JP2007166076A

JP2007166076A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2007166076A
Application number: JP2005357661A
Authority: JP
Inventors: Takuya Sato; ▲琢▼也佐藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】クランプレベルの精度を高い水準に保つことができる撮像装置を提供する。
【解決手段】有効画素列および遮光画素の各画素に蓄積した電荷を第１転送路および第２転送路で転送して出力する転送出力部とを備えた第１撮像素子と、第２転送路に沿って出力された複数の遮光画素の出力電荷をクランプするクランプ部と、第１撮像素子の有効画素に入射する被写体光量の分布を測定する第２撮像素子と、第２撮像素子の画素のうちで閾値以上の信号レベルを出力した第１判定画素を検出する第１判定部と、第２撮像素子の画素のうち、第１判定画素を基準として第１転送路の電荷転送方向に対応する画素列から第２判定画素を抽出するとともに、該第２判定画素の信号レベルを検出する第２判定部と、第１判定画素および第２判定画素の信号レベルに基づいて、クランプ部に対してクランプの範囲を変更させるクランプ制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子の出力信号をクランプする手段を備えた撮像装置に関する。

近年では、撮像素子で撮影した被写体像の画像データを電子的に記録する電子カメラが急速に普及しつつある。かかる撮像素子の出力には、受光素子の暗電流成分によるノイズが含まれていることが公知である。そのため、電子カメラでは、被写体の色レベル（階調）を忠実に再現するべく、遮光画素から取得した黒レベルの平均値を基準レベルとして画像信号をクランプする。

ところで、撮影画面内に高輝度の被写体が存在する場合、撮像素子の画素から電荷があふれ出すことでブルーミングやスミアが発生することがある。かかる場合には遮光画素の黒レベルを示す値が本来の値よりも上昇し、クランプレベルと基準レベルとの間に誤差が生じるおそれもある。この点に関連して、例えば特許文献１には、高輝度被写体の位置等に基づいてクランプに用いる遮光領域の位置を変化させる技術が開示されている。
特開２００４−２２２１８５号公報

しかし、高輝度被写体の位置、輝度等によってブルーミングやスミアの影響を予測しようとしても、ブルーミングやスミアの発生を高い精度で推定することは比較的困難である。そのため、従来技術では、ブルーミングやスミアが生じておらず遮光画素の出力を本来クランプすべき範囲についても、高輝度被写体の存在によってクランプの対象外となる場合もある。したがって、撮影画面内に高輝度被写体が存在するときには、クランプレベルの精度が低くなりうる点で改善の余地があった。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためのものであって、その目的は、撮影画面内に高輝度被写体が存在する場合においても、クランプレベルの精度を高い水準に保つことができる撮像装置を提供することである。

第１の発明は、第１撮像素子と、クランプ部と、第２撮像素子と、第１判定部と、第２判定部と、クランプ制御部とを備えることを特徴とする。第１撮像素子は、第１転送路と、第１転送路に沿って配列された有効画素列と、有効画素列の一端部に配置された遮光画素とからなる転送列を複数有するとともに、各々の転送列で転送される各画素の電荷をさらに転送する第２転送路と、有効画素列および遮光画素の各画素に蓄積した電荷を第１転送路および第２転送路で転送して出力する転送出力部とを備える。クランプ部は、第１撮像素子の第２転送路に沿って出力された複数の遮光画素の出力電荷をクランプする。第２撮像素子は、第１撮像素子の有効画素に入射する被写体光量の分布を測定する。第１判定部は、第２撮像素子の出力に基づいて、第２撮像素子の画素のうちで閾値以上の信号レベルを出力した第１判定画素を検出する。第２判定部は、第２撮像素子の画素のうち、第１判定画素を基準として第１転送路の電荷転送方向に対応する画素列から第２判定画素を抽出するとともに、該第２判定画素の信号レベルを検出する。クランプ制御部は、第１判定画素および第２判定画素の信号レベルに基づいて、クランプ部に対してクランプの範囲を変更させる。

第２の発明は、第１の発明において、第２判定部は撮影条件の設定に応じて第２判定画素の抽出を行うことを特徴とする。

本発明では、第２判定画素の信号レベルの判定によってスミア等の影響がない遮光画素の出力のみをクランプするため、クランプレベルの精度を高い水準に保つことができる。

図１は、本実施形態の電子カメラの構成を示す概要図である。本実施形態では一眼レフレックス型の電子カメラの例を説明する。
まず、電子カメラの光学系の構成を説明する。電子カメラは、本体部１１とレンズユニット１２とを有している。本体部１１およびレンズユニット１２はそれぞれマウントを介して交換自在に接続されている。レンズユニット１２は、撮影レンズ１３および絞り１４が収納されている。なお、撮影レンズ１３および絞り１４の状態は、後述するＣＰＵ２９によって制御される。

また、電子カメラの本体部１１には、メインミラー１５と、第１撮像素子１６と、ファインダ光学系とが収納されている。メインミラー１５および第１撮像素子１６は撮影レンズ１３の光軸に沿って配置されている。また、ファインダ光学系は本体部１１の上部領域に配置されている。
メインミラー１５は、不図示の回動軸によって回動可能に軸支されており、観察状態と退避状態とを切り替え可能となっている。観察状態のメインミラー１５は、第１撮像素子１６の前方で傾斜配置される。この観察位置でのメインミラー１５は、撮影レンズ１３を通過した光束を上方へ反射してファインダ光学系に導く。なお、メインミラー１５の一部は光を透過するハーフミラーとなっている。そして、観察状態においてメインミラー１５を透過した光束はサブミラーで下方に屈折されて焦点検出部に導かれる（サブミラーおよび焦点検出部の図示は省略する）。

一方、退避状態のメインミラー１５は、上方に跳ね上げられて撮影光路から外れた位置にある。メインミラー１５が退避状態にあるときは、撮影レンズ１３を通過した光束は第１撮像素子１６に導かれることとなる。
ファインダ光学系は、拡散スクリーン１７と、コンデンサレンズ１８と、ペンタプリズム１９と、接眼レンズ２０および第２撮像素子２１とを有している。拡散スクリーン１７はメインミラー１５の上方に位置し、観察状態のメインミラー１５で反射された光束を一旦結像させる。拡散スクリーン１７上で結像した光束はコンデンサレンズ１８およびペンタプリズム１９を通過し、ペンタプリズム１９の入射面に対して９０°偏向した射出面から接眼レンズ２０に導かれる。また、ペンタプリズム１９の近傍には第２撮像素子２１が配置されている。そして、拡散スクリーン１７で拡散された光束の一部は、コンデンサレンズ１８、ペンタプリズム１９を通って、第２撮像素子２１の受光面で再結像されるようになっている。

次に、電子カメラの電子回路の構成を説明する。電子カメラは、上記の第１撮像素子１６および第２撮像素子２１と、アナログフロントエンド部（ＡＦＥ）２２と、Ａ／Ｄ変換回路２３と、メモリ２４と、画像処理回路２５と、タイミングジェネレータ（ＴＧ）２６と、記録Ｉ／Ｆ２７と、モニタ２８と、ＣＰＵ２９およびデータバス３０とを有している。なお、第２撮像素子２１の出力と、Ａ／Ｄ変換回路２３の出力と、メモリ２４と、画像処理回路２５と、記録Ｉ／Ｆ２７と、モニタ２８およびＣＰＵ２９とは、それぞれデータバス３０に接続されている。

第１撮像素子１６は例えばＣＣＤで構成される。この第１撮像素子１６には、メインミラー１５が退避状態にあるときに被写体像が結像する。そして、第１撮像素子１６は、撮影時に被写体像を光電変換してアナログ信号を生成する。
図２（ａ）は第１撮像素子１６を受光面側からみた図である。また、図２（ｂ）は第１撮像素子１６の構成の一部を模式的に示す図である。第１撮像素子１６の受光面には、光電変換を行う受光素子３１が２次元配列されている。第１撮像素子１６には、受光素子３１の列単位に垂直読み出し線３２がそれぞれ設けられている。これらの垂直読み出し線３２の出力端には水平読み出し線３３が接続されている。なお、水平読み出し線３３の出力はＡＦＥ部２２に接続されている。

また、第１撮像素子１６の受光面は、有効画素領域と遮光画素領域（オプティカルブラック領域）とに区画されている。第１撮像素子１６の有効画素領域では、被写体像の明るさに応じて各受光素子３１に信号電荷が蓄積される。そして、この有効画素領域の出力に基づいて撮影画像データを生成するための画像信号が生成される。
一方、第１撮像素子１６の遮光画素領域は有効画素領域の周囲に形成されている。この遮光画素領域は各受光素子３１の表面が遮光膜（不図示）によって覆われている。この遮光画素領域では、温度変化等によって受光素子に蓄積される電荷（暗電流成分）が検出される。本実施形態では、この遮光画素領域の出力に基づいて被写体像の黒色に相当する黒レベルが決定される。なお、本実施形態では、有効画素領域の上側に位置する上部遮光画素領域の出力を用いて黒レベルを決定する。

一方、第２撮像素子２１は、第１撮像素子１６と同じＣＣＤが使用されている。そのため第２撮像素子の構成については重複説明は省略する。この第２撮像素子２１には、メインミラー１５が観察状態にあるときに被写体像が結像する。また、第２撮像素子２１の受光面の結像は、第１撮像素子１６と同一の視野範囲となるように設定されている。したがって、第２撮像素子２１では第１撮像素子１６の有効画素領域に入射する被写体光量の分布を測定することができる。なお、第２撮像素子２１の出力は、不図示のＡ／Ｄ変換回路等およびデータバス３０を介してＣＰＵ２９に入力される。

ＡＦＥ部２２は、ＣＤＳ回路３４、ゲイン回路３５およびクランプ回路３６を有している。ＣＤＳ回路３４は、相関二重サンプリングによって、第１撮像素子１６の出力信号のノイズ成分を低減する。ゲイン回路３５は、ＣＰＵ２９の指示によって入力された信号の利得を増幅する。かかるゲイン回路３５では、第１撮像素子１６の画像信号に対して、ＩＳＯ感度に相当する撮像感度の調整を行うことができる。クランプ回路３６は、ＴＧ２６からのクランプパルスに基づいて入力信号の波形の特定部分を一定の電圧レベルにクランプする。なお、本実施形態での黒レベルは、ＴＧ２６のＯＢクランプパルスに基づいて、クランプ回路３６が遮光画素の信号出力をクランプすることで決定される。

Ａ／Ｄ変換回路２３はＡＦＥ部２２からの出力信号に対してＡ／Ｄ変換を実行する。メモリ２４は、画像処理回路２５による画像処理の前工程または後工程でデータを一時的に保存する。画像処理回路２５は、第１撮像素子１６のデジタル画像信号に画像処理を施して撮影画像データを生成する。ＴＧ２６は、ＣＰＵ２９の指示により、第１撮像素子１６およびＡＦＥ部２２に対して各種動作に必要となる駆動信号を供給する。例えば、ＴＧ２６は、クランプ回路３６に対してクランプの範囲を規定するクランプパルスを出力する。

記録Ｉ／Ｆ２７には記録媒体３７を接続するためのコネクタが形成されている。そして、記録Ｉ／Ｆ２７は、コネクタに接続された記録媒体３７に対して撮影画像データの書き込み／読み込みを実行する。上記の記録媒体３７は、半導体メモリを内蔵したカード型記録媒体や小型ハードディスクなどで構成される。なお、図１では記録媒体３７の一例としてカード型記録媒体を図示する。モニタ２８には、撮影画像データの再生画像や電子カメラの各種設定を変更するための設定画面などが表示される。

ＣＰＵ２９は所定のシーケンスプログラムに従って電子カメラの各部動作を制御する。特に本実施形態では、ＣＰＵ２９は第２撮像素子２１の出力に基づいてＡＥ演算を行うとともに、第１撮像素子１６においてブルーミングおよびスミアの発生を判定する。また、ＣＰＵ２９は上記判定結果に基づいて、ＴＧ２６に対してＯＢクランプパルスの出力タイミングを指示する。

次に、図３の流れ図を参照しつつ、本実施形態の電子カメラの撮影動作を説明する。
ステップ１０１：ユーザーは、ファインダ光学系により被写体像のフレーミングを行うとともに、レリーズ釦（不図示）の半押しなどによって電子カメラに対して撮影準備の入力を行う。ＣＰＵ２９は、ユーザーからの入力を受け付けると第２撮像素子２１から被写体像の輝度情報を取り込む。そして、ＣＰＵ２９は被写体の輝度情報に基づいてＡＥ演算を実行する。これにより、撮影時の撮影条件（絞り１４の絞り値、露光時間の値、ゲイン回路３５による撮像感度の値など）が決定される。なお、ＣＰＵ２９は、ユーザーの手動入力に基づいて上記の撮影条件を設定してもよい。

ステップ１０２：ＣＰＵ２９は、Ｓ１０１での撮影条件が高輝度被写体を撮影するときの撮影条件か（すなわちスミア、ブルーミングが発生しやすい撮影条件であるか）否かを判定する。撮影条件が所定条件を満たす場合（ＹＥＳ側）にはＣＰＵ２９はＳ１０３に移行する。一方、撮影条件が所定条件を満たさない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ２９は通常の撮影モード（Ｓ１１１）に移行する。なお、スミア等の発生しやすい撮影条件では、露光時間は短く、絞り値は小さく（開放側）になる。上記の撮影条件の一例として、露光時間が１／４０００ｓｅｃ程度で、絞り値がＦ１．４程度の組み合わせが該当する。

ステップ１０３：ＣＰＵ２９は、第２撮像素子２１の出力のうち、閾値以上の信号レベルを有する第１判定画素（高輝度被写体の位置する画素）を検出する。そして、ＣＰＵ２９は第１判定画素の位置情報および信号レベルを取得する。なお、第１判定画素が撮影画面内の複数箇所で検出された場合には、ＣＰＵ２９は各々の第１判定画素について位置情報および信号レベルをそれぞれ取得する。

ステップ１０４：ＣＰＵ２９は、Ｓ１０３で第１判定画素が検出されたか否か（すなわち高輝度被写体が撮影画面内に存在するか）否かを判定する。第１判定画素が検出された場合（ＹＥＳ側）にはＣＰＵ２９はＳ１０５に移行する。一方、第１判定画素が検出されない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ２９は通常の撮影モード（Ｓ１１１）に移行する。
ステップ１０５：ＣＰＵ２９は、第１判定画素と同じ垂直読み出し線３２で読み出される垂直画素列に含まれる画素のうち、第１判定画素の電荷転送方向（上側）に位置する画素を第２判定画素に設定する。特に限定するものではないが、例えば、第２撮像素子の画素のうちで、第１撮像素子の有効画素領域上端に対応する画素や第１撮像素子の遮光画素領域に対応する画素を、ＣＰＵ２９は第２判定画素に設定するのが好ましい。なお、ＣＰＵ２９は、第１判定画素が撮影画面内に複数検出されている場合には、各々の第１判定画素の垂直画素列においてそれぞれ第２判定画素を設定する。

ステップ１０６：ＣＰＵ２９は、第２判定画素の信号レベルに基づいて、上部遮光画素領域に影響を与えるブルーミングまたはスミアが発生した垂直画素列の位置を特定する。具体的には、ＣＰＵ２９は第２判定画素の信号レベルが閾値以上である場合には、上記のブルーミング等が第１撮像素子１６に発生するものと判定する。
ここで、本実施形態において第１判定画素と第２判定画素とに基づいてブルーミング等の判定をするのは以下の理由による。図４は、高輝度被写体を撮影した場合の第２撮像素子２１の状態および第１撮像素子１６の状態を模式的に示す図である。

本実施形態では、ＣＰＵ２９は上部遮光画素領域の出力平均値に基づいて黒レベルを決定する。この黒レベルの演算ではより多くの遮光画素の出力をクランプする方が精度が高くなる。第２撮像素子２１において第２判定画素の信号レベルが低く遮光画素領域にブルーミングの影響が及んでいない場合（図４のα列）には、対応関係を有する第１撮像素子１６でも遮光画素の出力はそのまま使用できると推定される。そのため、上記の場合には、ＣＰＵ２９はα列の遮光画素の出力もクランプするように指示する。

一方、ブルーミング等の影響を受けた遮光画素の出力を黒レベルの演算に用いると、黒レベルの誤差が大きくなってしまう。第２撮像素子２１において第２判定画素の信号レベルも高い場合（図４のβ列，γ列）には、対応関係を有する第１撮像素子１６でも上部遮光画素領域にブルーミングまたはスミアの影響が及ぶと推定できる。そのため、上記の場合には、ＣＰＵ２９はβ列，γ列の遮光画素の出力はクランプの対象から除外するように指示する。

ステップ１０７：ＣＰＵ２９は、レリーズ釦の全押しによるレリーズ指示を受け付けたか否かを判定する。レリーズ釦が全押しされた場合（ＹＥＳ側）にはＳ１０８に移行する。一方、レリーズ釦の全押しがない場合（ＮＯ側）には、ＣＰＵ２９はＳ１０１に戻って上記動作を繰り返す。
ステップ１０８：ＣＰＵ２９は、レリーズと同時にメインミラー１５を観察状態から退避状態に移行させて被写体像の撮影を行う。そして、ＣＰＵ２９はＴＧ２６を介して第１撮像素子２１に被写体像の光電変換を実行させるとともに、第１撮像素子１６の蓄積電荷の読み出しを指示する。第１撮像素子１６からは、遮光画素領域および有効画素領域の信号出力が順次走査で読み出される。

ステップ１０９：ＣＰＵ２９は、Ｓ１０６の判定結果に基づいて、ＴＧ２６に対してＯＢクランプパルスの生成を指示する。ＴＧ２６は、ブルーミングおよびスミアの影響のある垂直列をマスクしたＯＢクランプパルスをクランプ回路３６に入力する。これにより、ＣＰＵ２９は、ブルーミング等の影響がない上部遮光画素領域の出力に基づいて黒レベルの値を決定することができる。なお、クランプ回路３６では、かかる黒レベルの値に基づいて画像信号のクランプレベルが規定されることとなる。

ステップ１１０：ＣＰＵ２９は、ＡＦＥ部２２および画像処理回路２５などに有効画素領域の画像信号の信号処理を指示する。画像処理回路２５は、デジタル画像信号に所定の画像処理を施して撮影画像データを生成する。画像処理回路２５から出力された撮影画像データは記録媒体３７に記録される。その後、ＣＰＵ２９は次回撮影の待機状態に移行する。

ステップＳ１１１：Ｓ１０２またはＳ１０４のいずれかの要件を満たさない場合、ＣＰＵ２９は通常の撮影モードに移行する。この通常の撮影モードでは、ＣＰＵ２９は遮光画素の出力信号をそのまま用いて黒レベルの値を決定することとなる。
次に、本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態では、第１判定画素および第２判定画素の信号レベルに基づいてクランプ回路のクランプ範囲を変化させる。特に、ブルーミングが発生していても遮光画素領域に影響が及ばない垂直列は黒レベルの演算に役立てるとともに、遮光画素領域にブルーミングまたはスミアの影響が及ぶ垂直列は黒レベルの演算対象から排除するので、クランプレベルの精度が高い水準に保たれる。

（実施形態の補足事項）
以上、本発明を上記の実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような形態であってもよい。
（１）本発明では、撮像素子間での特性の対応関係が明確であれば、上記実施形態において、第２撮像素子と第１撮像素子とが同一の構成の撮像素子でなくともよい。

（２）第２撮像素子の配置はファインダ光学系の位置に限定されることはない。例えば、第２撮像素子が上記実施形態で説明した焦点検出部のものであってもよい。また、光路上にハーフミラーを配置して光束を分岐させることで、第２撮像素子を自由にレイアウトすることが可能である。
（３）本発明では上記実施形態のＳ１０２の判定を行うことなく、撮影条件を問わずに第１判定画素および第２判定画素での判定を行うようにしてもよい。

本実施形態の電子カメラの構成を示す概要図（ａ）第１撮像素子を受光面側からみた図、（ｂ）第１撮像素子の構成の一部を模式的に示す図本実施形態の電子カメラの撮影動作を説明する流れ図（ａ）高輝度被写体を撮影した場合の第２撮像素子の状態を模式的に示す図、（ｂ）高輝度被写体を撮影した場合の第１撮像素子の状態を模式的に示す図

符号の説明

１６…第１撮像素子、２１…第２撮像素子、２６…タイミングジェネレータ（ＴＧ）、３１…受光素子、３２…垂直読み出し線、３３…水平読み出し線、３６…クランプ回路

Claims

第１転送路と、前記第１転送路に沿って配列された有効画素列と、前記有効画素列の一端部に配置された遮光画素とからなる転送列を複数有するとともに、各々の前記転送列で転送される各画素の電荷をさらに転送する第２転送路と、前記有効画素列および前記遮光画素の各画素に蓄積した電荷を前記第１転送路および前記第２転送路で転送して出力する転送出力部とを備えた第１撮像素子と、
前記第１撮像素子の前記第２転送路に沿って出力された複数の前記遮光画素の出力電荷をクランプするクランプ部と、
前記第１撮像素子の有効画素に入射する被写体光量の分布を測定する第２撮像素子と、
前記第２撮像素子の出力に基づいて、前記第２撮像素子の画素のうちで閾値以上の信号レベルを出力した第１判定画素を検出する第１判定部と、
前記第２撮像素子の画素のうち、前記第１判定画素を基準として前記第１転送路の電荷転送方向に対応する画素列から第２判定画素を抽出するとともに、該第２判定画素の信号レベルを検出する第２判定部と、
前記第１判定画素および前記第２判定画素の信号レベルに基づいて、前記クランプ部に対して前記クランプの範囲を変更させるクランプ制御部と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
請求項１に記載の撮像装置において、
前記第２判定部は、撮影条件の設定に応じて前記第２判定画素の抽出を行うことを特徴とする撮像装置。