JP4477265B2 - カラーテレビジョンカメラ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高感度撮影に適するカラーテレビジョンカメラの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン半導体による高感度撮像用の固体撮像素子（ＣＣＤ）としては、赤外線に対する分光感度が最も高く、以下、赤緑青の各色光の順に分光感度が下がるものがある。
【０００３】
そして、感度を重視すると共に色再現をも考慮するカラー撮像に用いられるテレビジョンカメラとしては、特に、青感度や緑感度よりも赤感度を優先した映像信号が得られるＣＣＤと、上述のＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタと、を用いてカラー撮像を行うテレビジョンカメラがある。
【０００４】
ここで、図を用いて分光透過率、分光感度、分光出力について説明する。図２（ａ）は、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対しての、赤感度を優先した映像信号が得られるＣＣＤの分光感度曲線αと、色分解光学系の赤緑青それぞれの分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒを示す図である。それに対し、図２（ｂ）は、赤外線除去フィルタ（Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ）の分光透過率曲線を示すと共に、そのＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ分光透過率曲線と、上述の分光感度曲線αと、分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒそれぞれとの積である、分光出力曲線δｂ，δｇ，δｒを示す。
【０００５】
図２（ｃ）は、緑出力を１とした信号出力と雑音出力の分光曲線を示した図であり、この図２（ｃ）は、赤と青の出力を緑出力に一致させた従来の技術の撮像装置出力である。図２（ｂ）の分光出力曲線δｂ，δｇ，δｒをそれぞれ積分して得られた面積比でわかるように、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対する各色の出力比は、おおよそ、赤１．４，緑１，青０．３２となる。そのため、青の出力を１にするために利得を上げることで、映像信号レベルを約３．２倍（１／０．３２倍）とすることでは、図２（ｃ）の様に、雑音レベルとしても、約３．２倍となる。
【０００６】
従来、単板式の色フィルタを搭載する固体撮像画素子を１個用いるカラーテレビジョンカメラでは、通常撮影時はＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタを用いてカラー撮像を行い、高感度撮影時はＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタを光軸から外すことで、より高利得な映像信号レベルが得られるようにした白黒撮影を行うものが製品化されている。
【０００７】
また、三板式の色分解光学系と３個の固体撮像素子を用いるカラーテレビジョンカメラでは、カット波長の異なるＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタを複数備え、用途に応じてそれらフィルタを入れ替えるようにして撮像している。
【０００８】
また、緑色光の固体撮像素子の画素に対し、赤色光の固体撮像素子の画素を半画素水平方向に空間位置ずらしを行い、輝度信号の高域側で０．５赤＋０．５緑として、偽信号をなくし、解像度を画素数の倍にすることも実施されている。
【０００９】
また、信号を平均化処理すると、その処理により雑音は帯域の平方根に比例し、信号レベルは一定となるので、Ｓ／Ｎ比は帯域の平方根に反比例するものである。そのため、多画素からの信号を１度に読み出して１画素の信号とする方法（以下多画素読み出し方法と称す）では、雑音は一定であるが、信号レベルは画素数に比例することになるので、その場合は、Ｓ／Ｎ比は帯域に反比例する。そこで、色分解光学系と３個の固体撮像画素子を用いるカラーテレビジョンカメラの高感度撮影時は、高利得にした固体撮像画素子の多画素読み出し方法や、映像信号処理回路での信号加算も併用されている。
【００１０】
また、暗部の小振幅信号のみ、ラインメモリやフレームメモリを用いて２次元や３次元で画素を重み付け加算や循環加算する事により、信号帯域を２次元や３次元で低減して、解像感を損ねることなく、目立たないように暗部雑音を低減することも行われている。
【００１１】
さらに青色光に対しては、他の色光に比べて人間の目の解像度が低いので、輝度信号の信号帯域（ＮＴＳＣで４．３ＭＨｚ）の約９分の１の信号帯域（ＮＴＳＣで０．５ＭＨｚ）で十分とされている。しかしながら、３個の固体撮像画素子を用いるカラーテレビジョンカメラでは忠実な色再現が特長とされている。そのため、固体撮像素子の赤の感度は従来動作には十分なものであり、色再現やダイナミックレンジの確保のためには、緑の感度以上に赤の感度を有することは不必要であったため、色再現を犠牲にしてまでも赤の感度を向上させることはあまり検討されていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
シリコンフォトダイオードを用いた高感度の固体撮像素子は、赤色光に感度がより高く、青色光の感度がより低い。色再現を重視するカラー撮像で、Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタにより、青色光を通過、緑色光が約０．５倍透過、赤色光が約０．２５透過するように減衰させたとしても、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対する各色の固体撮像素子の出力レベル比はおおよそ、赤１．４，緑１、青０．３２となり、青が出力レベル比１となるようにするために利得を上げることで、雑音が約３．２倍約＋１０ｄＢとなり、カラー高感度撮影時には、青の雑音が目立つことになる。また、青の雑音を低減するため、青の帯域を単純に減らすと、輝度信号の解像感も低下する。
【００１３】
本発明の第１の目的は、色再現性を求めないとした高感度撮像の場合に、ＣＣＤの分光感度における赤色光の帯域の感度をより有効に使用して輝度信号レベルを増大することにより、利得と、信号処理回路のビットシフトと、輪郭強調とマスキングと、加算平均との制御方法を最適にすることで、高感度撮像を実現するカラーテレビジョンカメラを提供することである。
【００１４】
また、本発明の第２の目的は、蓄積高感度撮像において、合焦点走査が必要なときに、上述の色再現を求めずにＣＣＤの分光感度における赤色光の帯域の感度をより有効に使用した高感度撮像動作に切り替わると共に、蓄積時間を減少させてフレームレートを通常撮像時のフレームレートに近づけるようにした動作に切り替わることで、合焦点走査しやすい動作に切り替わるようにしたカラーテレビジョンカメラを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために、固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、光学低域通過フィルタを有し、該光学低域通過フィルタを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路における輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることを特徴とするカラーテレビジョンカメラである。
【００１６】
また、本発明は、固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを有し、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路におけるマスキング量を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって青の利得を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって赤の利得を増強することを特徴とするカラーテレビジョンカメラである。
【００１７】
なお本発明は、固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、光学低域通過フィルタを有し、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを有し、該光学低域通過フィルタと青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタとを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路における輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることと、前記デジタル信号処理回路においてマスキング量を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって青の利得を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって赤の利得を増強することを特徴とするカラーテレビジョンカメラである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図３に本発明の実施の形態であるカラーテレビジョンカメラのブロック構成例の図を示す。以下、図３を用いて説明する。この図において、カラーテレビジョンカメラへ入射された入射光Ｌｉｎは、レンズ１１で集光される。集光された入射光Ｌｉｎは、フィルタ回転板２０に保持された複数フィルタのうちのいずれかのフィルタを通過して、色分解光学系１２へ入射される。色分解光学系１２では、入射された入射光Ｌｉｎが、赤色入射光Ｌｉｒ、緑色入射光Ｌｉｇ、青色入射光Ｌｉｂとなるよう分光される。ここで、光学低域通過フィルタは色分解光学系１２に内蔵されてあり、入射光のうちの高帯域の部分をカットする。
【００２４】
フィルタ回転板２０には、従来と同じである、青色光を通過させ緑色光と赤色光を減衰させる赤外線除去フィルタ（以下Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタと称す）８と、全帯域減衰フィルタ機能とＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ機能とを有するフィルタ１０（以下ＮＤ＋Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタと称す）が装着され、さらに、本発明に係わる、青色光と緑色光とを通過させ、赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタ（以下ＰＩＲｃｕｔフィルタと称す）９が装着されている。
【００２５】
各色入射光Ｌｉｒ、Ｌｉｇ、Ｌｉｂは、それぞれ、固体撮像素子１，２，３へ入射されて、映像信号Ｖｉｒ，Ｖｉｇ，Ｖｉｂに変換され、それぞれ出力される。それら出力された映像信号は、前置増幅回路Ａ４，Ａ５，Ａ６で基準振幅が揃えられて映像信号Ｖｐｒ，Ｖｐｇ，Ｖｐｂとなる。映像信号Ｖｐｒ，Ｖｐｇ，Ｖｐｂは利得制御増幅回路Ａ１，Ａ２，Ａ３で、図示していない暗部補正波形発生回路の補正波形を混合し、さらに、利得制御電圧Ｅｒｇａｉｎ，Ｅｈ，Ｅｂｇａｉｎによりそれぞれ利得を可変して、利得制御増幅回路Ａ１，Ａ２，Ａ３からそれぞれ映像信号Ｖｍｒ，Ｖｍｇ，Ｖｍｂを出力する。映像信号Ｖｍｒ，Ｖｍｇ，Ｖｍｂは、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４，５，６でデジタル映像信号にそれぞれ変換され、それらデジタル映像信号はそれぞれメモリ１４〜１９で、１垂直走査期間分を２回に渡って遅延され、また、信号処理回路７において、１水平走査期間分を２回に渡って遅延され、それら遅延された映像信号が色副搬送波変調器を含むデジタル信号処理回路７で各種信号処理されることで、出力輝度信号Ｖｏｙ，出力色信号Ｖｏｃ，シリアルデジタル映像信号Ｖｓｄｉとなる。なお、それら出力信号の代わりに、赤映像出力信号Ｖｏｒ、緑映像出力信号Ｖｏｇ、青映像出力信号Ｖｏｂが出力されるとしてもよい。
【００２６】
雑音低減回路としては、上述の前置増幅回路Ａ４，Ａ５，Ａ６にそれぞれ内蔵されるとした方が、一般には雑音低減のために有利である。しかし、雑音低減回路を利得制御増幅回路Ａ１，Ａ２，Ａ３にそれぞれ内蔵するとし、アナログ／デジタル変換器４，５，６と共に集積回路化した方が、実装効率と原価低減上、より有利となる。そこで、前置増幅回路Ａ４，Ａ５，Ａ６としては低雑音演算増幅器を用いることで、利得を高くする。そうすることで、雑音低減回路や利得可変増幅器やＡ／Ｄ変換器を集積した回路等で発生する雑音に影響されないで前置増幅できるため、より小形なカラーテレビジョンカメラを実現することができる。
【００２７】
上述のような構成を有するカラーテレビジョンカメラにおいて、本発明は、フィルタ回転板２０のフィルタと、利得制御増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３の利得と、デジタル信号処理回路７における入力信号に対するビットシフトと、映像出力信号に対するビットシフトと、輪郭強調周波数と輪郭強調量とマスキング量と、２次元でもって重み付け加算平均により得られた信号と加算平均する前の信号との切り換え制御と、フレーム間で３次元循環加算平均により得られた信号と加算平均前の信号との切り替え制御とが、それぞれ連動して変化するようにされる。
【００２８】
そうすることで、演算増幅器入力オフセットを低減し電源電圧を高くして雑音低減回路前の演算増幅器のダイナミックレンジを確保し、出力の赤緑青の基準信号レベルを揃え、平坦な周波数特性と高い利得を得て、雑音低減回路や利得可変増幅器やＡ／Ｄ変換器を集積した回路等の後段の雑音に影響されないで、撮像装置の小型化時の実効雑音が低減し、より高いＳ／Ｎ比を確保するものである。
【００２９】
以下、この動作について説明する。図２（ａ）は、上述したように、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対しての、赤感度を優先した映像信号が得られるＣＣＤの分光感度曲線αと、色分解光学系の赤緑青それぞれの分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒを示す図である。それに対し、図１（ａ）は、赤外線除去フィルタ（ＰＩＲｃｕｔフィルタ）の分光透過率曲線を示すと共に、そのＰＩＲｃｕｔフィルタ分光透過率曲線と、上述の分光感度曲線αと、分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒそれぞれとの積である、分光出力曲線γｂ，γｇ，γｒを示す。
【００３０】
ここで、本実施例のカラーテレビジョンカメラの動作としては、緑色光の固体撮像素子の画素に対し、赤色光の固体撮像素子の画素を半画素水平方向に空間位置ずらしを行い、輝度信号の高域側で０．５赤＋０．５緑として、偽信号をなくし、高解像度化している。また、暗部の小振幅信号のみ、ラインメモリを用いて２次元で画素を重み付け加算平均する事により、信号帯域を２次元で低減して、解像感を損ねることなく、暗部雑音を目立たなくなるように低減している。
【００３１】
さらに、このカラーテレビジョンカメラが、より高感度撮像を行うために、水平画素加算を行い、水平方向の複数画素の映像信号を合成して１の画素の映像信号として出力する水平画素加算動作時は、雑音低減回路のリセット動作を中止していることで、その水平画素加算されて得られた映像信号には高周波数帯域の映像信号は含まれていない。そのため、水平輪郭強調周波数を低下させると共に輪郭強調量も低下させる。
【００３２】
さらに、各部の増幅回路の高利得制御時と蓄積高解像度動作時でも、水平輪郭強調周波数を低下させると共に輪郭強調量も低下させることを行い、赤の利得を他の色に比べて増強するようにマスキング量と青の利得低下とを行う。そして、Ａ／Ｄ変換器４，５，６出力デジタル信号について、複数ビット分シフトアップ処理を行うことで等価的に利得を倍増した信号を信号処理回路７へ入力されるようにすると共に、信号処理回路７で各種信号処理された信号が出力されるときに、その出力信号をそれぞれ上述のシフトアップ分シフトダウン処理することで、等価的に利得を半減した信号を信号処理回路７から出力する。
【００３３】
さらに、ラインメモリやフレームメモリを用いて、青の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号を、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させる。
【００３４】
さらに、各部増幅回路の高利得制御時と、固体撮像素子の画素加算読み出し動作時と、映像信号処理回路７での信号加算処理時と、長時間蓄積高解像度動作時等の、超高感度撮影時には、固体撮像素子のダイナミックレンジに余裕があることになる。そのため、上述のように青色光、緑色光を通過させ、赤色光を少し減衰させ、赤外線を除去させる純赤外線除去フィルタ（ＰＩＲｃｕｔフィルタ）でもってフィルタリングし、赤緑青の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号を、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させる。
【００３５】
なお、固体撮像素子出力に固体撮像素子の電源電圧（約＋１２〜＋１５Ｖ， 約−５〜−９Ｖ）と同程度の電源電圧を印可した演算増幅器を設け、演算増幅器出力の赤緑青の基準信号レベルを揃え、その演算増幅器入力に、該演算増幅器出力と基準電位との差の直流を帰還して演算増幅器出力の直流電位を保持するとしてもよい。
【００３６】
以上のように動作させることで、まず、高感度蓄積動作では、水平画素加算時に水平輪郭強調周波数と輪郭強調量とを低下させ、低域輪郭強調することで、赤緑青の雑音が約３ｄＢ程度低減する。
【００３７】
さらに、各部の増幅回路の高利得制御時と蓄積高解像度動作時では、輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることで、赤緑青の雑音を約３ｄＢ程度低減する。さらに、マスキング量を低下させることで、赤緑青の雑音を約３ｄＢ程度低減する。さらに、青の利得を低下し赤の利得を増強することで、青の雑音を約３ｄＢ程度低減する。
【００３８】
ラインメモリやフレームメモリを用いて、青の暗部信号と青の白圧縮以下の小振幅信号を、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させ、青の雑音を約６ｄＢ低下する。
【００３９】
さらに、信号処理回路７で各種信号処理された信号が出力されるときに、その出力信号をそれぞれシフトダウン処理することで、青の雑音を約６ｄＢ程度低下する。ここで、雑音が増加し易いとされる、ギルバートセル等の構成を用いたアナログ掛け算器を使用することなく実現するものである。
【００４０】
以上の、雑音低減の合計で、赤緑の雑音約１２ｄＢと青の雑音約２４ｄＢの雑音を低減することができる。ここで、赤緑の雑音低減は青の雑音低減に対して約＋１０ｄＢ少ないので、実質的には、合わせて約２２ｄＢの雑音を低減したことになり、その分、Ａ／Ｄ変換器出力を３ビット分シフトアップして等価的に利得を８倍増加させることができる。なお、このためには最低１０ビット、好ましくは１２ビットのＡ／Ｄ変換器が必要となる。
【００４１】
なお、青の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号を加算平均した場合の輝度信号の解像度劣化は、少なく抑えられるものである。
【００４２】
さらに、ＰＩＲｃｕｔフィルタでは、従来の緑が約０．５倍、赤が約０．２５倍に減衰する赤外線除去フィルタ（Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ）の場合に比して、赤が約３．５倍、緑が約２倍にされる分、輝度感度が０．３×３．５＋０．６×２＝２．２５、すなわち、約２．２５倍に高感度化されることで、感度としては、８×２．２５＝１８、すなわち、１８倍となる。また赤、緑は青に対し３．２×２＝６．４、すなわち、約＋１６ｄＢ雑音が少なくなるので、合計で赤、緑の雑音は約１２＋１６＝２８ｄＢが低減されることとなり、青の雑音低減の約２４ｄＢを上回ることになる。そこで、信号処理回路７からの出力信号に対してはもう１ビット分、計２ビット分のシフトダウン処理を行い、等価的にさらに利得を半減させて、青の雑音をさらに約６ｄＢ低下するようにする。
【００４３】
上述よりもさらに高感度化を行う場合には、最低１１ビット、できれば１２ビットのＡ／Ｄ変換器が必要となる。そして、赤緑の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号をも、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させることで、赤緑の雑音をさらに約６ｄＢ程度低下させることになる。したがって、青の雑音が合計約３０ｄＢ低減したことから、Ａ／Ｄ出力を追加１ビットして、合計５ビット分のシフトアップ処理を行うことで、等価的に利得を１８×２＝３６、すなわち、３６倍増加させることができる。
【００４４】
なお、上述したような動作や処理を行うことでは、映像信号における色情報は劣化するので、例えば、輝度情報確認用の映像信号を得るための動作として行われる。
【００４５】
以上のようにすることで、演算増幅器入力オフセットを低減し電源電圧を高くして雑音低減回路前の演算増幅器のダイナミックレンジを確保し、出力の赤緑青の基準信号レベルを揃え、平坦な周波数特性と高い利得を得て、雑音低減回路や利得可変増幅器やＡ／Ｄ変換器を集積した回路等の後段の雑音に影響されない。撮像装置の小型化時の実効雑音が低減し、Ｓ／Ｎ比を充分確保することができる。
【００４６】
次に、別の実施の形態について説明する。以下、蓄積高感度カラーテレビジョンカメラにおいて、その操作性を向上させる場合について説明する。
【００４７】
この実施例では、上述の実施例と同様に、水平画素加算動作時に水平輪郭強調周波数と輪郭強調量とを低下する。それと共に、自動可変蓄積動作時で色温度自動追尾動作時に、オートホワイトスイッチを押すか、あるいは、光学フィルタを回転する等の操作を行うことにより、蓄積時間の数倍程度の数秒間のみ、蓄積時間を低減すると共に、焦点合わせをしやすくするために、利得制御増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３の利得と、デジタル信号処理回路７の入力信号のビットシフトと、出力色信号のビットシフトと、輪郭強調周波数とマスキング量とが連動して変化するようにする。そうことで、赤外線除去フィルタの分光透過率を工夫し、利得と、信号処理回路のビットシフトと輪郭強調とマスキングの制御方法とを変更するだけで、高感度と毎秒撮像枚数を両立し、焦点合わせをしやすくすることができる。したがって、高価で不安定な自動合焦装置や、高価で大型のレンズと高価で重い雲台とが不要となり、低消費電力で小型で軽量で高感度な撮像装置が安価に実現できる。
【００４８】
ここで、本実施例のカラーテレビジョンカメラの動作としては、輪郭強調周波数を低下して焦点合わせをしやすくし、マスキング量と青の利得とを低下し赤の利得を増強し、さらに、赤と緑のＡ／Ｄ変換器出力またはデジタル信号処理回路入力とを複数ビットシフトアップして等価的に赤と緑の利得を倍増する。色副搬送波変調器を含むデジタル信号処理回路で色信号出力をビットシフトダウンして等価的に利得を低下させる。
【００４９】
以上のように動作させることで、まず、高感度蓄積動作で、水平輪郭強調周波数と輪郭強調量とを低下させ、低域輪郭強調することで、約３ｄＢの雑音低減を行う。
【００５０】
そして、焦点合わせを行うために必要な、蓄積時間の数倍程度である、例えば、数秒間のみ、輪郭強調周波数を低下させて、焦点合わせを行いやすくさせる。さらに、マスキング量を低下させることで、青の利得を低下させ赤の利得を増強させて、雑音を約９ｄＢ低下させた上で、輝度信号利得を約５ｄＢ増強する。
【００５１】
さらに、信号処理回路７で各種信号処理された信号が出力されるときに、その出力信号をそれぞれシフトダウン処理することで、等価的に利得を低下して色ずれを見えにくくすることで、雑音を約６ｄＢ低下する。ここで、雑音が増加し易いギルバートセル等の構成を用いたアナログ掛け算器を使用することなく実現するものである。
【００５２】
以上のようにして、約１８ｄＢ雑音低減を行った分の利得を上げるようにしたことで、赤と緑のデジタル信号処理回路入力信号を３ビット分シフトアップ処理して等価的に赤と緑の利得を約１８ｄＢ、すなわち、約８倍とするとともに、蓄積時間を（約１／８以下に）低減して、焦点合わせをしやすくする。
【００５３】
さらに、上述したように、ＰＩＲｃｕｔフィルタを用いることでは、従来の緑が約０．５倍、赤が約０．２５倍に減衰する赤外線除去フィルタ（Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ）の場合と比較して、赤が約３．５倍、緑が約２倍にされる分、輝度感度が０．３×３．５＋０．６×２＝２．２５、すなわち、約２．２５倍に高感度化されることで、感度としては、８×２．２５＝１８、すなわち、約１８倍に高感度化される。
【００５４】
そこで、色信号出力と色差信号出力をもう１ビット分、計２ビット分のシフトダウン処理を行って等価的に利得をさらに半減させて、青の雑音をさらに約６ｄＢ低下させる。
【００５５】
したがって、雑音が約２４ｄＢ低減したことから、雑音同等の感度が約１６倍向上させることができる。
【００５６】
なお、上述したような動作や処理を行うことでは、映像信号における色情報は劣化するので、例えば、焦点合わせのためや輝度情報確認用の映像信号を得るための動作として行われる。
【００５７】
なお、オートホワイトスイッチを押すまたは、光学フィルタを回転する等の操作でもって、通常の蓄積時間自動可変動作に戻るようにした動作を有するとしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、利得と、信号処理回路の、ビットシフトと、輪郭強調とマスキングと、加算平均との制御方法を変更するだけで、高感度を実現することができる。
【００５９】
また、赤外線除去フィルタの分光透過率を工夫すれば、さらに、色再現を犠牲にして高感度を実現することができ、また、低雑音演算増幅器を用いれば、小型撮像装置で雑音が低減する。
【００６０】
１２ビットのＡ／Ｄ変換器のＳＰＴ７８１２は、１１＄と安価で、１６５ｍＷと低消費電力で、２８ＳＳＯＰと小型になった。１２ビットのＡ／Ｄ変換器のＡＤ９２４４も、４００ｍＷと低消費電力で、４４ＬＱＦＰと小型にすることができる。低雑音演算増幅器のＡＤ８０５５は、１＄と安価で、５５ｍＷと低消費電力で、ＳＣ−２３−５と超小型になった。したがって、安価で低消費電力で小型で高感度な撮像装置が実現できる。
【００６１】
さらに本発明によれば、赤外線除去フィルタの分光透過率を工夫し、利得と、信号処理回路のビットシフトと輪郭強調とマスキングの制御方法とを変更するだけで、高感度と毎秒撮像枚数を両立し、焦点合わせをしやすくすることができる。したがって、高価で不安定な自動合焦装置や、高価で大型のレンズと高価で重い雲台とが不要となり、低消費電力で小型で軽量で高感度な撮像装置が安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の動作を示す分光透過率と分光感度曲線と分光出力のグラフ。
【図２】従来の技術のカラーテレビジョンカメラの動作例を示す分光透過率と分光感度曲線と分光出力のグラフ。
【図３】本発明の一実施例のカラーテレビジョンカメラのブロック構成図。
【符号の説明】
１，２，３：固体撮像素子、 ４，５，６：アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、 ７：デジタル信号処理回路、 ８：Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ、 ９：ＰＩＲｃｕｔフィルタ、 １０：ＮＤ＋Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ、 １１：レンズ、 １２：色分解光学系、 １４〜１９：メモリ、 ２０：フィルタ回転板、 Ａ１，Ａ２，Ａ３：利得制御増幅回路、 Ａ４，Ａ５，Ａ６：前置増幅回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高感度撮影に適するカラーテレビジョンカメラの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン半導体による高感度撮像用の固体撮像素子（ＣＣＤ）としては、赤外線に対する分光感度が最も高く、以下、赤緑青の各色光の順に分光感度が下がるものがある。
【０００３】
そして、感度を重視すると共に色再現をも考慮するカラー撮像に用いられるテレビジョンカメラとしては、特に、青感度や緑感度よりも赤感度を優先した映像信号が得られるＣＣＤと、上述のＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタと、を用いてカラー撮像を行うテレビジョンカメラがある。
【０００４】
ここで、図を用いて分光透過率、分光感度、分光出力について説明する。図２（ａ）は、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対しての、赤感度を優先した映像信号が得られるＣＣＤの分光感度曲線αと、色分解光学系の赤緑青それぞれの分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒを示す図である。それに対し、図２（ｂ）は、赤外線除去フィルタ（Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ）の分光透過率曲線を示すと共に、そのＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ分光透過率曲線と、上述の分光感度曲線αと、分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒそれぞれとの積である、分光出力曲線δｂ，δｇ，δｒを示す。
【０００５】
図２（ｃ）は、緑出力を１とした信号出力と雑音出力の分光曲線を示した図であり、この図２（ｃ）は、赤と青の出力を緑出力に一致させた従来の技術の撮像装置出力である。図２（ｂ）の分光出力曲線δｂ，δｇ，δｒをそれぞれ積分して得られた面積比でわかるように、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対する各色の出力比は、おおよそ、赤１．４，緑１，青０．３２となる。そのため、青の出力を１にするために利得を上げることで、映像信号レベルを約３．２倍（１／０．３２倍）とすることでは、図２（ｃ）の様に、雑音レベルとしても、約３．２倍となる。
【０００６】
従来、単板式の色フィルタを搭載する固体撮像画素子を１個用いるカラーテレビジョンカメラでは、通常撮影時はＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタを用いてカラー撮像を行い、高感度撮影時はＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタを光軸から外すことで、より高利得な映像信号レベルが得られるようにした白黒撮影を行うものが製品化されている。
【０００７】
また、三板式の色分解光学系と３個の固体撮像素子を用いるカラーテレビジョンカメラでは、カット波長の異なるＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタを複数備え、用途に応じてそれらフィルタを入れ替えるようにして撮像している。
【０００８】
また、緑色光の固体撮像素子の画素に対し、赤色光の固体撮像素子の画素を半画素水平方向に空間位置ずらしを行い、輝度信号の高域側で０．５赤＋０．５緑として、偽信号をなくし、解像度を画素数の倍にすることも実施されている。
【０００９】
また、信号を平均化処理すると、その処理により雑音は帯域の平方根に比例し、信号レベルは一定となるので、Ｓ／Ｎ比は帯域の平方根に反比例するものである。そのため、多画素からの信号を１度に読み出して１画素の信号とする方法（以下多画素読み出し方法と称す）では、雑音は一定であるが、信号レベルは画素数に比例することになるので、その場合は、Ｓ／Ｎ比は帯域に反比例する。そこで、色分解光学系と３個の固体撮像画素子を用いるカラーテレビジョンカメラの高感度撮影時は、高利得にした固体撮像画素子の多画素読み出し方法や、映像信号処理回路での信号加算も併用されている。
【００１０】
また、暗部の小振幅信号のみ、ラインメモリやフレームメモリを用いて２次元や３次元で画素を重み付け加算や循環加算する事により、信号帯域を２次元や３次元で低減して、解像感を損ねることなく、目立たないように暗部雑音を低減することも行われている。
【００１１】
さらに青色光に対しては、他の色光に比べて人間の目の解像度が低いので、輝度信号の信号帯域（ＮＴＳＣで４．３ＭＨｚ）の約９分の１の信号帯域（ＮＴＳＣで０．５ＭＨｚ）で十分とされている。しかしながら、３個の固体撮像画素子を用いるカラーテレビジョンカメラでは忠実な色再現が特長とされている。そのため、固体撮像素子の赤の感度は従来動作には十分なものであり、色再現やダイナミックレンジの確保のためには、緑の感度以上に赤の感度を有することは不必要であったため、色再現を犠牲にしてまでも赤の感度を向上させることはあまり検討されていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
シリコンフォトダイオードを用いた高感度の固体撮像素子は、赤色光に感度がより高く、青色光の感度がより低い。色再現を重視するカラー撮像で、Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタにより、青色光を通過、緑色光が約０．５倍透過、赤色光が約０．２５透過するように減衰させたとしても、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対する各色の固体撮像素子の出力レベル比はおおよそ、赤１．４，緑１、青０．３２となり、青が出力レベル比１となるようにするために利得を上げることで、雑音が約３．２倍約＋１０ｄＢとなり、カラー高感度撮影時には、青の雑音が目立つことになる。また、青の雑音を低減するため、青の帯域を単純に減らすと、輝度信号の解像感も低下する。
【００１３】
本発明の第１の目的は、色再現性を求めないとした高感度撮像の場合に、ＣＣＤの分光感度における赤色光の帯域の感度をより有効に使用して輝度信号レベルを増大することにより、利得と、信号処理回路のビットシフトと、輪郭強調とマスキングと、加算平均との制御方法を最適にすることで、高感度撮像を実現するカラーテレビジョンカメラを提供することである。
【００１４】
また、本発明の第２の目的は、蓄積高感度撮像において、合焦点走査が必要なときに、上述の色再現を求めずにＣＣＤの分光感度における赤色光の帯域の感度をより有効に使用した高感度撮像動作に切り替わると共に、蓄積時間を減少させてフレームレートを通常撮像時のフレームレートに近づけるようにした動作に切り替わることで、合焦点走査しやすい動作に切り替わるようにしたカラーテレビジョンカメラを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために、固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、光学低域通過フィルタを有し、該光学低域通過フィルタを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路における輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることを特徴とするカラーテレビジョンカメラである。
【００１６】
また、本発明は、固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを有し、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路におけるマスキング量を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって青の利得を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって赤の利得を増強することを特徴とするカラーテレビジョンカメラである。
【００１７】
なお本発明は、固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、光学低域通過フィルタを有し、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを有し、該光学低域通過フィルタと青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタとを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路における輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることと、前記デジタル信号処理回路においてマスキング量を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって青の利得を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって赤の利得を増強することを特徴とするカラーテレビジョンカメラである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図３に本発明の実施の形態であるカラーテレビジョンカメラのブロック構成例の図を示す。以下、図３を用いて説明する。この図において、カラーテレビジョンカメラへ入射された入射光Ｌｉｎは、レンズ１１で集光される。集光された入射光Ｌｉｎは、フィルタ回転板２０に保持された複数フィルタのうちのいずれかのフィルタを通過して、色分解光学系１２へ入射される。色分解光学系１２では、入射された入射光Ｌｉｎが、赤色入射光Ｌｉｒ、緑色入射光Ｌｉｇ、青色入射光Ｌｉｂとなるよう分光される。ここで、光学低域通過フィルタは色分解光学系１２に内蔵されてあり、入射光のうちの高帯域の部分をカットする。
【００２４】
フィルタ回転板２０には、従来と同じである、青色光を通過させ緑色光と赤色光を減衰させる赤外線除去フィルタ（以下Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタと称す）８と、全帯域減衰フィルタ機能とＧ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ機能とを有するフィルタ１０（以下ＮＤ＋Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタと称す）が装着され、さらに、本発明に係わる、青色光と緑色光とを通過させ、赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタ（以下ＰＩＲｃｕｔフィルタと称す）９が装着されている。
【００２５】
各色入射光Ｌｉｒ、Ｌｉｇ、Ｌｉｂは、それぞれ、固体撮像素子１，２，３へ入射されて、映像信号Ｖｉｒ，Ｖｉｇ，Ｖｉｂに変換され、それぞれ出力される。それら出力された映像信号は、前置増幅回路Ａ４，Ａ５，Ａ６で基準振幅が揃えられて映像信号Ｖｐｒ，Ｖｐｇ，Ｖｐｂとなる。映像信号Ｖｐｒ，Ｖｐｇ，Ｖｐｂは利得制御増幅回路Ａ１，Ａ２，Ａ３で、図示していない暗部補正波形発生回路の補正波形を混合し、さらに、利得制御電圧Ｅｒｇａｉｎ，Ｅｈ，Ｅｂｇａｉｎによりそれぞれ利得を可変して、利得制御増幅回路Ａ１，Ａ２，Ａ３からそれぞれ映像信号Ｖｍｒ，Ｖｍｇ，Ｖｍｂを出力する。映像信号Ｖｍｒ，Ｖｍｇ，Ｖｍｂは、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４，５，６でデジタル映像信号にそれぞれ変換され、それらデジタル映像信号はそれぞれメモリ１４〜１９で、１垂直走査期間分を２回に渡って遅延され、また、信号処理回路７において、１水平走査期間分を２回に渡って遅延され、それら遅延された映像信号が色副搬送波変調器を含むデジタル信号処理回路７で各種信号処理されることで、出力輝度信号Ｖｏｙ，出力色信号Ｖｏｃ，シリアルデジタル映像信号Ｖｓｄｉとなる。なお、それら出力信号の代わりに、赤映像出力信号Ｖｏｒ、緑映像出力信号Ｖｏｇ、青映像出力信号Ｖｏｂが出力されるとしてもよい。
【００２６】
雑音低減回路としては、上述の前置増幅回路Ａ４，Ａ５，Ａ６にそれぞれ内蔵されるとした方が、一般には雑音低減のために有利である。しかし、雑音低減回路を利得制御増幅回路Ａ１，Ａ２，Ａ３にそれぞれ内蔵するとし、アナログ／デジタル変換器４，５，６と共に集積回路化した方が、実装効率と原価低減上、より有利となる。そこで、前置増幅回路Ａ４，Ａ５，Ａ６としては低雑音演算増幅器を用いることで、利得を高くする。そうすることで、雑音低減回路や利得可変増幅器やＡ／Ｄ変換器を集積した回路等で発生する雑音に影響されないで前置増幅できるため、より小形なカラーテレビジョンカメラを実現することができる。
【００２７】
上述のような構成を有するカラーテレビジョンカメラにおいて、本発明は、フィルタ回転板２０のフィルタと、利得制御増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３の利得と、デジタル信号処理回路７における入力信号に対するビットシフトと、映像出力信号に対するビットシフトと、輪郭強調周波数と輪郭強調量とマスキング量と、２次元でもって重み付け加算平均により得られた信号と加算平均する前の信号との切り換え制御と、フレーム間で３次元循環加算平均により得られた信号と加算平均前の信号との切り替え制御とが、それぞれ連動して変化するようにされる。
【００２８】
そうすることで、演算増幅器入力オフセットを低減し電源電圧を高くして雑音低減回路前の演算増幅器のダイナミックレンジを確保し、出力の赤緑青の基準信号レベルを揃え、平坦な周波数特性と高い利得を得て、雑音低減回路や利得可変増幅器やＡ／Ｄ変換器を集積した回路等の後段の雑音に影響されないで、撮像装置の小型化時の実効雑音が低減し、より高いＳ／Ｎ比を確保するものである。
【００２９】
以下、この動作について説明する。図２（ａ）は、上述したように、ＣＩＥ標準光源Ａ（２８５６Ｋ）に対しての、赤感度を優先した映像信号が得られるＣＣＤの分光感度曲線αと、色分解光学系の赤緑青それぞれの分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒを示す図である。それに対し、図１（ａ）は、赤外線除去フィルタ（ＰＩＲｃｕｔフィルタ）の分光透過率曲線を示すと共に、そのＰＩＲｃｕｔフィルタ分光透過率曲線と、上述の分光感度曲線αと、分光透過率曲線βｂ，βｇ，βｒそれぞれとの積である、分光出力曲線γｂ，γｇ，γｒを示す。
【００３０】
ここで、本実施例のカラーテレビジョンカメラの動作としては、緑色光の固体撮像素子の画素に対し、赤色光の固体撮像素子の画素を半画素水平方向に空間位置ずらしを行い、輝度信号の高域側で０．５赤＋０．５緑として、偽信号をなくし、高解像度化している。また、暗部の小振幅信号のみ、ラインメモリを用いて２次元で画素を重み付け加算平均する事により、信号帯域を２次元で低減して、解像感を損ねることなく、暗部雑音を目立たなくなるように低減している。
【００３１】
さらに、このカラーテレビジョンカメラが、より高感度撮像を行うために、水平画素加算を行い、水平方向の複数画素の映像信号を合成して１の画素の映像信号として出力する水平画素加算動作時は、雑音低減回路のリセット動作を中止していることで、その水平画素加算されて得られた映像信号には高周波数帯域の映像信号は含まれていない。そのため、水平輪郭強調周波数を低下させると共に輪郭強調量も低下させる。
【００３２】
さらに、各部の増幅回路の高利得制御時と蓄積高解像度動作時でも、水平輪郭強調周波数を低下させると共に輪郭強調量も低下させることを行い、赤の利得を他の色に比べて増強するようにマスキング量と青の利得低下とを行う。そして、Ａ／Ｄ変換器４，５，６出力デジタル信号について、複数ビット分シフトアップ処理を行うことで等価的に利得を倍増した信号を信号処理回路７へ入力されるようにすると共に、信号処理回路７で各種信号処理された信号が出力されるときに、その出力信号をそれぞれ上述のシフトアップ分シフトダウン処理することで、等価的に利得を半減した信号を信号処理回路７から出力する。
【００３３】
さらに、ラインメモリやフレームメモリを用いて、青の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号を、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させる。
【００３４】
さらに、各部増幅回路の高利得制御時と、固体撮像素子の画素加算読み出し動作時と、映像信号処理回路７での信号加算処理時と、長時間蓄積高解像度動作時等の、超高感度撮影時には、固体撮像素子のダイナミックレンジに余裕があることになる。そのため、上述のように青色光、緑色光を通過させ、赤色光を少し減衰させ、赤外線を除去させる純赤外線除去フィルタ（ＰＩＲｃｕｔフィルタ）でもってフィルタリングし、赤緑青の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号を、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させる。
【００３５】
なお、固体撮像素子出力に固体撮像素子の電源電圧（約＋１２〜＋１５Ｖ， 約−５〜−９Ｖ）と同程度の電源電圧を印可した演算増幅器を設け、演算増幅器出力の赤緑青の基準信号レベルを揃え、その演算増幅器入力に、該演算増幅器出力と基準電位との差の直流を帰還して演算増幅器出力の直流電位を保持するとしてもよい。
【００３６】
以上のように動作させることで、まず、高感度蓄積動作では、水平画素加算時に水平輪郭強調周波数と輪郭強調量とを低下させ、低域輪郭強調することで、赤緑青の雑音が約３ｄＢ程度低減する。
【００３７】
さらに、各部の増幅回路の高利得制御時と蓄積高解像度動作時では、輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることで、赤緑青の雑音を約３ｄＢ程度低減する。さらに、マスキング量を低下させることで、赤緑青の雑音を約３ｄＢ程度低減する。さらに、青の利得を低下し赤の利得を増強することで、青の雑音を約３ｄＢ程度低減する。
【００３８】
ラインメモリやフレームメモリを用いて、青の暗部信号と青の白圧縮以下の小振幅信号を、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させ、青の雑音を約６ｄＢ低下する。
【００３９】
さらに、信号処理回路７で各種信号処理された信号が出力されるときに、その出力信号をそれぞれシフトダウン処理することで、青の雑音を約６ｄＢ程度低下する。ここで、雑音が増加し易いとされる、ギルバートセル等の構成を用いたアナログ掛け算器を使用することなく実現するものである。
【００４０】
以上の、雑音低減の合計で、赤緑の雑音約１２ｄＢと青の雑音約２４ｄＢの雑音を低減することができる。ここで、赤緑の雑音低減は青の雑音低減に対して約＋１０ｄＢ少ないので、実質的には、合わせて約２２ｄＢの雑音を低減したことになり、その分、Ａ／Ｄ変換器出力を３ビット分シフトアップして等価的に利得を８倍増加させることができる。なお、このためには最低１０ビット、好ましくは１２ビットのＡ／Ｄ変換器が必要となる。
【００４１】
なお、青の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号を加算平均した場合の輝度信号の解像度劣化は、少なく抑えられるものである。
【００４２】
さらに、ＰＩＲｃｕｔフィルタでは、従来の緑が約０．５倍、赤が約０．２５倍に減衰する赤外線除去フィルタ（Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ）の場合に比して、赤が約３．５倍、緑が約２倍にされる分、輝度感度が０．３×３．５＋０．６×２＝２．２５、すなわち、約２．２５倍に高感度化されることで、感度としては、８×２．２５＝１８、すなわち、１８倍となる。また赤、緑は青に対し３．２×２＝６．４、すなわち、約＋１６ｄＢ雑音が少なくなるので、合計で赤、緑の雑音は約１２＋１６＝２８ｄＢが低減されることとなり、青の雑音低減の約２４ｄＢを上回ることになる。そこで、信号処理回路７からの出力信号に対してはもう１ビット分、計２ビット分のシフトダウン処理を行い、等価的にさらに利得を半減させて、青の雑音をさらに約６ｄＢ低下するようにする。
【００４３】
上述よりもさらに高感度化を行う場合には、最低１１ビット、できれば１２ビットのＡ／Ｄ変換器が必要となる。そして、赤緑の暗部信号と白圧縮レベル以下の小振幅信号をも、２次元で画素を重み付け加算平均し、フレーム間で３次元循環加算平均させることで、赤緑の雑音をさらに約６ｄＢ程度低下させることになる。したがって、青の雑音が合計約３０ｄＢ低減したことから、Ａ／Ｄ出力を追加１ビットして、合計５ビット分のシフトアップ処理を行うことで、等価的に利得を１８×２＝３６、すなわち、３６倍増加させることができる。
【００４４】
なお、上述したような動作や処理を行うことでは、映像信号における色情報は劣化するので、例えば、輝度情報確認用の映像信号を得るための動作として行われる。
【００４５】
以上のようにすることで、演算増幅器入力オフセットを低減し電源電圧を高くして雑音低減回路前の演算増幅器のダイナミックレンジを確保し、出力の赤緑青の基準信号レベルを揃え、平坦な周波数特性と高い利得を得て、雑音低減回路や利得可変増幅器やＡ／Ｄ変換器を集積した回路等の後段の雑音に影響されない。撮像装置の小型化時の実効雑音が低減し、Ｓ／Ｎ比を充分確保することができる。
【００４６】
次に、別の実施の形態について説明する。以下、蓄積高感度カラーテレビジョンカメラにおいて、その操作性を向上させる場合について説明する。
【００４７】
この実施例では、上述の実施例と同様に、水平画素加算動作時に水平輪郭強調周波数と輪郭強調量とを低下する。それと共に、自動可変蓄積動作時で色温度自動追尾動作時に、オートホワイトスイッチを押すか、あるいは、光学フィルタを回転する等の操作を行うことにより、蓄積時間の数倍程度の数秒間のみ、蓄積時間を低減すると共に、焦点合わせをしやすくするために、利得制御増幅器Ａ１，Ａ２，Ａ３の利得と、デジタル信号処理回路７の入力信号のビットシフトと、出力色信号のビットシフトと、輪郭強調周波数とマスキング量とが連動して変化するようにする。そうことで、赤外線除去フィルタの分光透過率を工夫し、利得と、信号処理回路のビットシフトと輪郭強調とマスキングの制御方法とを変更するだけで、高感度と毎秒撮像枚数を両立し、焦点合わせをしやすくすることができる。したがって、高価で不安定な自動合焦装置や、高価で大型のレンズと高価で重い雲台とが不要となり、低消費電力で小型で軽量で高感度な撮像装置が安価に実現できる。
【００４８】
ここで、本実施例のカラーテレビジョンカメラの動作としては、輪郭強調周波数を低下して焦点合わせをしやすくし、マスキング量と青の利得とを低下し赤の利得を増強し、さらに、赤と緑のＡ／Ｄ変換器出力またはデジタル信号処理回路入力とを複数ビットシフトアップして等価的に赤と緑の利得を倍増する。色副搬送波変調器を含むデジタル信号処理回路で色信号出力をビットシフトダウンして等価的に利得を低下させる。
【００４９】
以上のように動作させることで、まず、高感度蓄積動作で、水平輪郭強調周波数と輪郭強調量とを低下させ、低域輪郭強調することで、約３ｄＢの雑音低減を行う。
【００５０】
そして、焦点合わせを行うために必要な、蓄積時間の数倍程度である、例えば、数秒間のみ、輪郭強調周波数を低下させて、焦点合わせを行いやすくさせる。さらに、マスキング量を低下させることで、青の利得を低下させ赤の利得を増強させて、雑音を約９ｄＢ低下させた上で、輝度信号利得を約５ｄＢ増強する。
【００５１】
さらに、信号処理回路７で各種信号処理された信号が出力されるときに、その出力信号をそれぞれシフトダウン処理することで、等価的に利得を低下して色ずれを見えにくくすることで、雑音を約６ｄＢ低下する。ここで、雑音が増加し易いギルバートセル等の構成を用いたアナログ掛け算器を使用することなく実現するものである。
【００５２】
以上のようにして、約１８ｄＢ雑音低減を行った分の利得を上げるようにしたことで、赤と緑のデジタル信号処理回路入力信号を３ビット分シフトアップ処理して等価的に赤と緑の利得を約１８ｄＢ、すなわち、約８倍とするとともに、蓄積時間を（約１／８以下に）低減して、焦点合わせをしやすくする。
【００５３】
さらに、上述したように、ＰＩＲｃｕｔフィルタを用いることでは、従来の緑が約０．５倍、赤が約０．２５倍に減衰する赤外線除去フィルタ（Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ）の場合と比較して、赤が約３．５倍、緑が約２倍にされる分、輝度感度が０．３×３．５＋０．６×２＝２．２５、すなわち、約２．２５倍に高感度化されることで、感度としては、８×２．２５＝１８、すなわち、約１８倍に高感度化される。
【００５４】
そこで、色信号出力と色差信号出力をもう１ビット分、計２ビット分のシフトダウン処理を行って等価的に利得をさらに半減させて、青の雑音をさらに約６ｄＢ低下させる。
【００５５】
したがって、雑音が約２４ｄＢ低減したことから、雑音同等の感度が約１６倍向上させることができる。
【００５６】
なお、上述したような動作や処理を行うことでは、映像信号における色情報は劣化するので、例えば、焦点合わせのためや輝度情報確認用の映像信号を得るための動作として行われる。
【００５７】
なお、オートホワイトスイッチを押すまたは、光学フィルタを回転する等の操作でもって、通常の蓄積時間自動可変動作に戻るようにした動作を有するとしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、利得と、信号処理回路の、ビットシフトと、輪郭強調とマスキングと、加算平均との制御方法を変更するだけで、高感度を実現することができる。
【００５９】
また、赤外線除去フィルタの分光透過率を工夫すれば、さらに、色再現を犠牲にして高感度を実現することができ、また、低雑音演算増幅器を用いれば、小型撮像装置で雑音が低減する。
【００６０】
１２ビットのＡ／Ｄ変換器のＳＰＴ７８１２は、１１＄と安価で、１６５ｍＷと低消費電力で、２８ＳＳＯＰと小型になった。１２ビットのＡ／Ｄ変換器のＡＤ９２４４も、４００ｍＷと低消費電力で、４４ＬＱＦＰと小型にすることができる。低雑音演算増幅器のＡＤ８０５５は、１＄と安価で、５５ｍＷと低消費電力で、ＳＣ−２３−５と超小型になった。したがって、安価で低消費電力で小型で高感度な撮像装置が実現できる。
【００６１】
さらに本発明によれば、赤外線除去フィルタの分光透過率を工夫し、利得と、信号処理回路のビットシフトと輪郭強調とマスキングの制御方法とを変更するだけで、高感度と毎秒撮像枚数を両立し、焦点合わせをしやすくすることができる。したがって、高価で不安定な自動合焦装置や、高価で大型のレンズと高価で重い雲台とが不要となり、低消費電力で小型で軽量で高感度な撮像装置が安価に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の動作を示す分光透過率と分光感度曲線と分光出力のグラフ。
【図２】従来の技術のカラーテレビジョンカメラの動作例を示す分光透過率と分光感度曲線と分光出力のグラフ。
【図３】本発明の一実施例のカラーテレビジョンカメラのブロック構成図。
【符号の説明】
１，２，３：固体撮像素子、 ４，５，６：アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、 ７：デジタル信号処理回路、 ８：Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ、 ９：ＰＩＲｃｕｔフィルタ、 １０：ＮＤ＋Ｇ，Ｒ，ＩＲｃｕｔフィルタ、 １１：レンズ、 １２：色分解光学系、 １４〜１９：メモリ、 ２０：フィルタ回転板、 Ａ１，Ａ２，Ａ３：利得制御増幅回路、 Ａ４，Ａ５，Ａ６：前置増幅回路。
Claims (3)
- 固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、
光学低域通過フィルタを有し、該光学低域通過フィルタを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路における輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることを特徴とするカラーテレビジョンカメラ。 - 固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、
青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを有し、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路におけるマスキング量を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって青の利得を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって赤の利得を増強することを特徴とするカラーテレビジョンカメラ。 - 固体撮像素子と、利得を可変できる増幅回路と、Ａ／Ｄ変換器と、デジタル信号処理回路とを有するカラーテレビジョンカメラにおいて、
光学低域通過フィルタを有し、青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタを有し、該光学低域通過フィルタと青色光と緑色光とを通過させ赤色光のほとんどを通過させる赤外線除去フィルタとを通過した入射光により前記固体撮像素子が出力した映像信号を前記利得を可変できる増幅回路で可変増幅し前記Ａ／Ｄ変換器でＡ／Ｄ変換し、Ａ／Ｄ変換した映像信号を前記デジタル信号処理回路で１水平走査期間分を２回に渡って遅延させ、前記Ａ／Ｄ変換した映像信号と前記１回水平走査期間遅延させた映像信号と前記２回水平走査期間遅延させた映像信号とから輪郭強調補正とマスキング補正とを含む映像信号処理を前記デジタル信号処理回路で行い、映像信号を出力し、前記利得を可変できる増幅回路が高利得時に前記デジタル信号処理回路における輪郭強調周波数と輪郭強調量とを同時に低下させることと、前記デジタル信号処理回路においてマスキング量を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって青の利得を低下し前記利得を可変できる増幅回路によって赤の利得を増強することを特徴とするカラーテレビジョンカメラ。
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