JP4906605B2 - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置及びその制御方法に関し、周辺光量落ちを低減させた良好な画像を提供できる撮像装置及びその制御方法に関する。

レンズを介して光学像を得ることで被写体を撮影する撮像装置では、撮影された被写体の画像において、その画像の中心部から画像周辺部に行くにしたがって、光量が低下する所謂、周辺光量落ち現象が発生する。

また、周辺光量落ち現象は、撮像装置が備えるレンズの特性と、固体撮像素子の特性の関係で決まることが知られている。

具体的には、有効像円（光が均一に当たる領域）に対する固体撮像素子の位置との関係で、周辺光量落ち量が一意的に決まる。但し、この場合は、固体撮像素子の有効画素中心と、レンズの光軸中心が一致していることが前提になる。

また、周辺光量落ち量はレンズの絞り値にも依存し、開放側と小絞り側において光量の落ち具合が顕著である。

開放側においては、一般的なレンズ特性として、レンズ中心における入射光は、円形の光束のまま入射するが、レンズの隅における入射光は、常に隅を通っていくために光がけられてしまい、入射光は楕円状の光束になってしまい光量が低下する。そのため、絞りが開放状態の時には、レンズの隅をより多くの入射光が通るため、光のけられ現象がより顕著になる。

また、小絞り側においては、光学回折が発生することにより、周辺光量が減少する。

このことから、絞り値が開放または小絞りの場合に、周辺光量落ち現象の影響を大きく受ける。

この現象を回避するために、撮像装置が備えるレンズの有効像円が固体撮像素子が備える画素数に対して、充分大きくなるようなレンズを使用することが挙げられる。しかし、そのような条件を満たすレンズを使用すると、レンズ自体のサイズが大きくなり、撮像装置の小型化が困難となってしまう。

また、撮像装置の小型化が求められ、大きなレンズを備えるのが困難になってきている中、撮像装置が備える固体撮像素子の画素数も急速に増えてきており、周辺光量落ち現象が顕著になってきている。

このように、大きさが十分でないレンズを備えた撮像装置で、特にコントラストの小さな被写体を撮影する時は、周辺光量落ちが顕著になり、画質の悪化の一因になっていた。

そこで、絞り値に応じて像の画面中心から周辺にかけての光量低下特性を補償して平坦化することで周辺光量落ちの補正を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。

図５に特許文献１における画面位置と周辺光量と補正量の関係を示す。

図５に示すように、特許文献１では、周辺光量落ち補正を行うことにより画面周辺部の照度の落ち分を、電気的に増幅させて中央部の明るさと同等の明るさになるようにゲイン補正をかけていた。
特開昭６１−１０５９７４号公報

特許文献１に開示されている手法では、画面周辺部の照度が画面中央部のそれに対して光学的に減少してしまったものを画面周辺部の信号を画面中央部の信号に対してより大きく電気的に増幅させている。そのため、画面周辺部の信号量とノイズの比率（これよりＳ／Ｎ比という）が画面中央部のＳ／Ｎ比に対して悪化してしまうという問題がある。

特にコントラストの小さな被写体や、撮像画面内に均一な輝度または色を有する領域が多い被写体ではそのＳ／Ｎ比の悪化がより顕著になってしまう。

本発明は上記問題点を鑑みてなされたものであり、Ｓ／Ｎ比の悪化を抑えつつ周辺光量落ちを低減させた画像を得ることができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る撮像装置は、露出制御を行うためのデバイスの制御値の組み合わせをプログラミングしてあるプログラム線図を複数有する撮像装置であって、撮影画面の中央部に対する当該撮影画面の周辺部の光量割合が所定割合以下であるとみなされる状態が予め定められた時間以上続いた場合に、既に設定されているプログラム線図を、前記周辺部の光量割合が大きくなるようなプログラム線図に切り換えることを特徴とする。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る撮像装置の制御方法は、露出制御を行うためのデバイスの制御値の組み合わせをプログラミングしてあるプログラム線図を複数有する撮像装置の制御方法であって、撮影画面の中央部に対する当該撮影画面の周辺部の光量割合が所定割合以下であるとみなされる状態が予め定められた時間以上続いた場合に、既に設定されているプログラム線図を、前記周辺部の光量割合が大きくなるようなプログラム線図に切り換えることを特徴とする。

本発明によれば、Ｓ／Ｎ比の悪化を抑えつつ周辺光量落ちを低減させた画像を得ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。ただし、本形態において例示される構成部品の寸法、形状、それらの相対配置などは、本発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、本発明がそれらの例示に限定されるものではない。

＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は第１の実施形態に係る撮像装置のブロック図である。

１１０はレンズ、２００は光電変換機能を有するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子、１２０は固体撮像素子３への入射光量を調整する絞り手段としての絞りである。

レンズ１１０を通った光信号は、絞り１２０を介して固体撮像素子２００に入力される。

１３０は絞り１２０を駆動する絞り駆動モーター、１４０は絞り駆動モーター１３０を駆動する絞り駆動装置、１５０は絞り１２０の状態を検出する絞り状態検出装置である。

２１０は固体撮像素子２００を制御し光電変換された信号を読み出すとともに、信号の蓄積時間を制御するいわゆる電子シャッター機能を制御する固体撮像素子駆動装置である。

２２０は固体撮像素子２００で光電変換された信号をサンプリングし、かつその信号を電気的に増幅させることのできるサンプルホールド／ＡＧＣ（感度制御）装置である。

２３０はサンプルホールド／ＡＧＣ装置２２０の出力であるアナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換器（以下、Ａ／Ｄ変換器と称す）である。

２４０はガンマ補正後、色分離、色差マトリクス等の処理を施した後に、同期信号を加え標準テレビジョン信号を生成したりする制御機能を有した信号処理装置（以下ＤＳＰと称す）である。

２５０はＤＳＰ２４０で処理された画像を記憶しておくメモリ、２６０は動画や静止画を記録しておくことの出来る記録媒体、２７０はＤＳＰ２４０に処理命令を出すマイクロコンピュータ（以下マイコンと称す）、２８０は画像を表示する表示装置である。

更に、ＤＳＰ２４０とマイコン２７０には本発明の特徴となるブロックが含まれており、２４０ａはＡ／Ｄ変換機２３０からのデジタルデータを受けて各画素の輝度値を得る輝度値取得装置である。２４０ｂは画面中心から周辺にかけての光量低下特性を補正して平坦化する周辺光量落ち補正装置である。

また、２７０ａは輝度値取得装置２４０ａから出力された輝度値から、撮影された映像が適正な露出状態であるかどうかを判定するための露出評価値を算出する評価値算出装置である。２７０ｂは絞り状態検出装置１５０の出力である現在の絞り位置に関する情報を受け、その絞り位置が与える画面上の周辺光量落ち量を求める周辺光量落ち量算出装置である。２７０ｃは周辺光量落ち量算出装置２７０ｂで判定された現在の周辺光量落ち量から必要とされる周辺光量落ち補正量を算出する周辺光量落ち補正量算出装置である。２７０ｄは評価値算出装置２７０ａの出力や周辺光量落ち補正量算出装置２７０ｃの出力を受けて、適切なプログラム線図（以下に説明する）を選択するプログラム線図選択装置である。

なお、本発明における、プログラム線図とは、露出制御を行うためのデバイスである、絞り、シャッター、ＡＧＣの制御値の組み合わせをプログラミングしてあるプログラムである。ここでは、露出制御を行うためのデバイスの制御値として、絞り、シャッター、ＡＧＣを挙げたが、露出制御を行うためのデバイスはこれらに限られるわけではなく、ＮＤフィルタ等の制御を加えてもよい。

これより、プログラム線図について図２（ａ）を用いて説明する。

図２（ａ）の横軸は被写体の明るさを示しており、右側になるほど被写体が暗く、左側ほど被写体が明るいことを示している。

また図２（ａ）の縦軸は露出を変化させるための要素である、絞り、電子シャッター、ＡＧＣ（以降露出パラメータと称す）のそれぞれの制御位置を示している。具体的には、図２（ａ）における上部に位置するほど露出が明るくなるように各露出パラメータが動作し、下部に位置するほど露出が暗くなるように各露出パラメータが動作する様子を示している。

更に、図２（ａ）中の格子状のマスの中に折れ線が描かれている。これは各露出パラメータの動作の遷移を表現している。

図２（ａ）中の折れ線が斜め線になっているならば、斜めである間、被写体の明るさに応じて評価値算出装置２７０ａの出力が変化し露出を適正にしようとプログラム線図制御装置２７０ｄが露出パラメータを動作させる。

また、折れ線が水平になっていれば、水平である間、被写体の明るさが変化しても露出パラメータ動作しない。その代わりに、折れ線が水平となっている露出パラメータ以外の露出パラメータが評価値算出装置２７０ａの出力に応じてプログラム線図制御装置２７０ｄにより露出制御動作させられ、露出が適正値に近づいていく。

具体的には、図２（ａ）の横軸に書かれている第一の明るさと示されている範囲のときはＡＧＣを動作させ、かつ絞りと電子シャッターは固定させることにより適正な露出を得ることができる。

また、図２（ａ）において第二の明るさと示されている範囲のときは、絞りを動作させ、かつ電子シャッターとＡＧＣを固定させることにより適正な露出を得ることができる。

また、図２（ａ）において第三の明るさと示されている範囲のときは、電子シャッターを動作させ、かつ絞りとＡＧＣを固定して適正な露出を得ることができる。

このように、プログラム線図制御装置２７０ｄにより各露出パラメータを動作させて露出制御を行うときは、露出パラメータを１つだけ選択し動作させている。

これは複数の露出パラメータを同時に動作させると、露出変化速度の制御が複雑になり、安定した露出変化が得られなくなってしまうためである。特にビデオカメラは画像の連続性つまり、違和感のない露出変化が求められるために、本実施形態においては、露出パラメータを１つだけ選択し動作させている。

次に、各露出パラメータの動作範囲について説明する。

適正な露出または適正な動画像を得るための各露出パラメータの動作範囲はあらかじめ決められている。例えばＡＧＣであれば、Ｓ／Ｎ比が悪化しすぎず暗いところも撮影可能にしたいとの観点から０ｄＢから１８ｄＢまで動作させる。

絞りであれば、小絞りにし過ぎて光学回折により画像がボケてしまわないよう小絞り（暗い）側はＦ８．０までと決め、開放（明るい）側はできるだけ感度良く撮影できるという観点からＦ１．８まで使用する。よって、使用範囲は開放側がＦ１．８から小絞り側がＦ８．０である。なお、ここでのＦ値の使用範囲はあくまで一例であり、レンズによっては開放側のＦ値の使用範囲がＦ１．８よりも小さく（明るく）なったり、大きく（暗く）なることがある。

また、電子シャッターであれば、ＮＴＳＣやＰＡＬの動作レートから低速側のシャッタスピードは１／６０秒や１／５０秒となる。高速シャッター側は、シャッタスピードが早過ぎると不連続性が感じられる映像になってしまうという観点から１／５００秒までの間で動作させる。

更に、各露出パラメータを動作させるときの明るさは、撮影された映像ができるだけきれいに記録されるという観点に基づき決められる。

ここでは、動画撮影であるため１／６０というフレームレートで撮影されることが必要とされている。従って、絞りをＦ８．０まで絞った後、電子シャッターを高速シャッター側に動作させ始めることになる。
Ｆ８．０とはこれ以上絞り値を大きくすると、光学回折により撮影画像がボケてしまうという、本実施形態における絞り制御の制御限界値である。

また、ＡＧＣを上昇させると撮影画像の全体のＳ／Ｎ比が悪くなってしまうため、電子シャッターが１／６０と一番低速側になり、かつ、絞りが一番明るく（Ｆ１．８に）なってからＡＧＣを動作させている。

各露出パラメータが上述したような制御になるように図２の（ａ）のプログラム線図はプログラムされている。

次に図２（ｂ）について説明する。

図２（ｂ）は、被写体の明るさと周辺光量落ち補正量の関係を示した図である。

横軸は図２（ａ）と同じである。縦軸は周辺光量落ち補正量を表している。

また、図３に、レンズによる画面中央部に対する画面周辺部の光量低下特性を示す。

図３においては、横軸にＦ値、縦軸に画面中央部に対する画面周辺部の光量割合を示している。レンズの性能にもよるが、本実施形態では、Ｆ２．８の時に画面中央部に対する画面周辺部の光量割合すなわち周辺光量落ちが最小で、そこから開放側又は小絞り側に絞りを動作させていくと周辺光量落ちが大きくなるような特性となっている。この特性は、レンズの光学設計で決まるものであるため、この特性に基づき図２の（ｂ）の周辺光量落ち補正量を周辺光量落ち補正量算出装置２７０ｃにあらかじめプログラムしておく。

具体的には、開放Ｆ１．８の場合、周辺部の光量割合が画面中央部の７０％であるから周辺光量落ち補正量はその光量落ち分を補正するため３０％としている。

また、Ｆ８．０の場合、周辺部の光量割合が画面中央部の５０％であるから周辺光量落ち補正量は５０％としている。またＦ２．８から開放Ｆ１．８までと、Ｆ２．８からＦ８．０までの間の補正量は線形補完を行うことで得ている。この算出が周辺光量落ち補正量算出装置２７０ｃの中で行われ、周辺光量落ち補正量が決定される。
なお、上記で補正量が例えば５０％の場合は、中央部の光量の５０％分の光量を補うように周辺部にゲイン補正を行う。

なお、このレンズによる画面中央部に対する画面周辺部の光量低下特性は、工場出荷時に設定しておいても良いし、均一輝度の被写体（例えば白紙）を撮影することで補正量を設定できるように撮像装置に設定の為のモードを設けても良い。

また、上述した、Ｆ値と周辺光量落ち補正量の関係はレンズの光学設計に応じて変わるので、撮像装置本体に、予めレンズごとの周辺光量落ち補正量を保持しておき、レンズと通信を行うことにより、交換レンズタイプの撮像装置においても適用可能である。

ここで、図２の（ａ）と（ｂ）を合わせて説明をする。

被写体の明るさが第一の明るさでありＡＧＣを動作させることで露出を制御しているときは、絞りが開放状態（Ｆ１．８）で固定されている。そして、絞り状態検出装置１５０が絞りが開放状態であることを検出し、周辺光量落ち量算出装置２７０ｂは、絞り状態検出装置１５０の検出結果を受けてあらかじめ記憶しているＦ値に対する周辺光量落ち量を算出する。

周辺光量落ち補正量算出装置２７０ｃは、判定された周辺光量落ち量に基づき周辺光量落ち補正量補正量が３０％であると算出する。このとき絞りが開放で一定であるため周辺光量落ち補正量も一定である。

その後、被写体が明るくなっていき第二の明るさまで明るくなったら、絞りが開放状態（Ｆ１．８）からＦ２．８に向けて動作し始める。

このときの周辺光量落ち補正量は、上述したように周辺光量落ち補正量算出装置２７０ｃにより算出され、３０％から０％の方向に向け減少していく。

Ｆ２．８になると周辺光量落ち補正量は０％になり、そこからＦ８．０に向けて絞りが絞られると周辺光量落ち補正量は５０％まで上昇する。

更に被写体が明るくなっていき第三の明るさになると、絞りはＦ８．０で固定された状態で電子シャッターが動作して露出を適正にする。

ここでは絞りが動作しないため周辺光量落ち補正量は５０％のままとなる。

上記したようなプログラム線図に基づいた制御と周辺光量意落ち補正を行っている際に、周辺光量意落ち補正量が所定量を越えている状態が所定時間続いたら、プログラム線図制御装置２７０ｄによりプログラム線図を図４（ａ）の実線に切り換える。

ここで、プログラム線図を切り換えるための判定要素として周辺光量意落ち補正量が所定量を越えていることをあげているが、ここでは所定量を３０％としている。

また、プログラム線図を切り換えるためのもう一つの判定要素として、周辺光量意落ち補正量が所定量を越えている状態が所定時間続いていることをあげているが、ここでは所時間を５秒としている。

なお、本実施形態においては、プログラム線図を変更する際の閾値として、周辺光量落ち補正量を３０％、その状態の継続時間を５秒と設定しているが、閾値はこれらに限られるものではない。

すなわち、図２（ａ）にある「線図切換範囲」と書かれている範囲に各露出パラメータが存在する場合、周辺光量落ち補正量が３０％以上となり画質の悪化が懸念される。

そのため、図２（ａ）にある「線図切換範囲」と書かれている範囲に各露出パラメータが存在する状態が５秒以上続いたらプログラム線図を図４（ａ）の実線に切り換える。

ここで図４について説明をする。

図４（ａ）の実線はプログラム線図を切り換えた後のプログラム線図であり、Ｆ２．８で絞りが固定されるところが特徴である。

これは、絞り値がＦ２．８の時が画面周辺部の光量割合が最大となっているので、周辺光量落ちによる画質悪化の影響を受けにくい線図になっており、画質を良好に保つことができるからである。

図４（ａ）の点線は切り換える前のプログラム線図である。

また図４（ｂ）の実線はプログラム線図を切り換えた後の周辺光量落ち補正量と被写体の明るさとの関係を示す関係図であり、点線はプログラム線図を切り換える前の周辺光量落ち補正量と被写体の明るさとの関係を示す関係図である。

プログラム線図を切り換えた後は、Ｆ２．８で絞りが固定されて電子シャッターで露出制御を行っているため、周辺光量落ち補正量が０つまり、周辺光量落ち補正が行われない期間が存在する。

これにより、プログラム線図切り換え前より、切り換え後のほうが周辺光量落ち補正の補正量が減少する。具体的には、図４（ｂ）の網掛け部分が補正量が減少している部分である。

また、本実施形態においては、周辺光量落ち補正をできる限り行わないようなプログラム線図として図４（ａ）に示すプログラム線図を示しているが、レンズの特性によってプログラム線図を複数有し、それらを切り換え可能にしても良い。

以上説明してきたように、まず、画面中央部に対する画面周辺部の光量割合により周辺光量落ち補正回路により周辺光量落ち補正をかける。

周辺光量意落ち補正量が所定量を越えている状態が所定時間続いたら、プログラム線図を切り換える。

この切り替え動作により、画面中央部と画面周辺部の照度の差が小さくなる方向に絞りが動作し、周辺光量落ち補正回路による補正量を減らすことができる。すなわち、周辺光量落ち補正回路の画像補正による画面中央部に対する画面周辺部のＳ／Ｎ比の悪化を抑えることができる。

本発明の撮像装置のブロック図である。 発明の実施形態に係る切り換え前のプログラム線図とシェーディング補正量を示す図である。 本発明の実施形態に係るレンズによる画面中央部に対する画面周辺部の光量低下特性を示す図である。 本発明の実施形態に係る切り換え後のプログラム線図とシェーディング補正量を示す図である。 本発明の従来例に係るシェーディング補正の概念図である。

符号の説明

１１０ レンズ
１２０ 絞り
１３０ 絞り駆動モーター
１４０ 絞り駆動装置
１５０ 絞り検出装置
２００ 固体撮像素子
２１０ 固体撮像素子駆動装置
２２０ サンプルホールド／ＡＧＣ装置
２３０ Ａ／Ｄ変換器
２４０ ＤＳＰ
２４０ａ 輝度値取得装置
２４０ｂ 周辺光量落ち補正装置
２５０ メモリ
２６０ 記録媒体
２７０ マイクロコンピュータ
２７０ａ 評価値算出装置
２７０ｂ 周辺光量落ち量算出装置
２７０ｃ 周辺光量落ち補正量算出装置
２７０ｄ プログラム線図制御装置
２８０ 表示装置

Claims (6)

1. 露出制御を行うためのデバイスの制御値の組み合わせをプログラミングしてあるプログラム線図を複数有する撮像装置であって、
   撮影画面の中央部に対する当該撮影画面の周辺部の光量割合が所定割合以下であるとみなされる状態が予め定められた時間以上続いた場合に、
   既に設定されているプログラム線図を、前記周辺部の光量割合が大きくなるようなプログラム線図に切り換えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記周辺部の光量割合が大きくなるようなプログラム線図とは、絞り以外のデバイスの制御値が制御限界値に達するまで、前記周辺部の光量割合が最大となるような絞り値での絞り制御を行うようプログラミングされていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記プログラム線図におけるデバイスの制御値の組み合わせは、絞りの制御値を含み、シャッターと感度制御装置とＮＤフィルタのうちすくなくとも何れかのデバイスの制御値を含む組み合わせであることを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
4. 露出制御を行うためのデバイスの制御値の組み合わせをプログラミングしてあるプログラム線図を複数有する撮像装置の制御方法であって、
   撮影画面の中央部に対する当該撮影画面の周辺部の光量割合が所定割合以下であるとみなされる状態が予め定められた時間以上続いた場合に、
   既に設定されているプログラム線図を、前記周辺部の光量割合が大きくなるようなプログラム線図に切り換えることを特徴とする撮像装置の制御方法。
5. 前記周辺部の光量割合が大きくなるようなプログラム線図とは、絞り以外のデバイスの制御値が制御限界値に達するまで、前記周辺部の光量割合が最大となるような絞り値での絞り制御を行うようプログラミングされていることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置の制御方法。
6. 前記プログラム線図におけるデバイスの制御値の組み合わせは、絞りの制御値を含み、シャッターと感度制御装置とＮＤフィルタのうちすくなくとも何れかのデバイスの制御値を含む組み合わせであることを特徴とする請求項４または５に記載の撮像装置の制御方法。

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