JP2007166643A - カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】撮影時の温度と撮影対象の明るさにかかわらずＳ／Ｎ比の良好な画像を生成することが可能なカメラを提供する。
【解決手段】明るさが一様な照明光で撮像素子を照明したときの各画素の出力信号の強度から得た補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するカメラにおいて、温度および照明光の明るさをそれぞれ複数段階に設定して得た複数の補正用データを記憶しておき、温度および明るさに応じて複数の補正用データの中から１つの補正用データを選択して、これを補正に用いる。また、温度および明るさに応じて複数の補正用データに補間処理を行って補正用データを作成して、これを補正に用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は光電変換を行う撮像素子によって画像を撮影するカメラに関し、特に、撮像素子の画素の出力信号の強度の補正に関する。

光電変換を行う画素を多数有する撮像素子を用いて画像を撮影するデジタルカメラやビデオカメラには、撮像素子の画素ごとの感度のバラツキにより撮影した画像の明るさのＳ／Ｎ比が低下するのを防止するために、画素の出力信号の強度を画素ごとに補正するものがある。撮影環境の明るさが時間によって大きく変化する監視カメラや、撮影対象の部位間の輝度差が著しく大きい溶接等の様子を撮影するためのカメラでは、出力信号の強度が受光量の対数に比例しダイナミックレンジが極めて広い対数変換型の撮像素子が用いられるが、対数変換型の撮像素子は、ダイナミックレンジが広いが故に画素ごとの感度のバラツキの影響が大きく、出力信号の強度の補正が特に必要になる。

画素の出力信号の強度補正はあらかじめ得ておいた補正用データによって行う。補正用データは、全ての画素の受光量が等しくなるように、明るさが均一な照明光で撮像素子を照明し、そのときの各画素の出力信号の強度を測定して得る。例えば、全画素の信号強度の平均値を算出し、各画素の信号強度と平均値との差を各画素の補正量とする。

撮像素子の画素の感度には光量に依存する性質があるが、感度の光量依存性も画素ごとに相違する。すなわち、光量の一定の変化によって全ての画素の信号強度が一定量変化するのではなく、強度変化の大きい画素もあれば小さい画素もある。

この現象を、対数変換型の撮像素子を例にとって、図８の（ａ）に模式的に示す。これは２つの画素Ｐ１、Ｐ２の出力信号の補正後の強度を示したものである。補正は光量がＡ０となる明るさの照明光を用いて得た補正用データによって行っており、したがって、光量Ａ０では画素Ｐ１、Ｐ２の信号強度は等しい。しかし、画素Ｐ１、Ｐ２の感度の光量依存性には差があり、光量の変化に対する信号強度の変化率は画素Ｐ１と画素Ｐ２とで異なる。

この場合、実際の撮影時の光量Ａｓと補正用データを得た時の光量Ａ０に大きな差がなければ、補正が良好になされることになるが、撮影時の光量Ａｓが補正用データを得た時の光量Ａ０から大きく相違すると、良好な補正はできなくなる。例えば、撮影時の光量Ａｓが図８の（ｂ）に示した範囲ＲＡ０内であればＳ／Ｎ比の良好な画像が得られるものの、撮影時の光量Ａｓが（ｃ）に示した範囲ＲＡ０’内になると得られる画像のＳ／Ｎ比は悪くなる。

撮像素子の画素の感度には温度に依存する性質もあり、感度の温度依存性も画素ごとに相違する。この現象を、対数変換型の撮像素子を例にとって、図９の（ａ）に模式的に示す。これは２つの画素Ｐ１、Ｐ２の出力信号の補正後の強度を示したものであり、補正は温度をＴ０として得た補正用データによって行っている。温度Ｔ０では画素Ｐ１、Ｐ２の信号強度は等しいが、感度の温度依存性の差により、温度変化に対する信号強度の変化率は異なる。

この場合も、実際の撮影時の温度Ｔｓと補正用データを得た時の温度Ｔ０に大きな差がなければ、補正は良好になされるが、撮影時の温度Ｔｓが補正用データを得た時の温度Ｔ０から大きく相違すると、良好な補正はできなくなる。例えば、撮影時の温度Ｔｓが図９の（ｂ）に示した範囲ＲＴ０内であればＳ／Ｎ比の良好な画像が得られるものの、撮影時の温度Ｔｓが（ｃ）に示した範囲ＲＴ０’内になると得られる画像のＳ／Ｎ比は低下する。

これらの不都合を回避する補正方法も提案されている。例えば、特許文献１では、照明光の明るさを２段階に設定して２つの補正用データを得ておき、実際の撮影時の撮影対象の明るさに応じて２つの補正用データに補間処理を行って新たな補正用データを作成し、作成した補正用データによって補正を行うようにしている。また、特許文献２では、感度の温度依存性を理論式で表し、一定温度で得た補正用データから理論式を用いて撮影時の温度での補正用データを作成して、補正を行っている。

特開平５−１６７８４８号公報（特願平３−３５１６０６号） 特開２０００−３０７９６２号公報（特願平１１−１１４３９７号）

このように、撮像素子の感度の光量依存性と温度依存性が画素ごとに相違することは知られており、また、光量依存性の差異を補正することも、温度依存性の差異を補正することも提案されている。しかしながら、光量依存性の差異を補正するカメラでは温度依存性の差異を補正しておらず、温度依存性を補正するカメラでは光量依存性の差異を補正していない。このため、画素の信号強度の補正を行いながらも、撮影時の温度が一定範囲から外れたときには、または、撮影対象の明るさが一定範囲から外れたときには、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を得ることができない結果となっている。

本発明はこのような現状に鑑みてなされたもので、撮影時の温度と撮影対象の明るさにかかわらずＳ／Ｎ比の良好な画像を生成することが可能なカメラを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、光電変換を行う画素を複数有する撮像素子を備え、撮像素子を露光して画素の出力信号から画像を生成するカメラであって、明るさが一様な照明光で撮像素子を照明したときの各画素の出力信号の強度から得た補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するものにおいて、温度および照明光の明るさをそれぞれ複数段階に設定して得た複数の補正用データを記憶しておき、温度および明るさに応じて複数の補正用データの中から１つの補正用データを選択し、選択した補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するようにする。

このカメラは、異なる温度で得た補正用データと異なる明るさの照明光で得た補正用データを記憶しており、これらの中から１つの補正用データを選択して画素の信号強度の補正に用いる。撮影時の温度および撮影対象または撮影環境の明るさに最も近い条件で得た補正用データを選択することで的確な補正がなされ、温度および明るさの異なる様々な条件下での撮影で、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を提供することができる。

上記目的を達成するために、本発明ではまた、光電変換を行う画素を複数有する撮像素子を備え、撮像素子を露光して画素の出力信号から画像を生成するカメラであって、明るさが一様な照明光で撮像素子を照明したときの各画素の出力信号の強度から得た補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するものにおいて、温度および照明光の明るさをそれぞれ複数段階に設定して得た複数の補正用データを記憶しておき、温度および明るさに応じて複数の補正用データに補間処理を行って補正用データを作成し、作成した補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するようにする。

このカメラは、異なる温度で得た補正用データと異なる明るさの照明光で得た補正用データを記憶しており、これらに補間処理を行って作成した補正用データを画素の信号強度の補正に用いる。補間処理を撮影時の温度に応じて、かつ撮影対象または撮影環境の明るさに応じて行うことで的確な補正がなされ、温度および明るさの異なる様々な条件下での撮影で、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を提供することが可能である。

光電変換を行う画素を複数有する撮像素子を備え、撮像素子を露光して画素の出力信号から画像を生成するカメラであって、明るさが一様な照明光で撮像素子を照明したときの各画素の出力信号の強度から得た補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するものにおいて、本発明のように、温度および照明光の明るさをそれぞれ複数段階に設定して得た複数の補正用データを記憶しておき、温度および明るさに応じて複数の補正用データの中から１つの補正用データを選択し、選択した補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するようにすると、あるいは、温度および明るさに応じて複数の補正用データに補間処理を行って補正用データを作成し、作成した補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するようにすると、温度と明るさのいずれについても的確な補正をすることが可能になり、温度および明るさの異なる様々な条件下での撮影で、Ｓ／Ｎ比の良好な画像を提供することができる。

以下、本発明のカメラの実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態のカメラ１の構成を図１に模式的に示す。カメラ１は、撮影レンズ１１、撮像素子１２、Ａ／Ｄコンバータ１３、補正回路１４、信号処理回路１５、駆動回路１６、温度センサ１７、メモリ１８、および制御部１９を備えている。

撮像素子１２は、光電変換を行う画素が２次元に多数配列されたエリアセンサであり、各画素の出力信号の強度が受光量の対数に比例する対数変換型である。各画素のダイナミックレンジは広く１０⁵〜１０⁷に達する。したがって、カメラ１は、昼夜を問わず撮影を行う監視や、太陽や溶接の炎を含む画像の撮影に適する。

撮影レンズ１１は撮影対象からの光を撮像素子１２上に結像させ、Ａ／Ｄコンバータ１３は、アナログ信号である撮像素子１２の各画素の出力信号をデジタル信号に変換する。補正回路１４は、デジタル信号に変換された撮像素子１２の各画素の出力信号の強度を画素ごとに補正する。この補正については後述する。

信号処理回路１５は、補正後の各画素の出力信号に色変換、γ補正等の処理を施して、撮像素子１２上に形成された撮影対象の像を表す画像データを生成する。駆動回路１６は、撮像素子１２に駆動電圧を供給し、光電変換、信号出力等の動作を制御する。温度センサ１７は、撮像素子１２の近傍に配設されており、撮像素子１２の周囲の温度を検出する。メモリ１８は、補正回路１４が画素の信号強度の補正に用いる補正用データを記憶している。制御部１９は、マイクロコンピュータより成り、カメラ１の全体の動作を制御する。

カメラ１は不図示のケーブルを介して外部の表示装置３に接続されており、信号処理回路１５が生成した画像データを外部の表示装置３に与えて、その画像データが表す画像を表示装置３上に表示させる。なお、カメラ１自体に表示部を備えて画像を表示するようにしてもよいし、記録部を備えて画像データを記録するようにしてもよい。

撮像素子１２の画素の信号強度の補正について説明する。本実施形態では、カメラ１の製造に際して、画素ごとの信号強度の補正量を表す補正用データを得ておき、メモリ１８に記憶させておくが、補正用データを得るときに、照明光の明るさを複数段階に設定するとともに、各明るさの段階での画素の出力信号の強度の測定を、撮像素子１２の温度を複数段階に設定して行う。つまり、明るさの段階数をｍ、温度の段階数をｎとすると、ｍ×ｎ組の補正用データを得ておき、これをメモリ１８に記憶させておく。そして、実際の撮影に際しては、温度センサ１７で撮像素子１２周辺の温度を検出し、撮像素子１２の各画素の出力信号の強度から撮影対象の明るさの平均を算出して、検出した温度に最も近く、かつ、算出した平均の明るさに対応する照明光の明るさに最も近い補正用データを選択して、その補正用データによって各画素の信号強度を補正する。

補正用データの選択は、温度センサ１７の出力およびＡ／Ｄコンバータ１３の出力に基づいて制御部１９が行い、補正は、制御部１９から与えられる補正用データによって補正回路１４が行う。補正用データは各画素の信号強度に加算すべき値（負の値を含む）で構成されており、補正回路１４の処理は簡単である。

照明光の明るさおよび撮像素子１２の温度をそれぞれ３段階として補正用データを得た場合について、感度の光量依存性、温度依存性が異なる２つの画素Ｐ１、Ｐ２の補正後の信号強度を図２、図３に模式的に示す。ここで、照明光の明るさに対応する光量はＡ１、Ａ２、Ａ３であり、温度はＴ１、Ｔ２、Ｔ３である。

図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、撮影対象からの光量ＡｓがＡ１、Ａ２、Ａ３に最も近いときの補正結果を表したものである。光量Ａｓが範囲ＲＡ１内のときは、光量がＡ１となる明るさの照明光で得た補正用データを選択することで、画素ごとの感度の光量依存性の差にかかわらず的確な補正をすることができる。同様に、光量Ａｓが範囲ＲＡ２内または範囲ＲＡ３内のときは、光量がＡ２またはＡ３となる明るさの照明光で得た補正用データを選択することで、的確な補正をすることができる。

図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、撮影時の撮像素子１２周辺の温度ＴｓがＴ１、Ｔ２、Ｔ３に最も近いときの補正結果を表したものである。温度Ｔｓが範囲ＲＴ１内のときは、温度Ｔ１で得た補正用データを選択することで、画素ごとの感度の温度依存性の差に関わらず的確な補正をすることができ、同様に、温度Ｔｓが範囲ＲＴ２内またはＲＴ３内のときは、温度Ｔ２またはＴ３で得た補正用データを選択することで、的確な補正をすることができる。

上記の場合を例にとって、メモリ１８内の補正用データの量を図４に模式的に示す。ここで、ＤＴ（Ａｋ，Ｔｋ）は、光量Ａｋに対応する明るさの照明光を用いて温度Ｔｋで得た補正用データを表す。各補正用データは信号強度に加算すべき絶対的な値そのものより成り、全ての補正用データの量は同じである。

１組の補正用データのみを絶対的な値とし、他の補正用データをこれに対する相対的な値とすることもできる。補正用データＤＴ（Ａ１，Ｔ１）を絶対的な値とし、他の補正用データを相対的な値としたときのメモリ１８内の補正用データの量を図５に模式的に示す。相対的な値は少ないビット数で表現することができるから、このようにすると、メモリ１８に必要な記憶容量を抑えることが可能である。この場合、制御部１９は、相対的な値の補正用データを選択するときは、絶対的な値の補正用データもメモリから読み出して、選択した補正用データを絶対的な値で表して、補正回路１４に与える。

補正用データを得るときの照明光の明るさおよび温度、ならびに各補正用データを選択する撮影対象の明るさおよび撮影時の温度の具体的な値を表１に示す。
＜表１＞
明るさ（ルクス） 温度（℃）
照明光 撮影対象 補正用データ取得時 撮影時
１０ 〜１００ １０ ０〜２０
１０００ １００〜１００００ ３０ ２０〜４０
１０００００ １００００〜 ５０ ４０〜６０

第２の実施形態のカメラ２について説明する。本実施形態のカメラ２は、画素の信号強度の補正の方法が相違するだけで、全体構成は図１に示したとおりであり、補正以外の処理もカメラ１と同じであるので、重複する説明は省略する。

本実施形態でも、照明光の明るさを複数段階に設定するとともに、各明るさの段階での画素の信号強度の測定を、撮像素子１２の温度を複数段階に設定して行い、複数の補正用データをメモリ１８に記憶させておく。ただし、実際の撮影に際しては、記憶している補正用データを選択してそのまま使用することに代えて、温度センサ１７で検出した撮像素子１２周辺の温度と、撮像素子１２の各画素の出力信号の強度から算出した撮影対象の明るさの平均に基づいて複数の補正用データに補間処理を施し、補間処理で作成した補正用データによって各画素の信号強度を補正する。補正用データの補間処理は制御部１９が行う。

照明光の明るさおよび撮像素子１２の温度をそれぞれ２段階として補正用データを得た場合について、感度の光量依存性、温度依存性が異なる２つの画素Ｐ１、Ｐ２の補正後の信号強度を図６、図７に模式的に示す。ここで、照明光の明るさに対応する光量はＡ４、Ａ５であり、温度はＴ４、Ｔ５である。

図６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、撮影対象からの光量ＡｓがＡ４以上、Ａ４未満かつＡ５以上、Ａ５未満のときの補正結果を表したものである。また、図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、撮影時の撮像素子１２周辺の温度ＴｓがＴ４以上、Ｔ４未満かつＴ５以上、Ｔ５未満のときの補正結果を表したものである。図６、図７の（ｂ）では内分によって、また（ａ）と（ｃ）では外分によって補間処理を行っている。補間処理によって誤差のない補正用データが得られるため、一層的確な補正が可能となり、また、照明光の明るさの段階数や温度の段階数を少なくすることもできる。

補正用データを得るときの照明光の明るさおよび温度の具体的な値を表２に示す。この例では、照明光の明るさと温度をそれぞれ２段階として表１に示した例よりも少なくし、また値も相違させているが、適用し得る撮影対象の明るさの範囲や撮影時の温度範囲は表１に示した範囲と同等以上である。
＜表２＞
明るさ（ルクス） 温度（℃）
照明光 補正用データ取得時
１００ ２０
１０００００ ４０

なお、上記のいずれの実施形態おいても、全ての画素の信号強度を用いて撮影対象全体の平均の明るさを求めるようにしたが、撮影レンズ１１の焦点が合っている範囲のみの画素の信号強度を用いて撮影対象の主要部の平均の明るさを求めるようにしてもよい。カメラ１を監視に用いるときのように、撮影対象が一定で環境の明るさが変化するときには、撮影対象の明るさではなく、環境の明るさを検出するようにしてもよい。

また、ここでは、照明光の明るさおよび温度について段数や値の具体例を示したが、他の設定とすることもできる。照明光の明るさおよび温度の段数や値は、カメラの用途に応じて定めるのが好ましい。また、本発明は、例示した対数変換型の撮像素子に限らず、あらゆる種類の撮像素子に適用することが可能である。

本発明の第１および第２の実施形態のカメラの構成を模式的に示すブロック図。 第１の実施形態のカメラにおける光量と画素の出力信号の補正後の強度の関係を模式的に示す図。 第１の実施形態のカメラにおける温度と画素の出力信号の補正後の強度の関係を模式的に示す図。 第１の実施形態のカメラにおけるメモリ内の補正用データの量の例を模式的に示す図。 第１の実施形態のカメラにおけるメモリ内の補正用データの量の他の例を模式的に示す図。 第２の実施形態のカメラにおける光量と画素の出力信号の補正後の強度の関係を模式的に示す図。 第２の実施形態のカメラにおける温度と画素の出力信号の補正後の強度の関係を模式的に示す図。 撮像素子の感度の光量依存性と、従来のカメラにおける画素の出力信号の強度の補正方法を模式的に示す図。 撮像素子の感度の温度依存性と、従来のカメラにおける画素の出力信号の強度の補正方法を模式的に示す図。

符号の説明

１、２ カメラ
３ 表示装置
１１ 撮影レンズ
１２ 撮像素子
１３ Ａ／Ｄコンバータ
１４ 補正回路
１５ 信号処理回路
１６ 駆動回路
１７ 温度センサ
１８ メモリ
１９ 制御部

Claims (2)

1. 光電変換を行う画素を複数有する撮像素子を備え、撮像素子を露光して画素の出力信号から画像を生成するカメラであって、明るさが一様な照明光で撮像素子を照明したときの各画素の出力信号の強度から得た補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するものにおいて、
   温度および照明光の明るさをそれぞれ複数段階に設定して得た複数の補正用データを記憶しておき、
   温度および明るさに応じて複数の補正用データの中から１つの補正用データを選択し、選択した補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正する
   ことを特徴とするカメラ。
2. 光電変換を行う画素を複数有する撮像素子を備え、撮像素子を露光して画素の出力信号から画像を生成するカメラであって、明るさが一様な照明光で撮像素子を照明したときの各画素の出力信号の強度から得た補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正するものにおいて、
   温度および照明光の明るさをそれぞれ複数段階に設定して得た複数の補正用データを記憶しておき、
   温度および明るさに応じて複数の補正用データに補間処理を行って補正用データを作成し、作成した補正用データによって各画素の出力信号の強度を補正する
   ことを特徴とするカメラ。

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