JP2006279714A - 撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来と比較して輝度飽和の少ない画像を撮影する。
【解決手段】 撮像装置１は、入射光を電気信号に線形変換する線形変換モードと、対数変換する対数変換モードとを入射光量に基づいて切り換える複数の画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnを有する撮像素子２と、撮像素子２を制御する制御装置４６とを備え、この制御装置４６は、線形変換モードと対数変換モードとの境界となる変曲点Ｑをシフトさせて撮像素子２に連続撮影を行わせる。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射光を電気信号に変換する撮像素子を有する撮像装置と、前記撮像素子を用いた撮像方法とに関する。

従来、入射光を電気信号に変換する撮像素子を用いてデジタル画像を撮影する撮像装置には、１回のレリーズ動作で露光量などの撮像条件の異なる複数の画像を撮影する機能、いわゆるオートブラケット機能が付加されている（例えば、特許文献１〜３参照）。このような撮像装置によれば、図１５に示すように、ユーザは複数の撮影画像（図中、（ａ）〜（ｃ）参照）の中から好みの画像、例えば白飛びや黒潰れ等の輝度飽和の少ない画像（図中（ｂ）参照）を選択することができる。

ところで、近年、前記撮像素子は、入射光量に基づいて電気信号への変換モードを切り換えるようになっており、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モードと、対数変換する対数変換モードとを切り換えるようになっている（例えば、特許文献４，５参照）。このような撮像素子によれば、線形変換モードのみを行う撮像素子と比較して電気信号のダイナミックレンジが広くなる分、広い輝度範囲の輝度情報を電気信号で表現することができる、つまり、輝度飽和のいっそう少ない画像を撮影することができる。
特開２００３−１１０９２３号公報 特開２００４−２２９０７３号公報 特開２００３−２２４８１２号公報 特開２００２−７７７３３号公報 特開２００４−８８３１２号公報

しかしながら、上記特許文献４，５のような撮像素子を備えた撮像装置には、依然としてオートブラケット機能が付加されていないため、この撮像装置を用いて撮影を行うと、被写体の輝度範囲によっては、輝度飽和の少ない画像を撮影できない場合がある。

本発明の課題は、従来と比較して輝度飽和の少ない画像を撮影することができる撮像装置及び撮像方法を提供することである。

請求項１記載の発明は、撮像装置であって、
入射光を電気信号に線形変換する線形変換モードと、対数変換する対数変換モードとを入射光量に基づいて切り換える複数の画素を有する撮像素子と、
前記撮像素子を制御する制御装置とを備え、
この制御装置は、前記線形変換モードと前記対数変換モードとの境界となる変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、撮像素子の画素は入射光量に基づいて線形変換モードと対数変換モードとを切り換えるので、線形変換モードのみを行う場合と比較して画像データ中の電気信号のダイナミックレンジが広くなる分、広い輝度範囲の輝度情報を電気信号で表現することができる、つまり、輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。また、線形変換モードと対数変換モードとの境界となる変曲点をシフトさせて撮像素子が連続撮影を行うので、各撮像動作の間で電気信号のダイナミックレンジが変化する結果、複数の撮影画像の一部として、輝度飽和の少ない画像を得ることができる。従って、オートブラケット機能を用いずに撮像する従来の場合と異なり、輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。

なお、連続撮影では、例えば撮像素子の露光量など、変曲点以外の撮像条件をシフトさせることとしても良い。
また、入射光量は、被写体の輝度に対応するものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の撮像装置において、
複数の画像データを記憶する記憶部を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、複数の画像データを記憶する記憶部を備えるので、複数の撮影画像をまとめて記憶部に記憶させることができる。従って、輝度飽和の少ない画像を確実に保存することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の撮像装置において、
操作指示が入力される入力装置を備え、
前記記憶部は、前記入力装置に入力される操作指示に基づいて画像データを記憶することを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、入力装置に入力される操作指示に基づいて記憶部が画像データを記憶するので、輝度飽和の少ない画像をより確実に保存することができる。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の撮像装置において、
前記記憶部は、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶することを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶部が記憶するので、輝度飽和の少ない画像をより確実に保存することができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の撮像装置において、
複数の画像を表示する表示部を備えることを特徴とする。

請求項５記載の発明によれば、複数の画像を表示する表示部を備えるので、操作者は複数の撮影画像を１度に確認することができる。従って、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを容易に確認することができる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の撮像装置において、
前記表示部は、１回の連続撮影によって撮影された全画像を表示することを特徴とする。

請求項６記載の発明によれば、１回の連続撮影によって撮影された全画像を表示部が表示するので、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを操作者がより容易に確認することができる。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の撮像装置において、
前記制御装置は、前記変曲点と対応する入射光量の大きくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする。

請求項７記載の発明によれば、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項８記載の発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の撮像装置において、
前記制御装置は、前記変曲点と対応する入射光量の小さくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする。

請求項８記載の発明によれば、請求項１〜６の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項９記載の発明は、撮像方法であって、
入射光を電気信号に線形変換する線形変換モードと、対数変換する対数変換モードとを入射光量に基づいて切り換える複数の画素を有する撮像素子によって各画素に対する入射光を電気信号に光電変換する複数の光電変換工程と、
前記線形変換モードと前記対数変換モードとの境界となる変曲点が前記光電変換工程間でシフトするように前記撮像素子を制御することにより、前記撮像素子に連続撮影を行わせる制御工程とを備えることを特徴とする。

請求項９記載の発明によれば、入射光量に基づいて線形変換モードと対数変換モードとを切り換える画素を有する撮像素子によって撮影を行うことにより、線形変換モードのみを行う画素を有する撮像素子によって撮影を行う場合と比較して、画像データ中の電気信号のダイナミックレンジが広くなる分、広い輝度範囲の輝度情報を電気信号で表現することができる、つまり、輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。また、線形変換モードと対数変換モードとの境界となる変曲点をシフトさせて撮像素子に連続撮影を行わせることにより、各光電変換工程の間で電気信号のダイナミックレンジが変化する結果、複数の撮影画像の一部として、輝度飽和の少ない画像を得ることができる。従って、オートブラケット機能を用いずに撮像する従来の場合と異なり、輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。

請求項１０記載の発明は、請求項９記載の撮像方法において、
複数の画像データを記憶する記憶工程を備えることを特徴とする。

請求項１０記載の発明によれば、複数の画像データを記憶することにより、複数の撮影画像がまとめて記憶される。従って、輝度飽和の少ない画像を確実に保存することができる。

請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の撮像方法において、
操作指示が入力される入力装置を用い、
前記記憶工程では、前記入力装置に入力される操作指示に基づいて画像データを記憶することを特徴とする。

請求項１１記載の発明によれば、入力装置に入力される操作指示に基づいて画像データを記憶することにより、輝度飽和の少ない画像をより確実に保存することができる。

請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の撮像方法において、
前記記憶工程では、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶することを特徴とする。

請求項１２記載の発明によれば、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶することにより、輝度飽和の少ない画像をより確実に保存することができる。

請求項１３記載の発明は、請求項９〜１２の何れか一項に記載の撮像方法において、
複数の画像を表示する表示工程を備えることを特徴とする。

請求項１３記載の発明によれば、複数の画像を表示することにより、操作者は複数の撮影画像を１度に確認することができる。従って、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを容易に確認することができる。

請求項１４記載の発明は、請求項１３記載の撮像方法において、
前記表示工程では、１回の連続撮影によって撮影された全画像を表示することを特徴とする。

請求項１４記載の発明によれば、１回の連続撮影によって撮影された全画像を表示することにより、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを操作者がより容易に確認することができる。

請求項１５記載の発明は、請求項９〜１４の何れか一項に記載の撮像方法において、
前記制御工程では、前記変曲点と対応する入射光量の大きくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする。

請求項１５記載の発明によれば、請求項９〜１４の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項１６記載の発明は、請求項９〜１４の何れか一項に記載の撮像方法において、
前記制御工程では、前記変曲点と対応する入射光量の小さくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする。

請求項１６記載の発明によれば、請求項９〜１４の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

請求項１，９記載の発明によれば、輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。

請求項２，１０記載の発明によれば、請求項１，９記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、輝度飽和の少ない画像を確実に保存することができる。

請求項３，４，１１，１２記載の発明によれば、請求項２，１０記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、輝度飽和の少ない画像をより確実に保存することができる。

請求項５，１３記載の発明によれば、請求項１〜４，９〜１２の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを容易に確認することができる。

請求項６，１４記載の発明によれば、請求項５，１３記載の発明と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを操作者がより容易に確認することができる。

請求項７，８，１５，１６記載の発明によれば、請求項１〜６，９〜１４の何れか一項に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態においては、本発明に係る撮像装置を、コンパクトタイプのデジタルカメラとして説明する。

図１（ａ）は、本発明に係る撮像装置１の外観を示す図である。
この図に示すように、撮像装置１が備える筐体１０の前面中央部には、レンズユニット１１が配設されている。

レンズユニット１１は被写体からの光を所定の焦点に集光させるものであり、図２に示すように、レンズ群１１ａ及び絞り１１ｂを備えている。これらレンズ群１１ａ及び絞り１１ｂとしては、従来より公知のものが用いられている。絞り１１ｂには、露光制御処理部４７が接続されており、レンズ群１１ａによって集光される光の量を調整するようになっている。

レンズユニット１１の上部には、図１（ａ）に示すように、照射装置１２及び調光センサ１３が配設されている。
照射装置１２は、撮影時に瞬間的な光を発する補助光源であり、被写体の撮影時に周囲環境の輝度が不足する場合に、所定の発光タイミング及び発光量で被写体に光を照射するようになっている。このような照射装置１２としては、ストロボや高輝度ＬＥＤを用いることができる。なお、照射装置１２は、筐体１０に外付けされていても良い。
調光センサ１３は、照射装置１２の発光量を検知するものである。

また、筐体１０の側面には、ＵＳＢ端子１４が設けられている。このＵＳＢ端子１４にはＵＳＢケーブルが接続可能となっており、これにより撮像装置１はパーソナルコンピュータなどの外部機器（図示せず）と接続可能となっている。

また、筐体１０の上面には、電源スイッチ１５及びレリーズスイッチ１６が配設されている。電源スイッチ１５は撮像装置１の電源をＯＮ（起動）又はＯＦＦ（起動停止）するためのスイッチであり、レリーズスイッチ１６はシャッタレリーズを行うためのスイッチである。なお、本実施の形態においては、レリーズスイッチ１６は、「半押し」によって撮像装置１の各部に撮影の準備動作を開始させ、「全押し」によって撮影動作を開始させるようになっている。撮影の準備動作としては、撮影に必要なパラメータを取得するための動作があり、具体的には被写体の測光や測距などがある。

また、筐体１０の背面には、図１（ｂ）に示すように、本発明における表示部としてのモニタ１７が設けられている。このモニタ１７は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＣＲＴ（Cathode Ray Tube）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の他、ユーザが機能選択するためのメニュー画面などを表示するようになっている。

モニタ１７の近傍には、複数の操作キー１８，…及び光学式ファインダ１９が配設されている。
操作キー１８は、本発明における入力装置であり、操作者から各種の操作指示が入力されるようになっている。光学式ファインダ１９は、筐体１０の背面側から操作者に被写体を確認させるためのものである。

続いて、撮像装置１の内部構成について説明する。
図１，図２に示すように、撮像装置１は、レンズユニット１１を介して入射光を受光する撮像素子２を、筐体１０の内側に備えている。

撮像素子２は、図３に示すように、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、入射光量に基づいて電気信号への変換モードを切り換えるようになっており、より詳細には、図４に示すように、入射光を電気信号に線形変換する線形変換モードと、対数変換する対数変換モードとを変曲点Ｑを境界として切り換えるようになっている。本実施の形態においては、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、変曲点Ｑに対応する入射光量（以下、変曲入射光量とする）ｔｈ未満の入射光量に対しては線形変換モードを、変曲入射光量ｔｈ以上の入射光量に対しては対数変換モードを行うようになっている。ここで、本実施の形態においては、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な変化態様の電気信号に変換することや、対数的な変化態様の電気信号に変換することである。また、線形変換モードと対数変換モードとの境界となる変曲点Ｑは撮像素子２における画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの駆動条件、例えば撮影時での露光時間や制御電圧などによって変化し、変曲点Ｑが変化して変曲入射光量ｔｈが大きくなると、線形変換モードの行われる割合が大きくなるようになっている。具体的には、図５
に示すように、制御電圧（後述の信号φ_VPSの電圧値ＶＬ，ＶＨの差）が「Ｖ₁」〜「Ｖ₃」の順に大きくなるほど、変曲点Ｑに対応する出力信号値（以下、変曲出力信号値Ｈとする）と変曲入射光量ｔｈとは「VＩ」〜「IV」の順に大きくなり、線形変換モードの行われる割合が大きくなる。なお、図５中、「ａ」〜「ｄ」，「ｄ₁」〜「ｄ₃」はそれぞれ定数である。このうち、制御電圧Ｖ₁〜Ｖ₃の駆動条件下での対数変換モードにおける入出力特性の切片ｄ₁〜ｄ₃は、当該制御電圧Ｖ₁〜Ｖ₃に対して比例関係を有している。

これら画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnのレンズ群１１ａ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、図３に示すように、電源ライン２０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、図３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６，図７参照）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２１が接続されている。この垂直走査回路２１は、後述の信号生成部４８（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。
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２２及び補正回路２３が接続されている。水平走査回路２２は、電気信号をサンプルホールドして補正回路２３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２３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２３としては、特開平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２３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２３を１つずつ設けることとしても良い。更に、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnに対応付けて撮像素子２から出力される出力信号値は、０〜２５６の範囲内の値をとるようになっている。

以上の撮像素子２には、図２に示すように、アンプ３０及びＡＤコンバータ３１を介して、黒基準補正部３２及び信号処理部３３がこの順に接続されている。

黒基準補正部３２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。これにより、撮像素子２のダイナミックレンジにより黒レベルが異なっても、Ａ／Ｄコンバータ３１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が減算されて黒基準補正が行われるようになっている。

信号処理部３３は、撮像素子２の各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnから対数変換モードで出力される電気信号に対して線形変換を行うことにより、撮像素子２からの出力信号を線形変換モード由来の状態に統一するようになっている。なお、この信号処理部３３はルックアップテーブルを用いて変換を行うこととしてもよいし、指数変換する等の演算によって変換を行うこととしてもよい。

この信号処理部３３には、画像処理部４が接続されている。
画像処理部４は、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnからの電気信号全体によって構成される画像データに対して画像処理を行うものであり、ＡＷＢ（Auto White Balance）処理部４０、色補間部４１、色補正部４２、階調変換部４３及び色空間変換部４４を備えている。これらＡＷＢ処理部４０、色補間部４１、色補正部４２、階調変換部４３及び色空間変換部４４は、信号処理部３３に対してこの順に接続されている。

ＡＷＢ処理部４０は画像データに対してホワイトバランス処理を行うものであり、色補間部４１は、同色の前記フィルタが設けられた複数の近接画素からの電気信号に基づいて、これら近接画素間に位置する画素について、この色の電気信号を補間演算するものである。色補正部４２は画像データの色合いを補正するものであり、より詳細には、各色の電気信号を他の色の電気信号に基づき画素毎に補正するものである。階調変換部４３は画像データの階調変換を行うものであり、色空間変換部４４はＲＧＢ信号をＹＣｂＣｒ信号に変換するものである。

この画像処理部４には、前記モニタ１７と記憶部６０とが接続されている。記憶部６０は記録用のメモリであり、信号処理部３３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。この記憶部６０は、例えばフラッシュメモリやハードディスク等によって内臓型に構成されていても良いし、メモリカードやメモリスティック、フロッピーディスク等によって着脱可能に構成されていても良い。

また、信号処理部３３には、評価値算出部５及び制御装置４６がこの順に接続されている。
評価値算出部５はＡＷＢ処理部４０でのホワイトバランス処理（ＡＷＢ処理）に用いられるＡＷＢ評価値や、露光制御処理部４７での露出制御処理（ＡＥ処理）に用いられるＡＥ評価値を算出するものである。なお、ここで算出されるＡＥ評価値には、被写体の輝度分布（例えば、図９（ｃ）等参照）の幅についての情報が含まれている。

制御装置４６は、撮像装置１の各部を制御するものであり、上述のアンプ３０、黒基準補正部３２、画像処理部４、照射装置１２、操作キー１８，…、モニタ１７及び記憶部６０等と接続されている。また、制御装置４６は、前記露光制御処理部４７を介して絞り１１ｂと接続され、信号生成部４８を介して撮像素子２及びＡＤコンバータ３１と接続されている。更に、制御装置４６は、電源部６１と接続されている。

信号生成部４８は、制御装置４６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（画素駆動信号や水平同期信号、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、撮像素子２に出力するものである。この信号生成部４８は、Ａ／Ｄコンバータ３１において用いられるＡ／Ｄ変換用のクロックも生成するようになっている。
電源部６１は、制御装置４６などに電力を供給するものである。

続いて、本実施の形態における画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnについて説明する。
各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは、図６に示すように、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、レンズ群１１ａ及び絞り１１ｂ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、図７に示すように、信号φ_VPSは２値の電圧信号であり、より詳細には、入射光量が変曲入射光量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との２つ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、図７に示すように、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。

続いて、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mn及び垂直走査回路２１の動作について説明する。
まず、図７に示すように、垂直走査回路２１が画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnのリセット動作を行う。
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２１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にする。

次に、垂直走査回路２１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。また、垂直走査回路２１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。

次に、垂直走査回路２１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。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２１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。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２１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にする。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。

次に、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnが撮像動作を行う。
具体的には、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。

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変曲入射光量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。
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変曲入射光量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。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。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または対数変換した電圧が現れる。

次に、垂直走査回路２１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。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。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または対数変換した値となる。

そして、垂直走査回路２１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。

ここで、上述の図５で示したように撮像素子２に対する制御電圧が大きくなるほど、つまり、信号φ_VPSの撮像時の電圧値ＶＬが低くなってリセット時の電圧値ＶＨとの差が大きくなるほど、変曲入射光量ｔｈが大きくなって線形変換モードの割合が大きくなるのは、制御電圧が大きくなるほど、トランジスタＴ₂のゲートＴ_2GとソースＴ_2Sとの間のポテンシャルの差が大きくなり、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、つまり線形変換する被写体輝度の割合が大きくなるためである。また、図５では図示していないが、撮像素子２の露光時間が短くなる場合や、温度が低くなる場合にも、線形変換する被写体輝度の割合は大きくなる。そのため、これら制御電圧や露光時間、温度などを変化させることによって、変曲点Ｑをシフトさせる結果、画像信号のダイナミックレンジや、前記変曲点Ｑでの前記変曲入射光量ｔｈ，前記変曲出力信号値Ｈを制御することができる。具体的には、例えば、被写体の輝度範囲が狭い場合には電圧値ＶＬを低くし、変曲点Ｑの変曲入射光量ｔｈを大きくして線形変換する輝度範囲を広くする一方、被写体の輝度範囲が広い場合には電圧値ＶＬを高くし、変曲点Ｑの変曲入射光量ｔｈを小さくして対数変換する輝度範囲を広くすることで、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの光電変換特性を被写体の特性に合わせることができる。更に、電圧値ＶＬを最小とするときには常に画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnを線形変換する状態とし、電圧値ＶＬを最大とするときには常に画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnを対数変換する状態とすることもできる。

続いて、画像を１枚撮影する場合の撮像装置１の撮像動作について説明する。
まず、撮像素子２が各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnへの入射光を光電変換し、線形変換モードまたは対数変換モード由来の電気信号をアナログ信号として出力する。具体的には、上述のように各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnが信号読出ラインＬ_Dに電気信号を出力すると、この電気信号を定電流源Ｄが増幅し、選択回路Ｓが順にサンプルホールドする。そして、サンプルホールドされた電気信号が選択回路Ｓから補正回路２３に送出されると、補正回路２３がノイズを除去して電気信号を出力する。

次に、撮像素子２から出力されたアナログ信号をアンプ３０が増幅し、ＡＤコンバータ３１がデジタル信号に変換する。次に、黒基準補正部３２が黒基準補正を行った後、当該デジタル信号を信号処理部３３が線形変換モード由来の状態に統一する。このように、入射光量に基づいて線形変換モードと対数変換モードとを切り換える画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnを有する撮像素子２によって撮影を行うことにより、線形変換モードのみを行う画素を有する撮像素子によって撮影を行う場合と比較して、画像データ中の電気信号のダイナミックレンジが広くなる分、広い輝度範囲の輝度情報が電気信号で表現される。

次に、信号処理部３３から出力される電気信号に基づいて評価値算出部５が前記ＡＷＢ評価値，ＡＥ評価値を算出する。次に、算出されたＡＥ評価値に基づいて制御装置４６が露光制御処理部４７を制御し、撮像素子２に対する露光量を調節させる。
また、ＡＷＢ評価値や、前記黒基準補正部３２で設定された前記最低レベル等に基づいて制御装置４６がＡＷＢ処理部４０を制御し、信号処理部３３から出力される画像データに対してホワイトバランス処理を行わせる。

そして、ＡＷＢ処理部４０から出力される画像データに基づいて色補間部４１、色補正部４２、階調変換部４３及び色空間変換部４４がそれぞれ画像処理を行った後、画像データをモニタ１７で表示するか、或いは記憶部６０で記憶することにより、撮像動作を終了する。

続いて、画像を連続撮影する場合の撮像装置１の撮像動作、つまり、本発明に係る撮像方法について説明する。なお、以下の説明においては、撮像装置１は３枚の画像を連続撮影することとして説明する。

まず、図８に示すように、ユーザがレリーズスイッチ１６を押下する（ステップＳ１）と、図９（ａ）に示すように、制御装置４６が撮像素子２の変曲点Ｑを所定点Ｑ_aに設定した後（ステップＳ２）、撮像装置１に１枚目の撮影を行わせる（ステップＳ３（光電変換工程））。

これにより、図９（ｂ），（ｃ）に示すような出力信号で構成される画像が撮像素子２によって撮影される。ここで、図９（ｂ）に示すように、撮像素子２における領域Ｒ_a，Ｒ_bでは、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnからの出力信号値が全て最大値の２５６となっており、白飛びによって被写体が識別できないようになっている。

次に、制御装置４６が撮像素子２の変曲点Ｑ_aを所定量だけシフトして変曲点Ｑ_b，Ｑ_cとし（ステップＳ４，Ｓ６（制御工程））、撮像装置１に２枚目，３枚目の撮影を行わせる（ステップＳ５，Ｓ７（光電変換工程））。

このように、変曲点Ｑをシフトさせて撮像素子２に連続撮影を行わせることにより、各撮像動作の間で電気信号のダイナミックレンジが変化する結果、図１０，図１１に示すように、領域Ｒ_a，Ｒ_bの順で当該領域内での出力信号値には被写体輝度に応じてばらつきが生じ、広い輝度範囲の輝度情報が電気信号で表現されて被写体が識別可能となる。なお、変曲点Ｑをシフトさせる方法としては、上述のように、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの制御電圧や露光時間、温度を変化させる方法があり、本実施の形態においては制御電圧を変化させる方法が用いられている。また、変曲点Ｑをシフトさせる方向は、変曲入射光量ｔｈが大きくなる側でも良いし、小さくなる側でも良いが、本実施の形態においては、図９（ａ）〜図１１（ａ）に示すように、変曲入射光量ｔｈが小さくなる側、つまり対数変換モードの割合が大きくなる側としている。また、変曲点Ｑのシフト量、つまり前記所定量としては任意の量を設定することができるが、本実施の形態においては、１回目のシフト量として、白飛びの生じた領域Ｒ_a，Ｒ_bの一方で白飛びが解消する量が設定され、２回目のシフト量として、領域Ｒ_a，Ｒ_bの両方で白飛びが解消する量が設定されている。

そして、連続撮影された３枚の画像をモニタ１７が並べて表示する（ステップＳ８（表示工程））とともに、各画像データを記憶部６０が記憶して（記録工程）、撮像動作を終了する。

以上の撮像方法によれば、線形変換モードと対数変換モードとを切り換える画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnを有する撮像素子２によって撮影を行うことにより、線形変換モードのみを行う画素を有する撮像素子によって撮影を行う場合と比較して、広い輝度範囲の輝度情報を電気信号で表現することができるため、輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。また、変曲点Ｑをシフトさせて撮像素子２に連続撮影を行わせることにより、複数の撮影画像の一部として、輝度飽和の少ない画像を得ることができる。以上より、従来と比較して輝度飽和の少ない画像を撮影することができる。

また、１回の連続撮影によって撮影された全画像をモニタ１７に並べて表示することにより、輝度飽和の少ない画像が撮影されたことを容易に確認することができる。

また、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶部６０に記憶することにより、輝度飽和の少ない画像を確実に保存することができる。

なお、上記実施の形態においては、本発明に係る撮像装置をコンパクトタイプのデジタルカメラとして説明したが、一眼レフタイプのデジタルカメラとしても良いし、カメラ付携帯電話や車載カメラなどの撮影機能を備えた電子機器としても良いし、携帯電話や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等としても良い。

また、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの制御電圧の変化によって変曲点Ｑをシフトさせて連続撮影を行うこととして説明したが、図１２〜図１４にこの順で示すように、変曲点Ｑをシフトさせるとともに画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnの露光量をシフトさせ、いわゆるブラケット撮影として連続撮影を行うこととしても良い。ここで、露光量をシフトさせる方法としては、絞り１１ｂによる絞り量を調整する方法や、撮像素子２の感度を調整する方法、照射装置１２の発光量を調整する方法、シャッタ時間を調整する方法などがある。このようなブラケット撮影を行うことにより、領域Ｒ_a，Ｒ_bの白飛びを解消しつつ、領域Ｒ_cの黒潰れを解消することができる。

また、変曲点Ｑを所定量だけシフトすることとして説明したが、操作キー１８に入力される操作指示に基づいた量だけシフトすることとしても良いし、連続撮影における１回目の撮影や、連続撮影の前に行われる予備撮影で得られる画像データのＡＥ評価値などの評価結果に基づいた量だけシフトすることとしても良い。ここで、ＡＥ評価値に基づいた量だけ変曲点をシフトする場合には、被写体の輝度範囲が広いときに変曲入射光量ｔｈの変動量を大きくし、輝度範囲が狭いときに変動量を小さくすることが好ましい。

また、ブラケット撮影された全３枚の画像をモニタ１７が並べて表示することとして説明したが、操作キー１８に入力される操作者からの操作指示などに基づいて１枚または２枚の画像のみを表示することとしても良いい。
また、ブラケット撮影された３枚の各画像を記憶部６０が記憶することとして説明したが、操作キー１８に入力される操作者からの操作指示などに基づいて１枚または２枚の画像のみを記憶することとしても良い。

また、画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnは図６のような構成を有することとして説明したが、線形変換モードと対数変換モードとを切り換え可能であれば、例えば上述の特許文献４，５に示されるような構成を有することとしても良い。

更に、各画素Ｇ₁₁〜Ｇ_mnにＲＧＢフィルタを設けることとして説明したが、シアン（Cyan）、マゼンタ（Magenta）及びイエロー（Yellow）などの他の色フィルタを設けることとしても良い。

本発明に係る撮像装置の外観を示す図であり、（ａ）は正面側からの斜視図、（ｂ）は背面側からの斜視図である。 本発明に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 撮像素子の構成を示すブロック図である。 画素及び信号処理部の動作を説明するための図である。 制御電圧と変曲点との関係を示す図である。 画素の構成を示す回路図である。 画素のリセット動作を示すタイミングチャートである。 本発明に係る撮像装置の撮像動作を示す図である。 変曲点をシフトさせた連続撮影における１回目の撮影結果を示す模式図である。 変曲点をシフトさせた連続撮影における２回目の撮影結果を示す模式図である。 変曲点をシフトさせた連続撮影における３回目の撮影結果を示す模式図である。 変曲点及び露光量をシフトさせた連続撮影における１回目の撮影結果を示す模式図である。 変曲点及び露光量をシフトさせた連続撮影における２回目の撮影結果を示す模式図である。 変曲点及び露光量をシフトさせた連続撮影における３回目の撮影結果を示す模式図である。 撮影画像を示す図であり、（ａ）は丸部分に白飛びの生じた画像、（ｂ）は輝度飽和のない画像、（ｃ）は三角部分及び四角部分に黒潰れの生じた画像である。

符号の説明

１ 撮像装置
２ 撮像素子
４６ 制御装置
１８ 操作キー（入力装置）
１７ モニタ（表示部）
Ｇ₁₁〜Ｇ_mn 画素
Ｑ 変曲点

Claims (16)

1. 入射光を電気信号に線形変換する線形変換モードと、対数変換する対数変換モードとを入射光量に基づいて切り換える複数の画素を有する撮像素子と、
   前記撮像素子を制御する制御装置とを備え、
   この制御装置は、前記線形変換モードと前記対数変換モードとの境界となる変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置において、
   複数の画像データを記憶する記憶部を備えることを特徴とする撮像装置。
3. 請求項２記載の撮像装置において、
   操作指示が入力される入力装置を備え、
   前記記憶部は、前記入力装置に入力される操作指示に基づいて画像データを記憶することを特徴とする撮像装置。
4. 請求項２記載の撮像装置において、
   前記記憶部は、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶することを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の撮像装置において、
   複数の画像を表示する表示部を備えることを特徴とする撮像装置。
6. 請求項５記載の撮像装置において、
   前記表示部は、１回の連続撮影によって撮影された全画像を表示することを特徴とする撮像装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の撮像装置において、
   前記制御装置は、前記変曲点と対応する入射光量の大きくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする撮像装置。
8. 請求項１〜６の何れか一項に記載の撮像装置において、
   前記制御装置は、前記変曲点と対応する入射光量の小さくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする撮像装置。
9. 入射光を電気信号に線形変換する線形変換モードと、対数変換する対数変換モードとを入射光量に基づいて切り換える複数の画素を有する撮像素子によって各画素に対する入射光を電気信号に光電変換する複数の光電変換工程と、
   前記線形変換モードと前記対数変換モードとの境界となる変曲点が前記光電変換工程間でシフトするように前記撮像素子を制御することにより、前記撮像素子に連続撮影を行わせる制御工程とを備えることを特徴とする撮像方法。
10. 請求項９記載の撮像方法において、
    複数の画像データを記憶する記憶工程を備えることを特徴とする撮像方法。
11. 請求項１０記載の撮像方法において、
    操作指示が入力される入力装置を用い、
    前記記憶工程では、前記入力装置に入力される操作指示に基づいて画像データを記憶することを特徴とする撮像方法。
12. 請求項１０記載の撮像方法において、
    前記記憶工程では、１回の連続撮影によって撮影された全画像データを記憶することを特徴とする撮像方法。
13. 請求項９〜１２の何れか一項に記載の撮像方法において、
    複数の画像を表示する表示工程を備えることを特徴とする撮像方法。
14. 請求項１３記載の撮像方法において、
    前記表示工程では、１回の連続撮影によって撮影された全画像を表示することを特徴とする撮像方法。
15. 請求項９〜１４の何れか一項に記載の撮像方法において、
    前記制御工程では、前記変曲点と対応する入射光量の大きくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする撮像方法。
16. 請求項９〜１４の何れか一項に記載の撮像方法において、
    前記制御工程では、前記変曲点と対応する入射光量の小さくなる側に当該変曲点をシフトさせて前記撮像素子に連続撮影を行わせることを特徴とする撮像方法。

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