JPH05227467A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 逆光状態の自動判定手段を実現することで、
逆光を含む広範囲な照明条件に対応した自動絞り制御方
式を提供する。 【構成】 固体撮像素子の過剰電荷排出端３０１に接続
され、過剰電荷排出端の電流を測定する過剰電荷電流測
定回路３０２と前記電流測定部で測定された電流から電
子絞り起動時に排出される信号電流や固体撮像素子の暗
電流を除去し撮像面上の飽和照度の入射光による過剰電
荷を測定し、この過剰電荷と素子出力中の最大信号値か
ら入力画像の最大輝度を信号の飽和の如何に関わらず測
定する。これとともに、画郭ないの飽和画素の面積から
画質低下を招かない固体撮像素子撮像面上の最大輝度を
求め、この最大輝度に前記推定した入力画像の最大輝度
がなるように最大輝度・推定回路３０５によって露光制
御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】固体撮象素子を用いたビデオカメ
ラの自動絞り制御回路。

【０００２】

【従来の技術】一般にビデオカメラは被写体の照明状態
に応じて自動的に絞りを制御する自動絞り制御回路をも
っている。このような自動絞りは通常画像信号の平均値
が所定のレベルにあるように絞りを制御することで実現
されている。

【０００３】しかながら、被写体の背景の光量が被写体
の光量に比べて著しく高い、逆光状態と呼ばれる場合は
画像信号の平均値が常に所定レベルにあるように制御さ
れた従来の方式においては対象部の信号レベルが小さく
なり、再生画像上で黒くなってしまうことが起こってい
た。

【０００４】このような状態に対して、従来は逆光補正
スイッチを設けて、逆光状態では自動絞りの制御目標値
を従来上げるとともに信号処理回路で映像信号のγ特性
を変化させて、撮像目標となる被写体のある黒い部分の
信号レベルを引き上げることにより逆光補正を行ってい
た。図６はこの１例である。

【０００５】図６、レンズ１０１と絞り１０２を介して
被写体像は固体撮像素子１０３で映像信号に変換され
る。映像信号は信号処理回路１０４でテレビ信号に変換
される。この過程で撮像素子の光電変換特性とテレビ信
号のγ特性を一致させるためのγ補正処理が施される。
通常、γ補正１０５を介して行われる。一方、撮像信号
は平均値処理１１０を介して画像信号の平均値が求めら
れる。絞りは絞り制御１０７によって、前記画像信号の
平均値が所定の値、通常は映像信号のダイナミックレン
ジの中央値またはこれに準じる値を目標値として、前記
目標値になるようにレンズ絞りの開閉制御を行って自動
絞り制御を行っている。

【０００６】逆光補正は逆光時に逆光補正スイッチを投
入することで、絞り制御の目標値を変更することと、信
号処理回路のγ補正特性を逆光時γ補正１０６変更する
ことによって実現している。

【０００７】しかしながら、前述した手動による補正手
段は、スイッチの投入ミスや切忘れによる撮影の失敗の
原因となり、この手動操作を自動化することが望まれて
いた。

【０００８】このような要求に対して、撮像対象が画面
の中央にあるという仮定に基づいき、画郭の中央光量と
周辺光量の比から逆光状態を判定して逆光に対する自動
的な補正を行わせる提案がなされてきた。図２はその１
例である。同図では、図６に加え、中央平均値２０１と
周辺平均値２０２によって画像信号の各部の平均レベル
を検出し、これを逆光判定２０３によって各部分の信号
レベルの比率から逆光を判定する逆光判定部２０４を加
えている。判定結果にた対応して、逆光補正制御２０５
により絞り制御部１０７の目標値の変更と、γ特性の変
更をする。本例は、図６のの逆光スイッチを逆光補正制
御２０６によって自動化したものである。しかしなが
ら、逆光状態の画像の補正の内容は絞りを開けること
で、黒くなった画像をよく見える状態にすることであ
る。この結果、従来明るい部分であったところは過剰な
光量になり、もとの高輝度部分は撮像素子のダイナミッ
クレンジを越える。この状態では、ダイナミックレンジ
を越えた画像の状態は撮像信号からは検出できなくな
る。

【０００９】結果的には、撮像条件が変化により高輝度
部分がなくなって、補正条件を変えるべき状態になって
も、その変化を画像から判定し補正を解除することがで
きなくなる。このために従来の逆光判定方法は、逆光を
判定することは出来ても適切な時点で逆光状態を脱した
ことを判定することが出来ず、逆光補正の自動化を実現
することはできなっかた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このような状況におい
て、逆光状態の自動判定手段を持った逆光状態に対応で
きる自動絞り制御が必要とされている

【００１１】

【課題を解決するための手段】固体撮像素子の過剰電荷
排出端に接続され、過剰電荷排出端の電流を測定する過
剰電荷電流測定部と前記電流測定部で測定された電流か
ら電子絞り起動時に排出される信号電流や固体撮像素子
の暗電流を除去し撮像面上の飽和照度の入射光による過
剰電荷を測定し、この過剰電荷と素子出力中の最大信号
値から入力画像の最大輝度を信号の飽和の如何に関わら
ず測定する。

【００１２】これとともに、画郭ないの飽和画素の面積
から画質低下を招かない固体撮像素子撮像面上の最大輝
度を求め、この最大輝度に前記推定した入力画像の最大
輝度がなるように露光制御を行う。

【００１３】

【作用】逆光状態の自動判定を行うことにより逆光にお
ける絞り及び信号処理回路の補正制御の自動化を可能に
するので、通常の照明状態から逆光状態までの広い照明
条件に対応した自動絞り制御を実現できる。

【００１４】

【実施例】まず、固体撮像素子の過剰電荷排出端から撮
像素子上の最大照度を与える被写体の輝度を推定する方
法を説明する。

【００１５】図２は本発明の最大輝度推定部の一実施例
を示したものである。同図３０１は固体撮像素子で過剰
電荷排出端を有している。

【００１６】固体撮像素子の過剰電荷排出は種々の方法
がある。ここでは、ＣＣＤ型の撮像素子でよく用いられ
ている垂直オーバールロードレインと呼ばれる半導体基
板へ排出する方法を例に説明する。これ以外の方法も設
定電位やパルス構成などの違いを除いて基本的に同様と
なる。

【００１７】本例の過剰電荷排出端子へは図３(A)に示
す駆動パルスを印加する。図３に示すように一定の電位
である排出しきい電位に垂直走査期間に同期して電子絞
りパルスを加えた駆動パルスとなている。ここで、排出
しきい電位は、画素にあたるホトダイオードの蓄積電位
が一定値に達してから後、ホトダイオードの電位を一定
に設定する電位である。また、電子絞りは、入射光蓄積
時間中に先の排出しきい値を下げてホトダイオードへの
蓄積電荷を排出端より排出することで、実質的な蓄積時
間を短くして絞りとしての動作をさせるものである。従
って、電子絞りは排出端に撮像感度を無くす時間だけ絞
りパルスを印加するように動作する。

【００１８】このような、過剰電荷排出端駆動波形を加
えた場合の過剰電荷排出端電流は同図(B)のようにな
る。すなわち、過剰電荷排出端からは電子絞り動作時の
排出信号電流と入射光が過剰になった時の過剰電荷によ
る電流が含まれる。これらの電流は、さらに基盤の暗電
流などの雑音電流が含まれている。過剰電流計測回路
は、以上図３(A)に示したパルス波形を過剰電荷排出端
に加えるとともに、図３(B)に示した電流波形を測定す
るための回路である。

【００１９】図４にその具体構成の一例を示す。図４で
は電子絞りパルスはダイオード501とコンデンサ502によ
るダイオードクランプ回路を介して排出しきい値の電位
に固定され過剰電荷排出端波形を得ている。

【００２０】この過剰電荷排出端波形は抵抗505と増幅
器504で構成される制御電圧源の入力に接続され、同制
御電圧源の出力は固体撮像素子の過剰電荷排出端に接続
される。この結果、過剰電荷排出端には、抵抗505を介
して過剰電荷排出端波形が印加されるとともに、抵抗50
5の両端には負荷電流となる過剰電荷排出端電流が検出
される。

【００２１】増幅器507と抵抗503、508は差動増幅器を
構成し、抵抗506の両端の電位を増幅して出力端に過剰
電流計測出力を出力している。

【００２２】以上にようにして過剰電荷排出端には図３
で示した駆動電圧が印加されるとともに、その端子電流
が計測出力される。

【００２３】このようにして得られる計測電流には先に
も述べたように、絞りによる信号と暗電流が含まれる。
これらを取り除くのが絞り電流分離回路303と暗電流分
離回路304である。電子絞り駆動中の信号電流は電子絞
りパルスで過剰電流計測出力をマスクして計測出力から
除去することで行える。

【００２４】また、暗電流は短時間の変動が大きいもの
ではないので過剰電荷を発生していない時の過剰電荷排
出電流を計測することで可能となる。

【００２５】具体構成を図５に示す。計測された過剰電
荷排出端の電流は端子６０１に入り、絞り電流分離回路
602と暗電流分離回路611に接続される。絞り電流分離回
路では絞り駆動マスク603により絞り駆動パルスに従っ
て、絞り駆動されていない部分の過剰電流だけが分離さ
れる。分離後、計測電流は積分回路604によって一垂直
走査時間内の総電流とされた後、その値をサンプロホー
ルドによって保持し絞り電流除去出力607とされる。こ
こで積分期間およびサンプリングのタイミングはサンプ
ルパルス発生器１ 608によって、電子絞り駆動パルス
の無い期間の積分と積分期間の終了時点のサンプリング
をおこなう駆動パルスを発生する。

【００２６】同様に暗電流分離回路611では、画像が飽
和信号を含んでいない状態を示す暗電流分離パルス610
と電子絞りが起動していない状態がともに成立した時点
をゲート回路612で得て、ここパルスをもとに暗電流分
離マスク613、積分回路615、サンプルホールド616によ
って画像が飽和信号を含んでいない状態、すなわち過剰
電荷無い状態での電流を検出して暗電流としている。こ
こで積分期間およびサンプリングのタイミングはサンプ
ルパルス発生器２ 614によって、電子絞り駆動パルス
の無い期間の積分と積分期間の終了時点のサンプリング
をおこなう駆動パルスを発生することで行っている。

【００２７】以上のようにして得られる絞り電流を除去
した過剰電荷電流から暗電流を減算308することで過剰
電荷分が検出される。しかし、ながらこのようにして得
られた過剰電荷量は撮像素子画郭ないの総合値であるた
め、撮像素子の入射照度を決定することはできない。そ
こで、画郭ないでの飽和面積からを撮像素子出力信号か
らもとめ、この素子信号の飽和している面積にたいして
先の過剰電荷量を単位面積当りの値に換算して、入射照
度の推定値とする。具体的には、個体撮像素子出力信号
中の飽和レベルに達した画素の数を飽和面積出306によ
り計数して得、最大輝度推定回路305で前記過剰電荷を
前記飽和面積で剰算して推定出力を得る。

【００２８】以上に述べた手段によって、固体撮像素子
への入射最大照度を与える被写体の輝度を撮像素子の過
剰電荷排出端の電流から測定することが可能となる。

【００２９】次に、入射最大輝度を用いて自動露光制御
を行う方法について述べる。図１に自動露光制御装置の
１実施例の構成を示す。

【００３０】ところで自動露光制御は、元来撮像素子の
ダイナミックレンジ内に被写体像の全ての輝度レベルを
入れる事ことである。この意味では撮像信号のピークレ
ベルが常にダイナミックレンジ内に入るように制御すれ
ば良い。しかし、このようにすると例えば逆光状態では
撮像対象が黒くなって結果的には画質低下となることは
先に述べた通りである。そこで、画質低下を招かないよ
うに撮像素子ダイナミックレンジ内に入れるべき被写体
輝度の最大値を画像から決定してこれを被写体像の最大
輝度値として、この最大輝度レベルをダイナミックレン
ジ内に入るように絞り制御するのが自動露光制御とな
る。

【００３１】ここで、問題となるのが最大輝度値であ
る。さきに述べたように、最大輝度値は画像の部分的な
飽和による画質低下を招かない最大度輝度レベルで有
る。しかし、飽和の度合から画質低下程度を導く方法は
現在のところない。そこで本発明では、 ・飽和面積の増加に伴って画質は画低下する ・飽和部分の輝度レベルが飽和値より大きい（強く飽和
している）場合フレア等の影響がでる という経験則を用いる。

【００３２】このことは撮像素子出力信号に対しては、 ・飽和させる面積とその部分の輝度の積が所定値以下で
は飽和させる ・所定値以上では被写体輝度の最大値までをダイナミッ
クレンジに入れるように制御を行う ことを意味する。また、撮像素子撮像面上の最大輝度レ
ベルの目標値を、飽和画素の面積に対して、小面積では
飽和照度以上の目標値に入射最大照度を制御する絞り制
御となる。

【００３３】ところで、既に説明したように固体撮像素
子撮像面上の最大照度は測定が可能である。従って、上
記の制御は測定された最大輝度レベルを飽和面積に応じ
た目標入射照度になるようにレンズ絞り制御を行う一種
のピーク値制御となる。

【００３４】以下図１に従って詳細を説明する。同図に
おいて、被写体像はレンズ１０１を介して固体撮象素子
１０２にの結像され、映像信号として読みだされる。読
みだされた信号は信号処理１０３によってテレビ信号に
変換され出力される。一方、読み出された信号は、固体
撮像素子の過剰電荷排出端とともに先に説明した最大輝
度推定７００に接続され、ここで入射像が飽和して場合
の被写体の最大輝度が推定される。

【００３５】さらに固体撮像素子より読みだれた信号
は、低域ろ波器７０７を介して画像の低域成分のみを取
り出した後、白レベル検出７０６、ベル検出７０５白面
積計測７０４に送られる。白レベル検出７０６では、画
像内の輝度の最大値を白レベルとして検出する。検出さ
れた白レベルは先の最大輝度推定７００の出力と最大輝
度値演算７０２で加算されて、画郭内の最大輝度レベル
出力される。

【００３６】白面積計測では、先に検出された白レベル
にから所定の値低い輝度レベルと画像信号を比較して、
所定の値以上の画素を計数することで白レベルの面積を
求める。得られた白面積は目標値生成７０８へ送られ
る。

【００３７】また、黒レベル検出７０５では、画像内の
輝度の最低値を黒レベルとして検出する。検出された黒
レベルは先に検出された白レベルとコントラスト測定７
０３で比較され、 コントラスト値 ＝ 白レベル／黒レベル として入力画像のコントラストの大きさがして出力され
る。

【００３８】得られたコントラスト値と白面積から入力
画像に対する制御目標値が目標生成７０８で生成され
る。ここで生成される目標値は例えば以下の式で与えら
れる。

【００３９】 目標値＝F1(C,C0)・F2(S)＋(1 - F1(C,C0))・Lmid ここで、Cはコントラスト、C0は通常照明状態と逆光状
態の切り替えしきい値、F1( )は０〜１の値を取るしき
い値関数で例えばシグモイド関数、Sは白面積、F2( )
は白面積に対する白目標値で、面積に対する減少関数と
なり、実験値としてテーブルで与えるかまたは近似値と
して例えばA・exp(- B・S)などの関数で与える、 Lmidは通常照明時の目標値で信号の中央値またはこれに
準じる値 このようにして得られた目標値は、逆光画像などのコン
トラストの大きな画像に対しては飽和信号レベル以上の
値を白レベルの制御目標値として持ち、面積の増加にと
もなって飽和信号値に向かって目標値を下げるものとな
る。また、コントラストの小ささ通常の照明に対する信
号については目標値がダイナミックレンの中央値または
これに準じる値となる。このようにして得られた目標値
は絞り制御１０７で最大輝度値演算７０２の画像の最大
輝度値の制御目標となり、絞り制御を行う。これによっ
て、このようにすること逆光などの画像の状態に適応し
て画質低下を最小とするような部分的な飽和画素をもつ
絞り状態に制御される。

【００４０】ところで、逆光画像で撮像対象が黒くなる
のはCRTなどの上に再生さてた画像の輝度レベルが低い
ためにCRTなどの発光特性上低輝度部分で階調特性が損
なわれているためである。これを回避するには、信号の
最小レベルを先の階調性が損なわれるレベル以上にする
ことである。しかしながら、この階調性の損なわれるレ
ベルは例えばブラウン管の表面反射に原因するものであ
るたに再生系の状態に依存する。すなわち本来は最低輝
度信号レベルは信号源側として操作するべきではない。
しかし、逆光状態のように明らかに信号レベルの多くが
この階調性の損なわれた領域に入る可能性の大きな場合
は信号レベルを操作した方が望ましい画質が得られる。

【００４１】そこで、コントラスト測定７０３の結果か
ら逆光などコントラストが大きな場合に限って、黒レベ
ル検出７０５から得られる最低輝度値が常に階調性の損
なわれると考えられる最低信号レベル以上となるように
γ制御７０１を介してγ補正７０９を制御する。ここ
で、γ制御はペデスタル値を変更して最低輝度レベルを
階調性の保てる領域にあげるとともに、増加した信号の
スパンをダイナミックレンジにおさめるために利得調整
を行うものである。

【００４２】以上説明したように、個体撮像素子の過剰
電荷から推定した被写体の最大輝度値を用いると、絞り
制御を個体撮像素子のダイナミックレンジ以上の信号レ
ベルを得ることができるので、飽和状態にある画像の動
露光制御を一種のピーク値制御として扱うことが可能と
なるために、逆光補正を含めた自動露光制御が可能とな
る。

【００４３】また、本発明の主体でないため詳細は触れ
なかったが、コントラスト測定７０３の出力は図７に示
した従来例の逆光補正制御２０５の入力として用いる事
もできる。この場合、逆光補正は２値的な切り替えとな
るが、画像の飽和状態を含めて常に入力画像のコントラ
ストを検出できるので従来不可能であった逆光時の的切
な制御の切り替えが可能なことは明かである。

【００４４】ところで、従来例においては撮像対象を画
面中央に仮定した中央と周辺のコントラストを用いてい
るが、本発明においても最低輝度を検出している黒レベ
ル検出の検出領域を中央に制限することで同様の効果が
得られることは明かである。しかし、撮像対象部分の推
定に関する点は本発明の主体でないため実施例において
の導入は省略した。

【００４５】

【発明の効果】過剰電荷を検出して、検出電荷量から撮
像素子への最大入射光量を推定することで、ダイナミッ
クレンジを越えた入射光量の状態を計測することが可能
となり、被写体の最大輝度レベルを映像信号の飽和状態
の如何に関われず推定することが可能となる。この推定
値を用いることで、逆状態の画像など画像の一部分を飽
和させる絞り制御を行う場合に付ついても最大輝度値が
えられるために一種のピーク値制御として扱うことが可
能となる。この結果、逆光のようなコントラストの大き
な画像に対しても画質低下を最小とするような絞り制御
が可能となる。この原理に基づく自動露光制御は、通常
の照明状態から逆光状態までの広い照明条件に対応した
自動絞り制御を実現でき、大きな実用化効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動露光制御を持つ固体撮像装置の一
実施例を示したブロック図

【図２】本発明の最大輝度推定部の構成の一実施例を示
すブロック図

【図３】過剰電荷排出端の駆動波形と電流波形を示す波
形図

【図４】過剰電荷検出部の一実施例の回路図

【図５】絞り電流除去と暗電流分離部の構成の一実施例
を示すブロック図

【図６】従来の自動絞りと逆光スイッチの説明図

【図７】従来の自動逆光判定の例を示すブロック図

【符号の説明】

１０３ 固体撮像素子 ７００ 最大輝度推定 ７０２ 最大輝度値演算 ７０３ コントラスト測定 ７０８ 目標値生成 １０７ 絞り制御 １０２ 絞り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五島 雪絵 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体撮像素子の過剰電荷排出端に接続さ
   れ、過剰電荷排出端の電流を測定する電流測定部と前記
   電流測定部で測定された電流から電子絞り起動時に排出
   される信号電流を過剰電荷排出端電流から分離する絞り
   電流分離部と絞り電流を分離された過剰電荷排出端の電
   流から前記固体撮像素子の暗電流を分離する暗電流分離
   部からなる過剰電荷検出部と、前記固体撮像素子の出力
   信号中の飽和信号部分の面積を測定する飽和面積測定部
   と、過剰電荷検出部で検出された過剰電荷と飽和面積か
   ら前記固体撮像素撮像面の最大照度を与える被写体像の
   最大輝度を推定する最大輝度推定部を有することを特徴
   とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】固体撮像素子と、入力に前記固体撮像素子
   の過剰電荷排出端への印加パルスを加え、出力を前記固
   体撮像素子の過剰電荷排出端に接続した制御電圧源より
   構成され、記制御電圧源の電源電流から過剰電荷排出炭
   田流を検出する過剰電荷検出部とを有することを特徴と
   する固体撮像装置。
3. 【請求項３】固体撮像素子と前期固体撮像素子の過剰電
   荷排出端子に接続され、前記固体撮像素子の過剰電荷か
   ら固体撮像素子撮像面上の最大照度を与える被写体の輝
   度を推定する最大輝度推定部と前記最大輝度推定部の出
   力と前記固体撮像素子からの映像信号の最大値を検出す
   る白レベル検出部と前記最大輝度推定部の出力と前記白
   レベル検出部の出力を加算することで映像信号の飽和の
   如何にかかわれず前記固体撮像素子撮像面上の最大輝度
   を検出する白レベル演算部と、前記固体撮像素子の映像
   信号中の白レベル面積を検出する白面積計数部と前記白
   面積から入射画像に応じた固体撮像素子撮像面上の最大
   輝度を算出する制御目標値生成部と前記生成部の出力に
   対応して前記白レベル演算部の出力を絞り制御により一
   致させる絞り制御部を有することを特徴とする固体撮像
   装置。
4. 【請求項４】固体撮像素子と前期固体撮像素子の過剰電
   荷排出端子に接続され、前記固体撮像素子の過剰電荷か
   ら固体撮像素子撮像面上の最大照度を与える被写体の輝
   度を推定する最大輝度推定部と前記最大輝度度推定部の
   出力と前記固体撮像素子からの映像信号のの輝度の最大
   値を検出する白レベル検出部と前記最大輝度推定部の出
   力と前記白レベル検出部の出力を加算することで映像信
   号の飽和の如何にかかわれず前記固体撮像素子撮像面上
   の最大輝度を検出する白レベル演算部と、前記固体撮像
   素子からの映像信号中の最低輝度を検出する黒レベル検
   出部と前記白レベル演算部の出力と前記黒レベル検出部
   の出力から入力画像のコントラストを検出するコントラ
   スト検出部を有することを特徴とする固体撮像装置。
5. 【請求項５】固体撮像素子と前期固体撮像素子の過剰電
   荷排出端子に接続され、前記固体撮像素子の過剰電荷か
   ら固体撮像素子撮像面上の最大照度を与える被写体の輝
   度を推定する最大輝度推定部と前記最大輝度推定部の出
   力と前記固体撮像素子からの映像信号のの輝度の最大値
   を検出する白レベル検出部と前記最大輝度推定部の出力
   と前記白レベル検出部の出力を加算することで映像信号
   の飽和の如何にかかわれず前記固体撮像素子撮像面上の
   最大輝度を検出する白レベル演算部と、前記固体撮像素
   子からの映像信号中の最低輝度を検出する黒レベル検出
   部と前記白レベル演算部の出力と前記黒レベル検出部の
   出力から入力画像のコントラストを検出するコントラス
   ト検出部と前記コントラスト検出部で検出されたコント
   ラスト値に基づき入力画像のコントラストに従って異な
   る制御目標値を出力する目標値生成部と前記目標生成部
   の出力を目標値をして絞り制御を行う絞り制御部を有す
   ることを特徴とする固体撮像装置。
6. 【請求項６】被写体の最大輝度レベルを所定の目標値に
   なるように絞り制御を行う絞り制御部と前記絞り制御を
   行った被写体の撮像信号の最低輝度レベルの映像信号が
   所定の目標値になり、かつ、前記映像信号の最大値が映
   像信号の飽和値以下になるように制御するγ制御部とγ
   補正部を有することを特徴とする固体撮像装置。