JP2001136434A - 撮像装置 - Google Patents

撮像装置

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JP2001136434A
JP2001136434A JP31878099A JP31878099A JP2001136434A JP 2001136434 A JP2001136434 A JP 2001136434A JP 31878099 A JP31878099 A JP 31878099A JP 31878099 A JP31878099 A JP 31878099A JP 2001136434 A JP2001136434 A JP 2001136434A
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JP
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image
imaging
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light amount
amount ratio
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JP31878099A
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English (en)
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Akira Suzuki
明 鈴木
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 動体などの動きの有る被写体でもダイナミッ
クレンジの拡大ができ,さらに,被写体像に適応した最
適なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能な撮像
装置を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る撮像装置は,被写体像を結
像するための光学手段1と,同一の被写体像を分離し,
光量比を変更して複数の被写体像を形成する光量比可変
手段2と,光量比可変手段により形成された複数の被写
体像を各々撮像して画像信号を出力する複数の撮像手段
3A,3Bと,複数の撮像手段3A,3Bから各々出力
される画像信号を合成して1つの画像を生成する画像合
成手段とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は撮像装置に関し,
詳細には,CCD等の固体撮像素子を用いたデジタルス
チルカメラ等に使用される撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来,撮像素子としてCCD等の固体撮
像素子を用いた撮像装置は,安価でかつ信頼性が高いた
め,広く普及し,近年,銀塩写真撮影装置に代替するも
のとして注目されている。しかしながら,CCD等の固
体撮像素子は銀塩フイルム等に比べて入射光に対するダ
イナミックレンジが小さく撮影画角内に明るい被写体と
暗い被写体が混在する場合通常の撮像装置では明るい被
写体が白とびしたり,暗い被写体が潰れたりする。かか
るダイナミックレンジの狭さは銀塩写真撮影装置には及
ばない状況である。
【0003】そこで,特開平4−4680号公報や特開
平5−22670号公報のように,固体撮像素子の構造
を通常のCCDと異なる構造にしてダイナミックレンジ
の拡大を図る方法が考案されている。かかる方式では,
撮像素子そのもののダイナミックレンジの拡大を図るも
のであるため,半導体の構造が複雑になってしまい,画
素数の多い高密度な画素撮像素子が作ることができな
い。また,大きなダイナミックレンジの拡大の効果が望
めない。しかも,撮像素子そのものが広ダイナミックレ
ンジ対応になってしまうと撮影画角内に輝度差の少ない
被写体を撮影する場合に階調の表現が適正に行うことが
できない。
【0004】また,特開平1−93967号公報のよう
に,シャッタ・絞り等を用いて異なる露光量で複数回撮
影して複数の撮像画像を用いてダイナミックレンジの拡
大を図る方法が考案されている。このように,露光時間
の異なる複数の画像信号の合成を行う撮像装置が考案さ
れているが,基本的に複数回撮影するため,動体などの
撮影が不可能である。
【0005】また,特開平7−131799号公報にあ
っても,同様に露光時間の異なる複数の撮影画像を合成
するため,動体などの撮影が不可能である。また,露光
量を絞り等で変更する方法も開示されているが,異なる
絞りの複数の画像を合成すると背景のぼけ具合の違いか
ら正常な画像合成を行うことができない。
【0006】また,特開平5−64070公報のよう
に,ビームスプリッタを用いて異なる露光量の画像を合
成する方式も考案されている。かかる方式では,絞りや
シャッタを用いて露光量を変化させる方式と異なり,前
述のような不具合はない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,前述の
特開平5−64070公報にあっては以下の問題点を有
している。第1にビームスプリッタを用いて異なる露光
量を形成しているので,2枚の画像の露光量の比が一定
となり,絶えず一定の割合でダイナミックレンジの拡大
を図ることになり,撮影被写体に対応したダイナミック
レンジの拡大を行うことができないという問題がある。
第2に設定された露光差の比が小さい場合には,輝度差
の大きい被写体を撮像した場合に,白とびや潰れが発生
してしまうという問題がある。第3に設定された露光差
の比が大きい場合に,高輝度側の信号により作成された
画像にダイナミックレンジの拡大に伴うノイズが発生
し,中間的な輝度の部分が不連続になってしまうため,
適正な合成画像を得ることができないという問題があ
る。第4に輝度差の少ない被写体を撮像した場合に片側
の撮像素子の情報は意味が無くなってしまうという問題
がある。第5に絶えずー定の光量を片側の撮像素子に分
割するため,光量のロスが生じ,低輝度の撮影に問題が
生じる。
【0008】本発明は,上記に鑑みてなされたものであ
り,動体などの動きの有る被写体でもダイナミックレン
ジの拡大ができ,さらに,被写体像に適応した最適なダ
イナミックレンジの拡大を図ることが可能な撮像装置を
提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために,請求項1にかかる発明は,被写体像を結像する
ための光学手段と,同一の被写体像を分離し,光量比を
変更して複数の被写体像を形成する光量比可変手段と,
前記光量比可変手段により形成された複数の被写体像を
各々撮像して画像信号を出力する複数の撮像手段と,前
記複数の撮像手段から各々出力される画像信号を合成し
て1つの画像を生成する画像合成手段と,を備えたもの
である。
【0010】上記発明によれば,光量比可変手段は,同
一の被写体像を分離するとともに,光量比を変更して複
数の被写体像を形成し,複数の撮像手段は形成された複
数の被写体像を各々撮像して画像信号を出力し,画像合
成手段は複数の撮像手段から各々出力される画像信号を
合成して1つの画像を生成する。
【0011】また,請求項2にかかる発明は,請求項1
に記載の撮像装置において,前記光量比可変手段は,分
光透過特性の異なる複数の被写体像を形成するものであ
る。上記発明によれば,光量比可変手段は,複数の被写
体像を形成する際に,分光透過特性の異なる複数の被写
体像を形成し,長波長と短波長の被写体像を出力する。
【0012】また,請求項3にかかる発明は,請求項1
に記載の撮像装置において,前記複数の撮像手段は,各
々異なる分光感度を有するものである。上記発明によれ
ば,複数の撮像手段は,各々異なる分光感度を有し各色
毎のダイナミックレンジの拡大を実現する。
【0013】また,請求項4にかかる発明は,請求項1
に記載の撮像装置において,前記光量比可変手段の光量
比は,前記複数の撮像手段から出力される画像信号に基
づいて決定されるものである。上記発明によれば,光量
比を複数の撮像手段から出力される画像信号に基づいて
決定する。
【0014】また,請求項5にかかる発明は,請求項1
に記載の撮像装置において,さらに,前記光量比可変手
段により形成された複数の異なる光量の被写体像の画像
信号に基づいて,複数の撮像手段から出力される画像信
号の雑音成分を除去するノイズ除去手段を備えたもので
ある。上記発明によれば,ノイズ除去手段は光量比可変
手段により形成された複数の異なる光量の被写体像の画
像信号に基づいて,複数の撮像手段から出力される画像
信号の雑音成分を除去する。
【0015】また,請求項6にかかる発明は,請求項1
に記載の撮像装置において,さらに,前記複数の撮像手
段と前記光学的入力手段により入力される被写体像とを
相対的に変位させる相対位置変位手段を備え,各撮像手
段は,前記相対的に変位した複数の画像信号を各々出力
するものである。上記発明によれば,画像ずらし法を併
用して高画質化を図る。
【0016】また,請求項7にかかる発明は,被写体像
を結像するための光学手段と,同一の被写体像を分離
し,光量比を変更して複数の被写体像を形成する光量比
可変手段と,前記光量比可変手段により形成された複数
の被写体像を各々撮像して画像信号を出力する複数の撮
像手段と,前記複数の撮像手段から各々出力される画像
信号を合成して1つの画像を生成する画像合成手段とを
備え,前記複数の撮像手段から各々出力される画像信号
を合成して1つの画像を生成する第1の撮像モードと,
前記複数の撮像手段のうちの1つの撮像手段から出力さ
れる画像信号に基づいて画像を生成する第2の撮像モー
ドとを有するものである。
【0017】上記発明によれば,第1の撮像モードで
は,複数の撮像手段から各々出力される画像信号を合成
して1つの画像を生成する一方,第2の撮像モードで
は,1つの撮像手段から出力される画像信号に基づいて
画像を生成する。
【0018】また,請求項8にかかる発明は,請求項7
に記載の撮像装置において,前記第1の撮像モードと第
2の撮像モードを,画像信号に基づいて切り替えるもの
である。上記発明によれば,画像信号に基づいて,第1
の撮像モードと第2の撮像モードとを切り替える。
【0019】また,請求項9にかかる発明は,被写体像
を結像するための光学手段と,被写体像を撮像して画像
信号を出力する撮像手段と,前記撮像手段により異なる
露光量で撮像して得られる複数の露光量の異なる画像信
号に基づいて,前記撮像手段から出力される画像信号の
雑音成分を除去するノイズ除去手段と,を備えたもので
ある。
【0020】上記発明によれば,ノイズ除去手段は撮像
手段により異なる露光量で撮像して得られる複数の露光
量の異なる画像信号に基づいて,撮像手段から出力され
る画像信号の雑音成分を除去する。
【0021】
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して,この
発明に係る撮像装置の好適な実施の形態を,[発明の概
要(原理)],[本発明の撮像装置を適用したデジタル
スチルカメラ]の順に詳細に説明する。
【0022】[発明の概要(原理)]図1は本発明の撮
像装置の概略構成を示す図である。図1に示す撮像装置
は,被写体からの光を結像させる光学手段1と,不図示
の制御手段から入力される光量比設定信号に基づいて,
結像される被写体像を分離するとともに光量比を変更し
て2つの被写体像を出力する光量比可変手段2と,入力
される被写体像を夫々撮像して画像信号として出力する
撮像手段3A,3Bと,および撮像手段3A,3Bから
入力される2つの画像信号を合成して1つの画像を生成
する合成手段4とを備えている。
【0023】上記構成の撮像装置の概略動作を説明す
る。まず,光学手段1は,被写体像を結像し,光量比可
変手段2は,結像される被写体像を分離すると共に,被
写体の輝度分布に基づいて決定される光量比設定信号に
応じて,2つの被写体像の光量比を変更して出力し,一
方の被写体像は撮像手段3Aに,他方の被写体像は撮像
手段3Aに入力される。そして,撮像手段3A,3B
は,入力される被写体像を各々撮像して得られる画像信
号を合成手段4に出力する。合成手段4は,入力される
2つの画像信号を合成して広ダイナミックレンジな画像
を作成する。
【0024】つぎに,従来技術と対比して,本願発明の
ダイナミックレンジ拡大方法を図2〜図13を参照して
説明する。図2はダイナミックレンジ拡大を行わない従
来の撮像装置の概略構成を示す図である。図2に示す従
来の撮像装置においては,光学手段1により結像された
被写体像を撮像手段3により撮像して画像信号としてそ
のまま出力するものであり,入射光に対するダイナミッ
クレンジ拡大を行っていない。
【0025】入射光に対する撮像手段の出力信号の関係
を図3を参照して説明する。図3は,入射光に対する撮
像手段の出力信号の関係を示す図である。同図におい
て,横軸は入射光,縦軸は撮像手段の出力信号を示す。
また,同図において,1は飽和信号領域,2は適正信号
領域,3は雑音領域,4は適正露光領域,5は飽和領域
を示す。
【0026】図3に示すように,適正露光領域4におい
ては入射光に比例した撮像手段の出力信号が得られる
が,それ以上の明るさの飽和領域5では出力信号が飽和
してしまうため,適正な出力信号を得ることができな
い。また,適正露光領域4より暗い部分である雑音領域
3では,固体撮像素子の雑音等のため適正な出力信号を
得ることができない。
【0027】そのため,従来の撮像装置では,被写体か
ら撮像手段に入射される入射光量を適正露光領域4に入
るように,露光量をシャッタ・絞り等を用いて制御して
いる。図4は被写体像と入射光の関係の一例を示す図で
ある。同図において,1は白とび,2は適正再現,3は
黒つぶれ(ノイズ部分),4は適正露光領域を示してい
る。図4に示すように,撮像手段に入射する被写体像の
光量分布が適正露光範囲に入らないほど広いレンジの場
合には,露光量を制御しても図4の1の部分のように適
正露光領域より明るいところは,出力信号が飽和してし
まうため,階調を再現できず白く飛んでしまう。また,
図4の3の部分のように適正露光領域より暗い所は雑音
等のため,画像が荒れてノイズが目立ち,通常は,黒く
つぶしてしまう。同図に示す例では,適正露光領域4内
にある2の部分のみ,適正に再現され正常な明暗の階調
を得ることができる。
【0028】そこで,従来より,適正露光領域を拡大す
るための方式が各種考案されている。まず,一番基本的
な方法として固体撮像素子の飽和領域を高くする方法が
有るが,これには固体撮像素子の光電変換部の電荷保持
能力を上げたり転送部の容量を上げたりする必要が有
る。しかしながら,固体撮像素子の高画素化,高速化に
伴い困難である。また,雑音等を抑えるという方式も考
えられるが,この方式も同様の理由から困難である。
【0029】そこで,本発明では,上記図1に示すよう
な構成を採用して,異なる露光量の複数の画像を用いて
ダイナミックレンジを拡大する方法を提案する。ある露
光量Eで撮像された被写体光量に対する出力信号を図5
(a)に示し,同一の被写体を半分の露光量E/2で撮
像された被写体光量に対する出力信号を図5(b)に示
し,図5(b)の出力信号を2倍して,図5(a)に重
ねた場合を図5(c)に示す。
【0030】同図において,(b)は半分の露光量で撮
像されているので,飽和までの傾きは(a)に対して半
分になる。したがって,(b)の出力信号を2倍して
(a)のグラフに重ねると,(c)のように重なること
になる。
【0031】(c)において,の部分が露光量Eで撮
像された出力信号の適正領域,の部分が露光量E/2
で撮像された出力信号の適正領域を示している。従っ
て,露光量E,露光量E/2の2つの画像信号の適正領
域を使って新たに画像信号を作成することにより,単独
の露光で得られる適正露光領域より広い適正露光領域
を得ることができる。
【0032】図6は,露光量を変更した場合のS/N比
を説明するための図である。同図において,(a)は露
光量Eで露光した場合のS/N比,(b)は露光量E/
Kで露光した場合のS/N比,(c)は露光量Eと露光
量E/Kで得られる二つの画像信号を合成して1つの画
像信号を作成した場合のS/N比を示す図である。
【0033】図6において,(a),(b)に示すよう
に,単独の露光で得られるS/N比は露光量を変えても
変化はないが,(c)に示すように,露光量Eと露光量
E/Kの二つの画像信号を合成した画像信号を作成する
と,K倍のS/N比にダイナミックレンジを拡大でき
る。ただし,Kが単独のS/N比より大きい値をとると
二つの適正露光領域がオーバーラップしなくなり,適正
な画像信号を作成できない。すなわち,二つの露光差の
比は最大でも固体撮像素子のS/N比より小さい必要が
ある。しかしながら,固体撮像素子の雑音は一定でなく
温度や画素の位置により変動する。
【0034】次に,露光量Eと露光量E/Kの適正露光
領域がオーバーラップした部分の出力信号について説明
する。露光量Eでの出力信号V0は被写体光量に比例し
た信号Sと固体撮像素子の雑音によるノイズeとを足し
た値V0=S+e0が出力される。また,露光量E/K
での出力信号V1は露光量Eの被写体光量に比例した信
号Sに対してS/Kの信号とノイズeとを足した値V1
=S/K+e1が出力される。
【0035】この二つの撮像信号を使って新たに撮像信
号を作成するためV1をK倍すると,V1’=S+K・
e1となる。ここで,e0≒e1とするとV1’はV0
に対してK倍のノイズを含んだ出力信号が得られる。そ
こで,適正露光領域がオーバーラップした部分ではでき
るだけ露光量Eでの出力信号V0を使って画像信号を作
成する必要がある。しかしながら,露光量Eの適正露光
領域より明るく外れた領域では露光量E/Kの出力信号
V1’を使用する必要がある。
【0036】そこで,できるだけKの値を小さく設定す
る必要があり,図7に示すように,被写体光量の分布を
最低限満足する露光比(光量比)Kで複数の撮像をする
必要がある。これにより,被写体の高輝度部のノイズを
最低限に押さえることができる。
【0037】次に,異なる露光量で撮像する方式につい
て説明する。撮像素子の露光量を変化させる方法として
は,撮影光学系にメカシャッタや絞りを用いて露光量を
変えて複数回撮影する方法があるが,絞りを変えた場合
には,撮影光学系の被写界深度が変化してしまい複数の
画像は異なったものになり,同一被写体部分でもピント
の合った画像とぼけた画像を合成することとなってしま
う。その結果,被写体によっては見苦しい画像となる。
【0038】また,撮影光学系のメカシャッタや固体撮
像素子の電子シャッタを使って露光時間を変える方法で
は,被写体が動いているような撮影ではやはり異なった
画像を合成することとなり正常に合成できない。また,
早いシャッタスピードで露光させた場合,露光量の比を
細かく制御できない。
【0039】そこで,本発明では,上述したように,図
1の撮像手段3A,3Bに入射する光量を変える方式を
採用する。光量比可変手段2は,光学手段1により,入
射した光を光量比設定信号に基づいて2つの異なる光量
比の被写体像を形成する。異なる光量比の被写体像を形
成する方法を図8〜図12を参照して説明する。図8は
反射板を示しており,(a)は50%の反射板(光を反
射する部分と透過する部分が半々となっている),
(b)は33%の反射板を示している。図9は,反射板
を2枚重ねた場合を示している。図10は,反射率が1
00%,75%,50%となる反射板の重ね合わせ形態
を夫々示している。
【0040】図8(a)に示すような反射率が50%の
反射板2aを,図9に示すように2枚重ね,光量比設定
信号に基づいて不図示の駆動機構で片側の反射板2aを
ずらすことで図10のように全体の反射率を100%〜
50%まで変化させる。また,図8(b)に示すよう
な,33%の面積の部分に反射する部分を備えた反射板
を2枚重ねて,片側の反射板をずらすことで全体の反射
率を33%〜66%に変化させることができる。これら
は,メカ的に反射率を変化させる方法である。
【0041】次に,電気的に反射率を変化させる方法を
図11を参照して説明する。図11は,電気的に反射率
を変化させる場合の光量比可変手段2の構成を示す図で
ある。光量比可変手段2は,図11に示す如く,光の偏
光方向により反射率の異なる異方性反射板2cと,光量
比設定信号に基づいて光の偏光を変える液晶板2bとを
備えている。
【0042】上記構成の光量比可変手段2において,液
晶板2bに光量比設定信号に基づいて電圧を印可するこ
とで光を偏光させてP波とS波の比を制御し,これによ
り,異方性反射板2cではP波とS波の比に基づいて反
射し,出射光1と出射光2の比が変化する。
【0043】このように,種々の光量比可変手段の構成
が考えられるが目的とする撮像装置に最適な光量比可変
手段を用いれば良い。また,光量比可変手段は光量比を
光量比設定信号に基づいて設定する場合,複数の被写体
像の撮像出力の適正露光部分の信号の比を検出すること
で,どのような光量比で被写体像を形成しているか検出
できるので撮像出力を基に光量比設定信号を設定しても
良い。すなわち,光量比可変手段は光量比設定信号に対
してリニアに変化しなくても撮像出力を基にフィードバ
ックをかけることで適正な光量比に設定できる。
【0044】また,図1では光量比可変手段を光学手段
の後方に配置する構成としたが,光量比可変手段を光学
手段の前面に配置した構成としても良い。図12は光量
比可変手段2を光学手段1A,1Bの前面に配置した構
成を示す。
【0045】このように,光量比可変手段を用いること
により,光量のみ異なる被写体像を得ることができ,し
かも,前述のように被写体の光量分布に合った光量比を
選択することでノイズの少ない合成画像を得ることがで
きる。
【0046】次に,ダイナミックレンジ拡大に伴うノイ
ズを低減させる方法について説明する。2つの撮像素子
を用いた場合に,一方の撮像素子の画像信号をV0,他
方の撮像素子の画像信号をV1,ノイズの乗ってない真
の信号をS,ノイズをe0,e1とすると,画像信号V
0,V1は,V0=S+e0,V1=S+e1となる。
【0047】ここで,e0,e1の値は時間的に変化す
るランダムノイズでないと仮定する。2つの画像信号の
差ΔVは,ΔV=V0−V1=e0−e1となり,ノイ
ズの差が求まる。次に,V1側の撮像素子の露光量を1
/K’にして,出力をK’倍したものをV1’とする
と,V1’=S+K’・e1’となり,ΔV=V0−V
1’=e0−K’・e1’となる。この測定値のKの値
に対するΔVのグラフを図13に示す。
【0048】仮に,被写体の光量分布より光量比をKに
設定する場合には,複数の光量比で2つの撮像素子の同
一画素の出力V0,V1を検出し,その差ΔVからKの
ときのΔV値を推定できる。すなわち,推定ΔV≒e0
−K・E1となる。また,V1=S+K・E1より,V
1にΔVを加えるとV1+ΔV≒S+e0となる。
【0049】つまり,複数の光量比でΔVを算出し,目
的のK値のときのΔVを推定することで,V1=S+K
・e1がV1+ΔV≒S+e0となり,出力信号に乗る
ノイズはKを増やしても増加しなくなる。すなわち,ダ
イナミックレンジを拡大してもノイズの量の変わらない
理想的なダイナミックレンジの拡大を図ることができ
る。ただし,撮像素子の全部の画素に渡ってこのような
ことをいつも行うためには,光量比が任意に変更可能な
構成とする必要がある。
【0050】また,この例では,ノイズの量が入射光に
対して一定ではないとの仮定だが一定の場合はもっと単
純であり,ΔV=e0−e1,ΔVK=e0−K・e1
より,e1=(ΔVK−ΔV)/(K−1),e0=Δ
V+e1となり,双方のノイズ自身を求めることができ
る。しかしながら,ノイズの量が入射光に対して一定で
はないとの仮定は固定パターンノイズなので除去するた
めには別の方法もある。ここでは,ノイズの量が入射光
に対して一定ではないと仮定しているので,その説明は
省略する。
【0051】なお,時間的に変化するランダムノイズを
含む場合は同一光量比で複数回のΔVを求め,平均を取
ることでランダムノイズの部分はΔVから除去でき,ラ
ンダムノイズを含まないノイズ成分のみを前述のように
除去できる。しかしながら,ランダムノイズは回路上除
去する方式を採用した方が良い。この方式としては,出
力信号を検出するときA/D変換器を使用して出力信号
より高い周波数でオーバーサンプリングし,得られた値
を出力信号の周波数以下でフイルタをかける方式があ
る。単純には平均値を使っても良い。以上のように光量
比Kを変え,得られた情報より出力信号を加工すること
で,ノイズ量の変わらない理想的なダイナミックレンジ
の拡大を図ることができる。
【0052】[本発明の撮像装置を適用したデジタルス
チルカメラ]つぎに,図14〜図29を参照して本発明
の撮像装置を適用したデジタルスチルカメラについて説
明する。図14は本発明の撮像装置を適用したデジタル
スチルカメラの構成を示すブロック図である。図15は
被写体光量と撮像素子の出力信号との関係を示す図であ
る。
【0053】図14において,100はデジタルスチル
カメラを示しており,同図に示す如く,デジタルスチル
カメラ100は,被写体からの光を結像する撮影レンズ
101と,露光量を決定する絞り・シャッタ102と,
光量比設定信号に基づいて,入力される被写体像を分離
して光量比の異なる2つの被写体像を形成する光量比可
変手段103と,光量比可変手段103で形成された2
つの光量比の異なる被写体像をそれぞれ撮像して画像信
号を出力するエリア型のCCD撮像素子104A,10
4Bと,撮像素子104A,104Bから夫々出力され
る画像信号を2重相関した後,A/D変換するCDS・
AD回路105A,105Bとを備えている。
【0054】また,デジタルカメラ100は,A/D変
換された信号を信号処理する信号処理回路106と,信
号処理するための画像データを一時的に格納するDRA
M107と,デジタルスチルカメラの全体の動作を制御
するCPU108と,最終的に作成された画像を記憶す
るためのCARDRAM109と,CPU108の制御
信号に基づいて,フォーカス,絞り・シャッタ102お
よび光量比可変手段103を駆動する駆動回路110
と,撮像される映像をモニタしたり,記憶されている画
像を表示するためのLCDモニタ111とを備えてい
る。上記構成において,駆動回路110はCPU108
から出力される制御信号に従って,光量比設定信号を生
成して,光量比可変手段103を駆動する
【0055】上記構成のデジタルスチルカメラの撮影動
作を説明する。まず,撮影前段階(モニタリング中)で
は,CPU108は,駆動回路110を介して光量比可
変手段103の出力が一方のCCD撮像素子104Aに
光が多く配分されるように制御する。この場合のCCD
撮像素子104Aの出力信号は,図15の1のようにな
る。
【0056】次に,CPU108は,駆動回路110を
介して,CCD撮像素子104Aから得られた画像情報
に基づいて,ほぼ適正露光になるように絞り・シャッタ
102または電子シャッタ速度を設定して露光条件を設
定する。つづいて,CPU108は,合焦制御を行い,
駆動回路110を介して被写体にピントが合うように撮
影レンズ101を駆動する。ピントが調整された後,C
PU108は,前述した方法で,被写体の光量分布をC
CD撮像素子104A,104Bから得られた画像情報
から検出して光量比K値を決定する。そして,CPU1
08は,前述したように,異なる光量の画像信号を得
て,CCD撮像素子の各画素の光量比K値におけるノイ
ズ除去のデータΔVKを取得し,DRAM107に記憶
する。
【0057】CPU108は,光量比可変手段103を
駆動して光量比がK値になるように制御する。この場合
のCCD撮像素子104A,104Bの出力信号は,図
15の2,3のようになる。以上が撮影の準備段階で,
つぎに撮影段階に移行する。
【0058】光量比Kとした場合,2つのCCD撮像素
子の出力信号はそれぞれ図16の(a),(b)のよう
になり,適正露光範囲は同図に示す如くとなる。2つの
CCD撮像素子の出力信号を合成した合成信号は,図1
7の如くとなり,同図で示す適正信号の範囲で適正露光
が可能となる。例えば,図18に示すような特性の被写
体像の場合には,CCD撮像素子の一方の出力V0は図
19(a)に示すような特性(波線部分を含む)とな
り,1/Kの光量の他方のCCD撮像素子の出力V1は
図19(b)に示すような特性となる。
【0059】光量比可変手段103により,光量比Kで
形成された2つの被写体像は,CCD撮像素子104
A,104Bに入力されて画像信号に変換され,後段の
CDS・AD回路105A,105Bを介して,信号処
理回路106に入力され,ノイズ除去が行われる。
【0060】図20は,信号処理回路106内のノイズ
除去回路の構成を示す図である。図20に示すノイズ除
去回路は,各画素に対してK・V1+ΔVKの処理を行
うことでノイズを低減するものである。ノイズ除去回路
は,図20に示す如く,V1に対してK値を乗算する乗
算回路201と,乗算回路201から出力されるK・V
1にDRAM107から読み出したΔVKを加算する加
算器302と,加算器302から出力されるK・V1+
ΔVKと,V0のVTH以下の成分とを合成して出力する
比較器202とを含んでいる。
【0061】図21は図18の特性の信号に対して,K
・V1+ΔVKの処理を行った後の信号の特性を示す図
である。信号処理回路106は,図19の(a)の飽和
していない部分(VTH以下の出力部分)と,図21の画
像情報とを合成処理することで被写体の光量分布に合っ
たダイナミックレンジでかつノイズの低減された画像情
報を得ることができる。
【0062】そして,信号処理回路106は,この画像
情報に対して,色補間処理を行い適当なガンマカーブで
ガンマ処理した後,圧縮処理してCARDRAM109
に記憶する。なお,広いダイナミックレンジ画像が得ら
れているのでガンマ処理せず保存し,他の表示装置や出
力装置で出力するときに出力機器に合わせてガンマ処理
しても良い。
【0063】上記では,ダイナミックレンジを拡大する
モードについて述べてきたが,単一の撮像光学系の光を
分けてダイナミックレンジを拡大するということは,双
方のCCD撮像素子104A,104Bに光を割り振る
ため,図15の1のように全ての光を一方のエリアCC
D撮像素子に割り振る場合に比して,双方のCCD撮像
素子104A,104Bに入射される光は少なくなる。
そこで,暗い被写体などのときはすべての光を一方のC
CD撮像素子に割り振り,ダイナミックレンジを拡大し
ないモードを設け,ダイナミックレンジを拡大する第1
の撮像モードとダイナミックレンジを拡大しない第2の
撮像モードとを不図示の操作部でユーザが選択できるよ
うにしても良い。
【0064】また,非常に明るい被写体を撮像するとき
も,露光制御がしやすいように少量の光を一方のエリア
CCD撮像素子に割り振り,ダイナミックレンジを拡大
しない第2の撮像モードを不図示の操作部でユーザが選
択できるようにしても良い。
【0065】また,前述のモニタリング時にCCD撮像
素子から得られた画像情報に基づいて被写体の光量分布
を検出し,この検出結果,ダイナミックレンジを拡大す
る必要が無い場合はダイナミックレンジを拡大しない第
2の撮像モードに,ダイナミックレンジを拡大する必要
が有る場合はダイナミックレンジを拡大する第1の撮像
モードに自動的に切り替える構成としても良い。
【0066】ところで,従来より,画素ずらしを行って
撮像する,いわゆる空間画素ズラシ法により高解像画像
を得る方法も知られている。図22,図23は空間画素
ズラシ法を説明するための図である。図22はCCD撮
像素子のフィルタ配列の一例を示す。例えば,図22に
おいて,CCD撮像素子がの位置で撮像され,次に,
CCD撮像素子がに移動した位置で撮像された場合の
合成画素は図23のようになる。空間画素ズラシ法で
は,撮像素子をメカ的にずらす方法や光学的に被写体像
をずらす方法が採用されている。
【0067】空間画素ずらし法は,光量比が1:1のと
きに効果が高いが,他の光量比の場合でも効果が得られ
る。本発明のダイナミックレンジの拡大方法とこの空間
画素ずらし法を併せておこなうことにすれば,より高画
質の画像を得ることが可能となる。
【0068】次に,被写体の色に応じてダイナミックレ
ンジを拡大する方法を説明する。基本的に被写体の光量
分布はどの色の被写体が明るいかは決まっていない。従
来の方式では,単に被写体の輝度のみ着目し色ごとのダ
イナミックレンジの拡大を行っていなかった。そのた
め,青空等のダイナミックレンジを拡大する場合にレン
ジオーバしていないR,Gのダイナミックレンジも拡大
していた。
【0069】厳密には,通常撮影ではずれてしまう色の
みダイナミックレンジを拡大した方が良い。そこで,本
発明では,前述の構成のままで被写体色に対応してダイ
ナミックレンジを拡大する方法について説明する。
【0070】図24のような青空を背景とした逆光撮影
を例に挙げて説明する。この場合,適正露光に対してレ
ンジオーバーするのは背景の青空でこの青空の部分のカ
ラー撮像素子の出力は図25のようになる。そこで,B
のカラーフイルタの配置された画素のダイナミックレン
ジを拡大すれば良い。ここで,光量比可変手段103の
反射率または透過率を,図26(a),(b)に示すよ
うに,波長によって異なるようにすることで,図27に
示すように,短波長を多く出力する側と長波長を多く出
力する側とに分けることができる。
【0071】光量比可変手段103の光量比を変え短波
長を多く出力する側の光量をあげると,青の光量比Kb
が上がり赤の光量比Krが下がる。逆に,短波長を多く
出力する側の光量を下げると,青の光量比Kbが下がり
赤の光量比Krが上がる。よって,このようにして色毎
に,Kr,Kg,Kbが設定できる。
【0072】すなわち,図25のようなBのダイナミッ
クレンジをより大きく拡大したい場合は,光量比Kbが
大きくなるように短波長を多く出力する側の光量をあげ
る。Kb>Kg>Krで得た出力を図28に示す。この
出力を用いて各色毎にダイナミックレンジを拡大するこ
とで,拡大する必要の無いR,Gは少な目に拡大してバ
ランスの取れたダイナミックレンジの拡大が可能とな
る。
【0073】また,ここでは,光量比可変手段103の
分光分布を変える構成について説明したが,CCD撮像
素子の分光感度を図29のように異ならせる構成として
も良い。この場合には,CCD撮像素子のカラーフイル
タの透過率を変えるだけで実現でき,R,G,Bをそれ
ぞれを細かく設定できる。また,光量比可変手段の分光
分布を変える構成とCCD撮像素子ののカラーフイルタ
の透過率を変える構成とを組み合わせるようにしても良
い。
【0074】以上説明したように,本実施の形態におい
ては,光量比可変手段103は,同一の被写体像を分離
するとともに,光量比を変更して複数の被写体像を形成
し,CCD撮像素子104A,Bは形成された複数の被
写体像を各々撮像して画像信号を出力し,信号処理回路
106は,CCD撮像素子104A,Bから各々出力さ
れる画像信号を合成して1つの画像を生成することとし
たので,動体などの動きの有る被写体でもダイナミック
レンジの拡大ができ,さらに,被写体像に適応した最適
なダイナミックレンジの拡大を図ることが可能となる。
【0075】また,本実施の形態においては,光量比可
変手段103は,分光透過特性の異なる複数の被写体像
を形成することとしたので,被写体の色に適応したダイ
ナミックレンジの拡大を行うことが可能となる。
【0076】また,本実施の形態においては,請求項3
にかかる撮像装置によれば,請求項1に記載の撮像装置
において,CCD撮像素子104A,Bは異なる分光感
度を有することとしたので,被写体の色に適応したダイ
ナミックレンジの拡大を簡単に行うことができ,かつ,
RGB独立に設定することが可能となる。
【0077】また,本実施の形態においては,光量比K
をCCD撮像素子104A,Bから出力される画像信号
に基づいて決定することとしたので,光量比可変手段1
03がリニアに変化しなくても正確に光量比を設定で
き,被写体の明るさに適応したダイナミックレンジの拡
大を行うことが可能となる。
【0078】また,本実施の形態においては,CCD撮
像素子104A,Bから出力される異なる光量の被写体
像の画像信号に基づいてΔVを算出し,このΔVに基づ
いて,信号処理回路106のノイズ除去回路で画像信号
の雑音成分を除去することとしたので,所望のダイナミ
ックレンジの拡大率のときでも雑音成分が除去された画
像信号を得ることができ,ダイナミックレンジを拡大し
てもノイズの無い自然な画像を得ることが可能となる。
【0079】また,本実施の形態においては,ダイナミ
ックレンジの拡大と画素ずらし撮像とを組み合わせるこ
ととしたので,高解像化を図ることが可能となる。ま
た,本実施の形態においては,ダイナミックレンジの拡
大を行う第1の撮像モードと,ダイナミックレンジの拡
大を行わない第2の撮像モードとを備えているので,低
輝度ではダイナミックレンジの拡大を行わない通常撮影
を行うことができ,不必要な長時間露光を防止できる。
さらに,この第1の撮像モードと第2の撮像モードを操
作部の操作で切替可能としたので,ユーザの使い勝手が
良くなる。
【0080】なお,書画カメラのように動体を撮影をす
る必要が無い場合には,複数の被写体像を形成する必要
がないので,図2のような構成で電子シャッタ等により
露光量を変え複数の画像情報を取得し,この複数の画像
情報を用いて上述のようにノイズ情報ΔVを算出し,ダ
イナミックレンジの拡大に伴うノイズを除去することに
しても良い。
【0081】また,本発明は上記した実施の形態に限定
されるものではなく,発明の要旨を変更しない範囲で適
宜変形して実行可能である。例えば,本実施の形態で
は,被写体に対応して適切にダイナミックレンジを拡大
し,拡大した部分のノイズを低減することとしたので,
拡大後の特殊な合成処理は不必要だが,他の合成処理の
アルゴリズムを組み合わせて実施しても良い。また,一
般的な撮像装置について説明したが,暗視装置等の光電
倍増管に適用することも可能である。さらに,本実施の
形態では,エリアセンサについて説明したが,本実施の
形態のノイズ除去機能を他のスキャナー等に適用するこ
とにしても良い。
【0082】
【発明の効果】以上説明したように,請求項1にかかる
撮像装置によれば,光量比可変手段は,同一の被写体像
を分離するとともに,光量比を変更して複数の被写体像
を形成し,複数の撮像手段は形成された複数の被写体像
を各々撮像して画像信号を出力し,画像合成手段は複数
の撮像手段から各々出力される画像信号を合成して1つ
の画像を生成することとしたので,動体などの動きの有
る被写体でもダイナミックレンジの拡大ができ,さら
に,被写体像に適応した最適なダイナミックレンジの拡
大を図ることが可能となる。
【0083】また,請求項2にかかる撮像装置によれ
ば,請求項1に記載の撮像装置において,光量比可変手
段は,分光透過特性の異なる複数の被写体像を形成する
こととしたので,請求項1に記載の発明の効果に加え
て,被写体の色に適応したダイナミックレンジの拡大を
行うことが可能となる。
【0084】また,請求項3にかかる撮像装置によれ
ば,請求項1に記載の撮像装置において,複数の撮像手
段の各撮像手段は異なる分光感度を有することとしたの
で,請求項1に記載の発明の効果に加えて,被写体の色
に適応したダイナミックレンジの拡大を簡単に行うこと
ができ,かつ,RGB独立に設定することが可能とな
る。
【0085】また,請求項4にかかる撮像装置によれ
ば,請求項1に記載の撮像装置において,光量比可変手
段の光量比を,複数の撮像手段から出力される画像信号
に基づいて決定することとしたので,請求項1に記載の
発明の効果に加えて,光量比可変手段がリニアに変化し
なくい場合でも正確に光量比を設定でき,被写体の明る
さに適応したダイナミックレンジの拡大を行うことが可
能となる。
【0086】また,請求項5にかかる撮像装置によれ
ば,請求項1に記載の撮像装置において,ノイズ除去手
段は光量比可変手段により形成された複数の異なる光量
の被写体像の画像信号に基づいて,複数の撮像手段から
出力される画像信号の雑音成分を除去することとしたの
で,請求項1に記載の発明の効果に加えて,ダイナミッ
クレンジを拡大した場合でもノイズの無い自然な画像を
得ることが可能となる。
【0087】また,請求項6にかかる撮像装置によれ
ば,請求項1に記載の撮像装置において,相対位置変位
手段は複数の撮像手段と光学的入力手段により入力され
る被写体像とを相対的に変位させ,複数の撮像手段は各
々相対的に変位した複数の画像信号を出力することとし
たので,請求項1に記載の発明の効果に加えて,画素ズ
ラシによる高解像化を図ることが可能となる。
【0088】また,請求項7にかかる撮像装置によれ
ば,光量比可変手段は同一の被写体像を分離し,光量比
を変更して複数の被写体像を形成し,複数の撮像手段は
形成された複数の被写体像を各々撮像して画像信号を出
力し,画像合成手段は複数の撮像手段から各々出力され
る画像信号を合成して1つの画像を生成し,第1の撮像
モードでは,複数の撮像手段から各々出力される画像信
号を合成して1つの画像を生成する一方,第2の撮像モ
ードでは複数の撮像手段のうちの1つの撮像手段から出
力される画像信号に基づいて画像を生成することとした
ので,低輝度ではダイナミックレンジの拡大を行わない
通常撮影を行うことにより,不必要な長時間露光を防止
することが可能となる。
【0089】また,請求項8にかかる撮像装置によれ
ば,請求項7に記載の撮像装置において,第1の撮像モ
ードと第2の撮像モードとを画像信号に基づいて切り替
えることとしたので,請求項7に記載の撮像装置の効果
に加えて,ダイナミックレンジの拡大をする必要が有る
ときのみダイナミックレンジの拡大を図り,必要が無い
ときは通常の撮影を行って不必要な長時間露光を防止す
ることが可能となる。
【0090】また,請求項9にかかる撮像装置によれ
ば,撮像手段は被写体像を撮像して画像信号を出力し,
ノイズ除去手段は撮像手段により異なる露光量で撮像し
て得られる複数の露光量の異なる画像信号に基づいて,
撮像手段から出力される画像信号の雑音成分を除去する
こととしたので,書画カメラ等の動体を撮像する必要が
無い撮像装置において,ダイナミックレンジを拡大した
場合でもノイズの無い自然な画像を得ることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の撮像装置の概略構成を示す図で
ある。
【図2】ダイナミックレンジ拡大を行わない従来の撮像
装置の概略構成を示す図である。
【図3】入射光に対する撮像手段の出力信号の関係を示
す図である。
【図4】被写体像と入射光の関係の一例を示す図であ
る。
【図5】ダイナミックレンジの拡大原理を説明するため
の説明図である。
【図6】露光量を変更した場合のS/N比を説明するた
めの図である。
【図7】露光比(光量比)Kを説明するための図であ
る。
【図8】反射板の反射率を示す図である。
【図9】反射板を2枚重ねた場合を示す図である。
【図10】反射率が100%,75%,50%となる反
射板の重ね合わせ形態を示す図である。
【図11】電気的に反射率を変化させる場合を説明する
ための図である。
【図12】光量比可変手段を光学手段の前面に配置した
構成を示す図である。
【図13】画像信号の差ΔVをグラフ化した図である。
【図14】本発明の撮像装置を適用したデジタルスチル
カメラの構成を示すブロック図である。
【図15】被写体光量と撮像素子の出力信号との関係を
示す図である。
【図16】CCD撮像素子の出力信号を示す図である。
【図17】2つのCCD撮像素子の出力信号を合成した
合成信号を示す図である。
【図18】被写体像の出力特性の一例を示す図である。
【図19】図18の被写体像のCCD撮像素子の出力を
示す図である。
【図20】信号処理回路内のノイズ除去回路の構成を示
す図である。
【図21】図18の特性の信号に対して,K・V1+Δ
VKの処理を行った後の信号の特性を示す図である。
【図22】CCD撮像素子のフィルタ配列の一例を示す
図である。
【図23】図22のCCD撮像素子で画素ずらしを行っ
た場合の合成画素を示す図である。
【図24】被写体の一例を示す図である。
【図25】図24の被写体に対する撮像素子の出力を示
す図である。
【図26】光量比可変手段の反射率または透過率を示す
図である。
【図27】図26の光量比可変手段の出力を説明するた
めの図である。
【図28】各色毎にダイナミックレンジを拡大する場合
を説明するための図である。
【図29】CCD撮像素子の分光感度の一例を示す図で
ある。
【符号の説明】
1 光学手段 2 光量比可変手段 3 撮像手段 4 合成手段 100 デジタルスチルカメラ 101 撮影レンズ 102 絞り・シャッタ 103 光量比可変手段 104 CCD撮像素子 105 CDS・AD回路 106 信号処理回路 107 DRAM 108 CPU 109 CARDRAM 110 駆動回路 111 LCDモニタ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被写体像を結像するための光学手段と,
    同一の被写体像を分離し,光量比を変更して複数の被写
    体像を形成する光量比可変手段と,前記光量比可変手段
    により形成された複数の被写体像を各々撮像して画像信
    号を出力する複数の撮像手段と,前記複数の撮像手段か
    ら各々出力される画像信号を合成して1つの画像を生成
    する画像合成手段と,を備えたことを特徴とする撮像装
    置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の撮像装置において,前
    記光量比可変手段は,分光透過特性の異なる複数の被写
    体像を形成することを特徴とする撮像装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の撮像装置において,前
    記複数の撮像手段は,異なる分光感度を有することを特
    徴とする撮像装置。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の撮像装置において,前
    記光量比可変手段の光量比は,前記複数の撮像手段から
    出力される画像信号に基づいて決定されることを特徴と
    する撮像装置。
  5. 【請求項5】 請求項1に記載の撮像装置において,さ
    らに,前記光量比可変手段により形成された複数の異な
    る光量の被写体像の画像信号に基づいて,前記複数の撮
    像手段から出力される画像信号の雑音成分を除去するノ
    イズ除去手段を備えたことを特徴とする撮像装置。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の撮像装置において,さ
    らに,前記複数の撮像手段と前記光学的入力手段により
    入力される被写体像とを相対的に変位させる相対位置変
    位手段を備え,各撮像手段は,前記相対的に変位した複
    数の画像信号を各々出力することを特徴とする撮像装
    置。
  7. 【請求項7】 被写体像を結像するための光学手段と,
    同一の被写体像を分離し,光量比を変更して複数の被写
    体像を形成する光量比可変手段と,前記光量比可変手段
    により形成された複数の被写体像を各々撮像して画像信
    号を出力する複数の撮像手段と,前記複数の撮像手段か
    ら各々出力される画像信号を合成して1つの画像を生成
    する画像合成手段とを備え,前記複数の撮像手段から各
    々出力される画像信号を合成して1つの画像を生成する
    第1の撮像モードと,前記複数の撮像手段のうちの1つ
    の撮像手段から出力される画像信号に基づいて画像を生
    成する第2の撮像モードとを有することを特徴とする撮
    像装置。
  8. 【請求項8】 請求項7に記載の撮像装置において,前
    記第1の撮像モードと第2の撮像モードを,前記画像信
    号に基づいて切り替えることを特徴とする撮像装置。
  9. 【請求項9】 被写体像を結像するための光学手段と,
    被写体像を撮像して画像信号を出力する撮像手段と,前
    記撮像手段により異なる露光量で撮像して得られる複数
    の露光量の異なる画像信号に基づいて,前記撮像手段か
    ら出力される画像信号の雑音成分を除去するノイズ除去
    手段と,を備えたことを特徴とする撮像装置。
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