JPH06233073A - 画像入力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、画像入力装置に関し、特にそ
の取り込みの輝度範囲であるダイナミックレンジを拡大
して、入力する画像の持つ記録ダイナミックレンジを最
大限に引き出し、高忠実な画像の読み取りを行うことが
できる入力装置を提供することにある。 【構成】撮像素子の駆動条件を、明・暗２通り以上に設
定し、それぞれの条件で読み取った結果を演算により合
成して、ダイナミックレンジの広い変換特性を得る。別
の構成では、個々の撮像素子に入射する光量を、撮像素
子の前に貼った液晶シャッタにフィードバックし、入射
する光量の特性を非直線になるようにして、読み取りの
ダイナミックレンジを広げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続した階調をもつ画
像の入力装置に係わり、特に写真フィルム等の記録され
たダイナミックレンジが広い画像を扱うに好適な画像入
力装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、写真フィルムなどの画像からの電
気的な画像信号を得る画像入力装置としては、２次元撮
像素子を用いたビデオカメラや、１次元撮像素子を用い
たスキャナ等の入力装置が広く使用されている。

【０００３】写真フィルムに記録された濃度の範囲（ダ
イナミックレンジ、以下ダイナミックレンジと称する）
は、ポジフィルムの場合通常３以上、すなわち輝度のダ
イナミックレンジで３桁以上である。また、Ｘ線フィル
ムで４程度以上（輝度で４桁以上）となっている。

【０００４】一方、固体撮像素子（蓄積型光電変換半導
体（一般的にはフォトダイオードやＣＣＤ）等によって
光電変換を行う素子）の読み取り側のダイナミックレン
ジは、輝度で略２桁程度である。

【０００５】このため、従来では入力しようとする写真
フィルムなどの画像の持つダイナミックレンジと比較し
て入力側のダイナミックレンジが狭く、元の画像の一部
分を読み取ることしかできなかった。

【０００６】読み取り側のダイナミックレンジを広げる
方式としては、例えば公開特許公報昭６１−３２６４９
号公報に記載されている方式などが知られている。この
方式は、読み取る画像を２つの光軸に分割し、それぞれ
を異なる感度に設定した撮像素子２系統で読み取り、読
み取った信号を演算処理して広いダイナミックレンジを
得るものであった。

【０００７】この方式では、ダイナミックレンジは拡大
するが、撮像素子が２系統要る点と光軸を分割する手段
が要るため、装置全体が複雑かつ光軸の調整が必要にな
り、信頼性や装置のコスト等で不利になる点、従来十分
に認識されていなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記、従来の画像入力
装置においては、ダイナミックレンジを広げる必要があ
った。また、ある種の従来技術では、ダイナミックレン
ジを広げるために設定感度の異なる複数の撮像素子を用
いて電気的な演算処理を加える手段を用いていたが、装
置が複雑になり、信頼性が課題となっている。

【０００９】本発明は、従来技術の問題点を解決するた
めになされたものであり、高信頼で、かつ広いダイナミ
ックレンジを持つ画像読み取り装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による画像入力装置に係る第一の発明の構成
は、同一画像を複数回読み取る手段と、複数回読み取っ
た画像信号を積算する手段とを設け、同一画像を複数回
読み取り、得られた画像信号を積算して、信号対雑音比
を向上して、ダイナミックレンジを広げる手段として構
成した。

【００１１】また、第二の発明の構成は、同一の撮像素
子の感度特性を変更する手段を設け、複数回読み取るた
びに感度を変更し、得られた画像信号を演算処理してダ
イナミックレンジを広げる手段として構成した。

【００１２】第三の発明の構成は、撮像素子に含まれる
複数の光電変換素子のそれぞれの光線入力部分の上に、
光量制限手段を設け、かつ個々の光量制限手段は、光量
制限手段の下にある個々の撮像素子の光電変換出力によ
って制御する手段とを設けた。

【００１３】

【作用】同一画像を複数回読み取りを行って、得られた
画像信号を積算すると、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が向
上し、広いダイナミックレンジとなる。

【００１４】また、異なる感度特性で同一画像を複数回
読み取り、得られた画像信号を演算処理すると、入力の
広いダイナミックレンジを変換できることになる。

【００１５】さらに、複数の光電変換素子それぞれの入
射光量を得られた光量でフィードバックする手段は、入
射光量が多いと以降の入射光量を減らし、入射光量が少
ないと以降の入射光量を増やし、結果として、ダイナミ
ックレンジを広げる、等の作用がある。

【００１６】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に
説明する。

【００１７】図１は、本発明による画像入力装置の一実
施例の内部構成を示すブロック図である。画像入力装置
１は、光源１０、レンズ２０、色分解フィルター３０、
ＣＣＤ１次元センサー５０、ＣＣＤセンサ読み取り回路
５１、対数変換回路６０、Ａ／Ｄ変換回路７０、ライン
メモリ８０、演算回路８１、画像メモリ８２、システム
コントローラ９０、外部インタフェース１１０、読み取
り条件設定回路５２などにより構成されている。

【００１８】同図において、画像入力装置１は撮影済み
のフィルム２に記録されている画像を電気的な信号とし
て取り込み、外部インタフェースから外部の機器（例え
ばコンピュータ等）に送り出す。

【００１９】以下、図２、図３及び図４を用いて、装置
全体の概略の説明を行った後に再び図１に戻って詳細な
説明を行う。

【００２０】図２は、一般的なスライド映写等に使われ
るポジ写真フィルムの発色濃度特性の例を示す。入力さ
れる光量のダイナミックレンジの輝度で略３桁程度の範
囲が、ほぼ直線的に記録される。透過率の対数表示が濃
度であり、濃度のダイナミックレンジ３ということは、
輝度に換算して３桁ということになる。

【００２１】図３には、１次元撮像素子であるＣＣＤラ
インセンサの感度特性の例を示す。蓄積時間Ｔｉｎｔに
よってその特性の位置は移動するが、ダイナミックレン
ジとして同じ駆動条件で得られる範囲は、輝度で略２桁
程度である。それ以外の明るい部分は非直線性を持った
特性であり、暗い部分は素子の持つノイズ（暗電流）に
埋もれてしまい取り出せない。

【００２２】ここで、例えば蓄積時間を２０ｍｓに設定
すると、特性Ａ１８７のような特性が得られ、入力照度
で２０Ｌｕｘ付近から２０００Ｌｕｘ付近程度までを電
気信号に変換することができる。また、例えば蓄積時間
を５０ｍｓに設定すると、特性Ｂ１８９の概略２Ｌｕｘ
付近から２００Ｌｕｘ付近までの範囲を電気信号に変換
することができる。

【００２３】図４は、本発明の読み取りダイナミックレ
ンジ拡大を行う原理の説明図である。

【００２４】図３に示したように、読み取り時の撮像素
子の駆動条件（蓄積時間）を変更することにより、撮像
素子の変換範囲を変更して感度を変えることができる。
この図４では、出力にＡ／Ｄ変換後のデータで表示して
あるが、基本的には図３の電圧の表示と同等である。

【００２５】すなわち、感度を上げた特性で変換した信
号と、感度を下げた特性で変換した信号とを合成する
と、変換範囲の広い特性を持った信号が得られる。図４
に示すように、高感度の特性Ｂ１８９と、低感度の特性
Ａ１８７とを足し合わせると、合成特性１９０が得られ
る。この合成特性１９０に一定の係数を掛けて出力のダ
イナミックレンジに併せて最終的なと変換特性１９１が
得られる。このようにすると、撮像素子自体の持つダイ
ナミックレンジよりも広いダイナミックレンジを得るこ
とが可能となる。

【００２６】ここで、再び図１に戻って、本発明による
一実施例の動作を説明する。

【００２７】光源１０から発する光は、赤外カットフィ
ルター１２を経てフィルム２へと送られる。フィルム２
は、図示しない保持手段に保持されており、画像の取り
込み動作中にその位置が固定されている。フィルム２を
通過した光はレンズ２０を経て色分解フィルター３０へ
と送られ、フィルターにより選択された色成分が１次元
ＣＣＤセンサ５０へと送られる。そして、フィルム２に
記録されている画像は、レンズ２０等の光学系を経てＣ
ＣＤセンサー５０の受光面に結像される。色フィルター
３０は、分解フィルター交換機構３１により、選択的に
交換される。フィルターの種類には例えば無色（素通し
ガラスなど）フィルターや、減光を行う複数のＮＤフィ
ルター、カラーの色成分の抽出を行う赤色のＲフィルタ
ー、緑色のＧフィルター、青色のＢフィルター等が設け
られている。１次元センサー５０からはＣＣＤセンサ読
み取り回路５１を経てアナログ信号として取り込まれた
１列分の画像が送り出される。１次元ＣＣＤセンサ５０
の移動範囲に結像した画像は、１次元センサの順次移動
によって１ライン毎に分解され、最終的に２次元的に分
解されて、画像信号として取り出される。

【００２８】１次元センサ５０は移動手段である平行移
動台（図示せず）に取付けられており、これを動かす移
動機構５３によって移動させることができる。画像の取
り込み動作時には、取り込み速度に合わせて移動機構５
３を動作させて、例えば平行移動台を１次元センサーの
素子の並びに応じた間隔で順次センサーの読み取り動作
と対応して移動させて行く。そして１色成分の１画面分
の取り込みが終了すると、次の色成分の取り込みをおこ
ない、この動作を複数色（例えば３色）分繰り返し行っ
て、カラーの画像の取り込みを完了する。

【００２９】取り出された画像信号は、対数変換回路６
０を経てＡ／Ｄ変換回路７０でデジタル信号に変換され
る。デジタル信号に変換された画像信号は、ラインメモ
リ８０に一時蓄えられる。このときのＣＣＤセンサの読
み取り条件である蓄積時間は読み取り条件設定回路５２
がシステムコントローラ９０の指令に基づいて設定して
いる。また、ＣＣＤ１次元センサ５０を移動する１次元
センサ移動機構５３もシステムコントローラ９０が制御
している。

【００３０】すなわち、システムコントローラ９０は、
１次元センサを移動せずに、同じ位置で複数回画像を読
み出すことは可能であり、さらにその場合に読み取りの
蓄積時間を変更して、異なる蓄積時間で読み取ることも
可能である。

【００３１】１ラインの読み取り動作では、同じ位置
で、例えば高感度の（比較的蓄積時間を長く設定し）特
性で１回目の読み取りを行い、読み取った結果の画像デ
ータをラインメモリ８０に一時蓄えて置く。続いて、例
えば低感度の（比較的蓄積時間を短く設定し）特性で、
２回目の読み取りを行い、先ほどの高感度の読み取り結
果と併せて演算回路８１に送り込み、２回分の読み取り
結果を加算及び係数の乗算処理を行った後に画像メモリ
８２へと送る。

【００３２】この１ラインの読み取り動作を行った後
に、１次元センサ移動機構５３を動作させて次の１ライ
ンの読み取り位置に１次元センサを移動して、続く１ラ
インの読み取り動作を行う。

【００３３】このようにすると、先ほどの図４で説明し
たように、取り込みのダイナミックレンジを広くした読
み取りを行うことが可能となる。

【００３４】上記の説明では、複数回に分けて読み取る
場合に、感度の設定を違えた読み取り条件に設定した
が、同じ読み取り条件であっても、複数回の読み取りで
雑音成分が平均化されるため、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ
比）が向上し、結果として暗い部分のダイナミックレン
ジを上げることが可能であり、ほぼ同様にダイナミック
レンジ拡大には有効である。

【００３５】図５は、本発明による２番目の一実施例の
内部構成を示すブロック図である。図１に示した１番目
の一実施例との違いは、光軸中に減光フィルターである
ＮＤフィルタ１５０を挿入することができる点である。
すなわち、ＮＤフィルタ１５０を移動するＮＤフィルタ
移動機構１５１をシステムコントローラ９０が駆動し
て、光軸中にＮＤフィルタを移動して挿入すると、１次
元センサ５０に入射する光量が減り、結果として感度が
落ちた状態となる。

【００３６】図１の１番目の一実施例で説明したと同様
に、１回目の読み取り時にはＮＤフィルタを挿入せずに
高感度な状態で読み取りを行い、１回目の読み取り時に
は、ＮＤフィルタを挿入して低感度な状態で読み取りを
行い、読み取り後に、２回の読み取りデータを演算処理
して読み取りのダイナミックレンジを広げることができ
る。

【００３７】図６は、本発明による３番目の一実施例
の、１次元センサ付近の構造を示す斜視図である。

【００３８】１次元センサは、複数個の１列に並んだ光
電変換素子である蓄積型光電変換半導体２０１によって
構成されている。個々の蓄積型光電変換半導体は、微少
な例えば１６μｍ角等の大きさであり、１列に複数個例
えば２０４８個並んで、１次元のラインセンサーを構成
している。この蓄積型光電変換半導体の上には、偏光フ
ィルム２０２を介して液晶シャッタ２０３が設けられて
いる。液晶シャッタ２０３も、蓄積型光電変換半導体の
１素子毎の上にそれぞれ１個、従って全体では蓄積型光
電変換半導体に対応して例えば２０４８個並んでいる。
さらに液晶シャッタ２０３の上には別の偏光フィルム２
０４が設けられている。外部から入射する光は、偏光フ
ィルム２０４、液晶シャッタ２０３、偏光フィルム２０
２を経て蓄積型光電変換半導体２０１へと入射する。ま
た、偏光フィルム２０４と偏光フィルム２０２とは同じ
方向の偏光に合わせてあり、液晶シャッター２０３に電
流を流して偏光方向を変えると、外部から入射した光
は、２枚目の偏光フィルムの方向と異なって、蓄積型光
電変換半導体２０１までは達しない。また、液晶シャッ
ター２０３へ流す電流を変化させると、蓄積型光電変換
半導体２０１に達する光量を連続的に変化させることが
できる。

【００３９】図７は、１次元センサ５０の蓄積型光電変
換半導体２０１付近の断面図である。

【００４０】図８は、１個の撮像素子部分の回路構成を
示す回路図である。

【００４１】外部から入射する光は、偏光フィルム２０
４、液晶シャッター２０３、偏光フィルム２０２を経て
蓄積型光電変換半導体２０１へと入射する。蓄積型光電
変換半導体２０１では、入射した光を光電変換効果によ
り、電荷へと変換して蓄積して行く。蓄積型光電変換半
導体２０１の出力側には、高インピーダンスのゲート素
子２１０（電界効果型トランジスタ、ＦＥＴ等）が設け
られており、ゲート素子２１０をオンする事により、蓄
積型光電変換半導体２０１に蓄えられた電荷をＣＣＤ移
送素子等に移して、外部に読み出すことができる。さら
に、蓄積型光電変換半導体２０１の出力側には、高入力
インピーダンスの増幅回路２１１が接続されており、蓄
えられた電荷に対応する電圧が、増幅回路２１１より出
力されている。増幅回路の出力は、液晶シャッタ２０３
へと接続されている。また、増幅回路２１１の差動入力
端子２１２には外部からの制御信号が接続されている。

【００４２】このように撮像素子を構成すると、入射す
る光量のフィードバックがかかり、非直線的な変換特性
を得ることが可能となる。すなわち、入射する光量が多
い場合には、一定時間あたりの蓄積型光電変換半導体２
０１で蓄えられる電荷が多くなり、したがって増幅回路
２１１の出力電圧が上がり、液晶シャッタ２０３の透過
率が減る。この透過率は、時間がたって電荷が増えるほ
ど減ってゆく。一方入射する光量が少ない場合には、増
幅回路２１１の出力電圧はあまり上昇せず、液晶シャッ
タ２０３の透過率はあまり変化せず、時間がたっても入
射光量はあまり減らない。入射する光量の多少によっ
て、透過率が連続的に、非直線的に変化するため、広い
光量範囲のダイナミックレンジを持つ画像の場合でも、
蓄積型光電変換半導体の取り込める範囲に収めることが
できる。

【００４３】図９には、液晶シャッターのフィードバッ
クを行った場合とそれ以外の場合に得られる光電変換特
性の例を示す。

【００４４】フィードバックを行った特性２５０は、液
晶シャッターに加えられる電圧が光量に対応して連続的
に変化するために得られる。蓄積型光電変換半導体から
得られる電荷に対応した電圧が液晶シャッターに加えら
れるために、読み取り動作中に光量が連続して変化して
行くことになり、蓄積型光電変換半導体の取り込めない
ほど大きな光量である場合でも、読み取り途中に光量が
減少して行くため、蓄えられる電荷がオーバーフロー
（あふれる）ことがない。一方、フィードバックを行わ
ない従来の読み取りを行った場合の特性２５１では、入
射する光量に直線的に対応する電荷が蓄積型光電変換半
導体蓄えられて、一定以上の光量の場合には、読み取り
の蓄積時間中にオーバーフローしてしまい、それ以上の
光量をもつ画像は読み取れない。

【００４５】再び図８に戻って、詳細な説明を行う。

【００４６】１回の光電変換を行うと、ゲート２１０を
オンして、蓄積型光電変換半導体２０１の電荷は読み出
してしまう。読み出されて、電荷が無くなった状態で
は、増幅回路２１１の出力も無くなってしまい、したが
って液晶シャッタ２０３に加えられる電圧も無くなり、
透過率は最大になる。このようにして、次の読み取りを
開始することが可能となる。

【００４７】外部コントロールを行う差動入力端子２１
２に、ある電圧を設定すると、増幅回路２１１の出力特
性を変更することができる。すなわち、増幅回路の増幅
率やオフセットを変更して、個々の光電変換素子や液晶
シャッターの特性のばらつきを補正して、複数個ある素
子の特性を、最終的な出力では見かけ上同じ特性に揃え
ることができる。

【００４８】以上説明したように、本発明の実施例にお
いては、１次元の撮像素子を用いた構成の画像入力装置
で説明したが、他の構成、例えば２次元センサを使用し
た構成、あるいは１次元と２次元の２つのセンサを併用
した構成、２次元センサと１次元センサを３個の合計４
個のセンサーを用いる等、センサーの数や役割を変更し
たものであっても、複数回読み取りあるいは個々の光電
変換素子の入射光量をフィードバックして制限して、読
み取りのダイナミックレンジを変更するもので有れば同
等の効果を有する事は明かである。

【００４９】また、センサーの種類であるが、本実施例
では個体撮像素子を用いるものを例にして説明したが、
他の方式、例えば光電子蓄積管（光電管）など、同等の
光量から電気量への変換を行う方式であれば、同等の効
果を得ることができるのは明かである。

【００５０】第１番目と第２番目の実施例では、画像の
読み取りを２回行って、演算処理によって最終出力を得
ていたが、読み取り回数は複数回の３回以上であっても
同様の効果を得ることができることは明かである。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１番目
と第２番目の一実施例によれば、読み取る画像のもつ広
い光量のダイナミックレンジに対して、狭い読み取り範
囲のダイナミックレンジを持つ撮像素子であっても、複
数回読み取ることによって、最終的に得られるダイナミ
ックレンジを広げることが可能であり、広範囲なダイナ
ミックレンジをもつ画像に記録された情報を余すとこな
く読み取ることが可能になる。

【００５２】また、本発明の第３番目の一実施例によれ
ば、撮像素子全体での光電変換特性のダイナミックレン
ジを変更することができるため、広範囲なダイナミック
レンジをもつ画像に記録された情報を余すとこなく読み
取ることが可能になる。さらに、本発明の第３番目の一
実施例によれば、光電変換素子やの変換特性のばらつき
などの感度不均一性（シェーディング）の補正を、液晶
シャッターにあらかじめ設定しておく値によって行うこ
とが可能となり、高精度かつ広範囲なダイナミックレン
ジを持つ読み取り特性を持つ撮像素子が実現できる。

【００５３】本発明により、以上のような効果を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第１番目の一実施例の内部構成を
示すブロック図である。

【図２】一般的なポジ写真フィルムの発色濃度特性図で
ある。

【図３】一般的な撮像素子の駆動条件の違いによる変換
特性の違いを示す図である。

【図４】複数回読み取り動作を行って、読み取りダイナ
ミックレンジを拡大する方法の説明図である。

【図５】本発明による第２番目の一実施例の内部構成を
示すブロック図である。

【図６】本発明による第３番目の一実施例の撮像素子の
構造を示す斜視図である。

【図７】図６に示した撮像素子の断面図である。

【図８】図６に示す撮像素子１画素分の回路図である。

【図９】図７の回路部分の光電変換特性の説明図であ
る。

【符号の説明】

１…画像入力装置、２…画像、１０…光源、２０…レン
ズ、３０…色分解フィルター、５０…１次元センサ、９
０…システムコントローラー、６０…対数増幅器、７０
…Ａ／Ｄ変換回路、８０…ラインメモリ、８１…演算回
路、８２…画像メモリ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像を有する媒体の保持手段と、撮像素子
   を有し、撮像素子に画像を有する媒体からの画像を結像
   させる結像手段を備え、画像を電気信号に変換する画像
   入力装置において、 同一画像を複数回読み取る手段と、複数回読み取った画
   像信号を積算する手段とを持つことを特徴とする画像入
   力装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の画像入力装置において、撮
   像素子の感度を変更する手段を持ち、複数回に分けて入
   力する際に、画像の蓄積時間を違えた画像を入力する事
   を特徴とする画像入力装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の画像入力装置において、撮
   像素子全体の入射光量を変更する手段を持ち、複数回に
   分けて入力する際に、入射光量を変更した画像を入力す
   ることを特徴とする画像入力装置。
4. 【請求項４】光電変換を行う複数個の固体撮像素子を有
   し、個々の撮像素子の光線入力部分の上に、光量制限手
   段を設け、かつ個々の光量制限手段は、光量制限手段の
   下にある個々の撮像素子の光電変換出力によって制御さ
   れることを特徴とする撮像素子。
5. 【請求項５】光電変換を行う複数個の固体撮像素子を有
   し、個々の撮像素子の光線入力部分の上に、光量制限手
   段を設け、かつ個々の光量制限手段は、光量制限手段の
   下にある個々の撮像素子の光電変換出力によって制御さ
   れることを特徴とする撮像素子を使用した画像入力装
   置。