JP2016042647A - 自動露出制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】天体撮影において、簡単に最適な露出値を得ることができる自動露出制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】撮影光学系と；該撮影光学系により形成された被写体像を撮像する撮像部と；上記撮影光学系の絞り値、上記撮像部の露出時間及び上記撮像部が出力する画像信号に対する増幅度を露出要素として設定する露出要素設定部と；上記露出要素設定部が設定した絞り値、露出時間及び増幅度に基づき撮像動作させる撮影制御部と；を備え、上記撮影制御部は、所定の第１露出要素に設定して第１撮影動作すること、及び上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作による画像信号の輝度に基づいて、第２撮影動作に使用する第２露出要素を設定する自動露出制御装置。【選択図】図２

Description

本発明は、天体撮影に適した自動露出制御装置に関する。

従来、天体撮影は、目標とする天体（星）の輝度と、天体と天体の間の空間（背景）の輝度差が大きく、明るい天体（マイナス等星）から暗い天体（十数等星）まである中でユーザー（撮影者）が主要被写体と考える天体（星座）の光点像と、背景の暗度との明暗バランスが撮影画像上で最適となる「適正露出値」を設定するのは非常に困難であった。そこで、天体撮影において適正露出値を設定する方法が種々提案されている（特許文献１、２、３）。

特許文献１は、複数種類の撮影モードのそれぞれにより予備撮影を行って複数の予備撮影画像を得てモニタに表示し、ユーザーが所望とする画質の予備撮影画像を選択すると、その予備撮影画像を取得した際の撮影モードを設定してその撮影モードで撮影している。特許文献２は、適切な露出を選択するため、露出値を異ならせた画像を複数パターン用意し、表示した複数パターンの画像の中からユーザーに選ばせている。特許文献３は、バルブ撮影中に所定時間間隔で撮像素子から画像データを読み出して積算しながらモニタに表示し、ユーザーがモニタに表示された画像を観察して、所望の画像が表示されたときにバルブ撮影を終了させている。

特開２００５−３５４４８６号公報 特開２００７−２３５７８６号公報 特開２０１３−７０２９８号公報

しかしながら特許文献１は、予備撮影を複数回行って予備撮影画像をモニタに表示し、表示された予備撮影画像の中からユーザーが選択した予備撮影画像の露出値に基づいて本撮影する構成であるから、複数回の予備撮影、表示及びユーザーの選択が必要であって、時間と手間がかかる問題があり、予備撮影においてどのように測光及び露出値を設定しているのかについて何ら開示も示唆もしていない。特許文献２は、ユーザーが選択した露出状態の画像を得るためにどのようにして露出値を設定しているのか、天体撮影に適した測光及び露出値をどのように設定しているのかについて何ら開示も示唆もしていない。特許文献３は、ユーザーがバルブ撮影を開始させてから終了させるまでモニタを観察していなければならず、操作が煩わしいという問題があった。

本発明は、天体などの点光源を被写体とする撮影において、最適な露出値を設定できる自動露出制御装置を得ることを目的とする。

本発明は、デジタルカメラは撮影した画像データから任意の画素データを抽出して輝度を検出できること、ＩＳＯ感度（増幅度、ゲイン）を変更しながら連続撮影できることに鑑みてなされたものである。
すなわち、本発明は、撮影光学系と；該撮影光学系により形成された被写体像を撮像する撮像部と；上記撮影光学系の絞り値、上記撮像部の露出時間及び上記撮像部が出力する画像信号に対する増幅度を露出要素として設定する露出要素設定部と；上記露出要素設定部が設定した絞り値、露出時間及び増幅度に基づき撮像動作させる撮影制御部と；を備え、上記撮影制御部は、所定の第１露出要素に設定して第１撮影動作すること、及び上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作による画像信号の輝度に基づいて、第２撮影動作に使用する第２露出要素を設定すること、を特徴とする。

第２露出要素のうちの第２増幅度は、第１露出要素のうちの第１増幅度より増幅度が低いことが実際的である。
第２露出要素のうちの第２露出時間は、第１露出要素のうちの第１露出時間より露出時間が長いことが実際的である。
第２露出要素のうちの第２絞り値における透過光量は、第１露出要素のうちの第１絞り値における透過光量より、単位時間当たりの透過光量が少ないことが実際的である。

上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作をするときに絞り値を単位時間当たりの透過光量が最大になるよう設定することが好ましい。

上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作により取得した画像信号から画像の平均輝度を算出し、該平均輝度が所定の輝度となるような露出要素を算出し、該算出した露出要素を、第２撮影動作をするときの第２露出要素に設定することができる。

本発明は、天体などの点光源を被写体とする撮影において、最適な露出値を自動設定できる。

本発明を適用したレンズ交換式デジタルカメラの実施形態の主要部を示すブロック図である。 同デジタルカメラにより、天体撮影モードにより天体撮影する際の自動露出制御の主要動作を示すフローチャートである。 同天体撮影モードにおける自動露出制御動作の実施形態の一部を示すフローチャートである。 同天体撮影モードにおける自動露出制御動作の実施形態の一部を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、背景の明るさが異なる複数種の天体撮影モードを選択する画面の表示例を示した図である。

図１は、本発明をレンズ交換式のデジタルカメラに適用した実施形態であって、その主要構成をブロックで示した図である。このレンズ交換式のデジタルカメラ１０は、カメラボディ１１と、このカメラボディ１１に着脱可能な撮影レンズ５１とを備えている。

カメラボディ１１内には、カメラボディ１１及び撮影レンズ５１の機能を総括的に制御する制御手段としてボディＣＰＵ３１を備えている。

一方、撮影レンズ５１は、撮影光学系の一部を構成する焦点調節レンズ群５２と、焦点調節レンズ群５２を光軸方向（光軸Ｏと平行な方向）に駆動するギヤブロック５３と、マウント部に設けられた、カメラボディ１１のジョイント３５と着脱自在に連結するジョイント５５と、レンズ機能を制御するレンズＣＰＵ５７とを備えている。撮影光学系は焦点調節レンズ群５２の他に、詳細は図示しないが、ズームレンズを構成するバリエータ、コンペンセータレンズ群と、絞り装置６１を含んでいる。ジョイント５５はギヤブロック５３と連結されている。

ボディＣＰＵ３１は、ＡＦモータドライバ３２を介してＡＦモータ３３を回転駆動する。ＡＦモータ３３の回転は、ギヤブロック３４により減速され、カメラボディ１１のマウント部に設けられたジョイント３５を介して撮影レンズ５１のマウント部に設けられたジョイント５５に伝達される。ジョイント５５の回転はギヤブロック５３に伝達され、ギヤブロック５３を介して焦点調節レンズ群５２を光軸方向に進退移動させる。ＡＦモータ３３は、その回転に連動してＡＦパルスを出力するエンコーダ３７を備えている。ボディＣＰＵ３１は、エンコーダ３７が出力するＡＦパルスをＡＦモータ３３の回転方向に応じて内蔵のカウンタ３１ａによりカウントして、焦点調節レンズ群５２の光軸方向位置または基準位置からの駆動量を検出する公知の構成である。ボディＣＰＵ３１は、読み込んだデータ、演算した駆動量等のデータを一時保存するＲＡＭ３１ｂを内蔵している。

レンズＣＰＵ５７は、電気接点群５６、３６の接続を介してカメラボディ１１の周辺制御回路２１と接続されていて、この周辺制御回路２１を介してボディＣＰＵ３１との間で、レンズの種別情報、開放絞り値ＡＶmin（開放Ｆ値）・最小絞り値ＡＶmax（最大Ｆ値）情報、焦点距離情報、撮影距離情報などを所定のデータ通信により通信する。撮影レンズ５１は、図にはズーミング用のレンズ群（バリエーター、コンペンセーターレンズ）を示していないが、ズームレンズであって、ズーミングにより変動した焦点距離及びその焦点距離における開放絞り値を、焦点距離情報及び開放絞り値情報としてカメラボディ１１に通信する。

カメラボディ１１内には、撮影レンズ５１内の絞り装置６１を開閉制御する絞り駆動部２２が備えられている。絞り駆動部２２は、絞り装置６１を常時は開放状態に保持し、撮影の際に、ボディＣＰＵ３１が設定した絞り値まで絞り込む。

ボディＣＰＵ３１には、スイッチ類として、周辺制御回路２１等への電源をオン／オフするメインスイッチＳＷＭ、測光及び焦点調節動作を開始させる測光スイッチＳＷＳ、静止画／動画撮影及び静止画／動画記録動作を開始させるレリーズスイッチＳＷＲ、撮影モード／再生モード／設定モードなどのモードを切換えるモードスイッチＳＷＭ０と、天体撮影モードと他の撮影モードを切り換える撮影モードスイッチＳＷＭ１が接続されている。天体撮影モードは、天体撮影に最適化した予備撮影動作（第１撮影動作）及び本撮影動作（第２撮影動作）する撮影モードであるが、詳細は後述する。

カメラボディ１１には、撮像部として撮像素子４５が設けられている。撮影レンズ５１からカメラボディ１１内に入射した被写体光束は、撮像素子４５の受光面に被写体像を形成（投影）する。撮像素子４５は、その受光面が撮影レンズ５１の光軸Ｏと直交するように配置されている。撮像素子４５は、受光した被写体像を、画素単位で電気的な画像信号に変換して出力する。撮像素子４５が出力した画像信号は、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）４６で増幅及びデジタル化され、ＤＳＰ４１でホワイトバランス等の信号処理、モニタ（表示部）４２で表示可能な表示用画像信号への変換処理等がなされ、表示用画像信号により被写体画像がモニタ４２に表示される。モニタ４２は、カメラボディ１１の背面に装着されている。モニタ４２にはさらに、設定されたモードとして撮影モード／再生モード／設定モードの別が表示され、撮影モードが設定されている場合は天体撮影モードと通常撮影モードの別が表示され、撮影要素としての絞り値、露出時間（シャッタ速度）、ＩＳＯ感度や、焦点距離などの各種撮影情報が表示される。なお、図１には、二点鎖線で示した撮像素子４５と、実線で示したＡＦＥ４６と接続された撮像素子４５を示しているが、これらは同一の撮像素子である。

ボディＣＰＵ３１は、メインスイッチＳＷＭが電源ＯＮ操作されると、周辺制御回路２１、ＤＳＰ４１などカメラボディ１１内の他の部材への電源をＯＮし、モニタ４２に初期情報を表示させる。周辺制御回路２１は、レンズＣＰＵ５７と通信して、レンズ種別情報などの情報を通信する。

ＤＳＰ４１は、ボディＣＰＵ３１との間で画像信号、撮影に関する情報を通信し、ボディＣＰＵ３１の動作状態に応じて動作する。例えばＤＳＰ４１は、ボディＣＰＵ３１が静止画撮影動作するとき、ボディＣＰＵ３１が設定した露出要素で撮像素子４５を撮像動作させて撮像素子４５が撮像した被写体画像信号にＤＳＰ４１等により所定の処理を施して所定フォーマットの画像信号としてフラッシュメモリ（記録媒体）３８に書き込む（記録する）。フラッシュメモリ３８は、カメラボディ１１に内蔵したメモリチップまたは着脱自在なメモリカードである。

ボディＣＰＵ３１は、撮影モードが選択されている場合に、ＤＳＰ４１を介してライブビュー表示（スルー画表示）用の撮像処理（動画撮像処理）を撮像素子４５に開始させて、撮像素子４５が撮像した被写体画像をＤＳＰ４１を介してモニタ４２にライブビュー表示させる。ボディＣＰＵ３１は、ライブビュー表示中に静止画撮影動作を、レリーズ信号（静止画撮影指令信号）を受けたとき、例えばレリーズスイッチＳＷＲがオンしたときの他、図示しないが、セルフタイマー動作においてタイマーがタイムアップしたとき、またはリモート動作においてリモート・コントロール信号（レリーズ信号）を受信したときに実行する。

ボディＣＰＵ３１は、ライブビュー表示動作中、または測光スイッチＳＷＳがオンしたとき、ＤＳＰ４１から出力された被写体画像信号から被写体輝度を検出し、適正露出値を検出して、撮影用の制御絞り値、露出時間、さらにＩＳＯ感度を設定する。そうしてボディＣＰＵ３１は、レリーズ信号（静止画撮影指令信号）を受けたとき、周辺制御回路２１を介して撮影レンズ５１の絞り装置６１を制御絞り値まで絞り込み、ＤＳＰ４１を介して撮像素子４５を設定露出時間（機械シャッタ速度、電子シャッタ速度）で撮影駆動し、撮像素子４５が出力した画像信号をＡＦＥ４６により設定ＩＳＯ感度に応じた増幅度（ゲイン）で増幅し、ＤＳＰ４１が所定の処理を施してフラッシュメモリ３８に書き込む。

撮像素子４５は、撮像素子駆動ユニット（移動手段）４７に搭載されている。撮像素子駆動ユニット４７は、固定ステージと、この固定ステージに対して可動な可動ステージと、固定ステージに対して可動ステージを移動させる電磁駆動回路とを有しており（図示せず）、可動ステージに撮像素子４５が保持されている。撮像素子４５（可動ステージ）は、光軸Ｏと直交する所望の方向に所望の移動速度で平行移動制御され、さらに光軸Ｏと平行な軸（光軸Ｏと直交する面内の何処かに位置する瞬間中心）を中心として所望の回転速度で回転制御される。このような撮像素子駆動ユニット４７は、例えば特開２００７−２５６１６号公報に記載されているカメラの像ブレ補正装置の防振ユニットとして公知である。

カメラボディ１１は、撮影モードの１つとして天体を追尾撮影する天体撮影モードを有し、天体撮影モードにおいて追尾撮影するための追尾撮影情報を入力する追尾撮影情報入力部４９を備えている。追尾撮影情報入力部４９は、撮影地点の緯度・経度情報を検出するＧＰＳユニットと、撮影方向（方位）情報を検出する方位角センサと、撮影仰角情報、撮影姿勢（カメラボディ１１または撮像センサ１３の光軸Ｏ回りの回転角）情報を検出する重力センサとを含む。ボディＣＰＵ３１は、これらの追尾撮影情報と、撮影レンズ５１の焦点距離情報に基づいて、天体の自動追尾撮影における、撮像素子４５の移動方向、移動速度を演算して、露出中に撮像素子駆動ユニット４７を駆動制御する。この天体自動追尾撮影動作は、例えば特開２０１０−１２２６７２号公報および特開２０１３−５００９号公報などに天体自動追尾撮影装置による天体自動追尾撮影として記載されている。撮像素子４５の受光面上に投影された天体像の受光面上での移動方向、移動速度、移動軌跡、は、焦点距離が同一であっても、撮影地点の緯度、撮影方位、撮影仰角、撮影姿勢、撮影日時により変動するので、最長露出時間（追従可能な最長露出時間）も変動する。

ボディＣＰＵ３１は、複数の撮影モードの中から天体撮影モードを選択する撮影モード選択部３１ｃと、露出要素である絞り値、露出時間及びＩＳＯ感度を設定する露出要素設定部３１ｄと、露出要素設定部３１ｄが設定した設定絞り値、露出時間、ＩＳＯ感度で絞り装置６１、撮像素子４５、及びＡＦＥ４６を駆動制御する撮影制御部３１ｅと、画像信号の中から点状の星（天体）画像を抽出する天体認識部３１ｆと、撮影レンズ５１の焦点距離を入力する焦点距離入力部３１ｇとしての機能を有する。

ボディＣＰＵ３１は、撮影モード選択部３１ｃが天体撮影モードを選択した状態でレリーズ信号を受けると、第１露出要素（第１絞り値、第１露出時間及び第１増幅度）により予備撮影動作（第１撮影動作）を行い、その後予備撮影で得た画像信号の輝度に基づいて第２露出要素（第２絞り値、第２露出時間及び第２増幅度）を設定し、この第２露出要素により本撮影動作（第２撮影動作）を行う。

予備撮影動作は、露出要素設定部３１ｄが第１増幅であるＩＳＯ感度を設定可能な感度の上限（許容上限値）もしくはその近傍値まで上げ、第１絞り値である絞り値を開放絞り値もしくはその近傍値に設定し、第１露出時間である露出時間を所定の露出時間に設定して、撮影制御部３１ｅがこの第２露出要素により撮影制御する。より具体的には、露出時間は本撮影動作のそれより短い１／２ないし８秒の範囲で、より好ましくは１／２ないし４秒の範囲で、絞りは開放値ないし１段絞った程度、ＩＳＯ感度はＩＳＯ３２００ないし６４００程度と高めに自動設定する。

露出要素設定部３１ｄは、この予備撮影動作により得られた画像信号（設定されたＩＳＯ感度でゲイン処理後の画像信号）のうち、背景の画像信号の輝度（明るさ）を検出して、該輝度に基づいて、背景画像が黒く写るように本撮影動作をするときの第２露出要素である制御絞り値（第２絞り値）、制御露出時間（第２露出時間）及び制御ＩＳＯ感度（第２増幅度）を設定する。第２絞り値における透過光量は、第１露出要素のうちの第１絞り値における透過光量より、単位時間当たりの透過光量が少なくなるように、第２露出時間は、第１露出要素のうちの第１露出時間より露出時間が長くなるように、第２増幅度は、第１露出要素のうちの第１増幅度より増幅度が低くなるように設定する。より具体的には、第２絞り値である制御絞り値は撮影レンズの光学性能が高く回折限界の影響も受けないよう開放値に対して１段ないし３段程度絞った範囲（絞り制御範囲）から、第２増幅度である制御ＩＳＯ感度はゲイン処理によるノイズの影響が少ないＩＳＯ４００ないしＩＳＯ１６００の範囲（ＩＳＯ制御範囲）から選択される。第２露出値である制御露出時間は、絞り制御範囲から選択された理想絞り値とＩＳＯ制御範囲から選択された理想ＩＳＯ感度に応じて、背景画像が黒く写るように自動設定する。

露出要素設定部３１ｄは、本撮影動作における最長の露出時間として、追尾撮影情報入力部４９を介して入力した追尾撮影情報と、焦点距離入力部３１ｇにより入力した焦点距離とに基づいて、追尾動作可能な最長時間を最長露出時間として設定する。露出要素設定部３１ｄは、予備撮影動作によって得られた画像から求めた本撮影動作をするときの露出時間が最長露出時間より長かったときには、本撮影動作をするときの露出時間に最長露出時間を設定して、絞り値を上述の絞り制御範囲内で開けるかＩＳＯ感度を上述のＩＳＯ制御範囲内で高く再設定する。

予備撮影動作により得られた画像の背景輝度（平均輝度）が検出できないほど暗かったときは、天体認識部３１ｆが、予備撮影動作により得た画像信号から点状の星（天体）を識別できれば街の光害などが全くないような暗い（天体撮影には理想的な環境）であるということであり、使用中の撮影レンズ５１の焦点距離から算出された最長露出時間、同レンズの光学性能に応じた最良絞り値、使用中のカメラボディ１１の画像処理能力に応じた最良ＩＳＯ感度を設定する。一方、予備撮影動作により得た画像信号から点状の星（天体）を識別できなければ、レンズキャップが被されたままであるなど、何らかのエラーが考えられるので、その旨表示する。

本撮影動作は、予備撮影動作において、撮影制御部３１ｅが第１の露出要素（第１の絞り値、第１の露出時間及び第１のＩＳＯ感度）により撮像した結果に基づいて露出要素設定部３１ｄが設定した第２の露出要素（第２の絞り値、第２の露出時間及び第２のＩＳＯ感度）により、撮影制御部３１ｅが撮像素子４５を撮影動作させて、この撮影により得た画像信号をフラッシュメモリ３８に書き込む撮影動作である。

本撮影動作では、撮影制御部３１ｅが、露出要素設定部３１ｄの設定した制御絞り値、制御露出時間及び制御ＩＳＯ感度に基づき、絞り装置６１と図示しないシャッター機構を駆動し、撮像素子駆動ユニット４７を自動天体追尾動作させながら撮像素子４５を静止画撮像動作させて撮像し、撮像した画像信号をＡＦＥ４６、ＤＳＰ４１により所定の画像処理を施してフラッシュメモリ３８に記録する。

制御ＩＳＯ感度は、露出時間、ノイズなどを考慮して上述のＩＳＯ制御範囲からＩＳＯ感度の理想値（理想ＩＳＯ感度）が設定されている。なお、これらの理想ＩＳＯ感度、ＩＳＯ制御範囲の値は、撮像素子４５、ＡＦＰ４６、ＤＳＰ４１等の仕様によって変わる。

以上の撮影モード選択部３１ｃ、露出要素設定部３１ｄ、撮影制御部３１ｅ、天体認識部３１ｆおよび焦点距離入力部３１ｇは、ボディＣＰＵ３１によるプログラム制御機能により実現されるが、独立した部材、回路として構成することもできる。

本発明を適用したデジタルカメラ１０の自動露出制御動作について図２ないし図４及び図５を参照して説明する。図２は、デジタルカメラ１０の天体自動追尾撮影における自動露出制御動作に関するフローチャートである。この自動露出制御動作は、ボディＣＰＵ３１に撮影指令が入力されたとき、ボディＣＰＵ３１による統括的制御により実行される。ボディＣＰＵ３１は、自動露出制御動作において、適宜、露出要素設定部３１ｄ、撮影制御部３１ｅ、撮影モード選択部３１ｃ、天体認識部３１ｆおよび焦点距離入力部３１ｇとして機能する。なお、この天体撮影は、夜間、デジタルカメラ１０を三脚に固定し、撮影レンズ５１を天体に向けて構図を決め、デジタルカメラ１０が備えた天体自動追尾撮影機能を動作させて行うものとするが、天体自動追尾撮影動作については説明を省略する。なお、天体撮影モードで撮影動作するとき、焦点調節レンズ群５２は、無限遠合焦位置に、ユーザーがマニュアルで、またはボディＣＰＵ３１がＡＦモータ３３を駆動して移動させる。

ボディＣＰＵ３１は、レリーズボタンが操作されることにより天体撮影動作を開始すると、先ず予備撮影動作を行う（Ｓ１０１）。ボディＣＰＵ３１は、絞り値を開放絞り値（例えばＦ１．４）に設定し、露出時間を所定の露出時間（例えば２秒）に設定し、ＩＳＯ感度を許容上限値（例えば６４００）に設定して、これらの設定値に基づいて予備撮影動作する。

ボディＣＰＵ３１は、予備撮影動作により取得した画像信号から背景画像の平均輝度を算出する演算を試みる（Ｓ１０３）。ボディＣＰＵ３１は、背景画像の平均輝度が演算できないほど暗いか否かチェックし（Ｓ１０５）、暗くないと判定した場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、背景の平均輝度と予め設定した理想輝度の比率から、制御ＩＳＯ感度、制御絞り値及び制御露出時間を演算し（Ｓ１０７）、各制御値が求まったとき（Ｓ１０９：ＹＥＳ）、求めた各制御露出値に基づいて本撮影動作し（Ｓ１１１）、天体撮影を終了する（終了）。本撮影動作により得た画像信号は、フラッシュメモリ３８に書き込まれる。ボディＣＰＵ３１は、各制御露出値が求まらなかったとき（Ｓ１１１：ＮＯ）、にエラー等をモニタ４２に表示し（Ｓ１１３）、天体撮影を終了する（終了）。

ボディＣＰＵ３１は、背景の輝度が演算できないほど暗いと判定した場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、予備撮影動作により取得した画像から点状の星（天体）を認識し、星の輝度を検出する（Ｓ１１５）。そうしてボディＣＰＵ３１は、星が認識できなかったか否か、またはその輝度が閾値以下であるか否かチェックし（Ｓ１１７）、いずれかであったとき（Ｓ１１７：ＹＥＳ）、エラー等をモニタ４２に表示し（Ｓ１１９）、天体撮影を終了する。ボディＣＰＵ３１は、星を認識し、かつその輝度が閾値以下でないと判定したとき（Ｓ１１７：ＮＯ）、星の輝度と撮影レンズ５１の焦点距離に応じて予め決めた最長の露出時間と、最良の絞り値及び最良のＩＳＯ感度を設定して本撮影動作し（Ｓ１２１）、天体撮影を終了する（終了）。最良の絞り値とは、例えば、撮影レンズ５１の開放絞りから１〜２段絞った絞り値であり、最良のＩＳＯ感度とは、カメラボディ１１が設定可能な最高ＩＳＯ感度値より２〜３段低いＩＳＯ感度値である。

ステップＳ１１７において星が認識できないまたは星の輝度が閾値以下であると判定したときは、レンズキャップが装着されている場合や、雲により星が隠れている場合や、星が無い風景などが該当し、そのまま継続して本撮影動作しても時間の無駄となるので動作を中止し、ユーザーに設定変更等を促す表示をすることが好ましい。

ステップＳ１０７における平均輝度と予め設定した理想輝度との比率から、制御ＩＳＯ感度、制御絞り値と制御露出時間を算出する具体的方法について説明する。なお、アペックス表示の露出値ＥＶと、輝度ＢＶ、ＩＳＯ感度ＳＶ、絞り値ＡＶ及び露出時間ＴＶとの関係は、次式の通りである。以下、ＢＶ、ＳＶ、ＥＶ、ＡＶ、ＴＶ及びそれらに接尾辞ｙ、ｒ、ｚ、ｍを付与したものはアペックス表示を示すものとする。
ＢＶ＋ＳＶ＝ＥＶ＝ＡＶ＋ＴＶ
予備撮影動作時の露出要件（ＩＳＯ感度ＳＶｙ、絞り値ＡＶｙ及び露出時間ＴＶｙ）によって取得した画像の背景輝度ＢＶｙは、式、
ＢＶｙ＝ＡＶｙ＋ＴＶｙ−ＳＶｙ
により定義することができる。

予め設定した理想的な黒い背景に対応する輝度を「理想輝度」ＢＶｒとし、背景輝度ＢＶｙの補正関数を求めると、ＢＶｒ＝ＢＶｙ×２^X と置ける。この等式の指数Ｘを、補正値ａ、ｂ、ｃ（いずれもアペックス表示）に分割してＩＳＯ感度ＳＶと絞り値ＡＶと露出時間ＴＶに分配する。
ＢＶｙ＋（ＳＶｙ＋ａ）＝（ＡＶｙ＋ｂ）＋（ＴＶｙ＋ｃ）＝ＥＶ＝ＥＶｒ
ただし、Ｘ＝ａ＋ｂ＋ｃ である。
上式により得られた露出値ＥＶが、本撮影動作において求められる理想露出値ＥＶｒである。
制御ＩＳＯ感度ＳＶｓ＝（ＳＶ＋ａ）、制御絞り値ＡＶｓ＝（ＡＶ＋ｂ）及び制御露出時間ＴＶｓ＝（ＴＶ＋ｃ）は、予め用意した天体撮影に適したプログラム（プログラム線図）等を使用して設定する。

次に、本撮影動作における制御絞り値ＡＶｓ、制御露出時間ＴＶｓ及び制御ＩＳＯ感度ＳＶｓを設定する。この実施形態では、先ず、予め設定した絞り制御範囲及びＩＳＯ感度制御範囲の中から暫定絞り値ＡＶｚ及び暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚを適当に設定し、暫定露出時間ＴＶｚを、理想露出値ＥＶｒと暫定絞り値ＡＶｚ及び暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚに基づいて設定する。つまり、式
ＥＶｒ＝ＢＶｒ＋ＳＶｚ＝ＡＶｚ＋ＴＶｚ
ＴＶｚ＝ＢＶｒ＋ＳＶｚ−ＡＶｚ
により、暫定露出時間ＴＶｚを求める。

以上で求めた暫定露出時間ＴＶｚが、使用中の撮影レンズの焦点距離における最長露出時間ＴＶｍ以内でない場合がある。最長露出時間ＴＶｍとは、撮像素子駆動ユニット４７により天体追尾撮影可能な最長時間である。かかる場合に本実施形態では、暫定露出時間ＴＶｚに最長露出時間ＴＶｍをセットして、露出要素である暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚ、暫定絞り値ＡＶｚを改めて演算する。

最長露出時間ＴＶｍは次のようにして決める。撮像素子４５の受光面上に投影された天体像の受光面上における移動方向、移動速度は、撮影レンズ５１の焦点距離と、撮影地点の緯度、撮影方位（方角）、撮影仰角撮影日時により変動する（特開２０１０−１２２６７２号公報）。撮像素子駆動ユニット４７によって撮像素子４５を光軸直交平面内で駆動する場合、駆動範囲にはメカ的な制限がある。そこで本実施形態では、撮像素子駆動ユニット４７を使用して天体を自動追尾撮影する場合、追尾撮影情報入力部４９により入力した情報と焦点距離情報と駆動範囲情報に基づいて、自動追尾可能な最長露出時間ＴＶｍを設定する。最長露出時間は焦点距離に反比例し、適切露出時間は、焦点距離が長いほど短く、焦点距離が短いほど長くなる。例えば、焦点距離が１００mmのときの適切露出時間が３０秒の場合、焦点距離が５０mmのときの適切露出時間は６０秒になる。なお、これらの情報の精度は追尾撮影情報入力部４９のセンサの精度等に依存し、精度が低い場合、露出時間を長くすると計算上は自動追尾可能な最長露出時間内でも自動追尾が不可能となり天体画像が受光面上を移動してしまうことも在りうるので、計算上の最長露出時間よりも短く制限するとより安全である。

ＩＳＯ感度は、高く設定するほど露出時間を短縮できるが、画像ノイズが増加する。そこで、予備撮影においては、露出時間の短縮を優先し、ＩＳＯ感度制御範囲の最大値より大きくかつ設定可能最大値以下で適当に設定すればよいが、予備撮影と言えども、ノイズの影響で背景輝度の検出に支障が生じては破綻するので、設定可能最大値より１〜２段低いＩＳＯ感度値に設定するのが現実的である。一方、本撮影において設定するＩＳＯ感度の許容上限値は、画像ノイズが十分少ないことを優先しＩＳＯ感度制御範囲内の値とする。ＩＳＯ感度制御範囲内の端値以外を最初の設定値とすることが好ましい。なお、ＩＳＯ感度に関するＩＳＯ感度制御範囲の端値など、各種境界値の初期値はカメラのモデルによって異なるので、これらの値はカメラのモデル毎に製造時に初期値をデフォルト値として設定し、カメラボディ１１内のメモリに書き込んでおくことが好ましい。例えば、あるカメラモデルのＩＳＯ感度について、基準値が１００（ＳＶ＝５）、ＩＳＯ感度制御範囲が４００〜３２００（ＳＶ＝７〜１０）、設定可能な最大値（限界値）が１２８００（ＳＶ＝１２）である旨、カメラボディ１１内のメモリに記憶し、適時ユーザーに表示すれば使いやすい。

一般的な撮影レンズにおいて最も好ましいとされる画質が得られる最良絞りは、開放絞りから１ないし２段絞った絞りである。例えば開放絞りがｆ２（ＡＶ＝２）のとき、最良絞りは１段絞ったｆ２．８（ＡＶ＝３）ないし２段絞ったｆ４（ＡＶ＝４）である。

以上の、撮影レンズの開放絞り値、最良絞り値は予め、撮影レンズが着脱可能なカメラシステムの場合はレンズ内メモリに書き込み、撮影レンズとカメラボディが一体型のカメラの場合はカメラ内メモリに書き込んでおくことができる。

図３は、本撮影動作をするときの制御絞り値、制御露出時間および制御ＩＳＯ感度（露出要素）を設定する露出要素設定動作例を示すフローチャートである。この動作例は、ステップＳ１０７において、背景画像の平均輝度ＢＶｙと理想輝度ＢＶｒとの比率に基づいて決まる理想露出値ＥＶｒが得られ、各制御範囲から選択した暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚ、暫定絞り値ＡＶｚに応じて算出した暫定露出時間ＴＶｚがその焦点距離における最長露出時間以内でなかったときに露出要素を調整する動作例である。つまり、調整前の状態では、
ＥＶｒ＝ＢＶｒ＋ＳＶｚ＝ＡＶｚ＋ＴＶｚ
が成立していることになる。なお、説明を簡単にする為、暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚの初期値はＩＳＯ感度制御範囲の中の中間値、暫定絞り値ＡＶｚの初期値は開放値より２段絞った値であるとする。

ボディＣＰＵ３１は、露出要素設定動作を開始すると、暫定露出時間ＴＶｚが撮影レンズ５１の焦点距離に対応した最長露出時間内か否かチェックする（Ｓ２０１）。

ボディＣＰＵ３１は、暫定露出時間ＴＶｚが最長露出時間内と判定したとき（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、各暫定露出要素（ＡＶｚ、ＳＶｚ、ＴＶｚ）をそれぞれ制御露出要素（ＡＶｓ、ＳＶｓ、ＴＶｓ）に設定して、露出要素設定動作を終了してリターンし（ＲＥＴ）、暫定露出時間ＴＶｚが最長露出時間内であると判定しなかったとき（Ｓ２０１：ＮＯ）、制御露出時間ＴＶｓとして焦点距離に対応した最長露出時間をセットする（Ｓ２０３）。最長露出時間は制御露出時間より短いので、最長露出時間のアペックス表示をＴＶｍとすると、アペックス値ではＴＶｍ＞ＴＶｚであるから、ＢＶｒ＜ＢＶｚ＝ＡＶｚ＋ＴＶｍ−ＳＶｚである（ＢＶｚは暫定輝度）。

次にボディＣＰＵ３１は、ＩＳＯ感度を１ステップ（１段）分上げて（Ｓ２０５）、そのＩＳＯ感度と暫定絞り値と暫定露出時間ＴＶｚで決まる暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しいか否かチェックする（Ｓ２０７）。つまり、暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚに対してアペックス値を１加算し、理想輝度ＢＶｒと暫定輝度ＢＶｚ＝ＡＶｚ＋ＴＶｍ−（ＳＶｚ＋１）が等しいか否かチェックする。

そうしてボディＣＰＵ３１は、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しくないと判定したとき（Ｓ２０７：ＮＯ）、ＩＳＯ感度がＩＳＯ感度制御範囲上限値であるか否かチェックし（Ｓ２０９）、ＩＳＯ感度がＩＳＯ感度制御範囲上限値ではないと判定したとき（Ｓ２０９：ＮＯ）、ステップＳ２０５に戻りＩＳＯ感度を１ステップ分上げる（アペックス値：（ＳＶｚ＋１）＋１）。したがって暫定輝度ＢＶｚは１ステップ分下がる。ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２０５乃至Ｓ２０９の処理を繰り返して、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒであると判定したとき（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、その時点の各暫定露出要素（ＡＶｚ、ＳＶｚ）をそれぞれ制御露出要素（ＡＶｓ、ＳＶｓ）に設定して、露出要素設定動作を終了してリターンする（ＲＥＴ）。ボディＣＰＵ３１は、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しくなる前にＩＳＯ感度がＩＳＯ感度制御範囲上限値であると判定したとき（Ｓ２０７：ＮＯ、Ｓ２０９：ＹＥＳ）、ステップＳ２１０に進む。
なお、暫定輝度が理想輝度と等しいとは、暫定輝度と理想輝度が等しい（同一の）場合の他、暫定輝度と理想輝度の差の絶対値が、露出要素を調整するステップ幅の絶対値の１／２未満の場合を含む。ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２０９においてＩＳＯ感度が制御範囲上限値を超えていると判定したとき（Ｓ２０９：ＹＥＳ）、制御ＩＳＯ感度ＳＶｓに制御範囲上限値を設定する（Ｓ２１０）。

続いてボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２１１において絞り値を開放側へ１ステップ分シフトして、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しいか否かチェックする（Ｓ２１３）。つまり、暫定絞り値ＡＶｚに対してアペックス値を１減算し、暫定絞り値ＡＶｚと暫定露出時間ＴＶｚで決まる暫定輝度ＢＶｚを１ステップ分下げて、暫定輝度ＢＶｚ＝（ＡＶｚ−１）＋ＴＶｍ−ＳＶｓが理想輝度ＢＶｒと等しいか否かチェックする。そうしてボディＣＰＵ３１は、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しくないと判定したとき（Ｓ２１３：ＮＯ）、絞り値が開放絞り値であるか否かチェックし（Ｓ２１５）、絞り値が開放絞り値ではないと判定したとき（Ｓ２１５：ＮＯ）、ステップＳ２１１に戻り、絞り値を開放側へ１ステップ（１段）分シフトして暫定輝度ＢＶｚをもう１ステップ分下げる。ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２１１乃至Ｓ２１５の処理を繰り返して、暫定輝度が理想輝度と等しいと判定したとき（Ｓ２１３：ＹＥＳ）、その時点での暫定絞り値を、制御絞り値（第２絞り値）ＡＶｓに設定して、露出要素設定動作を終了してリターンし（ＲＥＴ）、制御露出値（第２制御値）が適正露出値と等しくなくかつ絞り値が開放絞り値であると判定したとき（Ｓ２１３：ＮＯ、Ｓ２１５：ＹＥＳ）、ステップＳ２１７に進む。なお、ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２１５の判定において絞り値が開放絞り値を超えていると判定したとき（Ｓ２１５：ＹＥＳ）、制御絞り値ＡＶｓに開放絞り値を設定する（Ｓ２１６）。上記絞り値の変更は、実際にレンズの絞り機構を動作させる必要はなく、演算上の処理でよい。

ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２１７において理想輝度が得られない旨、例えば「使用しているレンズの開放Ｆ値が小さすぎ、十分な露光が得られない」旨をモニタ４２に表示し、「本撮影を強制実行するか？」の表示をモニタ４２にしてユーザーの指示を待つ（Ｓ２１９）。ユーザーから「本撮影を強制実行」の指示があれば（Ｓ２１９：ＹＥＳ）、その時点での暫定絞り値を、制御絞り値ＡＶｓに設定して、露出要素設定動作を終了してリターン（ＲＥＴ）する。一方、ユーザーから「本撮影を強制実行」が否決されたら（Ｓ２１９：ＮＯ）、「ＩＳＯ感度制御範囲を超えてよいか？」の表示をモニタ４２にしてユーザーの指示を待つ（Ｓ２２１）。ユーザーがＩＳＯ感度制御範囲超過を否決したなら（Ｓ２２１：ＮＯ）、露出不足の為、制御露出値は設定不可としてその旨をモニタ４２に表示し（Ｓ２２９）、露出要素設定動作を終了してリターンし（ＲＥＴ）、ユーザーから「ＩＳＯ感度制御範囲を超える」許可があれば（Ｓ２２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２３に進む。なお、以上のユーザーの指示は、モニタ４２がいわゆるタッチパネルのときはモニタ４２の所定表示部のタッチ操作により、あるいは、カメラボディに装着された操作ボタンの操作により受け付ける構成とする。

ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２２３においてＩＳＯ感度を１ステップ分上げて、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しいか否かチェックする（Ｓ２２５）。ボディＣＰＵ３１は、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しくないと判定したとき（Ｓ２２５：ＮＯ）、ＩＳＯ感度が最大値以上か否かチェックし（Ｓ２２７）、ＩＳＯ感度が最大値以上ではないと判定したとき（Ｓ２２７：ＮＯ）、ステップＳ２２３に戻ってＩＳＯ感度を１ステップ分上げて適正露出値を１ステップ分上げる。ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２２３乃至Ｓ２２７の処理を繰り返して暫定輝度ＢＶｚを段階的に上げて、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しいと判定したとき（Ｓ２２５：ＹＥＳ）、その時点での暫定ＩＳＯ感度ＳＶｚを制御ＩＳＯ感度ＳＶｓに設定し、露出要素設定動作を終了してリターンする（ＲＥＴ）。ボディＣＰＵ３１は、暫定輝度ＢＶｚが理想輝度ＢＶｒと等しくなくかつＩＳＯ感度が最大値以上であると判定したとき（Ｓ２２５：ＮＯ、Ｓ２２７：ＹＥＳ）、露出不足の為、制御露出値は設定不可として露出要素設定動作を終了してリターンする（ＲＥＴ）。なお、ボディＣＰＵ３１は、ステップＳ２２７の判定においてＩＳＯ感度が最大値を超えていると判定したとき、ＩＳＯ感度に最大値を設定する。

以上の通り図３及び図４に示した実施形態は、暫定露出時間を焦点距離に対応する最長露出時間に変更した状態で理想露出値が得られるように、まずＩＳＯ感度を制御範囲上限値以下で調整（暫定露出値を調整）し、ＩＳＯ感度として制御範囲上限値を設定したとき、この上限値と被写体輝度で決まる暫定露出値と理想露出値が等しくなるように、絞り値を開放絞り値以下で調整する。ＩＳＯ感度を許容上限値に設定しかつ絞り値を開放絞り値に設定しても暫定露出値が理想露出値と等しくならなかったとき、暫定露出値が理想露出値と等しくなるように、ＩＳＯ感度を制御範囲の上限値を越え、最大値（仕様上の設定上限値）以下で調整する。第１の動作例は、以上の調整により、本撮影動作をするときの制御露出値を、理想露出値に等しく、ないし可及的に近づけることができるので、ＩＳＯ感度のアップによるノイズの増加を抑えつつ、理想的な黒背景が得られる露出値による天体撮影を可能にしている。

以上の実施形態では、露出時間、絞り値及びＩＳＯ感度をアペックス表示で１ステップ（段）単位で増減させたが、１ステップ未満、例えば１／２、１／３ステップ、あるいは１ステップを超えた値、例えば４／３ステップ単位で増減してもよい。

なお、本発明における理想露出（理想輝度）は、背景の明るさが異なる複数の段階を用意して、ユーザーが理想とする背景の明るさを選択する構成にしてもよい。例えば、背景の明るさが異なる複数の画像をモニタ４２に表示して、ユーザーがどの背景の明るさで撮影するかを選択する構成も可能である。背景の明るさが異なる複数の画像サンプルは、予備撮影画像を画像処理（ゲイン増減処理）することで生成可能である。図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）には、明るさ（平均輝度）が異なる背景画像７１１、７１２、７１３の例を示した。星画像７３を含む背景画像７１１、７１２、７１３は、図５（Ａ）の背景画像７１１が最も暗く、（Ｂ）の背景画像７１２、（Ｃ）の背景画像７１３の順に明るくなっている。例えば、ＤＳＰ４１が三原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各画像信号の輝度を８ｂｉｔ、２５６階調でＡ／Ｄ変換する場合、階調０を暗（黒）、階調２５５を明（白）とした場合、背景画像７１１の平均階調はαないしβ、背景画像７１２の平均階調はβ＋１ないしγ、背景画像７１３の平均階調はγ＋１ないしδとする。ただし、０＜＝α＜β＜γ＜δである。

ユーザーは、モニタ４２に表示される背景画像７１１ないし７１３を撮影モード選択スイッチＳＷＭｏを操作して切替え、好みの背景画像７１１ないし７１３を選択する。デジタルカメラ１０（ボディＣＰＵ３１）は、本撮影動作により取得した画像の背景が、選択した背景画像７１１ないし７１３と同等の輝度となるように、予備撮影動作により取得した画像の背景の平均階調を平均輝度に変換してから、適正露出値が得られる適正輝度、適正ＩＳＯ感度、適正絞り値及び適正露出時間を演算し、本撮影動作をするときの制御露出値（絞り値、露出時間及びＩＳＯ感度）を設定する。なお、背景の明るさが異なる複数の画像をモニタ４２に表示画面を分割して表示してもよい。

本実施形態の自動露出制御装置を搭載したカメラによれば、暗い背景（夜空）が撮影画面の大部分の面積を占める天体撮影において、本撮影動作における適正露出値を得るための予備撮影動作をＩＳＯ感度を許容上限値に設定し、絞り値を開放絞り値ないし数段絞り込んで行い、予備撮影動作により取得した画像信号の輝度と予備撮影時のＩＳＯ感度に基づいて本撮影動作をするときの制御露出値を自動的に設定するので、予備撮影動作における露出時間を短縮し、本撮影動作において天体撮影に適した露出値を正確に設定することが可能になる。

本実施形態は、天体追尾撮影可能なデジタルカメラに適用しているが、本発明は天体追尾撮影機能の有無にかかわらず適用可能である。また本発明は、デジタルカメラであれば、クイックリターンミラーの有無にかかわらず、レンズ交換式カメラ、レンズボディ一体型カメラのいずれにも適用可能である。本実施形態では絞り値を絞り装置６１により調整したが、単位時間当たりの透過光量を調整できれば絞り装置６１でなくてもよく、ＮＤフィルタの着脱等により調整することも可能である。

１０ デジタルカメラ
１１ カメラボディ
２１ 周辺制御回路
２２ 絞り駆動部
３１ ボディＣＰＵ
３１ａ カウンタ
３１ｂ ＲＡＭ
３１ｃ 撮影モード選択部
３１ｄ 露出要素設定部
３１ｅ 撮影制御部
３１ｆ 天体認識部
３１ｇ 焦点距離入力部
３２ ＡＦモータドライバ
３３ ＡＦモータ
３８ フラッシュメモリ（記録媒体）
４１ ＤＳＰ
４２ モニタ（表示部）
４５ 撮像素子（撮像部）
４７ 撮像素子駆動ユニット
４９ 追尾撮影情報入力部
５１ 撮影レンズ（撮影光学系）
５２ 焦点調節レンズ群（撮影光学系）
５７ レンズＣＰＵ
６１ 絞り装置
７１０ ７１１ ７１２ 背景画像
７３ 星画像
ＳＷＳ 測光スイッチ
ＳＷＲ レリーズスイッチ
ＳＷＭо 撮影モード選択スイッチ

Claims (6)

1. 撮影光学系と；
   該撮影光学系により形成された被写体像を撮像する撮像部と；
   上記撮影光学系の絞り値、上記撮像部の露出時間及び上記撮像部が出力する画像信号に対する増幅度を露出要素として設定する露出要素設定部と；
   上記露出要素設定部が設定した絞り値、露出時間及び増幅度に基づき撮像動作させる撮影制御部と；
   を備え、
   上記撮影制御部は、所定の第１露出要素に設定して第１撮影動作すること、及び
   上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作による画像信号の輝度に基づいて、第２撮影動作に使用する第２露出要素を設定すること、
   を特徴とする自動露出制御装置。
2. 請求項１記載の自動露出制御装置において、上記第２露出要素のうちの第２増幅度は、上記第１露出要素のうちの第１増幅度より増幅度が低いことを特徴とする自動露出制御装置。
3. 請求項１または２記載の自動露出制御装置において、上記第２露出要素のうちの第２露出時間は、上記第１露出要素のうちの第１露出時間より露出時間が長いことを特徴とする自動露出制御装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の自動露出制御装置において、上記第２露出要素のうちの第２絞り値における透過光量は、上記第１露出要素のうちの第１絞り値における透過光量より、単位時間当たりの透過光量が少ないことを特徴とする自動露出制御装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の自動露出制御装置において、上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作をするときに絞り値を単位時間当たりの透過光量が最大になるよう設定する自動露出制御装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の自動露出制御装置において、上記露出要素設定部は、上記第１撮影動作により取得した画像信号から画像の平均輝度を算出し、該平均輝度が所定の輝度となるような露出要素を算出し、該算出した露出要素を、上記第２撮影動作をするときの第２露出要素に設定する自動露出制御装置。

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