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JPH0250584A - Dynamic range enlarging system - Google Patents

Dynamic range enlarging system

Info

Publication number
JPH0250584A
JPH0250584A JP63201406A JP20140688A JPH0250584A JP H0250584 A JPH0250584 A JP H0250584A JP 63201406 A JP63201406 A JP 63201406A JP 20140688 A JP20140688 A JP 20140688A JP H0250584 A JPH0250584 A JP H0250584A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
imager
dynamic range
output
exposure
characteristic line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP63201406A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideaki Yoshida
英明 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Olympus Optical Co Ltd filed Critical Olympus Optical Co Ltd
Priority to JP63201406A priority Critical patent/JPH0250584A/en
Publication of JPH0250584A publication Critical patent/JPH0250584A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enlarge the dynamic range of an imager by adding and/or averaging the read signals for plural times outputted from the non-destructive read type imager. CONSTITUTION:A non-destructive read type imager 21 is driven by a driver 29, the driver 29 is controlled by a timing control circuit 30, and an exposure start signal and read signals at different timing are supplied to the imager 21 by a driver 29. The photoelectric converting output of the imager 21 is compressed to a logarithmic value by guiding to a logarithm converting circuit 22, its output is guided to a clipping circuit 23, and the output of the clipping circuit 23 is converted into a digital value by guiding to an A/D converter 24. The signal, which is converted into the digital value, is inputted to an addition/averaging circuit 25, the output of the A/D converter 24 and the memory value of a buffer memory 26 are added, and their mean value is calculated. Thus, the dynamic range of the imager can be effectively enlarged.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明はダイナミックレンジ拡大システム、さらに詳し
くは、非破壊読み出し型イメージヤを用いた撮像装置に
おいて、イメージヤのダイナミックレンジを拡大するよ
うにしたダイナミックレンジ拡大システムに関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is a dynamic range expansion system, more specifically, an imaging apparatus using a non-destructive readout type imager, in which the dynamic range of the imager is expanded. Regarding a dynamic range expansion system.

[従来の技術] 露光量をP、イメージヤの出力強度をIとすると、一般
に、イメージヤの光電変換特性は、第6図に示すような
特性線11で表わすことができる。
[Prior Art] When the exposure amount is P and the output intensity of the imager is I, the photoelectric conversion characteristics of the imager can generally be expressed by a characteristic line 11 as shown in FIG.

但し、第6図において、横軸、縦軸にそれぞれ対数値を
とり、露光量をlogP、イメージヤの出力強度を#o
glとしている。この特性線11から明らかなように、
イメージヤの出力強度は、露光量に対して無制限に比例
関係を保つものではなく、低露光量に対してはノイズレ
ベルとなり、高露光量に対しては飽和レベルとなり、そ
の間の直線部11aの範囲の露光量に対してのみ比例関
係を保つ。つまり、この特性線11の直線部11aが撮
像のための光電変換に利用されるダイナミ・ンクレンジ
に対応する部分である。
However, in Fig. 6, logarithmic values are taken on the horizontal and vertical axes, and the exposure amount is logP and the output intensity of the imager is #o.
It is set as GL. As is clear from this characteristic line 11,
The output intensity of the imager does not maintain an unlimited proportional relationship with the exposure amount; it becomes a noise level for low exposure amounts, a saturation level for high exposure amounts, and the linear portion 11a in between. Maintains a proportional relationship only for the range of exposure. In other words, the linear portion 11a of this characteristic line 11 corresponds to the dynamic range used for photoelectric conversion for imaging.

ここで、通常、特性線11には直線部11aと飽和レベ
ル領域11bとの間および直線部11aとノイズレベル
領域11Cとの間にそれぞれ過渡的領域11 d、  
11 eが存在するが、今、この特性線の過渡的領域1
1d、lieを無視し、第7図に示すように折線近似に
よる特性線12を用いてさらに説明する。第7図におい
て、NogI−yとおき、直線部(比例部)の下限をg
og P L 、上限をII) og P nとすると
、全露光量の範囲について、下記の式が成り立つ。但し
、Cは定数である。
Here, normally, the characteristic line 11 has a transient region 11 d between the linear portion 11 a and the saturation level region 11 b and between the linear portion 11 a and the noise level region 11 C, respectively.
11 e exists, but now the transient region 1 of this characteristic line
Further explanation will be made using a characteristic line 12 obtained by a broken line approximation as shown in FIG. 7, ignoring 1d and 1e. In Figure 7, set NogI-y and set the lower limit of the linear part (proportional part) to g
og P L and the upper limit is II) og P n, the following formula holds true for the entire range of exposure. However, C is a constant.

y−C−flOgPL    ・・・・・・・・・(1
)(P<PL) y=c−gogP      ・・・・・・・・・(2
)(P ≦P≦P11) y = C−、l! og P u     ・・・・
・・・・・(3)(P>PH) また、露光W P (lux−see)はイメージヤの
板面照度E (lux)に露光時間t (see)を掛
けたものであるので、ある露光時間(シャツタ秒時)t
kにおける露光量Pは、 −E−tk であり、このときのイメージヤの出力強度y、は、上記
(1)〜(3)より、 yk−C−gogPL    ・・・・・・・・・(4
)(E<PL/lk) yk−C−gog(E−tk)・・・・・・・・・(5
)CP  /l  ≦E≦PH/lk) k yk−C−gogPH−・・・・・4B)(E>PH/
lk) となる。但し、k−1,2,・・・・・・ nである。
y-C-flOgPL ・・・・・・・・・(1
)(P<PL) y=c-gogP ・・・・・・・・・(2
) (P≦P≦P11) y = C-, l! og Pu...
...(3) (P>PH) Also, the exposure W P (lux-see) is the product of the imager plate surface illuminance E (lux) and the exposure time t (see), so Exposure time (shaft seconds) t
The exposure amount P at k is -E-tk, and the output intensity y of the imager at this time is yk-C-gogPL from (1) to (3) above. (4
) (E<PL/lk) yk-C-gog(E-tk) (5
) CP /l ≦E≦PH/lk) kyk-C-gogPH-...4B) (E>PH/
lk) becomes. However, k-1, 2,...n.

つまり、P  /l  ≦E≦P n / t kの範
囲でk のみ、イメージヤの出力ykは潰れることなく、板面照
度Eと露光時間tkとを掛けたものに比例する。
That is, in the range of P/l≦E≦Pn/tk, the output yk of the imager is not distorted and is proportional to the product of the plate surface illuminance E and the exposure time tk only for k.

そこで、第8図に示すように、横軸にイメージヤの板面
照度Eの対数値、l)ogEをとり、縦軸にイメージヤ
の出力強度■の対数値、lloglをとると、露光時間
t、に応じてイメージヤの人出力関係が変化し、例えば
、ある露光時間(比較的低速のシャツタ秒時)tlの場
合は特性線13−■に従い、これより短い露光時間(比
較的高速のシャツタ秒時)t2の場合は特性線13−2
に従う。つまり、これらの特性線1B−1,13−2は
露光時間tに応じて照度、QogEの軸に沿って平行移
動したもので、被写体が暗い場合は露光時間t1が選択
されてNogCP  /l  ) 〜iJog(P、■
/l■)の照度範囲でのみ、また被写体が明るい場合 は露光時間t が選択されてNog(PL/12)〜F
og(PH/12)の照度範囲でのみそれぞれリニアに
光電変換されることになり、例えば、gog (P  
/ t  )  l og(P、I/ t 2 )の照
度範囲にある被写体を一度の撮影で光電変換することが
できなかった。
Therefore, as shown in Figure 8, if we take the logarithm of the imager's plate surface illuminance E, l)ogE, on the horizontal axis, and llogl, the logarithmic value of the imager's output intensity, on the vertical axis, we can calculate the exposure time. For example, in the case of a certain exposure time (relatively slow shutter speed) tl, it will follow the characteristic line 13-■ and a shorter exposure time (relatively fast shutter speed) t. In the case of t2, the characteristic line 13-2
Follow. In other words, these characteristic lines 1B-1 and 13-2 are translated along the illuminance and QogE axes according to the exposure time t, and when the subject is dark, the exposure time t1 is selected and NogCP /l) ~iJog(P, ■
/l ■), and when the subject is bright, the exposure time t is selected and the
Linear photoelectric conversion is performed only in the illuminance range of og (PH/12), for example, gog (P
/t) log(P, I/t2), it was not possible to photoelectrically convert the subject in the illuminance range with one photographing.

[発明が解決しようとする課題] このように、従来の露出制御システムでは、露光時間に
応じて、特性線13−1から特性線13−2のように、
各特性線を平行移動することはできても、j?og(P
  /l  ) 〜fIog(P、、/lk)のk 照度範囲、すなわち、ダイナミックレンジを拡げること
はできなかった。このことを、さらに、第9図を用いて
説明すると、逆光撮影を行う場合には同一画枠14内に
ある太陽15と人物16との照度差は大きく、太陽15
の照度に露光時間を合せれば人物16の像が黒く潰れ、
人物16の照度に露光時間を合せれば太陽15の像が白
く飛んでしまい、通常の露出制御ではいずれか一方の部
分を犠牲にせざるを得なかった。
[Problem to be Solved by the Invention] As described above, in the conventional exposure control system, the characteristic line 13-1 to the characteristic line 13-2 changes depending on the exposure time.
Although it is possible to translate each characteristic line in parallel, j? og(P
/l ) ~ fIog (P, , /lk) The k illuminance range, that is, the dynamic range could not be expanded. To further explain this using FIG. 9, when performing backlight photography, the difference in illumination between the sun 15 and the person 16 within the same image frame 14 is large;
If the exposure time is adjusted to the illuminance of , the image of person 16 will be blackened,
If the exposure time is matched to the illuminance of the person 16, the image of the sun 15 will be washed out, and with normal exposure control one of the parts has to be sacrificed.

一方、イメージヤの、時間に対する蓄積電荷量について
考えると、一般に広く用いられているCCDやMOS型
撮像素子等のイメージヤでは、第10図に示すように、
板面照度を一定とすると、時間に比例して蓄積電荷量が
増大していき、露光時間t が経過した時点t で読み
出しパルスがα                a与
えられると、この時点t で蓄積電荷量が読み出される
とともにイメージヤの蓄積電荷量がゼロにリセットされ
て1回目の露光を終了し、同時に2回目の露光が開始さ
れる。2回目の露光時も同様に、読み出しパルスが与え
られた時点tbでその蓄積電荷量が排き出されてイメー
ジヤ内の蓄積電荷量がゼロにリセットされ露光を終了す
る。このような従来のイメージヤは、近年、開発された
5IT(スタティック・インジェクション・トランジス
タ)、CMD (チャージ・モジニレ−ジョンφデバイ
ス)、AMI(アンブリファイド・モス番インテリジェ
ント舎イメージヤ)、CID(チャージ拳インジェクシ
ョン・デバイス)等の非破壊読み出し型のイメージヤに
対して、破壊読み出し型イメージヤと称される。非破壊
読み出し型イメージヤについては、「光学技術]ンタク
トVo1.25  No、11  ’87 11J  
(社団法人日本オプトメカトロニクス協会 昭和62年
11月20日発行)の PP、 20〜2g (652
〜860)r増幅型固体撮像索子」 (遊佐厚、安藤文
彦)に詳しく述べられているが、ここでは、本発明に係
わる作用を簡単に述べておく。
On the other hand, considering the amount of charge accumulated over time in imagers, imagers such as CCDs and MOS type image sensors, which are generally widely used, have the following characteristics as shown in Fig. 10.
Assuming that the plate surface illuminance is constant, the amount of accumulated charge increases in proportion to time, and when a readout pulse αa is given at time t after exposure time t has elapsed, the amount of accumulated charge is read out at this time t. At the same time, the accumulated charge amount of the imager is reset to zero, the first exposure is completed, and at the same time, the second exposure is started. Similarly, during the second exposure, the accumulated charge amount is discharged at time tb when the readout pulse is applied, the accumulated charge amount in the imager is reset to zero, and the exposure ends. Such conventional imagers include 5IT (Static Injection Transistor), CMD (Charge Modification φ Device), AMI (Unblended Moss Intelligent Imager), and CID (Charge Modification Device), which have been developed in recent years. A non-destructive readout type imager such as a fist injection device is called a destructive readout type imager. Regarding non-destructive read-out imagers, see "Optical Technology" Contact Vol. 1.25 No. 11 '87 11J
(Published by Japan Optomechatronics Association, November 20, 1986) PP, 20-2g (652
~860) r-amplification type solid-state imaging probe" (Atsushi Yusa, Fumihiko Ando), but here, the effects related to the present invention will be briefly described.

非破壊読み出し型イメージヤでは、第11図に示すよう
に、電荷の蓄積が行われていき露光時間t が経過した
時点t で読み出しパルスが与えα         
        aられると、この時点t で蓄積電荷
量のレベルが読み出されるが、イメージヤ内の蓄積電荷
量はリセットされることなく、そのまま電荷の蓄積が継
続され蓄積電荷量が増え続ける。この後、2回目の読み
出しパルスが与えられても同様にして、この読み出しパ
ルスが与えられた時点talでイメージヤ内の蓄積電荷
量は同等影響されることなく、蓄積電荷量のレベルが読
み出される。
In a non-destructive readout imager, as shown in FIG.
At this time point t, the level of the accumulated charge amount is read out, but the accumulated charge amount in the imager is not reset, and the accumulation of charges continues as it is, and the accumulated charge amount continues to increase. After this, even if a second read pulse is applied, the level of the accumulated charge is read out in the same way at the time tal when this read pulse is applied, without affecting the amount of accumulated charge in the imager. .

この第10.11図を比較して明らかなように、2回目
の露光時間tβは、破壊読み出し型イメージヤでは前回
(1回目)の電荷量読み出し時点t から今回の電荷量
読み出し時点t、までの時間であるが、非破壊読み出し
型イメージヤの場合には電荷の蓄積開始時点から今回の
電荷量読み出し時点tatまでの時間であり、前回の露
光時間t を含み、このあと時点t から時点ta1ま
でa                       
a経過した時間である。3回目、4回目以降の電荷読み
出しの場合も同様である。つまり、非破壊読み出し型イ
メージヤの場合には、露光量(蓄積電荷量)の複数回の
読み出しに関して常に露光開始時点が共通であり、各露
光時間に応じて電荷読み出しのタイミングが異なる。言
い換えれば、非破壊読み出し型イメージヤでは、短い露
光時間(高速シャツタ秒時)から長い露光時間(低速シ
ャツタ秒時)の順に電荷読み出しを行う限り、従来の破
壊読み出し型イメージヤよりも極めて短時間のうちに複
数の露光出力を得ることができる。
As is clear from a comparison of Fig. 10.11, the second exposure time tβ is from the previous (first) charge amount readout time t to the current charge amount readout time t in the destructive readout type imager. However, in the case of a non-destructive readout type imager, it is the time from the start of charge accumulation to the current charge amount readout time tat, including the previous exposure time t, and after that from time t to time ta1. until a
It is the time that has passed. The same holds true for the third, fourth and subsequent charge readings. That is, in the case of a non-destructive readout type imager, the exposure start point is always the same for multiple readings of the exposure amount (accumulated charge amount), and the timing of charge readout differs depending on each exposure time. In other words, with a non-destructive readout imager, as long as the charge readout is performed in the order of short exposure times (high speed shutter time) to long exposure times (low speed shutter speed), the time required for non-destructive readout imagers is significantly shorter than that of conventional destructive readout imagers. Multiple exposure outputs can be obtained within a single period.

本発明は、このような非破壊読み出し型イメージヤを利
用して一度の撮影機会に照度分布の広い被写体を撮るこ
とができるようにしたダイナミックレンジ拡大システム
を提供するにある。
The present invention provides a dynamic range expansion system that uses such a non-destructive read-out imager to photograph a subject with a wide illuminance distribution in a single photographing opportunity.

[課題を解決するための手段および作用]本発明のダイ
ナミックレンジ拡大システムは、非破壊読み出し型イメ
ージヤに対し、第1手段により、このイメージヤの同一
の露光開始動作に対応してタイミングを異にして複数回
の映像信号読み出しを行い、この第1手段と動作上関連
するよう設けられた第2手段により、上記複数回に亘っ
て読み出された映像信号を加算および/または平均する
。そして、上記第2手段を通じて上記イメージヤの映像
信号出力を得ることにより同イメージヤのダイナミック
レンジを実効的に拡大するようにしている。
[Means and effects for solving the problem] The dynamic range expansion system of the present invention uses a first means to vary the timing of a non-destructive read-out imager in response to the same exposure start operation of the imager. The video signals are read out a plurality of times, and the video signals read out a plurality of times are added and/or averaged by a second means provided in operational relation with the first means. By obtaining the video signal output of the imager through the second means, the dynamic range of the imager is effectively expanded.

[実 施 例] 第3図に、非破壊読み出し型イメージヤによる実質的な
光電変換特性を示す。この特性線20は、上記第8図で
説明したような、露光時間tが11゜t2.ta  (
tl>t2>ta)とそれぞれ異なる3つの特性線13
−1.13−2.13−3を加算平均(対数平均)した
もので、その傾きは、上記各特性線13−1.13−2
.13−3の1/3となっている。このことは下記の式
からも明らかである。
[Example] FIG. 3 shows the substantial photoelectric conversion characteristics of a non-destructive read-out imager. This characteristic line 20 has an exposure time t of 11 degrees t2, as explained in FIG. 8 above. ta (
tl>t2>ta) and three different characteristic lines 13
-1.13-2.13-3 is the additive average (logarithmic average), and its slope is the characteristic line 13-1.13-2 above.
.. That's 1/3 of 13-3. This is also clear from the formula below.

今、上記特性線13−1.13−2.13−3のyの値
をそれぞれyl、y2.y3とすると、これを加算平均
した特性線20の式は、 y−1/3 (y、 +y2+ya )町・・・・(7
)である。
Now, the values of y of the characteristic lines 13-1.13-2.13-3 are yl, y2. Assuming y3, the formula of characteristic line 20 which is the average of this is y-1/3 (y, +y2+ya) town...(7
).

ここで、P o / t k−P L / i k+t
として特性線13−2の比例部の下限を特性線13−1
の比例部の上限に一致させ、特性線13−2の比例部の
上限を特性線13−3の比例部の下限に一致させると、
上記(7)式は、 y = C−j! og P L          
・・・・・・■+1/3C(24! ogP  + D
 og(E・11))   ・・・・・・■+t/3c
lfIogP  + fl ogP  + D og(
E・+2)l−・・■L     H +1/3C12j! ogP  + Il og(E・
13))   ・・・・・・■+ C−+7 ogP 
H・・・・・・■となり、この式の第1項■〜第5項■
の各照度範囲は、 ■(E≦pL/11) ■(P  Il  ≦E≦pH/l、)■(P  Il
  ≦E≦PH/12)■(PL/13≦E≦P n 
/ t a )■(E≧P、、/13) である。但し、ここで、P n / i t −P L
 / t 2 。
Here, P o / t k - P L / i k + t
The lower limit of the proportional part of characteristic line 13-2 is defined as characteristic line 13-1.
If we match the upper limit of the proportional part of characteristic line 13-2 with the lower limit of the proportional part of characteristic line 13-3,
The above formula (7) is y = C-j! og P L
・・・・・・■+1/3C(24!ogP+D
og(E・11)) ・・・・・・■+t/3c
lfIogP + fl ogP + D og(
E・+2)l−・・■L H +1/3C12j! ogP + Il og(E・
13)) ・・・・・・■+ C-+7 ogP
H...■ becomes, and the first term ■ to the fifth term ■ of this equation
Each illuminance range is: ■(E≦pL/11) ■(P Il ≦E≦pH/l,) ■ (P Il
≦E≦PH/12)■(PL/13≦E≦P n
/ta)■(E≧P,,/13). However, here, P n / it - P L
/t2.

PH/12−PL/13であるので、上記第2項■およ
び第4項■の式は上記第3項■の式に等しくなり、結局
、P  Il  ≦E≦P u / t sの照L 度範囲Dwで、上記第2項■〜第4項■の式を下記の1
つの式にまとめることができる。
Since PH/12-PL/13, the equations of the second term (■) and the fourth term (■) above are equal to the equation of the third term (■), and as a result, the illumination L of P Il ≦E≦P u / t s In the degree range Dw, the formulas for the second term ■ to the fourth term ■ are expressed as follows:
It can be summarized in one formula.

y−1/3ClΩog P t、 + i) og P
 rlflog(E・+2))・・・・・・・・・(8
) つまり、この(8)式は、第3図中の、非破壊読み出し
型イメージヤによる実質的な光電変換特性を示した特性
線20の比例部を表わしている。このことは、−度の撮
影機会において、被写体の光電変換出力が、異なる露光
時間(シャツタ秒時)tt、+2.taで3回読み出さ
れると、この読み出された3つのイメージヤ出力が加算
平均され、結局、P  Il  ≦E≦PH/13の照
度範囲DI Wで上記特性線20の比例部に従った1つの光電変換出
力が得られることを意味しており、この場合、実質的に
イメージヤの入力側のダイナミ・ツクレンジDwが3倍
に拡大していることになる。
y-1/3ClΩog P t, + i) og P
rlflog(E・+2))・・・・・・・・・(8
) In other words, this equation (8) represents the proportional part of the characteristic line 20 in FIG. 3 that shows the substantial photoelectric conversion characteristics by the non-destructive readout type imager. This means that in a photographing opportunity of - degrees, the photoelectric conversion output of the subject is different from the exposure time (shaft seconds) tt, +2. When ta is read out three times, the three read out imager outputs are averaged, and finally, in the illuminance range DIW of P Il ≦E≦PH/13, 1 is obtained according to the proportional part of the characteristic line 20. This means that two photoelectric conversion outputs can be obtained, and in this case, the dynamic range Dw on the input side of the imager is substantially expanded three times.

さらに、これを第9図に示した逆光撮影の場合に関連さ
せて説明すると、第3図において、太陽15の照度がf
iogE、人物16の照度がgOgEl、lであるとす
れば、両者の照度差が大きいので、前述したように、1
つの露光時間によるイメージヤ出力では、−枚の画像と
して太陽15と人物16の像をいずれも潰れることなく
得ることはできないが、異なる露光時間で読み出された
3つのイメージヤ出力が加算平均されると、この第3図
から明らかなように、太陽15の像は、露光時間t1ま
たは+2のみのイメージヤ出力のように全く白く潰れて
しまうことはなく、露光時間t3のみでのイメージヤ出
力よりも大きく (明るく)、また、大物16の像は、
露光時間t または+3のみのイメージヤ出力のように
全く黒く潰れてしまうことはなく、露光時間t1のみで
のイメージヤ出力よりも小さく (暗く)なる。したが
って、イメージヤの入力端のダイナミックレンジDwが
拡大することになる。なお、イメージヤの出力側から見
れば、イメージヤ出力範囲は一定であるので、ダイナミ
ックレンジの圧縮と見なすこともできる。
Furthermore, to explain this in relation to the case of backlight photography shown in FIG. 9, in FIG. 3, the illuminance of the sun 15 is f
If the illuminance of iogE and the person 16 is gOgEl,l, the difference in illuminance between the two is large, so as mentioned above, 1
With the imager output using one exposure time, it is not possible to obtain the images of the sun 15 and the person 16 as two images without being crushed, but three imager outputs read out with different exposure times are averaged. Then, as is clear from FIG. 3, the image of the sun 15 is not completely whitened out like the imager output with only exposure time t1 or +2, but the imager output with only exposure time t3. The image of Big Game 16 is larger (brighter) than
Unlike the imager output with only exposure time t or +3, the imager output does not turn completely black, but is smaller (darker) than the imager output with only exposure time t1. Therefore, the dynamic range Dw at the input end of the imager is expanded. Note that since the imager output range is constant when viewed from the output side of the imager, it can also be regarded as compression of the dynamic range.

次に、本発明のダイナミックレンジ拡大システムの一実
施例の構成および動作について、第1図に示すブロック
図と第2図に示すタイムチャートによって説明する。
Next, the configuration and operation of an embodiment of the dynamic range expansion system of the present invention will be explained with reference to the block diagram shown in FIG. 1 and the time chart shown in FIG. 2.

第1図において、イメージヤ21はSIT等の非破壊読
み出し型イメージヤである。このイメージヤ21はドラ
イバ29により駆動され、ドライバ29はタイミングコ
ントロール回路30によって制御される。すなわち、タ
イミングコントロール回路30からのタイミング信号に
よって、前述したように一度の撮影時に異なる露光時間
を得るための、露光開始信号および異なるタイミングの
読み出し信号がドライバ29によりイメージヤ21に与
えられことになる。まず、タイミングコントロール回路
30から露光開始指令のタイミング信号が発せられると
、ドライバ29からイメージヤ21に第2図に示したリ
セットパルスが送られ、これによりイメージヤ21は不
要電荷を排出してリセットされた後、露光量に応じて電
荷の蓄積が行われる。また、上記タイミングコントロー
ル回路30から露光開始指令のタイミング信号は測光回
路31にも送られるので、上記イメージヤの露光開始と
同時に、第2図に示すように、測光回路31における測
光積分出力が変化していく。
In FIG. 1, the imager 21 is a non-destructive readout type imager such as SIT. This imager 21 is driven by a driver 29, and the driver 29 is controlled by a timing control circuit 30. That is, in response to the timing signal from the timing control circuit 30, the driver 29 provides the imager 21 with an exposure start signal and a readout signal at different timings in order to obtain different exposure times during one shooting as described above. . First, when a timing signal for an exposure start command is issued from the timing control circuit 30, a reset pulse shown in FIG. 2 is sent from the driver 29 to the imager 21, which causes the imager 21 to discharge unnecessary charges and reset After that, charge is accumulated according to the amount of exposure. Further, since the timing signal of the exposure start command is sent from the timing control circuit 30 to the photometry circuit 31, the photometry integral output of the photometry circuit 31 changes as shown in FIG. 2 at the same time as the imager starts exposure. I will do it.

イメージヤ21の光電変換出力は、対数変換回路22に
導かれて対数値に圧縮される。この対数圧縮されたイメ
ージヤ21の出力は、クリップ回路23に導かれ、ここ
で飽和レベル近傍およびノイズレベル近傍の過渡的領域
(第6図に示すlld。
The photoelectric conversion output of the imager 21 is led to a logarithmic conversion circuit 22 and compressed into a logarithmic value. The logarithmically compressed output of the imager 21 is led to a clipping circuit 23, where it is sent to a transient region near the saturation level and near the noise level (lld shown in FIG. 6).

11eに相当)をクリップされる。すなわち、クリップ
回路23を通過することにより、イメージヤ21の光電
変換出力特性は、第6図に示すような特性から第7図に
示すような特性になる。このクリップ回路23を用いた
ことによる効果については後述する。クリップ回路23
の出力はA/Dコンバータ24に導かれてディジタル値
に変換される。このディジタル値に変換された信号は加
算平均回路25に入力される。
11e) is clipped. That is, by passing through the clip circuit 23, the photoelectric conversion output characteristics of the imager 21 change from those shown in FIG. 6 to those shown in FIG. The effects of using this clip circuit 23 will be described later. Clip circuit 23
The output is led to an A/D converter 24 and converted into a digital value. This signal converted into a digital value is input to the averaging circuit 25.

ここで、前述したように、−度の撮影時において、同一
露光開始時点から3種類の露光時間t1゜t2.ts 
 (tl>t2>ts)を経過する時点で、イメージヤ
21の出力をそれぞれ読み出す場合を考える。上記イメ
ージヤ21の露光量を測光しているal光回路31のΔ
−1光積分出力がレベルg3になると、イメージヤ21
に最初の読み出しパルスが与えられて最初にイメージヤ
21から露光時間t3の映像信号が読み出され、そのデ
ィジタル値x1が加算平均回路25へ入力される。加算
平均回路25ではA/Dコンバータ24の出力とバッフ
ァメモリ26の記憶値とが加算されてその平均値が計算
されるが、この場合は、バッファメモリ26には何も記
憶されていないので、A/Dコンバータ24からの信号
はこのままメモリ27に送られる。このメモリ27およ
ヒ上記バッファメモリ26はいずれも一画像分のみを記
憶する記憶容量のものである。メモリ27はタイミング
コントロール回路30のタイミング信号によって制御さ
れて上記加算平均回路25から送られた信号値X を記
憶し、またこの記憶値x1をバラファメモリ26に送る
。そして、この後、測光積分出力がレベルρ2になり、
イメージヤ21に第2の読み出しパルスが与えられてイ
メージヤ21から読み出された露光時間t2の映像信号
の値x2が加算平均回路25に入力されると、バッファ
メモリ26に記憶された信号値Xtがタイミングコント
ロール回路30のタイミング信号に応じて加算平均回路
25に送られてきて、上記映像信号の値x2に加算平均
される。この加算平均された信号の値、すなわち、 X2■(x l+ X 2 ) / 2の信号値71”
がメモリ27に送られ、前記記憶値をクリアして記憶さ
れる。このメモリ27の記憶値打は再びバッファメモリ
26へ送られ、同メモリ26に前回の記憶値をクリアし
て記憶値77が記taされる。そして、次に測光積分出
力がレベル111になり、第3の読み出しパルスが与え
られてイメージヤ21から読み出された露光時間t3の
映像信号の値x3が加算平均回路25に入力されると、
この値x3と上記バッファメモリ26の記憶値°マ覆が
加算平均回路25で加算平均されるので、この加算平均
値は、 「−(2可+x a ) / 3 となる。この加算平均値5はメモリ27に送られ、前記
記憶値をクリアして記憶される。
Here, as mentioned above, when photographing at -degrees, three types of exposure times t1°t2. ts
Let us consider the case where the outputs of the imager 21 are respectively read out at the time when (tl>t2>ts) has elapsed. Δ of the AL optical circuit 31 that measures the exposure amount of the imager 21
-1 When the light integrated output reaches level g3, the imager 21
A first read pulse is applied to the imager 21, and the video signal of the exposure time t3 is first read out from the imager 21, and its digital value x1 is input to the averaging circuit 25. The averaging circuit 25 adds the output of the A/D converter 24 and the value stored in the buffer memory 26 and calculates the average value, but in this case, since nothing is stored in the buffer memory 26, The signal from the A/D converter 24 is sent as is to the memory 27. Both this memory 27 and the buffer memory 26 have a storage capacity for storing only one image. The memory 27 is controlled by the timing signal of the timing control circuit 30 and stores the signal value X sent from the averaging circuit 25, and also sends this stored value x1 to the buffer memory 26. After this, the photometric integral output becomes level ρ2,
When the second read pulse is applied to the imager 21 and the value x2 of the video signal at the exposure time t2 read from the imager 21 is input to the averaging circuit 25, the signal value stored in the buffer memory 26 is Xt is sent to the averaging circuit 25 in response to a timing signal from the timing control circuit 30, and is averaged to the value x2 of the video signal. The value of this averaged signal, that is, the signal value of X2 (x l + X 2 ) / 2 71"
is sent to the memory 27 and stored after clearing the stored value. This stored value entry in the memory 27 is again sent to the buffer memory 26, where the previous stored value is cleared and a stored value 77 is recorded. Then, when the photometric integral output reaches level 111 and the third read pulse is applied and the value x3 of the video signal at exposure time t3 read from the imager 21 is input to the averaging circuit 25,
Since this value x3 and the value stored in the buffer memory 26 are averaged by the averaging circuit 25, the average value becomes -(2+xa)/3. is sent to the memory 27 and stored after clearing the stored value.

この後、タイミングコントロール回路30から露光終了
の指令信号が発せられると、メモリ27に記憶された最
終の加算平均値XaがD/Aコンバータ28によりアナ
ログ値に変換されて出力される。このD/Aコンバータ
28より出力される加算゛V均値71は第3図に示した
特性線20に沿うものであり、ダイナミックレンジDw
が拡大している。
Thereafter, when a command signal for ending exposure is issued from the timing control circuit 30, the final addition average value Xa stored in the memory 27 is converted into an analog value by the D/A converter 28 and output. The average added voltage value 71 outputted from this D/A converter 28 is along the characteristic line 20 shown in FIG. 3, and the dynamic range Dw
is expanding.

ここで、クリップ回路23について述べると、前述した
ように、イメージヤ21の出力特性は実際には比例部1
1aの上限の飽和レベル近傍および下限のノイズレベル
近傍でそれぞれ過渡的領域lid、lieが存在してい
るが(第6図参照)、クリップ回路23を用いることに
よりイメージヤ21の出力特性は過渡的領域の存在しな
いものとなり(第7図参照)、このため、第3図に示し
た露光時間tt、tz、taの各特性線13−1゜13
−2.13−3も比例部の上下で直ちに、17ogEの
軸に平行した直線に続いている。また、過渡的領域を含
めてイメージヤ21の出力の上下をクリップすることは
、−見レンジを狭くするように思われるが、上限の飽和
レベルおよび下限のノイズレベルにのるノイズをクリッ
プ回路23によってカットしてしまうので、上記特性線
13−1.13−2゜13−3の100gEの軸に平行
した直線部での加算平均も前述した計算どおりに行われ
、この結果、加算平均値は第3図の特性線20で示され
る通りのものが得られることになる。この第1図に示し
た実施例では、クリップ回路23を、対数変換回路22
とA/Dコンバータ24との間に配置しているが、イメ
ージヤ21と加算平均回路25との間であれば、対数変
換回路22の前段に配置してもよく、またA/Dコンバ
ータ24の後段に配置してディジタル値でクリップする
ようにしてもよい。
Here, regarding the clip circuit 23, as mentioned above, the output characteristics of the imager 21 are actually
There are transient regions lid and lie near the upper limit saturation level and lower limit noise level of 1a (see FIG. 6), but by using the clip circuit 23, the output characteristics of the imager 21 can be made transient. Therefore, each characteristic line 13-1°13 of the exposure time tt, tz, and ta shown in FIG. 3 does not exist (see FIG. 7).
-2.13-3 also immediately follows a straight line parallel to the axis of 17ogE above and below the proportional part. Furthermore, clipping the top and bottom of the output of the imager 21 including the transient region seems to narrow the viewing range; Since the above characteristic line 13-1.13-2゜13-3 is cut off by What is obtained is shown by the characteristic line 20 in FIG. In the embodiment shown in FIG. 1, the clipping circuit 23 is replaced by the logarithmic conversion circuit 22.
and the A/D converter 24; however, it may be placed before the logarithmic conversion circuit 22 as long as it is between the imager 21 and the averaging circuit 25. It is also possible to arrange it at the subsequent stage and clip it with a digital value.

さらには、A/Dコンバータ24のA/D変換特性にク
リップ機能を持たせるようにしてもよい。
Furthermore, the A/D conversion characteristic of the A/D converter 24 may be provided with a clipping function.

なお、本発明では、上記実施例のように一度の撮影時間
内にイメージヤ21から電荷を読み出す回数は3回とは
限らないので、一般式で表わせば、それぞれ異なる露光
時間でイメージヤ出力をn回読み出した場合の加算平均
値デーは、 x  −((n−1)x、−、+x、)/n  −−−
−<9)となる。
Note that in the present invention, the number of times the charge is read out from the imager 21 within one photographing time is not limited to three as in the above embodiment, so if expressed in a general formula, the imager output is read out at different exposure times. The average value data when read n times is x - ((n-1)x, -, +x,)/n ---
−<9).

この(9)式からも分かるように、バッファメモリ26
およびメモリ27にはに回目の加算平均値打のほかに数
値kが記憶されるようになっており、次の(k+1)回
目の信号値xk+1が加算平均回路25に入力されると
、このとき、上記加算平均値ママに数値kを掛けたもの
(すなわち、k回目までの全信号の加算値)に(k+1
)回目の信号値xk+1が加算され、さらに上記数値k
に1を加えた数値(k+1)で除算されることにより加
算平均値〒が求められることになる。このような加算平
均方法を採用している理由は、上記バッファメモリ26
およびメモリ27として、各−画像分の記憶容量しか持
っていないメモリを採用しているためであり、これによ
り上記メモリ26.27を安価なものにすることができ
る。勿論、記憶容量の大きいメモリを用いれば、n個の
信号値を順次加算していき、全ての信号値の加算が終了
した後に数値nで除算する通常の加算平均方法を採用す
ることができる。
As can be seen from this equation (9), the buffer memory 26
The memory 27 is configured to store a numerical value k in addition to the arithmetic average value, and when the next (k+1)th signal value xk+1 is input to the arithmetic average circuit 25, at this time, The above average value is multiplied by the value k (that is, the sum of all signals up to the kth time) is (k+1
) signal value xk+1 is added, and the above value k
By dividing by the value (k+1) which is obtained by adding 1 to , the additive average value 〒 is obtained. The reason why such an averaging method is adopted is that the buffer memory 26
This is because the memory 27 has a storage capacity only for each image, and thus the memories 26 and 27 can be made inexpensive. Of course, if a memory with a large storage capacity is used, it is possible to adopt a normal averaging method in which n signal values are sequentially added, and after all signal values have been added, the number is divided by the numerical value n.

ところで、上記実施例では、第3図の特性線20のよう
に、ダイナミックレンジを対数軸上で3倍に拡大した場
合について述べたが、このほか、種々の例が考えられる
。当然、−度の撮影機会に利用される露光時間を2種類
に減らしたり、或いは4FIi類以上に増やしたりして
もよいが、上記実施例の場合と同様に、3種類の露光時
間を用いた場合についての他の特性について説明する。
Incidentally, in the above embodiment, a case has been described in which the dynamic range is expanded three times on the logarithmic axis as shown by the characteristic line 20 in FIG. 3, but various other examples can be considered. Of course, the exposure times used for -degree photography opportunities may be reduced to two types, or increased to 4FIi or higher, but as in the above example, three types of exposure times were used. Explain other properties of the case.

前記特性線20は、拡大されたダイナミックレンジDW
の範囲で一様にγ(直線の傾き)が1/3になっている
ものであるが、このγを大きくすれば、レンジは狭くな
る代わりに見掛は上のコントラストが上がり、γを小さ
くすれば、レンジは広くなる代わりにコントラストが下
がる。
The characteristic line 20 represents an expanded dynamic range DW.
γ (the slope of the straight line) is uniformly 1/3 in the range of This increases the range but reduces the contrast.

例えば、第4図に示した特性線40は、異なる露光時間
tt、t2.taの各特性線13−1゜13−2. 1
3−3があまりずれていない場合において、これらの特
性線を加算平均したもので、この特性線31の変曲点は
照度logHの低い側から特性線13−1の下限、特性
線13−2の下限、特性線13−3の下限、特性線13
−1の上限、特性線13−2の上限および特性線13−
3の上限の順に存在し、ダイナミックレンジDwは5/
3倍に拡大されている。したがって、この特性線40の
ダイナミックレンジDwの拡大効果に関しては小さいが
、γ特性としては、多くの主要被写体の明るさの中間域
でコントラストが高くなるよう単独の特性線13−2に
一致し、これより明るい照度域および暗い照度域でコン
トラストが低く押えられていて実用的な特性となってい
る。
For example, the characteristic line 40 shown in FIG. 4 has different exposure times tt, t2 . Each characteristic line of ta 13-1゜13-2. 1
3-3 does not deviate much, these characteristic lines are averaged, and the inflection point of this characteristic line 31 is from the lower limit of characteristic line 13-1 to the lower limit of characteristic line 13-2 from the side of low illuminance logH. lower limit of characteristic line 13-3, characteristic line 13
-1 upper limit, characteristic line 13-2 upper limit, and characteristic line 13-
3, and the dynamic range Dw is 5/
It has been expanded three times. Therefore, although the effect of expanding the dynamic range Dw of this characteristic line 40 is small, the γ characteristic matches the single characteristic line 13-2 so that the contrast is high in the middle range of brightness of many main subjects. Contrast is kept low in brighter and darker illuminance areas, which is a practical characteristic.

また、第5図に示したような特性線50を得ることも可
能である。この特性線50は、異なる露光時間t t 
、t 2 、 t aの各特性線13−1゜13−2.
13−1を前記第3図の場合でのずらし量と第4図の場
合でのずらし量との中間程度にずらした場合において、
これらの特性線を加算平均したものであり、この特性線
50の変曲点は照度NogEの低い側から特性線13−
1の下限、特性線13−2の下限、特性線13−1の上
限、特性線13−3の下限、特性線13−2の上限およ
び特性線13−3の上限の順に存在し、ダイナミックレ
ンジDwは7/3倍に拡大されている。
It is also possible to obtain a characteristic line 50 as shown in FIG. This characteristic line 50 shows different exposure times t t
, t 2 , ta characteristic lines 13-1° 13-2.
In the case where 13-1 is shifted to an intermediate value between the amount of shift in the case of FIG. 3 and the amount of shift in the case of FIG. 4,
These characteristic lines are averaged, and the inflection point of this characteristic line 50 is from the side with low illuminance NogE to the characteristic line 13-
1, the lower limit of characteristic line 13-2, the upper limit of characteristic line 13-1, the lower limit of characteristic line 13-3, the upper limit of characteristic line 13-2, and the upper limit of characteristic line 13-3. Dw is expanded 7/3 times.

また、イメージヤ21の出力を加算平均するに際して、
重み付は加算法を採用するようにしてもよい。例えば、
第3図において、3種の異なる露光時間tt、t2.t
aの各特性線13−1゜13−2.13−3を1:2:
1の比率で重み付は加算すると、同図に二点鎖線で示す
ような特性線60が?すられる。この場合は、前記特性
線20の場合と同様にダイナミックレンジDwは3倍に
拡大するとともに、殆どの主要被写体の明るさの中間域
でコントラストを重視すべくγ特性を特性線13−2に
近付けるようにし、その分、これより明るい照度域およ
び暗い照度域でγを小さくして(コントラストを低く押
えて)いる。なお、重み付は加算の比率を、例えば、2
:1:1にすれば暗い部分のコントラストを重視した特
性線が得られ、1:1:2にすれば明るい部分のコント
ラストを重視した特性線が得られことは言うまでもない
Also, when averaging the output of the imager 21,
Weighting may be performed using an additive method. for example,
In FIG. 3, three different exposure times tt, t2. t
Each characteristic line 13-1゜13-2.13-3 of a is 1:2:
When weighting is added at a ratio of 1, a characteristic line 60 as shown by the two-dot chain line in the same figure is obtained. Being ignored. In this case, as in the case of characteristic line 20, the dynamic range Dw is expanded three times, and the γ characteristic is brought closer to characteristic line 13-2 in order to emphasize contrast in the intermediate brightness range of most of the main subjects. Accordingly, γ is made smaller (contrast is kept low) in brighter and darker illuminance areas. Note that weighting changes the addition ratio by, for example, 2
It goes without saying that if the ratio is set to 1:1, a characteristic line with emphasis on contrast in dark areas can be obtained, and with a ratio of 1:1:2, a characteristic line with emphasis on contrast in bright areas can be obtained.

以上の実施例において、メモリ27はA/Dコンバータ
24.D/Aコンバータ28と組み合せて用いられるデ
ィジタルメモリとしたが、勿論、アナログメモリを用い
ても同様の効果を得ることができる。また、より効果的
な態様として、メモリ部とイメージヤとを一体化してワ
ンチップ化する等、様々な変形が可能であることも当然
である。
In the above embodiments, the memory 27 is connected to the A/D converter 24. Although a digital memory is used in combination with the D/A converter 28, it is of course possible to obtain the same effect by using an analog memory. Furthermore, it goes without saying that various modifications are possible, such as integrating the memory section and the imager into one chip as a more effective mode.

[発明の効果] 以上述べたように、本発明によれば、非破壊読み出し型
イメージヤより出力される複数回の読み出し信号を加算
および/または平均することによりイメージヤのダイナ
ミックレンジを拡大することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the dynamic range of the imager can be expanded by adding and/or averaging multiple readout signals output from the nondestructive readout type imager. Can be done.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、本発明の一実施例を示すダイナミックレンジ
拡大システムのブロック図、 第2図は、上記第1図中のイメージヤの信号読み出し時
を表わしたタイムチャート、 第3図は、上記第1図に示す実施例においてダイナミッ
クレンジ拡大の動作原理を説明するためのイメージヤの
光電変換特性線図、 第4.5図は、本発明の他の各実施例においてダイナミ
ックレンジ拡大の動作原理を説明するためのイメージヤ
の光電変換特性線図、 第6図は、ダイナミックレンジを説明するためのイメー
ジヤの光電変換特性線図、 第7図は、本発明のダイナミックレンジ拡大システムで
用いられる理想的なイメージヤの光電変換特性線図、 第8図は、露光時間が異なる場合の2つの特性線を示し
たイメージヤの光電変換特性線図、第9図は、逆光撮影
時の被写体像を示した図、第10図は、破壊読み出し型
イメージヤの時間に対する蓄積電荷量を示す線図、 第11図は、本発明に用いられる非破壊読み出し型イメ
ージヤの時間に対する蓄積電荷量を示す線図である。 21・・・・・・非破壊読み出し型イメージヤ(第1手
段) 23・・・・・・クリップ回路(クリップ手段)25・
・・・・・加算平均回路(第2手段)29・・・・・・
ドライバ(第1手段)30・・・・・・タイミングコン
トロール回路(第1手段)
FIG. 1 is a block diagram of a dynamic range expansion system showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a time chart showing the imager signal readout shown in FIG. 1 above. FIG. Imager's photoelectric conversion characteristic diagram for explaining the operating principle of dynamic range expansion in the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. Fig. 6 is a photoelectric conversion characteristic diagram of Imager for explaining the dynamic range; Fig. 7 is a photoelectric conversion characteristic diagram of Imager used in the dynamic range expansion system of the present invention. An ideal imager's photoelectric conversion characteristic diagram. Figure 8 is an imager's photoelectric conversion characteristic diagram showing two characteristic lines when exposure times are different. Figure 9 is an image of a subject during backlight photography. FIG. 10 is a diagram showing the amount of accumulated charge versus time in the destructive readout type imager, and FIG. 11 is a diagram showing the amount of accumulated charge versus time in the nondestructive readout type imager used in the present invention. It is a line diagram. 21...Non-destructive readout type imager (first means) 23... Clip circuit (clip means) 25.
...Additional averaging circuit (second means) 29...
Driver (first means) 30... Timing control circuit (first means)

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)非破壊読み出し型イメージャに対し、このイメー
ジャの同一の露光開始動作に対応してタイミングを異に
して複数回の映像信号読み出しを行うための第1手段と
、 この第1手段と動作上関連するよう設けられ上記複数回
に亘って読み出された映像信号を加算および/または平
均するための第2手段と、 を具備し、 上記第2手段を通じて上記イメージャの映像信号出力を
得ることにより同イメージャのダイナミックレンジを実
効的に拡大するようにしたことを特徴とするダイナミッ
クレンジ拡大システム。
(1) A first means for reading out video signals a plurality of times at different timings corresponding to the same exposure start operation of the imager in a non-destructive readout type imager; a second means provided in association for adding and/or averaging the video signals read out multiple times; and obtaining the video signal output of the imager through the second means. A dynamic range expansion system characterized by effectively expanding the dynamic range of the imager.
(2)上記第1手段から上記第2手段に至る映像信号伝
送路中にクリップ手段が介挿されてなることを特徴とす
る請求項(1)記載のダイナミックレンジ拡大システム
(2) The dynamic range expansion system according to claim (1), characterized in that a clip means is inserted in the video signal transmission path from the first means to the second means.
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