(57)【要約】【課題】簡単な回路で、高輝度レベルの信号を圧縮し、かつ、再生でき、また、撮像素子の光電変換値の飽和量を動的に制御できる広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置を提供することである。【解決手段】被写体からの光を映像信号に変換する撮像素子と、上記撮像素子からの映像信号を処理する信号処理装置および上記撮像素子に結合される光電変換飽和量制御手段からなり、上記光電変換飽和量制御手段は、上記映像信号の一垂直走査期間内において、少なくとも異なる２期間に異なる電圧を上記撮像素子に与える手段とから構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を映像信号に変換する撮像素子と、上記撮像素子からの映像信号を処理する信号処理装置および上記撮像素子に結合される光電変換飽和量制御手段からなり、上記光電変換飽和量制御手段は、上記映像信号の一垂直走査期間内において、少なくとも異なる２期間に異なる電圧を上記撮像素子に与える手段からなることを特徴とするテレビジョンカメラ装置。
【請求項２】
請求項１記載のテレビジョンカメラ装置において、上記光電変換飽和量制御手段は、一垂直走査期間内に、異なる２以上の電圧を発生する手段と、上記映像信号の一垂直走査期間内に上記撮像素子に、上記異なる２以上の電圧を順次印加する切替手段とからなることを特徴とするテレビジョンカメラ装置。
【請求項３】
請求項２記載のテレビジョンカメラ装置において、上記光電変換飽和量制御手段を構成する切替手段は、上記映像信号の輝度信号から発生された切替信号により制御されることを特徴とするテレビジョンカメラ装置。
【請求項４】
請求項２記載のテレビジョンカメラ装置において、上記異なる２以上の電圧は、上記切替手段の切替順に従って、光電変換飽和量が増加するような電圧であることを特徴とするテレビジョンカメラ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テレビジョンカメラ装置に関し、特に、高輝度レベルの映像信号を圧縮した広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第１番目の従来の高輝度レベルの映像信号圧縮を適応したテレビジョンカメラ装置の一例を図８に示す。図８において、１は、テレビジョンカメラ装置のレンズ部、２は、色分解光学系（プリズム）で、被写体からの光を赤色（以下Ｒと称す）、緑色（以下Ｇと称す）、青色（以下Ｂと称す）の各色の光に分解する。３、４、５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光をそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの電気信号に変換する撮像素子で、各々の色の映像信号３ａ、４ａ、５ａを出力する。その出力は、９、１０、１１のＲ、Ｇ、Ｂの映像信号増幅器によりそれぞれ増幅される。増幅された９ａ、１０ａ、１１ａの映像信号は、映像信号高輝度レベル圧縮器１５、１６、１７に印加され、Ｒ、Ｇ、Ｂの映像信号の高輝度レベル映像信号部分が圧縮され、１５ａ、１６ａ、１７ａの各映像出力端子から高輝度部分が圧縮されたＲ、Ｇ、Ｂの映像信号が出力される。
【０００３】
Ｒ、Ｇ、Ｂの撮像素子３、４、５は、例えば、ＣＣＤ（charge coupled device）で構成され、その光電変換部分の光電変換値の飽和量を制御する手段を有している。具体的には、良く知られているように、ＣＣＤの電荷を蓄える井戸の深さを調節すること、即ち、ＣＣＤの基板バイアスを調整することにより実現される。従って、１２、１３、１４は、可変抵抗器等で構成された光電変換飽和量設定手段で、この光電変換飽和量設定手段のバイアス電圧１２a、１３a、１４aにより基板電圧が調整され、所定の光電変換値の飽和量が設定される。
【０００４】
次に、この光電変換飽和量設定手段１２、１３、１４の動作について、図５を用いて説明する。なお、光電変換飽和量設定手段は、Ｒ、Ｇ、Ｂの撮像素子３、４、５それぞれに設けられているが、その動作は、同じであるので、ここでは、光電変換飽和量設定手段１２について説明する。図５は、例えば、撮像素子３の光電変換特性を示すもので、縦軸は、撮像素子３から出力されるＲの映像信号３ａの信号レベル、横軸は、撮像素子３に入射される入射光量２ｒを示す。図５から明らかなように光電変換飽和量設定手段１２のバイアス電圧を変化させ、光電変換制御信号１２ａを変化させると、出力映像信号レベルの飽和値ｆ（Ｓ）は、変化するが、高輝度部分は、飽和され、カットされた状態、即ち、白潰れ状態になり、高輝度部分の映像信号が再生されないという問題がある。また、出力映像信号レベルの飽和値ｆ（Ｓ）を高くすればより高輝度部分の映像信号が再生されることになるが、増幅器９を高出力に対応させる必要があり、実用的ではない。
【０００５】
また、光電変換値の飽和量の設定は、通常、撮像素子３、４、５の能力の最大となるように調整され、この最大値が、カメラのダイナミックレンジを決定する。その結果、カメラのダイナミックレンジは、定格レベルの４倍から６倍に設定されるのが普通であるが、増幅器９の出力映像信号レベルは、これを十分に生かしきれないという問題がある。
【０００６】
第２番目の技術として、本発明者が先に出願したテレビジョンカメラ装置（特願２００２−００７６０７明細書、平成１４年１月１６日出願）がある。この技術は、その明細書の図１に示すように、先に説明した図８の場合とは異なり、各色の映像信号高輝度レベル圧縮器が各色の増幅器の前に設けられている。従って、図８に示す場合に比べて、広帯域、高性能な増幅器を必要としないという利点がある。しかし、各色の映像信号毎の映像信号高輝度レベル圧縮器は、増幅器の前段に位置するため、入力する映像信号レベルが小さい。そのためＲ、Ｇ、Ｂの各色毎に均一なニー特性を実現するためには、回路規模が大きくなるという問題がある。
【０００７】
第３番目の技術として、固体撮像装置（例えば、特許文献１参照）がある。この技術は、固体撮像素子の蓄積可能電荷量を一撮像期間内に第１の電荷量、第２の電荷量の順に切替わるように固体撮像素子を制御することが記載されている。しかし、その技術的な説明にも、また、図面にも具体的にどのようにして、固体撮像素子の蓄積可能電荷量を一撮像期間内に第１の電荷量、第２の電荷量の順に切替えるのかの実現方法の説明がなく、結果として、なぜ固体撮像素子のダイナミックレンジが広がるか言及されていない。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−９２６０号公報（第３頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した第１の従来技術では、増幅器のダイナミックレンジは、撮像素子から出力される信号のダイナミックレンジ以上が必要であり、従って、高性能の増幅器を必要とする。そのため製品コストが上がってしまうという問題があった。また、第２の技術では、上記問題は解決されるが、各色の映像信号毎に映像信号高輝度レベル圧縮器が必要となり、回路規模が大きくなるという問題がある。更に、第３の技術は、具体的な実現方法が示されていない。
【００１０】
本発明の目的は、簡単な回路で、高輝度レベルの信号を圧縮し、かつ、再生できる広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、撮像素子の光電変換値の飽和量を動的に制御する手段を設けることにより広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、撮像素子の光電変換飽和量設定手段の基板バイアスを動的に制御することにより、撮像素子の光電変換飽和量設定手段の基板バイアスを固定で飽和量が最大になるように設定した場合の撮像素子のダイナミックレンジよりも更に広いダイナミックレンジを持つテレビジョンカメラ装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のテレビジョンカメラ装置は、被写体からの光を映像信号に変換する撮像素子と、上記撮像素子からの映像信号を処理する信号処理装置および上記撮像素子に結合される光電変換飽和量制御手段からなり、上記光電変換飽和量制御手段は、上記映像信号の一垂直走査期間内において、少なくとも異なる２期間に異なる電圧を上記撮像素子に与える手段からなるように構成される。
【００１４】
また、本発明のテレビジョンカメラ装置において、上記光電変換飽和量制御手段は、一垂直走査期間内に、異なる２以上の電圧を発生する手段と、上記映像信号の一垂直走査期間内に上記撮像素子に、上記異なる２以上の電圧を順次印加する切替手段とからなるように構成される。
【００１５】
また、本発明のテレビジョンカメラ装置において、上記光電変換飽和量制御手段を構成する切替手段は、上記映像信号の輝度信号から発生された切替信号により制御されるように構成される。
【００１６】
更に、本発明のテレビジョンカメラ装置において、上記異なる２以上の電圧は、上記切替手段の切替順に従って、光電変換飽和量が増加するような電圧となるように構成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例を示すブロック図である。なお、図１において、図８と同じものには、同じ符号が付されている。６、７、８は、光電変換飽和量制御手段であり、２１、２２、２３は、高輝度レベル部分が圧縮されたＲ、Ｇ、Ｂの映像信号が出力される映像信号出力端子である。なお、光電変換飽和量制御手段６、７、８の詳細を図２および図３を用いて説明する。
【００１８】
図２は、光電変換飽和量制御手段６の具体的な構成を示すものである。なお、光電変換飽和量制御手段７および８も構成は同じであるので、ここでは説明を省略する。図２において、光電変換飽和量制御手段６は、信号切替手段（例えばスイッチ）１８、光電変換飽和量設定手段１９および２０で構成されている。信号切替手段（例えばスイッチ）１８には、信号端子１８ａから図２に示す切替信号ＳＳが印加される。また、光電変換飽和量設定手段１９および２０は、通常、可変抵抗器やＤ／Ａコンバータにより構成される。
【００１９】
而して、この光電変換飽和量制御手段６の動作を説明する。まず、切替信号ＳＳについて説明する。Ｔは、撮像素子３から映像信号を読み出す単位時間で、通常、一垂直走査期間である。ＮＴＳＣ方式のテレビジョン方式では、約１／６０秒、ＰＡＬ方式のテレビジョン方式では、約１／５０秒である。ＳＳは、この垂直走査期間Ｔが繰り返される信号である。この垂直走査期間Ｔをｔ１およびｔ２期間に分割し、ｔ１期間は、レベル“０”、ｔ２期間は、レベル“１”とする矩形の信号であり、この信号ＳＳにより、信号切替手段１８は、切替えられる。従って、期間ｔ１では、光電変換飽和量設定手段１９で設定される電圧Ｓ１がバイアス電圧６ａとして、撮像素子３に印加される。また、期間ｔ２では、光電変換飽和量設定手段２０で設定される電圧Ｓ２がバイアス電圧６ａとして、撮像素子３に印加される。
【００２０】
上記のように動作する光電変換飽和量制御手段６の光電変換特性を図５、図６および図７を用いて説明する。まず、図５は、従来技術でも説明したように、撮像素子３に入射される入射光量２ｒに対する出力映像信号レベル３ａの飽和特性を示しており、この飽和特性の飽和値ｆ（Ｓ）が撮像素子３に印加されるバイアス電圧（光電変換制御信号）６ａにより変化することを示している。即ち、バイアス電圧Ｓ１，またはＳ２の大きさを変えると、飽和値ｆ（Ｓ）が変化することを示している。なお、図７は、バイアス手段１９の電圧Ｓ１およびバイアス手段２０の電圧Ｓ２の場合の飽和特性が示されている。また、電圧Ｓ１および電圧Ｓ２との間には、Ｓ１＜Ｓ２の関係がある。
【００２１】
一方、図６は、信号切替手段１８の信号端子１８ａに信号ＳＳが印加されているとき、撮像素子３に入射する入射光量２ｒに対する撮像素子３の出力映像信号レベル３ａを示しており、これが単位時間Ｔ（一垂直走査期間）に対する光電変換時間ｔの比率ｔ／Ｔで変化することを示している。即ち、切替信号ＳＳのｔ１（またはｔ２）を変化させると、出力映像信号の傾きが変化することを示している。なお、図６では、比率ｔ／Ｔを、１００％、７５％、５０％、２５％に変化した場合についての特性曲線が示されている。
【００２２】
従って、図５と図６の原理に基づいて、図２に示す光電変換飽和量制御手段６を適応した場合の撮像素子３の映像出力の特性曲線を図７に示す。図７において、特性曲線ＰＣ１は、比率ｔ１／Ｔ＝７５％の場合のｔ１期間の光電変換特性を示している。即ち、特性曲線ＰＣ１の立ち上がり部分は、図６のｔ／Ｔ＝７５％の特性曲線となり、ホワイト・クリップレベル（出力映像信号レベルの飽和値ｆ（Ｓ１））は、図５のバイアス電圧Ｓ１で決まる特性曲線となる。
【００２３】
また、特性曲線ＰＣ２は、比率ｔ２／Ｔ＝２５％の場合のｔ２期間の光電変換特性を示している。即ち、特性曲線ＰＣ２の立ち上がり部分は、図６のｔ／Ｔ＝２５％の特性曲線となり、ホワイト・クリップ（W. Clip）レベル（出力映像信号レベルの飽和値ｆ（Ｓ２））は、図５のバイアス電圧Ｓ２で決まる特性曲線となる。
【００２４】
従って、光電変換飽和量制御手段６を適応した場合のＴ期間の光電変換特性、即ち、撮像素子３の映像出力の特性曲線ＰＣは、上述した特性曲線ＰＣ１と特性曲線ＰＣ２の２つの特性曲線を合成した特性曲線となる。図７の光電変換特性から明らかなように、ニー（Knee）ポイント、Sloop部の傾斜、W. Clip ポイントは、バイアス手段１９の電圧Ｓ１、光電変換飽和量制御手段６の切替信号SSの比率ｔ１／Ｔ（またはｔ２／Ｔ）およびバイアス手段２０の電圧Ｓ２を変化させることにより、所望の光電変換特性を持つテレビジョンカメラ装置を実現できるので、広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置を容易に得ることができる。
【００２５】
次に、光電変換飽和量制御手段６の信号切替手段１８に印加される切替信号ＳＳの発生回路について、図３のブロック図により説明する。図３において、３１は、カウンタ回路であり、撮像素子３から得られる映像信号の垂直同期パルスＶＤと水平同期パルスＨＤがそれぞれ印加される。カウンタ回路３１は、例えば、一垂直走査期間Ｔ毎に２６２．５個のパルスを繰返し発生し、比較回路３２に出力される。一方、比較回路３２には、ｔ１設定回路３３から所定のｔ１期間に相当するパルス信号が印可され、比較回路３２の出力として切替信号ＳＳが出力される。なお、端子３４には、ｔ１期間を設定するための電圧が印加される。この電圧は、適宜、輝度信号レベルから作ることもできるし、適当なバイアス電圧を設定することにより、容易に作成できる。従って、このｔ１設定回路３３のｔ１期間を被写体の輝度信号レベルに応じて変更することにより、ニーポイントを適宜変化させることができ、ダイナミックレンジを輝度信号レベルの変化に対応して、動的に変化させることのできるテレビジョンカメラ装置を実現することができる。
【００２６】
なお、以上の実施例では、一垂直走査期間Ｔをｔ１、ｔ２の２つに分けた場合について説明したが、ｔ１、ｔ２、ｔ３、・・のように、２つ以上の期間に分けて、それぞれ異なったバイアス電圧を撮像素子に印加するように構成することも容易に実施できることは言うまでもない。その場合の電圧の関係は、最初のｔ１の期間は、光電変換飽和量が最も低い電圧で、順次高い電圧をかけるように制御する必要がある。
【００２７】
図４は、本発明の広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置を適応した場合の輝度信号レベルの圧縮の状況の一実施例の輝度信号波形図を示すものである。縦軸は、テレビカメラでスタジオ内を撮影した場合、屋外（昼）を撮影した場合および屋外（夜）を撮影した場合の映像信号レベルＹ、横軸は、一垂直走査期間Ｔを模式的に表している。また、Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３は、撮像素子３から出力される輝度信号波形、Ｙ４、Ｙ５、Ｙ６は、増幅器９から出力される輝度信号波形を示す。図４において、スタジオ内では、撮像素子の飽和量を、例えば３００％に設定されている場合を示し、撮像素子３の出力波形は、Ｙ１となる。なお、定格は、１００％で示す。この場合、映像信号増幅器９の輝度信号レベルＹ４は、図に示すように、定格１００％までの輝度信号レベルは、そのまま再現され、１００〜３００％の輝度信号レベルは、１００〜１１０％に圧縮されている。
【００２８】
屋外（昼）では、撮像素子の飽和量を６００％に設定されている場合を示し、撮像素子３の出力波形は、Ｙ２となる。なお、定格は、１００％で示す。この場合、映像信号増幅器９の輝度信号レベルＹ５は、図に示すように、定格１００％の輝度信号レベルは、９０％に若干圧縮されている。また、１００〜６００％の輝度信号レベルは、９０〜１１０％に圧縮されている。
【００２９】
屋外（夜）では、撮像素子の飽和量を１３０％に設定されている場合を示し、撮像素子３の出力波形は、Ｙ３となる。なお、定格は、１００％で示す。この場合、映像信号増幅器９の輝度信号レベルＹ６は、図に示すように、定格１００％の輝度信号レベルは、１０５％と若干高く設定され、１００〜１３０％の輝度信号レベルは、１０５〜１１０％に圧縮されている。
【００３０】
以上、図４で説明したように、テレビカメラでスタジオ内を撮影した場合、屋外（昼）を撮影した場合および屋外（夜）を撮影した場合のいずれにおいても映像信号は、０〜定格１００％の間は、ほぼそのまま再生され、定格１００％以上の映像信号レベルは、１００％〜１１０％の間に圧縮されてはいるが、高レベルの映像信号が忠実に再生されることとなる。従って、従来のような高レベルの映像信号がホワイト・クリップレベルでカットされ、高レベルの映像信号がなくなるということはない。
【００３１】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載されたテレビジョンカメラ装置に限定されるものではなく、上記以外の広ダイナミックレンジのテレビジョンカメラ装置や、映像信号の輝度レベルに応じて動的に変化する必要のあるテレビジョンカメラ装置に広く適応することが出来ることは、言うまでも無い。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、一垂直走査期間に、撮像素子に印加するバイアス電圧のかけ方を調節することにより、所望のニー特性を持つテレビジョンカメラ装置を実現できる。従って、従来のようにカメラヘッド部に設けられる増幅器に広いダイナミックレンジを要求されないので、必要な圧縮特性を備えたテレビジョンカメラ装置を極めて容易に、かつ、低価格で提供することができ、実用に供し、極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の光電変換飽和量制御手段の一実施例を示すブロック構成図である。
【図３】本発明の光電変換飽和量制御手段に印加する切替信号の発生回路の一実施例を示す図である。
【図４】本発明を説明するための輝度信号レベルの模式図を示す。
【図５】撮像素子に入射する光量と出力映像信号レベルとの関係を示す特性図である。
【図６】本発明を説明するための撮像素子に入射する光量と出力映像信号レベルとの関係を光電変換時間をパラメータとして示す特性図である。
【図７】本発明を説明するための入射光量と出力映像信号レベルとの関係を示す特性図である。
【図８】従来のテレビジョンカメラ装置の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１：レンズ、２：色分解光学系（プリズム）、２ｒ：赤色入射光、２ｇ：緑色入射光、２ｂ：青色入射光、３：赤色撮像素子、４：緑色撮像素子、５：青色撮像素子、３ａ：赤色映像信号、４ａ：緑色映像信号、５ａ：青色映像信号、６、７、８：光電変換飽和量制御手段、６ａ、７ａ、８ａ：バイアス電圧、９：赤色映像信号増幅器、10：緑色映像信号増幅器、11：青色映像信号増幅器、２１、２２、２３：出力端子、１８：信号切替手段（スイッチ）、１８ａ：スイッチ切替信号、１９、２０：光電変換飽和量設定手段、３１：カウンタ回路、３２：比較回路、３３：ｔ１設定回路。
【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】
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