CN1993982A - 摄像装置、摄像方法及摄像控制程序 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摄像装置、摄像方法及摄像控制程序。在进行闪光灯拍摄时，尽可能缩短预发光时的曝光时间，从而可以精确度地计算主发光时的合适光量，而与外界光的大小无关。在闪光灯的主发光之前，进行预发光前曝光动作和预发光时曝光动作。在预发光前曝光动作中，在时间T91同时开始摄像元件的全部像素的曝光动作，然后，在时间T92以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号。在预发光时曝光动作中，在时间T94同时开始摄像元件的全部像素的曝光动作，然后进行闪光灯的预发光，并在时间T95以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号。然后，根据在各曝光动作中的拍摄图像信号，对图像的亮度进行检波，并以该差分检波值为基础，计算闪光灯的主发光时的光量。

Description

摄像装置、摄像方法及摄像控制程序

技术领域

本发明涉及一种使用可随机存取各像素的像素信号的固体摄像元件拍摄图像的摄像装置、摄像方法及摄像控制程序，尤其是涉及一种可使用闪光灯进行摄像的摄像装置、摄像方法及摄像控制程序。

背景技术

在由摄像装置拍摄低照度的被摄体的情况中，通过使闪光灯发光来补充光量。但是，在使用固体摄像元件拍摄图像的摄像装置中，具备如下功能：通过预先进行闪光灯的预发光，检测来自被摄体的反射光，并通过分析求出主发光时的合适发光量。

另外，作为用于摄像元件的摄像元件，CCD(Charge Device)图像传感器是最普遍的，但是近年来，随着固体摄像元件的像素数的进一步增多，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器也受到瞩目。CMOS图像传感器具有如下特征：在可随机存取像素信号这一点，与CCD图像传感器相比，其读取速度快，灵敏度高，且功耗低。

但是，在现有技术的使用CMOS图像传感器的摄像装置中，存在如下问题：由于每个像素的曝光期间不同，所以，在闪光灯预发光时，只能在摄像元件的一部分区域上接收预发光的反射光，从而难以高精度地求出主发光时的光量。针对这种问题，已知有一种摄像装置(例如，参照日本特开2000-196951号公报(段落编号[0018]～[0026]、图2))，其将摄像元件内的一部分作为测光区，通过在该测光区所包含的光电转换元件的存储时间进行预发光，从而在测光区的整个范围准确地接收预发光的反射光。

但是，如上述专利文献1所公开的摄像装置，由于为了在测光区内的整个范围同时接收预发光的反射光，需要延长曝光时间。所以，若在外界光较强时进行预发光，则会出现CMOS图像传感器的某区域上的入射光量超过已设定的动态范围的情况，因此存在在该部分无法检测出本来的受光量，难以高精度地求出主发光时光量的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种摄像装置，在进行闪光拍摄时，尽可能缩短预发光时的曝光时间，可高精度地计算出主发光时的合适的光量，而与外界光的大小无关。

而且，本发明的另一个目的在于提供一种摄像方法，在进行闪光拍摄时，尽可能缩短预发光时的曝光时间，且可高精确度地计算主发光时的合适的光量，而与外界光的大小无关。

此外，本发明的又一个目的在于提供一种摄像控制程序，其在进行闪光拍摄时，尽可能缩短预发光时的曝光时间，且可高精确度地计算主发光时的合适光量，而与外界光的大小无关。

本发明为解决上述问题提供了一种摄像装置，其使用可以对各像素的像素信号进行随机存取的固体摄像元件拍摄图像，包括：闪光灯，向被摄体照射光；检波单元，用于根据上述固体摄像元件的拍摄图像信号检波拍摄图像的亮度；以及控制单元，用于进行以下动作：在上述闪光灯的主发光的动作之前，进行上述闪光灯的预发光，通过上述固体摄像元件拍摄上述预发光时的图像，以上述预发光时的拍摄图像信号为基础，通过上述检波单元对拍摄图像的亮度进行检波，根据检波的上述预发光时的亮度，对上述闪光灯的上述主发光时的光量进行计算。其中，在进行上述预发光的动作时，上述控制单元在使上述固体摄像元件的全部像素的曝光动作同时开始之后，以规定的像素间隔间歇地读取各像素的像素信号，并提供给上述检波单元。

在该摄像装置中，在闪光灯的主发光之前，通过进行闪光灯的预发光拍摄图像，并以该图像亮度的检波结果为基础计算闪光灯的主发光时的光量。在进行该预发光时，使固体摄像元件的全部像素的曝光动作同时开始之后，以规定的像素间隔间歇地读取各像素的像素信号，因此，固体摄像元件上的全部区域均受到预发光的影响，并且，缩短了预发光时的固体摄像元件的曝光时间，从而，外界光成分的检波量减少。

而且，本发明提供一种摄像方法，使用可以对各像素的像素信号随机存取的固体摄像元件，通过照射闪光拍摄图像，包括：预发光时摄像步骤，在上述闪光灯的主发光的动作之前，进行上述闪光灯的预发光，而且，上述固体摄像元件拍摄上述预发光时的图像；预发光时检波步骤，检波单元对上述预发光时拍摄的图像的亮度进行检波；以及计算步骤，计算单元根据上述预发光时所检波的图像亮度，计算上述闪光灯的上述主发光时的光量。其中，在上述预发光时摄像步骤中，同时开始上述固体摄像元件的全部像素的曝光动作之后，以规定的像素间隔间歇地读取各像素的像素信号。

在该摄像方法中，在闪光灯的主发光之前，进行闪光灯的预发光后拍摄图像，以该图像亮度的检波结果为基础计算闪光灯的主发光时的光量。在进行该预发光时，同时开始固体摄像元件的全部像素的曝光动作之后，以规定的像素间隔间歇地读取各像素的像素信号，因此，固体摄像元件上的全部区域均受到预发光的影响，同时缩短了预发光时固体摄像元件的曝光时间，外界光成分的检波量减少。

附图说明

图1是实施例涉及的摄像装置的主要部分结构的示意图；

图2是CCD图像传感器的概略结构图；

图3是CMOS图像传感器的概略结构图；

图4是表示CCD图像传感器的动作的时序图；

图5是表示CMOS图像传感器的动作的时序图；

图6是闪光拍摄的基本控制流程的示意图；

图7是拍摄图像的一例的示意图；

图8是表示没有外界光时的差分检波值的运算例的示图；

图9是表示有外界光时的差分检波值的运算例的示图；

图10是表示现有技术的CCD图像传感器的闪光拍摄时序的示例图；

图11是表示现有技术的CMOS图像传感器的闪光拍摄时序的示例图；

图12是用于说明通过现有的CMOS图像传感器得到的预发光时的图像的示图；

图13是表示现有技术的CMOS图像传感器的闪光拍摄时序的其他示例图；

图14是用于说明采用图13的闪光拍摄时序时得到的预发光时的图像的示例图；

图15是表示在采用图13的闪光拍摄时序时预发光前检波值的检波例的座标图；

图16是表示画面下方的像素信号受限制时差分检波值的运算例的示图；

图17是本实施例中的预发光前曝光时和预发光曝光时间歇地读出像素信号的方法的一例的示意图；

图18是表示本实施例的CMOS图像传感器的闪光拍摄时序例的示图；

图19是表示本实施例中的差分检波值的运算例的示图；

图20是表示本实施例中的预发光前进行曝光时和预发光曝光时间歇地读出像素信号的方法的其他例子的示图；

图21是用于说明焦距和视场角之间关系的示图；以及

图22是用于说明焦距和像素的间隔量之间关系的示图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的实施例。

图1是表示根据实施例的摄像装置局部构成图。

图1所示的摄像装置可实现例如数码照相机、或者可拍摄静止图像的数码摄像机等。该摄像装置包括透镜11、光圈12、摄像元件13、AGC(Auto Cain Control)电路14、A/D转换电路15、照相机信号处理电路16、检波电路17、系统控制部18、存储器19、驱动器20、闪光灯21、驱动器22以及存储器23。

透镜11可在摄像元件13的感光面上使从被摄体入射的反射光调焦。

光圈12可使其口径变化，使得通过透镜11得到的入射光量满足摄像元件13的灵敏度的要求。并且，光圈12具有快门的功能。摄像元件13将通过透镜11入射到配置有例如R、G、B滤色片的多个像素的光光电转换为模拟图像信号(电荷)。另外，摄像元件13由XY地址型图像传感器、例如CMOS图像传感器构成，并根据不同的定时进行多个像素的各个曝光动作和读取动作。

AGC电路14用于放大由摄像元件13生成的图像信号。A/D变换电路15用于将通过AGC电路14放大的模拟图像信号转换为数字图像信号。照相机信号处理电路16用于对通过A/D转换电路15转换的数字图像信号进行各种信号处理，例如包括未图示的白平衡电路、Y-C分离电路、滤波电路、口径控制器、图像灰度矫正电路等。此外，虽然图中没有示出，但从该照相机信号处理电路16输出的图像信号提供给例如：用于在监控器上显示拍摄图像的显示系统、以及用于将图像信号编码成规定的数据形式并在存储卡等记录介质上记录拍摄图像数据的记录系统。检波电路17根据通过照相机信号处理电路16处理的图像信号对拍摄画面内的亮度和颜色分布进行检波。作为表示亮度的检波值，例如使用画面内的各像素的亮度信号的积分值等。

系统控制部18例如由微型电子计算机构成，根据检波电路17所检出的亮度和颜色的分布、以及通过照相机信号处理电路16处理的图像信号等统一控制该摄像装置内的各部分。系统控制部18例如运算并输出下述信号：用于控制摄像元件13的各像素的曝光动作和读取动作的曝光定时控制信号、用于控制AGC电路14的增益的增益控制信号、通过驱动器22对透镜11的焦点和光圈12的口径进行控制的光学模块控制信号、以及通过驱动器20对闪光灯21的闪光动作进行控制的闪光灯控制信号等。存储器19用于存储通过系统控制部18运算的控制数据。

在进行闪光拍摄时，驱动器20根据由系统控制部18计算出的闪光灯控制信号来驱动闪光灯21。闪光灯21根据来自驱动器20的驱动信号而发光。驱动器22根据由系统控制部18计算出的透镜控制信号来驱动透镜11和光圈12。存储器23用于暂时存储由照相机信号处理电路16处理后的、或者处理中的图像信号。

拍摄该摄像装置中的静态图像时的基本动作如下所述。

首先，在用户进行摄像操作前，通过摄像元件13接受光、并进行光电转换后的图像信号被依次提供给AGC电路14。该图像信号根据需要由AGC电路14放大，再由A/D转换电路15转换为数字信号，然后由照相机处理电路16进行各种画质校正处理。并且，将处理后的图像信号输出给未图示的显示系统，由此，在记录器上显示照相机取景图像(camera-through image)，且用户可通过观看记录器进行视场角调整。

在这种状态下，若由用户按下未图示的快门释放按钮，则系统控制部18向驱动器22和摄像元件13输出控制信号，使快门动作。由此，从摄像元件13输出1帧的图像信号。此时，系统控制部18根据照相机信号处理电路16中的各种处理结果、和检波电路17的检波结果，向透镜11、光圈12、摄像元件13、AGC电路14输出控制信号，适当地控制焦点、曝光时间、以及曝光量。

照相机信号处理电路16对通过AGC电路14、A/D转换电路15从摄像元件13提供的一帧的图像信号进行画质校正处理等，并向未图示的记录系统输出处理后的图像信号。由此，一帧的图像信号通过编码生成静态图像的数据文件，并被存储在存储卡等记录介质中。

另外，拍摄时，该摄像装置可以例如根据用户操作、或者根据基于检波电路17的检波结果的判断，自动地使闪光灯21发光。如后所述，在进行闪光拍摄时，通过系统控制部18的控制，在闪光灯21的主发光即将进行之前进行预发光，由检波电路17根据预发光时的拍摄图像信号进行检波，并根据该检波结果控制主发光时的闪光灯21的发光量，以便得到合适的拍摄图像。

另外，在本实施例中，作为摄像元件13，使用可对光电转换元件的各像素进行随机存取的元件。在下面的描述中，作为这种摄像元件13，使用CMOS图像传感器，并根据需要，与现有技术中普遍使用的CCD图像传感器进行对比，并在对比的同时对本实施例进行说明。

首先，对摄像元件13的基本结构进行说明。

图2是CCD图像传感器的概略结构图。并且，图3是本实施例中使用的CMOS图像传感器的概略结构图。

如图2所示，CCD图像传感器包括配置成二维矩阵状的多个受光部31、与多个受光部31的列数相同的V传送寄存器32、以及H传送寄存器33。各受光部31将各受光部31的入射光光电转换为模拟图像信号(电荷)，并生成各像素的像素信号。在垂直方向上，多个V传送寄存器32以一个像素(1行)为单位传送被光电转换后的各像素的像素信号。在水平方向上，V传送寄存器32以一个像素为单位传送通过多个V传送寄存器32传送的一行像素的信号。

若CCD图像传感器被曝光，则向各受光部31入射的光将被光电转换成电荷。并且，在各受光部31中存储与各入射光量对应的电荷。若向CCD图像传感器提供用于传送电荷的信号，则存储在所有受光部31中的电荷被同时传送给各个V传送寄存器32。在垂直方向上，以一个像素(一行)为单位向H传送寄存器33传送V传送寄存器32的电荷。在水平方向上，以一个像素为单位传送、并输出传送给H传送寄存器33的一行的像素信号。因为V传送寄存器32和H传送寄存器33被遮光，所以暂时传送给它们的电荷量可以保持为恒定。

另一方面，如图3所示，CMOS图像传感器包括：多个受光部41，成二维矩阵状配置；以及列42，同列的多个受光部41共用，并被电连接，在水平方向上，按照每个像素传送从各列的任一个受光部41传送来的电荷。CMOS图像传感器不具备相当于CCD图像传感器的V传送寄存器32的部件。因此，CMOS图像传感器的各个受光部41与CCD图像传感器的各个受光部31相比，可以使面积增大，从而可扩大动态范围，并提高灵敏度。另外，CMOS图像传感器可以以选择并读出任意地址的像素的方式构成。

随着摄像元件的像素不断增多，像素间距变得紧密。但是，即使在这种情况下，也可以较大地增大像素信号的动态范围，并且，由于需要在像素增多的摄像元件中只自由读出其中所需像素信号的结构，所以，在这些方面，CMOS图像传感器更具有优势。与之相反，如下所述，因为不能同时读取同列的像素，所以导致曝光动作和读取动作变得复杂。

图4是表示CCD图像传感器的动作的时序图。图5是表示CMOS图像传感器的动作的时序图。

如图4所示，在CCD图像传感器中，例如在时间T11开始全部像素的曝光，然后，在时间T12向V传送寄存器32移动所有像素的电荷，因此可以同时进行全部像素的曝光。此外，例如在其后的时间T12～T13的期间内，从第一行开始依次向H传送寄存器33传送被存储的电荷。

与此相对，由于CMOS图像传感器不具备相当于CCD图像传感器的V传送寄存器32的部件，所以，当读出某像素的像素信号时，在其他像素中，由于受到外界光的影响而存储电荷。因此，如图5所示，CMOS图像传感器的各像素的曝光动作需要与从各个受光部41读出的电荷的动作一致。在本实施例中，在时间T22～T23的一个垂直同步期间内，从画面上方向下方逐行移动地读出像素信号，与此对应，在其之前的时间T21～T22的一个垂直同步期间内，从起始行开始逐行地错开曝光开始时间，从而使全部像素的曝光时间相同。

接着，对闪光拍摄时的动作进行说明。

图6是表示闪光拍摄的基本控制流程图。

在拍摄静态图像的模式下，若按下快门释放按钮(步骤S31)，则开始步骤S32后面的处理。在此，当将闪光灯设为自动发光的动作模式时，通过检波电路17，对由摄像元件13拍摄的图像信号所包含的亮度信号的积分值进行检波，并由系统控制部18根据亮度信号的积分值检测外部光的亮度，从而判断闪光灯是否发光(步骤S32)。当判断外部光为亮时，则进入步骤S33，进行不使闪光灯21发光的通常拍摄，并结束处理。另一方面，在步骤S32中，当判断外部光为暗时，则进入步骤S34，进行闪光拍摄。另外，当存在不管外界光线的明暗都强制执行闪光拍摄的动作模式时，则无论步骤S32的判定结果如何都进入步骤S34，进行闪光拍摄。

在执行闪光拍摄时，首先，对光圈12的口径和开放时间、摄像元件13的曝光时间(快门速度)以及AGC电路14的增益进行设定(步骤S34)。另外，优选方式是，设定光圈12的口径，以便在闪光灯21预发光时，来自近距离的被摄体的入射光量不超出摄像元件13的动态范围。预发光是用于计算主发光的光量的处理，若超出动态范围的光量入射到摄像元件13，则会生成失真(saturated，导致饱和)的图像信号，从而不能精确地计算主发光的光量。另外，优选方式是，使摄像元件13的曝光时间尽量缩短。若曝光时间增大，则外界光的影响增大，用于对预发光的光量进行检波的动态范围变窄，主发光光量的计算精度降低。而且，为了降低图像信号的噪音影响，优选方式是，设定较低的AGC电路14的增益。

接着，固定设定的口径、曝光时间以及增益的同时，在闪光灯21不发光的状态下，利用摄像元件13进行预发光前的曝光动作和读出动作，通过检波电路17对图像信号的亮度信号所包含的积分值即预发光前检波值(称为D1)进行检波，并存储在存储器19中(步骤S35)。该预发光前检波值D1表示无预发光、仅存在外部光时的检波值。

然后，固定设定的口径、曝光时间以及增益的同时，通过闪光灯21以规定的发光量进行预发光(步骤S36)，通过摄像元件13进行预发光时的曝光动作和读出动作，并通过检波电路17对图像信号的亮度信号所包含的积分值即预发光时检波值(作为D2)进行检波，并存储在存储器19中(步骤S37)。预发光时检波值D2表示包括预发光及外界光时的检波值。

接着，由系统控制部18读出存储在存储器19中的预发光时检波值D2和预发光前检波值D1，并算出从预发光时检波值D2减去预发光前检波值D1的差分检波值(步骤S38)。差分检波值表示排除外界光、仅包含预发光的检波值。接着，由系统控制部18根据差分检波值求出闪光灯21的主发光的发光量(步骤S39)，并根据求得的发光量进行闪光灯21的发光，从而进行闪光拍摄(步骤S40)。

这样，在本实施例的摄像装置中，在闪光拍摄的预发光时，进行闪光灯的不发光时、发光时的两次图像信号的读入，通过从预发光时检波值D2中减去预发光前检波值D1，从而抵消外界光的影响，更准确地求出主发光时的光量。在此，优选方式是，尽量在短时间内进行步骤S35中摄像元件13的预发光前的曝光动作、以及步骤S37中摄像元件13的预发光时的曝光动作。闪光拍摄通常在低照度环境下进行，但是，基本上不存在没有外界光的情况，例如，在突出逆光暗淡的人物摄影时，也进行闪光拍摄。这样，如下述图7～图9所示，如果外界光光量大时，由于该外界光的影响，有时不能得到更为准确的检波值，尤其是不能得到预发光时检波值D2，从而不能得到正确的差分检波值。

图7是表示拍摄图像的一例示图。另外，图8是表示没有外界光时的差分检波值的计算例示图，图9是表示有外界光时的差分检波值的计算例示图。

如图7所示，假设对在画面中央部具有圆形像A的图像进行闪光拍摄。在这种情况下，利用图8和图9，对该图7中垂直方向的虚线表示的画面中央位置的像素信号的输出、即根据检波值的差分检波值的运算结果进行说明。

如图8所示，在没有外界光时，预发光前的摄像元件13的输出为0，预发光前检波值D1也为0。在预发光时，得到相当于像A的部分的输出大的预发光时检波值D2。其结果是，差分检波值与预发光时检波值(D2)一致。

另一方面，如图9所示，在有外界光时，在预发光前，得到相当于外界光的预发光前检波值D1。在预发光时，在外界光中加入预发光并一并输出给摄像元件13。此时，在摄像元件13的输出信号(亮度信号成分)中，由于超出该摄像元件13的动态范围的成分受到限制，所以，差分检波值除去受限部分而变小、且失真。因此，不能计算出正确的主发光的发光量。如上所述，在没有外界光时的闪光拍摄的情况很少见，所以需要尽量缩短预发光前和预发光时的曝光动作，以便减小外界光的影响，并使预发光时的摄像元件13的动态范围具有充分的余量。

接着，对闪光拍摄的预发光时间进行说明。首先对现有的闪光拍摄进行说明。

图10是表示现有技术的CCD图像传感器的闪光拍摄程序例的示图。

如图10所示，当在摄像元件13中使用CCD图像传感器时，在时间T51开始预发光前的曝光，并在时间T52将受光部的信号电荷移动到V传送寄存器，其后，在直到时间T53的期间内，依次输出并读出信号电荷，并对预发光前检波值D1进行检波。接着，在时间T54～T55的期间内，进行预发光时的曝光，然后，在时间T55～T56的期间内，同样地读出信号电荷，并对预发光时检波值D2进行检波。此时，通过计算差分检波值来计算主发光时的闪光灯光量，然后在时间T57以后的规定时间内，进行基于主发光的闪光拍摄。这样，在CCD图像传感器中，由于全部像素的曝光时间相同，所以，对于画面内的全部区域，都受到预发光时的曝光动作中预发光的影响。

另一方面，图11是表示现有技术的CMOS图像传感器的闪光拍摄时序例的示图。图12是用于说明对通过现有技术的CMOS图像传感器得到的预发光时的图像的示图。

如图11所示，当在摄像元件13中使用现有技术的CMOS图像传感器时，在时间T61开始预发光前的曝光，在时间T62开始预发光时的曝光，并取得各自的检波值，从而算出差分检波值。在此，如上所述，在CMOS图像传感器中，从画面上方的起始行向下方的最后一行，曝光期间依次错开。例如，在预发光时，在图中的时间T62开始起始行的曝光，但是最后一行的曝光在之后的时间T63才开始。对此，由于预发光的时间短至数10μsec，所以，预发光的反射光只能用一部分像素受光。例如图12所示，在进行预发光时，由于预发光时的曝光动作中预发光的影响只被限定在画面内的一部分区域B(在图12中为画面上部)上，所以，从其他的区域，只能求出没有预发光影响的外界光的检波值。因此，不能高精度地求出预发光时检波值，从而也不能高精度地计算主发光的光量。

对此，如下述图13所示，考虑在预发光时的曝光开始时，一次清除全部像素的电荷。

图13是表示现有的CMOS图像传感器的闪光拍摄时序的其他例示图。另外，图14是用于说明对此时得到的预发光时的图像的示图。

如图13所示，在开始预发光前的曝光时(时间T71)、以及开始预发光时的曝光时(时间T72)，清除摄像元件13的全部像素的电荷，并同时开始画面内的全部像素的曝光动作。由此，从画面内的上部到下部都同样受到预发光时的曝光动作中预发光的影响，所以，能精确地求出预发光时检波值。另外，由于预发光之前的曝光期间缩短，所以，即使至少在画面上方外界光强的情况下，由此也可以避免像素信号超出摄像元件13的动态范围。

但是，因为不能同时读出画面内的全部像素，所以，逐行错开依次进行画面内的各个像素信号的读出。因此，对于预发光前和预发光时的曝光时间来说，越是下行的像素曝光时间越长。例如图14所示，在时间T81～T83的一个垂直同步期间内进行所有像素信号的读出时，画面上方第一行的像素的曝光时间(时间T81～T82)最短(例如1/4000sec左右)，最后一行像素的曝光时间(时间T81～T83)最长(例如1/数100sec左右)。

在此，如图14所示，当读出全部像素的电荷需要一个垂直同步期间时，考虑拍摄在画面的整个区域上具有相同外界光量的同样的被摄体的情况。图15是表示在这种情况下的预发光前检波值D1的检波例的座标图。

图15(A)表示拍摄仅曝1/2垂直同步期间时摄像元件13的输出信号达到动态范围的50％的被摄体的情况下的检波值。对于曝光时间而言，越是画面上的下行的像素曝光时间越长，此时，画面中央的像素信号的输出值为动态范围的50％、画面下方的最后一行的像素信号的输出值为100％左右。

另外，图15(B)表示拍摄仅曝光1/4垂直同步期间时摄像元件13的输出信号达到动态范围的50％的被摄体时的情况。此时，画面中央的像素信号的输出值达到100％动态范围，因此，下方的像素信号超出了动态范围，从而不能检波到正确的外界光量。

图16是表示画面下方的像素信号受限时的差分检波值的计算例示图。

在图16的例子中，开始读出摄像元件13上的起始行时，该行中像素信号的输出值达到摄像元件13的动态范围的20％左右的同样的外界光存在，并且，当读出最后一行时，该行的像素信号的输出值达到动态范围的80％左右。而且，使通过预发光而入射的反射光的光量(不含外界光成分)大致为摄像元件13的动态范围的50％左右。另外，在此，假设在画面的整个区域内都同样地接收预发光的反射光。

在这种情况下，在预发光时，由于对将外界光成分和预发光的反射成分合成后的值(预发光时检波值D2)进行检波，所以，从画面中央开始下方的像素信号超出动态范围，从而导致检波值受限。因此，在检波值受限的区域中，预发光时检波值D2和预发光前检波值D1的差分检波值与实际的预发光的反射成分不一致。这样，如果只是使曝光开始时间一致，对于正确获得主发光时的光量而言，是不充分的。

为了解决这种问题，在本实施例中，通过间隔剔除像素从受光部41向列42传送电荷，从而缩短了整个画面的像素信号的读出时间，同时也降低了外界光对计算主发光的光量的影响。

图17是本实施例中的预发光前曝光时和预发光曝光时的像素信号的间歇读出方法的一例的示意图。

在图17(A)中，作为间歇读出方法的一例，示出了在摄像元件13中的受光部41的像素信号中从水平方向、垂直方向两个方向间歇读出n个像素中每个像素的情况。此时，间歇地从各列受光部41的n个像素(在图中n＝4)中的一个像素向列42传送信号电荷、并输出。另外，如图17(A)所示，当在每一行上逐一错开读出的像素位置时，例如图17(B)所示，在整个画面上，从沿倾斜方向连续的像素中读出信号电荷，并且，从全部像素中的1/n(在本实施例中为1/4)像素中读出信号电荷。

图18是表示本实施例的CMOS图像传感器的闪光拍摄时序例的示图。

图18与上述图11和图13同样，表示对于读出全部像素的电荷需要一个垂直同步期间的情况。此时，如图17所示，如果每四个像素中间歇读出一个像素的像素信号，则读出所需的时间缩短至1/4。在图18中，在预发光前曝光时，在时间T91清除摄像元件13的全部像素的电荷，然后，同时开始全部像素的曝光动作，并且，在时间T92从画面上方的起始行开始读出电荷。然后，在1/4垂直同步期间的时间之后，对整个画面的电荷读出(时间T93)结束。在预发光时曝光时，在时间T94清除全部像素的电荷后开始曝光动作，并在开始读出电荷的时间T95之前的期间内，使闪光灯21预发光。并且，在开始读取起始行的电荷之后，在1/4垂直同步期间的时间后的时间T96，对整个画面的电荷读出结束。

图19表示本实施例中的差分检波值的计算例示图。

在图19中，示出了在外界光的光量以及预发光的反射光量的条件与图16相同的情况下进行检波的例子。在图16所示的预发光前曝光情况下，在从起始行向最下行依次读出电荷的期间内，像素信号的电平超过摄像元件13动态范围的50％，但是在图19中，由于电荷的读取时间变为1/4，所以从起始行向最下行的检波值的上升率变为1/4，全行的像素信号的电平小于等于动态范围的50％。因此，即使在预发光时曝光时，摄像元件13的输出信号电平也不会超过动态范围，不会受到限制，所以，预发光时检波值D2和预发光前检波值D1的差分检波值与实际预发光时的反射光成分相等，从而能够检波出正确的值。因此，能正确地求得主发光时的闪光灯的发光量。

此外，在图18中，由于在通过摄像元件13进行预发光前和预发光时的动作的期间内，摄像元件13在垂直同步信号的二个周期内输出一次，所以图像信号的输出+中断。另外，因为是间歇地读出画面内的像素信号，所以输出的图像也为失真状态。因此，优选的构成方式是，在存储器23中预先记录从该期间开始垂直同步信号的只是数周期之前的输出图像信号，并当通过摄像元件13开始预发光前的曝光动作时，读出记录在存储器23中的先前的图像信号，用以代替摄像元件13的拍摄图像信号，并输出给后级的显示系统。由此，不会使用户识别出图像的失真。

图20是本实施例中的预发光前曝光时和预发光曝光时的像素信号的间歇读出方法的其他例的示意图。

在图20中，示出了在摄像元件13上的受光部41的像素信号中，从n行(在图中n＝4)间歇地读出每一个的情况。在这种情况下，也仅从全部像素的1/n读出信号电荷，所以与图17时同样，读出整个画面的电荷所需的时间为1/n，同样的，可以提高主发光时闪光灯的发光量的计算精度。另外，在本实施例中，由于对所有的列而言，进行读出的像素的位置相同，所以可使用于电荷读出的摄像元件13的电路结构简化。此外，例如也可以在n列中从一个像素开始读取信号电荷

如上所述，根据本实施例的摄像装置，在闪光灯进行预发光的动作时，同时开始摄像元件13的全部像素的曝光动作，并且对n像素逐个地间歇读取信号电荷、并进行检波。因此，在画面的全部区域上可以缩短摄像元件13的曝光时间，并且可以将预发光的影响施加在摄像元件13的全部区域上。因此，尤其即使在外界光的光量比较强的情况下，预发光时的摄像元件13的受光量超出动态范围的情况减少，所以提高了检波值的准确性，同时，能更高精度地求出主发光时的光量。

另外，除了预发光时检波值，还对预发光前检波值进行检波，从而从预发光时检波值减去预发光前检波值，得到仅包含排除外界光的预发光的差分检波值，因此，由于可得到排除了外界光而仅包含预发光的差分检波值，所以可以进一步高精度地求出主发光时的光量。

此外，预发光前检波以及预发光时检波时的像素的间隔剔除量(thinning rate)(n)也可以根据此时检测出的外界光的光量而改变。例如，通过增大像素的间隔量(n)，可缩短读出整个画面的电荷所需要的时间，所以与预发光前检波值D1的画面内的像素位置相对应的上升率变得更小。因此，在外界光的光量大时，可以通过增大像素的间隔量(n)，更可靠地避免检波值受限的情况发生。

另外，如果是安装具有通过移动透镜而改变焦距的变焦功能的摄像装置，则可以对应焦距使像素的间隔量(n)为可变量。其原因如下所述：根据照射闪光的被摄体，提高变焦倍率时，即使与倍率低时相比检波的像素数减少，但是也可以获得主发光时的发光量的足够的计算精确度。

图21是用于说明焦距和视场角之间关系的示图。另外，图22是用于说明焦距和像素的间隔量之间关系的示图。

在此，假设将人脸作为被摄体2。在图21(A)中，将从摄像装置1的摄像面至被摄体2之间的距离设定为L，将垂直方向的摄像范围的距离设定为2Lver。另外，在图21(B)中，将拍摄范围3的对角方向的距离设定为2Ls。焦点距离f为38mm(35mm换算)时的视场角2ω大约为60°，并将拍摄范围3的横向和对角方向所成的角度θ作为37°，若将其代入Ls＝L*tanθ、Lver＝Ls*sinθ的公式中，则拍摄范围3的垂直方向距离2Ls为0.7L。这样，可以根据焦距f求出实际拍摄范围的大小。并且，被摄体2位于从摄像装置1至闪光灯到达的范围内的距离L时，可以运算出该被摄体2在画面上所占的大小。

在此，例如图22所示，在以规定行数(n)间歇地读出像素信号时，当在拍摄范围3a内拍摄被摄体2时，例如图22所示，需要在整个画面内读出9行。并且，若在该状态的基础上增大焦距，则在拍摄范围3b内被摄体2被放大后拍摄。在闪光拍摄时的预发光时曝光中，如果可以接受来自该被摄体(在此假设为人脸)的预发光的反射光，则可以十分精确地计算主发光的光量，所以如图22所示，在拍摄范围3a内，只检测出三行来自被摄体2的脸的反射光时，则不需要在拍摄范围3b中对该范围内的9行进行检波，而只要对被摄体2涉及的3行进行检波，即可得到与拍摄范围3a同样的计算精度。

作为一个例，当设定n＝16时，若摄像元件13的总行数为500，则间歇读出的像素范围变为全部画面的3％左右，并且，在到被摄体2的距离L为2.5m的情况下，在实际的被摄体2上，可读取相当于大约5cm间隔的反射光成分。此时，当人的下颚和额头之间的距离为20cm时，则在人脸中能检波三至四行左右。另外，同样地，当n＝4时，在被摄体2上大约为1cm的间隔。

这样，因为可以从摄像元件13具有的行数、焦距f、设想的被摄体的大小(在此为垂直方向的长度)等的值确定间隔量(n)，所以，例如，预先为称为人物摄像模式的每个动作模式设定在广角端的所需的间隔量(n)，并与在闪光拍摄时增加焦距f(即增大变焦倍率)相对应地增大其间隔量(n)，从而可缩短预备曝光时的曝光时间，提高主发光的光量的计算精度。

另外，本发明除了适用于数码照相机、具有拍摄静态图像功能的数码摄像机等摄像装置外，也适用于具有相同功能的便携式电话机以及PDA(Personal Digital Assistant，个人数字助理)等。

而且，也可将本发明适用于通过连接外部的摄像元件和闪光灯、并控制该摄像元件和闪光灯的摄像动作而可存取拍摄图像的个人计算机等的信息处理设备(计算机)中。在这种情况下，提供了一种程序，其描述了上述摄像装置应该具有的功能的处理内容。并且，通过计算机执行该程序，从而可以在计算机上实现上述处理功能。可将记述了处理内容的程序记录在计算机可读取的记录介质中。作为可通过计算机读取的记录介质，包括磁记录装置、光盘、光磁记录介质、半导体存储器等。

在使程序兼容的情况下，可以在市场上销售记录有例如该程序的光盘等移动型记录介质。并且，也可以将程序存储在服务器计算机的存储装置中，通过网络从服务器计算机向其他计算机传送该程序。

执行程序的计算机将例如记录在移动型记录介质中的程序或从服务器计算机传送的程序存储在自身的存储装置中。

并且，计算机从自身的存储装置读取程序，并根据程序执行处理。此外，计算机也可以直接从移动型记录介质中读取程序，并根据该程序执行处理。而且，计算机也可以在每次从服务器计算机传送程序时，逐次地根据接收的程序执行处理。

产业上的可利用性

根据本发明，在闪光灯预发光时，同时开始固体摄像元件的全部像素的曝光动作，然后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号。因此，可以在固体摄像元件的全部区域上施加预发光的影响，同时缩短了预发光时的固体摄像元件的曝光时间，并减少了外界光成分的检波量。因此，在外界光较强时，由于较少地出现预发光时的检波量超出动态范围的情况，并能正确地检波预发光的反射光成分，所以，可以提高主发光的光量的计算准确性，从而得到更高画质的图像。

Claims (13)

1.一种摄像装置，其使用可对各像素的像素信号进行随机存取的固体摄像元件拍摄图像，其中，包括：

闪光灯，用于向被摄体照射光；

检波单元，用于从通过所述固体摄像元件而获得的拍摄图像信号中检波拍摄图像的亮度；以及

控制单元，在所述闪光灯的主发光的动作之前，使所述闪光灯进行预发光，使所述固体摄像元件拍摄所述预发光时的图像，以所述预发光时的拍摄图像信号为基础，使所述检波单元检波拍摄图像的亮度，根据检波的所述预发光时的亮度计算所述闪光灯的所述主发光时的光量，

其特征在于：

在进行所述预发光的动作时，所述控制单元使所述固体摄像元件的全部像素的曝光动作同时开始之后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号，并提供给所述检波单元。

2.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于：

所述控制单元，在所述预发光即将进行之前，在不使所述闪光灯发光的状态下，使所述固体摄像元件拍摄图像，以所述预发光即将进行之前的拍摄图像信号为基础，使所述检波单元检波拍摄图像的亮度，根据在所述预发光即将进行之前和所述预发光时分别通过所述检波单元检波的亮度的差分值，计算所述闪光灯的所述主发光时的光量，即使对于所述预发光即将进行之前的所述固体摄像元件的拍摄，所述控制单元也使所述固体摄像元件的全部像素的曝光动作同时开始之后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号，并提供给所述检波单元。

3.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于：

在所述预发光即将进行之前和所述预发光时的各摄像动作中，所述控制单元以水平方向的行为单位，读出所述固体摄像元件的像素信号。

4.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于：

在所述预发光即将进行之前和所述预发光时的各摄像动作中，所述控制单元以垂直方向的列为单位，读出所述固体摄像元件的像素信号。

5.根据权利要求2所述的摄像装置，其特征在于：

在所述预发光即将进行之前和所述预发光时的各摄像动作中，外界光的光量越强，所述控制装置使用于从所述固体摄像元件间歇地读出像素信号的所述像素间隔越大。

6.根据权利要求2所述的摄像装置，还包括变焦机构，用于通过使透镜沿着光轴移动而拍摄被摄体的放大图像，其特征在于：

在所述预发光即将进行之前和所述预发光时的各摄像动作中，所述变焦机构的焦距越大，所述控制单元越是加大用于从所述固体摄像元件间歇地读出像素信号的所述像素间隔。

7.根据权利要求2所述的摄像装置，还包括存储单元，用于存储在所述预发光的动作之前由所述固体摄像元件拍摄的图像信息，其特征在于：

在通过所述固体摄像元件开始所述预发光即将进行之前的拍摄动作时，代替根据该摄像动作及其后的所述预发光时的摄像动作所拍摄的图像，所述控制单元读出存储在所述存储装置中的图像信息，并向后级的图像显示处理装置输出。

8.根据权利要求1所述的摄像装置，其特征在于：

所述固体摄像元件包括XY地址型图像传感器。

9.根据权利要求8所述的摄像装置，其特征在于：

所述XY地址型图像传感器包括CMOS图像传感器。

10.一种摄像方法，使用可对各像素的像素信号进行随机存取的固体摄像元件，通过照射闪光灯而拍摄图像，其特征在于，包括：

预发光时摄像步骤，在进行所述闪光灯的主发光的动作之前，进行所述闪光灯的预发光，所述固体摄像元件拍摄所述预发光时的图像；

预发光时检波步骤，检波单元对所述预发光时拍摄的图像的亮度进行检波；以及

计算步骤，根据所述预发光时检波的图像的亮度，计算所述闪光灯的所述主发光时的光量，

其中，在所述预发光时摄像步骤中，同时开始所述固体摄像元件的全部像素的曝光动作后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号。

11.根据权利要求10所述的摄像方法，其特征在于，还包括：

预发光前摄像步骤，在所述预发光时摄像步骤之前，不使所述闪光灯发光，所述固体摄像元件拍摄图像；以及

预发光前检波步骤，所述检波单元以在所述预发光前摄像步骤中的拍摄图像信号为基础，检波图像的亮度，

其中，在所述预发光前摄像步骤中，同时开始所述固体摄像元件的全部像素的曝光动作后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号，

在所述计算步骤中，根据在所述预发光前检波步骤和所述预发光时检波步骤中分别检波的亮度的差分值，计算所述闪光灯的所述主发光时的光量。

12.一种摄像控制程序，用于使计算机执行摄像控制处理，其中，所述摄像控制处理是指，使用可对各像素的像素信号进行随机存取的固体摄像元件，通过照射闪光灯拍摄图像，其特征在于，所述摄像控制程序使所述计算机具有以下各单元的功能：

控制单元，在所述闪光灯的主发光动作之前，进行所述闪光灯的预发光，使所述固体摄像元件拍摄所述预发光时的图像，以所述预发光时的拍摄图像信号为基础，使检波单元检波拍摄图像的亮度，并且，在进行所述预发光的动作时，使所述固体摄像元件的全部像素的曝光动作同时开始之后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号；以及

计算单元，根据在所述预发光动作时通过所述检波单元检波的图像的亮度，计算所述闪光灯的所述主发光时的光量。

13.根据权利要求12所述的摄像控制程序，其特征在于：

所述控制单元还在所述预发光即将进行之前，不使所述闪光灯发光，使所述固体摄像元件拍摄图像，以在所述预发光即将进行之前的拍摄图像信号为基础，使所述检波单元检波拍摄图像的亮度；

所述运算单元还根据在所述预发光即将进行之前和所述预发光时分别通过所述检波单元检波的亮度的差分值，计算所述闪光灯的所述主发光时的光量，

对于在所述预发光即将进行之前的所述固体摄像元件的拍摄，所述控制单元也使所述固体摄像元件的全部像素的曝光动作同时开始之后，以规定的像素间隔间歇地读出各像素的像素信号。

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