JP2012113248A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機構の複雑化を招くことなく、１回のプリ発光で、本発光時の発光光量を適切に決定できるようにする。
【解決手段】撮影光学系により結像された被写体像を電気信号に変換するための撮像素子であって、所定の感度を有する通常感度画素と、通常感度画素よりも低い感度を有する低感度画素とを備える撮像素子と、ストロボ補助光装置を用いて被写体を照明し、撮影を行う場合に、本撮影の前にプリ発光させ、被写体からの反射光を撮像素子で電気信号に変換した結果に基づいて本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御する制御部とを備え、制御部は、プリ発光させた場合に、通常感度画素の信号のレベルが所定のレベル以下の場合には、通常感度画素の信号に基づいて本撮影における発光量を制御し、通常感度画素の信号のレベルが所定のレベルを超えた場合には、低感度画素の信号に基づいて本撮影における発光量を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、閃光補助光を用いて撮影を行う撮像装置に関する。

従来の撮像装置において、閃光補助光を用いて被写体像を撮影する際には、撮影時の閃光発光量を決定するために撮影前に所謂プリ発光を行い、プリ発光時の被写体からの反射光を測光して撮影時の発光量を決定するシステムが多用されている。

特許文献１に記載の電子スチルカメラでは、プリ発光時の被写体からの反射光を撮像素子とは別の測光素子で測光し、その値を用いて適切な発光量を決定している。また、特許文献２に記載の撮像装置では撮影レンズを透過したプリ発光時の被写体からの反射光を撮像素子で受光し、撮像素子の出力を用いて適切な発光量を決定している。また、プリ発光時に被写体が近距離にあって撮像素子の出力が所定の値を超える場合は撮影レンズの絞りを絞って再度プリ発光を行い、適切な撮像素子の出力から発光量を決定している。

特開２００３−８７６５２号公報 特開２００１−２１９６１号公報

しかしながら上述した特許文献１に記載の電子スチルカメラでは被写体像を撮影するための撮像素子とは別に測光素子を設けているため、機構が複雑化し、コストも上昇する。また、撮像素子の出力に所定の処理を施して表示器に表示してフレーミングを行うシステムでは撮像光学系とは別の測光光学系を設けなければならないため、なお一層の機構の複雑化とコストアップを招く。さらに撮像光学系と測光光学系の視差による測光誤差が発生する。

また、特許文献２に記載の撮像装置では撮像素子を用いてプリ発光時の測光を行うので特許文献１で生じた不具合は回避される。しかし、撮影条件によっては、絞り値を変更して複数回のプリ発光を必要とするため、シャッタータイムラグが大きくなってしまうという欠点を有していた。

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、機構の複雑化を招くことなく、１回のプリ発光で、本発光時の発光光量を適切に決定できるようにすることである。

本発明に係わる撮像装置は、撮影光学系により結像された被写体像を電気信号に変換するための撮像素子であって、所定の感度を有する通常感度画素と、該通常感度画素よりも低い感度を有する低感度画素とを備える撮像素子と、ストロボ補助光装置を用いて被写体を照明し、撮影を行う場合に、本撮影の前に前記ストロボ補助光装置をプリ発光させ、被写体からの反射光を前記撮像素子で電気信号に変換した結果に基づいて前記本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ストロボ補助光装置をプリ発光させた場合に、前記通常感度画素の信号のレベルが所定のレベル以下の場合には、該通常感度画素の信号に基づいて前記本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御し、前記通常感度画素の信号のレベルが前記所定のレベルを超えた場合には、前記低感度画素の信号に基づいて前記本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、機構の複雑化を招くことなく、１回のプリ発光で、本発光時の発光光量を適切に決定す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。 第１の実施形態の撮像素子の画素の配置を示す図。 通常感度画素と低感度画素の飽和特性を示す図。 第１の実施形態のプリ発光の動作を示すフローチャート。 第１の実施形態の映像評価の動作を示すフローチャート。 通常感度画素と低感度画素の飽和特性を示す図。 本発明の第２の実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図。 第２の実施形態の撮像素子の画素の配置を示す図。 第２の実施形態の撮像素子の撮像用画素の平面図と断面図。 第２の実施形態の撮像素子の焦点検出用画素の平面図と断面図。

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。図１において、１０１はレンズ、１０２はレンズ１０１に内蔵される絞り、１０３はＣＭＯＳセンサ等の撮像素子、１０４は信号処理回路、１０５は制御装置、１０６はシャッターボタンである。１０７はＴＦＴ等の液晶表示装置、１０８は着脱自在のメモリーカード、１０９はストロボ補助光装置である。

以下、上記のように構成される撮像装置の動作について説明する。

本実施形態では、ストロボのプリ発光時にはストロボ補助光装置１０９が所定の光量で発光し、不図示の被写体からの反射光がレンズ１０１によって撮像素子１０３上に結像され、電気信号に変換された後に読み出される。撮像素子１０３からは画像取得用の通常感度画素の信号とともに低感度画素の信号も同時に読み出され信号処理回路１０４に入力される。

信号処理回路１０４では画像取得用の通常感度画素と、低感度画素とで別々に所定の処理が施され、画面内の各領域の被写体からの反射光の強度の結果が求められる。制御装置１０５では信号処理回路１０４で求めたプリ発光時の反射光の強度から本撮影時のストロボ発光量を決定する。

本撮影時には、プリ発光時の反射光の強度から決定したストロボ発光量でストロボ補助光装置１０９を発光させ、ストロボ補助光によって照明された不図示の被写体像はレンズ１０１により撮像素子１０３上に結像され、電気信号に変換される。その際絞り１０２が撮影条件によって適切な開口寸法に設定され、撮像素子１０３上には画像撮影に適切な光量の光束が到達する。

撮像素子１０３からは光電変換された被写体像の画像信号が読み出される。この際、画像取得用の通常感度画素の信号とともに低感度画素の信号も同時に読み出され信号処理回路１０４に入力される。

画像取得用の通常感度画素および低感度画素の信号には所定の処理が施され、画像データに変換された後にメモリーカード１０８に記録されるとともに液晶表示装置１０７に表示される。

図２は、撮像素子１０３の画素の配置の様子を示した図である。図２において、画像取得用の通常感度画素２０１としては赤色光を透過させるＲフィルターを積層したＲ画素２０１Ｒ、緑色光を透過させるＧフィルターを積層したＧ画素２０１Ｇ、青色光を透過させるＢフィルターを積層したＢ画素２０１Ｂが配置されている。また、通常感度画素２０１に加えて低感度画素２０２が配置されている。低感度画素２０２は、Ｒ画素２０１Ｒ、Ｇ画素２０１Ｇ、Ｂ画素２０１Ｂと比べて開口面積が小さく形成され、画素内の光電変換部に入射する光量が制限されるため、通常感度画素２０１と比べて感度が例えば１／１０となっている。

図３は、撮像素子１０３を用いた撮像装置において、ストロボ撮影時の発光量を決定するためのプリ発光動作を行った際の、被写体距離に応じた通常感度画素２０１と低感度画素２０２の出力の様子を示したグラフである。ここで画素の飽和出力を１とし、被写体距離は不図示のオートフォーカス機構などが判断する主被写体の距離を１として正規化している。

プリ発光時には、上述した主被写体距離の位置に、被写体の平均反射率である１８％反射率の物体がある場合に、通常感度画素２０１の画素出力が飽和電荷量の約１／１０となるようにストロボ補助光装置１０９の発光量が制御される。被写体からの反射光の強度は、ストロボ発光部を備えるカメラと被写体との距離である被写体距離の２乗に反比例する。このため、１８％反射率の物体であっても、主被写体距離の約０．３２倍よりも近い場合（近距離の場合）には、通常感度画素２０１の出力が飽和する。また、反射率が９０％の白色の物体では主被写体距離の０．７１倍よりも近い場合には、通常感度画素２０１の出力が飽和する。

一方、低感度画素２０２は、感度が通常画素の例えば１／１０であるため、１８％反射率の物体の反射光が飽和する距離は主被写体距離の約０．１倍であり、９０％反射率であっても主被写体距離の０．２２倍までは飽和しない画素出力を得ることが出来る。

図４は、本実施形態のプリ発光動作全体を説明するフローチャートである。プリ発光動作が開始されると（Ｓ４０１）オートフォーカス機構が判断する主被写体距離情報の取得（Ｓ４０２）およびプリ発光以前の周辺定常光による露出情報が取得される（Ｓ４０３）。

上記の主被写体距離情報および露出情報のうち、ＩＳＯ感度設定および絞り値情報からプリ発光量が決定され（Ｓ４０４）、プリ発光が行われる（Ｓ４０５）。周辺定常光およびストロボプリ発光によって照明された被写体光は撮像素子１０３上に結像され、光電変換されて映像信号として読み出される（Ｓ４０６）。そして、読み出された映像信号は画面領域内を分割した状態で評価される（Ｓ４０７）。

この際、周辺定常光によってのみ照明されたプリ発光以前の映像信号との比較が行われてプリ発光による反射光の強度が抽出され、周辺定常光の状態も加味して本発光の光量が決定され（Ｓ４０８）、プリ発光動作を終了する（Ｓ４０９）。

図５は、上記のプリ発光動作中のステップＳ４０７をさらに詳しく説明したフローチャートである。映像評価が開始されると（Ｓ５０１）、画面内を分割した小領域ごとに映像信号の輝度レベルが評価される。この際、通常画素感度２０１の信号レベルが撮像素子の飽和レベル以下か否かが判定され（Ｓ５０２）、飽和レベル以下の場合（Ｓ５０２−ＹＥＳ）には分割された小領域内の通常感度画素２０１の信号に所定の処理を施して輝度信号を得る（Ｓ５０３）。

一方、飽和レベルに達していた場合（Ｓ５０２−ＮＯ）には当該小領域内の低感度画素２０２の信号に、通常感度画素２０１と低感度画素２０２の感度比を補う係数を乗じて輝度信号を得る（Ｓ５０４）。通常感度画素２０１又は低感度画素２０２の信号レベルに応じて適切な輝度信号を得ることによって映像評価が完了する（Ｓ５０５）。

図６は図５の手順にて抽出された輝度信号が被写体距離に応じてどのように変化するかを示した図である。横軸は図３と同じく主被写体距離で正規化された被写体距離、縦軸は低感度画素２０２の感度を補正した後の通常感度画素２０１および低感度画素２０２の輝度信号レベルである。図からも明らかなように被写体距離が近く通常感度画素２０１の出力が飽和する領域であっても低感度画素２０２の出力を用いることによって適切な信号を得ることができ、一度のプリ発光で本撮影時の適切なストロボ発光量を求めることが可能となる。

（第２の実施形態）
図７は本発明の第２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り、第１の実施形態と同様の部材には同一符号を付し説明を省略する。また７０３は位相差検出機能を有する撮像素子である。

本発明の第２の実施形態においてもプリ発光時の基本的な動作は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態においては低感度画素２０２に変えて位相差検出用画素（以下では焦点検出用画素とも呼ぶ）８０２が用いられる。

図８は撮像素子７０３の画素の配置の様子を示した図である。画像取得用の通常感度画素（以下では撮像用画素とも呼ぶ）８０１は第１の実施形態の通常感度画素２０１と同様である。さらに撮像素子７０３上には位相差検出用画素８０２が配置されている。位相差検出用画素８０２は画素領域内の左右にオフセットされた位置にスリット状に開口が形成されており、通常感度画素８０１と位相差検出用画素８０２の感度の比は、第１の実施形態における通常感度画素２０１と低感度画素２０２の感度の比と同様である。

図９及び図１０は、撮像用画素（通常感度画素）と焦点検出用画素（位相差検出用画素）の構造を説明する図である。本実施形態では、撮影光学系の射出瞳の一部領域（一部が遮光された領域）を通る光を受光する焦点検出用画素が複数設けられている。本実施形態では、２行×２列（以降、行＝Ｘ、列＝Ｙとし、例えば２行×２列は２×２と表す。）の４画素のうち対角２画素にＧ（緑色）の分光感度を有する画素を配置し、他の２画素にＲ（赤色）とＢ（青色）の分光感度を有する画素を各１個配置したベイヤー配列を採用している。そして、ベイヤー配列の間に、後述する構造の焦点検出用画素を分散配置している。

図９に撮像用画素の配置と構造を示す。図９（ａ）は２×２の撮像用画素の平面図である。周知のごとく、ベイヤー配列では対角方向にＧ画素が、他の２画素にＲとＢの画素が配置され、２×２の構造が繰り返し配置される。図９（ｂ）は図９（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ＭＬは各画素の最前面に配置されたオンチップマイクロレンズである。ＣＦＲはＲ（赤色）のカラーフィルターである。ＣＦＧはＧ（緑色）のカラーフィルターである。ＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）はＣＭＯＳセンサの光電変換部を模式的に示したものである。ＣＬ（ＣｏｎｔａｃｔＬａｙｅｒ）はＣＭＯＳセンサ内の各種信号を伝達する信号線を形成するための配線層である。ＴＬ（ＴａｋｉｎｇＬｅｎｓ）は撮影光学系を模式的に示したものである。

撮像用画素のオンチップマイクロレンズＭＬと光電変換部ＰＤは、撮影光学系ＴＬを通過した光束を可能な限り有効に取り込むように構成されている。撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰ（ＥｘｉｔＰｕｐｉｌ）と光電変換部ＰＤは、オンチップマイクロレンズＭＬにより共役関係にあり、かつ光電変換部ＰＤの有効面積は大面積に設計される。また、図９（ｂ）ではＲ画素の入射光束について説明したが、Ｇ画素及びＢ（青色）画素も同一の構造となっている。従って、撮像用のＲＧＢ各画素に対応した射出瞳ＥＰは大口径となり、被写体からの光束を効率よく取り込んで画像信号のＳ／Ｎを向上させている。このように、複数の撮像用画素は、射出瞳ＥＰの全域を通る光を各々が受光して被写体の像を生成する。

図１０は、撮影光学系ＴＬの水平方向（横方向）に瞳分割を行なうための焦点検出用画素の配置と構造を示す図である。ここで水平方向又は横方向とは、撮影光学系の光軸と撮影画面の長辺とが地面に平行となるように撮像装置を構えたとき、この光軸に直交し、かつ水平方向に伸びる直線に沿った方向をいう。また、図１０における瞳分割方向は水平方向である。図１０（ａ）は、焦点検出用画素を含む２行×２列の画素の平面図である。記録又は観賞のための画像信号を得る場合、Ｇ画素で輝度情報の主成分を取得する。そして人間の画像認識特性は輝度情報に敏感であるため、Ｇ画素が欠損すると画質劣化が認知されやすい。一方でＲ画素又はＢ画素は、色情報（色差情報）を取得する画素であるが、人間の視覚特性は色情報には鈍感であるため、色情報を取得する画素は多少の欠損が生じても画質劣化は認識され難い。そこで本実施形態においては、２行×２列の画素のうち、Ｇ画素は撮像用画素として残し、Ｒ画素とＢ画素を焦点検出用画素に置き換える。この焦点検出用画素を図１０（ａ）においてＳＨＡ及びＳＨＢと示す。

図１０（ａ）におけるＡ−Ａ断面図を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）においては、撮影光学系ＴＬの射出瞳ＥＰの径は、位相差検出可能な状態を示している。

マイクロレンズＭＬと、光電変換素子ＰＤは、図９（ｂ）に示した撮像用画素と同一構造である。本実施形態においては、焦点検出用画素の信号は画像生成には用いないため、色分離用カラーフィルタの代わりに透明膜ＣＦＷ（白色）が配置される。また、撮像素子で瞳分割を行なうため、配線層ＣＬの開口部はマイクロレンズＭＬの中心線に対して一方向に偏倚している。具体的には、画素ＳＨＡの開口部ＯＰＨＡは右側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの左側の射出瞳ＥＰＨＡを通過した光束を受光する。同様に、画素ＳＨＢの開口部ＯＰＨＢは左側に偏倚しているため、撮影光学系ＴＬの右側の射出瞳ＥＰＨＢを通過した光束を受光する。よって、画素ＳＨＡを水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＡ像とする。また、画素ＳＨＢも水平方向に規則的に配列し、これらの画素群で取得した被写体像をＢ像とすると、Ａ像とＢ像の相対位置を検出することで、被写体像のピントずれ量（デフォーカス量）が検出できる。

なお、上記の画素ＳＨＡ及びＳＨＢでは、撮影画面の横方向に輝度分布を有した被写体、例えば縦線に対しては焦点検出可能だが、縦方向に輝度分布を有する横線は焦点検出不能である。そこで本実施形態では、後者についても焦点状態を検出できるよう、撮影光学系の垂直方向（縦方向）にも瞳分割を行なう画素も備えるよう構成されている。

また、焦点検出用画素は、撮影画像上では欠損画素となるため、この焦点検出用画素の位置の画像信号は、周囲の撮像用画素の信号を用いて補間する。

本実施形態では、ストロボのプリ発光時には、撮像素子７０３より通常感度画素８０１の出力とともに位相差検出用画素８０２の出力を読み出し、適切な処置を施すことによって、第１の実施形態と同様に一度のプリ発光で適切なストロボ発光量を求めることが可能になる。また、プリ発光時の画面内の焦点情報も同時に得ることが可能となる。

Claims (2)

1. 撮影光学系により結像された被写体像を電気信号に変換するための撮像素子であって、所定の感度を有する通常感度画素と、該通常感度画素よりも低い感度を有する低感度画素とを備える撮像素子と、
   ストロボ補助光装置を用いて被写体を照明し、撮影を行う場合に、本撮影の前に前記ストロボ補助光装置をプリ発光させ、被写体からの反射光を前記撮像素子で電気信号に変換した結果に基づいて前記本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、前記ストロボ補助光装置をプリ発光させた場合に、前記通常感度画素の信号のレベルが所定のレベル以下の場合には、該通常感度画素の信号に基づいて前記本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御し、前記通常感度画素の信号のレベルが前記所定のレベルを超えた場合には、前記低感度画素の信号に基づいて前記本撮影におけるストロボ補助光装置の発光量を制御することを特徴とする撮像装置。
2. 前記通常感度画素は、前記撮影光学系の射出瞳を通過した光束を受光する撮像用画素であり、前記低感度画素は、前記撮影光学系の射出瞳の一部が遮光された光束を受光する焦点検出用画素であることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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