JP2014025967A - 撮像装置及びカメラシステム - Google Patents

Abstract

【課題】被写体ブレや光軸方向の手ブレを低減した画像を撮影することを可能にした撮像装置を提供すること。
【解決手段】撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する撮像素子（６）と、前記撮影光学系と前記撮像素子の間に配置された光路分割手段（５）と、前記光路分割手段からの光束に基づいて被写体情報を取得する被写体情報センサ（７）と、前記撮像素子の露光中において前記被写体情報センサにより検出された被写体の移動量が所定値以上であるか否かを判断する判断手段（１２）と、前記判断手段により、前記撮像素子の露光中において前記移動量が所定値以上であると判断された場合、前記撮像素子の露光を打ち切る露光打ち切り手段（１２）と、前記撮像素子と前記露光打ち切り手段の出力から記録画像を生成する現像手段（８）と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は静止画及び動画の撮影が可能である撮像装置及びカメラシステムに関するものである。

特許文献１では、シャッターが開いた後、手ブレが許容量を超えた場合には、適正露出時間前でもシャッターを閉じ、露出を強制的に打ち切ることで、ブレのある画像の撮影を防止する装置が開示されている。さらに、特許文献２では、得られた周波数領域の画像から、ブレ画像やボケ画像の補正処理や画像の復元を行う装置が開示されている。

特開平５−１８８４５２号公報 特開２０１０−７４８５８号公報

しかしながら、上述の従来技術では次のような課題がある。

従来のカメラにあたっては、加速度センサや角速度センサでカメラ本体のブレを検出しているため、被写体が動いた場合や被写体に不要な物体が写りこんだ場合には、そのブレ画像やボケ画像を検出することはできない。

そこで、本発明の目的は、従来検出可能であった光軸方向の手ブレに加えて、被写体ブレも低減した画像を撮影することを可能にした撮像装置を提供することである。

本発明の一側面としての撮像装置は、撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する撮像素子と、前記撮影光学系と前記撮像素子の間に配置された光路分割手段と、前記光路分割手段からの光束に基づいて被写体情報を取得する被写体情報センサと、前記撮像素子の露光中において前記被写体情報センサにより検出された被写体の移動量が所定値以上であるか否かを判断する判断手段と、前記判断手段により、前記撮像素子の露光中において前記移動量が所定値以上であると判断された場合、前記撮像素子の露光を打ち切る露光打ち切り手段と、前記撮像素子と前記露光打ち切り手段の出力から記録画像を生成する現像手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、被写体ブレや光軸方向の手ブレを低減した画像を撮影することができる。

本発明の実施形態の撮影工程を示すフローチャートである。 本発明の実施形態のカメラシステムを表した中央断面模式図である。 異なるピント状態における点像を示した模式図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図１から図３を参照して、本発明の第１の実施例における撮影光学系と撮像装置を有するカメラシステムについて説明する。以下では、本発明の撮像装置としてデジタルカメラを例として挙げているが、本発明はこれに限定されず、例えばビデオカメラであってもよい。なお、本実施例では、レンズ交換型の一眼レフカメラ（カメラシステム）について説明するが、本発明は、レンズ一体型のデジタルカメラ、一眼レフカメラやビデオカメラにも適用することが可能である。

図２（ａ）は撮像装置であるデジタルカメラおよびレンズの中央断面図、図２（ｂ）は電気的構成を示すブロック図である。図２（ａ）および図２（ｂ）で同一の符号が付してあるものはそれぞれ対応している。

図２（ａ）において、１は撮像装置（カメラ）を、２は撮像装置１に装着するレンズユニットを、３は撮影光学系を、４は撮影光学系の光軸を、６は撮像素子を、７は被写体情報センサを、５は光路分割手段であるハーフミラーをそれぞれ示す。

図２（ｂ）において、カメラ１およびレンズ２からなるカメラシステムは、撮像系、画像処理系、記録再生系、制御系を有する。撮像系は、撮影光学系３、撮像素子６、光路分割手段５を含む。撮影光学系３は、絞りやメカニカルシャッターを含むレンズ等により構成される。撮像素子６は、撮影光学系３により形成された被写体像を光電変換して撮像信号を生成する撮像手段である。光路分割手段５は、図２（ａ）、（ｂ）に示されるとおり撮影光学系３と撮像素子６の間に配置されているハーフミラーである。画像処理系は、現像手段を備える画像処理部８を含む。現像手段は、後述するように露光が打ち切られた場合に撮影画像を補正する露出補正機能を有する露出補正手段でもある。記録再生系は、記憶手段であるメモリ９、表示手段であるファインダ表示部（電子ビューファインダ）１０および背面表示部（液晶ディスプレイ）１１を含む。制御系は、露光制御手段と露光打ち切り手段を備えるカメラシステム制御部１２、操作検出部１３、およびレンズシステム制御部１４、レンズ駆動部１５、被写体情報センサ７を含む。１６はカメラ１とレンズ２を電気的に接続する電気接点である。レンズ駆動部１５は、撮影光学系３内の焦点（フォーカス）レンズ、ズームレンズ、ブレ補正レンズ、絞りなどを駆動することができる。

撮像系は、物体（被写体）からの光を、撮影光学系３およびハーフミラー５を介して撮像素子６の撮像面に結像する光学処理系である。被写体情報センサ７の信号に基づいて撮影光学系３の状態を、レンズ駆動部１５を用いて変化させることで適当なピント位置を調整する（いわゆるＡＦ動作）。さらには、被写体情報センサ７の信号に基づいて露光状態の設定を行う（いわゆるＡＥ動作）。すなわち、被写体情報センサ７はいわゆるＡＥ／ＡＦセンサとして動作する。ここでいう露光状態とは、撮像素子６への露光時間、撮影光学系３の絞り値、撮像素子６の信号の増幅率などのことである。つまり、被写体情報センサ７の信号から、ＡＥ／ＡＦ動作を行い、露光の打ち切り判断を行うため、被写体情報センサ７は、被写体情報を撮像素子６の露光時間よりも高速にサンプル可能（高フレームレート）である必要がある。

画像処理部８は、内部にＡ／Ｄ変換器、ホワイトバランス回路、ガンマ補正回路、補間演算回路等を有しており、記録用の画像を生成することができる。

メモリ９は、実際の記録部に加えて記録に必要な処理回路を備えている。メモリ９は、記録部へ出力を行うとともに、背面表示部１１に出力する像を生成、保存する。また、メモリ９は、予め定められた方法を用いて画像、動画、音声などの圧縮を行う。また、図２（ｂ）では、メモリ９は概念的に書かれており、外部から挿入される記憶メディアに相当するように見えるが、カメラ１が備える、揮発／不揮発メモリを含んでいる。

カメラシステム制御部１２は、カメラ１全体の制御を行うとともに、撮像の際のタイミング信号などを生成して出力する。不図示の外部操作部からの操作に応動して撮像系、画像処理系、記録再生系をそれぞれ制御する。例えば、不図示のシャッターレリーズ釦の押下を操作検出部１３が検出して、撮像素子６の駆動、画像処理部８の動作、メモリ９の圧縮処理などを制御する。さらに背面表示部１１によって液晶モニタ等に情報表示を行う情報表示装置の各セグメントの状態を制御する。

制御系の光学系の調整動作について説明する。カメラシステム制御部１２には画像処理部８および被写体情報センサ７が接続されており、被写体情報センサ７からの信号を基に適切な焦点位置、絞り位置を算出する。カメラシステム制御部１２は、電気接点１６を介してレンズシステム制御部１４に指令を出し、レンズシステム制御部１４はレンズ駆動部１５をカメラシステム制御部１２からの指令に基づいて適切に制御する。さらにレンズシステム制御部１４には不図示の手ぶれ検出センサが接続されており、手ぶれ補正を行うモードにおいては、手ぶれ検出センサの信号を基にレンズ駆動部１５を介してブレ補正レンズを適切に制御する。また、カメラシステム制御部１２は、後述するように被写体情報センサ７により検出された被写体の移動量が所定値以上であるか否かを判断する判断手段としても機能する。

本発明の構成の１つの特徴は、撮影光学系３と撮像素子６の間には、平行平板のガラス板などで形成された光路分割手段であるところのハーフミラー５が光軸４に対して図２の平面内で傾斜して配置されていることである。図２で観察される以外の方向には角度を持っていないので、光軸４のベクトルとハーフミラー５の法線ベクトルの外積で求められるベクトルは図２の紙面に垂直方向となる。ハーフミラー５は図２に示した入射角付近において全面半透過性を有するミラーとなっており、撮影光学系３を通過した光束は上方に図示された被写体情報センサ７に導かれる反射光と撮像素子６に入射する透過光に分離される。ハーフミラー５の反射光は、被写体情報センサ７の測距部を構成するフィールドレンズ、反射ミラー、再結像レンズ、マスク等を介して被写体情報センサ７内の測距センサに導かれる。この測距センサにより、カメラ１から被写体までの距離を検出することができる。ここで、被写体情報センサ７は、被写体の明るさおよび被写体像を検出することができる測光センサも兼ねており、被写体の移動を検出することができる。もちろん、被写体情報センサ７において、測距センサと測光センサは別々の部材で構成されてもよい。一方、透過光は撮像素子６で受光され電子画像となる。なお、ハーフミラー５を通過した光軸４は、ハーフミラー５での屈折により図２（ａ）に示す紙面下方向にオフセットした光軸４’となる。そこで、撮像素子６の中心はこの光軸４’に対して一致するよう配置されている。

ところで、一般的に撮影光学系３と撮像素子６の間にガラス板など平板光学素子を斜めに配置した場合、撮像素子６で得られる画像には大きな収差が発生してしまう。これは、レンズ２を通過した１本１本の光線が光学素子を通過する光路長方向の位置が異なるためであり、収差もその位置に応じて異なる。したがって、従来の一眼レフカメラにおいては、ハーフミラー５をクイックリターン機構により撮影時には撮影光束外へ退避させるのが一般的であった。

しかしながら、本発明では、図２（ａ）のようにハーフミラー５を傾けて配置しており、撮影時にはハーフミラー５を透過した光束を用いている。このように、本発明のハーフミラー５は、従来の一眼レフカメラと異なり、撮影時においても撮影光束外へ退避しない構成をしている。

本発明では、撮像素子６で電子画像を撮影しながらファインダ表示部１０である電子ビューファインダでの被写体観察を行うことが可能な構成となっている。したがって、いわゆるエイミング中および動画の撮影中においても被写体像を観察しながら撮影が可能な構成となっている。

また、本発明では、ハーフミラー５は撮像装置内において固定されて配置しているため、従来の一眼レフカメラのように、撮影時にはハーフミラー５を撮影光束外へ退避させるクイックリターン機構を用いる必要がない。したがって、クイックリターン機構に用いる複雑なメカ構成が必要なくなり、コストダウンとコンパクト化が可能である。

本発明の構成のもう１つの特徴は、光路分割手段であるハーフミラー５の反射光を受光する位置に被写体情報センサ７を備えたことである。被写体情報センサ７は撮像素子６よりもそれぞれの画素が受ける光量が大きくなるような構成になっている。具体的には、結像倍率で正規化した場合に画素面積が大きくなるように設定されている。すなわち被写体情報センサ７に含まれる測距センサ上に１／ｎ倍（横倍率）で結像している場合には測距センサの各画素の面積はｎの２乗よりも大きくなるように設計されている。このようにすることで単位時間に受け取る光量は撮像素子６よりも測距センサの方が多くなる。このため被写体情報センサ７は撮像素子６よりも高速にサンプリングが可能な構成となっている。

図３は、撮像素子６による点像の撮影範囲を示す図である。図３において、図のようにＸＹ座標を定義する。そして、撮影範囲の任意の座標点（ｘ，ｙ）における撮影光学系３およびハーフミラー５の収差による劣化前の画像の光量分布をｏ（ｘ，ｙ）とする。また、それに対応した撮影光学系３およびハーフミラー５の収差およびピント変動のボケによる劣化後の画像の光量分布をｉ（ｘ，ｙ）とする。そうすると、ｉ（ｘ，ｙ）は以下の数１で表すことができる。

ここで、ｈ（ｘ，ｙ）は撮影光学系３およびハーフミラー５の収差およびピント変動のボケにより画像が劣化する状態を表す伝達関数である。つまり、理想焦点面では２１のような点像が撮影されるが、前ピン面や後ピン面の２０や２２では従来の点像の円の直径が大きくなったボケた像が撮影されてしまう。

上記の問題を回避するために、露光中においても光学像を捉えて被写体距離または被写体移動検出を行う。そうすることで、ピント方向のブレや被写体の移動を検出した時に露光打ち切り手段による露光の打ち切り、露光状態に応じた現像、などの方法によりピント方向のブレや被写体の移動によって生じたボケを軽減した像を得ることができる。

そこで本発明では、露光中のピント状態の変動を観察して露光を打ちきるとともに適当な画像処理を施すことでノイズを抑制した像を得る。

図１は本発明の撮像装置における撮影工程のメインフローである。メインフロー動作はカメラシステム制御部１２において行なう処理である。ここでの処理は、主にカメラシステム制御部１２がメモリ９に格納されているコンピュータプログラムに従って実行する。このことは、後述する他の実施例でも同じである。以下図１のステップごとに動作を説明する。なお、図１において本発明の要部に関する以外の動作に関しては、省略して表示している。

図１（ａ）において、撮像装置１に設けられた不図示の電源スイッチが撮影者（ユーザー）の手によって操作されると、カメラシステム制御部１２は不図示の電源スイッチがオンされたことを操作検出部１３により検出する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、カメラシステム制御部１２はカメラ内の各アクチュエータや撮像素子６の動作確認を行ない、メモリ内容や実行プログラムの初期化を行なうと共に、撮影準備動作を実行する。

ステップＳ２は撮影モードなど撮影のための各種の設定をするための処理である。

ステップＳ３はユーザーによるＳＷ１操作が行われたか否かを判断するブロックである。ここでいうＳＷ１とは撮影予備動作を行うためのスイッチであり、撮像装置１では不図示のレリーズボタンが２段操作になっており、その１段目に相当する。動画撮影においては、画像を画面にする―画像として表示しながら録画開始釦の待ち受けを行う操作に相当する。ユーザーによる撮像装置１へのＳＷ１操作があった場合はステップＳ４に進み、そうでない場合はステップＳ２に戻ってユーザー操作の待ち受けや撮影設定を行う。

ステップＳ４は測光および測距を行うブロックである。前述した様に被写体情報センサ７を利用して被写体の輝度や被写体までの距離、被写体の追尾情報を取得する。

ステップＳ５は露出のための適当な設定を決定（露光時間や被写体情報センサ７のフレーレート等）および撮影光学系３の焦点調整を行うブロック（露光制御ブロック）である。露出の条件などはメモリ９に予め用意されたルックアップテーブルなどに従って決定される。

ステップＳ６はＳＷ１のリリースを判断するブロックである。ＳＷ１操作がリリースされた時にステップＳ２に戻って再び電源ＯＦＦやユーザー操作の待ち受けを行い、ＳＷ１操作が継続されている時はステップＳ７に進む。

ステップＳ７は、ユーザーによるＳＷ２操作が行われたか否かを判断するブロックである。ここでいうＳＷ２とは撮影動作を行うためのスイッチであり、撮像装置１ではレリーズボタンが２段操作になっており、その２段目に相当する。動画撮影においては、録画開始に相当する。ユーザーによる撮像装置１へのＳＷ２操作があった場合はステップＳ８に進み、そうでない場合はステップＳ６に戻ってユーザー操作の待ち受けを行う。

ステップＳ８は撮像動作を行うブロックである。この内容については後述する。

なお、電源ＯＮから始まるフローチャートでは図示しなかったが、ユーザーから電源ＯＦＦの操作があった場合には、常に割り込みが発生して適当な終了処理を行った後に電源をＯＦＦさせる。

次に、図１（ｂ）を用いてステップＳ８の撮像動作について詳しく説明する。

ステップＳ９は撮像動作を示すサブフローの開始点である。撮像動作サブルーチンの制御は、カメラシステム制御部１２が行なう。メインルーチンのステップＳ８が実行されると、撮像動作サブルーチンステップＳ９が呼び出される。

ステップＳ１０では、ステップＳ５で決定された露出条件に従って撮像素子６および撮影光学系３の絞り等を制御する設定が行われる。この動作により、撮像素子６は、所定Ｆナンバーの撮影光束による被写体像を所定感度・所定蓄積時間で光電変換処理を行なうことで、適切な画素出力を得ることが可能となる。

ステップＳ１１では、レンズ２の情報などの取得を行う。後ほどの画像復元のためにレンズの種類、Ｆナンバー等が取得される。

ステップＳ１２からステップＳ１６は、露光時間が設定秒時に達するか、露出がゲインアップ可能範囲に収まるまで判断処理が行われる。

ステップＳ１２は露光打ち切り手段による露光の打ち切りを行うモードであるかを判断するブロックである。露出の打ち切りを行うモードの場合にはステップＳ１４に進み、そうでない場合はステップＳ１３に進む。例えば、動画撮影時や表示手段に撮像素子からの出力をリアルタイムで映し出すライブビューモードの時には、露光の打ち切りを行わないモードに切り替えを行うことで、自然な像を撮影することができる。

ステップＳ１３は露光時間が設定秒時に達したかを判断するブロックである。設定秒時に達している場合はステップＳ１６の処理に進み、そうでない場合はステップＳ１２の前まで戻る。

ステップＳ１４は被写体像の移動があったかどうかを判断するブロックである。ここでいう被写体像の移動とは、ピント方向の移動に加えて、画面内での被写体の移動（いわゆる被写体ブレ）を指している。つまり、被写体情報センサ７から被写体の距離に関する情報の変化を観察した場合はピント方向の移動を検出したことになる。また、被写体情報センサ７から被写体の追尾に関する情報の変化を観察した場合は被写体の画面内の移動を検出したことになる。被写体像の移動（移動量）がメモリ等に記録された所定値以上あった場合は、ステップ１５に進み、そうでない場合はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１５は現在の露光時間が、設定秒時に対する残りの露光量をゲインアップによって補うことが可能な範囲内の露光時間かどうかを判断するブロックである。ゲインアップ可能な範囲内の露光時間は、ゲインアップにより画像にのるノイズの許容量などに基づき予め決められていてもよいし、ユーザーにより設定されていてもよい。現在の露光時間がゲインアップ可能な範囲内の露光時間であると判定された場合には露光打ち切り手段によりステップＳ１６の露出打ち切りを行う。現在の露光時間がゲインアップ可能な範囲内の露光時間でない場合はステップＳ１２の前まで戻る。

ステップＳ１６では、シャッターを動作させて露光を終了する。ステップＳ１６で、露光打ち切り手段による撮像素子６の露光打ち切りを行った場合は、ブレ画像が撮像されることを未然に防ぐことができる。

ステップＳ１７では、実際に露光された時間が記録される。ステップＳ１５を経由して露光を打ち切った場合は、露光時間がＳ１０での設定よりも短くなっているので、これを記録しておく。

ステップＳ１８では、撮像素子６から画像の読み出しが行われる。

ステップＳ１９はいわゆる現像処理であり、現像手段によって記録フォーマットへの変換（例えばＪＰＥＧ画像（記録画像）への変換）やプレビュー画像の生成等を行う。この現像処理において、ステップＳ１７で記録した実露光時間を反映させることで適当な露出が保証されるとともに、適当なノイズ低減処理が施され、高品位な画像が得られる。より具体的に、ステップＳ１７で記録した実露光時間がステップＳ１３の設定秒時より少ない場合（被写体の移動量が所定値以上あって露光が打ち切られた場合）は、露出不足時間に応じて、撮像素子６が撮像した画像に補正処理を行うことで高品位な画像が得られる。この現像手段により、露出不足による画像の低下を補正することで、ブレがなく、かつ、画質低下の少ない高品質な画像を得ることができる。

ステップＳ２０はプレビュー処理であり、背面表示部１１や電子ビューファインダにプレビュー画像を表示する。

ステップＳ２１は記録処理であり、ステップＳ１８で生成した画像をメモリ９に記録する。

ステップＳ２２は終了ステップで呼び出し元のステップＳ８に戻る。

以上のように、本発明の撮像装置によれば、露光中のピント方向のブレや被写体の移動および光学素子により発生したボケの影響を低減した画像を得ることが可能である。

本発明の好ましい実施形態について、撮影レンズが交換可能なカメラで説明したが、撮影レンズがカメラに備わっている所謂レンズくくり付けタイプのカメラに適用してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明は、ビデオカメラあるいは一眼レフカメラなどのカメラシステムに好適に利用できる。

１．カメラボディ
５．ハーフミラー
６．撮像素子
７．被写体情報センサ

Claims (8)

1. 撮影光学系により形成された被写体像を光電変換する撮像素子と、
   前記撮影光学系と前記撮像素子の間に配置された光路分割手段と、
   前記光路分割手段からの光束に基づいて被写体情報を取得する被写体情報センサと、
   前記撮像素子の露光中において前記被写体情報センサにより検出された被写体の移動量が所定値以上であるか否かを判断する判断手段と、
   前記判断手段により、前記撮像素子の露光中において前記移動量が所定値以上であると判断された場合、前記撮像素子の露光を打ち切る露光打ち切り手段と、
   前記撮像素子と前記露光打ち切り手段の出力から記録画像を生成する現像手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記現像手段は、前記露光打ち切り手段が前記撮像素子の露光を打ち切った場合に、露出不足時間に応じて、前記撮像素子が撮像した画像を補正する補正処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記光路分割手段は、前記撮像装置内で固定され、前記撮像装置の撮影時においても撮影光束外へ退避しないことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記被写体情報センサは、被写体の距離を測ることのできる測距センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記被写体情報センサは、被写体の明るさおよび被写体像を検出することのできる測光センサであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の撮像装置。
6. 前記露光打ち切り手段は、前記撮像装置に設けられた表示手段に前記撮像素子からの出力をリアルタイムで映し出すライブビューモードの時には、前記撮像素子の露光を打ち切らないことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の撮像装置。
7. 前記露光打ち切り手段は、前記撮像装置の動画撮影時には、前記撮像素子の露光を打ち切らないことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の撮像装置。
8. 撮影光学系と、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の撮像装置と、を有することを特徴とするカメラシステム。