JP2006080960A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】デジタルカメラ１０ａは、ナローモード、ノーマルモードおよびワイドモードと名付けられた３つの撮影モードを有する。動作点設定部９０３は、設定された撮影モードに基づいて、撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を規定する、ＣＣＤ２６の動作点を可変に設定する。ＬＵＴ設定部９０２は、設定された撮影モードに基づいて、γ補正回路５５における階調変換の階調変換特性（γ補正の特性）の具体的表現である階調変換ＬＵＴを可変に設定する。動作点設定部９０３で設定される動作点と、ＬＵＴ設定部９０２で設定される階調変換ＬＵＴとは、撮影モードの変更にあわせて、同期して変更される。
【選択図】図４

Description

本発明は、様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能な撮像装置および撮像方法に関する。

従来より、撮像を行い、撮像画像に係る画像データを生成し、生成された画像データに所定の画像処理を施した後に記録するデジタルカメラが広範に用いられている。

通常のデジタルカメラでは、一般に、被写体の測光領域の輝度に基づいて、露出制御が行われている。しかし、通常のデジタルカメラでは、被写体の輝度分布を露出制御や画像処理に反映させていない。このため、通常のデジタルカメラでは、輝度分布が広い被写体を撮影した場合に、ハイライト部分の階調を表現できない場合があった（白とび）。また、通常のデジタルカメラでは、輝度分布が狭い被写体を撮影した場合に、シャドー部分の階調を表現できない場合があったり（黒つぶれ）、シャドー部分のＳ／Ｎ比が劣化したりする場合があった。

一方、特許文献１に示すように、撮影可能な輝度範囲をコントロール可能なデジタルカメラも知られている。特許文献１のデジタルカメラでは、撮像素子の出力信号を増幅するアナログアンプのゲインと階調変換特性とを様々に変更することにより、撮影可能な被写体の輝度範囲を変更している。

特開２００４−１２０５１１号公報

しかし、特許文献１のデジタルカメラでは、撮影可能な輝度範囲が最大になるモード以外では、アナログアンプによる増幅が必須であるため、撮像素子のダイナミックレンジの範囲全体を利用できなかった。また、特許文献１のデジタルカメラでは、アナログアンプによる増幅に起因するＳ／Ｎ比の悪化が不可避であった。すなわち、特許文献１のデジタルカメラでは、様々な輝度分布を有する被写体を、その輝度分布に対して適切な条件で撮影できないという問題があった。

本発明は、この問題を解決するためになされたもので、様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能な撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、撮像装置であって、撮像を行う撮像素子と、前記撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を規定する、撮像素子の動作点を可変に設定する動作点設定手段と、前記撮像素子が撮像した画像の階調変換を行う階調変換手段と、前記階調変換における階調変換特性を可変に設定する階調変換特性設定手段とを備え、前記動作点設定手段で設定される動作点と、前記階調変換特性設定手段で設定される階調変換特性とが、同期して変更されることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の撮像装置において、前記動作点設定手段が設定した動作点に基づいて露出制御を行う露出制御手段をさらに備え、前記露出制御により、前記撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲が変更されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、前記階調変換特性設定手段が、動作点に関わらず、被写体における所定の輝度を階調変換後の画像で一定に再現するように、前記階調変換特性を設定することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の撮像装置において、撮影可能な被写体の輝度範囲に関する撮影モードの設定を行う撮影モード設定手段をさらに備え、前記動作点設定手段が、前記撮影モード設定手段によって設定された撮影モードに基づいて前記動作点を設定することを特徴とする。

請求項５の発明は、撮像方法であって、撮像に用いる撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を規定する、撮像素子の動作点を可変に設定する動作点設定工程と、撮像画像に対して施される階調変換における階調変換特性を可変に設定する階調変換特性設定工程と、前記撮像素子を用いて撮像を行う撮像工程と、前記撮像素子が撮像した撮像画像の階調変換を行う階調変換工程とを備え、前記動作点設定工程で設定される動作点と、前記階調変換特性設定工程で設定される階調変換特性とが、同期して変更されることを特徴とする。

請求項１ないし請求項５の発明によれば、撮影可能な被写体の輝度範囲を変更可能であるとともに、被写体の標準的な輝度の部分を階調変換後の画像で適切に再現可能である。これにより、様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能である。

請求項２の発明によれば、撮像素子の特性が固定されていても、撮影可能な被写体の輝度範囲を変更可能になる。これにより、様々な輝度分布の被写体を適切に撮影可能な撮像装置を、簡潔な構成で実現可能である。

請求項３の発明によれば、撮影可能な被写体の輝度範囲を変更しても、被写体の標準的な輝度の部分を階調変換後の画像で一定に再現可能である。これにより、様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能である。

請求項４の発明によれば、被写体の輝度分布に応じて撮影モードを選ぶことにより、様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能である。

本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０ａは、被写体の撮像を行い、撮像画像に係る画像データを生成し、所定の画像処理を施した後に当該画像データを記録する撮像装置である。

デジタルカメラ１０ａは、ナローモード、ノーマルモードおよびワイドモードと名付けられた３つの撮影モードを有する。これらの３つの撮影モードでは、撮影可能な被写体の輝度範囲（以下では、「撮影可能輝度範囲」とも称する）が異なる。しかし、デジタルカメラ１０ａでは、撮影モードに関わらず、被写体の標準的な輝度の部分（以下では、「標準輝度部分」とも称する）は、記録画像において同じ輝度となるように記録される。ここで、「撮影可能輝度範囲」とは、記録画像において階調を再現可能な輝度範囲（白とび・黒つぶれが発生しない輝度範囲）であり、撮影に用いられる撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲に相当する。また、「標準的輝度部分」とは、例えば、所定の反射率の部分に相当する。

デジタルカメラ１０ａでは、撮影可能輝度範囲は、撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を規定する、撮像素子の動作点を変更することによって変更される。より具体的には、デジタルカメラ１０ａは、露出をアンダー側にずらして標準輝度部分に対する撮像素子の出力値を低下させることにより撮影可能輝度範囲を拡大し、露出をオーバー側にずらして標準輝度部分に対する撮像素子の出力値を上昇させることにより撮影可能輝度範囲を縮小する。換言すれば、デジタルカメラ１０ａでは、露出制御の基礎となる撮像素子の設定感度を高くすることにより撮影可能輝度範囲を拡大し、当該設定感度を低くすることにより撮影可能輝度範囲を縮小する。

さらに、デジタルカメラ１０ａでは、撮像素子の動作点の変更に起因する、標準輝度部分に対する撮像素子の出力値の変動を、階調変換における階調変換特性の変更によって補正し、標準輝度部分が、どの撮影モードでも記録画像において同じ輝度となるようにしている。

以下では、このようなデジタルカメラ１０ａの構成および動作について、順次説明する。

＜外観構成＞
最初に、本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０ａの外観構成を説明する。図１は、デジタルカメラ１０ａの外観構成を示す図であり、図１（ａ）がデジタルカメラ１０ａの正面図、図１（ｂ）がデジタルカメラ１０ａの背面図に相当する。

図１（ａ）に示すように、デジタルカメラ１０ａは、カメラ本体１と撮影レンズ２とから構成される一眼レフ型のデジタルカメラである。

交換可能な撮影レンズ２は、カメラ本体１の正面略中央部に設けられたマウント部（不図示）に装着され、デジタルカメラ１０ａの正面方向からの入射光をＣＣＤ２６（図２，図３参照）の受光面に結像させる役割を果たしている。デジタルカメラ１０ａでは、マウント部の近傍に設けられた着脱ボタン３の押下によって、撮影レンズ２をカメラ本体１から着脱可能である。マウント部の近傍には、カメラ本体１と撮影レンズ２との電気的接続を行うための複数個の電気的接点（不図示）と、カメラ本体１と撮影レンズ２との機械的接続を行うための複数個のカプラ（不図示）とが設けられる。

デジタルカメラ１０ａの正面左端部には、カメラ本体１のホールドを容易ならしめるためのグリップ部４が設けられる。グリップ部４の内部には、電池収納室とメモリカード収納室とが設けられる。電池収納室には、デジタルカメラ１０ａの動作電力を供給する電池（例えば、４本の単三型乾電池）が交換可能に収納され、メモリカード収納室には、画像データの記録媒体となるメモリカード９４（図３参照）が交換可能に収納される。また、グリップ部４の上面には、レリーズボタン７が設けられる。レリーズボタン７は、半押し状態および全押し状態を識別可能な２段階押しボタンとなっている。

図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、デジタルカメラ１０ａの上面には、正面から見て右方に制御値設定ダイアル５が設けられ、正面から見て左方にモード設定ダイアル６が設けられる。制御値設定ダイアル５は、デジタルカメラ１０ａの各種制御値を設定するために用いられる。モード設定ダイアル６は、デジタルカメラ１０ａの動作モードを、静止画撮影モード、動画撮影モードおよび再生モードの間で切り替えるために用いられる。

図１（ｂ）に示すように、デジタルカメラ１０ａの背面略中央上部には、ファインダ窓１７が設けられる。ファインダ窓１７には、撮影レンズ２が取得した被写体像が導かれる。

デジタルカメラ１０ａの背面略中央部には、液晶ディスプレイ１９が設けられる。液晶ディスプレイ１９は、記録画像の再生表示や、各種設定を行うためのメニュー画面の表示に用いられる。

液晶ディスプレイ１９の左上部には、電源スイッチ２０が設けられる。電源スイッチ２０は、２ポジションのスライドスイッチであり、ノブを左方のＯＦＦ位置に移動するとデジタルカメラ１０ａの電源がＯＦＦとなり、ノブを右方のＯＮ位置に移動するとデジタルカメラ１０ａの電源がＯＮとなる。

液晶ディスプレイ１９の右方には、円形の操作ボタン２１ａを備える方向選択キー２１が設けられる。方向選択キー２１は、操作ボタン２１ａの上、下、左、右、右上、右下、左上、左下の位置に対する押圧操作を検出可能である。方向選択キー２１は、複数の機能の割当を受けており、例えば、メニュー画面における選択項目の変更や、複数のサムネイル画像が配列表示されたインデックス画面における選択画像の変更や、撮影レンズ２のズーム倍率の変更に用いられる。

液晶ディスプレイ１９の下方には、取消スイッチ２２、確定スイッチ２３、メニュー表示スイッチ２４および撮影モード切替スイッチ２５が設けられる。取消スイッチ２２および確定スイッチ２３は、それぞれ、メニュー画面における選択の取消指示および確定指示をデジタルカメラ１０ａに与えるための押しボタンスイッチである。メニュー表示スイッチ２４は、液晶ディスプレイ１９にメニュー画面を呼び出すために用いられるとともに、呼び出されたメニュー画面の内容を切り替えるためにも用いられる。撮影モード切替スイッチ２５は、デジタルカメラ１０ａの撮影モードを、ナローモード、ノーマルモードおよびワイドモードのうちのいずれかに設定するために用いられる。

＜内部構成＞
続いて、デジタルカメラ１０ａの内部構成を説明する。図２は、デジタルカメラ１０ａの内部構成を示す図であり、図２（ａ）がデジタルカメラ１０ａの正面透視図、図２（ｂ）がデジタルカメラ１０ａの側面断面図に相当している。

図２（ｂ）に示すように、撮影レンズ２の後方適所には、撮像素子であるＣＣＤ２６が配設される。基板２６ａ上に実装されたＣＣＤ２６の受光面は、撮影レンズ２の光軸Ｌと垂直に交差している。ＣＣＤ２６の受光面には、光電変換の単位となる受光セルが縦横両方向（例えば、縦１２００画素×横１６００画素）に配列される。各受光セルの表面には、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）のいずれかの色のカラーフィルタが貼り付けられる。受光セルが光電変換により出力する画素信号の色成分は、当該受光セルの表面に貼り付けられたカラーフィルタの色と対応づけられる。カラーフィルタの色の配列は、いわゆるベイヤー配列となっている。なお、撮像素子として、ＣＣＤ２６に代えて、ＣＭＯＳイメージセンサやＶＭＩＳイメージセンサを使用してもよい。

ＣＣＤ２６の前方には、縦走りフォーカルプレーンシャッタであるシャッタ１１２が設けられる。

シャッタ１１２のさらに前方には、ハーフミラー１０４およびサブミラー１１０からなるクイックリターンミラー１１３が設けられる。

図２（ｂ）に示すように、ハーフミラー１０４は、撮影待機時には、撮影レンズ２からの入射光の一部を反射して焦点板１０６に結像させるとともに、一部を透過して後方に設けられたサブミラー１１０に導く。サブミラー１１０に導かれた入射光はさらに反射されて焦点検出部１１１に導かれる。焦点検出部１１１は、フォーカス状態の検出を行う。ハーフミラー１０４は、ＣＣＤ２６の露光時には、サブミラー１１０と共に上方へ跳ね上げられて、焦点板１０６の直下の退避位置で停止される。ハーフミラー１０４が退避位置に退避されているときは、入射光はＣＣＤ２６の受光面に導かれる。

デジタルカメラ１０ａは、さらに、焦点板１０６に結像された被写体像をファインダ窓１７の外側へ導くファインダ光学系１０５を備える。ファインダ光学系１０５は、ペンタプリズム１０７および接眼レンズ１０８を備える。ペンタプリズム１０７は、焦点板１０６に結像された被写体像を反射して接眼レンズ１０８へ導き、接眼レンズ１０８は被写体像をさらにファインダ窓１７の外側へ導く。

＜電気的構成＞
続いて、デジタルカメラ１０ａの電気的構成を説明する。図３は、デジタルカメラ１０ａの電気的構成を示すブロック図である。

図３に示すように、デジタルカメラ１０ａは、撮影レンズ２、撮像部４０、信号処理部５０、レンズ制御部６０、表示部７０、操作部８０、全体制御部９０、ハーフミラー駆動部１２０およびシャッタ制御部１４０等を備える。

○撮影レンズ；
撮影レンズ２は、フォーカス状態を変化させるためのフォーカスレンズ２０１と、ズーム倍率を変化させるためのズームレンズ２０２と、ＣＣＤ２６への入射光量を変化させるための絞り２０３とを備える。さらに、撮影レンズ２は、撮影レンズ２に関する固有の情報（開放Ｆ値や焦点距離等の情報）を格納したレンズＲＯＭ（不図示）を内蔵している。デジタルカメラ１０ａでは、先述の電気的接点を介して、レンズＲＯＭに記憶された情報が全体制御部９０へ送出されるとともに、撮影レンズ２の内部のフォーカスレンズ２０１やズームレンズ２０２の位置の情報が全体制御部９０へ送出される。また、デジタルカメラ１０ａでは、先述のカプラを介して、後述するフォーカスレンズ駆動用モータ６１およびズームレンズ駆動用モータ６２の駆動力が、それぞれ、フォーカスレンズ２０１およびズームレンズ２０２に伝達される。

○撮像部；
撮像部４０は、ＣＣＤ２６の受光面に結像された被写体像を光電変換して、撮像画像に係る画像信号を生成する。撮像部４０は、ＣＣＤ２６、タイミングジェネレータ４１およびタイミング制御回路４２を備える。

ＣＣＤ２６は、タイミングジェネレータ４１から入力される駆動制御信号（蓄積開始信号・蓄積終了信号）に応答して、受光面に結像された被写体像の露光（光電変換による電荷蓄積）を行い、当該被写体像に係る画像信号を生成する。さらに、ＣＣＤ２６は、タイミングジェネレータ４１から入力される読出制御信号（水平同期信号・垂直同期信号・転送信号等）に応答して、当該画像信号を信号処理部５０へ出力する。すなわち、ＣＣＤ２６は、撮像を行い、撮像画像に係る画像信号を信号処理部５０へ出力している。

なお、ＣＣＤ２６が出力する画像信号を構成する画素信号のレベル（出力値）は、当該画素信号を生成した受光セルへの入射光量にダイナミックレンジの範囲内で比例している。しかし、入社光量がダイナミックレンジの範囲を超えている場合、受光セルへの入射光量が増加しても、当該受光セルが出力する画素信号のレベルは飽和して増加しない。そして、シャッタスピード・絞り値等の露出条件が一定ならば、ＣＣＤ２６のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲は一定である。

タイミングジェネレータ４１は、タイミング制御回路４２から入力される撮影制御信号に基づいて駆動制御信号を生成するとともに、タイミング制御回路４２から入力される基準クロック信号に基づいて読出制御信号を生成し、生成した駆動制御信号および読出制御信号をＣＣＤ２６へ出力する。

タイミング制御回路４２は、全体制御部９０から入力される制御信号に基づいて撮影制御信号を生成する。この撮影制御信号は、動画撮影モードにおいて被写体の動画像を液晶ディスプレイ１９に表示するための制御信号、静止画撮影モードにおいて被写体の静止画を撮影するための制御信号、基準クロック信号、ＣＣＤ２６から出力される画像信号を信号処理部５０で信号処理するためのタイミング信号（同期クロック信号）等をも含む。このタイミング信号は、信号処理部５０のアナログ信号処理回路５１およびＡ／Ｄ変換回路５２に入力される。

○信号処理部；
信号処理部５０は、ＣＣＤ２６から与えられる画像信号に所定のアナログ信号処理およびデジタル信号処理を行う。信号処理部５０における信号処理は、画像信号を構成する画素信号ごとに行われる。信号処理部５０は、アナログ信号処理回路５１、Ａ／Ｄ変換回路５２、黒レベル補正回路５３、ホワイトバランス（ＷＢ）回路５４、γ補正回路５５および画像メモリ５６を備える。これらの構成のうち、黒レベル補正回路５３、ホワイトバランス（ＷＢ）回路５４およびγ補正回路５５は、デジタル信号処理を行う。

アナログ信号処理回路５１は、ＣＣＤ２６から与えられたアナログ画像信号にアナログ信号処理を施す。具体的には、アナログ信号処理回路５１は、画像信号のサンプリングノイズを低減するＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路と、画像信号のレベル調整を行うＡＧＣ（自動利得調節）回路とを備えている。ＡＧＣ回路は、極端に低輝度の被写体を撮影する場合等の、撮影レンズ２に内蔵される絞り２０３およびＣＣＤ２６の露光時間の制御により適正露出が得られない場合に、撮影画像のレベル不足を補償する機能も有する。なお、ＡＧＣ回路のゲインは全体制御部９０により設定される。

Ａ／Ｄ変換回路５２は、アナログ信号処理回路５１が出力したアナログ画像信号をデジタル画像信号（以下では、「画像データ」とも称する）へ変換する。Ａ／Ｄ変換回路５２は、各受光セルが出力した画素信号を、例えば、１２ビットの画素データへ変換する。

黒レベル補正回路５３は、Ａ／Ｄ変換回路５２が出力した画像データを構成する各画素データの黒レベルを基準の黒レベルに補正する。

ＷＢ回路５４は、画像のホワイトバランス調整を行う。ＷＢ回路５４は、全体制御部９０から与えられるレベル変換テーブルを用いて、各色成分Ｒ，Ｇ，Ｂの画素データのレベルを変換することにより、ホワイトバランス調整を行う。レベル変換テーブルの各色成分の変換係数は、撮影画像ごとに全体制御部９０から与えられる。

γ補正回路５５は、ＣＣＤ２６が撮像した画像の階調変換を行う。具体的には、γ補正回路５５は、階調変換用ルックアップテーブル（階調変換ＬＵＴ）として保持されたγ補正テーブルを用いて、画像データを構成する各画素データのγ補正を行う。当該γ補正においては、入力された１２ビットの画素データは、８ビット（２５６階調）の画素データに変換されて出力される。γ補正回路５５では、複数の階調変換ＬＵＴをγ補正に利用可能であり、γ補正に実際に利用する階調変換ＬＵＴは全体制御部９０によって設定される。

画像メモリ５６は、信号処理が終了した画像データを一時的に記憶するためのメモリであり、複数フレーム分の画像データを記録可能な容量を有する。

○レンズ制御部；
レンズ駆動部６０は、フォーカスレンズ駆動用モータ６１、ズームレンズ駆動用モータ６２および絞り制御ドライバ６３を備える。

フォーカスレンズ駆動用モータ６１は、全体制御部９０から入力されるＡＦ制御信号に基づいて、フォーカスレンズ２０１を移動させる。

ズームレンズ駆動用モータ６２は、全体制御部９０から入力されるズーム制御信号に基づいて、ズームレンズ２０２を移動させる。具体的には、デジタルカメラ１０ａは、操作ボタン２１ａの右位置に対する押圧操作を検出するとズームレンズ２０２を望遠（テレ）側に移動させ、操作ボタン２１ａの左位置に対する押圧操作を検出するとズームレンズ２０２を広角（ワイド）側に移動させる。

絞り制御ドライバ６３は、絞り２０３の絞り値を、全体制御部９０から入力される絞り値に設定する。

○表示部；
表示部７０は、液晶ディスプレイ１９およびＶＲＡＭ７１を備える。

液晶ディスプレイ１９は、例えば、横４００画素×縦３００画素を有する矩形のカラーディスプレイである。

ＶＲＡＭ７１は、液晶ディスプレイ１９に表示する画像に係る画像データを格納するためのバッファメモリである。

○操作部；
操作部８０は、レリーズボタン７が半押し状態となるとＯＮになる撮影スタンバイスイッチ８１およびレリーズボタン７が全押し状態となるとＯＮになるレリーズスイッチ８２の他、制御値設定ダイアル５、モード設定ダイアル６、方向選択キー２１、取消スイッチ２２、確定スイッチ２３、メニュー表示スイッチ２４および撮影モード切替スイッチ２５を包含しているが、図３においては、撮影スタンバイスイッチ８１、レリーズスイッチ８２および撮影モード切替スイッチ２５のみが記載されている。操作部８０の状態は、全体制御部９０によって検出される。

○全体制御部およびその他；
全体制御部９０は、ＲＯＭ９１およびＲＡＭ９２を含むマイクロコンピュータであり、ＲＯＭ９１に格納された制御プログラムにしたがって、デジタルカメラ１０ａの各部の動作を制御する。ＲＡＭ９２には、演算処理や制御処理等における種々のデータが一時的に格納される。

全体制御部９０には、カードインターフェース（カードＩ／Ｆ）９３を介してメモリカード９４が接続される。カードＩ／Ｆ９３は、メモリカード９４への画像データの書き込みおよびメモリカード９４からの画像データの読み出しを行うためのインターフェースである。

ハーフミラー駆動部１２０は、全体制御部９０から入力される退避信号に応答して、ハーフミラー１０４を先述した退避位置へ退避させる。この退避信号は、ＣＣＤ２６の露光時に全体制御部９０によって生成される。

静止画撮影モードにおいては、全体制御部９０は、撮影スタンバイスイッチ８１がＯＮとなったことを検出すると、自動焦点制御や自動露出制御等の撮影準備動作を開始し、レリーズスイッチ８２がＯＮとなったことを検出すると、被写体の撮像を行い、撮像画像に係る画像データを生成し、所定の画像処理を施した後に当該画像データをメモリカード９４へ記録する本撮影動作を開始する。

動画撮影モードにおいては、全体制御部９０は、レリーズスイッチ８２がＯＮとなったことを検出すると、本撮影動作を開始し、本撮影動作中に再度レリーズスイッチ８２がＯＮとなったことを検出すると、本撮影動作を終了する。

＜機能的構成＞
以下では、撮影モードの設定に係るデジタルカメラ１０ａの機能的構成について、図４のブロック図を参照しながら説明する。図４における、撮影モード設定部９０１、ＬＵＴ設定部９０２、動作点設定部９０３、露出制御部９０４および制御信号生成部９０５は、マイクロコンピュータである全体制御部９０が、ＲＯＭ９１に格納された制御プログラムを実行することにより実現される機能を表現した機能ブロックである。

撮影モード設定部９０１は、撮影モード切替スイッチ２５の押下を検出し、検出結果に基づいて、撮影モードを、ナローモード、ノーマルモードおよびワイドモードのいずれかに設定する。具体的には、撮影モード設定部９０１は、撮影モード切替スイッチ２５の押下を検出すると、ナローモード、ノーマルモード、ワイドモードの間で、順次かつ循環的に撮影モードを切り替える。設定された撮影モードは、動作点設定部９０３およびＬＵＴ設定部９０２に与えられる。

動作点設定部９０３は、設定された撮影モードに基づいて、ＣＣＤ２６の動作点を可変に設定する。具体的には、動作点設定部９０３は、設定された撮影モードがナローモード、ノーマルモードおよびワイドモードである場合、動作点の一表現である設定感度（ＩＳＯ感度、以下も同様）を、それぞれ、５０，１００，２００（ＡＰＥＸ単位換算では、それぞれ、ＳＶ＝４，５，６）に設定する。なお、ここでいう「設定感度」とは、露出制御の基礎となる感度、すなわち、絞り値およびシャッタスピードの算出の基礎となる感度であり、ＣＣＤ２６の実際の感度とは必ずしも一致しない。したがって、デジタルカメラ１０ａでは、設定感度が上昇しても信号処理回路５１に含まれるＡＧＣ回路のゲインは上昇しない。すなわち、デジタルカメラ１０ａでは、設定感度を変更して撮影可能輝度範囲を変更しても、アナログアンプによる増幅に起因するＳ／Ｎ比の悪化は起こらない。なお、ノーマルモードにおける設定感度をＣＣＤ２６の実際の感度と同じ値にしておけば、ノーマルモードにおいては、通常のデジタルカメラと同様の感覚で撮影を行うことが可能である。

ＬＵＴ設定部９０２は、設定された撮影モードに基づいて、γ補正回路５５における階調変換の階調変換特性（γ補正のγ変換特性）の具体的表現である階調変換ＬＵＴを可変に設定する。具体的には、ＬＵＴ設定部９０２は、設定された撮影モードがナローモード、ノーマルモードおよびワイドモードである場合、階調変換ＬＵＴを、それぞれ、ナローモード用階調変換ＬＵＴ、ノーマルモード用階調変換ＬＵＴおよびワイドモード用階調変換ＬＵＴに設定する。これらの階調変換ＬＵＴは、動作点が変更されても、標準輝度部分の階調変換後の画像における輝度が一定に維持されるように決められている。これにより、標準輝度部分が、どの撮影モードでも、階調変換後の画像において同じ輝度で適切に再現される。

撮影モード設定部９０１、動作点設定部９０３およびＬＵＴ設定部９０２により、動作点設定部９０３で設定される動作点と、ＬＵＴ設定部９０２で設定される階調変換ＬＵＴとは、撮影モードの変更にあわせて、同期して変更される。

露出制御部９０４は、動作点設定部９０３から取得される、ＣＣＤ２６の動作点すなわち設定感度と、黒レベル補正回路５３から取得される、撮影画像内に設定された測光領域における被写体輝度（以下では、「測光輝度」とも称する）とに基づいて、絞り値およびシャッタスピードを決定する。なお、設定感度、測光輝度、絞り値およびシャッタスピードの関係は、適正露出を実現するための条件式（式１）で表現される。式１におけるＳＶ，ＢＶ，ＡＶ，ＴＶは、それぞれ、設定感度、測光輝度、絞り値，シャッタスピードのＡＰＥＸ単位換算値である。また、露出制御部９０４は、デジタルカメラ１０ａに記憶されたプログラムラインを参照して、絞り値およびシャッタスピードを決定する。なお、ＣＣＤ２６とは別の測光用センサを設けて、当該測光用センサから測光輝度を取得してもよい。

露出制御部９０４が決定した絞り値およびシャッタスピードは、それぞれ、絞り制御ドライバ６３および制御信号生成部９０５へ出力される。制御信号生成部９０５は、入力されたシャッタスピードを実現するための制御信号を生成して、シャッタ制御部１４０およびタイミング制御回路４２へ出力する。これにより、決定された絞り値およびシャッタスピードによる撮影を実行可能となる。

デジタルカメラ１０ａでは、露出制御により、ＣＣＤ２６のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を変更可能である。すなわち、デジタルカメラ１０ａでは、設定感度が高く設定され、絞り値およびシャッタスピードのＡＰＥＸ単位換算値ＡＶ，ＴＶの和が大きくなる（露出がアンダー側にずらされる）と、ＣＣＤ２６のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲が拡大する。逆に、デジタルカメラ１０ａでは、設定感度が低く設定され、絞り値およびシャッタスピードのＡＰＥＸ単位換算値ＡＶ，ＴＶの和が小さくなる（露出がオーバー側にずらされる）と、ＣＣＤ２６のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲が縮小する。なお、露出制御により撮影可能輝度範囲を変更することで、ＣＣＤ２６そのもののダイナミックレンジが固定されていても撮影可能輝度範囲を変更可能となるので、撮影可能輝度範囲が可変なデジタルカメラ１０ａを簡潔に構成可能である。

＜動作点および階調変換ＬＵＴ＞
以下では、動作点および階調変換ＬＵＴの具体例について、図５を参照しながら説明する。図５において、グラフＧ１は、被写体輝度とＣＣＤ２６の出力値との関係を示すグラフであり、グラフＧ２は、γ補正回路５５の入力値と出力値との関係を示すグラフである。グラフＧ１には、動作点設定部９０３において設定された設定感度が５０，１００，２００である場合の関係Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３が図示されており、グラフＧ２には、ＬＵＴ設定部９０２において設定された階調変換ＬＵＴがナローモード用階調変換ＬＵＴ、ノーマルモード用階調変換ＬＵＴおよびワイドモード用階調変換ＬＵＴである場合の関係Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３が図示されている。図５においては、グラフＧ１の縦軸（ＣＣＤ２６の出力値）と、グラフＧ２の縦軸（γ補正回路５５の入力値）とのスケールは共通となっている。

グラフＧ１に示すように、設定感度が５０，１００，２００と変化してゆくと、被写体輝度の増加に対してＣＣＤ２６の出力値が増加する範囲、すなわち、ＣＣＤ２６のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲は、ΔＢ１，ΔＢ２，ΔＢ３の順に拡大する。一方、設定感度が５０，１００，２００と変化してゆくと、標準的な輝度ＢＳに対するＣＣＤ２６の出力値は、Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の順に小さくなる。したがって、γ補正回路５５による処理が行われる前の画像においては、撮影可能輝度範囲を拡大するほど、標準輝度部分が記録画像において暗くなってしまう。

そこで、デジタルカメラ１０ａでは、撮影可能輝度範囲の拡大に起因する、標準輝度部分の明るさの低下を補償するために、入力値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３に対する出力値を一定値ＯＣとするような、γ値の異なる複数の階調変換ＬＵＴ（ナローモード用階調変換ＬＵＴ、ノーマルモード用階調変換ＬＵＴおよびワイドモード用階調変換ＬＵＴ）があらかじめ準備されている。

なお、グラフＧ２から明らかなように、原点Ｏに近い低輝度領域においては、入力値の一定の増加に対する出力値の増加量は、ナローモード用階調変換ＬＵＴ、ノーマルモード用階調変換ＬＵＴおよびワイドモード用階調変換ＬＵＴの順に大きくなる。このため、デジタルカメラ１０ａでは、撮影可能輝度範囲を拡大するにつれて、ノイズが強調されＳ／Ｎ比が劣化する。

このような特徴により、輝度分布が狭い被写体に対しては、撮影モードをナローモードに設定すれば、記録画像において、階調が適切に表現されるとともに、ノイズを抑制可能である。一方、輝度分布が広い画像に対しては、撮影モードをワイドモードに設定すれば、ノイズの面では不利であるものの、記録画像において、やはり、階調が適切に表現される。すなわち、デジタルカメラ１０ａでは、様々な輝度分布の被写体に対して、その輝度分布にあわせた適切な撮影を実行可能となっている。さらに、デジタルカメラ１０ａでは、撮影モード切替スイッチを用いて撮影モードを選択可能であるので、ユーザは、被写体の輝度分布に応じて撮影モードを選択することにより、被写体の輝度分布にあわせた適切な撮影をデジタルカメラ１０ａに実行させることができる。

なお、グラフＧ１には、測光輝度が特定の輝度である場合の関係が図示されており、測光輝度が低下すれば、ダイナミックレンジの範囲内における、被写体輝度の一定の増加量に対する出力値の増加が大きくなり（矢印ＡＲ１）、測光輝度が増加すれば、ダイナミックレンジの範囲内における、被写体輝度の一定の増加量に対する出力値の増加が小さくなる（矢印ＡＲ２）が、関係Ｘ１〜Ｘ３の相対的な関係は維持される。

＜動作＞
続いて、デジタルカメラ１０ａの動作について、図６のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、撮影待機状態において、撮影スタンバイスイッチ８１の状態が検出される（ステップＳ１）。ステップＳ１において、撮影スタンバイスイッチ８１がＯＮとなっていることが検出された場合、動作フローはステップＳ２へ移行して、撮影準備動作が開始される。一方、ステップＳ１において、撮影スタンバイスイッチ８１がＯＦＦ状態となっていることが検出された場合、動作フローはステップＳ１へ戻り、撮影スタンバイスイッチ８１の状態の検出が繰り返される。

ステップＳ２〜Ｓ１１は、撮影準備動作に係るステップ群である。

ステップＳ２では、撮影モード設定部９０１が設定した撮影モードによる分岐処理が行われる。ステップＳ２において、撮影モードがナローモードである場合には、動作点設定部９０３が設定感度を５０に設定するとともに（ステップＳ３）、ＬＵＴ設定部９０２が階調変換ＬＵＴをナローモード用階調変換ＬＵＴに設定する（ステップＳ４）。ステップＳ２において、撮影モードがノーマルモードである場合には、動作点設定部９０３が設定感度をＣＣＤ２６の実際の感度と同じ１００に設定するとともに（ステップＳ５）、ＬＵＴ設定部９０２が階調変換ＬＵＴをノーマルモード用階調変換ＬＵＴに設定する（ステップＳ６）。ステップＳ２において、撮影モードがワイドモードである場合には、動作点設定部９０３が設定感度を２００に設定するとともに（ステップＳ７）、ＬＵＴ設定部９０２が階調変換ＬＵＴをワイドモード用階調変換ＬＵＴに設定する（ステップＳ８）。ステップＳ３〜Ｓ８により、動作点と階調変換ＬＵＴとが同期して変更され、撮影可能輝度範囲を変更可能とあるとともに、標準輝度部分を階調変換後の画像で適切に再現可能となる。これにより、様々な輝度分布を有する被写体を適切に撮影可能となる。

ステップＳ４，Ｓ６，Ｓ８に続いて、デジタルカメラ１０ａでは、露出制御部９０４が動作点および測光輝度に基づいて絞り値およびシャッタスピードを決定し、シャッタスピードおよび絞り値が決定されたシャッタスピードおよび絞り値に設定される自動露出制御が行われる（ステップＳ９）。さらに続いて、フォーカスモータ駆動用モータ６１によりフォーカスレンズ２０１が合焦位置に移動される自動焦点制御が実行される（ステップＳ１０)。

続くステップＳ１２では、レリーズイッチ８２の状態が検出される。ステップＳ１２において、レリーズスイッチ８２がＯＮとなっていることが検出された場合、動作フローはステップＳ１３へ移行して、本撮影動作が開始される。一方、ステップＳ１２において、レリーズスイッチ８２がＯＦＦとなっていることが検出された場合、動作フローはステップＳ１２へ戻り、レリーズスイッチ８２の状態の検出が繰り返される。

ステップＳ１３〜Ｓ１５は、本撮影動作に係るステップ群である。

ステップＳ１３では、制御信号生成部９０５からタイミング制御回路４２およびシャッタ制御部１４０へ露光のための制御信号が出力され、ＣＣＤ２６による撮像が行われ、撮像画像に係る画像信号が信号処理部５０へ出力される。

信号処理部５０は、入力された画像信号に対して画像処理を行う（ステップＳ１４）。画像処理後の画像データは、全体制御部９０においてＪＰＥＧ圧縮が行われた後に、メモリカード９４に記録される（ステップＳ１５）。しかるのちに、動作フローはステップＳ１へ戻る。

＜変形例＞
○撮像素子について；
上述の実施形態では、ＣＣＤ２６の出力値は入射光量にダイナミックレンジの範囲内で比例していたが、例えば、出力値が入射光量の対数に比例するような、非線型の特性を有するセンサを撮像素子として用いてもよい。この場合でも、撮影可能範囲の変更による標準輝度部分の明るさの変化を補償するように階調変換ＬＵＴを定めれば、上述の実施形態と同等の効果を得ることができる。

○撮影モードの設定について；
上述の実施形態では、撮影モード切替スイッチ２５により撮影モードが手動で切り替えられる例を示したが、撮影モードが自動的に決定されるようにしてもよい。例えば、ＣＣＤ２６またはＣＣＤ２６とは別に設けられた測光センサを用いて被写体の輝度分布を測定し、当該輝度分布を最適に撮影可能な撮影モードにデジタルカメラ１０ａが自動的に設定されるようにしてもよい。また、撮像を行い、ダイナミックレンジの範囲を超えている輝度の領域が撮像画像内に含まれている場合に、自動的に撮影可能輝度範囲を拡大するようにしてもよい。

○階調変換について；
上述の実施形態では、デジタルカメラ１０ａの内部で階調変換（γ補正）を行ったが、デジタルカメラ１０ａの内部ではγ補正を行わず、外部の装置で階調変換を行うようにしてもよい。この場合、階調変換を行わない画像データと、当該画像データの取得に用いた撮影モードとを関連付けてメモリカード９４に記録しておくことが望ましい。

本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０ａの外観構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０ａの内部構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０ａの電気的構成を示すブロック図である。 撮影モードの設定に係るデジタルカメラ１０ａの機能的構成を示すブロック図である。 動作点および階調変換ＬＵＴの具体例を示す図である。 本発明の実施形態に係るデジタルカメラ１０ａの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２ 撮影レンズ
７ レリーズボタン
１０ａ デジタルカメラ
１７ ファインダ窓
１９ 液晶ディスプレイ
２５ 撮影モード切替スイッチ
２６ ＣＣＤ
２０３ 絞り

Claims (5)

1. 撮像装置であって、
   撮像を行う撮像素子と、
   前記撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を規定する、撮像素子の動作点を可変に設定する動作点設定手段と、
   前記撮像素子が撮像した画像の階調変換を行う階調変換手段と、
   前記階調変換における階調変換特性を可変に設定する階調変換特性設定手段と、
   を備え、
   前記動作点設定手段で設定される動作点と、前記階調変換特性設定手段で設定される階調変換特性とが、同期して変更されることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記動作点設定手段が設定した動作点に基づいて露出制御を行う露出制御手段をさらに備え、
   前記露出制御により、前記撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲が変更されることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、
   前記階調変換特性設定手段が、動作点に関わらず、被写体における所定の輝度を階調変換後の画像で一定に再現するように、前記階調変換特性を設定することを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の撮像装置において、
   撮影可能な被写体の輝度範囲に関する撮影モードの設定を行う撮影モード設定手段をさらに備え、
   前記動作点設定手段が、前記撮影モード設定手段によって設定された撮影モードに基づいて前記動作点を設定することを特徴とする撮像装置。
5. 撮像方法であって、
   撮像に用いる撮像素子のダイナミックレンジの範囲内に納まる被写体の輝度範囲を規定する、撮像素子の動作点を可変に設定する動作点設定工程と、
   撮像画像に対して施される階調変換における階調変換特性を可変に設定する階調変換特性設定工程と、
   前記撮像素子を用いて撮像を行う撮像工程と、
   前記撮像素子が撮像した撮像画像の階調変換を行う階調変換工程と、
   を備え、
   前記動作点設定工程で設定される動作点と、前記階調変換特性設定工程で設定される階調変換特性とが、同期して変更されることを特徴とする撮像方法。

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