JP6277675B2 - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、デジタルカメラなどに適用可能な撮像装置に関し、特に、撮像素子からの画素信号読み出し処理に関する。

撮像素子によって撮影を行うデジタルカメラなどでは、被写体を広いダイナミックレンジで撮像することが要求される。特に、測光センサ／ＡＥセンサとして撮像素子を使用する場合、適正な露出条件を決定するため、低輝度〜高輝度いずれの被写体も精度よく検出することが求められる。

撮像素子のダイナミックレンジを拡大する方法としては、低感度と高感度の画素を混合配列させる方法（特許文献１参照）、複数の画像を時系列的に取得する方法（特許文献２参照）などがあり、また、複数の画素を加算して出力する方法なども知られている（特許文献３参照）。

特許文献３では、画素加算を用いた画素信号読み出し機能をもつ測光用イメージンセンサ（ＡＥセンサ）を備えたデジタル型一眼レフカメラが開示されている。そこでは、Ｒ、Ｇ、Ｂのカラーエレメントを画素垂直方向にストライプ配列させた測光用（ＡＥ）撮像素子を配置する。

そして、測光用センサは、被写体の明るさ検出とともに、顔など被写体の特徴を抽出する被写体探索（追跡）にも利用される。被写体探索を行う場合、解像度低下を防ぐため、画素加算を行わない。一方、被写体探索を行わない場合、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれ垂直方向に沿って隣接する５画素を加算し、１画素として出力する。これにより感度が上がり、低輝度側での感度特性が向上する。

特開２００４−２０１２２８号公報 特許第４１９６５８８号公報 特開２０１２−２５３４６２号公報

特許文献３に開示された画素加算処理では、受光面全体に対して一様な画素加算処理を施している。これは、低輝度側での感度特性を向上させるが、ダイナミックレンジを広げる効果は得られない。

したがって、画素加算を用いた撮像素子の画素信号読み出し処理において、低輝度から高輝度全体に渡ったダイナミックレンジの拡大を実現できる画素加算処理が求められる。

また、従来の画素加算処理では、画素加算を行うか否か二者択一であり、ダイナミックレンジ拡大もしくは高解像度いずれかを優先し、他方を犠牲にしなければならない。画素加算数も一定であり、ダイナミックレンジ拡大の範囲もあらかじめ定められている。

しかしながら、撮影状況、被写体の輝度レベルによっては、ダイナミックレンジを拡大する一方で解像度を維持する必要がある。特に、ＡＥセンサとして撮像素子を使用する場合、適正露出演算を行うため、被写体の明るさを瞬時に検出しなければならない。

したがって、画素加算を用いた撮像素子の画素信号読み出し処理において、被写体の輝度レベル、撮影状況、被写体の明るさ等に応じて、適切な画素加算処理が求められる。

本発明の撮像装置は、垂直方向および水平方向にマトリクス配置された複数の画素を有する測光用撮像素子と、撮影、記録時に被写体像が形成される撮影用撮像素子と、測光用撮像素子の複数の画素の中で隣り合う画素の画素信号を、加算して読み出し可能な撮像素子駆動部と、測光用撮像素子の所定の列および行の少なくとも一方に対し、画素領域によって異なる画素信号の加算数を設定可能な画素加算設定部と、測光用撮像素子および撮影用撮像素子の露出を制御する露出制御部とを備え、画素加算設定部が、加算数を切り替え設定可能であり、撮像素子駆動部が、設定された加算数に応じて、複数の画素から画素信号を読み出し、露出制御部が、測光用撮像素子によって検出される被写体像の明るさに基づき、撮影用撮像素子の露出値を設定する。

本発明では、１フレーム／フィールド分相当もしくはその一部の画素信号において、少なくとも一部あるいは全体の列／行方向に対し、一様な加算数ではなく、異なる加算数による画素信号読み出しが行われる。これによって、感度の異なる複数の出力画素信号が得られ、ダイナミックレンジが拡大される。ただし、加算しない画素信号読み出しについては、ここでは加算数「１」と規定している。そして、加算数を切り替えることにより、ダイナミックレンジ幅を様々に設定することが可能となる。

画素加算設定部は、所定の列および行の少なくとも一方に対し、加算数ｍと加算数ｎ（ただし、ｍ、ｎは整数であって、ｍ≧１、ｎ＞ｍを満たす）を設定することができる。例えば、画素加算設定部は、少なくとも２つの加算数ｍ、ｎの組合せの間で、加算数を切り替える。例えば、画素加算設定部は、測光開始のとき、加算数ｍと加算数ｎを設定し、露出制御部は、測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、測光用撮像素子の測光露出値（露光時間、ゲイン値など）を調整してもよい。また、電源ＯＮ状態になると測光処理を開始することも可能であり、前記画素加算設定部は、電源ＯＮ状態になると、加算数ｍと加算数ｎを設定し、前記露出制御部は、前記測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、前記測光用撮像素子の測光露出値を調整する。あるいは、画素加算設定部は、被写体の輝度が所定範囲から外れた場合、加算数ｍと加算数ｎを設定し、露出制御部が、測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、測光用撮像素子の測光露出値を調整することもできる。

測光用撮像素子から読み出される画素信号に基づいて被写体の顔を検出する顔検出部を設け、顔検出モードが設定されている場合、加算数ｎより小さい加算数を設定するのがよい。なお、画素加算設定部は、解像度を上げるため、測光用撮像素子の露出調整の後、画素信号を加算しないで読み出すのがよい。

測光用撮像素子に対し、列または行に沿って同色の色要素が配置されたカラーフィルタが配置されている場合、画素加算設定部は、同色の色要素が並ぶ列または行に対し、異なる加算数を設定すればよい。例えば、一眼レフカメラなど、光学ファインダを有するカメラに撮像装置を配置し、光学ファインダが、被写体からの光を測光撮像素子の受光面に結像させるようにすることができる。

本発明の他の態様における垂直方向および水平方向にマトリクス配置された複数の画素を有する測光用撮像素子と、測光用撮像素子の複数の画素の中で隣り合う画素の画素信号を、加算して読み出し可能な撮像素子駆動部と、測光用撮像素子の所定の列および行の少なくとも一方に対し、画素信号の加算数を設定可能な画素加算設定部と、測光用撮像素子の露出を制御する露出制御部とを備え、画素加算設定部が、２以上である複数の加算数の間で加算数を切り替え設定可能であり、撮像素子駆動部が、設定された加算数に応じて、複数の画素から画素信号を読み出す。

これによれば、上述した異なる加算数の画素信号読み出し処理と、受光面全体あるいは一部において一様な加算数の画素信号読み出し処理の両方あるいは一方について、複数の加算数を選択的に設定することができる。ただし、一様な加算数については２以上となる。

本発明の他の態様における撮像方法は、垂直方向および水平方向にマトリクス配置された複数の画素を有する測光用撮像素子と、撮影用撮像素子と、測光用撮像素子の複数の画素の中で隣り合う画素の画素信号を、加算して読み出し可能な撮像素子駆動部とを備えた撮像装置の撮像方法であって、測光用撮像素子の所定の列および行の少なくとも一方に対し、画素領域によって異なる画素信号の加算数を設定し、測光用撮像素子および撮影用撮像素子の露出を制御する撮像方法であって、画素加算設定において、加算数を切り替え設定し、設定された加算数に応じて、複数の画素から画素信号を読み出し、測光用撮像素子によって検出される被写体像の明るさに基づき、撮影用撮像素子の露出値を設定する。

本発明によれば、測光時、ダイナミックレンジ拡大によって、被写体輝度を迅速かつ精度よく検出することができる。

第１の実施形態であるデジタルカメラのブロック図である。 ＡＥセンサの一部画素配列および一部回路構成を示した図である。 画素信号加算処理を示した図である。 画素信号読み出し処理時の駆動信号のタイミングチャートを示した図である。 ＡＥセンサの感度特性を示した図である。 異なる加算数の画素信号加算によるダイナミックレンジ拡大を示した図である。 第２の実施形態におけるＡＥセンサの画素配列および回路構成を示した図である。 第２の実施形態における駆動信号のタイミングチャートを示した図である。 第３の実施形態における１つの画素加算処理を示した図である。 列方向に沿った画素信号加算処理を示した図である。 行方向に沿った画素信号加算処理を示した図である。 一連の記録動作処理を示したフローチャートである。 図１１のステップＳ１０３における測光処理のサブルーチンである。 測光開始時の画素加算処理を示した図である。 被写体輝度急変時の画素加算処理を示した図である。 第５の実施形態におけるＡＥセンサの画素配列を示した図である。 列方向に沿った異なる加算数による画素信号読み出し処理を示した図である。 行方向に沿った異なる加算数による画素信号読み出し処理を示した図である。

以下では、図面を参照して本実施形態であるデジタルカメラについて説明する。

図１は、第１の実施形態であるデジタルカメラのブロック図である。

デジタルカメラ１０は、撮影レンズ２０を本体１５へ着脱自在に装着可能な一眼レフ型カメラであり、撮影モード、再生モードなどがモードダイヤル／ボタン（図示せず）の操作によって設定可能である。撮影モードでは、被写体からの反射光が、絞り２２、撮影レンズ２０を通過し、その一部がクイックリターンミラー２４によって光学ファインダ１２の方向へ導かれる。また、反射光の一部は、クイックリターンミラー２４を透過し、ハーフミラー２６によってＡＦセンサ３２へ導かれる。

光学ファインダ１２に入射した光が結像されることにより、ユーザは接眼レンズ（図示せず）を通じて被写体像を確認することができる。また、光学ファインダ１２の傍に配置されたＡＥセンサ３４の受光面にも、被写体像が形成される。

ＤＳＰによって構成される信号処理装置４０は、シャッタ２７、イメージセンサ駆動部２８、ＬＣＤ４８、タイミングジェネレータ（図示せず）などに制御信号を出力し、ボタンスイッチ４５によって検出される入力操作等に基づき、撮影画像の記録動作、再生表示、合焦動作などカメラ全体の動作制御を行う。カメラ動作制御のプログラムは、不揮発性メモリ４４に記憶されている。

レリーズボタン１９が半押しされると、合焦動作、露出演算処理が実行される。合焦動作では、ＡＦセンサ３２によって検出される位相差に基づき、撮影レンズ２０がＡＦドライバ（図示せず）によって駆動される。また、信号処理装置４０に設けられた露出制御部５０では、ＡＥセンサ３４によって検出される被写体の明るさ（露光量）に基づき、自動露出演算処理が実行される。ＡＥセンサ３４は、ここでは電荷転送型の固体撮像素子であるＣＣＤによって構成されている。

レリーズボタン１９がさらに全押しされると、一連の記録動作処理が実行される。すなわち、クイックリターンミラー２４、ハーフミラー２６が光路から退避するとともに、絞り２２、シャッタ２７が設定された露出値に基づいて駆動される。これにより、被写体像がイメージセンサ３０の受光面に形成される。

イメージセンサ３０は、例えば、電荷転送型撮像素子のＣＣＤ、あるいはＸ−Ｙアドレス型撮像素子のＣＭＯＳセンサが適用可能である。また、イメージセンサ３０の受光面上にはカラーフィルタ（ここでは図示せず）が配置されている。イメージセンサ３０で生じた一連の画素信号は、イメージセンサ駆動部２８によって信号処理装置４０へ送られる。

信号処理装置４０は、イメージセンサ３０から出力される一フレーム分の画素信号に対してホワイトバランス調整などの画像信号処理などを施し、静止画像データを生成する。生成された静止画像データは、内部メモリ４２へ一時的に格納された後、圧縮／非圧縮状態でメモリカードなどの外部メモリ４６に記録される。

露出制御部５０は、イメージセンサ駆動部２８、ＡＥセンサ３４を駆動するＡＥセンサ駆動部２９に対し制御信号を出力し、イメージセンサ３０、ＡＥセンサ３４に対する駆動信号の出力タイミング等を調整可能である。ＡＥセンサ駆動部２９では、隣り合う画素間で画素信号が加算して読み出されるように、駆動信号を出力することができる。

露出制御部５０は、ＡＥセンサ３４の露光量が被写体の明るさに適正な露光量となるように露出制御し、露出値（以下、測光用露出値という）を調整可能である。具体的には、ＡＥセンサ３４では、電子シャッタ機能による露光時間が調整される。また、ＡＥセンサ３４から読み出される画素信号のゲイン値が調整可能である。

さらに、露出制御部５０は、顔検出モードが設定されると、測光時、ＡＥセンサ３４において、従来公知の方法で被写体の顔検出することが可能である。例えばユーザは、ＬＣＤ４８に入力設定画面が表示された状態で、顔検出モードを設定することが可能である。

本実施形態では、ダイナミックレンジを拡大するように、異なる加算数によって画素信号を読み出す。以下、図２〜６を用いて、ＡＥセンサ３４における画素信号の加算処理について説明する。なお、便宜上、「画素信号の加算」と「画素加算」両方の用語を使って説明する。

図２は、ＡＥセンサ３４の一部画素配列および一部回路構成を示した図である。

上述したように、ＡＥセンサ３４はＣＣＤで構成されており、複数のフォトダイオード（画素）ＰＤが垂直方向、水平方向に沿ってマトリクス状に配置されている。ここでは、６行４列から成る２４個の画素ＰＤが図示されており、画素ＰＤは、マトリクス配置の列方向に沿ってそれぞれ符号「Ａ１〜Ａ６」、「Ｂ１〜Ｂ６」、「Ｃ１〜Ｃ６」、「Ｄ１〜Ｄ６」で表されている（以下、画素に生じた画素信号に対しても、同じ符号を用いる）。

カラーフィルタ３５は、それぞれスペクトルピークの異なるＲ、Ｇ１、Ｇ２、Ｂの色要素から成るフィルタアレイであり、画素Ａ１〜Ａ６、Ｂ１〜Ｂ６、Ｃ１〜Ｃ６、Ｄ１〜Ｄ６に対向配置されている。同色の色要素Ｒ、Ｇ１、Ｇ２、Ｂは、列方向／垂直方向に沿って並んでいる。光電変換によって各フォトダイオードＰＤに生じた電荷は、垂直転送部ＶＴによって水平転送部ＨＴに転送され、水平転送部ＨＴからアンプＡＰを経由して出力される。

図３は、画素信号加算処理を示した図である。ここでは、図２に示した２４個の画素領域における画素信号加算を示しており、他の画素領域においても同様の処理が施される。

画素信号加算は、同色の色要素が並ぶ垂直方向／列方向に沿って行われる。そして、２画素加算する画素領域と、そのまま画素信号を読み出す画素領域とを交互に規定する。画素領域Ｒ１、Ｒ３では、垂直方向に隣り合う画素信号（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２）、（Ｃ１、Ｃ２）、（Ｄ１、Ｄ２）が、それぞれ加算されながら読み出される。

一方、画素（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３、Ｄ３）および（Ａ６、Ｂ６、Ｃ６、Ｄ６）に対しては、隣接画素と加算せず、そのまま垂直転送される。その結果、読み出された画素信号は、４行分の画素信号として出力される。例えば、第１列の画素信号は、４つの画素信号Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’、Ａ４’として外部に出力される。他の第２列〜第４列、およびそれ以外の列についても同様の画素加算処理が行われる。

読み出された画素信号は、加算数ごとに分離され、１フレーム分の画素信号データが加算数ごとに生成される。その結果、１フレーム分の画素データから、感度の異なる２つの１フレーム相当の画素データが形成される。なお、加算数ごとに分離しないで画素データを形成することも可能である。

なお、隣接画素と加算しない画素信号読み出しを、ここでは「加算数“１”による画素信号読み出し」と定義する。以下用いられる「１画素加算」、「加算数１」という用語は、画素加算なしを意味する。

図４は、画素信号読み出し処理時の駆動信号のタイミングチャートを示した図である。

各画素に生じた画素信号は、駆動信号Ｆ０によって垂直転送部ＶＴに転送される。そして、６行目の画素信号が駆動信号Ｆ１によって読み出された後、駆動信号Ｆ２によって第４、５行目の画素信号がまとまって読み出される。同様に、第３行目の画素信号がそのまま読み出される一方、第１、２行目の画素信号がまとまって読み出される。このような駆動信号の制御が、画素領域に応じて異なる可算数を設定することに相当し、その加算の仕方は露出制御部５０に従う。

図５は、ＡＥセンサ３４の感度特性を示した図である。図６は、異なる加算数の画素信号加算によるダイナミックレンジ拡大を示した図である。

図５では、１画素加算（加算なし）、２画素加算の入出力関係、すなわち入射光量と出力電圧値との関係を示す直線を、それぞれＰ１、Ｐ２で表している。図５に示すグラフは、対数スケールで表されている。

直線Ｐ１、Ｐ２から明らかなように、２画素加算による露光量は、１画素に比べて２倍になる。そのため、ＡＥセンサ３４に対して入力値ＩＮ１の光が入力すると、出力値ＯＵＴ１と、その２倍の出力値ＯＵＴ２がＡＥセンサ３４から得られる。

また、同じ出力値ＯＵＴ２が得られるときの入力値ＩＮ１と入力値ＩＮ２との比が２倍である場合、その２倍の分だけダイナミックレンジが相違することになる。この入力差が、ダイナミックレンジ拡大幅となる。

図６では、画素加算なし（加算数１）のダイナミックレンジと画素加算ありのダイナミックレンジを示している。画素加算ありの感度は、画素加算なしに比べ、その加算数に応じて増加する。そのため、画素加算なしと画素加算ありの感度両方をもつことにより、被写体の暗部と高輝度部の両方をカバーするダイナミックレンジを得ることが可能となる。

このように第１の実施形態によれば、ＣＣＤで構成されるＡＥセンサ３４において、列方向に同色の色要素が並ぶカラーフィルタ３５が配設される。そして、画素信号を読み出すとき、イメージセンサ駆動部２８により、各列方向に対し、隣り合う画素信号を加算して（加算数２）読み出す処理と、そのまま加算しないで（加算数１）画素信号を読み出す処理を、隣接する画素領域で交互に実行する。

加算数を交互に切り替えて画素信号読み出しを行うことにより、隣接する画素の間で感度差が生じる。この感度差がダイナミックレンジの拡大をもたらす。その結果、低輝度〜高輝度の被写体までカバーするダイナミックレンジを得ることができる。

また、異なる加算数の画素領域を隣り合わせで設定することにより、同じ構図の被写体で感度の異なる１フレーム相当画素データを得ることになり、撮影レンズによって捉えられた被写体全体を拡大されたダイナミックレンジでカバーすることができる。２つの画素データは、同じタイミングで取得されたものであるため、被写体が動体であっても明るさを適切に検出することができる。これは、時系列的に露出を変えながら撮影する構成では得ることができない効果をもたらす。さらに、ＡＥセンサ受光面全体に対し、一律に加算数の異なる画素領域を設定することにより、撮影領域全体に対してダイナミックレンジ拡大させることができる。

また、列方向のみに関して異なる可算数を設定することにより、２つの感度特性を持つ出力を得ることになり、画素信号読み出し後の輝度演算処理が容易となる。特に、カラーフィルタの同色の色要素が並ぶ列もしくは行方向に関して異なる加算数を設定することにより、各色の明るさに対し、ダイナミックレンジ拡大を得ることができる。

次に、図７、８を用いて、第２の実施形態であるデジタルカメラについて説明する。第２の実施形態では、ＡＥセンサがＣＭＯＳセンサによって構成される。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図７は、第２の実施形態におけるＡＥセンサの画素配列および回路構成を示した図である。図８は、第２の実施形態における駆動信号のタイミングチャートを示した図である。

ＡＥセンサ１３４は、Ｘ−Ｙアドレス型撮像素子であるＣＭＯＳセンサによって構成されており、図７では、その一部となる４行×４列（画素Ａ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４）の画素配列１３４Ｒが図示されている。第１の実施形態と同様、各列に沿って同色の色要素が並ぶカラーフィルタ（図示せず）が配置されている。

フォトダイオードを含む画素信号生成／出力回路Ｓ１が、各画素として構成される。また、隣接する画素間での画素信号出力を接続するスイッチ回路Ｓ２が列方向に設けられている。スイッチ回路Ｓ２がＯＮ状態になると、列方向に沿った隣接画素間で画素信号が加算される。

加算数１（画素加算なし）における画素信号読み出しの場合、ライン（行）に沿って画素信号をそのまま順次読み出し、１ライン（行）ずつ画素信号が順次読み出されていく。一方、加算数２によって画素信号を読み出す場合、２ライン分画素信号が加算されながら読み出される。

第２の実施形態では、加算数２の画素信号読み出しと加算数１（画素加算なし）の画素信号読み出しとを交互に行うのではなく、加算数２の画素信号読み出しを行うと、加算数１の画素信号読み出しを２回続けて行う。これを列方向に沿って繰り返し行う。

図８に示すように、第１行の画素信号を読み出した後、第２、３行の画素信号を加算して読み出し、第４行ではそのまま画素信号を読み出す。このように、各列に沿って感度差の生じる画素信号読み出しを行うことにより、ダイナミックレンジが拡大する。

次に、図９、１０を用いて、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態では、列方向だけでなく、行方向あるいは列、行両方向に沿って、加算数の異なる画素領域を設けた構成になっている。イメージセンサは、第２の実施形態と同様、ＣＭＯＳセンサが適用される。なお、ＣＣＤを用いてもよい。

図９は、第３の実施形態における１つの画素加算処理を示した図である。

図９には、ＡＥセンサの一部画素配列１３４’Ｒ（６行×４列の）が図示されており、水平方向、すなわち行方向に沿って同色の色要素が並んだカラーフィルタ１３５’が配置される。そして、行方向に関し、異なる加算数によって画素加算処理が行われる。

具体的には、加算数２の隣り合う列方向に沿った画素領域Ｒ１、Ｒ４の間に、加算数１の画素領域Ｒ２、Ｒ３が２つ設けられる。その結果、読み出される画素信号は、行方向に沿って４つの画素信号Ａ１’〜Ａ４’となる。図８に示すように、ＡＥセンサ１３４では、行方向に関しても、隣接画素間で画素信号を加算可能にするスイッチ回路が設けられており、加算数に応じて加算数１、加算数２の画素信号読み出しが行われる。なお、ＣＣＤを適用した場合、水平転送部を用いることによって、画素信号加算が可能である。

図１０Ａ、１０Ｂは、それぞれ、列、行方向に沿った画素信号加算処理を示した図である。ここでは、行、列の両方向に対し、異なる加算数による画素信号加算を行う。列方向については、第１の実施形態のように、加算数１、加算数２の画素信号読み出しを交互に行う。それに加え、行方向に対し、加算数１、加算数２の画素信号読み出しを交互に行う。その結果、全体的に３つの異なる加算数１、２、４に基づく画素信号が出力される。

あるいは、図１０Ｂに示すように、列方向に対して可算数１、加算数２の画素信号加算を行う一方、行方向に対し、可算数１、可算数３の画素信号加算を行うことも可能である。その結果、全体的に４つの異なる加算数１、２、３、６に基づく画素信号が出力される。

列方向に対して可算数が１：ｋ、行方向に対して加算数が１：ｌ（ｋ、ｌは２以上の整数）となるように画素領域を交互に設定した場合、加算数の比が１：ｋ：ｋ×ｌとなる画素信号が出力可能となる。なお、図１０Ａ、１０Ｂのような画素加算を行う場合、カラーフィルタを設けない撮像素子で構成するのがよい。

このような行、列方向に沿って任意の加算数を設定することは、露出制御部５０がイメージセンサ駆動部２８を制御することにより、可能となる。加算数の設定に関しては、あらかじめ撮影に関するプログラムによって自動的に切り替え設定するようにしてもよい。例えば、ユーザの入力操作によって加算数を設定する構成にすることも可能である。

そして、画素加算なしと画素加算ありの画素領域を設定するだけでなく、画素加算数２、画素加算数４など、異なる加算数を設定しても、ダイナミックレンジ拡大をもたらす。一般的に言えば、第１〜第３の実施形態においては、列方向および／または行方向に対し，加算数ｍと加算数ｎの異なる画素信号加算を行えばよい。ただし、ｍ、ｎは、ｍ≧１、ｍ＜ｎを満たす整数である。

第１〜第３の実施形態では、ＡＥセンサ受光面全体に対して異なる加算数での画素信号読み出し処理を行っているが、受光面の一部において行うことも可能である。

ＡＥセンサとしてＣＣＤを用いた第１の実施形態では、水平転送部へ画素信号を転送するときに画素信号を加算しているが、垂直転送部内、水平転送部内で画素信号を加算することも可能であり、あるいは、出力部において画素信号を加算してもよい。

第２、第３の実施形態のようにＸ−Ｙアドレス型撮像素子を用いる場合、列方向、行方向の代わりに、斜め方向に異なる加算数の画素領域を設定することも可能である。この場合、色要素を市松状に配置したカラーフィルタを用いることができる。ただし、斜め方向に沿って加算数を設定しても、列、行方向に沿って異なる加算数が設定されたこととなる。カラーフィルタを配置しない撮像素子を適用してもよい。

次に、図１１〜１４を用いて、第４の実施形態であるデジタルカメラについて説明する。第４の実施形態では、撮影状況、被写体の露出量等に従い、画素加算の設定を切り替え、変更する。それ以外の構成については、第１〜第３の実施形態と実質的に同じである。

第４の実施形態におけるデジタルカメラの回路構成は、図１に示す第１の実施形態であるデジタルカメラの回路構成と実質的に同じである。ＡＥセンサ３４によって測光処理が実行される。撮影レンズ２０によって捉えられる被写体像は、レリーズボタン１９に対する操作によってイメージセンサ３０に形成され、静止画像データが記録される。そして、記録時のイメージセンサ３０に対する露出値が、ＡＥセンサ３４によって検出された被写体像の明るさに基づいて設定される。

図１１は、一連の記録動作処理を示したフローチャートである。図１２は、図１１のステップＳ１０３における測光処理のサブルーチンである。

レリーズボタン１９が半押しされると、ＡＦ動作処理とともに、被写体像の明るさが検出される。（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）。そして、シャッタースピード、絞り値など、イメージセンサ３０に対する露出値が決定される（Ｓ１０４）。なお、電源ＯＮ状態になると、ステップＳ１０３の処理と同様、被写体像の明るさが検出される。

被写体像の明るさ検出、すなわち測光処理においては、必要に応じて、ダイナミックレンジを拡大する画素信号加算処理を実行する。そして、ＡＥセンサ３４の露出調整を行い、ＡＥセンサ３４の露出値（測光露出値）を修正、補正して、被写体像の明るさを最終的に計測する。このとき、画素信号加算は行われない。

レリーズボタン１９が全押しされると、シャッタ開閉などの露出制御、画像データ生成といった一連の記録動作処理が実行される（Ｓ１０５〜Ｓ１０７）。このとき、設定されたイメージセンサ３０に対する露出値に基づいて、記録動作が行われる。

図１２を用いて、ＡＥセンサ３４を用いた測光処理を詳述する。本実施形態では、異なる加算数を設定せず、すべての画素領域において加算数１（画素加算なし）の「１：１画素信号読み出し処理）と、加算数１と加算数３の画素領域を列方向に沿って交互に設定する「１：３画素信号読み出し処理」と、加算数１と加算数１９の画素領域を列方向に沿って交互に設定する「１：１９画素信号読み出処理」のいずれかが、撮影状況に合わせて選択的に実行される。

測光処理が開始されると、フラグＩＦ、前回の露光量との差を表す露光量差ΔＥｖが初期設定され、ＩＦ＝１、ΔＥｖ＝０に定められる（Ｓ２０１）。そして、測光終了でなければ、初期フラグＩＦ＝１であるか否かが判断される（Ｓ２０２、Ｓ２０３）。

初期フラグＩＦは、一連の撮影動作の中で１回目の測光処理であるか否かを判断するフラグであり、初期フラグＩＦ＝１である場合、ＩＦ＝０に設定された後、ダイナミックレンジを大きく拡大するため、１：１９画素信号読み出処理を行うステップＳ２０８へ進む。

ステップＳ２０８では、ＡＥセンサの露出値としてあらかじめ定められた初期値が設定され、ステップＳ２０９、Ｓ２１０では、１：１９画素信号読み出処理を実行する。ここでは、露出として電子シャッタ機能による露光時間が調整される。ＡＥセンサ３４から出力された画素領域全体の画素信号は、露出演算に応じた検波データに変換され、検波データから代表値（平均値など）が算出される（Ｓ２１１、Ｓ２１２）。そして、代表値と目標値との差を表すΔＥｖが算出される（Ｓ２２３）。

後述する、被写体輝度の急激な変化がない状態においては、２回目の測光時において、画素加算なしの１：１画素信号読み出し処理を行うステップへ進む（Ｓ２０３、Ｓ２０６）。そして、算出されたΔＥｖに基づいてＡＥセンサ３４の露出値が補正された後（Ｓ２１８）、１：１画素信号読み出し処理が実行される（Ｓ２１９、Ｓ２２０）。これによって、被写体像の明るさを正確に表す代表値が検出される（Ｓ２２１、Ｓ２２２）。

図１３は、測光開始時の画素加算処理を示した図である。

ＡＥセンサ測光開始時には、被写体の実際の明るさは計測してみるまで判断できない。そこで、１：１９画素信号読み出し処理を実行することにより、異なる感度をもつ２つの１フレーム相当画素データが得られる。これによって、ダイナミックレンジが低輝度から高輝度までカバーされる。

そして、最初に初期値と設定したＡＥセンサ３４の露光時間、ゲインといった測光露出値を、求められた露光量差ΔＥｖに応じて補正する。次の測光時には、１：１画素信号読み出し処理を実行する。これにより、被写体像の明るさに適した露出条件でＡＥセンサ３４から画素信号が読み出され、輝度値を精度よく検出することができる。

一方で、測光中に被写体像の輝度が急変した場合、検波データが飽和状態になる場合も生じ、被写体像の明るさを適切に測定できない。そこで、被写体の輝度が所定の範囲を超えた場合、被写体像の急激な輝度変化があったと判断し、１：１９の画素信号読み出し処理を行ってダイナミックレンジを拡大させる。

具体的には、露光量差ΔＥｖの絶対値が閾値ＴＥ以上である場合、顔検出モードが設定されていない状況において、ステップＳ２０８〜Ｓ２１２の処理へ進む。これにより、測光開始時と同じように、露光量差ΔＥｖが求められる。そして、露光量差ΔＥｖが閾値ＴＥより小さくなると、画素加算を行わない１：１画素信号読み出し処理を行うステップＳ２１８〜Ｓ２２２へ進む。これにより、被写体像の明るさが精度よく検出される。

図１４は、被写体輝度急変時の画素加算処理を示した図である。通常測光によって１；１画素信号読み出し処理を行っているときに被写体輝度が急変すると、１：１９画素信号出し処理によってダイナミックレンジが拡大される。そして、ＡＥセンサ３４の露出条件を補正、修正した後、１：１画素信号読み出し処理によって被写体像の輝度を測定する。

一方、顔検出モードが設定されている場合、ＡＥセンサ３４の受光面は複数の領域に分割される。画素加算数が大きいと、解像度が低下して顔を検出することができない恐れがある。そのため、顔検出モードが設定されている状態で被写体輝度が急激に変化した場合、加算数の比較的少ない１：３画素信号読み出し処理を行う。

具体的には、ステップＳ２０７において顔検出モードが設定されていると判断されると、加算数３の１：３画素信号読み出し処理が実行される（Ｓ２１３〜Ｓ２１７）。このような比較的小さい加算数を設定することにより、顔認識可能な状況を維持しながらダイナミックレンジを拡大する。

このように第４の実施形態によれば、測光処理開始のとき、加算数１：１９の画素信号読み出し処理を実行し、被写体輝度を算出する。そして、露光量差ΔＥｖを求め、ＡＥセンサ３４の露光時間を調整した後、画素加算なしの１：１画素信号読み出し処理を実行する。このとき得られる被写体輝度に基づいて、イメージセンサ３０に対する露出値が演算される。

また、被写体輝度が急激に変化した場合においても、加算数１：１９の画素信号読み出し処理を実行し、ＡＥセンサ３４の露出値を調整した後、画素加算なしの１：１画素信号読み出し処理を実行する。さらに、顔検出モードが設定されている場合、加算数の相対的に小さい１：３画素信号読み出し処理を実行する。

このように撮影状況、被写体変化、測光モードなどに応じて加算数を切り替えることにより、被写体の明るさを瞬時に測定することが可能となる。特に、２以上の加算数について異なる加算数を切り替え設定することにより、ダイナミックレンジ拡大幅を細かく設定することができる。また、電源ＯＮ状態になると、電源ＯＮに合わせて１：１９画素信号読み出し処理が実行される。これにより、電源ＯＮから素早く撮影動作に移ることができる。

ここでは測光開始時、被写体輝度の急激変化において、１：１９画素信号読み出し処理は１回のみであるが、２回、３回と繰り返しフィードバック制御を行うように設定してもよい。特に、露光量差ΔＥｖが許容値以下に収まるように露出調整してもよい。

画素加算読み出しについては、第３の実施形態のように、行方向、あるいは列方向に沿って異なる加算数を設定することができる。

加算数については、３、１９以外の数値を設定することも可能である。また、ＡＥセンサの受光面全体に対し同じ加算数（１に限定されない）で画素信号を読み出す処理も含めて切り替え設定するように構成しても良い。例えば、受光面全体に対して加算数３、５、９のいずれかを撮影状況に応じて設定してもよく、列／行方向に沿って異なる加算数を設けた画素信号読み出し処理までをさらに含めて（１：３、１：１９など）、その中から選択的に加算数を設定することが可能である。列、行に対し一様な加算数を設定した場合においても、被写体によってはダイナミックレンジ拡大の効果があることから、２以上の一様な加算数、画素領域に応じて異なる加算数の設定を撮影状況に応じて使い分けることにより、様々なダイナミックレンジ拡大を実現することができる。

次に、図１５〜１７を用いて、第５の実施形態であるデジタルカメラについて説明する。第５の実施形態では、ＯＢ画素による暗電流除去処理において、加算数を考慮した画素値補正を行う。それ以外の構成については、第１の実施形態と実質的に同じである。

図１５は、第５の実施形態におけるＡＥセンサの画素配列を示した図である。

ＡＥセンサ２３４には、有効画素領域２３４Ａと、遮光されたＯＢ（オプティカルブラック）画素領域２３４Ｂが設けられている。有効画素領域２３４Ａを構成する画素から読み出される画素信号に基づいて被写体像の輝度データを算出する。一方、ＯＢ画素領域の画素から読み出される画素信号に基づき、有効画素信号に含まれる暗電流成分が除去される。図１５には、有効画素領域２３４Ａの右側、下側に配列されたＯＢ画素の一部ＯＢ１〜ＯＢ６、ＯＢ７〜ＯＢ１０が図示されている。

図１６は、列方向に沿った異なる加算数による画素信号読み出し処理を示した図である。図１７は、行方向に沿った異なる加算数による画素信号読み出し処理を示した図である。第１の実施形態と同様、列方向もしくは行方向に沿って加算数１、加算数２の画素領域が交互に設定されている。

本実施形態では、加算数に応じてＯＢ画素信号も加算して出力する。具体的には、Ａ１＋Ａ２、Ｂ１＋Ｂ２・・の出力画素信号に対し、ＯＢ１画素信号、ＯＢ２画素信号を加算して出力する。一方、Ａ３、Ｂ３、・・の出力画素信号に対しては、ＯＢ３画素信号がそのまま出力される。

そして、Ａ１＋Ａ２、Ｂ１＋Ｂ２・・の出力画素信号それぞれから、ＯＢ１＋ＯＢ２画素信号を除算し、画素値補正を行う。一方、Ａ３、Ｂ３、・・の出力画素信号については、ＯＢ３画素信号をそのまま引く。他の画素配列においても、同様のＯＢ画素値の修正、補正が行われる。

このように第５の実施形態では、有効画素に対し、列あるいは行方向に沿って加算数１、加算数２の画素信号読み出しを交互に行う。一方、ＯＢ画素についても、対応する有効画素の加算数に応じた画素信号読み出しを行う。そして、有効画素信号からＯＢ画素信号を引くことにより、暗電流成分を取り除く。

なお、隣り合うＯＢ画素信号を加算する代わりに、１つのＯＢ画素信号に対し加算数を乗じる構成にしてもよい。例えば、ＯＢ画素信号の画素値を２倍にし、暗電流成分を除去するように構成してもよい。

また、列すべてのＯＢ画素信号の平均値ＯＢＡを算出し、加算数２の出力画素信号に対しＯＢＡに２倍を乗じて画素値を修正し、加算数１の出力画素信号に対してはそのまま平均値ＯＢＡを使用する構成にしてもよい。

図１７には、行方向に沿って異なる加算数による画素信号読み出し処理時のＯＢ画素信号の読み出しを示している。Ａ１＋Ｂ１、Ａ２＋Ｂ２、・・の列にある画素信号については、ＯＢ７画素信号とＯＢ８画素信号とを加算し、画素値を補正する。Ｃ１、Ｃ２、・の画素信号については、そのままＯＢ９画素信号によって画素値を補正する。

第１〜第５の実施形態では、一眼レフカメラにおける測光センサを用いて画素加算処理を行っているが、コンパクトカメラなどの光学ファインダ内に設けられない外付けＡＥセンサにも適用可能である。また、撮影用撮像素子で被写体の明るさを検出するカメラに対しても、撮影用撮像素子に画素加算処理を適用することもできる。

１０ デジタルカメラ
２９ ＡＥセンサ駆動部
３０ イメージセンサ（撮影用撮像素子）
４０ 信号処理装置
５０ 露出制御部
３４、１３４、１３４’、２３４ ＡＥセンサ（撮像素子、測光用撮像素子）

Claims (12)

1. 垂直方向および水平方向にマトリクス配置された複数の画素を有する測光用撮像素子と、
   撮影用撮像素子と、
   前記測光用撮像素子の複数の画素の中で隣り合う画素の画素信号を、加算して読み出し可能な撮像素子駆動部と、
   前記測光用撮像素子の所定の列および行の少なくとも一方に対し、画素領域によって異なる画素信号の加算数を設定可能な画素加算設定部と、
   前記測光用撮像素子および前記撮影用撮像素子の露出を制御する露出制御部とを備え、
   前記画素加算設定部が、測光開始のとき、所定の列および行の少なくとも一方に対し、加算数ｍと加算数ｎ（ただし、ｍ、ｎは整数であって、ｍ≧１、ｎ＞ｍを満たす）を設定し、
   前記撮像素子駆動部が、設定された加算数ｍと加算数ｎに応じて、前記複数の画素から画素信号を読み出し、
   前記露出制御部が、加算数ｍと加算数ｎに応じて前記測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、前記測光用撮像素子の測光露出値を調整し、
   前記撮像素子駆動部が、前記測光用撮像素子の測光露出値調整後、画素信号を加算しないで読み出し、
   前記露出制御部が、画素信号加算なしで読み出された画素信号によって検出される被写体像の明るさに基づき、前記撮影用撮像素子の露出値を設定することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子駆動部が、前記測光用撮像素子の測光露出値調整後、被写体輝度変化に応じて、加算数ｍと加算数ｎの画素信号読み出しを行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記画素加算設定部が、測光モードに応じて、値の異なる少なくとも２つの加算数ｍと加算数ｎの組合せの中から、加算数を選択的に設定することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記撮像素子駆動部が、加算数ｍと加算数ｎの画素信号読み出しを１度だけ行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 前記画素加算設定部が、電源ＯＮ状態になると、加算数ｍと加算数ｎを設定し、
   前記露出制御部が、設定された加算数ｍと加算数ｎに応じて前記測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、前記測光用撮像素子の測光露出値を調整することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の撮像装置。
6. 前記画素加算設定部が、画素信号加算なしで読み出された画素信号によって検出された被写体の輝度が所定範囲から外れた場合、加算数ｍと加算数ｎを設定し、
   前記露出制御部が、設定された加算数ｍと加算数ｎに応じて前記測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、前記測光用撮像素子の測光露出値を調整することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の撮像装置。
7. 前記測光用撮像素子から読み出される画素信号に基づいて被写体の顔を検出する顔検出部をさらに有し、
   前記画素加算設定部が、顔検出モードが設定されている場合、加算数ｎより小さい加算数を設定することを特徴とする請求項６に記載の撮像装置。
8. 前記画素加算設定部が、加算数ｍの画素領域と加算数ｎの画素領域が列方向に沿って交互に繰り返されるように、加算数ｍと加算数ｎを設定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の撮像装置。
9. 前記測光用撮像素子には、列または行に沿って同色の色要素が配置されたカラーフィルタが配置されており、
   前記画素加算設定部が、同色の色要素が並ぶ列または行に対し、異なる加算数を設定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の撮像装置。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の前記撮像装置を備えたカメラであって、
    光学ファインダを有し、
    前記光学ファインダが、被写体からの光を前記測光撮像素子の受光面に結像させることを特徴とするカメラ。
11. 垂直方向および水平方向にマトリクス配置された複数の画素を有する測光用撮像素子と、
    前記測光用撮像素子の複数の画素の中で隣り合う画素の画素信号を、加算して読み出し可能な撮像素子駆動部と、
    前記測光用撮像素子の所定の列および行の少なくとも一方に対し、画素領域によって異なる画素信号の加算数を設定可能な画素加算設定部と、
    前記測光用撮像素子の露出を制御する露出制御部とを備え、
    前記画素加算設定部が、測光開始のとき、所定の列および行の少なくとも一方に対し、加算数ｍと加算数ｎ（ただし、ｍ、ｎは整数であって、ｍ≧１、ｎ＞ｍを満たす）を設定し、
    前記撮像素子駆動部が、設定された加算数ｍと加算数ｎに応じて、前記複数の画素から画素信号を読み出し、
    前記撮像素子駆動部が、加算数ｍと加算数ｎに応じて前記測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づく前記測光用撮像素子の測光露出値調整後、画素信号を加算しないで読み出すことを特徴とする測光装置。
12. 垂直方向および水平方向にマトリクス配置された複数の画素を有する測光用撮像素子と、撮影用撮像素子と、前記測光用撮像素子の複数の画素の中で隣り合う画素の画素信号を、加算して読み出し可能な撮像素子駆動部とを備えた撮像装置の撮像方法であって、
    前記測光用撮像素子の所定の列および行の少なくとも一方に対し、画素領域によって異なる画素信号の加算数を設定し、
    前記測光用撮像素子および前記撮影用撮像素子の露出を制御する撮像方法であって、
    測光開始のとき、所定の列および行の少なくとも一方に対し、加算数ｍと加算数ｎ（ただし、ｍ、ｎは整数であって、ｍ≧１、ｎ＞ｍを満たす）を設定し、
    設定された加算数に応じて、前記複数の画素から画素信号を読み出し、
    加算数ｍと加算数ｎに応じて前記測光用撮像素子から読み出された画素信号に基づいて、前記測光用撮像素子の測光露出値を調整し、
    前記測光用撮像素子の測光露出値調整後、画素信号を加算しないで読み出し、
    画素信号加算なしで読み出された画素信号によって検出される被写体像の明るさに基づき、前記撮影用撮像素子の露出値を設定することを特徴とする撮像方法。
    

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