JP2019125854A - 撮像装置およびその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供する。【解決手段】この撮像装置は、1回の撮影期間を複数の期間に分割して露光し、加算することで画像を取得する撮像装置であって、信号電荷を発生する光電変換部を有する撮像素子と、光電変換部で発生した信号電荷の蓄積時間を制御する制御手段とを備える。制御手段は、1回の撮影期間の分割した各期間における蓄積時間を変更する。【選択図】図4

Description

本発明は、撮像装置およびその制御方法に関し、特に時分割された露光を基に画像を得る撮像素子を有する撮像装置に関する。
撮像装置の視野内を移動する被写体を自在に表現するため、スローシャッター撮影中に特定のタイミングでストロボを発光させるスローシンクロ撮影が行われている。例えば、スローシンクロ撮影の一種として、シャッターが閉じる直前にストロボを発光させる、いわゆる後幕シンクロと呼ばれる撮影法がある。この撮影法では、ストロボが発光する短時間で撮像されるぶれの無い被写体像と、発光前の被写体の軌跡であるモーションブラー像とを重ねて画像に記録することができ、被写体のディテール、軌跡、移動方向を同時に表現できる。しかし、スローシンクロ撮影では、シャッターと同期可能なストロボが必要となるうえ、ストロボの光が届かない遠くの被写体に対しては効果が得られないという事象があった。特許文献1では、分光手段を用いて光路を分割し、露光時間が異なる複数の撮像素子で撮像された画像を合成することで、ストロボ無しでスローシンクロ撮影と同等の効果を得る撮影装置が開示されている。
特開2009−218893号公報
しかしながら、特許文献1では、ビームスプリッタなどの分光手段、露光条件の異なる複数の撮像素子、撮像素子から出力された画像を合成するための画像合成手段が必要であり、装置の構成が複雑になる。
本発明は、上記課題を鑑みて、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の撮像装置は、1回の撮影期間を複数の期間に分割して露光し、加算することで画像を取得する撮像装置であって、信号電荷を発生する光電変換部を有する撮像素子と、前記光電変換部で発生した信号電荷の蓄積時間を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記1回の撮影期間を分割した各期間における蓄積時間を変更することを特徴とする。
本発明によれば、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することができる。
デジタルスチルモーションカメラの外観図である。 第1実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 第1実施形態に係る撮像素子の一部回路図である。 第1実施形態に係る撮像素子の駆動シーケンスのタイミングチャートである。 第1実施形態に係る効果を示す説明図である。 第2実施形態に係る撮像素子の駆動シーケンスのタイミングチャートである。 第2実施形態に係る効果を示す説明図である。 第3実施形態に係る第1の駆動シーケンスのタイミングチャートである。 第3実施形態に係る第2の駆動シーケンスのタイミングチャートである。 第3実施形態に係る効果を示す説明図である。 第4実施形態に係る第1の駆動シーケンスのタイミングチャートである。 第4実施形態に係る第2の駆動シーケンスのタイミングチャートである。 第4実施形態に係る効果を示す説明図である。 第5実施形態に係る効果を示す説明図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面などを参照して説明する。なお、以下の説明に用いる図面において、同一の要素部品は同じ符号としている。
(第1実施形態)
本実施形態に係る、映像処理装置に撮像のための撮影光学系等を加えた撮像装置について説明する。図1は、本実施形態に係る撮像装置として、デジタルスチルモーションカメラの外観図を示し、図1(A)は、撮像装置の正面図を示し、図1(B)は、撮像装置の背面図である。本実施形態に係る撮像装置は、内部に撮像素子やシャッター装置を収納した撮像装置本体151と、内部に絞りを有した撮影光学系152と、撮影情報や映像を表示するための可動式表示部153とを備える。また、主に静止画の撮影を行うために使用するスイッチST154、動画撮影を開始および停止するための釦であるスイッチMV155を備える。表示部153は、ダイナミックレンジの広い映像も、その輝度範囲を抑制することなく、表示できるだけの表示輝度範囲を有している。また、撮影モードを選択するための撮影モード選択レバー156と、撮像装置の機能設定を行う機能設定モードへ移行するためのメニュー釦157と、各種の設定値を変更するためのアップダウンスイッチ158及び159とを備える。さらに、各種の設定値を変更するためのダイアル160と、撮像装置本体内に収納されている記録媒体に記録されている映像を表示部153上で再生する再生モードへ移行するための再生ボタン161とを備える。
図2は、本実施形態に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る撮像装置は、撮影光学系152を介して結像された被写体の光学像を電気的な映像信号に変換する撮像素子184と、被写体の光学像を撮像素子184に結像させる撮影光学系152を備える。また、撮影光学系152の光軸180と、撮影光学系152を通る光の量を調節するための絞り181を備える。絞り181は、絞り制御部182により制御される。また、光学フィルター183は、撮像素子184に入射する光の波長と撮像素子184に伝達する空間周波数とを制限する。撮像素子184は、Ultra High Definition Televisionの規格を満たすに十分な画素数、信号読み出し速度、色域、ダイナミックレンジを有している。
デジタル信号処理部187は、撮像素子184より出力されたデジタル映像データに各種の補正を行った後に、映像データを圧縮する。タイミング発生部189は、撮像素子184、デジタル信号処理部187に各種タイミング信号を出力する発生部であり、システム制御CPU178は、各種演算とデジタルスチルモーションカメラ全体を制御する。なお、タイミング発生部189及びシステム制御CPU178は、制御手段として機能する。
映像メモリ190は、映像データを一時的に記憶するためのメモリであり、表示インターフェース部191は、撮影された映像を表示するためのインターフェース部であり、表示部153は、液晶ディスプレイ等の表示部である。記録媒体193は、映像データや付加データ等を記録するための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体であり、記録インターフェース部192は、記録媒体193に記録または読み出しを行う。また、外部インターフェース部196は、外部コンピュータ197等と通信するためのインターフェース部である。プリンタ195は、小型インクジェットプリンタ等のプリンタであり、プリントインターフェース部194は、撮影された映像をプリンタ195に出力し印刷するためのインターフェース部である。無線インターフェース部198は、インターネットなどのコンピュータネットワーク199と通信するためのインターフェース部である。スイッチ入力手段179スイッチST154やスイッチMV155や各種モードの切り替えを行う複数のスイッチを含む入力手段である。
図3は、撮像素子184の一部回路図である。撮像素子184の複数の画素のうち、1行1列目(1,1)の画素部300と任意のm行1列目(m、1)の画素部301を示している。画素部300と画素部301の構成は同じなので、構成要素は同じ番号で付番している。なお、信号保持部を有する撮像素子184の基本構造は、周知の構造であってよい。
<撮像素子構成と画像信号生成過程の説明>
図3の回路図において、1つの画素部300は、フォトダイオード500と、第1の転送トランジスタ501Aと、信号保持部507Aと、第2の転送トランジスタ502Aを有する。フォトダイオード500と信号保持部507Aは、光電変換部と信号保持部として機能する。さらに1つの画素部300は、第3の転送トランジスタ503と、フローティングディフュージョン領域508と、リセットトランジスタ504と、増幅トランジスタ505と、選択トランジスタ506とを有している。上記構成の画素部を2次元的に複数配列した撮像素子184は、光電変換部と信号保持部を有する画素部を2次元に配列した撮像素子として機能する。
また、第1の転送トランジスタ501Aは、転送パルスφTX1Aにて制御され、第2の転送トランジスタ502Aは、転送パルスφTX2Aにて制御される。また、リセットトランジスタ504は、リセットパルスφRESで制御され、選択トランジスタ506は、選択パルスφSELで制御される。さらに、第3の転送トランジスタ503は、転送パルスφTX3にて制御される。ここで、各制御パルスは、不図示の垂直走査回路から送出される。さらに、電源線520及び521で、信号出力線523である。
図4は、撮像素子184の駆動シーケンスを示すタイミングチャートで、シャッター速度1/30秒の設定で静止画撮影を行うことを想定し、1回の撮影期間において蓄積を8回加算することにより、画像信号を得る場合に対応している。なお、本実施形態に係る撮像素子184は、垂直方向に多数行の画素列があり、図4では、第1行のタイミングを示している。そして、これらの制御が水平同期信号により垂直方向に走査されることで撮像素子184の全画素の蓄積動作が行われる。
図4において、レリーズ信号RELの立ち上がり時刻t1は、ユーザーの操作により撮像素子184の静止画撮影が開始される時刻を示す。また、実際に信号電荷の蓄積が開始されるt31から画像信号が読み出されるt6までの時間である1/30秒がシャッター速度に相当し、1撮影周期に対応している。撮影条件としては、1/30秒の1撮影周期中に行われる1/1120秒の7回の蓄積と、1/480秒の1回の蓄積とを加算することにより、1/120秒の露光1回分と等価な露光量を得る場合を示している。1撮影周期中において、制御手段に相当するタイミング発生部189及びシステム制御CPU178によって撮像素子184が制御される。
時刻t1においてレリーズ信号RELがハイレベルになり、同時に水平同期信号φHがハイレベルになる。時刻t2において、第1行の転送パルスφTX2(1)がハイレベルとなると、第1行の第2の転送トランジスタ502Aがオンとなる。このとき、既に全行のリセットパルスφRES(1)がハイレベルになりリセットトランジスタ504がオン状態になっているため、第1行のフローティングディフュージョン領域508、第1の信号保持部507Aがリセットされる。なお、時刻t2には、第1行の選択パルスφSEL(1)はローレベルになっている。
時刻t31において、第1行の転送パルスφTX3(1)がローレベルとなると、第3の転送トランジスタ503がオフとなり、第1行のフォトダイオード500のリセットが解除されてフォトダイオード500で信号電荷の蓄積が開始される。時刻t41において、第1行の転送パルスφTX1(1)がハイレベルとなると、第1の転送トランジスタ501Aがオンとなり、フォトダイオード500に蓄積された信号電荷は第1行の電荷を保持する信号保持部507Aに転送される。時刻t51において、第1行の転送パルスφTX1(1)がローレベルとなると、第3の転送トランジスタ501Aがオフとなり、フォトダイオード500に蓄積された信号電荷の信号保持部507Aへの転送が終了する。同時に、第1行の転送パルスφTX3(1)がハイレベルとなり、第3の転送トランジスタ503がオンとなり、第1行のフォトダイオード500がリセットされてフォトダイオード500での信号電荷の蓄積が終了する。
ここで、時刻t31から時刻t51が、1撮影周期における1回の蓄積時間1/1120秒に相当し、右上がり斜線部領域の蓄積時間602−1として図示される。このような蓄積動作を離散的に7回行い、右上がり斜線部領域の蓄積時間602−1〜602−7として図示される。なお、蓄積時間602−2〜602−7における制御動作は蓄積時間602−1とすべて同様であるため説明を省略する。蓄積時間602−7の蓄積が終了する時刻t57の後、他の蓄積動作と制御動作は同様であるが、蓄積時間が異なる蓄積動作が行われる。図中では時刻t38から時刻t58の間の蓄積時間602−8で図示され、蓄積時間は他の蓄積時間より長い1/480秒に相当する。すなわち、1撮影周期中において、離散的な複数回の短時間露光と、少なくとも1回の長時間露光が行われる。そして、これら合計8回の蓄積を加算することで、1/120秒の露光1回分と同等の蓄積時間(1/1120秒×7回+1/480秒×1回=1/120秒)を得る。
時刻t6において、第1行のリセットパルスφRES(1)がローレベルとなると第1行のリセットトランジスタ504がオフとなって、フローティングディフュージョン領域508のリセット状態が解除される。同時に、第1行の選択パルスφSEL(1)がハイレベルとなると第1行の選択トランジスタ506がオンとなって、第1行の画像信号の読み出しが可能となる。さらに、フローティングディフュージョン領域508の電位の変化に応じた出力が増幅トランジスタ505及び選択トランジスタ506を介して信号出力線523に読み出され、不図示の読み出し回路に供給されて第1行の画像信号として外部に出力される。
ここで、各蓄積時間602−1〜602−8の開始時刻t31〜t38の間隔、および、蓄積時間602−8の開始時刻t38から画像信号が外部に出力される時刻t6までの時間を、それぞれ蓄積間隔T1〜T8とする。すなわち、信号電荷の蓄積開始から次の蓄積が開始されるか画像信号が外部に出力されるまでの時間を蓄積間隔とする。蓄積間隔T1〜T8は、等しく1/240秒となるように設定されている。
また、蓄積時間602−1の開始時刻t31から蓄積時間602−8の開始時刻t38までの期間を蓄積期間Ta、蓄積時間602−8の開始時刻t38から時刻t6までの蓄積期間をTbとする。蓄積期間Taは、第1の期間に対応し、蓄積期間Tbは、第2の期間に相当する。蓄積期間Taと蓄積期間Tbを合わせた全蓄積期間Tは1/30秒となり、シャッター速度に相当する。蓄積期間Tb(1/240秒)および蓄積時間602−8(1/480秒)は、蓄積期間Ta(7/240=14/480秒)に対して短い。すなわち、1撮影周期は、第1の期間であるところの蓄積期間Taと、第1の期間より短い第2の期間であるところの蓄積期間Tbに分けられる。また、第1の期間では、蓄積時間602−1〜602−7において信号電荷が複数回蓄積されており、第2の期間では蓄積時間602−8において信号電荷が1回蓄積されている。
ここで、各蓄積間隔T1〜T8中の蓄積開始から蓄積終了までの時間すなわち蓄積時間の比率を、蓄積時間比率Rとする。蓄積期間Taでは、1/240秒の蓄積間隔T1〜T7のそれぞれにおいて、蓄積時間は1/1120秒であり、蓄積時間比率Raは以下のようになる。
Ra=(1/1120)/(1/240)=0.2142・・・
蓄積期間Tbでは、1/240秒の蓄積間隔T8のうち、蓄積時間は1/480秒であり、蓄積時間比率Rbは以下のようになる。
Rb=(1/480)/(1/240)=0.5
すなわち、1撮影周期中において、蓄積期間Ta中の蓄積間隔T1〜T7における蓄積時間比率Raと、蓄積期間Tb中の蓄積間隔T8における蓄積時間比率Rbは異なる。また、1撮影周期中において、蓄積開始から蓄積終了までの時間である蓄積時間を変えることによって蓄積時間比率を異ならせている。さらに、第1の期間であるところの蓄積期間Taにおける蓄積時間比率Raに対して、第2の期間であるところの蓄積期間Tbにおける蓄積時間比率Rbは大きい。なお、第2行目のタイミングチャートは、時刻t1直後の水平同期振動φHに同期して実行される。すなわち、時刻t1から時刻t6の間に全行のタイミングチャートが開始される。例えば、時刻t0のときの水平同期信号φHによって開始されるタイミングチャートを第m行とする。この場合のスイッチ信号をφSEL(m)、φRES(m)、φTX3(m)、φTX1A(m)、φTX1B(m)、φTX2A(m)、φTX2B(m)と表すことが可能となる。
以上のようなタイミングチャートにより、シャッター速度1/30秒の撮影中に、1/1120秒の蓄積を7回と1/480秒の蓄積を1回加算することによって、1/120秒の露光1回分と等価な露光量を得ることができる。つまり、上記1撮影周期中に複数回の露光・蓄積を行って画像信号を得るよう制御する動作は、制御手段で制御される1撮影周期中に、光電変換部で発生した信号電荷を、複数回、信号保持部に転送して生成された画像信号を撮像素子の外部に出力する動作に相当する。なお、本実施形態では、蓄積加算回数を合計8回として説明したが、例えば、16回、32回、64回など、異なる加算回数の場合でも適用可能である。
移動する被写体の軌跡を表現するには、写しこみたい移動量に応じて、被写体が移動する一定期間にわたって露光を継続する必要がある。そのため、シャッター速度を遅く設定する、いわゆるスローシャッターで撮影する必要がある。従来のスローシンクロ撮影では、明るい環境下でスローシャッターを行うとき、光量の飽和を避けるため、感度を下げたり、絞り値を大きくしたりしていた。しかし、感度や絞り値の設定によってはノイズの増加や解像度の低下による画質の劣化が発生したり、絞り値の設定によって被写界深度などの撮影条件に制限が発生したりするおそれがあった。また、別の方法としてNDフィルターを用いて光量を制限することもできるが、外付けNDフィルターを取り付けたり、撮像装置に切り替え式の内蔵NDフィルターを設けたりする必要があり、機器の大型化を招くおそれがあった。
本実施形態では、設定されたシャッター速度を分割して蓄積を行うため、従来に対して露光量を低減することができる。すなわち、NDフィルターを用いずにNDフィルターと同等の効果が得られる。したがって、従来のスローシンクロ撮影に対して、画質の劣化、撮影条件の制限、機器の大型化を低減することができる。
<効果の説明>
図5は、本実施形態の効果を示す説明図であり、図5(A)は、蓄積時間602−1〜602−8を示すタイミングチャートであり、図5(B)は、被写体を示す図であり、図5(C)は、撮像装置によって得られる画像を示す図である。図5(B)で示すように、被写体Oは、撮像装置によって得られるフレームFrに相当する視野Fi中を、矢印方向に速度Vで等速移動している。ここで言う視野Fi中の被写体Oの移動とは、被写体Oと撮像装置の相対位置の変化によって発生する。したがって、被写体Oの移動に起因するものであってもよく、撮像装置の移動に起因するものであってもよく、両方に起因するものであってもよい。
このような被写体Oを、図5(A)で示すようなタイミングチャートに従って露光した場合、図5(C)で示すような画像が得られる。すなわち、フレームFr内に、蓄積期間Taで得られるモーションブラー像Bと、蓄積期間Tbで得られる静止像Sが、重ねて画像に記録される。モーションブラー像Bは、蓄積時間602−1〜602−7に対応し、被写体Oの移動方向に少しずつずれて配置される像B1〜B7によって形成される。
前述のように、モーションブラー像Bが形成される蓄積期間Taは、静止像Sが形成される蓄積期間Tbに対して長い。そのため、モーションブラー像Bは、被写体Oの移動方向にぶれた像となり、被写体の軌跡を表現することができる。また、前述のように、静止像Sが形成される蓄積期間Tb中の蓄積時間602−8は、モーションブラー像Bが形成される蓄積期間Taに対して短い。そのため、静止像Sは、モーションブラー像Bと比較してぶれが低減され、被写体のディテールを表現することができる。
蓄積時間602−1〜602−7が発生する蓄積間隔T1〜T7では、蓄積時間比率Raが小さいので、蓄積される光量が小さく、対応する像B1〜B7は、濃度が薄い像となる。また、蓄積時間602−8が発生する蓄積間隔T8では、蓄積時間比率RbがRaに対して大きいので、蓄積される光量が大きく、対応する静止像Sは、像B1〜B7に対して濃度が濃い像となる。さらには、静止像Sが形成される蓄積期間Tbは、モーションブラー像Bが形成される蓄積期間Taに対して時間的に後である。結果として、被写体の軌跡を表現するモーションブラー像Bと、モーションブラー像Bより濃度が濃く、時間的に後に撮像された静止像Sとが重ね合わされる。そのため、全蓄積期間Tの終了直前の被写体像である静止像Sを強調しながら、過去の軌跡であるモーションブラー像Bを重ね合わせることができ、被写体の移動方向を表現することができる。結果として、被写体のディテール、過去の軌跡、移動方向を同時に表現でき、スローシンクロ撮影の一種としての後幕シンクロと同等の効果が得られる。
本実施形態では、蓄積時間602−1〜602−7を1/1120秒、蓄積時間602−8を1/480秒とすることで蓄積時間比率を変えているが、蓄積時間を自在に変更してそれぞれの蓄積時間比率を調節してもよい。例えば、蓄積時間602−8をさらに長くして露光量を増やし、静止像Sをより強調してもよい。その際、蓄積時間602−1〜602−7を相対的に短くすることで、全体の蓄積時間を同等に維持することが望ましい。また、本実施形態では、蓄積時間比率が大きい蓄積期間Tbを全蓄積期間の最後に設定しているが、全蓄積期間中の任意のタイミングに設定可能にしてもよい。スローシンクロ撮影におけるストロボの発光タイミングを任意に設定するのと同等の効果が得られる。
図5(D)は、蓄積期間Tbを全蓄積時間の最初に設定した場合のタイミングチャートである。この設定例において、蓄積時間602−1は、1/480秒、蓄積時間602−2〜602−8は、1/1120秒である。蓄積時間比率が大きい蓄積期間Tbは、時刻t31から時刻t32までの期間であり、全蓄積期間Tの最初に位置する。蓄積時間比率が小さい蓄積期間Taは、時刻t32から時刻t6までの期間であり、全蓄積期間Tの残りの期間である。図5(E)は、この設定例において、撮像装置によって得られる画像を示す図である。蓄積期間Tb中に得られた静止像Sと、蓄積期間Ta中に得られたモーションブラー像Bが重ね合わされ、撮影開始直後の被写体像と、その後の被写体の軌跡を表現することができる。
図5(F)は、蓄積期間Tbを全蓄積時間の中間に設定した場合のタイミングチャートである。この設定例において、蓄積時間602−1〜602−4、及び602−6〜602−8は、1/1120秒、蓄積時間602−5は、1/480秒である。蓄積時間比率が大きい蓄積期間Tbは、時刻t35から時刻t36までの期間であり、全蓄積期間Tの中間に位置する。蓄積時間比率が小さい蓄積期間Taは、時刻t31から時刻t35までの期間Ta1と時刻t36から時刻t6までの期間Ta2からなり、全蓄積期間Tの残りの期間である。図5(G)は、この設定例において撮像装置によって得られる画像を示す図である。蓄積期間Tb中に得られた静止像Sと、蓄積期間Ta中に得られたモーションブラー像Bが重ね合わされ、全蓄積時間の中間における被写体像と、その前後の被写体の軌跡を表現することができる。
以上、本実施形態によれば、被写体のディテール、軌跡、移動方向を同時に表現でき、ストロボを用いたスローシンクロ撮影と同等の効果が得られる。また、本実施形態によれば、スローシンクロ撮影で必要なストロボや、ビームスプリッタなどの分光手段、露光条件の異なる複数の撮像素子、撮像素子から出力された画像を合成するための画像合成手段などが不要である。従って、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することができる。
(第2実施形態)
次に、本実施形態について説明するが、第1実施形態と同様の部分については同じ番号を付すことで説明を省略する。第1実施形態に対する主な相違点は、蓄積時間比率の制御を、蓄積時間の大小ではなく蓄積の時間間隔の大小で行うことである。
図6は、撮像素子184の駆動シーケンスを示すタイミングチャートで、シャッター速度1/30秒の設定で静止画撮影を行うことを想定し、1回の撮影期間において蓄積を8回加算することにより、画像信号を得る場合に対応している。蓄積時間602−1〜602−8は、全て等しく1/960秒に設定されている。合計8回の蓄積を加算することによって、1/120秒の露光1回分と等価な露光量を得ることができる。また、蓄積間隔T1〜T8は、全てが等しいわけではなく、T1およびT2は、1/120秒、T3およびT4は、1/240秒、T5〜T8は、1/480秒に設定されている。
ここで、時刻t31から時刻t33までを蓄積期間Ta、時刻t33から時刻t35までを蓄積期間Tb、時刻t35から時刻t6までを蓄積期間Tcとする。すなわち、1撮影周期である蓄積期間Ta、Tb、Tcを合わせた全蓄積期間Tは、第1の期間である蓄積期間Taと蓄積期間Tbを合わせた期間と、第1の期間より短い第2の期間である蓄積期間Tcに分けられる。蓄積期間Ta〜Tcの蓄積時間比率をそれぞれ蓄積時間比率Ra〜Rcとしたとき、蓄積時間比率Ra〜Rcは、以下のようになる。
Ra=(1/960)/(1/120)=0.125
Rb=(1/960)/(1/240)=0.25
Rc=(1/960)/(1/480)=0.5
すなわち、1撮影周期中において、蓄積期間Ta中の蓄積間隔T1〜T2における蓄積時間比率Ra、蓄積期間Tb中の蓄積間隔T3〜T4における蓄積時間比率Rb、蓄積期間Tc中の蓄積間隔T5〜T8における蓄積時間比率Rcは異なる。また、1撮影周期中において、蓄積間隔を変えることによって蓄積時間比率を異ならせている。さらに、第1の期間における蓄積時間比率Ra、Rbに対して、第2の期間における蓄積時間比率Rcは大きい。
図7は、本実施形態の効果を示す説明図であり、図7(A)は、蓄積時間を示すタイミングチャート、図7(B)は、図5(B)と同様な被写体を撮像した時に得られる画像を示す図である。図7(B)に示すように、蓄積期間Taで得られるモーションブラー像Baと蓄積期間Tbで得られるモーションブラー像Bbからなる第1の期間で得られるモーションブラー像Bと、第2の期間で得られる静止像Sが、重ねて画像に記録される。したがって、第1実施形態と同様に、スローシンクロ撮影の一種としての後幕シンクロと同等の効果が得られる。
本実施形態では、全蓄積期間を3つの期間Ta、Tb、Tcに分割し、それぞれの期間ごとに蓄積間隔を、1/120秒、1/240秒、1/480秒と変えることで蓄積時間比率を変えている。これに限定することなく、蓄積間隔を自在に変更してそれぞれの蓄積時間比率を調節してもよい。例えば、全蓄積期間の分割数を2つや4つ以上にしてモーションブラー像を細かく制御したり、蓄積間隔の差を大きくして静止像Sをより強調したりしてもよい。その際、蓄積時間602−1〜602−8は変えなくても全体の蓄積時間が同等に維持されるため、制御が容易である。
以上、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することができる。
(第3実施形態)
次に、本実施形態について説明するが、第1実施形態と同様の部分については同じ番号を付すことで説明を省略する。第1実施形態に対する主な相違点は、動画撮影中のフレーム切り出しによって静止画を得ることである。
図8は、撮像素子184の第1の駆動シーケンスを示すタイミングチャートで、30fpsの条件で動画撮影を行うことを想定し、1撮影周期である1/30秒の間に1/960秒の蓄積を8回加算することにより、画像信号を得る場合に対応している。垂直同期信号φVの立ち上がり時刻t1およびt6は、撮影周期が始まる垂直同期信号で、t1からt6までの時間である1/30秒が1撮影周期に対応している。動画開始からn番目の撮影周期をT(n)として表す。1撮影周期Tごとに連続して生成される複数の画像信号は、動画として映像メモリ190や記録媒体193に記憶されたり、表示部153に表示されたり、外部インターフェース部196や無線インターフェース部198に出力されたりする。
まず、時刻t1において、タイミング発生部189にて垂直同期信号φVがハイレベルになり、同時に水平同期信号φHがハイレベルになる。垂直同期信号φVおよび水平同期信号φHがハイレベルになる時刻t1に同期して、第1行のリセットパルスφRES(1)がローレベルとなる。すると、第1行のリセットトランジスタ504がオフとなって、フローティングディフュージョン領域508のリセット状態が解除される。同時に、第1行の選択パルスφSEL(1)がハイレベルとなると第1行の選択トランジスタ506がオンとなって、第1行の画像信号の読み出しが可能となる。さらに、フローティングディフュージョン領域508の電位の変化に応じた出力が増幅トランジスタ505及び選択トランジスタ506を介して信号出力線523に読み出され、不図示の読み出し回路に供給されて第1行の画像信号(動画)として外部に出力される。時刻t2から時刻t51における駆動シーケンスは第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
ここで、時刻t31から時刻t51が、撮影周期における動画の1回の蓄積時間1/960秒に相当し、右上がり斜線部領域の蓄積時間602−1として図示される。このような蓄積動作を離散的に8回行い、右上がり斜線部領域の蓄積時間602−1〜602−8として図示される。そして、これら8回の蓄積を加算することで1回分の蓄積と同等の蓄積時間(1/960秒×8回=1/120秒)を得る。なお、蓄積時間602−2〜602−8における制御動作は、蓄積時間602−1とすべて同様であるため説明を省略する。
次に、時刻t6において、タイミング発生部189にて垂直同期信号φVがハイレベルになり、同時に水平同期信号φHがハイレベルになり、次の撮影周期が開始される。そして、時刻t1からt6の間に動画の蓄積時間602−1、602−2、602−3、602−4として加算された画像信号が、時刻t6以降に画像信号(動画)として外部に出力される。ここで、時刻t1〜t31の間隔をリセット期間T0とし、時刻t31〜t38の間隔、および、時刻t38から時刻t6までの時間を、それぞれ蓄積間隔T1〜T8とする。蓄積間隔T1〜T8は、等しくなるように設定されている。また、リセット期間T0と蓄積間隔T1〜T8を合わせると撮影周期T(n)となる。撮影周期T(n)中において、蓄積間隔T1〜T8のそれぞれで蓄積時間は、1/960秒であり、蓄積時間比率Rは全て等しい。
図9は、撮像素子184の第2の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。動画開始からn番目の撮影周期をT(n)として表す。第2の駆動シーケンスでは、図8に示す第1の駆動シーケンスに対して、蓄積時間のみが異なる。蓄積間隔T1〜T7に対応する蓄積時間602−1’〜602−7’は、それぞれ1/1120秒に相当し、蓄積間隔T8に対応する蓄積時間602−8’は1/480秒に相当する。第1の駆動シーケンスと同様、これら8回の蓄積を加算することで一回分の蓄積と同等の蓄積時間(1/1120秒×7回+1/480秒=1/120秒)を得る。
第2の駆動シーケンスでは、蓄積間隔T1〜T8は等しいが、蓄積時間602−1’〜602−7’と蓄積時間602−8’が異なる。すなわち、1撮影周期中において蓄積時間比率が異なる蓄積間隔を有する。ここで、時刻t1から時刻t38までの期間を蓄積期間Ta、時刻t38から時刻t6までの期間を蓄積期間Tbとする。蓄積期間Tbおよび蓄積時間602−8’は、蓄積期間Taに対して短い。蓄積期間Taでは、蓄積間隔T1〜T7のそれぞれにおいて蓄積時間は、1/1120秒である一方、蓄積期間Tbでは、蓄積間隔T8において蓄積時間は、1/480秒である。したがって、蓄積期間Taの蓄積時間比率に対して蓄積期間Tbの蓄積時間比率は大きい。
図10は、本実施形態の効果を示す説明図であり、図8(A)は、レリーズ信号RELと蓄積時間TIMを示すタイミングチャートである。撮影周期T(n−1)以前の撮影周期では、第1の駆動シーケンスによって画像が出力される。図10(B)は、第1の駆動シーケンスによって図5(B)と同様な被写体を撮像した時に得られる画像を示す図である。フレームFr内に、撮影周期中に得られるモーションブラー像Bが画像に記録される。モーションブラー像Bは、被写体Oの移動によって移動方向に均一にぶれた像となる。この時、得られた動画は、1/30秒の撮影周期中に略等間隔で設定された短い蓄積時間を加算することによって1つの画像信号を得るように構成しているため、コマ送り的なパラパラ感のない高品位な動画を得ることができる。
撮影周期T(n−1)中の時刻Trにレリーズ信号RELが入力されると、次の撮影周期T(n)では、第2の駆動シーケンスによって画像が出力される。撮影周期T(n)で生成された単一の画像信号は、1撮影周期Tごとに連続して生成される複数の画像信号に含まれている。そして、動画の一部として映像メモリ190や記録媒体193に記憶されたり、表示部153に表示されたり、外部インターフェース部196や無線インターフェース部198に出力されたりする。また、撮影周期T(n)で生成される単一の画像信号は、静止画として、動画とは別に映像メモリ190や記録媒体193に記憶されたり、表示部153に表示されたり、外部インターフェース部196や無線インターフェース部198に出力されたりする。
図10(C)は、第2の駆動シーケンスによって図5(B)と同様な被写体を撮像した時に得られる画像を示す図である。図5(C)と同様に、フレームFr内に、蓄積期間Taで得られるモーションブラー像Bと、蓄積期間Tbで得られる静止像Sが、重ねて画像に記録される。したがって、第1実施形態と同様に、スローシンクロ撮影の一種としての後幕シンクロと同等の効果が得られる。
撮影周期T(n+1)以降の撮影周期では、第1の駆動シーケンスによって画像が出力される。撮影周期T(n−1)以前と同様に、高品位な動画を得ることができる。本実施形態では、動画の品位への影響を最小限にとどめながら、スローシンクロ撮影と同等の効果が得られた静止画を出力することができる。
以上、本実施形態では、第1実施形態と同様に、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することができる。
(第4実施形態)
次に、本実施形態について説明するが、第1実施形態と同様の部分については同じ番号を付すことで説明を省略する。第1実施形態に対する主な相違点は、蓄積時間比率の制御を、蓄積時間の大小と蓄積間隔の大小の両方で行うことである。
図11は、撮像素子184の第1の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。蓄積時間602−1〜602−7は、等しく1/1120秒に設定されており、蓄積時間602−8は、1/480秒に設定されている。合計8回の蓄積を加算することによって、1/120秒の露光1回分と等価な露光量を得ることができる。また、蓄積間隔T1は、1/120秒、蓄積間隔T2は、1/160秒、蓄積間隔T3〜T4およびT8は1/240秒、蓄積間隔T5〜T7は1/480秒に設定されている。
ここで、時刻t31からt32までを蓄積期間Ta、時刻t32からt33までを蓄積期間Tb、時刻t33からt35までを蓄積期間Tc、時刻t35からt38までを蓄積期間Td、時刻t38から時刻t6までを蓄積期間Teとする。すなわち、1撮影周期である蓄積期間Ta〜Teを合わせた全蓄積期間Tは、第1の期間である蓄積期間Ta〜Tdを合わせた期間と、第1の期間より短い第2の期間である蓄積期間Teに分けられる。蓄積期間Ta〜Teの蓄積時間比率をそれぞれ蓄積時間比率Ra〜Reとしたとき、蓄積時間比率Ra〜Reは、以下のようになる。
Ra=(1/1120)/(1/120)=0.107・・・
Rb=(1/1120)/(1/160)=0.142・・・
Rc=(1/1120)/(1/240)=0.214・・・
Rd=(1/1120)/(1/480)=0.428・・・
Re=(1/480)/(1/240)=0.5
すなわち、1撮影周期中において蓄積時間比率が異なる蓄積間隔を有し、第1の期間における蓄積時間比率Ra〜Rdに対して、第2の期間における蓄積時間比率Reは大きい。
図12は、撮像素子184の第2の駆動シーケンスを示すタイミングチャートである。第1の駆動シーケンスと同様、蓄積時間602−1〜602−7は1/1120秒、蓄積時間602−8は1/480秒であり、合計8回の蓄積を加算することによって、1/120秒の露光1回分と等価な露光量を得ることができる。第1の駆動シーケンスとは異なり、蓄積間隔T1は1/120秒、蓄積間隔T2は1/160秒、蓄積間隔T3〜T4およびT8は1/240秒、蓄積間隔T5〜T7は1/480秒に設定されている。
ここで、時刻t31からt34までを蓄積期間Ta、時刻t34からt36までを蓄積期間Tb、時刻t36からt37までを蓄積期間Tc、時刻t37からt38までを蓄積期間Td、時刻t38から時刻t6までを蓄積期間Teとする。すなわち、1撮影周期である蓄積期間Ta〜Teを合わせた全蓄積期間Tは、第1の期間である蓄積期間Ta〜Tdを合わせた期間と、第1の期間より短い第2の期間である蓄積期間Teに分けられる。蓄積期間Ta〜Teの蓄積時間比率をそれぞれ蓄積時間比率Ra〜Reとしたとき、蓄積時間比率Ra〜Reは、以下のようになる。
Ra=(1/1120)/(1/480)=0.428・・・
Rb=(1/1120)/(1/240)=0.214・・・
Rc=(1/1120)/(1/160)=0.142・・・
Rd=(1/1120)/(1/120)=0.107・・・
Re=(1/480)/(1/240)=0.5
すなわち、1撮影周期中において、蓄積期間Ta〜Teにおける蓄積時間比率は異なり、第1の期間における蓄積時間比率Ra〜Rdに対して、第2の期間における蓄積時間比率Reは大きい。
図13は、本実施形態の効果を示す説明図である。図13(A)は、第1の駆動シーケンスによる蓄積時間を示すタイミングチャート、図13(B)は、第1の駆動シーケンスによって図5(B)と同様な被写体を撮像した時に得られる画像を示す図である。図13(C)は、第2の駆動シーケンスによる蓄積時間示すタイミングチャート、図13(B)は、第2の駆動シーケンスによって図5(B)と同様な被写体を撮像した時に得られる画像を示す図である。
図13(B)、図13(D)に示すように、第1の駆動シーケンスと第2の駆動シーケンスの両方において、第1の期間で得られるモーションブラー像B1〜B7からなるモーションブラー像Bと、第2の期間で得られる静止像Sが、重ねて画像に記録される。したがって、第1実施形態と同様に、スローシンクロ撮影の一種としての後幕シンクロと同等の効果が得られる。また、第1の駆動シーケンスと第2の駆動シーケンスの両方において、静止像Sは同じ像が得られる。
第1の駆動シーケンスでは、蓄積期間Ta〜Tdにおける蓄積間隔を順に短くすることで、蓄積時間比率が徐々に大きくなるように設定されている。蓄積期間Taで得られるモーションブラー像B1、蓄積期間Tbで得られるモーションブラー像B2、蓄積期間Tcで得られるモーションブラー像B3〜B4、蓄積期間Tdで得られるモーションブラー像B5〜B7は、被写体の移動方向の間隔順に短くなる。結果として、図13(B)に示すように、モーションブラー像B1、モーションブラー像B2、モーションブラー像B3〜B4からなるモーションブラー像Bc、モーションブラー像B5〜B7からなるモーションブラー像Bdは、徐々に濃い像として記録される。すなわち、モーションブラー像Bは、前半で薄く後半で濃い像となり、移動する被写体が減速しているかのような表現が可能となる。また、過去の軌跡である前半のモーションブラー像が薄くなるので、時間が経つにつれて残像が薄れていくような表現が可能となる。
第2の駆動シーケンスでは、蓄積期間Ta〜Tdにおける蓄積間隔を順に長くすることで、蓄積時間比率が徐々に小さくなるように設定されている。そのため、図11(B)に示すように、第1の駆動シーケンスとは逆に、モーションブラー像Bは、前半で濃く後半で薄い像となり、移動する被写体が加速しているかのような表現が可能となる。本実施形態では、1撮影周期中において、蓄積時間と蓄積間隔の両方を制御することで、全体の露光量および静止像Sに影響を与えることなく、モーションブラー像Bを自在に制御することができる。
以上、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することができる。
(第5実施形態)
次に、本実施形態について説明するが、第4実施形態と同様の部分については同じ番号を付すことで説明を省略する。第4実施形態に対する主な相違点は、視野内における被写体の移動に合わせて蓄積間隔を変更することである。
図14は、本実施形態の効果を示す説明図であり、図14(A)は、被写体を示す図、図14(B)は、被写体の速度を示すグラフ、図14(C)は、蓄積時間を示すタイミングチャート、図14(D)は、撮像装置によって得られる画像を示す図である。図14(A)で示すように、被写体Oは、撮像装置によって得られるフレームFrに相当する視野Fi中を、矢印方向に減速しながら移動している。本実施形態における視野Fi中の被写体Oの移動とは、被写体Oと撮像装置の相対位置の変化によって発生する。従って、被写体Oの移動とは、被写体Oの移動に起因するものであってもよいし、撮像装置の移動に起因するものであってもよいし、両方に起因するものであってもよい。図14(B)で示すように、被写体Oの移動速度Vは、1撮影周期中に減速し、蓄積期間TaではV1、蓄積期間TbではV2、蓄積期間Tcおよび蓄積期間TdではV3と徐々に遅い速度に変化する。
本実施形態に係る撮像装置は、視野Fi中の被写体Oの移動を検出する検出手段を備えており、その出力から被写体Oの移動速度Vを得る。検出手段としては、例えば、撮像素子184とは別に設けられたLIDARなどの測量装置や、第2の撮像素子によって得られた画像から撮像素子184の像面上の被写体速度を算出する画像認識装置であってもよい。動画撮影であれば、過去フレームの画像から算出された被写体速度の履歴から現フレームでの被写体速度を予測する予測回路であってもよい。また、電動雲台やユーザーのパンニング動作による撮像装置の回転を検出するジャイロや、撮像装置の移動を検出する加速度計などの出力を元に被写体速度を算出する算出回路であってもよい。
本実施形態では、制御手段に相当するタイミング発生部189及びシステム制御CPU178が、検出手段が出力する被写体の移動に応じて撮像素子184の制御を行い、図14(C)に示すタイミングチャートにしたがって露光動作を行う。具体的には、モーションブラー像Bを取得する蓄積期間において蓄積間隔を制御し、移動速度Vが速い時は、蓄積間隔を短くし、移動速度Vが遅い時は蓄積間隔を長くする。
図14(C)において、蓄積時間比率が小さい蓄積期間Ta〜Tcがモーションブラー像Bを取得する第1の期間に相当する。第1の期間の中で、蓄積期間Taにおいては比較的速い被写体速度V1であるため蓄積間隔は短く、蓄積期間Tbにおいては中間の被写体速度V2であるため蓄積間隔は中程度であり、蓄積期間Tcにおいては比較的遅い被写体速度V3であるため蓄積間隔は長い。また、蓄積時間比率が大きい蓄積期間Tdが静止像Sを取得する第2の期間に相当する。
図14(C)で示すタイミングチャートにしたがって露光した場合、図14(D)で示すような画像が得られる。すなわち、フレームFr内に、蓄積期間Taで得られるモーションブラー像Bと、蓄積期間Tbで得られる静止像Sが、重ねて画像に記録される。したがって、第1実施形態と同様に、スローシンクロ撮影の一種としての後幕シンクロと同等の効果が得られる。
また、モーションブラー像Bは、蓄積時間602−1〜602−7に対応し、被写体Oの移動方向に少しずつずれて配置される像B1〜B7によって形成される。前述のように、被写体速度Vが速い時は蓄積間隔を短くし、移動速度Vが遅い時は蓄積間隔を長くしているため、像B1〜B7の間隔はほぼ均等になる。したがって、視野Fi中の被写体Oの移動速度によらず、均一なモーションブラー像Bを得ることができる。
以上、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、簡易な構成で視野内を移動する被写体を自在に表現することが可能な撮像装置を提供することができる。
500 光電変換部
184 撮像素子
1789 システム制御CPU

Claims (8)

  1. 1回の撮影期間を複数の期間に分割して露光し、加算することで画像を取得する撮像装置であって、
    信号電荷を発生する光電変換部を有する撮像素子と、
    前記光電変換部で発生した信号電荷の蓄積時間を制御する制御手段と
    を備え、
    前記制御手段は、前記1回の撮影期間を分割した各期間における蓄積時間を変更する
    ことを特徴とする撮像装置。
  2. 前記1回の撮影期間は、前記蓄積時間の短い第1の期間と前記蓄積時間の長い第2の期間とを有し、
    前記制御手段は、前記1回の撮影期間において、複数の前記第1の期間と、少なくとも1回の前記第2の期間を含むように前記蓄積時間を設定する
    ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記制御手段は、前記第2の期間を前記1回の撮影期間の後半に設定する
    ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
  4. 前記制御手段は、前記1回の撮影期間を分割した各期間における蓄積時間を同等の時間に設定し、前記設定した蓄積時間の時間間隔を変更する
    ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  5. 前記制御手段は、動画撮影中に静止画として撮影する際の前記1回の撮影期間において、複数の前記第1の期間と、少なくとも1回の前記第2の期間を含むように前記蓄積時間を設定する
    ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
  6. 前記制御手段は、前記1回の撮影期間において、複数の前記第1の期間と、少なくとも1回の前記第2の期間を含み、かつ前記第1の期間と前記第2の期間の蓄積時間の時間間隔を変更する
    ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
  7. 視野内の被写体の移動を検出する検出手段
    をさらに備え、
    前記制御手段は、前記検出手段が出力する被写体の移動に応じて、前記第1の期間と、前記第2の期間と、前記第1の期間と前記第2の期間の蓄積時間の時間間隔を設定する
    ことを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
  8. 信号電荷を発生する光電変換部を有する撮像素子を備え、1回の撮影期間を複数の期間に分割して露光し、加算することで画像を取得する撮像装置の制御方法であって、
    前記光電変換部で発生した信号電荷の蓄積時間を制御する制御工程
    を有し、
    前記制御工程では、前記1回の撮影期間を分割した各期間における蓄積時間を変更する
    ことを特徴とする撮像装置の制御方法。
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