JP2009124260A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画質を低減させることなくローリングシャッタ方式でのストロボ撮影が可能となる撮像装置を提供する。
【解決手段】光を照射する照明部１２７と、被写体像を結像する撮影光学系１０６と、２次元配列した各画素信号によって撮影光学系で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力する撮像素子１０４と、撮像素子の出力を所定の形式に変換する画像処理部１１０と、画像処理部で処理された信号を記憶する記憶部１２６、１２８と、撮像素子の各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する露光手段を有し、撮影光学系の一部の光学素子を断続的に移動させ、かつ、照明部から照明光を連続して照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像する場合に、光学素子の位置に応じて前記撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、撮像素子としてＣＭＯＳイメージセンサを用いる撮像装置に関する。

デジタルカメラなどの撮像装置では、近年、２次元配列した各画素信号によって撮影光学系で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力するＣＭＯＳイメージセンサが固定の撮像素子として用いられている。ＣＭＯＳイメージセンサにはローリングシャッタと言われる露光方式がある。この露光方式は、電子シャッタの出力休止、すなわち電荷排出停止によって露光を開始し、画素データ読み出しによって露光を終了する方式であるが、固体撮像素子の画素行毎に露光開始と露光終了タイミングが順次ずれる点で、同時蓄積露光を行う固体撮像素子の別な形態であるＣＣＤとは異なっている。
このため、露光時間が短いときには、撮像素子の全ラインが同時に蓄積をする露光共通時間帯が短かったり、存在しないことがある。照明部となるストロボの発光による撮影はこの露光共通時間帯に発光制御を必要とし、露光共通時間帯から外れたタイミングで発光すると、ストロボ光成分による電荷の蓄積ができるラインと蓄積ができないラインが発生し、１画面内の上下で露出が異なる異常画像になる。
そこで、特許文献１では、ストロボ撮影のように同時露光が必要なときにはＣＭＯＳイメージセンサの画素行を間引くことで露光の共通時間帯を確保するようにしている。

特開２００４−１４７２７８号公報

特許文献１に記載の内容では露光共通時間帯を確保することはできるが、撮像に用いるＣＭＯＳイメージセンサの画素行を間引くため、静止画像を撮影すると記録画素数が低下して画質の解像感を得られなくなる。
また、ローリングシャッタ方式は、露光と読み出しが時間軸で分離されていないため、読出しの駆動方式の切替え直後は画面上側の受光素子のみに切替直前まで蓄積した電荷が残存する。このため、駆動切替直後は表示用にも情報取得用にも使用できない無効フレームが発生し、撮影光学系の一部の光学素子を移動させて、かつ、照明部から照明光を連続して照射しながら連続して複数枚の画像を撮像するフォーカスブラケット撮影をしようとする場合には、撮影間隔の低速化が新たな課題となってしまう。

本発明は、画質を低減させることなくローリングシャッタ方式でのストロボ撮影が可能となる撮像装置を提供することを、その目的とする。
本発明は、ローリングシャッタ方式で、連続して複数枚の画像を撮像するフォーカスブラケット撮影の各焦点距離に対応した最適な露光状態でストロボ撮影が可能となる撮像装置提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る第１の撮像装置は、光を照射する照明部と、被写体像を結像する撮影光学系と、２次元配列した各画素信号によって撮影光学系で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力する撮像素子と、撮像素子の出力を所定の形式に変換する画像処理部と、画像処理部で処理された信号を記憶する記憶部を有する撮像装置において、撮像素子の各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する露光手段を有し、撮影光学系の一部の光学素子を断続的に移動させ、かつ、照明部から照明光を連続して照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像する場合に、光学素子の位置に応じて前記撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させることを特徴としている。

第１の撮像装置において、撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させるとは、撮像素子の全行の露光共通時間を変化するべく露光フレーム期間を読み出しフレーム期間よりも長くすることであることを特徴としている。

第１の撮像装置において、撮影光学系の一部の光学素子を断続的に移動させ、かつ、前記照明部から照明光を連続して照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像する場合、遠側のフォーカス位置での撮影ほど露光フレーム期間を長くし、かつ照明部からの照明光の発光量を高めることを特徴としている。

第１の撮像装置において、照明部から照明光を照射して撮影をするときには、撮像素子の全行の露光共通時間を合わせるべく、露光フレーム期間を照明光の発光時間に合わせて調節することを特徴としている。

本発明に係る第２の撮像装置は、光を照射する照明部と、被写体像を結像する撮影光学系と、２次元配列した各画素信号によって撮影光学系で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力する撮像素子と、撮像素子の出力を所定の形式に変換する画像処理部と、画像処理部で処理された信号を記憶する記憶部を有する撮像装置において、撮像素子の各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する露光手段を有し、照明部から照明光を照射して撮影をするときには、撮像素子の全行の露光共通時間を長くするべく露光フレーム期間を読み出しフレーム期間よりも長くすることを特徴としている。

第２の撮像装置において、静止画撮影前の調光用途で照明部から照明光を事前照射するときには、調光用フレーム期間を通常撮影フレーム期間と同一とし、撮像素子の記録画像座標で中央に相当するラインの露光期間に照射することを特徴としている。

本発明によれば、撮影光学系の一部の光学素子を断続的に移動させ、かつ、照明部から照明光を連続して照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像する場合、光学素子の位置に応じて撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させるので、連続して複数枚の画像を撮像する撮影の各焦点距離に対応した最適な露光状態でストロボ撮影を実現することができる。

本発明によれば、照明部から照明光を照射して撮影をするときに、撮像素子の全行の露光共通時間を長くするべく露光フレーム期間を読み出しフレーム期間よりも長くするので、従来のように撮像素子の画素行を間引く必要がなく、画質を低減させることなく、撮像素子の各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する露光手段となる方式であるローリングシャッタ方式でストロボ撮影を実現することができる。

以下、図面を用いて本発明に係る実施の形態を説明する。図１は、本発明に係る撮像装置の構成を示すもので、光を照射する照明部となるストロボユニット１２７と、被写体像を結像する撮影光学系１０７と、撮影光学系１０７で結像された被写体像を電気信号に変換して出力する撮像素子となるＣＭＯＳイメージセンサ１０４と、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４の出力を所定の形式に変換する画像処理部１１０と、画像処理部１１０で処理された信号を記憶する記憶部となる記録メディア１２８及び画像バッファ用メモリ１２６と、制御手段となる制御演算部１２０を備えている。

光学ユニット１００は、撮影光学系１０７の光学素子となるレンズ１０１、絞り・シャッタ１０２、光学ローパスフィルタ１０３、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４、レンズ１０１のフォーカス機構１０５を備えている。レンズ１０１は、フォーカス時、撮像装置の起動・停止時にフォーカス機構１０５によってその位置が変更されることで、任意に焦点距離が機械的に変更される。絞り・シャッタ１０２は、撮影時に適切な絞り径に切換えられ、静止画撮影時にはシャッタとしての閉じ動作と開き動作を行う。これら絞り・シャッタ１０２とフォーカス機構１０５は、光学系駆動部１０６によって駆動される。

ＣＭＯＳイメージセンサ１０４は、２次元配列した各画素信号によってレンズ１０１で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力するものである。すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４では２次元に配列した受光素子部で結像した光学像を電荷子に変換し、駆動部１０４Ａから送信される読出しタイミングによって外部に電気信号として出力する。

制御演算部１２０は、周知のコンピュータで構成されていて、光学ユニット１００、入力処理ブロック１１１と画像処理ブロック１１２を備えた画像処理部１１０、光学系駆動部１０６、プログラムメモリ１２１、操作部１２２、表示部となるＬＣＤパネル１２３、ストロボユニット１２７が信号線を介して接続されている。制御演算部１２０には、バスを介して圧縮・伸張処理部１２４、画像記録Ｉ／Ｆ部１２５、画像バッファメモリ１２６が接続されている。

制御演算部１２０は、プログラム用メモリ１２１に予め記憶されている撮影モードに応じて光学系駆動部１０６に駆動指示を与えて、レンズの焦点距離と絞り・シャッタ１０２による光量調整を行う。制御演算部１２０からは、撮像用クロック信号、垂直同期信号、水平同期信号がＣＭＯＳイメージセンサ１０４の駆動部１０４Ａに入力される。また、制御演算部１２０は、垂直同期信号の周期を変更する機能や、この周期の変更に対応させてストロボユニット１２７の発光を制御する機能を備えている。本形態において、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４は、各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する周知の露光手段となるローリングシャッタを構成するように、制御演算部１２０によって制御される。

撮像装置において、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４で出力した信号は、画像処理部１１０で所定のフォーマットで画像処理され、記録画像は、圧縮・伸張処理部１２４と画像記録Ｉ／Ｆ部１２５を介して最終的には記録メディア１２８に所定のファイル形式で保存される。本形態において、記録メディア１２８としては、ＳＤカードやコンパクトフラッシュ（登録商標）カードやＸＤピクチャーカードといったメディアが挙げられ、ファイル形式としては周知のＪＰＥＧ画像が挙げられるが、これらメディアやファイル形式に限定するものではない。

この撮像装置は、記録メディア１２８への記録前のモニタ状態で撮像装置を使用するとき、画像処理部１１０で表示用画像として処理され、ＬＣＤパネル１２３に画像を表示するとともに、表示された画像を随時更新表示する。ストロボユニット１２７は、制御演算部１２０の指示に従い、ストロボ電荷のチャージと発光時期や発光時間が制御される。

次に、図２から図６に示すタイミングチャートを用いて、本発明の制御演算部１２０による撮像装置の動作について説明する。
各図に示すタイミングチャートにおいて、一番上は垂直同期信号のタイミングを示し、その下はＣＭＯＳイメージセンサ１０４の記録エリア（もしくは有効画素エリア）の各ラインのタイミングを示す。各タイミングチャート中、黒塗り領域はＣＭＯＳイメージセンサ１０４の電子シャッタ（ローリングシャッタ）が出力されているために受光素子中の電荷が基板に排出されている期間であり、白塗り領域は同電子シャッタが出力されていないため電荷が受光素子中に蓄積される露光期間に相当する。蓄積された電荷は、黒塗りの電子シャッタ出力期間開始直前に読み出される。静止画露光フレーム期間中の点線は、露光共通時間ｔｎを示す。

制御演算部１２０は、露光フレーム期間を他のフレームより長くして、露光共通時間ｔｎを長くするために、符号Ｖｎで示す垂直同期信号の周期を変更するように制御する。

図２は垂直同期信号の周期を変更する前のタイミングチャートを示す。図２における垂直同期信号Ｖ０は同一のため、露光時間が短いときには、撮像素子の全ラインが同時に蓄積をする露光共通時間帯ｔ０が短く、このような周期であると、ストロボユニット１２７の発光による撮影の機会が制限されてしまう。

図３は、本発明の請求項５に係る制御を実施したタイミングチャートを示す。従来技術では最終ラインの露光開始と先頭ラインの読出しの時間差が短いためストロボ撮影が難しかったが、ここでは垂直同期信号の周期（露光フレーム期間の周期）をＶ０＜Ｖ１とすることで、露光共通時間帯をｔ０＜ｔ１と拡大することができる。このため、符号Ｘ１で示すストロボユニット１２７による発光時間に余裕を生むことができ、従来のように画質を低減させることなくローリングシャッタ方式でのストロボ撮影が可能となる。

図４は、本発明の請求項４に係る制御を実施したタイミングチャートを示す。ストロボユニット１２７から照明光を照射して撮影をするときには、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４の全行の露光共通時間ｔ２を合わせるべく、垂直同期信号の周期（露光フレーム期間の周期）を照明光の発光時間に合わせて調節している。

ストロボユニット１２７による発光量は、発光時間（Ｘ１、Ｘ２）に依存し、制御上のマージンを持たせて発光時間より若干長めの露光共通時間(ｔ１，ｔ２)が確保できるように、垂直同期信号をＶ０より長めのＶ１，Ｖ２として制御演算部１２０から入力する。

ストロボ光の発光量＝発光時間に合わせて垂直同期信号の周期（露光フレーム期間）を調節することで、発光時間に合わせなるべく露光フレーム期間を短く設定する。すなわち、図４においては垂直同期信号の周期Ｖ２を、図３の垂直同期信号の周期Ｖ１と比べて長くしている。このため、ストロボ照射によるフレームレート落ちを最小限に抑えることができる。

図５は、本発明の請求項１から３に係る制御を実施したタイミングチャートを示す。ここでは、シャッタボタンを１度操作することで、複数枚の撮影を行うフォーカスブラケット撮影中の連続する撮影２回分を抽出してタイミングチャートに書き出したものであり、同図の最下位にはフォーカス駆動の状態を記載している。すなわちレンズ１０１を断続的に移動させ、かつ、ストロボユニット１２７を連続して発光させて照明光となるストロボ光を照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像するフォーカスブラケット撮影時に、レンズ１０１の移動した位置に応じてＣＭＯＳイメージセンサ１０４の読み出しフレーム期間を変化させている。ここで言うＣＭＯＳイメージセンサ１０４の読み出しフレーム期間を変化させるとは、ＣＭＯＳイメージセンサ１０４の全行の露光共通時間ｔ１，ｔ２を変化するべく垂直同期信号の周期Ｖ１（露光フレーム期間）を読み出しフレーム期間Ｖ０よりも長くすることである。これは、ストロボユニット１２７からの光量はフォーカス位置（レンズ１０１の位置）に依存し、フォーカス位置が遠側ほど発光量を上げて（＝発光時間を長くして）撮影する。

本形態において、フォーカスブラケット撮影は、近側から遠側にレンズ１０１のフォーカスを移動しながら撮影することを例示とした。なお、レンズ１０１の移動にはフォーカス機構１０５のメカ的な駆動時間を要するため、撮影用のフレームは２フレームに１度としており、図示の通り撮影用の露光時間を避ける期間においてフォーカスを遠側へ移動させている。また、フォーカス位置が遠側での撮影ほど、ストロボユニット１２７からの発光量を必要とするため、焦点距離が近い場合の発光時間をＸ１、焦点距離が遠い場合の発光時間をＸ２としたとき、Ｘ１＜Ｘとなるようにストロボユニット１２７による発光時間が制御している。このため図３，図４と同様、露光共通時間ｔ１＜露光共通時間ｔ２、垂直同期信号の周期はＶ０＜Ｖ１＜Ｖ２の関係となっている。

つまり、フォーカスブラケット撮影時には、遠側のフォーカス位置での撮影時の垂直同期信号の周期Ｖ２（露光フレーム期間）を、近側での撮影時の垂直同期信号の周期Ｖ１（露光フレーム期間）よりも長くし（Ｖ１＜Ｖ２）、かつストロボユニット１２７からの照明光の発光量を高めるように、発光時間Ｘ１よりも長い発光時間Ｘ２とするように制御する。

これによりストロボ連続撮影においても、連続して複数枚の画像を撮像するフォーカスブラケット撮影の各焦点距離に対応した最適な露光状態でストロボ撮影を実現することができるとともに、撮影の高速化が可能になる。このような制御は、望遠撮影側でのフォーカスブラケット撮影よりも光量の影響を受け易いマクロ撮影時におけるフォーカスブラケット撮影時に実行することで特に有効に機能することとなる。
なお、ここでは、フォーカスブラケット撮影について記載したが、所謂ストロボＡＥブラケット撮影でも同様に制御することで、同様の効果を得ることができる。

図６は、本発明の請求項６に係る制御を実施したタイミングチャートを示す。このチャートは、ストロボユニット１２７によるプリ発光時の制御について記載されている。静止画用のストロボ発光時は、画質が重視されるので１画面内での露出の均一性が重要であるが、スルー画表示時の表示画質の要求レベルは静止画より低いので不均一性を許容している。

そこで、画面上下方向の中央領域の調光ができればよいとし、フレームレートを変更しないで中央付近のラインでストロボをプリ発光するように、ストロボユニット１２７を制御している。

図６中、ｍラインは記録エリア（もしくは有効画素エリア）の中央に位置する水平ライン（レームレートを変更しないで中央付近のライン）であり、Ｎ＝２ｍもしくはＮ＝２ｍ−１の関係にある。本制御に係る発光をする露光フレームは、図３と同様に露光共通時間ｔ３を確保するため垂直同期信号の周期（露光フレーム期間）はＶ３＞Ｖ０としている。

これに対してプリ発光フレームでは、垂直同期信号の周期（露光フレーム期間）はＶ０であり、露光共通時間が存在しない状態で発光を行っている。ただしδ１＞α、δ２＞βなる関係でストロボ発光を行うため、画面の中央付近ラインからのプリ発光による調光は可能となっている。このような制御により、プリ発光時にフレームレート落とさず、簡易な制御で撮影時の調光が可能となる。

本発明に係る撮像装置の一構成例を示すブロック図である。 従来の垂直同期信号の周期を変更する前のタイミングチャートである。 露光フレーム期間を読み出しフレーム期間よりも長くした場合のタイミングチャートである。 露光フレーム期間を照明光の発光時間に合わせて調節した場合のタイミングチャートである。 光学素子を断続的に移動させながら照明部から照明光を連続して照射し、連続して複数枚の画像を撮像する場合に、光学素子の位置に応じて撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させた場合のタイミングチャートである。 照明光を照射ユニットから事前照射するときのタイミングチャートである。

符号の説明

１０１ 光学素子
１０４ 撮像素子
１０７ 撮影光学系
１１０ 画像処理部
１２６，１２８ 記憶部
１２７ 照明部
ｔ０〜ｔ３ 露光共通時間
Ｖ０ 読み出しフレーム期間
Ｖ１〜Ｖ３ 露光フレーム期間
Ｘ０〜Ｘ３ 発光時間

Claims (6)

1. 光を照射する照明部と、被写体像を結像する撮影光学系と、２次元配列した各画素信号によって前記撮影光学系で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力する撮像素子と、前記撮像素子の出力を所定の形式に変換する画像処理部と、前記画像処理部で処理された信号を記憶する記憶部を有する撮像装置において、
   前記撮像素子の各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する露光手段を有し、
   前記撮影光学系の一部の光学素子を断続的に移動させ、かつ、前記照明部から照明光を連続して照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像する場合に、前記光学素子の位置に応じて前記撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記撮像素子の読み出しフレーム期間を変化させるとは、前記撮像素子の全行の露光共通時間を変化するべく露光フレーム期間を読み出しフレーム期間よりも長くすることであることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または２記載の撮像装置において、
   前記撮影光学系の一部の光学素子を断続的に移動させ、かつ、前記照明部から照明光を連続して照射しながら、連続して複数枚の画像を撮像する場合、遠側のフォーカス位置での撮影ほど前記露光フレーム期間を長くし、かつ前記照明部からの照明光の発光量を高めることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１、２または３記載の撮像装置において、
   前記照明部から照明光を照射して撮影をするときには、前記撮像素子の全行の露光共通時間を合わせるべく、前記露光フレーム期間を照明光の発光時間に合わせて調節することを特徴とする撮像装置。
5. 光を照射する照明部と、被写体像を結像する撮影光学系と、２次元配列した各画素信号によって前記撮影光学系で結像された被写体像を電気信号に変換し、当該電気信号をＸＹアドレス方式で出力する撮像素子と、前記撮像素子の出力を所定の形式に変換する画像処理部と、前記画像処理部で処理された信号を記憶する記憶部を有する撮像装置において、
   前記撮像素子の各行単位でのリセットにより露光を開始し、画素信号の読出しにより露光を終了する露光手段を有し、
   前記照明部から照明光を照射して撮影をするときには、前記撮像素子の全行の露光共通時間を長くするべく露光フレーム期間を読み出しフレーム期間よりも長くすることを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１記載の撮像装置において、
   静止画撮影前の調光用途で前記照明部から照明光を事前照射するときには、調光用フレーム期間を通常撮影フレーム期間と同一とし、前記撮像素子の記録画像座標で中央に相当するラインの露光期間に照射することを特徴とする撮像装置。

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