JP4628593B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルスチルカメラやムービー、監視カメラおよび携帯電話や端末情報機器(PDA)など情報機器の画像入力手段となる撮像素子を用いた電子カメラ用の撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子カメラの分野の課題の一つに逆光条件や過順光の条件時にカメラのダイナミックレンジが不足しているため白とびや黒つぶれなどによる画像情報の欠落がある。特に監視カメラでは、視認性が要求され画像情報がつぶれないことが重要であり、ダイナミックレンジの不足に対して、改善の要望は強く求められていた。
【0003】
従来、ダイナミックレンジを拡大する手法として、例えば特開平10−23324号公報では、白とび、黒つぶれした情報を抽出する露光条件と通常の画像情報を抽出する露光条件の2種類の条件を撮像素子の電子シャッターを利用して短時間に切り替え、その2種類の画像情報を合成して、見かけ上、高ダイナミックレンジを得る方法が提案されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平10−23324号公報で提案されている撮像装置では、露光条件の異なる複数の画像は用いるが、それぞれの画像は画面全体で一定の露光条件のため、画像の細部にわたって露光条件を適切にすることが難しい。またそれぞれの画像の切り出す条件や画像の組み合わせの条件の設定が難しく、特に短い露光時間の画像を合成する場合、S/Nの悪い映像になる。さらに、複数枚の画像は時間的に異なるタイミングで抽出されるため、動物体の撮影や手ブレ発生時に画像の解像度が劣化してしまう。
【0005】
本発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、画素ごとに反射量を変えられるアレイ状の微少ミラーで被写体像を反射させ、その像を撮像素子で受光することにより、逆光条件や過順光時にも黒つぶれ、白とびのない高ダイナミックレンジでS/Nが良く、画像劣化の少ない撮像装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第1番目の撮像装置は、被写体像を結像する第1レンズと、前記第1レンズの結像面に配置され微少ミラーが2次元的に配列された構造の反射手段と、前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第2レンズと、前記第2レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、前記第1レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第2レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第2レンズに入射させるプリズムと、を具備した撮像装置であって、前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする。
【0007】
次に本発明の第2番目の撮像装置は、被写体像を結像する第1レンズと、前記第1レンズに組み込みもしくは近接され、前記第1レンズに入射する光量の調節を行う絞りと、前記第1レンズの結像面に配置され微少ミラーが2次元的に配列された構造の反射手段と、前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第2レンズと、前記第2レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、前記絞りを制御する絞り制御部と、前記第1レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第2レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第2レンズに入射させるプリズムと、を具備した撮像装置であって、前記絞り制御部は前記反射手段に結像する被写体像の明るさを調節し、前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
前記本発明の撮像素子によれば、第1レンズの結像面上にある微少ミラーが、結像面に形成された被写体像の反射の方向を微少ミラーごとに変えられるため、第2レンズに入射させる光の量を微少ミラーごとに制御することができ、撮像素子上に再度形成される被写体像は微少ミラーの分解能ごとに撮像素子の飽和を越えない適正な光量に制御されるため、黒つぶれや白とびのない高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【0009】
また、第1レンズに入射する光量の調節を行う絞りが第1レンズに組み込みもしくは近接されることにより、絞り制御とミラー制御が連動し、さらに高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【0010】
また、反射手段の平面に対して第2レンズと撮像素子がピントの合う結像関係を保持するようにあおられて配置されることで、画面全体にわたってピントを良好にすることができる。
【0011】
また、第1レンズと反射手段および反射手段と第2レンズの間にプリズムが配置され反射手段からの反射光が前記プリズムで全反射されて第2レンズに入射することで、第1レンズと反射手段と第2レンズを近接して置くことができるため撮像装置全体を小型化することができる。
【0012】
また、信号処理手段が被写体と撮像素子上の像に生じるパースペクティブの変化を補正するように映像情報を変形することで、反射手段と撮像素子があおられて配置されることによる画像の変形を補正することができる。
【0014】
また、ミラー制御部は信号処理手段で演算される画像の明るさの情報をもとに、微少ミラーを個々に制御し、撮像素子に適正な光量が入るよう露光量が調整され、さらに個々の微少ミラーを制御する個々の制御量を信号処理手段に送り、対応する映像信号の補正を行うことで、撮像素子の出力の段階では一定の範囲のダイナミックレンジに押さえて、信号処理で個々のミラーの制御量をもとに、信号を復元することができ、より簡便な方法で高ダイナミックレンジの画像を得ることができる。
【0015】
また、ミラー制御部は個々の微少ミラーについて、第2レンズへ被写体像を入射するONの状態のミラーの配置と第2レンズへ被写体像が入射しないOFFの状態のミラーの配置を切り替え、一定時間において前記ONの状態が継続する時間を変えることで、ミラー制御の空間的な分解能を細かくせずに、精度の高い露光制御ができるため、制御系の構成に負担のない撮像装置が提供できる。
【0016】
さらに、信号処理手段は、前記信号処理手段内で演算される画像の明るさの情報をもとに、画像全体の明るさを撮像素子の電子シャッターを利用して調整することで、絞り制御を省いたり、絞りに負担の少ない露光制御ができるため、安価な撮像装置を提供できる。
【0017】
以下、本発明の撮像装置の一実施形態について図面を用いて説明する。
【0018】
(実施の形態1)
図1は、実施形態1の撮像装置を示している。映像情報の流れに対応して被写体側から撮影レンズ1、ミラーデバイス2、リレーレンズ3、撮像素子4が配置されており、以降電気信号の流れとして信号処理回路5、ミラー制御部6が接続され、ミラー制御部6の出力はミラーデバイス2に接続されている。
【0019】
ミラーデバイス2は最近反射型の表示パネルとして注目されている、いわゆるDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)であり、図2に示す通り、表面が複数の画素に分割され、その画素ごとに正方形の微少なミラーが配置され、各ミラーは2つの対角A,Bを支点に回動して画素ごとに約±10°傾く構造になっており、入射した光線を画素ごとに方向を変える機能を持っている。ミラーデバイス2は撮影レンズ1で撮影する被写体の結像位置に配置され、被写体像をリレーレンズ3に反射する。例えばミラーデバイス2の各画素のミラーが+10°ではONの状態で、反射光はリレーレンズ3の方向に制御され、−10°ではOFFの状態でリレーレンズ3には反射光が入射しない方向に設定される。リレーレンズ3はミラーデバイス2上の被写体像を撮像素子4上に結像させる光学系となっている。なお、反射像が撮像素子4上でピントが合った状態を維持するため、いわゆるシャインプルフの法則に従うようミラーデバイス2に対してリレーレンズ3と撮像素子4はあおられて配置される。撮像素子4はミラーデバイス2の反射像を光電変換し、変換された電気信号は信号処理回路5に入力され撮像素子4の特性に基づいた一定の信号処理が施され、TV表示やメモリ記録が可能なそれぞれのフォーマットに変換された映像信号Iとして出力される。また、一方で、画面全体の輝度情報J1およびミラーデバイス2の各画素に対応した輝度情報J2が信号処理回路5で抽出され、ミラー制御部6に出力される。ミラー制御部6では画面全体の輝度情報J1および各画素の輝度情報J2から、撮像素子が飽和をせず、かつ画像全体として適切な露光条件の映像となるよう、ミラー制御部6からミラーデバイス2の各画素に対してリレーレンズ3に反射する光のONの時間で露光量を変える。例えば逆光状態の場合は逆光でない暗い部分に画面全体の露光条件を合わせ一定のON時間とし、逆光条件の部分の画素については、逆光部分全体の明るさに応じて画面全体の露光条件よりも短いON時間とする。過順光の条件では逆光と逆の条件で制御することで、黒つぶれや白とびのない高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【0020】
(実施の形態2)
図3は、実施の形態2の撮像装置を示している。実施の形態1では画面全体の露光調節をミラーデバイス2で行う構成になっているが、この場合、明るい被写体では露光時間が非常に短くなり、画面の輝度の低いところではS/Nが良好でない条件になる場合があり、動画ではストロボ撮影のような条件になるため、実施の形態2では撮影レンズ1に組み込みもしくは近接させて、通常のカメラ、ビデオカメラ、DSCなどで用いられている絞り7が配置される。絞り7は絞り制御部8で制御される構成となっている。
【0021】
全体の動作の様子は実施の形態1と同様であるが、輝度情報の扱い方が異なる。実施の形態2では、信号処理回路5で抽出された画面全体の輝度情報J1が絞り制御部8およびミラーデバイス2の各画素に対応した輝度情報J2がミラー制御部6に入力され、画面全体の露光は絞り7で調節し、逆光や過順光の条件にある被写体についてはミラー制御部6でミラーデバイス2の各画素のミラーのONの時間を条件に応じて調節する。これによりS/Nが良くかつ黒つぶれや白とびのない高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【0022】
(実施の形態3)
図4は、実施形態3の撮像装置を示している。基本的な構成は実施の形態2がベースとなっているが、撮影レンズ1とミラーデバイス2およびリレーレンズ3の間にプリズム9が、図4に示すように挿入される。図5に詳細なプリズム9および周辺の様子を示している。撮影レンズ1を出た光束は、まずプリズムブロック91を通過し、プリズムブロック92を通過してミラーデバイス2に被写体像が形成される。ミラーデバイス2で反射された像はプリズムブロック92の反射面Mで全反射し、以降リレーレンズ3を介して撮像素子4に至る。ここで、プリズムブロック91、プリズムブロック92はプリズムを通過する光束について光路長が等価になるような構成と形状になっている。
また、反射面Mはミラーデバイス2からの反射光に対して全反射の条件となるような傾きになっている。これにより、反射光を直接リレーレンズ3で受けるよりも全体をコンパクトな構成にすることができる。
【0023】
(実施の形態4)
図6は、実施の形態4の撮像装置の信号処理回路5の構成を示している。図7に示すとおり、ミラーデバイス2に対してリレーレンズ3、撮像素子4はピントの合う関係を保つためにアオリの関係にある必要がある。このとき像はミラーデバイス上で等間隔のP1,P2・・・Pnが撮像素子4上ではP'1に近いほど粗い間隔、P'nに近いほど密な間隔になってしまい、変形されたいわゆるパースペクティブが変わった像が形成される。そこで図6に示すように信号処理回路5で映像信号を形成する映像信号処理回路51の後、メモリ52に蓄えられた変形情報をもとにパースペクティブ補正回路53で変形を補正し、被写体像と相似な像を得ることができる。ここで、パースペクティブの補正はメモリ52に情報に基づいて行っているが、演算に基づくものであっても良い。また、補正の際には平均や補間など映像処理で一般に用いられる手法を用いて画像が良好な状態になるよう処理が施される。
【0024】
(実施の形態5)
図8は、実施の形態5の撮像装置を示している。構成要素は実施の形態3および4と同様である。ミラーの制御量すなわちミラーがONの時間を情報J3として信号処理回路5に出力し、信号処理回路5で各画素に対して信号量をJ3に基づいて補正する。すなわちミラーが標準のONの時間に対して1/2の時間であれば信号を2倍にし、2倍の時間であれば信号を1/2にする。これにより信号処理回路5の入力のAD変換器のビット長などに制約を受けることなく高ダイナミックレンジな信号を取り出すことができ、例えば、階調良く見たい部分の映像を加工して作り出すこともできる。すなわち操作者が見たい部分の階調を良くして見ることもできる。
【0025】
(実施の形態6)
図9は、実施の形態6に係わる撮像装置を示している。構成は実施の形態の2〜5のいずれかの撮像装置に対して、絞り7および絞り制御部8の替わりに撮像素子の電子シャッターを利用する電子シャッター制御部10を設けたものである。機能は絞り7と同様であり、画面全体の輝度情報J1から適切な露光条件を電子シャッターの露光時間として割り出し、撮像素子の露光時間を制御する。これにより画面全体の露光条件設定に安価な構成を用いることができる。
【0026】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、画素ごとに反射光量を変えられるアレイ状の微少ミラーで被写体像を反射させ、その像を撮像素子で受光することにより、逆光条件や過順光時にも黒つぶれ、白とびのない高ダイナミックレンジでS/Nが良く、画像劣化の少ない撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1を示す撮像装置の構成図
【図2】本発明の実施形態1を示すミラーデバイスの説明図
【図3】本発明の実施形態2を示す撮像装置の構成図
【図4】本発明の実施形態3を示す撮像装置の構成図
【図5】本発明の実施形態3を示すプリズムの構成図
【図6】本発明の実施形態4を示す信号処理回路5の構成図
【図7】本発明の実施形態4を示すパースペクティブ変化の説明図
【図8】本発明の実施形態5を示す撮像装置の構成図
【図9】本発明の実施形態6を示す撮像装置の構成図
【符号の説明】
1 撮影レンズ
2 ミラーデバイス
3 リレーレンズ
4 撮像素子
5 信号処理回路
6 ミラー制御部
7 絞り
8 絞り制御部
9 プリズム
Claims (9)
- 被写体像を結像する第1レンズと、
前記第1レンズの結像面に配置され微少ミラーが2次元的に配列された構造の反射手段と、
前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第2レンズと、
前記第2レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、
前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、
前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、
前記第1レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第2レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第2レンズに入射させるプリズムと、
を具備した撮像装置であって、
前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする撮像装置。 - 被写体像を結像する第1レンズと、
前記第1レンズに組み込みもしくは近接され、前記第1レンズに入射する光量の調節を行う絞りと、
前記第1レンズの結像面に配置され微少ミラーが2次元的に配列された構造の反射手段と、
前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第2レンズと、
前記第2レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、
前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、
前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、
前記絞りを制御する絞り制御部と、
前記第1レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第2レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第2レンズに入射させるプリズムと、
を具備した撮像装置であって、
前記絞り制御部は前記反射手段に結像する被写体像の明るさを調節し、前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする撮像装置。 - 前記ミラー制御部は、前記絞り制御部が前記絞りを制御することで前記反射手段に結像される被写体像の明るさを調節した後、前記微少ミラーを制御し、前記撮像素子に適正な光量が入るよう露光量を調整する請求項2に記載の撮像装置。
- 前記反射手段の平面に対して前記第2レンズと前記撮像素子がピントの合う結像関係を保持するようにあおられて配置されている請求項1〜3のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記信号処理手段は、前記被写体と前記撮像素子上の像に生じるパースペクティブの変化を補正するように前記映像情報を変形する請求項1〜4のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記ミラー制御部は、前記信号処理手段で演算される画像の明るさの情報をもとに、前記微少ミラーを個々に制御し、前記撮像素子に適正な光量が入るよう露光量を調整する請求項1〜5のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記ミラー制御部は、前記個々の微少ミラーを制御する個々の制御量を前記信号処理手段に送り、対応する映像信号の補正を行う請求項6に記載の撮像装置。
- 前記ミラー制御部は、前記個々の微少ミラーについて、前記第2レンズへ被写体像を入射するONの状態のミラーの配置と第2レンズへ被写体像が入射しないOFFの状態のミラーの配置を切り替え、一定時間において前記ONの状態が継続する時間を変えることで前記撮像素子への露光量を変える請求項6または7に記載の撮像装置。
- 前記信号処理手段は、前記信号処理手段内で演算される画像の明るさの情報をもとに、画像全体の明るさを前記撮像素子の電子シャッターを利用して調整する請求項1〜8のいずれかに記載の撮像装置。
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