JPH08336077A

JPH08336077A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH08336077A
Application number: JP7143435A
Authority: JP
Inventors: Masaru Noda; 勝野田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1996-12-17

Abstract

(57)【要約】【構成】ＣＣＤ撮像素子の１画像分毎の撮像の蓄積時
間の途中において、蓄積時間の推移と共にＣＣＤ撮像素
子のオーバーフロードレインの閾値を低値から順次に高
値へと切り替え変更する手段を設ける。【効果】強入射光量に対して、蓄積期間の途中の一部
の期間に過剰電荷をオーバーフロードレインへ排出する
ことが出来るので、強入射光量領域まで入射光量に比例
した成分を含む信号を撮像素子から取り出すことが可能
となり、撮像素子のダイナミックレンジが拡大される。
したがって、逆光撮影や屋内景と屋外景の混在撮影等に
おいても、黒つぶれや白つぶれの少ない階調再現に優れ
た画像を得ることが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラ，テレビ
カメラ，スチルカメラ，工業用カメラ，マルチメディア
機器への画像取り込みカメラなどに幅広く利用可能な撮
像装置に係り、特に、固体撮像素子を使った撮像装置の
ダイナミックレンジを拡大する技術に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ここでいうダイナミックレンジとは、同
一画面内でどれだけの暗い部分からどれだけの明るい部
分までを再現出来るかという、階調再現範囲を意味す
る。撮像装置を含むビデオシステム系のダイナミックレ
ンジは、人の視覚系に比べて大きく劣っている。このた
め、例えば逆光撮影や屋内景と明るい屋外景の同時撮影
の場合には、それが人の眼では十分見えている条件であ
っても、白つぶれや黒沈みが生じてうまく再現出来ない
ケースが多い。このような問題に対して、特に撮像系で
はダイナミックレンジ拡大が基本的課題とされ、古くか
ら研究開発が続けられてきている。

【０００３】撮像系のダイナミックレンジを制限する要
素としては、光電変換部のダイナミックレンジと信号処
理系のダイナミックレンジとがある。撮像管を光電変換
部とするものでは、ハイライト部においてコメットテー
ルおよびブルーミングが生じてこれがダイナミックレン
ジを制限するため、ＡＢＯ（Automatic Beam Optimize
r）という技術を用いてこれを改善し、定格の入射光量
（定格の白の輝度レベル）に対して８〜１６倍の入射光
量まで耐えうるダイナミックレンジを得ている。また、
信号処理系では、ニー特性による高レベル（定格白を越
えるレベル）圧縮の処理を施し、光電変換部から得られ
る１６倍までの信号を処理出来るようにしている。これ
らについては、例えば、「放送技術」昭和５７年１月号
の１２９頁〜１３３頁の“白つぶれ現象を解消したハイ
ラチチュードカメラ”に記載されている。

【０００４】ところで近年では、光電変換部にＣＣＤ撮
像素子を用いるものが多くなっているが、ＣＣＤ撮像素
子のダイナミックレンジは、撮像管のそれよりも劣るの
が実情である。

【０００５】図２は、ＣＣＤ撮像素子の構造を模式的に
示している。フォトダイオード５１で光電変換されて生
じる信号電荷は、その領域に蓄積時間分蓄積され、その
蓄積信号電荷は、１画像（例えば１フィールド）分の撮
像毎に１回開く読み出しゲート５２を通って、垂直転送
ＣＣＤ５３に移送され、次に、垂直転送ＣＣＤ５３から
順次水平転送ＣＣＤ５４へと転送され、さらに、この水
平転送ＣＣＤ５４から出力アンプ５５へと転送されて、
そこで信号電圧に変換されて出力される。

【０００６】このような構造においてダイナミックレン
ジを制限しているのは、まず、ＣＣＤ撮像素子が取り扱
いうる最大信号量の制約が大きいことである。ＣＣＤ撮
像素子が扱える最大信号量は、大まかに言って、１画素
を構成するフォトダイオード領域，垂直転送ＣＣＤ，水
平転送ＣＣＤの各部の信号電荷許容量に関係し、このう
ちの最初に飽和する（最も容量の小さい）部分の信号電
荷許容量で、最大信号量が決まる。

【０００７】垂直或いは水平転送ＣＣＤ部が飽和する
と、再生画面上では縦或いは横方向の白の尾引きが生じ
るため、普通はフォトダイオード領域が最初に飽和する
ように設計されている。さらに実際には、フォトダイオ
ード領域が飽和すると、信号電荷が周辺画素に溢れてブ
ルーミングを起こすことになるため、図３に示すような
オーバーフロードレイン（以下、ＯＦＤと表記する）構
造を設け、飽和に至る少し手前のレベルから過剰電荷を
ＯＦＤに逃がすようにしている。

【０００８】図３に示したものは縦形ＯＦＤで、フォト
ダイオードで発生する過剰電荷はｎ基板方向に流れる。
基板にかける正電位（Ｖｓｕｂ）で、過剰電荷が流れ出
す閾値を調節する。このようなＯＦＤを設けることによ
り、ＣＣＤ撮像素子の最大信号量は、直接的には、ＯＦ
Ｄの閾値で決まることになる。

【０００９】しかし、ＣＣＤ撮像素子の最大信号量が制
約を受けることの根本要因は、あくまでも前述の通りフ
ォトダイオード領域，垂直転送ＣＣＤ，水平転送ＣＣＤ
の各部の信号電荷許容量であって、これらの許容量が、
素子構造の主に寸法によって支配されている以上、この
最大信号量を自在に大きくすることは事実上不可能であ
る。しかもこのことは、撮像素子の小形化が進むほどよ
り厳しくなる傾向を持つ。

【００１０】次に、もう１つのダイナミックレンジの制
限要因は、ＣＣＤ撮像素子では定格信号レベルをあまり
低く出来ないことである。ＣＣＤ撮像素子では、その雑
音の発生メカニズムの特異性から、信号電流の大きさの
平方根に比例して発生するショット雑音成分が、画面の
暗い部分を除いた大部分の領域のＳ／Ｎを支配する。し
たがって、所望のＳ／Ｎを確保するには、所定の信号電
流を得るように相応量の入射光量を与える必要がある。
通常の設定はその撮像装置の用途によっても異なるが、
定格白レベルにおけるＳ／Ｎが４０ｄＢ〜５０ｄＢとな
るようにしている。このようにして設定された定格白レ
ベルの信号電流は、前述の素子構造から決まる最大信号
量に対してそれほど小さくはならない。定格白レベルを
得る入射光量に対する最大信号量を得る入射光量の倍率
をもってダイナミックレンジを表す指標とし、これを前
述の撮像管の場合と同程度の８〜１６倍とするのが願望
であるが、現状では２〜３倍に留まっているに過ぎな
い。

【００１１】以上述べたように、ＣＣＤ撮像素子のダイ
ナミックレンジは撮像管のそれに比べて数段劣っている
のが現状であり、一方では撮像素子の小形化が進んでい
くなかで、今後一層厳しい方向に向かう状況にある。

【００１２】このような問題に対して幾つかの改善案が
報告されている。その１つは、「テレビジョン学会技術
報告」Vol.18,No.16,PP25〜30,Mar.1994；“対数変換Ｃ
ＣＤラインセンサ”に記載されているもので、各画素に
対数変換特性を持たせ、フォトダイオードで発生した信
号電荷を対数圧縮して蓄積することで、強入射光領域の
ダイナミックレンジを拡大するのがその要点である。５
桁を越える範囲の入射光量変化に対して、対数に比例し
た信号が得られたと報告されており、Ｓ／Ｎを考慮した
としても、かなりの優れたダイナミックレンジが得られ
るものと推定される。しかし、この方法では画素ごとに
対数変換回路を必要とすることから、画素サイズが大き
くならざるを得ないのが欠点と思われる。上記の報告で
は垂直方向に３画素のラインセンサに留まっており、テ
レビ画像に対応するエリアセンサとして完成するには、
まだ多くの課題があるものと推定する。

【００１３】他の１つは、「１９９４年テレビジョン学
会年次大会予稿集」PP479〜480；“高ダイナミックレン
ジカメラ”に記載されているもので、２個のＣＣＤ撮像
素子を用い、２個の間で入射光量に多／少の関係を付
け、２個の撮像素子の出力信号を画像の明部と暗部で切
り替え合成して用いることにより、ダイナミックレンジ
を拡大するのがその要点である。しかし、この方法では
撮像素子を２個必要とすること、分光用プリズムを必要
とすることが問題であり、特殊用途以外は実用性が低い
と考える。

【００１４】さらに他の１つは、「テレビジョン学会技
術報告」Vol.18,No.78,PP19〜24,Dec.1994；“視覚特性
を活かした広ダイナミックレンジ撮像処理技術”に記載
されているもので、ＣＣＤの蓄積時間（露光時間）の異
なる２枚の画像信号を合成して、ダイナミックレンジを
拡大するものである。被写体の低輝度部分ではＣＣＤの
蓄積時間を標準とし、被写体の高輝度部分ではＣＣＤの
蓄積時間を短くすることにより飽和を防止した状態で２
枚の画像を撮像し、この２種類の画像信号をＣＣＤの蓄
積時間比に反比例したゲインをかけて合成する。さら
に、この手法を１個のＣＣＤで実現するために、蓄積時
間を長／短とする２回の撮像を、１フィールド周期の間
にシリアルに行なわせ、先行の撮像信号をディジタルメ
モリに一旦格納したあとで、後行の撮像に同期したタイ
ミングでこれを読み出し、先行，後行の２つの撮像信号
を合成する。合成比率は上記と同様である。これにより
蓄積時間比の分だけダイナミックレンジが改善されると
報告している。しかし、この方法では、１画面分のメモ
リが必要なこと、１フィールド周期の間に２回の撮像を
行なうには高速動作のＣＣＤ撮像素子でなければならな
いことなどが問題である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ＣＣ
Ｄ撮像素子を用いる撮像装置では、ダイナミックレンジ
を拡大することが基本的な課題である。この課題を解決
しようとする技術が幾つか提案されているものの、これ
ら従来技術はそれぞれがまた前記したような新たな副次
的問題を抱えており、依然として課題解決には至ってい
ない。

【００１６】本発明は上記のような課題を解決するため
のものであり、特殊ではないＣＣＤ撮像素子を用い、し
かも、副次的な問題を発生することなくダイナミックレ
ンジを拡大した撮像装置を実現することを目的とするも
のである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ＣＣＤ撮像
素子による１画像（例えば１フィールド）分毎の撮像の
蓄積時間の途中において、蓄積時間の推移と共にＣＣＤ
撮像素子のオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）の閾値を
低値から順次に高値へと１回以上切り替え変更する手段
を設けることによって達成される。

【００１８】

【作用】簡単のため、ＯＦＤ閾値の切り替えが１回の場
合を先ず説明する。１画像分毎の撮像の蓄積時間がＴ
（秒）で、蓄積開始からＴ１（秒）までの第１期間のＯ
ＦＤ閾値がＦ１、Ｔ１からＴまでの第２期間のＯＦＤ閾
値がＦｍであるとする。この場合のＦｍは、従来のＯＦ
Ｄ閾値の設定と同じであり、フォトダイオード領域が飽
和に至る少し前のレベルから過剰電荷をＯＦＤに逃がす
ように出来るだけ高い閾値となっている。この観点で添
字としてｍａｘを意味するｍを付けている。Ｆ１はこれ
より低く設定される。撮像素子のフォトダイオードで光
電変換されて発生する信号電荷はフォトダイオード領域
に蓄積され、１画像分毎の撮像の蓄積時間の推移と共に
増加していく。

【００１９】入射光があまり強くなくて、蓄積電荷がＴ
１までの第１期間において上記のＯＦＤ閾値Ｆ１に達し
ない場合は、第１期間のＯＦＤは特に何らの作用をせ
ず、全蓄積期間Ｔにわたって従来と同様の信号電荷蓄積
が行なわれ、閾値Ｆｍに達した場合にのみ過剰電荷がＯ
ＦＤに逃がされる。

【００２０】一方、入射光が強くて、蓄積電荷がＴ１ま
での第１期間において上記のＯＦＤ閾値Ｆ１に達した場
合は、閾値Ｆ１に達した時点からＴ１までの間にフォト
ダイオードで発生する信号電荷は過剰電荷としてＯＦＤ
に逃がされ、その間の蓄積電荷は一定値Ｆ１に留まる。
時刻Ｔ１においてＯＦＤ閾値がＦ１からそれより高いＦ
ｍに切り替わると、信号電荷の蓄積が再開され、第２期
間の時間の推移と共に信号電荷はＦ１からさらに増加し
ていく。蓄積時間の最終時刻Ｔにおいても蓄積電荷が閾
値Ｆｍに達しない場合について、その最終時刻で得られ
る信号量は、第１期間のＯＦＤ閾値Ｆ１（一定値）に、
時刻Ｔ１からＴまでの間（即ち時間（Ｔ−Ｔ１））を実
効的な蓄積時間とする信号を加えたものとなる。これは
依然として飽和すること無く、入射光量に比例した成分
を含んでいる。このことは、従来に比べてより強い入射
光量領域まで飽和させること無く信号蓄積が出来るとい
うことであり、これによりダイナミックレンジの拡大さ
れた撮像装置が実現される。蓄積時間の最終時刻Ｔ以前
において蓄積電荷が閾値Ｆｍに達する場合についても、
Ｆｍに達する入射光量が従来より高い領域に移り、やは
りダイナミックレンジ拡大の効果がある。

【００２１】

【実施例】以下、実施例により本発明を詳細に説明す
る。

【００２２】〈第１実施例〉図１は本発明の第１実施例
に係る撮像装置の要部構成を示し、図４及び図５はその
動作を説明する図である。図１において、１はＣＣＤ撮
像素子で、その構造は先の従来技術の説明において図
２，図３に掲示したものと同じである。２はカメラ信号
処理部で、ＣＣＤ撮像素子１の出力信号に対し撮像装置
としての既知の種々の処理を加え、出力端子５にビデオ
信号を出力する。３はＯＦＤ閾値切り替え変更手段で、
本発明に特有の部分である。４はＣＣＤ駆動・同期部
で、ＣＣＤ撮像素子１に対しての垂直，水平転送パルス
等のＣＣＤの駆動に必要な各種の駆動パルスの供給や、
カメラ信号処理部２に対しての同期信号や各種のパルス
の供給や、ＯＦＤ閾値切り替え変更手段３に対しての閾
値切り替えタイミングの基準信号の供給等を行う。６は
レンズで、通常は絞り装置等も含む。

【００２３】なお、撮像装置はこれら以外にもいくつか
の構成要素を含むが、本発明には直接関係がないので図
１では省略されている。また、本発明はカラー撮像装
置，モノクローム撮像装置のいずれに対しても適用可能
であるが、この第１実施例では、説明を簡単にするため
にひとまず、モノクローム撮像装置とする。

【００２４】図４の（ａ）は、ＯＦＤ閾値切り替え変更
手段３における閾値切り替え変更パターンを示してい
る。ＯＦＤ閾値Ｆは、１画像分毎の撮像の信号電荷蓄積
開始から時刻Ｔ１までの第１期間においては、閾値Ｆ１
を取り、残りの時刻Ｔ１からＴまでの第２期間において
は、閾値Ｆｍを取る。図示の例では、閾値Ｆ１は閾値Ｆ
ｍに対して１／２に設定され、第１の期間Ｔ１は全蓄積
期間Ｔの３／４に設定されている。

【００２５】図４の（ｂ）は、１画像分毎の撮像の蓄積
信号電荷の推移を、ＯＦＤ閾値切り替え変更パターンと
共に示している。図中で「イ」，「ロ」，「ハ」，
「ニ」の直線または折線は、入射光量が４通りに異なる
場合の蓄積信号電荷の推移を示し、直線または折線の傾
斜部の勾配は入射光量の強さに比例している。

【００２６】図４の（ｂ）における「イ」は、蓄積信号
電荷が時刻Ｔ１において丁度ＯＦＤ閾値Ｆ１に達するよ
うな入射光量を与えた場合であり、蓄積信号電荷は全蓄
積期間Ｔにわたって直線的に増加していき、最終時刻Ｔ
における蓄積信号電荷Ｓは、Ｓ１となる。図から明らか
なように、Ｓ１＝（Ｔ／Ｔ１）Ｆ１で表される。

【００２７】図４の（ｂ）における「ロ」は、仮りに従
来のようにＯＦＤ閾値が全蓄積期間にわたってＦｍ＝一
定であるとした場合の、蓄積電荷が最終時刻Ｔにおいて
丁度ＯＦＤ閾値Ｆｍに達するような入射光量を与えた場
合であり、蓄積信号電荷は、全蓄積期間Ｔの１／２の時
刻Ｔ／２においてＯＦＤ閾値Ｆ１に達し、時刻Ｔ１まで
は一定値（Ｆ１）に留まる。その後、ＯＦＤ閾値がＦｍ
に切り替え変更されると、蓄積信号電荷は再び増加し、
最終時刻Ｔにおける蓄積信号電荷ＳはＳ２となる。これ
は、従来のようにＯＦＤ閾値がＦｍ＝一定の場合に比べ
て、圧縮された量である。

【００２８】図４の（ｂ）における「ハ」は、上記した
「ロ」の２倍の入射光量を与えた場合であり、最終時刻
における蓄積信号電荷Ｓは、Ｓｍ（＝Ｆｍ）となる。こ
こに、Ｓｍの添字ｍは最大値を意味する。

【００２９】図４の（ｂ）における「ニ」は、入射光量
をさらに上記した「ハ」の２倍に増した場合であり、最
終時刻Ｔに至る前に、蓄積信号電荷はＯＦＤ閾値Ｆｍに
達している。この光量では、もはや入射光量に比例した
信号電荷を得ることは出来ない。

【００３０】図５は、入射光量Ｌと、全蓄積期間の最終
時刻Ｔにおける蓄積信号電荷Ｓとの関係を描いたもので
ある。前掲図４の（ｂ）における直線「イ」に相当する
入射光量がＬ１であり、Ｌ１以下の入射光量領域では入
射光量Ｌに比例した蓄積信号電荷が得られ、蓄積信号電
荷Ｓはｋを比例定数として次式で表される。Ｓ＝ｋＬ（１）式但し、Ｌ≦Ｌ１Ｌ１＝｛（Ｆ１／Ｆｍ）／（Ｔ１／Ｔ）｝Ｌ０これは図５において直線「ホ」で示されている。

【００３１】次に、Ｌ１以上、Ｌｍ以下の入射光量領域
では、前掲図４の（ｂ）の「ロ」に示すように、全蓄積
期間のうち、時刻Ｔ１からＴまでの期間の蓄積電荷のみ
が入射光量に比例した信号電荷となり、これにＯＦＤ閾
値Ｆ１に相当する電荷が加わることから、最終時刻の蓄
積信号電荷Ｓは次式で表される。Ｓ＝Ｆ１＋（（Ｔ−Ｔ１）／Ｔ）ｋＬ（２）式但し、Ｌ１≦Ｌ≦Ｌｍこれは図５において、直線「ヘ」で示されている。ここ
に、Ｌｍの添字ｍは飽和直前の最大入射光量を意味す
る。

【００３２】したがって全体では、太直線「ホ」と
「ヘ」のような折線となる。すなわち、入射光量Ｌ１を
ニーポイントとする、ニー圧縮特性が得られたことにな
る。図５から分かるように、ＯＦＤ閾値が従来のように
Ｆｍ＝一定であった場合には、入射光量Ｌ０において信
号電荷が飽和してしまうのに対して、本発明の適用によ
り、信号電荷が飽和する入射光量をＬｍまで拡大出来
る。前述の通り、この実施例の設定では、Ｆ１はＦｍの
１／２、（Ｔ−Ｔ１）／Ｔ＝１／４である。したがっ
て、Ｌｍ／Ｌ０＝２となり、すなわちダイナミックレン
ジを２倍に拡大出来たことになる。

【００３３】ところで、ＯＦＤ閾値切り替え変更パター
ンは、図４の（ａ）に示したものに限らない。他のパタ
ーンの例を図６に示す。同図で太１点鎖線は、前掲の切
り替え変更パターンであり、パターン「チ」，「リ」が
その他の例である。直線「ト」は、全蓄積期間の最終時
刻ＴとＯＦＤ閾値の最終値Ｆｍで決まる点から原点に引
いた直線であり、いずれの切り替え変更パターンもこの
直線「ト」と交差しているのが共通点である。このよう
に、ＯＦＤ閾値切り替え変更時刻Ｔ１またはＴ１’また
はＴ１”と、第１の（低値の）ＯＦＤ閾値Ｆ１またはＦ
１’またはＦ１”とで決まる点が、直線「ト」の右下側
に位置しているときに、本発明によるダイナミックレン
ジ拡大の効果が得られる。

【００３４】〈第２実施例〉次に、ＯＦＤ閾値の切り替
え変更の段数をさらに増やした場合を、本発明の第２実
施例として説明する。

【００３５】図７の（ａ）は、ＯＦＤ閾値切り替え変更
パターンを示し、信号電荷蓄積開始から時刻Ｔ１までの
第１期間においては閾値Ｆ１を取り、時刻Ｔ１からＴ２
までの第２期間においては閾値Ｆ２を取り、さらに時刻
Ｔ２からＴまでの第３期間においては閾値Ｆｍを取る。
図示の例では、閾値Ｆ１は閾値Ｆｍに対して１／２に設
定され、閾値Ｆ２は閾値Ｆｍに対して３／４に設定され
ている。また、第１の期間（Ｔ１）は全蓄積期間Ｔの３
／４に設定され、第２期間（Ｔ２−Ｔ１）は時刻Ｔ１か
らＴまでの期間の３／４に設定されている。したがっ
て、第３期間（Ｔ−Ｔ２）は全蓄積期間Ｔの１／１６と
なっている。

【００３６】図７の（ｂ）は、１画像分毎の撮像の蓄積
信号電荷の推移を、ＯＦＤ閾値切り替え変更パターンと
共に示している。図中で「イ」，「ロ」，「ハ」，
「ニ」の直線または折線は、入射光量が４通りに異なる
場合の蓄積信号電荷の推移を示し、それぞれの入射光量
は前掲図４の（ｂ）の場合と同一である。

【００３７】入射光量の大きい図７の（ｂ）における
「ハ」，「ニ」では、第２期間においてＯＦＤ閾値Ｆ２
に達し、時刻Ｔ２までは一定値（Ｆ２）に留まる。そし
て、第３期間において再び信号電荷蓄積が行なわれ、
「ニ」の場合で最終時刻Ｔで丁度最大値Ｆｍに達する。
前掲図４に示したＯＦＤ閾値切り替え変更パターンの場
合では、入射光量「ニ」のとき最終時刻以前に飽和に至
ったのに対して、今回の第２実施例のＯＦＤ閾値切り替
え変更パターンでは、これが改善されている。

【００３８】図８は、前掲図５と同様に、入射光量を横
軸に取って最終時刻Ｔにおける蓄積信号電荷を表したも
のである。勾配が２段階に圧縮されたニー特性を示す。
太折線の一部をなす３本の直線は、それぞれの領域で次
式で表される。Ｓ＝ｋＬ（３）式但し、Ｌ≦Ｌ１Ｌ１＝｛（Ｆ１／Ｆｍ）／（Ｔ１／Ｔ）｝Ｌ０Ｓ＝Ｆ１＋（（Ｔ−Ｔ１）／Ｔ）ｋＬ（４）式但し、Ｌ１≦Ｌ≦Ｌ２Ｌ２＝［｛（Ｆ２−Ｆ１）／Ｆｍ｝／｛（Ｔ２−Ｔ１）
／Ｔ｝］Ｌ０Ｓ＝Ｆ２＋（（Ｔ−Ｔ２）／Ｔ）ｋＬ（５）式但し、Ｌ２≦Ｌ≦ＬｍＬｍ＝［｛（Ｆｍ−Ｆ２）／Ｆｍ｝／｛（Ｔ−Ｔ２）／
Ｔ｝］Ｌ０上記の式に、前記のＯＦＤ閾値切り替え変更パターンの
諸パラメータを代入するか、または図８から読み取るか
の方法により、最大入射光量ＬｍはＬ０に対して４倍に
拡大されていることが分かる。

【００３９】このような、ＯＦＤ閾値の切り替え変更パ
ターンの多段化をさらに進めることで、原理的には際限
なくダイナミックレンジを拡大することが可能である
が、現実には閾値と切り替えタイミングの実現精度等で
制限される。

【００４０】ところで、入射光量ＬがＬ１以上のときに
は、ＯＦＤが作用している訳であり、このような入射光
量領域では、（４）式，（５）式が示すように、信号電
荷ＳはＯＦＤ閾値Ｆ１またはＦ２の項を含む。ＯＦＤ閾
値は、前述のようにＣＣＤ撮像素子の基板に印加する正
電位（Ｖｓｕｂ）で設定されるものであるが、同じ正電
位（Ｖｓｕｂ）の印加に対しても、ＯＦＤ閾値が１画素
毎に微妙に異なることがあり、このことが原因で、撮像
して得た画面上には高輝度部分でザラザラ状の固定した
雑音（通称面ザラ雑音と呼ばれる）を生じることがあ
る。そこで、この点を考慮した実施例を、次に説明す
る。

【００４１】〈第３実施例〉図９は本発明の第３実施例
に係る撮像装置の要部構成を示す図で、本実施例は、上
記した面ザラ雑音を考慮した１つの実施例である。同図
において、図１の第１実施例と均等な構成要素には同一
符号を付し、その説明は重複を避けるため割愛する。

【００４２】図９において、７は新たに追加された機能
操作手段である。その構造は、例えば、図１０に示すよ
うな操作ボタンなどを備えるものであり、撮像装置の使
用者（カメラマン）による操作を受け付け、ＯＦＤ閾値
切り替え変更手段３に対して、ＯＦＤ閾値切り替え変更
の動作のオン／オフや、ＯＦＤ閾値切り替え変更パター
ンの選択等の指令を発行する。

【００４３】被写体の状況をカメラマンが観察し、コン
トラストがさほどではない、または、コントラストはあ
るものの高輝度部分のディテール再現が必要ない（白く
つぶれてもよい）などと判断した場合には、オフのボタ
ンを押せばよい。こうすることにより、高輝度部分での
面ザラ雑音を防止することが出来る。

【００４４】また、被写体のコントラストが大きく、し
かも、その高輝度部分のディテールの再現が大切と判断
した場合には、オンのボタンを押せばよい。こうするこ
とにより、本発明のダイナミックレンジ拡大の効果が発
揮され、高輝度部分のディテールの再現が可能となる。
さらに、必要とするダイナミックレンジの大きさに応じ
て、ＯＦＤ閾値切り替え変更パターンを選択するボタン
を押せば、最適なディテール再現性能が得られ、前述の
面ザラ雑音の影響を最小限にくい止めることが出来る。
また、オートのボタンは、これを押しておくと、切り替
え変更パターンの選択や機能のオン／オフが自動で行な
われるようにするものである。

【００４５】〈第４実施例〉図１１は本発明の第４実施
例に係る撮像装置の要部構成を示す図で、本実施例は、
上記した切り替え変更パターンの選択や機能のオン／オ
フを自動で行うようにした１つの実施例である。同図に
おいて、図９の第３実施例と均等な構成要素には同一符
号を付し、その説明は重複を避けるため割愛する。

【００４６】図１１において、８は画像評価手段であ
り、カメラ信号処理部２から信号を受け取って、画像の
コントラストや高輝度部分の分布状況等を評価し、ＯＦ
Ｄ閾値切り替え変更機能のオン／オフや切り替え変更パ
ターンの選択等を判定して、その結果を、機能操作手段
７を介してまたは直接にＯＦＤ閾値切り替え変更手段３
へ供給する。これにより、カメラマンの被写体観察やボ
タン操作等の作業負担が軽減される。

【００４７】〈第５実施例〉図１２は本発明の第５実施
例に係る撮像装置の要部構成を示す図で、本実施例は、
本発明をカラーカメラに適用した１つの実施例である。
同図において、前述した各実施例と均等な構成要素には
同一符号を付し、その説明は重複を避けるため割愛す
る。

【００４８】図１２において、１Ｒ，１Ｇ，１ＢはＣＣ
Ｄ撮像素子であり、それぞれ赤（Ｒ），緑（Ｇ），青
（Ｂ）の色光を光電変換する。９は、レンズ６からの入
射光を赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３原色色光に分
解して、上記各ＣＣＤ撮像素子に光を導くためのプリズ
ムである。１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは伸長回路（または
デ・ニー回路とも呼ばれる）である。２’はカラーカメ
ラ信号処理部であり、前記第１実施例におけるカメラ信
号処理部２をカラー用にしたものである。その他は、前
述の実施例と同等である。

【００４９】ＯＦＤ閾値切り替え変更手段３は、前述の
実施例と同様の動作をなし、３個のＣＣＤ撮像素子１
Ｒ，１Ｇ，１ＢのＯＦＤ閾値を、同時に切り替え変更す
る。したがって、３個のＣＣＤ撮像素子１Ｒ，１Ｇ，１
Ｂの光電変換特性（入射光量対出力信号特性）は、前掲
図５または図８と同様の特性を示す。各伸長回路１０
Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、各ＣＣＤ撮像素子１Ｒ，１Ｇ，
１Ｂの光電変換特性と丁度相補の関係となる入出力特性
を有する。

【００５０】このような入出力特性図を、図１３，図１
４に示すが、これらは図５，図８の縦軸と横軸を逆にし
たものに相当する。これにより、各伸長回路１０Ｒ，１
０Ｇ，１０Ｂの出力には、入射光量に対して直線関係の
信号が得られ、後続のカラーカメラ信号処理部２’では
通常のカメラ信号処理を行なえばよい。

【００５１】このように、伸長回路をＲ，Ｇ，Ｂの各チ
ャンネルに設けることの意義は、特に白バランス調整を
し易くすることにある。白バランス調整とは、被写体を
照明する光源の色温度が変わった場合に、白色の被写体
に対するＲ，Ｇ，Ｂの信号量バランスが崩れるのを、各
チャンネルの利得を加減することで合わせ込むものであ
るが、このとき、撮像素子から各チャンネルの利得を加
減する回路までの間に、図５や図８のような非線形があ
ったのではうまくいかない。そこで、本実施例のような
伸長回路を設けて直線に戻す訳である。

【００５２】なお、前掲図９や図１１に示したような、
ＯＦＤ閾値切り替え変更パターンを各種切り替えるよう
な装置にあっては、これに連動して、伸長回路の伸長特
性も変更しなければならないことは言うまでもない。ま
た、カラーカメラ信号処理部２’がディジタル信号処理
方式のものにおいては、伸長回路はディジタル式のもの
であってもよい。この場合は、Ａ／Ｄ変換器が伸長回路
の前段に配置される。もちろん、アナログ式の伸長回路
をＡ／Ｄ変換器の前段に設けることも可能であるが、Ａ
／Ｄ変換器のダイナミックレンジの観点からは、ディジ
タル式伸長回路をＡ／Ｄ変換器の後段に設けるのが得策
である。なおまた、光学系経路に色温度変換光学フィル
タを挿入し、これを各種切り替えて色温度補正するよう
な装置においては、このような伸長回路は必須ではな
い。

【００５３】〈第６実施例〉図１５は本発明の第６実施
例に係る撮像装置の要部構成を示す図で、本実施例は、
本発明を単板式カラーカメラに適用した１つの実施例で
ある。同図において、前述した各実施例と均等な構成要
素には同一符号を付し、その説明は重複を避けるため割
愛する。

【００５４】図１５において、１’は単板式カラーＣＣ
Ｄ撮像素子、２”は単板式カラーカメラ用信号処理部で
あり、単板式カラーカメラ用信号処理部２”には、公知
の機能ブロック、すなわち、輪郭強調回路２１，ガンマ
補正回路２２Ｙ，色分離回路２３、白バランス回路２
４，ガンマ補正回路２２Ｃ，カラーエンコード回路２５
が備えられている。また、１０は伸長回路、１１はＡ／
Ｄ変換器、１２Ｙ，１２ＣはＤ／Ａ変換器である。その
他は、今までの実施例で説明したものと同等である。

【００５５】伸長回路１０は、前掲図１３，図１４に図
示したような伸長特性を有する。このような特性の伸長
回路の実現方法については、例えば特開平３−２９５３
８８号公報に詳述されている。伸長回路１０の出力に
は、入射光量に対して直線関係の信号が得られ、これに
後続する通常の単板式カラーカメラ用信号処理部２”に
おいて、ダイナミックレンジの拡大されたカラービデオ
信号が生成される。

【００５６】ただし、伸長回路１０の出力信号はダイナ
ミックレンジが拡大されているため、単板式カラーカメ
ラ用信号処理部２”はそれに見合った広大なダイナミッ
クレンジを持っていることが必要である。例えば、図８
の撮像素子光電変換特性と図１４の伸長特性との組み合
わせでは、従来に比べて４倍の振幅の信号がカメラ信号
処理部に入力される可能性があり、これに対応するに
は、ディジタル信号処理のビット数を２ビット増やした
設計にすることが望ましい。しかし、このようなビット
数増加が信号処理回路に取って負担となる場合は、例え
ば図８の撮像素子光電変換特性に対して図１３の伸長特
性を組み合わせることで、ビット数を１ビット節約する
ことが出来る。この場合、伸長されない超高輝度部分で
カラーが正しく再生されなくなるかも知れないが、この
ような高輝度部分は元々カラーが重要ではないので、実
用上は十分許容されうることが多い。

【００５７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＣＣＤ撮
像素子の１画像分毎の撮像の蓄積時間の途中において、
蓄積時間の推移と共にＣＣＤ撮像素子のオーバーフロー
ドレインの閾値を低値から順次に高値へと切り替え変更
する手段を設けたことにより、強入射光量に対して、上
記の蓄積期間の途中の一部の期間に過剰電荷をオーバー
フロードレインへ排出することが出来、これにより、強
入射光量領域まで入射光量に比例した成分を含む信号を
撮像素子から取り出すことが可能となり、撮像素子のダ
イナミックレンジが拡大される。そして、本発明を適用
した撮像装置では、逆光撮影や屋内景と屋外景の混在撮
影等においても、黒つぶれや白つぶれの少ない階調再現
に優れた画像を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る撮像装置の要部構成
を示すブロック図である。

【図２】ＣＣＤ撮像素子の構造を模式的に示す説明図で
ある。

【図３】ＣＣＤ撮像素子のオーバーフロードレイン構造
を示す説明図である。

【図４】本発明の第１実施例の動作を説明するため図
で、（ａ）はＯＦＤ閾値切り替え変更手段のＯＦＤ閾値
切り替え変更パターンを示す説明図であり、（ｂ）は蓄
積信号電荷の推移を示す説明図である。

【図５】本発明の第１実施例における、入射光量と全蓄
積期間の最終時刻における蓄積信号電荷の関係を示す説
明図である。

【図６】本発明の第１実施例における、ＯＦＤ閾値切り
替え変更パターンの他の例を示す説明図である。

【図７】本発明の第２実施例の動作を説明する図で、
（ａ）はＯＦＤ閾値切り替え変更手段のＯＦＤ閾値切り
替え変更パターンを示す説明図であり、（ｂ）は蓄積信
号電荷の推移を示す説明図である。

【図８】本発明の第２実施例における、入射光量と全蓄
積期間の最終時刻における蓄積信号電荷の関係を示す説
明図である。

【図９】本発明の第３実施例に係る撮像装置の要部構成
を示すブロック図である。

【図１０】本発明の第３実施例における、機能操作手段
の１例を示す説明図である。

【図１１】本発明の第４実施例に係る撮像装置の要部構
成を示すブロック図である。

【図１２】本発明の第５実施例に係る撮像装置の要部構
成を示すブロック図である。

【図１３】本発明の第５実施例における、伸長回路の特
性を示す説明図である。

【図１４】本発明の第５実施例における、伸長回路の特
性を示す説明図である。

【図１５】本発明の第６実施例に係る撮像装置の要部構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，１Ｒ，１Ｇ，１ＢＣＣＤ撮像素子１’ 単板式カラーＣＣＤ撮像素子２カメラ信号処理部２’ カラーカメラ信号処理部２” 単板式カラーカメラ用信号処理部３ＯＦＤ閾値切り替え変更手段４ＣＣＤ駆動・同期部５出力端子６レンズ７機能操作手段８画像評価手段９プリズム１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ伸長回路１１Ａ／Ｄ変換器１２Ｙ，１２ＣＤ／Ａ変換器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】オーバーフロードレインを備える蓄積型
撮像素子を用いた撮像装置において、上記撮像素子による１画像分毎の撮像の蓄積時間の途中
において、蓄積時間の推移と共に上記オーバーフロード
レインの閾値を低値から順次に高値へと１回以上切り替
え変更するオーバーフロードレイン閾値切り替え変更手
段を設けたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】オーバーフロードレインを備える蓄積型
撮像素子を用いた撮像装置において、上記撮像素子による１画像分毎の撮像の蓄積時間の途中
において、蓄積時間の推移と共に上記オーバーフロード
レインの閾値を低値から順次に高値へと１回以上切り替
え変更するオーバーフロードレイン閾値切り替え変更手
段と、上記撮像素子から出力される信号に対して強入射光量領
域に対応する信号部分を伸長する伸長回路と、を設けた
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】請求項１または２記載において、前記オーバーフロードレイン閾値切り替え変更手段の機
能のオン／オフ操作、乃至閾値切り替え変更パターンの
選択操作を行なう機能操作手段を有することを特徴とす
る撮像装置。
【請求項４】請求項１または２または３記載におい
て、前記オーバーフロードレイン閾値切り替え変更手段は複
数の閾値切り替え変更パターンを有し、画像評価手段の
指令によりその１つが選択されることを特徴とする撮像
装置。