JPH0414968A - 撮像装置 - 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、内視鏡先端に固体撮像素子を小型化して実
装する電子内視鏡カメラなどに用いられる撮像装置に関
する。

〔従来の技術〕

近年、画素寸法が小さく、チップ寸法の小さい固体撮像
素子が開発されるに従って、内視鏡カメラは、グラス・
ファイバーを束ねたイメージガイドの後に、レンズ系を
介して焦点を結んだ像を、銀塩カメラで撮像する従来の
カメラ・システムから、画像データの伝送・記録が容易
で、複数の人で観察できるなどのメリットを備えた電子
内視鏡カメラ・システムへと次第に置き替わりつつある
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら現状の電子内視鏡カメラは、次に述べるよ
うな不具合点を有している。すなわち、電子内視鏡にお
ける照明は、内視鏡先端に備えたライドガイドによる照
明で行われているが、広角レンズを用いた末広がりの照
明（通常の放射角度は百数十度）であるため、内視鏡先
端部から近い被写体は明るく、遠い被写体は暗い照明と
なってしまい、そのためビデオカメラにおけるような通
常照明の場合と比べ、光量ダイナミックレッジの広い被
写体像を撮像しなければならない条件にある。

一方、電子内視鏡に用いられる固体撮像素子は、狭い先
端に取り付ける関係上、素子の寸法は小さく、したがっ
て単位画素は小さくし、更に画素数を少なくすることが
望まれる。しかし解像度をあるレベルに維持するために
は、一定の画素数は必要であり、最も代表的な単板カラ
ーカメラ型の青用電子内視鏡カメラにおいては、現在１
０万画素前後の固体撮像素子が使われている。ここで使
われている単位画素寸法は、民生用１／２インチムービ
ーで通常採用されている撮像素子の画素寸法（１０ミク
ロン平方）よりも小さく、そのため画素の飽和電荷量は
、ｌＸｌ０’電子数以下となってしまい、したがってこ
の撮像素子を通常モードで動作させた場合には、光量ダ
イナミックレンジの狭い映像しか得られないという不具
合があった。

更に近年電子内視鏡においても高解像度化のニーズが強
くなっており、これらのニーズに応えるためには、画素
数を増やし、したがって画素寸法を更に小さくしなけれ
ばならず、ますます最大飽和電荷量は小さくなってしま
う。ここで例として第６図＾、（Ｂ）に、それぞれ飽和
電荷量の小さい撮像素子の光電変換特性と、飽和電荷量
の大きい撮像素子の光電変換特性を示す。従来の電子内
視鏡カメラで使用している第６図へで示される飽和電荷
量の小さい（飽和光量：Ｅｓａｔが小）撮像素子では、
撮像素子出力の標準的ＳＮ比を確保することができる揚
傷光量（標準光量：　Ｅｒｖｐ　）は、飽和光ＩＥｓ−
ｔの近くにきてしまい、第６図へにおいて線分（イ）で
示すように、標準光量Ｅ　ＴＶＰ以上の明るい光量に対
してＫｎｅｅ特性をもたせた場合（ここではγ＝０．５
としている）でも、カメラ出力の白クリップを行う限界
光量Ｅｃ＋、ｐは３／２Ｅｔｖｐにとどまってしまう。

他方、通常のビデオカメラ等で用いられる画素寸法の大
きい撮像素子では、第６図（Ｅｌ）に−例として示すよ
うに、限界光量Ｅ　ＣＬＰをＥ　ＣＬＰ　％　２　Ｅ　
ｔｖｒに選ふことができ、明るい方のダイナミックレン
ジの広い画像を再現することができる。

本発明は、従来の電子内視鏡カメラのように明るさのダ
イナミックレンジの広い被写体を撮像する撮像装置にお
ける上記問題点を解消するためなされたもので、電子内
視鏡カメラなどで通常使われている画素寸法の小さい、
したがって飽和電荷量の小さい撮像素子を用いた撮像装
置においても、明るい方のダイナミックレンジを効果的
に拡大することが可能な撮像装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するだめの手段及び作用〕上記問題点を解
決するため、本発明は、高速駆動可能な増幅型固体撮像
素子と、該固体撮像素子を駆動制御する制御回路と、プ
リアンプ、　Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器とからなるデ
ジタル信号処理回路を有する撮像装置において、前記制
御回路を、】フィールド撮像期間をｎ（整数）等分し、
そのｎ等分した撮像期間に前記固体撮像素子の全画素又
は全画素の一部を読み出しリセットを行い、この撮像動
作を１フィールド撮像期間にｎ回連続して行うように構
成し、更に前記ｎ回の連続撮像動作で得られるｎ個のフ
ィールド画像データを順次加算し、その結果を保持する
ための加算器及び第１のフレームメモリと、該第１のフ
レームメモリから転送されたＡ、Ｂフィールド画像デー
タを所定の周期で送り出すのに用いる第２のフレームメ
モリとを設けて構成するものである。

このように固体撮像素子の飽和電荷量をみかけ上拡大す
るためムこ、１回のフィールド撮像期間をｎ等分し、１
／ｎのフィールド撮像期間で連続してｎ回繰り返し撮像
し、それぞれの読み出し信号をＡ／Ｄ変換し第１のフレ
ームメモリに蓄えた上、デジタル加算を行ってフィール
ド画像を再生することにより、従来の１フィールド撮像
期間に１回の撮像を行う撮像装置に比べ、ｎ倍の明るさ
の被写体像まで、撮像素子の飽和、すなわち再生画像に
おける白つぶれを起こすことなく再生を行うことが可能
となる。

なお従来、静止した被写体を撮像する撮像装置において
は、ＳＮ比向上とダイナミックレンジ拡大を目的として
、複数回読み出し、加算４画像再生を行う方法が考えら
れ、ノイズ・レデューサなどとして利用された例がある
。しかし動画を撮像する場合には、従来のＭＯＳ型やＣ
ＣＤ型の撮像素子では、実用上の撮像データ・レートは
２０ＭＨｚ前後であるために、実際には通常撮像時間内
における繰り返し撮像回数は２回がせいぜいであり、し
たがって上述したようなダイナミックレンジを拡大させ
る上で大きな効果を生み出すことができなかった。また
ＭＯＳ型、ＣＣＤ型撮像素子の場合には通常より高速で
動作させることはできるが、読み出される画像の画質（
特に解像度）が十分でないという不具合があり、実用上
の難点となっていた。

しかしながら、本発明においては、上記のように高速走
査を行っても解像度を始めとする画質劣化が殆ど見られ
ず、しかも画素暗電荷を除き読み出し時ランダムノイズ
の小さい増幅型固体撮像素子を用いているため、従来の
ＭＯＳ型、ＣＣＤ型の撮像素子を用いた撮像装置におけ
る上記問題点は解消することができる。なお本発明にお
いて用いる増幅型固体撮像素子は実用上、４８ＭＨｚま
で動作特性が確認されている。（テレビジョン学会研究
報告、　Ｖｏｌ、　１１．　Ｎｏ、　２８．　Ｐ、Ｐ、
　７〜１．２　　Ｎｏｖ。

（実施例〕 以下実施例について説明する。まず第１図に基づいて本
発明の概要について説明する。第１図は、本発明で用い
るＣ　Ｍ　Ｄ　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ
　Ｄｅｖｉｃｅ）などを画素として用いた増幅型固体撮
像素子の光電変換特性を示す図で、従来の通常のＮＴＳ
Ｃ方式で１／６０秒周期のフィールド撮像の場合の光電
変換特性をａで示し、本発明において、通常のＮＴＳＣ
の１回のフィールド撮像時間を４等分（ｎ−４）して、
１／４　Ｘ　１／６０秒の撮像時間で４回連続撮像する
場合の、光電変換特性をす、ｃ、ｄｅで示している。

本発明において、第１回目の撮像読み出し時に得られる
光！変換特性は、撮像時間が１／４となったことにより
、傾きは従来方式の１／４となり線すに示すようになる
。第２回目の撮像読み出しを行い第１回目の撮像時の読
み出し信号との加算を行ったときの光電変換特性は線Ｃ
に示すようになり、同様にして第３回目及び第４回目の
撮像後読み出し信号を加算したときの光電変換特性は、
それぞれ綜ｄ、ｅのようになる。

このように本発明によれば、固体撮像素子の飽和電荷量
をみかけ上拡大するため、通常の撮像周期において撮像
素子が有している限界光量を越えた入射光量に対しても
、撮像素子の飽和を起こさずに入射光像の再生を行うこ
とができる。特に被写体像の光量ダイナミックレンジが
広く、画素の飽和電荷量の小さい撮像素子を用いた電子
内視鏡カメラに適用することにより、大なる効果を発揮
させることができる。

次に、上記のように１フィールド撮像期間をｎ等分し、
１／ｎのフィールド撮像期間で連続してｎ回繰り返し撮
像し、それぞれの読み出し信号をＡ／Ｄ変換したのち加
算を行う本発明に係る撮像装置の実施例のブロック構成
図を第２図に示す。

第２図において、１は増幅型固体撮像素子、２はプリア
ンプ、３はＡ／Ｄ変換器、４は加算器、５はフレームメ
モリ（１）、６はフレームメモリ（ＩＩ）、７はＤ／Ａ
変換器、８は同期回路、９は上記各構成部材の動作をコ
ントロールする制御回路、１０はモニターである。

次にこの撮像装置の動作について説明する。第２図にお
いて、固体撮像素子１の読み出し出力はプリアンプ２に
よって増幅し、Ａ／Ｄ変換器３によりＡ／Ｄ変換したの
ちフレームメモリ（Ｉ）５に蓄えられる。第２回目の撮
像による読み出しの場合には、加算器４において第１回
目の読み出し信号と第２回目の読み出し信号の加算を行
い、その結果を再びフレームメモリ（Ｉ）５に蓄える。

第３回目及び第４回目の撮像時における信号読み出し時
においても同様の処理を行い、フレームメモリ（Ｉ）５
に蓄えられる。第４回目の撮像の信号読み出し後の加算
が終了すると、フレームメモリ（１）５の全画素信号は
一括してフレームメモリ（旧６に転送する。フレームメ
モリ（■）６に蓄えられた信号は、通常のＮＴＳＣの１
／６０秒周期でＡ、　Ｂフィールド信号としてそれぞれ
出力し、同期回路８で同期信号を付加したのち、モニタ
ー１０に送られて表示される。

第１表は、電子内視鏡カメラ等で通常用いられる約１０
万画素［３３０（Ｈ）ｘ３１６（Ｖ）＃１０．４万１の
撮像素子を想定した場合に、水平走査ブランキング期間
ｔｌＬを、ＬＢＬ−１０μｓ（但し、撮像読み出し回数
が８回の場合のみ、ｔ、、＝５ｕｓ）として複数回読み
出しを行った場合の、１画素読み出しクロック周波数を
示したものである。

第１表 第１表かられかるように、４回読み出しを行う場合には
、クロック周波数は約２０ＭＨｚにとどまり、ＭＯＳ型
、ＣＣＤ型の固体撮像素子の場合でも、現実性のあるク
ロック周波数となっているが、６回読み出し、あるいは
水平画素数を上記撮像素子の１．５倍とした撮像素子を
用いて４回読み出しを行う場合には、　読み出しクロツ
タ周波数は約４４ＭＨｚとなってしまい、従来のＭＯＳ
型、ＣＣＤ型撮像素子では実用上不可能な動作条件が要
求される。しかしながら、本発明で用いるＣＭＤ等を用
いた増幅型固体撮像素子では、高速駆動性能に優れ、約
５０ＭＨｚまで殆ど画質劣化を伴うことなく読み出すこ
とができる。

したがって、上記Ｉフィールド期間に複数回撮像し加算
する手段と増幅型撮像素子を組み合わせることにより、
最も効果的に広ダイナミツクレンジ撮像を幅広い条件下
で実現することができる。

上記実施例における説明においては、Ａフィールドの信
号読み出しをｎ回（ｎ＝４）行ったのち、Ｂフィールド
の信号読み出しを行うようにしたものを述べたが、Ａフ
ィールドの第１回目の読み出し、Ｂフィールドの第１回
目の読み出し、Ａフィールドの第２回目の読み出し、・
・・・・のＩＩｌ［で読み出し加算を行い、動解像度が
Ａ、　８両フィールドで均等になるようにした読み出し
を行った場合にも、同様な効果があることは勿論である
。

次に本発明において、画素読み出しに伴うノイズ（ラン
ダムノイズ）量が、どのようになるかについて検討した
結果について説明する。固体撮像素子のノイズは、大別
して光電変換時に生じる光ショットノイズと、画素デバ
イス内で発生する暗電流ノイズ、及び信号読み出しに伴
う撮像素子内のアンプ又は撮像素子外のプリアンプ等に
より発生する読み出しノイズとがある。現在では暗を流
ノイズはかなり低減化され、主なるノイズ成分は読み出
しノイズに絞られてきている。したがって、ここでは読
み出しノイズについてのみ検討した。

読み出しノイズは毎回の撮像読み出しで相関のないノイ
ズと見なせるので、ｎ回読み出しを行い、読み出し信号
をＡ／Ｄ変換の後、単純加算したとすると、ノイズ量は
（Ｆｒ倍に増え、ｎ−４で２倍となる。したがって上記
実施例において、信号の明るい方のレンジが４倍となっ
ても、ノイズ成分も２倍に増えてしまい、最大信号量と
ノイズ量との比、すなわちグイナミンクレンジは２倍に
改善されるにとどまる。

第３図は、第２実施例を示すブロック構成図で、第２図
に示した第１実施例と同−又は同等の構成部材には同一
符号を付して示している。第３図において、１１は固体
撮像素子ｌの暗時出力レベルを蓄えるフレームメモリ（
ＩＩＩ）、１２はフレームメモリ（Ｉ）５とフレームメ
モリ（１）１１を切り換えるための切り換えスイッチ、
１３はフレームメモリ（Ｉ）５とフレームメモリ（ＩＩ
Ｉ　）１１の出力（直を減算するための減算器である。

この第２実施例は、増幅型固体撮像素子のように、画素
毎の出力特性が不均一で、固定パターンノイズ（Ｆ　Ｐ
　Ｎ）が著しい撮像素子を用いる場合に適用されるもの
で、第３図に示すように、暗時出力レベルを蓄えるフレ
ームメモリ（ｎｌＨｌを備え、フレームメモリ（Ｉ）５
から表示用フレームメモリ（■）６へ全フレーム信号を
転送する際に、減算器１３にフレームメモリ（Ｉ［ｌ　
）１１に蓄えられている暗時出力レベルを加え、固体撮
像素子１の出力信号値から暗時ＦＰＮ値を引算したもの
を送出することによって、ＦＰＮ、特に光量に依存性を
有しないＦＰＮ成分の影響を受けない画像が得られるよ
うにしたものである。この実施例の場合、複数回読み出
し加算したノイズ（主に読み出しノイズ）同志の引算処
理が入ることにより、実効的なノイズ量は低下し、第１
実施例に比し、Ｓ／Ｎは良くなる利点がある。

なおこの実施例における暗時出力レベルを蓄えるフレー
ムメモリ（Ｉ［［）には、撮像信号と同様に暗時出力信
号を１フィールド撮像期間にｎ回読み出しを行い、それ
ぞれ順次加算した結果を保持させてもよいし、また暗時
出力信号をｍフィールド撮像期間（ｍ：整数）にｎ×ｍ
回読み出しを行い、それぞれ順次加算したのちｍで除算
し平均化した結果を保持させるようにしてもよい。

次に第３実施例を第４図に基づいて説明する。

この実施例は、Ａ／Ｄ変換器のビット数を有効に利用す
るために、Ｋｎｅｅポイントを有するＡ／Ｄ変換器を用
いるものである。これにより、■ビット数の少ないＡ／
Ｄ変換器でも同等の量子化誤差を有する第１実施例と同
等の効果をもつ揚傷装置を実現できる。又は■同じ出力
値にＡ／Ｄ変換時のビット数をより多く割り当てること
によって、Ａ／Ｄ変換後の出力値をより階調をもったき
め細かい画像として再現することができる。

第４図では、γ＝１の光電変換出力特性Ｐを有する撮像
素子の飽和出力に１０ビツトを割り当てた場合を示して
いる。このとき光量Ｅ１に対する出力値には８ビツトを
割り当てることができる。

方、Ｑで示すＡ／Ｄ変換後の出力特性では、予め更に２
倍アンプした後Ａ／Ｄ変換を行うため、光量Ｅ、のＫｎ
ｅｅポイントまでは元と同じ８，５ビツトの階調でＡ／
Ｄ変換を行い、Ｋｎｅｅポイント（光量Ｅ、）以降の光
量域では、２．５倍の粗さでＡ／Ｄ変換を行うため、９
ビツトのＡ／Ｄ変換器で、上記■で示した機能を実現す
ることができる。上記■で示した機能を実現する場合は
、ＫｎｅｅポイントＥ２までの出力値に９．５ビ・７ト
の割り当てを行い、従来のＡ／Ｄ変換法の場合の８．５
ビツトの割り当てと比べ、２倍の階調をもつきめ細かさ
でデジタル変換することができ、再生画像の画質を向上
させることができる。

次に第４実施例について説明する。上記各実施例におい
ては、増幅型撮像素子を用いて高速駆動を行い、撮像素
子全画素に亘って同一フィールド撮像期間内に複数回読
み出しを行う場合について説明をしてきたが、本発明は
、画素読み出しクロック周波数をさほど高速にすること
なく、増幅型撮像素子のＸ−Ｙ画素選択法を利用するこ
とにより、撮像素子の一部の画素領域のみに対して複数
回読み出しを行う場合についても、効果的に適用するこ
とができる。その−例を第５図に示す。通常の動作モー
ドでは、領域（１）の全体に亘って撮像動作を行うが、
この実施例では領域（ｎ）の画素列範囲を適切に選ぶこ
とにより、画素読み出しクロック周波数を通常動作モー
ド時と同等か僅かに速いクロック周波数にするだけで、
領域（ＩＩ）に対して通常の同一フィールド描像期間内
での複数回読み出しが可能となり、したがって領域（Ｉ
Ｉ）の広ダイナミック画像の撮像が可能となる。

次に第５実施例について説明する。増幅型撮像素子にお
いては、通常非破壊読み出しが可能であるため、上記複
数回読み出しの際に、垂直信号線（ビット）単位に画素
リセットを行うことができるピント・リセット法を用い
れば、読み出し選択を行った垂直選択線につながる画素
のうち、ビット・リセントを行っていない画素、例えば
、第５図において領域（ＩＩＩ）における画素について
は、通常フィールド撮像周期に亘って光電荷蓄積が継続
される。その後、複数回読み出しの最後の読み出し期間
又は読み出し期間を別に設けて、複数回読み出しを行わ
ない残りの画素（領域Ｃｍ）の画素）の読み出しを行う
ことにより、画素領域（旧については広ダイナミックレ
ンジ読み出しを行い、残りの画素領域（１）については
通常読み出しを行って、撮像素子駆動速度をさほど高速
にすることなく、本発明の効果を伴った全画素読み出し
が可能となる。

〔発明の効果〕

以上実施例に基づいて説明したように、本発明によれば
、通常の撮像周期において撮像素子が有している限界光
量を越えた入射光量に対しても、撮像素子の飽和を起こ
さずに、すなわち再生画像において白つぶれを起こさず
に、入射光像の再生を行うことができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の詳細な説明するための充電変換特性
図、第２図は、本発明の第１実施例を示すブロック構成
図、第３図は、本発明の第２実施例を示すブロック構成
図、第４図は、本発明の第３実施例を説明するための充
電変換特性図、第５図は、撮像素子の一部の画素領域の
みに対し複数回読み出し方式を適用する場合の説明図、
第６図へ、　（Ｅｌｌは、飽和電荷量の小さい固体撮像
素子及び大きい固体撮像素子の光電変換特性を示す図で
ある。 図において、１は増幅型固体撮像素子、２はプリアンプ
、３はＡ／Ｄ変換器、４は加算器、５はフレームメモリ
（１）、６はフレームメモリ（ＩＩ）、７はＤ／Ａ変換
器、８は同期回路、９は制御回路、１０はモニター、１
１はフレームメモリ（ＩＩＩ）、】２は切り換えスイッ
チ、Ｉ３は減算器を示す。 第１図 入射光量 特許出願人　オリンパス光学工業株式会社代理人弁理士
　　最　　上　　健　　治田 Ｒ 躬峡田Ｒ 剣ド田Ｒ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、高速駆動可能な増幅型固体撮像素子と、該固体撮像
   素子を駆動制御する制御回路と、プリアンプ、Ａ／Ｄ変
   換器、Ｄ／Ａ変換器とからなるデジタル信号処理回路を
   有する撮像装置において、前記制御回路を、１フィール
   ド撮像期間をｎ（ｎ：整数）等分し、そのｎ等分した撮
   像期間に前記固体撮像素子の全画素又は全画素の一部を
   読み出しリセットを行い、この撮像動作を１フィールド
   撮像期間にｎ回連続して行うように構成し、更に前記ｎ
   回の連続撮像動作で得られるｎ個のフィールド画像デー
   タを順次加算し、その結果を保持するための加算器及び
   第１のフレームメモリと、該第１のフレームメモリから
   転送されたＡ、Ｂフィールド画像データを所定の周期で
   送り出すのに用いる第２のフレームメモリとを備えてい
   ることを特徴とする撮像装置。 ２、請求項１記載の撮像装置において、前記増幅型固体
   撮像素子の暗時出力信号を１フィールド撮像期間に同じ
   くｎ回又はｍフィールド撮像期間（ｍ：整数）にｎ×ｍ
   回読み出しを行い、それぞれ順次加算した結果又は順次
   加算後ｍで除算し平均化した結果を保持する第３のフレ
   ームメモリを備え、前記第１のフレームメモリの画像デ
   ータから前記第３のフレームメモリの画像データを減算
   した画像データを、前記第２のフレームメモリに転送す
   るように構成したことを特徴とする撮像装置。 ３、前記Ａ／Ｄ変換器として、Ｋｎｅｅポイントを備え
   たＡ／Ｄ変換器を用いたことを特徴とする請求項１記載
   の撮像装置。 ４、前記増幅型固体撮像素子を、１フィールド撮像期間
   にｎ回の複数回読み出しを行う画素領域と１回の読み出
   しを行う画素領域とに分け、前記制御回路を、ＸＹ画素
   選択法により選択した垂直選択線と垂直信号線の１画素
   のみリセットを可能とするリセット法を用いて、前記各
   画素領域に対してそれぞれ１フィールド撮像期間にｎ回
   の複数回読み出しリセット及び１回読み出しリセットを
   行うように構成したことを特徴とする請求項１記載の撮
   像装置。