JP2007274285A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広ダイナミックレンジで良好な画像を取得することが可能な撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、撮像素子１３に届く光の強度を周期的に変化させる減光装置１１を備える。減光装置１１は、光学フィルタ３１と、絞り部３２と、回転軸３３と、モータ３５と、を備える。光学フィルタ３１は、光の透過率の異なる複数の領域が形成されており、モータ３５によって所定角度ずつ連続的に回転する。これによって、絞り部３２の開口３２ａには光学フィルタ３１の異なる透過率を備える領域が周期的に位置し、撮像装置の撮像素子１３に届く光を周期的に増減させることができ、露光の程度が異なる被写体の画像を得ることができる。これらの画像を順次合成することによりぶれが少なく良好な動画を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、被写体の画像を広いダイナミックレンジで取得することが可能な撮像装置に関する。また、本発明は特に被写体の動画の画像を広いダイナミックレンジで取得することが可能な撮像装置に関する。

従来、カメラ等の撮像装置の撮像素子として用いられるＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等のダイナミックレンジは、肉眼や銀塩フィルムと比べて狭いため、逆光時や明暗の差が激しい被写体を撮影する際、背景が白く飛んだり、被写体が黒くつぶれるという問題がある。例えば、トンネルの内側から外側を撮影する場合、トンネル内側の明るさを基準に撮影すると、トンネルの外は真っ白に写る。

このような問題を解決し、広いダイナミックレンジを得るための方法として、長い露光時間によって取得した明るい画像と、短い露光時間によって取得した暗い画像とを合成することによって広いダイナミックレンジの画像を取得する方法（例えば、特許文献１参照）がある。
特開平１１−１６４１９５号公報

特許文献１に開示されている撮像方法では、明るい画像を取得する露光時間と暗い画像を取得する露光時間とで、露光時間が異なる。すなわち明るい画像を取得するための露光時間は短く、暗い画像を取得するための露光時間は長くする。そのようにして得られた２つの画像を合成することで広いダイナミックレンジを持つ画像を取得することができる。

ところで、カメラ等の撮像装置の撮像素子として用いられるＣＣＤやＣＭＯＳセンサの画素ピッチと外形が小さくなり、かつ高画素化してくると、ひとつの画素に入る光の量が減ってしまう。そのため、相対的に画素ピッチと外形が大きく、かつ低画素なものと比較すると、同じ露光時間で撮像した画像は暗くなってしまう。これを改善するためにセンサの感度を鋭敏にする方法がある。このようにすれば、上述した条件で撮像しても明るい画像を得ることができる。

極端に言うとこのような高感度センサでは、弱い光であっても最短時間で受光素子が最大露光量に達することを目指して感度が設定されており、明るい光は光量をシャッタや絞りで調整する必要がある。

従って、特許文献１に記載されているような、露光時間によって明るい画像と暗い画像を取得するような方法だと、上述したような高感度センサにおいては、暗い画像が最短時間で取得されてしまうため、明るい画像を取得しようとしてもそれ以上露光時間を短くすることができず、画像が白くとんでしまうことを防止することができない場合がある。

また、シャッタや絞りを用いることで、こうした高感度センサにおいても光量を調整することは可能であるが、動画のように連続して画像を取得する場合にシャッタや絞りが動作することは、メカ機構の消耗を考えると望ましくない。また、動画の主要な用途としてムービーカメラが考えられるが、こうしたものは撮像と同時に音声を記録しているため、シャッタや絞りの動作音が一緒に記録されてしまう可能性を考えると、やはり不適な方式である。

そこで、高感度なセンサにおいて動画を取得する際も、広いダイナミックレンジの画像を取得することが可能な撮像装置が求められている。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであって、広いダイナミックレンジを得ることができ、良好な動画を取得することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点にかかる撮像装置は、
被写体の画像を取得する撮像素子と、前記被写体から前記撮像素子へ至る光路を遮るように配置された、光の透過率が異なる複数の領域を備え、前記光路を遮る前記領域が周期的に切り替わることにより、前記撮像素子へ届く光量を変化させる光学フィルタと、を備えることを特徴とする。

前記撮像装置は、前記光学フィルタの切り替わりと前記撮像素子の露光タイミングとを制御する制御部と、前記撮像素子により取得された、それぞれ光量が異なる画像を合成する画像合成手段と、を備えるようにしてもよい。

前記撮像装置において、前記光学フィルタは、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の透過率の異なる前記領域を備え、前記制御部は、前記撮像素子が、前記Ｎ個の透過率の異なる各領域を通過した光で撮像を行うように、前記撮像素子と前記光学フィルタとを制御し、前記画像合成手段は、前記Ｎ個の透過率の異なる各領域を通過した光で撮像されたＮ個の画像を合成する、ようにしてもよい。

前記光学フィルタは、回転軸を中心に回転し、更に光の透過率の異なる複数の領域が回転軸を中心に放射状に配置され、前記撮像素子は、前記回転軸からシフトした位置に配置されるようにしてもよい。

本発明によれば、光学フィルタの光の透過率の異なる領域を周期的に光路に挿入して、露光量を周期定期に調節し、得られた撮像画像を順次合成する。この方式によれば、光学フィルタにより光を減光することで、高感度なセンサであっても、瞬時に減光することが可能であるので、高感度でありながら広いダイナミックレンジを持った被写体の画像を連続的に取得することができる。

本発明の実施の形態に係る撮像装置について図を用いて説明する。

本発明の実施の形態に係る撮像装置１０の構成を図１に示す。
撮像装置１０は、図１に示すように、減光装置１１と、レンズ１２と、撮像素子１３と、画像処理部１４と、記憶部１５と、画像合成部１６と、制御クロック発振器１７と、モータドライバ１８と、制御部１９と、を備える。撮像装置１０は、例えばビデオカメラであって、液晶パネル等から構成された表示装置（図示せず）、およびハードディスクや、ＤＶＤなどの光ディスクメディア等による画像を記録するための記録装置（図示せず）を備える。

減光装置１１は、レンズ１２を介して撮像素子１３に届く光を所定程度減衰させる装置であり、図２に示すように光学フィルタ３１と、光路上に固定され、開口３２ａを備える絞り部３２と、回転軸３３と、支持部３４と、モータ３５と、から構成される。

光学フィルタ３１は、ＮＤ（Neutral Density）フィルタから構成され、可視光域の光全体を全可視領域でほぼ均一な割合だけ減衰させる。また、光学フィルタ３１は、図３に示すように平面形状は六角形に形成される。光学フィルタ３１は、光学フィルタ３１の中心に対して対称となるよう、中心から放射状に６つにほぼ均等に分割された領域それぞれに光の透過率が高く、例えば、１００％〜７０％の透過率に形成された高透過率領域３１ｂと、高透過率領域３１ｂと比較して透過率が低く、例えば、６０％〜３０％の透過率に形成された低透過率領域３１ｃとを備え、高透過率領域３１ｂと低透過率領域３１ｃとは交互に形成されている。また、光学フィルタ３１は中心に孔３１ａが形成されており、図２に示すように孔３１ａに回転軸３３が嵌合される。回転軸３３にはモータ３５が接続されており、光学フィルタ３１はモータ３５によって、所定角度ずつ回転する。なお、光学フィルタ３１は、光学フィルタ３１の高透過率領域３１ｂと低透過率領域３１ｃの中心領域が、図２に示す絞り部３２の開口３２ａと重なるように設置されている。このように、光学フィルタ３１を透過率が異なる２種類の領域を交互に形成し、所定角度ずつ回転させることによって、撮像素子１３に届く光の強度を周期的に変化させることができる。

絞り部３２は、開口３２ａを備える。

回転軸３３は、光学フィルタ３１の孔３１ａに嵌合され、支持部３４により支持される。回転軸３３は、光学フィルタ３１の高透過率領域３１ｂ及び低透過率領域３１ｃが図２に一点鎖線で示す光軸上、すなわち、絞り部３２の開口３２ａに位置するように、光軸から光学フィルタ３１のサイズに応じて一定量シフトした位置に配置されている。回転軸３３にはモータ３５の回転軸に接続され、モータ３５の回転に伴って回転し、光学フィルタ３１を回転させる。
モータ３５は、モータドライバ１８からの信号を受け、回転軸３３を所定角度（図３のフィルタでは６０°）ずつ回転させる。

このように減光装置１１は、光学フィルタ３１を所定角度ずつ回転させ、高透過率領域３１ｂと低透過率領域３１ｃとによって交互に絞り部３２の開口３２ａを覆う。これによって図４（ａ）に示すように、撮像素子１３に届く光の強度を増減させることができ、露光時間が一定であっても、露光量を調節することができる。

レンズ１２はガラスレンズ、プラスチックレンズ等から構成され、被写体の光学画像を集光する。レンズ１２は、図２では１つのレンズで図示しているが、例えば３枚のプラスチックレンズから構成され、それぞれレンズホルダ（図示せず）に設置される。

撮像素子１３は、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ、電荷・電圧変換回路等から構成され、被写体の光学画像を電気（電圧）信号に変換する。

画像処理部１４は、撮像素子１３で取得された被写体の光学画像の電気信号を処理する。

記憶部１５は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）から構成され、画像処理部１４で処理された被写体の画像を複数画像分記憶する。

画像合成部１６は、ＤＳＰ（Digital Signal Processor)等から構成され、記憶部１５に記憶された画像を順次読み出して、読み出した画像とその１つ（１フレーム）前のタイミングで取得された画像とを合成する。合成手法は任意であり、対応する画素の階調の平均を取る手法などがある。

制御クロック発振器１７は、制御部１９にクロック信号を供給する。

モータドライバ１８は、制御部１９からの信号を受け、減光装置１１のモータ３５を所定角度ずつ駆動させる。

制御部１９は、ＲＡＭ（Random Access Memory)、ＲＯＭ(Read Only Memory)、ＣＰＵ(Central Processing Unit)を内蔵する１チップマイクロプロセッサ（マイコン；Micro Computer）等から構成され、制御クロック発振器１７から供給されるクロック信号を基に、撮像素子１３に露光開始信号及び露光終了信号を供給し、画像合成部１６に画像合成指示信号を供給し、モータドライバ１８に回転制御信号を供給する。

具体的には制御部１９は、制御クロック発振器１７から供給されるクロック信号に基づいて所定周期を基にモータドライバ１８へ駆動信号を送る。この駆動信号に応じ、モータドライバ１８は減光装置１１のモータ３５を所定角度（図３の光学フィルタ３１の例では６０°）ずつ回転させ、光学フィルタ３１を回転させる。この回転動作により、光学フィルタ３１の高透過領域３１ｂを通過した被写体像と、低透過率領域３１ｃを通過した被写体像とが、交互に撮像素子１３上に結像する。

更に、制御部１９は、モータドライバ１８に駆動信号を送信した後、所定時間経過後、撮像素子１３に露光開始の露光開始信号を送信する。これを受け撮像素子１３は、被写体の光学画像に応じ各画素に電荷を蓄積する。所定の露光時間が経過後、制御部１９は露光を終了させる露光終了信号を撮像素子１３に送信する。これを受け、撮像素子１３は電荷の蓄積を終了し、被写体の光学画像の電気的信号を画像処理部１４に送信する。

次に、上記の構成を採る撮像装置１０の動作について説明する。また、図４（ａ）及び（ｂ）に撮像素子１３の露光と透過光量のタイミングチャートを示す。

制御クロック発振器１７から供給されるクロック信号に基づき、制御部１９はモータドライバ１８に、例えば、１／３０秒周期で駆動信号を送信する。モータドライバ１８は駆動信号に応じてモータ３５を所定角度（例えば、図３の光学フィルタ３１では６０°）駆動させ、光学フィルタ３１を所定角度ずつ回転させる。

次に、制御部１９は所定時間が経過し、光学フィルタ３１の例えば低透過率領域３１ｃによって絞り部３２の開口３２ａが覆われ、一定の透過光量を得る準備が整ったタイミング（図４（ａ）に示すｔ１）から、所定時間Δｔ１経過後、撮像素子１３に電荷の蓄積を開始するよう、露光開始信号を送信する。

所定の露光時間（図４（ｂ）に示すΔｔ２）経過後、撮像素子１３に電荷の蓄積を停止するよう露光停止信号を送信する。撮像素子１３は、露光停止信号に応答して、各画素に蓄えられた電荷を順次読み出すと共に、内蔵している電荷・電圧変換回路によってアナログ電荷信号からアナログ電圧信号に変換し、画像処理部１４に順次送信する。

画像処理部１４は、撮像素子１３から供給されたアナログ電圧信号をＡ／Ｄ変換して、デジタル電圧信号に変換すると共に、１画面分のデジタル画像を生成し、記憶部１５に供給する。

記憶部１５は、画像処理部１４で処理された１画面分の画像データを画面単位で記憶する。なお、記憶部１５には複数画面分の画像データを記憶する。

制御部１９は、記憶部１５に新たな画像データが格納されたタイミングで、画像合成指示信号を画像合成部１６に供給する。画像合成部１６は、記憶部１５に新たに格納された画像データ（１画面の画像）を読み出し、直前のタイミングで取得した画像データ（１撮像前の画像）と合成し、今回の画像を合成する。合成手法は任意であるが、例えば、対応する画素（ｘ−ｙ座標が等しい画素）の階調（輝度）の平均を取る、重み付け平均を取る等がある。重み付けは、古い画像の重みを小さくすることが望ましい。また、２フィールドの画像のパターンマッチングを行って、対応する画素を求め、対応する画素同士の平均や重み付け平均を取っても良い。画像合成部１６は、合成した画像を順次出力する。出力された画像データは、表示部（図示せず）に送信され、液晶パネル等に表示され、或いは、記録装置に記録される。

以上の光学フィルタ３１の回動、撮像素子１３の露光、画像データの合成は、周期的に連続して行われ、順次、表示装置で動画が表示され、記録装置に動画が記録される。例えば、露光が終了した後、所定時間（図４（ｂ）に示すΔｔ３とΔｔ４）が経過し、一定の透過光量を得る準備が整った後、再び所定時間（Δｔ１）経過後、制御部１９は撮像素子１３に対して露光開始信号を送信し、Δｔ２だけ撮像素子１３が露光されて、高い透過光量の画像が取得される。取得された画像データは、画像合成部１６によって直前の画像データ、つまり時間ｔ１とｔ２との間で取得された画像データと合成され、表示部に送信される。

このように、本発明によれば、光学フィルタの光の透過率の異なる領域を周期的に光路に挿入して、露光量を周期定期に調節し、得られた撮像画像を順次合成する。この方式によれば、光学フィルタにより光を減光することができるので、高感度なセンサであっても、瞬時に減光することが可能であるので、高感度でありながら広いダイナミックレンジを持った被写体の画像を連続的に取得することができる。従って、高品質な動画を取得することができる。

本発明は上述した実施の形態に限られず、様々な変形及び応用が可能である。
例えば、上記実施の形態においては、理解を容易にするため、光学フィルタ３１を周期的に一定角度ずつ回転させたが、光学フィルタ３１を連続的に回転させるようにしてもよい。この場合は、高透過率領域３１ｂ及び低透過率領域３１ｃのサイズは、撮像素子１３が露光している間、高透過率領域３１ｂ又は低透過率領域３１ｃが安定して開口３２ａ（光軸）上に位置するような大きさであることが望ましい。また、この場合には、露光タイミングと光学フィルタ３１の回転速度及び位相がずれないように、モータ３５とモータ駆動部１８とをサーボ化することが望ましい。

上記実施の形態においては、光学フィルタ３１の透過率を２段階とし、２つの異なる透過率での被写体画像の平均を求めたが、光学フィルタ３１の透過率をＮ段階とし、Ｎ個の異なる透過率での被写体画像の平均を求めるようにしてもよい。具体的にＮ＝３の例を示すと、図５に示すように、光学フィルタ３１には、高透過率領域３１ｂと、低透過率領域３１ｃと、中透過率領域３１ｄとが配置され、高透過率領域３１ｂの透過率＞中透過率領域３１ｄの透過率＞低透過率領域３１ｃの透過率の関係が成立する。この場合、今回の撮像で得られた１画面分の画像と、前回の撮像で得られた１画面分の画像と、前々回の撮像で得られた１画面分の画像とを合成することにより、高透過率領域３１ｂを介して得られた被写体の画像と、中透過率領域３１ｄを介して得られた被写体の画像と、低透過率領域３１ｃを介して得られた被写体の画像との合成画像を得ることができる。

また、光学フィルタ３１の外形は、六角形に限られず、任意の多角形にしてもよい。また、多角形に限らず光学フィルタを図６に示すように、円形に形成することも可能である。
さらに、平板状の光学フィルタ３１を例示したが、図７に示すように、撮像素子１３を囲むように、リール状に形成したり、コーン状或いは円錐状に形成してもよい。

または、光学フィルタ３１の外形は直線状であってもよい。この場合は、複数の光の透過率領域が異なる光学フィルタを周期的に配置し、モーターもしくはシリンダ等を用いて直線上を往復動させ、これを被写体から撮像素子へ至る光路内に挿入することによって、光量を周期的に変化させることができる。

光学フィルタ３１は被写体から撮像素子へ至る光路上のどこに配置してあってもよい。

例えば、上述した実施の形態では、光学フィルタの減衰の程度を変化させることによって、光量の調節を行う構成を例に挙げて説明したがこれに限られない。例えば、絞りの開口率を周期的に変化させることによって透過光量を調節することも可能である。

上記実施の形態では、複数画像の同一相対位置の画像の平均又は重み付け平均を求めることにより画像を合成したが、例えば、奇数フィールドでは、奇数番目の走査ラインのみを撮像し、偶数フィールドでは、偶数番目の走査ラインを撮像するタイプの撮像素子１３を使用する場合、高透過率領域３１ｂを介して撮像した奇数（又は偶数）フィールドの画像と、低透過率領域３１ｃを介して撮像した偶数（又は奇数）フィールドの画像とを補完するように合成してもよい。

画像として階調画像を得る場合を中心に説明したが、画像は所謂カラー画像でもよい。この場合は、色を基本色（例えば、ＲＧＢ或いはＹＭＣ）に分解して同一色の画素の階調同士を合成する等すればよい。

また、上述した実施の形態では、動画を取得する場合を例に挙げたため画像が連続するよう、取得したタイミングの１つ前のタイミングで取得した画像と合成する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。
例えば静止画を撮影する場合、図７に示すような複数段階に透過率を変化させた光学フィルタを用い、３種類、６種類等、任意の画像を記憶部に記憶させ、画像合成部によって合成することもできる。

また、上述した実施の形態では、シャッタ装置を設けていない場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。必要であればシャッタ装置を設けてよい。
その場合は制御部１９がシャッタ装置に対して開閉信号を送信し、シャッタ装置は、制御部１９からの開閉信号に基づいてシャッタを開閉する。

また、上述した実施の形態では、絞り部３２は固定の場合を例として説明したが、これに限られない。必要であれば絞り部３２は開口位置と、絞り位置との間を動作するようにしてもよい。その場合は制御部１９が絞り部３２に対して動作信号を送信し、絞り部３２は、制御部１９からの動作信号に基づいて絞り部３２を開口位置と絞り位置の間で動作させる。

絞り部３２を開口位置と、絞り位置の間で動作させる場合には、それぞれの位置において光学フィルタを駆動させた画像を撮像することが可能である。

なお、絞り部３２の開口３２ａは複数あってもよい。その場合の開口３２ａの開口径は、それぞれ異なるものであるが、同じであってもよい。複数の開口３２ａが設けられる場合は、１枚の絞り羽根に複数の開口３２ａを設けてもよいし、複数枚の絞り羽根にそれぞれ開口３２ａを設けてもよい。もちろん、これらを組み合わせることも可能である。さらに絞り部３２は無くてもよい。

本発明の実施の形態に係る撮像装置の構成例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る撮像装置を構成する減光装置を示す図である。 本発明の実施の形態に係る減光装置の光学フィルタを示す図である。 図４（ａ）は、透過光量と時間の関係を示す図である。図４（ｂ）は、露光タイミングと時間との関係を示す図である。 光学フィルタの変形例を示す図である。 光学フィルタの変形例を示す図である。 光学フィルタの変形例を示す図である。

符号の説明

１０ 撮像装置
１１ 減光装置
１２ レンズ
１３ 撮像素子
１４ 画像処理部
１５ 記憶部
１６ 画像合成部
１７ 制御クロック発振器
１８ モータドライバ
１９ 制御部
３１ 光学フィルタ
３２ 絞り部
３３ 回転軸
３４ 支持部
３５ モータ

Claims (4)

1. 被写体の画像を取得する撮像素子と、
   前記被写体から前記撮像素子へ至る光路を遮るように配置され、光の透過率が異なる複数の領域を備え、前記光路を遮る前記領域が周期的に切り替わることにより、前記撮像素子へ届く光量を変化させる光学フィルタと、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記光学フィルタの切り替わりと前記撮像素子の露光タイミングとを制御する制御部と、
   前記撮像素子により取得された、それぞれ光量が異なる画像を合成する画像合成手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光学フィルタは、Ｎ（Ｎは２以上の整数）個の透過率の異なる前記領域を備え、
   前記制御部は、前記撮像素子が、前記Ｎ個の透過率の異なる各領域を通過した光で撮像を行うように、前記撮像素子と前記光学フィルタとを制御し、
   前記画像合成手段は、前記Ｎ個の透過率の異なる各領域を通過した光で撮像されたＮ個の画像を合成する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記光学フィルタは、回転軸を中心に回転し、更に光の透過率の異なる複数の領域が回転軸を中心に放射状に配置され、
   前記撮像素子は、前記回転軸からシフトした位置に配置されている、
   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。
   

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