JPH0530424A - 画像入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイナミックレンジの大きい画像入力装置を
得る。 【構成】 ＣＣＤエリアセンサ１で電子シャッタ機能を
用いてシャッタ時間を変えて撮像し、増幅器２で増幅し
た後、Ａ／Ｄ変換器３でディジタル信号に変換し、分配
器４を介してそれぞれフレームメモリ５１と５２に蓄積
する。次いで、フレームメモリ５１と５２の画像信号を
信号合成器６で合成して、１枚の画像信号を合成するこ
とを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エリアセンサを用いた
画像入力装置に関するものであり、さらに詳しくは広い
ダイナミックレンジにより高品質の画像を入力する技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エリアセンサは、レンズ等により結像さ
せた被写体像を適当な走査手段を具備した２次元受光素
子アレーにより時系列の電気信号に変換するデバイスで
ある。このようなエリアセンサを用いる画像入力装置に
おいて、高品質の画像を入力するための重要な条件の１
つは、信号として取り出せる被写体照度の最低レベルと
最高レベル間の範囲を大きくすること、すなわちダイナ
ミックレンジを大きくすることである。図６はダイナミ
ックレンジの説明図である。図６において示される特性
は、被写体照度（またはセンサ面照度）とエリアセンサ
の出力信号レベルの関係である。種類を問わずエリアセ
ンサの出力信号には信号成分とともに、走査手段に用い
られているスイッチング素子や初段の増幅器で発生する
ノイズ、あるいは受光素子内で発生する暗電流ノイズな
どのノイズ成分が含まれている。被写体照度の低下に伴
ない信号成分がこれらのノイズ成分より小さくなると信
号が取り出せなくなる。これが入力可能な被写体照度の
最低レベル（図６においてＬ_MIN で示す）を決める要因
である。一方、被写体照度が大きくなると信号も比例し
て大きくなるが、あるところからは被写体照度が増加し
ても信号は増加しなくなる。すなわち、出力信号は飽和
特性を示す。この飽和が始まる照度（図６においてＬ
_MAX で示す）が信号として取り出せる最高レベルとな
る。したがって、被写体照度におけるダイナミックレン
ジはＬ_MAX とＬ_MIN の差で表されることになる。

【０００３】通常のエリアセンサにおけるダイナミック
レンジは３桁程度となっている。被写体の暗部と明部で
の照度差がダイナミックレンジを越える場合は、全照度
範囲で画像の階調再現ができなくなる。例えば、背景が
明るい場所で陰にいる人物像を撮像する場合、レンズの
絞り具合を背景の明るさに合わせると人物の顔などが真
っ黒になり、顔の形等がよく認識できなくなるような不
都合が生じる。また、陰の人物の明るさに合わせると背
景が真っ白になる。

【０００４】上記問題の解決にはダイナミックレンジの
拡大が必要である。上述のようにダイナミックレンジは
ノイズレベルと飽和特性で決まる。このうち、飽和特性
は受光素子の構造に起因するところが多く、飽和値を高
めることは容易でない。そこで、従来法においては初段
の増幅器の後に設けた専用の回路によりノイズ成分を低
減させ、これにより最低レベル（Ｌ_MIN ）を引き下げる
ことによりダイナミックレンジの拡大が図られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の方法では、
回路的にノイズを低減させることによりダイナミックレ
ンジの拡大を図っているが、回路的手段で実現できるノ
イズ低減は高々１桁程度である。したがって、ダイナミ
ックレンジの拡大も１桁程度にとどまっており、高品質
画像の入力用としてはダイナミックレンジがまだ不十分
であるという問題点があった。

【０００６】本発明は、上記問題点を解決し、ダイナミ
ックレンジの大きい画像入力装置を提供することを目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる画像入力
装置は、エリアセンサでの光電変換における光生成電荷
の蓄積期間を異ならして撮像した複数の画像信号から１
枚の画像信号を合成するようにしたものである。

【０００８】光生成電荷の蓄積期間を異ならす方法とし
て、電子シャッタ機能付きのエリアセンサを用いる。通
常のエリアセンサでは光生成電荷を１フレーム期間画素
内で蓄積し、これをフレーム終了時に外部に信号電荷と
して取り出すが、これに対し電子シャッタ機能付きのエ
リアセンサでは、フレーム期間内の一定期間に蓄積した
電荷のみを信号電荷として外部に取り出すことが可能で
あり、さらにこの蓄積期間（以下、シャッタ時間と呼
ぶ）は自由に設定することができる。

【０００９】シャッタ時間を異なる時間に設定して入力
を行うことは光生成電荷の蓄積期間を異ならして撮像す
ることに相当する。そこで、本発明では上記電子シャッ
タ機能を利用して、異なる光生成電荷蓄積時間で入力し
た複数の画像から１枚のフレーム（画像）を合成する。
以下では、簡単のためシャッタ時間を異ならして入力し
た２枚の画像よりダイナミックレンジの広い画像を合成
する方法について説明する。ここで、２枚の画像の入力
において、第１の画像の入力ではシャッタ時間を第２の
画像の入力に比べ十分短い時間に設定する。

【００１０】

【作用】図５は本発明により入力画像のダイナミックレ
ンジが拡大できる原理を示す図である。図５（ａ）はシ
ャッタ時間が異なる２つの入力における被写体照度と出
力信号レベルの関係を示す。図５（ａ）においてＣ１は
シャッタ時間を長くした場合の特性であり、Ｃ２はシャ
ッタを短くした場合の特性である。また、Ｌ１_MAX ，Ｌ
１_MIN およびＬ２_MAX ，Ｌ２_MIN はそれぞれシャッタ時
間が長い場合および短い場合における入力可能な最高被
写体照度および最低被写体照度である。ここでは、Ｌ１
_MAX とＬ２_MIN が同じになるようそれぞれの入力でのシ
ャッタ時間を設定するとする。

【００１１】上述のようにシャッタ時間は各画素におけ
る光生成電荷の蓄積時間に比例する。すなわち、シャッ
タ時間が長いと露光時間が長くなり、高感度での入力が
可能となって図５（ａ）に示すように被写体の低照度領
域の入力が可能となる。しかし、Ｌ１_MAX 以上の高照度
領域では信号電荷が飽和して、その入力画像は一様に白
くなってしまう。一方、シャッタ時間が短いと露光時間
が短くなるため感度が低くなり、その特性は図５（ａ）
に示すようにシャッタ時間が長い場合に比べて右側（高
照度側）にシフトした形となる。この結果、被写体の暗
い部分では階調の再現ができなくなり、真っ黒く塗りつ
ぶされてしまうが、高照度領域で飽和が生じず再現性の
よい階調表現が可能となる。

【００１２】そこで、本発明では低照度領域ではシャッ
タ時間を長くした第１の入力における信号を用い、一
方、高照度領域ではシャッタ時間を短くした第２の入力
における信号を用いる。図５（ｂ）は上述のようにシャ
ッタ時間を異ならして入力した２つの信号からダイナミ
ックレンジの広い１枚の画像信号が合成できる原理図を
示す。ここでは、第２の入力信号を２つの入力における
シャッタ時間の比だけ増幅する。この増幅によって第２
の入力における特性Ｃ２はＣ２点にシフトし２つの特性
を図５（ｂ）に示すＰ点で連続的に接続でき、１本の特
性と見なすことができる。そして、合成された特性のダ
イナミックレンジは等価的にＬ２_MAX −Ｌ１_MIN とな
る。この結果、例えば従来の方法でのダイナミックレン
ジを３桁とすると本発明では６桁となり、飛躍的な向上
が可能である。したがって、被写体の明るい部分から暗
い部分にわたる全ての輝度領域において良好な階調再現
が可能となり、従来の方法に比べ、高品質な入力装置が
実現できる。

【００１３】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１に示す。図１に
おいて、１はＣＣＤエリアセンサ、２は増幅器、３はＡ
／Ｄ変換器、４は分配器、５１および５２はフレームメ
モリ、６は信号合成器、７は制御信号発生器、８はレン
ズである。本実施例では合成画像の最低被写体照度をで
きるだけ小さくするため、第１の入力では電子シャッタ
機能を用いず入力する。したがって、信号電荷の蓄積時
間はフレーム周期と等しい。一方、第２の入力ではシャ
ッタ時間をフレーム周期の１／１０００に設定して入力
を行う。本実施例では約６桁におよぶ広範囲な照度を階
調再現するため第１および第２の入力におけるＣＣＤエ
リアセンサ１のアナログ出力信号はともに増幅した後、
ＬＯＧ変換し、これを８ビットでＡ／Ｄ変換してフレー
ムメモリ５１および５２にそれぞれ蓄積する。

【００１４】以上の方法で２つのフレームメモリ５１，
５２に入力した２枚の画像信号を、以下の方法で１枚の
画像信号に合成する。まず、フレームメモリ５１に蓄積
した画像信号の大きさをアドレス順に調べ、信号の大き
さが最高階調の２５５未満であればフレームメモリ５１
からの信号をそのまま出力信号とする。もし、フレーム
メモリ５１からの信号が最高階調の２５５であれば、フ
レームメモリ５２における同一アドレスの信号に２５５
を加えた信号を出力信号とする。ここで、２５５を加え
ることは前記原理で述べた第２の入力の増幅に相当する
処理である。この出力信号はＬＯＧ変換されているが表
示や記録など、画像の出力機器の種類または色変換等の
処理の種類に合わせて適当なγ変換を施せばよい。

【００１５】上記エリアセンサのフレーム毎の電子シャ
ッタ機能のＯＮ／ＯＦＦは制御信号発生器７からの制御
信号により行い、さらに、この制御信号を用いて第１の
入力と第２の入力における画像信号を分配器４において
２つのフレームメモリ５１および５２に振り分ける。上
記構成と信号処理により本実施例では、従来の方法によ
る画像入力装置に比べ桁数において２倍のダイナミック
レンジでの入力が可能になる。

【００１６】本発明の第２の実施例を図２に示す。図２
において、２１および２２は増幅器、３１および３２は
Ａ／Ｄ変換器である。その他は図１と同じである。本実
施例で使用するＣＣＤエリアセンサ１を図３に示す。図
３において、１００は感光部、１１０および１２０は信
号蓄積部、１３０，１４０は水平転送路、１５０，１６
０は出力端である。本実施例では、ＦＴ型のＣＣＤエリ
アセンサを使用する。

【００１７】通常のＦＴ型ＣＣＤエリアセンサは図７に
示すような構成となっており、電子シャッタ機能は以下
の方法で実現されている。すなわち、フレーム（または
フィールド）開始後Ｔ₀ 秒間に感光部１００で蓄積した
電荷を一旦蓄積部とは反対側にある吐き出し口に吐き出
した後、再びそのフレーム（またはフィールド）の終り
まで感光部１００で信号電荷を蓄積し、この電荷を信号
電荷として信号蓄積部１１０に送る。したがって、フレ
ーム周期をＴとすれば、実効的な信号蓄積時間（シャッ
タ時間）は（Ｔ−Ｔ₀ ）となり、Ｔ₀ を変えることによ
りシャッタ時間を制御している。

【００１８】これに対し本実施例では感光部１００の両
側に信号蓄積部１１０と１２０を備えたＦＴ型ＣＣＤエ
リアセンサを用いる。そして、フレーム開始後からＴ₀
までの期間に感光部１００で蓄積した信号電荷は信号蓄
積部１１０に蓄積し、残りの（Ｔ−Ｔ₀ ）で蓄積した信
号電荷は信号蓄積部１２０に蓄積する。

【００１９】上記ＦＴ型ＣＣＤエリアセンサの２つの信
号蓄積部１１０，１２０に備えた信号電荷は２つの出力
端１５０および１６０から図２に示すように並列に読み
出し、さらに増幅器２１，２２でそれぞれ増幅Ｌ、Ａ／
Ｄ変換器３１，３２でＡ／Ｄ変換してフレームメモリ５
１および５２にそれぞれ蓄積する。２つのフレームメモ
リ５１，５２に蓄積された画像はシャッタ時間比（Ｔ−
Ｔ₀）／Ｔ₀ で入力した２枚の画像であり、例えば上記
比を１：１０００等を大きくすれば実施例１と同じ方法
でダイナミックレンジの広い画像に合成することが可能
である。

【００２０】本実施例ではシャッタ時間の異なる２つの
入力を１フレーム内で行え、従来法と同一速度でダイナ
ミックレンジの広い画像入力が可能となる。しかも２枚
の画像信号を並列に読み出して処理するため、駆動周波
数を高めることなく実施可能である。

【００２１】本発明の第３の実施例を図４に示す。図４
において、１１および１２はＣＣＤエリアセンサ、９は
透過率と反射率が等しいハーフミラーである。本実施例
では同一のＣＣＤエリアセンサ１１，１２を２個使用す
る。２つのＣＣＤエリアセンサ１１，１２はともに電子
シャッタ機能を有するが、シャッタ時間はＣＣＤエリア
センサ１２がＣＣＤエリアセンサ１１に比べ１／１００
０に設定する。２つのＣＣＤエリアセンサ１１，１２に
同一の被写体像を入力させるため、ハーフミラー９によ
りレンズ８通過後の光路を２つに分割し、それぞれのＣ
ＣＤエリアセンサ１１，１２上に同一の被写体像を結像
させる。ＣＣＤエリアセンサ１１および１２からのアナ
ログ信号は増幅され、さらにＬＯＧ変換された８ビット
ディジタル信号に変換した後、フレームメモリ５１およ
び５２にそれぞれ送る。

【００２２】以上の方法で２つのフレームメモリ５１，
５２に入力した２枚の画像信号を１枚の画像信号に合成
する方法は上記実施例１と同様である。本実施例では２
つのＣＣＤエリアセンサ１１，１２を用いることによ
り、従来法と同一速度でダイナミックレンジの広い画像
入力が可能とする。

【００２３】以上３つの実施例を示したが、このうち実
施例２および実施例３は高速入力が可能であるため動画
撮像用に適している。ただし、静止画入力用としてもも
ちろん適用可能である。また、実施例１は電子スチルカ
メラ等の静止画用に適しているが、ＣＣＤエリアセンサ
１の駆動周波数を高めることにより同画用にも使用可能
である。

【００２４】なお、以上においては本発明の３つの実施
例を述べたにとどまり、本発明の精神を脱することなく
種々の変更が可能であることは言うまでもない。例え
ば、上記実施例ではエリアセンサとしてＣＣＤ型を用い
たが、電子シャッタ機能付きのＭＯＳ型エリアセンサを
用いても本発明を実施できることは本発明の原理からし
て明らかである。また、実施例１ではシャッタ時間を異
ならして入力した２つの画像信号から１枚の画像を合成
したが、シャッタ時間が異なる３枚あるいはそれ以上の
画像信号から合成すればさらにダイナミックレンジの広
い画像が入力可能となる。同じ原理で実施例３では使用
するエリアセンサの数を増やせばさらにダイナミックレ
ンジが広くなる。また、上記実施例では２枚の画像入力
におけるシャッタ時間の比率を１：１０００と選んだ
が、この比は使用する１つのエリアセンサのダイナミッ
クレンジ以下であれば任意に選ぶことができる。さら
に、上記実施例ではＡ／Ｄ変換前にＬＯＧ変換をする
が、この処理を必要に応じて省略することも可能であ
る。

【００２５】また、上記実施例では、蓄積時間の異なる
２つの画像信号が、時分割に発生するなどの理由から、
いずれもフレームメモリ５１，５２を使用したが、適当
な信号遅延回路と比較器を使用することにより、フレー
ムメモリ５１，５２を省略して本発明を実施することも
可能である。なお、この場合、実施例３では、上記２つ
の画像信号が並列に発生するため、信号遅延回路も不要
となる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、エリア
センサを用いる画像入力装置において、光電変換におい
て発生する光生成電荷の蓄積期間が可変なエリアセンサ
と、このエリアセンサで光生成電荷の蓄積間を異ならし
て撮像した複数の画像信号から１枚の画像信号を合成す
る信号合成器とを備えたので、入力の回数または使用す
るエリアセンサの数の倍数だけダイナミックレンジを拡
大でき、被写体照度の広い範囲にわたって階調の再現が
可能となって高品質の画像入力装置が実現できる。ま
た、電子シャッタ機能を用いて光電変換において発生す
る光生成電荷の蓄積時間を異ならせることができるの
で、シャッタ時間の制御によりダイナミックレンジを必
要に応じて自由に変えることも可能である。また、電子
シャッタ機能によりシャッタ時間の異なる画像を高速
に、かつ連続的に取り込めるので動画用として用いるこ
とも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】本発明の第２の実施例の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】第２の実施例で使用するＣＣＤエリアセンサの
概略構成図である。

【図４】本発明の第３の実施例の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【図５】本発明の原理を説明するための図である。

【図６】従来の画像入力装置のダイナミックレンジの説
明図である。

【図７】通常のＦＴ型ＣＣＤエリアセンサの概略構成図
である。

【符号の説明】

１ ＣＣＤエリアセンサ ２ 増幅器 ３ Ａ／Ｄ変換器 ４ 分配器 ６ 信号合成器 ７ 制御信号発生器 ８ レンズ ９ ハーフミラー １１ ＣＣＤエリアセンサ １２ ＣＣＤエリアセンサ ２１ 増幅器 ２２ 増幅器 ３１ Ａ／Ｄ変換器 ３２ Ａ／Ｄ変換器 ５１ フレームメモリ ５２ フレームメモリ １００ ＣＣＤエリアセンサの感光部 １１０ ＣＣＤエリアセンサの信号蓄積部 １２０ ＣＣＤエリアセンサの信号蓄積部 １３０ ＣＣＤエリアセンサの水平転送路 １４０ ＣＣＤエリアセンサの水平転送路 １５０ ＣＣＤエリアセンサの出力端 １６０ ＣＣＤエリアセンサの出力端

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】エリアセンサを用いる画像入力装置におい
   て、光電変換において発生する光生成電荷の蓄積期間が
   可変なエリアセンサと、このエリアセンサで光生成電荷
   の蓄積期間を異ならして撮像した複数の画像信号から１
   枚の画像信号を合成する信号合成器とを備えたことを特
   徴とする画像入力装置。