JP2009177669A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】露光時間の調整と利得の調整を用いた露出制御に、絞りの調整を追加した露出制御の性能を確保し、絞り制御を用いることで、被写体が明るい場合に被写界深度を深くして、画像ボケの少ない撮像装置を提供する。
【解決手段】被写体からの光量を制御する絞り手段（１）と、撮像素子（３）の出力を増幅する利得可変の増幅手段（４）と、撮像素子（３）の出力に基づき露光量を求める露光量検出手段（７）と、露光量検出手段（７）で検出された露光量を用いて、増幅手段（４）の利得と、撮像素子（３）の露光時間を制御する露出制御手段（６）と、露光量と、露光時間と、利得をもとに、絞り手段（１）の絞り量を制御する絞り制御手段（８）とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電子スチルカメラ（デジタルカメラ）などの撮像装置に関し、特に固体撮像素子を用いた撮像装置の露出制御と被写界深度の改善に関するものである。

デジタルカメラには、本撮影の前に、画像を取り込み、この取り込まれた画像の輝度レベルに対応した出力信号のレベルが目標値に一致するように露出条件が定められる。露出条件は、一般に、絞り、シャッター速度（電荷蓄積時間）、利得を調整することで変更される。

また、従来の撮像装置として、絞り及び電荷蓄積時間を共通の撮像制御手段で制御するものが知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−３５４１９５号公報（第５−６頁、第１図）

しかしながら、近年発展してきた、ＳＯＣ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ Ｃｈｉｐ）型のＣＭＯＳセンサでは、一つの集積回路チップ内に、センサのほか、利得、電荷蓄積時間による露出制御を行うための手段が実装されており、絞り制御の外部インターフェースが設けられていないため、利得、電荷蓄積時間の制御と、絞りの制御を同時に（合わせて）行うことができない。

また、絞り制御を行うときは、新たに外付けで機能を追加する必要があり、ＣＭＯＳセンサ内の露出制御と、絞り制御を協調して行うことが難しかった。

さらに、低照度時に高感度を実現するために、Ｆ値の小さい、明るいレンズを用いると、被写界深度が浅くなり、高画素センサの高解像度の性能を活用することができず、近距離に被写体を配置して撮影を行う場合、合焦範囲が狭く画像がぼけやすい問題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、電荷蓄積時間（シャッター速度）の調整と利得の調整を用いた露出制御に、絞りの調整を追加した露出制御の性能を確保することを目的としている。

また、絞り制御を用いることで、被写体が明るい場合に被写界深度を深くして、画像ボケの少ない撮像装置を提供することを目的としている。

本発明の撮像装置は、
被写体からの光量を制御する絞り手段と、
前記絞り手段にて光量制御された光信号を光電変換する機能を有する撮像素子と、
前記撮像素子の出力を増幅する利得可変の増幅手段と、
前記撮像素子の出力に比例した信号をあらかじめ決められた測光枠ごとに積算し、露光量を求める露光量検出手段と、
前記露光量検出手段で検出された露光量を用いて、前記増幅手段の利得を制御する露出制御手段と、
前記露光量と、前記利得をもとに、前記絞り手段の絞り量を制御する絞り制御手段と
を有することを特徴とする。

本発明によれば、利得の調整と露光時間の調整を用いた露出制御手段を備えた撮像装置に、絞りの調整を追加したことで、それによる弊害を発生させること無く、露出性能を向上させることができる。

また、絞りを制御することで、被写体が暗い場合には、Ｆ値を小さくして、感度を向上させることができ、一方、被写体が明るい場合には、Ｆ値を大きくして、被写界深度を深くすることができ、被写界深度を深くすることができ、画像ボケを少なくすることができる。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の撮像装置を示すブロック図である。図示の撮像装置は、絞り１と、レンズ２と、撮像手段９と、絞り制御手段８とを備えている。
撮像手段９は、例えば、一つの集積回路チップで構成され、撮像素子３と、増幅手段４と、Ａ／Ｄ変換手段５と、露出制御手段６と、露光量検出手段７とを備えている。

絞り１は、絞り制御手段８の絞り制御信号に応じて、その絞り値Ｆを制御する。絞り値Ｆは大きいほど、絞りの開放度合いが小さくなる。絞り値Ｆを制御することで、レンズ２を通して撮像素子３に結像させる被写体からの光量を調整し、これにより像の明るさの制御を行うことができる。

また、絞り値Ｆを制御することで、被写界深度も制御することができる。絞り値Ｆを最小にする（最大開放状態にする）と、像が明るくなるが被写界深度が最も浅くなり、絞り値Ｆを最大にする（開放度合いを最小にする）と、被写界深度が最も深くなる一方、像が最も暗くなる。

レンズ２は、被写体からの光を撮像素子３へ結像するものであり、フォーカスを調整するための焦点調整機能を備えている。また、ズーム機能を備えたものを用いることもできる。

撮像素子３は例えばＣＣＤセンサまたはＣＭＯＳセンサなど、エリア型の固体撮像素子で構成される。レンズ２を通して集光した光を、画素を構成するフォトダイオードで光電変換し、電圧値の形の撮像出力を取り出す。また、撮像素子３は、露出制御手段６による指示に応じて、フォトダイオード内の電荷蓄積時間を制御する。この電荷蓄積時間を、「露光時間」と言うこともあり、「電子シャッター速度」で表すこともある。シャッター速度は電荷蓄積時間或いは露光時間の逆数に比例し、電荷蓄積時間或いは露光時間の増大は、シャッター速度の低下と同じことを意味する。

増幅手段４は、撮像素子３からのアナログの撮像信号を増幅するもので、その利得（増幅率）が可変である。露出制御手段６からの利得制御信号で、増幅手段４内の利得を調整する。

Ａ／Ｄ変換手段５は、増幅手段４からのアナログの撮像信号をデジタル変換する。Ａ／Ｄ変換手段５からのデジタル撮像信号ＹＬは、撮像手段９から出力信号として取り出される。

Ａ／Ｄ変換手段５のデジタル撮像信号ＹＬはまた、露光量検出手段７に送られ、画像の輝度レベルに対応した信号レベルが測定される。
この信号レベルとしては、画面全体のすべての画素の信号の値の平均値を求めも良く、所定の測定枠ごとの信号レベル（例えば測定枠毎の平均値）を求め、当該測定枠毎の信号レベルの加重平均を求めても良く、予め選択された測定枠のみの信号レベルを用いても良い。また、各測定枠毎に信号値のヒストグラムを作成し、信号値の分布に基づいて選択乃至抽出された測定枠の信号レベルに基づいて、画面全体の信号レベルを求めることとして良い。以下では、測定枠毎の信号レベルを求める場合について説明する。このような信号レベルは、露光量乃至露出量に対応するものであるので、上記のような信号レベルの検出を、「露光量の検出」或いは「露出量の検出」とも言う。

測定枠毎の露光量を求めて、これに基づいて画面全体の露光量を求める場合には、露光量検出手段７は、Ａ／Ｄ変換手段５から出力されるデジタル撮像信号ＹＬ（各画素についての輝度に対応した値を有する）を、測定枠毎に積算し、積算値を当該積算の対象となった画素の数で割ることで、当該測定枠における露光量を求める。

測光枠は、例えば、システムの自動露出制御を行うために設計段階で予め決められるもので、撮像素子３の撮像面が水平方向６４０画素、垂直方向４８０の大きさを持つ場合に、水平方向２０画素、垂直方向２０画素からなる矩形の領域が各枠と定められる。この場合、撮像素子３の撮像面が水平方向３２個、垂直方向２４個の枠に分けられる。

露光量検出手段７は、このようにして求めた各フレームにおける露光量を出力しても良く、各フレームの露光量の、過去の所定数フレームに亘る平均（単純移動平均又は加重移動平均）を露光量として出力しても良い。
露出制御手段６は、露光量検出手段７で求めた露光量ＥＸが、所定の目標値ＴＧ、例えば平均輝度レベルＡＰＬ（Ａｖｅｒａｇｅ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｌｅｖｅｌ）に収束するように利得Ｇ、シャッター速度ＳＳ、絞りＦを制御する。

図２を参照して、一般的な露出制御方法（従来の方法）を示す。横軸は、被写体の明るさＬ、縦軸は利得Ｇ（実線）と、シャッター速度ＳＳ（鎖線）と、絞りＦ（破線）を示す。

明るさＬが後述の第２の所定値（明るさの範囲の最大値に近い値）Ｌａ２以下では、絞りＦは最小値Ｆｍｉｎ（最大開放状態）に維持される。
明るさＬが（通常撮像が行われる範囲の）最小値Ｌａ０であるときは、シャッター速度ＳＳを最小値（許容される範囲内の最小値、例えば、フレームレートと同一の速度）ＳＳｍｉｎにし、利得Ｇを最大値Ｇｍａｘとする。言い換えると、絞りＦを最小値、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎとし、利得Ｇを最大値Ｇｍａｘとしたとき、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが最小値Ｌａ０である。

明るさＬが最小値Ｌａ０より大きく第１の所定値（通常撮像が行われる範囲の中央部分に位置するレベル）Ｌａ１以下の範囲では、シャッター速度ＳＳを最大値ＳＳｍｉｎに固定し、利得Ｇを明るさＬとともに次第に下げることで、露光量ＥＸを調整する。
明るさＬが第１の所定値Ｌａ１においては、利得Ｇは最小値Ｇｍｉｎとなる。言い換えれば、絞りＦを最小値Ｆｍｉｎにし、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎにし、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎとしたときに、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが第１の所定値Ｌａ１である。

なお、利得Ｇの最小値Ｇｍｉｎは、撮像素子３の飽和信号レベルから定まるものである。即ち、強い照明下で、画素ごとの出力値がバラつく、飽和むらを防ぐために、撮像素子３の入射光量に対するアナログの撮像信号の出力値が、ニー領域になる手前の線形領域になるように設定される。

明るさＬが第１の所定値Ｌａ１より大きく、第２の所定値（通常撮像が行われる範囲の最大値に近い値）Ｌａ２以下の領域では、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎに固定し、シャッター速度ＳＳを明るさＬとともに次第に高くするにより露光量ＥＸを調整する。
明るさＬが第２の所定値Ｌａ２であるときは、シャッター速度ＳＳは最大値ＳＳｍａｘとなる。言い換えれば、絞りＦを最小値Ｆｍｉｎにし、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎにし、シャッター速度ＳＳを最大値ＳＳｍａｘにしたときに、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが第２の所定値Ｌａ２である。

明るさＬが第２の所定値Ｌａ２より大きい領域では、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎに固定し、シャッター速度ＳＳを最大値ＳＳｍａｘに固定し、絞りＦを明るさＬとともに大きくする（開放値を下げる）ことで、露光量ＥＸを調整する。

上記の方法では、第２の所定値Ｌａ２以下の領域では、絞りＦが最小値Ｆｍｉｎ（開放状態）を維持しているため、被写界深度の浅い状態での撮像となり、望ましくない場合がある。本発明は、この問題を解決することを目的とする。

絞り制御手段８は、露出制御手段６から、利得Ｇの設定値を表す情報と、シャッター速度ＳＳの設定値を表す情報を受け、露光量検出手段７から露光量ＥＸを受ける。

以下、図３を参照して、本実施の形態による露出制御を説明する。図３において、図２と同一の符号は同一又は対応する値を示す。図３において、横軸は、被写体の明るさＬ、縦軸は利得Ｇ（実線）と、シャッター速度ＳＳ（鎖線）と、絞りＦ（破線）を示す。

明るさＬが（通常撮像が行われる範囲の）最小値Ｌａ０以下の範囲では、絞りＦを最小値Ｆｍｉｎ（最大開放状態）にし、シャッター速度ＳＳを最小値（許容される範囲内の最小値、例えば、フレームレートと同一の速度）ＳＳｍｉｎにし、利得Ｇを最大値Ｇｍａｘとする。言い換えると、絞りＦを最小値、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎとし、利得Ｇを最大値Ｇｍａｘとしたとき、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが最小値Ｌａ０である。

明るさＬが最小値Ｌａ０より大きく第１の所定値（通常撮像が行われる範囲の中央部分に位置するレベル）Ｌａ１以下の範囲では、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎに固定し、明るさＬが大きくなるにつれて、利得Ｇを次第に下げるとともに、絞りＦを緩やかに大きくすることで、露光量ＥＸを調整する。

明るさＬが第１の所定値Ｌａ１においては、利得Ｇは最小値Ｇｍｉｎとなり、絞りＦは最小値Ｆｍｉｎより若干大きい値Ｆｍ１となる。言い換えれば、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎにし、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎとし、絞りＦを値Ｆｍ１としたときに、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが第１の所定値Ｌａ１である。図３における第１の所定値Ｌａ１は、図２における第１の所定値Ｌａ１よりいくらか大きい。

明るさＬが第１の所定値Ｌａ１より大きく、第２の所定値（通常撮像が行われる範囲の最大値に近い値）Ｌａ２以下の領域では、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎに固定し、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎに固定し、明るさＬとともに、絞りＦを次第に大きくすることで、露光量ＥＸを調整する。

明るさＬが第２の所定値Ｌａ２であるときは、絞りＦは最大値Ｆｍａｘ（完全に閉じた状態ではなく、絞り制御で調整可能な範囲内の最小開放状態）となる。言い換えれば、シャッター速度ＳＳを最小値ＳＳｍｉｎにし、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎにし、絞りＦを最大値Ｆｍａｘにしたときに、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが第２の所定値Ｌａ２である。図３の第２の所定値Ｌａ２は、図２の第２の所定値Ｌａ２と同じとは限らない。

明るさＬが第２の所定値Ｌａ２より大きく第３の所定値Ｌａ３（通常撮像が行われる範囲の最大値に、第２の所定値Ｌａ２よりも近い値）以下の範囲では、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎに固定し、絞りＦを最大値Ｆｍａｘに固定し、明るさＬとともにシャッター速度ＳＳを高くする。

明るさＬが第３の所定値Ｌａ３であるときは、利得Ｇが最小値Ｇｍｉｎ、絞りＦが最大値Ｆｍａｘ、シャッター速度ＳＳが最大値ＳＳｍａｘである。言い換えれば、利得Ｇを最小値Ｇｍｉｎにし、絞りＦを最大値Ｆｍａｘにし、シャッター速度ＳＳを最大値ＳＳｍａｘにしたときに、露光量ＥＸが目標値ＴＧに一致する明るさＬが第３の所定値Ｌａ３である。

明るさＬが第３の所定値Ｌａ３より大きい領域では、利得Ｇを最大値Ｇｍｉｎに固定し、絞りＦを最大値Ｆｍａｘに固定し、シャッター速度ＳＳを最大値ＳＳｍａｘに固定する。

明るさＬに応じて、利得Ｇ、シャッター速度ＳＳ、絞りＦを、図３に示すように調整するための制御は、具体的には、第１の露光量ＥＸと、目標値ＴＧとの比較結果に応じて、利得Ｇ、シャッター速度ＳＳ、絞りＦを所定値またはその整数倍ずつ（ステップ状に）変化させることにより行われる。この変更は、１フレーム毎に行われる。変化のための１ステップの幅は予め定められている。

この場合、明るさＬのどの範囲にあるかに応じて、１ステップの変化の幅を変えるようにしても良く、また、露光量ＥＸと目標値ＴＧとの差の大きさに応じて、変化の幅を変えるようにしても良い。

以下、露光量ＥＸと目標値ＴＧとの差に応じて、利得Ｇ、シャッター速度ＳＳ、絞りＦを調整することにより行われる露出制御の手順を、図４のフローチャートを参照して説明する。

図４のうちのステップＳ１、Ｓ２の処理は、１フレーム期間に１回、新たな露光量を算出し、次のフレーム期間で、処理Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０が行われ、さらに次のフレーム期間で、ステップＳ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１７、Ｓ１９、又はＳ２１が行われる。

ステップＳ１では、露光量検出手段７で露光量ＥＸを検出し、この場合、過去数フレーム分の平均（単純平均又は加重平均）と取ることで、露光量ＥＸとして出力することとしても良い。

ステップＳ２では、露光量ＥＸ、利得Ｇ、シャッター速度ＳＳ、絞りＦから、明るさＬを、例えば下記の式（１）で求める。
Ｌ＝Ｋ×ＥＸ×ＳＳ×（１／Ｇ）×Ｆ^２ …（１）
ここで、Ｋは定数である。

ステップＳ３以降は、露出制御手段６の露光量ＥＸと目標値ＴＧとの比較及び比較結果に基づく、制御値の変更の処理を示している。
ステップＳ３は、露光量ＥＸが目標値ＴＧに比べて大きいかどうかを判定し、ステップＳ１３は、露光量ＥＸが目標値ＴＧに比べて小さいかどうかを判定する。

ステップＳ３で、露光量ＥＸが目標値ＴＧに比べて大きいと判定されたとき（Ｓ３でＹＥＳ）は、以下に詳しく述べるように、ステップＳ４乃至Ｓ１１の処理を行う。ステップＳ４乃至Ｓ１１では、露光量ＥＸを小さくするように制御を行う。つまり、利得Ｇの減少、シャッター速度ＳＳの増加、又は絞り値Ｆの増加のいずれかあるいはこれらの組み合わせを行う。

ステップＳ１３で、露光量ＥＸが目標値ＴＧに比べて小さいと判定されたとき（Ｓ１３でＹＥＳ）は、以下に詳しく述べるように、ステップＳ１４乃至Ｓ２１の処理を行う。ステップＳ１４乃至Ｓ２１では、露光量ＥＸを大きくするように制御を行う。つまり、利得Ｇの増加、シャッター速度ＳＳの減少、又は絞り値Ｆの減少のいずれかあるいはこれらの組み合わせを行う。

露光量ＥＸが目標値ＴＧに等しい場合（ステップＳ３でＮＯ、かつステップ１３でＮＯ）、現在の制御値を維持する。即ち、制御値の変更を行わず、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ４、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０では、ステップＳ２で求めた明るさＬがどの範囲にあるかの判定を行う。
Ｌ≦Ｌａ０であれば、ステップＳ４、Ｓ１４でＹＥＳとなる。
Ｌａ０＜Ｌ≦Ｌａ１であれば、ステップＳ６、１６でＹＥＳとなる。
Ｌａ１＜Ｌ≦Ｌａ２であれば、ステップＳ８、Ｓ１８でＹＥＳとなる。
Ｌａ２＜Ｌ≦Ｌａ３であれば、ステップＳ１０、Ｓ２０でＹＥＳとなる。

ステップＳ４、ステップＳ１４でＹＥＳの場合、即ち、露光量ＥＸが目標値ＴＧより大きく、明るさＬが最小値Ｌａ０以下の場合には、利得Ｇが最大値Ｇｍａｘ、シャッター速度ＳＳが最小値ＳＳｍｉｎ、絞りＦは最小値Ｆｍｉｎ（開放状態）となっており、その状態が維持される。即ち、露出制御値を変更することなく、ステップＳ１に戻る。

ステップＳ７、Ｓ１７の処理は、Ｌａ０＜Ｌ≦Ｌａ１のときに行われる。
この明るさの領域では、シャッター速度ＳＳは固定され、利得Ｇと絞りＦが明るさＬに応じて変更される。
ステップＳ７の処理は、露光量ＥＸが目標値ＴＧより大きい場合に行なわれる。この場合、絞りＦを現在の値から、所定幅ΔＦ１だけ増加させる（より閉じた状態にする）。同時に、利得Ｇを現在の値から、所定幅ΔＧ１だけ小さくする。

この場合、利得Ｇに対する帰還率をより大きくする。
すなわち、絞りＦ、露光時間Ｓを固定として、露光量ＥＸを所定の変化幅（１単位量）ＥＸｕだけ変化させるための利得Ｇの変化をＧｕ、利得Ｇ、露光時間Ｓを固定として、露光量ＥＸを上記の１単位量ＥＸｕだけ変化させるための絞りＦの変化をＦｕとしたとき、
ΔＧ１／Ｇｕ＞ΔＦ１／Ｆｕとなるように、ΔＧ１、ΔＦ１を定める。
これにより、利得制御の応答速度を速くすることができる。即ち、実効的に、利得制御の時定数を、絞り制御の時定数よりも短くすることができる。

ステップＳ１７の処理は、露光量ＥＸが目標値ＴＧより小さい場合に行なわれる。この場合、絞りＦを現在の値から、所定幅ΔＦ１だけ小さくする（より開いた状態にする）。同時に、利得Ｇを現在の値から、所定幅ΔＧ１だけ大きくする。

ステップＳ９、ステップＳ１９の処理は、Ｌａ１＜Ｌ≦Ｌａ２のときに行われる。
この明るさの領域では、シャッター速度ＳＳは最小値ＳＳｍｉｎに固定され、利得Ｇも最小値Ｇｍｉｎに固定され、絞りＦが明るさＬに応じて変更される。

ステップＳ９の処理は、露光量ＥＸが目標値ＴＧより大きい場合に行なわれる。この場合、絞りＦを現在の値から、所定幅ΔＦ２だけ増加させる（より閉じた状態にする）。所定幅ΔＦ２は所定幅ΔＦ１よりも大きな値に定められる。

この場合にも、利得Ｇに対する帰還率をより大きくする。
すなわち、絞りＦ、露光時間Ｓを固定として、露光量ＥＸを所定の変化幅（１単位量）ＥＸｕだけ変化させるための利得Ｇの変化をＧｕ、利得Ｇ、露光時間Ｓを固定として、露光量ＥＸを上記の１単位量ＥＸｕだけ変化させるための絞りＦの変化をＦｕとしたとき、
ΔＧ２／Ｇｕ＞ΔＦ２／Ｆｕとなるように、ΔＧ２、ΔＦ２を定める。
これにより、利得制御の応答速度を速くすることができる。即ち、実効的に、利得制御の時定数を、絞り制御の時定数よりも短くすることができる。

ステップＳ１９の処理は、露光量ＥＸが目標値ＴＧより小さい場合に行なわれる。この場合、絞りＦを現在の値から、所定幅ΔＦ２だけ減少させる（より開いた状態にする）。

この明るさの領域では、利得Ｇが最小値Ｇｍｉｎであり、ノイズが少ない画像が得られる。
この明るさの領域では、被写体のコントラスト（明暗の差）が大きく（画像がくっきりとしており）、レンズの性能によっては、画像のボケが顕著に目立つことがあるが、絞りを大きくする（開放度合いを小さくする）ことにより、被写界深度を深くすることができ、画像のボケをなくすことが出来る。また、絞りＦの制御による露出制御が行われ、利得Ｇが固定されているのでＳ／Ｎが一定に保たれ、ノイズの少ない画像が得られる。

ステップＳ１１、Ｓ２１の処理は、Ｌａ２＜Ｌ≦Ｌａ３のときに行われる。
この明るさの領域では、利得Ｇは最小値Ｇｍｉｎに固定され、絞りＦは最大値Ｆｍａｘに固定され、シャッター速度ＳＳが明るさＬに応じて変更される。
ステップＳ１１の処理は、露光量ＥＸが目標値ＴＧより大きい場合に行なわれる。この場合、シャッター速度ＳＳを所定幅ΔＳＳ３だけ大きくする。
ステップＳ２１の処理は、露光量ＥＸが目標値ＴＧより小さい場合に行なわれる。この場合、シャッター速度ＳＳを所定幅ΔＳＳ３だけ小さくする）。

ステップＳ１０、Ｓ２０でＮＯの場合、即ち、Ｌａ３＜Ｌの場合には、利得Ｇは最小値Ｇｍｉｎに固定され、シャッター速度ＳＳも最大値ＳＳｍａｘに固定され、絞りＦも最大値に固定されたままである。即ち、露出制御値を変更することなく、ステップＳ１に戻る。
以上の説明した処理により、実施の形態１の露出を制御できる撮像装置が実現できる。

上記のうち、ステップＳ１の処理は、露光量検出手段７で行われ、ステップＳ２の処理は、露出制御手段６で行われる。
ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０の処理は、露出制御手段６及び絞り制御手段８の双方で平行して行われる。
ステップＳ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２１の処理のうち、シャッター速度ＳＳと利得Ｇの制御は、露出制御手段６で行われ、絞りＦの制御は絞り制御手段８で行われる。
露光量検出手段７で検出された露光量ＥＸを表すデータ、露出制御手段６で生成された、シャッター速度ＳＳ、利得Ｇを表すデータは、並びに明るさＬを表すデータは、例えば撮像手段９の、シリアルデータを入出力するための既存の端子を介して絞り制御手段８に伝えられ、絞り制御手段８では、これらの情報を元に絞りＦを制御する。

露光制御手段６と、絞り制御手段８に露光量検出手段７からの露光量ＥＸを用いることで、シャッター速度の制御及び利得の制御に非同期の絞り制御を実施でき、露出を制御できる。
また、絞り制御を併用することで、被写界深度を深くすることで、画像のボケの少ない撮像装置を実現することができる。
さらに、既存のＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）やＣＰＵなど、必要最小限の部品追加を行うことで、絞り制御を実現することができ、低コストでシステムを構成することができる。

上記の実施の形態では、露出制御手段６及び絞り制御手段８で、露光量検出手段７から供給された露光量ＥＸを用いて制御を行うこととしているが、露出制御手段６と絞り制御手段８に、露光量ＥＸとして異なる情報を供給するようにしても良い。例えば第１の情報（第１の露光量）ＥＸａを、露出制御手段６に供給し、第２の情報（第２の露光量）ＥＸｂを絞り制御手段８に供給する。

この場合、第１の露光量ＥＸａと、第２の露光量ＥＸｂとで、これらを算出するための検出時間を異ならせても良い。例えば、第１の露光量を表す情報ＥＸａを得るための検出時間に比べて、第２の露光量ＥＸｂを得るための検出時間を長く設定する。例えば、第１の露光量ＥＸａとしては、１フレーム毎の値を用い、第２の露光量ＥＸｂとしては、複数のフレームに亘る平均値を用いることとしても良い。代わりに、第１の露光量ＥＸａとして、ｐフレームに亘る平均値を用い、第２の露光量ＥＸｂとしてｑフレーム（ｑ＞ｐ）フレームに亘る平均値を用いることとしても良い。露出制御手段６は、第１の露光量ＥＸａが目標値ＴＧに一致するように利得Ｇ及びシャッター速度ＳＳを制御し、絞り制御手段８は、第２の露光量ＥＸｂが目標値ＴＧ（露出制御手段６で用いるのと同じ目標値ＴＧ）に一致するように絞りを制御する。

これにより、絞り制御の応答速度を遅くすることができ、実効的に、絞り制御の時定数を、利得や露光時間の制御の時定数よりも長くすることができ、絞りＦでゆっくりと露出をあわせ、利得Ｇ及びシャッター速度ＳＳで絞りＦより早く（短い遅れ時間で）露出をあわせるようにすることができる。

なお、上記の例では、制御値の変化幅ΔＦ１、ΔＧ１、ΔＦ２、ΔＳＳ３などを一定としたが、求められた明るさＬに対応する制御値（目標値）と、現在の制御値（現在値）との差に比例した値としても良い。また、制御値の変化幅の、現在の制御値に対する比が一定となるようにしても良い。

実施の形態２．
上記の実施の形態では、Ｌ＞Ｌａ２のときの処理、即ちステップＳ１１、Ｓ２１において、シャッター速度ＳＳを変更しているが、シャッター速度ＳＳを固定したままとし、利得Ｇ、絞りＦの変更のみで、露出を制御する構成としても良い。この場合の特性を図５に示す。明るさＬａ２以上では、絞りＦを変更することで、露出を制御している点と、シャッター速度ＳＳを変更しない点が異なる。
なおまた、絞りＦが完全に閉じる仕様においても、露出制御を実現することができる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３の露出制御の特性を示す図である。実施の形態１の明るさの閾値Ｌａ０に対応する閾値Ｌｂ０と、閾値Ｌａ１に対応する閾値Ｌｂ１の間に閾値Ｌｂ４及びＬｂ４１を設け、明るさの閾値Ｌｂ１と閾値Ｌａ２の間に閾値Ｌｂ１５を設け、シャッター速度ＳＳは、Ｌｂ４以下の範囲では、第１の値ＳＳａ（例えば最小値ＳＳｍｉｎに等しい）に固定され、Ｌｂ４でステップ状に増加され、Ｌｂ４からＬｂ４１までの範囲では、第２の値ＳＳｂ（第１の値ＳＳａより大きい）に固定され、Ｌｂ１でステップ状に増加され、Ｌｂ１からＬａ２までの範囲では、第３の値ＳＳｃ（第２の値ＳＳｂより大きい）に固定され、Ｌａ２からＬａ３までの範囲では、明るさＬとともに大きくされ、Ｌａ３より大きい範囲では第４の値ＳＳｄ（例えば最大値ＳＳｍａｘに等しい）に固定される。

一方、絞りＦは、Ｌｂ０以下では、第１の値Ｆａ（例えば最小値Ｆｍｉｎに等しい）であり、Ｌｂ０からＬｂ０４までの範囲では、明るさＬに対して第１の傾斜角（勾配）で、第１の値Ｆａから第２の値Ｆｂまで増加し、Ｌｂ０４からＬｂ４までの範囲では、明るさＬに対して第２の傾斜角（勾配）（第１の傾斜角より大きい）で、第２の値Ｆｂから第３の値Ｆｃまで増加し、Ｌｂ４からＬｂ４１までの範囲では、明るさＬに対して第３の傾斜角（勾配）（第１の傾斜角と略等しい）で第３の値Ｆｃから第４の値Ｆｄまで増加し、Ｌｂ４１からＬｂ１までの範囲では、明るさＬに対して第４の傾斜角（勾配）（第２の傾斜角に略等しい）で第４の値Ｆｄから第５の値Ｆｅまで増加し、Ｌｂ１からＬｂ１５までの範囲では、明るさＬに対して第５の傾斜角（勾配）（第１の傾斜角と略等しい）で第５の値Ｆｅから第６の値Ｆｆまで増加し、Ｌｂ１５からＬａ２までの範囲では、明るさＬに対して第６の傾斜角（勾配）（第１の傾斜角より大きく、第２の傾斜角より小さい）で第６の値Ｆｆから第７の値Ｆｇ（例えば最大値Ｆｍａｘに等しい）まで増加し、Ｌａ２より大きい範囲では、第７の値Ｆｇに固定される。

一方利得Ｇは、Ｌｂ０までの範囲では、第１の値Ｇａ（例えば最大値Ｇｍａｘに等しい）に維持され、Ｌｂ０からＬｂ０４までの範囲では、Ｌの増加とともに、第１の値Ｇａから第２の値Ｇｂまで次第に小さくされ、Ｌｂ０４からＬｂ４までは第２の値Ｇｂに維持され、Ｌｂ４でステップ状に第２の値Ｇｂから第３の値Ｇｃまで大きくされ、Ｌｂ４からＬｂ４１までは、Ｌの増加とともに第３の値Ｇｃから第４の値Ｇｄまで次第に小さくされ、Ｌｂ４１からＬｂ１までは第４の値Ｇｄに維持され、Ｌｂ１でステップ状に第４の値Ｇｄから第５の値Ｇｅまで大きくされ、Ｌｂ１からＬｂ１５までは、Ｌの増加とともに第５の値Ｇｅから第６の値Ｇｆまで次第に小さくされ、Ｌｂ１５以上では、第６の値Ｇｆに保たれる。
第２，第４、第６の値Ｇｂ、Ｇｄ、Ｇｆは例えば、最小値Ｇｍｉｎに等しい。

以上のように、実施の形態３は、明るさＬｂ４、Ｌａ１、Ｌｂ５でシャッター速度を段階的に変更する点を除いては、実施の形態１と同じ動作を行い、同一の効果を有する。

シャッター速度を段階的に変化するように制御できることで、絞りの制御を緩やかに変化させることができる。また、シャッター速度の制御を段階的に行うことで、被写界深度を徐々に深くすることができるため、被写界深度の急激な変化を防ぐことができる。

実施の形態４．
図７は、実施の形態４の露出制御のブロック図を示すものである。絞り制御に用いる積算手段が、撮像手段９から得るのではなく、Ａ／Ｄ変換手段の出力をＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）などの外部に設けたＩＣで、測光枠ごとに積算を行い露光量ＥＸｂを求める、付加的な露光量検出手段（第２の露光量検出手段）１０を設けている点が異なる。図７においては、露光量検出手段７から出力される露光量は区別のため、符号ＥＸａで表されている。

外部に設けることで、撮像手段９内の露光量検出手段７から出力される露光量の情報ＥＸａを、絞り制御手段８で用いることができない場合においても、絞り、利得、シャッター速度の制御するシステムを構築することができる。

実施の形態１について記載した変形例の説明は、実施の形態２、実施の形態３、実施の形態４にも当てはまる。

本発明の実施の形態１の露出制御の構成を示すブロック図である。 従来の露出制御の特性の一例を示す図である。 実施の形態１の露出制御の特性の一例である。 実施の形態１の露出制御のフローチャートである。 本発明の実施の形態２の露出制御の特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３の露出制御の特性の一例である。 本発明の実施の形態４の露出制御の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 絞り、 ２ レンズ、 ３ 撮像手段、 ４ 増幅手段、 ５ Ａ／Ｄ変換手段、 ６ 露出制御手段、 ７ 露光量検出手段、 ８ 絞り制御手段、 ９ 撮像手段、 １０ 第二の露光量検出手段。

Claims (6)

1. 絞り量を変えることで被写体からの光量を制御する絞り手段と、
   前記絞り手段にて光量制御された光信号を光電変換する機能を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の出力を増幅する利得可変の増幅手段と、
   前記撮像素子の出力に比例した信号をあらかじめ決められた測光枠ごとに積算し、露光量を求める露光量検出手段と、
   前記露光量検出手段で検出された露光量を用いて、前記増幅手段の利得を制御する露出制御手段と、
   前記露光量と、前記利得をもとに、前記絞り手段の絞り量を制御する絞り制御手段と
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記撮像素子は、光電変換した信号の露光時間を制御する電子シャッター機能をさらに有し、
   前記露出制御手段は、前記露光量検出手段で検出された露光量を用いて、前記撮像素子の露光時間をも制御し、
   前記絞り制御手段は、前記露光量と、前記露光時間と、前記利得をもとに、前記絞り手段の絞り量を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記絞り制御手段による絞りの制御におけるフィードバック時定数を、
   前記増幅手段による利得の制御におけるフィードバック時定数よりも長く設定したことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記絞り制御手段による絞りの制御におけるフィードバック時定数を、
   前記増幅手段による利得の制御におけるフィードバック時定数及び前記撮像素子による露光時間の制御におけるフィードバック時定数よりも長く設定したことを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子の露光時間を固定とし、前記利得と、前記絞り量を、前記露光量に応じて制御することを特徴とする請求項１又は３に記載の撮像装置。
6. 前記撮像素子の露光時間を、明るさの増加に対して、ステップ状に変化させることを特徴とする請求項２又は４に記載の撮像装置。

Images