JP2006333176A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 輝度幅の広い被写体の再現を可能としつつ、被写体の低輝度部が不要に圧縮されるのを防ぎ、黒つぶれの発生を抑制することの可能な、リニアログセンサを用いた撮像装置を得る。
【解決手段】 輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲が予め設定された第１の輝度範囲幅を越えた場合には、低輝度側の予め設定された第１の輝度範囲幅より狭い第２の輝度範囲幅が撮像素子の線形的変換領域となるように、変曲点を変更制御する撮像装置とする。
【選択図】 図８

Description

本発明は、入射光量に対して線形的に変換した電気信号と、入射光量に対して対数的に変換した電気信号の出力が可能な撮像素子を有する撮像装置に関するものである。

従来より、デジタルカメラ、車載カメラ、携帯端末に内蔵されるカメラモジュール等の撮像装置には、被写体光を光電変換する撮像素子が用いられている。この撮像素子としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）型イメージセンサやＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型イメージセンサ等の固体撮像素子がある。また、これらの撮像素子は、入射光量に対して線形的に変換した電気信号を出力するものが一般的である。

この線形的に変換した電気信号を出力する撮像素子は、発生した光電荷の量に比例した信号を出力するため再現できるダイナミックレンジが狭いという欠点がある。

一方、この欠点を解消するものとして、入射光量に対して線形的に変換した電気信号と、入射光量に対して対数的に変換した電気信号の出力が可能な撮像素子（リニアログセンサ）が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００２−２２３３９２号公報 特開２００４−０８８３１２号公報

上記のリニアログセンサは、従来の線形的に変換するだけの撮像素子に比べ、ダイナミックレンジを格段に広くすることができ、輝度幅の広い被写体の再現に対し非常に有用なものである。

しかしながら、単純に広い輝度範囲をログ領域として、ダイナミックレンジを広くすると、被写体の低輝度部である暗部も必要以上に圧縮されて黒つぶれとなり、暗部の画像再現性が悪化することになる。また、撮影者が意図的に、被写体の暗部（シャドー部）を階調豊かに表現したい場合もある。

即ち、被写体条件や撮影者の意図に基づき、適切な変曲点を設定することが、リニアログセンサの持つ利点をより効果的に利用したものとすることができる。

本発明は上記問題に鑑み、輝度幅の広い被写体の再現を可能としつつ、被写体の低輝度部が不要に圧縮されるのを防ぎ、黒つぶれの発生を抑制することの可能な、リニアログセンサを用いた撮像装置を得ることを目的とするものである。

上記の課題は、以下の構成により解決することができる。

１） 入射光量に対して線形的に変換した電気信号と入射光量に対して対数的に変換した電気信号の出力が可能な複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子に被写界の光を入射させる撮像光学系と、前記撮像素子からの電気信号出力における線形的変換領域と対数的変換領域との境界となる変曲点を変更制御する変曲点制御手段と、前記撮像素子の出力に基づいて被写界の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段と、を有し、前記変曲点制御手段は、前記輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲が予め設定された第１の輝度範囲幅を越えた場合には、前記輝度範囲における低輝度側の予め設定された第１の輝度範囲幅より狭い第２の輝度範囲幅が前記撮像素子の線形的変換領域となるように、変曲点を変更制御することを特徴とする撮像装置。

２） 入射光量に対して線形的に変換した電気信号と入射光量に対して対数的に変換した電気信号の出力が可能な複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子に被写界の光を入射させる撮像光学系と、前記撮像素子からの電気信号出力における線形的変換領域と対数的変換領域との境界となる変曲点を変更制御する変曲点制御手段と、前記撮像素子の出力に基づいて被写界の複数の位置の輝度を検出する輝度検出手段と、前記輝度検出手段で得られた輝度から被写界の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段と、を有し、前記変曲点制御手段は、前記輝度検出手段で得られた輝度の最低値が予め設定された輝度値を下回り且つ前記輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲が予め設定された第１の輝度範囲幅を越えた場合には、前記輝度範囲における低輝度側の予め設定された第１の輝度範囲幅より狭い第２の輝度範囲幅が前記撮像素子の線形的変換領域となるように、変曲点を変更制御することを特徴とする撮像装置。

３） 前記第２の輝度範囲幅は、前記輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲の最低輝度を含む１）又は２）の撮像装置。

４） 前記輝度範囲検出手段による輝度範囲の検出時には、全ての輝度範囲を対数変換領域となるよう変曲点を変更制御する１）〜３）のいずれかの撮像装置。

５） 前記第１の輝度範囲幅及び第２の輝度範囲幅の少なくとも一方を変更可能とした１）〜４）のいずれかの撮像装置。

上記１）〜３）の発明によれば、輝度幅の広い被写体の再現を可能としつつ、被写体の低輝度部に黒つぶれを発生させることなく、被写体の暗部（シャドー部）を階調豊かに再現できる撮像装置を得ることが可能となる。

上記４）の発明によれば、１度のサンプリングで、被写界の輝度範囲を検出することができ、撮影準備のための時間を短縮でき、シャッタチャンスを逃さない撮像装置とすることができる。

上記５）の発明によれば、撮影者の意図に応じた、被写体の暗部（シャドー部）の階調再現が可能な撮像装置を得ることができる。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る撮像装置１の外観斜視図である。同図に示す撮像装置１は、デジタルカメラであり、同図（ａ）はカメラ前面側を示し、同図（ｂ）はカメラ背面側を示している。

同図（ａ）に示すように、撮像装置１が備える筐体２の前面中央部付近には、被写体の画像光を所定の焦点に集光させるレンズユニット３が配置され、レンズユニット３の光軸が筐体２の前面に直交するように設けられている。そして、筐体２の内部であってレンズユニット３の後方には、レンズユニット３を介して入射した被写体の反射光を電気信号に光電変換する、不図示の撮像素子が設けられている。

また、筐体２の前面上端部付近には撮影時に、補助光として光を照射するフラッシュ発光部５が備えられている。本実施形態のフラッシュ発光部５は撮像装置１に内蔵されたエレクトリックフラッシュによって構成されているが、外付けのフラッシュ又は高輝度ＬＥＤによって構成してもよい。また、筐体２の前面であってレンズユニット３の上部付近には、フラッシュ発光部５から照射された光の、被写体からの反射光を受光する調光センサ６が設けられている。１４ａは光学式ファインダの対物側の入射窓である。

上面には、シャッタレリーズを行うためのレリーズスイッチ１６が設けられている。レリーズスイッチ１６は、途中まで押し込んだ「半押し状態」の操作と、更に押し込んだ「全押し状態」の操作とが可能とされている。側面には、撮像装置１をパーソナルコンピュータなどに接続するＵＳＢケーブルを接続するためのＵＳＢ端子１８が設けられている。

更に、撮像装置１が備える筐体２の内部には、不図示のシステム制御部及び信号処理部などの回路を含む回路基板が設けられている。

また、同図（ｂ）に示すように、筐体２の背面には、画像表示用のモニタ１１が設けられている。モニタ１１はＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、有機ＥＬディスプレイなどによって構成されており、被写体のプレビュー画面や撮影画像を表示することができるようになっている。

撮像装置１の背面上端部付近には、ズームを調整するためのズームボタンＷ１２（Ｗｉｄｅ：広角）及びズームボタンＴ１３（Ｔｅｌｅｐｈｏｔｏ：望遠）が設けられている。また、撮像装置１の背面であってレンズユニット３が設けられている位置の上方には、筐体２の背面側から被写体を確認するための光学式のファインダ接眼部１４ｂが配置されている。

更に、撮像装置１の背面には、モニタ１１の画面上に表示されたカーソルやウィンドウの移動又はウィンドウの指定範囲の変更をするための十字キーを備えた選択用十字キー１５ａが設けられている。また、選択用十字キー１５ａの隣には、カーソルやウィンドウによって指定した内容を確定するための確定キー１５ｂが備えられている。

また、筐体２の内部には不図示の電池及びメモリカードなどの記録部が装填されている。

なお、コンパクトカメラタイプのデジタルカメラで説明したが、本発明の撮像装置には、一眼レフタイプのデジタルカメラ、カメラ付携帯電話、車載カメラなどの撮影機能を備えた電子機器の他、携帯電話、車載カメラなどの電子機器に組み込まれるカメラユニットなども含まれるものである。

図２は、本実施の形態に係る撮像装置１の機能的構成を示すブロック図である。

上述のように、撮像装置１は筐体２の内部の回路基板上にシステム制御部７を備えている。システム制御部７は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、書き換え可能な半導体素子で構成されるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及び不揮発性の半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）から構成されている。

また、システム制御部７には撮像装置１の各構成部分が接続されており、システム制御部７は、ＲＯＭに記録された処理プログラムをＲＡＭに展開してＣＰＵによりこの処理プログラムを実行することにより、これらの各構成部分を駆動制御するようになっている。

同図に示すように、システム制御部７には、レンズユニット３、絞り制御部１９、撮像素子４、信号処理部８、タイミング生成部２０、記録部１０、フラッシュ発光部５、調光センサ６、モニタ１１、操作部２１及び変曲点変更部２２が接続されている。

レンズユニット３は、被写体光像を撮像素子４の撮像面に結像する複数のレンズ及びレンズにより集光される光の量を調整する絞り部から構成されている。

絞り制御部１９は、レンズユニット３においてレンズにより集光される光の量を調整する絞り部を駆動制御するようになっている。すなわち、絞り制御部１９は、システム制御部７から入力される制御値に基づき、撮像素子４の撮像動作時に開口している絞り部を、所定の露光時間の経過後に閉塞させ、また、非撮像時は撮像素子４への入射光を遮断することにより、入射光量を制御するようになっている。

撮像素子４は、被写体光像であるＲ，Ｇ，Ｂの各色成分の入射光を電気信号に光電変換して取り込むようになっている。

図３は、本実施の形態に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。

同図に示すように、撮像素子４は、行列配置（マトリクス配置）された複数の画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mn（但し、ｎ，ｍは１以上の整数）を有している。

各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、入射光を光電変換して電気信号を出力するものである。これら画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、入射光量に応じた電気信号の変換動作の切り換えが可能となっており、より詳細には、入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と、対数変換する対数変換動作とを切り換えるようになっている。なお、本実施形態において、入射光を電気信号に線形変換や対数変換するとは、光量の時間積分値を線形的に変化するような電気信号に変換することや、対数的に変化するような電気信号に対数変換することである。

画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnのレンズユニット３側には、それぞれレッド（Ｒｅｄ）、グリーン（Ｇｒｅｅｎ）及びブルー（Ｂｌｕｅ）のうち何れか１色のフィルタ（図示せず）が配設されている。また、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnには、同図に示すように、電源ライン２３や信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cn、信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmが接続されている。なお、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnには、クロックラインやバイアス供給ライン等のラインも接続されているが、同図ではこれらの図示を省略している。

信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cnは画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに対して信号φ_v，φ_VD，φ_VPS（図４，図５参照）を与えるようになっている。これら信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cnには、垂直走査回路２４が接続されている。この垂直走査回路２４は、タイミング生成部２０（図２参照）からの信号に基づいて信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_Cnに信号を印加するものであり、信号を印加する対象の信号印加ラインＬ_A1〜Ｌ_An，Ｌ_B1〜Ｌ_Bn，Ｌ_C1〜Ｌ_CnをＸ方向に順次切り換えるようになっている。

信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmには、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnで生成された電気信号が導出されるようになっている。これら信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmには定電流源Ｄ₁〜Ｄ_m及び選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mが接続されている。また、定電流源Ｄ₁〜Ｄ_mの一端（図中下側の端部）には、直流電圧Ｖ_PSが印加されるようになっている。

選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mは、各信号読出ラインＬ_D1〜Ｌ_Dmを介して画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnから与えられるノイズ信号と撮像時の電気信号とをサンプルホールドするものである。これら選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mには、水平走査回路２５及び補正回路２６が接続されている。水平走査回路２５は、電気信号をサンプルホールドして補正回路２６に送信する選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mを、Ｙ方向に順次切り換えるものである。また、補正回路２６は、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mから送信されるノイズ信号及び撮像時の電気信号に基づき、当該電気信号からノイズ信号を除去するものである。

なお、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_m及び補正回路２６としては、特開２００１−２２３９４８号公報に開示のものを用いることができる。また、本実施の形態においては、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mの全体に対して補正回路２６を１つのみ設けることとして説明するが、選択回路Ｓ₁〜Ｓ_mのそれぞれに対して補正回路２６を１つずつ設けることとしても良い。続いて、撮像素子４が備える画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnについて説明する。

図４は、本実施の形態に係る撮像素子が備える画素の構成を示す回路図である。

同図に示すように、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、フォトダイオードＰ、トランジスタＴ₁〜Ｔ₆及びキャパシタＣを備えている。なお、トランジスタＴ₁〜Ｔ₆は、ＰチャネルのＭＯＳトランジスタである。

フォトダイオードＰには、レンズユニット３を通過した光が当たるようになっている。このフォトダイオードＰのカソードＰ_kには直流電圧Ｖ_PDが印加されており、アノードＰ_AにはトランジスタＴ₁のドレインＴ_1Dが接続されている。

トランジスタＴ₁のゲートＴ_1Gには信号φ_Sが入力されるようになっており、ソースＴ_1SにはトランジスタＴ₂のゲートＴ_2G及びドレインＴ_2Dが接続されている。

このトランジスタＴ₂のソースＴ_2Sには信号印加ラインＬ_C（図３のＬ_C1〜Ｌ_Cnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬ_Cから信号φ_VPSが入力されるようになっている。ここで、信号φ_VPSは電圧信号であり、より詳細には、入射光量が所定入射光量ｔｈを超えたときにトランジスタＴ₂をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧値ＶＬと、トランジスタＴ₂を導通状態にする電圧値ＶＨの値をとるようになっている。

また、トランジスタＴ₁のソースＴ_1SにはトランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gが接続されている。このトランジスタＴ₃のドレインＴ_3Dには、直流電圧Ｖ_PDが印加されるようになっている。また、トランジスタＴ₃のソースＴ_3Sには、キャパシタＣの一端と、トランジスタＴ₅のドレインＴ_5Dと、トランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとが接続されている。

キャパシタＣの他端には、信号印加ラインＬ_B（図３のＬ_B1〜Ｌ_Bnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬ_Bから信号φ_VDが与えられるようになっている。ここで、信号φ_VDは３値の電圧信号であり、より詳細には、キャパシタＣを積分動作させる際の電圧値Ｖｈと、光電変換された電気信号読み出し時の電圧値Ｖｍと、ノイズ信号読み出し時の電圧値Ｖｌとの３つの値をとるようになっている。

トランジスタＴ₅のソースＴ_5Sには直流電圧Ｖ_RGが、ゲートＴ_5Gには信号φ_RSが入力されるようになっている。トランジスタＴ₄のドレインＴ_4Dには、トランジスタＴ₃のドレインＴ_3Dと同様に直流電圧Ｖ_PDが印加されるようになっており、ソースＴ_4Sには、トランジスタＴ₆のドレインＴ_6Dが接続されている。

このトランジスタＴ₆のソースＴ_6Sには、信号読出ラインＬ_D（図３のＬ_D1〜Ｌ_Dmに相当）が接続されており、ゲートＴ_6Gには、信号印加ラインＬ_A（図３のＬ_A1〜Ｌ_Anに相当）から信号φ_Vが入力されるようになっている。

このような回路構成をとることにより、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは以下のリセット動作を行うようになっている。

図５は、本実施の形態に係る撮像素子が備える画素の動作のタイミングチャートを示す図である。

同図に示すように、垂直走査回路２４が画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnのリセット動作を行うようになっている。具体的には、信号φ_SがＬｏｗ、信号φ_VがＨｉ、信号φ_VPSがＶＬ、信号φ_RSがＨｉ、信号φ_VDがＶｈとなっている状態から、垂直走査回路２４が、パルス信号φ_Vと、電圧値Ｖｍのパルス信号φ_VDとを画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに与えて電気信号を信号読出ラインＬ_Dに出力させた後、信号φ_SをＨｉとしてトランジスタＴ₁をＯＦＦとするようになっている。

次に、垂直走査回路２４が信号φ_VPSをＶＨとすることで、トランジスタＴ₂のゲートＴ_2G及びドレインＴ_2D、並びにトランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gに蓄積された負の電荷を速やかに再結合させるようになっている。また、垂直走査回路２４が信号φ_RSをＬｏｗとしてトランジスタＴ₅をＯＮにすることにより、キャパシタＣとトランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとの接続ノードの電圧を初期化するようになっている。

次に、垂直走査回路２４が信号φ_VPSをＶＬとすることで、トランジスタＴ₂のポテンシャル状態を基の状態に戻した後、信号φ_RSをＨｉにして、トランジスタＴ₅をＯＦＦにする。次に、キャパシタＣが積分動作を行うようになっている。これにより、キャパシタＣとトランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとの接続ノードの電圧が、リセットされたトランジスタＴ₂のゲート電圧に応じたものとなる。

次に、垂直走査回路２４がパルス信号φ_VをトランジスタＴ₆のゲートＴ_6Gに与えることでトランジスタＴ₆をＯＮにするとともに、電圧値Ｖｌのパルス信号φ_VDをキャパシタＣに印加するようになっている。このとき、トランジスタＴ₄がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号読出ラインＬ_Dにはノイズ信号が電圧信号として現れる。

そして、垂直走査回路２４がパルス信号φ_RSをトランジスタＴ₅のゲートＴ_5Gに与えてキャパシタＣとトランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gとの接続ノードの電圧をリセットした後、信号φ_SをＬｏｗにしてトランジスタＴ₁をＯＮとするようになっている。これにより、リセット動作が完了し、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnが撮像可能状態となる。

また、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは以下の撮像動作を行うようになっている。

フォトダイオードＰより入射光量に応じた光電荷がトランジスタＴ₂に流れ込むと、光電荷がトランジスタＴ₂のゲートＴ_2Gに蓄積されるようになっている。

ここで、被写体の輝度が低く、フォトダイオードＰに対する入射光量が前記所定入射光量ｔｈよりも少ない場合には、トランジスタＴ₂はカットオフ状態であるので、トランジスタＴ₂のゲートＴ_2Gに蓄積された光電荷量に応じた電圧が当該ゲートＴ_2Gに現れる。そのため、トランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gには、入射光を線形変換した電圧が現れるようになっている。

一方、被写体の輝度が高く、フォトダイオードＰに対する入射光量が前記所定入射光量ｔｈよりも多い場合には、トランジスタＴ₂がサブスレッショルド領域で動作を行うようになっている。そのため、トランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gには、入射光を自然対数で対数変換した電圧が現れる。

なお、本実施の形態においては、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの間で前記所定値の値は等しくなっている。

トランジスタＴ₃のゲートＴ_3Gに電圧が現れると、その電圧量に応じてキャパシタＣからトランジスタＴ₃のドレインＴ_3Dに流れる電流が増幅されるようになっている。そのため、トランジスタＴ₄のゲートＴ_4Gには、フォトダイオードＰの入射光を線形変換又は対数変換した電圧が現れる。

次に、垂直走査回路２４が信号φ_VDの電圧値をＶｍとするとともに、信号φ_VをＬｏｗとするようになっている。これにより、トランジスタＴ₄のゲート電圧に応じたソース電流が、トランジスタＴ₆を介して信号読出ラインＬ_Dへ流れる。このとき、トランジスタＴ₄がソースフォロワ型のＭＯＳトランジスタとして動作するため、信号読出ラインＬ_Dには撮像時の電気信号が電圧信号として現れるようになっている。ここで、トランジスタＴ₄，Ｔ₆を介して出力される電気信号の信号値はトランジスタＴ₄のゲート電圧に比例した値となるため、当該信号値はフォトダイオードＰの入射光を線形変換又は対数変換した値となる。

そして、垂直走査回路２４が信号φ_VDの電圧値をＶｈとするとともに、信号φ_VをＨｉとすることにより、撮像動作が終了するようになっている。

以上のように動作するとき、撮像時の信号φ_VPSの電圧値ＶＬが低くなり、リセット時の信号φ_VPSの電圧値ＶＨとの差を大きくするほど、トランジスタＴ₂のゲート・ソース間におけるポテンシャル差が大きくなって、トランジスタＴ₂がカットオフ状態で動作する被写体輝度の割合が大きくなる。したがって、以下の図６に示すように、電圧値ＶＬが低いほど、線形変換する被写体輝度の割合が大きくなる。このように、本実施形態に係る撮像素子４の出力信号は、入射光量に応じて線形領域及び対数領域が連続的に変化するようになっている。

そこで、例えば、被写体の輝度範囲が狭い場合は電圧値ＶＬを低くして線形変換する輝度範囲を広くし、また、被写体の輝度範囲が広い場合は電圧値ＶＬを高くして対数変換する輝度範囲を広くすることで、被写体の特性に合った光電変換特性とすることができる。なお、電圧値ＶＬを最小とするとき、常に線形変換する状態とし、また、電圧値ＶＨを最大とするとき、常に対数変換する状態とすることもできる。

このように動作する撮像素子４の画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに与える信号φ_VPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることによって、ダイナミックレンジを切り換えることが可能となっている。すなわち、システム制御部２が信号φ_VPSの電圧値ＶＬの値を切り換えることによって、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの線形変換動作から対数変換動作に切り換わる変曲点を変更することができるようになっている。

図６は、本実施の形態に係る撮像素子の露光量に対する出力を示すグラフである。同図に示すように、システム制御部２が電圧値ＶＬの値を切り換えることにより、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの線形変換動作から対数変換動作に切り換わる変曲点を変更することができるようになっている。

なお、本実施形態に係る撮像素子４は線形変換動作と対数変換動作とを各画素において自動的に切り換えるものであればよく、図４とは異なる構成の画素を備えた撮像素子４であってもよい。

また、本実施の形態においては撮像時の信号φ_VPSの電圧値ＶＬを変更することで線形変換動作と対数変換動作とを切り換えることとしたが、リセット時の信号φ_VPSの電圧値ＶＨを変更することで線形変換動作と対数変換動作との変曲点を変更してもよい。更に、リセット時間を変更することで線形変換動作と対数変換動作との変曲点を変更してもよい。

また、本実施の形態の撮像素子４は各画素にＲＧＢフィルタを備えるものとしたが、シアン（Ｃｙａｎ）、マゼンタ（Ｍａｇｅｎｔａ）、イエロー（Ｙｅｌｌｏｗ）など他の色フィルタを備えるものとしてもよい。

図２に戻り、信号処理部８はアンプ２７、Ａ／Ｄコンバータ２８、黒基準補正部２９、ＡＥ評価値算出部３０、ＷＢ処理部３１、色補間部３２、色補正部３３、階調変換部３４及び色空間変換部３５から構成されている。

このうち、アンプ２７は、撮像素子４から出力された電気信号を所定の規定レベルに増幅して撮影画像のレベル不足を補償するようになっている。また、Ａ／Ｄコンバータ２８（ＡＤＣ）は、アンプ２７において増幅された電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するようになっている。

黒基準補正部２９は、最低輝度値となる黒レベルを、基準値に補正するようになっている。すなわち、撮像素子４のダイナミックレンジにより黒レベルが異なるため、Ａ／Ｄコンバータ２８から出力されるＲＧＢ各信号の信号レベルに対して、黒レベルとなる信号レベルを減算することで黒基準補正が行われるようになっている。

ＡＥ評価値算出部３０は、黒基準補正後の電気信号からＡＥ（自動露出）のための、２つの機能を有している。ＲＧＢの各原色成分から成る電気信号の輝度値を確認することにより、被写体の輝度範囲を表す輝度の平均値を算出して、入射光量を設定するＡＥ評価値としてシステム制御部７に出力する機能と、撮像素子４で得られる被写体画像全体（被写界と称す）のうち、予め決めておいた複数の位置の輝度値を演算する輝度検出部と、輝度検出部により得られた被写界の複数の位置の輝度値のうち、最低輝度値と最高輝度を検出し、最高輝度値と最低輝度値の差から得られる被写界の輝度幅を検出する輝度範囲検出部と、被写界の輝度幅が所定値を越えているかどうか判断する比較部と、最低輝度値が所定値以下かどうか判断する比較部を備えており、これらの結果をシステム制御部７に出力する機能とを有している。

システム制御部７では、得られた結果に応じて、変曲点変更部２２を制御するようになっている。

ＷＢ処理部３１は、黒基準補正後の電気信号から補正係数を算出することによって、撮像画像のＲ，Ｇ，Ｂの各色成分のレベル比（Ｒ／Ｇ，Ｂ／Ｇ）を調整して白色を正しく表示するようになっている。色補間部３２は、撮像素子４の画素において得られる信号が原色のうち一つあるいは二つだけである場合に、各画素についてＲ，Ｇ，Ｂの各色成分値を求めることができるように、欠落する色成分を画素ごとに補間する色補間処理を行う。色補正部３３は、色補間部３２から入力する画像データの画素ごとの色成分値を補正して、各画素の色合いを強調した画像を生成する。階調変換部３４は、画像を忠実に再現すべく、画像の入力から最終出力までにおいてガンマを１として理想階調再現特性を実現するために、画像の階調の応答特性を撮像装置１のガンマ値に応じた最適のカーブに補正するガンマ補正処理を行う。

色空間変換部３５は、色空間をＲＧＢからＹＵＶに変換するようになっている。ＹＵＶは、輝度（Ｙ）信号と青の色差（Ｕ、Ｃｂ）と赤の色差（Ｖ、Ｃｒ）の２つの色度で色を表現するの管理方法であり、色空間をＹＵＶに変換することにより、色差信号のみのデータ圧縮が行いやすくなる。

タイミング生成部２０は、撮像素子４による撮影動作（露光に基づく電荷蓄積や蓄積電荷の読出しなど）を制御するようになっている。すなわち、システム制御部７からの撮影制御信号に基づいて所定のタイミングパルス（画素駆動信号、水平同期信号、垂直同期信号、水平走査回路駆動信号、垂直走査回路駆動信号など）を生成して撮像素子４に出力するようになっている。また、タイミング生成部２０は、Ａ／Ｄコンバータ２８において用いられるＡ／Ｄ変換用のクロックも生成する。

記録部１０は、半導体メモリなどからなる記録用のメモリであり、信号処理部８から入力された画像データを記録する画像データ記録領域を有している。記録部１０は、例えばフラッシュメモリなどの内蔵型メモリや、着脱可能なメモリカードであってもよく、また、ハードディスク等の磁気記録媒体などであってもよい。

フラッシュ発光部５は、被写体の撮影時に検出された周囲環境の輝度が不足する場合に、システム制御部７の制御によって所定の発光タイミングで発光するようになっている。調光センサ６は、発光量を調光するために、被写体側から反射されるフラッシュ光の反射光を受光して、受光結果をシステム制御部７に出力するようになっている。

モニタ１１は、表示部としての機能を果たすものであり、被写体のプレビュー画像を表示し、システム制御部７の制御に基づいて信号処理部８で画像処理された撮影画像を表示する他、ユーザが機能選択するためのメニュー画面などのテキスト画面を表示するようになっている。すなわち、モニタ１１は、静止画撮影モード又は動画撮影モードを選択する撮影モード選択画面や、オートモード、オフモード又はオンモードのいずれかを選択するストロボモード選択画面などを表示するようになっている。
操作部２１は、ズームボタンＷ１２、ズームボタンＴ１３、選択用十字キー１５ａ、レリーズスイッチ１６及び電源スイッチ１７等から構成されており、ユーザが操作部２１を操作することにより、各ボタン又はスイッチの機能に対応した指示信号がシステム制御部７に送信され、この指示信号に従って撮像装置１の各構成部分が駆動制御されるようになっている。

このうち、選択用十字キー１５ａは、十字キーの押下によりモニタ１１の画面上でカーソルやウィンドウを移動させる機能を果たすと共に、確定キー１５ｂの押下によりカーソルやウィンドウによる選択内容を確定させる機能を果たしている。すなわち、選択用十字キー１５ａの十字キーを押下することによりモニタ１１に表示されたカーソルを移動させて、メニュー画面から撮影モードの選択画面を開き、更に撮影モードの選択画面上で所望の撮影モードボタンにカーソルを移動させて、確定キー１５ｂを押下すると、撮影モードを決定することができるようになっている。

ズームボタンＷ１２は押下によりズームを調整して被写体を小さく写す機能を果たし、また、ズームボタンＴ１３は押下によりズームを調整して被写体を大きく写す機能を果たしている。

レリーズスイッチ１６は、静止画撮影モードにおいて半押し（以下、スイッチＳ１のＯＮと称す）により撮影の準備動作を開始し、また、全押し（以下、スイッチＳ１のＯＮと称す）により撮像素子４を露光して、その露光によって得られた電気信号に所定の信号処理を施して記録部１０に記録するという一連の撮影動作が実行されるようになっている。電源スイッチ１７は、押下により撮像装置１のＯＮ、ＯＦＦを順次繰り返すようになっている。

以上が、本実施の形態に係る撮像素子４及びこの撮像素子４を備えた撮像装置１の概略である。以下に、撮像装置１の動作について説明する。

なお、撮像装置１は、静止画撮影モード、動画撮影モード、再生モード、セットアップモード等を有するものであるが、本発明は、静止画もしくは動画撮影モードに係るものであり、以下では、静止画撮影モードを例にとり詳しく説明する。

更に、本発明は、輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲が予め設定された第１の輝度範囲幅を越えた場合には、低輝度側の予め設定された第１の輝度範囲幅より狭い第２の輝度範囲幅が撮像素子の線形的変換領域となるように、変曲点を変更制御して撮影露光を行うものであり、このような撮影モードを本実施の形態では、シャドー部再現撮影モードと称して説明する。

図７は、静止画撮影モード時の概略の動作を示すフローチャートである。また、図８は静止画撮影モード内のシャドー部再現撮影モードが選択されている場合の概略の動作を示すフローチャートである。以下、図７及び図８に示すフローに従い説明する。

図７のフローチャートにおいて、静止画撮影モードに入ると、撮像素子、アンプ、Ａ／Ｄコンバータ等の撮像部の駆動を開始し（ステップＳ１５０）、画像表示部であるモニタでライブビュー表示を行う（ステップＳ１５１）。

ここで、メインスイッチのＯＮを判断する（ステップＳ１５２）。メインスイッチがＯＦＦされた場合（ステップＳ１５２；Ｎｏ）には、ライブビュー表示を停止させ（ステップＳ１８０）、撮像部の駆動を停止（ステップＳ１８５）させて終了する。

メインスイッチがＯＮの場合（ステップＳ１５２；Ｙｅｓ）には、再度、静止画撮影モードであるか判断する（ステップＳ１５３）。静止画撮影モード以外のモードに切り替えられた場合（ステップＳ１５３；Ｎｏ）には、他の切り替えられたモードへ移行する（ステップＳ１７０）。

静止画撮影モードである場合（ステップＳ１５３；Ｙｅｓ）は、次にシャドー部再現撮影モードが予め設定されているか判断する（ステップＳ１５４）。

このシャドー部再現撮影モードの設定は、例えば図１及び図２で説明したように、モニタ１１にメニュー画面から撮影モードの選択画面を開き、更に撮影モードの選択画面上で、選択用十字キー１５ａの十字キーを押下することにより、モニタ１１に表示されたシャドー部再現撮影モードにカーソルを移動させて、確定キー１５ｂを押下すると、シャドー部再現撮影モードが設定されるようになっている。

ここで、シャドー部再現撮影モードが予め設定されている場合（ステップＳ１５４；Ｙｅｓ）は、シャドー部再現撮影モードへ移行する（ステップＳ２００）。このシャドー部再現撮影モードの動作概略について、先に説明する。

図８は、静止画撮影モード内のシャドー部再現撮影モード時の概略の動作を示すフローチャートである。

図８のフローチャートにおいて、シャドー部再現撮影モードに入ると、まずスイッチＳ１がＯＮされているか判断する（ステップＳ２０１）。

スイッチＳ１がＯＮされていない場合（ステップＳ２０１；Ｎｏ）は、図７に示すステップＳ１５２へ戻る。即ち、スイッチＳ１がＯＮされるまで、ライブビュー表示をおこないつつ、メインスイッチ、モード選択、スイッチＳ１のいずれかが操作されるのを待機する。

スイッチＳ１がＯＮされる（ステップＳ２０１；Ｙｅｓ）と、例えば、所定の露光時間、絞り値で撮像素子出力が全ての輝度に対し対数的変換がされるよう変曲点を設定する（ステップＳ２０２）。これは、システム制御部７が変曲点変更部２２を制御することで行われる（図２参照）。

次いで、被写界の画像を対数的変換領域での画像データとして取り込む（ステップＳ２０３）。次に、得られた被写界の画像データのうち、予め決められた複数の位置の輝度値を演算により求める（ステップＳ２０４）。

これは、例えば、以下のようにして求めることができる。例えば画像データが１６００画素×１２００画素の解像度の画像の場合、得られた被写界の画像データを長辺方向２００、短辺方向１５０の３００００のブロックに分割し、それぞれのブロック内の８画素×８画素の６４画素から、Ｒ（赤）の１６画素の平均値ＡｖｅＲ、Ｇ（緑）の３２画素の平均値ＡｖｅＧ、Ｂ（青）の１６画素の平均値ＡｖｅＢを算出し、対数的変換データを線形的変換データに換算した後、輝度Ｙとし、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３を重み付け係数とすると、以下の式、
Ｙ＝ＡｖｅＲ×Ｋ１＋ＡｖｅＧ×Ｋ２＋ＡｖｅＢ×Ｋ３
で求められる。これを被写界の分割された各ブロックについて同様に輝度Ｙを求める。

次いで、得られた各ブロック、即ち被写界の各位置の輝度Ｙのうち、最高輝度値と最低輝度値を抽出し、その差、即ち被写界の輝度幅を求め、この輝度幅が所定の輝度幅以上かどうか判断する（ステップＳ２０５）。この所定の輝度幅（第１の輝度範囲幅に相当）は、例えば撮像素子の線形的変換により得られるダイナミックレンジ以上の値、例えばＥＶ値差で３．５程度の値が用いられる。輝度幅が所定の輝度幅を越えていない場合（ステップＳ２０５；Ｎｏ）は、後述の図７に示すステップＳ１５６へ移行する。

輝度幅が所定の輝度幅を越えている場合（ステップＳ２０５；Ｙｅｓ）は、最低輝度値が予め決められた所定値以下かどうか判断する（ステップＳ２０６）。この予め決められた所定値は、例えばＩＳＯ感度１００換算でＥＶ９程度の値が用いられる。最低輝度値が予め決められた所定値以下でない場合（ステップＳ２０６；Ｎｏ）は、後述の図７に示すステップＳ１５６へ移行する。

最低輝度値が予め決められた所定値以下の場合（ステップＳ２０６；Ｙｅｓ）には、ＡＦ動作である焦点合わせを行うと共に、絞り値、シャッター速度を決定し、低輝度側の設定された輝度幅が線形的変換領域となるように変曲点を変更制御する（ステップＳ２０７）。この線形的変換領域となる設定された低輝度側の輝度幅（第２の輝度範囲幅に相当）は、例えばＥＶ値差で２程度の値が用いられる。

次いで、再度スイッチＳ１がＯＮされているか判断（ステップＳ２０８）し、スイッチＳ１がＯＮでない、即ちＯＦＦされている場合（ステップＳ２０８；Ｎｏ）には、図７に示すステップＳ１５２へ戻り、
スイッチＳ１がＯＮされている場合（ステップＳ２０８；Ｙｅｓ）には、スイッチＳ２がＯＮされるのを待機する（ステップＳ２０９）。スイッチＳ２がＯＮされていない場合（ステップＳ２０９；Ｎｏ）には、ステップＳ２０８へ戻る。

スイッチＳ２がＯＮされた場合（ステップＳ２０９；Ｙｅｓ）には、ステップＳ２０７で決定された撮影条件で撮影動作が実行され（ステップＳ２１０）、図７に示すステップＳ１６１へ移行し、メモリーカードに撮影した画像データを記録する。

図７の、ステップＳ１５４へ戻り、シャドー部再現撮影モードに設定されていない場合（ステップＳ１５４；Ｎｏ）には、ステップＳ１５５へ移行し、スイッチＳ１がＯＮされているか判断する（ステップＳ１５５）。スイッチＳ１がＯＮされていない場合（ステップＳ１５５；Ｎｏ）は、ステップＳ１５２へ戻る。

スイッチＳ１がＯＮされる（ステップＳ１５５；Ｙｅｓ）と、ＡＦ動作とＡＥ準備動作（ステップＳ１５６）を行う。ここでのＡＥ準備動作とは、例えば、被写界全体の輝度が全て再現可能となるように変曲点を変更制御し、絞り値、露光時間であるシャッター速度を決定することである。

この後、再度スイッチＳ１がＯＮされているか確認する（ステップＳ１５７）。スイッチＳ１がＯＮされていない場合（ステップＳ１５７；Ｎｏ）には、ステップＳ１５２へ戻る。スイッチＳ１がＯＮされている場合（ステップＳ１５７；Ｙｅｓ）には、スイッチＳ２がＯＮされるのを待機する（ステップＳ１５８）。スイッチＳ２がＯＮされていない場合（ステップＳ１５８；Ｎｏ）には、ステップＳ１５７へ戻る。

スイッチＳ２がＯＮされた場合（ステップＳ１５８；Ｙｅｓ）には、フラッシュ撮影かどうか確認する（ステップＳ１５９）。これはステップＳ１５６のＡＥ準備動作時に決定されているものであり、これを確認するものである。フラッシュ撮影でない場合（ステップＳ１５９；Ｎｏ）には、定常光による撮影動作が実行され（ステップＳ１６０）、メモリーカードに撮影した画像データを記録（ステップＳ１６１）し、撮影した画像を画像表示部に所定時間アフタービュー表示（ステップＳ１６２）した後、ステップＳ１５１のライブビュー表示に戻る。

一方、フラッシュ撮影の場合（ステップＳ１５９；Ｙｅｓ）には、フラッシュ撮影を行い（ステップＳ１７５）、ステップＳ１６１に移行する。

以上が、本実施の形態に係る撮像装置の動作概略である。

図９は、シャドー部再現撮影モード時の変曲点の制御の概略を示す図である。

同図に示すように、シャドー部再現撮影モード時には、検出された被写界の輝度範囲幅が予め設定されている第１の輝度範囲幅を越えている場合に、被写界の輝度範囲幅の低輝度側の予め設定されている第２の輝度範囲幅が、撮像素子の線形的変換領域となるように変曲点が制御されるものである。シャドー部再現撮影モードでは、例え被写界の輝度範囲幅が非常に大きい被写体であっても、第２の輝度範囲幅を線形的変換領域内に位置させることが優先されるものである。

以上説明したように、シャドー再現撮影モードを有することで、撮影者がシャドー部の描写を優先させたい意図を有する場合、被写界の輝度範囲幅が例え大きくても、被写体の低輝度部が不要に圧縮されるのを防ぎ、黒つぶれの発生を抑制し、撮影者の意図を盛り込んだ画像も得られる、リニアログセンサを用いた撮像装置を得ることができる。

なお、上記の実施の形態においては、第１の輝度範囲幅及び第２の輝度範囲幅が予め設定されている場合で説明したが、撮影者が意図に応じてメニュー画面から入力し、変更可能にしても良く、この場合には、シャドー部再現撮影モードを設定する際に、第１及び第２の輝度範囲幅をも同時に設定するよう構成することが好ましい。

また、上記のフローでは、撮像素子出力を全ての輝度に対し対数的変換領域となるよう変曲点を設定するもので説明したが、所定の露光時間及び絞り値で、予め決められた所定の輝度値以上が対数的変換領域となるよう変曲点を変更制御するか、もしくは予め決められた所定の輝度値以上は飽和させ、予め決められた所定の輝度値以下を線形的変換領域となるよう変曲点を制御してもよい。

また、静止画撮影モードを例にして説明したが、動画撮影モードにも適用可能なのは言うまでもない。

本実施の形態に係る撮像装置の外観斜視図である。 本実施の形態に係る撮像装置の機能的構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。 本実施の形態に係る撮像素子が備える画素の構成を示す回路図である。 本実施の形態に係る撮像素子が備える画素の動作のタイミングチャートを示す図である。 本実施の形態に係る撮像素子の入射光量に対する出力を示すグラフである。 静止画撮影モード時の概略の動作を示すフローチャートである。 静止画撮影モード内のシャドー部再現撮影モード時の概略の動作を示すフローチャートである。 シャドー部再現撮影モード時の変曲点の制御の概略を示す図である。

符号の説明

１ 撮像装置
２ 筐体
３ レンズユニット
４ 撮像素子
５ フラッシュ発光部
６ 調光センサ
７ システム制御部
８ 信号処理部
１１ モニタ
１２ ズームボタンＷ
１３ ズームボタンＴ
１４ 光学式ファインダ
１５ 選択用十字キー
１６ レリーズスイッチ
１７ 電源スイッチ
１８ ＵＳＢ端子
２２ 変曲点変更部
２７ アンプ
２８ Ａ／Ｄコンバータ
２９ 黒基準補正部
３０ ＡＥ評価値算出部
３１ ＷＢ処理部
３２ 色補間部
３３ 色補正部
３４ 階調変換部
３５ 色空間変換部

Claims (5)

1. 入射光量に対して線形的に変換した電気信号と入射光量に対して対数的に変換した電気信号の出力が可能な複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子に被写界の光を入射させる撮像光学系と、前記撮像素子からの電気信号出力における線形的変換領域と対数的変換領域との境界となる変曲点を変更制御する変曲点制御手段と、前記撮像素子の出力に基づいて被写界の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段と、を有し、
   前記変曲点制御手段は、前記輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲が予め設定された第１の輝度範囲幅を越えた場合には、前記輝度範囲における低輝度側の予め設定された第１の輝度範囲幅より狭い第２の輝度範囲幅が前記撮像素子の線形的変換領域となるように、変曲点を変更制御することを特徴とする撮像装置。
2. 入射光量に対して線形的に変換した電気信号と入射光量に対して対数的に変換した電気信号の出力が可能な複数の画素を有する撮像素子と、前記撮像素子に被写界の光を入射させる撮像光学系と、前記撮像素子からの電気信号出力における線形的変換領域と対数的変換領域との境界となる変曲点を変更制御する変曲点制御手段と、前記撮像素子の出力に基づいて被写界の複数の位置の輝度を検出する輝度検出手段と、前記輝度検出手段で得られた輝度から被写界の輝度範囲を検出する輝度範囲検出手段と、を有し、
   前記変曲点制御手段は、前記輝度検出手段で得られた輝度の最低値が予め設定された輝度値を下回り且つ前記輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲が予め設定された第１の輝度範囲幅を越えた場合には、前記輝度範囲における低輝度側の予め設定された第１の輝度範囲幅より狭い第２の輝度範囲幅が前記撮像素子の線形的変換領域となるように、変曲点を変更制御することを特徴とする撮像装置。
3. 前記第２の輝度範囲幅は、前記輝度範囲検出手段により得られた輝度範囲の最低輝度を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記輝度範囲検出手段による輝度範囲の検出時には、全ての輝度範囲を対数変換領域となるよう変曲点を変更制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 前記第１の輝度範囲幅及び第２の輝度範囲幅の少なくとも一方を変更可能としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。

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