JPH114326A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】入射光強度のダイナミックレンジを拡げて階調
再現性を高めるとともに、撮像時間の短縮を図る。 【解決手段】複数の光電変換手段３１，３２と、複数の
光電変換手段のそれぞれの受光面に被写体像を結像する
ためのレンズ２１と、レンズを透過した被写体光Ｌを、
複数の光電変換手段のそれぞれの受光面に光量が互いに
異なるように振り分けて導く光路分岐手段２２と、少な
くも１つの光電変換手段の出力値に応じて、複数の光電
変換手段のそれぞれによって得られた撮像情報を択一的
に選択するとともに、光路分岐手段による振分けにおけ
る光量の比率に応じて、最も光量の少ない光電変換手段
を除く他の光電変換手段によって得られた撮像情報を補
正する信号処理手段４０とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イメージスキャナ
・ディジタルカメラなどの光電変換を行う撮像装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像デバイスの中でも特にＣＣＤイ
メージセンサは、スキャナやディジタルカメラなどに広
く用いられている。ＣＣＤにおいては、受光量が適正範
囲内であれば、出力が受光量にほぼ比例（又は対数比
例）するものの、受光量が過大であると出力信号が飽和
し、過少であると暗電流によってＳＮ比が低下する。こ
のため、例えば画像の濃淡差（コントラスト）の大きい
画像や透明シート原稿の読取りに際して、撮像のダイナ
ミックレンジが不十分となって、低濃度部や高濃度部の
階調再現性が低下する場合がある。

【０００３】従来において、ダイナミックレンジを拡げ
るために電荷の蓄積時間を変えて２回の撮像を行う手法
が提案されている（特開平５−１７６２３３号）。蓄積
時間を短くすれば、高輝度の画素における光電変換出力
の飽和が避けられる。逆に蓄積時間を長くすれば、低輝
度の画素におけるＳＮ比が高くなる。したがって、１回
目の撮像データを記憶しておき、個々の画素について１
回目と２回目の撮像データのうちの光電変換特性におけ
る適正範囲に対応した一方のデータを出力対象として選
択すれば、実質的にダイナミックレンジが拡がる。つま
り、同一の被写体に対する２種の撮像データのうち、よ
り好ましい露光条件で撮像された方を有効とする。そし
て、蓄積時間の相違にともなう光電変換出力レベルの差
異を補うデータ調整を行う。例えば１回目と２回目の蓄
積時間の比を２対１とした場合、蓄積時間が短くて撮像
期間中の受光量が少ない２回目の撮像データを採用した
画素については、データ値を２倍にする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来では、１つの被写
体に対して２回の撮像を行うので、撮像に要する時間が
長いという問題があった。特に、ラインセンサと副走査
機構とによってライン順次形式で高解像度の読取りを行
うスキャナでは、エリアセンサによる場合と比べて１回
当たりのスキャンニング時間が長いので、問題が深刻で
あった。また、少なくとも１回分の撮像データを記憶し
ておかなければならないので、高解像度（画素数の増
大）にともなってメモリ容量が増大し、装置価格が上昇
するという問題もあった。

【０００５】本発明は、入射光強度のダイナミックレン
ジを拡げて階調再現性を高めるとともに、撮像時間の短
縮を図ることを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】シート原稿を含む各種の
被写体の光学像を、異なる明るさの複数の像に光学的に
分割し、分割後の各像をそれぞれに対して設けた光電変
換手段によって同時に画像信号に変換する。そして、従
来と同様に光電変換特性の上で最も好ましい画像信号を
有効な撮像情報として選択するとともに、必要に応じて
像の明るさの差異を補うデータ調整を行う。例えば、最
も光量の多い光電変換手段に合わせるように、他の光電
変換手段によって得られた撮像情報を所定数倍する。

【０００７】光学像の分割は、ビームスプリッタ、ハー
フミラーなどによって実現できる。ハーフミラーとフィ
ルタとを組み合わせるというように、光路の分岐と光量
分配とを別々の光学部品で行ってもよい。必ずしも複数
の光電変換手段の動作特性を揃える必要はないが、同じ
特性のものを用いるのがデータ調整の便宜の上で好まし
い。

【０００８】請求項１の発明の装置は、被写体像を電気
信号に変換する撮像装置であって、複数の光電変換手段
と、前記複数の光電変換手段のそれぞれの受光面に被写
体像を結像するためのレンズと、前記レンズを透過した
被写体光を、前記複数の光電変換手段のそれぞれの受光
面に光量が互いに異なるように振り分けて導く光路分岐
手段と、少なくも１つの光電変換手段の出力値に応じ
て、前記複数の光電変換手段のそれぞれによって得られ
た撮像情報を択一的に有効情報として選択するととも
に、前記光路分岐手段による振分けにおける光量の比率
に応じたデータ補正を行う信号処理手段と、を有してい
る。光路分岐手段は、単一の光学部品又は複数の光学部
品からなる。

【０００９】請求項２の発明の装置は、動作特性が実質
的に等しい第１及び第２の光電変換手段を有し、前記光
路分岐手段が、前記第２の光電変換手段の受光量が前記
第１の光電変換手段より多くなるように前記被写体光を
振り分け、前記信号処理手段が、前記第２の光電変換手
段の出力値が非飽和範囲であれば前記第２の光電変換手
段によって得られた撮像情報を有効情報として選択し、
前記第２の光電変換手段の出力値が飽和範囲であれば前
記第１の光電変換手段によって得られた撮像情報を有効
情報として選択するように構成されたものである。

【００１０】請求項３の発明の装置において、前記複数
の光電変換手段は、固体撮像素子アレイであって、共通
のパッケージに隣接して納められている。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るスキャナ１の
要部の概略図、図２は結像光学系の構成図である。

【００１２】スキャナ１は、縮小投影型ライン順次スキ
ャンニング方式の撮像装置であって、ディジタル複写機
の画像読取り手段、コンピュータシステムの画像入力手
段などとして利用される。

【００１３】原稿台ガラス１１の下方に、副走査機構を
構成する第１及び第２の可動ユニット１２，１５が配置
されている。第１の可動ユニット１２には照明ランプ１
３とミラー１４とが取付けられており、第２の可動ユニ
ット１５には２個のミラー１６，１７が固定されてい
る。スキャンニングにおいて、第２の可動ユニット１５
は、光路長が一定になるように第１の可動ユニット１２
の１／２の速度で移動する。原稿で反射した照明光はミ
ラー１４，１６，１７で反射し、被写体光Ｌとしてレン
ズ２１に入射する。レンズ２１は、撮像倍率に応じた位
置に配置され、光電変換手段の受光面（撮像面）に被写
体像を結像する。

【００１４】スキャナ１においては、本発明の目的を達
成するため、光電変換手段として特性の等しい第１及び
第２の１次元ＣＣＤイメージセンサ（ラインセンサ）３
１，３２が実装されている。また、レンズ２１の結像側
に光路分岐手段としてのビームスプリッタ２２が配置さ
れている。ビームスプリッタ２２は、レンズ２１を透過
した結像光である被写体光Ｌを光量（強度）の異なる第
１及び第２の被写体光Ｌ１，Ｌ２に分離する。すなわ
ち、被写体像をラインセンサ３１とラインセンサ３２と
に一定の光量配分で振り分ける。本実施形態では、被写
体光Ｌ１と被写体光Ｌ２との相対光量比が１：２となる
ように、ビームスプリッタ２２の光学特性が設計されて
いる。２個のラインセンサ３１，３２は同時に駆動さ
れ、それぞれの出力は信号処理回路４０に入力される。

【００１５】図３は光電変換特性を示すグラフである。
横軸はビームスプリッタ２２における入射光強度（受光
量）を、縦軸は光電変換出力の大きさをそれぞれ表して
いる。曲線ＣＬ１は第１のラインセンサ３１の入出力関
係、曲線ＣＬ２は第２のラインセンサ３２の入出力関係
をそれぞれ表している。

【００１６】曲線ＣＬ１では入射光強度がＩＬ１〜ＩＨ
１の範囲で直線特性を有し、そのときの出力信号レベル
はＶＬ〜ＶＨとなる。また、曲線ＣＬ２では入射光強度
がＩＬ２〜ＩＨ２の範囲で直線特性を有し、そのときの
出力信号レベルはＶＬ〜ＶＨとなる。図３で明らかなよ
うに、ＩＬ２＜ＩＬ１、ＩＨ２＜ＩＨ１である。したが
って、入射光強度が高い部分（ＩＨ２〜ＩＨ１の部分）
は曲線ＣＬ１を用い、入射光強度が低い部分（ＩＬ２〜
ＩＨ２の部分）は曲線ＣＬ２を用いることによって、入
射光強度のダイナミックレンジが広がる。つまり、ＩＨ
２〜ＩＨ１の範囲では第１のラインセンサ３１の出力信
号を２倍して用い、ＩＬ２〜ＩＨ２の範囲では第２のラ
インセンサ３２の出力信号をそのまま用いることによっ
て、Ｌ２〜ＩＨ１に対して出力信号レベルがＶＬ〜２・
ＶＨとなる広い範囲にわたって直線性を有する特性（曲
線ＣＬＳ１で示される）を得ることができる。

【００１７】なお、受光量の多い側の光電変換出力を減
じて出力レベルを合わせることも可能であるが、上述の
ように受光量の少ない側の光電変換出力を逓倍する方が
ＳＮ比の点で望ましい。

【００１８】図４は信号処理回路４０のブロック図であ
る。信号処理回路４０は、２個のＡＤ変換器４１，４
２、比較器４４、セレクタ４５、クロック発振器４６、
及びタイミングジェネレータ４７から構成されている。

【００１９】ラインセンサ３１，３２は、それぞれが約
５０００個の受光素子を有しており、蓄積期間における
各受光素子の入射光量に応じたアナログの光電変換信号
ＡＤ１，ＡＤ２を出力する。各受光素子が１つの画素に
対応し、１ライン分の画像情報がタイミングジェネレー
タ４７からのクロックＣＬＫに同期して画素毎にシリア
ルに出力される。なお、蓄積期間の長さはタイミングジ
ェネレータ４７からのタイミング信号Ｓ１，Ｓ２の間隔
によって決まる。

【００２０】ＡＤ変換器４１は、ラインセンサ３１から
の光電変換信号ＡＤ１を画素毎に例えば８ビットの撮像
データＤＤ１に変換する。同様に、ＡＤ変換器４２は、
ラインセンサ３２からの光電変換信号ＡＤ２を撮像デー
タＤＤ２に変換する。これら撮像データＤＤ１及び撮像
データＤＤ１は、セレクタ４５に選択肢として入力され
る。セレクタ４５は、比較器４４からの選択信号Ｓ４に
従って、同一の被写体に対する２つの光量水準の撮像デ
ータＤＤ１，ＤＤ２のうちの一方を、有効な情報として
選択して出力する。

【００２１】比較器４４は、第２のラインセンサ３２の
出力に対応した撮像データＤＤ２を画素毎に基準データ
Ｄｒｅｆと比較し、基準データＤｒｅｆよりも撮像デー
タＤＤ２の方が大きい場合に選択信号Ｓ４を出力する。
基準データＤｒｅｆは、ラインセンサ３２の光電変換特
性における受光量の適正範囲の上限値（ＩＨ２）に対応
した撮像データ値（ＶＨ）である。

【００２２】基準データＤｒｅｆよりも小さい撮像デー
タＤＤ２は、光電変換特性における非飽和範囲のデータ
である。これに対して、基準データＤｒｅｆを越える撮
像データＤＤ２は飽和範囲のデータであって、被写体の
明度を正しく表すものではない。そこで、基準データＤ
ｒｅｆよりも撮像データＤＤ２の方が大きい場合、すな
わち、選択信号Ｓ４がアクティブの場合に、セレクタ４
５は第１のラインセンサ３１の出力に対応した撮像デー
タＤＤ１を選択して出力する。上述したように個々の画
素に注目したとき、第１のラインセンサ３１の受光量は
第２のラインセンサ３２の１／２であるので、第２のラ
インセンサ３２では受光量が過大であったとしても、極
端に明るい場合を除けば第１のラインセンサ３１では受
光量が適正である。選択信号Ｓ４がノンアクティブのと
きには、ＳＮ比の点で有利な第２のラインセンサ３２に
対応した撮像データＤＤ２が選択される。ここで、図４
（Ｂ）のように、セレクタ４５に対して、撮像データＤ
Ｄ１の各ビットは上位側へ１ビットだけシフトさせて入
力されており、入力ポートの最下位ビットがハード的に
「０」に固定されている。したがって、撮像データＤＤ
１が選択されたとき、セレクタ４５からは撮像データＤ
Ｄ１を２倍したデータが出力される。つまり、セレクタ
４５は、ラインセンサ間の受光量の差異を補うデータ調
整手段の機能を兼ね備えている。セレクタ４５の出力デ
ータＤＤ３が原稿の読取り情報として外部装置へ送られ
る。

【００２３】タイミングジェネレータ４７は、クロック
発振器４６からの基本クロックを元に、上述のタイミン
グ信号Ｓ１，Ｓ２と、外部装置によるデータの取り込み
のための同期信号Ｓ３を生成する。

【００２４】以上の構成の信号処理回路４０によると、
図３の入射光強度ＩＨ２を境界として、それより小さい
範囲は曲線ＣＬ２が、それより大きい範囲は曲線ＣＬ１
が用いられることになり、さらに曲線ＣＬ１が用いられ
たときの出力信号ＡＤ１が２倍される。その結果、曲線
ＣＬＳ１が用いられたこととなる。これによって、画像
の濃淡差が大きく入射光強度の幅が広い場合であって
も、全ての画素について適切な階調再現の可能な撮像情
報を外部装置へ出力することができる。

【００２５】図５は他の実施形態に係るスキャナ２の結
像光学系の構成図である。図５の例においては、レンズ
２１を透過した被写体光Ｌがハーフミラー２５によって
光量の異なる第１及び第２の被写体光Ｌ１，Ｌ２に分割
され、ミラー２６によって互いに微小幅だけ離れた光束
としてＣＣＤ１次元イメージセンサ（ラインセンサ）３
３に導かれている。ラインセンサ３３は、図５（Ｂ）の
ようにパッケージ３３０内に２個の直線状の受光素子ア
レイ３３１，３３２が隣接して平行配置されたデバイス
である。一方の受光素子アレイ３３１に被写体光Ｌ１が
入射し、他方の受光素子アレイ３３２に被写体光Ｌ２が
入射する。各受光素子アレイ３３１，３３２の出力に対
して上述の例と同様の処理を行うことにより、入射光強
度のダイナミックレンジを拡げることができる。

【００２６】この構成において光量比を設定する手法と
しては、ハーフミラーの反射率を選定する方法と、ライ
ンセンサ３３のカバーガラスなどにＮＤフィルタを設け
て光量調節をする方法がある。どちらを採用するにして
も単一の受光素子アレイを有した通常のラインセンサを
用いる場合とほぼ同じ大きさのスペースに組み込むこと
ができ、既存の光学系を利用して撮像機能の向上を図る
こともできる。

【００２７】上述の実施形態によれば、画像の濃淡差が
大きいために入射光強度が広い範囲にわたる場合であっ
ても、それに対応した広いダイナミックレンジを得るこ
とができ、飽和範囲の光電変換信号を用いることなく、
また、暗い部分のＳＮ比の低下を防止して高い分解能を
得ることができる。したがって、例えばカラー画像を読
み取った場合には、その色再現性を高めることができ
る。

【００２８】上述の実施形態においては、光量比が１：
２の例を挙げたが、他の比率にしてもよい。適切な係数
を乗じる演算を行うことにより、比率に係わらず光電変
換出力のレベルを合わせることができる。また、３個以
上の光電変換手段を用い、それらに対して受光量の差を
設けることによって、さらにダイナミックレンジを拡大
することも可能である。ラインセンサ３１，３２に限ら
ず、エリアセンサによる撮像にも本発明を適用すること
ができる。すなわち、複数のエリアセンサに光量配分を
して被写体光を入射させることにより、１画面分のデー
タを記憶することなく、ダイナミックレンジを拡大でき
る。光電変換手段はＣＣＤセンサに限定されない。

【００２９】

【発明の効果】請求項１乃至請求項３の発明によれば、
入射光強度のダイナミックレンジを拡げて階調再現性を
高めるとともに、撮像時間の短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスキャナの要部の概略図である。

【図２】結像光学系の構成図である。

【図３】光電変換特性を示すグラフである。

【図４】信号処理回路のブロック図である。

【図５】他の実施形態に係るスキャナの結像光学系の構
成図である。

【符号の説明】

１，２ スキャナ（撮像装置） ２１ レンズ ２２ ビームスプリッタ（光路分岐手段） ３１，３２ ラインセンサ（光電変換手段） ４０ 信号処理回路（信号処理手段） ３３１，３３２ 受光素子アレイ（固体撮像素子アレ
イ） ＡＤ２ 光電変換信号（光電変換手段の出力値） ＤＤ１，ＤＤ２ 撮像データ（撮像情報） Ｌ 被写体光

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被写体像を電気信号に変換する撮像装置で
   あって、 複数の光電変換手段と、 前記複数の光電変換手段のそれぞれの受光面に被写体像
   を結像するためのレンズと、 前記レンズを透過した被写体光を、前記複数の光電変換
   手段のそれぞれの受光面に光量が互いに異なるように振
   り分けて導く光路分岐手段と、 少なくも１つの光電変換手段の出力値に応じて、前記複
   数の光電変換手段のそれぞれによって得られた撮像情報
   を択一的に有効情報として選択するとともに、前記光路
   分岐手段による振分けにおける光量の比率に応じたデー
   タ補正を行う信号処理手段と、を有したことを特徴とす
   る撮像装置。
2. 【請求項２】動作特性が実質的に等しい第１及び第２の
   光電変換手段を有し、 前記光路分岐手段は、前記第２の光電変換手段の受光量
   が前記第１の光電変換手段より多くなるように前記被写
   体光を振り分け、 前記信号処理手段は、前記第２の光電変換手段の出力値
   が非飽和範囲であれば前記第２の光電変換手段によって
   得られた撮像情報を有効情報として選択し、前記第２の
   光電変換手段の出力値が飽和範囲であれば前記第１の光
   電変換手段によって得られた撮像情報を有効情報として
   選択する請求項１記載の撮像装置。
3. 【請求項３】前記複数の光電変換手段は、固体撮像素子
   アレイであって、共通のパッケージに隣接して納められ
   ている請求項１又は請求項２記載の撮像装置。