JP2005354155A - 動画撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低照度環境において被写体の明るさの変化に応じて適応的に照明装置の発光量を調整できる動画撮像装置を提供する。
【解決手段】 ＬＥＤ２０１（照明装置１０８）と、イメージセンサ１０１からの信号に基づいて被写体輝度を判断するＤＳＰ（信号処理部）１０５と、ＤＳＰ１０５で判断された被写体輝度に応じてＬＥＤ２０１の発光量を調整するＣＰＵ１０７およびタイミングジェネレータ１０２（制御部）を備え、ＣＰＵ１０７が被写体輝度に応じてタイミングジェネレータ１０２を制御し、タイミングジェネレータ１０２が生成する発光制御パルスのパルス時間幅を調整することにより被写体照度の変化にリアルタイムに適応してＬＥＤ２０１の発光量をフィードバック制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は動画撮像装置にかかわり、特には低照度環境で撮影する場合の照明の技術に関する。

近年、カメラ業界におけるアナログ技術からデジタル技術への移行には目覚しいものがある。特に、フィルムも現像も不要なデジタルスチルカメラは活況を呈し、携帯電話もカメラ搭載型が主流を占めるようになっている。

現状では、デジタルカメラ用のセンサとしてＣＣＤセンサが主流であるが、ＭＯＳセンサも特性改善が進み、ＣＣＤに代わるセンサとして有望視されている。イメージセンサは更なる高性能化が求められるとともに、小型化の要望から極小セルサイズでの高感度化技術開発が切望されている。

現在の動画撮影用カメラは、低照度環境で撮影するための照明装置としてハロゲンランプやＬＥＤ（発光ダイオード）を用いて、ＣＰＵからのＯＮ・ＯＦＦスイッチで制御するように構成されている。

このように低照度時において高感度センサと補助的な照明装置を用いて実現するデジタルカメラの照明の従来技術について、図面を用いて以下に説明する。

図６はデジタルカメラの基本構成を示すブロック図である。図６において、４０１はイメージセンサ、４０２はイメージセンサ４０１の駆動パルスを発生するタイミングジェネレータ（ＴＧ）、４０３はイメージセンサ４０１の出力のノイズを除去するとともにゲインをコントロールするＣＤＳ／ＡＧＣ回路、４０４はアナログデジタル変換を行うＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）、４０５はデジタル信号処理を行うＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）、４０６は画像データおよび各種データを保存しておくメモリ、４０７はカメラを制御するＣＰＵ（マイクロコンピュータ）、４０８は低照度時に使用する照明装置である。

以上のように構成された従来の動画撮像装置について、その動作を以下に説明する。

まず、レンズを通ってイメージセンサ４０１に入射した光は、フォトダイオードにより電気信号に変換され、垂直駆動、水平駆動によりアナログ連続信号として出力される。イメージセンサ４０１の動作に必要な駆動パルスはタイミングジェネレータ４０２から発生される。イメージセンサ４０１から出力された信号は、ＣＤＳ／ＡＧＣ回路４０３のサンプルホールド回路にて１／ｆノイズを効果的に低減された後、ゲインコントロールされた上でＡ／Ｄコンバータ４０４に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル化された信号はＤＳＰ４０５に入力され、メモリ４０６を介して色分離、カラーマトリクス処理、輝度処理などの各種処理が行われる。以上の動作は、被写体照度が十分に得られる場合の基本動作である。

低照度時には、ＣＰＵ４０７が制御信号によって照明装置４０８を点灯させ、被写体を明るくした状態で前記動作をさせる。

ここで、照明装置４０８は、被写体の明るさに関係なく、ＣＰＵ４０７からの制御信号で直接、ＯＮ・ＯＦＦのみの制御が行われる。この場合に、光量調整は行われない。この関係を図７に示す。点灯許可信号は“Ｈ”のとき、連続的な“Ｈ”となっている。
特開平６−１０５２０３号公報（第２頁、第１図） 特開２０００−１９６９５０号公報（第２頁、第１図）

上記の従来の動画撮像装置においては、被写体の明るさに関係なく、照明装置の発光量は常に一定である。低照度環境において被写体の照度がどのようなものであれ発光量は一定である。あるいは、必要に応じて、マニュアルで明るさ設定を行うが、一度設定すれば、あとは発光量は一定に固定される。そこで、感度調整について、後段の信号処理側でＡＧＣゲインを調整したり、フレームレートをまたがった露光による低速シャッターを用いることにより、感度を稼いでいる。しかし、被写体動画像にＳ／Ｎの劣化が生じたり、滑らかな動画を実現できないという課題を有している。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、低照度環境において被写体の明るさの変化に応じて適応的に照明装置の発光量を調整できる動画撮像装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を講じる。

本発明による動画撮像装置は、イメージセンサと、光源としての照明装置と、前記イメージセンサからの信号に基づいて被写体輝度を判断する信号処理部と、前記信号処理部で判断された被写体輝度に応じて前記照明装置の発光量を調整する制御部とを備えている。

信号処理部はイメージセンサが捉えた被写体の輝度を判断し、その判断結果を制御部に渡す。制御部は被写体輝度が不足のときは照明装置を駆動して発光させるが、被写体輝度に応じて照明装置の発光量を調整する。被写体輝度が変化すれば、それに応答してフィードバック的に発光量がリアルタイムかつ自動的に調整される。したがって、従来の技術の場合のようなアナログゲインアップやフレームレート低減をする必要なく、高品質な動画撮影を実現できる。

上記構成において、前記の制御部の好ましい態様は次のとおりである。それは、前記イメージセンサの駆動パルスおよび前記照明装置の発光制御パルスを生成するタイミングジェネレータを備えたものである。前記タイミングジェネレータが前記発光制御パルスのパルス時間幅を制御することにより前記照明装置の発光量を調整する。タイミングジェネレータは垂直同期信号に同期してイメージセンサの駆動パルスを生成するが、このタイミングジェネレータにおいて照明装置に対する発光制御パルスを生成すると、垂直同期信号に同期した発光制御パルスを簡単に作り出すことができる。つまり、タイミングジェネレータが発光制御パルスの変化点を制御することにより、照明装置の発光開始タイミングと発光終了タイミングの制御ひいてはパルス時間幅の制御を容易に実現できる。

前記照明装置については、ＬＥＤやハロゲンランプまたはキセノンランプやこれらの組み合わせがある。ＬＥＤの場合は、総発光量の調整は、発光制御パルスのパルス時間幅によって容易に対応することができる。すなわち、前記タイミングジェネレータが発生する前記発光制御パルスは、前記制御部からの指示によって、垂直同期信号に同期してその立ち上がり位置、立ち下がり位置が任意に設定される。

また、前記照明装置に流れる電流量を前記制御部からの指示によって制御するのでもよい。電流量を制御することにより照明装置の発光量を調整する。

照明装置がハロゲンランプやキセノンランプの場合は、電流量の制御で対応するのがよい。すなわち、可変バイアス電圧で照明装置の発光量を調整する。

あるいは、ＬＥＤとハロゲンランプまたはキセノンランプとの組み合わせで照明装置を構成してもよく、状況に応じて切り替えればよい。

本発明によれば、被写体輝度に応じてフィードバック的に照明装置の発光量をリアルタイムかつ自動的に調整することにより、従来の技術の場合のようなアナログゲインアップやフレームレート低減をする必要なく、高品質な動画撮影を実現できる。

以下、本発明の実施の形態にかかわる動画撮像装置について図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は本発明の動画撮像装置（デジタルカメラ）の基本構成を示すブロック図である。図１において、１０１は被写体の画像を取り込み、光の強弱を信号電荷に変換・蓄積するＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＭＯＳ（金属酸化物半導体）などのイメージセンサ、１０２はイメージセンサ１０１の駆動パルスおよび照明装置１０８の発光タイミングと発光期間を制御する発光制御パルスを垂直同期信号に同期して発生するとともに、その発光制御パルスのパルス時間幅を可変するタイミングジェネレータ（ＴＧ）、１０３はイメージセンサ１０１の出力のノイズを除去するＣＤＳ（CorrelatedDouble Sampling：相関二重サンプリング）回路と、ゲインを自動コントロールするＡＧＣ（Automatic Gain Contorol）回路の組み合わせからなるＣＤＳ／ＡＧＣ回路、１０４はアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）、１０５はデジタル信号処理の演算を行うデジタル信号処理回路としてのＤＳＰ（DigitalSignal Processor）、１０６は画像データおよび各種データを保存しておくメモリ、１０７はカメラ全体の機能と照明装置１０８の発光量を制御する中央演算処理装置としてのＣＰＵ（マイクロコンピュータ）、１０８は低照度時または逆光時などに使用する照明装置（ＬＥＤ）である。ＤＳＰ１０５が特許請求の範囲にいう「信号処理部」に相当し、ＣＰＵ１０７とタイミングジェネレータ１０２とが特許請求の範囲にいう「制御部」に相当している。

以上のように構成された本発明の動画撮像装置について、その動作を以下に説明する。

まず、レンズを通ってイメージセンサ１０１に入射した光は、フォトダイオードにより電気信号に変換され、垂直駆動、水平駆動により、アナログ連続信号として出力される。イメージセンサ１０１の動作に必要な駆動パルスはタイミングジェネレータ１０２から発生される。イメージセンサ１０１から出力された信号はＣＤＳ／ＡＧＣ回路１０３のサンプルホールド回路にて１／ｆノイズを効果的に低減した後、ゲインコントロールして、Ａ／Ｄコンバータ１０４に入力され、デジタル信号に変換される。デジタル化された信号はＤＳＰ１０５に入力され、メモリ１０６を介して色分離、カラーマトリクス処理、輝度処理などが行われる。本動作は十分な光量が得られる場合の基本動作であり、従来と同じである。

低照度時もしくは逆光で補助光が必要なときは、ＣＰＵ１０７がタイミングジェネレータ１０２を制御して照明装置１０８に対する発光制御パルスを発生させる。この発光制御パルスは、照明装置１０８の点灯タイミングと期間を制御するものである。発光制御パルスのハイレベル期間（またはローレベル期間）の間だけ照明装置１０８が点灯される。これにより、照明装置１０８の発光量が制御される。

以下、より具体的レベルで説明する。

ＤＳＰ１０５は、イメージセンサ１０１からの信号がＡ／Ｄコンバータ１０４によってＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を入力し、メモリ１０６を介して色分離、カラーマトリクス処理、輝度処理などを行う。さらに、明るさのレベルを検出する入力データ積算ブロックにより、任意の撮影シーンで画面全画素の輝度(Ｙ値)の平均値を算出し、輝度レベル値とする。ＣＰＵ１０７は、ＤＳＰ１０５によって算出された輝度レベル値を目標値と比較する。この目標値は、撮影シーンによって任意に決定される。輝度レベル値が目標値より小さいときは、パルス時間幅を広げる。逆に、輝度レベル値が目標値より大きいときは、パルス時間幅を狭める。パルス時間幅の調整には、発光制御パルスの立ち上がりエッジの位置と立ち下がりエッジの位置の調整を行う。

タイミングジェネレータ１０２は、発光制御パルスの立ち上がりエッジの位置と立ち下がりエッジの位置を設定するためのレジスタを有している。ＣＰＵ１０７は、輝度レベル値と目標値との差分に応じて、タイミングジェネレータ１０２のこのレジスタに設定する値を調整する（被写体の明度に応じてレジスタの値を書き換える）。このことにより、タイミングジェネレータ１０２の発光制御パルスのパルス時間幅の調整を行う。

図２は照明装置１０８とタイミングジェネレータ１０２との接続を示す。２０１は電流量に応じて発光量が変化するＬＥＤ、２０２はＬＥＤ２０１に流す電流のオン、オフおよび電流量を可変制御できる電流量可変電流源である。電流量可変電流源２０２はタイミングジェネレータ１０２からの発光制御パルスにより制御される。

ＣＰＵ１０７は、輝度レベル値が目標値より小さい（被写体の明度が低い）と判断すると、タイミングジェネレータ１０２に発光制御パルスのパルス時間幅を広げるように制御する。その結果、電流量可変電流源２０２の制御を介してＬＥＤ２０１の総発光時間が長くなるよう制御され、ＬＥＤ２０１の発光量は大きくなる。

また、ＣＰＵ１０７は、輝度レベル値が目標値より大きい（被写体の明度が高い）と判断すると、タイミングジェネレータ１０２に発光制御パルスのパルス時間幅を狭めるように制御する。その結果、電流量可変電流源２０２の制御を介してＬＥＤ２０１の総発光時間が短くなるよう制御され、ＬＥＤ２０１の発光量は小さくなる。

図３は、実際のタイミングジェネレータ１０２の発光制御パルスによるＬＥＤ２０１の点灯期間を示す波形図である。

タイミングジェネレータ１０２は、垂直同期信号（ＶＤ）に同期して、イメージセンサ１０１に対する読み出し信号を出力するが、垂直同期信号と垂直同期信号との間すなわち１フレーム期間での発光制御パルスのパルス時間幅を大小に制御することにより、ＬＥＤ２０１の総発光量を制御する。単位時間における発光量は一定であり、ＬＥＤ２０１の点灯期間を制御することにより、総発光量を調整している。

より具体的には次のとおりである。タイミングジェネレータ１０２における発光開始タイミングのレジスタと発光終了タイミングのレジスタに設定する値を適宜に設定することにより、発光制御パルスの立ち上がりエッジの位置と立ち下がりエッジの位置を移動させ、その結果として発光制御パルスのパルス時間幅を調整する。

タイミングジェネレータ１０２は、レジスタ値を基に垂直同期信号に同期させながらパルス時間幅を可変し、そのパルス時間幅の発光制御パルスを照明装置１０８におけるＬＥＤ２０１に印加する。その結果として、被写体の明るさに応じてＬＥＤ２０１をＯＮ、ＯＦＦするタイミングが変更され、ＬＥＤ２０１の総発光量が調整される。

パルス時間幅の調整にはいくつかの方式がある。立ち上がりエッジのタイミングを固定し、立ち下がりエッジのタイミングを変更するのでもよいし、逆に、立ち下がりエッジのタイミングを固定し、立ち上がりエッジのタイミングを変更するのでもよい。あるいは、両方のエッジのタイミングをともに変更するのでもよい。

図４は、パルス時間幅の変化に対して正の相関関係（比例）をもって総発光量が調整される状態を示す。

上記ではＬＥＤ２０１の総発光量の調整をパルス時間幅の変更によって実現しているが、次の方式でもよい。すなわち、電流量可変電流源２０２の制御によりＬＥＤ２０１に流す電流量を制御して、単位時間当たりの発光量を制御する。

図５は、電流量の変化に対して正の相関関係（比例）をもって総発光量が調整される状態を示す。

上記の実施の形態ではＬＥＤを例にとって説明したが、ＬＥＤの代わりにハロゲンランプやキセノンランプを使ってもよい。但し、ハロゲンランプやキセノンランプはタイミングジェネレータでの駆動を行わないため、ランプ自体に流す電流量を制御する必要がある点に留意する必要がある。

また、ＬＥＤに加えてハロゲンランプやキセノンランプを備え、状況に応じて切り替えて用いるように構成してもよい。

本実施の形態においては、被写体の明るさをＤＳＰで判断し、ＣＰＵからの指示で被写体明るさに応じて発光量の調整をフィードバック制御している。被写体の明るさによっては照度を落とすことができる。したがって、ＬＥＤを単純にオン、オフするのみでオン時には常に最大照度で点灯する従来の技術に比べて、消費電力の低減効果が期待できる。また、Ｓ／Ｎの劣化が抑制され、滑らかな動画を実現できる。

本発明の動画撮像装置は、低照度環境での滑らかな動画を実現する動画対応小型デジタルカメラ等として有用である。また、その照明装置は、前記デジタルカメラ等にイメージセンサに併せて搭載されることにより、低照度環境での滑らかな動画を実現するものとして有用である。

本発明の実施の形態における動画撮像装置（デジタルカメラ）の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態における照明装置の内部の構成を示すブロック図 本実施の形態においてタイミングジェネレータが垂直同期信号に同期してＬＥＤに出力する発光制御パルスの波形図 本実施の形態においてＬＥＤを点灯させる発光制御パルスのパルス時間幅と総発光量の関係を示す図 本実施の形態においてＬＥＤに流す電流量と総発光量の関係を示す図 従来の技術における動画撮像装置の構成を示すブロック図 従来の技術における発光制御パルスの波形図

符号の説明

１０１ イメージセンサ
１０２ タイミングジェネレータ（ＴＧ)
１０３ ＣＤＳ／ＡＧＣ回路
１０４ Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）
１０５ ＤＳＰ（Digital Signal Processor）
１０６ メモリ
１０７ ＣＰＵ（中央演算処理装置；マイクロコンピュータ）
１０８ 照明装置
２０１ ＬＥＤ（発光ダイオード）
２０２ 電流量可変電流源

Claims (8)

1. イメージセンサと、
   光源としての照明装置と、
   前記イメージセンサからの信号に基づいて被写体輝度を判断する信号処理部と、
   前記信号処理部で判断された被写体輝度に応じて前記照明装置の発光量を調整する制御部とを備えた動画撮像装置。
2. 前記制御部は、前記イメージセンサの駆動パルスおよび前記照明装置の発光制御パルスを生成するタイミングジェネレータを備えており、
   前記タイミングジェネレータが前記発光制御パルスのパルス時間幅を制御することにより前記照明装置の発光量を調整する請求項１に記載の動画撮像装置。
3. 前記タイミングジェネレータが前記発光制御パルスの変化点を制御することにより、前記イメージセンサの露光開始タイミングに対する前記照明装置の発光開始タイミングと発光終了タイミングとを調整する請求項２に記載の動画撮像装置。
4. 前記照明装置がＬＥＤであり、前記タイミングジェネレータが発生する前記発光制御パルスは、前記制御部からの指示によって、垂直同期信号に同期してその立ち上がり位置、立ち下がり位置が任意に設定される請求項３に記載の動画撮像装置。
5. 前記照明装置に流れる電流量を前記制御部からの指示によって制御することにより前記照明装置の発光量を調整する請求項１に記載の動画撮像装置。
6. 前記照明装置がＬＥＤである請求項５に記載の動画撮像装置。
7. 前記照明装置がハロゲンランプまたはキセノンランプである請求項５に記載の動画撮像装置。
8. 前記照明装置がＬＥＤとハロゲンランプまたはキセノンランプとの組み合わせであり、切り替え可能に構成されている請求項５に記載の動画撮像装置。
   

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