JP4436243B2 - テレビジョンカメラ - Google Patents

Description

本発明は、固体撮像素子を用いたテレビジョンカメラに係り、特に、通常走査方式と倍速走査方式に切換えて動作するようにしたテレビジョンカメラに関する。

現在、画像処理に関しては、利便性の見地から各種の規格が定められているが、このことはテレビジョンなどの動画の画像信号についても例外ではなく、例えばＮＴＳＣ方式などの規格が定められている。しかし、画像処理技法が様々な応用分野に拡がるに伴い、例えば倍速走査方式など、規格で定められている走査方式、いわゆる通常走査方式以外の走査方式も使用されるようになっている(例えば、特許文献１参照。)。

ここで、倍速走査とは、１フレーム中の水平走査線数を通常走査の場合の１／Ａ倍にし、その分、フレームレートをＡ倍に上げる走査方式のことで、このとき、Ａは２以上の整数(一般的にはＡ＝２)に限られるが、高速で移動する被写体の撮像に適しているので、例えばベルトコンベアで移動中の物品を、個々の物品ごとに外観検査する際、当該物品をテレビジョンカメラで撮像し、画像をモニタして検査する場合など、工業用テレビジョン(ＩＴＶ)として使用されるものである。

ところで、このような場合には、通常走査方式から倍速走査方式に切換えて動作するようにしたテレビジョンカメラを用いるのが一般的で、この場合、テレビジョンカメラとしては、任意に走査方式を切換ることができるという機能、すなわち走査方式切換機能を備えたカメラとなる。そこで、このようなテレビジョンカメラの従来技術について、図２により説明する。

この図２に示した従来技術によるテレビジョンカメラＴＣでは、図示のように、固体撮像素子１を用い、これをタイミングジェネレータ３に備えられている水平・垂直転送パルス駆動回路２から出力される水平転送パルスと垂直転送パルスにより駆動させ、固体撮像素子１から映像信号を得るようになっている。また、このときテレビジョンカメラＴＣの中にある他の部分の動作に必要なタイミングパルスは、タイミングジェネレータ３により生成されるようになっている。

ここで、固体撮像素子１から得られる映像信号の走査方式は、水平・垂直転送パルス駆動回路２から出力される水平転送パルスと垂直転送パルスの組合わせモードにより決められる。そして、この水平・垂直転送パルス駆動回路２は、タイミングジェネレータ３の中にある水平・垂直駆動転送パルス発生器４から供給されるパルスに応じて、これらの水平転送パルスと垂直転送パルスを発生するようになっている。

そこで、この従来技術では、この水平・垂直駆動転送パルス発生器４を、通常走査方式によるパルス発生動作と倍速走査方式によるパルス発生動作の双方の動作に対応できるように構成し、これと共に、外部コントロール回路６に駆動方式選択指令入力部７を設け、カメラマンなど、このテレビジョンカメラＴＣを操作する者の操作に応じて、通常走査方式に切換える通常走査信号Ｓと倍速走査方式に切換える倍速走査信号Ｄが水平・垂直駆動転送パルス発生器４に供給されるように構成してある。

従って、駆動方式選択指令入力部７の出力を通常走査信号Ｓにすれば、通常走査方式の映像信号が固体撮像素子１から得られ、倍速走査信号Ｄに切換えたときは、倍速走査方式の映像信号が得られることになり、この結果、任意に走査方式を切換ることができるという機能、すなわち走査方式切換機能を備えたテレビジョンカメラが得られることになる。

このときの倍速走査方式には画素加算方式と画素間引き方式があり、これらの何れかを用いるのが通例であるが、ここで、画素加算方式とは、垂直方向に並んだＡ個の画素を足し合わせて等価的に１個の画素とすることにより水平走査線数を１／Ａにする方式のことで、画素間引き方式は、垂直方向に並んだ画素をＡ個に(Ａ−１)個、間引くことにより水平走査線数を１／Ａにする方式のことである。

このことを、図３により更に詳しく説明すると、まず、ここでは、一例として、固体撮像素子１(図２)の画素配列が、図３(a)に示すように、行方向にＭ個、列方向にはＮ個、つまりＭ×Ｎ配列であるとし、このとき、２倍速走査方式、つまりＡ＝２であるとし、画素の読出しに使用されるクロックの周波数は変えないものとする。

そうすると、この場合、通常走査方式では全ての画素から電荷が読出されて映像信号になるので、水平走査線はＮ本になる。なお、図３(a)の左側に付されている数字が水平走査線の番号であり、このとき一番上が１で、一番下がＮなっているので、水平走査線の本数はＮとなる。

そして、この通常走査方式では、全ての画素から電荷が読出されのに必要な時間が１フレーム期間になり、従って、例えばＮＴＳＣ方式の場合は１／３０秒(３０フレーム／秒)となる。

次に、画素加算方式の場合は、垂直方向に並んだＡ個の画素を足し合わせて等価的に１個の画素とするのであるから、図３(b)に示すようになり、このときＡ＝２なので、例えば第１水平走査線では、画素１１と画素２１が加算されて水平走査線１本の画素となるので、水平走査線はＮ／Ａ本になり、図示のように、水平走査線の本数は、同じくＡ＝２なので、Ｎ／２となり、１フレーム期間は通常走査方式の場合の１／２、つまり、例えばＮＴＳＣ方式の場合は１／６０秒(６０フレーム／秒)となる。

そして、画素間引き方式の場合は、垂直方向に並んだ画素をＡ個に(Ａ−１)個、間引くのであるから、図３(c)に示すようになり、Ａ＝２なので、例えば第１水平走査線では、画素１１の後、画素２１が間引かれ、次の第２水平走査線では画素３１になるので、このときも水平走査線はＮ／Ａ本になり、Ａ＝２なので、図示のように、水平走査線の本数はＮ／２となって、同じく１フレーム期間は通常走査方式の場合の１／２、つまり、例えばＮＴＳＣ方式の場合は１／６０秒(６０フレーム／秒)となる。

ところで、この図２に示した従来技術のテレビジョンカメラＴＣには電子シャッタ機能が与えられていて、このため外部コントロール回路６に電子シャッタ選択指令入力部８が設けてあり、電子シャッタを働かせるか否かがカメラマンなどにより選択できるようになっている。

ここで、この電子シャッタ機能とは、撮像用のレンズ(図示してない)から固体撮像素子１に入射されている光の入射時間をフレーム期間内で更に短い期間内に制御するもので、感度制御のため画素の電荷蓄積時間を変えたい場合や高速移動する被写体の動きを止めて撮像したい場合、例えば上記した物品の検査などに使用されるものである。

そして、この電子シャッタ機能についても、上記した映像信号の走査方式の場合と同じく、固体撮像素子１にパルス駆動回路２から供給される水平転送パルスと垂直転送パルスの組合わせモードにより決められる。そこで、このため、選択信号Ｅが電子シャッタ選択指令入力部８から水平・垂直駆動転送パルス発生器４に供給され、このときは、電子シャッタ機能が働いている状態で撮像が行なわれ、且つ、このときの電子シャッタの速度も選択信号Ｅにより指示されるようになっている。
特開平１０−２５７５０９号公報

上記従来技術は、倍速走査方式に画素加算方式と画素間引き方式の２種の方式がある点に配慮がされておらず、電子シャッタ機能を備えたテレビジョンカメラに走査方式切換機能を適用した場合、走査方式の切換えに際して撮像特性に変化が伴ってしまうという問題があった。

そこで、この従来技術の問題について詳しく説明すると、既に説明したように、倍速走査方式は、水平走査線数を減らし、その分、フレーム期間を短縮するもので、例えば水平走査線数が１０５０本で３０フレーム／秒の場合、水平走査線数を５２５本にし、６０フレーム／秒にするものであるが、このとき倍速走査方式が画素加算方式のときと画素間引き方式のときとで感度に差異が生じてしまう。ここで、テレビジョンカメラとしては、走査方式の切換えが他の性能に影響なく独立して行なえるのが望ましいことはいうまでもない。

このことを、図４と図５により説明すると、ここで、まず図４は、電子シャッタ機能を働かせていないとき、つまり画素の電荷蓄積時間を１フレーム期間に等しくしたとき(これを電子シャッタＯＦＦという)で、次に、図５は、電子シャッタ機能を働かせたとき、つまり画素の電荷蓄積時間を１フレーム期間よりも短くしたとき(これは電子シャッタＯＮという)である。

まず、図４の電子シャッタＯＦＦの場合、通常走査時でフレーム期間が１／３０秒のときの露光時間はフレーム期間と同じなので、図４の(a)に示すように、１／３０秒になる。そこで、このときの露光時間を１に正規化し、感度も１に正規化する。

次に、２倍速走査時には、図４の(b)に示すように、フレーム期間は１／２の１／６０秒になって、露光時間も１／２の１／６０秒になってしまうが、このとき画素加算方式の場合は、２個の画素が加算され、露光面積も２倍になっているので、露光時間が半分になっても感度は１のままである。一方、画素間引き方式では、画素の加算がないので、露光時間が半分になった分、感度は、同じく図４の(b)に示すように、１／２になってしまう。

次に、同じく通常走査時でフレーム期間が１／３０秒のときでも、図５の電子シャッタＯＮの場合は、図５の(a)に示すように、露光時間はフレーム期間と同じにはならず、電子シャッタによる露光時間で決められてしまう。ここで電子シャッタの露光時間を１／１２０秒とすると、同図(a)に示すように、通常走査時でも露光時間は１／４の１／１２０秒に減少し、感度も１／４になってしまう。

そして、この場合は、２倍速走査時も、図５(b)に示すように、露光時間は電子シャッタによる露光時間で決められ、従って、画素加算方式の場合は、感度は１／２になるのに対して、画素間引き方式では、通常走査時と同じく１／４の感度になってしまう。

このとき、図２の従来技術では、倍速走査方式に画素加算方式と画素間引き方式の２種の方式がある点に配慮がされておらず、何れか一方の倍速走査方式になっている。このため、倍速走査方式が画素間引き方式になっていたときには、電子シャッタＯＦＦの場合、通常走査方式と倍速走査方式の切換に際して感度が変化してしまい、倍速走査方式を画素加算方式にしてあったときには、電子シャッタＯＮのとき、通常走査方式と倍速走査方式の切換に際して感度が変化してしまうことになり、従って、上記した問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、通常走査方式と倍速走査方式の切換に際して感度が変化する虞のないテレビジョンカメラを提供するにある。

上記目的は、固体撮像素子の駆動を通常走査方式と倍速走査方式に切換える手段と、電子シャッタ機能を未使用状態と使用状態に切換える手段を備えたテレビジョンカメラにおいて、前記倍速走査方式による動作を、前記電子シャッタ機能の未使用と使用に応じて画素加算方式と画素間引き方式の何れかに切換える手段を設け、前記固体撮像素子の駆動が前記倍速走査方式による駆動に切換えられたとき、前記電子シャッタ機能が未使用のときは前記画素加算方式に切換えられ、前記電子シャッタ機能が使用のときは画素間引き方式に切換えられるようにして達成される。

上記手段によれぱ、電子シャッタ未使用での倍速走査時には固体撮像素子が画素加算方式に切り替わることにより倍速走査切換え時でも同感度を実現できる機能を有するテレビジョンカメラが得られる。

同じく上記手段によれば、倍速走査時、電子シャッタ機能を使用した際には露光時間が通常走査と同等なため画素間引き方式に切り替わり通常走査と同感度を実現できる機能を有するテレビジョンカメラが得られる。

本発明によれば、映像信号の走査方式を通常走査方式と倍速走査方式の間で切換えても、常に同一の感度による撮像を行なうことができる。

以下、本発明によるテレビジョンカメラについて、図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るテレビジョンカメラＴＣを示したもので、図示のように、固体撮像素子１と水平・垂直転送パルス駆動回路２、タイミングジェネレータ３、水平・垂直駆動転送パルス発生器４、外部コントロール回路６、駆動方式選択指令入力部７、それに電子シャッタ選択指令入力部８を備えている点は、図２で説明した従来技術によるテレビジョンカメラと同じであるが、この実施形態では、タイミングジェネレータ３に水平・垂直駆動方式選択回路５が設けてあり、これに電子シャッタ選択指令入力部８から選択信号Ｅが入力されるようになっている点で、従来技術とは異なっている。

このとき、水平・垂直駆動方式選択回路５は、電子シャッタ選択指令入力部８から選択信号Ｅを入力し、この選択信号Ｅに応じて画素加算動作信号Ｋと画素間引き動作信号Ｍの何れかの信号を発生し、これらを水平・垂直駆動転送パルス発生器４に供給する働きをする。具体的には、選択信号Ｅが入力されていないときは画素加算動作信号Ｋが発生されているようにし、選択信号Ｅが入力されたときは、画素間引き動作信号Ｍが発生されるようになっている。

すなわち、選択信号Ｅと画素加算動作信号Ｋ及び画素間引き動作信号Ｍの間には次の関係が保たれるようにしてある。

Ｅ＝０ → Ｋ＝１、Ｍ＝０
Ｅ＝１ → Ｋ＝０、Ｍ＝１
ここで、Ｅ＝０とは、上記した電子シャッタＯＦＦのときで、Ｅ＝１とは、電子シャッタＯＮのときである。

また、これに応じて、この実施形態では、水平・垂直駆動転送パルス発生器４が次の通りに構成されている。すなわち、この水平・垂直駆動転送パルス発生器４は、画素加算動作信号Ｋが入力されたときは、固体撮像素子１の駆動方式を画素加算方式にするのに必要な組合わせモードのパルスを発生し、水平・垂直駆動転送パルス駆動回路２に供給し、画素間引き動作信号Ｍが入力されたときは、固体撮像素子１の駆動方式を画素間引き方式にするのに必要な組合わせモードのパルスを発生する。

そこで、この実施形態によれば、図４に示した電子シャッタＯＦＦの状態で通常走査方式から倍速走査方式に切換えられたときは、必ず画素加算方式による倍速走査方式にされ、図５に示した電子シャッタＯＮの状態で通常走査方式から倍速走査方式に切換えられたときは、必ず画素間引き方式による倍速走査方式にされることになり、夫々図４の(b)と図５の(b)に示されているように、走査方式の切換の前後での感度が等しくできることになる。

従って、この実施形態によれば、電子シャッタ機能を備えたテレビジョンカメラに走査方式切換機能を適用した場合でも、走査方式の切換えに際して撮像特性に変化が伴ってしまう虞をなくすことができ、的確なカメラワークに容易に対応することができる。

なお、以上の実施形態では、倍速走査方式が２倍速の場合について説明したが、３倍速以上にもそのまま適用可能なことはいうまでもない。但し、倍速の程度を大きくすると、それに伴って水平走査線数が減少し、解像度の低下が進むので、実用上は３倍速程度が限度であるということができる。

本発明によるテレビジョンカメラの一実施形態を示すブロック構成図である。 従来技術によるテレビジョンカメラの一実施形態を示すブロック構成図である。 倍速走査方式における画素加算方式と画素間引き方式の説明図である。 電子シャッタ未使用時における画素の露光時間と感度の関係を示す説明図である。 電子シャッタ使用時における画素の露光時間と感度の関係を示す説明図である。

符号の説明

１：固体撮像素子
２： 水平・垂直転送パルス駆動回路
３：タイミンクジェネレータ
４：水平・垂直駆動転送パルス発生器
５：水平・垂直駆動方式選択回路
６：外部コントロール回路
７：駆動方式選択指令入力部
８：電子シャッタ選択指令入力部
ＴＣ：テレビジョンカメラ

Claims (1)

1. 固体撮像素子の駆動を通常走査方式と倍速走査方式に切換える手段と、電子シャッタ機能を未使用状態と使用状態に切換える手段を備えたテレビジョンカメラにおいて、
   前記倍速走査方式による動作を、前記電子シャッタ機能の未使用と使用に応じて画素加算方式と画素間引き方式の何れかに切換える手段を設け、
   前記固体撮像素子の駆動が前記倍速走査方式による駆動に切換えられたとき、前記電子シャッタ機能が未使用のときは前記画素加算方式に切換えられ、前記電子シャッタ機能が使用のときは画素間引き方式に切換えられるように構成したことを特徴とするテレビジョンカメラ。

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