JPH04196776A - 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関わり、特に電荷結合素子（以下、
ＣＯＤという）を撮像素子に用いたテレビジョンカメラ
、電子カメラなどの撮像装置に関するものである。

従来の技術 近年、テレビジョンカメラ、電子カメラ等においてＣＯ
Ｄを撮像素子として用いた装置が開発されている。ＣＯ
Ｄは周知のように電荷を半導体中に作られたポテンシャ
ル井戸の中に蓄積し、外部から転送電圧を与えポテンシ
ャルの最小位置を順次動かすことで半導体表面に沿って
転送させるもので、信号蓄積機能と走査機能とを兼ね備
えている機能素子である。ＣＯＤを撮像素子として使う
場合には、受光面に入射する光の強度に比例した電荷を
各ポテンシャル井戸の中に画像信号として蓄える。この
ＣＯＤに入射される光の入力強度に対する出力レベルの
関係は第６図に示すようになり、縦軸、横軸を対数目盛
りとすると入力強度の増加に対して出力レベルは直線的
に増加し、ある入力強度にて出力レベルは飽和し一定値
となる。

この図において出力の雑音レベルに対応する入力レベル
をＮ１　　出力の飽和レベルに対応する入力レベルをＳ
とすると、入力強度の範囲に相当するＣＯＤのダイナミ
ックレンジ（符号りで示す）は次式で表される。

Ｄ＝２０Ｘｌｏｇ（Ｓ／Ｎ）　　　（ｄＢ）ところで、
一般に撮像に必要とされるダイナミックレンジは第６図
のＤで示した入力強度の範囲よりも広く、このため従来
のＣＯＤを用いた撮像装置では第６図のＤで示したダイ
ナミックレンジの範囲に入射光の必要な強度範囲が入る
ように絞り、あるいはＣＯＤに具備された電子シャッタ
機能を用いて入射光量を調節し、ガンマ回路で信号にガ
ンマ補正をかけた後、オートニー回路によりダイナミッ
クレンジを拡大している。オートニーは映像信号の入出
力特性にニーポイント（折れ点）を持たせることによっ
て、映像出力信号で決められた飽和レベル内に５００％
〜θ０ＯＶｏの入力信号を押え込み、ダイナミックレン
ジを確保するものである。

発明が解決しようとする課題 しかし、従来の方法では、ダイナミックレンジは拡大さ
れるが、入射光量が相対的に低いレベルの信号のＳ／Ｎ
は劣化する。本発明はかかる点に鑑み、信号のＳ／Ｎの
劣化を少なくして信号のダイナミックレンジを広げるこ
とができる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 本発明は、入射する光の方向に対して同一直線上に傾斜
して配置された複数のハーフミラ−と、前記ハーフミラ
−で反射１　透過させた光をそれぞれ受光し電気信号に
変換する複数の電子シャッタ付撮像素子と、前記複数の
電子シャッタ付撮像素子の出力を加算する加算器とを備
え、前記複数の撮像素子の電子シャッタスピードを任意
の値に設定し、前記加算器からの出力をビデオ信号とし
て用いるようにした撮像装置である。

作用 本発明は上記した構成により、複数の撮像素子の電子シ
ャッタスピードを任意の値に設定し、複数のハーフミラ
−で入射光を複数の光に分割して前言己複数の電子シャ
ッタ付撮像素子に受光させ、前記複数の電子シャッタ付
撮像素子の出力を加算器で加算し、加算器の出力をビデ
オ信号として用いるために、ビデオ信号にニーポイント
をもたせてダイナミックレンジを拡大し、かつビデオ信
号のノイズレベルを従来よりも小さくすることができ、
ビデオ信号のＳ／Ｎの劣化を従来よりも少なくして電気
信号に変換し得る光信号のダイナミックレンジを広げる
ことができる。

実施例 第１図は本発明の第１の実施例における撮像装置の構成
図を示すものである。第１図において、１は撮影レンズ
、２はハーフミラ−１３ａ、３ｂはそれぞれ第１．第２
の電子ンヤッタ付ＣＣＤ１４は加算器、５はダイナミッ
クレンジ制御部である。本実施例は反射率と透過率の等
しい１枚のハーフミラ−と２つの電子シャッタ付ＣＯＤ
を用いた例である。入射光りが入射される撮影レンズ１
の背後に、入射光りの方向に対して４５°に傾斜したハ
ーフミラ−２が配置されている。但し、ハーフミラ−２
の傾斜角度は入射光りの方向に対して任意の値で良い。

本実施例のハーフミラ−２はその反射光と透過光の強度
差が同等になるような反射率、透過率共に５０％の特性
を有するものであるが、反射率あるいは透過率が任意の
値のハーフミラ−であってもよい。ハーフミラ−２に対
応し、入射光りの方向に直角な方向に第１の電子シャッ
タ付ＣＣＤ３ａが配置され、ハーフミラ−２の背後で入
射光りの方向に第２の電子シャッタ付ＣＣＤ３ｂが配置
されている。それぞれの電子シャッタ付ＣＣＤ３ａ、３
ｂは電子シャッタ機能を用いない場合、ダイナミックレ
ンジＤを有しているとする。電子シャッタ付ＣＣＤ３ａ
、３ｂの出力は加算器４に入力され、加算器４の出力は
ダイナミックレンジ制御部５に入力され、ダイナミック
レンジ制御部５からの出力をビデオ信号として用いるよ
うに構成している。

以上のように構成された本実施例の撮像装置について、
以下その動作を説明する。入射光りは撮影レンズ１を通
過し、その５０％の光はハーフミラ−２で反射し、残り
の５０％は透過する。ハーフミラ−２で反射した光は第
１の電子シャッタ付ＣＣＤ３ａで受光される一方、その
透過光は第２の電子シャッタ付ＣＣＤ３ｂで受光される
。本実施例では第１の電子シャッタ付ＣＣＤ３ａは電子
シャッター機能を用いず、第２の電子シャッタ付ＣＣＤ
３ｂのシャッタスピードを電子シャッタ機能を用いない
場合のフォトダイオードの電荷蓄積時間の１／７．５に
設定しておく。このときのＣＣＤ３ａとＣＣＤ３ｂの電
荷蓄積時間のタイミングチャートを第５図のそれぞれ（
ａ）と（ｂ）に示す。

この場合、入射光りはハーフミラ−２で２分され、さら
にＣＣＤ３ｂは電子シャッタで１／７．５に減衰される
ので、入射光りの強度に対して各電子シャッタ付ＣＣＤ
３ａ、３ｂの入出力特性は第２図に示すように表される
。但し、第２図の縦軸はＣＯＤの出力レベル、横軸は撮
影レンズ１に入射する入射光りの強度（％表示）を表わ
し、第２図の実線は第１の電子シャッタ付ＣＣＤ３　ａ
の入出力特性を示し、第２図の一点鎖線は第２の電子シ
ャッタ付ＣＣＤ３ｂの入出力特性を示している。ＣＣＤ
３ａ、ＣＣＤ３ｂのダイナミックレンジおよびノイズレ
ベルの値は従来例の場合の値（それぞれＤとＮ）と変わ
らない。次に、電子シャッタ付ＣＣＤ３ａ、３ｂにて検
出される信号を加算器４に入力して加算する。撮影レン
ズ１に入射する入射光りの強度に対する加算器４の出力
特性を第３図の実線で示す。第３図の縦軸は加算器４の
出力レベル（％表示）、横軸は撮影レンズ１に入射する
入射光りの強度（％表示）を表わす。第３図から明らか
なように、加算器４の山男信号はニーポイントを持つた
め、ダイナミックレンジが拡大された信号が得られる。

加算器４の出力信号のノイズレベルは２１′２ΦＮにな
る。加算器４の出力信号をダイナミックレンジ制御部５
に入力することにより、信号を適正な出力ピーク値（１
００％）に入るように可変減衰させ、第３図の実線の加
算器４の入出力特性を１／２にした一点鎖線の特性を得
ることができる。このときダイナミックレンジ制御部５
の出力信号のノイズレベルは２１′２・Ｎ／２になり、
従来の方法で得られるビデオ信号のノイズレベルの値Ｎ
よりも小さくすることができる。

したがって、従来に比べて信号のＳ／Ｎは約３ｄＢ改善
される。

以上のように、本実施例によれば、ハーフミラ−によっ
て入射光を２分し、一方は電子シャッタ機能を動作させ
ず、他方は任意の値に電子シャッタスピードを設定した
２つの電子シャッタ付ｃｃＤに各々の光を受光させ、２
つのＣＯＤにて検出される信号を加算器に入力し、加算
器の出力をダイナミックレンジ制御部に入力し、ダイナ
ミックレンジ制御部の出力をビデオ信号として出力する
ことにより、ダイナミックレンジが拡大された従来より
もＳ／Ｈの劣化が少ない電気信号を得ることができる。

本実施例では１枚のハーフミラ−と２つのｃｃＤを用い
て、一方のＣＣＤＬか電子シャッタ機能を動作させてい
ないが、２つのＣＯＤ共に電子シャッタ機能を動作させ
た場合、さらには、複数のハーフミラ−２複数の電子シ
ャッタ付ＣＣＤを用いた場合も同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施例は以上のような動作を行うが、動
きの速い被写体を撮像したときに次のような問題点があ
る。例えばＣＣＤ３ａの電荷蓄積時間内に縦長の白い紙
が画面の左から右へ水平に移動した場合を考える。この
ときの様子を第４図の（ａ）に示す。第４図はテレビ画
面を示すが、第４図の右斜線の部分が移動する前の白い
紙の位置であり、左斜線の部分がＣＣＤ３ａの信号蓄積
時間後の白い厭の位置である。ＣＣ：Ｄ３　ａの電荷蓄
積時間をｔとおくと、画面の水平方向の位置とその部分
に対応するＣＣＤ３ａ、ＣＣＤ３ｂのフォトダイオード
に時間を内に蓄積される電荷との関係をそれぞれ第４図
（ｂ）、　　（ｃ）に示す。第４図の（ｂ）、　　（ｃ
）の横軸は画面の水平の位置を、縦軸はその位置に対応
するフォトダイオードに時間を内に蓄積される電荷量を
表す。第４図の（ｂＬ　　（ｃ）から明らかなように動
きが速い被写体を映した場合、ＣＣＤ３ａとＣＣＤ３ｂ
が検出する信号は相対的に一致せず、タイミングの合致
しない画像が得られる。本発明の第２の実施例は、この
ような問題点を解決し、動きが速い被写体を映した場合
でも、ＣＣＤ３ａとＣＣＤ３ｂが検出する信号は相対的
に一致し、タイミングの合致した画像が得られ、かつ信
号のＳ／Ｎの劣化を従来よりも少なくして信号のダイナ
ミックレンジを広げることができる撮像装置を提供する
ことを目的とする。

本発明の第２の実施例は、第１の実施例と同じ構成で、
電子シャッタ機能を動作させている撮像素子の電荷蓄積
開始時間を垂直走査期間中に等間隔に３箇所以上設定し
、電子シャッタスピードを任意の値に設定するものであ
る。

以上のように構成された本発明の第２の実施例の撮像装
置について、第１図に基づいて以下その動作を説明する
。入射光りは撮影レンズ１を通過し＼　その５０％の光
はハーフミラ−２で反射し、残りの５０％は透過する。

ハーフミラ−２で反射した光は電子シャッタ機能を持た
ないＣＣＤ３ａで受光される一方、その透過光は電子シ
ャッタ付ＣＣＤ３ｂで受光される。電子シャッタ付ＣＣ
Ｄ３ｂの電荷蓄積開始時間はＣＣＤ３ａの電荷蓄積時間
に相当する垂直走査期間中に等間隔に１０箇所設定され
ており、その電子シャッタスピードは電子シャッタ機能
を動作させないときの電荷蓄積時間の１７２０に設定し
ておく。このときのＣＣＤ３ａとＣＣＤ３ｂの電荷蓄積
時間のタイミングチャートを第５図のそれぞれ（ａ）と
（Ｃ）に示す。

この場合、入射光りはハーフミラ−で２分され、さらに
ＣＣＤ３ｂでは電子シャッタで（１／２０）Ｘ１０＝１
／２に減衰されるので、ＣＣＤ３　ａには入射光りの強
度に対して１／２の光を受光し、ＣＣＤ３ｂには入射光
りの強度に対して１／４の光を受光する。このとき、Ｃ
ＣＤ３ａの電荷蓄積時間内に縦長の白い紙が画面の左か
ら右へ水平に移動した場合を考える。ＣＣＤ３　ａの電
荷蓄積時間をｔとおくと、画面の水平方向の位置とその
位置に対応するＣＣＤ３ａとＣＣＤ３ｂのフォトダイオ
ードに蓄積される電荷量との関係を第４図のそれぞれ（
ｂ）と（ｄ）に示す。第４図の（ｂ）と（ｄ）から明ら
かなように、動きが速い被写体を映した場合、ＣＣＤ３
ａとＣＣＤ３ｂが検出する信号は相対的に一致する。こ
れは電子シャッタ付ＣＣＤ３ｂの電荷蓄積開始時間が垂
直走査期間中に１０カ所あるために、ＣＣＤ３ｂに蓄積
される電荷は垂直走査期間内の平均化されたものとなり
、ＣＣＤ３ａで検出される信号と相対的に一致する信号
が得られる。次に、ＣＣＤ３ａと電子シャッタ付ＣＣＤ
３ｂにて検出される信号を加算器４に入力して加算する
。加算器４の出力信号はニーポイントを持つため、ダイ
ナミックレンジが拡大された信号が得られる。加算器４
の出力信号をダイナミックレンジ制御部５に入力するこ
とにより、信号を適正な出力ピーク値に入るように可変
減衰させ、加算器４の入出力特性を１／２にした特性を
得ることができる。このときダイナミックレンジ制御部
５の出力信号のノイズレベルは、第１の実施例と同様に
２１′２・Ｎ／２になり、従来の方法で得られるビデオ
信号のノイズレベルの値Ｎよりも小さ（することができ
、従来に比べて信号のＳ／Ｎは約３ｄＢ改善される。

以上のように、本発明の第２の実施例によれば、ハーフ
ミラ−によって入射光を２分し、一方のＣＯＤは電子シ
ャッタ機能を動作させず、他方のＣＣＤは電子シャッタ
によって電荷蓄積開始時間を垂直走査期間中に等間隔に
１０箇所設定し、電子シャッタスピードを電子シャッタ
機能を動作させないときの電荷蓄積時間の１／２０に設
定し、２つのＣＯＤに各々の光を受光させ、２つのＣＯ
Ｄにて検出される信号を加算器に入力し、加算器の出力
をダイナミックレンジ制御部に入力し、ダイナミックレ
ンジ制御部の出力をビデオ信号として出力することによ
り、動きが速い被写体を映した場合でも、２つのＣＯＤ
で検出される信号は相対的に一致し、タイミングの合致
した画像が得られ、かつ信号のＳ／Ｎの劣化を従来より
も少なくして信号のダイナミックレンジを広げることが
できる。

発明の詳細 な説明したように、本発明の第１の実施例によれハ、複
数のハーフミラ−によって入射光を複数に分割し、電子
シャッタスピードを任意の値に設定した複数の電子シャ
ッタ付ＣＯＤに各々の光を受光させ、複数の電子シャッ
タ付ＣＯＤで検出される信号を加算器に入力し、加算器
の出力を電気的に適正な出力範囲に合うように信号を可
変減衰し、ビデオ信号として出力することにより、信号
のＳ／Ｎの劣化を従来よりも少なくして信号のダイナミ
ックレンジを広げることができ、その実用的効果は大き
い。

また、本発明の第２の実施例によれば、ハーフミラ−に
よって入射光を２分し、一方のＣＣＤは電子シャッタ機
能を動作させず、他方のＣＣＤは電子シャッタによって
電荷蓄積開始時間を垂直走査期間中に等間隔に３箇所以
上設定し、電子シャッタスピードを任意の値に設定し、
２つのＣＣＤに各々の光を受光させ、２つのＣＯＤにて
検出される信号を加算器に入力し、加算器の出力をダイ
ナミックレンジ制御部に入力し、ダイナミックレンジ制
御部の出力をビデオ信号として出力することにより、動
きが速い被写体を映した場合でも、２つのＣＯＤで検出
される信号は相対的に一致し、タイミングの合致した画
像が得られ、かつ信号のＳ／Ｎの劣化を従来よりも少な
くして信号のダイナミックレンジを広げることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１．第２の実施例の構成を示す撮像
装置のブロック図、第２図および第３図は第１図に示す
装置の入出力特性を示す特性図、第４図は速い動きの被
写体を映した場合の画面の様子およびその画面を映した
ときの画面の水平方向の位置とその位置に対応するフォ
トダイオードに時間を内に蓄積される電荷との関係を示
す説明図、第５図は第２の実施例のＣＯＤの電荷蓄積時
間の関係を示すタイミング図、第６図は撮像素子の入力
強度対出力の関係を示す特性図である。 １・・・撮影レンズ、　　２・・・ハーフミラ−Ｎ　　
　３ａ・・・第１の電子シャッタ付ＣＯＤ　（撮像素子
）、３ｂ・・・第２の電子シ″ヤッタ付ＣＣＤ　（撮像
素子）、４・・・加算器、　　５・・・ダイナミックレ
ンジ制御部。 代理人の氏名　弁理士　小鍜治　明　ほか２名籐４図 １１５図 □ →脣濁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射する光の方向に対して同一直線上に傾斜して
   配置された複数のハーフミラーと、 前記複数のハーフミラーで反射、透過させた光をそれぞ
   れ受光し電気信号に変換する複数の電子シャッタ付撮像
   素子と、 前記複数の電子シャッタ付撮像素子の出力を加算する加
   算器とを備え、 前記複数の撮像素子の電子シャッタスピードを任意の値
   に設定し、前記加算器からの出力をビデオ信号として用
   いるようにした撮像装置。
2. （２）入射する光の方向に対して同一直線上に傾斜して
   配置されたハーフミラーと、 前記ハーフミラーで反射または透過させた光を受光し電
   気信号に変換する撮像素子と、 前記ハーフミラーで透過またば反射させた光を受光し電
   気信号に変換する電子シャッタ付撮像素子と、 前記撮像素子の出力と前記電子シャッタ付撮像素子の出
   力とを加算する加算器とを備え、前記電子シャッタ付撮
   像素子の電荷蓄積開始時間を垂直走査期間中に等間隔に
   ３箇所以上設定し、電子シャッタスピードを任意の値に
   設定し、前記加算器からの出力をビデオ信号として用い
   るようにした撮像装置。