JP4337572B2 - 撮像装置及び撮像装置の調光制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、入射光の光量を調光制御する撮像装置及び撮像装置の調光制御方法に関する。

近年、ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像装置に対する高解像度かつ小型化の要求がますます強まっている。この要請に対して、ビデオカメラやデジタルスチルカメラに、高密度ＣＣＤ(Charge Coupled Device)を搭載したり、レンズの小型化を図ったりして対応しているが、これらの方法では、回折現象による画質劣化現象が顕著に現われるという問題が生じる。また、レンズユニットに搭載している機械式アイリスの可動部のサイズの制約によって小型化の限界という問題に直面する。そこで、この問題を解決するための手段として、液晶やＥＣ（Electro Chromic）等の電気化学材料で構成される調光素子を用いた電気駆動アイリスのアイデアが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この電気駆動アイリスはアイデアのみで具体的なものとして実現されるに至っていない。その理由の一つに撮像装置への適用を図るのにふさわしい材料の見極めが不十分な点が挙げられている。この問題は、液晶やＥＣ等の電気化学材料全てを一括りしていることに起因している。つまり、材料毎に物性が異なるにもかかわらず、全ての材料に共通性を持たせる考え方は、物性物理・電気化学の観点から見ると問題が多いからである。

このため、液晶分子に色素を混合し、色素が液晶の駆動に伴って液晶分子に付いてくる性質を利用することにより、色素に対応した特定の波長だけにフラットな透過率を得るいわゆる２色性ＧＨ（Guest Host）液晶を用いるものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平11-326894号公報 特開2001-201769号公報

しかし、２色性ＧＨ液晶は物性的に視野角特性を有しているため、撮像装置のレンズユニット内に搭載した場合に、その入射角により受光する光強度が異なるという問題が生じる。このため、撮像画面内の光量が不均一になってシェーディング現象が発生するので、撮像画像が不自然なものになるという不都合があった。

そこで、本発明は、２色性ＧＨ液晶を用いて入射光の光量を調光制御する場合に、上述のようなシェーディング現象の影響を受けることなく、視野角依存が少ない撮像画像を得ることができる撮像装置及び撮像装置の調光制御方法を提案することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の撮像装置は、光学系と撮像手段との間に設けられ、入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる調光手段と、予め定められた調光制御範囲となるように調光手段の複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、最小の調光範囲と最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が第１の電圧値から第２の電圧値に向けて増大するペースが複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定し、撮像手段から得られる光量情報に基づいて、設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を調光手段の複数の電気調光素子に供給する制御手段とを備えたものである。

調光手段は光学系と撮像手段との間に設けられ、入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる。制御手段は、予め定められた調光制御範囲となるように調光手段の複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、最小の調光範囲と最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が第１の電圧値から第２の電圧値に向けて増大するペースが複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定する。そして制御手段は、撮像手段から得られる光量情報に基づいて、設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を調光手段の複数の電気調光素子に供給する。これにより、複数の電気調光素子が各々独立に駆動されて、調光手段が適切な調光制御範囲となるように調光制御される。そして、複数の電気調光素子は、２色性ＧＨ液晶素子であり、設定される印加電圧の電圧値は、入射角０°での透過率に対する入射角２５°での透過率の比が１±０．１５内である値を含んでいる。また、調光制御範囲は要求される仕様に対応する。

また、本発明の撮像装置の調光制御方法は、光学系と撮像手段との間に設けられており入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる調光手段に対して、予め定められた調光制御範囲となるように複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、最小の調光範囲と最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が第１の電圧値から第２の電圧値に向けて増大するペースが複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定するステップと、撮像手段から得られる光量情報に基づいて、設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を調光手段の複数の電気調光素子に供給するステップとを備えたものである。

まず、光学系と撮像手段との間に設けられており入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる調光手段に対して、予め定められた調光制御範囲となるように複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、最小の調光範囲と最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が第１の電圧値から第２の電圧値に向けて増大するペースが複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定する。調光制御範囲は要求される仕様に対応する。そこで、撮像手段から得られる光量情報に基づいて、設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を調光手段の複数の電気調光素子に供給する。これにより、複数の電気調光素子が各々独立に駆動されて、調光手段が適切な調光制御範囲となるように調光制御される。そして、複数の電気調光素子は、２色性ＧＨ液晶素子であり、設定される印加電圧の電圧値は、入射角０°での透過率に対する入射角２５°での透過率の比が１±０．１５内である値を含んでいる。

本発明によれば、光学系と撮像手段との間に設けられており入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる調光手段に対して、予め定められた調光制御範囲となるように複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では複数の電気調光素子共に第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、最小の調光範囲と最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が第１の電圧値から第２の電圧値に向けて増大するペースが複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定し、撮像手段から得られる光量情報に基づいて、設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を調光手段の複数の電気調光素子に供給し、複数の電気調光素子を各々独立に駆動して入射光の光量を調光制御することにより、シェーディング現象の影響を受けることなく視野角依存が少ない撮像画像を得るようにすることができる。

以下、本発明の実施の形態について適宜図面を参照しながらその詳細を説明する。
図１は、電気調光素子を組み込んだ撮像装置の光学系例を示す図である。図１においては、本実施の形態に用いられる調光手段である電気調光素子４は、撮像装置１であるＣＣＤカメラに組み込まれている。

すなわち、撮像装置１において、一点鎖線で示す光軸１０に沿って、レンズ前群に相当するレンズ群２及びレンズ群（ズーム用）３、レンズ後群に相当するレンズ群５及びレンズ群（フォーカス用）６、撮像面９を有するＣＣＤ８が適宜の間隔を置いてこの順に配設されている。そして、ＣＣＤ８の前面には、赤外線カットフィルタ及び光学ローパスフィルタなどのフィルタ７が配置され、ＣＣＤ８には撮像素子が収納されている。

レンズ群３とレンズ群５との間には、上述の２色性ＧＨ液晶からなる電気調光素子４が配置されている。なお、図示はしないが、電気調光素子４の前面の同じ光路上には光量調節（光量絞り）のための偏光板が取付けられている。フォーカス用のレンズ群６は、図示しないリニアモータにより光路に沿ってレンズ群５とＣＣＤ８との間を移動可能に配設され、また、ズーム用のレンズ群３は、光路に沿ってレンズ群２と電気調光素子との間を移動可能に配設されている。

図２は、電気調光素子の構成例を示す図であり、図２Ａは断面図、図２Ｂは斜視図である。図２Ａは、図１に示した電気調光素子４である２色性ＧＨ液晶を２つ貼り合わせて構成した例を示している。図２Ａに示すように、電気調光素子２１は、左側の液晶２２と右側の液晶２３の２個から構成され、これら液晶２２、２３の前面、中間面及び後面をそれぞれ透過率の高いガラス板２４、２５、２６で挟み込むと共に周囲を他の部材で遮蔽したものである。

このようにして構成された電気調光素子２１の液晶２２、２３は、図２Ｂに示すように、光軸１０に沿って配置される。なお、図中、液晶２２、２３は厚みをつけて表しているが、実際には薄膜状に形成されている。

さらに、液晶２２、２３には、図示しない制御手段から各々独立に駆動するための印加電圧Ｖ１、Ｖ２が供給される。この印加電圧Ｖ１、Ｖ２により、液晶２２、２３を予め定められた範囲で調光制御されるように設定されている。

図３は、電気調光素子の調光制御の原理を示す図であり、図１に示したＣＣＤ８から得られる光量データＤに基づいて液晶２２，２３への印加電圧Ｖ１、Ｖ２を制御することにより、電気調光素子２１（２個貼り合わせ型）が予め定められた範囲で調光制御される様子を示すものである。

図３に示す電気調光素子２１の調光制御系は、図１に示した光学系と撮像手段のＣＣＤ８との間に設けられ、予め定められた調光制御範囲となるように各々独立に駆動される複数の電気調光素子２１（２個貼り合わせ型）と、ＣＣＤ８から得られる光量情報に基づいて電気調光素子２１を予め定められた範囲に調光制御するための印加電圧を供給する制御手段であるＣＰＵ３１とを備えている。

この電気調光素子２１は、入射光の光軸１０方向に透過領域３３、３４が並ぶように配列される。また、電気調光素子２１の調光制御範囲は、光量データＤに対応して比較的高い透過率から比較的低い透過率まで段階的な透過率を得られるように離散的に設定されるようになっている。

図６は、印加電圧に対する透過率の関係を示す図である。図６に示すように、この電気調光素子２１への印加電圧に対する透過率が直線的に変化する使用範囲６１の領域がある。そこで、この使用範囲６１に対応する調光制御範囲を、例えば５段階に設定することにより、５段階の直線的調光制御が実現可能となる。この図からわかるように印加電圧を高くすると透過率は低くなっている。ここでは、５段階で離散的に設定されることを示している。

上述したように、図３に示す電気調光素子２１は、２色性ＧＨ液晶素子２２、２３で構成される。また、電気調光素子２１の印加電圧は２色性ＧＨ液晶素子２２、２３の視野角依存性の低い特性の値に設定される。

ここで、電気調光素子２１を構成する２色性ＧＨ液晶は、供給される印加電圧により透過率が上昇したり、低下したりする材料であるが、この２色性ＧＨ液晶は、視野角特性を有しているので、入射角により透過率が異なってしまうという問題を有している。

図５は、液晶の視野角依存性を示す図である。図５は、分子短軸方向の光を吸収するネガ型２色性ＧＨ液晶素子単個を使用して実測したものである。Ａは無印加、Ｇは最大印加電圧である。

図５から、透過率の角度依存性は、入射画面の左右で若干の差異があるものの、略印加電圧Ｃ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ,Ａの順に低くなっている。ここで、撮像装置のレンズユニットに２色性ＧＨ液晶素子を装着する場合には、入射角の比較的小さい位置に装着するのがよいことがわかる。しかし、近年の撮像装置の高解像度かつ小型化の要求の下では入射角の比較的大きい位置に装着せざるを得なくなるので、特に現在の撮像装置では、最大入射角２５°の位置に装着することが求められている。

また、通常の場合、撮像装置のシェーディング規格は、図５の縦軸の透過率に示す中心部に対し、１±０．１５内に入っていれば使用上問題はないことがわかっている。この理由は、撮像装置内に、シェーディング補正機能が装着されており、上述した規格内に入っていればシェーディング補正機能で対応することができるためである。

ネガ型２色性ＧＨ液晶素子単個の透過率変化量は大きく、通常の９０％弱〜５０％程度まで変化する。これでは比較的に暗い部屋の中から、晴天下のスキー場などの明るい環境下まで、安定した撮影が求められる撮像装置の仕様を満足することができない。そのため、２色性ＧＨ液晶素子を複数個使用して要求される調光制御範囲を拡大する必要がある。

そこで、本発明の実施の形態では、複数の２色性ＧＨ液晶素子をそれぞれ独立に駆動させるようにしている。その際、図５の透過率の角度依存性の比較的高い印加電圧Ｃ，Ｂ，Ｄ，Ｅの領域は使用せず、透過率の角度依存性の比較的低い印加電圧Ｆ，Ｇ,Ａの領域を使用するようにして、シェーディングの影響をなくした撮像画像を得るようにする。このように、透過率の角度依存性の比較的低い特定の印加電圧Ｆ，Ｇ,Ａの領域に使用領域を限っているため、上述したように調光制御範囲は、離散的に設定されることになる。

ここで、図３に示すＣＰＵ３１には、ＣＣＤ８から光量データＤが供給されるようになっており、また、電気調光素子２１の調光制御範囲に対する印加電圧の関係を記憶するための調光印加電圧テーブル３２がこれらの値を書き込みまたは読み出し可能に設けられている。

図４は、この調光印加電圧テーブル３２の内容を示す図である。図４において、電気調光素子２１の調光範囲４１が０（ｄＢ）となるＣＰＵ３１の印加電圧４２は、４３及び４４で示すＶ１及びＶ２が共にＡ（Ｖ）、調光範囲４１が−２（ｄＢ）となる印加電圧４２は、４３で示すＶ１はＡ（Ｖ）であり４４で示すＶ２がＤ（Ｖ）、調光範囲４１が−４（ｄＢ）となる印加電圧４２は、４３で示すＶ１はＡ（Ｖ）であり４４で示すＶ２がＧ（Ｖ）、調光範囲４１が−６（ｄＢ）となる印加電圧４２は４３で示すＶ１はＤ（Ｖ）であり４４で示すＶ２がＧ（Ｖ）、調光範囲４１が−８（ｄＢ）となる印加電圧４２は４３で示すＶ１はＦ（Ｖ）であり４４で示すＶ２がＧ（Ｖ）、調光範囲４１が−１０（ｄＢ）となる印加電圧４２は４３及び４４で示すＶ１及びＶ２が共にＧ（Ｖ）である。

さらに、図３に示すＣＰＵ３１は電気調光素子２１（２個貼り合わせ型）の２色性ＧＨ液晶素子２２、２３に形成されるプラスマイナスの透明電極３５−１（＋），３５−２（−）及び３６−１（＋），３６−２（−）に印加電圧Ｖ１、Ｖ２を供給可能に構成されている。

また、電気調光素子２１は、図１に示すような、レンズ群３とレンズ群５の間に配置する必要はない。例えば、ＣＣＤ８の撮像表面９に表面フィルムとして、または保護ガラスとして配置するようにすることも可能である。

このように構成される図３に示す電気調光素子の調光制御系の動作を以下に説明する。
図３において、まず、図１に示したような光学系とＣＣＤ８との間に設けられる電気調光素子２１である２色性ＧＨ液晶２２、２３に対して、予め定められた調光制御範囲となるように各々独立に駆動するための印加電圧Ｖ１、Ｖ２をＣＰＵ３１が設定する。この調光制御範囲は要求される仕様を満足する値とする。ＣＰＵ３１が設定した調光制御範囲に対応する印加電圧Ｖ１、Ｖ２の値は、ＣＰＵ３１の設定動作により、調光印加電圧テーブル３２に記憶される。このような設定動作は、例えば、撮像装置１の製造工程の調整段階で行うようにしてもよいし、また、電源投入時に行うようにしてもよい。

次に、撮像装置１の撮影時におけるフォーカス制御などが行われる各種調整時に、ＣＣＤ８から得られる光量データＤがＣＰＵ３１に供給される。ＣＰＵ３１は、この光量データＤに基づいて電気調光素子２１が適切な調光制御範囲となるような印加電圧Ｖ１、Ｖ２の値を調光印加電圧テーブル３２に記憶されている値の中から読み出す。

具体的には、比較的に暗い部屋の中での撮影では、電気調光素子２１の調光範囲４１が０（ｄＢ）となる印加電圧４２の、４３及び４４で示すＶ１及びＶ２が共にＡ（Ｖ）を読み出し、逆に比較的に明るい晴天下での撮影では、調光範囲４１が−１０（ｄＢ）となる印加電圧４２の、４３及び４４で示すＶ１及びＶ２が共にＧ（Ｖ）の値を、ＣＰＵ３１が調光印加電圧テーブル３２から読み出すようにしている。

このように、ＣＰＵ３１は、電気調光素子２１を調光制御範囲に制御するために調光印加電圧テーブル３２に設定された印加電圧を読み出して、電気調光素子２１（２個貼り合わせ型）に供給するように制御する。

これにより、ＣＰＵ３１から供給された印加電圧により電気調光素子２１が適切な調光制御範囲となるように調光制御される。この印加電圧は電気調光素子２１の２色性ＧＨ液晶素子の視野角依存性の低い特性の値に設定されて予め調光印加電圧テーブル３２に記憶されている。

また、上述した例では、２枚貼り合わせた電気調光素子２１の場合について示したが、これに限らず、要求される調光制御範囲に応じて電気調光素子は任意の個数の複数個（１、２、・・・ｎ）の貼り合わせ型で構成することもでき、この場合は、各２色性ＧＨ液晶素子に対して、最適な透過率を得る調光制御範囲となるような印加電圧Ｖ１、Ｖ２、・・・Ｖｎの値を設定すればよい。

電気調光素子を組み込んだ撮像装置の光学系例を示す図である。 電気調光素子の構成例を示す図であり、図２Ａは断面図、図２Ｂは斜視図である。 電気調光素子の調光制御を示す図である。 調光印加電圧テーブルを示す図である。 液晶の視野角依存性を示す図である。 印加電圧に対する透過率の関係を示す図である。

符号の説明

１…撮像装置、２、３、5、6…レンズ群、４…電気調光素子、７…フィルタ、８…ＣＣＤ、９…撮像面、１０…光軸、２１…電気調光素子、２２、２３…液晶、２４、２５、２６…ガラス板、３１…ＣＰＵ、３２…調光印加電圧テーブル、３３、３４…調光領域、３５、３６…透明電極、４１…調光範囲、４２…印加される電圧、４３…Ｖ１、４４…Ｖ２、６１…使用範囲

Claims (6)

1. 光学系を介して撮像手段を用いて被写体を撮像する撮像装置において、
   上記光学系と上記撮像手段との間に設けられ、入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる調光手段と、
   予め定められた調光制御範囲となるように上記調光手段の上記複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では上記複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では上記複数の電気調光素子共に上記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、上記最小の調光範囲と上記最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が上記第１の電圧値から上記第２の電圧値に向けて増大するペースが上記複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定し、上記撮像手段から得られる光量情報に基づいて、上記設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を上記調光手段の上記複数の電気調光素子に供給する制御手段とを備えた
   撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   上記複数の電気調光素子は、２色性ＧＨ液晶素子であり、上記設定される印加電圧の電圧値は、入射角０°での透過率に対する入射角２５°での透過率の比が１±０．１５内である値を含んでいる
   撮像装置。
3. 請求項２に記載の撮像装置において、
   上記制御手段は、設定した上記調光制御範囲に対応する印加電圧をテーブルに記憶し、上記撮像手段から得られる光量情報に基づいて、光量に応じた調光範囲の印加電圧を上記テーブルから読み出して上記調光手段の上記複数の電気調光素子に供給する
   撮像装置。
4. 請求項３に記載の撮像装置において、
   上記複数の電気調光素子は、上記撮像手段の撮像表面に配置する
   撮像装置。
5. 光学系を介して撮像手段を用いて被写体を撮像する撮像装置の調光制御方法において、
   上記光学系と上記撮像手段との間に設けられており入射光の光軸方向に配列された複数の電気調光素子からなる調光手段に対して、予め定められた調光制御範囲となるように上記複数の電気調光素子を各々独立に駆動するための印加電圧であって、調光制御量が最小の調光範囲では上記複数の電気調光素子共に第１の電圧値となり、調光制御量が最大の調光範囲では上記複数の電気調光素子共に上記第１の電圧値よりも大きい第２の電圧値となり、上記最小の調光範囲と上記最大の調光範囲との間の複数の離散的な調光範囲では電圧値が上記第１の電圧値から上記第２の電圧値に向けて増大するペースが上記複数の電気調光素子で異なっている印加電圧を設定するステップと、
   上記撮像手段から得られる光量情報に基づいて、上記設定した印加電圧のうち光量に応じた調光範囲の印加電圧を上記調光手段の上記複数の電気調光素子に供給するステップとを備えた
   撮像装置の調光制御方法。
6. 請求項５に記載の撮像装置の調光制御方法において、
   上記複数の電気調光素子は２色性ＧＨ液晶素子であり、上記設定される印加電圧の電圧値は、入射角０°での透過率に対する入射角２５°での透過率の比が１±０．１５内である値を含んでいる
   撮像装置の調光制御方法。

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