JPH0795841B2 - 画像記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は固体撮像素子を用いて
得られた画像、特に静止画を記録する画像記録装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、銀塩フイルムを用いた写真機の代
わりに、静止画を画像信号として記録する画像記録装
置、いわゆる電子カメラが実用化されている。このよう
な画像記録装置では可搬という要求のため、撮像カメラ
としては固体撮像素子が用いられている。ここで、従来
の写真撮影においては、フイルムの種類にもよるが、１
０秒以上の長時間露出が一般撮影あるいは化学分野での
撮影時に行なわれている。一般の写真撮影における露出
時間は、固体撮像素子における受光期間に相当する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】固体撮像素子は受光期
間に光により発生された信号電荷を蓄積する。一般に、
固体撮像素子は入射光に応じた信号電流以外にも熱等に
より発生される暗電流が存在する。そのため、長時間露
出を行なうと、信号電荷より多い暗電流電荷が蓄積され
ることがある。この暗電流電荷は信号電荷と同極性であ
るので、受光期間後にこれを信号電荷から取り除くこと
は困難である。そのため、固体撮像素子を用いて長時間
露出を行なうのはＳ／Ｎ比が低下し画質が低下するの
で、一般的には不可能である。さらに、固体撮像素子の
内部に蓄積できる電荷量は非常に少ないので、長時間露
出により、暗電流電荷が大量に蓄積されることは、カメ
ラのダイナミックレンジを狭くすることにもなり、やは
り、画質の低下につながる。このように、電子カメラは
長時間露出が不可能である。この発明の目的は、長時間
露出により静止画を撮影しても画質が低下することのな
い固体撮像素子を用いた画像記録装置を提供することで
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明の装置は、図１にその一実施例が示される
如く、固体撮像手段（１０）と、前記固体撮像手段から
順次出力される各１フレームのアナログ画像信号を各１
フレームのデイジタル画像信号に順次変換するＡ／Ｄ変
換手段（２０）と、前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される
複数フレームのデイジタル画像信号を順次累積して１フ
レームのデイジタル画像信号として記録する記録手段と
を具備する画像記録装置であって、前記記録手段は： 入力端及び出力端を有して成り１フレームの画像信号を
記憶するメモリ（画素メモリ２４）； 前記Ａ／Ｄ変換手段（２０）の出力信号を受けるための
第１の入力端，前記メモリの出力端から取り出される信
号に相応した信号を受けるための第２の入力端，及び前
記メモリ（２４）の入力端に供給される自己の出力信号
を出力するための出力端を各有して成り、前記Ａ／Ｄ変
換手段（２０）から出力されて自己の前記第１の入力端
に供給される１フレームの画像信号と前記メモリについ
ての読出し動作により該メモリの出力端から出力されて
自己の前記第２の入力端に供給される１フレームの画像
信号との両１フレームの入力画像信号を加算しこの加算
結果を自己の前記出力端より出力して前記メモリ（２
４）の入力端に供給し該メモリ（２４）に新たに書き込
むための加算器（２２）； 前記加算器（２２）の出力端に接続され１フレームの画
像信号中の最小値を検出する最小値検出手段（ＭＡＸ・
ＭＩＮ検出器２６）；及び前記メモリ（２４）の出力端
から取り出される信号を受けるための第１の入力端，前
記最小値検出手段（２６）の出力端から取り出される信
号に相応した信号を受けるための第２の入力端，及び前
記加算器（２２）の第２の入力端に前記メモリの出力端
から取り出される信号に相応した信号を供給するための
出力端とを各有して成り前記メモリについての読出し動
作により該メモリの出力端から出力された信号から前記
最小値を減算して前記メモリの出力端から取り出される
信号に相応した信号であり且つ当該被記録信号に相応す
る信号である当該減算結果の信号を得ると共にこの減算
結果の信号を前記加算器（２２）の第２の入力端に供給
する減算器（３０）を各有する。

【０００５】

【作用】本発明は上記構成をとることにより、撮像素子
に対する比較的短時間の複数回の露光による信号電荷
（画像信号）を毎回読み出して累積することにより、画
質の劣化を来すことなく、長時間露光に相当する映像信
号を得る。

【０００６】

【実施例】以下、図面を説明してこの発明による画像記
録装置の一実施例を説明する。図１はこの実施例の構成
を示すブロック図である。固体撮像素子１０の出力がプ
リアンプ１２、サンプル／ホールド回路１４を介してγ
補正回路１６および表示部１８に供給される。固体撮像
素子１０はマトリクス状に配列された撮像画素を介し、
各画素毎の離散的な画素信号を直列に出力する。この離
散的な画素信号はプリアンプ１２で増幅され、サンプル
／ホールド回路１４でサンプル／ホールドされ連続的な
１本の画像信号とされる。

【０００７】固体撮像素子１０としては、光電変換素子
とスイッチング素子がマトリクス状に並べられるＸ−Ｙ
アドレス型のものや、ＣＣＤ，ＢＢＤ，等の信号電荷転
送型のものが使われる。固体撮像素子１０の例として、
単板式のＣＣＤの一例を図２乃至図４に示す。ここで、
ＣＣＤは受光部５０、蓄積部５２、読出し用水平シフト
レジスタ５４からなるフレームトランスフア型として図
示してあるが、インターライン型でもよい。図２はＲ，
Ｇ，Ｂの各カラー成分がモザイク状に並んだカラーフイ
ルタが受光部５０上にある例である。図３では、水平方
向の画素列毎にＲ，Ｇ，Ｂの各カラー成分が並んだカラ
ーフイルタが受光部５０上にあり、図４ではこれとは逆
に垂直方向の画素列毎にＲ，Ｇ，Ｂの各カラー成分が並
んだカラーフイルタが受光部５０上にある。

【０００８】固体撮像素子１０としては、単板式のみな
らず、図５に示すようなＧとＲ／Ｂの２板式、あるい
は、図６に示すようなＲ，Ｇ，Ｂ各色毎の３板式の撮像
素子を用いてもよい。この実施例では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各
カラーコンポーネント信号が１本の信号として処理され
るので、複数板式の撮像素子の場合は、各カラーコンポ
ーネント信号がマルチプレクサ５６を介して出力され
る。また、カラー画像に限らず白黒画像を対象としても
よい。

【０００９】光情報を電気信号に変換し、さらに、デイ
ジタル化する場合、低照度側でＳ／Ｎ比が低下すること
がある。固体撮像素子自身のＳ／Ｎ比が低照度側で悪い
こともその理由の１つであるが、その他の理由として、
低照度の場合、アナログ信号のレベルが小さいため、こ
れに割り当てられるビット数が少なく、外来ノイズや量
子化ノイズの影響が大きくなるということがあげられ
る。そのため、この実施例では、Ａ／Ｄ変換する前に、
画像信号のγ特性がγ補正回路１６により変換される。
γ補正回路１６の入出力特性を図７に実線で示す。この
ように、γ補正回路１６により低照度側のアナログ値が
増大され、Ｓ／Ｎ比が改善され、画素信号が照度に対し
て非線形とされる。このγ変換はこの発明の本質ではな
いので、必らずしも行なわなくてもよい。

【００１０】図１のγ補正回路１６の出力画像信号はＡ
／Ｄ変換器２０で１画素あたり８ビットのデイジタル信
号に変換される。Ａ／Ｄ変換器２０の出力端が加算器２
２の第１入力端に接続される。加算器２２の出力は画素
メモリ２４に供給される。各画素毎のデイジタル画像信
号は８ビットなので、画素メモリ２４の容量は固体撮像
素子１０の画素数バイトあればよい。

【００１１】画素メモリ２４は具体的には図８に示すよ
うに、８ビットの画像信号の各ビットを格納する８個の
メモリ２４−１，２４−２…２４−８からなる。加算器
２２からのシリアル信号がセレクタ５８を介して、ビッ
ト毎にメモリ２４−１，…，２４−８に振り分けられ
る。各メモリ２４−１，…２４−８からの読出し信号が
マルチプレクサ６０を介して１本の信号とされ出力され
る。画素メモリ２４の出力端が減算器３０の（＋）入力
端に接続される。

【００１２】図１の通り減算器３０の出力端が遅延回路
３２、Ｄ／Ａ変換器３３の入力端に接続される。遅延回
路３２の出力信号が加算器２２の第２入力端に供給され
る。加算器２２の出力信号は最大値／最小値検出器２６
にも供給される。検出器２６は１フレームの画像信号の
なかの最大値、最小値を検出する。検出器２６からの最
大値信号、最小値信号がメモリコントローラ２８に供給
される。メモリコントローラ２８は最小値信号を減算器
３０の（−）入力端に供給する。Ｄ／Ａ変換器３３の出
力が逆γ補正回路３４を介して、表示部１８、記録回路
３６に供給される。逆γ補正回路３４はγ補正回路１６
と逆の変換を行うもので、その入出力特性を図７に破線
で示す。この実施例では、画素メモリ２４に１フレーム
の画像信号が記録されるので、記録回路３６は必らずし
も必要ではないが、特に何フレームもの画像記録を可能
にするために、デイジタル態様の画像信号をアナログ信
号に変換した後、記録回路３６によりＦＭ変調して大容
量の記録媒体４０にヘッド３８を介して再記録するよう
に構成している。大容量記録媒体としては、磁気テー
プ、磁気デイスク、光−磁気デイスク等の記録ヘッドと
の相対運動を伴なう媒体が好ましい。逆γ補正回路３４
の出力は単なる画像信号であるので、表示部１８、記録
回路３６内で適宜、ビデオプロセス処理され、ビデオ信
号に変換される。

【００１３】上述の説明では、γ、逆γ変換はそれぞ
れ、特別の補正回路を用いて行なったが、Ａ／Ｄ変換器
２０、Ｄ／Ａ変換器３３において、非線形的に変形すれ
ば、これらを設けなくてもよい。この場合のＡ／Ｄ変換
器２０、Ｄ／Ａ変換器３３の入出力特性はそれぞれ図
９、図１０に示すようになる。

【００１４】この実施例の動作を説明するに、先ず、こ
の実施例の原理を説明する。この実施例は１フレームの
静止画像信号を画素メモリに書込む際に、露出時間、す
なわち、固体撮像素子の受光期間を複数の小期間に分割
して、各小期間毎の画像信号を累積することにより、１
フレームの静止画像信号を得る。一般に、アナログ領域
での信号処理は時間の経過とともに不確定性が増大す
る。そのため、信号処理においては、信号がアナログ量
である時間を最小にして、アナログ信号を直ちにデイジ
タル信号に変換して、デイジタル領域での信号処理を行
なうことが望ましい。この実施例では、撮像素子より発
生されるアナログ画像信号をある一定時間τ毎に取り出
しデイジタル信号に変換して、画素メモリからの読出し
信号を加算し加算結果を画素メモリに書込む。これをＮ
（複数）回続けることによりＮ×τ時間のアナログ信号
を処理することになる。当該分野で一般に知られている
通り、Ｎ回の信号加算を行なうと、信号（画像信号）に
含まれる暗電流成分の変動、プリアンプノイズ、量子化
ノイズ等のノイズ成分がＮの平方根分の一に圧縮され、
Ｓ／Ｎ比が向上する。

【００１５】以下図１１のフローチャートを参照してこ
の動作を詳細に説明する。動作開始後、先ず、ステップ
１００に示すように累積処理のために画素メモリ２４の
データがクリアされる。次に、ステップ１０５に示すよ
うに、１フレームの画像信号が固体撮像素子１０から読
出される。この撮像素子１０からの信号読出し速度は撮
像素子１０へのクロック信号の周波数によって決められ
ていて、ここでは、動画仕様と同じ毎秒３０フレーム読
出しとする。すなわち、τ＝３０ｍｓであり、この実施
例の動作において、ステップ１０５は３０ｍｓ毎に繰返
されるように、タイミングを制御されている。１フレー
ムの画像信号の読出しが終わると、ステップ１１０に示
すように、固体撮像素子１０からの画像信号と遅延回路
３２の出力、すなわち、画素メモリ２４から読出された
画像信号が加算器２２により加算される。

【００１６】固体撮像素子１０からは３０ｍｓ毎に１フ
レームの画像信号がシリアルに読出されるので、遅延回
路３２は、画素メモリ２４内の記録画像に重畳された画
像のフレームの次のフレームの画像信号が加算器２２に
入力されるときに、画素メモリ２４からの読出し信号を
加算器２２に供給するように位相調整を行なう。ここ
で、固体撮像素子１０からの最初の信号読出し時には、
画素メモリ２４はクリアされているので、固体撮像素子
１０からの信号がそのまま加算器２２の出力端にあらわ
れる。それ以後の読出し時には、今まで読出された画像
信号の累積結果が出力される。ステップ１１５で、加算
器２２の出力する１フレーム分の画像信号が画素メモリ
２４に書込まれる。ここで、各画素毎の画素信号は所定
のアドレス位置に書込まれ、これにより、画像信号の累
積が実現される。画素メモリ２４への信号書込み速度
は、固体撮像素子１０からの信号読出し速度と同一に設
定される。

【００１７】ステップ１２０で、画素メモリ２４に書込
まれた１フレームの画像信号の中の最大値、最小値が検
出器２６により検出される。最大値、最小値信号がメモ
リコントローラ２８に入力される。ステップ１２５で画
素メモリ２４から画像信号が読出される。この読出し速
度も固体撮像素子１０からの読出し速度と同一に設定さ
れる。ステップ１３０で画素メモリ２４から読出された
画像信号から最小値信号が引かれる。これにより、画像
信号中の暗電流成分が除去されることになる。この結
果、撮像素子および画素メモリのダイナミックレンジが
拡大する。

【００１８】次にステップ１３５で最大値が所定値α以
上であるか判定される。ここで、所定値αは固体撮像素
子１０の各画素の蓄積可能電荷量の最大値に設定され
る。そのため、最大値が所定値α以上である場合は、撮
像素子が飽和していることが検出される。最大値が所定
値以下であれば、ステップ１００以下のルーチンが再び
実行され、次のフレーム画素信号の累積が行なわれる。
最大値が所定値以上であればステップ１４０で、減算器
３０の出力がＤ／Ａ変換、逆γ補正され、記録ヘッド３
８により大容量記録媒体４０に再記録されるとともに、
表示部１８で表示される。これにより、１枚の静止画像
の記録が完了する。なお、表示は累積処理中、常に行な
っていてもよい。この場合、最初はノイズの多い画像が
あらわれ徐々にＳ／Ｎのよい画像が表示される。

【００１９】以上説明したように、この実施例によれ
ば、１枚の静止画像の撮像を複数（Ｎ）回に分けて、各
回の撮像結果を累積することにより、長時間露出を行な
っている。このため累積処理中に各種のノイズ成分がＮ
の平方根分の一に圧縮されＳ／Ｎ比が向上される。さら
に、累積の際に暗電流成分を除去しているので、記録画
像のダイナミックレンジが拡大する。各回の撮像期間が
短かい（３０ｍｓ）ので、露光時間をきめ細かく制御で
きる。暗電流成分の除去により画素メモリのダイナミッ
クレンジを有効に使え、画素メモリの容量は少なくてよ
い。また、固体撮像素子の出力を何のビデオプロセス処
理も介さずに、画素メモリに書込むので、画素メモリの
容量は通常のフレームメモリに比べて少なくてすむ。累
積処理中に常に画像を表示させておけば、画像が良化し
ていくプロセスをモニタできる。

【００２０】この実施例は暗い状態で使用されるのはも
ちろん、明るい状態でもレンズを絞り込んで被写界深度
の深い画像を撮像することができる。固体撮像素子の読
出し周期と同期するストロボとともに使えば完全に暗い
場合でも、遠方の被写体を撮像することができる。ま
た、固体撮像素子の感度、暗電流の温度特性が変わって
も、自動的に補償される。

【００２１】なお、上述の説明では、暗電流除去を行な
ったが、露出時間が短かい場合は特に行なわなくてもよ
い。また、露出時間は累積信号の最大値により決定して
いるが、他の方法でもよい。たとえば、１回目の画像信
号の最大値と最小値の差により決定したり、外部測光装
置を用いてマニュアルで決定してもよい。また、画素メ
モリの構成方法、読出しタイミングを変えれば遅延回路
３２は不要となる。固体撮像素子１０の読出しは動画仕
様として説明したが、任意の読出し速度を設定できる。
また、累積が進むにつれて、読出し周期を短かくすれ
ば、より精密な露出制御が可能である。

【００２２】画素メモリ２４の容量は８ビット／１画素
としたが増減は自由である。また、画素メモリ２４の代
わりに、ビデオプロセス処理された映像信号を記録する
フレームメモリを用いてもよい。画素メモリ２４は書込
み、読出しが同時にできるタイプのものが好ましいが、
複数のメモリ系を設けて、書込み、読出しに自由度を持
たせてもよい。また、撮像素子のダークシエーデイング
が画素の位置により異なる場合には、減算器３０で画素
毎に重み付けを行なえばよい。

【００２３】以上説明したように本実施例によれば、長
時間露出が可能な固体撮像素子を用いた画像記録装置が
提供される。また上述における固体撮像素子をデイスク
あるいはテープを用いる他の静止画信号発生器におきか
えれば、静止画像信号のランダム雑音を除去しＳ／Ｎ比
を向上させる画質処理システムが実現される。また、上
述した加算処理は複数回の累積を行なわない場合にも有
効である。この場合は、固体撮像素子への光を遮断した
状態で撮像素子の出力を暗電流成分として画素メモリに
書込み、露出後の撮像素子の出力に、画素メモリの読出
し信号を極性反転して加えれば暗電流が除去される。こ
の場合、２次元的に分布するダークシエーデイングも完
全に補正される。

【００２４】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、実効的に
長時間露出により静止画を撮影しても画質の劣化を来す
ことのない画像記録装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による画像記録装置の一実施例のブロッ
ク図。

【図２】本発明の実施例に適用し得る固体撮像素子の例
を示す図。

【図３】本発明の実施例に適用し得る固体撮像素子の他
の例を示す図。

【図４】本発明の実施例に適用し得る固体撮像素子の他
の例を示す図。

【図５】本発明の実施例に適用し得る固体撮像素子の配
置方式の例を示す図。

【図６】本発明の実施例に適用し得る固体撮像素子の配
置方式の他の例を示す図。

【図７】本発明の一実施例におけるγ補正回路、逆γ補
正回路の入出力特性を示す図。

【図８】本発明の一実施例における画素メモリの構成を
示す図。

【図９】本発明の一実施例の変形例におけるγ補正機能
を有するＡ／Ｄ変換器の特性を示す図。

【図１０】本発明の一実施例の変形例における逆γ補正
機能を有するＤ／Ａ変換器の特性を示す図。

【図１１】本発明の一実施例の動作を示すフローチャー
ト。

【符号の説明】

１０ 固体撮像素子 １６ γ補正回路 ２２ 加算器 ２４ 画素メモリ ２６ 最大値／最小値検出器 ２８ メモリコントローラ ３０ 減算器 ３２ 遅延回路 ３４ 逆γ補正回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体撮像手段と、前記固体撮像手段から順
   次出力される各１フレームのアナログ画像信号を各１フ
   レームのデイジタル画像信号に順次変換するＡ／Ｄ変換
   手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段から出力される複数フレー
   ムのデイジタル画像信号を順次累積して１フレームのデ
   イジタル画像信号として記録する記録手段とを具備する
   画像記録装置であって、 前記記録手段は： 入力端及び出力端を有して成り１フレームの画像信号を
   記憶するメモリ； 前記Ａ／Ｄ変換手段の出力信号を受けるための第１の入
   力端，前記メモリの出力端から取り出される信号に相応
   した信号を受けるための第２の入力端，及び前記メモリ
   の入力端に供給される自己の出力信号を出力するための
   出力端を各有して成り、前記Ａ／Ｄ変換手段から出力さ
   れて自己の前記第１の入力端に供給される１フレームの
   画像信号と前記メモリについての読出し動作により該メ
   モリの出力端から出力されて自己の前記第２の入力端に
   供給される１フレームの画像信号との両１フレームの入
   力画像信号を加算しこの加算結果を自己の前記出力端よ
   り出力して前記メモリの入力端に供給し該メモリに新た
   に書き込むための加算器； 前記加算器の出力端に接続され１フレームの画像信号中
   の最小値を検出する最小値検出手段；及び 前記メモリの出力端から取り出される信号を受けるため
   の第１の入力端，前記最小値検出手段の出力端から取り
   出される信号に相応した信号を受けるための第２の入力
   端，及び前記加算器の第２の入力端に前記メモリの出力
   端から取り出される信号に相応した信号を供給するため
   の出力端とを各有して成り前記メモリについての読出し
   動作により該メモリの出力端から出力された信号から前
   記最小値を減算して前記メモリの出力端から取り出され
   る信号に相応した信号であり且つ当該被記録信号に相応
   する信号である当該減算結果の信号を得ると共にこの減
   算結果の信号を前記加算器の第２の入力端に供給する減
   算器 を各有するものであることを特徴とする画像記録装置。
2. 【請求項２】前記加算器の出力端に接続され１フレーム
   の画像信号の最大値を検出する最大値検出手段と、この
   最大値検出手段により検出された最大値が所定値以上で
   あると前記メモリへの書き込みを停止する手段とを更に
   具備することを特徴とする請求項１に記載の画像記録装
   置。
3. 【請求項３】前記固体撮像手段は各分光成分毎の画像信
   号をパラレルに出力する方式のものであり、前記Ａ／Ｄ
   変換手段及び前記記録手段は前記各分光成分毎に設けら
   れるものであることを特徴とする請求項１に記載の画像
   記録装置。
4. 【請求項４】前記固体撮像手段は各分光成分毎の画像信
   号をパラレルに出力する方式のものであり、前記Ａ／Ｄ
   変換手段、加算器、メモリ、最小値検出手段、及び、減
   算器は各分光成分毎に夫々設けられるものであることを
   特徴とする請求項１に記載の画像記録装置。