段１３を具備している。そして、従来の形態と同様、固体撮像素子４は露光量の異なる２つの画像信号、つまり、露光量の大きな画像信号Ｓlongと露光量の小さな画像信号Ｓshortとを出力するものであり、かつ、信号合成手段６は固体撮像素子４から出力されてきた画像信号Ｓlong及びＳshortを加算することによって合成信号Ｓmixを合成したうえでカメラ信号処理回路７に対して出力するものである。なお、図２で示すように、この際における画像信号Ｓlongは入射光量Ｌ１で飽和する一方、画像信号Ｓshortは入射光量Ｌ２で飽和することになっている。
【００１７】
また、カメラ信号処理回路７では、入力してきた合成信号Ｓmixに対してガンマ補正やアパーチャ補正などの必要な信号処理を施すことによって映像信号が生成されることになっており、生成された映像信号は出力端子８から装置外へと出力されている。さらに、この際における合成信号Ｓmixは平均信号レベル検出手段９に対しても入力されており、合成信号Ｓmixに基づいて検出された１画面分の平均信号レベルは平均信号レベル検出手段９からマイクロ・コンピュータ１０へと転送されている。そして、マイクロ・コンピュータ１０によっては、１画面分の平均信号レベルが所定の値となるよう、絞り装置駆動手段３を介して絞り装置２を調整することが行われる。
【００１８】
さらにまた、固体撮像装置が備えるピークレベル検出手段１２は信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのピークレベルを検出するものである一方、ピークレベル判定手段１３は合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定するものであり、このピークレベル判定手段１３では、図２で示すように、合成信号Ｓmixのピークレベル、つまり、１画面分の最大信号レベルが画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和レベルＳsatの１．７倍（１．７・Ｓsat）から１．９倍（１．９・Ｓsat）までと予め設定されたレベル範囲内にあるか否かが判定されることになっている。そして、図示省略しているが、ピークレベル判定手段１３でもって合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内、つまり、１．７・Ｓsatから１．９・Ｓsatまでの範囲内にあると判定された場合には、固体撮像素子４から出力されている画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比がそのまま維持される。
【００１９】
一方、ピークレベル判定手段１３でもって合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にないと判定された場合には、この合成信号Ｓmixのピークレベルを１．７・Ｓsatから１．９・Ｓsatまでのレベル範囲内に収めるべく、マイクロ・コンピュータ１０によって固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整することが行われる。すなわち、図２で示すように、合成信号Ｓmixのピークレベルがレベル範囲の上限である１．９・Ｓsatを越えている場合には、合成信号Ｓmixのピークレベルを低下させて１．９・Ｓsat以下とすべく、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比をマイクロ・コンピュータ１０でもって調整する、つまり、具体的には、マイクロ・コンピュータ１０からの指示によってＣＣＤ駆動回路５を動作させ、かつ、固体撮像素子４の具備した電子シャッタ（図示省略）のシャッタ速度を速くして画像信号Ｓshortに対する露光時間を従前よりも短くし、入射光量Ｌ２よりも大きな入射光量Ｌ２′で飽和する画像信号Ｓshort′を得ることが実行される。
【００２０】
そして、このような画像信号Ｓshort′であれば、画像信号Ｓlongと画像信号Ｓshort′とを加算することによって合成信号Ｓmixよりも傾斜の緩やかな合成信号Ｓmix′が得られるため、画像信号Ｓshort′の飽和する入射光量Ｌ２′を画像信号Ｓlongの飽和する入射光量Ｌ１で除した値Ｌ２′／Ｌ１で表されるダイナミックレンジが大きくなる結果、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックレンジが制御されていることになる。また、図示省略しているが、合成信号Ｓmixのピークレベルがレベル範囲の下限である１．７・Ｓsatを下回っている場合には、合成信号Ｓmixのピークレベルを上昇させることによって１．７・Ｓsat以上とすべく、マイクロ・コンピュータ１０で電子シャッタのシャッタ速度を遅くして露光量の小さな画像信号Ｓshortに対する露光時間を従前よりも長くすることにより、入射光量Ｌ２よりも小さな入射光量で飽和する画像信号Ｓshortを得たうえで画像信号Ｓlongと加算することが実行される。
【００２１】
すなわち、本実施の形態におけるマイクロ・コンピュータ１０は、固体撮像装置のダイナミックレンジを大きくする必要があるならば、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量（露光時間）の比を大きくし、また、ダイナミックレンジを小さくする必要があるならば、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量（露光時間）の比を小さくするよう固体撮像素子４を調整するものとなっている。従って、この構成によれば、被写体の最大の明るさを表す合成信号のピークレベルに応じて画像信号の露光量比を調整することにより、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックレンジが制御される結果として被写体画像の再現性が良好となる。なお、本実施の形態では、マイクロ・コンピュータ１０が固体撮像装置のダイナミックレンジを調整する制御手段であるとしているが、この構成に限られることはなく、上記したような動作を固体撮像素子４に行わせる専用の制御手段をマイクロ・コンピュータ１０とは別に設けておいてもよい。
【００２２】
さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置を採用した際には、以下のような利点も確保される。すなわち、本実施の形態に係る固体撮像装置では、図２で示すように、画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和する入射光量Ｌ１，Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１を３倍とすれば、被写体からの最大入射光量がＬ３であっても予め設定されたレベル範囲内に収まり、また、入射光量Ｌ１，Ｌ２′の比Ｌ２′／Ｌ１を５倍としておけば、最大入射光量がＬ４であっても所定のレベル範囲内に収まることとなる。一方、従来の形態に係る固体撮像装置では、Ｌ２／Ｌ１で表されるダイナミックレンジが一定であるため、被写体からの最大入射光量がＬ３である場合には再現可能であるものの、最大入射光量がＬ４となれば再現不能となってしまう。
【００２３】
また、最大入射光量がＬ４であっても再現可能となるよう、Ｌ２′／Ｌ１で表されるダイナミックレンジとしておいた場合には最大入射光量がＬ３のときの出力信号レベルが画像信号Ｓlongの飽和レベルＳsatの１．５倍（１．５・Ｓsat）程度となるため、ダイナミックレンジを有効利用することができないのが通常であった。これに対し、本実施の形態に係る固体撮像装置では、上述したように、被写体のダイナミックレンジに応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを最適に制御することが可能であり、最大入射光量がＬ３である被写体や最大入射光量がＬ４の被写体についても画像を良好な状態で最適に再現できるという利点が得られる。
【００２４】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図４は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、図３及び図４においても、実施の形態１を示す図１及び図２と同様、従来の形態に係る図１５及び図１６と同一になる部分には同一符号を付しており、実施の形態１と重複する内容についての説明は省略する。すなわち、この実施の形態２におけるピークレベル検出手段１２及びピークレベル判定手段１３以外の各部分の動作、作用は実施の形態１と同じであるので、ここでの詳しい説明は省略している。
【００２５】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０を備えているとともに、ピークレベル検出手段１２及びピークレベル判定手段１３を具備して構成されている。そして、この際におけるピークレベル検出手段１２は、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortのうちで露光量が最小となる画像信号Ｓshortのピークレベル、つまり、画像信号Ｓshortに基づく１画面分の最大信号レベルを検出するものとなっている。
【００２６】
また、ピークレベル判定手段１３は画像信号Ｓshortのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定するものであり、このピークレベル判定手段１３では、図４で示すように、画像信号Ｓshortのピークレベルが画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和レベルＳsatの０．７倍（０．７・Ｓsat）から０．９倍（０．９・Ｓsat）までの範囲内、つまり、予め設定されたレベル範囲内にあるか否かが判定されることになっている。そして、ピークレベル判定手段１３でもって画像信号Ｓshortのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にないと判定された場合には、この画像信号Ｓshortのピークレベルを０．７・Ｓsatから０．９・Ｓsatまでのレベル範囲内に収めるべく、実施の形態１と同様の手順に従いながら固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比をマイクロ・コンピュータ１０によって調整することが行われる。
【００２７】
ところで、固体撮像装置が備える信号合成手段６は、固体撮像素子４から出力されてきた画像信号Ｓlong及びＳshortを単純に加算して合成信号Ｓmixを得るものであるが、信号合成手段６における合成信号Ｓmixの合成条件が単純な加算のみに限定されることはなく、各画像信号Ｓlong及びＳshortを適当な増幅率で増幅したり、適当なオフセットレベルを加算したりする合成条件が採用されたものであってもよく、これらの合成条件が採用された信号合成手段６では合成条件に対応して合成信号Ｓmixのピークレベルが変動することになる。しかしながら、本実施の形態に係る構成を採用した際には、合成信号Ｓmixのピークレベルではなくて画像信号Ｓshortのピークレベルを利用しているので、固体際素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を安定的に調整できるという利点が得られる。
【００２８】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図６は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。ところで、本実施の形態に係る固体撮像装置は実施の形態１及び実施の形態２で説明した固体撮像装置の変形例というべきものであり、その構成は基本的に異ならないから、図５及び図６において図１ないし図４と同一の部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。なお、以下の説明においては、実施の形態１に係る固体撮像装置を前提としているが、実施の形態２に係る固体撮像装置であっても同様である。
【００２９】
実施の形態１では信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定しているが、例えば、暗い室内と明るい室外とが被写体に含まれているときのように、被写体のダイナミックレンジが非常に高い場合には、固体撮像素子４から出力されてくる画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比が１００倍以上必要となることがある。ところが、露光量比が１００倍以上の画像信号Ｓlongと画像信号Ｓshortとを信号合成手段６でもって合成した際には、図６で示すように、画像信号Ｓshortのほとんど存在していない入射光量Ｌ１で画像信号Ｓlongが飽和するため、不自然な画像しか得られないことになる。
【００３０】
すなわち、図６においては、合成信号Ｓmix″が１００倍以上の露光量比となった画像信号Ｓlong及びＳshort″を合成したものであるが、この場合における合成信号Ｓmix″は入射光量Ｌ１の位置で傾斜が急変しており、入射光量Ｌ２以下では合成信号Ｓmix″の傾斜が画像信号Ｓlongとほとんど異ならないことになる。そこで、合成信号Ｓmix″及び画像信号Ｓlongにおける傾斜の差を補正する必要上、画像信号Ｓshort″を増幅することが考えられるが、１００倍もの増幅を行ったのではノイズが大きくなり過ぎることになってしまう。
【００３１】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、このような不都合を解消すべく創案されたものであり、図５で示すように、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、ピークレベル判定手段１３を備え、かつ、ＣＣＤ駆動回路５とマイクロ・コンピュータ１０との間には露光量比制限手段１５が設けられている。そして、この露光量比制限手段１５は、ピークレベル判定手段１３での判定結果に基づいて画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整すべくマイクロ・コンピュータ１０から出力される指示を予め設定された露光量比の範囲内、例えば、３倍から３２倍の範囲間、好ましくは、４倍から１６倍の範囲内に制限するものとなっている。
【００３２】
従って、本実施の形態においても、実施の形態１と同様、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックレンジを大きくする必要があれば、マイクロ・コンピュータ１０が画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を大きくし、また、ダイナミックレンジを小さくする必要があれば、マイクロ・コンピュータ１０が画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を小さくするよう固体撮像素子４を調整することが行われるが、マイクロ・コンピュータ１０から固体撮像素子４に対して指示される露光量比が大き過ぎる場合には露光量比制限手段１５によって露光量比が制限される結果、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比が適正な範囲内に収まることとなる。すなわち、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を４倍とし、また、画像信号Ｓlong及びＳshort′の露光量比を８倍とした場合には、図６で示すような合成信号Ｓmix及びＳmix′がそれぞれ得られることになり、階調特性が不自然になったり、ノイズが増大したりすることを抑制することが可能になる。
【００３３】
（実施の形態４）
図７は実施の形態４に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図８は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成も実施の形態１ないし実施の形態３と基本的に異ならないので、図７及び図８において図１ないし図６と同一の部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。
【００３４】
実施の形態４に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、ピークレベル判定手段１３を備えている。そして、ここでの平均信号レベル検出手段９は、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortのうちで露光量が最大となる画像信号Ｓlongの平均信号レベル、つまり、画像信号Ｓlongに基づく１画面分の平均信号レベルを検出するものとなっており、検出された画像信号Ｓlongの平均信号レベルは制御手段であるマイクロ・コンピュータ１０に対して転送されている。
【００３５】
一方、この際におけるマイクロ・コンピュータ１０は、ピークレベル検出手段１２で検出された合成信号Ｓmixのピークレベルに対するピークレベル判定手段１３の判定結果に基づいて固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整するとともに、平均信号レベル検出手段９から入力する画像信号Ｓlongの平均信号レベルに応じて絞り装置駆動手段３を介したうえで絞り装置２を調整する新たな機能が付加されたものとなっている。そこで、実施の形態１のように、信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixの平均信号レベルを平均信号レベル検出手段９で検出し、かつ、マイクロ・コンピュータ１０によって画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整することを行った際には、光学レンズ１及び固体撮像素子４間に介装された絞り装置２における絞り状態が不必要に変動することになってしまう。
【００３６】
しかしながら、本実施の形態のように、平均信号レベル検出手段９でもって画像信号Ｓlongの平均信号レベルを検出することとし、画像信号Ｓlongの平均信号レベルのみに応じて絞り装置２を調整する機能をマイクロ・コンピュータ１０に持たせておいた際には、図８で示すように、画像信号Ｓlongの平均信号レベルが画像信号Ｓlong及び入射光量Ｌ２′で囲まれた台形状の面積によって表されることとなる結果、固体撮像装置のダイナミックを制御しても特性は変化しないことになる。そのため、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整しても絞り装置２の絞り状態が不安定化することはなくなり、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックを制御しながら絞り装置２を安定的に調整し得るという利点が確保される。なお、ここでは絞り装置２を調整する制御手段がマイクロ・コンピュータ１０であるとしているが、このような構成に限られることはなく、平均信号レベル検出手段９から入力する画像信号Ｓlongの平均信号レベルに応じて絞り装置２を調整する専用の制御手段をマイクロ・コンピュータ１０と別に設けることも可能である。
【００３７】
（実施の形態５）
図９は実施の形態５に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図、図１０は演算手段の内部構成を示すブロック図、図１１は演算処理の手順を示すフローチャートであり、図１２は合成信号のピークレベル（ＰＥＡＫ）と露光量が最大となる画像信号の平均信号レベル（ＭＥＡＮ）との関係を模式化して示す説明図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置が実施の形態４と異なるのは、演算手段を具備し、かつ、ピークレベル判定手段を具備していない点にあり、その他の基本構成は実施の形態１ないし実施の形態４と異ならないので、同一となる部分には同一符号を付している。すなわち、図９における符号１７は演算手段であり、この演算手段１７以外の各部分の動作、作用は実施の形態４と同じであるから、ここでの詳しい説明は省略している。
【００３８】
実施の形態５に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、演算手段１７を備えている。そして、ここでの平均信号レベル検出手段９は固体撮像素子４から出力されるうちで露光量が最大となる画像信号Ｓlongの平均信号レベルを検出するものであり、ピークレベル検出手段１２は信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのピークレベルを検出するものである。また、演算手段１７は、合成信号Ｓmixのピークレベル及び画像信号Ｓlongの平均信号レベルを用いた演算処理によって固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比、並びに、絞り装置２を介して固体撮像素子４に入射する入射光量を算出するものであり、マイクロ・コンピュータ１０は、演算手段１７の算出結果に基づいて画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比及び絞り装置駆動手段３を通じて絞り装置２を調整する制御手段であることになっている。
【００３９】
すなわち、ここでの演算手段１７は、図１０で示すような内部構成を有し、かつ、図１１で示すような手順に従った演算処理を実行するものであり、以下、合成信号のピークレベル（ＰＥＡＫ）と、露光量が最大となる画像信号の平均信号レベル（ＭＥＡＮ）との関係を模式化して示す図１２を参照しつつ、演算手段１７の動作について説明する。
【００４０】
(1) 演算手段１７では、まず、画像信号Ｓlongの平均信号レベル（ＭＥＡＮ）が所定のレベル範囲内、つまり、ＭＬからＭＨまでの間に収まっているか否かが演算されることになり、ＭＥＡＮが目標とするレベル範囲内に収まっている場合には、マイクロ・コンピュータ１０を介したうえで絞り装置駆動手段３に対し、絞り装置２の状態をそのまま維持するよう指示する。
【００４１】
(2) そして、この際におけるＭＥＡＮが目標とするレベル範囲の最大値であるＭＨよりも大きい場合には、絞り装置駆動手段３を閉じることによって固体撮像素子４に入射する入射光量を低減させるように指示する。
【００４２】
(3) また、目標とするレベル範囲の最小値であるＭＬよりもＭＥＡＮが小さい場合には、合成信号Ｓmixのピークレベル（ＰＥＡＫ）が所定のレベル範囲、つまり、ＰＬからＰＨまでの間に収まっているか否かを演算処理によって求めることが実行される。
【００４３】
(4) さらに、ＰＥＡＫが所定のレベル範囲における最小値ＰＬよりも小さければ、マイクロ・コンピュータ１０を介したうえで絞り装置駆動手段３に対し、絞り装置２を開くことによって固体撮像素子４に入射する入射光量を増大させるよう指示する。
【００４４】
(5) ところで、ＰＥＡＫの最大値をＰＭＡＸとした際において、Ｐ１＝（ＰＨ−ＰＭＡＸ）／（ＭＬ−Ｍ０）×（ＭＥＡＮ−Ｍ０）＋ＰＭＡＸ＋ｄＰで表される値よりもＰＥＡＫの方が大きい場合には、絞り装置駆動手段３を通じたうえで絞り装置２を閉じることが行われる。
【００４５】
(6) また、Ｐ２＝（ＰＨ−ＰＭＡＸ）／（ＭＬ−Ｍ０）×（ＭＥＡＮ−Ｍ０）＋ＰＭＡＸで表される値よりもＰＥＡＫの方が小さい場合には、絞り装置２を開くことが行われる。なお、図１２における横軸はＭＥＡＮ、縦軸はＰＥＡＫを示しており、この図１２中の斜線部分は絞り装置２を開くように制御する領域である一方、横線部分は絞り装置２を閉じるように制御する領域であることになっている。
【００４６】
つまり、実施の形態５に係る構成を採用した際には、画像信号Ｓlongの平均信号レベルが所定のレベル範囲内に収まっていない際にも合成信号Ｓmixのピークレベルに対応して絞り装置２を開いたり閉じたりすることが可能となり、ピークレベル及び平均信号レベルの演算結果に基づいたうえで固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比、並びに、固体撮像素子４に入射する入射光量を調整し得ることとなる。従って、固体撮像装置のダイナミックレンジの拡大率に対して制限が加えられる場合においても、絞り装置２の動作とダイナミックレンジの拡大率とが連動している結果として被写体の撮影状態を最適化することが可能となり、画像の再現性が良好になるという利点が確保される。
【００４７】
（実施の形態６）
図１３は実施の形態６に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図、図１４は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置が前述した実施の形態１と異なっているのはレベル判定手段を具備している点にあり、その他の構成については基本的に異ならないので、同一となる部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。すなわち、図１３における符号１９はレベル判定手段であり、このレベル判定手段１９以外の各部分の動作、作用は実施の形態１と同じであるから、ここでの詳しい説明は省略している。
【００４８】
実施の形態１に係る固体撮像装置では、ダイナミックレンジの拡大した合成信号mixの平均信号レベルに基づいて絞り装置２を調整しているため、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することによって合成信号Ｓmixの平均信号レベルが変化し、絞り制御が不安定になってしまう。例えば、図１４で示すように、Ｌ２’までの入射光量が一様に分布している被写体の平均信号レベルは合成信号Ｓmixと入射光量Ｌ２’とで囲まれた範囲の面積と見ることができ、合成信号がＳmixであってダイナミックレンジが小さい場合に比べると、合成信号がＳmix′であってダイナミックレンジが大きい場合には面積が小さいことになるので、平均信号レベルが小さいことになり、ダイナミックレンジを拡大してもさらに絞り装置２を開こうとする調整が実行されるという不都合が生じる。
【００４９】
本実施の形態６に係る固体撮像装置は、このような不都合を解消すべく創案されたものであり、実施の形態１と同様、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、ピークレベル判定手段１３を備えており、レベル判定手段１９を具備したものとなっている。そして、この際におけるレベル判定手段１９は、信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定するものであり、レベル判定手段１９から平均信号レベル検出手段９に対しては、画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和レベルＳsatよりも小さいレベルの合成信号Ｓmixのみが平均信号レベル検出手段９に対して出力されることになっている。なお、平均信号レベル検出手段９は、レベル判定手段１０からの合成信号Ｓmixを１画面分平均したうえでマイクロ・コンピュータ１０に対して転送することになる。
【００５０】
そして、このような構成を採用した場合には、図１４からも明らかなように、固体撮像装置のダイナミックレンジが変化した場合であっても入射光量Ｌ１以下である限りは合成信号Ｓmixの特性がほとんど変化しないこととなる。従って、この場合における合成信号Ｓmixの平均信号レベルは、Ｓmix′とＬ１とで囲まれて三角形状を有する斜線部分の面積と同じであると見なし得ることになり、被写体のダイナミックレンジに応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを制御した場合においても安定した絞り制御が行われる。
【００５１】
ところで、実施の形態１ないし実施の形態６のそれぞれで説明した構成に代えて以下に説明するような種々の変形構成を採用してもよく、これらの変形構成を採用した際においても同様の作用及び効果が得られることは勿論である。
【００５２】
(1) 露光量比の調整に際し、露光量の小さい画像信号の露光時間を調整する必然性があるわけではなく、露光量の大きい画像信号の露光時間を調整することも可能である。
【００５３】
(2) 撮像手段が全画素読み出し型の固体撮像素子である必然性があるわけではなく、通常の固体撮像素子を用いたうえで２倍の周波数で駆動することによっても異なる露光量の画像信号を得ることが可能である。
【００５４】
(3) 白黒の固体撮像素子ではなく、光学プリズムを用いてなる多板式の撮像素子や画素毎に分光特性の異なる色フィルタを配した単板式の撮像素子を用いてもよい。
【００５５】
(4) 撮像手段である固体撮像素子から出力された画像信号の合成処理を実行する必然性があるわけではなく、固体撮像素子から出力された画像信号に対して通常のカメラ信号処理を施したうえで合成処理することも可能である。
【００５６】
(5) 平均信号レベル検出手段９、露光量制限手段１５、演算手段１７のそれぞれが、マイクロ・コンピュータ１０のソフトウェアによって構成されたものであってもよい。
【００５７】
(6) 合成手段による合成処理が単純加算のみに限定されず、入力した信号レベルに応じていずれかの信号を選択する選択回路など、各種の構成を採用することが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る固体撮像装置によれば、固体撮像素子から出力される露光量の異なる出力信号の露光量比が所定の範囲以内になるよう制御する場合であっても合成信号が飽和することは起こらず、被写体の最適な撮影状態を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図３】実施の形態２に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態２における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図５】実施の形態３に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態３における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図７】実施の形態４に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図８】実施の形態４における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図９】実施の形態５に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１０】演算手段の内部構成を示すブロック図である。
【図１１】演算処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】合成信号のピークレベル（ＰＥＡＫ）と露光量が最大となる画像信号の平均信号レベル（ＭＥＡＮ）との関係を模式化して示す説明図である。
【図１３】実施の形態６に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１４】実施の形態６における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図１５】従来の形態に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１６】従来の形態における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【符号の説明】
４ 固体撮像素子
６ 信号合成手段
１０ マイクロ・コンピュータ（制御手段）
１２ ピークレベル検出手段
１３ ピークレベル判定手段
Ｓlong 画像信号
Ｓshort 画像信号
Ｓmix 合成信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラなどに組み込んで用いられる固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、露光量の異なる２つの画像信号を合成してダイナミックレンジの高い映像信号を得るための固体撮像装置としては、例えば、特開平７−３２２１４７号公報で開示されているようなものがある。以下、図１５及び図１６を参照しながら、従来の固体撮像装置について説明する。なお、図１５は従来の形態に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図１６は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【０００３】
この種の固体撮像装置は、図１５で示すように、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子（ＣＣＤ）４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、制御手段であるマイクロ・コンピュータ１０から構成されている。そして、この際における固体撮像素子４としては通常一般的な固体撮像素子の２倍の走査線数の画像信号を出力可能な全画素読み出し型の固体撮像素子が用いられており、この固体撮像素子４では片側の走査線に対応する画素の露光時間を電子シャッタ（図示省略）で切り換えることによって露光量の異なる２つの画像信号、つまり、露光量の大きな画像信号Ｓlongと露光量の小さな画像信号Ｓshortとを得ることが行われている。
【０００４】
また、信号合成手段６においては、固体撮像素子４から出力されてきた画像信号Ｓlong及びＳshortを単純に合成することによって合成信号Ｓmixが得られることになっており、合成信号Ｓmixはカメラ信号処理回路７へと出力されている。なお、この際における画像信号Ｓlongは長時間露光によって得られた信号、画像信号Ｓshortは短時間露光によって得られた信号であり、図１６で示すように、画像信号Ｓlongは入射光量Ｌ１で飽和し、かつ、画像信号Ｓshortは入射光量Ｌ１よりも大きな入射光量Ｌ２で飽和することになっている。そこで、これらの画像信号Ｓlong及びＳshortを加算してなる合成信号Ｓmixの階調特性は、画像信号Ｓlongよりも見かけ上のダイナミックレンジが拡大したものとなる。
【０００５】
さらに、信号合成手段６から出力してカメラ信号処理回路７へと入力した合成信号Ｓmixは、ガンマ補正やアパーチャ補正などの信号処理が施されて映像信号となったうえで出力端子８から装置外へと出力される。そして、この際における合成信号Ｓmixは平均信号レベル検出手段９に対しても入力されており、合成信号Ｓmixに基づいて検出された１画面分の平均信号レベルは平均信号レベル検出手段９からマイクロ・コンピュータ１０へと転送されている。そこで、このマイクロ・コンピュータ１０によっては、１画面分の平均信号レベルが所定の値となるよう、絞り装置駆動手段３を用いたうえで絞り装置２を調整することが実行される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記従来構成とされた固体撮像装置においては、画像信号Ｓlongが入射光量Ｌ１で飽和し、かつ、画像信号Ｓshortが入射光量Ｌ２で飽和することになっているが、画像信号Ｓshortの飽和する入射光量Ｌ２を画像信号Ｓlongの飽和する入射光量Ｌ１で除した値Ｌ２／Ｌ１で表されるダイナミックレンジを制御するための手段が設けられていないため、被写体のダイナミックレンジが固体撮像装置のダイナミックレンジ、つまり、Ｌ２／Ｌ１を越えている場合やＬ２／Ｌ１を大きく下回っている場合には被写体の画像を良好な状態で再現することができなくなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような不都合に鑑みて創案されたものであって、被写体のダイナミックレンジに対応した良好なダイナミックレンジを得ることが可能であり、被写体画像の再現性が良好な固体撮像装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る固体撮像装置は、露光量の異なる画像信号を出力する固体撮像素子と、固体撮像素子から出力される画像信号を合成する信号合成手段と、信号合成手段から出力される合成信号のピークレベルを検出するピークレベル検出手段と、光学レンズ及び固体撮像素子間に配置された絞り装置と、固体撮像素子から出力される画像信号のうちで露光量が最大となる画像信号の平均信号レベルを検出する平均信号レベル検出手段と、ピークレベル及び平均信号レベルを用いた演算処理によってピークレベル及び平均信号レベルを所定の範囲内に保つように、固体撮像素子から出力される画像信号の露光量比、並びに、絞り装置を介して固体撮像素子に入射する入射光量を算出する演算手段と、演算手段の算出結果に基づいて画像信号の露光量比及び絞り装置を調整する制御手段とを備えている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図２は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、図１及び図２において、従来の形態に係る図１５及び図１６と同一になる部分には同一符号を付している。
【００１６】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０を備えているとともに、ピークレベル検出手段１２及びピークレベル判定手段１３を具備している。そして、従来の形態と同様、固体撮像素子４は露光量の異なる２つの画像信号、つまり、露光量の大きな画像信号Ｓlongと露光量の小さな画像信号Ｓshortとを出力するものであり、かつ、信号合成手段６は固体撮像素子４から出力されてきた画像信号Ｓlong及びＳshortを加算することによって合成信号Ｓmixを合成したうえでカメラ信号処理回路７に対して出力するものである。なお、図２で示すように、この際における画像信号Ｓlongは入射光量Ｌ１で飽和する一方、画像信号Ｓshortは入射光量Ｌ２で飽和することになっている。
【００１７】
また、カメラ信号処理回路７では、入力してきた合成信号Ｓmixに対してガンマ補正やアパーチャ補正などの必要な信号処理を施すことによって映像信号が生成されることになっており、生成された映像信号は出力端子８から装置外へと出力されている。さらに、この際における合成信号Ｓmixは平均信号レベル検出手段９に対しても入力されており、合成信号Ｓmixに基づいて検出された１画面分の平均信号レベルは平均信号レベル検出手段９からマイクロ・コンピュータ１０へと転送されている。そして、マイクロ・コンピュータ１０によっては、１画面分の平均信号レベルが所定の値となるよう、絞り装置駆動手段３を介して絞り装置２を調整することが行われる。
【００１８】
さらにまた、固体撮像装置が備えるピークレベル検出手段１２は信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのピークレベルを検出するものである一方、ピークレベル判定手段１３は合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定するものであり、このピークレベル判定手段１３では、図２で示すように、合成信号Ｓmixのピークレベル、つまり、１画面分の最大信号レベルが画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和レベルＳsatの１．７倍（１．７・Ｓsat）から１．９倍（１．９・Ｓsat）までと予め設定されたレベル範囲内にあるか否かが判定されることになっている。そして、図示省略しているが、ピークレベル判定手段１３でもって合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内、つまり、１．７・Ｓsatから１．９・Ｓsatまでの範囲内にあると判定された場合には、固体撮像素子４から出力されている画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比がそのまま維持される。
【００１９】
一方、ピークレベル判定手段１３でもって合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にないと判定された場合には、この合成信号Ｓmixのピークレベルを１．７・Ｓsatから１．９・Ｓsatまでのレベル範囲内に収めるべく、マイクロ・コンピュータ１０によって固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整することが行われる。すなわち、図２で示すように、合成信号Ｓmixのピークレベルがレベル範囲の上限である１．９・Ｓsatを越えている場合には、合成信号Ｓmixのピークレベルを低下させて１．９・Ｓsat以下とすべく、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比をマイクロ・コンピュータ１０でもって調整する、つまり、具体的には、マイクロ・コンピュータ１０からの指示によってＣＣＤ駆動回路５を動作させ、かつ、固体撮像素子４の具備した電子シャッタ（図示省略）のシャッタ速度を速くして画像信号Ｓshortに対する露光時間を従前よりも短くし、入射光量Ｌ２よりも大きな入射光量Ｌ２′で飽和する画像信号Ｓshort′を得ることが実行される。
【００２０】
そして、このような画像信号Ｓshort′であれば、画像信号Ｓlongと画像信号Ｓshort′とを加算することによって合成信号Ｓmixよりも傾斜の緩やかな合成信号Ｓmix′が得られるため、画像信号Ｓshort′の飽和する入射光量Ｌ２′を画像信号Ｓlongの飽和する入射光量Ｌ１で除した値Ｌ２′／Ｌ１で表されるダイナミックレンジが大きくなる結果、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックレンジが制御されていることになる。また、図示省略しているが、合成信号Ｓmixのピークレベルがレベル範囲の下限である１．７・Ｓsatを下回っている場合には、合成信号Ｓmixのピークレベルを上昇させることによって１．７・Ｓsat以上とすべく、マイクロ・コンピュータ１０で電子シャッタのシャッタ速度を遅くして露光量の小さな画像信号Ｓshortに対する露光時間を従前よりも長くすることにより、入射光量Ｌ２よりも小さな入射光量で飽和する画像信号Ｓshortを得たうえで画像信号Ｓlongと加算することが実行される。
【００２１】
すなわち、本実施の形態におけるマイクロ・コンピュータ１０は、固体撮像装置のダイナミックレンジを大きくする必要があるならば、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量（露光時間）の比を大きくし、また、ダイナミックレンジを小さくする必要があるならば、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量（露光時間）の比を小さくするよう固体撮像素子４を調整するものとなっている。従って、この構成によれば、被写体の最大の明るさを表す合成信号のピークレベルに応じて画像信号の露光量比を調整することにより、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックレンジが制御される結果として被写体画像の再現性が良好となる。なお、本実施の形態では、マイクロ・コンピュータ１０が固体撮像装置のダイナミックレンジを調整する制御手段であるとしているが、この構成に限られることはなく、上記したような動作を固体撮像素子４に行わせる専用の制御手段をマイクロ・コンピュータ１０とは別に設けておいてもよい。
【００２２】
さらに、本実施の形態に係る固体撮像装置を採用した際には、以下のような利点も確保される。すなわち、本実施の形態に係る固体撮像装置では、図２で示すように、画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和する入射光量Ｌ１，Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１を３倍とすれば、被写体からの最大入射光量がＬ３であっても予め設定されたレベル範囲内に収まり、また、入射光量Ｌ１，Ｌ２′の比Ｌ２′／Ｌ１を５倍としておけば、最大入射光量がＬ４であっても所定のレベル範囲内に収まることとなる。一方、従来の形態に係る固体撮像装置では、Ｌ２／Ｌ１で表されるダイナミックレンジが一定であるため、被写体からの最大入射光量がＬ３である場合には再現可能であるものの、最大入射光量がＬ４となれば再現不能となってしまう。
【００２３】
また、最大入射光量がＬ４であっても再現可能となるよう、Ｌ２′／Ｌ１で表されるダイナミックレンジとしておいた場合には最大入射光量がＬ３のときの出力信号レベルが画像信号Ｓlongの飽和レベルＳsatの１．５倍（１．５・Ｓsat）程度となるため、ダイナミックレンジを有効利用することができないのが通常であった。これに対し、本実施の形態に係る固体撮像装置では、上述したように、被写体のダイナミックレンジに応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを最適に制御することが可能であり、最大入射光量がＬ３である被写体や最大入射光量がＬ４の被写体についても画像を良好な状態で最適に再現できるという利点が得られる。
【００２４】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図４は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、図３及び図４においても、実施の形態１を示す図１及び図２と同様、従来の形態に係る図１５及び図１６と同一になる部分には同一符号を付しており、実施の形態１と重複する内容についての説明は省略する。すなわち、この実施の形態２におけるピークレベル検出手段１２及びピークレベル判定手段１３以外の各部分の動作、作用は実施の形態１と同じであるので、ここでの詳しい説明は省略している。
【００２５】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０を備えているとともに、ピークレベル検出手段１２及びピークレベル判定手段１３を具備して構成されている。そして、この際におけるピークレベル検出手段１２は、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortのうちで露光量が最小となる画像信号Ｓshortのピークレベル、つまり、画像信号Ｓshortに基づく１画面分の最大信号レベルを検出するものとなっている。
【００２６】
また、ピークレベル判定手段１３は画像信号Ｓshortのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定するものであり、このピークレベル判定手段１３では、図４で示すように、画像信号Ｓshortのピークレベルが画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和レベルＳsatの０．７倍（０．７・Ｓsat）から０．９倍（０．９・Ｓsat）までの範囲内、つまり、予め設定されたレベル範囲内にあるか否かが判定されることになっている。そして、ピークレベル判定手段１３でもって画像信号Ｓshortのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にないと判定された場合には、この画像信号Ｓshortのピークレベルを０．７・Ｓsatから０．９・Ｓsatまでのレベル範囲内に収めるべく、実施の形態１と同様の手順に従いながら固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比をマイクロ・コンピュータ１０によって調整することが行われる。
【００２７】
ところで、固体撮像装置が備える信号合成手段６は、固体撮像素子４から出力されてきた画像信号Ｓlong及びＳshortを単純に加算して合成信号Ｓmixを得るものであるが、信号合成手段６における合成信号Ｓmixの合成条件が単純な加算のみに限定されることはなく、各画像信号Ｓlong及びＳshortを適当な増幅率で増幅したり、適当なオフセットレベルを加算したりする合成条件が採用されたものであってもよく、これらの合成条件が採用された信号合成手段６では合成条件に対応して合成信号Ｓmixのピークレベルが変動することになる。しかしながら、本実施の形態に係る構成を採用した際には、合成信号Ｓmixのピークレベルではなくて画像信号Ｓshortのピークレベルを利用しているので、固体際素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を安定的に調整できるという利点が得られる。
【００２８】
（実施の形態３）
図５は実施の形態３に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図６は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。ところで、本実施の形態に係る固体撮像装置は実施の形態１及び実施の形態２で説明した固体撮像装置の変形例というべきものであり、その構成は基本的に異ならないから、図５及び図６において図１ないし図４と同一の部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。なお、以下の説明においては、実施の形態１に係る固体撮像装置を前提としているが、実施の形態２に係る固体撮像装置であっても同様である。
【００２９】
実施の形態１では信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのピークレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定しているが、例えば、暗い室内と明るい室外とが被写体に含まれているときのように、被写体のダイナミックレンジが非常に高い場合には、固体撮像素子４から出力されてくる画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比が１００倍以上必要となることがある。ところが、露光量比が１００倍以上の画像信号Ｓlongと画像信号Ｓshortとを信号合成手段６でもって合成した際には、図６で示すように、画像信号Ｓshortのほとんど存在していない入射光量Ｌ１で画像信号Ｓlongが飽和するため、不自然な画像しか得られないことになる。
【００３０】
すなわち、図６においては、合成信号Ｓmix″が１００倍以上の露光量比となった画像信号Ｓlong及びＳshort″を合成したものであるが、この場合における合成信号Ｓmix″は入射光量Ｌ１の位置で傾斜が急変しており、入射光量Ｌ２以下では合成信号Ｓmix″の傾斜が画像信号Ｓlongとほとんど異ならないことになる。そこで、合成信号Ｓmix″及び画像信号Ｓlongにおける傾斜の差を補正する必要上、画像信号Ｓshort″を増幅することが考えられるが、１００倍もの増幅を行ったのではノイズが大きくなり過ぎることになってしまう。
【００３１】
本実施の形態に係る固体撮像装置は、このような不都合を解消すべく創案されたものであり、図５で示すように、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、ピークレベル判定手段１３を備え、かつ、ＣＣＤ駆動回路５とマイクロ・コンピュータ１０との間には露光量比制限手段１５が設けられている。そして、この露光量比制限手段１５は、ピークレベル判定手段１３での判定結果に基づいて画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整すべくマイクロ・コンピュータ１０から出力される指示を予め設定された露光量比の範囲内、例えば、３倍から３２倍の範囲間、好ましくは、４倍から１６倍の範囲内に制限するものとなっている。
【００３２】
従って、本実施の形態においても、実施の形態１と同様、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックレンジを大きくする必要があれば、マイクロ・コンピュータ１０が画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を大きくし、また、ダイナミックレンジを小さくする必要があれば、マイクロ・コンピュータ１０が画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を小さくするよう固体撮像素子４を調整することが行われるが、マイクロ・コンピュータ１０から固体撮像素子４に対して指示される露光量比が大き過ぎる場合には露光量比制限手段１５によって露光量比が制限される結果、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比が適正な範囲内に収まることとなる。すなわち、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を４倍とし、また、画像信号Ｓlong及びＳshort′の露光量比を８倍とした場合には、図６で示すような合成信号Ｓmix及びＳmix′がそれぞれ得られることになり、階調特性が不自然になったり、ノイズが増大したりすることを抑制することが可能になる。
【００３３】
（実施の形態４）
図７は実施の形態４に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図であり、図８は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置の構成も実施の形態１ないし実施の形態３と基本的に異ならないので、図７及び図８において図１ないし図６と同一の部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。
【００３４】
実施の形態４に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、ピークレベル判定手段１３を備えている。そして、ここでの平均信号レベル検出手段９は、固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortのうちで露光量が最大となる画像信号Ｓlongの平均信号レベル、つまり、画像信号Ｓlongに基づく１画面分の平均信号レベルを検出するものとなっており、検出された画像信号Ｓlongの平均信号レベルは制御手段であるマイクロ・コンピュータ１０に対して転送されている。
【００３５】
一方、この際におけるマイクロ・コンピュータ１０は、ピークレベル検出手段１２で検出された合成信号Ｓmixのピークレベルに対するピークレベル判定手段１３の判定結果に基づいて固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整するとともに、平均信号レベル検出手段９から入力する画像信号Ｓlongの平均信号レベルに応じて絞り装置駆動手段３を介したうえで絞り装置２を調整する新たな機能が付加されたものとなっている。そこで、実施の形態１のように、信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixの平均信号レベルを平均信号レベル検出手段９で検出し、かつ、マイクロ・コンピュータ１０によって画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整することを行った際には、光学レンズ１及び固体撮像素子４間に介装された絞り装置２における絞り状態が不必要に変動することになってしまう。
【００３６】
しかしながら、本実施の形態のように、平均信号レベル検出手段９でもって画像信号Ｓlongの平均信号レベルを検出することとし、画像信号Ｓlongの平均信号レベルのみに応じて絞り装置２を調整する機能をマイクロ・コンピュータ１０に持たせておいた際には、図８で示すように、画像信号Ｓlongの平均信号レベルが画像信号Ｓlong及び入射光量Ｌ２′で囲まれた台形状の面積によって表されることとなる結果、固体撮像装置のダイナミックを制御しても特性は変化しないことになる。そのため、画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比を調整しても絞り装置２の絞り状態が不安定化することはなくなり、被写体のダイナミックレンジに対応して固体撮像装置のダイナミックを制御しながら絞り装置２を安定的に調整し得るという利点が確保される。なお、ここでは絞り装置２を調整する制御手段がマイクロ・コンピュータ１０であるとしているが、このような構成に限られることはなく、平均信号レベル検出手段９から入力する画像信号Ｓlongの平均信号レベルに応じて絞り装置２を調整する専用の制御手段をマイクロ・コンピュータ１０と別に設けることも可能である。
【００３７】
（実施の形態５）
図９は実施の形態５に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図、図１０は演算手段の内部構成を示すブロック図、図１１は演算処理の手順を示すフローチャートであり、図１２は合成信号のピークレベル（ＰＥＡＫ）と露光量が最大となる画像信号の平均信号レベル（ＭＥＡＮ）との関係を模式化して示す説明図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置が実施の形態４と異なるのは、演算手段を具備し、かつ、ピークレベル判定手段を具備していない点にあり、その他の基本構成は実施の形態１ないし実施の形態４と異ならないので、同一となる部分には同一符号を付している。すなわち、図９における符号１７は演算手段であり、この演算手段１７以外の各部分の動作、作用は実施の形態４と同じであるから、ここでの詳しい説明は省略している。
【００３８】
実施の形態５に係る固体撮像装置は、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、演算手段１７を備えている。そして、ここでの平均信号レベル検出手段９は固体撮像素子４から出力されるうちで露光量が最大となる画像信号Ｓlongの平均信号レベルを検出するものであり、ピークレベル検出手段１２は信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのピークレベルを検出するものである。また、演算手段１７は、合成信号Ｓmixのピークレベル及び画像信号Ｓlongの平均信号レベルを用いた演算処理によって固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比、並びに、絞り装置２を介して固体撮像素子４に入射する入射光量を算出するものであり、マイクロ・コンピュータ１０は、演算手段１７の算出結果に基づいて画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比及び絞り装置駆動手段３を通じて絞り装置２を調整する制御手段であることになっている。
【００３９】
すなわち、ここでの演算手段１７は、図１０で示すような内部構成を有し、かつ、図１１で示すような手順に従った演算処理を実行するものであり、以下、合成信号のピークレベル（ＰＥＡＫ）と、露光量が最大となる画像信号の平均信号レベル（ＭＥＡＮ）との関係を模式化して示す図１２を参照しつつ、演算手段１７の動作について説明する。
【００４０】
(1) 演算手段１７では、まず、画像信号Ｓlongの平均信号レベル（ＭＥＡＮ）が所定のレベル範囲内、つまり、ＭＬからＭＨまでの間に収まっているか否かが演算されることになり、ＭＥＡＮが目標とするレベル範囲内に収まっている場合には、マイクロ・コンピュータ１０を介したうえで絞り装置駆動手段３に対し、絞り装置２の状態をそのまま維持するよう指示する。
【００４１】
(2) そして、この際におけるＭＥＡＮが目標とするレベル範囲の最大値であるＭＨよりも大きい場合には、絞り装置駆動手段３を閉じることによって固体撮像素子４に入射する入射光量を低減させるように指示する。
【００４２】
(3) また、目標とするレベル範囲の最小値であるＭＬよりもＭＥＡＮが小さい場合には、合成信号Ｓmixのピークレベル（ＰＥＡＫ）が所定のレベル範囲、つまり、ＰＬからＰＨまでの間に収まっているか否かを演算処理によって求めることが実行される。
【００４３】
(4) さらに、ＰＥＡＫが所定のレベル範囲における最小値ＰＬよりも小さければ、マイクロ・コンピュータ１０を介したうえで絞り装置駆動手段３に対し、絞り装置２を開くことによって固体撮像素子４に入射する入射光量を増大させるよう指示する。
【００４４】
(5) ところで、ＰＥＡＫの最大値をＰＭＡＸとした際において、Ｐ１＝（ＰＨ−ＰＭＡＸ）／（ＭＬ−Ｍ０）×（ＭＥＡＮ−Ｍ０）＋ＰＭＡＸ＋ｄＰで表される値よりもＰＥＡＫの方が大きい場合には、絞り装置駆動手段３を通じたうえで絞り装置２を閉じることが行われる。
【００４５】
(6) また、Ｐ２＝（ＰＨ−ＰＭＡＸ）／（ＭＬ−Ｍ０）×（ＭＥＡＮ−Ｍ０）＋ＰＭＡＸで表される値よりもＰＥＡＫの方が小さい場合には、絞り装置２を開くことが行われる。なお、図１２における横軸はＭＥＡＮ、縦軸はＰＥＡＫを示しており、この図１２中の斜線部分は絞り装置２を開くように制御する領域である一方、横線部分は絞り装置２を閉じるように制御する領域であることになっている。
【００４６】
つまり、実施の形態５に係る構成を採用した際には、画像信号Ｓlongの平均信号レベルが所定のレベル範囲内に収まっていない際にも合成信号Ｓmixのピークレベルに対応して絞り装置２を開いたり閉じたりすることが可能となり、ピークレベル及び平均信号レベルの演算結果に基づいたうえで固体撮像素子４から出力される画像信号Ｓlong及びＳshortの露光量比、並びに、固体撮像素子４に入射する入射光量を調整し得ることとなる。従って、固体撮像装置のダイナミックレンジの拡大率に対して制限が加えられる場合においても、絞り装置２の動作とダイナミックレンジの拡大率とが連動している結果として被写体の撮影状態を最適化することが可能となり、画像の再現性が良好になるという利点が確保される。
【００４７】
（実施の形態６）
図１３は実施の形態６に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図、図１４は画像信号の関係を模式化して示す説明図である。なお、本実施の形態に係る固体撮像装置が前述した実施の形態１と異なっているのはレベル判定手段を具備している点にあり、その他の構成については基本的に異ならないので、同一となる部分には同一符号を付し、ここでの詳しい説明は省略する。すなわち、図１３における符号１９はレベル判定手段であり、このレベル判定手段１９以外の各部分の動作、作用は実施の形態１と同じであるから、ここでの詳しい説明は省略している。
【００４８】
実施の形態１に係る固体撮像装置では、ダイナミックレンジの拡大した合成信号mixの平均信号レベルに基づいて絞り装置２を調整しているため、固体撮像装置のダイナミックレンジを拡大することによって合成信号Ｓmixの平均信号レベルが変化し、絞り制御が不安定になってしまう。例えば、図１４で示すように、Ｌ２’までの入射光量が一様に分布している被写体の平均信号レベルは合成信号Ｓmixと入射光量Ｌ２’とで囲まれた範囲の面積と見ることができ、合成信号がＳmixであってダイナミックレンジが小さい場合に比べると、合成信号がＳmix′であってダイナミックレンジが大きい場合には面積が小さいことになるので、平均信号レベルが小さいことになり、ダイナミックレンジを拡大してもさらに絞り装置２を開こうとする調整が実行されるという不都合が生じる。
【００４９】
本実施の形態６に係る固体撮像装置は、このような不都合を解消すべく創案されたものであり、実施の形態１と同様、光学レンズ１、絞り装置２、絞り装置駆動手段３、固体撮像素子４、ＣＣＤ駆動回路５、信号合成手段６、カメラ信号処理回路７、出力端子８、平均信号レベル検出手段９、マイクロ・コンピュータ１０、ピークレベル検出手段１２、ピークレベル判定手段１３を備えており、レベル判定手段１９を具備したものとなっている。そして、この際におけるレベル判定手段１９は、信号合成手段６から出力される合成信号Ｓmixのレベルが予め設定されたレベル範囲内にあるか否かを判定するものであり、レベル判定手段１９から平均信号レベル検出手段９に対しては、画像信号Ｓlong及びＳshortの飽和レベルＳsatよりも小さいレベルの合成信号Ｓmixのみが平均信号レベル検出手段９に対して出力されることになっている。なお、平均信号レベル検出手段９は、レベル判定手段１０からの合成信号Ｓmixを１画面分平均したうえでマイクロ・コンピュータ１０に対して転送することになる。
【００５０】
そして、このような構成を採用した場合には、図１４からも明らかなように、固体撮像装置のダイナミックレンジが変化した場合であっても入射光量Ｌ１以下である限りは合成信号Ｓmixの特性がほとんど変化しないこととなる。従って、この場合における合成信号Ｓmixの平均信号レベルは、Ｓmix′とＬ１とで囲まれて三角形状を有する斜線部分の面積と同じであると見なし得ることになり、被写体のダイナミックレンジに応じて固体撮像装置のダイナミックレンジを制御した場合においても安定した絞り制御が行われる。
【００５１】
ところで、実施の形態１ないし実施の形態６のそれぞれで説明した構成に代えて以下に説明するような種々の変形構成を採用してもよく、これらの変形構成を採用した際においても同様の作用及び効果が得られることは勿論である。
【００５２】
(1) 露光量比の調整に際し、露光量の小さい画像信号の露光時間を調整する必然性があるわけではなく、露光量の大きい画像信号の露光時間を調整することも可能である。
【００５３】
(2) 撮像手段が全画素読み出し型の固体撮像素子である必然性があるわけではなく、通常の固体撮像素子を用いたうえで２倍の周波数で駆動することによっても異なる露光量の画像信号を得ることが可能である。
【００５４】
(3) 白黒の固体撮像素子ではなく、光学プリズムを用いてなる多板式の撮像素子や画素毎に分光特性の異なる色フィルタを配した単板式の撮像素子を用いてもよい。
【００５５】
(4) 撮像手段である固体撮像素子から出力された画像信号の合成処理を実行する必然性があるわけではなく、固体撮像素子から出力された画像信号に対して通常のカメラ信号処理を施したうえで合成処理することも可能である。
【００５６】
(5) 平均信号レベル検出手段９、露光量制限手段１５、演算手段１７のそれぞれが、マイクロ・コンピュータ１０のソフトウェアによって構成されたものであってもよい。
【００５７】
(6) 合成手段による合成処理が単純加算のみに限定されず、入力した信号レベルに応じていずれかの信号を選択する選択回路など、各種の構成を採用することが可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る固体撮像装置によれば、固体撮像素子から出力される露光量の異なる出力信号の露光量比が所定の範囲以内になるよう制御する場合であっても合成信号が飽和することは起こらず、被写体の最適な撮影状態を確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図３】実施の形態２に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図４】実施の形態２における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図５】実施の形態３に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態３における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図７】実施の形態４に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図８】実施の形態４における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図９】実施の形態５に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１０】演算手段の内部構成を示すブロック図である。
【図１１】演算処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】合成信号のピークレベル（ＰＥＡＫ）と露光量が最大となる画像信号の平均信号レベル（ＭＥＡＮ）との関係を模式化して示す説明図である。
【図１３】実施の形態６に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１４】実施の形態６における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【図１５】従来の形態に係る固体撮像装置の要部構成を示すブロック図である。
【図１６】従来の形態における画像信号の関係を模式化して示す説明図である。
【符号の説明】
４ 固体撮像素子
６ 信号合成手段
１０ マイクロ・コンピュータ（制御手段）
１２ ピークレベル検出手段
１３ ピークレベル判定手段
Ｓlong 画像信号
Ｓshort 画像信号
Ｓmix 合成信号
Claims (1)
- 露光量の異なる画像信号を出力する固体撮像素子と、固体撮像素子から出力される画像信号を合成する信号合成手段と、合成信号のピークレベルを検出するピークレベル検出手段と、光学レンズ及び固体撮像素子間に配置された絞り装置と、固体撮像素子から出力される画像信号のうちで露光量が最大となる画像信号の平均信号レベルを検出する平均信号レベル検出手段と、ピークレベル及び平均信号レベルを用いた演算処理によってピークレベル及び平均信号レベルを所定の範囲内に保つように、固体撮像素子から出力される画像信号の露光量比、並びに、絞り装置を介して固体撮像素子に入射する入射光量を算出する演算手段と、演算手段の算出結果に基づいて画像信号の露光量比及び絞り装置を調整する制御手段とを備えていることを特徴とする固体撮像装置。
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