JPH04207581A

JPH04207581A - 撮像装置

Info

Publication number: JPH04207581A
Application number: JP2335253A
Authority: JP
Inventors: Seiji Hashimoto; 誠二橋本
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-30
Filing date: 1990-11-30
Publication date: 1992-07-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は撮像装置に係り、特に実質的にダイナミック・
レンジの広い撮像装置に関する。

［従来の技術］撮像装置は、カメラ一体形ＶＴＲやスチル・ビデオ・カ
メラなどのビデオ・カメラ部として広く使用されている
。撮像管や固体撮像素子を用いるビデオ・カメラは旧来
の銀塩写真システムに比ベダイナミック・レンジが狭く
、従って、逆光時などには白とびゃ黒つぶれ（輝度レベ
ルが著しく高い又は低い部分の俗称）などが発生する。

従来のビデオ・カメラではこのような場合、手動又は逆
光補正ボタンの操作により絞りを２絞り分程度開放し、
光量を調節していた。

しかし、このような逆光補正を適切に行った場合でも、
主たる被写体が適正露光量であっても背景で白とびが発
生してしまい、背景が白いだけの画面になってしまう場
合がある。つまり、従来装置のように主被写体の露光量
が適正になるように光量調節するだけでは、撮像装置の
ダイナミック・レンジの狭さは解決されない。

かかる問題を解決するものとして、例えば２回の露光を
行ないダイナミックレンジの拡大を行う方法がある。こ
の方法は通常の露光時間１／６０秒で撮像した画面の飽
和した画素信号を高速シャッタ動作（例えばｌ／１００
０秒）で撮像した画素信号で置換するものである。この
方法では露光時間が約１６倍違うので、ダイナミックレ
ンジも約１６倍拡大できる。

［発明が解決しようとする課題］このように複数回の露光によってダイナミックレンジを
拡大する方法の公知例としては、特開昭６３−３０６７
７９号公報がある。この公知例は、フィールド毎にｎ光
時間を変えるものであるが、露光タイミングが悪く、約
１フイールド分ずれるため、動解像度が劣化するという
問題点がある。

この動解像度の劣化をなくす公知例としては、特開平１
−１．７６１７３号公報がある。

この公知例は受光素子の両側に垂直転送ＣＣＤを設ｉフ
、２回の露光による電荷をそれぞれ垂直転送ＣＣＤにメ
モリするものである。しかし、受光素子の両側に垂直転
送ＣＣＤを設けているために、受光素子の有効開口領域
が小さく低感度になる。また、フレームインクライン型
のＣＣＤでは素子面積が太き（なり、普及機のカメラに
とっては高コストになる問題点があった。

この様な問題点に鑑み、本発明は実質的なダイナミック
レンジが広く、且つ動解像度の良い撮像装置を提供する
事を目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明の撮像装置は、複数回の異なる時間の露光による
撮像信号を撮像素子から出力し、該撮像信号を合成して
合成損保信号を形成する撮像装置において、前記撮像素子が、光情報を光電変換する複数の受光素子
からなる受光部と、該受光部からの信号を転送する転送
手段とを有し、前記受光部で第一露光を行い、該第一露光による信号を
前記転送手段に送った後、直ちに前記第一露光より露光
時間が長い第二露光を開始し、前記第一露光による信号
を前記撮像素子から出力した後、前記第二露光による信
号を前記転送手段に送り、前記第二露光による信号を前
記撮像素子から出力することを特徴とする。

また本発明の撮像装置は、複数回の異なる時間の露光に
よる撮像信号を撮像素子から出力し、該撮像信号を合成
して合成撮像信号を形成する撮像装置において、前記撮像素子の露光時間を制御するシャックを有し、第一露光時間を前記撮像素子の駆動により制御第二露光
時間を前記シャッタにより制御したことを特徴とする。

［作　用］本発明の撮像装置は、第一露先による信号を受光部から
転送手段に送った後、直ちに前記第一露光より露光時間
が長い第二露光を開始しく第一露光と第二露光はほぼ連
続的に行われる）、前記第一露先による信号を前記撮像
素子から出力した後、前記第二露光を終了させることで
、第一露光による信号を前記撮像素子から出力させる期
間に、前記受光部の第二露光を行い、複数回の露光によ
る撮像時間のズレを小さ（するものである。

なお、前述した従来の撮像装置は、受光部がら転送手段
へ露光による信号を送ることで露光を終了させるため、
第一露光による信号を全て転送手段から転送した後でな
ければ、第二露光を終了させることはできない。

本発明は、第一露光時間を、受光部から転送手段へ露光
による信号を送る動作で制御しく撮像素子の駆動による
制御）、第二露光時間な撮像素子の露光時間を制御するシャッタ
で制御することで、第二露光時間を第一露光信号の転送動作と独立して制御
することを可能とするものである。

なお、第一露光時間を撮像素子の駆動により制御する動
作は、転送手段としてＣＣＤを用いた場合、ＣＣＤシャ
ッタとよぶ。

［実施例］以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。

本発明に使用される撮像素子としては、多（の種類があ
る。例えば、テレビジョン学会技術報告Ｖｏｌ、　１２
．ＮＯ，１２（Ｆｅｂ、　１９８ｇ）に「可変速電子シ
ャッタ付ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子」がある。この論文では
ＩＬ−ＣＣＤ　（インターライン型ＣＣＤ）における電
子シャッタ方法として、 ■　Ｎ型基板に電荷を排出する方法 ■　垂直レジスタ（垂直転送ＣＣＤ）を通してシャッタ
ドレインに排出する方法 ■　Ｉ　Ｌ　−ＣＣＤに、さらに−時蓄積メモリを設け
たＱＦＩＴあるいはＦＩＴ型ＣＣＤで、垂直レジスタを
通してシャッタドレインに排出する方法等が報告゛されている。

本発明の実施例として、現在一般的に使用されている上
記■の方法による不要電荷排出方式の撮像素子を例にと
り説明する。

第１図は、本発明に用いる撮像素子の概略的構成図であ
る。

第２図は、上記撮像素子の概略的断面図である。

第１母において、３０ａはイメージエリアであり、この
イメージエリア３０ａは、受光部となるフォトダイオー
ド３０ｃと、フォトダイオード３０ｃで光電変換された
電荷を光電変換終了後、−時的に保持するための垂直転
送ＣＣＤ３０ｂとが複数列配列されて構成される。垂直
転送ＣＣＤ３０ｂは遮光されており、そこに保持された
光電荷は垂直転送パルスφ目。１により、−水平走査毎
に水平ブランキング期間に水平転送ＣＣＤ３０ｄに転送
される。垂直転送ＣＣＤ３０ｂと水平転送ＣＣＤ３０ｄ
は転送手段を構成する。

なお、本発明の適用される撮像素子は本実施例の撮像素
子の構成に限定されるものではな（、例えば垂直転送Ｃ
ＣＤ３０ｂと水平転送ＣＣＤ３０ｄとの間に、電荷蓄積
部を設けた撮像素子にも適用可能である。

水平転送ＣＣＤ３０ｄ上の電荷は水平転送パルスφ、ｌ
い、により出力アンプ３０ｅへ転送され、電荷−電圧変
換されて外部へ出力される。

フォトダイオード３０ｃに蓄積された不要電荷はＣＣＤ
基板（第２図中、ｎ型半導体基板１）にシャッタパルス
φ３Ｎを印加することによりＣＣＤ基板に排出される。

このような撮像素子の断面は第２図に示すように構成さ
れており、同図に示すように、ｎ型半導体基板１上にｐ
型の第１ウエル２があり、その中にｎ型半導体領域３が
形成されてフォトダイオード３０ｃが構成され、またｐ
型の第２ウエル４とｎ型半導体領域５が形成されて垂直
転送ＣＣＤ３０ｂが構成される。ｎ型半導体領域３とｎ
型半導体領域５との間のｐ型の第１ウエル２上及びｎ型
半導体領域５上には転送用のゲートとなる多結晶領域６
が設けられており、またその上に遮光用のへβ膜７が設
けられている。センサ（フォトダイオード３０ｃ＋垂直
転送ＣＣＤ３０ｂ）間はｎ型半導体領域８によりチャネ
ルストップが形成されている。

なお、ｎ型半導体領域３．ｎ型半導体領域５はｈチャネ
ル絶縁ゲート型トランジスタのドレイン、ソース領域と
なっており、ｎ型半導体領域３に蓄積された電荷はゲー
トとなる多結晶領域６に正電圧（φ１ｌｎｌ）を印加す
るとｎ型半導体領域５に転送される。また多結晶領域６
に負電圧（φ口。Ｉ）を印加すると垂直転送ＣＣＤ３０
ｂの転送動作が行われる。

電荷の排出経路■及び電荷の転送経路■、■。

■を第１図、第２図に示す。

第１図及び第２図において、 ■はフォトダイオード３０ｃの不要電荷の排圧経路、 ■はフォトダイオード３０ｃから垂直転送ＣＣＤ３０ｂ
への光電荷の転送経路、 ■は垂直転送ＣＣＤ３０ｂから水平転送ＣＣＤ３０ｄへ
の信号電荷の転送経路、 ■は水平転送ＣＣＤ３０ｄ内での信号電荷の転送経路で
ある。

以下、上記撮像素子の本発明に係る動作について説明す
る。

第３図は、上記撮像素子の本発明に係る動作について説
明するタイミングチャートである。

第３図に示すように、本実施例の撮像素子の動作には、 ■　短時間露光である第一露光（Ｔ、、期間）、■　長
時間露光である第二露光（Ｔ、□期間）、■　第一露光
信号の転送（Ｔｓ、’期間）、■　第二露光信号の転送
（７，２’期間）がある。

本発明は、短時間露光（Ｔ３４期間）と、長時間露光（
Ｔ、□期間）がほぼ連続的に行われているところに特徴
がある。

■　短時間露光の第一露光（Ｔ５１期間）第３図中に示
すように、ＣＣＤ基板（ｎ型半導体基板１）にシャッタ
パルスφ９□（第３図の■）を印加することにより、フ
ォトダイオード３０ｃ上の不要電荷を排出し、光電変換
が開始される。

次にパルスφ１（。）（第３図の■）により、フォトダ
イオード３０ｃ上の光電荷は垂直転送ＣＣＤ３０ｂに転
送され第一露先は終了する（ＣＣＤシャッタ）。

■　長時間露光の第二露光（Ｔ、。期間）上記第一露光
が終了すると、フォトダイオード３０ｃは引き続き長時
間露光（第二露光）を開始する。この第二露光は垂直転
送ＣＣＤ３０ｂの第一露光による光電荷が全て出力され
てから（”ｒ、、′期間後に）終了させることができる
。

■　第一露光信号の転送（Ｔｓ、’期間）第一露光によ
る光電荷、即ち信号電荷は第二露光期間に外部へ出力さ
れる。垂直転送ＣＣＤ３０ｂの信号電荷は、パルスφ１
（。１（第３図の◎）により、水平ブランキング期間毎
に水平転送ＣＣＤ３０ｄへ転送され、水平有効期間にパ
ルスφ□、。、（第３図の■）により、出力アンプ３０
ｅを経て外部へ出力される。

■　第二露光信号の転送（Ｔ、Ａ２′期間）第一露光信
号の転送が終了すると、パルスφ１．。、（第３図の■
′）により、第二露光による光電荷がフォトダイオード
３０ｃから垂直転送ＣＣＤ３０ｂへ転送され、第二露光
が終了する。

第二露光が終了すると、第二露光による光電荷は、第一
露光信号の転送と同様に、パルスφｌ１ｎｌ（第３図の
◎′）とパルスφ□（。１（第３図の■′）により外部
へ出力される。

以上が２回の露光と信号転送の基本動作である。この様
に本発明によれば汎用低コストのＣＯＤを使って、短時
間露光と長時間露光の時間的ズレな最小にすることが可
能である。この２回の露光による信号を信号合成するこ
とによりダイナミックレンジを大幅に拡大することがで
きる（詳細な説明については第５図を用いて後述する）
。

第４図は、本発明の他の実施例の動作について説明する
タイミングチャートである。

本実施例で、第３図に示した実施例と異なるのは、第二
露光の終了を他のシャッタで制御させることである。

他のシャック（図中、シャッタ）は、通常開状態であり
、この状態で第一露光は先に述べたＣＣＤシャッタで制
御されて終了する。第３図に示した実施例では、第二露
光期間（Ｔ３２期間）は、第一露光信号の転送後にパル
スφ、（。ｌ（第３図の■′）を加えて終了させるため
に、第二露光時間は第一露光信号の転送時間を超えた値
になるが。

本実施例では他のシャックを用いて第二露光時間を制御
するため第二露光時間を第一露光信号の転送時間よりも
短くすることができる。

第３図及び第４図に示した実施例は、ムービビデオカメ
ラあるいはスチルビデオカメラに応用が可能である。

第３図に示した実施例では、例えば第一露光期間（Ｔ、
、）を高速ＣＣＤシャッタで設定し、第二ｎ光間間（Ｔ
、２）をテレビジョンの１フイ一ルド期間と同一に設定
すれば、フィールド毎に高速シャッタ信号と１フイ一ル
ド蓄積信号を得ることができるので、ムービビデオカメ
ラ対応となり、その内の一枚を使えばスチルビデオカメ
ラ対応となる。

第４図に示した実施例では、前述した他のシャッタをロ
ークリシャッタとすればムービビデオカメラ対応となり
、前述した他のシャッタを絞りシャツク１７夜品シャッ
タあるいはフォーカルブレーンシャッタとすればスチル
ビデオカメラ対応となる。第４図に示した実施例では長
時間露光後、短時間露光を行っても良い。

なお、機械的シャッタはＣＣＤシャッタより精度が悪い
ので、画質上重要な画像となる長時間露光なＣＣＤシャ
ッタで行えば、適正露出を得ることができる。

第５図は撮像装置の全体構成ブロック図である。

同図において、１０はレンズ、２０はアイリスあるいは
シャッタである。３０は第１図に示した撮像素子を用い
たセンサである。被写体像はレンズ］０．アイリス２０
を経て、センサ３０へ結像される。センサ３０は制御回
路７０のパルスによって制御されたセンサ駆動回路４０
からのパルスで駆動される。アイリス２０はセンサ３０
から出力された信号をカメラ信号処理回路６０より制御
回路７０を経て、適正な信号レベルになるように駆動回
路５０で制御される。なお、スチルカメラの場合はシャ
ッタ２０により、先に述べたように第二露光が終了する
と開状態に制御される。

カメラ信号処理回路６０は、−Ｍ的なビデオ信号処理回
路であって、ニー処理あるいはガンマ処理等が行われる
。カメラ信号処理回路６０からの信号はＡ／Ｄ変換器８
０でアナログ−ディジタル変換がなされる。本実施例で
はまず、第一露光信号が、ディジタル変換されてメモリ
９０に記録される。

演算回路１００では、ダイナミックレンジ拡大のため、
メモリ９０からの第一露光信号と、Ａ／Ｄ変換器８０か
らの第二露光信号との画像信号合成を行う。この画像信
号合成のための制御信号は制御回路７０から出力され、
長時間露光信号（第３図に示した実施例の場合は、第二
露光信号）よリセンサ３０の飽和状態を検出し、飽和し
た画素信号は一画素の短時間露光信号と置換される。

演算回路１００で合成された映像信号は次段のＤ／Ａ変
換器１１０でディジタル−アナログ変換がなされ、記録
系へ導かれる。

［発明の効果］以上説明した様に、本発明によれば、撮像素子自身のＣ
ＣＤシャッタを利用して第一露光では、短時間の露光を
行い、第一露光信号の出力中に長時間の第二露光を行う
ようにしたので、汎用のＣＣＤを使って２回の露光によ
る信号電荷を順次読み出すことができる。従って、２回
の露光による撮像時間のズレな小さ（でき、動画撮影の
時でも画質の劣化を最小にすることが可能となった。

また、本発明によれば、第二露光を他の機械的あるいは
電気的シャッタで制御できるようにしたので、第二露光
時間を自由に設定できるようになった。従って高速で動
く物体をダイナミックレンジを拡大して撮影できる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる撮像素子の概略的構成図であ
る。第２図は、上記撮像素子の概略的断面図である。第３図は、上記撮像素子の本発明に係る動作について説
明するタイミングチャートである。第４図は、本発明の他の実施例の動作について説明する
タイミングチャートである。第５図は撮像装置の全体構成ブロック図である。３０ａ：イメージエリア、３０ｂ：垂直転送ＣＣＤ、３
０ｃ　：フォトダイオード、３０ｄ：水平転送ＣＣＤ、
３０ｅ・出力アンプ。代理人　弁理士　　山　下　穣　平

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数回の異なる時間の露光による撮像信号を撮像
素子から出力し、該撮像信号を合成して合成撮像信号を
形成する撮像装置において、前記撮像素子が、光情報を光電変換する複数の受光素子
からなる受光部と、該受光部からの信号を転送する転送
手段とを有し、前記受光部で第一露光を行い、該第一露光による信号を
前記転送手段に送った後、直ちに前記第一露光より露光
時間が長い第二露光を開始し、前記第一露光による信号
を前記撮像素子から出力した後、前記第二露光による信
号を前記転送手段に送り、前記第二露光による信号を前
記撮像素子から出力することを特徴とする撮像装置。（
２）複数回の異なる時間の露光による撮像信号を撮像素
子から出力し、該撮像信号を合成して合成撮像信号を形
成する撮像装置において、前記撮像素子の露光時間を制御するシャッタを有し、第一露光時間を前記撮像素子の駆動により制御し、第二露光時間を前記シャッタにより制御したことを特徴
とする撮像装置。