撮像方法および撮像装置
【課題】オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子から出力される画像信号の感度を向上し色と水平解像度を維持することを目的とする。
【解決手段】オンチップカラーフィルタ付き水平公称９６０画素素のＩＴ−ＣＣＤ撮像素子を１ヶ用いたカラー撮像装置において、全画素の暗電流を補正して３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算し、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、左右加算で疑似輝度信号（２Ｙ＋Ｇ等）を算出し、組み合わせを順番方向と正負の斜め減算で（２Ｒ−Ｇ等）疑似色差信号を算出し疑似輝度信号の少なくとも高周波数成分を上下走査線の疑似輝度信号の少なくともの高周波数成分で補間し、７ヶ以上の走査線映像信号から垂直輪郭補正信号を作成し７ヶ以上の画素遅延映像信号から水平輪郭補正信号を作成し映像信号に加算する。
【解決手段】オンチップカラーフィルタ付き水平公称９６０画素素のＩＴ−ＣＣＤ撮像素子を１ヶ用いたカラー撮像装置において、全画素の暗電流を補正して３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算し、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、左右加算で疑似輝度信号（２Ｙ＋Ｇ等）を算出し、組み合わせを順番方向と正負の斜め減算で（２Ｒ−Ｇ等）疑似色差信号を算出し疑似輝度信号の少なくとも高周波数成分を上下走査線の疑似輝度信号の少なくともの高周波数成分で補間し、７ヶ以上の走査線映像信号から垂直輪郭補正信号を作成し７ヶ以上の画素遅延映像信号から水平輪郭補正信号を作成し映像信号に加算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子を有する撮像装置の感度向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge-Coupled-Device）撮像素子は固体撮像素子の中でも感度が高く暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素が少ないが、高温度時や高感度撮像時や蓄積時は白キズが多い。さらにＣＣＤ撮像素子の近赤外感度を高くすると、フォトダイオードが深くなり白キズが増加する。そのため、蓄積動作で感度を向上させると、さらに白キズが増加する。そのため、実効感度向上が制限される。
【０００３】
そこで、従来、オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラーテレビジョンカメラにおいて、夜間の高感度白黒撮影時に、高感度撮像を実現するため、水平２画素加算し、輪郭強調周波数を低下させ、高感度撮像の雑音を低減させていた（特許文献１参照）。
【０００４】
また、デジタル信号処理回路の集積化が進み、複数ラインの出力信号を記憶し算術処理することが、映像専用のメモリ集積ＤＳＰだけでなく、安価な汎用のＦＰＧＡ(Field-Programmable-Gate-Array)でも容易に実現できる様になった。ノイズ低減の対象画素に関して、周囲の画素との関連性から、信号成分かノイズ成分かを判断し、対象画素と、一定方向の隣接する画素とで信号レベル比較を行い、信号レベル差が判定基準値未満であれば、対象画素の信号レベルが信号成分であると判定し、信号レベル差が所定の値以上では、ノイズ成分と判定している（特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、ＣＣＤから出力された信号から雑音を除去するＣＤＳ（Correlated-Double-Sampling）と暗電流補正と利得可変増幅回路（Automatic-Gain-Control以下ＡＧＣ）とデジタル映像信号Ｖｉに変換するＡＤＣ（Analog-Digital- Converter）とを内蔵したＡＦＥ（Analog-Front-End）が普及し、ＡＦＥのＡＤＣ階調は従来１０ビットだったが、１２ビットや１４ビットが一般化し、１６ビットも製品化された。ＡＤＣを２２ビットとし、ＡＧＣをＡＤＣの後に配置したＡＦＥも製品化された。
【０００６】
Inter LineＣＣＤ撮像素子（以下ＩＴ−ＣＣＤ）は単価が安い割に感度が高い。特に最近は、画面対角８ｍｍ（１／２型）や画面対角６ｍｍ（１／３型）の水平公称７６０画素のＣＣＤ撮像素子より高感度で飽和信号量も従来の１０００ｍＶから１４００ｍＶと高い、画面対角６ｍｍ（１／３型）画面アスペクト比４：３のＣＣＤ撮像素子で垂直公称４８５（有効４９４）画素または垂直公称５７５（有効５８２）画素で、水平公称９６０（有効９７２）画素のＣＣＤ撮像素子が発表された（非特許文献１参照）。また、１／３型用の小型低価格の５５倍望遠ズームレンズも開発された（非特許文献２参照）。
電子増倍型ＣＣＤ撮像素子（Electron-Multiplying-ＣＣＤ以下ＥＭ−ＣＣＤ）は、電子冷却部と組み合わせて感度を高くできるため、可視光と近赤外光の夜間の撮影用の照明なしの準動画監視が可能となった。ただし、高感度なＩＴ−ＣＣＤもＥＭ−ＣＣＤも暗電流が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１０２０２１
【特許文献２】特開２００２−２４７４１２
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】水平９６０画素カラーＣＣＤ撮像素子ＩＣＸ６７２ＡＫＡ／ＩＣＸ６７３ＡＫＡ ソニーCX-PAL Vol.85 2010.07 http://www.sony.co.jp/Products/SC-HP/cx_pal/vol85/pdf/cxd4127_4816gg.pdf
【非特許文献２】タムロン1/3型6-330mmF/1.8ズームレンズDF014 http://www.tamron.co.jp/news/release_2010/0510.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、ＣＣＤ撮像素子から出力される画像信号の感度の可変範囲を拡大し色を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、各走査線で水平画素信号電荷加算の組み合わせを正の順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、画素信号の左右加算で疑似輝度信号（２Ｙ＋Ｇ等）を算出し、画素信号の正の順番方向の上下の斜め減算で疑似色差信号（２Ｒ−Ｇ等）を算出し、前記疑似輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記疑似輝度信号の高周波数成分で補間することと、前記疑似輝度信号と前記疑似色差信号との演算により、輝度信号（７．５Ｙ等）と色差信号（２Ｒ−２Ｙ等）とを算出し、前記輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記輝度信号の高周波数成分で補間することと、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法である。
【００１１】
さらに上記の撮像方法において、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の走査線映像信号から垂直輪郭補正信号を作成し、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の画素遅延映像信号から水平輪郭補正信号を作成し、前記垂直輪郭信号と前記水平輪郭信号とを映像信号に加算することを特徴とする撮像方法である。
さらに上記の撮像方法において、リセット付ＣＤＳと１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ手段とを用い、前記リセット付ＣＤＳで上記３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算の実施を行い、前記リセット付ＣＤＳのサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対しリセット付ＣＤＳの積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さくすることと、前記１２bit以上のＡＦＥ内のＡＧＣ増幅と、デジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップと、を組み合わせることを特徴とする撮像方法である。
さらに上記の撮像方法において、上記固体撮像素子に飽和信号量がおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤを用いることと、（上記固体撮像素子への入射光量または）上記固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と上記固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させること、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法である。
さらに上記の撮像方法において、全画素の暗電流を補正して水平画素信号電荷を加算するか水平画素信号電荷を加算してから全画素の暗電流を加算して補正することと、固体撮像素子クロックに同期している論理回路からの全画素の飛び込みを補正して水平画素電荷信号を加算するか水平画素電荷信号を加算してから固体撮像素子クロックに同期している論理回路からの全画素の飛び込みを補正することと、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法である。
【００１２】
また、オンチップカラーフィルタ付き（水平有効約９７２等）水平公称約９６０画素以上のＩＴ−ＣＣＤ撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、上記ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子の信号電荷を入力するクランプ機能とサンプルホールド（セット）機能とリセット機能を有する相関二重サンプリングホールド手段（Correlated Double Sampling-hold：ＣＤＳ）と、３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する手段と、アナログーデジタル変換する手段と、該デジタル変換した信号を水平周期遅延する手段と、該デジタル変換した信号を画素単位で遅延する手段と、該デジタル変換した信号を加算する手段と、該デジタル変換した信号を減算する手段とを有し、上記ＣＤＳにおいて３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、上記アナログーデジタル変換する手段においてアナログーデジタル変換後に、前記水平周期遅延する手段と前記画素単位で遅延する手段と前記加算する手段と前記減算する手段とを用いて、該デジタル変換した画素信号の左右加算で疑似輝度信号を算出し、該デジタル変換した画素信号の順番方向と正負の斜め減算で疑似色差信号を算出することを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１３】
または、オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、上記ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子の信号電荷を入力するクランプ機能とサンプルホールド機能とリセット機能を有する相関二重サンプリングホールド手段（Correlated Double Sampling-hold：ＣＤＳ）とアナログーデジタル変換する手段と水平周期遅延する手段と画素単位で遅延する手段と上下走査線の輝度信号の高周波数成分を抽出する手段を有し、上記ＣＤＳにおいて３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算し、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、左右加算で疑似輝度信号（２Ｙ＋Ｇ等）を算出し、組み合わせを順番方向と正負の斜め減算で疑似色差信号（２Ｒ−Ｇ等）を算出し、前記疑似輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記疑似輝度信号の高周波数成分で補間すること、
前記疑似輝度信号と前記疑似色差信号との演算により、輝度信号（７．５Ｙ等）と色差信号（２Ｒ−２Ｙ等）とを算出し、前記輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記輝度信号の高周波数成分で補間すること、の少なくとも一つを行うことを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１４】
さらに上記において、水平画素電荷信号加算する画素数＋２以上の２Ｎヶの水平周期遅延手段と、水平画素電荷信号加算する画素数＋２以上の２Ｍヶとすると画素周期遅延手段を２Ｎ×２Ｍヶと、遅延しない映像と２Ｎヶの水平周期遅延の映像信号とから垂直輪郭信号を生成する手段と、Ｎ水平周期遅延した映像信号とＮ水平周期遅延した映像信号を画素周期遅延した２Ｍヶの映像信号とから水平輪郭信号を生成する手段と、垂直輪郭信号と水平輪郭信号とを映像信号に加算する手段とを有し、少なくとも３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する場合には、前記垂直輪郭信号と前記水平輪郭信号とをＮ水平周期とＭ画素遅延した映像信号に加算することと、全画素の暗電流を補正して水平画素電荷信号加算するか水平画素電荷信号加算してから全画素の暗電流を加算して補正することと、の少なくとも一つを行うことを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１５】
さらに上記において、撮像素子の温度検出手段を有し、ＣＰＵの動作クロック（約１２ＭＨｚ）をＣＣＤクロック（９６０Ｈで約１８ＭＨｚ）と整数Ｋ：整数Ｌの比としてＣＣＤクロックとに同期させ、（６℃上昇で約２倍になる）全画素の暗電流を記憶する画面メモリと、前記ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの（温度での変化の少ない）飛び込みを記憶する画面メモリと、の温度での変化に対応した複数の固定雑音を記憶する画面メモリを有し、検出した撮像素子温度に合わせて、全画素の暗電流の補正値と、前記ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと前記元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みの補正値とを加算してから画素電荷に加算して、全画素の暗電流と、前記ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと前記元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みとを補正することと、上記固体撮像素子に飽和信号量もおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤを用い、リセット付ＣＤＳと１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ手段とを用い、前記リセット付ＣＤＳで上記３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算の実施を行い、前記リセット付ＣＤＳのサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対しリセット付ＣＤＳの積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さくすることと、前記１２bit以上のＡＦＥ内のＡＧＣ増幅と、デジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップと、を組み合わせることと、の少なくとも一つを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１６】
または、1つ以上のＣＣＤ撮像素子を用いたカラー固体撮像装置において、前記ＣＣＤ撮像素子の出力の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳと該リセット付ＣＤＳの各ＣＤＳリセットパルス位相を可変する水平同期発生部とを有し、（前記固体撮像素子の各固体撮像素子への入射光量と）前記固体撮像素子の各固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と該固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させることを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【発明の効果】
【００１７】
上記の様に本発明によれば、ＣＣＤ撮像素子から出力される画像信号の感度の可変範囲を拡大し色を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図
【図２Ａ】本発明の一実施例の映像信号処理部の奇数画素加算対応の色分離部を示すブロック図
【図２Ｂ】本発明の一実施例の映像信号処理部の多画素輪郭補正部を示すブロック図
【図２Ｃ】本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳを示すブロック図
【図３Ａ】本発明の１実施例の水平３画素加算動作を示す模式図
【図３Ｂ】本発明の１実施例の水平５画素加算動作を示す模式図
【図３Ｃ】本発明の１実施例の水平７画素加算動作を示す模式図
【図３Ｄ】本発明の１実施例の多画素輪郭補正動作を示す模式図
【図３Ｅ】本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳの動作を示す模式図
【図４】従来技術の動作を示す模式図
【図５】従来技術の全体構成の撮像装置を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１を用いて本発明の一実施例の全体構成を説明し、本発明の１実施例の動作を示す模式図の図３を用いて説明し、本発明の一実施例の映像信号処理部の画素補間部を示すブロック図の図２を用いて本発明の一実施例の詳細を説明する。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１において、１は撮像装置、２は入射光を結像するレンズ等の光学系で、４は撮像装置１内の各部とレンズ２とを制御するＣＰＵ（Central-Processing-Unit）である（ＣＰＵから各部への制御線は全ては図示せず）。
【００２０】
また図１において、６は読出垂直転送駆動部(Ｖ−ＴＧ）で、９はＥＭ−ＣＣＤで1８はＩＴ−ＣＣＤ等のＣＣＤ撮像素子で、９と１８とは光学系２から入射した光を電気信号に変換する。１２はＥＭ−ＣＣＤまたはＣＣＤ撮像素子から出力された信号から雑音を除去するＣＤＳと暗電流補正と信号の利得を調整するＡＧＣとデジタル映像信号Ｖｉに変換するＡＤＣと水平同期発生部(Timing-Generator：ＴＧ)からなるＡＦＥ（Analog Front End）である。但し、ＡＧＣやＴＧがＡＦＥに含まれない構成を用いてもよい。さらに１５はＣＭＧ駆動部で１６は冷却部で１７は冷却駆動部であり、１９は水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）で２０はリセット付ＣＤＳである。さらに、７は温度センサ、Ｍ９は暗電流画面メモリ、８はＤ／Ａであり、温度センサ７の検出したＣＣＤの温度に基づき、暗電流画面メモリＭ９から全画素の暗電流補正値を発生し、Ｄ／Ａ８経由でリセット付ＣＤＳ２０で暗電流を補正する。画素加算時も、ＣＣＤの温度に基づき全画素の暗電流をリセット付ＣＤＳ２０で暗電流を補正してから画素加算する。
また図１において、４は奇数画素加算色分離部と多画素輪郭補正部とを含む映像信号処理部であり、１２のＡＦＥから出力された信号に種々の映像処理を施しＮＴＳＣ（National-Television-System-Committee）方式またはＰＡＬ（Phase-Alternating-by-Line）方式の複合映像信号（Video-Burst-Sync以下ＶＢＳ）またはＳＤＩ（Serial-Digital-Interface）映像信号、あるいはＨＤＴＶのＳＤＩ（ＨＤ−ＳＤＩ）等の所定方式の映像信号に変換して出力する映像信号処理部である。リセット付ＣＤＳ２０で暗電流を補正しない場合は、映像信号処理部４で、温度センサ７の検出したＣＣＤの温度に基づき、全画素の暗電流補正値を発生し、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ分を補正してから、画素加算分暗電流補正値を加算してから映像信号を補正することにより、全画素の暗電流を補正してから画素加算することと等価の補正を行う。
【００２１】
本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳを示すブロック図の図２Ｃにおいて、６１は入力バッファ（Bi）、６２はクランプ結合容量（Cci）、６３はクランプスイッチ（Qq）、６４は中間バッファ（Bm）、６５はサンプルホールド（セット）スイッチ（Qs）、６６はリセットスイッチ（Qr）、６７は積分容量（Cl）、６８は出力バッファ（Bo）である。
【００２２】
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１と、従来技術の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図５との相違は、は水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）１９とリセット付ＣＤＳの２０と温度センサ７と暗電流画面メモリＭ９とＤ／Ａ８が追加され、映像信号処理部５に、奇数画素加算対応の色分離部の２５と多画素輪郭補正部の２６とを含むことである。
【００２３】
本発明の一実施例の映像信号処理部の奇数画素加算対応の色分離部を示すブロック図の図２Ａにおいて、Ｍ７〜Ｍ８はラインメモリ、３７〜３９は奇数画素遅延部、４０〜４１はｂｉｔシフト部（１／２乗算器）、４４は加算器、４２〜４３は減算器、である。
【００２４】
本発明の一実施例の映像信号処理部の奇数画素加算対応の色分離部を示すブロック図の図２Ａと、本発明の１実施例の水平３画素加算動作を示す模式図の図３Ａとにおいて、Ｎとｍとを０以上の整数としｍ−３とｍ−２と垂直加算する走査線では３Ｎ＋１，３Ｎ＋２，３Ｎ＋３の画素の信号電荷を水平３画素加算し、ｍ−１とｍと垂直加算する走査線では３Ｎ＋２，３Ｎ＋３，３Ｎ＋４の画素の信号電荷を水平３画素加算し、ｍ＋１とｍ＋２と垂直加算する走査線では３Ｎ＋３，３Ｎ＋４，３Ｎ＋５の画素の信号電荷を水平３画素加算する。
Ｈ−ＴＧを非加算の通常水平転送駆動の一つにして、高速論理ＩＣでリセットパルスを間引いて水平３画素の信号電荷を加算しても良い。
【００２５】
Ｃｙ＋Ｙｅ＋Ｍｇ＋Ｇ＝２Ｙ＋Ｇなので、各３画素加算は２ＹＧＣｙＭｇ＝３ＹＣｙ、２ＹＧＹｅＭｇ＝３ＹＹｅ、２Ｙ２ＧＹｅ、２Ｙ２ＧＣｙとなる。
左右加算で ３ＹＣｙ＋２Ｙ２ＧＹｅ＝６Ｙ３Ｇとなり、水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。下記色分離した２Ｇ−Ｙを１．５倍して減算すれば７．５Ｙと輝度信号も算出できる。
輝度信号は上下走査線の信号を補間すれば、水平画素加算前の１画素単位の輝度信号解像度が維持できる。
【００２６】
加算画素の組み合わせの走査線ごとの順次移動に合わせ、上と平均と下と平均とをさらに平均して加算画素位置のＣｙとＹｅとＭｇとＧをと色分離する。
斜め加算で、２Ｙ２ＧＹｅ＋２Ｙ２ＧＣｙ＝５Ｙ５Ｇとなる。減算すれば２Ｙ２ＧＹｅ−３ＹＹｅ＝２Ｇ−Ｙとなり疑似色差信号が算出できる。７．５Ｙを１／７．５に減衰して減算すれば２Ｇとなり色信号が算出できる。
【００２７】
３ＹＹｅ＋２Ｙ２ＧＹｅ＝５Ｙ２ＧＹｅとなり、減算すれば２Ｙｅ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｙｅ−３Ｇ＝２Ｒ−Ｇとなり疑似色差信号が算出できる。
さらに＋Ｇ−２Ｙを加算すれば２Ｒ−２Ｙとなり色差信号が算出できる。
３ＹＣｙ＋２Ｙ２ＧＣｙ＝５Ｙ２Ｇ２Ｃｙとなり、減算すれば２Ｃｙ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｃｙ−３Ｇ＝２Ｂ−Ｇとなり疑似色差信号が算出できる。
さらに＋Ｇ−２Ｙを加算すれば２Ｂ−２Ｙとなり色差信号が算出できる。
【００２８】
各加算画素の位置で色分離したＣｙとＹｅとＭｇとＧを減算した演算結果の各加算画素の位置の２Ｙを上下補間して、輝度信号とすれば、水平解像度は、加算前の画素単位となる。
つまり、水平３画素の信号電荷を加算することにより、雑音はそのままで、感度は３倍（＋９ｄＢ）になる。水平解像度も加算前の水平画素数の分を確保できる。斜め解像度は１／３に低下する。色分離も可能で、カラー撮像を維持できる。
実施例１の水平３画素加算を前述の非特許文献１の画面対角６ｍｍ（１／３型）画面アスペクト比４：３の高感度な水平公称９６０（有効９７２）画素のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称３２０（有効３２４）画素となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素の約１４％低下であり、変調度低下も約１４％低下で済み、許容できる。又、ＣＣＤクロックが１８ＭＨｚであり、３画素加算して左右平均してもクロックが３ＭＨｚ相当で色帯域は１．５ＭＨｚとなる。つまり、ＮＴＳＣやＰＡＬの高帯域色差信号帯域の１．５ＭＨｚが確保できる。さらに、より多い水平画素の固体撮像素子に適用すれば、変調度低下も実用上問題なくなる。
【００２９】
また、水平公称９６０（有効９７２）以上の画素のＣＣＤ撮像素子であれば、図示しないが、３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する手段とアナログーデジタル変換する手段と水平周期遅延する手段と画素単位で遅延する手段とを有し、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを固定して３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算し、アナログーデジタル変換後に、左右加算で３ＹＣｙ＋２Ｙ２ＧＹｅ＝６Ｙ３Ｇとなり、従来の水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。左右の斜め減算すれば２Ｙｅ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｙｅ−３Ｇ＝２Ｒ−Ｇ、２Ｃｙ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｃｙ−３Ｇ＝２Ｂ−Ｇとなり、従来の水平画素加算しないで垂直画素加算して左右の斜め減算の２Ｒ−Ｇ、２Ｂ−Ｇと同一の疑似色差信号が算出できる。
つまり、水平公称９６０（有効９７２）以上の画素のＣＣＤ撮像素子であれば、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを順番に変えていかない簡易方式でも、一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素の約１４％低下であり、変調度低下も約１４％低下で済み、許容できる。色帯域は１．５ＭＨｚとなり、実用上問題ない。つまり、高感度なカラー撮像が可能となる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の１実施例の水平５画素加算動作を示す模式図の図３Ｂにおいて、５画素加算は、５ＹＧＣｙ、５ＹＧＹｅ、４ＹＹｅ３Ｇ、４ＹＣｙ３Ｇとなる。
斜め加算で、５ＹＧＣｙ＋５ＹＧＹｅ＝１０Ｙ３Ｇとなり、水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。減算すれば４ＹＹｅ３Ｇ−５ＹＧＹｅ＝２Ｇ−Ｙとなり疑似色差信号が算出できる。１０Ｙ３Ｇを１／１０に減衰して減算すれば１．７Ｇとなり色信号が算出できる。
【００３１】
水平５画素の信号電荷を加算することにより、雑音はそのままで、感度は５倍（約＋１４ｄＢ）になる。水平解像度と斜め解像度は低下する。色分離も可能で、より高感度なカラー撮像が可能となる。
【実施例３】
【００３２】
本発明の１実施例の水平５画素加算動作を示す模式図の図３Ｃにおいて、７画素加算は、７Ｙ２ＧＣｙ、７Ｙ２ＧＹｅ、６ＹＹｅ４Ｇ、６ＹＣｙ４Ｇとなる。
斜め加算で、７Ｙ２ＧＣｙ＋７Ｙ２ＧＹｅ＝１５Ｙ５Ｇとなり、水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。減算すれば、６ＹＹｅ４Ｇ−７Ｙ２ＧＹｅ＝２Ｇ−Ｙとなり疑似色差信号が算出できる。１５Ｙ５Ｇを１／１５に減衰して減算すれば１．７Ｇとなり色信号が算出できる。
【００３３】
水平７画素の信号電荷を加算することにより、雑音はそのままで、感度は７倍（約＋１７ｄＢ）になる。水平解像度と斜め解像度は低下する。色分離も可能で、さらにより高感度なカラー撮像が可能となる。
【実施例４】
【００３４】
本発明の１実施例の多画素輪郭補正部のブロック図の図２Ｂにおいて、２６は多画素輪郭補正部であり、２７は映像レベル判定器、２８は画素遅延６ヶ部、５１〜５８は加算器、５９は小振幅大振幅の圧縮制限器、６０は正負と増幅度を可変する掛け算器、２９と３０は輪郭信号生成部、Ｍ１〜Ｍ６はラインメモリ部、Ｎ０〜Ｎ６は負の掛け算器、Ｐ３は正の掛け算器である。
補正前信号は、Ｍ１〜Ｍ７のラインメモリ部で走査線（Ｈ）期間遅延し０Ｈから６Ｈの合計７Ｈの信号となる。３Ｈ信号は、さらに２８の画素遅延２２ヶ部で画素時間つまりＣＣＤクロック時間し合計２３組の遅延信号となる。合計７Ｈの信号と合計２３組の遅延信号とは、２９と３０との輪郭信号生成部に入り、垂直輪郭信号と水平輪郭信号とになり、加算器５７で加算され、小振幅大振幅圧縮制限部の５９で小振幅と大振幅とを圧縮制限され、３Ｈ１１画素遅延信号を入力した映像レベル判定部２７の制御を受ける正負掛算器６０で輪郭補正信号となり、３Ｈ１１画素遅延信号に加算されて、補正後信号となる。３画素加算なら２８の画素遅延部は１０ヶ以上で良く、５画素加算なら２８の画素遅延部は最低１６以上で良く、７画素加算なら２８の画素遅延部は２２ヶ以上で良い。３Ｈ１１画素遅延信号は、遅延の中央の信号を選択すれば良い。
【００３５】
その結果、本発明の１実施例の多画素輪郭補正部の動作図の図３Ｄの(a)低周波数から低い変調度の補正前信号のように低周波数から変調度が低下していても、(b)輪郭補正７画素成分と、(c)輪郭補正５画素成分と、(d)輪郭補正３画素成分とを合成し、(e)本発明補正後信号のように、輪郭が補正できる。
【００３６】
つまり、実施例４では、多数の水平画素加算により、低周波数から変調度が低下していても、図２Ｂの多画素輪郭補正部で、図３Ｄの(e)本発明補正後信号のように、映像信号の輪郭が再現できる。また、レンズの絞り開放や望遠端などで、低周波数から変調度が低下していても、変調度低下が補正でき、映像信号の輪郭が再現できる。さらに、多画素輪郭補正で、輪郭補正量を少なくすることができ、輪郭補正に伴う雑音の増加を低減でき、ＡＦＥ内のＡＧＣ増幅またはデジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップにより増幅度を高くすることが容易になる。つまり、鮮明なカラー撮像の実効的な感度の可変範囲がより拡大し、監視用途が広がる。
【００３７】
実施例１を、前述のように水平３画素加算を非特許文献１の画面対角６ｍｍ（１／３型）画面アスペクト比４：３の高感度な水平公称９６０（有効９７２）画素のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称３２０（有効３２４）画素となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素の約１４％低下であり、変調度低下も約１４％低下で済み、許容できる。水平公称９６０画素以上であれば、実用上問題ない。
実施例２を水平公称約１９２０画素以上のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称約３８４画素以上となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素より多く、実用上問題ない。
実施例３を水平公称約２８００画素以上のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称約４００画素以上となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素より多く、実用上問題ない。
さらに、実施例４の多画素輪郭補正を実施例１から実施例３の水平多画素加算に実施すれば、変調度低下も補正でき、高感度かつ鮮明なカラー撮像が実現でき、監視用途が広がる。
【００３８】
実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号との演算により輝度信号と色差信号とを算出する方が、画面上で広い面積の色の再現性は高まるが、輪郭に偽色が付きやすいので、輪郭部分では色差信号を減衰させる。画面上で広い面積の色を用いて物体を検出する監視に適している。
実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号を出力する方が、輪郭に偽色が付きにくい。状況が変化する可能性が高い監視に適している。
【実施例５】
【００３９】
上記の水平画素加算と組み合わせると、高感度化の効果が高まる雑音低減方法と増幅度向上を実施例５として、以下に記述する。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１のＣＰＵ４の動作クロック（約１２ＭＨｚ）を整数Ｋ：整数Ｌの比としてＣＣＤクロック（960Hでは約１８ＭＨｚ）とに同期させる。奇数画素加算対応の色分離部と多画素輪郭補正部とを含む映像信号処理部５と読出垂直転送駆動部(Ｖ−ＴＧ）６とＤ／Ａ８とＡＦＥ１２とＣＭＧ駆動部１５と水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）１９とは元々ＣＣＤクロックに同期している。
そうすれば、固定雑音は、ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの飛び込みと、撮像素子のフォトダイオードの暗電流が主因である。したがって、残る固定雑音となる飛び込みは画素電荷加算で増幅されないから、画素電荷加算分、信号比低減する。しかし、上下走査線との平均や画面間の平均では、固定雑音は減衰しない。
【００４０】
ＣＰＵと映像信号処理とＴＧ等（ＦＰＧＡに統合可能な）論理回路のＣＭＯＳスイッチングの貫通電流は、論理回路内のＣＭＯＳを構成するＭＯＳ−ＦＥＴのゲートスレッシュホールド電圧の温度変化とgmの温度変化と、前記論理回路の電源のデカップリングコンデンサの温度変化等とによる温度変化はある。しかし、撮像素子のフォトダイオードの暗電流の温度変化と比較すれば、温度変化は少ない。つまり論理回路の温度は撮像素子の温度で代用しても精度の劣化は少ない。また、上記の水平画素加算で暗電流も加算され、暗電流むらが画面で目立ってしまう。
そこで、本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１において、撮像素子の温度検出手段の温度センサ７を有し、６℃上昇で約２倍になる全画素の暗電流を記憶する画面メモリＭ９と、ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの飛び込みを記憶する画面メモリＭ１０と、の温度での変化に対応した複数の固定雑音を記憶する画面メモリを有し、測定した撮像素子温度に合わせて、６℃上昇で約２倍になる全画素の暗電流の補正値と、温度での変化の少ないＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みの補正値とを加算器５０で加算してからＤ／Ａ８とリセット付ＣＤＳ２０とで画素電荷信号に加算して、６℃上昇で約２倍になる全画素の暗電流と、温度での変化の少ないＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みとを補正してセット付きＣＤＳ２０で水平画素電荷信号を加算する。水平画素加算で暗電流も加算されても、暗電流は補正されており、暗電流むらが画面で目立たない。
また、図示しないが、水平画素電荷信号を加算してからＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路からの全画素の飛び込みを補正しても良い。
全画素の暗電流補正と論理回路からの全画素の飛び込み補正とにより、固定雑音が低減するので、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅と映像信号処理部５でのデジタルゲインアップと組み合わせると、高感度化の効果が高まる。
【００４１】
スイッチング電源からの飛び込みは、主スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴのturn-onが早すぎて、ダイオードまたは相補スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴのturn-offの前に主スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴがturn-onして主と相補とのスイッチング素子が同時onとなり貫通電流が流れるのが主因である。したがって、ＭＯＳ−ＦＥＴの制御電極電圧のバイアスをoff側にシフトし、ＭＯＳ−ＦＥＴの制御電極電圧の駆動インピーダンスをturn-on側はturn-off側よりも高くして、turn-onを遅くして、貫通電流を低減する。
【００４２】
ＣＣＤ水平転送駆動回路とＡＦＥと前記論理回路との個々の回路の電源端子の直近にベタアースとのデカップリングコンデンサにＢ特性等温度特性の良い積層セラミックコンデンサ0.01μFから0.1μFを有して、ＣＤＳ動作周波数の18x3=54MHzの電源インピーダンスを低くする。
個々の電源または近接配置してあれば共通の電源のデカップリングコンデンサにＢ特性等温度特性の良い積層セラミックコンデンサまたは導電高分子コンデンサまたはタンタルコンデンサまたはニオブコンデンサ等温度特性の良い低インピーダンスコンデンサ4.7μF以上を有し、水平帰線期間（Ｈ．ＢＬ）約11μSの周期約９０kHzの電源インピーダンスが低くすれば、ＣＤＳのパルスの位相ゆらぎが低減し、１／ｆ雑音がＣＤＳでほぼ完全に低減できる。
【００４３】
電子シャッターパルス印可するＣＣＤの基板（ＳＵＢ）と基板駆動回路との間にフェライトビーズ直列挿入し、電子シャッターパルスの不要な高周波数成分を制限して配線間での飛び込み雑音を低減し、Ｈ．ＢＬ内の電子シャッターパルスの主成分のみ通過させ、基板駆動回路の電源のデカップリングコンデンサにＢ特性積層セラミックコンデンサまたは導電高分子コンデンサまたはタンタルコンデンサ等温度特性の良い低インピーダンスコンデンサ4.7μF以上を有し、Ｈ．ＢＬ約11μSの周期約９０kHzの電源インピーダンスが低くすれば、電子シャッターの電源と接地経由での飛び込み雑音が低減できる。
上記の電源インピーダンス低減による飛び込み雑音低減と、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅と映像信号処理部５でのデジタルゲインアップと組み合わせると、高感度化の効果が高まる。
【００４４】
本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳを示すブロック図の図２Ｃのリセット付ＣＤＳ２０は一般に、入力バッファ６１と中間バッファ６４と出力バッファ６８とはエミッタフォロワである。クランプ結合容量６２は47pF程度で、積分容量（Cl）６７は約33pF程度である。クランプスイッチ（Qq）６３とサンプルホールドスイッチ（Qs）６５とリセットスイッチ（Qr）６６とはＭＯＳ−ＦＥＴから構成される。リセットスイッチ６６を駆動するリセットパルスを奇数Ｎ周期間引けば、水平奇数Ｎ画素加算となる。リセット付ＣＤＳ２０はＡＦＥ１２に集積されても構わない。
本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳの動作を示す模式図の図３Ｅの(a)サンプルホールドスイッチQsの導通時間での積分容量CｌのインピーダンスがサンプルホールドスイッチQsの導通抵抗と同等の場合と、(b)サンプルホールドスイッチQsの導通時間での積分容量CｌのインピーダンスがサンプルホールドスイッチQsの導通抵抗の1/2の場合と、(c)サンプルホールドスイッチQsの導通時間での積分容量CｌのインピーダンスがサンプルホールドスイッチQsの導通抵抗の1/4の場合のように、サンプルホールドスイッチ６５の導通抵抗に対し積分容量６７の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くして、サンプルホールド時間の周波数での積分容量６７のインピーダンスを小さくすれば、ＣＤＳ出力信号振幅は小さくＡＧＣ増幅度0の場合の感度は(a)に対し(b)で約93％(c)で約60％と少し下がるが、ＣＤＳ出力の１／ｆ雑音がより小さくなり、ＣＤＳ出力の信号雑音比（Ｓ／Ｎ）が高くなる。そこで、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅度最大で、ＡＦＥ１２内の１４bitＡ／Ｄ後の映像信号処理部５でのビットシフトのデジタルゲインアップした場合のＳ／Ｎが向上し、実効感度は高くなる。リセット付ＣＤＳ２０での奇数Ｎ画素加算はＳ／Ｎは一定で、リセット付ＣＤＳ２０の出力信号振幅は大きくなる。感度が高い非特許文献１のＩＴ−ＣＣＤと組み合わせると、ＣＤＳ出力信号振幅は小さくＡＧＣ増幅度0の場合の感度は下がることが補えるので、非常に実効感度は高くなる。特に、１／ｆ雑音を低減するリセット付ＣＤＳ２０と１／ｆ雑音を低減するＡＦＥ１２とを直列接続すれば、より実効感度は高くなる。また、実施例４の多画素輪郭補正と組み合わせれば、輪郭補正量を少なく変調度低下が補正でき、雑音の増加特に高域雑音の増加を低減できる。また、レンズの絞り開放や望遠端などで、低周波数から変調度が低下していても、変調度低下が補正でき、映像信号の輪郭が再現できる。したがって、さらに実効感度は高くなる。また、非特許文献１のＩＴ−ＣＣＤは飽和信号量も従来の１０００ｍＶから１４００ｍＶと高いので、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅度を低下すれば約3ｄＢ従来より高い入射光量にも対応でき、鮮明なカラー撮像の実効的な感度の可変範囲がより拡大し、監視用途が広がる。より高い入射光量に対応できるので、ＣＣＤの飽和信号量はより高い方が好ましい。
【００４５】
したがって、撮像装置に感度が高く飽和信号量もおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤとリセット付ＣＤＳ２０と１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ機能付の映像信号処理部５とを用い、リセット付ＣＤＳ２０で奇数Ｎ画素加算し、リセット付ＣＤＳ２０のサンプルホールドスイッチ６５の導通抵抗に対し積分容量６７の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くして、サンプルホールド時間の周波数での積分容量６７のインピーダンスを小さくすることと、１４bitＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅と、映像信号処理部５でのデジタルゲインアップと、を組み合わせると非常に実効感度は高くなる。デジタルゲインアップ機能はＡＦＥ１２内に存在していても構わない。
つまり、実施例５の技術同士を自由に組み合わせて実施することにより、固定雑音を低減し、飛び込み雑音を低減し、１／ｆ雑音を低減し、色を維持して実効的に感度を向上する。
また、実施例１から実施例５の技術は、上記説明や図示の組み合わせの例に限らず、個々の技術を自由に組み合わせて適用できる。実施例１から実施例５の技術の組み合わせにより、感度を向上するだけでなく、固定雑音を低減し、１／ｆ雑音を低減し、色を維持して実効的に感度を向上することが可能である。
【００４６】
非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤを用いて実施例１から実施例３の水平画素加算による高感度化と、実施例５の固定雑音と１／ｆ雑音との低減とによる実効的な高感度化を組み合わせれば、１／３型で色を維持して超高感度が実現する。さらに、実施例４の多画素輪郭補正による変調度低下の補正と組み合わせれば、高倍率望遠ズームレンズの望遠端の変調度低下と開放口径比低下とが許容できる。したがって、非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤと、実施例１から実施例３の高感度化と、実施例４の変調度低下補正と、実施例５の雑音低減と、非特許文献２の１／３型で小型低価格の５５倍望遠ズームレンズと、を組み合わせれば、国境監視に要求される窒素封入の雲台も小型低価格となり、総合的に小型低価格な超高感度のカラー監視装置が実現できる。
【実施例６】
【００４７】
上記の水平画素加算の構成を応用する感度低減方法を実施例６として、以下に記述する。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１において、ＣＣＤ撮像素子の出力の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳ２０と水平同期発生部１９とが有る。リセット付ＣＤＳ２０のＣＤＳリセットパルス位相を可変すれば、信号雑音比は一定で、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅が可変し、感度が可変となる。そこで、水平同期発生部１９で発生するＣＤＳリセットパルス位相をＣＰＵ４制御で可変とする。特に、リセット付ＣＤＳ２０とＡＦＥ１２とを直列接続すれば、リセットパルス位相を可変しても、ＡＦＥ１２により再度サンプルホールドされるので、変調度は変化しない。つまり、鮮明なカラー撮像の実効的な感度の可変範囲がより拡大し、監視用途が広がる。
雪や氷地面を覆っている晴天や夏至の晴天下の撮像等で、異常に入射光量の平均値の多いＣＣＤ撮像素子の出力の平均値の異常に多い信号電荷を入力した前記リセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相を進めて、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅を小さくし、感度を低減する。その結果、ＥＭ−ＣＣＤ等の電子シャッタ速度をあまり高速にできない撮像素子や、非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤ等の高感度すぎる撮像素子でも、感度低減が容易になり、変調度が低下するかまたは高価となるスポットＮＤフィルタまたは色温度変換フィルタやＮＤフィルタを入れ替える高価なリモートフィルタディスクが不要になる。その結果、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。
【００４８】
実施例６は、本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１に限らず、ＣＤＳリセットパルス位相を可変する水平同期発生部と、ＣＣＤ撮像素子の出力の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳとがあれば良い。そこで、色分解光学系と３ヶ以上のＣＣＤ撮像素子と３ヶ以上のリセット付ＣＤＳとを用いた固体撮像装置においても、ＣＤＳリセットパルス位相を個別に可変する水平同期発生部とがあれば適用可能である。
ナトリウムランプ等のＣＣＤ撮像素子の分光感度の高い赤や緑に偏った照明、あるいは青色発光ダイオード等単色の照明下において、色分解光学系と３ヶ以上のＣＣＤ撮像素子を用い各色で共通の電子シャッタ駆動回路を備える固体撮像装置が撮影に用いられた場合は、照明の多く偏った色や単色照明の色のＣＣＤ撮像素子の入射光量とＣＣＤ撮像素子の出力との平均値が、他の色のＣＣＤ撮像素子の入射光量とＣＣＤ撮像素子の出力の平均値と比較して、異常に多くなる。そこで、平均値の多い入射光量の色のリセットパルスの位相を進めて、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅を小さくし、感度を低減する。平均値の少ない入射光量の色のリセットパルスの位相を遅らせて、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅を大きくし、感度を増加させても良い。つまり、各固体撮像素子への入射光量とＣＣＤ撮像素子の出力との平均値と、各固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのリセットパルスの位相の進相と、を比例させれば良い。各色で共通の電子シャッタ駆動回路を備えても、各色のリセット付ＣＤＳの出力信号振幅の平均値を均等に近づけることができ、ＡＧＣが感度可変に有効活用でき、オートホワイトで対応できる色温度範囲や、ＡＧＣで対応できる入射光量の範囲が拡張できる。
実施例５のサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対し、積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さく、ＣＤＳ出力信号振幅は小さくし、ＡＧＣ増幅度0の場合の感度を下げる技術と、リセットパルスの位相可変の技術と、を組み合わせれば、さらに対応できる入射光量の範囲が拡張できる。特にリセットパルスの位相可変を、固体撮像素子への入射光量または固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と、上記固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させるとすれば、自動制御で対応できる入射光量の範囲が拡張できる。リセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相と非特許文献１の感度が高く飽和信号量もおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤとを組み合わせれば、更に自動制御で対応できる入射光量の範囲が拡張できる。
そのため、色温度変換フィルタやＮＤフィルタを入れ替える高価なリモートフィルタディスクが不要になる。また、ナトリウムランプや青色発光ダイオード等照明の自由度が拡張される。さらに、ＥＭ−ＣＣＤ等の電子シャッタ速度をあまり高速にできない撮像素子や、非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤ等の高感度すぎる撮像素子でも、感度低減が容易になり変調度が低下するかまたは高価となるスポットＮＤフィルタが不要になる。その結果、色分解光学系と３ヶ以上のＣＣＤ撮像素子と３ヶ以上のリセット付ＣＤＳとを用いた固体撮像装置においても、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。
【００４９】
実施例１から実施例６の技術は、上記説明や図示の組み合わせの例に限らず、個々の技術を自由に組み合わせて適用できる。
実施例１から実施例３の高感度化と、実施例５の雑音低減による実効的な高感度化と、実施例６の感度低減と、を組み合わせれば、感度の可変範囲が拡大し、照明の自由度が拡張され、色を維持することができる。そのため、変調度が低下するかまたは高価となるスポットＮＤフィルタまたは色温度変換フィルタやＮＤフィルタを入れ替える高価なリモートフィルタディスクが不要になる。その結果、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。さらに実施例４の変調度低下補正と組み合わせれば、レンズの収差による絞り値開放端付近の変調度低下も、レンズの回折による絞り値閉塞端付近の変調度低下も、補正して許容でき、さらに、感度の可変範囲を拡大し色を維持することができる。
簡易には、実施例１から実施例３の高感度化と実施例６の感度低減とを組み合わせても、実施例５の雑音低減による実効的な高感度化と実施例６の感度低減とを組み合わせても、感度の可変範囲を拡大し色を維持することができる。
【００５０】
実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号を出力する方が、輪郭に偽色が付きにくい。そこで、実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号を出力し、実施例４の変調度低下補正と、実施例５の雑音低減による実効的な高感度化と、実施例６の感度低減と、を組み合わせれば、状況が大きく変化する監視に適している。
【００５１】
本発明は、低価格なＣＣＤを用いて、高感度なカラー画像を取得することと感度の可変範囲を拡大し色を維持することができ、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。そのため、発電所や変電所や鉄道線路または道路等の広範囲の監視に適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１，２１，２２，２３：撮像装置、２：レンズ、４：ＣＰＵ、
５：奇数画素加算対応の色分離部と多画素輪郭補正部とを含む映像信号処理部、
６：読出垂直転送駆動部(Ｖ−ＴＧ）、7：温度センサ、８：Ｄ／Ａ、
９：ＥＭ−ＣＣＤ、１２：ＡＦＥ、
１５：ＣＭＧ駆動部、１６：冷却部、１７：冷却駆動部、１８：ＩＴ−ＣＣＤ、
１９：水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）、２０：リセット付ＣＤＳ、
２４：映像信号処理部、２５：奇数画素加算色分離部、２６：多画素輪郭補正部、
２７：映像レベル判定部、２８：画素遅延６ヶ部、
２９，３０：輪郭信号生成部、
４０〜４１：ｂｉｔシフト部（１／２乗算器）、４４：加算器、４２〜４３：減算器，
５０〜５８：加算器、
５９：小振幅大振幅の圧縮制限器、６０：正負と増幅度を可変する掛け算器、
Ｍ１〜Ｍ８：ラインメモリ、Ｍ９：暗電流画面メモリ、Ｍ１０：飛び込み画面メモリ、
３７〜３９：奇数画素遅延部、Ｎ０〜Ｎ６：負の掛け算器、Ｐ３：正の掛け算器、
６１：入力バッファ（Bi）、６２：クランプ結合容量（Cci）、６３：クランプスイッチ（Qq）、
６４：中間バッファ（Bm）、６５：サンプルホールド（セット）スイッチ（Qs）、
６６：リセットスイッチ（Qr）、６７：積分容量（Cl）、６８：出力バッファ（Bo）、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像素子を有する撮像装置の感度向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ（Charge-Coupled-Device）撮像素子は固体撮像素子の中でも感度が高く暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素が少ないが、高温度時や高感度撮像時や蓄積時は白キズが多い。さらにＣＣＤ撮像素子の近赤外感度を高くすると、フォトダイオードが深くなり白キズが増加する。そのため、蓄積動作で感度を向上させると、さらに白キズが増加する。そのため、実効感度向上が制限される。
【０００３】
そこで、従来、オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラーテレビジョンカメラにおいて、夜間の高感度白黒撮影時に、高感度撮像を実現するため、水平２画素加算し、輪郭強調周波数を低下させ、高感度撮像の雑音を低減させていた（特許文献１参照）。
【０００４】
また、デジタル信号処理回路の集積化が進み、複数ラインの出力信号を記憶し算術処理することが、映像専用のメモリ集積ＤＳＰだけでなく、安価な汎用のＦＰＧＡ(Field-Programmable-Gate-Array)でも容易に実現できる様になった。ノイズ低減の対象画素に関して、周囲の画素との関連性から、信号成分かノイズ成分かを判断し、対象画素と、一定方向の隣接する画素とで信号レベル比較を行い、信号レベル差が判定基準値未満であれば、対象画素の信号レベルが信号成分であると判定し、信号レベル差が所定の値以上では、ノイズ成分と判定している（特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、ＣＣＤから出力された信号から雑音を除去するＣＤＳ（Correlated-Double-Sampling）と暗電流補正と利得可変増幅回路（Automatic-Gain-Control以下ＡＧＣ）とデジタル映像信号Ｖｉに変換するＡＤＣ（Analog-Digital- Converter）とを内蔵したＡＦＥ（Analog-Front-End）が普及し、ＡＦＥのＡＤＣ階調は従来１０ビットだったが、１２ビットや１４ビットが一般化し、１６ビットも製品化された。ＡＤＣを２２ビットとし、ＡＧＣをＡＤＣの後に配置したＡＦＥも製品化された。
【０００６】
Inter LineＣＣＤ撮像素子（以下ＩＴ−ＣＣＤ）は単価が安い割に感度が高い。特に最近は、画面対角８ｍｍ（１／２型）や画面対角６ｍｍ（１／３型）の水平公称７６０画素のＣＣＤ撮像素子より高感度で飽和信号量も従来の１０００ｍＶから１４００ｍＶと高い、画面対角６ｍｍ（１／３型）画面アスペクト比４：３のＣＣＤ撮像素子で垂直公称４８５（有効４９４）画素または垂直公称５７５（有効５８２）画素で、水平公称９６０（有効９７２）画素のＣＣＤ撮像素子が発表された（非特許文献１参照）。また、１／３型用の小型低価格の５５倍望遠ズームレンズも開発された（非特許文献２参照）。
電子増倍型ＣＣＤ撮像素子（Electron-Multiplying-ＣＣＤ以下ＥＭ−ＣＣＤ）は、電子冷却部と組み合わせて感度を高くできるため、可視光と近赤外光の夜間の撮影用の照明なしの準動画監視が可能となった。ただし、高感度なＩＴ−ＣＣＤもＥＭ−ＣＣＤも暗電流が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１０２０２１
【特許文献２】特開２００２−２４７４１２
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】水平９６０画素カラーＣＣＤ撮像素子ＩＣＸ６７２ＡＫＡ／ＩＣＸ６７３ＡＫＡ ソニーCX-PAL Vol.85 2010.07 http://www.sony.co.jp/Products/SC-HP/cx_pal/vol85/pdf/cxd4127_4816gg.pdf
【非特許文献２】タムロン1/3型6-330mmF/1.8ズームレンズDF014 http://www.tamron.co.jp/news/release_2010/0510.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、ＣＣＤ撮像素子から出力される画像信号の感度の可変範囲を拡大し色を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するため、オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、各走査線で水平画素信号電荷加算の組み合わせを正の順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、画素信号の左右加算で疑似輝度信号（２Ｙ＋Ｇ等）を算出し、画素信号の正の順番方向の上下の斜め減算で疑似色差信号（２Ｒ−Ｇ等）を算出し、前記疑似輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記疑似輝度信号の高周波数成分で補間することと、前記疑似輝度信号と前記疑似色差信号との演算により、輝度信号（７．５Ｙ等）と色差信号（２Ｒ−２Ｙ等）とを算出し、前記輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記輝度信号の高周波数成分で補間することと、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法である。
【００１１】
さらに上記の撮像方法において、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の走査線映像信号から垂直輪郭補正信号を作成し、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の画素遅延映像信号から水平輪郭補正信号を作成し、前記垂直輪郭信号と前記水平輪郭信号とを映像信号に加算することを特徴とする撮像方法である。
さらに上記の撮像方法において、リセット付ＣＤＳと１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ手段とを用い、前記リセット付ＣＤＳで上記３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算の実施を行い、前記リセット付ＣＤＳのサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対しリセット付ＣＤＳの積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さくすることと、前記１２bit以上のＡＦＥ内のＡＧＣ増幅と、デジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップと、を組み合わせることを特徴とする撮像方法である。
さらに上記の撮像方法において、上記固体撮像素子に飽和信号量がおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤを用いることと、（上記固体撮像素子への入射光量または）上記固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と上記固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させること、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法である。
さらに上記の撮像方法において、全画素の暗電流を補正して水平画素信号電荷を加算するか水平画素信号電荷を加算してから全画素の暗電流を加算して補正することと、固体撮像素子クロックに同期している論理回路からの全画素の飛び込みを補正して水平画素電荷信号を加算するか水平画素電荷信号を加算してから固体撮像素子クロックに同期している論理回路からの全画素の飛び込みを補正することと、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法である。
【００１２】
また、オンチップカラーフィルタ付き（水平有効約９７２等）水平公称約９６０画素以上のＩＴ−ＣＣＤ撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、上記ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子の信号電荷を入力するクランプ機能とサンプルホールド（セット）機能とリセット機能を有する相関二重サンプリングホールド手段（Correlated Double Sampling-hold：ＣＤＳ）と、３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する手段と、アナログーデジタル変換する手段と、該デジタル変換した信号を水平周期遅延する手段と、該デジタル変換した信号を画素単位で遅延する手段と、該デジタル変換した信号を加算する手段と、該デジタル変換した信号を減算する手段とを有し、上記ＣＤＳにおいて３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、上記アナログーデジタル変換する手段においてアナログーデジタル変換後に、前記水平周期遅延する手段と前記画素単位で遅延する手段と前記加算する手段と前記減算する手段とを用いて、該デジタル変換した画素信号の左右加算で疑似輝度信号を算出し、該デジタル変換した画素信号の順番方向と正負の斜め減算で疑似色差信号を算出することを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１３】
または、オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、上記ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子の信号電荷を入力するクランプ機能とサンプルホールド機能とリセット機能を有する相関二重サンプリングホールド手段（Correlated Double Sampling-hold：ＣＤＳ）とアナログーデジタル変換する手段と水平周期遅延する手段と画素単位で遅延する手段と上下走査線の輝度信号の高周波数成分を抽出する手段を有し、上記ＣＤＳにおいて３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算し、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、左右加算で疑似輝度信号（２Ｙ＋Ｇ等）を算出し、組み合わせを順番方向と正負の斜め減算で疑似色差信号（２Ｒ−Ｇ等）を算出し、前記疑似輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記疑似輝度信号の高周波数成分で補間すること、
前記疑似輝度信号と前記疑似色差信号との演算により、輝度信号（７．５Ｙ等）と色差信号（２Ｒ−２Ｙ等）とを算出し、前記輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記輝度信号の高周波数成分で補間すること、の少なくとも一つを行うことを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１４】
さらに上記において、水平画素電荷信号加算する画素数＋２以上の２Ｎヶの水平周期遅延手段と、水平画素電荷信号加算する画素数＋２以上の２Ｍヶとすると画素周期遅延手段を２Ｎ×２Ｍヶと、遅延しない映像と２Ｎヶの水平周期遅延の映像信号とから垂直輪郭信号を生成する手段と、Ｎ水平周期遅延した映像信号とＮ水平周期遅延した映像信号を画素周期遅延した２Ｍヶの映像信号とから水平輪郭信号を生成する手段と、垂直輪郭信号と水平輪郭信号とを映像信号に加算する手段とを有し、少なくとも３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する場合には、前記垂直輪郭信号と前記水平輪郭信号とをＮ水平周期とＭ画素遅延した映像信号に加算することと、全画素の暗電流を補正して水平画素電荷信号加算するか水平画素電荷信号加算してから全画素の暗電流を加算して補正することと、の少なくとも一つを行うことを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１５】
さらに上記において、撮像素子の温度検出手段を有し、ＣＰＵの動作クロック（約１２ＭＨｚ）をＣＣＤクロック（９６０Ｈで約１８ＭＨｚ）と整数Ｋ：整数Ｌの比としてＣＣＤクロックとに同期させ、（６℃上昇で約２倍になる）全画素の暗電流を記憶する画面メモリと、前記ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの（温度での変化の少ない）飛び込みを記憶する画面メモリと、の温度での変化に対応した複数の固定雑音を記憶する画面メモリを有し、検出した撮像素子温度に合わせて、全画素の暗電流の補正値と、前記ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと前記元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みの補正値とを加算してから画素電荷に加算して、全画素の暗電流と、前記ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと前記元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みとを補正することと、上記固体撮像素子に飽和信号量もおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤを用い、リセット付ＣＤＳと１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ手段とを用い、前記リセット付ＣＤＳで上記３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算の実施を行い、前記リセット付ＣＤＳのサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対しリセット付ＣＤＳの積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さくすることと、前記１２bit以上のＡＦＥ内のＡＧＣ増幅と、デジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップと、を組み合わせることと、の少なくとも一つを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【００１６】
または、1つ以上のＣＣＤ撮像素子を用いたカラー固体撮像装置において、前記ＣＣＤ撮像素子の出力の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳと該リセット付ＣＤＳの各ＣＤＳリセットパルス位相を可変する水平同期発生部とを有し、（前記固体撮像素子の各固体撮像素子への入射光量と）前記固体撮像素子の各固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と該固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させることを特徴とするカラー固体撮像装置である。
【発明の効果】
【００１７】
上記の様に本発明によれば、ＣＣＤ撮像素子から出力される画像信号の感度の可変範囲を拡大し色を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図
【図２Ａ】本発明の一実施例の映像信号処理部の奇数画素加算対応の色分離部を示すブロック図
【図２Ｂ】本発明の一実施例の映像信号処理部の多画素輪郭補正部を示すブロック図
【図２Ｃ】本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳを示すブロック図
【図３Ａ】本発明の１実施例の水平３画素加算動作を示す模式図
【図３Ｂ】本発明の１実施例の水平５画素加算動作を示す模式図
【図３Ｃ】本発明の１実施例の水平７画素加算動作を示す模式図
【図３Ｄ】本発明の１実施例の多画素輪郭補正動作を示す模式図
【図３Ｅ】本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳの動作を示す模式図
【図４】従来技術の動作を示す模式図
【図５】従来技術の全体構成の撮像装置を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１を用いて本発明の一実施例の全体構成を説明し、本発明の１実施例の動作を示す模式図の図３を用いて説明し、本発明の一実施例の映像信号処理部の画素補間部を示すブロック図の図２を用いて本発明の一実施例の詳細を説明する。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１において、１は撮像装置、２は入射光を結像するレンズ等の光学系で、４は撮像装置１内の各部とレンズ２とを制御するＣＰＵ（Central-Processing-Unit）である（ＣＰＵから各部への制御線は全ては図示せず）。
【００２０】
また図１において、６は読出垂直転送駆動部(Ｖ−ＴＧ）で、９はＥＭ−ＣＣＤで1８はＩＴ−ＣＣＤ等のＣＣＤ撮像素子で、９と１８とは光学系２から入射した光を電気信号に変換する。１２はＥＭ−ＣＣＤまたはＣＣＤ撮像素子から出力された信号から雑音を除去するＣＤＳと暗電流補正と信号の利得を調整するＡＧＣとデジタル映像信号Ｖｉに変換するＡＤＣと水平同期発生部(Timing-Generator：ＴＧ)からなるＡＦＥ（Analog Front End）である。但し、ＡＧＣやＴＧがＡＦＥに含まれない構成を用いてもよい。さらに１５はＣＭＧ駆動部で１６は冷却部で１７は冷却駆動部であり、１９は水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）で２０はリセット付ＣＤＳである。さらに、７は温度センサ、Ｍ９は暗電流画面メモリ、８はＤ／Ａであり、温度センサ７の検出したＣＣＤの温度に基づき、暗電流画面メモリＭ９から全画素の暗電流補正値を発生し、Ｄ／Ａ８経由でリセット付ＣＤＳ２０で暗電流を補正する。画素加算時も、ＣＣＤの温度に基づき全画素の暗電流をリセット付ＣＤＳ２０で暗電流を補正してから画素加算する。
また図１において、４は奇数画素加算色分離部と多画素輪郭補正部とを含む映像信号処理部であり、１２のＡＦＥから出力された信号に種々の映像処理を施しＮＴＳＣ（National-Television-System-Committee）方式またはＰＡＬ（Phase-Alternating-by-Line）方式の複合映像信号（Video-Burst-Sync以下ＶＢＳ）またはＳＤＩ（Serial-Digital-Interface）映像信号、あるいはＨＤＴＶのＳＤＩ（ＨＤ−ＳＤＩ）等の所定方式の映像信号に変換して出力する映像信号処理部である。リセット付ＣＤＳ２０で暗電流を補正しない場合は、映像信号処理部４で、温度センサ７の検出したＣＣＤの温度に基づき、全画素の暗電流補正値を発生し、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ分を補正してから、画素加算分暗電流補正値を加算してから映像信号を補正することにより、全画素の暗電流を補正してから画素加算することと等価の補正を行う。
【００２１】
本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳを示すブロック図の図２Ｃにおいて、６１は入力バッファ（Bi）、６２はクランプ結合容量（Cci）、６３はクランプスイッチ（Qq）、６４は中間バッファ（Bm）、６５はサンプルホールド（セット）スイッチ（Qs）、６６はリセットスイッチ（Qr）、６７は積分容量（Cl）、６８は出力バッファ（Bo）である。
【００２２】
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１と、従来技術の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図５との相違は、は水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）１９とリセット付ＣＤＳの２０と温度センサ７と暗電流画面メモリＭ９とＤ／Ａ８が追加され、映像信号処理部５に、奇数画素加算対応の色分離部の２５と多画素輪郭補正部の２６とを含むことである。
【００２３】
本発明の一実施例の映像信号処理部の奇数画素加算対応の色分離部を示すブロック図の図２Ａにおいて、Ｍ７〜Ｍ８はラインメモリ、３７〜３９は奇数画素遅延部、４０〜４１はｂｉｔシフト部（１／２乗算器）、４４は加算器、４２〜４３は減算器、である。
【００２４】
本発明の一実施例の映像信号処理部の奇数画素加算対応の色分離部を示すブロック図の図２Ａと、本発明の１実施例の水平３画素加算動作を示す模式図の図３Ａとにおいて、Ｎとｍとを０以上の整数としｍ−３とｍ−２と垂直加算する走査線では３Ｎ＋１，３Ｎ＋２，３Ｎ＋３の画素の信号電荷を水平３画素加算し、ｍ−１とｍと垂直加算する走査線では３Ｎ＋２，３Ｎ＋３，３Ｎ＋４の画素の信号電荷を水平３画素加算し、ｍ＋１とｍ＋２と垂直加算する走査線では３Ｎ＋３，３Ｎ＋４，３Ｎ＋５の画素の信号電荷を水平３画素加算する。
Ｈ−ＴＧを非加算の通常水平転送駆動の一つにして、高速論理ＩＣでリセットパルスを間引いて水平３画素の信号電荷を加算しても良い。
【００２５】
Ｃｙ＋Ｙｅ＋Ｍｇ＋Ｇ＝２Ｙ＋Ｇなので、各３画素加算は２ＹＧＣｙＭｇ＝３ＹＣｙ、２ＹＧＹｅＭｇ＝３ＹＹｅ、２Ｙ２ＧＹｅ、２Ｙ２ＧＣｙとなる。
左右加算で ３ＹＣｙ＋２Ｙ２ＧＹｅ＝６Ｙ３Ｇとなり、水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。下記色分離した２Ｇ−Ｙを１．５倍して減算すれば７．５Ｙと輝度信号も算出できる。
輝度信号は上下走査線の信号を補間すれば、水平画素加算前の１画素単位の輝度信号解像度が維持できる。
【００２６】
加算画素の組み合わせの走査線ごとの順次移動に合わせ、上と平均と下と平均とをさらに平均して加算画素位置のＣｙとＹｅとＭｇとＧをと色分離する。
斜め加算で、２Ｙ２ＧＹｅ＋２Ｙ２ＧＣｙ＝５Ｙ５Ｇとなる。減算すれば２Ｙ２ＧＹｅ−３ＹＹｅ＝２Ｇ−Ｙとなり疑似色差信号が算出できる。７．５Ｙを１／７．５に減衰して減算すれば２Ｇとなり色信号が算出できる。
【００２７】
３ＹＹｅ＋２Ｙ２ＧＹｅ＝５Ｙ２ＧＹｅとなり、減算すれば２Ｙｅ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｙｅ−３Ｇ＝２Ｒ−Ｇとなり疑似色差信号が算出できる。
さらに＋Ｇ−２Ｙを加算すれば２Ｒ−２Ｙとなり色差信号が算出できる。
３ＹＣｙ＋２Ｙ２ＧＣｙ＝５Ｙ２Ｇ２Ｃｙとなり、減算すれば２Ｃｙ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｃｙ−３Ｇ＝２Ｂ−Ｇとなり疑似色差信号が算出できる。
さらに＋Ｇ−２Ｙを加算すれば２Ｂ−２Ｙとなり色差信号が算出できる。
【００２８】
各加算画素の位置で色分離したＣｙとＹｅとＭｇとＧを減算した演算結果の各加算画素の位置の２Ｙを上下補間して、輝度信号とすれば、水平解像度は、加算前の画素単位となる。
つまり、水平３画素の信号電荷を加算することにより、雑音はそのままで、感度は３倍（＋９ｄＢ）になる。水平解像度も加算前の水平画素数の分を確保できる。斜め解像度は１／３に低下する。色分離も可能で、カラー撮像を維持できる。
実施例１の水平３画素加算を前述の非特許文献１の画面対角６ｍｍ（１／３型）画面アスペクト比４：３の高感度な水平公称９６０（有効９７２）画素のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称３２０（有効３２４）画素となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素の約１４％低下であり、変調度低下も約１４％低下で済み、許容できる。又、ＣＣＤクロックが１８ＭＨｚであり、３画素加算して左右平均してもクロックが３ＭＨｚ相当で色帯域は１．５ＭＨｚとなる。つまり、ＮＴＳＣやＰＡＬの高帯域色差信号帯域の１．５ＭＨｚが確保できる。さらに、より多い水平画素の固体撮像素子に適用すれば、変調度低下も実用上問題なくなる。
【００２９】
また、水平公称９６０（有効９７２）以上の画素のＣＣＤ撮像素子であれば、図示しないが、３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する手段とアナログーデジタル変換する手段と水平周期遅延する手段と画素単位で遅延する手段とを有し、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを固定して３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算し、アナログーデジタル変換後に、左右加算で３ＹＣｙ＋２Ｙ２ＧＹｅ＝６Ｙ３Ｇとなり、従来の水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。左右の斜め減算すれば２Ｙｅ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｙｅ−３Ｇ＝２Ｒ−Ｇ、２Ｃｙ−Ｇ−Ｙ−（２Ｇ−Ｙ）＝２Ｃｙ−３Ｇ＝２Ｂ−Ｇとなり、従来の水平画素加算しないで垂直画素加算して左右の斜め減算の２Ｒ−Ｇ、２Ｂ−Ｇと同一の疑似色差信号が算出できる。
つまり、水平公称９６０（有効９７２）以上の画素のＣＣＤ撮像素子であれば、各走査線で水平画素電荷信号加算の組み合わせを順番に変えていかない簡易方式でも、一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素の約１４％低下であり、変調度低下も約１４％低下で済み、許容できる。色帯域は１．５ＭＨｚとなり、実用上問題ない。つまり、高感度なカラー撮像が可能となる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の１実施例の水平５画素加算動作を示す模式図の図３Ｂにおいて、５画素加算は、５ＹＧＣｙ、５ＹＧＹｅ、４ＹＹｅ３Ｇ、４ＹＣｙ３Ｇとなる。
斜め加算で、５ＹＧＣｙ＋５ＹＧＹｅ＝１０Ｙ３Ｇとなり、水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。減算すれば４ＹＹｅ３Ｇ−５ＹＧＹｅ＝２Ｇ−Ｙとなり疑似色差信号が算出できる。１０Ｙ３Ｇを１／１０に減衰して減算すれば１．７Ｇとなり色信号が算出できる。
【００３１】
水平５画素の信号電荷を加算することにより、雑音はそのままで、感度は５倍（約＋１４ｄＢ）になる。水平解像度と斜め解像度は低下する。色分離も可能で、より高感度なカラー撮像が可能となる。
【実施例３】
【００３２】
本発明の１実施例の水平５画素加算動作を示す模式図の図３Ｃにおいて、７画素加算は、７Ｙ２ＧＣｙ、７Ｙ２ＧＹｅ、６ＹＹｅ４Ｇ、６ＹＣｙ４Ｇとなる。
斜め加算で、７Ｙ２ＧＣｙ＋７Ｙ２ＧＹｅ＝１５Ｙ５Ｇとなり、水平画素加算しないで垂直画素加算して左右加算での２ＹＧと同様の疑似輝度信号が算出できる。減算すれば、６ＹＹｅ４Ｇ−７Ｙ２ＧＹｅ＝２Ｇ−Ｙとなり疑似色差信号が算出できる。１５Ｙ５Ｇを１／１５に減衰して減算すれば１．７Ｇとなり色信号が算出できる。
【００３３】
水平７画素の信号電荷を加算することにより、雑音はそのままで、感度は７倍（約＋１７ｄＢ）になる。水平解像度と斜め解像度は低下する。色分離も可能で、さらにより高感度なカラー撮像が可能となる。
【実施例４】
【００３４】
本発明の１実施例の多画素輪郭補正部のブロック図の図２Ｂにおいて、２６は多画素輪郭補正部であり、２７は映像レベル判定器、２８は画素遅延６ヶ部、５１〜５８は加算器、５９は小振幅大振幅の圧縮制限器、６０は正負と増幅度を可変する掛け算器、２９と３０は輪郭信号生成部、Ｍ１〜Ｍ６はラインメモリ部、Ｎ０〜Ｎ６は負の掛け算器、Ｐ３は正の掛け算器である。
補正前信号は、Ｍ１〜Ｍ７のラインメモリ部で走査線（Ｈ）期間遅延し０Ｈから６Ｈの合計７Ｈの信号となる。３Ｈ信号は、さらに２８の画素遅延２２ヶ部で画素時間つまりＣＣＤクロック時間し合計２３組の遅延信号となる。合計７Ｈの信号と合計２３組の遅延信号とは、２９と３０との輪郭信号生成部に入り、垂直輪郭信号と水平輪郭信号とになり、加算器５７で加算され、小振幅大振幅圧縮制限部の５９で小振幅と大振幅とを圧縮制限され、３Ｈ１１画素遅延信号を入力した映像レベル判定部２７の制御を受ける正負掛算器６０で輪郭補正信号となり、３Ｈ１１画素遅延信号に加算されて、補正後信号となる。３画素加算なら２８の画素遅延部は１０ヶ以上で良く、５画素加算なら２８の画素遅延部は最低１６以上で良く、７画素加算なら２８の画素遅延部は２２ヶ以上で良い。３Ｈ１１画素遅延信号は、遅延の中央の信号を選択すれば良い。
【００３５】
その結果、本発明の１実施例の多画素輪郭補正部の動作図の図３Ｄの(a)低周波数から低い変調度の補正前信号のように低周波数から変調度が低下していても、(b)輪郭補正７画素成分と、(c)輪郭補正５画素成分と、(d)輪郭補正３画素成分とを合成し、(e)本発明補正後信号のように、輪郭が補正できる。
【００３６】
つまり、実施例４では、多数の水平画素加算により、低周波数から変調度が低下していても、図２Ｂの多画素輪郭補正部で、図３Ｄの(e)本発明補正後信号のように、映像信号の輪郭が再現できる。また、レンズの絞り開放や望遠端などで、低周波数から変調度が低下していても、変調度低下が補正でき、映像信号の輪郭が再現できる。さらに、多画素輪郭補正で、輪郭補正量を少なくすることができ、輪郭補正に伴う雑音の増加を低減でき、ＡＦＥ内のＡＧＣ増幅またはデジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップにより増幅度を高くすることが容易になる。つまり、鮮明なカラー撮像の実効的な感度の可変範囲がより拡大し、監視用途が広がる。
【００３７】
実施例１を、前述のように水平３画素加算を非特許文献１の画面対角６ｍｍ（１／３型）画面アスペクト比４：３の高感度な水平公称９６０（有効９７２）画素のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称３２０（有効３２４）画素となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素の約１４％低下であり、変調度低下も約１４％低下で済み、許容できる。水平公称９６０画素以上であれば、実用上問題ない。
実施例２を水平公称約１９２０画素以上のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称約３８４画素以上となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素より多く、実用上問題ない。
実施例３を水平公称約２８００画素以上のＣＣＤ撮像素子に適用すれば、水平公称約４００画素以上となる。これは一般的な水平公称７６０画素の従来の２画素加算の水平公称３８０画素より多く、実用上問題ない。
さらに、実施例４の多画素輪郭補正を実施例１から実施例３の水平多画素加算に実施すれば、変調度低下も補正でき、高感度かつ鮮明なカラー撮像が実現でき、監視用途が広がる。
【００３８】
実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号との演算により輝度信号と色差信号とを算出する方が、画面上で広い面積の色の再現性は高まるが、輪郭に偽色が付きやすいので、輪郭部分では色差信号を減衰させる。画面上で広い面積の色を用いて物体を検出する監視に適している。
実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号を出力する方が、輪郭に偽色が付きにくい。状況が変化する可能性が高い監視に適している。
【実施例５】
【００３９】
上記の水平画素加算と組み合わせると、高感度化の効果が高まる雑音低減方法と増幅度向上を実施例５として、以下に記述する。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１のＣＰＵ４の動作クロック（約１２ＭＨｚ）を整数Ｋ：整数Ｌの比としてＣＣＤクロック（960Hでは約１８ＭＨｚ）とに同期させる。奇数画素加算対応の色分離部と多画素輪郭補正部とを含む映像信号処理部５と読出垂直転送駆動部(Ｖ−ＴＧ）６とＤ／Ａ８とＡＦＥ１２とＣＭＧ駆動部１５と水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）１９とは元々ＣＣＤクロックに同期している。
そうすれば、固定雑音は、ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの飛び込みと、撮像素子のフォトダイオードの暗電流が主因である。したがって、残る固定雑音となる飛び込みは画素電荷加算で増幅されないから、画素電荷加算分、信号比低減する。しかし、上下走査線との平均や画面間の平均では、固定雑音は減衰しない。
【００４０】
ＣＰＵと映像信号処理とＴＧ等（ＦＰＧＡに統合可能な）論理回路のＣＭＯＳスイッチングの貫通電流は、論理回路内のＣＭＯＳを構成するＭＯＳ−ＦＥＴのゲートスレッシュホールド電圧の温度変化とgmの温度変化と、前記論理回路の電源のデカップリングコンデンサの温度変化等とによる温度変化はある。しかし、撮像素子のフォトダイオードの暗電流の温度変化と比較すれば、温度変化は少ない。つまり論理回路の温度は撮像素子の温度で代用しても精度の劣化は少ない。また、上記の水平画素加算で暗電流も加算され、暗電流むらが画面で目立ってしまう。
そこで、本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１において、撮像素子の温度検出手段の温度センサ７を有し、６℃上昇で約２倍になる全画素の暗電流を記憶する画面メモリＭ９と、ＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの飛び込みを記憶する画面メモリＭ１０と、の温度での変化に対応した複数の固定雑音を記憶する画面メモリを有し、測定した撮像素子温度に合わせて、６℃上昇で約２倍になる全画素の暗電流の補正値と、温度での変化の少ないＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みの補正値とを加算器５０で加算してからＤ／Ａ８とリセット付ＣＤＳ２０とで画素電荷信号に加算して、６℃上昇で約２倍になる全画素の暗電流と、温度での変化の少ないＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路とからの全画素の飛び込みとを補正してセット付きＣＤＳ２０で水平画素電荷信号を加算する。水平画素加算で暗電流も加算されても、暗電流は補正されており、暗電流むらが画面で目立たない。
また、図示しないが、水平画素電荷信号を加算してからＣＣＤクロックに同期させたＣＰＵと元々ＣＣＤクロックに同期している論理回路からの全画素の飛び込みを補正しても良い。
全画素の暗電流補正と論理回路からの全画素の飛び込み補正とにより、固定雑音が低減するので、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅と映像信号処理部５でのデジタルゲインアップと組み合わせると、高感度化の効果が高まる。
【００４１】
スイッチング電源からの飛び込みは、主スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴのturn-onが早すぎて、ダイオードまたは相補スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴのturn-offの前に主スイッチング素子のＭＯＳ−ＦＥＴがturn-onして主と相補とのスイッチング素子が同時onとなり貫通電流が流れるのが主因である。したがって、ＭＯＳ−ＦＥＴの制御電極電圧のバイアスをoff側にシフトし、ＭＯＳ−ＦＥＴの制御電極電圧の駆動インピーダンスをturn-on側はturn-off側よりも高くして、turn-onを遅くして、貫通電流を低減する。
【００４２】
ＣＣＤ水平転送駆動回路とＡＦＥと前記論理回路との個々の回路の電源端子の直近にベタアースとのデカップリングコンデンサにＢ特性等温度特性の良い積層セラミックコンデンサ0.01μFから0.1μFを有して、ＣＤＳ動作周波数の18x3=54MHzの電源インピーダンスを低くする。
個々の電源または近接配置してあれば共通の電源のデカップリングコンデンサにＢ特性等温度特性の良い積層セラミックコンデンサまたは導電高分子コンデンサまたはタンタルコンデンサまたはニオブコンデンサ等温度特性の良い低インピーダンスコンデンサ4.7μF以上を有し、水平帰線期間（Ｈ．ＢＬ）約11μSの周期約９０kHzの電源インピーダンスが低くすれば、ＣＤＳのパルスの位相ゆらぎが低減し、１／ｆ雑音がＣＤＳでほぼ完全に低減できる。
【００４３】
電子シャッターパルス印可するＣＣＤの基板（ＳＵＢ）と基板駆動回路との間にフェライトビーズ直列挿入し、電子シャッターパルスの不要な高周波数成分を制限して配線間での飛び込み雑音を低減し、Ｈ．ＢＬ内の電子シャッターパルスの主成分のみ通過させ、基板駆動回路の電源のデカップリングコンデンサにＢ特性積層セラミックコンデンサまたは導電高分子コンデンサまたはタンタルコンデンサ等温度特性の良い低インピーダンスコンデンサ4.7μF以上を有し、Ｈ．ＢＬ約11μSの周期約９０kHzの電源インピーダンスが低くすれば、電子シャッターの電源と接地経由での飛び込み雑音が低減できる。
上記の電源インピーダンス低減による飛び込み雑音低減と、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅と映像信号処理部５でのデジタルゲインアップと組み合わせると、高感度化の効果が高まる。
【００４４】
本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳを示すブロック図の図２Ｃのリセット付ＣＤＳ２０は一般に、入力バッファ６１と中間バッファ６４と出力バッファ６８とはエミッタフォロワである。クランプ結合容量６２は47pF程度で、積分容量（Cl）６７は約33pF程度である。クランプスイッチ（Qq）６３とサンプルホールドスイッチ（Qs）６５とリセットスイッチ（Qr）６６とはＭＯＳ−ＦＥＴから構成される。リセットスイッチ６６を駆動するリセットパルスを奇数Ｎ周期間引けば、水平奇数Ｎ画素加算となる。リセット付ＣＤＳ２０はＡＦＥ１２に集積されても構わない。
本発明の一実施例の映像信号処理部のリセット付ＣＤＳの動作を示す模式図の図３Ｅの(a)サンプルホールドスイッチQsの導通時間での積分容量CｌのインピーダンスがサンプルホールドスイッチQsの導通抵抗と同等の場合と、(b)サンプルホールドスイッチQsの導通時間での積分容量CｌのインピーダンスがサンプルホールドスイッチQsの導通抵抗の1/2の場合と、(c)サンプルホールドスイッチQsの導通時間での積分容量CｌのインピーダンスがサンプルホールドスイッチQsの導通抵抗の1/4の場合のように、サンプルホールドスイッチ６５の導通抵抗に対し積分容量６７の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くして、サンプルホールド時間の周波数での積分容量６７のインピーダンスを小さくすれば、ＣＤＳ出力信号振幅は小さくＡＧＣ増幅度0の場合の感度は(a)に対し(b)で約93％(c)で約60％と少し下がるが、ＣＤＳ出力の１／ｆ雑音がより小さくなり、ＣＤＳ出力の信号雑音比（Ｓ／Ｎ）が高くなる。そこで、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅度最大で、ＡＦＥ１２内の１４bitＡ／Ｄ後の映像信号処理部５でのビットシフトのデジタルゲインアップした場合のＳ／Ｎが向上し、実効感度は高くなる。リセット付ＣＤＳ２０での奇数Ｎ画素加算はＳ／Ｎは一定で、リセット付ＣＤＳ２０の出力信号振幅は大きくなる。感度が高い非特許文献１のＩＴ−ＣＣＤと組み合わせると、ＣＤＳ出力信号振幅は小さくＡＧＣ増幅度0の場合の感度は下がることが補えるので、非常に実効感度は高くなる。特に、１／ｆ雑音を低減するリセット付ＣＤＳ２０と１／ｆ雑音を低減するＡＦＥ１２とを直列接続すれば、より実効感度は高くなる。また、実施例４の多画素輪郭補正と組み合わせれば、輪郭補正量を少なく変調度低下が補正でき、雑音の増加特に高域雑音の増加を低減できる。また、レンズの絞り開放や望遠端などで、低周波数から変調度が低下していても、変調度低下が補正でき、映像信号の輪郭が再現できる。したがって、さらに実効感度は高くなる。また、非特許文献１のＩＴ−ＣＣＤは飽和信号量も従来の１０００ｍＶから１４００ｍＶと高いので、ＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅度を低下すれば約3ｄＢ従来より高い入射光量にも対応でき、鮮明なカラー撮像の実効的な感度の可変範囲がより拡大し、監視用途が広がる。より高い入射光量に対応できるので、ＣＣＤの飽和信号量はより高い方が好ましい。
【００４５】
したがって、撮像装置に感度が高く飽和信号量もおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤとリセット付ＣＤＳ２０と１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ機能付の映像信号処理部５とを用い、リセット付ＣＤＳ２０で奇数Ｎ画素加算し、リセット付ＣＤＳ２０のサンプルホールドスイッチ６５の導通抵抗に対し積分容量６７の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くして、サンプルホールド時間の周波数での積分容量６７のインピーダンスを小さくすることと、１４bitＡＦＥ１２内のＡＧＣ増幅と、映像信号処理部５でのデジタルゲインアップと、を組み合わせると非常に実効感度は高くなる。デジタルゲインアップ機能はＡＦＥ１２内に存在していても構わない。
つまり、実施例５の技術同士を自由に組み合わせて実施することにより、固定雑音を低減し、飛び込み雑音を低減し、１／ｆ雑音を低減し、色を維持して実効的に感度を向上する。
また、実施例１から実施例５の技術は、上記説明や図示の組み合わせの例に限らず、個々の技術を自由に組み合わせて適用できる。実施例１から実施例５の技術の組み合わせにより、感度を向上するだけでなく、固定雑音を低減し、１／ｆ雑音を低減し、色を維持して実効的に感度を向上することが可能である。
【００４６】
非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤを用いて実施例１から実施例３の水平画素加算による高感度化と、実施例５の固定雑音と１／ｆ雑音との低減とによる実効的な高感度化を組み合わせれば、１／３型で色を維持して超高感度が実現する。さらに、実施例４の多画素輪郭補正による変調度低下の補正と組み合わせれば、高倍率望遠ズームレンズの望遠端の変調度低下と開放口径比低下とが許容できる。したがって、非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤと、実施例１から実施例３の高感度化と、実施例４の変調度低下補正と、実施例５の雑音低減と、非特許文献２の１／３型で小型低価格の５５倍望遠ズームレンズと、を組み合わせれば、国境監視に要求される窒素封入の雲台も小型低価格となり、総合的に小型低価格な超高感度のカラー監視装置が実現できる。
【実施例６】
【００４７】
上記の水平画素加算の構成を応用する感度低減方法を実施例６として、以下に記述する。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１において、ＣＣＤ撮像素子の出力の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳ２０と水平同期発生部１９とが有る。リセット付ＣＤＳ２０のＣＤＳリセットパルス位相を可変すれば、信号雑音比は一定で、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅が可変し、感度が可変となる。そこで、水平同期発生部１９で発生するＣＤＳリセットパルス位相をＣＰＵ４制御で可変とする。特に、リセット付ＣＤＳ２０とＡＦＥ１２とを直列接続すれば、リセットパルス位相を可変しても、ＡＦＥ１２により再度サンプルホールドされるので、変調度は変化しない。つまり、鮮明なカラー撮像の実効的な感度の可変範囲がより拡大し、監視用途が広がる。
雪や氷地面を覆っている晴天や夏至の晴天下の撮像等で、異常に入射光量の平均値の多いＣＣＤ撮像素子の出力の平均値の異常に多い信号電荷を入力した前記リセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相を進めて、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅を小さくし、感度を低減する。その結果、ＥＭ−ＣＣＤ等の電子シャッタ速度をあまり高速にできない撮像素子や、非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤ等の高感度すぎる撮像素子でも、感度低減が容易になり、変調度が低下するかまたは高価となるスポットＮＤフィルタまたは色温度変換フィルタやＮＤフィルタを入れ替える高価なリモートフィルタディスクが不要になる。その結果、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。
【００４８】
実施例６は、本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図１に限らず、ＣＤＳリセットパルス位相を可変する水平同期発生部と、ＣＣＤ撮像素子の出力の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳとがあれば良い。そこで、色分解光学系と３ヶ以上のＣＣＤ撮像素子と３ヶ以上のリセット付ＣＤＳとを用いた固体撮像装置においても、ＣＤＳリセットパルス位相を個別に可変する水平同期発生部とがあれば適用可能である。
ナトリウムランプ等のＣＣＤ撮像素子の分光感度の高い赤や緑に偏った照明、あるいは青色発光ダイオード等単色の照明下において、色分解光学系と３ヶ以上のＣＣＤ撮像素子を用い各色で共通の電子シャッタ駆動回路を備える固体撮像装置が撮影に用いられた場合は、照明の多く偏った色や単色照明の色のＣＣＤ撮像素子の入射光量とＣＣＤ撮像素子の出力との平均値が、他の色のＣＣＤ撮像素子の入射光量とＣＣＤ撮像素子の出力の平均値と比較して、異常に多くなる。そこで、平均値の多い入射光量の色のリセットパルスの位相を進めて、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅を小さくし、感度を低減する。平均値の少ない入射光量の色のリセットパルスの位相を遅らせて、リセット付ＣＤＳの出力信号振幅を大きくし、感度を増加させても良い。つまり、各固体撮像素子への入射光量とＣＣＤ撮像素子の出力との平均値と、各固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのリセットパルスの位相の進相と、を比例させれば良い。各色で共通の電子シャッタ駆動回路を備えても、各色のリセット付ＣＤＳの出力信号振幅の平均値を均等に近づけることができ、ＡＧＣが感度可変に有効活用でき、オートホワイトで対応できる色温度範囲や、ＡＧＣで対応できる入射光量の範囲が拡張できる。
実施例５のサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対し、積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さく、ＣＤＳ出力信号振幅は小さくし、ＡＧＣ増幅度0の場合の感度を下げる技術と、リセットパルスの位相可変の技術と、を組み合わせれば、さらに対応できる入射光量の範囲が拡張できる。特にリセットパルスの位相可変を、固体撮像素子への入射光量または固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と、上記固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させるとすれば、自動制御で対応できる入射光量の範囲が拡張できる。リセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相と非特許文献１の感度が高く飽和信号量もおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤとを組み合わせれば、更に自動制御で対応できる入射光量の範囲が拡張できる。
そのため、色温度変換フィルタやＮＤフィルタを入れ替える高価なリモートフィルタディスクが不要になる。また、ナトリウムランプや青色発光ダイオード等照明の自由度が拡張される。さらに、ＥＭ−ＣＣＤ等の電子シャッタ速度をあまり高速にできない撮像素子や、非特許文献１の１／３型の９６０ＨのＣＣＤ等の高感度すぎる撮像素子でも、感度低減が容易になり変調度が低下するかまたは高価となるスポットＮＤフィルタが不要になる。その結果、色分解光学系と３ヶ以上のＣＣＤ撮像素子と３ヶ以上のリセット付ＣＤＳとを用いた固体撮像装置においても、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。
【００４９】
実施例１から実施例６の技術は、上記説明や図示の組み合わせの例に限らず、個々の技術を自由に組み合わせて適用できる。
実施例１から実施例３の高感度化と、実施例５の雑音低減による実効的な高感度化と、実施例６の感度低減と、を組み合わせれば、感度の可変範囲が拡大し、照明の自由度が拡張され、色を維持することができる。そのため、変調度が低下するかまたは高価となるスポットＮＤフィルタまたは色温度変換フィルタやＮＤフィルタを入れ替える高価なリモートフィルタディスクが不要になる。その結果、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。さらに実施例４の変調度低下補正と組み合わせれば、レンズの収差による絞り値開放端付近の変調度低下も、レンズの回折による絞り値閉塞端付近の変調度低下も、補正して許容でき、さらに、感度の可変範囲を拡大し色を維持することができる。
簡易には、実施例１から実施例３の高感度化と実施例６の感度低減とを組み合わせても、実施例５の雑音低減による実効的な高感度化と実施例６の感度低減とを組み合わせても、感度の可変範囲を拡大し色を維持することができる。
【００５０】
実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号を出力する方が、輪郭に偽色が付きにくい。そこで、実施例１から実施例３の水平多画素加算は、疑似輝度信号と疑似色差信号を出力し、実施例４の変調度低下補正と、実施例５の雑音低減による実効的な高感度化と、実施例６の感度低減と、を組み合わせれば、状況が大きく変化する監視に適している。
【００５１】
本発明は、低価格なＣＣＤを用いて、高感度なカラー画像を取得することと感度の可変範囲を拡大し色を維持することができ、低価格で高感度な昼夜兼用のカラー監視装置が実現できる。そのため、発電所や変電所や鉄道線路または道路等の広範囲の監視に適用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１，２１，２２，２３：撮像装置、２：レンズ、４：ＣＰＵ、
５：奇数画素加算対応の色分離部と多画素輪郭補正部とを含む映像信号処理部、
６：読出垂直転送駆動部(Ｖ−ＴＧ）、7：温度センサ、８：Ｄ／Ａ、
９：ＥＭ−ＣＣＤ、１２：ＡＦＥ、
１５：ＣＭＧ駆動部、１６：冷却部、１７：冷却駆動部、１８：ＩＴ−ＣＣＤ、
１９：水平転送駆動部(Ｈ−ＴＧ）、２０：リセット付ＣＤＳ、
２４：映像信号処理部、２５：奇数画素加算色分離部、２６：多画素輪郭補正部、
２７：映像レベル判定部、２８：画素遅延６ヶ部、
２９，３０：輪郭信号生成部、
４０〜４１：ｂｉｔシフト部（１／２乗算器）、４４：加算器、４２〜４３：減算器，
５０〜５８：加算器、
５９：小振幅大振幅の圧縮制限器、６０：正負と増幅度を可変する掛け算器、
Ｍ１〜Ｍ８：ラインメモリ、Ｍ９：暗電流画面メモリ、Ｍ１０：飛び込み画面メモリ、
３７〜３９：奇数画素遅延部、Ｎ０〜Ｎ６：負の掛け算器、Ｐ３：正の掛け算器、
６１：入力バッファ（Bi）、６２：クランプ結合容量（Cci）、６３：クランプスイッチ（Qq）、
６４：中間バッファ（Bm）、６５：サンプルホールド（セット）スイッチ（Qs）、
６６：リセットスイッチ（Qr）、６７：積分容量（Cl）、６８：出力バッファ（Bo）、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、各走査線で水平画素信号電荷加算の組み合わせを正の順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、画素信号の左右加算で疑似輝度信号を算出し、画素信号の正の順番方向の上下の斜め減算で疑似色差信号を算出し、
前記疑似輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記疑似輝度信号の高周波数成分で補間することと、
前記疑似輝度信号と前記疑似色差信号との演算により、輝度信号と色差信号とを算出し、前記輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記輝度信号の高周波数成分で補間することと、
の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法。
【請求項２】
請求項１の撮像方法において、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の走査線映像信号から垂直輪郭補正信号を作成し、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の画素遅延映像信号から水平輪郭補正信号を作成し、前記垂直輪郭信号と前記水平輪郭信号とを映像信号に加算することを特徴とする撮像方法。
【請求項３】
請求項２の撮像方法において、リセット付ＣＤＳと１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ手段とを用い、前記リセット付ＣＤＳで上記３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算の実施を行い、前記リセット付ＣＤＳのサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対しリセット付ＣＤＳの積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さくすることと、前記１２bit以上のＡＦＥ内のＡＧＣ増幅と、デジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップと、を組み合わせることを特徴とする撮像方法。
【請求項４】
請求項３の撮像方法において、上記固体撮像素子に飽和信号量がおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤを用いることと、上記固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と上記固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させること、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法。
【請求項５】
オンチップカラーフィルタ付き水平公称約９６０画素以上のＩＴ−ＣＣＤ撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、
上記ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子の信号電荷を入力するクランプ機能とサンプルホールド（セット）機能とリセット機能を有する相関二重サンプリングホールド手段（Correlated Double Sampling-hold：ＣＤＳ）と、３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する手段と、アナログーデジタル変換する手段と、該デジタル変換した信号を水平周期遅延する手段と、該デジタル変換した信号を画素単位で遅延する手段と、該デジタル変換した信号を加算する手段と、該デジタル変換した信号を減算する手段とを有し、
上記ＣＤＳにおいて３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、
上記アナログーデジタル変換する手段においてアナログーデジタル変換後に、前記水平周期遅延する手段と前記画素単位で遅延する手段と前記加算する手段と前記減算する手段とを用いて、該デジタル変換した画素信号の左右加算で疑似輝度信号を算出し、該デジタル変換した画素信号の順番方向と正負の斜め減算で疑似色差信号を算出することを特徴とするカラー固体撮像装置。
【請求項１】
オンチップカラーフィルタ付き固体撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、各走査線で水平画素信号電荷加算の組み合わせを正の順番に変えていき、アナログーデジタル変換後に、画素信号の左右加算で疑似輝度信号を算出し、画素信号の正の順番方向の上下の斜め減算で疑似色差信号を算出し、
前記疑似輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記疑似輝度信号の高周波数成分で補間することと、
前記疑似輝度信号と前記疑似色差信号との演算により、輝度信号と色差信号とを算出し、前記輝度信号の高周波数成分を上下走査線の前記輝度信号の高周波数成分で補間することと、
の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法。
【請求項２】
請求項１の撮像方法において、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の走査線映像信号から垂直輪郭補正信号を作成し、水平画素信号電荷加算する画素数＋３ヶ以上の画素遅延映像信号から水平輪郭補正信号を作成し、前記垂直輪郭信号と前記水平輪郭信号とを映像信号に加算することを特徴とする撮像方法。
【請求項３】
請求項２の撮像方法において、リセット付ＣＤＳと１２bit以上のＡＦＥとデジタルゲインアップ手段とを用い、前記リセット付ＣＤＳで上記３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算の実施を行い、前記リセット付ＣＤＳのサンプルホールドスイッチの導通抵抗に対しリセット付ＣＤＳの積分容量の容量値を大きくするかサンプルホールド時間を狭くしてサンプルホールド時間の周波数での積分容量のインピーダンスを小さくすることと、前記１２bit以上のＡＦＥ内のＡＧＣ増幅と、デジタルゲインアップ手段でのデジタルゲインアップと、を組み合わせることを特徴とする撮像方法。
【請求項４】
請求項３の撮像方法において、上記固体撮像素子に飽和信号量がおよそ１４００ｍＶ以上と高いＣＣＤを用いることと、上記固体撮像素子の出力の信号電荷の平均値と上記固体撮像素子の信号電荷を入力するリセット付ＣＤＳのＣＤＳリセットパルスの位相の進相とを比例させること、の少なくとも一方を行うことを特徴とする撮像方法。
【請求項５】
オンチップカラーフィルタ付き水平公称約９６０画素以上のＩＴ−ＣＣＤ撮像素子を１ヶ用いたカラー固体撮像装置において、
上記ＩＴ−ＣＣＤ撮像素子の信号電荷を入力するクランプ機能とサンプルホールド（セット）機能とリセット機能を有する相関二重サンプリングホールド手段（Correlated Double Sampling-hold：ＣＤＳ）と、３以上の奇数の水平画素電荷信号を加算する手段と、アナログーデジタル変換する手段と、該デジタル変換した信号を水平周期遅延する手段と、該デジタル変換した信号を画素単位で遅延する手段と、該デジタル変換した信号を加算する手段と、該デジタル変換した信号を減算する手段とを有し、
上記ＣＤＳにおいて３以上の奇数の水平画素信号電荷を加算し、
上記アナログーデジタル変換する手段においてアナログーデジタル変換後に、前記水平周期遅延する手段と前記画素単位で遅延する手段と前記加算する手段と前記減算する手段とを用いて、該デジタル変換した画素信号の左右加算で疑似輝度信号を算出し、該デジタル変換した画素信号の順番方向と正負の斜め減算で疑似色差信号を算出することを特徴とするカラー固体撮像装置。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−６５３１０（Ｐ２０１２−６５３１０Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６７８８１（Ｐ２０１１−１６７８８１）
【出願日】平成２３年７月３１日（２０１１．７．３１）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月３１日（２０１１．７．３１）
【出願人】（０００００１１２２）株式会社日立国際電気 (5,007)
【Ｆターム（参考）】
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