JP2005176116A - 撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】メカ的な絞りや複数濃度のＮＤフィルタを使わずに光量自体を変化させることが可能な撮像システムを提供する。
【解決手段】複数の受光領域を有する光電変換手段と、その受光領域の少なくとも一部に透過光量を減少させる光学部材を配設した単位ユニットを複数備える光電変換素子の出力に応じて、単位ユニット内の複数の受光領域ごとの光電変換出力の加算方法を切り替える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ディジタルカメラやディジタルビデオカメラなどでメカ的な絞り機構を使わなくても露光量の制御を可能にする方法を提案するものである。

従来のディジタルカメラや、ディジタルビデオカメラは図１に示したような構成で露光量を制御している。レンズ１、アイリス２を通った光は撮像素子３に入射し、電気信号に変換される。撮像素子から出力された信号はＣＤＳ４、ＡＧＣ５を経由しアナログディジタル変換部分６でディジタルデータに変換される。

このディジタルデータをカメラ信号処理部７で輝度信号として取り出し、この輝度信号をもとに制御マイコン８でアイリス制御量と電子シャッタ制御量を決定する。決定した制御量は撮像素子駆動回路９、アイリス駆動回路１０に伝えられてアイリス制御と電子シャッタ制御を行う（特許文献１参照）。
特開平０８−２０５０２１号公報

従来の露光量はメカ的な絞りで光量を変化させる方法、電子シャッタで蓄積時間を変化させる方法、複数の透過率を持つＮＤフィルター（以下ただＮＤフィルターと呼ぶ）などを使って制御されている。

しかし、小型軽量を追及するとメカ的な絞りを設置することが難しくなる。メカ的な絞りを設置できない場合は透過率が異なるＮＤフィルタを使用したり、電子シャッタで光量を制御するということが行われている。

しかし、ＮＤフィルタも光量にあわせてフィルタが動く構造になっているためメカ的な絞りと同様小型化が進むと設置が難しくなることが考えられる。また、電子シャッタのみの露光量制御では蓄積時間を短くしていくと、ＳＮ比やスミアは悪化するし、動画撮像においては実際に撮像に使われる露光時間が１垂直期間に比べて短くなるので動きがギクシャクする。

本発明はこのような課題に鑑みて成されたものであり、メカ的な絞りや複数濃度のＮＤフィルタを使わずに光量自体を変化させることが可能な撮像システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、異なる透過率をもつ光学部材を形成した複数の光電変換素子（以下変換素子と呼ぶ）を１ユニットとし、どの変換素子の出力データを加算するかを露光量に応じて変化させる。

また、露光量が少ないときにはすべての変換素子の出力データの和をユニットの出力とする。

また、露光量が多いときは加算する変換素子のデータを減らしていくと同時に透過率の低いフィルタが形成されている変換素子のデータを加算するようにする。

このように構成することにより、変換素子のうち受光領域の面積の増減と光学部材の透過率の差で変換素子への入射光量を制御できる。

本発明よれば、カメラ信号処理部分で検出した輝度が最適になるように単位ユニット内の透過率の異なる光学的部材の配設されたセンサーの加算方法を切り替えることで露光量の制御が可能となる。

以下に本発明の実施例について説明する。

以下に、本発明の第１の実施例の画像入力装置を図２〜図４に基づき説明する。

図２は本発明のシステム全体のブロック図である。レンズ１からの入射光はＣＣＤ２で光電効果によって電気信号に変換される。ＣＣＤ２で変換された電気信号はＣＤＳ３、ＡＧＣ４を経てアナログ／ディジタル変換器（以下Ａ／Ｄと呼ぶ）５にてディジタルデータに変換される。

このディジタルデータをカメラ信号処理６にて処理し、１枚の画像としての露光量を表す輝度信号を取り出す。この輝度信号を元に制御マイコン７が電子シャッタの制御量と出力する画像に使うセンサーの出力制御を行う。センサーの選択の仕方を図３のような２×２のセンサーを１つのユニットとした場合で説明する。

１つのユニットは４つのセンサーで構成されている。また、４つのセンサーにはそれぞれＮＤフィルタが配設されており、透過率はそれぞれ１２．５％（１）、２５％（２）、５０％（３）、１００％（４）となっている。さらに、４つのセンサからなる１つのユニットはＮＤフィルタとは別にカラーフィルタを形成されている。

図3のＲ，Ｇ，Ｂの文字はそれぞれ原色フィルタの場合の赤、緑、青フィルタの並びの一例をあらわしたものである。初期状態として透過率１００％のセンサ（４）のみをユニットの出力データとして使用している場合｛表１で左から８つ目の組み合わせ｝で説明する。

制御マイコン７はカメラ信号処理６から受け取った輝度信号から露光が十分かどうかを判断する。目標とする露光量に対して露光量が不足している場合は、図４に示す表１でより右側にある組み合わせを採用することになるし、露光量が多ければ表１のより左側にある組み合わせを採用することになる。

いま、露光量が不足していて、目標輝度信号値と現在の輝度信号の差から電子シャッタは変更なしで、ＮＤフィルタが透過率１００％のセンサー（４）と透過率５０％のセンサー（３）とを合計した場合｛表１で、現在の組み合わせから４つ右の組み合わせ｝が適切だと判断されたとすると、その組み合わせを表すセンサー選択情報と電子シャッタ制御情報がタイミングジェネレータ（以下ＴＧと呼ぶ）８に送られる。ＴＧ８では制御マイコン７から受け取ったセンサー選択情報と電子シャッタ制御情報からＣＣＤ２のセンサー（１）〜（４）の駆動に必要なタイミング波形が生成される。

この駆動波形がＣＣＤ２に送られることでＣＣＤ２から信号出力として出力される値はセンサー（４）の出力する電荷とセンサー（３）の出力する電荷の合計値となり、初期状態よりもセンサーの受光量が増えた場合と同等の信号が出力される。

このＣＣＤ２の出力が再びＣＤＳ３、ＡＧＣ４、Ａ／Ｄ５を通り、カメラ信号処理６に入力される。カメラ信号処理６で新たな信号を元に輝度信号を取り出し、制御マイコン７に送る。制御マイコン７で再び目標輝度信号と現在の輝度信号を比較し現在の露光量が適切かどうかを判断する。仮に今度は露光量が多すぎ、目標輝度信号と現在の輝度信号との差から電子シャッタはそのままで、ＮＤフィルタが透過率１００％のセンサーと透過率２５％のセンサーと透過率が１２．５％のセンサーとを合計した場合｛表１で、現在の組み合わせの１つ左の組み合わせ｝が適切だと判断されたとすると、その組み合わせを表すセンサー選択信号と電子シャッタ制御信号がＴＧ８に送られる。すると、ＴＧ８では制御マイコン７から送られてきたセンサー選択信号と電子シャッタ制御情報からＣＣＤセンサー（１）〜（４）の駆動に必要なタイミング波形が生成される。この駆動波形がＣＣＤ２に送られることで信号出力はセンサー（１）の出力する電荷とセンサー（２）の出力する電荷とセンサー（３）の出力する電荷の合計になるため、先ほどよりセンサーの受光量が減った場合と同等の信号が出力される。このように得られた画像の輝度信号と目標とする輝度信号の差が一定の範囲内に入り、制御マイコンが現在の露光量が適切だと判断するまで表１に示した組み合わせで出力を変化させる。

本実施例の構成は第１の実施例と同様で、センサーは図５に表した通り２×２のＣＣＤセンサーを単位ユニットとしている。図５のＣＣＤの単位ユニットは１〜４の４つのフォトダイオードによる感光部と垂直転送ＣＣＤからなる。いまフォトダイオード部に形成するカラーフィルタの透過率を７．５％（１）、１５％（２）、３０％（３）、６０％（４）とする。

転送の様子を図６に表す。図５の右側にある第１の場合で説明する。この場合は、フォトダイオード４とフォトダイオード３を第１のグループ、フォトダイオード２とフォトダイオード１を第２のグループとしてそれぞれを別のフィールドで読み出し、それらを用いてダイナミックレンジの拡大をする。

図７は図６の第１の場合のＣＣＤ駆動波形を示したものである。ｔ１期間（以下ｔ１と呼ぶ。ｔ２〜ｔ１０も同様）では垂直転送ＣＣＤのＶ１（以下Ｖ１と呼ぶ。Ｖ２〜Ｖ４も同様）にフィールドシフトパルスが印加され、フォトダイオード４に蓄積されていた信号電荷を垂直転送ＣＣＤにシフトする。

このとき、フォトダイオード３から垂直転送ＣＣＤに信号電荷がシフトしないように、フィールドシフトパルスが印加されてもなくならないバリヤがＶ１の右側に存在する。次にｔ２ではＶ２にフィールドシフトパルスが印加され、フォトダイオード３に蓄積されていた信号電荷を垂直転送ＣＣＤにシフトする。先ほどと同様、フォトダイオード４から垂直転送ＣＣＤに信号電荷がシフトしないように、フィールドシフトパルスが印加されてもなくならないバリヤがＶ２の左側に存在する。ｔ３ではＶ１に印加する電圧が低くなりかわりにＶ３に印加する電圧が高くなるので、信号電荷はＶ２とＶ３に存在する。同様にｔ４では信号電荷はＶ３とＶ４に存在する。ｔ５ではＶ１とＶ４に電圧が印加されているため、信号電荷はＶ４と１つ下のユニットのＶ１に存在する。

これを繰り返すことで信号電荷を下方向にシフトしていき、水平転送と信号電荷の検出を通して信号出力とする。本実施例の特徴は垂直転送にあるので水平転送以降は省略する。

続いて第２フィールドのｔ６ではＶ３にフィールドシフトパルスが印加され、フォトダイオード１に蓄積されていた信号電荷を垂直転送ＣＣＤにシフトする。このとき、フォトダイオード２から垂直転送ＣＣＤに信号電荷がシフトしないように、フィールドシフトパルスが印加されてもなくならないバリヤがＶ３の右側に存在する。次にｔ７ではＶ４にフィールドシフトパルスが印加され、フォトダイオード２に蓄積されていた信号電荷を垂直転送ＣＣＤにシフトする。先ほどと同様、フォトダイオード１から垂直転送ＣＣＤに信号電荷がシフトしないように、フィールドシフトパルスが印加されてもなくならないバリヤがＶ４の左側に存在する。ｔ８ではＶ３に印加する電圧が低くなりかわりにＶ１に印加する電圧が高くなるので、信号電荷はＶ４と１つ下のユニットのＶ１に存在する。同様にｔ９では信号電荷は１つ下のユニットのＶ１とＶ２に存在する。ｔ１０ではＶ２とＶ３に電圧が印加されているため、信号電荷は１つ下のユニットのＶ２とＶ３に存在する。

上記のように第１のフィールドでは感光部のフォトダイオードのうち第１のグループに属する素子の信号電荷を垂直転送ＣＣＤに読み出し加算する。このフィールドで得られる画像は透過率が高い2つのセンサの出力の合計を画像にするので暗い部分がきれいに見える明るい画像になる。第２のフィールドでは感光部のフォトダイオードのうち第２のグループに属する素子の信号電荷を垂直転送ＣＣＤに読み出し加算する。このフィールドで読み出されるデータは透過率が低い２つのセンサの出力の合計を画像にするので明るいところも飽和しない暗い画像になる。

第１のフィールドで得られた画像と第２のフィールドで得られた画像の良いところを図２のカメラ信号処理部分６で合成してやることでダイナミックレンジの広い画像を作り出すことができる。

また、グループの選び方によってダイナミックレンジをどの程度にするかということも制御が可能になる。図６の左側に第２の場合としてフォトダイオード４とフォトダイオード２を第１のグループ、フォトダイオード３とフォトダイオード１を第２のグループとした場合の転送の様子も示しておく。１つのフィールドでどのセンサーの出力を読み出してくるかが異なるだけで、動作は同様である。

ダイナミックレンジを拡大するときのグループの選び方の一例をあらわしたのが図８に示す表２である。第１のグループと第２のグループとを表２の比率が１／４（左から６番目の組み合わせ）の列にあらわしたように選べば、センサーのフォトダイオード部に形成されたＮＤフィルタの透過率の比から、第１のグループに属するセンサーに蓄積された電荷は第２のグループの属するセンサーに蓄積された電荷の４倍になる。つまり第１のフィールドで得られる画像と第２のフィールドで得られる画像とではフォトダイオードの受光量が４倍になっている場合と同等である。得られる画像の露光量の差が大きければ、図２のカメラ信号処理６で合成したときのダイナミックレンジがより広くなるように合成することができる。また、電子シャッタを併用することで、さらに露光量に差をつけることもできる。

従来のディジタルカメラ、ディジタルビデオの構成を表した図である。 本発明の実施例１の構成を表した図である。 本発明の実施例１の撮像素子と形成したＮＤフィルタの構成を表した図である。 本発明の実施例１で使用するセンサの組み合わせの一例をあらわした表である。 本発明の実施例２のＣＣＤ素子の構成をあらわした図である。 本発明の実施例２の電荷の流れを示した図である。 本発明の実施例２のＣＣＤ素子の駆動波形をあらわした図である。 本発明の実施例２で選ぶグループの選び方の一例を示した表である。

符号の説明

１ レンズ
２ ＣＣＤ
３ ＣＤＳ
４ ＡＧＣ
５ アナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄ）
６ カメラ信号処理
７ 制御マイコン

Claims (4)

1. 複数の受光領域を有する光電変換手段と、その受光領域の少なくとも一部に透過光量を減少させる光学部材を配設した単位ユニットを複数備える光電変換素子において、
   その光電変換素子の出力に応じて前記単位ユニット内の複数の受光領域ごとの光電変換出力の加算方法を切り替える事を特徴とする撮像システム。
2. 請求項１記載の撮像システムにおいて、透過光量を減少させる部材がNDフィルタよりなることを特徴とする撮像システム。
3. 請求項１記載の撮像システムにおいて、透過光量減少部材がカラーフィルタよりなることを特徴とする撮像システム。
4. 請求項１記載の撮像システムにおいて、透過光量減少部材の透過光量減少比率が２の累乗の関係を有することを特徴とする撮像システム。

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