(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの入射光を撮像面に結像させる撮影レンズと、
上記撮影レンズにより結像された入射光を光電変換して画像信号に変換する撮像素子と、
上記撮像素子の全撮像領域内の第１の領域の各画素から画像信号を読み出し第１の画像信号を得るための第１の制御手段と、
上記第１の領域よりも狭い第２の領域の各画素から画像信号を読み出し第２の画像信号を得るための第２の制御手段と、
上記第１の画像信号による画像を表示するための表示手段と、
上記第１の領域の中の読み出しの対象となる画素の総数と上記第２の領域の中の読み出しの対象となる画素の総数との比に応じて、上記第２の領域から読み出される画像信号のゲインを調整するゲイン調整手段とを備えたことを特徴とする撮像システム。
【請求項２】
上記第１領域からは画像信号を間引いて読み出し、上記第２の領域からは間引かずに順次に読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
【請求項３】
上記第１領域内の水平方向及び垂直方向に所定の間隔で区切られたそれぞれの領域から所定の複数の画素の画像信号を加算して読み出すことを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
【請求項４】
上記第１の領域が全撮像領域であることを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被写体の全撮像領域の任意の領域から画像信号を読み出す撮像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開昭５６−１０２１７２号公報に記載の固体撮像装置は、固体撮像素子を構成する個々の画素を部分的に走査することにより、固体撮像素子の全撮像領域内の必要とする小領域の各画素の画像信号のみをブランキング期間を伴わないで読み出すことにより、上記小領域内の画像信号のみを連続的に繰り返し読み出す様にしたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例のように、撮像素子を構成する個々の画素を順次走査しながら各画素で発生した信号を読み出すようにした、いわゆるＸ−Ｙアドレス方式の撮像装置においては、一般に、ある画素の画像信号を読み出してから次にその画素の画像信号を読み出すまでの時間が実質的な信号蓄積時間となり、これにより撮像素子の各画素から読み出される画像信号のレベルが決まる。従って、全撮像領域内の必要とする小領域の各画素の画像信号のみを繰り返し連続して読み出すときは、全撮像領域から各画素の画像信号を読み出すときと比較して読み出す画素数が少ないため信号蓄積時間が短かくなり、上記全撮像領域から画像信号を読み出すときは適正レベルの画像信号が得られたとしても、上記小領域からは適正レベルの画像信号が得られないという問題がある。しかしながら、上記従来例の固体撮像装置においてはこの点について何等考慮がなされていない。
そこで、本発明の課題は、全撮像領域から選択された任意の小領域からも、簡単に、適正レベルでしかも高精細な画像信号を得ることができる撮像システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の撮像システムは、被写体からの入射光を撮像面に結像させる撮影レンズと、上記撮影レンズにより結像された入射光を光電変換して画像信号に変換する撮像素子と、上記撮像素子の全撮像領域内の第１の領域の各画素から画像信号を読み出し第１の画像信号を得るための第１の制御手段と、上記第１の領域よりも狭い第２の領域の各画素から画像信号を読み出し第２の画像信号を得るための第２の制御手段と、上記第１の画像信号による画像を表示するための表示手段と、上記第１の領域の中の読み出しの対象となる画素の総数と上記第２の領域の中の読み出しの対象となる画素の総数との比に応じて、上記第２の領域から読み出される画像信号のゲインを調整するゲイン調整手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
さらに、上記請求項１記載の発明の具体的な手段として、本発明のうち請求項２記載の撮像システムのように、上記第１領域からは画像信号を間引いて読み出し上記第２の領域からは間引かずに順次に読み出してもよいし、本発明のうち請求項３記載の撮像システムのように、上記第１領域内の水平方向及び垂直方向に所定の間隔で区切られたそれぞれの領域から所定の複数の画素の画像信号を加算して読み出してもよい。
【０００８】
尚、以上の説明において「第１の領域」とは、この領域が全撮像領域である場合も含む。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像システム１００を構成する撮像装置１及びその周辺装置との接続を表すブロック図である。
【００１０】
撮像システム１００は、被写体を撮像し画像信号を出力する撮像装置１と、上記画像信号を受け撮像した画像を表示するためのＴＶモニタ８及び各種操作に応じて上記撮像装置１を制御するパーソナルコンピューター（以下「ＰＣ」とよぶ。）９とよりなる。まず、上記撮像システム１００の構成について説明する。
【００１１】
撮影レンズ２は、被写体像を撮像素子３の撮像面に結像する。上記撮像素子３は、撮像面の全撮像領域の中から、ＰＣ９に付属のマウス（図示せず）等により操作者により指定された任意の領域内の画素の画像信号のみを選択的に読み出すことが可能な撮像素子である。このような撮像素子として、例えば、本出願人が出願した特願平７−３１６７４４号等に記載のＣＭＤ（Cｈａｒｇｅ  Modulation  Device）がある。該ＣＭＤは非破壊信号読み出し可能なＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子である。また、上記撮像素子３は、例えば、画素数２０４８×２０４８からなる高画素の撮像素子である。タイミング発生回路（以下「ＴＧ」とよぶ。）４は後述するディジタル信号処理回路６によって制御され、撮像素子３の駆動タイミングや読み出しの対象となる画素の位置を制御するための回路である。上記撮像素子１の出力はアナログ処理回路５に供給される。該アナログ処理回路５は、撮像素子３の出力する各画素の画像信号であるアナログ出力信号を増幅するための増幅回路（図示せず）や、該増幅回路の出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路（図示せず）を含む回路である。
【００１２】
ディジタル信号処理回路６は、上記ＰＣ９からの各種制御信号に応じて周辺回路と信号の送受信を行うためのインターフェース回路（図示せず）を含み、上記アナログ処理回路５、上記ＴＧ４、後述するＤ／Ａ変換回路７及びＰＣ９と接続される。上記ＰＣ９上では、操作者は上記マウス等を用い、モニタ（図示せず）上で各種の設定や命令を行えるようになっている。例えば、全撮像領域から読み出したい領域の位置や大きさを指定したり変更したりする。上記ディジタル信号処理回路６と接続されたＤ／Ａ変換回路７は、上記ディジタル信号処理６で処理されたディジタル画像信号をアナログ画像信号に変換するための回路である。上記Ｄ／Ａ変換回路７の出力はＴＶモニタ８に供給される。該ＴＶモニタ８は撮像素子３で受けた被写体の像を表示するためのものである。なお、ＰＣ９に標準画像信号を入力することが可能であれば上記ＴＶモニタ８に替えてＰＣ９に付属のモニタを使用することによりＴＶモニタ８を省略することもできる。
【００１３】
次に本発明の第１の実施の形態に係る撮像システム１００の動作について説明する。図２は被写体としての集積回路（以下「ＩＣ」という。）の全体の外観を撮像し、ＴＶモニタ８に表示している例を示したものである。全撮像領域よりも狭い小領域からも高精細な画像信号を得るために、撮像素子１は、画素数２０４８×２０４８の高画素で構成されている。しかし、すべての画素の画像信号を読み出しながら、しかも、動画像を表示するためには、高速の信号処理や高精細なＴＶモニタが必要になるなど不都合が多い。そこで、本実施の形態においては、全撮像領域内から画素を水平、垂直方向共に４画素毎に１画素の画像信号を抽出して他を間引きながら繰り返し連続して読み出し（このときの総読み出し画素数は約２５万画素になる）、標準画像信号を得ることにより通常のＴＶモニタ８に動画像を表示することを可能にしている。
【００１４】
一方、検査などの用途において、例えば、図２に示すように全撮像領域のうちＰＣ９によって選択的に指定された１ａや１ｂの小領域内の各画素の画像信号のみを読み出し、所定の検査を行うことがある。この場合、上記間引いて読み出した画像信号では解像度が不足し精密な検査が行えないので、間引かずに読み出すことが望ましい。しかしながら、上記１ａ又は１ｂの小領域から読み出した画像信号は、縦横の画素数が整合せず標準画像信号としてＴＶモニタ８に表示することはできないために上記小領域から読み出された画像信号が適正レベルであるかどうかを視覚的に確認することができない。そこで、本実施の形態においては、上記小領域から間引かずに読み出すときの信号蓄積時間を、上記全撮像領域から間引いて読み出すときの信号蓄積時間と実質的に等しくすることにより適正レベルの画像信号を得るようにしている。つぎに、これについてさらに詳しく説明する。
【００１５】
上記のとおり、本実施の形態においては、全撮像領域から繰り返し連続して間引いて画像信号を読み出すことによりＴＶモニタ８に表示している。このとき、ある画素の画像信号を読み出してから再びその画素の画像信号を読み出すまでの時間、すなわち全撮像領域から間引いて１画面分の画像信号を読み出す１周期が実質的な信号蓄積時間となり、これにより画像信号のレベルが決まることになる。ここで、上述の間引きによる表示画像はＴＶモニタ８による観察が可能であるから、画像信号のレベルが適正か否かは、例えば、光源（図示せず）の光量や撮影レンズ２の絞り（図示せず）の口径を調整しつつＴＶモニタ８を視覚的に確認しながら判断することが可能になる。一方、図２の１ａ又は１ｂの小領域内の画像信号を間引かずに読み出すときも、当該小領域内の画像信号のみが繰り返し連続して読み出されるので、上記小領域内の全画像信号を読み出す１周期が信号蓄積時間となり、これにより画像信号のレベルが決まることになる。したがって、上記間引かずに読み出すときと間引いて読み出すときの画素の総数が同じであれば、上記両者の信号蓄積時間は実質的に等しくなるので、画像信号のレベルは等しくなり図１の１ａ又は１ｂの小領域からもＴＶモニタ８上で視覚的に確認され得る上述した表示画像と同様に、適正レベルでしかも高精細な画像信号が得られることになる。
【００１６】
図３（ａ）〜（ｃ）は、当該各画素の画像信号の読み出しの対象となる撮像領域内の画素のライン数が異なっても読み出す画素の総数が同じであれば、信号蓄積時間は変わらないことを説明するための図である。説明の便宜上、信号読み出しライン数を４ライン及び８ラインとする（実際はこれより多い）。また、１ラインの信号を読み出すごとに信号をリセットするタイプの撮像素子を用いるものとする。図３（ａ）に信号読み出しラインを４ライン及び８ラインで画素数が等しい撮像素子（信号読み出しラインは上から順に１１，１２，１３・・）を示す。読み出す画素の総数が同じであるから、８ライン時の水平画素数は４ライン時の水平画素数の１／２である。図３（ｂ）、（ｃ）に示されるように読み出す画素の総数及び各画素ごとの信号の読み出し周期が同じであれば、リセット動作から次に信号を読み出すまで時間、すなわち信号蓄積時間は実質的に等しくなる。
【００１７】
尚、上記のとおり、１ラインの信号を読み出すごとに信号をリセットするので、図３（ｂ）、（ｃ）に示すようにラインの左端と右端とで信号蓄積時間が１ラインの信号読み出し時間だけ異なるが、全体の信号蓄積時間は、ライン数×１ラインの信号読み出し時間、であるので、実際にはこの差異は上記全体の信号蓄積時間に比べて小さいので問題とならない。また、実際には水平、垂直のブランキング゛期間があるため、ブランキング期間も考慮して読み出す画素数を決定する。
【００１８】
図４は、図２に示す被写体としてのＩＣとは異なる他のＩＣを撮像しＴＶモニタ８に表示している例である。被写体が変わったときは、被写体に応じた領域の位置や大きさ（図４では領域２ａ〜２ｄ等）を指定しなければならない。この場合も、撮像する矩形状の領域内の総画素数を一定に保ったまま縦横比を変えて領域の形状や大きさを指定し画像信号を読み出せば、上記と同様に適正レベルの画像信号が得られる。
【００１９】
尚、以上の説明において、全撮像領域の中からそれよりも小さい任意の領域内の画像信号を繰り返し連続して読み出す具体的な手段については、例えば、上記特開昭５６−１０２１７２号公報や本出願人が出願した特願平７−３１６７４４号等に詳細に記載されている。本発明においては、上記先行技術と同様の画像信号の読み出し制御を、図１のＰＣ９、ディジタル信号処理回路６に内蔵のインターフェース回路（図示せず）、タイミング発生回路４、撮像素子３等によって行っている。例えば、ＰＣ９からマウスなどを使用して、図２に示す矩形状の領域１ａの上端面Ｘ１、Ｘ２の位置を指定すると、当該Ｘ１〜Ｘ４で囲まれた小領域内の画素の総数が全画像領域から間引いて読み出される画素の総数と等しくなるように自動的に下端面Ｘ３、Ｘ４の位置が演算され、読み出しの対象となる小領域１ａの境界がスーパーインポーズされる。同時にＰＣ９から、ディジタル信号処理回路６に内蔵のインターフェース回路（図示せず）を介してＴＧ４に対して、撮像素子３の全撮像領域のうち上記のように設定された小領域１ａの画像信号を読み出すための制御信号が供給される。ＴＧ４による撮像素子３の具体的な制御等については本出願人の上記先行技術等に記載されている。
【００２０】
また、上記小領域１ａ等を設定する方法は上記の例に限定されることはなく、縦横の一方を数値入力し他方は自動的に設定するなど種々の方法が考えられる。
【００２１】
以上説明した本発明の第１の実施の形態によれば、撮像素子の全撮像領域のうちＴＶモニタ等への表示の対象となる特定領域内の読み出しの対象となる画素の総数と、それよりも狭い領域内の読み出しの対象となる画素の総数を実質的に同一にすることにより、上記指定された小領域内からも、簡単に、適正レベルでしかも高精細な画像信号を得ることができる。
【００２２】
次に図５を用いて本発明の第２の実施の形態に係る撮像システム２００について説明する。図５において、図１と同一の回路については同一の番号を付してある。まず、図５の構成について説明する。なお、上記図１の説明と重複する部分の説明は省略する。
【００２３】
本発明の第２の実施の形態に係る撮像システム２００を構成する撮像装置１０においては、ＴＶモニタ８への表示の対象となる画素の総数（例えば、全撮像領域から画像信号を間引いて読み出した画素の総数）と、マウス等により指定された任意の小領域から間引かずに読み出された画素の総数との比に応じて上記小領域から読み出された画像信号のゲインを調整し、適正レベルの画像信号を得ようとするものである。
【００２４】
図５において、ＰＣ９からディジタル信号処理回路１１に内蔵されたゲイン調整回路１２に供給される信号は、上記第１の実施の形態のように撮像素子の全撮像領域のうちＴＶモニタ等への表示の対象となる領域内で読み出しの対象となる画素の総数と、それよりも狭い小領域内で読み出しの対象となる画素の総数とを実質的に同一にする動作モード（以下「第１動作モード」とよぶ。）と、上記小領域内で読み出しの対象となる画素の総数を任意に設定する動作モード（以下「第２動作モード」とよぶ。）とを切り換えるための指令信号である。
【００２５】
操作者がＰＣ９を操作することにより上記第２動作モードが選択され、例えば、領域内の総画素数を全撮像領域から画像信号を間引いて読み出した画素の総数２５万画素よりも少ない２０万画素に設定されたときは、各画素から読み出される画像信号のレベルは適正レベルの約８０パーセントである。これを補正するために、上記ゲイン調整回路１２によって上記画像信号レベルを１．２５倍に増幅することにより適正レベルの画像信号を得ている。同様に、領域内の総画素数を３０万画素に設定したときは、各画素から読み出される画像信号のレベルは適正レベルの約１２０パーセントになるので、これを補正するために、上記ゲイン調整回路１２によって画像信号レベルを０．８３倍に増幅することにより適正レベルの画像信号を得ている。
【００２６】
尚、上記第１動作モード又は上記第２動作モードの選択は、ＰＣ９の操作者により指定された領域の大きさに応じて自動的に行われるようにしてもよいし、手動で選択されてもよい。
【００２７】
以上説明した本発明の第２の実施の形態によれば、ＴＶモニタ８等への表示の対象となる特定領域内に配置された画素のうち読み出しの対象となる画素の総数と、上記特定領域より狭い他の選択された任意の小領域内の読み出しの対象となる画素の総数との比に応じて、上記小領域内から読み出される画像信号のゲインを調整することにより、上記小領域からも、簡単に、適正レベルでしかも高精細な画像信号を得ることができる。特に、本発明の第２の実施の形態によれば、読み出される画素の総数の制約を受けずに任意の大きさの領域を選択すことができるという効果がある。
【００２８】
尚、上記第１、２の実施の形態においては、全撮像領域から画像信号を繰り返し連続して間引いて読み出しＴＶモニタ８に表示するようにしたが、全撮像領域よりも小さい特定の領域から得られる画像信号をＴＶモニタ８に表示し、その中から上記と同様にして任意の小領域内から高精細な適正露光の画像信号を読み出したい場合もある。このとき、上記全撮像領域よりも狭い特定の領域から得られる信号を標準画像信号に対応させＴＶモニタ８に表示させるようにしてもよい。これにより、被写体を拡大して表示することができるので、さらに細部についても高精細で適正露光の画像信号を得ることができる。特に撮像素子が高画素になるほどメリットが大きい。
【００２９】
また、以上説明した第１、２の実施の形態においては、撮像素子の全撮像領域のうちＴＶモニタ８等による観察の対象となる画素の総数と、マウス等により指定された任意の小領域内の画素の総数とを同一にしたり、上記小領域内の画像信号のゲインを調整することにより、上記小領域からも適正レベルの画像信号を得るようにしたが、上記の実施の形態に限定されることなく、ＴＶモニタ８等による観察の対象となる画像信号を読み出すときと、上記小領域内の画像信号を読み出すときとで、ある画素を読み出してから連続する次の画素を読み出すまでの時間を決めるＴＧ４の走査パルス周期を変えることにより信号蓄積時間を調整し、同様の目的を達成することも可能である。
【００３０】
また、以上の説明において、上記撮像素子３の各画素から画像信号を間引いて読み出す場合は、全撮像領域内の水平方向及び垂直方向に所定の間隔で区切られたそれぞれの領域から所定の複数の画素の画像信号を加算して読み出すようにしてもよい。次にこの具体例を図６を用いて説明する。
【００３１】
図６（ａ）は撮像素子の各画素にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（緑）のカラーフィルタを設けた撮像素子の撮像面を示した図である。尚、説明の便宜上画素数は１６×１６としたが、実際はこれより多い。同図に示すカラーフィルタの配列は周知のベイヤ配列である。同図に示すようにＲＧＢの市松模様の半分はＧで残りを半分ずつ等分にＲとＢに分けられている。このような配列のカラーフィルタを前面に配置した撮像素子から、水平方向（Ｘ）に４画素、垂直（Ｙ）方向に４画素の１６画素を基本単位として該基本単位の中から指定された同色の４画素の信号が加算して読み出される。このようにして読み出された撮像素子の出力信号は、図６（ｂ）に図示されるようなカラーフィルタの配列を有する撮像素子の出力信号と等価になる。尚、上記画像信号の加算は撮像素子の内部でリアルタイムに行われる。
【００３２】
このようにすることにより、単純に間引いて読み出す場合に比べて、画像信号のノイズや折り返し歪みが軽減されるという効果がある。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１〜６記載の撮像システムによれば、撮像素子の全撮像領域内の任意の小領域から、簡単に、適正レベルでしかも高精細な画像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明するための撮像システム全体のブロック構成図である。
【図２】図１のＴＶモニタ８に被写体としての集積回路（ＩＣ）の外観を表示している一例を示す図である。
【図３】撮像素子の全撮像領域内の読み出す領域のライン数が異なっても読み出す画素の総数が同じであれば、信号蓄積時間は実質的に同じであることを説明するための図である。
【図４】図１のＴＶモニタ８に被写体としての集積回路（ＩＣ）の外観を表示している他の一例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態を説明するための撮像システム全体のブロック構成図である。
【図６】撮像素子の各画素にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（緑）のカラーフィルタを設けた撮像素子の撮像面を示した図である。
【符号の説明】
１、１０  撮像装置
２  撮影レンズ
３  撮像素子
４  タイミング発生回路（ＴＧ）
５  アナログ処理回路
６、１１  ディジタル信号処理回路
７  Ｄ／Ａ変換回路
８  ＴＶモニタ
９  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１２  ゲイン調整回路
【図１】
0003907778.tif 000002
【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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