JP2012098042A - 撮像装置および測光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 予備照射のための光源や、予備電流を供給するブロックを持つことなく、測光センサーの光応答性を改善することを目的とする
【解決手段】 測光センサーのリセット機能の使用、不使用を、測光センサーの無受光期間の長さに応じて切り替えることを特徴とする構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置における測光方法に関し、特に測光センサーの光応答速度改善に関するものである。

従来より、一眼レフカメラ等の撮像装置においては、被写体の明るさを測るため、フォトダイオードなどを用いた測光センサーが搭載されている。このような測光センサーにおいては、被写体からの光を測光センサーの受光面で受けてから、測光センサーの出力が被写体の明るさに応じたレベルに安定するまでに、ある一定の応答時間がかかることが知られている。

そこで、測光センサーが無受光状態にあるときに、撮像装置内部に設けられた光源を照射することによって、予め測光センサーを励起状態にする技術が提案されている（特許文献１）。また、特許文献２においては、予備照射を行うことなく、測光回路に含まれる素子群に予備電流を流すことによって、光応答性を改善する方法が提案されている。

特開昭５０−１４３５８６号公報 特開２００８−３０９７５０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示された従来技術では、予備照射用の光源を設置するため、測光センサーの近傍に光源設置用の新たなスペースを確保する必要がある上、部品点数増加によるコストアップの要因にもなってしまうという問題があった。

また、特許文献２は、予備電流を供給するための電流供給部をセンサー内部に持つことが必要になるため、センサーのチップサイズが大きくなってしまい、また素子レイアウトの際にも制限となってしまう可能性がある。そこで、本発明は、予備照射のための光源や、予備電流を供給するブロックを持つことなく、測光センサーの光応答性を改善することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、
被写体光を受光して、被写体の明るさに応じた出力を発生させる光電変換素子と、
前記撮像装置の出力を所定のレベルに強制的にリセットするリセット機能と、
を有する撮像装置であって、
前記光電変換素子を駆動させる際に、前記被写体光が受光されない無受光期間の長さに応じ、前記リセット機能の使用、不使用を切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、測光センサーが無受光状態にあった時間に応じて、リセット動作の有無が切り替わるため、測光センサーのドライブシーケンスのみによって、測光センサーの光応答速度を改善することができる。

本発明の実施形態に係る撮像装置の連写撮影時のタイミングチャートである。 本発明の実施形態に係るデジタル一眼レフカメラの断面図を表す図である。 本発明の実施形態に係るデジタル一眼レフカメラのブロック図を表す図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の測光センサー受光部のレイアウト図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の測光センサーの回路図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の測光センサーの応答性を表す図である。 本発明の実施形態に係る撮像装置の連写動作時の全体フローチャートである。 本発明の実施形態に係る撮像装置の撮影処理動作の全体フローチャートである。 本発明の実施形態に係る撮像装置の撮影準備動作の全体フローチャートである。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図２（ａ）は、本発明の実施形態にかかわる撮像装置であるデジタル一眼レフカメラの通常時の断面図であり、図２（ｂ）は、露光時の断面図である。

図２（ａ）において２０１はカメラ本体であり、その前面には撮影レンズ２０２が装着される。撮影レンズ２０２は交換可能であり、またカメラ本体２０１と撮影レンズ２０２は、不図示のマウント接点群を介して電気的にも接続される。撮影レンズ２０２の中には、フォーカシングレンズ２１３と絞り２１４があり、前記マウント接点群を介した制御により、カメラ内に取り込む光量を調整し、ピントを調整できるようになっている。

２０３はメインミラーであり、ハーフミラーとなっている。メインミラー２０３はファインダー観測状態では撮影光路上に斜設され、撮影レンズ２０２からの撮影光束をファインダー光学系へと反射する一方、透過光はサブミラー２０４を介してＡＦユニット２０５へと入射する。

ＡＦユニット２０５は位相差検出方式のＡＦセンサーである。位相差方式による焦点検出については公知の技術であるため、具体的な制御に関してはここでは省略するが、撮影レンズ２０２の二次結像面を焦点検出ラインセンサー上に形成することによって、撮影レンズ２０２の焦点調節状態を検出し、その検出結果をもとにフォーカシングレンズ２１３を駆動して自動焦点調節検出を行う。

２０６はファインダー光学系を構成する撮影レンズ２０２の予定結像面に配置されたピント板であり、２０７はファインダー光路変更用のペンタプリズムである。２０９はアイピースであり、撮影者はここからピント板２０６を観察することによって、撮影画面を確認することができる。また２０８はＡＥユニットであり、被写体の明るさを観測するため、ファインダ−画面内を図４に示すような複数ブロックに分割し、各ブロックにおける被写体輝度に関する出力を得ることができる。測光センサーの詳細については、後述する。

２１０はフォーカルプレーンシャッター、２１１は撮像素子である。図２（ｂ）に示すように、露光を行う際は、メインミラー２０３、およびサブミラー２０４は撮影光束上から退避し、フォーカルプレーンシャッター２１０が開くことにより、撮像素子２１１が露光される。

また、２１２はディスプレイユニットであり、撮影情報や撮影画像を表示し、ユーザーが確認できるようにするものである。

次に、本発明の実施形態のカメラの機能について、図３のブロック図を用いて説明する。なお、図２と同じ部材については、同一符号を付すことにする。

図３において、撮影レンズ２０２から入射した光線は、絞り２１４を通過し、ミラーボックス３０１に到達する。ミラーボックス３０１は前述のメインミラー２０３とサブミラー２０４で構成され、入射光を透過光と反射光に分割しそれぞれをＡＦユニット２０５、及びＡＥユニット２０８へと導く状態（通常時：図２の（ａ））と、メインミラー２０３とサブミラー２０４を入射光路から退避させる状態（露光時：図２の（ｂ））と、で切り替えられる。

露光時においては、図２の（ｂ）に示すようにメインミラー２０３とサブミラー２０４を入射光路から退避させ、またシャッター２１０も開いている構成となっているため、入射光はそのまま撮像素子２１１に到達する。

撮像素子２１１から出力される映像信号は、Ａ／Ｄ変換手段３０７によりデジタル信号に変換されて信号処理手段３０８に入力される。信号処理手段３０８においては、輝度信号や色信号を形成するなどの信号処理を行って、カラー映像信号が形成される。また、表示手段３０９と記録手段３１０は、それぞれ撮影した画像を表示、記録保存する個所であり、撮影処理が行われた際は、信号処理手段３０８で形成されたカラー映像信号を表示、および保存する。更に、信号処理手段３０８で得られた信号や情報は、撮影制御手段３０２へと送られる。

一方、通常時（図１の（ａ））にあるときは、ＡＦユニット２０５、およびＡＥユニット２０６に被写体からの光が到達するため、両ユニットからの出力は撮影制御手段３０２に送られる。

撮影制御手段３０２は、ＡＦユニット２０５より得られた情報より、撮影レンズ２０２内にあるフォーカシングレンズ２１３を、レンズ駆動手段３０６により駆動して合焦動作を行う。また、ＡＥユニット２０８の出力から、被写体の輝度を算出し、これより露光時の絞り値、シャッタースピードといった露出条件を決定する。この後、不図示のボタン操作等によって、ユーザーからレリーズ指示が出された場合には、ミラー駆動手段３０４によってメインミラー２０３、およびサブミラー２０４が撮影光路中から退避される。そして、絞り駆動手段３０５によって絞り２１４を所定の位置まで駆動した後、シャッター駆動手段３０３によって所定の時間だけ撮像素子２１１が露光されるようシャッター２１０を動作させる。

次に、ＡＥユニット２０８内部に存在する測光センサーについて説明する。測光センサーは、被写体からの光を図４のように複数分割された受光部を有して構成される。図４に示すように、５行７列に並んだ計３５画素からなり、各画素の測光値を得ることにより、いわゆる多分割測光を行うことができる。また、図５は本実施の形態の測光センサーの１画素あたりの回路である。図５の５０１の部分が画素部であり、フォトトランジスタＱ１、Ｑ１のベース電位を固定するためのＰＭＯＳであるＭＰ１、ＭＰ１の電流を規定する電流源Ｉ_０、ＭＰ１のゲート電位をＭＰ１のドレインにフィードバックするためのＭＰ２、フォトトランジスタのゲート電位を外部より強制的にリセット電位にするためのスイッチＳ１からなる。詳しくは特開２０００−０７７６４４号公報にあるが、Ｓ１がＯＦＦの状態ではＩ_０によってＭＰ１のＶｇｓ（ゲート−ソース電位差）が定まり、これによってＱ１のコレクタ−ベース電位は一定に保たれる。よって、フォトトランジスタＱ１に光があたると、光電流Ｉｐ×β（βはＱ１の電流増幅率）がＱ１、ＭＰ２に流れ、Ｑ１のエミッタ電圧Ｖ_Ｅ１が光量に応じて変化する構成である。ここで、Ｓ１をＯＮすると、Ｑ１のベース電位がＶｒｅｓｅｔに固定されるため、Ｑ１、ＭＰ２にはある固定値であるＩｒｅｓｅｔ×βの電流が流れる。

画素部５０１から出力されるＩ_Ｐ×β（Ｓ１がＯＮのときはＩｒｅｓｅｔ×β）は、広いダイナミックレンジを確保するため、対数圧縮して出力する方式をとる。５０２は対数圧縮回路である。５０２の対数圧縮回路に関しては、特開２０００−７７７０３に詳しいが、簡単にその動作を説明する。Ｑ２とＱ３はそれぞれバイポーラトランジスタである。ＡＥセンサーの動作としては、基本的に外光に応じた光電流Ｉ_Ｐの対数に応じた出力を、蓄積用コンデンサＣに蓄積し、読み出す構成である。しかし光電流Ｉ_Ｐが発生してからある時間までは、各素子の寄生容量などによって回路が電気的に安定していないので、これが落ち着くまで待つステートに入る。このステートをここではプリ蓄積と呼ぶことにする。プリ蓄積状態では、Ｓ２、Ｓ３がＯＮ、Ｓ４はＯＦＦしており、Ｑ３のエミッタはＧＮＤに接続される。この状態でＱ２とＱ３の特性が同一であれば、５０２部分はカレントミラー回路となり、５０２部分への入力電流と同じ電流がＱ３のエミッタから出て行くことになる。

また、ある一定期間のプリ蓄積状態を維持し、回路が電気的に安定した後には、Ｓ３をＯＦＦし、本蓄積を呼ぶステートに移行する。プリ蓄積の期間は、蓄積コンデンサＣの両端の電位差が０なので、電荷はチャージされていない状態であるが、本蓄積に移行すると蓄積コンデンサＣは、Ｑ３のエミッタ電圧Ｖ_Ｅ３によって充電され、蓄積コンデンサＣには、光電流が時間方向に積分され、かつ対数に圧縮された量が電位として表れる事になる。よって本蓄積終了後は、Ｓ２をＯＦＦし、Ｓ４をＯＮすれば、Ｖ_ＯＵＴから出力信号を読み出すことができる。

今、仮にダーク状態で安定していた後、時間ｔ＝０以降一定の光をあてた場合のＶ_Ｅ１を考えると、初期にダークのレベルに安定している所から、外光の強さによって定まるＩ_Ｐ×βの電流でＱ１の寄生容量などをチャージしたのち、外光レベルに安定するため、図６の破線の様に変化する。特に外光のレベルが低い場合には、Ｉ_Ｐ×βの値が小さいため、チャージに時間がかかり、答性が低下する。

一方、時間ｔ＝０からｔ＝ｔ_１までＳ１をＯＮしリセット動作を行い、その後Ｓ１をＯＦＦしてプリ蓄積状態に移行したとすると、Ｑ１のベースを外部より強制的にＶｒｅｓｅｔに固定するため、ｔ＝０〜ｔ１では、Ｖｒｅｓｅｔに相当するある強さの光が当たったときと同様に動作する。その際は、Ｉｒｅｓｅｔ×βの電流がＱ１を流れ、Ｉｒｅｓｅｔが十分大きくなるようなＶｒｅｓｅｔを選べば、Ｑ１の寄生容量は瞬時にチャージされ、Ｖ_Ｅ１は、図６の実線の様に変化する。Ｓ１がＯＮの期間はＶ_Ｅ１は一定であるが、Ｓ１がＯＦＦになると外光レベルに向けてある時間をかけて収束する。

次に、本発明の実施の形態である一眼レフカメラのフローチャートについて説明する。

図７に、本実施の形態の動作例として、連写動作時の全体フローチャートを示す。

ステップＳ１０１にて一連の撮像動作をスタートすると、最初にステップＳ１０２にて測光センサーに対して電源投入動作を行う。そして、電源投入後の初回の測光動作では、測光センサーのリセット動作を行う（ステップＳ１０３）。図２では示していないが、本実施の撮像装置においては、２段押し込み式のレリーズボタンを有している。２段押し込み式のため、以下ではレリーズボタンを半押しした状態をＳＷ１ ＯＮの状態、全押しした状態をＳＷ２ ＯＮの状態と表記する。本実施の形態のカメラにおいては、基本的にはＳＷ１がＯＮされると測光動作を含む各種の撮影準備動作が動作し、ＳＷ２がＯＮされると、露光動作を行うようになっている。しかし、ＳＷ１がＯＮされる前にも、連続的に測光動作を行うことによって、撮影前にも撮影者に対して露出に関する情報を画面に表示して知らせる事が出来る。よって、ステップＳ１０４では連続して測光動作（プリ蓄積⇒本蓄積⇒読み出し⇒測光値演算）をＳＷ１がＯＮされるまで繰り返し行う。ステップＳ１０５でＳＷ１がＯＮされると、ステップＳ１０６で撮影準備動作に入る。撮影準備動作では、ＡＦユニット２０５の情報から焦点調節動作を行う。またＡＥユニット２０８の情報から被写体の明るさを測り、これより露出条件となるシャッタースピード、絞り値、ＩＳＯ感度を決める。撮影準備動作に関しては、詳細を後述する。撮影準備動作が終わると、ステップＳ１０７でレリーズボタンが全押しされるのを待ち、ＳＷ２がＯＮされると、ステップＳ１０８にて撮影処理を行う。撮影処理に関しても詳細は後述する。撮影処理が完了すると、ステップＳ１０９にてレリーズボタンが全押しされているかを確認する。ここでもレリーズボタンが全押しされていれば、次のコマの撮影準備動作を行うため、ステップＳ１０６に戻り、レリーズボタンが全押しされていなければ、ステップＳ１１０にて撮影を終了する。

次に、ステップＳ１０５の撮影処理動作に関して、より詳細なフローチャートを図８に示す。

ステップＳ２０１にて撮影処理がスタートすると、まずはメインミラー２０３、およびサブミラー２０４を撮影光路上から退避させるため、ステップＳ２０２にてミラーアップ動作を行う（図２（ａ）→（ｂ）の動作）。ミラーアップ動作は、ミラーを急速に動かすため、最終的な位置に安定して静止するのに、一定の時間が必要となる。そこでステップＳ２０３〜２０４では、ミラーが安定するまで待つとともに、その間にステップＳ１０３にて算出された絞り値にレンズの絞りを駆動する。ミラーアップが完了して完全に静止すると、ステップＳ２０５にて撮像素子２１１を、ステップＳ１０３で算出されたシャッタースピードの時間だけ露光し、再びミラーを元の位置に戻すミラーダウン動作を行う。ミラーダウン動作も、ミラーアップ動作と同様にミラーが完全に静止するまでの待ち時間が必要になるため、ステップＳ２０７〜２０８では、ステップＳ２０３で駆動した絞りを元の位置に戻すと共に、ミラーが完全に静止するのをもって、撮影処理動作を終了する。

最後に、撮影準備動作であるステップＳ１０３の測光動作に関する詳細に関して、図９を用いて説明する。

ステップＳ３０１にて撮影準備動作がスタートすると、ＡＥ動作とＡＦ動作を行う。ＡＦ動作に関しては、ＡＦユニット２０５からの情報を元に焦点調節演算を行い、演算結果の位置にフォーカシングレンズ２１３を駆動することによって完了する。一方、ＡＥ動作に関しては、まずはステップＳ３０２にて連写１コマ目であるかを判定する。連写２コマ目以降であった場合は、ステップ３０３にて、１コマ前の撮影の露出時間により、分岐を行う。露光中は、図２（ｂ）のようにミラーがアップしており、アイピース側もユーザーが覗き込んでいるため、ＡＥユニット２０８はダーク状態にある。よって、１コマ前の撮影の露出時間が長い場合は、図１（ａ）のように、Ｖ_Ｂがダークに近いレベルに張り付いている。そこからミラーダウンして被写体光が入ってくることになり、仮にこの際にリセットを行わないと、外光によって発生する光電流Ｉ_ＰによってＶ_Ｂは上昇し、図１（ａ）の破線のようになる。これでは、特にＩ_Ｐの小さな領域では応答が遅くなるため、プリ蓄積の時間を長く確保して出力が安定するまで待つ必要が発生し、連写速度に影響を与えてしまう。一方、ミラーダウンした後に画素リセットを行うと、Ｖ_Ｂは直ぐにリセットレベルまで強制的に持ち上げられるので、Ｖ_Ｂは図１（ａ）の実線のようになり、Ｖ_Ｂ出力が安定するまでの時間が早くなる。

逆に１コマ前の露光時間が短い場合は、図１（ｂ）に示すように、露光中はＶ_Ｂはダークレベルに向かって下がっていくが、直ぐにミラーダウンするため、ダークレベルまで下がりきらずに被写体光が入射してくる。これにより、リセットを行った方が安定するまでの時間が長くかかってしまうことがあるのを示したのが図１（ｂ）の実線である。よって、このような場合はリセットを行わず、図１（ｂ）の破線のような挙動になるようリセットを行わずに制御する。

以上より、ステップ３０３では、１コマ前の露出時間ｔに関して、予めカメラ内部に定められた所定値Ｔと比較し、ｔ≧Ｔである場合はステップＳ３０４にてリセット動作を行ったのちに、ステップＳ３０５でプリ蓄積動作を行う。一方、ｔ＜Ｔの場合は、リセット動作を行わず、直ぐにプリ蓄積動作を行う制御となる。

ここで、連写１コマ目だった場合は、前のコマが存在しないため、ｔの値が定まらない。そのため、１コマ目では外光レベルが暗く、応答時間が比較的長くかかったとても誤測光しないよう、ステップＳ３０９にてリセット動作を行い、ステップＳ３１０にて１コマ目専用の長めのプリ蓄積期間を設け、センサー出力が確実に安定した後に本蓄積を行う制御とする。

プリ蓄積状態にてＶ_Ｂの値が安定したら、ステップＳ３０６〜３１１にて本蓄積、およびその信号の読み出しを行う。ここで得られた測光センサーの各画素の出力から撮影シーンの最終的な測光値を演算し、シャッタースピードや絞り、ＩＳＯ感度といった露出にかかわるパラメーターを決定して撮影準備動作を終了する。

２０３ メインミラー
２０８ ＡＥユニット

Claims (4)

1. 被写体光を受光して、被写体の明るさに応じた出力を発生させる光電変換素子と、
   前記光電変換素子の出力を所定のレベルに強制的にリセットするリセット機能と、
   を有する撮像装置であって、
   前記光電変換素子を駆動させる際に、前記被写体光が受光されない無受光期間の長さに応じ、前記リセット機能の使用、不使用を切り替えることを特徴とする撮像装置。
2. 連写撮影が可能な連写モードを有する撮像装置であって、前記連写モードにおいて１コマ前の撮影のシャッタースピードが所定時間より長い場合は、前記リセット機能を使用し前記光電変換素子を駆動し、１コマ前の撮影のシャッタースピードが所定時間より短い場合は、前記リセット機能を使用しないで前記光電変換素子を駆動することを特徴とする、請求項１に記載の撮像装置。
3. 連写撮影が可能な連写モードを有する撮像装置であって、前記連写モードにおいて最初の１コマに関しては、前記リセット機能を使用し前記光電変換素子を駆動することを特徴とする、請求項１に記載の撮像装置。
4. 被写体光を受光して、被写体の明るさに応じた出力を発生させる光電変換素子と、
   前記光電変換素子の出力を所定のレベルに強制的にリセットするリセット機能と、
   を有する撮像装置であって、
   前記光電変換素子へ電源投入した後の初回の駆動をする際は、前記リセット機能を使用することを特徴とする撮像装置。