JP3607870B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像素子における暗出力を補正する機能を有した撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、主として静止画を撮像記録するために、電子スチルカメラ（デジタルカメラ）が開発されている。また、動画記録用であったビデオカメラにおいては、静止画撮影記録機能が付加されるようになっている。そして、これらのカメラにおける静止画撮影に際しては、撮像素子における電荷蓄積時間を長くすることによって露光時間を長くする、いわゆる長時間露光技術が用いられている。この長時間露光技術では、低照度下でもストロボなどの補助照明を使用することなく撮影することができる。
【０００３】
一方、撮像素子においては、いわゆる暗電流などによる暗出力が存在するため、この暗出力が画像信号に重畳されることにより画質劣化を来す問題がある。暗出力による画質劣化を補う方法として、その画素の出力情報を用いて暗出力レベル分を当該画素信号出力レベルから差し引いて信号成分だけを取り出すことは、例えば特開昭６０−５３３８３号公報にも記載されており公知である。本明細書においては、このような劣化画素の信号出力から暗出力分を除去する処理を暗出力補正と称する。この補正は、解像度劣化等を生じず本来の画素情報が得られる点で原理的に優れたものである。
【０００４】
しかし、従来の技術を用いて単純に暗出力補正を行うと、現実の電子スチルカメラに使用される撮像素子の出力レンジが限られているため、暗出力レベルが大きい場合は補正によって却って偽信号を生じ、画質劣化を来す不具合があった。具体例を挙げて説明する。着目する画素に高いレベル（撮像素子の飽和レベルの５０％とする）の暗出力が発生していたとする。この場合、暗出力補正による暗出力成分の減算によって暗出力は除去されるものの、着目する画素に関して得られる出力信号は最大でも本来の被写体輝度レベルの５０％である。即ち、着目する画素の飽和レベルが低下するため、実際に撮影する被写体が明るい場合は、いわゆる黒キズとなってしまうことになる。
【０００５】
ここで解説を加えると、暗出力補正には上記のような問題があるため、従来暗出力による画質劣化への対処は、主として画素欠陥補償技術によって処理されていた。この画素欠陥補償技術は、暗出力レベルが所定レベルより大きい劣化画素については「欠陥画素」と認定し、この画素の情報を無効として近隣の画素情報で代替するものである。この画素欠陥補償技術は、「欠陥画素」が孤立的に少数生じているだけの場合には極めて有効なものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の画素欠陥補償技術では、当該劣化画素が有する画素情報を無効として破棄するものであるから、原理的に局所的な解像度劣化は避けられない。特に、高温下や長時間露光等により画面全体に亘って多数の画素の暗出力レベルが増大してきた場合には、実質的な有効画素数が極端に低下するため、大きな画質劣化を生じてしまう。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、従来の暗出力補正技術に対して改良を施し、暗出力補正を行う際に撮像素子やシステムの飽和に起因して生じる上記問題点を解決し、特に高温下や長時間露光時等、画面全体に亘って多数の画素の暗出力レベルが増大してくるような場合にも適用可能で、良好な画像の得られる撮像装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【０００９】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
即ち本発明は、複数の画素が２次元配置された撮像素子と、前記撮像素子の出力信号である撮像信号に重畳される暗出力レベルを各画素毎に検出する暗出力レベル検出手段と、前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルに基づいて前記撮像信号を補正する暗出力補正手段とを具備してなる撮像装置であって、前記暗出力補正手段は、前記撮像信号をデジタル信号として入力し、当該入力デジタル信号のビット数よりも小さいビット数のデジタル信号として出力するように構成され、前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルに応じて前記撮像信号の被写体成分に対する実効的なゲインを設定するものであり、前記暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、「前記暗出力補正手段の出力側の飽和レベルに対応する値」を「前記暗出力補正手段の入力側の飽和レベルに対応する値」と「前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルの最大値」との差で除算した結果値以上の値に設定されることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、撮像装置であって、複数の画素が２次元配置された撮像素子と、前記撮像素子の出力信号である撮像信号に重畳される暗出力レベルを各画素毎に検出する暗出力レベル検出手段と、前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルに基づいて、各画素毎に前記撮像信号から暗出力成分を除去する補正を行い、前記補正した撮像信号に対し前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルの最大値に応じてクリップレベルを設定し、且つ前記補正した撮像信号に対し前記設定したクリップレベルに応じて実効的なゲインを設定する暗出力補正手段と、前記暗出力補正手段におけるゲイン設定に応じて、前記撮像素子における露出を補正する露出補正手段とを具備してなり、さらに前記露出補正手段により補正された露出時間に基づいて、前記クリップレベルを補正するように構成されてなることを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【００１５】
（１） 出力補正手段は、暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルの最大値でクリップレベルを設定すること。
【００１６】
（２） 撮像素子に対する露光を遮断した状態で該撮像素子における電荷蓄積及び読み出し動作を実行するテスト撮像手段を有し、暗出力レベル検出手段における暗出力レベルの検出は、テスト撮像手段によるテスト撮像時間と、テスト撮像手段によって得られた撮像素子出力レベルと、本撮像時の露出制御における電荷蓄積時間と、に基づいて本撮像時の暗出力レベルを算出することによって行われること。
【００１７】
（３） テスト撮像時間と本撮像時の電荷蓄積時間とは同じであり、テスト撮像手段によって得られた撮像素子出力レベルを本撮像時の暗出力レベルとして算出すること。
【００１８】
（４） テスト撮像時間と本撮像時の電荷蓄積時間とは異なり、テスト撮像手段によって得られた撮像素子出力レベルＸを、テスト撮像手段によるテスト撮像時間Ｙと本撮像時の露出制御における電荷蓄積時間Ｚとの比Ｙ／Ｚに乗じることによって、本撮像時の暗出力レベルを算出すること。
【００１９】
（５） テスト撮像時間は、本撮像時の電荷蓄積時間よりも短いこと。
【００２０】
（６） 暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、「暗出力補正手段の出力側の飽和レベルに対応する値」を「暗出力補正手段の入力側の飽和レベルに対応する値」と「暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルの最大値」との差で除算した結果値に基づいて決定されること。
【００２１】
（７） 暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、除算の結果値以上であること。
【００２２】
（８） 暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、ステップ状に制御されるものであること。
【００２３】
（９） 暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、除算の結果値と等しいこと。
【００２４】
（１０）暗出力補正手段におけるゲイン設定に応じて、撮像素子における露出を補正する露出補正手段を有したこと。
【００２５】
（１１） 各々の画素において入力信号Ｓｉｇ（ｉ，ｊ）から暗出力Ｓｄ（ｉ，ｊ）を減じた中間データ（Ｓｉｇ（ｉ，ｊ）−Ｓｄ（ｉ，ｊ））に対し、最大入力レベルＳａｔから１画面の最大暗出力レベルＳｍを減じた値（Ｓａｔ−Ｓｍ）をクリップレベルとして設定すること。
【００２６】
（作用）
本発明によれば、
上記構成の本発明によれば、暗出力レベルに応じて映像信号の被写体信号成分に対するクリップレベルを設定し、さらに必要に応じて実効的なゲインを設定することにより、暗出力補正を行いつつ黒キズなどの偽信号を生じることがないという優れた効果を有する。従って、暗出力補正を行う際に撮像素子やシステムの飽和に起因して生じる問題点を解決し、特に高温下や長時間露光時等、画面全体に亘って多数の画素の暗出力レベルが増大してくるような場合にも適用可能で、良好な画像の得られる撮像装置を実現することが可能となる。
【００２７】
また、テスト撮像によって得られた撮像素子出力レベルと、本撮像時の露出制御における電荷蓄積時間とに基づいて本撮像時の暗出力レベルを算出することにより、テスト撮像の露出時間に関して制約が少なく、例えばレリーズタイムラグを小さくできるなど使い勝手の向上をはかることが可能となる。さらに、撮像信号の被写体成分に対する実効的なゲインを、「暗出力補正手段の出力飽和レベル値」を「上記撮像信号の飽和レベル値」と「上記暗出力検出手段の検出した暗出力レベルの最大値」との差で除した値に設定することにより、「飽和に起因する擬似信号の発生を生じない」ようにしつつ、その際の実効的な入出力レンジを等しく合わせることが可能となる。さらにまた、上記実効的なゲインに応じて露出を補正することにより、暗出力を生じない通常の被写体を撮像した場合と同等の撮像特性の高画質な画像が得られるという優れた効果を有する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２９】
（実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係わる電子スチルカメラの基本構成を示すブロック図である。なお、本実施形態では静止画を撮像するためのスチルカメラとして説明するが、静止画に加えて動画撮像機能を有するものであってもよい。
【００３０】
図１中、１０１は、被写体からの光線をカメラ内に導くための複数のレンズからなる撮影用レンズ系である。このレンズ系１０１は、レンズ駆動機構１０２によって駆動されて被写体に焦点が合わされる。露出を制御するための露出制御機構１０３は、絞り及びこの絞りを駆動する駆動機構を含み、レンズ系１０１を通過した光線の入射光量を制限してその絞りを制御するために設けられている。また、この露出制御機構１０３内には、メカシャッタが設けられている。露出制御機構１０３を通過した光線は、ローパス及び赤外カット用のフィルタ１０４を介してＣＣＤカラー撮像素子１０５に導かれる。従って、ＣＣＤカラー撮像素子１０５には、被写体に対応した画像が結像される。
【００３１】
ここで、露出制御機構１０３に備えられたメカシャッタは、光学的シャッタを代表するものとして従来のアナログ・カメラで用いられているギロチンシャッタ（ｇｕｉｌｌｏｔｉｎｅ ｓｈｕｔｔｅｒ）やｆｏｃａｌ−ｐｌａｎｅ ｓｈｕｔｔｅｒがある。このメカシャッタ以外の光学的シャッタとしては、例えば液晶シャッタ或いはＰＬＺＴシャッタ等がある。また、ＣＣＤカラー撮像素子１０５の入射面には、Ｒ，Ｇ，Ｂ（ｒｅｄ，ｇｒｅｅｎ ａｎｄ ｂｌｕｅ）の色フィルタが設けられている。
【００３２】
ＣＣＤカラー撮像素子１０５は、駆動信号を発生するＣＣＤドライバ１０６によって駆動される。ＣＣＤカラー撮像素子１０５からは、色フィルタに対応して各色、例えばＲ，Ｇ，Ｂの画素信号が発生され、このＲ，Ｇ，Ｂの画素信号がＡ／Ｄ変換器等を含むプリプロセス回路１０７に入力され、デジタル化された画素信号がこのプリプロセス回路１０７から出力される。この画素信号は、デジタルプロセス回路１０８に入力され、このデジタルプロセス回路１０８において、色信号生成処理，マトリックス変換処理，その他各種のデジタル処理が施されてカラー画像データが生成される。そして、このカラー画像データがカードインターフェース１０９を介してＣＦ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃａｒｄ）等のメモリカード１１０に格納され、また、ＬＣＤ１１１にカラー画像として表示される。
【００３３】
また、図１に示す電子スチルカメラは、その各部を統括的に制御するためのシステムコントローラ（ＣＰＵ）１１２を備えている。レリーズボタンを含む各種ＳＷからなる操作スイッチ１１３が操作されると、システムコントローラ１１２は、操作スイッチ１１３の操作に応じてその操作モードを設定し、操作表示装置１１４にその操作状態及びモード状態等を表示させる。また、システムコントローラ１１２は、操作スイッチ１１３、例えばレリーズボタンの操作に応答してレンズドライバ１１５にレンズドライブの指示、例えばフォーカス指示を与える。このレンズドライバ１１５からのレンズ駆動信号に従って、レンズ駆動機構１０２が制御されてレンズ系１０１のレンズが動作され、ズーミング或いはフォーカス等が実現される。さらに、このカメラは、被写体に光線を照射する発光手段としてのストロボ１１６を備えている。このストロボ１１６は、露出制御ドライバ１１７によって制御され、その発光光量がこの露出制御ドライバ１１７によって決定され、適切な光量の光線が被写体に向けて照射される。システムコントローラ１１２には、各種設定情報等を記憶するための不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１１８が接続されている。不揮発性メモリ１１８に格納された各種のパラメータによってシステムコントローラ１１２は、各部を制御するための制御信号を演算して制御信号として各部に与えている。
【００３４】
図１に示された電子スチルカメラにおいては、上述したようにシステムコントローラ１１２が全ての制御を統括的に行っている。即ち、露出制御機構１０３に含まれるシャッタ及びＣＣＤドライバ１０６によるＣＣＤ撮像素子１０５の駆動を制御することによって、露光（電荷蓄積）及び信号の読み出しを実行する。そして、読み出した信号をプリプロセス回路１０７を介してデジタルプロセス回路１０８に取り込ませ、各種信号処理を施した後に、カードインターフェース１０９を介してメモリカード１１０に記録させている。なお、上記各種信号処理には、後述する本発明の要部であるところの暗出力補正処理が含まれている。但し、本カメラにおいて信号レベルのデジタル処理は８ビット（０〜２５５）で行われるものとする。また、後に特記する部分を除いては常温を仮定して説明する。
【００３５】
図２は、ＣＣＤカラー撮像素子１０５の素子構造を示す平面図である。受光素子としてフォトダイオード２０１がマトリクス配置されている。フォトダイオード２０１間に縦列方向に複数本の垂直ＣＣＤ２０２が配置され、垂直ＣＣＤ２０２の端部に横列方向に１本の水平ＣＣＤ２０３が配置されている。そして、フォトダイオード２０１に蓄積された信号電荷は電荷移送パルスＴＧにより垂直ＣＣＤ２０２に読み出され、垂直ＣＣＤ２０２内を紙面下方向に転送される。垂直ＣＣＤ２０２を転送した信号電荷は水平ＣＣＤ２０３に移送され、この水平ＣＣＤ２０３を紙面左方向に転送され、最終的に読み出しアンプであるＦＤＡ（フローティングディフュージョンアンプ）２０４を介して出力されるようになっている。
【００３６】
図３は、デジタルプロセス回路１０８における暗出力補正部の構成を機能的に示すブロック図である。シャッタを閉じた状態での一定時間の露光により得られる信号を基に、暗出力検出部３１０により暗電流が検出される。一方、通常露光による撮像信号は暗出力補正回路３２０に入力され、暗出力減算部３２１により撮像信号から暗電流成分が減算される。ここまでは、従来の暗出力補正と同じである。本実施形態では、これに加えて、クリップレベル設定部３２２及びゲイン設定部３２３が設けられている。クリップレベル設定部３２２では、暗出力検出部３１０により得られた暗電流成分を基に、暗出力減算部３２１により得られた信号に対するクリップレベルが設定される。ゲイン設定部３２３では、暗出力検出部３１０により得られた暗電流成分を基に、暗出力減算部３２１により得られた信号に対するゲインが調整される。
【００３７】
図４は、デジタルプロセス回路１０８の具体的構成を示す図である。バスライン４０１に、ＲＡＭ４０２と演算部４０３が接続されている。シャッタを閉じた状態で撮像して得られる信号をＲＡＭ４０２に格納することにより暗出力が検出される。また、ＲＡＭ４０２には通常露光時の撮像信号も格納される。そして、ＲＡＭ４０２に格納された通常露光時の撮像信号から暗出力分を演算部４０３で減算することにより暗電流を補正した撮像信号が得られる。また、ＲＡＭ４０２に格納された暗出力の最大値に基づいてシステムコントローラ１１２によりクリップレベルが設定される。さらに、設定したクリップレベルが飽和レベルとなるようにゲインアップ量が設定される。
【００３８】
次に、本実施形態のデジタルカメラを用いた暗出力補正の動作について説明する。
【００３９】
まず、実際の撮影に先立って、暗出力レベルの検出を行う。具体的には、撮影トリガー指令を受けた時点で、まず露出制御機構１０３に含まれるシャッタ装置で撮像素子１０５の受光面を遮光した状態でテスト撮像を行う。即ち、暗黒下でＣＣＤドライバ１０６により本撮像時の予定露出時間Ｔｔｏｔａｌの電荷蓄積動作を行ってテスト撮像信号（暗出力信号）を読み出し、デジタルプロセス回路１０８に格納する。
【００４０】
本実施形態の場合は、テスト撮像時の露出時間と本撮像時のそれとが同じになるようにしているから、このとき得られたテスト撮像信号から本撮像時の暗出力レベルを算出する際の係数（乗数）は１である。即ち、テスト撮像信号レベルをそのまま暗出力レベル（暗出力除去基準信号）として用いることができる。
【００４１】
次に、暗出力補正について説明するが、処理の内容は概念的にいくつかに分けて説明できる。第１の処理は従来公知のものと同様である。即ち、有効画素部分から読み出された画素信号の各データからこの暗出力除去基準信号を減じたものを補正後の出力とする。言うまでもなく、減算は同じアドレスを持つデータ間で行われる。
【００４２】
この第１の処理について、図５を参照してより詳しく説明する。図５において、横軸は撮像素子出力のＡＤ値、即ち暗出力補正回路の入力値、縦軸は暗出力補正回路の出力値である。入力値については、撮像素子自身の飽和レベルか又はＡＤ変換の最大レベルのいずれかで飽和してしまうが、このいずれによるかは本質でない。従ってここでは、撮像素子出力信号の飽和はＡＤ変換の最大レベルによる場合を想定して、記号Ｓａｔで表わしている。なお、縦軸のＳａｔは数値的には同じであるが出力デジタル値の最大値であって、概念的には暗出力補正手段の出力飽和レベル（出力可能最大値）に対応するものである。なお、各図において、添字（ｉ，ｊ）は省略してある。
【００４３】
図５（ａ）は、参照のため無補正の場合を示したものであり、入力信号には暗出力Ｓｄが重畳されるため、被写体輝度が０でも信号レベルＳｄ（ｉ，ｊ）が得られる。図５（ｂ）は、暗出力Ｓｄ（ｉ，ｊ）を減じる従来の暗出力補正回路の例であり、その出力信号特性は確かに暗出力が除去された被写体輝度を反映したものである。しかし、飽和レベルＳａｔを超える信号はあり得ないから、最大レベルはＳａｔ−Ｓｄ（ｉ，ｊ）しか得られない。これは、補正する暗出力レベルＳｄ（ｉ，ｊ）が小さい場合にはあまり問題にならないが、Ｓｄ（ｉ，ｊ）が大きい場合に顕著な問題となるものである。
【００４４】
この第１の処理の概念を式で書くと次のようになる。即ち、暗出力補正手段における入力画像信号（即ち有効画像領域に対応する撮像素子出力のデジタル値）をＳｉｇ（ｉ，ｊ）、暗出力成分を減じた段階の第１の中間データ（概念上のものであり、処理上の実在は問わない）をＳｄｉｆ（ｉ，ｊ）とすると、
Ｓｄｉｆ（ｉ，ｊ） ＝ Ｓｉｇ（ｉ，ｊ） − Ｓｄ（ｉ，ｊ）
となる。この段階では、撮像信号の被写体成分が抜き出されてはいるものの、図５（ｂ）に相当する特性であり、暗出力の大きな画素は黒キズになってしまう。
【００４５】
本実施形態の暗出力補正はこれを避けるために、第２の処理として以下に示すクリップ処理を行う。第２の中間データ（概念上のものであり、処理上の実在は問わない）をＳｃｌｐ（ｉ，ｊ）と書けば、
Ｓｃｌｐ（ｉ，ｊ） ＝ Ｓｄｉｆ（ｉ，ｊ） （Ｓｄｉｆ（ｉ，ｊ）≦Ｓａｔ−Ｓｍの場合）
Ｓｃｌｐ（ｉ，ｊ） ＝ Ｓａｔ−Ｓｍ （Ｓｄｉｆ（ｉ，ｊ）＞Ｓａｔ−Ｓｍの場合）
となる。但し、Ｓａｔはこの補正手段への最大入力レベル（撮像信号の飽和レベル）、ＳｍはＳｄ（ｉ，ｊ）の１画面最大値（Ｓｍ＝Ｍａｘ［ｉ，ｊ］｛Ｓｄ（ｉ，ｊ）｝）である。即ち、第１の中間データが（Ｓａｔ−Ｓｍ）に達するまではＳｄｉｆ（ｉ，ｊ）がそのまま出力され、第１の中間データが（Ｓａｔ−Ｓｍ）を越える場合は一定の出力（クリップレベル）となる。このクリップ処理によって、全画素の最大レベル（飽和レベル）は同じ値に切り揃えられるから、上記黒キズを生じることは無くなる。
【００４６】
この様子を図６及び図７に示す。また、前記図２において、画素毎に暗電流の量は異なることから、例えば暗電流のない画素を２１１、暗電流の少ない画素を２１２、暗電流の最大の画素を２１３で示すことにする。被写体輝度に対する撮像素子の出力信号は、図６（ａ）のようになる。図６（ａ）において、暗電流のない画素２１１の信号は６０１、暗電流の少ない画素２１２の信号は６０２、暗電流の多い画素２１３の信号は６０３のようになる。暗電流のない画素２１１の信号６０１は輝度０で出力０であるが、暗電流を有する画素２１２，２１３の信号６０２，６０３では輝度０でも一定の出力がある。但し、何れの信号６０１，６０２，６０３においても飽和レベルは同じである。
【００４７】
図６（ｂ）〜（ｄ）は、上述の図５（ｂ）の状態を、被写体輝度に対する補正回路出力の関係として書き改めたものであって、信号６０１から暗電流成分を減算した信号は図６（ｂ）、信号６０２から暗電流成分を減算した信号は図６（ｃ）、信号６０３から暗電流を減算した信号は図６（ｄ）となる。そして、図６（ｄ）に示す暗電流が最も多い画素の補正信号からクリップレベルを決める。その結果、図７（ａ）に示すような特性が得られる。図７（ａ）の各軸や記号等の定義は、図５（ａ）（ｂ）と同じである。
【００４８】
但し、これだけでは画面全体が暗くなってしまうから、最終的にはさらに定数を乗じる補正（これをゲイン補正と称する）を行う。補正後の出力をＳｏｕｔ（ｉ，ｊ）と書けば、
Ｓｏｕｔ（ｉ，ｊ） ＝ Ｓｃｌｐ（ｉ，ｊ） × Ｓａｔ／（Ｓａｔ−Ｓｍ）
となる。但し、分子分母の各Ｓａｔはこの例の場合数値的には等しいが、概念的には分子のそれはこの補正手段の最大出力レベル（出力信号の飽和レベル）に、分母のそれは最大入力レベル（撮像信号の飽和レベル）に対応するものである。
【００４９】
即ち、上記クリップレベルに対応する出力がちょうどＳａｔ（出力信号の飽和レベル）に等しくなるように被写体成分に対する実効的なゲインを調節するものである。なお、このように対応付ける場合には、上記クリップ処理を特別に行わなくてもゲインアップ処理を行うだけで、実質的に上記クリップ処理も行われてしまうことになる。このときの総合的な暗出力補正処理の特性を図にしたのが、図７（ｂ）である。図７（ｂ）より判るように、入力信号から被写体成分だけを抜き出した後、この被写体成分に対する実効的なゲインアップを行ったのと等価な特性となっている。
【００５０】
さてこのような暗出力補正を行った場合、ゲイン補正によって画面は明るくなるが、これだけでは被写体輝度域に着目した場合に再現域は改善されていない。即ち、暗出力によって狭くなった撮像レンジは狭いままで改善されていない。この原因は、ゲインを上げたにも拘わらず露出はゲインを上げる以前の撮像系に対して適正となるようになされたものであるから、露出オーバー状態を来たしているためである。本実施形態のカメラは、この露出オーバー状態を生じないように適正露光を得るべく、露出を補正する手段をさらに有している。
【００５１】
具体的にはシステムコントローラ１１２は、一旦上記説明に従った暗出力低減撮像のためのテスト撮像を行い、その後露出を変更して本露光を行うものである。即ち、テスト撮像の結果上記ゲイン項が求まる。ここで必要な露光量は当初値の（Ｓａｔ−Ｓｍ）／Ｓａｔ 倍ということになるから、例えばこれに見合うだけ絞りを当初値より絞り込めばよい。Ｆ値で表現すれば、Ｆ’＝Ｆ×√｛Ｓａｔ／（Ｓａｔ−Ｓｍ）｝とすればよい。
【００５２】
また、これを露光時間の短縮で対応しても良く、この場合は短縮に伴って暗出力レベルも比例的に低下するからその分を考慮すれば上記クリップレベルを若干上げることも可能になる。
【００５３】
なお、この暗出力補正処理後において記録に至るまでの後段の回路における映像信号処理は、その必要に応じて適宜使用されるそれ自体は公知の、例えば色バランス処理、マトリクス演算による輝度−色差信号への変換或いはその逆変換処理、帯域制限等による偽色除去或いは低減処理、γ変換に代表される各種非線型処理、各種情報圧縮処理、等々である。
【００５４】
次に、本実施形態の撮像動作を、図８及び図９を参照してより詳しく説明する。
【００５５】
まず、操作スイッチ１１３の操作入力を待ち、ステップＳ１でレリーズオンとなると、撮影トリガー指令が入力される。そして、ステップＳ２で測光を開始し、ステップＳ３でテスト撮像時の露出時間を決定する。この露出時間は、例えば本撮像時の予定露出時間（電荷蓄積時間）と同じとする。続いて、ステップＳ４においてシャツタを閉じ、ステップＳ５においてテスト撮像を開始する。一定の露出時間経過後、ステップＳ６においてテスト撮像を終了する。
【００５６】
次いで、ステップＳ７において、暗電流信号に相当するテスト撮像信号を読み出し、ステップＳ８において、デジタルプロセス回路１０８内のＲＡＭ４０２に各画素毎の暗出力データＡを格納する。そして、ステップＳ９においてシャッタ装置を開き、ステップＳ１０において暗出力データＡに基づいてクリップレベルＢを決定する。具体的には、暗出力データＡが最も大きい画素の撮像信号から暗出力成分を除去した補正信号の飽和レベルと同じにクリップレベルを決定する。このクリップレベルは、前記図６（ｄ）中に破線で示す飽和レベルに相当する。続いて、ステップＳ１１において、暗出力データＡに基づいてゲインアップ量Ｃを決定する。具体的には、暗出力データＡが最も大きい画素の撮像信号から暗出力成分を除去した補正信号の飽和レベルが補正前の飽和レベルと同じになるようにゲインアップ量を決定する。さらに、ステップＳ１２において、ゲインアップ量Ｃに基づいて露出補正量Ｄを決定し、これに対応した絞り駆動を行う（前述のＦ’）。
【００５７】
次いで、ステップＳ１３において、不要電荷を排出した後に本撮像を開始する。そして、ステップＳ１４において、本撮像時の露出時間経過後にシャッタを閉じる。（このとき、ステップＳ１２で決定された露出補正量Ｄに基づいた補正を絞りではなく、露出時間に反映させるようにしてもよい。）続いて、ステップＳ１５において本撮像信号を読み出し、ステップＳ１６において、デジタルプロセス回路１０８内のＲＡＭ４０２に各画素毎の本撮像データＥを格納する。さらに、ステップＳ１７においてシャッタを開く。
【００５８】
次いで、ステップＳ１８において、各画素毎に本撮像データＥから暗出力データＡを減算する。そして、ステップＳ１９において、ステップＳ１０で決定したクリップレベルＢに従って各画素の信号をレベルクリップする。続いて、ステップＳ２０において、ステップＳ１１で決定したゲインアップ量Ｃに従って各画素の信号をゲインアップする。さらに、ステップＳ２１において、色バランス処理やマトリクス演算等の処理を施す。そして、最終的にステップＳ２２において、メモリカード１１０への記録処理を行う。その後は、再び操作入力待ちの状態となり、ステップＳ１に戻る。
【００５９】
このように本実施形態の電子スチルカメラによれば、暗出力レベルに応じて撮像信号の被写体成分に対するクリップレベルを設定しているので、暗出力補正を行いつつ画面に黒キズなどの偽信号が生じるのを防止できる。これに加え、暗出力レベルに応じて撮像信号の被写体成分に対する実効的なゲインを設定することにより、暗出力補正によって画面が暗くなる不具合を防止できる。また、実効的なゲインに応じて露出を補正することにより、暗出力を生じない通常の被写体を撮像した場合と同等の撮像特性の高画質な画像が得られるという優れた効果を有する。
【００６０】
従って、暗出力補正を行う際に撮像素子やシステムの飽和に起因して生じる問題点を解決し、特に高温下や長時間露光時等、画面全体に亘って多数の画素の暗出力レベルが増大してくるような場合にも適用可能で、良好な画像の得られる電子スチルカメラを実現することが可能となる。
【００６１】
（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態においては、説明を明瞭にするために電荷蓄積時間と露光時間とを同一と見なした。厳密に言うと、メカニカルシャッタを用いて露光開始前から電荷蓄積を開始する場合や、或いは露光完了してから所定時間後に電荷を転送路に移送したり、蓄積電荷を転送路に移送した後所定時間後に転送開始する、いわゆる遅延読み出しの手法を用いる場合など、この両者は必ずしも一致しないことがある。しかし、この両者の差はいずれもシステムコントローラ１１２が管理認識しているものであるから、必要に応じてこの差を具体的に考慮して実施形態を適用すればよい。
【００６２】
また、上記実施形態で用いているＡＤコンバータの量子化レベルに関して補足する。現実には、ハードウェアとしてのＡＤコンバータの有する誤差特性が存在し、仮にそれがないとしても、原理的に最小量子化レベル付近においては量子化誤差は相対的には１０％にも相当する。これを考慮すれば、上記実施形態に関して実際の量子化に用いるＡＤコンバータは、事情が許す場合には、画像処理系の量子化ビット数（実施例では８ビット）よりも多い、例えば１０ビット或いは１２ビット程度（それ以上でもよい）のものを使用することがより好適であることは勿論である。
【００６３】
さらに、上記以外にも様々な変形例が考えられる。まず、テスト撮像時の露光時間設定については上記では本露光の露出時間Ｔｔｏｔａｌをそのまま用いたが、例えばＴｔｏｔａｌ／２とかＴｔｏｔａｌ／１０とかに設定してテスト露光時間を短縮することもできる。この変形例の場合は、暗電荷は蓄積時間にほぼ比例することを利用して暗出力レベルを算出することになる。即ち、テスト撮像時の露光時間をＴｔｏｔａｌ／Ｎに設定した場合は得られたテスト撮像信号から本撮像時の暗出力レベルを算出する際の係数（乗数）はＮとなり、ｓ＝［テスト撮像信号レベル］×Ｎとして求めた暗出力レベルを用いて以後の欠陥検出や暗電流補正を行う。
【００６４】
無論同様の演算を行うことで、少なくともＴｔｏｔａｌが一定値以下の範囲まではテスト撮像露光時間に固定値を採用することも可能である。また、ダイレクト測光（実露光時の露光量の積分値で露光終了を自動制御するもの）の場合には予定している露出時間を採用することも好適である。
【００６５】
このように、テスト撮像によって得られた撮像素子出力レベルと、テスト撮像によるテスト撮像時間と、本撮像時の露出制御における電荷蓄積時間とに基づいて本撮像時の暗出力レベルを算出することにより、テスト撮像の露出時間に関して制約が少なく、例えばレリーズタイムラグを小さくできるなど使い勝手の向上をはかることが可能となる。
【００６６】
また、テスト撮像のタイミングについては本撮影直前が好適ではあるが、これに限定されるものではない。例えば電源投入時、再生モードと切換え可能なカメラにおける撮影モードへの切換え時、２段レリーズスイッチカメラ（２段目が撮影トリガー）における１段目操作時、別途設けたテスト撮像スイッチの操作時など、目的に応じて任意の時点で行うように構成し得る。さらに、これを特に本撮像の露光実行後に行うようにしてもよい。即ち、撮像信号はデジタルプロセス１０８にデジタル的に記憶されているから、記録のための信号処理を実行するのを一旦止めておけば、露光後にテスト撮像を行うことが可能である。
【００６７】
この変形例の場合は、テスト撮像によるレリーズタイムラグの増加がない、予め露光時間を決めておく必要が全くないから、いわゆるバルブシャッタ撮影やタイムシャッタ撮影（いずれも撮影者が任意の時刻に露光終了を手動制御するもの）、或いはダイレクト測光などの任意の露光制御にもより簡単に適用可能であるという大きな特徴的な効果を有している。
【００６８】
また、上記暗出力補正に伴う被写体成分に対する可変ゲインの設定は事情に合わせて上記実施形態とは異なる任意の値にしてもよい。具体的には、撮像信号の被写体成分に対する実効的なゲインを、暗出力補正回路の最大出力レベル（暗出力補正手段の出力側の飽和レベルに対応する値）を撮像信号の飽和レベル（暗出力補正手段の入力側の飽和レベルに対応する値）と暗出力レベル検出部で検出された暗出力レベルの最大値との差で除した値に設定することにより、「飽和に起因する擬似信号の発生を生じない」ようにしつつ、その際の実効的な入出力レンジを等しく合わせることが可能となる。
【００６９】
上記実施形態の設定は既に述べたとおりクリップレベルに対応する出力がちょうどＳａｔ（出力信号の飽和レベル）に等しくなるようにしたものであるから、実効的な入出力レンジを等しく合わせたという意味で一つの最良設定例と言える。この場合は、ゲイン値は任意の値を取るから演算がやや複雑になり、それに対応して露出制御も複雑化するといった問題も生じ得る。そこで、演算や制御の単純化を優先的に意図すれば、上記ゲイン値をステップ状に変えるようにしてもよい。但し、ゲイン値の設定により、クリップレベルに相当する信号が元々の飽和レベル（即ち、出力側の飽和レベル）以上になる必要がある。また、上記ゲイン項の値を例えば２のｎ乗倍（ｎは自然数）から選択するといったものも好適な実施形態の一つとなる。
【００７０】
また、実施形態ではクリップレベルを設定した後にゲインアップ量を設定しているが、必ずしもクリップレベルの設定を行う必要なく、ゲインアップのみを行うようにしてもよい。具体的には、暗出力補正手段において、暗出力レベルの最も大きい画素の撮像信号から暗出力成分を除去した補正信号の飽和レベルが、補正手段の出力側の飽和レベルと等しく或いはそれ以上となるように、ゲインアップ量を設定してもよい。この場合も、結果的に実施形態のように撮像信号をクリップしたことと等価になり、本発明の効果が得られる。
【００７１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、暗出力レベルに応じて映像信号の被写体信号成分に対するクリップレベルを設定し、さらに必要に応じて実効的なゲインを設定することにより、暗出力補正を行いつつ黒キズなどの偽信号を生じることがないという優れた効果を有する。
【００７３】
従って、暗出力補正を行う際に撮像素子やシステムの飽和に起因して生じる問題点を解決し、特に高温下や長時間露光時等、画面全体に亘って多数の画素の暗出力レベルが増大してくるような場合にも適用可能で、良好な画像の得られる撮像装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる電子スチルカメラの全体構成を示すブロック図。
【図２】図１の電子スチルカメラに用いたＣＣＤ撮像素子の素子構造を示す平面図。
【図３】図１の電子スチルカメラに用いたデジタルプロセス回路の機能的構成を示すブロック図。
【図４】図１の電子スチルカメラに用いたデジタルプロセス回路の具体的構成を示すブロック図。
【図５】無補正時の入出力特性と暗出力補正回路における入出力特性を示す図。
【図６】本実施形態における被写体輝度と撮像素子出力及び補正回路出力との関係を示す図。
【図７】本実施形態における暗出力補正回路の入出力特性の例を示す図。
【図８】本実施形態における撮像動作を説明するためのフローチャート。
【図９】本実施形態における撮像動作を説明するためのフローチャート。
【符号の説明】
１０１…レンズ系
１０２…レンズ駆動機構
１０３…露出制御機構
１０４…メカシャッタ
１０５…ＣＣＤカラー撮像素子
１０６…ＣＣＤドライバ
１０７…プリプロセス回路
１０８…デジタルプロセス回路
１０９…カードインターフェース
１１０…メモリカード
１１１…ＬＣＤ画像表示系
１１２…システムコントローラ（ＣＰＵ）
１１３…操作スイッチ系
１１４…操作表示系
１１５…レンズドライバ
１１６…ストロボ
１１７…露出制御ドライバ
１１８…不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）
２０１…フォトダイオード
２０２…垂直ＣＣＤ
２０３…水平ＣＣＤ
２０４…ＦＤＡ
３１０…暗出力検出部
３２０…暗出力補正回路
３２１…暗出力減算部
３２２…クリップレベル設定部
３２３…ゲイン設定部
４０１…バスライン
４０２…ＲＡＭ
４０３…演算部

Claims (9)

1. 複数の画素が２次元配置された撮像素子と、
   前記撮像素子の出力信号である撮像信号に重畳される暗出力レベルを各画素毎に検出する暗出力レベル検出手段と、
   前記撮像信号をデジタル信号として入力し、当該入力デジタル信号のビット数よりも小さいビット数のデジタル信号として出力するように構成され、前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルに基づいて前記撮像信号を補正し、且つ前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルに応じて前記撮像信号の被写体成分に対する実効的なゲインを設定する暗出力補正手段とを具備してなり、
   前記暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、「前記暗出力補正手段の出力側の飽和レベルに対応する値」を「前記暗出力補正手段の入力側の飽和レベルに対応する値」と「前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルの最大値」との差で除算した結果値以上の値に設定されることを特徴とする撮像装置。
2. 前記暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、ステップ状に制御されるものであることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記暗出力補正手段により設定される実効的なゲインの値は、前記除算の結果値と等しいことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記暗出力補正手段におけるゲイン設定に応じて、前記撮像素子における露出を補正する露出補正手段を有したことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子に対する露光を遮断した状態で該撮像素子における電荷蓄積及び読み出し動作を実行するテスト撮像手段を有し、
   前記暗出力レベル検出手段における暗出力レベルの検出は、前記テスト撮像手段によるテスト撮像時間と、前記テスト撮像手段によって得られた撮像素子出力レベルと、本撮像時の露出制御における電荷蓄積時間と、に基づいて本撮像時の暗出力レベルを算出することによって行われることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
6. 前記テスト撮像時間と本撮像時の電荷蓄積時間とは同じであり、前記テスト撮像手段によって得られた撮像素子出力レベルを本撮像時の暗出力レベルとして算出すること特徴とする請求項５記載の撮像装置。
7. 前記テスト撮像時間と本撮像時の電荷蓄積時間とは異なり、前記テスト撮像手段によって得られた撮像素子出力レベルＸを、前記テスト撮像手段によるテスト撮像時間Ｙと本撮像時の露出制御における電荷蓄積時間Ｚとの比Ｙ／Ｚに乗じることによって、本撮像時の暗出力レベルを算出することを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
8. 前記テスト撮像時間は、本撮像時の電荷蓄積時間よりも短いことを特徴とする請求項７記載の撮像装置。
9. 複数の画素が２次元配置された撮像素子と、
   前記撮像素子の出力信号である撮像信号に重畳される暗出力レベルを各画素毎に検出する暗出力レベル検出手段と、
   前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルに基づいて、各画素毎に前記撮像信号から暗出力成分を除去する補正を行い、前記補正した撮像信号に対し前記暗出力レベル検出手段で検出された暗出力レベルの最大値に応じてクリップレベルを設定し、且つ前記補正した撮像信号に対し前記設定したクリップレベルに応じて実効的なゲインを設定する暗出力補正手段と、
   前記暗出力補正手段におけるゲイン設定に応じて、前記撮像素子における露出を補正する露出補正手段とを具備してなり、
   さらに前記露出補正手段により補正された露出時間に基づいて、前記クリップレベルを補正するように構成されてなることを特徴とする撮像装置。

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