JPH03104386A - 高品質ビデオカメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明はビデオカメラに関し、特に入射光強度のダイ
ナもツタレンジの改良に係わる．「従来の技術」 テレビカメラにおいては、第１４図に示すように、被写
体よりの入射光１がレンズ２を介して例えばＣＣＤ　　
（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ　；電
荷結合素子）より戒る撮像素子３に入射し、その受光部
の受光セル例えばフォトダイオードに蓄積された信号電
荷が順次転送されて、映像信号として出力され、信号処
理回路４で処理されて、例えばＮＴＳＣ方式テレビ信号
が出力端子５より外部に供給される。

近年、撮像素子３として固体撮像素子を用いる場合が多
くなっているが、その代表例として第１５図に示すイン
ターライン転送（　ＩＴ）形ＣＣＤを先ずあげることが
できる．１チップの半導体基板上に受光セル６が列方向
に配列形戒されて受光部７，．７８・・・，７．１が構
威される。各受光セル（フォトダイオード）６は受光し
た光の強さに対応した信号電荷を発生する．受光部７！
　（＋−１〜ｎ）の各受光セル６で発生した電荷の蓄積
・転送領域８をもち、それらの電荷を垂直方向に転送（
シフト）する垂直転送レジスタ９Ｉが受光部７，と並ん
で列方向に形威される．各受光セル６に発生した信号電
荷を垂直転送レジスタ９ｌの対応する蓄積・転送領域８
に転送するために、各受光セル６と対応じてゲート素子
１０が各列に沿って配列形威され、これらの各列のゲー
ト素子１０はゲート制御線１１に接続され、外部より与
えられる制御信号により開閉制御されて、受光セル６の
信号電荷が蓄積・転送領域８に転送される。各列のゲー
ト素子１０およびゲート制御線１１はまとめて転送ゲー
トｌ２と呼ばれる． 受光部７Ｉ〜７イにおいては入射光は信号電荷に変換さ
れ、この信号電荷は１フレーム期間だけ各受光セル６に
蓄積され、垂直プランキング期間中に一斉に垂直転送レ
ジスタ９１に転送される．各垂直転送レジスタ９ｌに蓄
積された信号電荷は垂直にシフトされ、１水平走査期間
（ＩＨ）ごとに順次水平転送レジスタｌ３に並列に入力
され、１水平走査期間に１行分の信号電荷が水平方向に
順次シフトされて映像信号として読み出され、出力アン
ブ１４を介して出力端子１５に供給される．固体撮像素
子の他の例としてフレームインターライン転送（ＰＩＴ
）形ＣＣＤを第１６図に、第１５図と対応する部分には
同し符号を付して示す。この場合には垂直転送レジスタ
９，〜９，ｌとそれぞれ直列に１画面分の信号電荷を蓄
えるメモリ一部１６１〜１６．が設けられていて、各垂
直転送レジスタ９１及びメモリ一部１６ｉ　に生じたス
ミア成分は垂直プランキング期間に高速転送されて水平
転送レジスタ１３を介して外部に吐き出され、その後に
転送ゲート１２がオンとされ光電変換部７の信号電荷が
各垂直転送レジスタ９、に転送され、直に高速でメモリ
一部１６へ転送される。これらの動作は垂直プランキン
グ期間に行われ、以後１水平走査期間ごとに１行分の信
号電荷が水平転送レジスタｌ３に並列に読み込まれ、水
平方向に順次高速で読み出されて映像信号として出力さ
れる． 第１７図に示すのはフレーム転送（ＦＴ）形ＣＣＤと呼
ばれるものである．第ｌ６図のフレームインターライン
転送形ＣＣＤと似ているが、転送ゲートｌ２を持たず、
受光部７、に蓄積された例えば１フレーム期間の信号電
荷が垂直プランキング期間に直接メモリ一部１６ｉに高
速で転送される。

第１８図に示すものはＭＯＳ形固体撮像素子であって、
フォトダイオード６がｍ行×ｎ列のマトリックス状に配
列され、そのカソードはＭＯＳ　　｝ランジスタ２１の
例えばドレインに接続される。ｉ行のトランジスタ２１
のゲートは走査電極Ｙｉ　（ｉ＝１−ｍ）に接続され、
各列のトランジスタ２ｌのソースは信号電極ＸＪ　　（
ｊ＝１−ｎ）に接続される．各信号電極ＸＪはＭＯＳ　
｝ランジスタ２２のドレイン〜ソースを介して出力信号
線２３に接続される．各トランジスタ２２のゲートは水
平走査回路２４により水平走査期間（ＩＨ）毎に順次水
平走査される．一方各走査電極ｙｉは垂直走査回路２５
により垂直走査される．つまり、各走査電極Ｙ！はＩＨ
の期間づつ順次活性化される。従って、この活性化され
た行のフォトダイオード６の信号電荷が水平走査により
１Ｈ期間の間に順次取り出される． 第１９図に示すのは、第ｌ８図のものと類似しているが
、水平走査回路２４が無く、各行のフォトダイオード６
の信号電荷を信号電極ＸＪを通じて水平転送レジスタ（
水平転送ＣＣＤとも言う）１３に転送するようにしたＭ
ＯＳ−ＣＣＤ形素子である．以上述べた各種の固体撮像
素子はいずれもよく知られているものであるので詳しい
説明は省略する． 「発明が解決しようとする課題」 従来のビデオカメラでは入射光強度に対するダイナミッ
クレンジが狭い欠点があった。即ち、入射光強度を大き
くすると撮像素子の映像信号出力が飽和するので制限を
受け、一方入射光強度が小さくなると出力信号のＳ／Ｎ
比が悪化するので制限を受ける。

受光セルの感度を低く抑えて出力信号の飽和をさけ、上
限側のダイナ＼ミックレンジを広くすると、それだけ撮
像素子の出力信号レベルＳが低下するが、撮像素子出力
のノイズレヘルＮは受光セルの感度に依らずほぼ一定で
あるので、結局信号のＳ／Ｎ比が低下することとなる。

その場合最も問題となるのはＳの小さなダイナミックレ
ンジの下限側であり、Ｓ／Ｎ比の低下した分狭くなる。

従って感度を下げてダイナミックレンジの上限側を広げ
ても、下限側が狭くなるので実質的なレンジの拡大にな
らない。この発明の目的は、上記した従来の欠点を解決
して、入射光強度のダイナミックレンジの大きい高品質
ビデオカメラを提供することにある。

「課題を解決するための手段」 この発明の高品質ビデオカメラには、 低感度撮像素子部とその感度のｐ（１より大きい定数）
倍の感度を有する高感度撮像素子部とを備えた撮像素子
回路と、 上記高感度撮像素子部の映像信号出力をｋ／ｐ（ｋは任
意の定数）倍する第１レベル変換器と、上記低感度撮像
素子部の映像信号出力をｋ倍する第２レベル変換器と、 上記第１又は第２レベル変換器の出力を基準電圧と比較
し、基準電圧より小さいか大きいかにより低レベル又は
高レヘルの切替信号を出力する比較器と、 その切替信号のレベルに応じて上記第１又は第２レベル
変換器の出力を選択するスイッチ回路とが設けられる． 「実施例」 策１１施■ 第１実施例では、この発明で使用する撮像素子回路とし
て同一のチップ内に低感度素子と高感度素子とを共存さ
せた新しい固体撮像素子を用いる場合につき述べる。同
素子の一例として、新しいインターライン転送（ＩＴ）
形ＣＣＤを第２図に示す。

第１５図と対応する部分には同じ符号を付し重複説明を
省略する．従来の撮像素子３では全ての受光セル（フォ
トダイオード）６が均一な感動を有するのに対して、第
２図の撮像素子では奇数列と偶数列とで受光セル６の感
度が変えられる。第２図では奇数列のセルの感度は偶数
列のセルのｐ倍（ｐは１より大きい任意の定数）とされ
る。そのために受光セル６自体の感度を変えるとか又は
受光セルの前面に減光フィルタを配して感度を変ると言
った種々の手段が用いられる． 奇数列の垂直転送レジスタ９Ｊ　　（ｊ一奇数）の出力
は水平転送レジスタ１３ａに入力され、出力アンプ１４
ａを介して出力端子１５ａに供給される。一方、偶数列
の垂直転送レシスタ９ｊ　（ｊ＝偶数）の出力は水平転
送レジスタ１３ｂに入力され、出力アンプ１４ｂを介し
て出力端子１５ｂに供給される。出力端子１５ａ，１５
ｂより外部に出力する映像信号をそれぞれＳｌ，Ｓｔで
表わす．撮像素子３の入射光強度Ｐに対する出力電圧特
性を第３図に示す．出力Ｓ，が飽和電圧Ｖ．以下の範囲
では同じ入射光強度Ｐに対してＳ．／ｓｔ＝ｐである。

この発明では、後に明らかとなるが、出力ＳＩが、ダイ
ナミックレンジ内であっても入射光強度Ｐの大きい範囲
で飽和してもさしつかえ無いので、対応する受光セル（
奇数列の受光セル）には概して従来より大きい、十分な
高感度が設定される．入射光強度Ｐ≧Ｐ，において信号
Ｓｌの電圧は飽和してｖ．（一定）となる。一方、出力
Ｓ！についてはダイナミックレンジ内で飽和することは
許されないので、対応する受光セル（偶数列の受光セル
）の感度は概して従来より小さい低感度が設定される。

信号Ｓ２はＰ≧Ｐ　ｍ−ｘ　　（　＞　Ｐ　−）におい
て飽和してｖ．（一定）となる。出力Ｓ及びＳｔに重畳
するノイズレヘルはほぼ同しであるので、出力Ｓ，のＳ
／Ｎ比は出力Ｓ２のそれより大きく、直線（非飽和）領
域においては後者のｐ倍となる． この発明のビデオカメラの実施例を第１図に第１４図と
対応する部分に同じ符号を付して示す。

撮像素子３として例えば第２図のものが用いられ、その
出力端子１５ａ，１５ｂの映像信号Ｓｔ，Ｓｔがそれぞ
れレベル変換器３１．３２に入力される。

レベル変換器３２の利得をｋ（任意の定数）とすれば、
レベル変換器３１の利得はｋ／ｐとされる。

ｐは既に述べたように、奇数列の受光セルの感度の偶数
列のそれに対する比である。

レベル変換器の出力Ｓｓ，Ｓ４の入射光強度対出力電圧
特性を第４図に示す。Ｓ，は、入射光強度ＰがＰ，以下
の範囲では、 Ｓ　ｘ　＝　Ｓ　＋　Ｘ　ｋ　／　Ｐ　＝　Ｐ　Ｓ　ｚ
　Ｘ　ｋ　／　Ｐ＝ｋＳ！＝Ｓ，　　　　　　　　　　
（１）と表わされることからも明らかなように、Ｐ≦Ｐ
．の範囲では、出力Ｓｓは出力Ｓ４と相等しい．レベル
変換器の出力Ｓ３，Ｓ４はスイッチ回路３３の入力端子
ＩＮ＋　，　ＩＮｚにそれぞれ入力される．また上記出
力Ｓ，は比較器３４の一方の入力端子に供給され、基準
電圧Ｖ１と瞬時的に比較される．基準電圧Ｖ，としては
、第４図Ａに示すように、Ｐ．より小さい入射光強度Ｐ
，に対する信号Ｓ，の電圧値が選ばれる． ｓ，＜Ｖ，　であればＬ（低レベル）、Ｓ，≧Ｖ１であ
ればＨ（高レベル）をとる切替信号Ｓ，が比較３４より
スイッチ回路３３の制御端子ＣＴＬに与えられる．スイ
ッチ回路３３では切替信号Ｓ，のＬ，　Ｈに応じてそれ
ぞれ入力端子ＩＮ＋又はＩＮ２が？力端子ＯｔｌＴに切
替接続される。従ってスイッチ回路３３の出力Ｓ，は、
第５図に示すように入射光強度ｐ　＜　Ｐ　ｂの範囲で
は信号Ｓ，　、Ｐ≧Ｐ，では信号Ｓ４がそのまま出力さ
れたものとなる。出力Ｓ．は入射光強度ＰがＰ８〜Ｐ．
■においても直線性を維持でき、それだけダイナＧ　７
クレンジの上限側が拡大される。

ビデオカメラより出力される映像信号は、ＣＯＤの出力
のノイズレベルがほぼ一定であるので、信号レベルが小
さい程Ｓ／Ｎ比が小さくなり、問題となる．この発明の
カメラでは、信号レベルの小さなＰ＜Ｐｂの範囲ではス
イッチ回路の出力Ｓ，はレベル変換器の出力Ｓ３がその
まま出力されたものである．その出力Ｓ，のＳ／Ｎ比は
人力された固体撮像素子３の一方の出力Ｓ１のＳ／Ｎ比
にほぼ等しい。出力Ｓ１は、対応する受光セルが従来よ
り高感度であるので、Ｓ／Ｎ比が従来よりよい状態にあ
る．従って、スイッチ回路３３の出力３６、従って信号
処理回路４の出力Ｓ，は、ダイナミックレンジの下限側
が従来より拡大される。

以上の説明ではレベル変換器３１の出力Ｓ，を比較器３
４に供給したが、レベル変換器３２の出力Ｓ４　　（出
力Ｓ，の直線領域において、出力Ｓ，とＳ４とは相等し
い）をＳ，の代りに供給してもよい．或いは出力Ｓ，及
びＳ４を平均化回路に加えて平均化し、その出力を比較
器３４に供給するようにしてもよい． の　　の 第１図の撮像素子３としては第２図に示したインターラ
イン転送形に限らず、種々の形式の固体撮像素子を用い
ることができる．第６図及び第７図に示すのは、それぞ
れ従来のフレームインターライン転送形ＣＣＤ及びフレ
ーム転送形ＣＣＤを改良したものであり、第２図と同様
に奇数列と偶数列とで受光部の感度が変えられ、それら
の信号電荷は水平転送レジスタ１３ａ及び１３ｂを通し
て出力端子１５ａ，１５ｂに出力される． 第８図及び第９図に示すのは、それぞれ従来の第１８図
又は第１９図のＭＯＳ形素子又はｌ’ｌＯｓ−ＣＣＤ形
素子を改良したもので、奇数列と偶数列とでフォトダイ
オード６の感度が変えられる．第８図ではフォトダイオ
ード６の奇、偶列に対応じて一対の水平走査回路２４ａ
，２４ｂを設けたが、一方を省略し、共用化することも
できる。

この発明の原理をビデオカメラのような面撮像ディバイ
ス以外に線撮像ディバイスにも応用することができる．
第１０図は感度の異なる受光セル（フォトダイオード）
６ａ，６ｂを交互に並べ、それぞれの信号電荷を転送レ
ジスタ（転送ＣＣＤとも言う）１３ａ，１３ｂを介して
出力端子１５ａ．１５ｂにそれぞれ取り出すようにした
ものである．これ迄の説明では感度の異なる奇数列と偶
数列の受光セルを第１１図Ａに示すように直線的に配列
するものとしたが、同図Ｂ又はＣに示すように格子状配
列又は千鳥配列にすることもできる．盟坐２隻班 以上述べた第ｌ実施例ではｌチップの固体撮像素子の中
に感度の異なる２種の受光セルを設け、それらと対応じ
て垂直、水平転送レジスタ、アンプ、出力端子等を別々
に設けるものであった。言い換えれば、１チップの中に
感度の異なる２種の固体撮像素子を昼在させたものであ
る．これに対して、第２の実施例では感度の異なる固体
撮像素子を２枚設ける。感度を変えるには既に述べたよ
うに受光セルそのものの感度を変でもよいし、受光セル
の前面に減光フィルタを設けてもよいし、その他の方法
を用いてもよい。第１２図は、第２実施例のブロック図
であり、入射光１は分光プリズム４１により強さのほぼ
等しい透過光Ｌ．と反射光Ｌ，とに２分割され、それぞ
れ高感度な固体撮像素子３ａと低感度な固体撮像素子３
ｂに入射される．これらの固体撮像素子３ａ，３ｂ以降
の構成は第１図と同様であるので省略してある．第１３
図に示す第３実施例では固体撮像素子３ａ，３ｂの感度
をほぼ等しくして、分光プリズム４１の反射・透過率を
変えて、透過光Ｌ．の強さを反射光Ｌ，より大きく設定
している（この逆でもよい）． 第ｌ２図及び第ｌ３図において、一点破線で囲んだ部分
（符号１００で示す）が撮像素子回路を構或するもので
あって第１図の撮像素子３に対応する。

第２、第３の実施例を折衷して、第１２図における分光
プリズム４ｌの反射・透過率を変えて、第１３図のよう
に透過光Ｌ．と反射光Ｌ，との強さを変えることもでき
る． これ迄の説明では撮像素子として固体撮像素子を用いた
が、この発明はそれに限らず、他の例えば電子管形の撮
像素子であってもよいことは明らかである． 「発明の効果」 この発明によれば、入射光強度Ｐが基準値Ｐ，以下のレ
ンジではＳ／Ｎ比のよい、高感度な固体撮像素子部の出
力信号を、入射光強度Ｐが基準値Ｐ１以上のレンジでは
直線性のよい、低感度な固体撮像素子部の出力信号を、
それぞれ瞬時的に切換えて用いるようにしたので、入射
光強度のダイナミックレンジの下限側及び上限側の双方
を従来より著しく拡大することが可能となり、従来の欠
点が除去できる。

この発明において高感度受光部の信号電荷が受光量が過
多のためオーバーフローを起こし、スミア等の悪影響を
発生させているとしても、低感度受光部の信号電荷がオ
ーバーフローを起こさない限り正常な映像信号が得られ
るので、この発明はスミア対策にも優れた効果を奏する
ものである．この発明の原理は、ビデオカメラ以外の面
或いは線撮像ディバイスに広く応用することができる．

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示すブロック図、第２
図は第１図の固体撮像素子３に使用する新しいインター
ライン転送形ＣＣＤの原理的な構或図、第３図は第１図
の撮像素子３の入射光強度対出力電圧特性を示す図、第
４図は第１図における入射光強度に対するレベル変換器
の出力電圧特性を示す図、第５図は第１図における入射
光強度に対するスイッチ回路の出力電圧特性を示す図、
第６図及び第７図はそれぞれ第１図の撮像素子３に使用
できる新しいフレームインターライン転送形ＣＣＤ及び
フレーム転送形ＣＣＤの原理的な構或図、第８図は第１
図の撮像素子３に使用できる新しいＭＯＳ形固体撮像素
子の原理的な構戒図、第９図は第８図において水平走査
回路の代りに水平転送ＣＣＤを用いた新しいＭＯＳ−Ｃ
ＣＤ形固体撮像素子の構成図、第ｌＯ図はインターライ
ン転送形ＣＣＤより或る新しい線撮像素子の構或図、第
１１図は第１図の撮像素子３における受光セルの配列状
態を示す図、第１２図及び第１３図はそれぞれこの発明
の第２及び第３実施例の要部を示すブロック図、第１４
図は従来のビデオカメラの原理的な構或を示すブロック
図、第１５図は従来のインターライン転送形ＣＣＤの原
理的な構威図、第１６図及び第１７図はそれぞれ従来の
フレームインターライン転送形ＣＣＤ及びフレーム転送
形ＣＣＤの構戒図、第ｌ８図は従来の？ｌＯＳ形固体撮
像素子の構戒図、第１９図は従来の１１０５−ＣＣＤ形
固体撮像素子の原理的な構或図である．

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）低感度撮像素子部とその感度のｐ（１より大きい
   定数）倍の感度を有する高感度撮像素子部とを備えた撮
   像素子回路と、 上記高感度撮像素子部の映像信号出力をｋ／ｐ（ｋは任
   意の定数）倍する第１レベル変換器と、上記低感度撮像
   素子部の映像信号出力をｋ倍する第２レベル変換器と、 上記第１又は第２レベル変換器の出力を基準電圧と比較
   し、基準電圧より小さいか大きいかにより低レベル又は
   高レベルの切替信号を出力する比較器と、 その切替信号のレベルに応じて上記第１又は第２レベル
   変換器の出力を選択するスイッチ回路とを具備すること
   を特徴とする、 高品質ビデオカメラ。