JP3484439B2 - ディジタル電子露光制御 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、イメージングシステムまたはカメラシステ
ム（例えば、写真カメラおよびビデオカメラ）に関し、
特に、イメージングシステム／カメラシステムの露光制
御に関する。

背景技術 カメライメージャ（camera imager）のCCD（charge c
oupled device）により、より小さく、より耐用性の高
いカメライメージャを製造することができる。カメライ
メージャ（すなわち、フィールド蓄積期間に、CCD蓄積
した電荷量を制御するためのカメライメージャ）上に入
射した光に対するイメージャの感度を効率的に制御する
露光制御システムの開発に多大な努力が傾注されてき
た。CCD露光感度を調整し、ピクチャ品質が外光条件の
変化により影響を受けないようにする露光制御システム
が望ましい。このような露光制御システムはCCDベース
のイメージャのパフォーマンスのダイナミックレンジを
大幅に拡大することができる。ここにいう光は可視光で
あって不可視光ではない。

慣用のCCDベースカメライメージャでは、多くの場
合、露光制御システムが機械的なデバイスを用いてイン
プリメントされている。このような機械的なデバイスは
メカニカルアイリスおよび／またはメカニカルシャッタ
リングホイールを含む。最も普通のインプリメンテーシ
ョン、すなわち、メカニカルアイリスは、CCDが受ける
フォトン（photon）のレートを変化させる。メカニカル
シャッタリングCCDがフォトンを受ける時間を変化させ
る。

しかし、このような露光制御システムには欠陥がない
わけではない。というのは、機械的なデバイスは信頼性
が比較的低く、レスポンス時間が短く、レンズのサイズ
が大きくなり、レンズのコストが高くなるからである。
さらに、このような露光制御システムには欠陥がないわ
けではない。というのは、機械的なデバイスを用いる
と、ループ安定性（loop stability）の領域と、異なる
レンズ間の設計移行がますます技術的に困難であるから
である。

撮像管ベースのカメラ、例えば、“VIDICON"カメラの
なかには、露光制御システムを全く非機械的にすること
ができるものもある。このような露光制御システムは、
撮像管のターゲット電極の電圧を制御して、イメージャ
の感度を自動的に制御する。

真空管タイプのイメージャは、固体イメージャよりサ
イズは大きいが頑丈でないので、固体イメージャベース
のカメラ、例えば、CCDカメラは、古い撮像管技術をベ
ースにしたカメラに取って代りつつある。撮像管ベース
のカメラのパフォーマンスアスペクトをCCDベースカメ
ラと完全に一致させるため、CCD感度を制御する非機械
的な露光制御システムが必要になる。固体イメージャの
性質が撮像管イメージャと異なるので、撮像管ベースの
イメージャと同一の電子露光制御技術を、固体イメージ
ャに利用することはできない。固体イメージャには、撮
像管のように、ターゲット電極電圧により感度を変化さ
せる類似の技術はない。そのため、固体イメージャに対
しては、同様の電子光制御であるが、異なる技術が必要
である。

幾つかの大手CCD供給者は、オンチップのシャッタリ
ングオプションを供給している。オンチップのシャッタ
リングオプションは電子プロセスであり、電荷ストリッ
ジウェルに蓄積された電荷を通常の蓄積タイムが終る前
に、その電子プロセスによりダンプすることができる。
よって、イメージングサイクル当たりの露光期間を変化
させることができ、高速停止動作を行うことができる。
この露光期間の変化に対応して、センサ感度も変化す
る。現在、オンチップのシャッタリングのみをベースに
した光制御システムは存在しない。これは、CCDタイミ
ングに制限があるとともに、電子的に変化する露光設定
の応用に対して不要なイメージング副作用があるため、
制限が多いからである。

従って、CCD感度を効率的に制御する高能率露光制御
システムが必要である。

発明の開示 本発明は、CCD感光度を電子的に制御するとともに自
動的に制御し、光条件が変化する中で、適正なイメージ
ャパフォーマンスを行うシステムおよび方法に関する。
本発明は、カラーおよびモノクロ応用に適用することが
でき、同様に、不可視光応用に適用することができる。

本発明はCCDに入射するフォトンの量を調整すること
により、CCD光電感度性を制御しない。また、本発明は
電子機械的なデバイスを用いてCCD光電感度性を制御す
るものでもない。

これに対して、本発明は、CCDが入射光による電荷を
フィールド蓄積期間の一部で放出するように、CCD電子
的に制御し、CCD光電感度性を制御する。言い換える
と、本発明は、CCD露光時間を電子的に変化させる。

本発明は次のように動作する。すなわち、第１に、本
発明によれば、現在のビデオ出力レベルに基づき、次の
フィールド蓄積期間に対して、適正な新露光時間（CCD
に入力される現在の光の光量と、現在の露光期間との積
である）を計算する。第２に、本発明によれば、CCD
は、フィールド蓄積期間（ただし、新露光時間により定
義されたフィールド蓄積期間の一部を除く）にCCDによ
り蓄積された電荷を電気的に放出させる。

本発明は新露光時間を次のようにして計算する。すな
わち、第１に、本発明は、イメージャのビデオ出力か
ら、測定されたビデオ信号レベル（CCD内に蓄積された
電荷を表す）を決定する。第２に、本発明は、測定され
たビデオ信号レベルと、所望のビデオ信号レベルとを比
較して、補正係数を計算する。第３に、本発明は、その
補正係数を用いて旧露光時間を補正し、新露光時間を計
算する。第４に、本発明は、ヒステリシスを導入して、
電子露光「ハンティング」を防止する。ヒステリシスを
導入しない場合は、ビデオフリッカが現れることにな
る。第５に、本発明は、ダンプパルスを印加しても、CC
Dイメージャが不要なビデオ副作用を起こさない期間の
間のみに、ダンプパルスを印加する。

本発明は、CCDにより蓄積された電荷をCCDにより次の
ようにして電気的に放出させる。すなわち、第１に、本
発明は、新しい露光時間を得るため、離散モードで、必
要なダンプパルスの数を決定する。第２に、本発明は、
新露光時間を得るため、連続モードで、必要なダンプ期
間を決定する。第３に、本発明は、決定されたダンプパ
ルスとダンプ期間を有する波形を生成する。

さらに、本発明の効果を図面を参照して詳細に説明
し、同様に、本発明の種々の態様の構成および動作を図
面を参照して詳細に説明する。図面において、同一参照
番号は同一または機能的に同様の要素を示す。さらに、
参照番号の左端の数字はその参照番号が最初に現れた図
面の番号を示す。

図面の簡単な説明 本発明を図面を参照して説明する。

第１図は本発明に係る露光制御システムの動作を示す
フローチャートである。

第２図は本発明に係るビデオカメラを示す。

第３図は同期信号波形を示す。

第4A図はフィールド蓄積期間を示すタイムラインを示
す。

第4B図および第4C図は本発明に係る補正された電荷ダ
ンプ信号の例を示す。

第５図は本発明の露光制御システムの構成を示すブロ
ック図である。

第６図はEPLDの構成を示す。

第７図はEPLDのロジックブロック612の構成を示す。

第８図はEPLDのロジックブロック614の構成を示す。

第９図は補正係数−A/D出力を示す。

発明を実施するための最良の形態 1.同期信号波形 最初に第３図に示す同期信号波形301を考察すること
により、本発明を容易に理解することができるであろ
う。同期信号波形301は、電子イメージングシステムの
種々のスキャニング期間を参照するために用いる。固体
イメージャ、例えば、ビデオカメラは、同期信号波形30
1に従って動作する。電子イメージディスプレイ、例え
ば、CRT、同期信号波形301に同期して、イメージをトレ
ースする。

同期信号波形301はフィールド蓄積期間302という周期
的な期間を備えている。単一のフィールドは各フィール
ド蓄積期間302の間にトレースされる。

各フィールド蓄積期間302は、ピクチャ期間304と、垂
直ブランキング期間310を含む。ピクチャ期間304はアク
ティブビデオ期間306と、水平ブランクキング期間308を
含む。

アクティブビデオ期間306の間に、フィールドのライ
ンはビデオディスプレイに関連する電子ビームによりト
レースされる。水平ブランキング期間308の間は、電子
ビーム強度がブランキングされ、電子ビームはそのフィ
ールドの次のラインの初めに位置される。垂直ブランキ
ング期間310の間は、電子ビーム強度がブランキングさ
れ、電子ビームは次のフィールドの初めに位置される。

本発明の好ましい実施態様では、CCDに対するフィー
ルド蓄積期間302は1/60秒（約16.7msec）である。ピク
チャ期間304は約15.6msecである。垂直ブランキング期
間310は約1.1msecである。各アクティブビデオ期間306
は約53μsecである。

同期信号波形301の普通のタイプは、公開されている
ドキュメント、例えば、EIA−RS−170とEIA−RS−343に
記述されている。EIA−RS−170とEIA−RS−343はEIA（e
lectronic industries association）による標準であ
る。

2.本発明の概要説明 このセクションでは本発明の構成と作用を概説する。

第２図は本発明に係るビデオカメラ202を示す。ビデ
オカメラ202は、CCD204と、ビデオ信号処理回路216と、
カメラ同期／制御回路224と、露光制御システム220を含
む。CCD204は、光電領域206と、垂直シフトレジスタ領
域208と、水平シフトレジスタ212と、ビデオ出力段214
と、サブストレート領域218と、サブストレートピン219
を含む。

光電領域206と、垂直転送レジスタ208は行をなす。光
電領域206に蓄積された電荷は、各フィールド蓄積期間
の終りに、垂直シフトレジスタ領域208に転送される。
次のフィールド蓄積期間の間、垂直シフトレジスタ208
に転送された電荷は、逐次、１行210下に同時に転送さ
れる。一番下の行210Gの電荷は水平シフトレジスタ212
に移動される。この転送は、TVラインレート、すなわ
ち、EIA−RS−170の525ラインの例では、約63.5μsecに
１回行われる。各63.5μsecライン期間の間、水平シフ
トレジスタ212は、次の垂直ダンプの前に、すなわち、6
3.5μsec後に、前部の電荷を移動させるのに充分なクロ
ックレートで、同様にして、右にシフトされる。その電
荷はビデオ出力回路214にシフトされ、ビデオ出力回路2
14により、その電荷が電圧に変換される。水平シフトレ
ジスタ212をクロッキングすることにより、それぞれ各
感光部（photosite）の電荷を表す電圧のシリアルスト
リームが、順次、出力され、標準のフォーマットで、例
えば、EIA−RS−170でビデオ信号を形成する。

ビデオカメラ202は一般的に次のように動作する。

光電領域206は、フィールド蓄積期間302の間、ビデオ
カメラ202外から生成されたフォトンを受け取る。受け
取られたフォトンは現在記録されているイメージを表
す。

光電領域206では、フォトンは電荷に変換される。こ
の電荷は1TVフィールドに１回だけ、近接した垂直シフ
トレジスタ領域208に転送される。

光電領域206はフィールド蓄積期間の間に電荷をスト
ア（または、蓄積、または、積分）する。

慣用のビデオカメラでは、光電領域は、全フィールド
蓄積期間302の間に電荷を蓄積する。言い換えると、露
光時間（すなわち、電荷ストリッジ領域が電荷を蓄積す
るフィールド蓄積期間302の一部）は一定である。慣用
のビデオカメラは、CCDに入射されたフォトンの量を調
整する光制御システムを用いることにより光を感知す
る。

しかし、本発明によれば、CCDに入射された光の量は
調整されない。従って、光電領域206はフィールド蓄積
期間302の一部に対してのみ電荷を蓄積する（すなわ
ち、露光時間は一定ではない）。本発明に係るビデオカ
メラ220は、露光制御システム220を用いて露光時間を変
化させることにより光電感度性を得る。言い換えると、
露光制御システム220は、光電領域206が電荷を蓄積する
ピクチャ期間304の一部を決定する。

特に、露光制御システム220は補正された電荷ダンプ
信号（MCDS）406を生成し、MCDS406がCCD204のサブスト
レートピン219に印加される。本発明の好ましい実施態
様では、補正された電荷ダンプ信号406が低電圧値にな
ると、光電領域206に蓄積された電荷は、（サブストレ
ート領域218により表される）ドレインオフ領域に放出
（すなわち、ダンプ）される。そして、光電領域206は
電荷の蓄積を再開する。このような電荷蓄積は、補正さ
れた電荷ダンピング信号406が再び低電圧になるまで
か、あるいは、フィールド蓄積期間302が満了するま
で、連続して行われる。従って、補正された電荷ダンピ
ング信号406のデューティサイクル（露光制御システム2
20により制御される）は、光電領域206が電荷を蓄積す
るフィールド蓄積期間302の一部を決定する。

フィールド蓄積期間302が満了した後、光電領域206に
ストアされた電荷は、垂直シフトレジスタ208に転送さ
れる。その後のフィールド蓄積期間302の間に、垂直シ
フトレジスタに転送されたばかりの電荷は、１行１行、
順次下方にシフトされ、水平シフトレジスタ212にスト
アされる。例えば、行210Aの電荷は行210B,201Bに移動
され、行210C、等々、行210Gに移動され、水平シフトレ
ジスタ212にストアされる。

水平シフトレジスタ212の電荷は、１列１列、順次シ
フトされ、ビデオ出力回路214に出力される。例えば、
列212Dの電荷はシフトされビデオ出力回路214に出力さ
れる。同時に、列212Cの電荷は列212Dにシフトされる。
この動作は、列212Aの電荷がレジスタ212を介してシフ
トされ、ビデオ出力回路214に出力される。

シフトレジスタ212からの電荷を、各ピクセルに対し
て、比例する電圧に変換することにより、ビデオ出力回
路214はビデオ出力信号222を生成する。従って、ビデオ
出力信号222は、各ピクセルに蓄積された電荷に相当す
る一連の電圧になる。

そのビデオ出力信号222はビデオ信号処理回路216に送
られ、さらに処理される。ビデオ信号処理回路216の構
成および動作は周知である。

このビデオ出力信号222も露光制御システム220に送ら
れる。そのビデオ出力信号222に基づき、露光制御シス
テム220は、次のフィールド蓄積期間302に対して、補正
された電荷ダンピング信号406を生成する。従って、本
発明は、CCD224の光電感度性を制御する（露光制御シス
テム204を含む）フィードバックループを含む。

カメラ同期／制御回路224は、上述した電荷蓄積と電
荷転送を組み合わせ、全機能を同期させて、ビデオ標
準、例えば、EIA−RS−170に則ったビデオストリームを
順次を生成する。カメラ同期／制御回路224は、CCD転送
クロック226を生成し、同様に、ビデオ同期信号波形301
を生成する。

現フィールド蓄積期間の間に蓄積された電荷を用い
て、次のフィールド蓄積期間に蓄積することができる電
荷の量を制御することにより、本発明に係る露光制御シ
ステム220は、外光の条件の変化に起因するピクチャ品
質の変化を最小限にする。

次に、露光制御システム220による、補正された電荷
ダンピング信号406の生成法を説明する。

3.設計とインプリメンテーションの考慮事項 このセクションは、本発明に係る露光制御システム22
0の設計とインプリメンテーションに影響する考慮事項
を説明する。

3.1 離散モード アクティブビデオ期間306の間の電荷ダンピングによ
り、信号ペデスタルが増加し、好ましくないピクチャ副
作用、例えば、ピクチャ上に濃い領域ができる。このよ
うな信号ペデスタルの増加により、ピクチャ品質が低下
する。従って、アクティブビデオ期間306の間は、蓄積
された電荷は露光制御システム220によりダンプされな
い。しかし、ピクチャ期間304には、蓄積された電荷は
水平ブランキング期間308の間にのみダンピングされ
る。

露光制御システム220はピクチャ期間304にある間は、
「離散モード」といわれる。というのは、水平ブランク
キング期間308のみでダンピングが制限されるので、露
光時間が離散的なステップになる。これら離散的なステ
ップはアクティブビデオ期間306のそれぞれの継続期間
（すなわち、EIA−RS−170の525ラインの例では、約63.
5μsec）に等しい。

露光制御システム220が離散モードでのみ動作する場
合は、露光制御システム220は63.5μsec（すなわち、単
一のステップ、または、単一のライン）から1/60sec
（すなわち、全フィールド蓄積期間302）の間の露光時
間範囲を、63.5μsecのインクリメントで得る。

しかし、離散モードでのみで動作するには問題があ
る。この問題は、露光時間の一部の変化を表す式（１）
で示される。式（１）では、０は旧露光時間に等しく、
Ｎは新露光時間に等しい、０およびＮは両者とも、63.5
μsecの整数倍である。

露光時間のパーセント変化＝100＊（（Ｎ−０）/0） （１） ０は、フィールド蓄積期間が終わる前の３ライン（す
なわち、190.5μsec）に等しい（すなわち、フィールド
蓄積期間が終わる前の３つの離散ステップの間でのみ、
電荷が蓄積される。−−フィールド蓄積期間の間の他の
電荷は全てダンピングされる）ものとする。また、Ｎは
４ライン（すなわち、254μsec）に等しいものとする。
このシナリオにより、露光時間のパーセント変化は33％
である。露光時間のパーセント変化が大きくなると、観
測できる程度のビデオ出力レベル（ブライトネス）ステ
ップが、表示されたイメージ上に現れる。

実験によれば、３％ないし４％を超える露光時間のパ
ーセント変化を観測することができるが、観測者が観測
できないこともある。従って、離散モードだけで動作さ
せるのも問題がある。

3.2 連続モード 垂直ブランキング期間310の間に電荷をダンピングし
ても、信号ペデスタルは増加しない。というのは、ビデ
オはこの期間ではブランキングされるからである。従っ
て、露光制御システム220により、蓄積された電荷を、
垂直ブランキング期間310の間に、離散モードでの63.5
μsecより非常に高い精度で、連続的にダンピングする
ことができる。その結果、露光制御システム220は垂直
ブランキング期間310の間、「連続モード」にあると言
われる。というのは、蓄積された電荷が連続的にダンピ
ングされるからである。

連続モードの間に電荷を連続的にダンピングする能力
は、離散モードでの問題を相殺する。特に、連続モード
でない場合は、離散モードの間での最後の電荷をダンピ
ングすることにより、露光時間のパーセント変化は50％
になる。しかし、連続モードの場合には、離散モードの
間の最後の電荷のダンピングにより、露光時間のパーセ
ント変化は非常に小さくなる。

本発明によれば、蓄積された電荷は、離散時間の期間
の一部と、全離散時間の期間と、連続時間期間の離散お
よび一部の全てか、あるいは、連続時間期間の全離散お
よび全てのいずれかを含む期間の間に、露光制御システ
ム220によりダンピングされる。露光制御システム220は
補正された電荷ダンピング信号405を生成し、蓄積され
た電荷を何時ダンピングするかを制御し、どの程度ダン
ピングするかを制御する。

第4A図、第4B図、および第4C図は、補正された電荷ダ
ンピング信号406の例を示す。特に、第4A図はフィール
ド蓄積期間302を示すタイムラインを示す。第4B図およ
び第4C図は、第4A図に示すタイムラインを参照して比較
することができる、補正された電荷ダンピング信号406
の例を示す。

第4B図では、露光制御システム220は、蓄積された電
荷が離散モードの一部の間でのみダンピングされるよう
に、補正された電荷ダンピング信号406を生成した。第4
B図に示すように、補正された電荷ダンピング信号406
は、離散モードの間に、４つのロー（low）パルスを含
む。従って、４ラインの間（すなわち、254μsec）に蓄
積された電荷はダンピングされる。その結果、全露光時
間は約16.4msecになる。

第4C図では、露光制御システム220は、蓄積された電
荷が全離散モードの間と、連続モードの初めにダンピン
グされるように、補正された電荷ダンピング信号406を
生成した。第4C図に明示されているわけではないが、第
4C図に示す、補正された電荷ダンピング信号406は、離
散モードの間に249個のローパルスを含み、連続モード
の間に442個のローインクリメントを含む（言い換える
と、補正された電荷ダンピング信号406は、連続モード
の間の約486μsecに対してローである）。従って、総計
露光時間は369μsecである。

4.露光制御システム 本発明に係る好ましい実施例によれば、露光制御シス
テム220はディジタルアプローチを用いてインプリメン
トされる。ディジタルインプリメンテーションを用いる
ことは、多くの理由により有利である。

第１には、動作の２つのモード（すなわち、離散モー
ドおよび連続モード）での露光制御システム220のハイ
ブリッドな性質は、レスポンスタイムと、他のループ安
定基準とに対して厳しい制限が課せられる。ディジタル
インプリメンテーションは、アナログインプリメンテー
ションと異なり、良く適合し、このような制限を満足す
るものである。

第２には、ヒステリシスがない場合、露光制御システ
ム220は、光レベルの間を連続的にハンティングしよう
とする。というのは、露光時間の離散モードにより、全
く適正な露光時間を得ることができない。このため、瞬
間的な露光エラーを生じる。この小さい露光エラーは直
接ピクチャ品質に影響を与えるわけではないが、副次的
な影響として、適正な値のいずれかで、露光ループは露
光時間を離散的な値に変更する。この「ハンティング」
アクションにより、出力ビデオイメージに、目に見える
フリッカとして現れ、時には、目に見えないフリッカと
して現れる。

本発明によれば、露光制御システム220はこの問題を
回避するためのヒステリシスを含む。この制御ループに
対してヒステリシスをアナログ的にインプリメントする
には、膨大な回路を必要とし、念入りな調整が必要であ
る。ディジタル的にインプリメントすることにより、こ
のヒステリシスを容易に導入することができる。また、
ディジタル的にインプリメントすることにより、選択試
験（select−at−test）された抵抗か、あるいはポテン
ショメータ（アナログ的にアプローチする場合には必要
になるかもしれない）を用いずに、このヒステリシスを
インプリメントすることができる。従って、ディジタル
インプリメントは大量生産を容易にする。というのは、
チューニングおよび選別試験要件は必要ではない（逆に
言えば、選別試験された抵抗か、あるいはポテンショメ
ータを必要とするアナログ的なアプローチは大量生産に
は向かない）。

第５図は露光制御システム220の構成を示すブロック
図である。露光制御システム220はACカップル/FETブラ
ックレベルクランプ502と、RCフィルタ504と、増幅器
（AMP）506と、AD（analog−to−digital）変換器508
と、PROM（progrmmable read only memory）510と、ラ
ッチ512と、EPLD（erasable programmable logic devic
e）514とを含む。

本発明の好ましい実施例では、AMP506は汎用のオペア
ンプでよく、ゲイン−バンド幅積がビデオ信号（本例で
は、15MHz）と互換性がある。AD変換器508は６ビットの
最小精度を有し、変換時間が90μsec未満でなければな
らない。

PROM534は、32K×8 EPROMか、PROMか、ROMか、OTPの
いずれでも良い。AD変換時間と、EPROMアクセス時間の
総計は90μsecでなければならない。

EPLD514の内部回路は回路プリミティブのブロックに
よりなる階層アプローチを用いた略式な設計である。従
って、この設計は、種々のプログラマブルなデバイス
と、ゲートアレイのいずれかに容易に変更することがで
きる。EPLD514はAltera and Cypress社から得ることが
できる。

第１図は露光制御システム220の動作を示すフローチ
ャートである。第５図に示すディジタル回路を参照して
第１図を説明する。しかし、第１図に示す露光制御シス
テム220の動作は、異なる回路を用いてインプリメント
することができる。

ステップ104では、ビデオ出力信号222を測定する。

特に、ACカップル/FETクランプ502はAC結合し、ビデ
オ出力信号222をグランドレベルにクランプする。クラ
ンプ機能により、プリクランプされたビデオ対温度の電
圧変動に起因するビデオ入力レベルの一致度（consiste
ncy）が保証される。このクランプにより、ディジタル
化の後に、比較を較正することができる。反転された水
平駆動パルス（/HD）は、クランプパルスを供給するた
めに用いられる。

RCフィルタ504はローパスフィルタであり、３または
４フレーム（すなわち、約150msec）に対する平均CCDビ
デオ出力レベルを表すDC電圧を生成する。RCフィルタ50
4のカットオフ周波数は、イメージのより高周波成分の
重要度を決定する。RCフィルタ504の時定数も、露光制
御システム220の応答時間を決定する。本発明に係る好
ましい実施態様では、RCフィルタ504の時定数は24msec
である。他の実施態様では、ビデオ出力信号222は平均
ではなく、ピーク検知することができる。

CCDデータシートから取り出されたCCD204の最大出力
が、ADコンバータ508の入力範囲を超えないように、AMP
506の増幅レベルが選択される。従って、ポテンショメ
ータ、または選別試験された抵抗を用いないで、露光制
御システム220をインプリメントすることができる。

ステップ106にて、AMP506の出力端子のDC電圧がAD変
換器508により５ビットに量子化される。言い換える
と、平均シーンのイルミナンスは０ないし31の値として
表される。

CCD204が飽和すると最大ビデオ出力が生じる。この最
大ビデオ出力を31で表す。平均ビデオ出力は、通常、飽
和レベルの1/2のレベルにセットされる。従って、本発
明の好ましい実施態様では、所望のディジタル光レベル
として、レベル16が選択される。この選択されたレベル
を変更して、カメラ設計の個々のニーズに適応させる。

第１図の残りのステップは、PROM510とEPLD514により
パフォームされる。一般的には、PROM510とEPLD514はAD
変換器508からの出力を利用して、（AD変換器508から
の）16の出力を生成するのにどの程度の露光変化が必要
かを決定する。新しい露光設定（新露光時間ともいう）
が各フィールドの終りで選択される。新しい露光設定は
AD変換器からの現５ビット値と、前のフィールド露光設
定（旧露光時間ともいう）とに基づき計算される。

露光時間は、10ビット制御コードとして表されてお
り、離散モードで存在するダンプパルスの数と、連続モ
ードでの1.1μsecインクリメントの数を表す。注意すべ
きことであるが、第５図に示す、露光制御システム220
の好ましいディジタルインプリメンテーションは、蓄積
された電荷がダンピングされる1.1μsecインクリメント
を用いて連続モードをインプリメントする。小さいステ
ップが連続モードの間にインプリメントされ、回路が非
常に複雑になるが、より良い露光精度を得ることができ
る。

第１図を説明する。ステップ108にて、PROM510はAD変
換器508からの出力を受ける。PROM510は旧露光番号も受
ける。旧露光番号は旧露光時間に対応する10ビット制御
コードである。旧露光番号はラッチ512にストアされ
る。

PROM510は式（２）および式（３）に従って補正係数
（CF）を計算する。ただし、ＮはAD変換器508からの出
力を表し、Ｋはダンピング係数を表す。

好ましい実施態様では、例２および例３に示す数学的
および論理的なオペレーションが、PROM510に対するプ
ログラミングルーチンの一部としてパフォームされる。
特に、式（２），（３）が予め計算され、その結果がPR
OM510にストアされる。そして、PROM510がルックアップ
テーブルとして用いられる。PROM510への入力アドレス
は、AD変換器の５ビットと、前の露光番号534の10ビッ
トとを連結することにより生成される。

Ｎ≧16に対して、CF＝１−Ｋ＊（（N/16）−１）（２） Ｎ＜16に対して、CF＝１＋Ｋ＊（１−（N/16））（３） ダンピング係数は、ループがRCフィルタ504の時定数
により安定化するのに必要である。RC時定数は第５図に
示す露光制御システム220で主に用いられるタイミング
係数である。本発明の好ましい実施態様では、ダンピン
グ係数は0.4に設定されている。

式（２），（３）は初期計算と経験的な微調整に基づ
き決定される。初期計算は周知の値、例えば、露光制御
システム220の所望のレスポンスレートと、RCフィルタ5
04の時定数とに基づいている。この情報に基づき、露光
制御システム220の変化の最大レートを計算することが
できる。第９図は式（２），（３）を示すグラフであ
り、AD変換出力532と補正係数（CF）の間の関係を示
す。

ステップ110にて、PROM510は、ラッチ512からの旧露
光番号を、対応する旧露光時間に変換する。既に注意し
たように、旧露光番号は離散モードで現れるダンプパル
スの数（63.5μsecインクリメント）と、連続モードで
の1.1μsecインクリメントの数を表し、旧露光時間を得
る。PROMは旧露光番号534とAD変換出力532の可能な値に
対してアルゴリズム計算の結果をストアする。好ましい
実施態様では、その計算はパーソナルコンピュータで行
われる。

PROM510は、露光時間と露光番号をリンクするテーブ
ルをアクセスすることによりステップ110を行う。この
テーブルはPROM510にストアされている。このテーブル
を次に示す。

251の露光コードに対して、離散モードでのダンプパ
ルス（それぞれ、63.5μsecインクリメントに対応す
る）を249個にし、連続モードで３インクリメント（そ
れぞれ、1.1μsecに対応する）することにより、例え
ば、0.794msecの露光時間が得られる。

ステップ112にて、PROM510の出力は、旧露光時間と補
正係数を乗算することにより、新露光時間の計算を表
す。

ステップ114にて、PROM510は第１表を参照して、新露
光時間を新露光番号に変換する。既に示したように、新
露光番号は10ビット制御コードである。この制御コード
は、離散モードで現れるダンプパルスの数を表し、新露
光時間を得るのに必要な連続モードでの1.1μsecインク
リメントを表す。

ステップ116にて、PROM510は、フィールド間の蓄積時
間のハンティングを防止するため、ヒステリシスを導入
する。言い換えると、AD変換器508は連続平均ビデオレ
ベル（DC電圧の形式でAMP506から）を量子化して、32個
の可能な値を有するディジタル平均ビデオレベルにする
ので、適正な値は２つの離散的な値の間に存在すること
になる。ヒステリシスがない場合は、露光制御システム
220は２つの量子化された連続する値（例えば、Ｘと、
Ｘ＋１）の間を行ったり来りすることができる。このた
め、より短い蓄積時間で、フィールド間フリッカを生じ
る。

本発明のヒステリシス基準は次のようにオペレートす
る。新露光番号が旧露光番号−１に等しい場合は、新露
光番号は旧露光番号に設定される。新露光番号が旧露光
番号−２に等しい場合は、新露光番号は旧露光番号−１
に設定される。光レベルが大きく変化した場合にのみ、
このヒステリシス基準により、新露光番号は旧露光番号
と異ならせることができる。

ステップ116の後、新露光番号はラッチ512にストアさ
れる。

本発明によれば、ヒステリシスは連続モードの最後の
部分でディセーブルされる。これは、最も短時間の露光
間隔の間のイメージフリッカを低減するのに必要であ
る。本発明の好ましい実施態様では、連続モードの最後
の10ステップの間に、ヒステリシスがディセーブルされ
る。

ステップ118にて、EPLD514はラッチ512からの新露光
番号を、適正に補正された電荷ダンピング信号406に変
換する。補正された電荷ダンピング信号406は、ビデオ
カメラ202の（図示しない）カメラタイミングジェネレ
ータで生成された元の静的な電荷ダンピング信号（SCD
S）の遷移タイミングと一致しなければならない。次
に、EPLD514をさらに説明する。

5.EPLD 第６図はEPLD514の構成を示す。既に注意したよう
に、EPLD514は、例えば、Altera and Cypress社から得
ることができる。本発明によれば、EPLD514は、分周器6
02と、マルチプレクサ604と、カウンタ606と、比較器60
8,616と、ラッチ610,618を含む。これらのデバイスは周
知のものである。

EPLD514はロジックブロック612および614も含む。次
に、露光制御システム220に関して、EPLD514の動作を説
明し、特に、ロジックブロック612および614のプログラ
ミングを説明する。

第５図および第６図にともに示すように、EPLD514は
多くの入力を受信し、多くの出力を生成する。特に、EP
LD514はシステムイネーブル（SYSEN）515と、14.3MHz信
号516と、水平駆動（HD）信号518と、フィールド信号52
0と、静的電荷ダンピング信号（SCDS）522と、イメージ
電荷転送パルス（ICTP）524を受信する。これらの信号
は、ビデオカメラ202内の（第２図には示さない）回路
により生成される。EPLD514はラッチ512からの露光番号
536も受信する。

分周器602は14.3MHz信号516を16分周し、分周器602か
らの信号を用いて、連続モードで連続ステップを生成す
る。この信号を用いて、EPLD514の他の機能をクロック
する。

この静的電荷ダンピング信号522は、各水平ブランキ
ング期間308の間にパルスを生成する。従って、EPLD514
は静的電荷ダンピング信号522を用いて、水平ブランキ
ング期間308が何時生じるかを決定する。

このイメージ電荷転送パルス524は、それぞれ、新し
いフィールドの開始点をマークする。EPLD514はイメー
ジ電荷転送パルス524を用いて、離散および連続モード
を何時開始するかを決定する。

EPLD514は、２つのインタリーブされたフィールドに
対する露光時間が同一になるように、HD信号518を用い
て、ラインをカウントダウンする。

EPLD514は、補正された電荷ダンピング信号（MCDS−
−パルス出力イネーブル670とも言う）406と、/HD信号5
26と、反転信号528と、リセット信号662と、PROMイネー
ブル信号530とを生成する。

/HD信号526（第６図には示さない）は、HD信号518を
反転したものである。この信号により、クランプパルス
をACカップル/FETクランプ502に供給する。

反転信号528とPROMイネーブル信号530は、制御信号で
あり、それぞれ、AD変換器508に入力され、PROM510/ラ
ッチ512に入力される。これらの信号は次のフィールド
蓄積期間に対してオペレーションを開始する。

既に注意したように、EPLD514はラッチ512からの露光
番号を適正に補正された電荷ダンピング信号406に変換
する。EPLD514はこの変換を、ロジックブロック612,614
内にインベッドされたプログラミングに従って行う。こ
れらのロジックブロック612,614を説明する。

第７図はロジックブロック612のブロック図である。
ロジックブロック612は出力イネーブルを離散および連
続パルスに供給する。電荷ダンピングパルスは、離散ま
たは連続のいずれかであり、カウンタイネーブル654が
否定されたときに禁止される。10ビットカウンタ606が
最終カウント値になったとき（すなわち、比較器616に
より決定された露光番号536に等しくなったとき）、カ
ウンタイネーブル654は否定される。

第８図はロジックブロック614のブロック図である。
ロジックブロック614はPROM出力イネーブルパルス530
と、10ビットカウンタイネーブルパルス654と、リセッ
トパルス662と、A/D変換器の“convert"パルス528を生
成する。これらのパルスは、イメージ電荷転送パルス52
4を遅延させ、イメージ電荷転送パルス524をHD518に同
期させることにより、光電部（photosite）電荷転送パ
ルスから取り出される。

6.システムパフォーマンス ディジタル露光制御システム200の供給する露光範囲
は16.7msecから3.5μsecである。これは、約4800:1光範
囲制御に対応する。高い光レベル／低い露光時間範囲に
近付くと、3.5μsec範囲に近い総計露光時間の大部分を
表す1.1μsec離散ステップにより、フリッカが生じるか
もしれない。このことは、本発明による限定ではない。
1.1μsecを超える精度は、PROM510と、EPLD514と、AD変
換器508を複雑にすることなく、10個を超える出力ビッ
ト数を増加させ、しかも、５ビットを超えるAD変換器の
精度を高くさせることにより、既に生成することができ
た。回路を複雑にすることと、次に説明するが、イメー
ジスミアを制限する点では、開示した設計は最も進んだ
好ましい実施態様である。

高い光レベル／短時間の蓄積により生じる別のアーテ
ィファクトは、イメージスミアを増加させる。10,000ft
−Ｌ光源を用いた実験では、５−10％のスミアが生じ
た。このスミアは、現在最も進んだインタライン転送型
CCDを用いることにより回避することができる。技術が
進むに従って、ここ数年で、イメージスミアが低減され
た。現在では、これは、本発明のダイナミックレンジを
拡大する際の主な関心事である。

露光制御システム220により、ビデオの品質を大幅に
落とすことなく、さらに、コストの高いシャッタ機構を
新たに設けることなく、広範囲の光レベルに亘って、カ
メラを用いることができる。そのレスポンスタイムは、
一般的に、メカニカルアイリスシステムより良い。その
カメラは可動部分がないので、信頼性が高く、サイズが
小さく、コストが安い。

7.エンハンスメント 露光制御システム220はマイクロコントローラを用い
てインプリメントすることができる。マイクロコントロ
ーラは、AD変換器508（マイクロコントローラ内に含ま
れる場合は）と、PROM534と、ラッチ512とを除去するこ
とにより、サイズを小さくし、消費電力を軽減すること
になる。マイクロコントローラによるアプローチは、マ
イクロコントローラが既に存在するシステムか、新たに
制御が必要なシステムか、あるいは、プリント基板（PC
B）の大きさに制限があるシステムのいずれかで、用い
ることができる。

露光制御システム220は多くの応用、例えば、宇宙、
商用、または軍用での応用に用いることができる。軍用
での応用では、次のコンポーネントを用いることができ
る。

軍仕様AD変換器、例えば、AD7576を用いて、AD変換器
508をインプリメントすることができる。

PROM510は、Intel製の軍仕様27C256を用いてインプリ
メントすることができる。その他の幾つかのベンダも代
替の32K×8PROMを提供している。

以上、本発明の種々の実施態様を説明したが、これら
は例に過ぎず、これらに制限されるものではないことは
当然である。従って、本発明の範囲は上述した実施態様
に制限されるものではなく、請求の範囲および均等物に
従ってのみ定義されるべきである。

フロントページの続き (72)発明者 レイヤー，ラルフ，アルバート アメリカ合衆国 11784 ニューヨーク 州 セルデン ノース エバグリーン ドライブ 73 (72)発明者 トレイノア，トーマス，フー アメリカ合衆国 11791 ニューヨーク 州 ローレル ホロウ ピカーディー レーン 28 (56)参考文献 特開 平３−132177（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−119776（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−30431（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−62323（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−162975（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−95508（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/30 - 5/335

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】フィールド蓄積期間の間に入射光により誘
   起された電荷が、電荷ストリッジ領域を有する電荷結合
   素子により蓄積される時間を制御する方法において、 測定されたビデオ出力信号を、第１露光時間で制御され
   た第１フィールド蓄積期間の間に生成する生成ステップ
   と、 前記測定されたビデオ出力信号と所望のビデオ出力信号
   の差に基づき補正係数を計算する補正係数計算ステップ
   であって、さらに、前記測定されたビデオ出力信号をデ
   ィジタル化するディジタル化ステップと、前記ディジタ
   ル化されたビデオ出力信号が所望の値Ｘを超えるか、あ
   るいは等しい場合に、次式、すなわち、 補正係数＝１−Ｋ＊（（N/X）−１） ただし、Ｎは前記ディジタル化されたビデオ出力信号を
   表し、Ｋは減衰係数を表す。 に従って補正係数を計算するステップと、前記ディジタ
   ル化されたビデオ出力信号が前記所望の値Ｘ未満である
   場合に、次式、すなわち、 補正係数＝１＋Ｋ＊（１−（N/X）） ただし、Ｎは前記ディジタル化されたビデオ出力信号を
   表し、Ｋは減衰係数を表す。 に従って補正係数を計算するステップとを備えた補正係
   数計算ステップと、 前記補正係数に基づき次のフィールド蓄積期間に対する
   新露光時間を計算する新露光時間計算ステップと、 前記次のフィールド蓄積時間に対する所望の適正な露光
   時間を得るため、前記次のフィールド蓄積時間のうちの
   前記新露光時間により定義された期間に、前記電荷スト
   リッジ領域に蓄積された電荷をダンプするダンプステッ
   プと を備えたことを特徴とする方法。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項において、前記ディジタ
   ル化ステップは、前記測定されたビデオ出力信号を０か
   ら31までの範囲でディジタル化するステップを備え、前
   記所望の値Ｘが16であることを特徴とする方法。
3. 【請求項３】フィールド蓄積期間の間に入射光により誘
   起された電荷が、電荷ストリッジ領域を有する電荷結合
   素子により蓄積される時間を制御する方法において、 測定されたビデオ出力信号を、第１露光時間で制御され
   た第１フィールド蓄積期間の間に生成する生成ステップ
   と、 前記測定されたビデオ出力信号と所望のビデオ出力信号
   との差に基づき補正係数を計算する補正係数計算ステッ
   プと、 前記補正係数に基づき次のフィールド蓄積期間に対する
   新露光時間を計算する新露光時間計算ステップと、 前記次のフィールド蓄積期間に対する所望の適正な露光
   時間を得るため、前記次のフィールド蓄積時間のうちの
   前記新露光時間により定義された期間に、前記電荷スト
   リッジ領域に蓄積された電荷をダンプするダンプステッ
   プであって、さらに、前記新露光時間を制御コードに変
   換するステップと、前記制御コードを用いて、前記新露
   光時間を得るため離散モードで必要なダンプパルスを決
   定するステップと、前記制御コードを用いて、前記新露
   光時間を得るため連続モードで必要なダンプパルスを決
   定するステップと、ダンプパルスとダンプ期間を有する
   波形を生成するステップと、前記適正な新露光時間が旧
   露光時間と大幅に異なるときにのみ、前記適正な新露光
   時間を変更することができる変更ステップであって、前
   記制御コードが旧露光番号−１である場合に、前記制御
   コードを前記旧露光番号に設定するステップと、前記制
   御コードが旧露光番号−２に等しい場合に、前記制御コ
   ードを前記旧露光番号−１に設定するステップとを備え
   た変更ステップとを備えたダンプステップと を備えたことを特徴とする方法。
4. 【請求項４】フィールド蓄積期間の間に入射光により誘
   起された電荷が、電荷ストリッジ領域を有する電荷結合
   素子により蓄積される時間を制御することにより、前記
   電荷結合素子に対する露光感度を制御するシステムにお
   いて、 第１蓄積期間にアナログビデオ信号を生成するアナログ
   ビデオ信号生成手段と、 前記測定されたアナログビデオ信号をディジタル化する
   ディジタル化手段であって、所望の値Ｘを含む範囲で、
   前記測定されたアナログビデオ信号をディジタル化する
   手段を備えたディジタル化手段と、 前記測定されたディジタルビデオ信号と所望のビデオ信
   号との差に基づき補正係数を生成する補正係数生成手段
   であって、さらに、前記ディジタル化されたビデオ出力
   信号が所望の値Ｘを超えるか、あるいは等しい場合に、
   次式、すなわち、 補正係数＝１−Ｋ＊（（N/X）−１） ただし、Ｎは前記ディジタル化されたビデオ出力信号を
   表し、Ｋは減衰係数を表す。 に従って前記補正係数を計算する手段と、前記ディジタ
   ル化されたビデオ出力信号が前記所望の値Ｘ未満である
   場合に、次式、すなわち、 補正係数＝１＋Ｋ＊（１−（N/X）） ただし、Ｎは前記ディジタル化されたビデオ出力信号を
   表し、Ｋは減衰係数を表す。 に従って前記補正係数を計算する手段とを備えた補正係
   数生成手段と、 旧露光時間を前記補正係数で補正することにより、適正
   な新補正時間を生成する新露光時間生成手段と、 前記電荷ストリッジ領域に蓄積された電荷を、次のフィ
   ールド蓄積期間のうち前記適正な新露光時間により定義
   された期間の間にダンプするダンプ手段と を備えたことを特徴とするシステム。
5. 【請求項５】請求の範囲第４項において、前記測定され
   たアナログビデオ出力信号をディジタル化して得られた
   信号の範囲は、０から31までの範囲であり、しかも、前
   記所望の値Ｘは16であることを特徴とするシステム。
6. 【請求項６】フィールド蓄積期間の間に入射光により誘
   起された電荷が、電荷ストリッジ領域を有する電荷結合
   素子により蓄積される時間を制御することにより、前記
   電荷結合素子に対する露光感度を制御するシステムにお
   いて、 第１蓄積期間にアナログビデオ信号を生成するアナログ
   ビデオ信号生成手段と、 前記測定されたアナログビデオ信号をディジタル化する
   ディジタル化手段であって、所望の値Ｘを含む範囲で、
   前記測定されたアナログビデオ信号をディジタル化する
   手段を備えたディジタル化手段と、 前記測定されたディジタルビデオ信号と所望のビデオ信
   号との差に基づき補正係数を生成する補正係数生成手段
   と、 旧露光時間を前記補正係数で補正することにより、適正
   な新補正時間を生成する新露光時間生成手段と、 前記電荷ストリッジ領域に蓄積された電荷を、次のフィ
   ールド蓄積期間のうち前記適正な新露光時間により定義
   された期間の間にダンプするダンプ手段であって、さら
   に、前記適正な新露光時間を制御コードに変換する手段
   と、前記制御コードを用いて、離散モードで前記適正な
   新露光時間を得るのに必要なダンプパルスを決定する手
   段と、前記制御コードを用いて、連続モードで前記新露
   光時間を得るのに必要なダンプ期間を決定する手段と、
   前記ダンプパルスと前記ダンプ期間を有する波形を生成
   する手段と を備えたダンプ手段と、 前記新露光時間が旧露光時間と大幅に異なるときにの
   み、前記新露光時間を変更することができる変更手段で
   あって、さらに、前記制御コードが前記旧露光番号−２
   に等しいとき、前記制御コードを前記旧露光番号−１に
   設定する手段を備えた変更手段とを備えたことを特徴と
   するシステム。
7. 【請求項７】電荷ストリッジ領域とドレインオフ領域を
   有する電荷結合素子であって、さらに、該電荷結合素子
   が入射光により露光されているとき、フィールド蓄積期
   間の間に、前記電荷ストリッジ領域に蓄積された電荷を
   表すビデオ信号を生成する電荷結合素子と、該電荷結合
   素子に結合された露光制御システムとを備えたカメライ
   メージャにおいて、 測定されたビデオ出力信号と所望のビデオ出力信号との
   差に基づき補正係数を計算する補正係数計算手段と、 前記補正係数に基づき、次のフィールド蓄積期間に対し
   て適正な新露光時間を計算する新露光時間計算手段であ
   って、さらに、平均アナログビデオ信号レベルを生成す
   る手段と、前記平均アナログビデオ信号を、所望の値Ｘ
   を含む範囲でディジタル化する手段と、前記ディジタル
   化されたビデオ出力信号が所望の値Ｘを超えるか、ある
   いは等しい場合に、次式、すなわち、 補正係数＝１−Ｋ＊（（N/X）−１） ただし、Ｎは前記ディジタル化されたビデオ出力信号を
   表し、Ｋは減衰係数を表す。 に従って前記補正係数を計算する手段と、前記ディジタ
   ル化されたビデオ出力信号が前記所望の値Ｘ未満である
   場合に、次式、すなわち、 補正係数＝１＋Ｋ＊（１−（N/X）） ただし、Ｎは前記ディジタル化されたビデオ出力信号を
   表し、Ｋは減衰係数を表す。 に従って前記補正係数を計算する手段と、前記補正係数
   と旧露光時間とを乗算することにより前記新露光時間を
   計算する手段とを備えた新露光時間計算手段と、 前記電荷ストリッジ領域に蓄積された電荷を、前記次の
   フィールド蓄積期間のうち前記適正な新露光時間により
   定義された期間にダンプするダンプ手段と を備えたことを特徴とするカメライメージャ。
8. 【請求項８】請求の範囲第７項において、前記測定され
   たアナログビデオ出力信号をディジタル化して得られた
   信号の範囲は、０から31までの範囲であり、前記所望の
   値Ｘは16であることを特徴とするカメライメージャ。