(57)【要約】      （修正有）【課題】  撮像画像の画質を向上すること。【解決手段】  温度データ、ノイズ量データ及びアンプゲインのいずれかが大きいほど閾値幅Ｗを大きく算出し、第２閾値候補値ＴＨ２を小さく設定するようにした。そのため、飽和状態である画素の標準画像信号に含まれるノイズが増大すると、閾値ＴＨが小さく設定され、撮像素子が飽和状態であると適切に判定される。その結果、その標準画像信号を非標準画像信号に置き換えることができ、撮像画像の画質を向上することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
標準露光時間の受光で撮像素子から出力される標準画像信号のうち閾値以上となっている標準画像信号を、前記標準露光時間より短い非標準露光時間の受光で前記撮像素子から出力される非標準画像信号と置き換えることで撮像画像の画像信号を生成する撮像装置であって、前記標準画像信号の信号レベルのばらつきに基づいて前記閾値を変更する閾値変更手段を備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記閾値変更手段は、前記撮像素子の光学的黒画素におけるノイズに基づいて、前記ばらつきを判定することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記閾値変更手段は、前記撮像素子の温度に基づいて、前記ばらつきを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記閾値変更手段は、前記撮像素子で前記標準画像信号と前記非標準画像信号との増幅に用いられたアンプゲインに基づいて、前記ばらつきを判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記撮像素子から出力される標準画像信号から特定の色成分に対応する標準画像信号を取り出す色成分取出手段を備え、前記閾値変更手段は、前記色成分取出手段で取り出された標準画像信号の信号レベルのばらつきに基づいて前記閾値を変更することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイナミックレンジの広い画像を得ることが可能な撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の撮像装置としては、例えば、１フレーム期間に２種類の露光時間（標準露光時間と当該標準露光時間より短い非標準露光時間と）で画像を撮像し、標準露光時間で撮像された画像の各画素の画像信号（標準画像信号）が、撮像素子が飽和状態であることを示す閾値以上であるか否かを判定し、閾値以上である画像信号を、非標準露光時間で撮像された画像の対応画素の画像信号（非標準画像信号）と置換することで、ダイナミックレンジの広い画像の画像信号を生成するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、例えば、２種類の閾値候補値（第１閾値候補値と第１閾値候補値より小さい第２閾値候補値と）で閾値にヒステリシス特性（標準画像信号が第１閾値候補値ＴＨ１以上となると閾値ＴＨを第２閾値候補値ＴＨ２に切り替え、また、第２閾値候補値より小さくなると閾値ＴＨを第１閾値候補値ＴＨ１に切り替える特性）を持たせた撮像装置もある（例えば、特許文献２参照）。この撮像装置によれば、閾値ＴＨが大きい閾値候補値ＴＨ１であるときに、標準画像信号が第１閾値候補値ＴＨ１以上と判定されると、閾値ＴＨが小さい閾値候補値ＴＨ２に切り替えられ、その後の標準画像信号が閾値ＴＨ以上であると判定されやすくなる。そのため、飽和状態である画素の標準画像信号がノイズによって第１閾値候補値ＴＨ１より小さく検出されてしまった場合にも、標準信号が閾値ＴＨ以上であると（撮像素子が飽和状態であると）適切に判定させることができるため、当該標準画像信号を非標準画像信号に置き換えられることで、撮像画像の画質を向上することができる。
【特許文献１】特開２００４―３２５８３号公報
【特許文献２】特開昭６３−３０６７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の撮像装置のうち後者のものにあっては、単に一定の第２閾値候補値ＴＨ２を用いるようになっているため、例えば、閾値ＴＨが第２閾値候補値ＴＨ２と切り替えられても、飽和状態である画素の標準画像信号に含まれるノイズが増大し、標準画像信号が第２閾値候補値ＴＨ２より小さく検出されると、撮像素子が非飽和状態であると誤検出されてしまう恐れがあった。そのため、当該標準画像信号が非標準画像信号に置き換えられず、その結果、生成される撮像画像の画質が低下してしまう恐れがあった。
【０００５】
本発明は、上記従来の撮像装置の未解決の課題を解決することを目的とするものであって、撮像画像の画質を向上することが可能な撮像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、標準露光時間の受光で撮像素子から出力される標準画像信号のうち閾値以上となっている標準画像信号を、前記標準露光時間より短い非標準露光時間の受光で前記撮像素子から出力される非標準画像信号と置き換えることで撮像画像の画像信号を生成する撮像装置であって、前記標準画像信号の信号レベルのばらつきに基づいて前記閾値を変更する閾値変更手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記閾値変更手段は、前記撮像素子の光学的黒画素におけるノイズに基づいて、前記ばらつきを判定するようにしてもよい。
さらに、前記撮像素子から出力される標準画像信号から特定の色成分に対応する標準画像信号を取り出す色成分取出手段を備え、前記閾値変更手段は、前記色成分取出手段で取り出された標準画像信号の信号レベルのばらつきに基づいて前記閾値を変更するようにしてもよい。
【０００８】
この構成によれば、標準画像信号の信号レベルのばらつきが大きいときに、閾値を小さく設定することで、飽和状態である画素の標準画像信号に含まれるノイズが増大し、標準画像信号が小さく検出される場合にも、撮像素子が飽和状態であると適切に判定することができる。そのため、当該標準画像信号を非標準画像信号に適切に置き換えることができ、その置き換えで生成される撮像画像の画質を向上することができる。
【０００９】
さらに、前記閾値変更手段は、前記撮像素子の温度に基づいて、前記ばらつきを判定するようにしてもよい。
この構成によれば、撮像素子の温度が上昇したとき、つまり、温度の上昇によって暗電流ノイズが増加するときに、標準画像信号のばらつきが大きいと判定することで、飽和状態を適切に判定することができる。
【００１０】
また、前記閾値変更手段は、前記撮像素子で前記標準画像信号と前記非標準画像信号との増幅に用いられたアンプゲインに基づいて、前記ばらつきを判定してもよい。
この構成によれば、アンプゲインが増加したとき、つまり、アンプゲインの増加によってノイズが増加するときに、標準画像信号のばらつきが大きいと判定することで、飽和状態を適切に判定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る撮像装置の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
この撮像装置１は、１フレーム期間に２種類の露光時間（標準露光時間と標準露光時間より短い非標準露光時間と）で画像を撮像する撮像素子を備える。即ち、この撮像素子は、まず、センサセルアレイの画素列を平面視上側から平面視下側まで順次リセットし、そのリセットされた画素列のうち標準露光時間経過したものから順次電荷を読み出してリセットする。そして、その読み出しを終えた画素列のうち非標準露光時間経過したものから順次電荷を読み出すことで、各画素の輝度値を示す信号（以下、「画像信号」とも呼ぶ。）を画素列毎に生成する。そして、この撮像装置１は、標準露光時間で撮像された画像の各画素の画像信号（以下、「標準画像信号」とも呼ぶ。）が、撮像素子が飽和状態であることを示す閾値以上であるか否かを判定し、閾値以上である画像信号を、非標準露光時間で撮像された画像の対応画素の画像信号（以下、「非標準画像信号」とも呼ぶ。）と置換することで、ダイナミックレンジの広い画像の画像信号を生成するようになっている。
【００１２】
また、この撮像装置１は、２種類の閾値候補値（第１閾値候補値と第１閾値候補値より小さい第２閾値候補値と）で閾値にヒステリシス特性を持たせ、さらに、標準画像信号内に大きなノイズの発生傾向があるときに（例えば、光学的黒画素のノイズ量が多いとき、撮像素子の温度が高いとき、撮像素子のアンプゲインが大きいとき）、第２閾値候補値をより小さく設定する。そして、この撮像装置１は、例えば、標準画像信号による画像内に非標準画像信号による画像が散らされて配されることを防止することができ、その結果、生成された撮像画像の画質を向上することができる。
【００１３】
＜撮像装置の構成＞
図１は、本発明の一実施形態の内部構成を示すブロック図である。図１に示すように、撮像装置１は、撮像素子２、第１遅延部３、温度検出部４、ノイズ量算出部５、マイクロコンピュータ６、マスク画像生成部７、第２遅延部８及び合成部９を含んで構成される。
【００１４】
撮像素子２は、被写体からの光を撮像素子（不図示）に集光し、その集光量に応じた電荷を撮像素子の各画素に蓄積させる。また、撮像素子２は、各画素に蓄積されている電荷を画素列毎に読み出し、その読み出された電荷がマイクロコンピュータ６から出力されるアンプゲインで増幅され、その増幅された電荷に基づいて各画素での集光量（輝度値）を示す画像信号を生成する。なお、本実施形態では、標準露光時間で露光されて蓄積された電荷に基づいて生成された画像信号を「標準画像信号」と呼び、また、非標準露光時間で露光されて蓄積された電荷に基づいて生成された画像信号を「非標準画像信号」と呼ぶ。
【００１５】
また、撮像素子２は、その生成された標準画像信号を画素列毎に平面視左端側の画素から第１遅延部３とマスク画像生成部７とに出力し、また、前記生成された非標準画像信号を画素列毎に平面視左端側の画素から合成部９に出力する。さらに、撮像素子２は、撮像素子の光学的黒画素に蓄積されている電荷に基づいて画像信号（以下、「黒画素画像信号」とも呼ぶ。）を生成し、その生成された黒画素画像信号をノイズ量算出部５に出力する。
【００１６】
また、第１遅延部３は、撮像素子２から出力される標準画像信号を蓄積し、その蓄積された標準画像信号を撮像素子２から出力される非標準画像信号と同期させて合成部９に出力する（同じ画素の標準画像信号と非標準画像信号とを合成部９に同時に出力する。）。
さらに、温度検出部４は、熱電対１０、熱電対専用ＩＣ１１及びＡ／Ｄコンバータ１２を含んで構成される。そして、熱電対１０は、撮像素子の温度に応じた電圧を発生する。また、熱電対専用ＩＣ１１は、熱電対１０で発生される電圧を増幅し、その増幅された電圧に基づいて撮像素子の温度を検出する。さらに、Ａ／Ｄコンバータ１２は、熱電対専用ＩＣ１１で検出された撮像素子の温度をデジタルデータに変換し、その変換されたデジタルデータ（以下、「温度データ」とも呼ぶ。）をマイクロコンピュータ６に出力する。
【００１７】
また、ノイズ量算出部５は、撮像素子２から出力される光学的黒画素の画像信号に基づいて撮像素子２から出力される信号に含まれるノイズ量（例えば、光学的黒画素の画像信号の標準偏差や、光学的黒画素の画像信号の最大振幅）を算出する。そして、ノイズ量算出部５は、その算出されたノイズ量をデジタルデータ（以下、「ノイズ量データ」とも呼ぶ。）に変換し、その変換されたノイズ量データをマイクロコンピュータ６に出力する。
【００１８】
さらに、マイクロコンピュータ６は、温度検出部４（Ａ／Ｄコンバータ１２）から出力される温度データ、及びノイズ量算出部５から出力されるノイズ量データを、マスク画像生成部７に転送する。また、マイクロコンピュータ６は、露出制御のためのアンプゲインを生成し、その生成されたアンプゲインを撮像素子２とマスク画像生成部７に出力する。
さらに、マスク画像生成部７は、図２に示すように、ＬＵＴ参照部１３、閾値レジスタ１４、加算器１５、選択器１６及び比較器１７を含んで構成される。
【００１９】
ＬＵＴ参照部１３は、マイクロコンピュータ６から出力される温度データ、ノイズ量データ及びアンプゲインに基づき、ＬＵＴ(Look Up Table)を参照して、図３に示すように、第１閾値ＴＨ１と第２閾値ＴＨ２との間の差（幅）（以下、「閾値幅」とも呼ぶ。）Ｗを算出する。ここで、ＬＵＴは、温度データ、ノイズ量データ及びアンプゲインのいずれかが大きいほど閾値幅Ｗが大きく算出されるように設定されている。そして、ＬＵＴ参照部１３は、その算出された閾値幅Ｗに「−１」乗じた値を加算器１５に出力する。
【００２０】
また、閾値レジスタ１４は、閾値ＴＨの候補値である第１閾値候補値ＴＨ１（撮像素子から出力される画像信号にノイズが含まれていないときに、撮像素子が飽和した場合に出力される標準画像信号）を加算器１５及び選択器１６で読み取り可能な形式で記録する。
さらに、加算器１５は、ＬＵＴ参照部１３から出力される閾値幅（―Ｗ）に、閾値レジスタ１４に記録されている第１閾値候補値ＴＨ１を加算する。そして、加算器１５は、その加算結果（＝TH1−W）を第２閾値候補値ＴＨ２として選択器１６に出力する。即ち、本実施形態にあっては、加算器１５は、温度データ、ノイズ量データ及びアンプゲインのいずれかが大きいほど小さい第２閾値候補値ＴＨ２を出力するようになっている。
【００２１】
また、選択器１６は、図４（ａ）に示すように、この選択器１６で前回設定された閾値ＴＨoldと、比較器１７から出力されるマスク画像信号（「０」と「１」とからなる信号列）とに基づいて、閾値レジスタ１４に記録されている第１閾値候補値ＴＨ１と加算器１５から出力される第２閾値候補値ＴＨ２とのいずれかを新しい閾値ＴＨに設定する。具体的には、まず、図４（ｂ）に示すように、前回設定された閾値ＴＨoldが第１閾値候補値ＴＨ１であったか否かを判定する。ここで、第１閾値候補値ＴＨ１であった場合には、比較器１７から出力されるマスク画像信号が「０」（前の標準画像信号が前回設定された閾値ＴＨoldより小さかったことを示す信号）であるか否かを判定する。そして、マスク画像信号が「０」である場合には閾値レジスタ１４に記録されている第１閾値候補値ＴＨ１を新しい閾値ＴＨに設定する。また、比較器１７から出力されるマスク画像信号が「１」（標準画像信号が前回設定された閾値ＴＨold以上であったことを示す信号）である場合には、加算器１５から出力される第２閾値候補値ＴＨ２を新しい閾値ＴＨに設定する。
【００２２】
さらに、前回設定された閾値ＴＨoldが第２閾値候補値ＴＨ２であった場合には、比較器１７から出力されるマスク画像信号が「０」であるか否かを判定する。そして、マスク画像信号が「０」である場合には閾値レジスタ１４に記録されている第１閾値候補値ＴＨ１を新しい閾値ＴＨに設定する。また、比較器１７から出力されるマスク画像信号が「１」である場合には加算器１５から出力される第２閾値候補値ＴＨ２を新しい閾値ＴＨに設定する。また、選択器１６は、その設定された新しい閾値ＴＨを比較器１７に出力する。
【００２３】
また、比較器１７は、撮像素子２から出力される標準画像信号が選択器１６から出力される新しい閾値ＴＨ以上であるか否かを判定する。ここで、標準画像信号が閾値ＴＨ以上である場合にはマスク画像信号として「１」を設定し、閾値ＴＨより小さい場合にはマスク画像信号として「０」を設定する。そして、その設定されたマスク画像信号を選択器１６と第２遅延部８とに出力することで、「０」と「１」とからなる信号列を出力する。
【００２４】
また、第２遅延部８は、図１に示すように、マスク画像生成部７から出力されるマスク画像信号を蓄積し、その蓄積されたマスク画像信号を第１遅延部３から出力される標準画像信号と同期させて（同じ画素の標準画像信号と同時に）合成部９に出力する。
さらに、合成部９は、図５に示すように、乗算器１８及び切り替え部１９を含んで構成される。乗算器１８は、撮像素子２から出力される非標準画像信号を係数Ｋ倍する。ここで、係数Ｋは、標準画像信号取得時の露光時間とアンプゲインとの乗算結果を、非標準画像信号取得時の露光時間とアンプゲインとの乗算結果で除算して得られる値である。そして、乗算器１８は、その係数Ｋ倍された非標準画像信号を切り替え部１９に出力する。
【００２５】
また、切り替え部１９は、第２遅延部８から出力されるマスク画像信号が「０」であるか否かを判定する。ここで、マスク画像信号が「０」である場合には第１遅延部３から出力される標準画像信号を対象画素の合成画像信号として外部機器（不図示）に出力する。また、「１」である場合には乗算器１８から出力される非標準画像信号を合成画像信号として外部機器に出力する。そして、図６（ａ）に示すように、標準画像信号が飽和してしまう照度（以下、「飽和照度」とも呼ぶ。）で切り替えられ、非標準画像信号が出力されることで、図６（ｂ）に示すように、飽和照度以下の照度域でＳ／Ｎ比を向上でき、また、飽和照度より大きい照度域で広ダイナミックレンジの画像を生成することができる。
【００２６】
＜撮像装置の動作＞
本実施形態における撮像装置１の動作を具体的状況に基づいて詳細に説明する。
まず、図１に示すように、撮像素子２の撮像素子の所定画素列で標準画像信号が生成され、その生成された標準画像信号のうち前記所定画素列の左端側の画素に対応する画像信号から第１遅延部３とマスク画像生成部７とに順次出力され、また、黒画素画像信号がノイズ量算出部５に出力されたとする。すると、ノイズ量算出部５によって、その出力された黒画像信号に基づいて撮像素子２から出力される標準画像信号に含まれるノイズ量が算出され、その算出されたノイズ量のデジタルデータ（ノイズ量データ）がマイクロコンピュータ６に出力される。また同時に、温度検出部４によって、撮像素子の温度が検出され、その検出された温度のデジタルデータ（温度データ）がマイクロコンピュータ６に出力される。そして、マイクロコンピュータ６によって、温度検出部４から出力される温度データとノイズ量算出部５から出力されるノイズ量データとがマスク画像生成部７に転送される。また、マイクロコンピュータ６によって、アンプゲインが生成され、その生成されたアンプゲインが撮像素子２とマスク画像生成部７（ＬＵＴ参照部１３）に出力される。
【００２７】
また、図２に示すように、ＬＵＴ参照部１３によって、その出力された温度データ、ノイズ量データ及びアンプゲインに基づき、ＬＵＴが参照されて、図３に示すように、閾値幅Ｗが算出され、その算出された閾値Ｗに「−１」が乗じた値が加算器１５に出力される。また、加算器１５によって、その出力された閾値幅（―Ｗ）に、閾値レジスタ１４に記録されている第１閾値候補値ＴＨ１を加算した結果、つまり、標準画像信号内に含まれるノイズが大きいほど小さい値が第２閾値候補値ＴＨ２として選択器１６に出力される。
【００２８】
ここで、前記所定画素列の左端側から１番目の画素に対応する標準画像信号が選択器１６で設定された閾値ＴＨ（ＴＨ１）より大きかったとする。すると、図２に示すように、比較器１７によって、マスク画像信号として「１」が設定され、その設定されたマスク画像信号が第２遅延部８と選択器１６とに出力される。また、選択器１６によって、図３及び図４に示すように、前回設定された閾値ＴＨold（ＴＨ１）と、比較器１７から出力されたマスク画像信号「１」とから、新しい閾値ＴＨとして加算器１５から出力される第２閾値候補値ＴＨ２が設定され、その設定された閾値ＴＨが比較器１７に出力される。
【００２９】
また、その出力された閾値ＴＨ（ＴＨ２）より撮像素子２から出力される前記所定画素列の左端側から２番目の画素に対応する標準画像信号が大きかったとする。すると、図２に示すように、比較器１７によって、マスク画像信号として「１」が再び設定され、そのマスク画像信号が第２遅延部８と選択器１６とに出力される。そして、選択器１６と比較器１７とによって、前記所定画素列の各画素に対して上記フローが繰り返し実行され、前記所定画素列の画素数と同数の信号「１」からなる信号列が第２遅延部８に出力される。
【００３０】
また同時に、第２遅延部８によって、図１に示すように、マスク画像生成部７から出力されるマスク画像信号が蓄積され、その蓄積されたマスク画像信号が第１遅延部３から出力される標準画像信号と同期されて、同じ画素に対応する標準画像信号とマスク画像信号とが同時に合成部９（切り替え部１９、乗算器１８）に出力される。また、図５に示すように、乗算器１８によって、その出力された非標準画像信号が係数Ｋ倍され、その係数Ｋ倍された非標準画像信号が切り替え部１９に出力される。さらに、切り替え部１９によって、その出力された非標準画像信号が合成画像信号として順次外部機器に出力される。
【００３１】
このように、本実施形態の撮像装置１によれば、温度データ、ノイズ量データ及びアンプゲインのいずれかが大きいほど閾値幅Ｗが大きく算出され、第２閾値候補値ＴＨ２が小さく設定される。そのため、飽和状態である画素の標準画像信号に含まれるノイズが増大すると、閾値ＴＨが小さく設定され、飽和状態である画素の標準画像信号が閾値ＴＨより大きいと（撮像素子が飽和状態であると）適切に判定される。その結果、その標準画像信号を非標準画像信号に置き換えることで、撮像画像の画質を向上することができる。
【００３２】
また、撮像素子の温度が上昇すると、第２閾値候補値ＴＨ２が小さく設定されるため、温度の上昇で暗電流ノイズが増加しても、飽和状態を適切に判定することができる。
さらに、アンプゲインが増加すると、第２閾値候補値ＴＨ２が小さく設定されるため、アンプゲインの増加でノイズが増加しても、飽和状態を適切に判定することができる。
以上、図１及び図２のマスク画像生成部７、図２のＬＵＴ参照部１３は特許請求の範囲に記載の閾値変更手段を構成する。
【００３３】
なお、本発明の撮像装置は、上記実施の形態の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
上記実施形態では、図５に示すように、合成部９によって、非標準画像信号に乗算器１８で係数Ｋを乗じ、標準画像信号と前記係数Ｋが乗じられた非標準画像信号とを切り替え部１９で切り替えて出力する例を示したが、これに限られるものではない。例えば、図７に示すように、合成部９によって、単に標準画像信号と非標準画像信号とを切り替えて切り替え部１９で出力するようにしてもよい。そのようにすれば、図８に示すように、飽和照度より大きい照度域が飽和信号値以下となる合成画像信号を生成でき、飽和信号値以下の画像信号だけを表示可能な既存の表示装置でも高照度域を表示することができる。
【００３４】
また、本発明はどのような種類の画像にでも適用可能であり、例えば、白黒画像であってもよく、カラー画像であってもよい。特に、カラー画像に適用する場合には、撮像素子２から出力される標準画像信号から特定の色成分（例えば、ＲＧＢのＧ）に対応する標準画像信号を取り出す手段を設け、その取り出された標準画像信号の信号レベルのばらつきに基づいて全体の閾値ＴＨを変更するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の撮像装置の一実施形態の内部構成を示すブロック図である。
【図２】図１のマスク画像生成部の内部構成を示すブロック図である。
【図３】図２のＬＵＴ参照部で設定される閾値幅を説明するための説明図である。
【図４】図２の選択器で設定される新しい閾値を説明するための説明図である。
【図５】図１の合成部の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図５の合成部の作用・効果を説明するための説明図である。
【図７】本発明の変形例を説明するための説明図である。
【図８】本発明の変形例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１は撮像装置、２は撮像素子、３は遅延部、４は温度検出部、５はノイズ量算出部、６はマイクロコンピュータ、７はマスク画像生成部、８は遅延部、９は合成部、１０は熱電対、１１は熱電対専用ＩＣ、１２はコンバータ、１３は参照部、１４は閾値レジスタ、１５は加算器、１６は選択器、１７は比較器、１８は乗算器、１９は切り替え部、２０は加算器
【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】
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