JPH04189082A - 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］ 本発明は撮像装置に係り、特に感度の劣化がなく且つ動
解像度の良い撮像装置に関する。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］撮像装
置は、カメラ一体形ＶＴＲやスチル・ビデオ・カメラな
どのビデオ・カメラ部として広く使用されている。撮像
管や固体撮像素子を用いるビデオ・カメラは旧来の銀塩
写真システムに比ベダイナミック・レンジが狭く、従っ
て、逆光時などには白とびゃ黒つぶれ（輝度レベルが著
しく高い又は低い部分の俗称）などが発生する。従来の
ビデオ・カメラではこのような場合、手動又は逆光補正
ボタンの操作により絞りを２絞り分程度開放し、光量を
調整していた。

しかし、このような逆光補正を適切に行った場合におい
て、主たる被写体が適正露光量であっても背景で白とび
が発生してしまい、背景が白いだけの画面になってしま
う場合がある。つまり、従来装置のように主被写体の露
光量が適正になるように光量調整するだけでは、撮像装
置のダイナミック・レンジの狭さは解決されない。

かかる問題を解決するものとして、例えば２回の露光を
行いダイナミック・レンジの拡大を行う方法がある。こ
の方法は通常の露光時間１７６０秒で撮像した画面の飽
和した画素信号を高速シャッタ動作（例えば、　ｌ／１
０００秒）で撮像した画素信号で置換するものである。

この方法では露光時間が約１６倍違うので、ダイナミッ
ク・レンジも約１６倍拡大できる。

このような複数回露光によってダイナミック・レンジの
拡大を行う公知例としては、例えば、特開平１−１７６
１７３号公報、特開昭６３−３０６７７９号公報等があ
る。

前者の公報に開示された撮像装置は、受光素子の両側に
垂直転送ＣＣＤを設け、２回の露光による電荷をそれぞ
れ垂直転送ＣＣＤにメモリするものであるが、このよう
な構成では、受光素子の両側に垂直転送ＣＣＤを設けて
いるために受光素子の有効開口領域が小さく、低感度で
ある。

後者の公報に開示された撮像装置は、フィールド毎に露
光時間を変えるものであるが、露光タイミングが１フイ
一ルド分ずれるため、動解像度が劣化するという問題が
ある。

また、その他の公知例として特願平２−１２４６８５号
に開示された方法があるが、これはフレームインターラ
イン転送型のＣＣＤに関し、２フイールドの信号を時間
差をおいて読み出すものであって、フリッカ対策の出願
である。

本発明は、複数回露光によってダイナミック・レンジの
拡大を行う撮像装置において、感度の劣化がなく且つ動
解像度の良い撮像装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の撮像装置は、複数の受光素子と、該受光素子の
信号電荷を転送する垂直転送手段と、 該垂直転送手段の信号電荷をストレージするストレージ
手段と、 前記垂直転送手段の信号電荷を出力する第一の水平転送
手段と、 前記ストレージ手段の信号電荷を出力する第二の水平転
送手段とを有し、 第一の露光による信号電荷を前記垂直転送手段を通して
前記ストレージ手段に蓄積し、第二の露光による信号電
荷を前記垂直転送手段に蓄積し、前記ストレージ手段の
信号電荷と前記垂直転送手段の信号電荷とを同期して前
記第一の水平転送手段及び第二の水平転送手段より出力
することを特徴とする。

また本発明の撮像装置は、複数の受光素子と、該受光素
子の信号電荷を転送する垂直転送手段と、 該垂直転送手段の信号電荷をストレージするストレージ
手段と、 前記ストレージ手段の信号電荷を出力する水平転送手段
と、 前記水平転送手段からの信号電荷を記憶する記憶手段と
を有し、 第一の露光による信号電荷を前記垂直転送手段を通して
前記ストレージ手段に蓄積し、前記水平転送手段より出
力して前記記憶手段に記憶した後、第二の露光による信
号電荷を前記垂直転送手段を通して前記ストレージ手段
に蓄積し、前記水平転送手段より出力し、 前記記憶手段に記憶した第一の露光による信号電荷と、
前記水平転送手段からの第二の露光による信号電荷とを
同期して出力することを特徴とする。

［作用］ 本発明の撮像装置は、露光量の異なる第一の露光と第二
の露光とによる信号を同時に読み出すことを可能とする
ものであり、受光素子の有効開口領域を小さくすること
がなく高感度であり、１フイ一ルド期間に２度の露光（
光電変換）が行われ、露光タイミングがずれることがな
いため、良好な動解像度を得ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の撮像装置の第１実施例の概略的構成
図である。

第１図において、１０はイメージエリア％２゜はストレ
ージエリア、３０はドレイン、４ｏ及び５０は水平転送
ＣＣＤである。

イメージエリア１０は、受光素子であるフォトダイオー
ド１１と、フォトダイオード１１で光電変換された電荷
を光電変換終了後に一時的に保持するための垂直転送Ｃ
ＣＤ　（垂直レジスタ）１２とが複数列交互に配列され
た構成となっている。

垂直転送ＣＣＤ１２は遮光されており、そこに保持され
た光電荷は垂直転送パルスφ目。）によりストレージエ
リア２０にＣＣＤ転送される。イメージエリア１０の上
部に設けられたドレイン３ｏはイメージエリア１０で発
生した不要な電荷を高速に排除するための電極である。

ストレージエリア２０は全体が遮光されており、イメー
ジエリア１ｏがらの光電荷をストレージする垂直転送Ｃ
ＣＤ　（垂直レジスタ）２１が配列された構成となって
いる。イメージエリア１゜とストレージエリア２０との
間には水平転送ＣＣＤ４０が設けられ、ストレージエリ
ア２０の下ｍには水平転送ＣＣＤ５０が設けられでおり
、それぞれ垂直転送ＣＣＤ１２．２１からの光電荷を出
力アンプへ高速転送する。

以下、上記撮像装置の動作について第２図を用いて説明
する。

第２図は、上記撮像装置の動作を説明するための駆動タ
イミング図である。

フォトダイオード１１は、ｌフィールド期間に２度の露
光（光電変換）が行われる。すなわち、第２図において
、Ｔ１は第一の露光期間、Ｔ２は第二の露光期間である
。なお、ここでは第一の露光期間Ｔ１は第二の露光期間
Ｔ、よりも長くなっている。

まず、第２図に示すように、第一の露光期間Ｔ１の露光
が終了に近づくと、垂直転送ＣＣＤ１２に発生したスメ
ア電荷をドレイン３０に掃き出すために、垂直転送ＣＣ
Ｄ１２に通常の電荷転送と逆方向の転送パルスφＩｌ＋
ｒｌ（図中、パルスＡ）が印加される。

次に、転送パルスφＩｉｎ＋（図中、パルスＢ）を印加
してフォトダイオード１１上の光電荷を垂直転送ＣＣＤ
１２に移し、その後、転送パルスφＩ＋ｎｌ（図中、パ
ルスＣ）及び転送パルスφ、。

（図中、パルスＣ′）を印加して垂直転送ＣＣＤ１２の
光電荷をストレージエリア２０に高速に転送する。なお
、フォトダイオード１１では、光電荷が移されると第二
の露光期間Ｔ１に入る。

次に、転送パルスφ＋１ｎｌ（図中、パルスＤ）を印加
して第二の露光期間Ｔ２に光電変換された光電荷を垂直
転送ＣＣＤ１２に移す。

この時点で垂直転送ＣＣＤ２１には、第一の露光（第一
の露光期間Ｔ１の露光）による信号が蓄積されており、
また垂直転送ＣＣＤ１２には第二の露光（第二の露光期
間Ｔ２の露光）による信号が蓄積されていることになる
。

垂直ブランキング期間が終了すると、映像期間内の１水
平期間（Ｔ、）毎の水平ブランキング期間に、転送パル
スφ目ｎｌ（図中、パルスＥ）及び転送パルスφ□。、
（図中、パルスＥｌが印加されて、垂直転送ＣＧＤＩ２
、垂直転送ＣＣＤ２１の光電荷は、水平転送ＣＣＤ４０
、水平転送ＣＣＤ５０に移される。

そして、この光電荷は水平走査の有効期間内に、水平転
送パルスφ□い、により、出力アンプを経て外部に信号
Ｓ、（第一の露光による信号）、信号Ｓｚ　　（第二の
露光による信号）として出力される。

第３図は、本発明の撮像装置の第２実施例の概略的構成
図である。

なお、第１実施例と同一構成部材については同一符号を
付して説明を省略する。

本実施例の撮像装置は、水平転送ＣＣＤ４０を設けず、
第一の露光による信号電荷を水平転送ＣＣＤ５０から転
送した後に、第二の露光による信号電荷も第一の露光に
よる信号電荷と同様に、水平転送ＣＣＤ５０から転送す
る。

転送された第一の露光による信号電荷はメモリ６０に蓄
積され、第二の露光による信号Ｓ、が出力されると同時
に第一の露光による信号Ｓｌがメモリ６０から出力され
る。

以上説明した本発明の第１及び第２実施例の撮像装置に
おいては、第一の露光による信号Ｓ１と第二の露光によ
る信号Ｓ２とを同時に出力することが可能となる。この
ような撮像装置を用いれば、前述した特開平１−１７６
１７３号公報に開示された撮像装置のように、受光素子
の有効開口領域を小さくすることがないため高感度であ
り、またｌフィールド期間に２度の露光（光電変換）が
行われるため、特開昭６３−３０６７７９号公報に開示
された撮像装置のように、露光タイミングがずれること
がなく、動解像度を劣化させることもない。

以下、前述した本発明による撮像装置を用い、実質的な
ダイナミックレンジが広く、スメア等の生じないビデオ
装置を構成した場合の一例について説明する。

第４図は、上記実施例の撮像装置を利用したビデオ装置
の全体構成ブロック図である。

第５図は、第一の露光時と第二の露光時に得られた信号
Ｓ、、Ｓ、の合成に用いられるサンプルホールドパルス
のタイミング図である。

第６図は、前記ビデオ装置のカメラ信号処理系の各回路
構成部の信号レベルを示す特性図である。

ビデオ装置の構成は、第４図に示すように、光学系１０
０、カメラ信号処理系２００、記録系３００から構成さ
れる。

光学系１００において、レンズ１０１がら入射した被写
体光は、アイリス１０２により光量が制限され、センサ
１０３に結像される。センサ１０３はセンサ駆動回路１
０５により、またアイリス１０２はアイリス駆動回路１
０６により駆動される。

センサ１０３からの信号Ｓ、、Ｓ、は、カメラ信号処理
系２００において、ダイナミック・レンジ拡大のための
信号処理と、一般のカメラ信号処理等がなされる。ここ
で、センサ１０３は第１図又は第３図で示した撮像装置
、信号ｓｌは第一の露光（長時間露光）による信号、信
号Ｓ！は第二の露光（短時間露光）による信号を示す。

以下、第５図及び第６図を用いてカメラ信号処理系２０
０の信号処理動作について説明する。

なお、第４図中、ａ、ｂはそれぞれセンサ１０３の出力
信号（信号Ｓ１．Ｓａ）、ａ′はクランプ回路２２１に
よりクランプされた出力信号、ａ”はホワイトクリップ
回路（Ｗ−Ｃ回路）２２２の出力信号、ｂ、ｂ′は増幅
器２１３の出力信号（この出力信号すはセンサ１０３の
出力信号すと同じ）、ｃ、ｃ’はホールドコンデンサＣ
，の出力信号、ｄ、ｄ’はニー（ＫＮＥＥ）回路２３１
の出力信号である。第６図中、ａ、ａ′。

ａ−、ｂ、ｂ′、ｃ、ｃ′、ｄ、ｄ′は各出力信号の光
鳳−信号レベル特性を示す曲線又は直線である。

まず、センサ１０３からの信号Ｓ１の信号処理について
説明する。

センサ１０３からの信号Ｓ、（出力信号ａ）はセンサ１
０３への光量が強いと、ある信号レベル（第６図中、Ｖ
、、ｔ）で飽和し、第６図の曲線ａのような特性となる
。信号Ｓ、（出力信号ａ）は黒基準部をクランプ回路２
２１でクランプされる。第６図中のＶＣはクランプ電圧
を示す。

電圧■。にクランプされた信号Ｓ、（出力信号ａｉの信
号レベルＶｔｈｉ十Ｖ。以上の部分は、ホワイトクリッ
プ回路２２２でクリップされて、第６図の曲１１ａ″の
ような特性となる。ホワイトクリップは、センサが飽和
するとき、センサの製造プロセスに起因するバラツキが
大きくなるために行うものである。

また、センサ１０３からの信号Ｓｌ　（出力信号ａ）は
、その飽和の有無を検出するため、レベル検出器２２３
に入力される。本実施例での飽和検出レベルはホワイト
クリップレベルＶｔｈ＋＋Ｖｃより電位Ｖｃだけ小さい
電位Ｖ　ｔｒ＋＋に設定する。

レベル検出器２２３は制御回路２２５に接続され、制御
回路２２５はレベル検出器２２３の出力信号により、後
述するサンプルホールドスイッチ２１６．２２６を制御
するためのサンプルホールドパルスＳＨ＋、ＳＨ２を出
力する（第５図図示）。また制御回路２２５は、レベル
検出器２２３．２２４によって調べられた信号Ｓ１のレ
ベル分布（レベル検出器２２３の検出レベルは電位■い
２、レベル検出器２２４の検出レベルは電位Ｖ　ｔａｘ
とする）を調べ、アイリス１０２を最適に設定するよう
、アイリス駆動回路１０６を制御する。

次に、センサ１０３からの信号Ｓ２の信号処理について
説明する。

信号Ｓ２は信号Ｓ、に比較して約ｌ／ｌＧの信号レベル
である。

ここで増幅器２１３のゲインを１とすると、信号Ｓ、（
出力信号ｂ）は増幅器２１３を経て信号レベルはそのま
までクランプ回路２１４に出力信号すとして入力される
。

この時のクランプ電位■。′は、以下のように設定され
る。

長露光時の信号Ｓ、（第６図中、曲線ａ）は前述したレ
ベル検出器２２３により信号レベルＶ　ｔｎ＋以上で飽
和であると判断され、クランプ後にホワイトクリップが
なされる（第６図中、曲線ａ″）、従って、信号Ｓｔ　
　Ｃ出力信号ａ″）の信号レベルＶ　ｔｎ＋　＋　Ｖ　
ｅ以上において、短露光時の信号Ｓ、に置換する必要が
ある。

信号Ｓｌ　（出力信号ａ）の信号レベルＶい、に相当す
る信号Ｓｓ（出力信号ｂ）の信号レベルＶ　Ｌｌｌｌは
、 である。

ここで、信号Ｓｔ　　（第６図中、直線ｂ）のＶＬ□以
上の信号を信号Ｓ、（第６図中、曲線ａ″）の信号レベ
ルＶ　ｔｒ＋　＋　Ｖ　ｃ以上の部分に加算する必要が
ある。そこでクランプ回路２１４のクランプ電位■。′
をクランプ回路２２１のクランプ電位ＶｃよりＶ　ｔｒ
＋＋　−Ｖ　Ｌｌｌだけ大きい電圧にすれば良い、クラ
ンプ回路２１４を経た信号はサンプルホールドスイッチ
２１６に入力される。

サンプルホールドスイッチ２１６は制御回路２２５のサ
ンプルボールドＳＨＩにより、信号Ｓ１が飽和した時に
サンプルホールド動作が行われる。

従ってホールドコンデンサＣＩ４には信号Ｓ１が飽和し
ない時は信号Ｓ、（Ｗ−Ｃ回路２２２の出力、第６図中
の曲＄１！ａ”）がサンプルアンドホールドされ、信号
Ｓ１が飽和した時は信号Ｓ、（クランプ回路２１４の出
力）がサンプルアンドホールドされ、二つの画像信号の
合成が行われる（第６図中、曲ＩＩ　ｃ　）。この信号
はニー（にＮＥＥ）回路２３１で高信号レベルが抑圧さ
れる。

本実施例では高信号レベルにおいて、１ノ４倍の信号レ
ベルの抑圧を行っている。ニー処理が行われた信号ｄは
後段のカメラプロセス回路２３２において、γ処理等、
通常のカメラ信号処理がなされる。

カメラプロセス回路２３２の出力信号は記録装置３０１
に導かれ、ビデオテープあるいはフロッピィディスクに
記録される。

次に、レベル検出器２１０，２１１．制御回路２１２、
増幅器２１３．クランプ電位制御回路２１５について説
明する。

センサー０３への入射光があまり強（なく、ダイナミッ
クレンジの拡大が先に説明した例のように１６倍も必要
でなく、例えば８倍で良い場合について説明する。

レベル検出器２１０では信号レベルＶ　ｔｈ＋　　′（
←Ｖｔｈ、　／１６　）で信号分布を調べ、レベル検出
器２１１では信号し’（ルＶｔｈｘ　’　（”ＦＶｔｈ
２／１６）で信号Ｓ、の信号分布を調べている。

レベル検出器２１０の検出度数が多い場合は、露光時間
Ｔ、を小さく、即ち１／１０００秒よりさらに小さくす
る。レベル検出器２１０の検出度数が小さい場合は、ダ
イナミックレンジを少し狭（しても良いので、制御口ｖ
８２１２により、増幅器２１３のゲインが２倍に設定さ
れる。

２倍に増幅された信号ｂ′はクランプ回路２１４に入力
されるが、クランプ電位■、゛は、Ｖｃ　’　＝Ｖｃ　
＋　Ｖｔｈ、−Ｖ　＜　ｈ　＋に設定されるので、クラ
ンプ出力は信号Ｃ′になる。この信号Ｃ′をニー回路に
通すと信号ｄ′の信号を得ることができる。従って入射
光の強さに応じてニー特性を最適に抑圧し、カメラプロ
セス回路への信号入力を最適に設定することができる。

第７図は他の構成例のビデオ装置の部分構成ブロック図
である。

本実施例はカメラプロセス回路２３２への信号レベルの
調整を増幅器２１３ではなく、ニー回路２３１で行う場
合である。

制御回路２１２よりニー回路２３１のニー特性を１７４
倍、あるいは１７２倍と制御する。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明の撮像装置によれば
、長鎖光信号と短露光信号の複鎖光信号を同時に読み出
すことができ、感度の劣化や動解像の劣化もない信号を
得ることができる。本発明を用いることで、スメアを抑
え、高ダイナミツクレンジの信号を得ることができる撮
像装置を得ることができる。

また、複鎖光信号を同時に読み出すことができるため、
後段のカメラ信号処理回路を簡単に構成できる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の撮像装置の第１実施例の概略的構成
図である。 第２図は、上記撮像装置の動作を説明するための駆動タ
イミング図である。 第３図は、本発明の撮像装置の第２実施例の概略的構成
図である。 第４図は、上記実施例の撮像装置を利用したビデオ装置
の全体構成ブロック図である。 第５図は、第一の露光時と第二の露光時に得られた信号
Ｓ、、Ｓ、の合成に用いられるサンプルホールドパルス
のタイミング図である。 第６図は、前記ビデオ装置のカメラ信号処理系の各回路
構成部の信号レベルを示す特性図である。 第７図は他の構成例のビデオ装置の部分構成ブロック図
である。 １０：イメージエリア、１１：フォトダイオード、１２
：垂直転送ＣＣＤ　（垂直レジスタ）、２０：ストレー
ジエリア、２１：垂直転送ＣＣＤ（垂直レジスタ）、３
０ニドレイン、４０，５０：水平転送ＣＣＤ、６０：メ
モリ。 代理人　　弁理士　山　下　積　平 第１図 Ｉ；坐ｌＬ転基ｃｃ。 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の受光素子と、 該受光素子の信号電荷を転送する垂直転送手段と、 該垂直転送手段の信号電荷をストレージするストレージ
   手段と、 前記垂直転送手段の信号電荷を出力する第一の水平転送
   手段と、 前記ストレージ手段の信号電荷を出力する第二の水平転
   送手段とを有し、 第一の露光による信号電荷を前記垂直転送手段を通して
   前記ストレージ手段に蓄積し、第二の露光による信号電
   荷を前記垂直転送手段に蓄積し、前記ストレージ手段の
   信号電荷と前記垂直転送手段の信号電荷とを同期して前
   記第一の水平転送手段及び第二の水平転送手段より出力
   することを特徴とする撮像装置。
2. （２）複数の受光素子と、 該受光素子の信号電荷を転送する垂直転送手段と、 該垂直転送手段の信号電荷をストレージするストレージ
   手段と、 前記ストレージ手段の信号電荷を出力する水平転送手段
   と、 前記水平転送手段からの信号電荷を記憶する記憶手段と
   を有し、 第一の露光による信号電荷を前記垂直転送手段を通して
   前記ストレージ手段に蓄積し、前記水平転送手段より出
   力して前記記憶手段に記憶した後、第二の露光による信
   号電荷を前記垂直転送手段を通して前記ストレージ手段
   に蓄積し、前記水平転送手段より出力し、 前記記憶手段に記憶した第一の露光による信号電荷と、
   前記水平転送手段からの第二の露光による信号電荷とを
   同期して出力することを特徴とする撮像装置。