JP4591063B2

JP4591063B2 - 撮像装置および撮像方法

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Publication number: JP4591063B2
Application number: JP2004354316A
Authority: JP
Inventors: 克也小菅; 佳嗣野見山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2024-12-07
Also published as: JP2006166000A

Description

本発明は、固体撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置および撮像方法に関し、特に、小型でかつ画素数の多い固体撮像素子を用いる場合に適した撮像装置および撮像方法に関する。

近年、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラは家庭用としても広く普及している。これらの撮像装置は、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）などの固体撮像素子を用いて被写体からの光を受光し、受光信号をデジタル信号に変換して、フラッシュメモリなどの記録媒体に記録するものである。

このような小型の撮像装置に対しては、より一層の小型化が求められている。このため、例えばこれらに搭載される撮影用光学系の小型化が進められている。特に、光学系の短縮化やレンズ径の小型化など、光学系全体の小型化への寄与が大きいことから、撮像素子の小型化が重要となっている。

なお、従来の関連技術として、入射光を２つの撮像素子で受光し、一方の撮像素子に色画素ａ，ｃを備え、他方に色画素ｂ、ｄを備えて、色画素ａおよびｂの信号和、色画素ｃおよびｄの信号和がそれぞれ輝度信号Ｙになるようにして、画素感度を改善した撮像装置があった（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２−１４７８９４号公報（第３頁−第４頁、図１）

ところで、上述したように、撮像素子については小型化が求められているが、その一方で、撮像素子の高画素化に対する要求も大きい。しかし、撮像素子を小型化しつつ画素数を多くした場合には、撮像信号のダイナミックレンジが低下することが問題となる。

撮像素子を小型化すると、撮像素子の画素ごとのセルの受光面積が狭くなる。各セルの飽和信号量はセルの受光面積に比例するため、一般的にセルが小型化されると飽和信号量も低下する。このことは、セルごとに撮影可能な光量の上限が低くなって、ダイナミックレンジが低下することを表し、明るい被写体と撮像した場合にいわゆる白飛びを起こすことが多くなってしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、光学系が小型化されながらも撮像画像信号のダイナミックレンジが拡大され、撮像画像の画質が向上した撮像装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、光学系を小型化しながらも撮像画像信号のダイナミックレンジを拡大し、撮像画像の画質を向上させることが可能な撮像方法を提供することである。

本発明では上記課題を解決するために、固体撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置において、被写体からの光を集光する１つ以上のレンズからなるレンズ部と、前記レンズ部の後部またはその途中で光量が略均等になるように光路を分岐する光路分岐手段と、前記光路分岐手段によって分岐された光をそれぞれ受光して光電変換する複数の固体撮像素子と、前記複数の固体撮像素子の各出力信号を基に対応する画素同士の信号を加算して撮像画像信号を生成する信号生成手段と、少なくとも前記光路分岐手段またはその一部を移動させる移動手段と、前記複数の固体撮像素子のうちの少なくとも１つの出力信号を基に被写体の明るさを検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて前記移動手段の動作を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記検出手段により検出された明るさの値が所定のしきい値未満である場合に、前記移動手段を制御して前記光路分岐手段またはその一部を前記レンズ部の光軸から離れるように移動させ、前記複数の固体撮像素子のうち、少なくとも１つを除いた残りの前記固体撮像素子に対して、被写体からの光を前記光路分岐手段を介さずに受光させることを特徴とする撮像装置が提供される。

このような撮像装置では、光路分岐手段で分岐された光は、被写体からレンズ部への入射光を光路の分岐数分だけ均等に分割した光量を有する。また、１つの固体撮像素子で正確に検出可能な光量の上限は限られているが、複数の固体撮像素子を用いて、固体撮像素子のそれぞれで検出可能な上限の光量を受光することにより、レンズ部への入射光の光量を固体撮像素子の個数分だけ増加させても、その光量を正しく検出することができる。従って、信号生成手段によって生成される撮像画像信号のダイナミックレンジが、受光する固体撮像素子の個数に応じて拡大される。さらに、被写体の明るさの値が所定のしきい値未満である場合には、光路分岐手段またはその一部をレンズ部の光軸から離れるように移動させることにより、複数の固体撮像素子のうち少なくとも１つを除いた残りの固体撮像素子に、被写体からの光が光路分岐手段を介さずに受光されるようになる。

また、本発明では、固体撮像素子を用いて画像を撮像するための撮像方法において、被写体からの光を集光する１つ以上のレンズからなるレンズ部の後部またはその途中で光路分岐部材により光量が略均等になるように光路を分岐し、分岐された光をそれぞれ個別の固体撮像素子により受光するようにし、信号生成手段が、前記各固体撮像素子の出力信号を基に対応する画素同士の信号を加算して撮像画像信号を生成し、検出手段が、前記固体撮像素子のうちの少なくとも１つの出力信号を基に被写体の明るさを検出し、制御手段が、前記検出手段により検出された明るさの値が所定のしきい値未満である場合に、移動機構を制御して前記光路分岐部材またはその一部を前記レンズ部の光軸から離れるように移動させ、複数の前記固体撮像素子のうち、少なくとも１つを除いた残りの前記固体撮像素子に対して、被写体からの光を前記光路分岐部材を介さずに受光させる、ことを特徴とする撮像方法が提供される。

このような撮像方法では、光路分岐部材で分岐された光は、被写体からレンズ部への入射光を光路の分岐数分だけ均等に分割した光量を有する。また、１つの固体撮像素子で正確に検出可能な光量の上限は限られているが、複数の固体撮像素子を用いて、固体撮像素子のそれぞれで検出可能な上限の光量を受光することにより、レンズ部への入射光の光量を固体撮像素子の個数分だけ増加させても、その光量を正しく検出することができる。従って、信号生成手段によって生成される撮像画像信号のダイナミックレンジが、受光する固体撮像素子の個数に応じて拡大される。さらに、被写体の明るさの値が所定のしきい値未満である場合には、光路分岐部材またはその一部をレンズ部の光軸から離れるように移動させることにより、複数の固体撮像素子のうち少なくとも１つを除いた残りの固体撮像素子に、被写体からの光が光路分岐部材を介さずに受光されるようになる。

本発明によれば、複数の固体撮像素子を用いて、固体撮像素子のそれぞれで検出可能な上限の光量を受光することにより、レンズ部への入射光の光量を固体撮像素子の個数分だけ増加させても、その光量を正しく検出することができる。このため、撮像画像信号のダイナミックレンジが、受光する固体撮像素子の個数に応じて拡大され、より明るい被写体を高画質で撮像できる。特に、小型でかつ高画素数の撮像素子を用いた場合に、撮像画像信号のダイナミックレンジが狭くならないので、撮像画像の画質を劣化させることなく、光学系を小型化して撮像装置を小型化することができる。さらに、被写体の明るさの値が所定のしきい値未満である場合には、光路分岐手段またはその一部をレンズ部の光軸から離れるように移動させることにより、撮像画像信号におけるノイズの発生量を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、撮像装置の例としてデジタルスチルカメラを想定する。
図１は、実施の形態に係る撮像装置の構成を示す図である。

図１に示す撮像装置は、光学ブロック１１、撮像素子１２ａおよび１２ｂ、ＴＧ（Timing Generator）１３、加算回路１４、ＦＥ（Front End）回路１５、カメラ処理回路１６、エンコーダ／デコーダ１７、制御部１８、入力部１９、グラフィックＩ／Ｆ（インタフェース）２０、ディスプレイ２１、Ｒ／Ｗ（Reader/Writer）２２およびメモリカード２３を具備する。

光学ブロック１１は、被写体からの光を撮像素子１２ａおよび１２ｂに集光するためのレンズ、レンズを移動させてフォーカス合わせやズーミングを行うための駆動機構、シャッタ機構、アイリス機構（いずれも図示せず）、およびプリズム１１１などを具備している。これらのうちの可動部は、制御部１８からの制御信号に基づいて駆動される。また、プリズム１１１は、入射光の光路を分岐させ、分岐した光を撮像素子１２ａおよび１２ｂにそれぞれ入射させる。

撮像素子１２ａおよび１２ｂは、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの固体撮像素子であり、画素数や画素ピッチ、カラーフィルタの配列などの仕様が同一とされている。各撮像素子１２ａおよび１２ｂは、ともにＴＧ１３から出力されるタイミング信号に基づいて駆動され、被写体から入射され、プリズム１１１によって分割された光をそれぞれ受光し、電気信号に変換する。ＴＧ１３は、制御部１８の制御の下でタイミング信号を出力する。

加算回路１４は、撮像素子１２ａおよび１２ｂからの出力信号を、対応する画素ごとに順次加算し、ＦＥ回路１５に供給する。
ＦＥ回路１５は、制御部１８の制御の下で、加算回路１４からの画像信号に対して、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）処理によりＳ／Ｎ（Signal／Noise）比を良好に保つようにサンプルホールドを行い、さらにＡＧＣ（Auto Gain Control）処理により利得を制御し、Ａ／Ｄ変換を行ってデジタル画像信号を出力する。

カメラ処理回路１６は、制御部１８の制御の下で、ＦＥ回路１５によりデジタル化された画像信号に対して、ホワイトバランス調整処理や色補正処理、ＡＦ（Auto Focus）処理、ＡＥ（Auto Exposure）処理などのカメラ信号処理を施す。

エンコーダ／デコーダ１７は、制御部１８の制御の下で動作し、カメラ処理回路１６からの画像信号に対して、ＪＰＥＧ（Joint Photographic Coding Experts Group）方式などの所定の静止画像データフォーマットで圧縮符号化処理を行う。また、制御部１８から供給された静止画像の符号化データを伸張復号化処理する。

制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成されるマイクロコントローラであり、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムを実行することにより、この撮像装置の各部を統括的に制御する。

入力部１９は、例えばシャッタレリーズボタンなどの各種操作キーやレバー、ダイヤルなどから構成され、ユーザによる入力操作に応じた制御信号を制御部１８に出力する。
グラフィックＩ／Ｆ２０は、制御部１８から供給された画像信号からディスプレイ２１に表示させるための画像信号を生成し、この信号をディスプレイ２１に供給して画像を表示させる。ディスプレイ２１は、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などからなり、撮像中のカメラスルー画像や、メモリカード２３に記録されたデータを再生した画像などを表示する。

Ｒ／Ｗ２２は、エンコーダ／デコーダ１７により符号化された画像データファイルを制御部１８から受け取り、メモリカード２３に書き込む。また、制御部１８からの制御信号を基にメモリカード２３から指定されたデータを読み出す。メモリカード２３は、主に撮像により生成された画像データファイルを保存するための記録媒体であり、可搬型のフラッシュメモリからなる。なお、このような記録媒体として、他に、光ディスク、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、磁気テープなどを用いてもよい。

ここで、上記の撮像装置における基本的な動作について説明する。
各撮像素子１２ａおよび１２ｂは、同一のＴＧ１３の出力するタイミング信号に同期して駆動され、対応する位置の画素信号が加算回路１４に順次供給されて、加算される。静止画像の撮像前には、撮像素子１２ａおよび１２ｂから加算回路１４を経て生成された画像信号がＦＥ回路１５に順次供給され、ＦＥ回路１５では、入力信号に対してＣＤＳ処理、ＡＧＣ処理が施され、さらにデジタル信号に変換される。カメラ処理回路１６は、ＦＥ回路１５からのデジタル画像信号に対して画質補正処理を施し、カメラスルー画像の信号として、制御部１８を通じてグラフィックＩ／Ｆ２０に供給する。これにより、カメラスルー画像がディスプレイ２１に表示され、ユーザはディスプレイ２１を見て画角合わせを行うことが可能となる。

この状態で、入力部１９のシャッタレリーズボタンが押下されると、制御部１８は、光学ブロック１１およびＴＧ１３に制御信号を出力して、シャッタを動作させる。これにより撮像素子１２ａおよび１２ｂからは、１フレーム分の画像信号が出力される。カメラ処理回路１６は、撮像素子１２ａおよび１２ｂから加算回路１４およびＦＥ回路１５を介して供給された１フレーム分の画像信号に画質補正処理を施し、処理後の画像信号をエンコーダ／デコーダ１７に供給する。エンコーダ／デコーダ１７は、入力された画像信号を圧縮符号化し、生成した符号化データを制御部１８を通じてＲ／Ｗ２２に供給する。これにより、撮像された静止画像のデータファイルがメモリカード２３に記録される。

一方、メモリカード２３に記録された静止画像のデータファイルを再生する場合には、制御部１８は、入力部１９からの操作入力に応じて、選択されたデータファイルをメモリカード２３から読み込み、エンコーダ／デコーダ１７に供給して伸張復号化処理を実行させる。復号化された画像信号は制御部１８を介してグラフィックＩ／Ｆ２０に供給され、これによりディスプレイ２１に静止画像が再生表示される。

ところで、本実施の形態の撮像装置では、光学ブロック１１で集光した光の光路をプリズム１１１により分岐させ、分岐した光を２つの撮像素子１２ａおよび１２ｂで受光して、各素子の出力信号を加算して撮像信号を得ている。これにより、撮像信号のダイナミックレンジを拡大することが可能となる。

図２は、光路を分岐するプリズム１１１の構成例を示す図である。
図２に示すプリズム１１１は、２つのプリズム１１１ａおよび１１１ｂを組み合わせた構造を有している。複数のレンズなどからなるレンズブロック１１２によって集光された光は、一方のプリズム１１１ａに入射された後、プリズム１１１ｂとの界面で均等な光量（およそ１／２ずつ）の光に分岐される。分岐された一方の光は、プリズム１１１ｂに入射して、さらに別の界面で２度全反射された後、出射面から撮像素子１２ａに対して出射される。また、分岐された他方の光は、プリズム１１１ａの内部に反射されて、さらに別の界面で全反射された後、出射面から撮像素子１２ｂに対して出射される。このような構造により、分岐された光はそれぞれほぼ同じ光量を有し、かつ像の方向が同じ状態で撮像素子１２ａおよび１２ｂに入射する。

なお、光路を分岐するプリズム１１１は、上記構造に限らず様々な構造を採ることができる。また、このような光路を分岐する光学デバイスとしては、プリズムの他、例えば後述するハーフミラーなどを用いてもよい。

図３は、撮像信号のダイナミックレンジが拡大される原理を説明するための図である。図３（Ａ）は、本実施の形態の光学系の構造を示し、（Ｂ）は、１つの撮像素子を用いた従来の光学系の構造を参考のために示している。

図３（Ａ）に示す本実施の形態では、レンズブロック１１２を透過した光は、プリズム１１１により光量１／２ずつの光に分岐される。従って、同じ被写体を撮像した場合、図３（Ａ）の撮像素子１２ａおよび１２ｂのそれぞれのセルに入射される光量は、図３（Ｂ）に示す１つだけの撮像素子１２のセルへの入射光量の１／２となる。

ここで、実際の撮像素子では、各セルに蓄積可能な電荷量は撮像素子ごとに決まっている。この電荷量はセルの面積に比例するため、例えば受光面のサイズが同じ撮像素子であれば、画素数が多くなるほど各セルに蓄積可能な電荷量が少なくなる。そして、その電荷量に対応する光量Ｌｍａｘ以上の光を受光しても蓄積量が飽和してしまい、画像が白くぼやける、いわゆる白飛びの状態となる。

このため、制御部１８の制御によりアイリスの開き具合やシャッタスピードを調整し、撮像素子の各セルに光量Ｌｍａｘ以上の光が入らないようにする。このとき、撮像された画面上の黒い部分および白い部分にそれぞれ対応する撮像素子ごとのセルに対しては、理想的には入射光量がそれぞれ０，Ｌｍａｘとなるように設定される。

ここで、従来の構成においてレンズ系に入射可能な光量をＬ１、本実施の形態の構成においてレンズ系に入射可能な光量をＬ２とすると、これらと上記の光量Ｌｍａｘとの関係は、理想的には、Ｌ１＝α＊Ｌｍａｘ，Ｌ２＝２α＊Ｌｍａｘ（ただし、αはレンズ系ごとの定数）と表される。

また、このときの光学系全体のダイナミックレンジは「最大レンズ入射光−最小レンズ入射光」となるので、従来の構成ではＬ１、本実施の形態の構成ではＬ２となる。従って、Ｌ２／Ｌ１＝２となり、本実施の形態の構成では従来の構成と比較して２倍のダイナミックレンジが得られることになる。

以上説明したように、本実施の形態の撮像装置では、レンズ系により集光した光を分岐して２つの撮像素子で受光するようにしたことで、１つの撮像素子で受光する場合と比較しておよそ２倍のダイナミックレンジが得られる。従って、より明るい被写体を撮像した場合にも画像信号量が飽和することなく、その明るさを正確に検出することが可能となり、撮像画像の画質を向上させることができる。

特に、２つの撮像素子の画素数をそれぞれ増加させた場合にダイナミックレンジが拡大されるので、小型でかつ高画素数の撮像素子を用いた場合にも、撮像画像の画質を劣化させることなく、光学系の全長を短縮し、さらにレンズ径を小さくして、撮像装置を小型化することが可能となる。

《ノイズを低減させた変形例》
ところで、上記の実施の形態の撮像装置では、撮像画像信号のダイナミックレンジをおよそ２倍に拡大できる反面、ノイズの発生量もおよそ２倍に増加してしまう。特に、被写体が暗い場合には、撮像素子に関係する各種のノイズが多く発生するため、画面上でノイズが目立ってしまうことが考えられる。

例えば、図３（Ａ）および（Ｂ）の各レンズブロック１１２において、同一の光量Ｌｉｎの光が入射した場合を考えると、図３（Ｂ）の構成の撮像素子１２への入射光量はＬｉｎ／α、図３（Ａ）の構成の撮像素子１２ａおよび１２ｂのそれぞれに対する入射光量はＬｉｎ／２αとなる。ここで、各撮像素子で発生するノイズ量をｎとすると、図３（Ｂ）の構成でのＳ／Ｎ（Signal/Noise）は（Ｌｉｎ／α）／ｎ、図３（Ａ）では（Ｌｉｎ／α）／２ｎとなる。入射された光量Ｌｉｎがｎに対して十分大きい場合には、上記の差は無視できるが、光量Ｌｉｎが小さい低照度下では無視できなくなり、画質劣化が生じる。

そこで、ここでは、被写体の明るさに応じて、２枚の撮像素子を用いた２板構成と、１枚の撮像素子を用いた１板構成とを切り替えるようにして、低照度時に発生するノイズの総発生量を減少させる。

図４は、１板−２板切り替え式の撮像装置の構成例とその動作を示す図である。
図４に示す撮像装置では、プリズム１１１と撮像素子１２ａおよび１２ｂとを可動式としている。被写体が明るい場合には、図４（Ａ）のように、レンズブロック１１２の出射側にプリズム１１１を配置し、図１の場合と同様にプリズム１１１で分岐された光をそれぞれ撮像素子１２ａおよび１２ｂで受光し、その受光信号を加算回路１４で加算した信号を撮像信号とする。一方、被写体が暗い場合には、図４（Ｂ）のように、プリズム１１１および撮像素子１２ａを移動させてレンズブロック１１２の光軸から外し、さらに撮像素子１２ｂを移動させて、レンズブロック１１２の出射光を受光させるようにする。このとき、撮像素子１２ａからの出力信号はキャンセルし、撮像素子１２ｂの出力信号のみを撮像画像信号として用いる。

図５は、１板−２板の切り替え制御の流れを示すフローチャートである。
〔ステップＳ１０１〕撮像装置の電源が投入されると、制御部１８は、光学ブロック１１内の機構を制御して、プリズム１１１と撮像素子１２ａおよび１２ｂを、図４（Ａ）に示した２板構成の状態にセットする。

〔ステップＳ１０２〕制御部１８は、プリズム１１１や撮像素子１２ａおよび１２ｂの状態が２板側にあることを示すフラグ情報を、内部のＲＡＭなどに一時的に記憶させる。
〔ステップＳ１０３〕制御部１８は、電源が投入された状態が継続しているか否かを判定し、継続している場合はステップＳ１０４に進む。また、ユーザによる操作入力やタイマの動作などにより電源の切断要求を受けた場合にはステップＳ１１２に進む。

〔ステップＳ１０４〕制御部１８は、撮像画像信号に基づく明るさ情報を取得する。この明るさ情報としては、例えば輝度、色温度の情報などを用いればよい。このような情報は、露光制御用に制御部１８自身あるいはカメラ処理回路１６などで随時演算されている情報から容易に取得することができる。

〔ステップＳ１０５〕制御部１８は、明るさ情報の値が所定のしきい値以上であるか否かを判定し、しきい値以上である場合はステップＳ１０６に、しきい値未満である場合はステップＳ１０９に進む。

〔ステップＳ１０６〕制御部１８は、プリズム１１１や撮像素子１２ａおよび１２ｂの状態を示すフラグ情報を参照し、現在の状態が１板構成である場合はステップＳ１０７に進み、そうでない場合はステップＳ１０３に戻る。

〔ステップＳ１０７〕制御部１８は、プリズム１１１と撮像素子１２ａおよび１２ｂを移動させて、２板構成の状態にセットする。
〔ステップＳ１０８〕制御部１８は、フラグ情報を２板側を示すように更新して、ステップＳ１０３に戻る。

〔ステップＳ１０９〕制御部１８は、フラグ情報を参照し、現在の状態が２板構成である場合はステップＳ１１０に進み、そうでない場合はステップＳ１０３に戻る。
〔ステップＳ１１０〕制御部１８は、プリズム１１１と撮像素子１２ａおよび１２ｂを移動させて、図４（Ｂ）に示した１板構成の状態にセットする。

〔ステップＳ１１１〕制御部１８は、フラグ情報を１板側を示すように更新して、ステップＳ１０３に戻る。
〔ステップＳ１１２〕制御部１８は、電源切断要求に応じて、プリズム１１１などの状態を終了状態に移行させる。

以上の処理により、一定の明るさを境界として、被写体が明るい場合には、撮像素子１２ａおよび１２ｂの双方を用いて撮像が行われるので、受光可能な光量が増加して、白飛びの発生が防止され、明るい画像の画質が向上される。また、被写体が暗い場合には、レンズブロック１１２の出射光を分岐せずに１つの撮像素子１２ｂのみで受光するので、ノイズの発生量を半減し、画質劣化を抑制することができる。従って、小型かつ高画素数の撮像素子を用いた場合に、より多くの撮像画像の画質を向上させることができる。

《その他の変形例》
図６は、ＴＧおよびＦＥ回路を個別に設けた撮像装置の要部構成例を示す図である。
上記の各実施の形態では、２つの撮像素子１２ａおよび１２ｂを同一のＴＧにより駆動していたが、図６のように、各撮像素子１２ａおよび１２ｂを個別のＴＧ１３ａおよび１３ｂにより駆動するようにしてもよい。

また、各撮像素子１２ａおよび１２ｂの出力信号を、アナログ信号の状態で加算せずに、図６のように個別のＦＥ回路１５ａおよび１５ｂにより処理し、デジタル画像信号に変換した後に、加算回路１４ａにより画素ごとに加算するようにしてもよい。なお、ＦＥ回路が具備する処理機能の一部（例えば、サンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換回路、ゲインコントロール回路など）のみを個別回路で実現し、それらの回路の出力信号を加算した後に、ＦＥ回路の残りの処理を共通の処理回路で処理するようにしてもよい。

図７は、ハーフミラーにより被写体からの入射光を分岐するようにした撮像装置の要部構成例を示す図である。
レンズブロック１１２の出射光を分岐するための光学デバイスとしては、上記各実施の形態で挙げたプリズム以外のものが用いられてもよい。図７では、その光学デバイスの他の例としてハーフミラーを用いている。

図７（Ａ）は、ハーフミラー１１３と全反射ミラー１１４とを用いた場合の構成例を示している。この例では、レンズブロック１１２の出射光の光路はハーフミラー１１３により分岐され、一方の光はハーフミラー１１３を透過して撮像素子１２ｂにより受光される。また、ハーフミラー１１３で反射された他方の光は、全反射ミラー１１４により全反射された後、撮像素子１２ａにより受光される。このような構成によれば、撮像素子１２ａおよび１２ｂに到達する像の向きが一致するため、撮像素子１２ａおよび１２ｂとして全く同じ仕様のものを用い、受光面上において同じ画素位置を起点に同じ方向に信号の読み出しを行うことができる。

これに対して、図７（Ｂ）は、ハーフミラー１１３のみを用いた場合の構成例を示している。この例では、ハーフミラー１１３で反射された光も撮像素子１２ａに直接受光されるようにし、部品点数やデバイスの配置面積を削減することができる。しかし、撮像素子１２ａへの入射光による像はハーフミラー１１３により反転されているため、各撮像素子１２ａおよび１２ｂにおいてはそれぞれ水平方向の逆側の画素から信号の読み出しを開始する必要がある。

なお、この図７のような構成の撮像装置では、例えば図４および図５で説明したように被写体の明るさに応じて１板−２板の構成を切り替える方式とした場合には、１板構成とする際にハーフミラー１１３のみをレンズブロック１１２の光軸から離れるように移動させ、被写体からの光を撮像素子１２ｂのみに受光させればよい。これにより、移動機構が簡略化されて、機構を小型化し、製造コストを抑制することができる。

図８は、被写体からの光がレンズブロックにより結像する前に光路を分岐するようにした撮像装置の要部構成例を示す図である。
上記の各実施の形態では、レンズブロック１１２によって被写体からの入射光が結像した後、その結像点付近で光路を分割していたが、結像する前に光路を分岐するようにしても、上記と同様に撮像信号のダイナミックレンジを拡大する効果を得ることができる。図８の撮像装置では、光学系を前段のレンズブロック１１２ａと後段のレンズブロック１１２ｂおよび１１２ｃとに分割し、それらの間にプリズム１１１を配置して光路を分岐している。後段のレンズブロック１１２ｂおよび１１２ｃはそれぞれ同じレンズ構成を有しており、前段のレンズブロック１１２ａと、後段の各レンズブロック１１２ｂおよび１１２ｃとにより被写体からの入射光が結像するようにされている。

このような光学系の構成は、例えば、撮像装置の筐体の奥行きを小さくする場合などに有効である。また、前段のレンズブロック１１２ａには、例えばズームや焦点合わせのための可動レンズを設け、後段のレンズブロック１１２ｂおよび１１２ｃには固定レンズのみを配置することで、製造コストを抑制することができる。

なお、以上の各実施の形態では、レンズブロック１１２を伝播する光を２方向に分岐した例を示したが、３以上の方向に分岐して、分岐した光をそれぞれ撮像素子で受光するようにしてもよい。また、その場合に、図４および図５で説明したように被写体の明るさに応じて使用する撮像素子数を切り替える方式とした場合には、被写体が暗いときに、少なくとも１つの撮像素子を除く残りの撮像素子に被写体からの光を受光させるようにすればよい。

実施の形態に係る撮像装置の構成を示す図である。光路を分岐するプリズムの構成例を示す図である。撮像信号のダイナミックレンジが拡大される原理を説明するための図である。１板−２板切り替え式の撮像装置の構成例とその動作を示す図である。１板−２板の切り替え制御の流れを示すフローチャートである。ＴＧおよびＦＥ回路を個別に設けた撮像装置の要部構成例を示す図である。ハーフミラーにより被写体からの入射光を分岐するようにした撮像装置の要部構成例を示す図である。被写体からの光がレンズブロックにより結像する前に光路を分岐するようにした撮像装置の要部構成例を示す図である。

符号の説明

１１……光学ブロック、１２ａ，１２ｂ……撮像素子、１３……ＴＧ、１４……加算回路、１５……ＦＥ回路、１６……カメラ処理回路、１７……エンコーダ／デコーダ、１８……制御部、１９……入力部、２０……グラフィックＩ／Ｆ、２１……ディスプレイ、２２……Ｒ／Ｗ、２３……メモリカード、１１１……プリズム、１１２……レンズブロック

Claims

固体撮像素子を用いて画像を撮像する撮像装置において、
被写体からの光を集光する１つ以上のレンズからなるレンズ部と、
前記レンズ部の後部またはその途中で光量が略均等になるように光路を分岐する光路分岐手段と、
前記光路分岐手段によって分岐された光をそれぞれ受光して光電変換する複数の固体撮像素子と、
前記複数の固体撮像素子の各出力信号を基に対応する画素同士の信号を加算して撮像画像信号を生成する信号生成手段と、
少なくとも前記光路分岐手段またはその一部を移動させる移動手段と、
前記複数の固体撮像素子のうちの少なくとも１つの出力信号を基に被写体の明るさを検出する検出手段と、
前記検出手段による検出結果に基づいて前記移動手段の動作を制御する制御手段と、
を有し、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された明るさの値が所定のしきい値未満である場合に、前記移動手段を制御して前記光路分岐手段またはその一部を前記レンズ部の光軸から離れるように移動させ、前記複数の固体撮像素子のうち、少なくとも１つを除いた残りの前記固体撮像素子に対して、被写体からの光を前記光路分岐手段を介さずに受光させることを特徴とする撮像装置。
前記検出手段は、明るさの情報として輝度情報および色温度情報の少なくとも１つを検出することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記複数の固体撮像素子の画素ごとの信号読み出しタイミングを同期制御する共通のタイミング制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記信号生成手段は、
前記複数の固体撮像素子からの各出力信号を画素ごとに加算する加算手段と、
前記加算手段からの出力信号に対してアナログ／デジタル変換処理を含む所定の処理を施す１つの処理手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記信号生成手段は、
前記複数の固体撮像素子からの各出力信号に対して個別に、サンプルホールド処理、アナログ／デジタル変換処理、ゲインコントロール処理の少なくとも１つを含む所定の処理を施す複数の処理手段と、
前記各処理手段からの出力信号を画素ごとに加算する加算手段と、
を含むことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
固体撮像素子を用いて画像を撮像するための撮像方法において、
被写体からの光を集光する１つ以上のレンズからなるレンズ部の後部またはその途中で光路分岐部材により光量が略均等になるように光路を分岐し、分岐された光をそれぞれ個別の固体撮像素子により受光するようにし、
信号生成手段が、前記各固体撮像素子の出力信号を基に対応する画素同士の信号を加算して撮像画像信号を生成し、
検出手段が、前記固体撮像素子のうちの少なくとも１つの出力信号を基に被写体の明るさを検出し、
制御手段が、前記検出手段により検出された明るさの値が所定のしきい値未満である場合に、移動機構を制御して前記光路分岐部材またはその一部を前記レンズ部の光軸から離れるように移動させ、複数の前記固体撮像素子のうち、少なくとも１つを除いた残りの前記固体撮像素子に対して、被写体からの光を前記光路分岐部材を介さずに受光させる、
ことを特徴とする撮像方法。