JP2006332936A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアログセンサを用いつつ補助光源を使用した撮影において、主要被写体に対して良好なコントラストが得られる撮影を可能とする撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１に、入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と対数変換する対数変換動作とを入射光量に応じて切り換え可能な複数の画素を有する撮像素子４と、被写体の撮像時に光を照射する照明用の照射部６と、照射部６を使用して撮影を行うときは、主要被写体の輝度分布が撮像素子４の出力信号の線形領域に位置するように、線形領域及び対数領域の境界となる変曲点の位置を変更する変曲点変更部２５とを設ける。
【選択図】図１０

Description

本発明は撮像装置に係り、特に、対数変換動作及び線形変換動作の切り換えが可能な撮像素子を有する撮像装置に関する。

従来から、デジタルカメラや、車載カメラなどに組み込まれるカメラユニットなどの撮像装置による撮影において、被写体周辺が暗い場合は、ストロボ装置や高輝度ＬＥＤなどの補助光源を用いて撮影を行っている。

このような補助光源を用いて撮影を行う場合は、撮影画像の中心付近に位置する被写体を主要被写体とするなど所定のアルゴリズムによって主要被写体を決定した上で、その主要被写体の露光量が最適となるように補助光源による照射量（例えば、ストロボ光量）を調整していた。

一方、入射光量に応じて電気信号の線形変換動作及び対数変換動作の切り換えを可能にした撮像素子（リニアログセンサ）が提案されている（特許文献１）。このような撮像素子によれば、線形変換動作のみを行う撮像素子（リニアセンサ）と比較すると、電気信号のダイナミックレンジが広くなるため、輝度分布の広い被写体を撮影した場合でも全輝度情報を電気信号で表現することができるものである。更に、線形変換動作から対数変換動作への切り替えポイント（変曲点）を変更できるようになっている。
特開２００４−０８８３１２号公報

しかし、このような撮像素子を用いて、従来と同様に補助光源を用いて撮影を行う場合は、予め主要被写体を決定して、その被写体の露光量が最適となるようにストロボ光を照射しても、入射光量に応じて線形変換動作及び対数変換動作が切り換えられて出力されるので、ストロボ撮影の際、切り換えポイント（変曲点）を考慮しないと、同じ被写体でありながらコントラストが均一とならず、違和感のある画像が得られる可能性が生じてしまう。

例えば、図１２において、ストロボ光が適正に到達する範囲内に存在する被写体ａと、範囲外に存在する被写体ｂ（背景）を想定する。被写体に与えるストロボ光量は、被写体の距離が遠くなるに従って減少するために、被写体ａについて適正となるストロボ光量を与えたとしても、被写体ａより遠い距離にある被写体ｂは、適正なストロボ光量とならないか、ほとんどストロボ光の影響は受けない画像となる。このため、従来、被写体ｂについては、絞りやシャッタスピードなどを適宜組み合わせて露光量を確保しつつ、被写体ａについては、適正となるストロボ光量を与えて、良好な画像を得るストロボ撮影を行っていた。さて、一般にストロボ装置を使用して撮影する状況というのは、全体的な輝度が低い、夜間や夕暮れや室内などが多いために、被写体ａを主要被写体として、主要被写体ａが適正となるストロボ光量を与えた場合、主要被写体ａの輝度は、周辺の輝度と比較して撮影画面内で高輝度側に分布する可能性が高くなる。

その状況において、リニアログセンサを用いると、主要被写体ａは、ログ領域を使用するか、リニア領域とログ領域をまたいで使用する可能が生じてしまう。その結果、得られた撮影画像は、主要被写体ａのコントラストが悪くなるか、均一のコントラストとならずに、良好な画像が得られないという問題が生じていた。

本発明の課題は、近年登場した撮像素子（リニアログセンサ）を用いつつ補助光源を使用して撮影を行う場合において、主要被写体に対して、良好なコントラストが得られる撮影を可能とする撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に記載の発明は、撮像装置であって、入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と対数変換する対数変換動作とを入射光量に応じて切り換え可能な複数の画素を有する撮像素子と、被写体の撮像時に光を照射する照射部と、前記照射部を使用して撮影を行うときは、主要被写体の輝度分布が前記撮像素子の出力信号の線形領域に位置するように線形領域及び対数領域の境界となる変曲点を変更する変曲点変更部と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ストロボ装置などの照射部を使用して撮影を行う場合は、主要被写体の露光量が多くなって輝度分布が対数領域に位置することになるが、撮像素子の出力信号の変曲点を移動させて、主要被写体の輝度分布を線形領域に位置させることにより、撮像可能領域内の所定の輝度分布内において表現されるデータが少なくなるのを回避することができる。これにより、所定の輝度分布内において十分なデータを得ることによって、被写体のコントラストを改善することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の撮像装置であって、前記照射部による照射光の到達距離内の被写体について、前記照射部を使用して予備撮影した場合の反射光量と前記照射部を使用せずに予備撮影した場合の反射光量との差より、前記撮像装置からの距離に応じた反射光量を求め、その反射光量が最も大きい被写体を前記主要被写体として決定する制御部を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、照射部の照射光の到達距離内であれば、照射部を使用して撮影した場合の反射光量と照射部を使用せずに撮影した場合の反射光量との差が被写体の距離に応じた反射光量となることから、その反射光量が最も大きい被写体を主要被写体とすることにより、撮像装置から最も近い距離にある被写体を主要被写体として決定することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の撮像装置であって、前記制御部は前記主要被写体の露光量が適正となるように前記照射部の照射量を設定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、撮像装置から最も近い主要被写体を適正な露光量にした上で、主要被写体の輝度値を線形領域に位置させることによりコントラストを改善することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３いずれか一項に記載の撮像装置であって、前記変曲点変更部は前記撮像素子の画素に設定する電圧値を変更することにより前記変曲点を変更することを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、撮像素子の出力信号の変曲点を変更することが可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、ストロボ装置などの照射部を使用した撮影時において、主要被写体の撮像に線形領域を使用し、所定の輝度分布内で十分なデータを得て被写体のコントラストを改善することができる。

請求項２に記載の発明によれば、撮像装置から最も近い距離にある被写体を主要被写体として決定することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、主要被写体を適正な露光量にすると共に、主要被写体のコントラストを改善することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、撮像素子の出力信号の変曲点を変更することが可能となる。

本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る撮像装置１はコンパクトタイプのデジタルカメラであるが、本発明の撮像装置には、一眼レフタイプのデジタルカメラ、カメラ付携帯電話、車載カメラなどの撮影機能を備えた電子機器の他、携帯電話、車載カメラなどの電子機器に組み込まれるカメラユニットなども含まれる。

図１に示すように、撮像装置１が備える筐体２の前面中央部付近には、被写体の画像光を所定の焦点に集光させるレンズユニット３が、レンズユニット３の光軸が筐体２の前面に直交するように設けられている。そして、筐体２の内部であってレンズユニット３の後方には、レンズユニット３を介して入射した被写体の反射光を電気信号に光電変換する撮像素子４が設けられている。

また、図２に示すように、撮像素子４の近傍には、ラインセンサ５が撮像素子４と同様の撮影画角となるように配置されている。ラインセンサ５は、撮影画面内の各領域に対応する領域Ａ〜領域Ｅにおいて、撮影画面内の各領域における被写体の反射光を受光するようになっている。なお、撮像素子４をラインセンサとして用いてもよい。

また、図１に示すように、筐体２の前面上端部付近には撮影時に光を照射する照射部６が備えられている。本実施形態の照射部６は撮像装置１に内蔵されたストロボ装置によって構成されているが、外付けのストロボ装置又は高輝度ＬＥＤによって構成してもよい。また、筐体２の前面であってレンズユニット３の上部付近には、調光センサ７が設けられており、この調光センサ７は、照射部６から照射された光が被写体で反射されて、その反射した光を受光するものである。

更に、撮像装置１が備える筐体２の内部には、システム制御部８及び信号処理部９（いずれも図４参照）などの回路を含む回路基板（図示略）が設けられている。また、筐体２の内部には電池１０が内蔵されていると共に、メモリカードなどの記録部１１が装填されている。

また、図３に示すように、筐体２の背面には、画像表示用のモニタ１２が設けられている。モニタ１２はＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）などによって構成されており、被写体のプレビュー画面や撮影画像を表示することができるようになっている。

また、撮像装置１の背面上端部付近には、ズームを調整するためのズームボタンＷ１３（Wide：広角）及びズームボタンＴ１４（Telephoto：望遠）が設けられている。また、撮像装置１の背面であってレンズユニット３が設けられている位置の上方には、筐体２の背面側から被写体を確認するための光学式ファインダ１５が配置されている。

更に、撮像装置１の背面中央部付近には、モニタ１２の画面上に表示されたカーソルやウィンドウの移動又はウィンドウの指定範囲の変更をするための十字キーを備えた選択用十字キー１６が設けられている。また、選択用十字キー１６の中心部分には、カーソルやウィンドウによって指定した内容を確定するための確定キーが備えられている。

また、撮像装置１の上面であって電池３とレンズユニット３との間には、シャッタレリーズを行うためのレリーズスイッチ１７が設けられている。レリーズスイッチ１７は、途中まで押し込んだ「半押し状態」の操作と、更に押し込んだ「全押し状態」の操作とが可能とされている。

また、筐体２の上面端部付近には、押下により撮像装置１の電源をＯＮ（起動）又はＯＦＦ（起動停止）とする電源スイッチ１８が設けられている。

なお、筐体２の一側面上端部付近には、撮像装置１をパーソナルコンピュータなどに接続するＵＳＢケーブルを接続するためのＵＳＢ端子１９が設けられている。

次に、図４に撮像装置１の機能的構成を示す。

上述のように、撮像装置１は筐体２の内部の回路基板上にシステム制御部８を備えている。システム制御部８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、書き換え可能な半導体素子で構成されるＲＡＭ（Random Access Memory）及び不揮発性の半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read Only Memory）から構成されている。

また、システム制御部８には撮像装置１の各構成部分が接続されており、システム制御部８は、ＲＯＭに記録された処理プログラムをＲＡＭに展開してＣＰＵによりこの処理プログラムを実行することにより、これらの各構成部分を駆動制御するようになっている。

図４に示すように、システム制御部８には、レンズユニット３、絞り制御部２０、撮像素子４、信号処理部９、タイミング生成部２１、記録部１１、照射部６、照射制御回路２３、調光センサ７、調光回路２４、ラインセンサ５、モニタ１２、操作部２２及び変曲点変更部２５が接続されている。

レンズユニット３は、被写体光像を撮像素子４の撮像面に結像する複数のレンズ及びレンズにより集光される光の量を調整する絞り部から構成されている。

絞り制御部２０は、レンズユニット３においてレンズにより集光される光の量を調整する絞り部を駆動制御するようになっている。すなわち、絞り制御部２０は、システム制御部８から入力される制御値に基づき、撮像素子４の撮像動作開始直前に絞り部を開口させてから所定の露光時間の経過後に絞り部を閉塞させ、また、非撮像時は撮像素子４への入射光を遮断することによって、入射光量を制御するようになっている。

撮像素子４は、被写体光像であるＲ，Ｇ，Ｂの各色成分の入射光を電気信号に光電変換して取り込むようになっている。

図５に示すように、撮像素子４は、行列配置（マトリクス配置）された複数の画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mn（但し、ｎ，ｍは１以上の整数）を有している。

各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、入射光を光電変換して電気信号を出力するものである。これら画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、入射光量に応じた電気信号の変換動作の切り換えが可能となっており、より詳細には、入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と、対数変換する対数変換動作とを切り換えるようになっている。なお、本実施形態において、入射光を電気信号に線形変換や対数変換するとは、光量の時間積分値を線形的に変化するような電気信号に変換することや、対数的に変化するような電気信号に対数変換することである。

画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnのレンズユニット３側には、それぞれレッド（Red）、グリーン（Green）及びブルー（Blue）のうち何れか１色のフィルタ（図示せず）が配設されている。また、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnには、図５に示すように、電源ライン２６や信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cn、信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmが接続されている。なお、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnには、クロックラインやバイアス供給ライン等のラインも接続されているが、図５ではこれらの図示を省略している。

信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cnは画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに対して信号φ_v，φ_VD，φ_VPS（図６，図７参照）を与えるようになっている。これら信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cnには、垂直走査回路２７が接続されている。この垂直走査回路２７は、タイミング生成部２１（図４参照）からの信号に基づいて信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cnに信号を印加するものであり、信号を印加する対象の信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_CnをＸ方向に順次切り換えるようになっている。

信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmには、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnで生成された電気信号が導出されるようになっている。これら信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmには定電流源Ｄ₁〜Ｄ_m及び選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mが接続されている。また、定電流源Ｄ₁〜Ｄ_mの一端（図中下側の端部）には、直流電圧Ｖ_PSが印加されるようになっている。

選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mは、各信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmを介して画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnから与えられるノイズ信号と撮像時の電気信号とをサンプルホールドするものである。これら選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mには、水平走査回路２８及び補正回路２９が接続されている。水平走査回路２８は、電気信号をサンプルホールドして補正回路２９に送信する選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mを、Ｙ方向に順次切り換えるものである。また、補正回路２９は、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mから送信されるノイズ信号及び撮像時の電気信号に基づき、当該電気信号からノイズ信号を除去するものである。

なお、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_m及び補正回路２９としては、特開平２００１−２２３９４８号公報に開示のものを用いることができる。また、本実施の形態においては、選択回路Ｓ₁
〜Ｓ_mの全体に対して補正回路２９を１つのみ設けることとして説明するが、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mのそれぞれに対して補正回路２９を１つずつ設けることとしても良い。

続いて、撮像素子４が備える画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnについて説明する。
各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、図６に示すように、フォトダイオードＰ、トランジスタＴ₁〜Ｔ₆及びキャパシタＣを備えている。なお、トランジスタＴ₁〜Ｔ₆は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。

フォトダイオードＰには、レンズユニット３を通過した光が当たるようになっている。このフォトダイオードＰのアノードＰ_Aには直流電圧Ｖ_PDが印加されており、カソードＰ_kにはトランジスタＴ₁のドレインＴ_1Dが接続されている。

トランジスタＴ₁のゲートＴ_1Gには信号φ_Sが入力されるようになっており、ソースＴ_1SにはトランジスタＴ₂のゲートＴ_2G及びドレインＴ_2Dが接続されている。

このトランジスタＴ₂のソースＴ_2Sには信号印加ラインＬ_C（図５のＬ_C1〜Ｌ_Cnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬ_Cから信号φ_VPSが入力されるようになっている。ここで、図７に示すように、信号φ_VPSは２値の電圧信号であり、より詳細には、入射光量が所定入射光量ｔｈを超えたときにトランジスタＴ₂をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧値ＶＬと、トランジスタＴ₂を導通状態にする電圧値ＶＨとの２つの値をとるようになっている。

また、トランジスタＴ₁のソースＴ_1SにはトランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gが接続されている。
このトランジスタＴ₃のドレインＴ_3Dには、直流電圧Ｖ_PDが印加されるようになっている。また、トランジスタＴ₃のソースＴ_3Sには、キャパシタＣの一端と、トランジスタＴ₅のドレインＴ_5Dと、トランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとが接続されている。

キャパシタＣの他端には、信号印加ラインＬ_B（図５のＬ_B1〜Ｌ_Bnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬ_Bから信号φ_VDが与えられるようになっている。ここで、図７に示すように、信号φ_VDは３値の電圧信号であり、より詳細には、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値Ｖｈと、光電変換された電気信号読み出し時の電圧値Ｖｍと、ノイズ信号読み出し時の電圧値Ｖｌとの３つの値をとるようになっている。

トランジスタＴ₅のソースＴ_5Sには直流電圧Ｖ_RGが、ゲートＴ_5Gには信号φ_RSが入力されるようになっている。

トランジスタＴ₄のドレインＴ_4Dには、トランジスタＴ₃のドレインＴ_3Dと同様に直流電圧Ｖ_PDが印加されるようになっており、ソースＴ_4Sには、トランジスタＴ₆のドレインＴ_6Dが接続されている。

このトランジスタＴ₆のソースＴ_6Sには、信号読出ラインＬ_D（図５のＬ_D1〜Ｌ_Dmに相当）が接続されており、ゲートＴ_6Gには、信号印加ラインＬ_A（図５のＬ_A1〜Ｌ_Anに相当）から信号φ_Vが入力されるようになっている。

このような回路構成をとることにより、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは以下のリセット動作を行うようになっている。

まず、図７に示すように、垂直走査回路２７が画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnのリセット動作を行うようになっている。
具体的には、信号φ_SがＬｏｗ、信号φ_VがＨｉ、信号φ_VPSがＶＬ、信号φ_RSがＨｉ、信号φ_VDがＶｈとなっている状態から、垂直走査回路２７が、パルス信号φ_Vと、電圧値Ｖｍのパルス信号φ_VDとを画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに与えて電気信号を信号読出ラインＬ_Dに出力させた後、信号φ_SをＨｉとしてトランジスタＴ₁をＯＦＦとするようになっている。

次に、垂直走査回路２７が信号φ_VPSをＶＨとすることで、トランジスタＴ₂のゲートＴ_2G及びドレインＴ_2D、並びにトランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gに蓄積された負の電荷を速やかに再結合させるようになっている。また、垂直走査回路２７が信号φ_RSをＬｏｗとしてトランジスタＴ₅をＯＮにすることにより、キャパシタＣとトランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとの接続ノードの電圧を初期化するようになっている。

次に、垂直走査回路２７が信号φ_VPSをＶＬとすることで、トランジスタＴ₂のポテンシャル状態を基の状態に戻した後、信号φ_RSをＨｉにして、トランジスタＴ₅をＯＦＦにする。次に、キャパシタＣが積分動作を行うようになっている。これにより、キャパシタＣとトランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとの接続ノードの電圧が、リセットされたトランジスタＴ₂のゲート電圧に応じたものとなる。

次に、垂直走査回路２７がパルス信号φ_VをトランジスタＴ₆のゲートＴ_6Gに与えることでトランジスタＴ₆をＯＮにするとともに、電圧値Ｖｌのパルス信号φ_VDをキャパシタＣに印加するようになっている。このとき、トランジスタＴ₄がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号読出ラインＬ_Dにはノイズ信号が電圧信号として現れる。

そして、垂直走査回路２７がパルス信号φ_RSをトランジスタＴ₅のゲートＴ_5Gに与えてキャパシタＣとトランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φ_SをＬｏｗにしてトランジスタＴ₁をＯＮとするようになっている。これにより、リセット動作が完了し、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnが撮像可能状態となる。

また、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは以下の撮像動作を行うようになっている。

フォトダイオードＰより入射光量に応じた光電荷がトランジスタＴ₂に流れ込むと、光電荷がトランジスタＴ₂のゲートＴ_2Gに蓄積されるようになっている。

ここで、被写体の輝度が低く、フォトダイオードＰに対する入射光量が前記所定入射光量ｔｈよりも少ない場合には、トランジスタＴ₂はカットオフ状態であるので、トランジスタＴ₂のゲートＴ_2Gに蓄積された光電荷量に応じた電圧が当該ゲートＴ_2Gに現れる。そのため、トランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gには、入射光を線形変換した電圧が現れるようになっている。
一方、被写体の輝度が高く、フォトダイオードＰに対する入射光量が前記所定入射光量ｔｈよりも多い場合には、トランジスタＴ₂がサブスレッショルド領域で動作を行うようになっている。そのため、トランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gには、入射光を自然対数で対数変換した電圧が現れる。
なお、本実施の形態においては、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの間で前記所定値の値は等しくなっている。

トランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gに電圧が現れると、その電圧量に応じてキャパシタＣからトランジスタＴ₃のドレインＴ_3Dに流れる電流が増幅されるようになっている。そのため、トランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gには、フォトダイオードＰの入射光を線形変換又は対数変換した電圧が現れる。

次に、垂直走査回路２７が信号φ_VDの電圧値をＶｍとするとともに、信号φ_VをＬｏｗとするようになっている。これにより、トランジスタＴ₄のゲート電圧に応じたソース電流が、トランジスタＴ₆を介して信号読出ラインＬ_Dへ流れる。このとき、トランジスタＴ₄がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号読出ラインＬ_Dには撮像時の電気信号が電圧信号として現れるようになっている。ここで、トランジスタＴ₄，Ｔ₆を介して出力される電気信号の信号値はトランジスタＴ₄のゲート電圧に比例した値となるため、当該信号値はフォトダイオードＰの入射光を線形変換又は対数変換した値となる。

そして、垂直走査回路２７が信号φ_VDの電圧値をＶｈとするとともに、信号φ_VをＨｉとすることにより、撮像動作が終了するようになっている。

このように動作するとき、撮像時の信号φ_VPSの電圧値ＶＬが低くなり、リセット時の信号φ_VPSの電圧値ＶＨとの差を大きくするほど、トランジスタＴ₂のゲート・ソース間におけるポテンシャル差が大きくなって、トランジスタＴ₂がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。したがって、図８に示すように、電圧値ＶＬが低いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。このように、本実施形態に係る撮像素子４の出力信号は、入射光量に応じて線形領域及び対数領域が連続的に変化するようになっている。

そこで、例えば、被写体の輝度範囲が狭い場合は電圧値ＶＬを低くして線形変換する輝度範囲を広くし、また、被写体の輝度範囲が広い場合は電圧値ＶＬを高くして対数変換する輝度範囲を広くすることで、被写体の特性に合った光電変換特性とすることができる。なお、電圧値ＶＬを最小とするとき、常に線形変換する状態とし、また、電圧値ＶＨを最大とするとき、常に対数変換する状態とすることもできる。

このように動作する撮像素子４の画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに与える信号φ_VPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることによって、ダイナミックレンジを切り換えることが可能となっている。すなわち、システム制御部８が信号φ_VPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることによって、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの線形変換動作から対数変換動作に切り換わる変曲点を変更することができるようになっている。

なお、本実施形態に係る撮像素子４は線形変換動作と対数変換動作とを各画素において自動的に切り換えるものであればよく、図６とは異なる構成の画素を備えた撮像素子４であってもよい。

また、本実施形態においては撮像時の信号φ_VPSの電圧値ＶＬを変更することで線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることとしたが、リセット時の信号φ_VPSの電圧値ＶＨを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変曲点を変更してもよい。更に、リセット時間を変更することで線形変換動作と対数変換動作との変曲点を変更してもよい。

また、本実施形態の撮像素子４は各画素にＲＧＢフィルタを備えるものとしたが、シアン（Cyan）、マゼンタ（Magenta）、イエロー（Yellow）など他の色フィルタを備えるものとしてもよい。

図４に戻り、信号処理部９はアンプ３０、Ａ／Ｄコンバータ３１、黒基準補正部３２、ＡＥ評価値算出部３３、ＷＢ処理部３４、色補間部３５、色補正部３６、階調変換部３７及び色空間変換部３８から構成されている。

このうち、アンプ３０は、撮像素子４から出力された電気信号を所定の規定レベルに増幅して撮影画像のレベル不足を補償するようになっている。

また、Ａ／Ｄコンバータ３１（ＡＤＣ）は、アンプ３０において増幅された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するようになっている。

また、黒基準補正部３２は、最低輝度値となる黒レベルを、基準値に補正するようになっている。すなわち、撮像素子４のダイナミックレンジにより黒レベルが異なるため、Ａ／Ｄコンバータ３１から出力されるＲＧＢ各信号の信号レベルに対して、黒レベルとなる信号レベルを減算することで黒基準補正が行われるようになっている。

また、ＡＥ評価値算出部３３は、黒基準補正後の電気信号からＡＥ（自動露出）のために必要な評価値を検出するようになっている。すなわち、ＲＧＢの各原色成分から成る電気信号の輝度値を確認することにより、被写体の輝度範囲を表す輝度の平均値分布範囲を算出して、入射光量を設定するＡＥ評価値としてシステム制御部８に出力するようになっている。

また、ＷＢ処理部３４は、黒基準補正後の電気信号から補正係数を算出することによって、撮像画像のＲ，Ｇ，Ｂの各色成分のレベル比（Ｒ／Ｇ，Ｂ／Ｇ）を調整して白色を正しく表示するようになっている。

また、色補間部３５は、撮像素子４の画素において得られる信号が原色のうち一つあるいは二つだけである場合に、各画素についてＲ，Ｇ，Ｂの各色成分値を求めることができるように、欠落する色成分を画素ごとに補間する色補間処理を行うようになっている。

また、色補正部３６は、色補間部３５から入力する画像データの画素ごとの色成分値を補正して、各画素の色合いを強調した画像を生成するようになっている。

また、階調変換部３７は、画像を忠実に再現すべく、画像の入力から最終出力までにおいてガンマを１として理想階調再現特性を実現するために、画像の階調の応答特性を撮像装置１のガンマ値に応じた最適のカーブに補正するガンマ補正処理を行うようになっている

また、色空間変換部３８は、色空間をＲＧＢからＹＵＶに変換するようになっている。ＹＵＶは、輝度（Y）信号と青の色差（U、Cb）と赤の色差（V、Cr）の２つの色度で色を表現するの管理方法であり、色空間をＹＵＶに変換することにより、色差信号のみのデータ圧縮が行いやすくなる。

次に、タイミング生成部２１は、撮像素子４による撮影動作（露光に基づく電荷蓄積や蓄積電荷の読出しなど）を制御するようになっている。すなわち、システム制御部８からの撮影制御信号に基づいて所定のタイミングパルス（画素駆動信号、水平同期信号、垂直同期信号、水平走査回路駆動信号、垂直走査回路駆動信号など）を生成して撮像素子４に出力するようになっている。また、タイミング生成部２１は、Ａ／Ｄコンバータ３１において用いられるＡ／Ｄ変換用のタイミング信号も生成する。

記録部１１は、半導体メモリなどからなる記録用のメモリであり、信号処理部９から入力された画像データを記録する画像データ記録領域を有している。記録部１１は、例えばフラッシュメモリなどの内蔵型メモリや、着脱可能なメモリカードやメモリスティックであってもよく、また、ハードディスク又はフロッピー（登録商標）ディスクなどの磁気記録媒体などであってもよい。

モニタ１２は、表示部としての機能を果たすものであり、被写体のプレビュー画像などを表示し、また、ユーザが機能選択するためのメニュー画面などのテキスト画面を表示するようになっている。

操作部２２は、ズームボタンＷ１３、ズームボタンＴ１４、選択用十字キー１６、レリーズスイッチ１７及び電源スイッチ１８から構成されており、ユーザが操作部２２を操作することにより、各ボタン又はスイッチの機能に対応した指示信号がシステム制御部８に送信され、この指示信号に従って撮像装置１の各構成部分が駆動制御されるようになっている。

このうち、ズームボタンＷ１３は押下によりズームを調整して被写体を小さく写す機能を果たし、また、ズームボタンＴ１４は押下によりズームを調整して被写体を大きく写す機能を果たしている。

また、選択用十字キー１６は、十字キーの押下によりカーソルなどを移動させて撮影モードやストロボモードを選択し、中心部分の押下により選択内容を確定することができるようになっている。

また、レリーズスイッチ１７は、「半押し」により測光動作を開始し、また、「全押し」により予備撮影及び本撮影を含む一連の撮影動作を開始するようになっている。

また、電源スイッチ１８は、押下により撮像装置１の電源のＯＮ，ＯＦＦを順次繰り返すようになっている。

照射部６としてのストロボ装置は、予備撮影時に本照射における照射量の１／ｎの光量で予備照射を行うようになっている。この際の照射量は、撮像素子４の出力が飽和しない程度であることが望ましい。また、照射部６としてのストロボ装置は、本撮影時に周囲環境の輝度が不足する場合に、所定の照射タイミング及び照射量により本照射を行うようになっている。

照射制御回路２３は、照射部６に照射させるために電荷を蓄え、システム制御部８からの指示信号に基づいて照射部６に照射させるようになっている。

調光センサ７は、照射部６から照射されたストロボ光を検出して、検出結果を調光回路２４に出力するようになっている。

調光回路２４は、調光センサ７からの出力を積分して、照射部６の照射量を調光させるために、その積分値を照射制御回路２３に出力するようになっている。

ラインセンサ５は、例えばエリアセンサや面センサであり、図２に示すように、所定の領域Ａ〜Ｅにおいて被写体の反射光を受光し、それぞれの受光量をシステム制御部８に送信するようになっている。本実施形態では、予備撮影時の、照射部６としてのストロボ装置を使用しない場合の撮影における被写体の反射光のセンサ受光量（i）と、ストロボ装置により予備照射した場合の撮影における被写体の反射光のセンサ受光量（ii）とを、それぞれの上記領域Ａ〜Ｅごとに検出して送信するようになっている。なお、撮像素子４を用いて所定の領域Ａ〜Ｅにおける被写体の反射光を検出する場合は、エリアセンサなどのラインセンサ５は不要となる。

システム制御部８は、撮像装置１の電源がＯＮとされた状態で、所定の周期ごと、例えば１５ｆｐｓごとに、撮像素子４による撮像を行い、その撮影画像をプレビュー画面としてモニタ１２に逐次表示するようになっている。この際、毎回ＡＥを行うようにすることもできる。

また、システム制御部８は、プレビュー画面の撮影画像から得られたＡＥ評価値、例えばモニタ１２の画面全体の平均輝度値から、本撮影における露光条件である絞り値、シャッタスピード及び撮影感度などを決定するようになっている。

また、システム制御部８は、撮影時に照射部６としてのストロボ装置を使用するか否かの判断を行うようになっている。例えば、ＡＥ評価値よりプレビュー画面全体の平均輝度値を算出し、その平均輝度値が所定の輝度値以下であれば撮影時にストロボ装置を使用する判断を行うようになっている。

また、システム制御部８は、予備撮影において、本撮影時の露光条件でストロボ装置を使用せずに撮影を行った後に、本照射の１／ｎの光量で予備照射をして撮影を行うようになっている。そして、ラインセンサ５からストロボ装置を使用しない撮影における被写体の反射光のセンサ受光量（ｉ）及び予備照射をした撮影における被写体の反射光のセンサ受光量（ii）を受信すると、センサ受光量（ｉ）とセンサ受光量（ii）との差をとることにより、領域Ａ〜Ｅごとに被写体の距離に応じた反射光量Ｘを算出するようになっている。この反射光量Ｘは、撮像装置１と被写体との距離が大きくなるほど減少するようになっており、ここでは被写体固有の反射率は考慮しないものとしている。図９に各領域における被写体の距離に応じた反射光量Ｘの例を示す。

更に、システム制御部８は、被写体の距離に応じた反射光量Ｘに基づいて撮影画像の主要被写体を決定するようになっている。すなわち、ストロボ光が適正に到達する範囲内に存在する領域のうち、被写体の距離に応じた反射光量Ｘが最も大きい領域の被写体を主要被写体として決定するようになっている。本実施形態では、図９において、ストロボ光が適正に到達する範囲内に存在する領域は領域Ｃ及び領域Ｄであり、そのうち反射光量Ｘが最も大きい領域Ｄの被写体が主要被写体として決定される。

また、システム制御部８は、主要被写体の露光量が適正となるように照射部の照射量を設定するようになっている。

変曲点変更部２５は、プレビュー画面の撮像及び予備撮影において、撮像素子４に印加する電圧値ＶＬを最小として撮像素子４を常に線形変換動作させることが可能であり、また、線形変換動作及び対数変換動作の双方を行うことが出来る状態とすることも可能である。常に線形変換動作させる場合は、プレビュー画面の撮像及び予備撮影において撮影画像のコントラストが優先される。なお、変曲点変更部２５は、プレビュー画面が撮像されるたびに算出されたＡＥ評価値に基づき、撮像素子４の出力信号の高輝度領域が飽和しないように毎回変曲点を変化させる構成とすることもできる。

また、変曲点変更部２５は、予備撮影後に、主要被写体の輝度分布が撮像素子４の出力信号の線形領域に位置するように変曲点を変更するようになっている。本実施形態では、ストロボ光が適正に到達する範囲内で反射光量Ｘが最も大きい領域Ｄの輝度分布が、撮像素子４の出力信号の線形領域に位置するように変曲点を変更するようになっている。

図１０は、被写体の輝度値に対する撮像素子４の出力信号を示すグラフである。グラフ（ａ）において、領域Ｄの輝度分布は撮像素子４の出力信号の対数領域に位置している。しかし、対数領域においては被写体の輝度分布に対して撮像可能領域が広くなるため、撮像可能領域内の所定の輝度分布内で表現されるデータが少なくなり、被写体のコントラストを改善することができない。

そこで、図１０に示すように、グラフ（ａ）における変曲点αが変曲点βの位置となるように変曲点を上げる。これにより、撮像素子４の出力信号はグラフ（ｂ）となり、領域Ｄの輝度分布は線形領域に位置するようになる。こうして、線形領域において所定の輝度分布内で十分なデータを得ることにより、主要被写体のコントラストを改善することができる。

次に、変曲点変更部２５は、撮像素子４の変曲点を変更するために撮像素子４に設定する電圧値ＶＬを算出するようになっている。

上述したように、本実施形態の撮像素子４は、図５に示す画素Ｇ１１〜Ｇｍｎに与える信号φ_ＶＰＳの電圧値ＶＬの値を切り換えることにより、線形変換動作から対数変換動作に切り換わる変曲点を変更できるようになっている。

ここで、撮像素子４の出力信号の特性として、電圧値ＶＬが低いほど線形変換する被写体輝度の割合が多くなる。したがって、変曲点を上げる場合、すなわち線形変換する被写体輝度の割合を多くする場合は、電圧値ＶＬを減少させればよい。このようにして、変曲点変更部２５は、撮像素子４の変曲点を決定した変曲点に変更するために画素Ｇ１１〜Ｇｍｎに与える信号φ_ＶＰＳの電圧値ＶＬを算出するようになっている。

なお、主要被写体の露光量と電圧値ＶＬとを対応付けることにより予め作成したＬＵＴを変曲点変更部２５に格納しておき、このＬＵＴを利用して電圧値ＶＬを算出する構成としてもよい。

更に、変曲点変更部２５はＤＡコンバータ３８を備えており、算出した電圧値ＶＬをアナログデータに変換して撮像素子４の画素Ｇ１１〜Ｇｍｎに入力することにより、撮像素子４の変曲点を最適な変曲点に変化させるようになっている。

次に、本実施形態の撮像装置１の動作について、図１１のフローチャートを参照して説明する。

システム制御部８は、撮像装置１の電源がＯＮになると、所定の周期ごと、例えば１５ｆｐｓごとに、撮像素子４による撮像を行い、その撮影画像をプレビュー画面としてモニタ１２に逐次表示する（ステップＳ１）。なお、この撮像において、変曲点変更部２５は撮像素子４に印加する電圧値ＶＬを最小として撮像素子４を常に線形変換動作させてもよく、また、線形変換動作及び対数変換動作の双方を行うことが出来る状態としてもよい。

続いて、ユーザがレリーズスイッチ１７を半押しすると、測光動作が開始される。すなわち、ＡＥ評価値算出部３３はプレビュー画面の撮影画像からＡＥ評価値を検出し、システム制御部８は、そのＡＥ評価値、例えばモニタ１２の画面全体の平均輝度値から、本撮影における露光条件である絞り値、シャッタスピード及び撮影感度などを決定する（ステップＳ２）。

次に、システム制御部８は、撮影時に照射部６としてのストロボ装置を使用するか否かの判断を行う（ステップＳ３）。本実施形態では、ＡＥ評価値よりプレビュー画面全体の平均輝度値を算出し、その平均輝度値が所定の輝度値以下であれば撮影時にストロボ装置を使用する判断を行う。一方、平均輝度値が所定の輝度値以上であれば、ストロボ装置を用いずに通常の撮影動作を行う（ステップＳ１０）。

次に、ユーザがレリーズスイッチ１７を全押しすると、システム制御部８は、本撮影時の露光条件でストロボ装置を使用せずに撮影を行った後に、本照射の１／ｎの光量で予備照射をして撮影を行う（ステップＳ４）。なお、この撮像において、変曲点変更部２５は撮像素子４に印加する電圧値ＶＬを最小として撮像素子４を常に線形変換動作させてもよく、また、線形変換動作及び対数変換動作の双方を行うことが出来る状態としてもよい。

続いて、ラインセンサ５は所定の領域Ａ〜Ｅにおいて、ストロボ装置を使用しない場合の撮影における被写体の反射光のセンサ受光量（i）と、予備照射した場合の撮影における被写体の反射光のセンサ受光量（ii）とを検出し、それぞれの受光量をシステム制御部８に送信する（ステップＳ５）。

次に、システム制御部８は、センサ受光量（ｉ）とセンサ受光量（ii）との差をとることにより、領域Ａ〜Ｅごとに被写体の距離に応じた反射光量Ｘを算出する（ステップＳ６）。そして、ストロボ光が適正に到達する範囲内に存在する領域のうち、反射光量Ｘが最も大きい領域、すなわち本実施形態では領域Ｄの被写体を主要被写体として決定する（ステップＳ７）。

更に、システム制御部８は、決定した主要被写体の露光量が適正となるように照射部の照射量を設定する。

次に、変曲点変更部２５は、主要被写体の撮像において撮像素子４の出力信号の線形領域を使用するように変曲点を変更する（ステップＳ８）。本実施形態では、領域Ｄの輝度分布が撮像素子４の出力信号の線形領域に位置するように変曲点を変更する。すなわち、図１０に示すグラフ（ａ）の変曲点αを変曲点βに変更することにより、領域Ｄの輝度分布を線形領域に位置させる。こうして線形領域において所定の輝度分布内で十分なデータを得ることにより、主要被写体のコントラストを改善することができる。

次に、変曲点変更部２５は、撮像素子４の変曲点を変更するために撮像素子４に設定する電圧値ＶＬを算出する。

次に本撮影に移行し、システム制御部８はストロボ装置による本照射を行うと共に本撮影を行う。すなわち、本撮影の露光開始後に本照射し、所定時間経過後に露光を終了する。すると、撮像素子４の画素Ｇ１１〜Ｇｍｎは変曲点変更部２５が変更した変曲点において線形変換動作と対数変換動作との切り換えを行うことにより、入射光を光電変換する。そして、光電変換によって得られた電気信号を信号処理部９に出力する。

そして、信号処理部９は、光電変換により得られた電気信号に所定の画像処理を施す。すなわち、アンプ３０が撮像素子４から出力された電気信号を所定の規定レベルに増幅すると、Ａ／Ｄコンバータ３１が増幅された電気信号をデジタル信号に変換する。

次に、黒基準補正部３２が最低輝度値となる黒レベルを基準値に補正する。また、ＡＥ評価値算出部３３が黒基準補正後の電気信号からＡＥ（自動露出）のために必要な評価値を検出してシステム制御部８に送出する。一方、ＷＢ処理部３４は黒基準補正後の電気信号から補正係数を算出することによって、撮像画像のＲ，Ｇ，Ｂの各色成分のゲイン値を調整して白色を正しく表示する。

また、色補間部３５が各画素について欠落する色成分を補間する色補間処理を行う。そして、色補正部３６が画素ごとの色成分値を補正して各画素の色合いを強調した画像を生成する。また、階調変換部３７が画像の階調の応答特性を撮像装置１のガンマ値に応じた最適のカーブに補正するガンマ補正処理を行うと、色空間変換部３８が色空間をＲＧＢからＹＵＶに変換する。

そして、記録部１１は、信号処理部９から出力された画像データを記録する。

以上より本実施形態によれば、ストロボ装置などの照射部を使用して撮影を行う場合は、主要被写体の露光量が多くなって輝度分布が対数領域に位置することになるが、撮像素子の出力信号の変曲点を変化させて主要被写体の輝度分布を線形領域に位置させることによって、撮像可能領域内の所定の輝度分布内において表現されるデータが少なくなるのを回避することができる。これにより、所定の輝度分布内において十分なデータを得ることによって、被写体のコントラストを改善することができる。

また、ストロボ光の到達距離内であれば、ストロボ装置を使用して撮影した場合の反射光量とストロボ装置を使用せずに撮影した場合の反射光量との差が被写体の距離に応じた反射光量となることから、その反射光量が最も大きい被写体を主要被写体とすることにより、撮像装置１から最も近い距離にある被写体を主要被写体として決定することが可能となる。

また、主要被写体の露光量が適正となるようにストロボ光量を決定することにより、撮像装置１から最も近い主要被写体を適正な露光量にした上で、主要被写体の輝度値を線形領域に位置させてコントラストを改善することが可能となる。

なお、本実施形態においては、ユーザがモニタ１２のプレビュー画面上で主要被写体を指定する構成としたが、撮像装置１が自動的に主要被写体を決定する構成とすることも可能である。

以上述べたように、本発明の撮像装置によれば、ストロボ装置などの照射部を使用した撮影時において、主要被写体の撮像に線形領域を使用し、所定の輝度分布内で十分なデータを得て被写体のコントラストを改善することができる。

また、撮像装置から最も近い距離にある被写体を主要被写体として決定することが可能となる。

また、主要被写体を適正な露光量にすると共に、主要被写体のコントラストを改善することが可能となる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示す正面図である。 本発明の実施形態に係るラインセンサの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示す背面図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の機能的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る撮像素子が備える画素の構成を示す回路図である。 本発明の実施形態に係る撮像素子が備える画素の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態に係る撮像素子の入射光量に対する出力を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る照射部の照射光の被写体距離に応じた反射光量の例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る撮像素子の出力の変曲点を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。 従来の被写体の距離による照射光の寄与度を示す図である。

符号の説明

１ 撮像装置
２ 筐体
３ レンズユニット
４ 撮像素子
５ ラインセンサ
６ 照射部
７ 調光センサ
８ システム制御部
９ 信号処理部
１０ 電池
１１ 記録部
１２ モニタ
１３ ズームボタンＷ
１４ ズームボタンＴ
１５ 光学式ファインダ
１６ 選択用十字キー
１７ レリーズスイッチ
１８ 電源スイッチ
１９ ＵＳＢ端子
２０ 絞り制御部
２１ タイミング生成部
２２ 操作部
２３ 照射制御回路
２４ 調光回路
２５ 変曲点変更部
３０ アンプ
３１ Ａ／Ｄコンバータ
３２ 黒基準補正部
３３ ＡＥ評価値算出部
３４ ＷＢ処理部
３５ 色補間部
３６ 色補正部
３７ 階調変換部
３８ 色空間変換部

Claims (4)

1. 入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と対数変換する対数変換動作とを入射光量に応じて切り換え可能な複数の画素を有する撮像素子と、
   被写体の撮像時に光を照射する照射部と、
   前記照射部を使用して撮影を行うときは、主要被写体の輝度分布が前記撮像素子の出力信号の線形領域に位置するように線形領域及び対数領域の境界となる変曲点を変更する変曲点変更部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記照射部による照射光の到達距離内の被写体について、前記照射部を使用して予備撮影した場合の反射光量と前記照射部を使用せずに予備撮影した場合の反射光量との差より、前記撮像装置からの距離に応じた反射光量を求め、その反射光量が最も大きい被写体を前記主要被写体として決定する制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記制御部は前記主要被写体の露光量が適正となるように前記照射部の照射量を設定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の撮像装置。
4. 前記変曲点変更部は前記撮像素子の画素に設定する電圧値を変更することにより前記変曲点を変更することを特徴とする請求項１〜請求項３いずれか一項に記載の撮像装置。

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