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発明の名称 撮像装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2003−32556(P2003−32556A)
公開日 平成15年1月31日(2003.1.31)
出願番号 特願2001−215494(P2001−215494)
出願日 平成13年7月16日(2001.7.16)
代理人 【識別番号】100085501
【弁理士】
【氏名又は名称】佐野 静夫 (外1名)
【テーマコード(参考)】
2H053
5C022
5C024
5C065
【Fターム(参考)】
2H053 CA21 
5C022 AA13 AB15 AB17 AC42 AC55 AC69
5C024 BX01 CX51 DX01 DX04 GY31 JX09 JX21 JX36
5C065 AA03 BB39 BB48 CC01 CC08 DD15 EE03 FF05 GG14
発明者 山中 睦裕 / 本田 努
要約 課題
CMOS型の撮像素子を備え、撮影した画像にぶれが発生し難く、撮像素子の出力信号の処理効率に優れた撮像装置を提供する。

解決手段
蓄積電荷の消去を指示する駆動信号と蓄積電荷を表す信号の出力を指示する駆動信号を与える時期を画素ごとに可変にする。各画素の光電変換時間を、照明光の色特性に応じて、または結像光学系の状態に依存する撮像素子上の照度分布に応じて定める。また、画素の駆動の順序を、配列順序とは別に定めて、フラッシュ光によって照明される部分に対応する範囲、または主たる撮影対象に対応する範囲の画素を、略同時期に駆動する。
特許請求の範囲
【請求項1】 光電変換により電荷を生成して蓄積し、蓄積電荷の量を表す信号を出力する2次元に配列された画素を有し、蓄積電荷の消去と信号の出力を画素ごとに個別に行う撮像素子と、撮像素子上に撮影対象からの光を結像させる結像光学系を備え、撮像素子を露光している間に蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号と信号の出力を指示する第2の駆動信号を撮像素子の画素に与えて、撮像素子の画素が出力した信号から画像データを生成することにより画像を撮影する撮像装置において、第2の駆動信号を与える画素の順序が画素の2次元の配列の順序と異なることを特徴とする撮像装置。
【請求項2】 結像光学系の焦点が合っている撮影対象の範囲に略対応する範囲内に位置する画素に、その範囲外に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
【請求項3】 第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの間にフラッシュ光を発するときに、フラッシュ光で照明される撮影対象の範囲に略対応する範囲内に位置する画素に、その範囲外に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
【請求項4】 撮像素子の中央部に位置する画素に、周辺部に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
【請求項5】 光電変換により電荷を生成して蓄積し、蓄積電荷の量を表す信号を出力する2次元に配列された画素を有し、蓄積電荷の消去と信号の出力を画素ごとに個別に行う撮像素子と、撮像素子上に撮影対象からの光を結像させる結像光学系を備え、撮像素子を露光している間に蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号と信号の出力を指示する第2の駆動信号を撮像素子の画素に与えて、撮像素子の画素が出力した信号から画像データを生成することにより画像を撮影する撮像装置において、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間が、画素間で異なることを特徴とする撮像装置。
【請求項6】 第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、結像光学系の状態に基づく各画素の照度に応じて定めることを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。
【請求項7】 撮像素子の画素に光電変換をする光の波長が異なる複数の種類が含まれており、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、各画素の種類に応じて定めることを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。
【請求項8】 第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、撮影対象を照明する光の色特性に応じて定めることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
【請求項9】 光電変換により電荷を生成して蓄積し、蓄積電荷の量を表す信号を出力する2次元に配列された画素を有し、蓄積電荷の消去と信号の出力を画素ごとに個別に行う撮像素子と、撮像素子上に撮影対象からの光を結像させる結像光学系を備え、撮像素子を露光している間に蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号と信号の出力を指示する第2の駆動信号を撮像素子の画素に与えて、撮像素子の画素が出力した信号から画像データを生成することにより画像を撮影する撮像装置において、第1の駆動信号を与える時期と第2の駆動信号を与える時期が、画素ごとに可変であることを特徴とする撮像装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換を行う撮像素子を備えた撮像装置に関し、特に、蓄積電荷の消去と出力を画素ごと個別に行う撮像素子を備えた撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】光を電気信号に変換して画像を表す画像データを生成するデジタルカメラの普及が目覚ましい。デジタルカメラに用いられる撮像素子は、光電変換を行って電荷を生成し、生成した電荷を蓄積する画素が2次元に多数配列された構成であるが、電荷の蓄積と蓄積電荷の量を表す信号の出力に関して、いくつかの型に分類される。このうちの1つに、CMOS型と呼ばれるものがある。
【0003】CMOS型の撮像素子は外部への信号出力を各画素から個別に行う構成であり、画像データを生成する外部の信号処理回路が画素の出力信号を順に処理し得るようにするために、全ての画素は時期を違えて信号を出力する。また、各画素は、蓄積電荷そのものではなく、蓄積電荷の量に対応する大きさの信号を出力し、信号出力後も蓄積電荷を保持する。したがって、新たに光電変換を開始する際に、蓄積電荷の消去を行う。蓄積電荷の消去により光電変換が開始されることになるが、全画素の光電変換時間を揃えるために、蓄積電荷の消去も画素ごとに異なる時に行う。
【0004】CMOS型の撮像素子では、光電変換の開始に際して蓄積電荷を消去するから、常時露光することが可能であり、露光を規制するためのシャッターは不要である。その一方で、各画素の駆動を個別に制御する必要があり、蓄積電荷の消去すなわち光電変換の開始を指示する第1の駆動信号と、蓄積電荷を表す信号の出力を指示する第2の駆動信号を、各画素に個別に与える。第1、第2の駆動信号は異なる画素に順に与えられるが、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの期間は、光電変換時間すなわち電子シャッター速度に相当し、撮影対象の明るさに応じて設定される。一方、第1、第2の駆動信号を1つの画素に与えてから別の画素に与えるまでの周期は常に一定に設定される。
【0005】CMOS型の撮像素子の画素の位置と光電変換時期の関係の例を、図22に模式的に示す。図22において、横軸tは時刻を、縦軸yは撮像素子上のy座標を表している。また、符号RSTは、第1の駆動信号により画素の蓄積電荷を消去する(画素の信号をリセットする)ことを示しており、符号OUTは、第2の駆動信号により画素から信号を出力することを示している。なお、撮像素子上のx、y座標は、図21に示したように、撮像素子の中心Oを原点とし、左右(水平)方向をx、上下(垂直)方向をyと定義している。
【0006】一般に、第1、第2の駆動信号は、上端の画素列から下端の画素列に向かって順に与えられ、したがって、図22に示したように、光電変換の開始時刻および終了時刻は画素列ごとに相違する。このため、同一画像を撮影するための光電変換でありながら、その時期は一致しない。光電変換時期をx-y座標系で示すと図23のようになる。なお、時期の細かな差を表現することに代えて、図23では4段階の濃淡で時期を模式的に表している。一方、光電変換時間すなわち光電変換を行う時間長は、図24に均一な濃度で示したように、全ての画素について一定である。
【0007】第1、第2の駆動信号は、各画素列においては、左端の画素から右端の画素に向かって順に与えられる。したがって、光電変換時期は画素列内でも相違する。ただし、各画素列内での光電変換時期の差は僅かである。
【0008】画素列ごとに光電変換時期に差があることは、静止した撮影対象を撮影するときには特に問題とならない。しかし、撮影対象が動く場合は、撮影された撮影対象の像に歪みをもたらすことになる。例えば、撮影対象が垂直方向に下降したり上昇したりするときは、上下方向に伸張や短縮が生じ、また、水平方向に移動するときは、上部と下部の位置がずれて歪みが生じる。このような像の歪みは、光電変換時期の差が大きいほど大きくなる。
【0009】暗い環境での撮影においては光電変換中にフラッシュ光を発して撮影対象を照明するが、画素列ごとに光電変換時期に差があることは、フラッシュ光を発する場合にも問題となる。フラッシュ発光の時間がきわめて短く、全ての画素列の光電変換時間内にフラッシュ光を発するようにしなければ、部分的に照明されていない撮影対象の像を撮影することになるからである。
【0010】1例を図25に示す。これは、光電変換時期が図22に示したように設定されており、上端の画素列の光電変換時間の終了直前にフラッシュ光を発するようにしたものである。符号FLはフラッシュ発光を示す。この場合、下部の画素列は、フラッシュ発光の終了後に光電変換を開始することになり、撮影された画像には、図26に示すように、フラッシュ光で照明された部分Bとフラッシュ光で照明されていない部分Dが存在することになる。
【0011】このため、CMOS型の撮像素子を備えた従来のデジタルカメラでは、図27に示すように、フラッシュ光を発するときには、光電変換時間を長くすることにより、上端と画素列と下端の画素列の光電変換時間が一部重なるようにしている。これにより、フラッシュ発光FLがなされる時に全ての画素が光電変換を行っている状態とすることができ、図28に示すように、撮影された画像からフラッシュ光で照明されていない部分Dをなくすことができる。しかし、光電変換時間を長くすると、カメラを持つ使用者の手ぶれにより画像の質が低下するという問題が生じる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、CMOS型の撮像素子を備える従来の撮像装置では、光電変換を行わせる画素の順序を固定しており、光電変換時間も全ての画素について同じにしている。そのため、撮影対象が動くときや、フラッシュ光で撮影対象を照明するときに、像の歪みやぶれを招く結果となっている。
【0013】CMOS型の撮像素子は、本来、画素の駆動を個別に制御し得るものである。本発明は、この点に着目してなされたもので、上記の不都合を伴わず、さらに、撮像素子の出力信号に施す処理を低減した効率のよい撮像装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では、光電変換により電荷を生成して蓄積し、蓄積電荷の量を表す信号を出力する2次元に配列された画素を有し、蓄積電荷の消去と信号の出力を画素ごとに個別に行う撮像素子と、撮像素子上に撮影対象からの光を結像させる結像光学系を備え、撮像素子を露光している間に蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号と信号の出力を指示する第2の駆動信号を撮像素子の画素に与えて、撮像素子の画素が出力した信号から画像データを生成することにより画像を撮影する撮像装置において、第2の駆動信号を与える画素の順序が画素の2次元の配列の順序と異なるものとする。つまり、信号を出力する順序を画素の配列順序とは相違させる。
【0015】具体的には、結像光学系の焦点が合っている撮影対象の範囲に略対応する範囲内に位置する画素に、その範囲外に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えるようにする。通常、使用者は撮影対象全体のうちの主たる部分に撮影レンズの焦点を合わせるから、このようにすると、主たる撮影対象を表す信号を背景を表す信号に優先して出力させることになり、主たる撮影対象に対する光電変換の時期の差が小さくなる。したがって、主たる撮影対象が動いているときでも、ぶれや歪みが生じ難い。
【0016】また、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの間にフラッシュ光を発するときに、フラッシュ光で照明される撮影対象の範囲に略対応する範囲内に位置する画素に、その範囲外に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えるようにする。このようにすると、撮影対象全体のうちフラッシュ光で照明される範囲を表す信号を優先して出力させることになり、その範囲に対する光電変換の時期の差が小さくなる。したがって、光電変換時間を短くすることが可能になり、手ぶれが発生し難くなる。
【0017】また、撮像素子の中央部に位置する画素に、周辺部に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えるようにする。多くの場合、使用者は主たる撮影対象が中央に位置する構図で撮影を行うから、このようにすることで、主たる撮影対象が動いているときでも、ぶれや歪みの発生を抑え易くなる。また、撮影した画像に基づいて結像光学系の焦点調節や撮像素子の画素の光電変換時間の調節を行う場合、より重要な情報を担う中央部の信号を速やかに得ることができて、調節を迅速に行うことが可能になる。
【0018】前記目的を達成するために、本発明ではまた、光電変換により電荷を生成して蓄積し、蓄積電荷の量を表す信号を出力する2次元に配列された画素を有し、蓄積電荷の消去と信号の出力を画素ごとに個別に行う撮像素子と、撮像素子上に撮影対象からの光を結像させる結像光学系を備え、撮像素子を露光している間に蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号と信号の出力を指示する第2の駆動信号を撮像素子の画素に与えて、撮像素子の画素が出力した信号から画像データを生成することにより画像を撮影する撮像装置において、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間が、画素間で異なるものとする。つまり、光電変換時間を全ての画素について同じにしない。
【0019】具体的には、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、結像光学系の状態に基づく各画素の照度に応じて定める。一般に、結像光学系を経た光の強度は光軸から離れるほど低下する傾向があり、全ての画素の光電変時間を同じにすると、画素が出力した信号の強度を画素の位置に応じて補正する必要が生じる。しかし、このようにすることで、信号強度の補正の必要がなくなる。
【0020】また、撮像素子の画素に光電変換をする光の波長が異なる複数の種類が含まれている構成とし、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、各画素の種類に応じて定める。例えば、カラー画像を撮影するために、赤色光、緑色光、青色光を選択的に光電変換する3種類の画素を含むようにして、それら3種類の画素の光電変換時間を個別に定める。一般に、画素の感度は光電変換の対象とする光の波長によって異なるため、全ての画素の光電変時間を同じにすると、ホワイトバランスが適正な画像を得るためには、画素が出力した信号の強度を画素の種類に応じて補正する必要がある。また、信号の強度を補正すると、ダイナミックレンジが相対的に狭くなる画素も生じる。しかし、画素の種類に応じて光電変換時間を定めることで、信号の強度を補正することなく適正なホワイトバランスの画像を得ることが可能になり、ダイナミックレンジも一様にすることができる。
【0021】この場合、さらに、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、撮影対象を照明する光の色特性に応じて定めるようにするとよい。このようにすると、例えば、照明光が自然光であっても人工光であっても、適正なホワイトバランスの画像を得ることができる。
【0022】本発明ではまた、光電変換により電荷を生成して蓄積し、蓄積電荷の量を表す信号を出力する2次元に配列された画素を有し、蓄積電荷の消去と信号の出力を画素ごとに個別に行う撮像素子と、撮像素子上に撮影対象からの光を結像させる結像光学系を備え、撮像素子を露光している間に蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号と信号の出力を指示する第2の駆動信号を撮像素子の画素に与えて、撮像素子の画素が出力した信号から画像データを生成することにより画像を撮影する撮像装置において、第1の駆動信号を与える時期と第2の駆動信号を与える時期が、画素ごとに可変であるものとする。このようにすると、画素の駆動制御を柔軟に行うことが可能になり、任意の駆動制御を採用することができる。例えば、上記の全ての撮像装置を単一の撮像装置で実現することもできる。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、本発明の撮像装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。第1の実施形態のデジタルカメラ1の構成を図1に模式的に示す。デジタルカメラ1は、撮影レンズ11、撮像素子12、信号処理部13、記憶部14、記録部15、駆動部16、レンズ/絞り駆動部17、レンズ情報検知部18、操作部19、制御部20、および光源色検出部21より成る。
【0024】撮影レンズ11は撮影対象からの光を撮像素子12上に結像させる。撮影レンズ11は、光束径を規制する口径可変の絞り(不図示)を備えており、撮像素子12の受光量は絞りの開口径によって調節することができる。撮像素子12は光電変換を行う画素が2次元に多数配列されたエリアセンサである。撮像素子12はCMOS型であり、画素の各々に、蓄積電荷を表す信号を外部に出力するための出力路と、駆動信号を受けるための入力路が設けられている。
【0025】撮像素子12の各画素には赤色(R)光、緑色(G)光、青色(B)光を選択的に透過させるカラーフィルタのいずれかが備えられており、全ての画素は、R光、G光、B光を光電変換する3種類に分類されている。これら3種類の画素の配置を図2に示す。
【0026】信号処理部13は、撮像素子12の画素が出力するアナログ信号をデジタル信号に変換するとともに、変換後のデジタル信号に画素補間、γ補正等の諸処理を施して、撮像素子12上に形成された像を表す画像データを生成する。撮像素子12による光電変換から信号処理部13による画像データの生成までの一連の処理により、カラー画像が撮影される。
【0027】記憶部14は信号処理部13が生成した画像データを一時的に記憶する。記録部15は、記憶部14が記憶している画像データを圧縮して、メモリカード等の着脱可能な記録媒体に記録する。記録は制御部20の指示に応じて行う。
【0028】駆動部16は、撮像素子12に駆動信号を与えて、各画素の動作を制御する。具体的には、画素の蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号S1、および画素からの信号の出力を指示する第2の駆動信号S2を与える。第1の駆動信号S1および第2の駆動信号S2は、撮像素子12の各画素に個別に与えられる。
【0029】デジタルカメラ1は撮像素子12の露光を規制する機械的なシャッターを備えておらず、撮像素子12は常時露光される状態にあるが、各画素が画像データの生成のための光電変換を行うのは、第1の駆動信号S1を与えられてから第2の駆動信号S2を与えられるまでである。駆動部16が各画素に第1の駆動信号S1を与えてから第2の駆動信号S2を与えるまでの時間は、光電変換時間すなわちシャッター速度に相当する。各画素の光電変換中の露光量は、撮影レンズ11の絞りと光電変換時間によって定まる。
【0030】第1の駆動信号S1および第2の駆動信号S2を各画素に与える時期は可変であり、光電変換を開始する画素の順序、信号を出力する画素の順序、各画素の光電変換時間は任意に設定することができる。これらは、制御部20が制御する。
【0031】レンズ/絞り駆動部17は、撮影レンズ11の焦点位置および焦点距離を調節するために可動のレンズ群を移動させるとともに、絞りの開口径を調節する。レンズ情報検知部18は、撮影レンズ12の可動のレンズ群の位置を検出して、制御部20に出力する。
【0032】操作部19は、使用者によって操作されるいくつかの操作部材より成り、撮影の開始を指示するボタン、記録用の画像を撮影して記録することを指示するボタン、デジタルカメラ1の動作モードを設定するダイアル等が含まれる。光源色検出部21は、撮影対象を照明する照明光の色特性を検出する。
【0033】制御部20は、操作部19を介して使用者より与えられる指示および設定されている動作モードに応じて、デジタルカメラ1全体の動作を制御する。例えば、駆動部16からの第1、第2の駆動信号S1、S2の出力時期を設定するほか、レンズ情報検知部18からの出力に基づいて、レンズ/絞り駆動部17に撮影レンズ12の焦点位置や焦点距離を調節させたり、絞りの開口径を調節させたり、光源色検出部21が検出した照明光の色特性から、適正なホワイトバランスの画像を得るための条件を算出したりする。
【0034】デジタルカメラ1では、各画素が出力する信号がそのまま適正なホワイトバランスの画像を表すようにして、信号処理部13ではホワイトバランス調整のために信号強度の調節は行わない。信号処理部13で信号強度を調節しないことにより、各色光用の画素のダイナミックレンジ全体が画像データに反映され、精細な階調のカラー画像を提供することができる。
【0035】このために、制御部20は、撮像素子12の画素の種類および光源色検出部21が検出した照明光の色特性に応じて各画素の光電変換時間を定めて、カラーフィルタの透過率の差および各色光に対する画素の光電変換効率の差を補正するとともに、撮影環境によって変動する照明光の色温度の違いを補正する。
【0036】デジタルカメラ1における画素の位置と光電変換時期の関係の例を図3に示す。これは、照明光の色温度が低いとき、すなわち、B光用の画素の光電変換時間を最も長くし、R光用の画素の光電変換時間を最も短くするのが適切なときのものである。図3の例における画素の駆動の制御処理の流れを図4に示す。
【0037】まず、照明光の色特性を検出し(ステップ#105)、各色光用の画素の光電変換時間を定める(#110)。そして、ステップ#110で定めた光電変換時間の長短に従って、B光用の画素に第1の駆動信号S1を与えることを開始し(#115)、少時待機後(#120)、G光用の画素に第1の駆動信号S1を与えることを開始し(#125)、さらに少時待機後(#130)、R光用の画素に第1の駆動信号S1を与えることを開始する(#135)。第1の駆動信号S1は、上端の画素列から下端の画素列に向けて、また各画素列内では左端の画素から右端の画素に向けて、順に与える。
【0038】次いで、ステップ#110で定めた光電変換時間に従って、少時待機後(#140)、R光用の画素に第2の駆動信号S2を与えることを開始し(#145)、さらに少時待機後(#150)、G光用の画素に第2の駆動信号S2を与えることを開始し(#155)、さらに少時待機後(#160)、B光用の画素に第2の駆動信号S2を与えることを開始する(#165)。第2の駆動信号S2を与える画素の順序は第1の駆動信号S1を与える画素の順序と同じである。
【0039】この制御では、最も長時間を要するB光用の画素が光電変換を行っている間に、G光用の画素およびR光用の画素も光電変換を行うから、画素の種類による光電変換時期の差は小さい。したがって、ホワイトバランスの調整を後に行う必要がないだけでなく、撮影対象が動いたときでも色ずれが生じるのを抑えることができる。
【0040】以下、他の実施形態のデジタルカメラについて説明するが、上記のデジタルカメラ1のものと同一または類似の構成要素については同じ符号で表して、重複する説明は省略する。
【0041】第2の実施形態のデジタルカメラ2の構成を図5に模式的に示す。デジタルカメラ2は、撮影レンズ11の焦点位置、焦点距離および絞りの開口径と撮像素子12上の照度分布との関係を記憶した照度分布記憶部22を備えている。
【0042】一般に、結像光学系が結像させる光の強度は光軸から離れるほど低下する。このため、撮像素子12の画素の光電変換時間を全て同じにすると、周辺部に位置する画素の出力信号は中央部に位置する画素の出力信号に比べて強度が低くなり、明るさにむらのない画像を得るためには、画素の出力信号の強度を画素の位置に応じて補正する必要が生じる。デジタルカメラ2では、撮像素子12上の照度分布すなわち撮影レンズ11の設定状態に応じて撮像素子12の光電変換時間を設定することにより、画素の出力信号の強度補正を不要とする。
【0043】デジタルカメラ2における画素の位置と光電変換時期の関係の例を図6に示す。この例では、撮像素子12の上端または下端に近い画素列ほど光電変換時間を長くする。画素の駆動の制御処理の流れを図7に示す。
【0044】まず、既に撮影した画像に基づいて撮像素子12の露光条件を決定し(ステップ#205)、撮影レンズ11の絞りを適切な開口径に設定する(#210)。次いで、照度分布記憶部22から記憶している情報を読み出し、レンズ情報検知部18の出力から判る撮影レンズ11の焦点位置および焦点距離ならびに設定した絞りの開口径に基づいて、撮像素子12上の照度分布を算出する(#215)。そして、各画素列の光電変換時間をその平均照度に略反比例するように定めて(#220)、第1の駆動信号S1を与えることを開始する(#225)。第1の駆動信号S1は光電変換時間の長い画素から順に、つまり、上端および下端に近い画素列から中央の画素列に向かって与える。
【0045】上端および下端の画素列の光電変換時間だけ待機した後(#230)、第2の駆動信号S2を与えることを開始する(#235)。第2の駆動信号S2も第1の駆動信号S1と同じ順序で与える。このとき各画素列に与える第2の駆動信号S2の周期が一定になるように、第1の駆動信号S1を各画素列に与える時期を定めておく。信号処理部13での処理を一定の周期で行い得るようにするためである。
【0046】上記の制御による撮像素子12の各画素の光電変換時間をx-y座標系で図8に示す。なお、時間長の細かな差を表現することに代えて、図8では4段階の濃淡で時間長を模式的に表している。
【0047】ここでは、撮像素子12の上下方向(y軸方向)について光電変換時間に差が生じるようにしているが、第1、第2の駆動信号S1、S2を左右両端の画素列から中央の画素列に向かって順に与えて、左右方向(x軸方向)について光電変換時間に差が生じるようにしてもよい。その場合の各画素の光電変換時間をx-y座標系で図9に模式的に示す。
【0048】また、光電変換時間を画素列ごとに定めることに代えて、画素ごとに定めるようにしてもよい。その場合の画素の位置と光電変換時期の関係の例を図10に示し、各画素の光電変換時間をx-y座標系で図11に模式的に示す。図10において、縦軸rは撮像素子12の中心Oからの距離(x2+y21/2を表す。画素からの信号出力は同心円をなす順序で行うことになる。
【0049】第2の駆動信号S2を与える画素の順序を第1の駆動信号S1を与える画素の順序と逆にすることも可能である。すなわち、中央部の画素から周辺部の画素に向けて第2の駆動信号S2を与えることもできる。このようにすると、画素間の光電変換時期の差が小さくなり、ぶれの発生を抑えることができる。
【0050】第3の実施形態のデジタルカメラ3の構成を図12に模式的に示す。デジタルカメラ3は、フラッシュ光を発する発光部23を備えており、暗い環境での撮影に際し発光部23よりフラッシュ光を発して撮影対象を照明する。
【0051】前述のように、フラッシュ光を発する時に全ての画素が光電変換を行っている状態とすると、光電変換時間を長くせざるを得ず、手ぶれが生じ易い。デジタルカメラ3では、この不都合を避けるために、撮像素子12の画素のうちフラッシュ光で照明される範囲に対応する範囲内の画素のみが、フラッシュ光を発する時に光電変換を行っている状態となれば足りるとして、その範囲内の画素に優先的に第2の駆動信号S2を与えて、光電変換時期の差を小さくする。また、フラッシュ発光を伴う撮影と伴わない撮影をあらかじめ行って、それらの撮影で得られた画像の明るさの差から、フラッシュ光により照明される範囲を知る。
【0052】フラッシュ光で照明される範囲を知るための事前撮影で得られる画像の例を図13に示す。図13において、(a)はフラッシュ発光を伴わない撮影で得られる画像、(b)はフラッシュ発光を伴う撮影で得られる画像である。Objは主たる撮影対象であり、これのみがフラッシュ光で照明される。図13の例で実際にフラッシュ光を発して撮影するときの優先的に第2の駆動信号S2を与える範囲Pを図14に示し、第1の駆動信号S1および第2の駆動信号S2を与える画素の順序を図15に示す。また、画素の位置と光電変換時期の関係を図16に模式的に示す。
【0053】デジタルカメラ3における画素の駆動の制御処理の流れを図17に示す。まず、フラッシュ発光を伴わない事前撮影とフラッシュ発光伴う事前撮影を行う(ステップ#305、#310)。次いで、フラッシュ光で照明される撮影対象の範囲を含む撮像素子12の範囲を設定する(#315)。また、ステップ#305でのフラッシュ発光を伴わない撮影で得た画像に基づいて、光電変換時間を定め(#320)、撮影レンズ11の絞りを適当な開口径に設定する(#325)。光電変換時間は、ステップ#315で設定した範囲内の全ての画素について、重なり合う時期が存在するように定める。
【0054】絞りの設定後、第1の駆動信号S1を画素に与えることを開始する(#330)。そして、少時待機し(#335)、ステップ#315設定した範囲内の全ての画素が光電変換を行っている状態になった時点で、フラッシュ光を発する(#340)。その後、必要に応じて少時待機し(#345)、第1の駆動信号S1を最初に与えた画素の光電変換時間が経過した時点で、第2の駆動信号S2を与えることを開始する(#350)。
【0055】デジタルカメラ3では、フラッシュ光を発しない通常の撮影においても、主たる撮影対象に略対応する範囲内の画素に優先的に第1、第2の駆動信号S1、S2を与えて、それらの画素間の光電変換時期の差を小さくし、撮影対象の動きによるぶれを防止する。この場合の画素の駆動の制御処理の流れを図18に示す。
【0056】まず、撮影対象の各部までの距離と各部の輝度を測定し(ステップ#405、#410)、測定結果から主たる撮影対象と背景を判別する(#415)。次いで、主たる撮影対象を含む撮像素子12の範囲を設定し(#420)、第1の駆動信号S1を与えることを開始する(#425)。第1の駆動信号S1は、例えば図15に示した順序で画素に与える。そして、最初に第1の駆動信号S1を与えてから光電変換時間が経過するのを待って(#430)、第2の駆動信号S2を与えることを開始する(#435)。第2の駆動信号S2は第1の駆動信号S1と同じ順序で画素に与える。
【0057】第4の実施形態のデジタルカメラ4について説明する。本実施形態のデジタルカメラ4は、第2の実施形態のデジタルカメラ2の撮像素子12を上下に2等分、左右に2等分して4つの区画に区分けし、信号処理部13のうち画素の出力信号をデジタル信号に変換する部分までを、4つの区画に対応して4つ備えたものである。第2の駆動信号S2は、撮像素子12の中央に近い画素から周辺部の画素に向かって順に与える。
【0058】第2の駆動信号S2を与える画素の順序を図19に示す。まず撮像素子12の中心(0,0)の画素に与え、次いで(0,±1)の2画素に与え、さらに(±1,0)の2画素に与える。その後、(0,±2)の2画素、(±1,±1)の4画素、(±2,0)の2画素、(0,±3)の2画素、(±1,±2)の4画素、(±2,±1)の4画素、(±3,0)の2画素というように、y=±x±kの直線に沿って、kを大きくしながら与えていく。このとき、x座標の絶対値およびy座標の絶対値の等しい画素には、第2の駆動信号S2を同時に与える。各区画から同時に信号が出力されるが、信号処理部13が並行処理をし得る構成であるため問題はなく、むしろ撮像素子12からの信号出力を速やかに行うことができる。また、隣り合う区画の境界上の画素の信号出力の時期が一致するため、画像が不連続になることもない。
【0059】画素の位置と光電変換期間の関係を図20に模式的に示す。図20において、(a)は光電変換時間を長くするとき、(b)は光電変換時間を短くするときのものである。なお、Kは撮像素子12の四隅の画素に対応するkの値である。第1の駆動信号S1は、光電変換時間を長くするときは全ての画素に同時に与え、光電変換時間を短くするときは、第2の駆動信号S2と同じ順序で与える。また、前述のように、撮像素子12上での照度分布を考慮して、中心Oから遠い(kの大きい)画素ほど、光電変換時間を長くする。
【0060】デジタルカメラ4においても、第2の実施形態のデジタルカメラ2と同様に、信号処理部13での信号強度の補正は不要であり、したがって、全ての画素のダイナミックレンジ全体を利用することができて、精細な階調の画像を得ることが可能である。しかも、撮像素子12からの信号出力に要する時間が1/4程度になって、画素間の光電変換時期の差が小さくなるから、得られる画像に歪みやぶれの少ない実質的に高い電子シャッター速度が実現される。また、撮影した画像から撮影レンズ11の焦点調節や撮像素子12の光電変換時間の調節をするための情報を速やかに得ることも可能になる。
【0061】使用者は、多くの場合、主たる撮影対象が撮影対象全体の中央付近に位置する構図を選択する。したがって、撮像素子12の中央部の画素から順に信号を出力するデジタルカメラ4では、使用者が特殊な構図を選択する場合を除き、主たる撮影対象に対する光電変換時期の差が小さくなることになり、画像の歪みやぶれを一層抑えることができる。
【0062】なお、本発明の特徴を判り易くするために、上記の各実施形態ではそれぞれ異なる構成のデジタルカメラとしているが、各実施形態の制御は組み合わせることも可能である。例えば、照明光の色特性に応じて光電変換時間を定める第1の実施形態の制御と、撮像素子上での照度分布に応じて光電変換時間を定める第2、第4の実施形態の制御とを組み合わせてもよいし、第1の実施形態の制御もしくは第2の実施形態の制御またはこれら両方と、信号を出力する画素を優先的に定める第3の実施形態の制御とを組み合わせてもよい。このような柔軟な制御が可能になるのは、撮像素子12の画素に第1の駆動信号S1および第2の駆動信号S2を与える時期を、画素ごとに可変としたことによる。
【0063】
【発明の効果】信号の出力を指示する第2の駆動信号を与える画素の順序が画素の2次元の配列の順序と異なる本発明の撮像装置では、光電変換時期の差を特定の画素間で小さくすることが可能であり、撮影対象全体のうちそれらの画素に対応する部分の撮影時期を揃えることが容易になる。
【0064】結像光学系の焦点が合っている撮影対象の範囲に略対応する範囲内に位置する画素に、その範囲外に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えるようにすると、使用者が焦点を合わせた主たる撮影対象が動いているときでも、ぶれや歪みが生じ難い。
【0065】蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの間にフラッシュ光を発するときに、フラッシュ光で照明される撮影対象の範囲に略対応する範囲内に位置する画素に、その範囲外に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えるようにすると、光電変換時間を短くしても、撮影対象全体のうちフラッシュ光で照明されるべき範囲をその光電変換時間内に確実に照明することができる。したがって、手ぶれが発生し難くなる。
【0066】撮像素子の中央部に位置する画素に、周辺部に位置する画素よりも先に、第2の駆動信号を与えるようにすると、主たる撮影対象が動いているときでも、ぶれや歪みの発生を抑え易くなる。また、撮影した画像に基づいて結像光学系の焦点調節や撮像素子の画素の光電変換時間の調節を行う場合は、より重要な情報を担う中央部の信号を速やかに得ることができて、調節を迅速に行うことが可能になる。
【0067】蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号を与えてから信号の出力を指示する第2の駆動信号を与えるまでの時間が、画素間で異なる本発明の撮像装置では、光電変換時間が画素によって相違し、これを画像の明るさや色合いに反映させることができる。
【0068】第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、結像光学系の状態に基づく各画素の照度に応じて定めると、結像光学系の状態に依存する照度の不均一さを補正することができて、画素の出力信号の強度を後に補正する必要がなくなる。
【0069】撮像素子の画素に光電変換をする光の波長が異なる複数の種類が含まれている構成で、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、各画素の種類に応じて定めると、画素の信号を処理する際にホワイトバランスの調整をする必要がなくなる。また、全ての画素のダイナミックレンジが一様になり、階調豊かなカラー画像を得ることができる。
【0070】さらに、第1の駆動信号を与えてから第2の駆動信号を与えるまでの時間を、撮影対象を照明する光の色特性に応じて定めるようにすると、照明光の色特性にかかわらず、適正なホワイトバランスの画像を得ることができる。
【0071】蓄積電荷の消去を指示する第1の駆動信号を与える時期と信号の出力を指示する第2の駆動信号を与える時期が、画素ごとに可変である本発明の撮像装置では、画素の駆動制御を柔軟に行うことが可能になり、画素の駆動の制御方法を任意に設定し変更することができる。例えば、各々特徴を有する上記の全ての撮像装置を単一の撮像装置で実現することもできる。




 

 


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