JP4503733B2

JP4503733B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4503733B2
Application number: JP23514999A
Authority: JP
Inventors: 英明吉田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-08-23
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2019-08-23
Also published as: JP2001061103A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スミア低減機能を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ撮像素子等を用いた固体撮像装置においては、固体撮像装置特有の現象として、強烈な光が入射したときに発生するスミア現象（より正確には、スミア及びブルーミングによって総合的に生じる現象であるが、本明細書においては当業者における慣用にならって、これを単にスミアと称している）による画質劣化が問題となっている。すなわち、このスミア現象は、本来の電荷蓄積領域に捕捉されなかった電荷がポテンシャル障壁を乗り越えて垂直転送路に漏れ込んだり、入射光の回折成分や多重反射成分が遮光膜下の垂直転送路に漏れ込んで電荷発生することなどにより生じるものであり、通常の定常的な光に起因する場合は、これが垂直転送期間にわたって発生するため、例えばスポット光の場合は、その上下に伸びる縦筋が生じ、画質を著しく損ねていた。
【０００３】
これを低減する方法としては、信号の補正を行なうものや、光学シャッタを用いるものなどいくつかの提案があるが、信号補正では効果が不充分であったり、機械式シャッタでは制御性や信頼性が不充分であったり、液晶シャッタでは偏光を利用するため、透過率が理論上50％以下（実際はさらに低い）しか確保できないなどの欠点を有している。
【０００４】
これに対して実用新案登録第２５２４６３４号公報には、撮影光学系とＣＣＤ撮像素子との間に介挿した、光拡散状態を切換え可能な（偏光板を必要としない故に高透過率の）液晶素子を制御して、スミア発生の原因となる信号読み出し（ＣＣＤ転送）期間においては、スポット光を拡散させることで板面照度を平均化してピーク値を低下させ、スミアを低減する技術（以下ではこれをスミア低減撮像と称する）が記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この従来技術は機械的シャッタの欠点を有さないから、例えば高速連写等にも適用可能で、且つ高透過率を維持したままスミア低減効果を得ることができる優れたものであるが、なお以下のような問題点を有するものである。すなわち、拡散手段によるスミアの低減は、スポット光起因のような局所的高輝度による局所スミアに対しては極めて有効に働くが、板面（撮像面）照度が全体的に高くなった場合、すなわち高速シャッタ（短時間露光）使用時に生じる遍在スミアに対しては、効果が不充分である。
【０００６】
この点について詳述すると、シャッタ速自身はスミアレベルと直接相関はないものの、一般的な撮影時においてはいわゆる適正露出を与えることが前提になるから、高速シャッタを使用する場合とは、すなわちそれだけ短時間の露光であっても充分な露光量が得られる板面照度の場合ということになる。この意味において、平均的板面照度Ｌと露光時間Ｔとの間にはＬ＝ｋ／Ｔ（ｋは撮像素子の感度によって決まる定数）の関係がある。したがって上記拡散手段により局所スミアが低減されていても、所定のシャッタ速以上（より短時間）の露光に関しては、画面全体が極めて高輝度になってしまうためスミアが発生して、レンズのフレア効果に類似の全体に白けた画像になってしまうという問題があった。
【０００７】
なお、上記実用新案公報においても、このことに関する記載として、その第２頁右欄第39〜41行に「即ち、スミアは画面全体に亘って略均一に発生するため、信号処理回路（３）での画像信号の処理の際にスミア成分を容易に除去できる。」との記載がある。しかしながら、該公報においては、そのスミア成分を除去する処理が具体的にどのようなものか、またどのような条件のもとでこれを適用すべきか等については一切開示されていないため、以下のような問題が未解決のままであった。
【０００８】
第１に、上記公報の記載からはスミア成分はほぼ一定と仮定して補正処理を行なう技術が示唆されるが、現実のスミア成分は必ずしも均一には生じないという問題があった。すなわち、液晶を用いた拡散素子の拡散度合は必ずしも充分ではない場合がある。なぜなら、スミア低減撮像を行なうためには拡散素子の応答が速くないといけないが、素子の応答特性を速くするためには、電極間距離＝素子の能動部分の厚さ（セル厚）を小さくすることは必須となる。また、素子の能動部分の波長による屈折率の違い、すなわち「分散」特性は一般に通常の光学ガラスよりも大きいため、この影響を軽減する意味からも、やはりセル厚は薄い方が好ましい（例えば数μｍ〜数10μｍ）。ところが、セル厚を薄くすると、拡散度合は当然低下する。したがって、充分な像の拡散が得られず、若干ながら被写体パターンの影響を残す場合があり、板面照度が高い場合には均一とは見做せない場合があった。
【０００９】
また拡散性が充分であっても、一般的なレンズの特性によって、周辺光量は中心光量よりもかなり低下している。したがって、発生するスミアについても、かなり大きなシェーディングを含んでおり、板面照度が高い場合には、均一とは見做せない場合があった。
【００１０】
第２には、信号処理によってスミア成分の除去を行なう場合には、一般に画像信号のノイズが増加してしまうという問題があった。
【００１１】
本発明は、従来の撮像装置における上記問題点を解決するためになされたもので、スミア低減撮像を行なった際に必ずしもスミア成分が均一に生じない場合も考慮して、組合わせて使用されるべきスミア補正信号処理技術を選択し特定的に組合わせ適用することによって、スミアによる画質劣化を生じない高画質の撮像装置を提供することを目的とし、また、特に信号処理に伴う画像信号のノイズ増加問題に着目し、露出時間が所定値以上の場合には上記特定の信号処理によるスミア補正を行なわないようにすることで、総合的に画質劣化の少ない高画質の撮像装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、予定焦平面に対する出力光学像の状態を被写体結像状態と被写体像拡散状態とに設定可能な撮像光学系と、該撮像光学系の出力光学像を光電変換して画像信号として出力する撮像素子と、該撮像素子の駆動及び前記撮像光学系を制御して、当該読み出し対象たる画像信号の蓄積期間には前記撮像光学系を前記被写体結像状態とし、前記画像信号の読み出し期間には前記撮像光学系を前記被写体像拡散状態としてスミア低減撮像を可能とする撮像制御手段と、前記スミア低減撮像による前記撮像素子の出力信号の垂直ブランキング期間に対応する出力に基づいて前記撮像素子のスミア成分を検出するスミア検出手段と、該スミア検出手段の検出した前記スミア成分に基づいて有効信号出力期間の撮像素子出力である有効画像信号を補正するスミア補正手段と、前記撮像制御手段が前記スミア低減撮像制御を行なった撮像時の露光時間が前記スミア低減撮像によっても低減できない偏在スミアの画質的許容限界に対応して定まる所定値未満であった場合には、前記スミア補正手段により前記有効画像信号を補正し、前記撮像時の露光時間が前記スミア低減撮像の低減効果に対応して定まる所定値以上であった場合は、前記スミア補正手段による前記信号補正を行わないように制御するスミア補正制御手段とで撮像装置を構成するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る撮像装置の主たる実施の形態のディジタルカメラを示すブロック構成図である。１は前玉１ａと後玉１ｂとからなる撮像レンズ、２はフォーカスアクチュエータ２ａとズームアクチュエータ２ｂとからなるレンズ駆動機構、３は可動絞り、４はローパスフィルタ及び赤外カットフィルタからなる光学フィルタ、５はＣＣＤ撮像素子、６はＣＣＤドライバ、７はＡ／Ｄコンバータを含むプリプロセス回路、８はディジタルプロセス回路で、ハードとしてメモリを含み、全てのディジタルプロセス処理を行うものである。９はメモリカードインターフェース、10はメモリカード、11はＬＣＤ画像表示系、12は主たる構成としてマイコンを含むシステムコントローラ、13は操作スイッチ系、14は表示用ＬＣＤを含む操作表示系、15は絞りアクチュエータ、16はアクチュエータドライバ、17は光拡散素子、18は光拡散素子ドライバ、19はＥＥＰＲＯＭである。
【００１４】
このように構成したディジタルカメラにおいては、上記のように、いわゆる高分子分散型（ポリマーネットワーク型）液晶を透明電極付き光学ガラスの板状セルに封入した構造の光拡散素子17が、撮像レンズ１の内部の可動絞り３の近傍に設けられている。次に、この光拡散素子17について更に詳述する。光拡散素子17は、２枚の光学ガラスを貼り合わせて全体としては厚さが 0.9mmの平行平板ガラスを備え、貼り合わせ部に厚さ10μｍの平坦な液晶封入部を有している。この封入部に液晶が分散された透明樹脂が封入されて、素子としての能動部分が形成されている。そして、透明電極から引出された接続線は、光拡散素子ドライバ18に接続され、所定電圧の公知の交流駆動によって駆動されるようになっている。
【００１５】
なお、電圧印加時と非印加時（残留電荷排出のため本実施の形態では０電圧印加）に対して、拡散と非拡散（素通し）状態をどのように割り当てるかは本来任意であるが、ＴＴＬ光学ファインダと組合わせた場合に、カメラ電源ＯＦＦでもファインダが見えるようにする、あるいはスミア低減撮像を必要としない場合に電力を消費する必要が生じないようにするなどの効果を得る目的で、本実施の形態では特に電圧非印加時に非拡散となるようにしており、一旦０電圧を印加して残留電荷を排出した後には、ドライバへの電源供給を停止しても素通し状態が保たれるようになっている。このためには媒質に相当する液晶と媒体に相当する樹脂の実効的な屈折率が、電圧非印加状態で等しくなるように構成されていることは言うまでもない。
【００１６】
続いて上記実施の形態における制御に関する説明を行なう。本実施の形態のディジタルカメラにおいては、システムコントローラ12が全ての制御を統括的に行なっており、可動絞り３と、ＣＣＤドライバ６によるＣＣＤ撮像素子５の駆動（電子シャッタ）を制御して、露光（電荷蓄積）及び信号の読み出しを行ない、それをプリプロセス回路７を介してディジタルプロセス回路８に格納し、このディジタルプロセス回路８の中で全ての必要な各種信号処理を施した後に、メモリカード10に記録するものである。そして、露光及び信号読み出しのタイミングに合わせて光拡散素子ドライバ18を駆動し、光拡散素子17の拡散特性を変化させることで、スミア低減撮像を行なうことができるようになっている。すなわち、撮影対象である当該被写体像の光電変換電荷の蓄積中は、光拡散素子17を非拡散（素通し）状態のままとしており、ＣＣＤ転送路（垂直シフトレジスタ）への転送パルスＴＧが出ると同時に、拡散状態にすべく電圧印加を開始する。ただし駆動を開始してから光拡散素子17が現実に充分な拡散状態に転移するまではかなりの時間を要する。この転移時間は素子の材料、印加電圧や駆動周波数にも依存するが、通常数ｍｓ〜数 100ｍｓ程度である。そして素子（能動部）の厚さにも大きく依存する。本実施の形態では厚さが10μｍと薄いため、転移時間は10ｍｓ以下と高速であって、これに対応して撮像信号の読み出し（信号電荷のＣＣＤ転送）は、転送パルスＴＧの出力後10ｍｓの時点から開始される。そして、信号読み出しが終了した後は次の撮影に備え、また無駄な駆動電力をなくす意味で、速やかな適時に光拡散素子17への電圧印加を０電圧として素通し状態に転移させる。この後光拡散素子ドライバ18への通電を停止してもよい。
【００１７】
この時、もしも転移時間が異なる値であれば、これに合わせた読み出し開始時刻を設定すればよい。また、この時更に遅らせて読み出しを開始してもよいが、それに伴う暗電流ノイズの増加を避けるため、本実施の形態では不要な遅延はさせていない。
【００１８】
さて、このようなスミア低減撮像を行なう本実施の形態のディジタルカメラは、同時に上述のディジタルプロセス回路８においてスミア検出部８−１とスミア補正部８−２とを備え、信号処理の一部として、スミア成分の検出とスミア補正処理を行なう機能を有している。そして、スミア補正処理は撮像時の露光時間がスミア限界露光時間Ｔｓ未満であった場合に適用されるようになっている。
【００１９】
ここで、スミア限界露光時間Ｔｓについて説明する。上記従来の問題点でも述べたように、適正露光の関係を保つ場合には、露光時間が短くなるに従って拡散手段によっても低減できない遍在スミアが増加するから、設計時点で予めこの遍在スミアの画質的許容限界を（例えば検知限以下という基準で）設定し、これに対応する露光時間をＴｓとするものである。（言うまでもなく、上述した板面照度が高い場合に顕在化してくるスミア低減撮像時の拡散均一性不充分の問題も含めて、スミア補正なしでも問題を生じない限界の値に設定する。）すなわち、露光時間がＴｓ以上であれば、設計時点で設定した所定の高画質が保証されるものである。このＴｓの値はＥＥＰＲＯＭ19に格納されており、上記露出制御に際して参照される。ＥＥＰＲＯＭ19を使用しているから書き換え可能であり、製品出荷後に市場の反響を見て、この保証する画質のレベル（に対応するＴｓ）を変更したり、使用者がこれを変更可能な仕様としたりすることが容易にできる。
【００２０】
本実施の形態において適用されるスミア補正処理の方式は、ＣＣＤ撮像素子５の出力信号の垂直ブランキング期間に対応する出力に基づいて撮像素子５のスミア成分を検出するスミア検出部８−１の検出したスミア成分に基づいて、スミア補正部８−２において有効信号出力期間の撮像素子出力である有効画像信号を補正するものであって、具体的にはＶＯＢ（垂直光学的黒検出用画素）の出力から算出したスミア除去基準信号を有効画像信号から減じるものである。
【００２１】
すなわち、上記スミア低減撮像によって得られた１画面に対応する撮像出力信号をディジタルプロセス回路７の所定メモリ領域に格納すると、まずスミア検出部８−１においてＶＯＢの出力を用いてスミア除去基準信号を算出する。すなわち複数ライン（ここでは仮に12ラインとする）あるＯＢ画素のデータのうち、同じ水平アドレスを持つ12画素毎の和をとり画素数12で除することで平均値を得る。言い換えれば、このスミア除去基準信号は複数のＶＯＢラインの平均値に相当する、１ライン分の画像信号である。このようにして得られたスミア除去基準信号を用いて、スミア補正部８−２において有効画素信号に関するスミア補正が行なわれる。すなわち、有効画素部分から読み出された画素信号の各ラインデータから、このスミア除去基準信号を減じたものを補正後の出力とする。言うまでもなく、減算は同じ水平アドレスを持つデータ間で行われる。
【００２２】
このとき、ＶＯＢは遮光された画素であるから、本来その出力信号は（ノイズを別にすれば）０であるはずで、もし０でないとすれば、それはスミアであるから上記減算によってスミアを除去することができる。そして、これはスミアが全画面に関して均一に発生していない場合にも有効である。ここで、一方減算に用いるスミア除去信号は、上述のように１ライン分の画像信号であるから、それ自体ノイズを有している。そのため減算に際しては、このノイズ成分が有効画像信号に重畳されることになるため、画質劣化の一要因となる。なお、上記スミア除去基準信号の算出に当たって12ラインの平均を取ったのは、このノイズを低減するためであるが、完全に０にすることは不可能である。
【００２３】
この点に鑑み、本実施の形態のディジタルカメラは、撮像時の露光時間がスミア限界露光時間Ｔｓ以上であった場合には、システムコントローラ12の制御によりスミア補正部８−２によるスミア補正を行なわないように構成されている。このように構成したことにより、スミアによって許容できない画質劣化が生じる露光時間Ｔｓ未満の場合には（この場合はスミア補正を行なう利益が不利益よりも大きいから）スミア補正を行なうことで高画質を確保し、スミアによる画質劣化が生じない露光時間Ｔｓ以上の場合にはスミア補正を行なわないから、補正によるノイズ増大を生じないという意味で高画質を確保している。
【００２４】
そして、このようにして撮像された高画質の画像信号は、適宜各種信号処理を経てメモリカード10に記録あるいはＬＣＤ画像表示系11に表示される。すなわち、上記実施の形態のディジタルカメラは、例えば高速連写等にも適用可能で、且つ高透過率を維持したままスミア低減効果を得ることができ、しかも総合的に画質劣化の少ない高画質の撮像装置である。
【００２５】
なお、上記実施の形態の他にも様々な実施の形態が考えられる。例えば、上記実施の形態のディジタルカメラでは、露光時間がＴｓ以上の場合にはスミア補正を行なわないようにして、補正に伴うノイズ増加を生じないようにしたものを示したが、この場合も少なくともＴｓ以上の場合と同等の画質は得られることに着目して、これを許容すれば、Ｔｓ未満の場合と全く同じスミア補正を行なうように構成してもよい。このようにすることで、露出時間による場合分けが不要になり、制御や構成の単純化が図られる。
【００２６】
また上記実施の形態はディジタル（静止画）カメラに適用したものであるが、本発明は動画カメラにも適用できる。この場合、像拡散状態の時は被写体像が得られないから、画像の出力レートは通常１／２に落ちる（ＮＴＳＣ準拠の場合で30フィールド／秒）が、これはバッファメモリを用いて補えばよく、この構成を一つの具体的な実施の形態として挙げておく。すなわち、１フィールド毎に交互に光拡散素子の拡散／非拡散を切換え、拡散状態にある時読み出した出力信号（これは１フィールド前の非拡散状態時に蓄積されたものである）のみを、有効な画像信号として使用しつつバッファメモリに記憶し、非拡散状態時の期間については直前のフィールドにて記憶された画像信号を再度使用するように構成するものである。
【００２７】
更にまた、上記実施の形態では、スミア限界露光時間ＴｓはＥＥＰＲＯＭに記憶するようにしたものを示したが、これを任意のメモリに記憶させるように置き換えてもよいことは自明である。
【００２８】
一方、このＴｓの記憶手段を、カメラが他の目的（例えば撮像素子の画素欠陥データ記憶、カメラの制御プログラム記憶など）で使用するメモリと兼用すれば、ハードウェアとしてのメモリ素子の数を増やすことなく本発明を適用することが可能となる。これも一つの実施の形態となる。
【００２９】
以上本発明のいくつかの実施の形態を具体的に示したが、本発明はこれらに限られることなく、特許請求の範囲に記載の限りにおいて如何なる態様をも取り得るものであることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１に係る発明は、偏在スミアによって許容できない画質劣化が生じる露光時間未満の場合にはスミア補正を行うことで高画質を確保し、偏在スミアによる画質劣化が生じない露光時間以上の場合にはスミア補正を行わないから、補正によるノイズ増大を生じないので高画質を確保することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る撮像装置の実施の形態のディジタルカメラの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１撮像レンズ
１ａ前玉
１ｂ後玉
２レンズ駆動機構
２ａフォーカスアクチュエータ
２ｂズームアクチュエータ
３可動絞り
４光学フィルタ
５ＣＣＤ撮像素子
６ＣＣＤドライバ
７プリプロセス回路
８ディジタルプロセス回路
８−１スミア検出部
８−２スミア補正部
９メモリカードインターフェース
10 メモリカード
11 ＬＣＤ画像表示系
12 システムコントローラ
13 操作スイッチ系
14 操作表示系
15 絞りアクチュエータ
16 アクチュエータドライバ
17 光拡散素子
18 光拡散素子ドライバ
19 ＥＥＰＲＯＭ

Claims

予定焦平面に対する出力光学像の状態を被写体結像状態と被写体像拡散状態とに設定可能な撮像光学系と、該撮像光学系の出力光学像を光電変換して画像信号として出力する撮像素子と、該撮像素子の駆動及び前記撮像光学系を制御して、当該読み出し対象たる画像信号の蓄積期間には前記撮像光学系を前記被写体結像状態とし、前記画像信号の読み出し期間には前記撮像光学系を前記被写体像拡散状態としてスミア低減撮像を可能とする撮像制御手段と、前記スミア低減撮像による前記撮像素子の出力信号の垂直ブランキング期間に対応する出力に基づいて前記撮像素子のスミア成分を検出するスミア検出手段と、該スミア検出手段の検出した前記スミア成分に基づいて有効信号出力期間の撮像素子出力である有効画像信号を補正するスミア補正手段と、前記撮像制御手段が前記スミア低減撮像制御を行なった撮像時の露光時間が前記スミア低減撮像によっても低減できない偏在スミアの画質的許容限界に対応して定まる所定値未満であった場合には、前記スミア補正手段により前記有効画像信号を補正し、前記撮像時の露光時間が前記スミア低減撮像の低減効果に対応して定まる所定値以上であった場合は、前記スミア補正手段による前記信号補正を行わないように制御するスミア補正制御手段とを備えていることを特徴とする撮像装置。