(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方のラインの各画素には感度の高い色フィルタが配列され、他方のラインの各画素には感度の低い色フィルタが配列された撮像素子の全画素から、入射光の該撮像素子への通過を遮断するメカニカルシャッタを開閉動作させることにより、感度の高い前記一方のラインの信号電荷が読み出される第１フィールド期間と感度の低い前記他方のラインの信号電荷が読み出される第２フィールド期間との交互のフィールドで、信号を読み出す撮像手段（１）と、
前記撮像手段から読み出された信号を、制御可能な可変ゲインで増幅する自動利得制御（ＡＧＣ）増幅器（３）と、
前記自動利得制御増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段（４）と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から出力されたディジタル信号に基づいて、輝度信号を作成する輝度信号作成手段（５）と、
前記輝度信号作成手段で作成された前記輝度信号に基づいて、前記輝度信号レベルが所定値になるよう前記撮像手段の光学系を制御する露出制御手段（１０）とを備え、前記露出制御手段（１０）はさらに、前記自動利得制御増幅器の前記可変ゲインを、前記第２フィールド期間に比べて前記第１フィールド期間で低くなるようにフィールドごとに切換え制御する、撮像装置。
【請求項２】
一方のラインの各画素には感度の高い色フィルタが配列され、他方のラインの各画素には感度の低い色フィルタが配列された撮像素子の全画素から、入射光の該撮像素子への通過を遮断するメカニカルシャッタを開閉動作させることにより、感度の高い前記一方のラインの信号電荷が読み出される第１フィールド期間と感度の低い前記他方のラインの信号電荷が読み出される第２フィールド期間との交互のフィールドで、信号を読み出す撮像手段（１）と、
前記撮像手段から読み出された信号を、制御可能な可変ゲインで増幅する自動利得制御（ＡＧＣ）増幅器（３）と、
前記自動利得制御増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段（４）と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から出力されたディジタル信号を積分して、輝度信号を作成する積分手段（１１）とを備え、前記積分手段はさらに、前記第１フィールド期間および前記第２フィールド期間のそれぞれの期間の積分値を算出して前記第１フィールド期間の積分値に対する前記第２フィールド期間の積分値の比率を算出し、
前記積分手段で作成された前記輝度信号に基づいて、前記輝度信号レベルが所定値になるよう前記撮像手段の光学系を制御する露出制御手段（６）をさらに備え、前記露出制御手段（６）はさらに、前記自動利得制御増幅器の前記可変ゲインを、前記第２フィールド期間に比べて前記第１フィールド期間で前記比率だけ低くなるようにフィールドごとに切換え制御する、撮像装置。
【請求項３】
前記第１フィールド期間では、Ｙｅ、Ｃｙの色フィルタが配列されたラインの信号電荷を読み出し、前記第２フィールド期間では、Ｇｒ、Ｍｇの色フィルタが配列されたラインの信号電荷を読み出すことを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
【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、特に、イエロー（Ｙｅ）、シアン（Ｃｙ），グリーン（Ｇｒ），マゼンタ（Ｍｇ）の４種類の補色フィルタが配列されたインターレース・スキャン型ＣＣＤ素子を用いたような撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インターレース・スキャン型ＣＣＤは、プログレッシブ・スキャン型ＣＣＤと区別され、後者は垂直画素数対垂直ＣＣＤビット数が１：１であるのに対して、前者は２：１となっているため、前者から垂直解像度の高い画像を得るには、たとえば「フルフレームスチルカメラの露光制御方法」１９９４年テレビジョン学会年次大会ｐ１１５〜１１６に記載されているように、メカニカルシャッタを使用して奇数ラインと偶数ラインとを別々のフィールドで読出すことが知られている。この一方で、両ＣＣＤが同一画素数の場合、インターレース・スキャン型の方が垂直ＣＣＤのビット数が少ないため、開口率を大きくできるなどの利点がある。
【０００３】
図４は補色フィルタの配列を示す図であり、図５は従来のインターレース・スキャン型ＣＣＤ撮像素子を用いたスチルカメラの輝度信号を作成するまでの信号処理ブロック図である。なお、図５においては、レンズおよびメカニカルシャッタを省略している。
【０００４】
ＣＣＤ素子１の出力信号は相関２重サンプリング回路（以下、ＣＤＳ回路と称する）２でノイズが低減され、ＡＧＣアンプ３に与えられる。ＡＧＣアンプ３は露出制御部６からの制御信号によりその利得が制御される。ＡＧＣアンプ３で増幅されたＣＣＤ素子１からの信号はＡ／Ｄ変換器４によってディジタルデータに変換された後、Ｙ作成回路５に入力される。Ｙ作成回路５においては、アドレス（ｘ，ｙ）におけるディジタルデータをＤ（ｘ，ｙ）と表わすと、アドレス（ｘ，ｙ）における輝度信号は、
Ｙ（ｘ，ｙ）＝Ｄ（ｘ，ｙ）＋Ｄ（ｘ＋１，ｙ）＋Ｄ（ｘ，ｙ＋１）＋Ｄ（ｘ＋１，ｙ＋１）
のように隣接する４データの加算により作成される。このとき、Ｙに占める４つの色フィルタの重みは等しく、次式で示される。
【０００５】
Ｙ＝Ｙｅ＋Ｃｙ＋Ｇｒ＋Ｍｇ
次に、このＹ信号は露出制御部６に入力される。この露出制御部６はたとえばマイクロコンピュータなどによって構成され、画面内のＹ信号平均値が所定値になるようにフレーム露光に適用する絞り値およびシャッタスピードを制御する。
【０００６】
ＡＧＣアンプ３のゲインは、十分な露出が得られる場合にはＣＣＤ素子１の飽和レベルの最小値がＡ／Ｄ変換器４のフルスケールに一致するように露出制御部６によって設定される。露出が不十分となるような低照度では、不足している分だけＡＧＣアンプ３のゲインが高く設定される。いずれにおいても、ゲインはフレーム露光前の数回のプリ露光により得られた結果に基づいて露出制御部６が設定する。
【０００７】
ＣＣＤ素子１の出力信号の一部が飽和レベルに達している場合、第１フィールドと第２フィールドの飽和レベルに段差が生じ、第２フィールドに読出される信号の飽和レベルは第１フィールドのそれよりも通常２０％程度低下する。
【０００８】
これは、ＣＣＤ素子１の構造上原理的に発生するものであり、露光時にセンサに蓄えられた電荷が飽和信号量に達している場合、センサから垂直ＣＣＤに転送するまでの期間に電荷が基板に放出されるためである。
【０００９】
上述のごとく、ＡＧＣアンプ３のゲインは、第２フィールドでのＣＣＤ素子１の飽和レベルがＡ／Ｄ変換器４のフルスケールに一致するように設定されるため、第１フィールドの飽和点付近の信号はＡ／Ｄ変換時にクリップされてしまう第１の問題点がある。
【００１０】
このクリップ現象について図６および図７を参照して説明する。
図６および図７は垂直傾斜波形が得られる場合のフレーム露光終了後のＣＣＤ素子１の出力信号を実線で示す図であり、図６では第１フィールドにＭｇＧｒラインを、第２フィールドにＹｅＣｙラインをそれぞれ読出すものとする。図７では反対に第１フィールドにＹｅＣｙラインを、第２フィールドにＭｇＧｒラインをそれぞれ読出すものとする。
【００１１】
第１および第２フィールドのＣＣＤ出力信号の飽和レベルをＶＳ１，ＶＳ２とすると、前述の飽和レベルの段差により、
ＶＳ１≒１．２ＶＳ２
となる。前述のＡＧＣアンプ３のゲイン設定により、Ａ／Ｄ変換器４のフルスケール＝ＶＳ２とされるので、第１フィールドに読出す信号は図６に示す一点鎖線の位置でクリップされる。すなわち図６の場合はＭｇＧｒの、図７の場合はＹｅＣｙの、ダイナミックレンジが約２０％失われる。
【００１２】
次に、図８に示したような補色フィルタの分光特性図から各ラインにおける水平加算信号Ｙｅ＋Ｃｙ，Ｍｇ＋Ｇｒは図９に示す分光特性になる。２つの特性曲線の全可視光域４００〜７００ｎｍに対する積分値の比ｍは概ね次式で表わされる。
【００１３】
ｍ＝∫（Ｙｅ＋Ｃｙ）ｄλ／∫（Ｍｇ＋Ｇｒ）ｄλ≒１．２
したがって、Ｙ信号が２ライン周期で約２０％変調されることになり、折返し歪みが発生するため、垂直解像度は劣化し、実際の撮影画像では斜線にギザが現われる。
【００１４】
図１０は従来例の他の例を示すブロック図である。この図１０に示した例はオーム社発行「エレクトロニクス」１９９８年１月号ｐ２９で発表された例である。すなわち、前述の図５に示したＡ／Ｄ変換器４とＹ作成回路５との間に乗算回路８が配置され、セレクタ７によってラインごとにＹｅＣｙゲインと、ＧｒＭｇゲインの異なる係数が切換えられ、その係数とＡ／Ｄ変換器４の出力とが乗算器８によって乗算される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示した例では、乗算器８としてディジタル乗算器を用いる必要があり、その演算精度またはＬＳＩのゲート規模やパワーが増大してしまうというトレードオフ関係にある問題が残る。また、この例でも前述の第１フィールドの飽和点付近の信号がＡ／Ｄ変換器４によってＡ／Ｄ変換するときにクリップされてしまうという問題点が残る。
【００１６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、上述の２つの問題点を解消し、演算精度やＬＳＩのゲート規模およびパワーを増大させないような撮像装置を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、一方のラインの各画素には感度の高い色フィルタが配列され、他方のラインの各画素には感度の低い色フィルタが配列された撮像素子の全画素から、入射光の撮像素子への通過を遮断する遮光手段を作動させて信号を読み出し、読み出した信号を増幅手段にて増幅し、Ａ／Ｄ変換手段でディジタル信号に変換する撮像装置であって、遮光手段によって遮光した後、感度の高いラインの信号電荷を第１フィールド期間に読み出し、感度の低いラインの信号電荷を第２フィールド期間に読み出し、第１フィールド期間での増幅手段のゲインを第２フィールド期間でのゲインに対して低く設定するように制御手段を備えて構成される。
【００１８】
請求項２に係る発明では、請求項１の制御手段は、第１および第２フィールド期間のそれぞれの期間での撮像素子出力に基づく信号を積分して、第１フィールド期間での積分値に対する第２フィールド期間での積分値の比率を算出し、第１フィールド期間でのゲインを第２フィールド期間のゲインに対して前記比率だけ低く設定することを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る発明では、請求項１または２の第１フィールド期間では、Ｙｅ、Ｃｙの色フィルタが配列されたラインの信号電荷を読み出し、第２フィールド期間では、Ｇｒ，Ｍｇの色フィルタが配列されたラインの信号電荷を読み出すことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一実施形態のブロック図である。図１において、ＣＣＤ素子１〜Ｙ作成回路５の構成は前述の図５と同じであり、ＡＧＣアンプ３を制御する露出制御部１０のみが異なっている。また、図１０に示した従来例では、Ａ／Ｄ変換器４の後段の乗算器８にＹ信号作成用としてＹｅＣｙラインと、ＭｇＧｒラインに異なる係数を掛けるようにしたが、この例では、たとえばマイクロコンピュータによって構成された露出制御部１０によってＡＧＣアンプ３に異なる係数を掛けるようにしている。
【００２１】
図２は、この発明の一実施形態における、フレーム露光後のＣＣＤ素子１の出力信号を示す図であり、図７と同様に垂直傾斜波形を想定したうえで、第１フィールドにＹｅＣｙラインを、第２フィールドにＭｇＧｒラインをそれぞれ読出すものとする。ここでＣＣＤ素子１の出力信号を実線で示す。
【００２２】
いま仮に、フィールド間の飽和レベル比Ｓ（＝ＶＳ１／ＶＳ２）と感度比ｍとが
Ｓ＝ｍ＝１．２
という前提で考える。
【００２３】
露出制御部１０は、図示の第１フィールドパルスに同期してフィールドによってＡＧＣアンプ３のゲインを切換える。つまり、同ゲインを第１フィールドに１／１．２倍、第２フィールドに１倍に設定する。この結果、ＡＧＣアンプ３の出力信号は図２の一点鎖線で示すように、第１フィールドの傾斜および飽和レベルを第２フィールドのそれらに完全に一致させることができるので、従来例で述べたダイナミックレンジの損失および折り返し歪みという２つの問題とも１００％解決できる。
【００２４】
実際のＣＣＤ素子１についてのＳ、ｍはそれぞればらつきを生じるため、ばらつきに左右されず、過不足なく正確に補正するためにＳまたはｍをスチルカメラ製造時に実測する方法もある。たとえば、ｍについてはライトボックスを適正露出で撮像した非飽和出力データをもとに計算する。Ｓについてはライトボックスを最大露出で撮像して得られる全画面飽和したデータをもとに計算する。実測したＳ、ｍからのＡＧＣアンプ３のフィールド間ゲイン比、つまりＡＧＣ変調度を設定する場合の方法は、ダイナミックレンジと折り返し歪み除去との優先度などを考慮して設定すればよい。
【００２５】
図３はこの発明の他の実施の形態のブロック図である。この実施の形態は、図１０に示したように設計段階でライン間の感度比ｍを計算するのではなく、ユーザが実際に使用するときにライン間の感度比ｍと飽和レベル比ＳをＡＧＣアンプ３に設定するようにしたものである。このために、Ａ／Ｄ変換器４の出力にはＡＥ積分回路１１が設けられる。ＡＥ積分回路１１は、Ａ／Ｄ変換器４の出力に基づいて輝度信号を生成するとともに、第１フィールドおよび第２フィールドのそれぞれに対応した信号が入力されると、各フィールドごとに積分演算を行ない、ライン間の感度比ｍと飽和レベル比Ｓを演算し、露出制御部６がその感度比ｍと飽和レベル比ＳをＡＧＣアンプ３に設定する。この設定動作は、電源スイッチをオンしたときあるいはキャリブレーションキーを設けてそのキーが操作されたときに設定するようにすればよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、感度の高いラインの信号電荷を第１フィールド期間に読出し、感度の低いラインの信号電荷を第２フィールド期間に読出すとき、第１のフィールド期間のＡＧＣアンプのゲインを第２フィールド期間のそれに対してある比率だけ低く設定するようにしたので、演算精度やＬＳＩのゲート規模およびパワーを増大させることはなく、ダイナミックレンジ増加と折り返し歪み除去とを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の信号処理ブロック図である。
【図２】この発明の一実施形態におけるフレーム露光後のＣＣＤ素子１の出力信号を示す図である。
【図３】この発明の他の実施形態のブロック図である。
【図４】補色フィルタの配列を示す図である。
【図５】従来のインターレース・スキャン型ＣＣＤ撮像素子を用いたスチールカメラの輝度信号を作成するまでの信号処理ブロック図である。
【図６】垂直傾斜波形が得られる場合のフレームの露光終了後の第１フィールドにＭｇＧｒラインを、第２フィールドにＹｅＣｙラインを読出したときのＣＣＤ素子１の出力信号を示す図である。
【図７】同様にして、第１フィールドにＹｅＣｙラインを、第２フィールドにＭｇＧｒラインを読出したときのＣＣＤ素子１の出力信号を示す図である。
【図８】図４に示した補色フィルタの分光特性図である。
【図９】各ラインから得られる水平加算信号の分光特性図である。
【図１０】従来例の他の例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  ＣＣＤ素子
２  ＣＤＳ回路
３  ＡＧＣアンプ
４  Ａ／Ｄ変換器
６，１０  露出制御部
１１  ＡＥ積分回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003540593.tif 000009
【図９】
0003540593.tif 000010
【図１０】
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