专利摘要:

公开号:WO1987004581A1
申请号:PCT/JP1987/000034
申请日:1987-01-21
公开日:1987-07-30
发明作者:Itaru Mimura;Kazuhiro Sato;Toshiyuki Akiyama;Naoki Ozawa;Koji Kudo;Kenji Takahashi;Yoshizumi Eto
申请人:Hitachi, Ltd.;
IPC主号:H04N5-00
专利说明:
[0001] 明 細 書
[0002] 発明の名称 固体テ レ ビカメ ラ装置
[0003] 技 術 分 野
[0004] 本発明はテ レ ビカメ ラ装置に係 り、 特に固体撮像装置を用いた 固体テ レ ビカ メ ラ装置に関する。
[0005] 背 景 技 術
[0006] 現行のテレ ビカメ ラ装置は、 信号蓄積型の撮像管または固体撮 像装置の受光面に被写体の光学像を結像し、 この受光面で発生 し た信号電荷を一定の周波数で走査し、 電気信号に変換してい,る。 この走査周波数はテ レ ビジョ ン方式によ り定め られており 、 例え ば N T S C方式では毎秒 6 0 フィール ドである。 そのため、 信号 の蓄積時間は 1 6 . 7 m sec (フィール ド蓄積読みだしの場合) 、 あるいは 3 3 . 3 msec (フ レーム蓄積読みだしの場合) である。
[0007] このテ レ ビカ メ ラ装置用に実用化されている固体撮像装置は、 M O S型装置と C C D型装置とがある。 これらの装置は半導体基 板上に形成された光電変換素子 (例えばフォ トダイオー ド) によ つて光学像を信号電荷に変換して蓄積し、 こ の信号電荷を走査回 路等によって一定の周波数で読みだし、 映像信号を出力する。 こ のよ う に信号電荷を光電変換素子 (フォ トダイオー ド) の寄生容 量に蓄積する蓄積型の固体撮像装置においては、 各光電変換素子 の有する寄生容量によって、 それに蓄積可能な信号電荷量 (飽和 信号電荷量 ·) が所定の値に決っている。
[0008] 一方、 各光電変換素子に蓄積される信号電荷の量は各光電変換 素子の信号蓄積時間と各光電変換素子への入射光の強さ (被^体 照度) との積に比例する。 そのため、 信号蓄積時間が長い場合ま たは被写体が明る く入射光が強い場合は、 光電変換素子に蓄積さ れる信号電荷量は多く な リ 、 逆に、 信号蓄積時間が短い場合また は被写体が暗く入射光が弱い場合には蓄積される信号電荷量は少 な く なる。 光電変換素子から読みだされる信号電荷にはほぼ一定 の雑音電荷が混入す、るため撮像装置の信号対雑音比 ( S Z N ) は、 光電変換素子に蓄積される信号電荷量に比例する。 すなわち S Nは信号蓄積時間と入射光の強さ (被写体照度) と に依存して変 化する。 例えば信号蓄積時間を 2倍、 あるいは入射光の強さ を 2 倍にする と S / Nが約 6 d B 向上する。
[0009] 上述の原理に基づいて、 撮像装置の S Z Nを向上させるために、 入射光の強さ (被写体照度) に応じて信号の蓄積時間を制御する よ う に構成したものと して、 例えば ( a ) 特開昭 51 - 140510号公 報, ( b ) 特開昭 55— 110209号公報, ( c ) 特開昭 57— 64711 号 公報, ( d ) 特開昭 59— 196666号公報、 ( e ) 60 - 74878 号公報 などがある。
[0010] これら従来技術は、 カメラ等の自動焦点検出装置に使用される 蓄積型光電変換素子に関するものであ り、 入射光の強さ (被写体 照度) に応じて信号電荷の蓄積時間を 自由に設定し得る。 しかし ながら、 本発明の対象であるテ レ ビカ メ ラ装置においては走査周 波数が 6 0 フ ィ ール ドノ秒と固定であるためにフ ィ ール ド蓄積読 みた'し を採用 しているものでは信号電荷の最大蓄積時間は 1ノ S 0秒 ( 1 6.7 msec) 、 フ レーム蓄積読みだしのものでも髙々 1 / 3 0秒 ( 3 3.3 msec) である。 そのために入射光の強さが小 さい低照度の被写体を撮影する場合に、 S / Nを上げるために蓄 積時間を長く しても取 り得る最大蓄積時間は 1 6 0秒( 1 6 . 7 msec ) あるいは 1 ノ 3 0秒 ( 3 3 . 3 msec ) に決って しまい、 S ノ Nの低下によ る画質劣化は避けられない。
[0011] また、 これ ら の従来技術は、 入射光の強さ (被写体照度) のみ によって蓄積時間を制御するもので-あつて、 動きのある被写体 (動画) に対する配慮がない。 すなおち蓄積時間の増加に伴って 生じる動画の解像度 (動解像度) の低下 (像ぼけ) 及び残像の増 加と いった問題についてはこれら従来技術は何も言及していない。
[0012] 発 明 の 開 示
[0013] 本発明の 目的は動く 被写体では動解像度低下や残像の発生がな く 、 静止被写体では S Z Nが高い固体テ レ ビカ メ ラ装置を提供す る と にあ Q 0
[0014] 本発明の固体テ レ ビカ メ ラ装置は被写体照度に応じた信号電荷 を蓄積する複数個の第 1光電変換素子群と、 上記被写体照度に応 じた信号電荷を蓄積する複数個の第 2光電変換素子群と、 上記第 1 の光電変換素子群からの信号に基づいて被写体の動き を検出す る動き検出手段と、 上記動き検出手段からの信号に基づいて上記 第 2 の光電変換素子群の蓄積時間 (走査周波数) を制御する蓄積 時間制御手段と を有する。
[0015] 本発明によれば、 動画では蓄積時間が短く なるので動解像度が 低下するおそれはな く 、 かつ、 静止画では蓄積時間が長く なるの で Sノ Nが高く な り、 動解像度と Sノ Nと を有効に調節でき、 画 質のよい映像信号を得る こ と ができる とい う効果がある。 図面の簡単な説明
[0016] 第 1 図は本発明の概略を示す図である。
[0017] 第 2 図は本発明の固体テレ ビカメ ラ装置の実施例の全体搆成を す図である 3
[0018] 第 3 図は第 2 図の動作を説明するためのタイ ミ ングチャー ト図 である。
[0019] 第 4図は第 2 図の動き検出回路 2 1 の他の実施例を示す図であ る。
[0020] 第 5図は動きモニタ画素と信号蓄積画素を同一基板上に配置し た実施例である。
[0021] 第 6 図は撮像板を M O S型素子で構成した実施例を示す図であ る。
[0022] 第 7 図は第 6 図の動作を説明するためのタ イ ミ ングチャー ト図 である。
[0023] 第 8図は第 5 図の他の実施例を示す図である。
[0024] 第 9 図は第 8 図の動作を説明するためのタィ ミ ングチヤ一 ト図 である。
[0025] 第 1 0 図は第 5 図の撮像装置を用いた固体テ レ ビカメ ラ装置の 実施例の全体構成を示す図である。
[0026] 第 1 1 図は第 2 図の実施例の変形を示す図である。
[0027] 第 1 2 図は第 1 1 図の勤作を説明するためのタ イ ミ ングチヤー ト図である。
[0028] 第 1 3 図は本発明を 3板式カラ一カ メ ラ に適用 した実施例を示 す図である。 第 1 4 図は第 2 図の実施例の変形を示す図である。
[0029] 第 1 5 図は走査周波数と動解像度および S Z N と の関係を示す 図である。
[0030] 第 1 6 図は第 1 4 図の明るさ検出回路 2 6 の具体例を示す図で め《。
[0031] 第 1 7 図は第 1 4 図の走査制御回路 2 2 ' の具体例を示す図で ある。
[0032] 第 1 8 図は撮像板を C C D型素子で構成した実施例を示す図で ある。
[0033] 第 1 9 図は第 1 1 図の加算回路 1 9 の代わ り に用いる信号処理 回路の動作の概要を示す図である。
[0034] 第 2 0 図は第 1 9 図の動作を実現するための信号処理回路の具 体例を示す図である。
[0035] 第 2 1 図はモニ タ 画素 3 と信号蓄積画素 4 と の配置例を示す図 である。
[0036] 第 2 2 図はブロック毎の信号処理を説明する図である。
[0037] 第 2 3 図はブロック毎の信号処理を行うテ レ ビカ メ ラ装置の具 体例を示す図である。
[0038] 第 2 4 図は第 2 3 図の信号蓄積画素 4 と フィール ドメ モ リ 12 ' からの信号読みだし を等価的に表した図である。
[0039] 第 2 5 図は第 2 3 図の信号処理回路 1 5 0 の他の実施例である, 第 2 6 図は画面の分割例を示す図である。
[0040] 発明を実施するための最良の形態
[0041] 以下、 本発明の実施例を図面'を用いて詳細に説明する。 第 1 図は本発明の概略を示す図である。 本図では、 固体撮像板 1 と、 これよ り画素をずら して重ね合おせた固体撮像板 2 とで撮 像装置を構成している。
[0042] 固体撮像扳 1 は被写体照度に応じた信号電荷を蓄積する光電変 換素子 (受光素子) 3 をマ ト リ クス状に複数個有している。 光電 変換素子 3 は被写体の動き を検出するための画素 (動きモニタ用 画素) である。 同様に固体撮像板 2 も光電変換素子 4 をマ ト リ ク ス状に有している。 光電変換素子 4 は信号電荷の蓄積時間を走査 回路 8 によって自由に変えられる面素 (信号蓄積画素) である。 走査回路 7 は撮像板 1 を走査し、 走査回路 8 は撮像板 2 を走査す る。 走査回路 8 によって走査された撮像扳 2 の信号電荷はそれぞ れ信号伝送路 9 を介して映像信号と して出力される。 走査回路 7 によって走査された撮像板 1 の信号電荷はそれぞれ信号伝送路 2 0 を介して動き検出回路 2 1 に入力される。 動き検出回路 2 1 は撮像扳 1 の信号を基に、 被写体が動画であるか静止画であるか を判定し、 その結果を出力する。 動き検出回路 2 1 の信号は走査 制御回路 2 2 に入力される。 走査制御回路 2 2 は動き検出回路 2 1 の信号によって、 走査回路 8 の走査周波数を調整する。 これに よって、 撮像扳 2 の信号蓄積時間は制御される。
[0043] なお、 第 1 図の実施例では動きモニタ画素 3 と信号蓄積画素 4 と を明確に示すため各々の受光素子を別個に設けた二つの固体撮 像板 1, 2 を重ね合おせたものを例示しているが、 動きモニタ画 素 3 と信号蓄積画素 4 とは原理的に同 じものでよいから一つの固 体撮像板上に形成された複数の受光素子のう ち一部を動きモニタ 画素と して用いてもよい。 なお実用上は、 信号蓄積画素の受光秦 子 4は蓄積容量の大きなものが望ま しい。
[0044] 第 2 図は本発明の固体テ レ ビカ メ ラ装置の全体構成-を示した図 である。 第 2 図において、 第 1 図と同一のものには同一符号を付 してある。 被写体からの入射光 I n はビームスプリ ツター 6 によ つてその成分を 2方向に分けられ、 各撮像板 1 , 2 に取 り込まれ る。 撮像板 2 の信号はプリ アンプ 2 4 を介してゲイ ン調整回路 1 7 に入力される。 ゲイ ン調整回路 1 7 は蓄積時間の変化に応じ て出力 レベルを調整する。 ゲイ ン調整回路 1 7で調整された信号 はサンプルホール ド回路 1 0 および A Z D変換回路 1 1 を介して フィール ドメ モ リ 1 2 に記憶される。 フィール ドメモ リ 1 2 に記 憶された信号は時間軸補正回路 1 8 の信号に同期して読みだされ、 D Z A変換回路 9 1 を介して映像信号と して出力される。 一方、 撮像扳 1 の信号はプリアンプ 2 4 ' , サンプルホール ド回路 10' および A Z D変換回路 1 1 ' を介して動き検出回路 2 1 内のフ ィ 一ル ドメモ リ 1 3 に記憶される。 フィール ドメモ リ 1 3 に記憶さ れていた信号はフィールド毎にフィールドメモ リ 1 4 に転送され, 記憶される。 すなわちフィール ドメモ リ 1 4 は 1 フィ ール ド前の 信号を記憶する。 動き判定回路 1 5 はフ ィ ール ドメモ リ 1 3, 1 4の各信号間の相関を検出 し、 被写体の動静を判定する。 動き 判定回路 1 5 の判定結果は時間軸補正回路 1 8及び走査制御回路 2 2 に出力される。 走査制御回路 2 2は動き判定回路 1 5 の結果 に応じて走査回路 8及びゲイ ン調整回路 1 7 を制御する。 各フィ 一ル ド メ モ リ 1 2, 1 3及び 1 4 はメモ リ R Z W制御回路 2 5 に よって制御される。
[0045] 第 3 図は第 2図の動作を説明するためのタ イ .ミ ングチヤ一 ト図 である。 以下第 3 図を用いて第 2 図の実施例の動作を説明する。
[0046] 第 3 図では信号を 3 フィール ド期間蓄積する場合を示す。 走査 回路 7 は固体撮像板 1 の走査開始パルス P 7 ( P 70 , P 71 , P 72 ,
[0047] P 73……) を一定周波数 ( 6 0 Hz) で出力する。 撮像扳 1 からは 走査開始パルス P 7 によって、 各フィール ド毎に信号 S α ' ,
[0048] S χ ' , S 2' , S ζ ' , S 4' ……が出力される。 動き検出回路
[0049] 2 1.はこの信号.. S。 ' , S ι ' , S 2 , S 3 ' , S ……によ り被 .写体の動きを判定する。
[0050] 今、 フィール ド で動き判定信号 S i' と、 蓄積時間が長く S Nの良い固体撮像 2 からの信号 S i を得たとする。 このとき 信号 S JL は、 ゲイ ン調整回路 1 7 によ り レベル調整され、 サンプ ルホ一ル ド回路 1 0 および A Z D変換回路 1 1 を介してフィール ドメモ リ 1 2 に格納される。 同時にフィ ール ドメモ リ 1 3 の信号 は フィール ドメモ リ 1 4 に転送される。
[0051] 動き判定はフィ ール ドメモ リ 1 4 にある 1 フィール ド前の固体 —撮像板 1 の信号 S -i' と フィール ドメモ リ 1 3 にある現フィール ドの信号 S Q' と によ り行う 。 すなおち、 動き判定回路 1 5 によ リ 2 フィール ドの信号の相関を求め、 相関の高い場合は静止被写 体と判定し、 相関の低い場合は動被写体と判定する。
[0052] なお、 上記の相関は位置的に対応する画素間の差分信号を累積 する等の方法で行う 。 本例では信号 S o' , S ι' および S 2' の 相関は高く 、 信号 S 2' と S 3' との相関は低い。 そのため固体撮 馕钣 2 は 3 フィ ール ド期間 ( f i , f 2 , f a ) の信号を累積する c フィール ド f a では信号 S 2' と S 3' の相関が低いので動被写 体と判定 し、 走査制御回路 2 2 は走査開始パルス P 32を発生し信 号 S 4 を読みた'す。 以上のよ う な信号読みだしによ り撮像板 2 の 信号 S n が得られる。 信号蓄積画素 4 が信号蓄積を している フィ
[0053] —ル ド f 2 , f 3では信号蓄積画素 4 の信号は得られない。 この期 間はフィールドメモ リ 1 2 に記憶してある信号を繰り返し用いて 補間 し信号 S n * を得る。
[0054] . 第 4 図は第 2 図の動き検出回路 2 1 の他の実施例を示す図であ る。 本図の動き検出回路 2 1 は遅延回路 4 9 , 差分回路 5 0 , 絶 対値回路 5 1 , 積算回路 5 2 から構成される。 遅延回路 4 9 の遅 延時間は 1 フィール ド期間である。 フィ ール ド間相関は遅延回路 4 9 の出力信号 5 3 と原信号 4 1 の差を差分回路 5 0で求める。 求め られた差信号の絶対値を絶対値回路 5 1 で検出 し、 積算回路 5 2でその累積値を求める。 こ の回路の動作では相関の低い動被 写体では大きな累積値が、 また相関の高い静止被写体では小さな 累積値が出力端 5 4 に現れる。
[0055] 第 5 図は動きモニタ画素 3 と信号蓄積画素 4 を 1枚の基板上に 配置した場合の一実施例を示す図である。 第 5 図において、 信号 蓄積時間制御回路 5 は第 1 図の実施例の動き検出回路 2 1 , 走査 制御回路 2 2及び走査回路 7, 8 をま とめて表したものであ り、 その構成は第 1 図と同 じである。 第 5 図では、 1枚の固体撮像扳 3 2 に、 動きモニタ 画素 3 からの信号を取り出す信号線 7 0 と、 信号蓄積画素 4 から信号を取 り 出す信号線 7 1 と の 2種類の信号 線が設けられている。
[0056] 次に、 第 6 図は本装置を M O S形で構成した場合の一実施例を 示す図である。
[0057] まず第 6図では垂直シフ ト レジスタ 3 3 とスィ ッチ 3 4 によ り 各画素の走査を行う 。 スィ ッチ 3 5 , 3 6 は信号蓄積時間制御回 路によ り開閉 し、 信号蓄積画素 4 の蓄積時間を調節する。 動きモ ニタ画素 3 を制御するスィ ッチ 3 6 は各フ ィ ール ド の走査期間は 閉 じているため、 垂直シ フ ト レジスタ 3 3 の走査パルスが動きモ ニタ画素 3 に接続された垂直 M O S ト ラ ン ジスタ 3 7 のゲー トに 伝お リ 、 全ての フ ィ ール ドで信号電荷が読み出される。
[0058] 信号蓄積画素 4 に信号を蓄積する場合はスィッチ.3 5 を開く 。 こ の スィ ッチ 3 5 が閉 (オ フ) の間は垂直シ フ ト レ ジスタ 3 3 の 走査パルスは垂直 M O S ト ラ ン ジス タ 3 8 に伝わらず、 信号蓄積 画素 4 に信号電荷は蓄積される。
[0059] 信号を読み出す場合はスィ ッチ 3 5 を閉じ、 垂直走査パルスを 垂直 M O S トランジスタ 3 8 に伝える。 なお、 水平 M O S トラン ジスタ 3 9 , 水平シフ ト レジスタ 4 0 は、 水平方向に信号を読み 出すために用いる。
[0060] 第 7図は第 6 図におけるスィッチ 3 5 , 3 Sの制御タイ ミ ング チャー トである。 これは第 3 図と同搽に 3 フ ィ ール ド期間信号を 蓄積する場合を示す。
[0061] 第 6 図において、 パルス列 5 6 はスィッチ 3 6 の制御パルス、 ノヽ0ルス列 5 5 はスィ ッチ 3 5 の制御パルスである。 パルス列 5 6 のオ ン信号によ リ スイ ッチ 3 6 を閉 じ、 動きモ ニ タ 画素 3 から信 号 S i ' , S %' , S 3' , S i ' …… を読みだす。 パルス列 5 5 の オン信号によ り信号蓄積画素 4 から信号 S i, S 4……を読みだす。 動きモニタ画素 3 からはパルス列 5 6 によって全ての フ ィ ール ド 毎で信号が読み出されるが、 信号蓄積画素 4 にはパルス列 5 5 の オ フ信号によってフ ィ ール ド期間 f 2, f 3に信号が蓄積される。
[0062] 以上、 説明 した信号読みた'しによ り信号 S n ' , S ri が得られ、 3 フ ィ ール ド期間の間蓄積された信号 S 4 が得られる。
[0063] 第 8 図は動きモニ タ画素 3 と信号蓄積画素 4 と を 1枚の基扳上 に配置した場合の他の実施例を示す図である。 本実施例では、 2 つ の垂直シ フ ト レ ジス タ 3 3 , 3 3 ' に よ って動きモニ タ画素 3 と信号蓄積画素 4 と の走査を行う 。 すなわち、 動きモ ニ タ画素 3 を走査する垂直 M O S ト ラ ン ジスタ 3 7 は垂直シ フ 卜 レ ジス タ 3 3 ' に よ り開閉する 。 信号蓄積画素 4 の垂直 M O S ト ラ ンジス タ 3 8 は垂直シ フ ト レ ジスタ 3 3 に よ リ開閉する 。 垂直シ フ ト レ ジスタ 3 3 ' は一定周期で垂直 M O S トランジスタ 3 7 を閧閉す る。 そのために動きモ ニ タ画素 3 からは全ての フ ィ ール ドで信号 が読み出される。 一方、 垂直シ フ ト レ ジス タ 3 3 は信号蓄積時間 制御回路 5 からの信号 5 5 ' に応じて動作する。
[0064] 第 9 図は第 8 図のシ フ ト レ ジスタ 3 3 , 3 3 ' の駆動タ イ ミ ン グチャー ト を示す図である。 こ の図も第 6 図と同様に 3 フィール ド期間に信号を蓄積する場合を示す。
[0065] 第 9 図 に おいてパルス列 5 6 ' はシ フ ト レ ジスタ 3 3 ' の走査 開始パルス、 パルス列 5 5 ' はシ フ ト レ ジスタ 3 3 の走査開始パ ルスであ る 。 こ れ ら のノヽ °ルスに よ り シ フ ト レ ジス タ 3 3 , 3 3 ' は制御され、 垂直走査パルス 6 5, 6 6 が垂直 M O S トランジス タ 3 7, 3 8 を開閉し第 6 図のものと同様に信号 S n , S n ' が 得られる。
[0066] 第 1 ひ図は第 5 図の固体撮像素子を用いた固体テ レ ビカ メ ラ装 置の全体構成の実施例を示す図である。 これは撮像板 3 2 から得 られる 2種類の信号を処理する回路であ り、 第 2 図の処理回路の 実施例とほぼ同じ構成である。
[0067] 第 1 1 図は第 2 図の実施例の変形を示す図である。 本図におい て、 第 2 図と異なる と ころは、 映像信号と してフィールドメモ リ 1 3 の信号を使う こ とである。 すなわち、 映像信号はフィール ド メモ リ 1 2 , 1 3 の信号を加算器 1 9 で加算した信号からなる。 これによつてモニタ用と して使っていた入射光の一部を有効に利 用する こ と ができる。
[0068] 第 1 2 図は第 1 1 図の実施例のフィール ドメモ リ 1 2, 1 3 か らの信号読みだし方法を説明するための図である。
[0069] 偶数フィール ドでは、 メモ リ 1 3 にある動きモニタ画素 3 から 走査線信号 6 0 とメモ リ 1 2 から走査線信号 6 1 と を同時に読み 出す。 この走査線信号 6 0 と走査線信号 6 1 との 2信号を加算回 路 1 9 によって混合する こ と によ リ 、 2線同時読みだしの動作が 行われる。 同様に走査線 6 2 と走査線 6 3 を組み合おせて次の走 査線信号を得る。 以下、 偶 (奇) フィール ドでは同様な組合せで 走査線信号を得る。 一方、 奇 (偶) フィールドでは走査線を組変 え、 走査線 6 1 と走査線 6 2 の信号を用いて走査線信号を得る。 以上説明 した信号読みだしによ り イ ンタ レース走査を実現し、 テ レ ビジョ ン信号を得る こ と ができ る。
[0070] 第 1 3 図は 3枚の固体撮像板を用いてカ ラーテ レ ビジョ ンカ メ ラ を搆成 した実施例を示す図である。 本カ メ ラ装置は、 カ ラー映 像信号を得るため、 ダイ ク ロ イ ツク プリ ズム 1 3 6 , 赤色 ( R ) 撮像扳 1 3 3 , 緑色 ( G ) 撮像板 1 3 2 , 青色 ( B ) 撮像板 131, 色信号処理回路 (カ ラーエンコーダ) 1 4 0及び駆動回路 1 3 7 , 1 3 8, 1 3 9 が付加されている。
[0071] 本実施例では青色 ( B ) 撮像板 1 3 1 の画素全てをモニタ画素 と して用いる。 すなわち青色 ( B ) 撮像板 1 3 1 を 6 0 フィール ド 秒で走査して信号を得、 こ の信号を用いて被写体の動き を検 出する。 動画と判定 した場合は走査制御回路 2 2 によ り駆動回路 1 3 7 , 1 3 8 を コ ン ト ロールし、 赤色 ( R) , 緑色 ( G) 撮像 板の信号を読みだす。 一方、 静止被写体と判断 した場合は、 駆動 パルスの供給を止め、 信号を蓄積する。 読みだ した赤色 ( R) , 緑色 ( G ) , 青色 ( B ) 信号は一度フィール ドメモ リ 1 2 1,
[0072] 1 2 2 , 1 2 3 に格納 し、 メモ リ R ZW制御回路 2 5 1 によ り信 号の得られない フィ ール ド を補間 した後色信号処理回路 (カ ラー エンコーダ) 1 4 0 に入力 してカ ラ一テ レ ビジョ ン信号を得る。
[0073] 本カ ラーカ メ ラ によれば静止画において、 赤色 ( R) , 緑色 ( G ) 信号の S Z Nがよ く なる。 赤色 ( R) , 緑色 ( G ) 信号は テ レ ビジョ ン信号の主な成分であるので、 結果と して輝度信号の S Z Nがよ く なる。 また動きのある被写体に対する動解像度の低 下もない。 なお、 本実施例では青色 ( B ) 撮像板の信号をモニタ 用に したが、 これは青色 ( B ) 信号が輝度信号への寄与率が低い ためであ り、 赤色 ( R) , 緑色 ( G) , 青色 ( B ) 信号の何れを 用いてもかまわない。
[0074] 第 1 4 図は第 2 図の実施例にさ らに明るさ検出回路を設けた実 施例を示す図である。
[0075] まず第 1 4 図の実施例を説明する前に明るさ とテ レ ビカメ ラ装 置の動辉像度の関係について説明する。
[0076] 第 1 5 図はテレ ビカメ ラの走査周波数と動解像度および S Z N の関係を示したもので第 1 5 図 (A) は動解像度の変化を、 第 1 5図 ( B ) は S Nの変化を表している。 なお- 、 第 1 5 図 ( B ) の 1 5 B 1 は低照度被写体を撮像した場合を、 1 5 B 2 は高照度 被写体を撮影した場合を示す。
[0077] 現行のテ レ ビジョン方式 (N T S C方式) では走査周波数は F 0 = 6 0 フィ ール ド/秒と定め られているために、 動解像度は d o と一定であるが、 S Z Nは第 1 5 図 ( B ) から明らかなよ う に被写体照度に応じて変化する。 すなわち、 低照度被写体 1 5 B1 の場合、 S Z Nは R点であ り、 高照度被写体 1 5 B 2 の場合は P 点である。
[0078] そこで、 第 1 4 図の実施例では走査周波数を可変し、 暗く とも 静止している被写体 (低照度被写体 1 5 B 1 ) では信号蓄積時間 を長く し S Z Nを向上させる。 例えば、 走査周波数を F s に し、 Sノ Nを S点にもって く る。 また、 明るい被写体 (高照度被写体 1 5 B 2 ) では信号蓄積時間を短く し動解像度を向上させる。 例 えば、 走査周波数を に し、 動解淥度を d f にもってく る。 静 止している被写体を撮影する と きは動解像度がよい必要はな く 、 走査周波数は F o ( 6 0 フ ィ ール ド Z秒) から まで遅く する こ と ができ る。 この場合、 Sノ Nは R点から S点まで上が り 、 信 号蓄積によ る S Z Nの改善効果 β が得られる。
[0079] また、 テ レ ビカメ ラ装置の Sノ Νは人間の視覚特性からある一 定の値を満足 していれば良く , 無制限に Sノ Νを良く する必要は ない。 したがって被写体が十分に明る い場合 (高照度被写体
[0080] 1 5 Β 2 ) は余剰な S Z Nを高速走査に振 り替える こ と ができ る。 すなわち走査周波数 F o で S Z Nが P点にあ り 十分大き く 、 S / Nを Q点の値まで下げる こ と が可能な場合は、 F 0 ( 6 0 フ ィ 一 ル ド /秒) の走査周波数を Fi まで高める こ と が可能と なる。 こ れによって動解像度は d o から までの kの値た'け向上させる こ と ができ る。
[0081] なお、 実際の撮像デバイ スでは信号の蓄積能力に限界があ り 、 一定以上の明る さでは使用できない。 そのため レ ンズ絞 り等を利 用 し入射光を制限 している。 撮像デバイ スの蓄積信号量は光量と 蓄積時間 (走査周波数の逆数) に積に比例するため、 走査周波数 を可変する こ と によ リ レ ンズ絞 り の効果を出すこ と ができ る。 し たがって、 被写体が明るい場合 (高照度被写体 1 5 B 2 ) は、 レ ンズ絞 り で捨てていた余剰な光信号を動解像度に置換する こ と が でき る。
[0082] 上述の動作を満足する実施例を第 1 4 図を用いて説明する。 第 1 4 図において, 第 2 図と異なる と こ ろは、 明る さ検出回路 2 6 と絞 り 2 7 からの信号を走査制御回路 2 2 に入力する と こ ろであ る。 モ ニ タ 画素 3 の信号を用いて検出 した被写体の明る さ が、 基 準値を越える場合は映像信号の S Z Nはよいものである。 そこで、 本テ レ ビカ メ ラ装置は, 明るいと きに走査周波数を 6 0 フィール ド /秒よ リ早め、 動解逯度の向上を図る。
[0083] 走査制御回路 2 2 ' は、 検出 した明るさ が基準値の レベルを越 えない場合は被写体を暗いとみな し、 S Z N改善のための信号蓄 積動作を行う 。 撮像素子への入射光量が増加じ-、 S Z Nの良い大 振幅の信号が得られるよ う になる と、 信号蓄積画素 4 の走査周波 数を 自動的に速める。 これによ り信号蓄積時間が短く な リ、 信号 の振幅は小さ く なるが、 動解像度は向上する。 このと き、 走査周 波数の制御は 1 回の読みだしで得られる信号レベルが基準の値に 収れんするよ う に行う。
[0084] 第 1 4 図の実施例では同時に レンズ絞り 2 7の状況も監視して いる。 これはレンズ絞り 2 7 を開く こ とで撮像素子に入射する光 量が増し、 自動的に走査周波数が速く なる という欠点を防止する ためのものである。
[0085] 本発明の主旨は、 従来レンズ絞り 2 7で捨てていた余剰な光量 を動解像度に置換するという こ とであ り、 レンズ絞り 2 7 が設定 した値よ り開いた状態では走査周波数を変化させないよ うな制御 を行う 。
[0086] その結果、 レンズ絞り 2 7 の値が設定した値に達し、 かつ検出 した信号の レベルが一定の値を超えるときに初めて 6 0 フィール ド 秒よ り高速走査になる。
[0087] 第 1 6 図は明るさ検出回路 2 6 の具体例を示す実施例である。 モニタ画素からの信号はゲー ト回路 8 1 を介し積算回路 8 2 に入 ( Π ) 力される。 ゲー ト回路 8 1 は画面のどの部分の明るさ を検出する かを決定するもので垂直同期信号と水平同期信号に同期して開閉 する。 例えば全画面の明るさ を検出するには、 常にゲー ト を開い て信号を伝達し、 また部分的に検出するには、 その位匱に対応す る時刻を同期信号から判定し、 ゲー ト を開いて信号を伝達する。 こ のゲー ト回路 8 1 の出力信号を積算回路 8 2で積分し、 明るさ に対応した大きさの信号 8 0 を得る。
[0088] 第 1 7図は走査制御回路 2 2 の具体例を示す図である。 高速走 ¾回路 8 3 は入力された明るさの信号 8 0 に基づき、 6。 0 フ ィ 一 ル ド 秒よ り高速の走査信号 8 4 を発生 し、 低速走査回路 8 5 は 被写体の明るさ に応じて 6 0 フ ィール ド Z秒よ り低速の走査信号
[0089] 8 6 を発生する。 コ ン ノ、。 レ一タ 8 7 は明るさ信号 8 0 と基準値 7 6 と を比較し、 コンパレータ 9 7はレンズ絞り の信号基準値
[0090] 9 8 と を比較し、 これらの比較結果の信号 9 6 , 9 8 によって選 択回路 8 8 を制御する。 一方、 コ ンパ レータ 8 S は動き検出信号
[0091] 9 0 と基準値 7 7 を比較し選択回路 9 1 を制御する。 選択回路 9 1 はコ ンパ レータ 8 9 の信号 9 2 に基づき、 動被写体の場合は 6 0 フ ィール ド 秒の走査信号 9 4 を、 また静止被写体では明る さ に応じた低速走査信号 8 6 を選択する。 選択回路 8 8 はコンパ レータ 8 7及び 9 7 の信号に基づいて、 明るい場合かつ レ ン ズ絞 り が基準値よ り大きい ( レ ン ズが絞られている時) は高速走査信 号 8 4 を、 また暗い場合あるいはレ ン ズが開放に近く基準値よ り 小さな時は 6 0 フ ィ ール ドノ秒以下の走査信号 9 5 を選択する。
[0092] 以上のよ う に選択した走査信号を発生する こ とで本回路は信号 蓄積画素 4 の蓄積 S 間を制御する。
[0093] 第 1 8 図は本発明に適合する撮像素子を C C D (Charge
[0094] Coupled Device) で構成した実施例である。 モニタ画素 3 の信号 電荷を垂直方向に転送する垂直 C C D 1 0 5 は信号電荷を水平方 向に転送する水平 C C D 1 0 7 に接続されている。 信号蓄積画素 4 の垂直 C C D 1 0 6 は水平 C C D 1 0 8 に接続されている。
[0095] 信号蓄積時間の調整は受光画素と垂直 C C Dのあいた'に設けた 転送ゲー ト 1 0 9, 1 1 0 の開閉を走査制御回路 2 2 ' によって 制御する こ とで^う。
[0096] 第 1 1 図の実施例では、 信号蓄積画素 4 およびモニタ画素 3 の 信号を加算回路 1 9 で加算して出力 していたが、 この加算回路 1 9 の代わ り に信号処理回路を用いる。 信号処理回路は低周波領 域を信号蓄積画素 4 た'けの信号で構成し、 高周波領域を全画素
[0097] (信号蓄積画素 4およびモニタ画素 3 ) の信号で構成する。
[0098] 第 1 9 図にその動作の概要を示し、 第 2 0 図にその処理回路の 詳細を示す。
[0099] 第 2 0 図において 1 2 5 は信号蓄積画素 4 の信号スぺク トラム、 1 2 6 はモニタ画素 3 の信号スぺク トラム、 1 2 7は全面素の信 号スぺク トラムである。 なお、ソ、ツチ部分は信号に含まれる雑音 を表している。 信号蓄積画素 4 の信号は雑音が少な く S Z Nが良 い。 モニタ画素 3 の信号は雑音が多い。 この 2種類の信号を加算 回路 1 2 2で加算して得られた加算信号 1 2 7は、 蓄積画素 4だ けを用いた信号よ り S / Nは低いものとなるが、 画素数が 2倍と なる 'ため広帯域 (高解像度) な信号スペク ト ラムとなる。 この広 帯域信号 1 2 7 をハイパス フィルタ (H P F ) 1 1 8 を通過させ て高周波成分 1 3 0 だけを得、 信号蓄積 '画素 4 の狭帯域信号 125 を ロ ーパスフィルタ ( L P F ) 1 1 7 を通過させて得、 各々 を加 算器 1 2 0で加算して用いる と広蒂域で、 高い S / Nの映像信号 1 2 8 が得られる。
[0100] 第 2 0 図において 1 2 2 は信号蓄積画素 4 とモニタ画素 3 から 広帯域な信号を作る加算回路、 1 1 7 は S Z Nの良い低域信号を 抽出する 口 一 ノヽ。ス フィルタであ り、 ノヽ イ ノヽ0スフィゾレタ 1 1 8 と信 号レベル調節回路 1 1 9 は高周波信号を作る回路である。 映像信 号 1 2 1 はこれら 2つの信号を加算回路 1 2 0 によ り合成する。
[0101] モニタ画素 3 と信号蓄積画素 4 の配置方法の他の実施例を第 2 1 図(A) , ( B ) , ( C ) , ( D ) および ( E ) に示す。 本実施 例のい く つかにおいては同一撮像面上にモニタ画素 3 と信号蓄積 画素 4 と が配置 してあれば良く 、 画素ずら し配置, 整列配置等ど の様な配列方法を用いても構わない。 また、 単板方式, 多扳方式 の何れにも適用できる こ とは言う までもない。
[0102] なお、 第 2 1 図(A) , ( B ) , ( C ) , ( D ) の実施例において はモニタ画素 3 と信号蓄積画素 4 の割合は 1 : 1 である が、 この 比率はどの様な値でも構わない。 混合比率を変えた実施例を第 2 1 図 ( E ) に示す。
[0103] また撮像面を複数の小領域に分割し、 個々の領域においてモニ タ画素の信号から動きを検出 し、 動解像度と S Z Nが最適となる よ うな信号処理を行っても良い。
[0104] テ レ ビカ メ ラの被写体は画面全体で動く場合は少な く 、 静止部 分と動部分が混在する場合が多い。 そこで動きのある被写体を含 むブロック (動ブロック) では信号蓄積時間の短い信号を、 静止 被写体しかないブロックで '(静止ブロック) は蓄積時間の長い信 号を用いる。 このよ う にブ πック毎に蓄積時間の異なる信号から 画質のよいものだけを選択する。
[0105] 第 2 2 図は'ブロック毎の信号処理を説明する図である。 本図で は画面を 4 のブロック (第 1 , 第 2 , 第 3 , 第 4 ) に分割してい る。 第 2 2 図 (A) は動き を検出した後に読みだした蓄積時間の 短い信号、 第 2 2 図 ( B ) はフィール ドメモ リ にある蓄積時間の 長い信号を表している。 いま被写体の動き を第 1 , 第 4 ブロック で検出したとする。 この場合、 第 2 2 図 (A) の第 1 , 第 4 プロ ックの信号と第 2 2 図 ( B ) の第 2 , 第 3 ブロックの信号を選択 し、 第 2 2 図 ( C ) のよう な画面を構成する。
[0106] 第 2 3 図は上述の信号処理を可能とするテ レ ビカメ ラ装置の具 体例を示した図である。 本テ レ ビカメ ラ装置と第 2 図に示した装 置と異なる点はブロック毎の動き検出を行う動き検出回路 1 5 2, 信号処理回路 1 5 0、 及び蓄積時間計数回路 1 5 3 がある点であ る。 本テ レ ビカ メ ラ装置では第 2 図の実施例と同様に、 信号蓄積 画素 4 は静止被写体に対し、 数〜数十フィ ール ド期間の信号蓄積 を行い S Nの良い信号を得る。 被写体の動きを検出 した場合は 1 フィールドの信号蓄積によ り動解像度の優れた信号をえる。
[0107] 信号処理回路 1 5 0 は入力された信号蓄積画素 4 の信号と フィ —ル ドメモ リ 1 2 ' の信号を加算する加算回路 1 5 1 、 および加 算回路 1 5 1 の出力信号と 2つの入力信号のう ち何れかを選択す るスィ ッチ 1 5 4 から構成されている。 こ の処理回路 1 5 0の ス イッチ 1 5 4 は、 信号蓄積画素 4 が信号蓄積を行っている間は全 ブロック においてフィール ドメモ リ 1 2 ' の信号を選択するよ う に動作する。 動き を検出 した場合はブロックの動きに応じて信号 蓄積画素 4 の出力、 フ ィ ール ド メ モ リ 1 2 ' 、 あるいは加算回路 1 5 1 の出力に接続される。 すなおち動ブロックでは信号蓄積画 素 4 に、 静止ブロックでは S Z Nに^じて加算回路 1 5 1 あるい はフ ィールドメ モ リ 1 2 ' の信号を選択するよ う に動作する。 選 択された信号は映像信号と して出力される と同時にフ ィールドメ モ リ 1 2 ' に書き込まれる。 すなわち出力内容が次フ ィ ール ドの 処理に用いるメ モ リ の内容となる。
[0108] 次にスィ ッチ 1 5 4 の制御方法を説明する。 第 2 4 図は信号蓄 積画素 4 , フ ィールドメ モ リ 1 2 ' からの信号読みだし を等価的 に表した図である。 フ ィ ール ド メ モ リ 1 2 ' の信号の信号蓄積フ ィ ール ド数を L、 信号蓄積画素 4 の信号の蓄積フ ィ ール ド数を M, 1 フ ィ ール ド期間に得られる信号を S , 雑音を Nとする。 フ ィ ー ル ド メ モ リ 1 2 ' の信号は L ' S と Nに、 信号蓄積画素 4 の信号 は M · S と Nに分けられこれら雑音は信号に加法的に混入する と 考えられる。 このと き加算信号の S Z N ( N S 1 ) は(1) 式、
[0109] S N 1 = ( L . S + M ' S ) ( 2" · N ) … (1) フ ィールドメモ リ の信号の S Z N ( S N 2 ) は(2) 式とな り, S N 2 = ( L · S ) ノ N …(2) 加算信号の S Z Nがフ ィールドメ モ リ 1 2 ' の S Z Nよ り 良く なる条件と して不等式(3) を解く と(4) 式が得られる。 ( L - S + M · S ) / (V - N ) > ( L - S ) ノ N 〜(3)
[0110] (但し L〉 Mのと き)
[0111] L〉 M〉 {V~2 · 1 ) L …(4) そこで条件式(4) に当てはまる と きは加算回路出力を選択し、 他 の場合は フィール ドメ モ リ 1 2 ' の信号を選択する。 なお、 M≥ Lの時は信号蓄積画素の S Z Nがフィール ドメモ リ 1 2 ' の信号 よ り S Z Nが良い場合で、 (5) 式の不等式を解き(6) 式を得、 加 算回路 1 5 1及び信号蓄積画素 4 の信号の何れかを選択する。
[0112] ( L - S + M · S ) / ( 2~ · N) ≥ ( M · S ) / N - (5) (但し M≥ Lのとき)
[0113] M≥ L≥ (V · 1 ) · M …(6) 蓄積時間計数回路 1 5 3 は各ブロック毎の信号蓄積時間 ( L, M) を監視し、 L と Mを比較して S Z Nが最良となるよ う にスィ ツチ 1 5 4 の制御信号を発生する。
[0114] 上述のよ う に本発明では動ブロック と静止ブロック を区別して 信号処理を行い、 動解像度と S / Nを両立させる。 この動作を実 現するために動き検出回路 1 5 2 はブロック毎の動き検出を行い、 スィ ッチ 1 5 4 を制御する信号を信号処理回路 1 5 0 に供耠する。 また走査制御回路 2 2 には動ブロック が検出された場合に走査開 始指令を供給する。
[0115] 第 2 5 図は信号処理回路 1 5 0 の他の実施例である。 本回路で はスィッチによ リ信号を選択する代わ り に 2つのゲイ ン調整回路 1 5 5 , 1 5 6 の出力を加算回路 1 5 7で加算して出力する。 こ のゲイ ン調整回路 1 5 5, 1 5 6 のゲイ ン K , 1一 Kをアナロ グ 的に調整する こ とで信号をいろいろな混合比にする こ と ができる。 この Kの値'を制御する こ とで緩やかに動く被写体に対し、 僅かな ぼけを発生させるだけで大きな Sノ Nが改善はかれる。
[0116] 上記の実施例では読みだした信号と メモ リ の信号を用いてプロ ック毎の制御を行う信号処理を説明 したが、 個々の領域で独立の 走査回路を設け、 信号蓄積画素 4 の蓄積時間を制御しても良い。 ブロック毎に信号蓄積時間を制御できるよ う に構成すれば、 一画 面のう ちでも静止している部分は S / Nを向上させる こ と ができ、 また動いている部分の動解像度がそこなわれる こともな く な り、 全体と して優れたテ レ ビジョ ン画面を再生する こと が可能となる c 第 2 2図ではテ レ ビ画面を 4 のブロック に分割した例を説明 し たが、 これはい く つであっても搆わない。 また第 2 6 図 ( A ) , ( B ) に示したよ う に分割しても良い。 第 2 6 図 (A ) , ( B ) は画面の中央ほどブロックの大きさ を小さ く してあるため、 人間 が視覚的に敏感な画面中央できめ細かな制御が可能と リー層の 画質向上が図れる。
权利要求:
Claims請 求 の 範 囲
1 . 被写体照度に応じた信 電荷を蓄稜する複数個の第 1光電変 換素子群と、 上記被写体照度に応じた信号電荷を蓄積する複数 個の第 2光電変換素子群と、 上記第 1光電変換素子群からの信 号に基づいて被写体の動きを検出する動き検出手段と、 上記動 き検出手段からの信号に基づいて上記第 2光電変換素子の蓄積 時間を制御する蓄積時間制御手段と を有する固体テ レ ビカメ ラ
2 . 特許請求の範囲の第 1項において上記第 1及び第 2 の光電変 換素子群は同一半導体基板上に設けられているこ と を特徴とす る固体テ レ ビカ メ ラ装置。
3 . 特許請求の範囲の第 1項において、 上記第 1及び第 2光電変 換素子群はそれぞれ異なった半導体基板上に設けられている こ と を特徵とする固体テ レ ビカメラ装置。
. 特許請求の範囲の第 1項において、 上記被写体の像を複数の 色光成分に色分解する手段を備え、 上記第 1光電変換素子群は 上記色光成分の少な く とも一つの色光に応じた信号電荷を蓄積 する こ と を特徴とする固体テ レ ビカメ ラ装置。
5 . 特許請求の範囲の第 2項において、 上記第 1及び第 2 の光電 変渙素子群は市松模様に配置されている こ と を特徵とする固体 テ レ ビカメ ラ装置。
6 . 特許請求の範囲の第 1項において、 上記動き検出手段は、 上 記第 1光電変換素子群からの信号のう ち現在の信号及び 1 フィ 一ル ド前の信号の各々の差分信号を検出する手段と、 この検出 手段からの出力信号の絶対値の累積値を検出する手段と、 累積 値が所定値よ り大きければ動画、 小さ ければ静止画と して検出 結果を出力する手段とからなる こ と を特墩とする固体テ レ ビ力 メ ラ装置。
5 7 . 特許請求の範囲の第 1項において、 上記第 2光電変換素子群 の信号のみを映像信号と して出力する こ と を特徴とする固体テ レ ビカ メ ラ装置。
8 . 特許請求の範囲第 1項において、 上記第 1及び第 2の光電変 , 換素子群の各信号の合成信号を映像信号と して出力するこ と を0 特徵とする固体テレ ビカメ ラ装置。
9 . 特許請求の範囲の第 8項において、 上記合成信号は上記第 1 及び第 2 の光電変換素子群の各信号を加算回路で加算して得る こと を特徴とする固体テ レ ビカメ ラ装置。
10 . 特許請求の範囲の第 8項において、 上記合成信号は、 上記第5 1及び第 2 の光電変換素子群の各信号を加算した信号の高周波 成分と、 上記第 2 の光電変換素子群の信号の低周波成分と を加 算した信号である こと を特徴とする固体テ レ ビカメ ラ装置。
1 1 . 特許請求の範囲の第 1項において、 上記第 1光電変換素子群 からの信号に基づいて被写体の明るさ を検出する明るさ検出手0 段を備え、 上記蓄積時間制御回路は上記動き検出手段及び明る さ検出手段からの両信号に基づいて上記第 2光電変換素子群の 蓄積時間を制御する こ と を特徴とする固体テ レ ビカ メ ラ装置。
12 . 特許請求の範囲第 1項において、 上記第 2光電変換素子群か らの信号を複数のブロック に分割し、 このブロック毎に信号処 理を行なう こ と を特徴とする固体テ レ ビカメラ装置。
13 . 特許請求の範囲第 1 2項において、 上記動き検出手段は上記 ブロック每に被写体の動きを検出 し、 さ らに, 上記動き検出手 段からの信号に基づいて上記各ブロック毎の信号蓄積時間を計 数し記憶する第 1記憶手段と、 上記第 2光電変換素子群からの 信号を入力 し上記動き検出手段及び上記第 1記憶手段からの信 号に応じた映像信号を出力する信号処理手段と を有するこ と を 特墩とする固体テ レ ビカメ ラ装置。
14 . 特許請 の範囲第 1 3項において、 上記信号処理手段は、 上 記映像信号を記憶する第 2記憶手段と、 この第 2記憶手段から の信号、 上記第 2光電変換素子群からの信号及びこれら を加算 した加算信号の中のいずれかの信号を上記動き検出手段及び上 記第 1記憶手段からの信号に応じて選択して上記映像信号を出 力する手段と からなるこ と を特徵とする固体テ レ ビカメ ラ装置。
15 . 特許請求の範囲第 1 4項において、 上記信号処理手段は、 上 記映像信号を記憶する第 2記憶手段と、 この第 2記憶手段から の信号を K倍する第 1ゲイ ン調整手段と、 上記第 2光電変換素 子群からの信号を ( 1一 K ) 倍する第 2ゲイ ン調整手段と、 上 記第 1 及び第 2ゲイ ン調整手段からの信号を加算して上記映像 信号を出力する加算手段と からな リ 、 上記 Kは上記動き検出手 段及び上記第 1記憶手段からの信号に応じて上記各ブロック毎 に制御される こ と を特墩とする固体テ レ ビカメ ラ装置。
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