JP2001028714A

JP2001028714A - 固体撮像装置

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Publication number: JP2001028714A
Application number: JP2000090683A
Authority: JP
Inventors: Satoyuki Nakamura; 里之中村; Takeshi Yano; 壯矢野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-05-10
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2001-01-30
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: US7230644B2; EP1052848A1; US20050218295A1; JP4292679B2; EP1052848B1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ＬＯＧセンサで撮像した画像のダイ
ナミックレンジが、出力装置のダイナミックレンジに適
合するように信号処理を行う固体撮像装置を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】図に示す固体撮像装置は、外部からの入射
光の輝度に対して対数変換された画像データを出力する
エリアセンサ１と、該画像データからその信号レベルが
最小となる黒レベルＢLを検知する黒レベル検知部２
と、該画像データからその信号レベルが最大となる白レ
ベルＷLを検知する白レベル検知部３と、検知した黒レ
ベルＢL及び白レベルＷLを用いて前記画像データの信号
レベルを変換する式を決定する計算式決定部４と、この
計算式決定部４で決定した計算式を用いて前記画像デー
タの信号レベルを変換するダイナミックレンジ演算部５
とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射光量に対して
対数変換した信号を出力する光電変換手段を有する固体
撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、フォトダイオードなどの感光
素子を有したエリアセンサは、その感光素子に入射され
た光の輝度に対して、図１５（ａ）のように線形的に変
換した信号を出力する。この線形変換を行うエリアセン
サ（以下、「リニアセンサ」と呼ぶ。）を用いて、図１
５（ｂ）のような輝度分布の被写体を撮像したとき、こ
のリニアセンサの撮像可能領域となるおよそ２桁の輝度
範囲（ダイナミックレンジ）以外の範囲の輝度情報は出
力されない。

【０００３】よって、このようなリニアセンサからの信
号をディスプレイなどで画像として再生したとき、撮像
可能領域外の低輝度領域では黒ツブレが、高輝度領域で
は白トビが発生する。このような黒ツブレを抑えるため
に、図１５（ｂ）に示す撮像可能領域を左へ移動させた
り、白トビを抑えるために撮像可能領域を右へ移動させ
たりすることも可能であるが、カメラの絞りやシャッタ
ースピード、又は入光する積分時間を変えることを必要
とするので、使い勝手が悪くなる。

【０００４】それに対して、本出願人は、入射した光量
に応じた光電流を発生しうる感光手段と、光電流を入力
するＭＯＳトランジスタと、このＭＯＳトランジスタを
サブスレッショルド電流が流れうる状態にバイアスする
バイアス手段とを備え、光電流を対数変換するようにし
たエリアセンサ（以下、「ＬＯＧセンサ」と呼ぶ。）を
提案した（特開平３−１９２７６４号公報参照）。この
ようなＬＯＧセンサは、図１６（ａ）のように、輝度に
対してその出力レベルが自然対数的に比例するために、
そのダイナミックレンジが５〜６桁と広くなる。よっ
て、輝度分布が移動しても、ほとんどの場合、図１６
（ｂ）のように、その被写体の輝度分布が撮像可能領域
内に収まる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一般的
に被写体の輝度範囲は、２〜３桁程度のものが多いた
め、ダイナミックレンジが５〜６桁となるＬＯＧセンサ
の場合、被写体の輝度分布に対してその撮像可能領域が
広くなるので、撮像可能領域内の低輝度領域又は高輝度
領域において、輝度データの無い領域ができてしまう。
即ち、図１６（ａ）のように、ダイナミックレンジがＤ
ＲａとなるＬＯＧセンサにおいて、前記輝度分布に対応
する出力のレンジ幅がＤＲｂと狭くなる。従って、この
ＬＯＧセンサの出力信号を用いて、ディスプレイなどの
出力装置で画像を再生するために図１７のように例えば
８ビットのデジタル信号にレベル変換するとき、出力装
置のダイナミックレンジＤＲｃをＬＯＧセンサのダイナ
ミックレンジＤＲａに対応させ、ＬＯＧセンサの最大出
力値が出力装置の最大出力レベル（レベル２５５）に、
またＬＯＧセンサの最小出力値が出力装置の最小出力レ
ベル（レベル０）になるように変換すると、８ビットの
デジタル信号のうちの一部範囲であるレンジ幅ＤＲｄ内
のレベルの信号しか出力装置に入力されない。よって、
このような信号を用いて前記輝度分布の被写体の画像を
再生したとき、輝度が最小となる黒色が濃い灰色に、輝
度が最大となる白色が薄い灰色に再生され、全体的にコ
ントラスト不足の画像が再生される。

【０００６】このような問題を鑑みて、本発明は、ＬＯ
Ｇセンサで撮像した画像のダイナミックレンジが、出力
装置のダイナミックレンジに適合するように信号処理を
行う固体撮像装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の問題を達成するた
めに、請求項１に記載の固体撮像装置は、入射光の輝度
に応じた電気信号を発生する複数の感光素子を有し、該
複数の感光素子より発生する電気信号をそれぞれ対数変
換する光電変換手段と、被写体の輝度範囲を決定する輝
度範囲決定手段と、前記輝度範囲決定手段により決定さ
れた被写体の輝度範囲と画像再生用の出力装置のダイナ
ミックレンジとが対応するように、前記光電変換手段か
ら出力された信号のレベル変換を行う信号レベル変換手
段と、を有することを特徴とする。

【０００８】この固体撮像装置は、光電変換手段となる
エリアセンサのダイナミックレンジよりも狭い輝度範囲
の被写体を撮像したときであっても、該被写体の輝度範
囲と出力装置のダイナミックレンジとが対応するよう
に、センサ出力をレベル変換して、出力装置のダイナミ
ックレンジに応じた信号を出力装置に送出する。

【０００９】このような固体撮像装置において、請求項
２に記載するように、前記輝度範囲決定手段が、前記光
電変換手段から出力される信号のうち、最も低い輝度の
信号から最も高い輝度の信号までの範囲を前記被写体の
輝度範囲として決定するようにしても良い。

【００１０】請求項３に記載する固体撮像装置は、請求
項１に記載の固体撮像装置において、更に、前記光電変
換手段から出力される信号に基づいて、感光素子の輝度
別の受光頻度を測定することによって前記被写体の輝度
分布を計測する輝度分布計測手段を有し、前記輝度範囲
決定手段が、前記輝度分布計測手段により計測された輝
度分布に基づいて前記被写体の輝度範囲を決定すること
を特徴とする。

【００１１】このような固体撮像装置において、請求項
４に記載するように、前記輝度範囲決定手段が、最高輝
度から輝度の低い方へ向かって前記輝度分布を輝度で積
分したとき、その積分値が前記輝度分布全体を輝度で積
分した値の第１の所定の割合以上となるときの輝度か
ら、最低輝度から輝度の高い方へ向かって前記輝度分布
を輝度で積分したとき、その積分値が前記輝度分布全体
を輝度で積分した値の第２の所定の割合以上となるとき
の輝度までの範囲を、前記被写体の輝度範囲として決定
するようにしても構わない。

【００１２】請求項５に記載の固体撮像装置は、請求項
３に記載の固体撮像装置において、前記輝度範囲決定手
段が、前記輝度分布計測手段により計測された輝度分布
の形状に応じて、前記被写体の輝度範囲を決定すること
を特徴とする。

【００１３】請求項５に記載の固体撮像装置において、
請求項６に記載の固体撮像装置のように、前記輝度範囲
決定手段が、前記輝度分布計測手段により計測された輝
度分布の形状に応じて、前記輝度分布の実効領域と該実
効領域の面積である実効面積とを求めるとともに、最高
輝度から輝度の低い方へ向かって前記実効領域を形成す
る輝度分布を輝度で積分したとき、その積分値が前記実
効面積の第１の所定の割合以上となるときの輝度から、
最低輝度から輝度の高い方へ向かって前記実効領域を形
成する輝度分布を輝度で積分したとき、その積分値が前
記実効面積の第２の所定の割合以上となるときの輝度ま
での範囲を、前記被写体の輝度範囲として決定するよう
にしても構わない。

【００１４】請求項７に記載の固体撮像装置は、請求項
３に記載の固体撮像装置において、前記輝度範囲決定手
段が、前記輝度分布の最高輝度から輝度の低い方へ向か
って受光頻度を調べたとき、最初に所定の第１の受光頻
度に達する点の輝度から、前記輝度分布の最低輝度から
輝度の高い方へ向かって受光頻度を調べたとき、最初に
所定の第２の受光頻度に達する点の輝度までの範囲を、
前記被写体の輝度範囲として決定することを特徴とす
る。

【００１５】このような固体撮像装置によると、その出
現頻度が所定値に達しない裾引き部が測定された輝度分
布より削除されるので、裾引き部が長く続くような輝度
分布を示す場合においても、適切に被写体の輝度分布を
決定することができる。

【００１６】請求項８に記載の固体撮像装置は、請求項
１に記載の固体撮像装置において、前記輝度範囲決定手
段が、外部から入力された前記被写体の輝度範囲の最低
輝度に対応する値から最高輝度に対応する値までの範囲
を前記被写体の輝度範囲として決定することを特徴とす
る。

【００１７】このような固体撮像装置によると、輝度範
囲の最低輝度と、輝度範囲の最高輝度とを、外部より入
力することができるので、使用者が所望する輝度範囲を
設定することができる。

【００１８】請求項９に記載の固体撮像装置は、請求項
１〜請求項８のいずれかに記載の固体撮像装置におい
て、前記信号レベル変換手段が、前記輝度範囲決定手段
により決定された前記被写体の輝度範囲の最低輝度と最
高輝度を用いて、前記光電変換手段から出力される信号
のレベルを変換するための演算処理を行うことを特徴と
する。

【００１９】請求項１０に記載の固体撮像装置は、請求
項９に記載の固体撮像装置において、前記演算処理が、
以下の式を用いて、前記光電変換手段から出力される信
号の信号レベルｘから信号レベルｙに変換する演算処理
であることを特徴とする。

【数２】但し、ｘは前記光電変換手段から出力される信号の信号
レベル、ｙは前記信号レベル変換手段から出力される信
号レベル、Ｍａは前記出力装置で処理される信号の出力
レベルの最大値、Ｍｉは前記出力装置で処理される信号
の出力レベルの最小値、ＢLは前記輝度範囲決定手段に
より決定される前記被写体の輝度範囲の最低輝度、ＷL
は前記輝度範囲決定手段により決定される前記被写体の
輝度範囲の最高輝度を表す。

【００２０】

【発明の実施の形態】＜第１の実施形態＞本発明の第１
の実施形態について、図面を参照して説明する。図１
は、本実施形態の固体撮像装置の構造を示すブロック図
である。この固体撮像装置は、対数変換型のエリアセン
サ（ＬＯＧセンサ）によって、動く被写体を撮像するこ
とができる固体撮像装置であるものとする。

【００２１】図１に示す固体撮像装置は、感光素子を有
した画素がマトリクス状に配されるとともに外部からの
入射光の輝度に対して対数変換された電気信号（以下、
「画像データ」と呼ぶ。）を発生するエリアセンサ１
と、複数の画像データのうちその信号レベルが最小とな
る画像データの信号レベル（以下、「黒レベル」と呼
ぶ。）を検知する黒レベル検知部２と、複数の画像デー
タのうちその信号レベルが最大となる画像データの信号
レベル（以下、「白レベル」と呼ぶ。）を検知する白レ
ベル検知部３と、黒レベル検知部２及び白レベル検知部
３でそれぞれ検知した黒レベル及び白レベルを用いてダ
イナミックレンジ演算部５で用いる計算式を決定する計
算式決定部４と、計算式決定部４で決定した計算式を用
いてエリアセンサ１より送出される画像データを演算処
理するダイナミックレンジ演算部５と、このダイナミッ
クレンジ演算部５で演算処理された画像データに基づい
て画像再生出力するディスプレイなどの出力装置６とを
有する。ただし、出力装置６は固体撮像装置とは別体で
あっても良く、接続線（図示せず）を介して接続され
る。

【００２２】このような構成の固体撮像装置において、
エリアセンサ１より１フレーム分の画像データが黒レベ
ル検知部２及び白レベル検知部３にそれぞれ送出される
と、この１フレーム分の画像データより黒レベル及び白
レベルが、それぞれ黒レベル検知部２及び白レベル検知
部３で検知される。今、エリアセンサ１の撮像可能領域
と被写体の輝度分布との関係が、図２（ａ）のような関
係になっているものとする。このとき、黒レベル検知部
２で検知する黒レベルに相当する輝度は、図２（ａ）の
ＰＡに相当し、又、白レベル検知部３で検知する白レベ
ルに相当する輝度は、図２（ａ）のＰＢに相当する。図
２（ｂ）では、ＢL、ＷLに相当する。

【００２３】図２（ｂ）は、エリアセンサ１の出力（横
軸）と出力装置６へ送出する信号のレベル（縦軸）との
対応関係を示しており、点線で示す特性（イ）がエリア
センサ１の出力をそのまま利用したときの出力装置の特
性であり、ダイナミックレンジはＤＲ１となり、その最
大値はＭａ、最小値はＭｉである。尚、このダイナミッ
クレンジＤＲ１は、エリアセンサ１の撮像可能領域に相
当するＷａ〜Ｗｂの範囲の入力をカバーしている。図２
（ａ）の輝度分布の画像データをそのまま使うと、この
特性（イ）のうち、エリアセンサ１の出力はＢL〜ＷLの
範囲の部分となる。しかし、これでは出力装置６へ送出
する信号のレンジ幅がＤＲ２と狭くなり、先にも述べた
ようにコントラストが不足した画像になってしまう。そ
こで、本実施形態は、特性（イ）を特性（ロ）のように
修正する演算をエリアセンサ１の出力信号に施す。この
演算は次式に従って行う。この式では、ｘ、ｙは変数で
あり、ｘは横軸、ｙは縦軸に相当する。

【００２４】

【数３】

【００２５】この（１）式のような計算式を、計算式決
定部４よりダイナミックレンジ演算部５に与え、ダイナ
ミックレンジ演算部５では、エリアセンサ１から与えら
れる画像データの信号レベルを（１）式のｘに代入し
て、その信号レベルをｙに変換する。このように変換す
ることによって、図３のように、エリアセンサ１から送
出されるＢL〜ＷLのレンジ幅の画像データを出力装置６
のダイナミックレンジＤＲ１に適合した信号レベル画像
データに変換することができる。即ち、上述したように
エリアセンサ１の出力をそのまま利用した場合に出力装
置６に送出される信号のレンジ幅がＤＲ２であったの
が、本実施形態では出力装置６のダイナミックレンジに
適合したＤＲ１に広がる。そのため、撮像可能領域内に
おいて被写体の輝度分布が存在しないような範囲が無く
なるため、コントラストがはっきりとした画像が出力装
置６より出力される。

【００２６】尚、このとき、ダイナミックレンジ演算部
５に遅延回路を設けて、計算式決定部４より（１）式の
ような計算式が与えられたときに、この計算式を決定す
るために用いた画像データと同一のフレームの画像デー
タを演算処理を行うようにしても良いし、前のフレーム
の画像データによって決定した計算式を用いてダイナミ
ックレンジ演算部５で画像データの演算処理を行うよう
にしても良い。又、演算結果を反映させることに対して
迅速性が要求されない場合は、複数フレーム毎に計算式
を決定し、次に計算式を決定するまで、この計算式を用
いてダイナミックレンジ演算部５で画像データの演算処
理を行うようにしても良い。

【００２７】＜第２の実施形態＞本発明の第２の実施形
態について、図面を参照して説明する。図４は、本実施
形態の固体撮像装置の構造を示すブロック図である。
尚、本実施形態において、図２に示すブロックと同様の
目的で使用されるブロックは、同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

【００２８】図４に示す固体撮像装置は、エリアセンサ
１と、黒レベル検知部２と、白レベル検知部３と、計算
式決定部４と、ダイナミックレンジ演算部５と、出力装
置６と、エリアセンサ１から送出される画像データから
輝度分布（ヒストグラム）を計測する輝度分布計測部７
とを有する。

【００２９】このような構成の固体撮像装置において、
エリアセンサ１より１フレーム分の画像データが輝度分
布計測部７に送出されると、この１フレーム分のそれぞ
れの画像データの信号レベルを測定することによって、
ある信号レベルに対する画像データの出現頻度（受光頻
度）が各信号レベル毎に検知される。即ち、１フレーム
分の画像を撮像したエリアセンサ１において、ある輝度
の光が入射された画素がいくつ存在しているかというこ
とが、各輝度毎に検知される。このようにして、撮像す
る被写体の輝度の頻度を調べることによって、輝度分布
計測部７によって、その輝度分布が測定される。

【００３０】又、輝度分布計測部７では、１フレーム分
の全画像データの信号レベルを加算することによって、
図５（ａ）における輝度ＰＡから輝度ＰＢまでの輝度分
布を積分した値（以下、「輝度分布全体の面積の値」と
する。）に相当する値を算出する。今、この値をＺと
し、簡単のため、輝度ＰＡ，ＰＢは、第１の実施形態の
輝度ＰＡ，ＰＢと同様であるものとする。この輝度Ｐ
Ａ，ＰＢの画像データの信号レベルは、図５（ｂ）のよ
うに、それぞれ、ＢL，ＷLとなる。

【００３１】このように輝度分布全体の面積の値に相当
する値Ｚが算出されると、この値Ｚが黒レベル検知部２
及び白レベル検知部３に送出される。又、このとき、輝
度分布計測部７は、検知した１フレーム分の画像データ
から最も信号レベルの低い画像データから順に画像デー
タを黒レベル検知部２に送出するとともに、検知した１
フレーム分の画像データから最も信号レベルの高い画像
データから順に画像データを白レベル検知部３に送出す
る。

【００３２】黒レベル検知部２及び白レベル検知部３で
は、輝度分布計測部７から画像データが送出されると、
この画像データの信号レベルを順次加算していく。そし
て、加算したその値が、値Ｚのαパーセント、即ち、α
×Ｚ／１００となったとき、黒レベル検知部２及び白レ
ベル検知部３はそれぞれ、そのときの画像データの信号
レベルを検知する。尚、図５（ａ）において、値α×Ｚ
／１００に相当する部分は、図５（ａ）の輝度分布にお
いて、その面積が輝度分布全体の面積の値のαパーセン
トとなる斜線部である。又、αの値は、外部から設定入
力するようにしても良いし、生産時に予めメモリ（不図
示）等に記憶させるようにしても良い。更に、黒レベル
検知部２と白レベル検知部３とでαの値を異ならせるよ
うにしても構わない。

【００３３】このようにして検知した画像データの信号
レベルを、黒レベル検知部２及び白レベル検知部３にお
いて、それぞれ、黒レベル、白レベルとする。このと
き、検知される黒レベル及び白レベルは、それぞれ、図
５（ｂ）のＢL1，ＷL1となる。即ち、図５（ａ）におい
て、前記黒レベルＢL1及び前記白レベルＷL1のそれぞれ
に相当する輝度は、ＰＡ1，ＰＢ1となる。

【００３４】この黒レベルＢL1および白レベルＷL1を、
第１の実施形態における式（１）の黒レベルＢL及び白
レベルＷLの代わりに用いた計算式が、第１の実施形態
と同様に計算式決定部４で決定される。その後、第１の
実施形態と同様に、このように決定した計算式を用い
て、ダイナミックレンジ演算部５にて、エリアセンサ１
より送出される画像データを演算処理する。

【００３５】このような動作を行う固体撮像装置を使用
したとき、輝度分布の裾引き部（高輝度範囲及び低輝度
範囲）における頻度の変化率が小さくなだらかな特性を
示したとき、このような裾引き部をカットすることによ
って、そのコントラストがより安定した画像データに変
換して出力することができる。もちろん、被写体の輝度
分布が３桁を越えるような広いダイナミックレンジを持
つものである場合も、そのような被写体に対して裾引き
部分のみがカットされたコントラストの安定した画像デ
ータに変換され、黒ツブレや白トビを生じることなく良
好に被写体を撮像することができ、従来のリニアセンサ
では撮像できないような広いダイナミックレンジの被写
体に対応できることはいうまでもない。

【００３６】＜第３の実施形態＞本発明の第３の実施形
態について、図面を参照して説明する。図６は、本実施
形態の固体撮像装置の構造を示すブロック図である。
尚、本実施形態において、図２に示すブロックと同様の
目的で使用されるブロックは、同一の符号を付して、そ
の詳細な説明は省略する。

【００３７】図６に示す固体撮像装置は、エリアセンサ
１と、計算式決定部４と、ダイナミックレンジ演算部５
と、出力装置６と、外部から黒レベルの値を入力する黒
レベル入力部８と、外部から白レベルの値を入力する白
レベル入力部９とを有する。

【００３８】このような固体撮像装置において、外部よ
り、使用者が希望する輝度範囲に応じた黒レベルＢL2及
び白レベルＷL2を、それぞれ黒レベル入力部８及び白レ
ベル入力部９より入力する。このように、黒レベル入力
部８及び白レベル入力部９よりそれぞれ入力された黒レ
ベルＢL2及び白レベルＷL2が、計算式決定部４に送出さ
れる。そして、この黒レベルＢL2及び白レベルＷL2を第
１の実施形態における式（１）の黒レベルＢL及び白レ
ベルＷLの代わりに用いて、計算式決定部４で計算式を
決定する。その後、第１の実施形態と同様に、このよう
に決定した計算式を用いて、ダイナミックレンジ演算部
５にて、エリアセンサ１より送出される画像データを演
算処理する。

【００３９】このように使用者が黒レベルと白レベルを
入力することができるので、使用者が例えばディスプレ
イのような出力装置６が映し出す画像をみて判断するこ
とによって、使用者が希望する輝度範囲を設定すること
ができる。このように使用者が自由に輝度範囲を設定す
ることができるので、使用者の好みに応じた画像を撮像
することができる。

【００４０】＜第４の実施形態＞本発明の第４の実施形
態について、図面を参照して説明する。図７は本実施形
態の固体撮像装置の回路ブロック図である。尚、本実施
形態において、図４に示すブロック図と同様の目的で使
用されるブロックは、同一の符号を付して、その詳細な
説明は省略する。

【００４１】図７に示す固体撮像装置は、エリアセンサ
１と、計算式決定部４と、ダイナミックレンジ演算部５
と、出力装置６と、輝度分布計測部７と、輝度分布計測
部７で計測された輝度分布の形状に応じて被写体の輝度
範囲を決定する輝度範囲判定部１０とを有する。尚、本
実施形態は、被写体の輝度分布の最大値と最小値から直
接輝度範囲を決定するものではなく、輝度分布の形状を
も加味して出力装置に出力する輝度範囲を決定するよう
にしたものである。

【００４２】図８は、輝度範囲判定部１０における輝度
範囲の決定手順を示すフローチャートである。図９に、
横軸が輝度を、縦軸がその度数（出現頻度）を表す輝度
分布の一例を示す。尚、輝度分布において、以下、極大
値となる点を「山」、極小値となる点を「谷」と呼ぶ。
又、山となる点の度数を「山の高さ」、谷となる点の度
数を「谷の高さ」、輝度分布の両端における度数の低い
部分を「裾引き」と呼ぶ。このとき、図９において、ａ
が輝度範囲の広さ、ｂが山の数、ｃが山の高さ、ｄが谷
の高さ、ｅが分布の裾引きを表す。

【００４３】第２の実施形態と同様に、エリアセンサ１
から１フレーム分の画像データが輝度分布計測部７に送
出されると、この輝度分布計測部７で被写体の輝度分布
が計測される。そして、輝度分布計測部７で計測された
輝度分布が輝度範囲判定部１０に与えられると、まず、
山の数が計測される（ＳＴＥＰ１）。そして、この計測
された山の数が、図１０（ａ）のように１つのとき（Ｙ
ｅｓ）はＳＴＥＰ１５に移行し、又、図１０（ｂ）のよ
うに複数のとき（Ｎｏ）はＳＴＥＰ３に移行する（ＳＴ
ＥＰ２）。ＳＴＥＰ２よりＳＴＥＰ３に移行すると、谷
の高さが計測される。この計測された谷の高さと、この
谷の両側の山のうちその高さの低い山の高さとの比が、
閾値Ｔａより大きいとき（Ｙｅｓ）はＳＴＥＰ５に、
又、閾値Ｔａより小さいとき（Ｎｏ）はＳＴＥＰ６に移
行する（ＳＴＥＰ４）。即ち、ＳＴＥＰ４において、図
１０（ｂ）の場合、谷Ｂの両側の山Ａ，Ｃのうち、その
高さの低い山Ａの高さｃ１と谷Ｂの高さｄ１との比（ｄ
１）／（ｃ１）が閾値Ｔａより大きいか否かが判定され
る。

【００４４】ＳＴＥＰ４よりＳＴＥＰ５に移行すると、
低い方の山を山と見なさず、この谷の両側の山をひとつ
ながりの山と見なす。即ち、図１０（ｂ）において、谷
Ｂの高さが高く、低い方の山Ａの高さとの比が閾値Ｔａ
より大きくなると、低い方の山Ａを山と見なさず、高い
方の山Ｃの一部と見なす。又、ＳＴＥＰ４からＳＴＥＰ
６に移行すると、その谷の両側の山が分離していると
し、別の山と見なす。即ち、図１０（ｂ）において、谷
Ｂの高さが低く、低い方の山Ａの高さとの比が閾値Ｔａ
より小さくなると、山Ａ，Ｃをそれぞれ別の山と見な
す。

【００４５】そして、ＳＴＥＰ６で谷の両側の山が分離
しているものとされると、これらの山のうち、その輝度
範囲が閾値Ｔｂより小さい山は、山と見なされずに輝度
分布より除かれる（ＳＴＥＰ７）。尚、山の輝度範囲
は、その山の両側の２つの谷の輝度による範囲によって
表される。又、輝度分布の両端にある山の輝度範囲は、
その山に隣接する谷の輝度から輝度分布の両端の輝度ま
での範囲である。このとき、図１０（ｃ）のように、山
Ａの輝度範囲ｅ１が閾値Ｔｂより大きく、山Ｃの輝度範
囲ｅ２が閾値Ｔｂより小さくなるとき、山Ｃは山と見な
されずに輝度分布から削除される。

【００４６】ＳＴＥＰ５又はＳＴＥＰ７からＳＴＥＰ８
に移行すると、計測された輝度分布に形成される谷につ
いてＳＴＥＰ３〜ＳＴＥＰ７の処理がなされたか否かが
判定される。このとき、全ての谷についてＳＴＥＰ３〜
ＳＴＥＰ７の処理がなされた場合（Ｙｅｓ）は、ＳＴＥ
Ｐ９に移行し、又、その処理がなされていない場合（Ｎ
ｏ）は、再度ＳＴＥＰ３に移行して上記の処理が行われ
る。

【００４７】ＳＴＥＰ９に移行すると、再度、山の数が
計測される。そして、この計測された山の数が、１つの
とき（Ｙｅｓ）はＳＴＥＰ１５に移行し、又、複数のと
き（Ｎｏ）はＳＴＥＰ１１に移行する（ＳＴＥＰ１
０）。ＳＴＥＰ１１では、山の数が２つか否かが判定さ
れ、山の数が２つのとき（Ｙｅｓ）ＳＴＥＰ１２に移行
し、又、山の数が３つ以上のとき（Ｎｏ）ＳＴＥＰ１４
に移行する。ＳＴＥＰ１２では、面積の大きい一方の山
の面積を他方の山の面積で割った面積比が、閾値Ｔｃ以
上か否かが判定され、この面積比が閾値Ｔｃ以上のとき
（Ｙｅｓ）ＳＴＥＰ１３に移行し面積の小さい山を輝度
分布から除き、又、面積比が閾値Ｔｃより小さいとき
（Ｎｏ）ＳＴＥＰ１５に移行する。

【００４８】そして、ＳＴＥＰ１３に移行すると、面積
の小さい山を輝度分布から除き、残りの部分を実効領域
とする。即ち、図１１のように、ＳＴＥＰ９で山Ａ１，
Ａ２が計測されると、それぞれの面積をＳ１、Ｓ２と
し、その大きさをＳ１＜Ｓ２とするとき、面積比（Ｓ
２）／（Ｓ１）が閾値Ｔｃと比較される（ＳＴＥＰ１
２）。そして、面積比（Ｓ２）／（Ｓ１）が閾値Ｔｃ以
上となるとき、面積の小さい山Ａ１が輝度分布より削除
され、輝度分布が山Ａ２によって形成されると見なされ
る。尚、山の面積は、その山の両側の谷の間の度数を輝
度で積分した値である。又、輝度分布の両端にある山の
面積は、その山に隣接する谷から輝度分布の両端までの
度数を輝度で積分した値である。

【００４９】ＳＴＥＰ１４では、測定された山のうちそ
の面積が最大となる山を中心にして、この山から最も離
れた山から順に、その山の面積を面積最大の山の面積で
割った面積比が閾値Ｔｄと比較される。このとき、この
面積比が閾値Ｔｄより小さくなる山は山と見なされず、
輝度分布から除かれる。そして、この面積最大の山から
低い輝度側及び高い輝度側の両方において、その面積比
が閾値Ｔｄより大きくなったとき、残った部分を実効領
域と見なし、この処理を終了する。即ち、図１２のよう
に、ＳＴＥＰ９で山Ｂ１〜Ｂ４が計測され、山Ｂ１〜Ｂ
４それぞれの面積がＳａ〜Ｓｄで、山Ｂ３の面積Ｓｃが
最大となるとき、面積比（Ｓａ）／（Ｓｃ）、（Ｓｄ）
／（Ｓｃ）、（Ｓｂ）／（Ｓｃ）が順番に閾値Ｔｄと比
較される。尚、山Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４は、山Ｂ３に対して
山Ｂ１，Ｂ４，Ｂ２の順に離れた位置にあるものとす
る。

【００５０】このとき、面積比（Ｓａ）／（Ｓｃ）が閾
値Ｔｄより小さく、面積比（Ｓｄ）／（Ｓｃ）、（Ｓ
ｂ）／（Ｓｃ）が閾値Ｔｄより大きいものとすると、ま
ず、山Ｂ１の判定を行ったとき、その面積比が閾値Ｔｄ
より小さいため山と見なされず、輝度分布より削除され
る。次に、山Ｂ４の判定を行ったとき、その面積比が閾
値Ｔｄより大きくなるので、山Ｂ３よりも高い輝度側の
判定を終了する。そして、次に、山Ｂ２の判定を行った
とき、その面積比が閾値Ｔｄより大きくなるので、山Ｂ
３より低い輝度側の判定を終了する。このようにＳＴＥ
Ｐ１４の処理動作が終了すると、ＳＴＥＰ１５に移行す
る。

【００５１】このＳＴＥＰ１５では、輝度分布から削除
された山の面積を、輝度分布全体の面積から差し引い
て、この差し引かれた面積を実効面積とする。即ち、Ｓ
ＴＥＰ２又はＳＴＥＰ１０で山が１つと計測されたとき
やＳＴＥＰ１２で２つの山の面積比が閾値Ｔｃより小さ
くなるときは、輝度分布全体を実効面積とし、又、ＳＴ
ＥＰ１３又はＳＴＥＰ１４からＳＴＥＰ１５に移行した
ときは、ＳＴＥＰ１３又はＳＴＥＰ１４で輝度分布より
除かれた山の面積を輝度分布全体の面積から差し引いた
面積を実効面積とする。実効面積は、上記実効領域の面
積に相当する。

【００５２】そして、このように実効面積が求められる
と、この実効面積を形成する輝度分布から裾引きを形成
する部分を計測する。即ち、図１３のように、実効面積
を形成する輝度分布の最小の輝度から度数を輝度で積分
した値が実効面積のｘパーセントとなる輝度αと、実効
面積を形成する輝度分布の最大の輝度から度数を輝度で
積分した値が実効面積のｘパーセントとなる輝度βとが
求められる。そして、輝度αよりも輝度が低い部分ｓ１
と、輝度βよりも輝度が高い部分ｓ２とが裾引きを形成
する部分として計測される。

【００５３】そして、この計測された裾引きが輝度分布
から削除され、このようにして得られた輝度分布の輝度
範囲をこのとき得られた画像による被写体の輝度範囲と
する（ＳＴＥＰ１７）。即ち、図１３において、輝度α
（黒レベルＢL3に相当する）〜輝度β（白レベルＷL3に
相当する）の輝度範囲を被写体の輝度範囲とする。尚、
図１２の領域Ｓｃのように、実効領域自体が既に裾引き
部を削除された形状である場合は、実効領域の最端部の
輝度を被写体の輝度範囲の上限又は下限としても良い
（即ち、ｘ＝０パーセントとする）。

【００５４】そして、このように決定した輝度範囲によ
って、第２の実施形態と同様に、輝度αに相当する黒レ
ベルＢL3及び輝度βに相当する白レベルＷL3が計算式決
定部４に与えられ、ダイナミックレンジを決定するため
の計算式が決定される。その後、このように決定した計
算式を用いて、ダイナミックレンジ演算部５にて、エリ
アセンサ１より送出される画像データを演算処理する。

【００５５】尚、このように、輝度分布の形状に応じて
被写体の輝度範囲を決定することにより、様々な輝度分
布を持つ被写体に対して適切に輝度範囲を決めることが
でき、様々な被写体に対して良好な撮像を行うことがで
きる。

【００５６】＜第５の実施形態＞本発明の第５の実施形
態について、図面を参照して説明する。図１４は、被写
体の輝度分布と本実施形態の固体撮像装置で処理された
輝度範囲との関係を示すグラフである。尚、本実施形態
の固体撮像装置は、第２の実施形態と同様、図４のブロ
ック図に示された内部構成となる固体撮像装置である。

【００５７】本実施形態において、エリアセンサ１、計
算式決定部４、ダイナミック演算部５、出力装置６、及
び、輝度分布計測部７は、第２の実施形態の固体撮像装
置と同様の動作を行うので、これらの動作についての詳
細な説明は省略する。よって、以下に、黒レベル検知部
２及び白レベル検知部３の動作について説明する。

【００５８】本実施形態の固体撮像装置に設けられた黒
レベル検知部２は、図１４のように輝度分布計測部７で
計測された輝度分布に基づき、その輝度分布の最低輝度
ＰＡより輝度の高い方に向かって最初に所定の出現頻度
（受光頻度）Ｈに達する輝度ＰＡ１を黒レベルＢL1を与
える輝度とし、黒レベルＢL1を検知する。又、白レベル
検知部３は、図１４のように輝度分布計測部７で計測さ
れた輝度分布に基づき、その輝度分布の最高輝度ＰＢよ
り輝度の低い方に向かって最初に所定の出現頻度（受光
頻度）Ｈに達する輝度ＰＢ１を白レベルＷL1を与える輝
度とし、白レベルＷL1を検知する。

【００５９】このようにして、黒レベル検知部２及び白
レベル検知部３のそれぞれで検知された黒レベルＢL1及
び白レベルＷL1が、計算式決定部４に与えられ、ダイナ
ミックレンジを決定するための計算式が決定される。そ
の後、このように決定した計算式を用いて、ダイナミッ
クレンジ演算部５にて、エリアセンサ１より送出される
画像データを演算処理する。

【００６０】尚、本実施形態において、黒レベル検知部
２及び白レベル検知部３のそれぞれに設定された所定の
出現頻度（受光頻度）を、ともに等しい値Ｈとしている
が、この値を黒レベル検知部２及び白レベル検知部３の
それぞれで異なる値として設定しても構わない。

【００６１】このように、本実施形態においては、その
出現頻度が所定値に達しない裾引き部が測定された輝度
分布より削除されるので、裾引き部が長く続くような輝
度分布を示す場合においても、適切に被写体の輝度分布
を決定することができる。尚、第４の実施形態で算出さ
れた実効領域に対しても、本実施形態で説明した手順の
処理を行うことによって、被写体の輝度範囲を決定し、
白レベルＷL3及び黒レベルＢL3を求めるようにしても構
わない。

【００６２】尚、第１〜第５の実施形態において、出力
装置にディスプレイを１例に挙げたが、磁気ディスクに
画像データを記録する記録装置なども適用することが可
能である。又、これらの実施形態では、動く被写体を撮
像するための固体撮像装置を例にして説明したが、デジ
タルカメラのように静止した被写体を撮像するような固
体撮像装置に使用しても良い。

【００６３】

【発明の効果】以上説明したように、感光素子より発生
する電気信号を対数変換する光電変換手段を用いたと
き、通常その撮像可能範囲が、実際に撮像する被写体の
輝度範囲よりも大きくなるが、本発明によると、前記光
電変換手段から出力され前記出力装置へ送出される信号
を、前記被写体の輝度範囲に応じてレベル変換すること
によって、そのダイナミックレンジを出力装置のダイナ
ミックレンジに合わせることができるので、このレベル
変換された信号を前記出力装置で再生したとき、コント
ラストのとれた良好な画像が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態で使用する固体撮像装置の内部
構造を示すブロック図。

【図２】被写体の輝度分布及び出力装置への入力信号と
エリアセンサの出力の信号レベルの関係を示したグラ
フ。

【図３】エリアセンサのダイナミックレンジと出力装置
に送出する信号のレベルの関係を示した図。

【図４】第２の実施形態で使用する固体撮像装置の内部
構造を示すブロック図。

【図５】被写体の輝度分布及び出力装置への入力信号と
エリアセンサの出力の信号レベルの関係を示したグラ
フ。

【図６】第３の実施形態で使用する固体撮像装置の内部
構造を示すブロック図。

【図７】第４の実施形態で使用する固体撮像装置の内部
構造を示すブロック図。

【図８】切換判定回路における処理動作を示すフローチ
ャート。

【図９】輝度分布の一例を示す図。

【図１０】輝度分布の一例を示す図。

【図１１】輝度分布の一例を示す図。

【図１２】輝度分布の一例を示す図。

【図１３】輝度分布の一例を示す図。

【図１４】被写体の輝度分布及び第５の実施形態の固体
撮像装置で処理された輝度範囲の関係を示したグラフ。

【図１５】被写体の輝度分布及び出力装置への入力信号
とエリアセンサの出力の信号レベルの関係を示したグラ
フ。

【図１６】被写体の輝度分布及び出力装置への入力信号
とエリアセンサの出力の信号レベルの関係を示したグラ
フ。

【図１７】ＬＯＧセンサのダイナミックレンジと出力装
置に送出する信号のレベルの関係を示した図。

【符号の説明】

１エリアセンサ２黒レベル検知部３白レベル検知部４計算式決定部５ダイナミックレンジ演算部６出力装置７輝度分布計測部８黒レベル入力部９白レベル入力部１０輝度範囲判定部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 1/407 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｚ 5/243 Ｈ０４Ｎ 1/40 １０１ＥＦターム(参考） 4M118 AA02 AB01 BA03 DD09 FA06 GB09 5B047 AB02 DA01 DA10 DC04 5C022 AA13 AB03 AB19 AC42 AC69 5C077 LL19 MM03 NP01 PP15 PP44 PP45 PP48 PQ03 PQ12 PQ19 5L096 AA06 CA02 CA14 FA37 MA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光の輝度に応じた電気信号を発生す
る複数の感光素子を有し、該複数の感光素子より発生す
る電気信号をそれぞれ対数変換する光電変換手段と、被写体の輝度範囲を決定する輝度範囲決定手段と、前記輝度範囲決定手段により決定された被写体の輝度範
囲と画像再生用の出力装置のダイナミックレンジとが対
応するように、前記光電変換手段から出力された信号の
レベル変換を行う信号レベル変換手段と、を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】前記輝度範囲決定手段が、前記光電変換
手段から出力される信号のうち、最も低い輝度の信号か
ら最も高い輝度の信号までの範囲を前記被写体の輝度範
囲として決定することを特徴とする請求項１に記載の固
体撮像装置。
【請求項３】更に、前記光電変換手段から出力される
信号に基づいて、感光素子の輝度別の受光頻度を測定す
ることによって前記被写体の輝度分布を計測する輝度分
布計測手段を有し、前記輝度範囲決定手段が、前記輝度分布計測手段により
計測された輝度分布に基づいて前記被写体の輝度範囲を
決定することを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装
置。
【請求項４】前記輝度範囲決定手段が、最高輝度から輝度の低い方へ向かって前記輝度分布を輝
度で積分したとき、その積分値が前記輝度分布全体を輝
度で積分した値の第１の所定の割合以上となるときの輝
度から、最低輝度から輝度の高い方へ向かって前記輝度
分布を輝度で積分したとき、その積分値が前記輝度分布
全体を輝度で積分した値の第２の所定の割合以上となる
ときの輝度までの範囲を、前記被写体の輝度範囲として決定することを特徴とする
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】前記輝度範囲決定手段が、前記輝度分布
計測手段により計測された輝度分布の形状に応じて、前
記被写体の輝度範囲を決定することを特徴とする請求項
３に記載の固体撮像装置。
【請求項６】前記輝度範囲決定手段が、前記輝度分布計測手段により計測された輝度分布の形状
に応じて、前記輝度分布の実効領域と該実効領域の面積
である実効面積とを求めるとともに、最高輝度から輝度の低い方へ向かって前記実効領域を形
成する輝度分布を輝度で積分したとき、その積分値が前
記実効面積の第１の所定の割合以上となるときの輝度か
ら、最低輝度から輝度の高い方へ向かって前記実効領域
を形成する輝度分布を輝度で積分したとき、その積分値
が前記実効面積の第２の所定の割合以上となるときの輝
度までの範囲を、前記被写体の輝度範囲として決定する
ことを特徴とする請求項５に記載の固体撮像装置。
【請求項７】前記輝度範囲決定手段が、前記輝度分布の最高輝度から輝度の低い方へ向かって受
光頻度を調べたとき、最初に所定の第１の受光頻度に達
する点の輝度から、前記輝度分布の最低輝度から輝度の
高い方へ向かって受光頻度を調べたとき、最初に所定の
第２の受光頻度に達する点の輝度までの範囲を、前記被写体の輝度範囲として決定することを特徴とする
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項８】前記輝度範囲決定手段が、外部から入力
された前記被写体の輝度範囲の最低輝度に対応する値か
ら最高輝度に対応する値までの範囲を前記被写体の輝度
範囲として決定することを特徴とする請求項１に記載の
固体撮像装置。
【請求項９】前記信号レベル変換手段が、前記輝度範
囲決定手段により決定された前記被写体の輝度範囲の最
低輝度と最高輝度を用いて、前記光電変換手段から出力
される信号のレベルを変換するための演算処理を行うこ
とを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の
固体撮像装置。
【請求項１０】前記演算処理が、以下の式を用いて、
前記光電変換手段から出力される信号の信号レベルｘか
ら信号レベルｙに変換する演算処理であることを特徴と
する請求項９に記載の固体撮像装置。【数１】但し、ｘは前記光電変換手段から出力される信号の信号
レベル、ｙは前記信号レベル変換手段から出力される信
号レベル、Ｍａは前記出力装置で処理される信号の出力
レベルの最大値、Ｍｉは前記出力装置で処理される信号
の出力レベルの最小値、ＢLは前記輝度範囲決定手段に
より決定される前記被写体の輝度範囲の最低輝度、ＷL
は前記輝度範囲決定手段により決定される前記被写体の
輝度範囲の最高輝度を表す。