JP3524117B2 - 露光制御装置及びそれを用いた撮像装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像対象の明るさが一
定でなくとも鮮明に撮像を行うことを可能にする露光制
御装置及びそれを用いた撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、ビデオカメラやファクシ
ミリその他の撮像機能を有する光学機器において、フリ
ッカ等を抑制することは、撮像対象を鮮明に撮像するた
めの最も重要な技術的課題の一つである。即ち、典型的
な場合としては、撮像対象を照明するための外部照明装
置の発光照度が商用電源の周波数変化に応じて周期的に
変化し、これに応じて光度が変化する撮像対象を撮像し
て、その撮像によって得られた映像信号に基づいて画像
再生を行うと、再生画像にフリッカ（ちらつき）が発生
し、鮮明な再生画像を得ることができない。

【０００３】従来は、このようなフリッカを抑制するた
めに次のような技術的手段が講じられていた。尚、ＣＣ
Ｄ等の固体撮像デバイスを適用した撮像装置における従
来技術を説明するものとする。

【０００４】第１の従来例としては、商用電源で作動す
る外部照明装置で撮像対象を照明する場合を予め想定
し、固体撮像デバイスの露光期間を商用電源の周波数に
同期した固定周期に設定するものである。従って、日本
国内では５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電源が適用されて
いるので、固定周期の露光期間は、これらの周波数に同
期し且つフリッカの発生を抑制することができるタイミ
ングを狙って予め決められる。

【０００５】第２の従来例としては、露光期間を予め固
定化するのではなく、撮像対象の現実の光度の変化を逐
一測定し、且つ測定結果を統計的に処理することによっ
て、最適の露光期間を決定するものがある。具体的に
は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電源で作動する外部照
明装置を用いる場合には、予め決められた露光期間Ｔ_D
で固体撮像デバイスを露光すると共に、そのピクセルに
蓄積される映像信号（電荷信号）を露光期間Ｔ_D 内にお
いて例えば２０回サンプリングし、夫々サンプリングし
た映像信号の輝度レベルの分散値を統計的に算出する。
尚、露光期間Ｔ_Dは、５０Ｈｚの商用電源に対応して予
め１０ｍＳ、６０Ｈｚの商用電源に対応して予め８．３
３ｍＳの２種類の時間が設定されており、夫々の露光期
間Ｔ_D について上記２０回のサンプリングと夫々の分散
値を算出する。そして、これらの分散値に基づいてフリ
ッカ周期Ｔ_f が５０Ｈｚか６０Ｈｚか、又はそれ以外の
フリッカ周期かの判断を行う。

【０００６】次に、このようにして求めたフリッカ周期
Ｔ_f と露光期間Ｔ_D 及びこれらの最小公倍数の時間Ｔ
_LCM と、サンプリング回数ｎ₁ （＝２０）について、次
式(1)の関係式を満足する係数ｎ₂ を算出する。

【０００７】 ｎ₁ ×Ｔ_f ＝ｎ₂ ×Ｔ_D ＝Ｔ_LCM … (1) 次に、ピクセルに蓄積される映像信号を、露光期間Ｔ_D
内に時間Ｔ_LCM の周期でｎ₂ 回サンプリングし、夫々サ
ンプリングした映像信号の輝度レベルの平均値を求め、
更に、かかる処理を例えば合計２０回繰り返すことによ
って、２０個の平均値Ｘ₁ 〜Ｘ₂₀を算出し、更にこれら
２０個の平均値Ｘ₁ 〜Ｘ₂₀の平均値ＡＴ_D ＝（Ｘ₁ ＋Ｘ
₂ ＋……＋Ｘ₁₉＋Ｘ₂₀）／２０を算出する。

【０００８】次に、最小公倍数の時間Ｔ_LCM を露光期間
とし、その時間Ｔ_LCM 内にピクセルに蓄積される映像信
号をｎ₂ 回サンプリングすると共に、夫々サンプリング
した映像信号の輝度レベルが平均値ＡＴ_D と等しくなる
様に最終的な露光期間Ｔ_D ’を決定する。

【０００９】このような統計的な処理を行うと、撮像対
象の光度が低い場合（即ち、外部照明装置の照度が低い
場合）には、決定される露光期間Ｔ_D ’が長くなり、逆
に撮像対象の光度が高い場合（即ち、外部照明装置の照
度が高い場合）には、決定される露光期間Ｔ_D ’が短く
なることから、現実の撮像対象の光度に応じて露光期間
Ｔ_D ’が可変調整され、フリッカが抑制されることとな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術にあっては次のような問題点があった。

【００１１】（第１の従来例の問題点）この従来技術
は、フリッカ発生の原因を予め想定しておき、例えば５
０Ｈｚや６０Ｈｚの商用電源で作動する外部照明装置を
用いる場合には、かかる商用電源の周波数に対応した固
定の露光期間が設定される。したがって、他の周波数で
周期的に照度が変動する外部照明装置を用いた場合に
は、フリッカを抑制することができないという問題があ
る。

【００１２】又、この従来技術は、露光期間をフリッカ
周期の１以上の整数倍に設定するものであって、フリッ
カ周期より短い露光期間を設定することができない。即
ち、フリッカ周期より短時間での高速露光を実現するこ
とができない。この結果、例えば、撮像素子の各ピクセ
ルに発生する映像信号（電荷信号）をある時には高速で
又ある時には低速で順次走査読出しする等の、順次走査
読出しを可変制御することができない。

【００１３】又、カラー撮像を行う撮像装置に適用され
る場合には、赤（Ｒ）、青（Ｂ）及び緑（Ｇ）の全ての
ピクセルについての露光期間が一律に固定化されるの
で、赤（Ｒ）、青（Ｂ）及び緑（Ｇ）の夫々のピクセル
についての露光期間を独立に可変制御しつつ逐一ホワイ
トバランス調整を行うことができない。

【００１４】（第２の従来例の問題点）この従来技術に
あっては、露光期間を可変調整することによりフリッカ
を抑制するものであるので、第１の従来例よりも汎用性
があると言える。しかし、これにも限界があり、上述し
たように、５０Ｈｚと６０Ｈｚの商用電源に対応し得る
程度の極めて狭い範囲で露光期間を調整してフリッカを
抑制することができるのに止まる。

【００１５】特に、統計的処理のアルゴリズムが複雑で
あるので、最適な露光期間Ｔ_D ’を決定するのに長時間
を要する問題がある。例えば、露光期間とフリッカ周期
との最小公倍数の時間Ｔ_LCM が比較的小さな値の場合に
は比較的問題がないが、しかし、露光期間の制御範囲が
全く任意である場合には時間Ｔ_LCM が極めて大きくなる
可能性があることから統計的処理の計算量が膨大とな
り、高速露光を繰り返して行う等の技術に適用すること
ができないという問題を生じる。

【００１６】又、このように撮像対象の光度の変化に応
じて露光期間を変化させる手段は、フリッカの抑制とい
う点に関しては効果的であるが、周知のように固体撮像
デバイスでは暗電流が発生するので、ピクセルに発生す
るピクセル信号（電荷信号）に対する暗電流の影響が、
露光期間の長短によって異なる。したがって、このよう
に露光期間を可変制御することは、画質の劣化を招来す
る問題がある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、撮像対象の明るさの変化を検出する
光電変換素子と、該光電変換素子の検出信号の振幅が予
め設定されたしきい値レベルより大きいときは第１の論
理レベル、該しきい値レベルより小さいときは第２の論
理レベルに２値化変換することにより２値化信号に変換
する比較手段と、該比較手段の２値化信号が変化する時
点から予め決められた期間を露光期間とし、明るさが定
常状態より変動した場合に露光を停止するタイミング制
御手段とを具備する構成とした。

【００１８】又、撮像対象を撮像する固体撮像デバイス
等の撮像素子と、該撮像対象の明るさの変化を検出する
光電変換素子と、該光電変換素子の検出信号の振幅が予
め設定されたしきい値レベルより大きいときは第１の論
理レベル、該しきい値レベルより小さいときは第２の論
理レベルに２値化変換することにより２値化信号に変換
する比較手段と、該比較手段の２値化信号が変化する時
点から予め決められた期間を、上記撮像素子の露光期間
とし、明るさが定常状態より変動した場合に露光を停止
するタイミング制御手段とを具備し、原稿を読取る構成
とした。

【００１９】

【作用】このような構成の露光制御装置及び撮像装置に
よれば、撮像対象の明るさの変化点を比較手段が検知
し、この変化点に同期して露光開始が行われ且つその露
光開始時点から一定の露光期間で露光が行われることと
なり、したがって、撮像対象の現実の明暗変化（フリッ
カ周期）に同期して露光が行われることとなるので、フ
リッカ等を抑制することができる。又、外部照明の照度
が変動したり遮光状態となるような不規則な照度変化状
態が生じてもそれに追従して露光を停止させ撮像動作を
行わないことにより、鮮明な画像撮像のみを実現するこ
とが可能である。

【００２０】

【実施例】以下本発明の一実施例を図１及び図２と共に
説明する。まず、図１に基づいて本発明による露光制御
装置を具備した撮像装置の構成を説明する。尚、この実
施例は、撮像素子として、複数のフォトダイオードで構
成されるピクセル群とこのピクセル群にトランスファゲ
ートを介して併設された電荷転送路を有し且つ露光によ
りピクセル群に蓄積される電荷信号を電荷転送路により
走査読出しすることによって映像信号を出力するＣＣＤ
固体撮像デバイス１が適用されている。

【００２１】ＣＣＤ固体撮像デバイス１の前方には、撮
像対象２の像をピクセル群に結像するための光学系３が
配置されている。タイミング制御回路４は、ＣＣＤ固体
撮像デバイス１の露光開始時点を指定制御する露光開始
制御信号Ｓ_BNと露光終了時点を指定制御する露光終了制
御信号Ｓ_ENと、撮像によってピクセル群に蓄積された電
荷信号をトランスファゲートを介して電荷転送路へ転送
させると共に電荷転送路に電荷転送動作を行わせること
により各ピクセルに対応する映像信号（ピクセル信号）
Ｐｉを点順次に走査読出しさせる走査読出制御信号Ｓ_C
等を発生する。尚、詳細は後述するが、タイミング制御
回路４は、一連の撮像動作を集中制御するためのマイク
ロプロセッサ等の主制御回路４ａと、制御信号Ｓ_BN，Ｓ
_ENと走査読出制御信号Ｓ_C とを形成するタイミングジェ
ネレータ４ｂを具備している。

【００２２】フォトダイオード等の光電変換素子５は、
測定対象２の明るさを検出するために光学系３に隣接し
て設けられている。そして、光電変換素子５がその光電
変換機能によって出力する検出信号Ｓ_Ｐ は増幅回路５
ａで増幅され、更に、増幅回路５ａから出力される増幅
後の検出信号Ｓ_Ｐ ’が比較回路６の非反転入力接点に
供給され、比較回路６の反転入力接点には任意の基準電
圧Ｖ_Ｒ を設定することができる可変電圧回路７が接続
されている。即ち、比較回路６は、検出信号Ｓ_Ｐ ’の
振幅が基準電圧Ｖ_Ｒ より大きな場合には論理“Ｈ”、
検出信号Ｓ_Ｐ’の振幅が基準電圧Ｖ_Ｒ より小さな場合
には論理“Ｌ”となる２値化信号Ｓ_ＨＬを発生し、この
２値化信号Ｓ_ＨＬはタイミング制御回路４に供給され
る。

【００２３】尚、タイミング制御回路４は、２値化信号
Ｓ_HLが論理“Ｌ”から“Ｈ”に反転するのに同期して露
光開始を指示する露光開始制御信号Ｓ_BNと、その時点か
ら予め決められた露光期間τ₀ の経過時点で露光終了を
指示する露光終了制御信号Ｓ_ENと、その露光完了時点か
ら走査読出しを行わせる走査読出制御信号Ｓ_C をＣＣＤ
固体撮像デバイス１に供給する処理を繰り返す。

【００２４】次に、かかる構成の実施例の動作を図２に
基づいて説明する。尚、動作を明確化するための典型例
として、図１に示すように、測定対象２は、５０Ｈｚや
６０Ｈｚの商用電源によって動作する蛍光灯等の外部照
明装置Ａによって照明され、又、このような照明下で外
部照明装置Ａと測定対象２の間に何等かの移動物Ｂがα
方向等に移動することによって照明が遮られたり、又
は、他の外部照明（図示せず）が点灯することによって
測定対象２の照度が上昇する等の要素により、測定対象
２の光度が変動した場合を前提に説明するものとする。

【００２５】したがって、商用電源が安定した状態で特
定の外部照明装置Ａのみで照明が行われている場合に
は、５０Ｈｚや６０Ｈｚの商用電源の周期的電圧変化に
従って外部照明装置Ａの照度が周期的に変化するので、
光電変換素子５から出力される検出信号Ｓ_Ｐ は、図２
（ａ）に示すように、５０Ｈｚや６０Ｈｚで周期的に振
幅変化する。又、例えば、ある期間τ_１ において商用
電源に電圧降下が発生して外部照明装置Ａの照度が低下
したような場合には、同図（ａ）に示すように、検出信
号Ｓ_Ｐ の最大振幅が小さくなる。又、ある期間τ_２
において他の外部照明装置が点灯して測定対象２への照
度が上昇した場合には、同図（ｂ）に示すように、検出
信号Ｓ_Ｐ の振幅が全体的に上昇し、又、ある期間τ
_３ において移動物Ｂが外部照明装置Ａを遮光するよう
な場合には、同図（ｂ）に示すように、検出信号Ｓ_Ｐ
の振幅が全体的に下降する。このような現象が時系列的
に発生したような場合には、増幅回路５ａを介して出力
される検出信号Ｓ_Ｐ ’は、同図（ｃ）に示すようにな
る。

【００２６】同図（ｃ）に示すような検出信号Ｓ_P ’が
比較回路６に入力されるものとすると、比較回路６は可
変電圧回路７に予め設定された基準電圧Ｖ_R と検出信号
Ｓ_P’の振幅を比較し、Ｓ_P ’≧Ｖ_R のときは論理
“Ｈ”、Ｓ_P ’＜Ｖ_R のときは論理“Ｌ”となる２値化
信号Ｓ_HLを発生する。即ち、２値化信号Ｓ_HLは同図
（ｄ）に示すように、期間τ₁ ，τ₂ ，τ₃ を除く期間
では検出信号Ｓ_P ’の周期に同期して論理が反転する矩
形波となり、期間τ₁ ，τ₂ ，τ₃ では、検出信号
Ｓ_P’の振幅の大きさに応じて継続的に論理“Ｈ”又は
論理“Ｌ”となる。

【００２７】タイミング制御回路４は、このような２値
化信号Ｓ_HLが供給されると、同図（ｄ）の一部分を時間
的に拡大して示す同図（ｅ）〜（ｉ）のように、２値化
信号Ｓ_HLが論理“Ｈ”に反転する時点に同期して短時間
論理“Ｈ”の露光開始信号Ｓ_BNを発生することにより、
ＣＣＤ固体撮像装置１に露光を開始させ、更に、その露
光開始時点から一定時間τ₀ が経過する時点で短時間論
理“Ｈ”となる露光終了信号Ｓ_ENを発生することにより
ＣＣＤ固体撮像装置１に露光を停止させる。尚、この期
間τ₀ に限定して露光させるには周知の電子シャッター
技術等が適用されている。更に、同図（ｈ）に示すよう
に、露光終了信号Ｓ_ENが論理“Ｈ”から“Ｌ”に反転す
る時点から走査読出信号Ｓ_C を発生して電荷転送路を駆
動させることにより、同図（ｉ）に示すように、ＣＣＤ
固体撮像装置１からは、ピクセル配列に順じた（即ち、
点順次）映像信号Ｐｉが出力される。

【００２８】ここで、期間τ₁ ，τ₂ ，τ₃ のように、
測定対象２の明るさが定常状態よりも極端に変動した場
合には、２値化信号Ｓ_HLの論理が“Ｈ”又は“Ｌ”とな
って変化しないので、このような期間（例えば、
τ_OFF ）では露光開始信号Ｓ_BNと露光終了信号Ｓ_EN及び
走査読出信号Ｓ_C が発生されず、よってＣＣＤ固体撮像
装置１は撮像動作を行わない。

【００２９】このようにこの実施例によれば、蛍光灯等
の外部照明装置によって測定対象を照明するような場合
でも、その照度の変化に同期して露光を行うので、フリ
ッカが完全に抑制される。特に、照度が増加する期間に
露光を行うように制御するので、鮮明な画像を得ること
ができると共に、露光期間を短縮化することができる。
更に、露光期間τ₀ は予め固定化されるものであるけれ
ども、任意に変更することができるものであるのでフリ
ッカ周期とは関係なく設定することができ、例えば高速
露光と高速撮像等を行うことができる。又、撮像素子と
してカラー撮像素子を用いた場合、夫々の色のピクセル
について個々独立に露光期間を設定することができるの
で、露光期間に基づいてホワイトバランスを調整するこ
とが可能となる。

【００３０】又、外部照明の照度が極端に変動したり遮
光状態となるような不規則な照度変化状態が生じてもそ
れに追従して露光を停止させるので、鮮明な画像撮像の
みを実現することが可能である。

【００３１】このような優れた効果が発揮される結果、
外部照明によって照明された原稿等を光学的に読取るイ
メージリーダーやファクシミリ等に適用すると優れた効
果を得ることができ、又、常に一定照度で発光する特殊
な照明装置等を必要としないで、通常の照明環境内での
高品質の画像読取りが可能となる。

【００３２】尚、この実施例では比較手段６の立ち上が
りパルスに同期した場合について説明したが、当然なが
ら立ち下がりパルスを利用してもよい。またＣＣＤ固体
撮像デバイスを適用する場合を説明したが、ＭＯＳ型固
体撮像デバイスその他の周知の撮像素子にも用いること
ができる。

【００３３】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
露光制御装置は、撮像対象の明るさの変化を検出する光
電変換素子と、該光電変換素子の検出信号の振幅が予め
設定されたしきい値レベルより大きいときは第１の論理
レベル、該しきい値レベルより小さいときは第２の論理
レベルに２値化変換することにより２値化信号に変換す
る比較手段と、該比較手段の２値化信号が変化する時点
から予め決められた期間を露光期間とし、明るさが定常
状態より変動した場合に露光を停止するタイミング制御
手段とを具備する構成としたので、次のような効果が得
られる。

【００３４】即ち、照明装置と撮像対象との間に何等か
の物体が介在する等して撮像対象に影が入るような不規
則な照度変化があっても、その影の写り込みを撮像せず
常に最適な光度の想定対象を撮像することができる。
又、照明装置の照度が周期的に変化するような場合でも
その周期に同期して露光期間が設定されるのでフリッカ
を抑制することができる。更に、かかる露光期間は任意
に設定する事ができるので、高速露光等の広範囲の応用
が可能である。露光期間を照明装置の照度が高く成る期
間に同期させることにより露光期間を短縮化することが
できる。又、本発明の露光制御装置から制御信号が出力
されない場合には照明装置の照度変化が無い状態である
と検知することができるという副次的効果が得られるの
で、この状態に基づいて蓄積期間とそのタイミングを自
由に制御することができるという応用も可能である。カ
ラー撮像素子を用いて撮像を行う場合、赤（Ｒ），緑
（ｇ），青（Ｂ）の夫々のピクセルの露光期間を個々独
立に制御することができるので、露光期間を可変制御す
ることによってホワイトバランスを調整することが可能
である。又、外部照明の照度が変動したり遮光状態とな
るような不規則な照度変化状態が生じてもそれに追従し
て露光を停止させ撮像動作を行わないことにより、鮮明
な画像撮像のみを実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施例の構成を示す構成説明図
である。

【図２】一実施例の動作を説明するためのタイミングチ
ャートである。

【符号の説明】

Ａ…外部照明装置、Ｂ…移動物体、１…ＣＣＤ固体撮像
デバイス、２…撮像対象、３…光学系、４…タイミング
制御回路、４ａ…主制御回路、４ｂ…タイミングジェネ
レータ、５…光電変換素子、５ａ…増幅回路、６…比較
回路、７…可変電源回路。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−135986（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−227581（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−86666（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−31274（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/235 H04N 1/028

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 撮像対象の明るさの変化を検出する光電
   変換素子と、 該光電変換素子の検出信号の振幅が予め設定されたしき
   い値レベルより大きいときは第１の論理レベル、該しき
   い値レベルより小さいときは第２の論理レベルに２値化
   変換することにより２値化信号に変換する比較手段と、 該比較手段の２値化信号が変化する時点から予め決めら
   れた期間を露光期間とし、明るさが定常状態より変動し
   た場合に露光を停止するタイミング制御手段と、 を具備することを特徴とする露光制御装置。
2. 【請求項２】 撮像対象を撮像する撮像素子と、 該撮像対象の明るさの変化を検出する光電変換素子と、 該光電変換素子の検出信号の振幅が予め設定されたしき
   い値レベルより大きいときは第１の論理レベル、該しき
   い値レベルより小さいときは第２の論理レベルに２値化
   変換することにより２値化信号に変換する比較手段と、 該比較手段の２値化信号が変化する時点から予め決めら
   れた期間を、上記撮像素子の露光期間とし、明るさが定
   常状態より変動した場合に露光を停止するタイミング制
   御手段とを具備し、 原稿を読取る ことを特徴とする撮像装置。
3. 【請求項３】 前記撮像素子は、固体撮像デバイスであ
   ることを特徴とする請求項２の撮像装置。