JP2011217317A - カメラ - Google Patents

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Abstract

【課題】一撮影で感度が異なる複数の適正露出画像を得ること。
【解決手段】カメラ1は、第1感度に設定される第1画素群、および第1感度より低い第2感度に設定される第2画素群を有し、第1画素群および第2画素群をそれぞれ用いて被写体像を撮像する蓄積型の撮像素子12と、第1画素群および第2画素群からの出力信号レベルをそれぞれ適正範囲内とするように第1画素群に対する第1蓄積時間および第2画素群に対する第2蓄積時間をそれぞれ制御する蓄積制御手段20,15と、第1画素群からの出力信号に基づく第1画像と、第2画素群からの出力信号に基づく第2画像とをそれぞれ生成する画像生成手段14とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、カメラに関する。
低感度画素と、低感度画素より高感度の高感度画素とをそれぞれ有するイメージセンサを備え、感度が異なるそれぞれの画素で蓄積信号を得る技術が知られている(特許文献1参照)。
特開2007−214832号公報
従来技術では、広ダイナミックレンジの画像を得るための合成用に感度が異なる画像を得ていたため、各画像を単独で保存することが考慮されていなかった。
本発明によるカメラは、第1感度に設定される第1画素群、および第1感度より低い第2感度に設定される第2画素群を有し、第1画素群および第2画素群をそれぞれ用いて被写体像を撮像する蓄積型の撮像素子と、第1画素群および第2画素群からの出力信号レベルをそれぞれ適正範囲内とするように第1画素群に対する第1蓄積時間および第2画素群に対する第2蓄積時間をそれぞれ制御する蓄積制御手段と、第1画素群からの出力信号に基づく第1画像と、第2画素群からの出力信号に基づく第2画像とをそれぞれ生成する画像生成手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によるカメラでは、一撮影で、撮影時の感度が異なる複数の適正露出画像が得られる。
本発明の一実施の形態による電子カメラの構成例を説明するブロック図である。 撮像素子の画素並びを説明する図である。 高感度画素における読出し回路の概要を説明する図である。 第1画像および第2画像から画像を選ぶ処理の流れを説明するフローチャートである。 低感度画素側の蓄積時間および高感度画素側の蓄積時間を説明する図である。 画像選択画面を例示する図である。 手振れ警告表示画面を例示する図である。 他の撮像素子の画素並びを説明する図である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は、本発明の一実施の形態による電子カメラ1の構成例を説明するブロック図である。図1において、電子カメラ1は、撮影光学系11と、撮像素子12と、AFE(Analog front end)回路13と、画像処理回路14と、タイミングジェネレータ(TG)15と、LCDモニタ17と、バッファメモリ18と、フラッシュメモリ19と、CPU20と、メモリカードインターフェース(I/F)21と、操作部材22と、シャッター羽根23と、シャッター駆動機構24とを備える。
CPU20、バッファメモリ18、フラッシュメモリ19、メモリカードインターフェース21、画像処理回路14、およびLCDモニタ17は、それぞれがバス16を介して接続されている。
撮影光学系11は、ズームレンズやフォーカシングレンズを含む複数のレンズ群で構成され、被写体像を撮像素子12の受光面に結像させる。なお、図1を簡単にするため、撮影光学系11を単レンズとして図示している。
TG15は、CPU20から送出される指示に応じて所定のタイミング信号を発生し、撮像素子12、AFE回路13、画像処理回路14へそれぞれのタイミング信号を供給する。タイミング信号によって撮像素子12等が駆動制御されることにより、撮像素子12による撮像タイミングや撮像素子12からのアナログ画像信号の読出しタイミングが制御される。本実施形態では、撮像素子12が備える高感度画素および低感度画素間で蓄積時間を異ならせる駆動制御を行う。詳細については後述する。
撮像素子12は、撮影光学系11を通過した光束による被写体像を光電変換してアナログ画像信号を生成する。アナログ画像信号は、AFE回路13に入力される。本実施形態の撮像素子12は、たとえば、画素に対応させて複数の電荷蓄積型の光電変換素子を備えたCMOSイメージセンサによって構成される。撮像素子12は電子シャッター機能を有しており、いわゆるリセット信号によって光電変換後の蓄積信号の蓄積時間を制御可能に構成されている。
AFE回路13は、アナログ画像信号に対して相関二重サンプリングやゲイン調整などのアナログ処理を行うとともに、アナログ処理後の画像信号をデジタル画像データに変換する。デジタル画像データは画像処理回路14に入力される。画像処理回路14は、デジタル画像データに対して各種の画像処理(画素補間処理、階調変換処理、輪郭強調処理、ホワイトバランス調整処理、画像圧縮処理、画像伸張処理など)を施す。
LCDモニタ17は液晶パネルによって構成され、CPU20からの指示に応じて画像や操作メニュー画面などを表示する。LCDモニタ17の表示面上にはタッチ操作部材(不図示)が積層されている。タッチ操作部材は、ユーザーによってタッチ操作された場合に操作部材上(すなわち液晶モニタ17の表示画面上)のタッチ位置を示す信号を発生し、CPU20へ送出する。
バッファメモリ18は、画像処理回路14によって画像処理される前、画像処理中、画像処理された後のデジタル画像データを一時的に記憶する。フラッシュメモリ19は、CPU20に実行させるプログラムを記憶する。
CPU20は、フラッシュメモリ19が記憶するプログラムを実行することによって電子カメラ1が行う動作を制御する。CPU20は、AF(オートフォーカス)動作制御や、自動露出(AE)演算も行う。AF動作は、たとえば、ライブビュー画像のコントラスト情報に基づいてフォーカシングレンズ(不図示)の合焦位置を求めるコントラスト検出方式を用いる。ライブビュー画像は、撮影指示前に撮像素子12によって所定の時間間隔(たとえば60フレーム/毎秒=60fps)で繰り返し取得されるモニタ用画像のことをいう。ライブビュー画像はスルー画像とも呼ばれる。
メモリカードインターフェース21はコネクタ(不図示)を有し、該コネクタにメモリカードなどの記憶媒体51が接続される。メモリカードインターフェース21は、接続された記憶媒体51に対するデータの書き込みや、記憶媒体51からのデータの読込みを行う。記憶媒体51は、半導体メモリを内蔵したメモリカード、またはハードディスクドライブなどで構成される。
操作部材22は、レリーズボタンやズームスイッチ、モード切替およびメニュースイッチなどを含む。操作部材22は、撮影操作やズーム操作、メニュー選択操作など、各操作に応じた操作信号をCPU20へ送出する。
シャッター羽根23は、撮影時に撮影光学系からの光束を通過させ、非撮影時に上記光束を遮光する。シャッター駆動機構24は、CPU20からの指示に応じてシャッター羽根23を開駆動/閉駆動する。振れセンサ25は、たとえば加速度センサによって構成される。振れセンサ25はピッチ方向およびヨー方向に生じた加速度を検出し、検出信号をCPU20へ送出する。
図2は、撮像素子12の画素並びを説明する図である。上述したように、撮像素子12は高感度画素および低感度画素を有する。本実施形態では、光電変換部の開口面積が大きい高感度画素と、光電変換部の開口面積が高感度画素に比べて小さい低感度画素とがペアで撮像面に配設される。一般に、開口面積を広くすると光電変換部へ導かれる光量が増えるので、感度が高まるといえる。図2において、高感度画素を構成する光電変換部には、ベイヤー配列されたG色、B色、R色のうちいずれか1色の色フィルタが形成される。低感度画素を構成する光電変換部には、ベイヤー配列されたg色、b色、r色のうちいずれか1色の色フィルタが形成される。なお、Gとg、Bとb、Rとrは、それぞれ共通の色成分の光を透過する。
高感度画素と低感度画素は、上記開口面積の差によってISO感度に換算して所定倍(たとえば3倍)相当の感度差を有する。なお、画素間で開口面積に差を設けることによって感度差を生じさせる代わりに、開口面積を略同一とした画素間で異なるフィルタを設け、該フィルタによる入射光の透過率に差を設けることによって感度差を生じさせる構成にしてもよい。
高感度画素側の感度は、さらに2段階に切替え可能に構成される。具体的には、上述したFD部における検出感度を変更することによって切替えを行う。図3は、高感度画素における読出し回路の概要を説明する図である。図3において、光電変換部41が受光すると蓄積信号が生成される。TG15からのタイミング信号によって転送トランジスタ42がオンすると、蓄積電荷が光電変換部41からFD部(コンデンサ45、コンデンサ46および感度切替トランジスタ44)へ転送される。
FD部の検出感度は、TG15からのタイミング信号によって高感度状態(感度切替トランジスタ44がオフ)と低感度状態(感度切替トランジスタ44がオン)とが切替わる。高感度状態の場合は、光電変換部41から転送された蓄積電荷Qが検出コンデンサ45(容量C1)のみに送られ、検出電圧はV=Q/C1となる。
一方、低感度状態の場合は、検出コンデンサ45(容量C1)および検出コンデンサ46(容量C2)が並列接続されるので、光電変換部41から転送された蓄積電荷Qが、並列の検出コンデンサ45および検出コンデンサ46へ送られる。この場合の検出電圧はV=Q/(C1+C2)となる。これにより、蓄積電荷Qが同じであっても高感度状態と低感度状態とで異なる検出電圧Vが得られる(すなわち感度が切替わる)。本実施形態では、FD部の感度切替えは、ISO感度換算で、たとえば2倍相当とする。
電源電圧に増幅トランジスタ47および選択トランジスタ48が直列に接続され、ソースフォロワ回路が形成されているので、TG15からのタイミング信号によって選択トランジスタ48がオンされると、上記FD部による検出電圧Vに応じた電流が撮像素子12からの画素読出し信号として出力される。
TG15からのタイミング信号によってリセットトランジスタ43がオンされた場合、検出コンデンサ45(低感度状態では検出コンデンサ45および検出コンデンサ46)の両端が電源電圧に接続されるので、検出電圧Vがリセットされる(画素リセット)。
なお、低感度画素についてはFD部における検出感度の変更を行わないので、低感度画素における構成は、図3の構成に比べて感度切替トランジスタ44および検出コンデンサ46(容量C2)を省略した構成になる。
電子カメラ1のISO感度設定は、低感度画素側を基準に行う。たとえば、操作部材22からISO感度設定を400にする操作信号が入力された場合、CPU20は低感度画素側の感度をISO400相当にするようにAFE回路13の増幅ゲインを調整する。上述したように、低感度画素と高感度画素との間はISO感度換算で3倍の差を有するので、この場合の高感度画素側の感度は通常(上記FD部が低感度状態)の場合にISO1200相当である。そして、上記FD部を高感度状態としたときにISO2400相当になる。
本実施形態では、以上説明した電子カメラ1が備える撮像素子12により高感度画素と低感度画素とで並行して画像を取得し、高感度画素による第1画像と低感度画素による第2画像のうち、条件に応じて適切な画像を選ぶ。
上記第1画像および第2画像から画像を選ぶ処理の流れについて、CPU20が実行する図4のフローチャートを参照して説明する。CPU20は、操作部材22から画像選択モードのオンを指示する操作信号が入力されると、図4による処理を起動させる。
図4のステップS101において、CPU20はISO感度の設定を行う。CPU20は、たとえば、低感度画素側の感度をISO50相当にするとともに、上記FD部を低感度状態にしてステップS102へ進む。
ステップS102において、CPU20はレリーズ操作(撮影指示)されたか否かを判定する。CPU20は、操作部材22からレリーズ操作信号が入力されるとステップS102を肯定判定してステップS103へ進み、操作部材22からレリーズ操作信号が入力されない場合にはステップS102を否定判定して当該判定処理を繰り返す。
ステップS103において、CPU20は、手振れを検出したか否かを判定する。CPU20は振れセンサ25からの加速度検出信号に基づいて電子カメラ1の揺動(いわゆる手振れ)を検出し、検出値が所定の判定閾値を超えた場合にステップS103を肯定判定してステップS109へ進む。CPU20は、手振れ検出値が判定閾値以下の場合にはステップS103を否定判定してステップS104へ進む。
ステップS104へ進むのは手振れ判定していない場合である。この場合のCPU20は、静止画撮影処理を行ってステップS105へ進む。具体的には、オートフォーカス調節や自動露出の演算後、高感度画素と低感度画素とで並行して撮影を行う。自動露出演算では、撮像素子12で撮像されたライブビュー画像の信号レベルに基づいて測光処理を行い、測光処理で得た輝度情報および設定ISO感度を用いて、撮像素子12からの画素読出し信号レベルを適正範囲内に収めるように、適切な露出条件(本例の場合はシャッター秒時や絞り値)を設定する。
上述したように、ISO感度設定は低感度画素側を基準にしているので、自動露出演算で設定するシャッター秒時は、低感度画素側のシャッター秒時(後述する蓄積時間A(msec))に対応する。高感度画素側のシャッター秒時(後述する蓄積時間B(msec))は、蓄積時間A(msec)を低感度画素と高感度画素との間の感度比率に応じて変化させる。また、設定する絞り値は低感度画素と高感度画素との間で共通である。CPU22は、設定後のシャッター秒時(蓄積時間)および絞り値を適用して記録用の本撮影を行う。
図5は、低感度画素側の蓄積時間および高感度画素側の蓄積時間を説明する図である。静止画撮影シーケンス処理が開始されると、時刻t0においてシャッター羽根23が開く。これにより、撮像素子12の露光(蓄積動作)が低感度画素および高感度画素の双方で開始される。シャッター羽根23が閉じる時刻t3からA(msec)手前の時刻t1において、CPU20は低感度画素側の全画素についてリセットトランジスタを一旦オンさせてオフへ戻す。これにより、低感度画素側に画素リセットが行われて低感度画素側の蓄積時間がA(msec)に制御される。
シャッター羽根23が閉じる時刻t3からB(msec)手前の時刻t2において、CPU20は高感度画素側の全画素についてリセットトランジスタ43を一旦オンさせてオフへ戻す。これにより、高感度画素側に画素リセットが行われて高感度画素側の蓄積時間がB(msec)に制御される。B(msec)は、A(msec)との間でB=A×C/Dの関係を有する。ただし、Cは低感度画素側の感度(本例ではISO50相当)であり、Dは高感度画素側の感度(本例では3×C)である。このため、ステップS104の静止画撮影処理ではB=A/3が成立する。
CPU20は、シャッター羽根23を閉鎖後に行番号0の画素から行番号nの画素まで順番に画素読出しを行わせる。画素リセットしてから画素読出しを行うまでの時間が行番号の大小によってが異なるが、シャッター羽根23によって遮光することで時刻t3以降の蓄積電荷の増加を抑えている。
図4のステップS105において、CPU20は、画像選択操作が行われたか否かを判定する。CPU20は、静止画撮影後所定時間(たとえば3秒)を経過する前に操作部材22を構成する画像選択スイッチ(不図示)から操作信号が入力された場合、ステップS105を肯定判定してステップS106へ進む。一方、CPU20は、静止画撮影後所定時間を経過する前に画像選択スイッチからの操作信号が入力されない場合、ステップS105を否定判定してステップS112へ進む。ユーザは、たとえば、被写体人物が動いたと感じた場合に画像選択スイッチを操作する。
ステップS106において、CPU20は、LCDモニタ17に画像選択画面を表示させて、記録画像を選択する操作を受け付ける。図6は、画像選択画面を例示する図である。図6において、高感度画素による第1画像と低感度画素による第2画像が並べて表示される。一般に、撮影時のシャッター秒時が短い分、第1画像の方が第2画像に比べて像ぶれが小さい可能性が高い。ユーザは、操作部材22を操作することによって「高感度画像を記録する」か、「低感度画像を記録する」か、「どちらも記録する」のいずれかを選ぶ操作を行う。なお、操作部材22による操作の代わりに、LCDモニタ17の表示面上に配設されているタッチ操作部材(不図示)による操作を受け付けるようにしてもよい。
記録画像の選択操作信号が入力されたCPU20はステップS107へ進み、選択操作に応じた画像のデータをメモリカードインターフェース21に接続された記憶媒体51に記録保存し、図4により処理を終了する。
ステップS105を否定判定して進むステップS112において、CPU20は、低感度画素による画像のデータをメモリカードインターフェース21に接続された記憶媒体51に記録保存し、図4により処理を終了する。ステップS105を否定判定する場合は、高感度画素による第1画像と低感度画素による第2画像のいずれも像ぶれが小さい可能性が高い。この場合はノイズが少なくS/N比で有利な低感度画素による第2画像を保存対象にする。
ステップS103を肯定判定してステップS109へ進むのは手振れ判定した場合である。ステップS109において、CPU20は、高感度画素側のISO感度を2倍に上げるとともに、蓄積秒時(シャッター秒時)を1/2に短くするようにセットする。具体的には、FD部の感度切替トランジスタ44をオフさせて検出感度を高感度状態へ切替える。これにより、高感度画素側のISO感度が低感度画素側の感度Cの6倍相当(2×3×C)になる。この場合の高感度画素側の蓄積時間Bhi(msec)は、A(msec)との間でBhi=A×C/(2×3×C)の関係を満たすようにセットする。すなわち、静止画撮影時にシャッター羽根23が閉じる時刻t3よりA/6(msec)手前において高感度画素側の全画素についてリセットトランジスタを一旦オンさせてオフへ戻す。つまり、Bhi=A/6を成立させる。
ステップS110において、CPU20は静止画撮影処理を行ってステップS111へ進む。ステップS110における静止画撮影処理は、高感度画素側のISO感度をステップS104の場合の2倍に制御する点、および蓄積時間Bhi(msec)をステップS104における蓄積時間B(msec)の1/2倍に制御する点を除き、ステップS104における静止画撮影処理と同様である。
ステップS111において、CPU20は、LCDモニタ17に手振れ検出を知らせる警告表示をさせてステップS106へ進む。図7は、手振れ警告表示画面を例示する図である。CPU20は、たとえば、低感度画素による画像の再生画像に加えて、「手振れを検出しました」というメッセージを重ねて表示させる。CPU20は、図7の表示をたとえば3秒間継続してステップS106へ進む。ステップS106以降の処理はステップS105を肯定判定した場合と同様である。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
(1)電子カメラ1は、高感度に設定される第1画素群、および第1画素群より低い低感度に設定される第2画素群を有し、第1画素群および第2画素群をそれぞれ用いて被写体像を撮像する蓄積型の撮像素子12と、第1画素群および第2画素群からの出力信号レベルをそれぞれ適正範囲内とするように第1画素群に対する第1蓄積時間(Bmsec)および第2画素群に対する第2蓄積時間(Amsec)をそれぞれ制御するCPU20と、第1画素群からの出力信号に基づく第1画像と、第2画素群からの出力信号に基づく第2画像とをそれぞれ生成する画像処理回路14とを備えるようにした。これにより、ブラケティング撮影とは異なり、撮影時の感度が異なる複数の適正露出画像が一撮影で得られる。
(2)CPU20は、(第1蓄積時間B):(第2蓄積時間A)=(第2感度C):(第1感度D)を成立させるように蓄積時間を制御するので、たとえば、第2感度Cについての第2蓄積時間A(msec)を求める1回の露出演算を行うだけで、第1感度Dについての第1蓄積時間B(msec)については、2回目の露出演算をしなくても上記比率を得る簡単な計算で求めることができる。
(3)第1画像および第2画像の少なくとも一方の画像を記憶媒体51に保存させるメモリカードインターフェース21と、操作部材22からの信号が示す画像を保存するようにメモリカードインターフェース21を制御するCPU20とをさらに備えたので、撮影時の感度が異なる複数の適正露出画像のうち、撮影者が希望する画像を保存させることができる。
(4)電子カメラ1の振れを検出する振れセンサ25と、第1画素群の感度を増減させるTG15とをさらに備え、振れセンサ25によって検出された振れが所定値以上の場合、TG15は第1画素群の感度を第1感度から第3感度へ増加させるとともに、CPU20は(第1蓄積時間Bhi):(第2蓄積時間A)=(第2感度C):(第3感度2×D)を成立させるように第1画素群の第1蓄積時間をBからBhiへ減少させるようにした。これにより、カメラの揺動が検出された場合に第1感度画素側の蓄積時間BhiがA/3からA/6へ短縮するので、撮影画像における像ブレを抑えることができるとともに、蓄積時間を短縮した分の露出不足を感度アップで補える。
(変形例1)
上記の説明では、撮像素子12の画素並びを図2を用いて説明したが、高感度画素と低感度画素とのペアは図8のように配置してもよい。高感度画素を構成する光電変換部にベイヤー配列されたG色、B色、R色のうちいずれか1色の色フィルタが形成される点、低感度画素を構成する光電変換部にベイヤー配列されたg色、b色、r色のうちいずれか1色の色フィルタが形成される点、および、Gとg、Bとb、Rとrがそれぞれ共通の色成分の光を透過する点は、図2に例示した場合と同様である。
以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
1…電子カメラ
12…撮像素子
13…AFE回路
15…TG
17…LCDモニタ
20…CPU
21…メモリカードインターフェース
22…操作部材
23…シャッター羽根
25…振れセンサ
43…リセットトランジスタ
44…感度切替トランジスタ
45,46…コンデンサ
47…増幅トランジスタ
48…選択トランジスタ
51…記憶媒体

Claims (4)

  1. 第1感度に設定される第1画素群、および前記第1感度より低い第2感度に設定される第2画素群を有し、前記第1画素群および前記第2画素群をそれぞれ用いて被写体像を撮像する蓄積型の撮像素子と、
    前記第1画素群および前記第2画素群からの出力信号レベルをそれぞれ適正範囲内とするように前記第1画素群に対する第1蓄積時間および前記第2画素群に対する第2蓄積時間をそれぞれ制御する蓄積制御手段と、
    前記第1画素群からの出力信号に基づく第1画像と、前記第2画素群からの出力信号に基づく第2画像とをそれぞれ生成する画像生成手段と、
    を備えることを特徴とするカメラ。
  2. 請求項1に記載のカメラにおいて、
    前記蓄積制御手段は、(第1蓄積時間):(第2蓄積時間)=(第2感度):(第1感度)を成立させるように蓄積時間を制御することを特徴とするカメラ。
  3. 請求項2に記載のカメラにおいて、
    前記第1画像および前記第2画像の少なくとも一方の画像を記憶媒体に保存させる保存手段と、
    操作部材からの信号が示す画像を保存するように前記保存手段を制御する保存制御手段と、
    をさらに備えることを特徴とするカメラ。
  4. 請求項3に記載のカメラにおいて、
    カメラの振れを検出する振れ検出手段と、
    前記第1画素群の感度を増減させる感度制御手段とをさらに備え、
    前記振れ検出手段によって検出された振れが所定値以上の場合、前記感度制御手段は前記第1画素群の感度を前記第1感度から第3感度へ増加させるとともに、前記蓄積制御手段は(第1蓄積時間):(第2蓄積時間)=(第2感度):(第3感度)を成立させるように前記第1画素群の第1蓄積時間を減少させることを特徴とするカメラ。
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