JP2010160284A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フリッカが生じる環境下においてもコントラストＡＦを用いて合焦することが可能な撮像装置を得る。
【解決手段】ステップＳ７０１では、ＤＳＰがデジタル画像信号に含まれるフリッカを検出し、ステップＳ７０２において、デジタル画像信号に対するフリッカの影響が大きいか否かを判断する。フリッカの影響が大きいとき、ステップＳ７０３に進む。ステップＳ７０３では、フリッカの周期及び位相を用いてＡＦ補助光源の発光タイミングを算出する。フリッカの周期及び位相は、ＤＳＰによりデジタル画像信号が用いられて検出される。ＡＦ補助光源の発光タイミングは、フリッカの周期及び位相と同周期かつ逆位相が用いられる。ステップＳ７０４では、ＤＳＰがＬＥＤ駆動回路に信号を送信し、ステップＳ７０３において算出された発光タイミングでＡＦ補助光源を明滅させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、ローリングシャッタを用いて被写体を撮像する撮像素子を備える撮像装置に関する。

二次元平面に並べられたフォトダイオードを備え、ローリングシャッタを用いて撮像を行う撮像素子が知られており、この撮像素子が出力する画像データのコントラストを用いて、撮像レンズの合焦状態を判断するコントラストＡＦが従来用いられている。このような撮像素子として、例えばＣＭＯＳ撮像素子がある。

一方、時間の経過により光の強度が変化する光源、例えば蛍光灯のような照明光の下で撮影を行うと、フリッカが生じて撮影画像の画質が低下することがある。これを防ぐために撮影画像に含まれるフリッカを検出する構成が知られている（特許文献１）。

特開２００７−３２９６０４号公報

ＣＭＯＳ撮像素子はローリングシャッタを用いて撮像を行うため、フォトダイオードが露光する瞬間が垂直方向において異なる。そのため、時間の経過により光の強度が変化する光源を用いた場合、フォトダイオードの受光量が垂直方向において異なる場合が生じる。受光量が異なると撮像画像のコントラストが安定せず、コントラストＡＦを行う際の障害となる。

本発明は、これらの問題を鑑みてなされたものであり、フリッカが生じる環境下においてもコントラストＡＦを用いて合焦することが可能な撮像装置を得ることを目的とする。

本願第１の発明による撮像装置は、ローリングシャッタを用いて被写体を撮像して画像データを出力する撮像素子と、画像データを用いて、被写体像が撮像素子に合焦しているかを判断する合焦判別手段と、画像データに生じたフリッカを検出するフリッカ検出手段と、撮像素子が被写体を撮像している期間に被写体を照明する照明手段とを備え、照明手段は、フリッカ検出手段が検出したフリッカと逆の位相で発光することを特徴とする。

照明手段は、被写体との距離に応じて発光強度を変化することが好ましい。

合焦判別手段は、コントラストＡＦにより合焦を判断することが好ましい。

照明手段は、ＬＥＤと、このＬＥＤを周期的に発光させるための駆動回路とを有することが好ましい。

撮像装置は、被写体に照射された光の光源の種類を特定する光源特定手段をさらに備え、フリッカ検出手段は、光源特定手段が特定した光源の種類が所定のものであるときにフリッカを検出したと判断することが望ましい。

被写体に照射された光の周期を測定する光周期特定手段をさらに備え、フリッカ検出手段は、光周期特定手段が特定した光の周期を用いてフリッカを検出することが望ましい。

フリッカ検出手段は、撮像素子における１行あたりの電荷蓄積時間が、光周期特定手段が特定した光の周期に応じた閾値よりも短い場合に、前記フリッカ検出手段が検出したフリッカと逆の位相で前記照明手段を制御することが望ましい。

以上のように本発明によれば、フリッカが生じる環境下においてもコントラストＡＦを用いて合焦することが可能な撮像装置を得る。

本発明によるデジタルカメラを背面から示した斜視図である。 デジタルカメラのブロック図である。 撮像エリアを正面から見た図である。 ＡＦ補助光及びＬＥＤ駆動回路の回路を示した図である。 ＣＭＯＳ撮像素子が有する回路の一部を示した図である。 ＣＭＯＳ撮像素子からアナログ画像信号を読み出すタイミングを示したタイミングチャートである。 フリッカ軽減処理のフローチャートである。

以下、本発明による一実施形態について、図を用いて説明する。

まず、本実施形態による撮像装置であるデジタルカメラ１００の構成について図１から図４を用いて説明する。デジタルカメラ１００は、例えばコンパクトカメラである。

デジタルカメラ１００は、デジタルカメラ１００の動作を制御するＤＳＰ１３１と、デジタルカメラ１００を操作するために用いられる操作部材１１０と、被写体像をデジタル画像信号に変換する撮像部１２０と、ＤＳＰ１３１から送信されるデータを記憶するメモリ１３２と、撮影された画像を記録するＳＤカード１３３と、撮影のための情報や撮影済みの画像を表示するＬＣＤ１１４と、測光センサ１１５と、ストロボ１１７と、ＡＦ補助光源１１８とから主に構成される。

撮像部１２０は、撮像レンズ１２１、シャッタ１２３、絞り、ＣＭＯＳ撮像素子１２４、ＡＦＥ（アナログ・フロント・エンド）１２５、そして、撮像レンズ１２１、シャッタ１２３、及び絞りを駆動する駆動回路１２６とから主に構成される。

撮像レンズ１２１は、合焦光学系を有する。駆動回路１２６が合焦光学系の位置を制御することによりピントが調節され、被写体像をＣＭＯＳ撮像素子１２４に導く。

ＣＭＯＳ撮像素子１２４は、撮像に用いられる領域である撮像エリア１２４ａを有する。撮像レンズ１２１から入射した被写体像が撮像エリア１２４ａに結像する。

絞りは、撮像レンズ１２１からＣＭＯＳ撮像素子１２４に向かう光束を制御して、撮像面に結像する被写体像の光量を制御する。シャッタ１２３は、撮像面に被写体像が照射される期間を制御する。ＣＭＯＳ撮像素子１２４は、撮像面に結像した被写体像をアナログ画像信号に変換して、ＡＦＥ１２５に送信する。ＡＦＥ１２５は、アナログ画像信号に対してゲインの調整などを行った後にデジタル画像信号に変換して、ＤＳＰ１３１に送信する。駆動回路１２６は、ＤＳＰ１３１からの信号に応じて、合焦光学系の位置、絞りの開度、及びシャッタスピード値を制御する。

撮像前におけるＤＳＰ１３１は、デジタル画像信号に含まれる被写体像の光量を用いて被写体を測光する。これにより得られた測光値を用いて露光値を演算し、この露光値に基づき撮影に必要となる絞り値及びシャッタスピード値を演算する。そして、演算された絞り値及びシャッタスピード値を駆動回路１２６に送信する。さらに、ＤＳＰ１３１は、受信したデジタル画像信号を用いて合焦光学系の合焦位置を決定し、駆動回路１２６に合焦光学系の位置を送信する。

ＤＳＰ１３１は、デジタル画像信号を用いて、光源の色温度、並びに周囲の光の周期及び位相を検出する。光源の色温度を用いて、ホワイトバランスを調整することが可能である。

ＡＦＥ１２５からデジタル画像信号が送信されると、ＤＳＰ１３１は、デジタル画像信号を用いてホワイトバランスを調整し、得られた画像をスルー画像としてＬＣＤ１１４に送信する。

撮像時におけるＤＳＰ１３１は、デジタル画像信号を受信して画像処理を行い、画像データを作成する。そして、画像データをＳＤカード１３３に保存し、ＬＣＤ１１４に表示する。メモリ１３２は、ＤＳＰ１３１がこれらの演算及び画像処理等を実行するときに、一時的にデータを記録する作業メモリとして使用される。

撮像エリア１２４ａには、複数の画素がｓ行ｔ列で配列される。ＤＳＰ１３１は、横ＡＦエリア１２４ｂ及び縦ＡＦエリア１２４ｃをＣＭＯＳ撮像素子１２４の撮像エリア１２４ａ上に仮想的に設ける。横ＡＦエリア１２４ｂは、撮像エリア１２４ａの天地方向の中央であって、ＣＭＯＳ撮像素子１２４の左右方向、すなわち長手方向に伸びる長方形の領域である。複数の行からなる画素、又は１行からなる画素を有する。縦ＡＦエリア１２４ｃは、撮像エリア１２４ａの長手方向の中央であって、ＣＭＯＳ撮像素子１２４の天地方向に伸びる長方形の領域である。複数の列からなる画素、又は１列からなる画素を有する。横ＡＦエリア１２４ｂと縦ＡＦエリア１２４ｃは、互いの中心が重なるように直交する。また、撮像エリア１２４ａ、横ＡＦエリア１２４ｂ、及び縦ＡＦエリア１２４ｃの中心は互いに重なる（図３参照）。ＤＳＰ１３１は、コントラストＡＦ処理により、合焦光学系を合焦位置に移動させる。

コントラストＡＦ処理では、横ＡＦエリア及び縦ＡＦエリア１２４ｃ内に位置する画素のコントラスト値Ｃを取得し、これらのコントラスト値Ｃの平均が最も高くなる合焦光学系の位置を合焦位置とする。

コントラスト値Ｃは、カラー画像においてはＣＭＯＳ撮像素子１２４が出力するＧ信号（緑信号）の値、モノクロ画像においては信号の輝度値を用いて算出される。すなわち、画素ｎのコントラスト値Ｃｎは、輝度Ｐ（ｎ）を用いて以下の式により求められる。
Ｃｎ＝−Ｐ（ｎ−１）＋２・Ｐ（ｎ）−Ｐ（ｎ＋１）

ＬＣＤ１１４は、撮影画像と同じ３対４の縦横比を有する長方形である。デジタルカメラ１００の左右方向に延びるようにデジタルカメラ１００の背面略中央に設けられる。撮像レンズ１２１を介して得られた画像、撮影済みの撮影画像、及びデジタルカメラ１００の各種設定を表示可能である。また、ＬＣＤ１１４は、ＤＳＰ１３１が送信したスルー画像を表示可能である。

操作部材１１０は、主電源ボタン１１１、レリーズボタン１１２を有する。

主電源ボタン１１１は、デジタルカメラ１００の上面から突出するモーメンタリスイッチである。ユーザが主電源ボタン１１１を押圧すると、デジタルカメラ１００の電源が投入される。デジタルカメラ１００の電源が入れられているときにユーザが主電源ボタン１１１を押圧すると、デジタルカメラ１００の電源が切断される。

レリーズボタン１１２は、二段式のモーメンタリスイッチであり、デジタルカメラ１００の頂面に設けられる。ユーザがレリーズボタン１１２を半押しすると測光や測距及び合焦動作が行われ、全押しすると撮像動作が行われる。

測光センサ１１５は、デジタルカメラ１００の表面であって撮像レンズ１２１の近くに設けられ、デジタルカメラ周囲の光の周期及び位相や色温度を検出する。検出された値は、ＤＳＰ１３１に送信される。

ストロボ１１７は、デジタルカメラ１００の正面であって撮像レンズ１２１の近くに設けられ、撮影時の補助光として使用される。

ＡＦ補助光源１１８は、白色ＬＥＤ素子からなり、デジタルカメラ１００の正面であって撮像レンズ１２１の近くに設けられる。そして、コントラストＡＦ処理を行うときに補助光として使用される。ＤＳＰ１３１はＤ／Ａコンバータ１３４を備え、Ｄ／Ａコンバータ１３４はＬＥＤ駆動回路１１９に接続される。ＡＦ補助光源１１８はＬＥＤ駆動回路１１９により駆動される。

ＡＦ補助光源１１８を発光させるとき、ＤＳＰ１３１はＤ／Ａコンバータ１３４からアンプ１１９ａに信号を送信する。信号はアンプ１１９ａにより増幅され、トランジスタ１１９ｂのベースに印加される。ベースに信号が印加されたトランジスタ１１９ｂは、ＡＦ補助光源１１８のカソードを抵抗１１９ｃを介して接地する。ＡＦ補助光源１１８のアノードは電源１１９ｄに接続されている。これにより、ＡＦ補助光源１１８が白色光を発光する。

コントラストＡＦ処理において、ＤＳＰ１３１は、十分な光量が得られないためにコントラスト値Ｃを取得できないと判断したとき、ＬＥＤ駆動回路１１９に信号を送信し、ＡＦ補助光源１１８を発光させる。これにより、光量が少ない環境下であってもコントラストＡＦ処理を実行して、撮像レンズ１２１を被写体に合焦させることが可能になる。

ＳＤカード１３３は、デジタルカメラ１００の側面に設けられるカードスロット１１６に脱着自在に格納される。ユーザは、デジタルカメラ１００の外部からＳＤカード１３３にアクセスして、自由に交換することが可能である。

次に、ローリングシャッタを用いてＣＭＯＳ撮像素子１２４からアナログ画像信号を読み出す手段について、図５及び図６を用いて説明する。ＣＭＯＳ撮像素子１２４は、図４に示すような回路を備える。ＣＭＯＳ撮像素子１２４は、図示しないクロック生成装置を備える。ＣＭＯＳ撮像素子１２４が有する全ての素子は、クロック生成装置が発生するクロック信号に同期して動作する。

ＣＭＯＳ撮像素子１２４の１つの画素は、フォトダイオードＰＤ、接合容量ＦＤ、及び複数のＦＥＴとから構成される。第１行に属するフォトダイオードＰＤ１ｎには、ＦＥＴを介して第１のリセット信号線Ｒｘ１、第１のトランスファ信号線Ｔｘ１、及び第１の行選択信号線ＳＥＬ１が接続される。同様にして、第ｎ行に属するフォトダイオードＰＤｎｎに、第ｎのリセット信号線Ｒｘｎ、第ｎのトランスファ信号線Ｔｘｎ、及び第ｎの行選択信号線ＳＥＬｎが接続される。そして、第１列に属するフォトダイオードＰＤｎ１には、ＦＥＴを介して第１の出力線Ｏ１が接続される。同様にして、第ｎ行に属するｔ個のフォトダイオードＰＤｎｎに第ｎの出力線Ｏｎが接続される。

ＣＭＯＳ撮像素子１２４から画素信号を読み出すに当たり、最初のクロックにおいて、垂直同期信号線ＶＤ、水平同期信号線ＨＤ、第１のリセット信号線Ｒｘ１、及び第１のトランスファ信号線Ｔｘ１の電圧をＨｉｇｈにする。これにより、第１のフォトダイオードＰＤ１１及び接合容量ＦＤ１１に蓄積されている電荷が０になる。そして、垂直同期信号線ＶＤ、水平同期信号線ＨＤ、第１のリセット信号線Ｒｘ１、及び第１のトランスファ信号線Ｔｘ１の電圧をＬｏにする。その後、ＣＭＯＳ撮像素子１２４が光を受光すると、受光量に応じた電荷が第１のフォトダイオードＰＤ１１に蓄積されはじめる。この動作は、第１行に属するすべてのフォトダイオードＰＤ１ｎにおいて行われる。

次のクロックでは、水平同期信号線ＨＤ、第２のリセット信号線Ｒｘ２、及び第２のトランスファ信号線Ｔｘ２の電圧をＨｉｇｈにする。これにより、第２のフォトダイオードＰＤ２１及び接合容量ＦＤ２１に蓄積されている電荷が０になる。そして、垂直同期信号線ＶＤ、水平同期信号線ＨＤ、第２のリセット信号線Ｒｘ２、及び第２のトランスファ信号線Ｔｘ２の電圧をＬｏにする。その後、ＣＭＯＳ撮像素子１２４が光を受光すると、受光量に応じた電荷が第２のフォトダイオードＰＤ２１に蓄積されはじめる。この動作は、第２行に属するすべてのフォトダイオードＰＤ２ｎにおいて行われる。これをすべての行に対して実行することにより、すべてのフォトダイオードＰＤｎｎが電荷の蓄積を開始する。

次のクロックでは、水平同期信号線ＨＤ、行選択信号ＳＥＬ１及び第１のリセット信号線Ｒｘ１の電圧をＨｉｇｈにして、リセット成分を読み出す。所定時間後に第１のリセット信号線Ｒｘ１の電圧をＬｏに、トランスファ信号線Ｔｘ１をＨｉｇｈにして、信号成分を読み出す。ＣＭＯＳセンサ内部に設けられる図示しないＣＤＳ回路により、この信号成分とリセット成分の差分が検出され、第１のフォトダイオードＰＤ１１から電荷を読み出す準備が完了する。この動作は、第１行に属するすべてのフォトダイオードＰＤ１ｎにおいて同時に行われる。

次のクロックでは、水平同期信号線ＨＤ、行選択信号ＳＥＬ２及び第２のリセット信号線Ｒｘ２の電圧をＨｉｇｈにして、リセット成分を読み出す。所定時間後に第２のリセット信号線Ｒｘ２の電圧をＬｏに、トランスファ信号線Ｔｘ２をＨｉｇｈにして、信号成分を読み出す。ＣＭＯＳセンサ内部に設けられる図示しないＣＤＳ回路により、この信号成分とリセット成分の差分が検出され、第２のフォトダイオードＰＤ２１から電荷を読み出す準備が完了する。この動作は、第２行に属するすべてのフォトダイオードＰＤ２ｎにおいて同時に行われる。

これをすべての行に対して実行することにより、すべてのフォトダイオードＰＤｎｎから画素信号が出力される。また、隣り合う行に属するフォトダイオードＰＤが電荷を蓄積するタイミングは、１ＨＤ期間だけクリック異なる。１ＨＤ期間は、水平同期信号線ＨＤの電圧がＨｉｇｈになったときから、次にＨｉｇｈになる直前までの期間である。

時間の経過により光の強度が変化する蛍光灯を光源として用いた場合、すべての行のフォトダイオードＰＤが電荷を出力し終わるまでに、蛍光灯が発する光の強度が変化する。そのため、各行に属するフォトダイオードＰＤの受光量が垂直方向において異なる場合が生じる。受光量が異なると撮像画像のコントラストが安定せず、コントラストＡＦを行う際の障害となる。これを防止するため、以下のフリッカ軽減処理を実行する。

次に、フリッカ軽減処理について図６及び図７を用いて説明する。フリッカ軽減処理は、レリーズボタン１１２が半押しされたときに実行される。

ステップＳ７０１では、ＤＳＰ１３１がデジタル画像信号に含まれるフリッカの検出を試みる。そして、ステップＳ７０２において、デジタル画像信号にフリッカが含まれるか否かを判断する。フリッカが含まれるとき、各行に属するフォトダイオードＰＤの受光量が垂直方向において異なるおそれがあるため、ステップＳ７０３に進む。フリッカが含まれないとき、処理はステップＳ７０５に進む。

ステップＳ７０３では、フリッカの周期及び位相を用いてＡＦ補助光源１１８の発光タイミングを算出する。フリッカの周期及び位相は、ＤＳＰ１３１によりデジタル画像信号が用いられて検出される。ＡＦ補助光源１１８の発光タイミングは、フリッカの周期及び位相と同周期かつ逆位相が用いられる。

ステップＳ７０４では、ＤＳＰ１３１がＬＥＤ駆動回路１１９に信号を送信し、ステップＳ７０３において算出された発光タイミングでＡＦ補助光源１１８を明滅させる。

ステップＳ７０５では、横ＡＦエリア及び縦ＡＦエリア１２４ｃに属する画素から得たコントラスト値Ｃを用いてコントラストＡＦ処理を実行する。

ステップＳ７０６では、撮像レンズ１２１が被写体に合焦したか否かを、再度測定したコントラスト値Ｃを用いて判断する。合焦したとき、処理はステップＳ７０７に進み、合焦していない場合、処理はステップＳ７０８に進む。

ステップＳ７０７では、ＤＳＰ１３１がＬＥＤ駆動回路１１９に対して信号を送信することを止める。そして処理が終了する。

ステップＳ７０８では、エラー処理を実行する。そして処理が終了する。

これにより、フリッカによる影響を受けずにコントラストＡＦ処理を実行することが可能になる。

本実施形態によれば、フリッカが生じる環境下においてもコントラストＡＦを用いて合焦することが可能になる。

なお、ステップＳ７０２において、フリッカが含まれるか否かではなく、デジタル画像信号に含まれるフリッカが所定値以上であるか否かを判断してもよい。フリッカが所定値以上であるとき、処理はステップＳ７０３に進む。

そして、ステップＳ７０２において、１行あたりの電荷蓄積時間、すなわち第ｎのトランスファ信号線ＴｘｎがＬｏになるタイミングから次のＬｏになるタイミングまでの経過時間が所定の閾値よりも小さいか否かを判断してもよい。所定の閾値は、蛍光灯の明滅周波数が５０Ｈｚのとき、充分な明滅周期数を包含するように、例えば５０ｍｓである。充分な明滅周期数を包含するような値は、少なくとも蛍光灯が１回明滅するに必要な時間である。それより蓄積時間が短い場合は、各行に属するフォトダイオードＰＤの受光量が垂直方向において異なるおそれが生じるため、この閾値が用いられる。１行あたりの電荷蓄積時間が所定の閾値よりも小さい場合、処理はステップＳ７０３に進む。

また、ステップＳ７０２において、ＤＳＰ１３１が検出したフリッカの周期及び位相でなく、測光センサ１１５が検出したフリッカの周期及び位相を用いてもよい。

ステップＳ７０４において、被写体までの距離に応じてＡＦ補助光源１１８の発光光量を制御してもよい。

さらに、ステップＳ７０５において、横ＡＦエリア１２４ｂ及び縦ＡＦエリア１２４ｃに属する画素でなく、撮像エリア１２４ａ内の全ての画素から得たコントラスト値Ｃを用いてコントラストＡＦ処理を実行してもよい。

１００ デジタルカメラ
１１０ 操作部材
１１１ 主電源ボタン
１１２ レリーズボタン
１１４ ＬＣＤ
１１５ 測光センサ
１１６ カードスロット
１１７ ストロボ
１１８ ＡＦ補助光源
１１９ ＬＥＤ駆動回路
１１９ａ アンプ
１１９ｂ トランジスタ
１１９ｃ 抵抗
１１９ｄ 電源
１２０ 撮像部
１２１ 撮像レンズ
１２３ シャッタ
１２４ ＣＭＯＳ撮像素子
１２４ａ 撮像エリア
１２５ ＡＦＥ
１２６ 駆動回路
１３１ ＤＳＰ
ＰＤ フォトダイオード
ＦＤ 接合容量
ＶＤ 垂直同期信号線
ＨＤ 水平同期信号線
ＳＥＬ１ 第１の行選択信号線
Ｒｘ１ 第１のリセット信号線
Ｔｘ１ 第１のトランスファ信号線
Ｏ１ 第１の出力線

Claims (7)

1. ローリングシャッタを用いて被写体を撮像して画像データを出力する撮像素子と、
   前記画像データを用いて、被写体像が前記撮像素子に合焦しているかを判断する合焦判別手段と、
   前記画像データに生じたフリッカを検出するフリッカ検出手段と、
   前記撮像素子が被写体を撮像している期間に被写体を照明する照明手段とを備え、
   前記照明手段は、前記フリッカ検出手段が検出したフリッカと逆の位相で発光する撮像装置。
2. 前記照明手段は、被写体との距離に応じて発光強度を変化する請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記合焦判別手段は、コントラストＡＦにより合焦を判断する請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記照明手段はＬＥＤと前記ＬＥＤを周期的に発光させるための駆動回路とを有する請求項１に記載の撮像装置。
5. 被写体に照射された光の光源の種類を特定する光源特定手段をさらに備え、
   前記フリッカ検出手段は、前記光源特定手段が特定した光源の種類が所定のものであるときにフリッカを検出したと判断する請求項１に記載の撮像装置。
6. 被写体に照射された光の周期を測定する光周期特定手段をさらに備え、
   前記フリッカ検出手段は、前記光周期特定手段が特定した光の周期を用いてフリッカを検出する請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記フリッカ検出手段は、前記撮像素子における１行あたりの電荷蓄積時間が、前記光周期特定手段が特定した光の周期に応じた閾値よりも短い場合に、前記フリッカ検出手段が検出したフリッカと逆の位相で前記照明手段を制御する撮像装置。

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