JP6539075B2 - 撮像装置及びその制御方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関するものである。

デジタルカメラなどの撮像装置に用いられる結像光学系には像面湾曲と呼ばれる収差があり、撮像面の中心部と周辺部とで結像位置に光軸方向のずれが発生する。そのため従来は複数のレンズを組み合わせて光学系を構成することで、像面湾曲収差が小さくなるように補正していた。これに対し、最近、撮像素子自体つまり撮像面を湾曲させることにより上記の像面湾曲収差を補正する撮像素子が提案されている。撮像面を湾曲させて像面湾曲収差を補正することにより、光学系を簡素化することが可能となり、多数枚のレンズを組み合わせる必要性は小さくなると考えられる。

また、多くのカメラでは光学ズーム機能が搭載されており、ズーム倍率に応じてズームレンズの位置が異なるため、像面湾曲の状態も変化する。それに対し、像面湾曲の状態に応じて、撮像面を湾曲させる曲率を制御する技術が提案されている（特許文献１）。

特開２０１２−１８２１９４号公報

ところで、一般に撮像素子では暗電流が発生し、特に高感度時や長時間露光時には暗電流によるノイズが目立つ場合があるため、様々なノイズリダクション処理が実行される。一方で、撮像面を湾曲させた撮像素子において、撮像素子を湾曲させる際の引張り応力により撮像素子で発生する暗電流が低減されることが分かっている。
しかしながら、特許文献１に記載されているように、ズーム倍率に応じて撮像面を湾曲させる曲率を変化させると低減される暗電流量が変化し、ノイズリダクション処理を行っても十分にノイズを低減できない場合がある。

本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像素子を湾曲させる機能を有する撮像装置において、撮影画像のノイズを効果的に低減させることである。

本発明に係わる撮像装置は、撮像素子と、被写体像を前記撮像素子の撮像面上に結像させる光学系と、前記撮像素子の撮像面を湾曲させる駆動手段と、前記光学系の像面湾曲収差および撮影条件に応じた曲率になるように前記駆動手段を制御して前記撮像素子を湾曲させる制御手段と、を備え、前記撮影条件は、撮影感度、前記撮像素子の露光時間、撮影時の温度、絞り値のいずれかを含むことを特徴とする。

本発明によれば、撮像素子を湾曲させる機能を有する撮像装置において、撮影画像のノイズを適切に低減させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図。 光学レンズによる像面湾曲の説明図。 焦点距離（ズーム位置）による像面湾曲の違いを示した図。 撮像素子と、その撮像面の曲率を制御するための構成を示した図。 像面湾曲の補正をする場合の、焦点距離（ズーム位置）と撮像面の曲率設定の関係を示した図。 撮像素子における曲率と暗電流の関係を示した図。 ＩＳＯ感度に応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図。 シャッタースピードに応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図。 温度に応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図。 Ｆ値に応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図である。本実施形態の撮像装置１００は、レンズ及び絞りを有する光学系１、メカニカルシャッタ（メカシャッタと図示する）２、撮像素子３、曲率制御部４、ストロボ等の発光部５、駆動回路６を備える。曲率制御部４は、被写体像を撮像素子３の撮像面上に結像させる光学系１の像面湾曲収差に対応して、撮像素子３の撮像面の曲率を制御することにより像面湾曲収差を補正するためのものである。駆動回路６は、光学系１、メカシャッタ２、撮像素子３、曲率制御部４、発光部５の各部を駆動制御する。

また、撮像素子３から出力された画像データに必要な信号処理を行う信号処理回路７、信号処理された画像データを記憶する画像メモリ８、撮像装置から取り外し可能な記録媒体９を備える。さらに、信号処理された画像データを記録媒体９に記録する記録回路１０、信号処理された画像データを表示する画像表示装置１１、画像表示装置１１に画像を表示させる表示回路１２、ユーザーの操作を受け付ける操作部１３を備える。システム制御部１４は、上記の各ユニットを含む撮像装置全体を制御する。

システム制御部１４は、明るさに応じて光学系１の絞りを制御することにより撮像素子３に入射する被写体光量を調整する。さらに、駆動回路６を介して撮像素子３の電荷蓄積時間を変化させて露光量を制御する。撮像素子３は、受像面に結像された被写体像をその光量に応じた量の信号電荷に変換して蓄積し、蓄積された信号電荷は駆動回路６から入力される駆動パルスによって信号電圧として読み出される。その後、撮像素子３に内蔵されるＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換された画像信号が信号処理回路７に対して出力される。

信号処理回路７では、入力されるデジタル画像信号に対して、色変換処理、ホワイトバランス処理、ガンマ補正等の画像処理、解像度変換処理、画像圧縮処理、画像補正処理等を行う。画像メモリ８は、信号処理中のデジタル画像信号を一時的に記憶したり、信号処理されたデジタル画像信号である画像データを記憶したりするために用いられる。信号処理回路７で信号処理された画像データや画像メモリ８に記憶されている画像データは、記録回路１０において記録媒体９に適したデータに変換されて記録媒体９に記録される。ここで、記録媒体９に適したデータとは、例えば階層構造を持つファイルシステムデータである。また、画像データは信号処理回路７で解像度変換処理を実施された後、表示回路１２において画像表示装置１１に適した信号に変換されて画像表示装置１１に表示される。ここで、画像表示装置１１に適した信号とは、例えばＮＴＳＣ方式のアナログ信号やＬＣＤ表示用のＲＧＢ信号等である。

操作部１３は、電源ボタン、シャッターボタン、ズームレバーなどの操作部材を有するユーザーインターフェイスである。システム制御部１４は、駆動回路６、信号処理回路７、画像メモリ８、記録回路１０、表示回路１２に対して必要な制御を行う。また、操作部１３からの信号に応じて必要な制御を行う。

次に、図２は、光学系１内のレンズ２０により被写体像が結像される様子を示す図である。一般的に光学レンズ２０は、像面湾曲と呼ばれる収差を有する。図２において、撮像素子３の中心が光軸と一致しているものとする。撮像素子３における撮像領域の中心部において結像位置を撮像面Ａに合わせた場合でも、撮像領域の周辺部では像面湾曲の影響により結像位置が撮像面より離れた位置Ｂとなるため、焦点位置のずれが発生する。このような焦点位置のずれは、画像周辺部での画質劣化の原因となる。この像面湾曲の状態はレンズ２０の種類により異なり、レンズ２０がズームレンズの場合は、物体側の焦点距離によっても像面湾曲の状態は変化する。

図３は、物体側の焦点距離（ズーム位置）による像面湾曲の違いを示した図である。図３（ａ）は、焦点距離が広角側の場合であり、像面湾曲の程度が大きく結像面２１（すなわち、ピントが合っている面）が大きく歪んでいる。図３（ｂ）は、焦点距離が望遠側の場合であり、広角側と比較すると像面湾曲が小さく、結像面２１の歪みも小さい。そのため、本実施形態の撮像素子では、像面湾曲の状態に合わせて、撮像面を湾曲させる曲率を制御することで、焦点距離（ズーム位置）によらず像面湾曲収差を低減させる。

図４は、本実施形態における撮像素子と、その撮像面の曲率を制御するための構成を示した図である。図４（ａ）は、撮像素子を被写体側から見た図であり、図４（ｂ）は、側面図である。図４において、台座３０に支持されている撮像素子３は、一方の面に各々が光電変換部を備えた複数の画素が行列状に配列された撮像面３２が形成されており、反対側の裏面に磁性膜が形成されている。台座３０の中心には円形の空間があり、その下方には、撮像面すなわち撮像素子３の曲率を制御するための曲率制御部４が配置されている。曲率制御部４は、撮像素子３の撮像面と直交する方向に移動可能な磁力発生装置であるマグネット３１と、マグネット３１を移動させるための不図示のアクチュエータとを備えて構成されている。図４（ｂ）に示すように、マグネット３１は、撮像素子３の中心を通り撮像面と直交する軸線ｂに沿って実線位置から破線位置までの矢印ｚで示す範囲内で移動制御される。従って、マグネット３１を矢印ｚで示す範囲内で移動させて撮像素子３の裏面を吸引する磁力を制御することにより、撮像素子３の曲率を任意に変化させることができる。

図５は、本実施形態の撮像装置における物体側の焦点距離（ズーム位置）と撮像面の曲率設定の関係を示した図である。ここでは、広角端（ＷＩＤＥ端）から望遠端（ＴＥＬＥ端）までを５ステップに分けて、段階的にズーム制御する例について説明する。図５（ａ）は、５ステップの焦点距離（ズーム位置）と、それに対応する撮像面の曲率設定との関係を表した図である。図５（ｂ）は、図４（ａ）の軸線ａ上の撮像面３２における、それぞれの曲率設定に対応する曲率（曲がり）を図示した模式図である。

物体側の焦点距離（ズーム位置）の違いにより、結像面側の像面湾曲の状態も変化する。それに対応するため、具体的には、広角側では、マグネット３１を撮像素子３に近づけて引張り力を大きくし、撮像面の曲がりを大きくする（曲率半径が小さくなる）。一方、望遠側では、マグネット３１を撮像素子３から遠ざけて引張り力を小さくし、撮像面の曲がりを小さくする（曲率半径が大きくなる）。これにより、焦点距離によらず像面湾曲収差を低減させることができる。

図６は、本実施形態の撮像素子における、曲率と暗電流の関係を示した図である。撮像素子３の湾曲形状を生成する際の引張り応力により、撮像素子３で発生する暗電流が低減されることが知られている。本実施形態では、マグネット３１を撮像素子３に近づけて撮像面を大きく湾曲させた状態の方が、引張り応力が大きくなり、撮像素子３で発生する暗電流が小さくなる。本実施形態では、この特性を利用して、撮像素子３の曲率を制御することにより、暗電流を低減させる。

以下、本発明の第１の実施形態における、暗電流低減のための撮像素子３の曲率制御方法について説明する。

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置においては、通常、撮影感度（ＩＳＯ感度）を変更することが可能である。撮影者自身がダイヤルを回したり、メニュー設定で選択したりして任意のＩＳＯ感度を選択出来る場合もある。あるいは、撮影シーンに応じてカメラが自動的に最適なＩＳＯ感度に設定して撮影を実行する場合もある。デジタルカメラのＩＳＯ感度は、内部の回路ゲインを変更することで設定される。ＩＳＯ感度が低い場合は回路ゲインが小さく、ＩＳＯ感度が高い場合は回路ゲインが大きくなる。ここで問題としている撮像素子で発生する暗電流ノイズは、回路ゲインによってその程度が変わる。ゲインが大きければ暗電流成分によるノイズも一緒に増幅されてしまうからである。

図７は、ＩＳＯ感度に応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図である。図７（ａ）において、曲率設定の一番左にある「ＩＳＯ４００未満」の欄は、図５（ａ）における像面湾曲を補正する場合の曲率設定と同じである。この曲率設定でＩＳＯ感度が高くなると（すなわちゲインが大きくなると）、暗電流によるノイズも一緒に増幅されて目立つようになり、撮影画像にノイズが目立つようになる。

そこで、例えばＩＳＯ４００以上１６００未満では、曲率設定の中央の欄にあるように曲率設定を１ステップだけシフトさせる。具体的には、焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、１ステップシフトさせて曲率設定をＦにする。すなわち、図７（ｂ）に示した模式図のように、撮像素子３の撮像面の曲がり（曲率）がより大きくなるようにする。これは撮像素子の曲がり（曲率）が大きい方が引張り応力が大きくなり、発生する暗電流が小さくなるからである。

またＩＳＯ１６００以上では、曲率設定の一番右の欄にあるように、曲率設定を更に１ステップシフトさせる。焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、２ステップシフトさせて曲率設定をＧにする。暗電流によるノイズをさらに低減させるためである。

以上説明したように、本実施形態では、ＩＳＯ感度に応じて撮像素子の湾曲状態の曲率を、光学レンズの像面湾曲収差の補正に適応した曲率よりも、暗電流がより小さくなる曲率に設定する。これにより、撮影画像のノイズを低減させることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態における、暗電流低減のための撮像素子３の曲率制御方法について説明する。なお、撮像装置の構成は第１の実施形態と同じである。

撮像素子で発生する暗電流ノイズは、シャッタースピード（露光時間）によってもその程度が変わる。シャッタースピードが長くなるほど、暗電流成分によるノイズも大きくなる。

図８は、シャッタースピードに応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図である。図８（ａ）において、曲率設定の一番左にある「シャッタースピード１／３０秒未満」の欄は、図５（ａ）における像面湾曲を補正する場合の曲率設定と同じである。シャッタースピードが長くなると、暗電流によるノイズが大きくなり、撮影画像にノイズが目立つようになる。

そこで、例えばシャッタースピードが１／３０秒以上１秒未満である場合には、曲率設定の中央の欄にあるように曲率設定を１ステップだけシフトさせる。具体的には、焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、１ステップシフトさせて曲率設定をＦにする。すなわち、図８（ｂ）に示した模式図のように、撮像素子３の撮像面の曲がり（曲率）がより大きくなるようにする。これは撮像素子の曲がり（曲率）が大きい方が引張り応力が大きくなり、発生する暗電流が小さくなるからである。

またシャッタースピードが１秒以上である場合には、曲率設定の一番右の欄にあるように、曲率設定を更に１ステップシフトさせる。焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、２ステップシフトさせて曲率設定をＧにする。暗電流によるノイズをさらに低減（低下）させるためである。

以上説明したように、本実施形態では、シャッタースピードに応じて撮像素子の湾曲状態の曲率を、光学レンズの像面湾曲収差の補正に適応した曲率よりも、暗電流がより小さくなる曲率に設定する。これにより、撮影画像のノイズを低減させることが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態における、暗電流低減のための撮像素子３の曲率制御方法について説明する。なお、撮像装置の構成は第１の実施形態と同じである。

撮像素子で発生する暗電流ノイズは、撮影時の温度によってもその程度が変わる。高温になるほど、暗電流成分によるノイズも大きくなる。

図９は、撮影時の温度に応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図である。図９（ａ）において、曲率設定の一番左にある「温度４０°Ｃ未満」の欄は、図５（ａ）における像面湾曲を補正する場合の曲率設定と同じである。温度が高くなると、暗電流によるノイズが大きくなり、撮影画像にノイズが目立つようになる。

そこで、例えば温度が４０°Ｃ以上５０°Ｃ未満である場合には、曲率設定の中央の欄にあるように曲率設定を１ステップだけシフトさせる。具体的には、焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、１ステップシフトさせて曲率設定をＦにする。すなわち、図９（ｂ）に示した模式図のように、撮像素子３の撮像面の曲がり（曲率）がより大きくなるようにする。これは撮像素子の曲がり（曲率）が大きい方が引張り応力が大きくなり、発生する暗電流が小さくなるからである。

また温度が５０°Ｃ以上である場合には、曲率設定の一番右の欄にあるように、曲率設定を更に１ステップシフトさせる。焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、２ステップシフトさせて曲率設定をＧにする。暗電流によるノイズをさらに低減させるためである。

以上説明したように、本実施形態では、撮影時の温度に応じて撮像素子の湾曲状態の曲率を、光学レンズの像面湾曲収差の補正に適応した曲率よりも、暗電流がより小さくなる曲率に設定する。これにより、撮影画像のノイズを低減させることが可能となる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態における、暗電流低減のための撮像素子３の曲率制御方法について説明する。なお、撮像装置の構成は第１の実施形態と同じである。

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置は、通常、撮像素子に入射する光量を調整するための絞りを有している。一般に結像光学系には、ピントが合っているとみなされる許容錯乱円径があり、撮像面側においては、ある範囲の焦点深度が存在する。そして、この焦点深度は絞り値（Ｆ値）によって異なる。すなわち、Ｆ値が大きければ焦点深度は深く、Ｆ値が小さければ焦点深度は浅くなる。従って、Ｆ値が大きくなるほど、焦点深度のために像面湾曲による焦点ずれの影響が見えにくくなる。

図１０は、Ｆ値に応じて撮像素子の曲率制御を行う方法を説明する図である。図１０（ａ）において、曲率設定の一番左にある「Ｆ４未満」の欄は、図５（ａ）における像面湾曲を補正する場合の曲率設定と同じである。Ｆ値が大きくなると焦点深度が深くなるため、像面湾曲による焦点ずれが目立ちにくくなる。

そこで、例えば絞り値がＦ４以上８未満である場合には、曲率設定の中央の欄にあるように曲率設定を１ステップだけシフトさせる。具体的には、焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、１ステップシフトさせて曲率設定をＦにする。すなわち、図１０（ｂ）に示した模式図のように、撮像素子３の撮像面の曲がり（曲率）がより大きくなるようにする。これは撮像素子の曲がり（曲率）が大きい方が引張り応力が大きくなり、暗電流が小さくなるからである。

また絞り値がＦ８以上である場合には、曲率設定の一番右の欄にあるように、曲率設定を更に１ステップシフトさせる。焦点距離が２８ｍｍの場合、像面湾曲収差の補正に適応した曲率設定はＥであるが、２ステップシフトさせて曲率設定をＧにする。暗電流によるノイズをさらに低減させるためである。

以上説明したように、本実施形態では、Ｆ値に応じて撮像素子の湾曲状態の曲率を、光学レンズの像面湾曲収差の補正に適応した曲率よりも、暗電流がより小さくなる曲率に設定する。これにより、高感度撮影時や長時間露光時など暗電流ノイズが目立つ場合にも、撮影画像のノイズを低減させることが可能となる。

以上、ＩＳＯ感度、シャッタースピード、温度、Ｆ値の個々の条件に対して撮像素子の曲率制御を行う方法について説明したが、複数の条件の組み合わせに対して撮像素子の曲率制御を行うようにしてもよい。さらには、ＩＳＯ感度、シャッタースピード、温度、Ｆ値以外の条件に対しても、必要に応じて撮像素子の曲率制御を行うようにしてもよい。

ところで、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等の撮像装置は、通常、撮影画面上でピントを合わせたい領域を手動で選択することも出来る。あるいはピントを合わせたい被写体を選択し、自動追尾でピントを合わせることも出来る。ピントを合わせたい領域や被写体が撮像素子の撮像面の所定の範囲から外れた場合、例えば画面の周辺部へ移動した場合には、それまでの状態に関わらず光学レンズの像面湾曲収差の補正を優先し、撮像素子の湾曲状態の曲率を、光学レンズの像面湾曲収差の補正に適応した曲率に一致させるよう制御してもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、撮影条件に応じて撮像素子の湾曲状態の曲率を、光学レンズの像面湾曲収差の補正に適応した曲率よりも、暗電流がより小さくなる曲率にする。これにより、撮影画像のノイズをより低減させることが可能となる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１：光学系、２：メカニカルシャッタ、３：撮像素子、４：曲率制御部、１４：システム制御部

Claims (9)

1. 撮像素子と、
   被写体像を前記撮像素子の撮像面上に結像させる光学系と、
   前記撮像素子の撮像面を湾曲させる駆動手段と、
   前記光学系の像面湾曲収差および撮影条件に応じた曲率になるように前記駆動手段を制御して前記撮像素子を湾曲させる制御手段と、
   を備え、
   前記撮影条件は、撮影感度、前記撮像素子の露光時間、撮影時の温度、絞り値のいずれかを含むことを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子は、曲率に応じて暗電流ノイズが変化する特性を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御手段は、前記撮像素子の暗電流ノイズが低下する曲率に前記撮像素子を湾曲させるように、前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 前記制御手段は、前記光学系の焦点を合わせる領域が前記撮像素子の撮像面の所定の範囲から外れた場合に、前記光学系の像面湾曲収差の補正を優先した曲率になるように前記駆動手段を制御して前記撮像素子を湾曲させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記制御手段は、前記光学系の焦点を合わせる被写体が前記撮像素子の撮像面の所定の範囲から外れた場合に、前記光学系の像面湾曲収差の補正を優先した曲率になるように、前記駆動手段を制御して前記撮像素子を湾曲させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記駆動手段は、磁力により前記撮像素子を湾曲させることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 撮像素子と、被写体像を前記撮像素子の撮像面上に結像させる光学系と、前記撮像素子の撮像面を湾曲させる駆動手段とを備える撮像装置を制御する方法であって、
   前記光学系の像面湾曲収差および撮影条件に応じた曲率になるように前記駆動手段を制御する制御工程を有し、
   前記撮影条件は、撮影感度、前記撮像素子の露光時間、撮影時の温度、絞り値のいずれかを含むことを特徴とする撮像装置の制御方法。
8. 請求項７に記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
9. 請求項７に記載の制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。

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