JPS6295076A - 露光時間可変ビデオカメラ - 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】 （発明の背景） 固体撮像素子のうちのいくつかはｕＡｖ１制御により露
光時間の制御が可能である。即ちシャッタ機能をシャッ
タ部材を用いずに得る事が出来る。

（以下電子シャッタ機能、電子シャッタと称する。

）例えばＣＣＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄ
ｅｖｉｃｅ　）とよばれる固体撮像素子のうちのインタ
ーライントランスファーＣＣＤ　（ＩＴ−ＣＣＤ）やフ
レームトランスファーＣＣＤ　（ＦＴ−ＣＣＤ）は、駆
動制御により露光時間の制御が可能である。

ここでＦＴ−ＣＣＤは、光が照射して光電荷が発生して
いる受光部の各画素の電荷を任意のタイミングで遮光さ
れている蓄積部に比較的短い時間で移動させることがで
きるもので、またＩＴ−ＣＣＤは光電荷の発生している
各画素の電荷を画素のすぐ横の垂直ＣＣＤに任意のタイ
ミングで瞬時に移すことができるものである。

尚ＴＴ−ＣＣＤは、ＦＴ−ＣＣＤに比較して遮先部に電
荷を移動する距離が短くて済むためにスミア−等の悪影
響を受けにくいことからＦＴ−ＣＣＤより高速の電子シ
ャッタ動作が可能となる。

又ＩＴ−ＣＯＤは電子シャッター機能を実現するために
現在Ｖ　ＣＲ（Ｖｉｄｅｏ　Ｃａｅｔｔｅ　Ｒｅｃｏｒ
ｄｅｒ）カメラ用に大量に製造されているＩＴ−ＣＯＤ
に設計、製造上で手を加える必要はなく駆動手段にのみ
手を加えるだけで可能であり本発明に用いるＣＯＤとし
て好適である。

ところで電子シャッタ機能を用いて各種の方式によるテ
レビ動作例えばＮＴＳＣ，ＰＡＬ、ＳＥＣＡＭ等の標準
テレビ方式で動作させる事は以下に述べる様な効果があ
り有用である。皿ち（ａ）動きの速い被写体を撮影して
も、ブレを非常に軽減できるようなビデオ動作が可能な
ため、各種の実験等での動体の観察と分析、解析等の作
業を容易にできる。

（ｂ）スポーツのフオーム等の分析、解析に役立つ静止
画再生やコマ送り再生時に従来ビデオカメラでは比較に
ならない程の鮮明な画像が得られる。

（Ｃ）絞りを任意の値で固定して適正露出で撮影できる
ので被写界深度を考慮した画像作りが可能である。

等である。

次にＣＯＤの動作について説明する。ここではＮＴＳＣ
方式を例にとって説明する。従って１フィールド：　１
　／　６０ｓｅｃ、、　　１フレーム；２フイールドで
ある。

ＣＯＤの電子シャッタ動作としては以下の如くである。

■垂直ブランキング朋間中にトランスファーゲー）　（
ＴＧ）の制御により先ず光電変換部に蓄積した不要電荷
を垂直転送部へ移送し、これを高速転送して水平転送部
へ移送し、更にこれを高速転送して排出する。

■この不要電荷排出の為の垂直転送部への移送動作後の
フィールド期間中（第１フイールド）の任意の時刻に光
！変換部に蓄積する電荷をＴＧの制御により垂直転送部
へ移送して露光量を制御し、■１　／　６０　ｓｅｃ、
以下の露光時間であれば信号電荷は残りのフィールド期
間（第１フイールド）遮光された垂直転送部に保持され
る。

■垂直転送部に保持された信号電荷は後続のフィールド
期間（第２フイールド）に垂直及び水平転送して信号を
時系列的に取り出して１フイ一ルド分の画像信号を得る
。

以上の動作をｋｌｋり返して１フイールドおきの画像信
号即ち奇フィールド又は偶フイールド信号を得るもので
ある。

このようにして得た１フイールドおきの画像信号（奇フ
ィールド又は偶フイールド信号）をＮＴＳＣ信号にする
場合、１フレームの信号は同一フィールドの信号を２回
繰り返して使用することによって欠落したフィールドを
補完し２フィールド：１フレームのＮＴＳＣ信号を得る
事となるので解像度が著しく低下するという欠点があっ
た。

露光時間が非常に短い場合、例えば約１／１５００ｓｅ
ｃ、より短い露光時間では、垂直ブランキング期間を露
光期間とし、該垂直ブランキング期間に続くフィールド
期間に信号を読み出す事によって完全なフレーム信号（
奇・偶両フィールドの信号）を得る方法が提案されてい
るが、約１／１５００ｓｅｃ、より長い露光時間では、
当該垂直ブランキング期間中に露光が完了する事が出来
ず、次のフィールド期間に食い込む事となる。従って食
い込まれたフィールドは画面の上部の水平走査線に対応
する画像信号が欠落して画像信号を得る事は出来なくな
り、画面上部の欠落した画像のフィールド信号になって
しまうという欠点があった。又、ＩＴ−ＣＣＤでは光電
変換部のＴＧ及び垂直転送部が設けられた側の反対側に
オーバーフローコントロールゲート（ＯＦＣＧ）とオー
バーフロードレイン（ＯＦＤ）を設けたものがあり、こ
れによると８亥０ＦＣＧをコントロールして最長１／６
０５８Ｃ，迄の露光時間を調節したフレーム信号を得る
事が出来る。

しかし現状の技術では０ＦＣＧのポテンシャルが不揃い
で且つＴＧのポテンシャルも不揃いがある為、露光に先
立つ不要電荷排出時、各画素には０ＦＣＧのポテンシャ
ルの不揃いに起因する電荷が残り、これに信号電荷が重
畳される事になる。

そして信号電荷を読みだす為に垂直転送部に電荷を移送
する時ＴＧのポテンシャルの不揃いに起因する信号が重
畳される事になり二重に雑音信号が重畳されるのでフレ
ーム信号は得られるが、実用的な画質の画像信号を得る
事が出来ず、固定パターンノイズの多い画面しか得られ
なかった。

（発明の目的） 本発明はテレビ動作による低固定パターンノイズの高解
像度画像信号（フレーム信号）を得る事の出来る露光時
間可変ビデオカメラを提供する事を目的とする。

（発明の概要） 本発明は２つの撮像素子を用いる事を技術的要点として
いる。

（実　施　例） 第１図は本発明の実施例としてビデオカメラの構成を示
す概略ブロック図である。本実施例では固体撮像素子を
２板使用した場合を示している。

以下各ブロックの説明と信号の流れ及び動作について説
明する。

レンズ（１０１）を通して被写体から入射した光は光学
絞り（１０２）によって光量を制御され、光学プリズム
（１０３）により、２方向に分岐する。分岐した光は２
つの固体撮像素子（１０４゜１０５）の撮像面に結像さ
れて光情報が時系列の電気信号に変換される。固体撮像
素子（１０４゜１０５）は、電気的に駆動波形を変化さ
せることにより光電荷の蓄積時間を任意に制御できる電
子シャッター機能を持った素子構造である必要がある。

本実施例では固体撮像素子（１０４，１０５）としてＩ
Ｔ−ＣＯＤを用いた例を示す。

固体撮像素子（１０４，１０５）の駆動回路ブロックと
して、垂直転送用ＣＯＤを駆動するための■ドライバー
（１０６，１０８）と水平転送用ＣＯＤを駆動するため
のＨドライバー（１０７，１０９）が接続され、これら
は共にタイミング発生回路を含む遇像素子駆動制御回路
（１１０）から各動作タイミングに形成された信号が供
給される。

電子シャッター動作もこの撮像素子駆動制御回路（１１
０）が露光制御方式設定部（１１８）から、信号を受け
て、制御駆動信号を発生して駆動する。

さらに撮像素子駆動制御回路（１１０）に含まれるタイ
ミング発生回路は同期信号発生回路（１１１）より、源
信号が入力され、各ブロックに必要なタイミング信号を
発生している。すべての信号の源である同期信号発生回
路（１１１）は、水晶振動子等の安定に発振する発振子
を備えて、その発振波形を分周、波形変形などの処理を
施し、各ブロックに出力している。

一方、固体撮像素子（１０４，１０５）より、出力され
た映像信号は信号処理回路（１１３）に入力される。映
像信号としては２ラインで入力されるが、この２ライン
の入力を合成して、１系列の画像信号として扱う訳であ
るが、固体撮像素子（１０４，１０５）からの信号出力
形態、タイミング等については後述する。信号処理回路
（１１３）は、まず入力された信号を輝度信号と色情報
信号に分離、整形する。各信号にクランプ処理、リミッ
タ処理、Ｔ補正等を加えて、マトリクス回路（１１４）
に出力する。ここで分離された輝度信号は被写体の輝度
情報そのものであるので露出制御の源信号としてオート
アイリス回路（１１２）と露光制御方式設定部（１１８
）に伝えられる。オートアイリス回路（１１２）は輝度
信号情報を、光電荷蓄積時間（電子シャッター動作のシ
ャッタータイム）情報を得て、固体撮像素子（１０４，
１０５）が適正露出になるように光学絞り（１０２）を
制御する。露光制御方式設定部（１１８）は使用者が逼
影時のシャッタータイム値あるいは絞り値のどちらか一
方を選んで任意な値に設定入力するブロックである。い
わば、スチルカメラで通常用いられるシャッタースピー
ド優先型の自動露出か絞り優先型の自動露出かを設定す
る箇所である。例えば絞り値を入力した場合には、被写
体輝度の変化に対して、絞り値は設定値のままで変化せ
ず、光電荷蓄積時間が変化して対応することとなる。（
蓄積時間の長秒時側は１／３０秒である。）また、逆に
光電荷蓄積時間（シャ・ンタータイム）を入力した場合
には、被写体輝度の変化に対して、絞り値が変化して対
応することとなる。シャッタータイムを１／６０秒とす
ると、従来からの通常のビデオカメラと同じ動作となる
ことは、言うまでもない。露光制御方式設定部（１１８
）はシャッタータイムを制御駆動するために、撮像素子
駆動制御回路（１１０）に輝度情報に対応して固体撮像
素子（１０４，１０５）に適正露出を与えるシャッター
タイム信号、あるいは設定シャッタータイム信号を出力
している。又、該撮像素子駆動制御回路（１１０）は２
つの撮像素子の露光及び読み出し動作の駆動制御も行う
。

ホワイトバランスコントロール回路（１１７）は色バラ
ンスの調整信号を発生し、信号処理回路（１１３）に適
正なホワイトバランスに調整して、色信号の処理を行う
ように調整用信号を与えるものである。色バランスの元
になる信号は、ホワイトバランス用センサからの信号（
青色信号と赤色信号）を色温度の情報に演算した信号か
、或いはマニュアルによって、使用者が設定した信号の
何れか一方を選べるようにすれば良い。さて信号処理回
路（ｌ　ｌ　３）から出力された映像信号はマトリクス
回路（１１４）において、ＮＴＳＣ信号に変換するため
の準備として、映像信号を輝度信号と色差信号に再合成
する。次ブロックのエンコーダー回路（１１５）は、マ
トリクス回路（１１４）からの信号をＮＴＳＣ形式のビ
デオ信号に変換して、出力端子（１１６）に出力する。

第２図は本発明の実施例であって、２つの固体撮像素子
（１０４，１０５）の受光部の相対的位置関係を表わし
た各素子の受光部の拡大模式口である。実線が一方のフ
ィールドの受光部、破線が他方のフィールドの受光部で
ある。例えば実線が固体撮像素子（１０４）の受光部を
示し、破線が固体撮像素子（１０５）の受光部を示して
いる。

このように上記２つの撮像素子１０４．１０５の出力を
合成した時に両受光部の位置が、光学的に同位置ではな
く、水平方向に半画素分程度、垂直方向にも半画素分程
度ずらした配置を採っている。

固体撮像素子（１０４，１０５）の駆動における関係は
、固体撮像素子（１０４）は偶フィールドの映像信号だ
けを常に出力するようにして、他の固体撮像素子（１０
５）は奇フィールドの映像信号だけを常に出力するよう
な駆動が考えられる。

もちろん２つの映像信号は信号処理回路（１１３）にお
いて合成され一系列の映像信号となる。

更にカラービデオ信号を形成する為には、固体撮像素子
の前面に公知のカラーフィルターアレイ（例えばヘイヤ
ー配列、インターライン配列等）を貼付すればよい。本
実施例では通常の多板カメラのようにそれぞれの固体撮
像素子に各色を担当させるのではなく、単板カラーカメ
ラ用フィルターを２板に同様に貼付する。これによって
前述のような各固体撮像素子に偶フイールド専用、奇フ
イールド専用の割り当てをする駆動方式を行っても、カ
ラービデオカメラが実現できる。このような受光部分の
配置や駆動をすることにより、各固体撮像素子の電子シ
ャッター機能を利用すると、現在のレベルの素子ではフ
ィールド画像信号のみしか取り出し得ないということに
適合して信号処理することができる。更に２つの固体撮
像素子間の受光部の位置が光学的に同位置に配列してい
る場合に比較して、フレーム画像上では水平解像度が高
く、垂直方向に関してもアパーチャー効果が期待でき、
モアレや擬似解像等が軽減できる。

第３図はビデオカメラのビデオ動作時における各信号の
成立ちを示した図である。第３図Ａの波形は固体撮像素
子（１０４，１０５）のうち、どちらか一方（仮に固体
撮像素子（１０４）とする）の光電荷蓄積時間（シャッ
タータイム）のタイミングを表わしている。ｔｅｎｔ　
〜ｔｅ、３がそれぞれ蓄積時間で例えば奇フィールドの
みの蓄積である。第３図Ｅのｔ、。〜ｔ、い　ｔｌｌ　
””　ｔ３’Ｎ＋　　・・・・・・・・が１／６０秒に
当たるので、第３図ではシャッタータイムは素子の電子
シャッター動作によって１／６０秒の半分、約１／１２
０秒程度である。第３図Ｂはもう一方の固体撮像素子（
１０５）のシャッタータイムのタイミングを表わしてい
る。同様にｔ、２１〜ｔ　ｅ２３が光電荷蓄積時間で、
偶フィールドのみの蓄積である。蓄積時間については奇
・偶両フィールドで（第３図Ａと第３図Ｂ）等しくなる
ように駆動することが望ましいので、絞りを固定された
場合に蓄積時間が変化して適正露光条件を保つ訳である
が、この時も第３図Ａと第３図Ｂの光電荷蓄積時間がほ
ぼ等しくなるようにしながら蓄積時間を変化させるよう
に駆動する。第３図Ｃは一方の固体撮像素子（１０４）
の出力映像信号の模式図であり、第３図Ａにおけるタイ
ミング即ち奇フィールドで露光した光電荷が第３図Ｃに
示すように次のフィールド期間即ち偶フィールドに映像
信号として読み出される。　第３図りは他方の固体撮像
素子（１０５）の出力映像信号の模式図であり、第３−
８におけるタイミング即ち偶フィールドで露光した光電
荷が第３図りに示すように次のフィールド期間即ち奇フ
ィールドに映像信号として読み出される。これら２つの
映像信号出力を信号処理回路（１１３）において、第３
図Ｅのように連続した映像信号に合成すると出力端子（
１１６）に出力されるビデオ信号は、シャッタータイム
が約１／１２０秒程度で撮影した映像情報の標準テレビ
信号となる。この様にすると、被写体の動きによるフィ
ールド画像のブレが従来のビデオカメラに比較して、非
常に少なくなる。より高速に移動する被写体に対しては
シャッタータイムを高速側ヘシフトすることによりブレ
量の少ないフィールド画像を生み出すことが可能となる
。

第４図は静止画（スチル画）再生に重点を置いた駆動時
のビデオカメラのビデオ動作時における各信号の成立ち
を示した図である。第３図のビデオ動作ではシャッター
タイムを高速にすることによって、被写体の動きによる
ブレを軽減しようとしているがこれによって得た信号に
より静止画（スチル画）再生を行おうとすると、どうし
ても１フレームの信号を得るのに、同じフィールド画像
をくり返し再生するフィールド再生にならざるを得ない
。なぜなら、各フィールドを構成する源信号はたしかに
短い露光時間によって得られているが、露光していない
時間の方が長くなって来て、被写体の動きが速いとその
間の被写体の動きは撮影できないので、各フィールド間
の被写体の動きによる画面が相違して来る。この様なフ
ィールド画像を２つ合わせてフレーム画像を再生すると
一木の線であるべきところフレーム画像では二本の線が
形成される事になり、輪郭がぼけ、且つ１／６０ｓｅｃ
、毎に異なる画像を再生するので画面のちらつきが目立
ち、非常に見苦しい再生画となってしまうからである。

そこで、瞬間の画像を重視して、静止画（スチル画）で
も、キメの細かいフレーム画像で再生できるように駆動
する動作を示した図が第４図である。

第４図に於いてＡ”〜Ｄ’　は第３図のＡ〜Ｄに対応す
る。

つまり２つの固体撮像素子（１０４，１０５）の光電荷
蓄積時間を同時期、同一時間になるように駆動して、Ｃ
’　、Ｄ’　の模式図の如く１フイールド毎に信号とし
て読み出す訳である。

Ｃ’、、Ｄ’　の信号を第３図と同様に信号処理回路（
１１３）において、合成するとＥｏの図の様になる。図
示のように、この映像信号は３フイールド毎に１フイ一
ルド期間、ブランクができてしまう。これは同時期、同
一露光時間で２フイ一ルド画像を得ることを現在レベル
の固体撮像素子の電子シャッター機能で実現するとどう
してもできてしまうブランクである。しかしこのブラン
クは例えば直流的にクランプして、黒レベルにすれば目
立たなくなる。将来的には設計時に電子シャッター機能
を考慮して、オーバーフロードレイン等の機能だけによ
って、電子シャッター機能が実現できるようになると、
このブランクはなくすことが可能となる。このようにし
て第４図のＥｏで得られた信号は正しく、同一時期、同
一露光時間で得られた２フイ一ルド画像によるフレーム
画像のため、非常に動きの速い被写体を撮影してもブレ
が静止画（スチル画）でほとんど目立たないフレーム再
生画像を楽しむことが可能となる。

（発明の効果） 本発明によれば、テレビ動作による低固定パターンノイ
ズの高解像度画像信号（フレーム信号）を得る事が出来
る露光時間可変ビデオカメラを提供する事が出来るので
、動きの速い被写体を盪影してもブレを非常に軽減出来
、各種の実験等での動体の観察を容易に出来る。

また、スポーツのフオーム等の分析、解析に役立つ静止
画再生やコマ送り再生時に従来ビデオカメラでは比較に
ならない程の鮮明な画像が期待でき、さらに、フレーム
画像での静止画再生もブレの量の非常に少ないキメの細
かい画面で見ることができる。

更に本ビデオカメラを使用しての逼影時には、従来は不
可能であった絞りを任意の値で固定して適正露出で盪影
できる為、背景をぼかして単純化する等の技巧を凝らす
事が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例であるビデオカメラの構成を示
す概略ブロック図、 第２図は２つの固体撮像素子間の受光部の位置関係を表
わした拡大模式図、 第３図はビデオ動作時における各信号の成立ちを示した
図、 第４図は静止画再生に重点を置いたビデオ動作時の各信
号を示す図である。 （主要部分の符号の説明） １０１−・−・−・−・・レンズ １０３−−一−−・−−−−−光学プリズム１０４−・
・−・・−・−固体撮像素子１０５−−−−−一固体撮
像素子 １１０−−−−−一撮像素子駆動制御回路１１３−一−
・・・−・・・・信号処理回路１１４−・−・・−・−
マトリクス回路出願人　　　日本光学工業株式会社 代理人　弁理士　渡　辺　　隆　男 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）２つの撮像素子と、 該２つの撮像素子の撮像面に同一被写体像をそれぞれ結
   像せしめる結像光学系とを備えるビデオカメラに於いて
   、 該２つの撮像素子への露光時間を調節する如く駆動制御
   し、且つ該２つの撮像素子の一方を奇フィールドに露光
   して偶フィールドに読み出し、他方を偶フィールドに露
   光して奇フィールドに読み出す如く駆動制御する撮像素
   子駆動制御手段とを備える事を特徴とする露光時間可変
   ビデオカメラ。
2. （２）前記２つの撮像素子は、撮像面の受光部が垂直・
   水平両方向に互いに半画素ずれて重ね合わされる様配置
   される事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の露光
   時間可変ビデオカメラ。
3. （３）前記２つの撮像素子は、それぞれが単板カラーカ
   メラ用フィルターを備える事を特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の露光時間可変ビデオカメラ。