JP2008109278A - 撮像装置、撮像装置の制御方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】シェーディング補正を行うとともに、映像信号のＳ/Ｎが悪化したり、画面全体が暗くなったりするのを防ぐ。
【解決手段】光電変換を行うＣＣＤ１０４と、ズームレンズ１０２を光軸方向に移動させて焦点距離を変更するズーム操作部１１４、絞り１０３を操作するため絞り操作部１１３と、ＣＣＤ１０４からの信号を増幅するとともに、そのゲインを可変とした可変ゲインアンプ１０６とを備え、映像信号のシェーディング補正のために焦点距離に応じて絞り１０３の最大開口径を変更する制御を行うとともに、可変ゲインアンプ１０６でのゲインが上限値であるときには、焦点距離に応じて定められた最大開口径を超えて絞り１０３を開くことを許可する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シェーディング補正を行う撮像装置、撮像装置の制御方法、及びコンピュータプログラムに関する。

ズーム機構を備え、シェーディングの対策として絞りを制御することはこれまでも行われている。絞りを絞ることによってシェーディングに起因する周辺光量落ちを目立たなくするというのが基本的な考えである。例えば特許文献１においては、ＦＮＯを変化させるために小絞りまで絞込みが可能な本絞りと、この本絞りより後方にあって、ズーム作動により絞り口径が変化する副絞りとを備えたズームレンズについて記載されている。また、特許文献２においては、焦点距離によって開放Ｆ値が異なることに起因してズームスピードによっては周辺光量落ちの変化から違和感を覚えることがあるので、ズームスピードに応じて開放Ｆ値補正を変化させるという対策が挙げられている。

ここでは、一般的な焦点距離に応じた開放Ｆ値補正について説明する。ズーム機構でレンズが最も広角側の焦点距離になっているとき（以下、「ワイド端」と称す）は、周辺部で光量が落ちる現象がほとんどない。そのため、多くの場合、レンズの素のＦ値がそのまま開放Ｆ値となる。一方、ズーム機構でレンズが最も望遠側の焦点距離になっているとき（以下、「テレ端」と称す）は、中央部の光量と周辺部の光量の差がワイド端の場合と比べて大きくなり、一般的にシェーディングといわれる現象が起こる。この現象は、テレ端でＦ値が開放に近いほど起こりやすい。そのため、シェーディングが気にならない値になるまで絞りを絞り、このときの値をテレ端での開放Ｆ値とする。テレ端とワイド端の間の焦点距離でも、焦点距離に応じてシェーディングは起こるため、同様の考え方で開放Ｆ値を決める。

また、シェーディング対策として画像処理による補正も行われている。アルゴリズムはいくつかあるが、基本的にはレンズの周辺部で中央部に対して入射光量が低下している場所の信号を増幅することで光量不足を補い、シェーディングをキャンセルしている。

特開平９−２２２６２８号公報 特開平１１−１８３７７８号公報

従来のように焦点距離に応じて開放Ｆ値を変化させ、シェーディングを目立ちにくくする制御を行う手法では、開放Ｆ値が変わることによって様々な問題が生じる。そのうちの１つに、次のようなものがある。すなわち、焦点距離がワイド端側にあるところからテレ端側にズームすると、開放Ｆ値がより絞った状態になるために、撮像素子に入射する絶対光量が減少する。入射光量の低下した分は後段のアンプでのゲインアップで補うことになるが、ゲインが上がった分映像信号のＳ/Ｎが悪化したり、ゲインアップで補いきれなかったときには画面全体が暗くなったりするという問題があった。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、シェーディングを目立ちにくくするシェーディング補正を行うとともに、映像信号のＳ/Ｎが悪化したり、画面全体が暗くなったりするのを防ぐことを目的とする。

本発明は、光電変換を行う撮像素子と、レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、絞りを操作するため絞り操作手段と、前記撮像素子からの信号を増幅するとともに、その増幅度を可変とした可変増幅手段とを備えた撮像装置に関するものであって、映像信号のシェーディング補正のために焦点距離に応じて前記絞りの最大開口径を変更する制御を行うとともに、前記可変増幅手段での増幅度が上限値であるときには、焦点距離に応じて定められた最大開口径を超えて前記絞りを開くことを許可する制御を行うようにしている。
また、本発明は、光電変換を行う撮像素子と、レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、局所的に信号の増幅度を変化させることでシェーディング補正を行うことのできるシェーディング補正手段と、局所的にノイズ除去の強度を変化させることのできるノイズ除去手段とを備えた撮像装置に関するものであって、前記シェーディング補正手段によるシェーディング補正時に用いた局所的な増幅度と、前記ノイズ除去手段による同一箇所のノイズ除去の強度とが一定の関係を持つように関連付けた制御を行うようにしている。

本発明によれば、シェーディングを目立ちにくくするシェーディング補正を行うとともに、映像信号のＳ/Ｎが悪化したり、画面全体が暗くなったりするのを防ぐことができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
本発明の実施形態として、レンズの焦点距離とアンプのゲインに基づいて開放Ｆ値を制御する手法について説明する。本実施形態では、焦点距離と後段のアンプのゲインをみて開放Ｆ値を変化させることにより、ゲインアップで補え切れずに画面が暗くなる場合には周辺光量落ちを許容して撮像素子への入射光量を維持することを目的とする。

図１は本実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。レンズ１０１から入射した光は、ズームレンズ１０２の位置によって焦点距離が決まり、絞り１０３によって光量が制御された後、ＣＣＤ１０４に入射する。ＣＣＤ１０４によって光電変換された信号は、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路１０５での相関二重サンプリングによりノイズが除去される。そして、可変ゲインアンプ１０６でゲインをかけて所望のレベルに増幅された後、ＡＤ変換器１０７によってディジタルデータに変換される。ＡＤ変換器１０７によって変換されたディジタルデータは、信号処理回路１０８によって処理され、映像信号を出力するための信号出力部１０９、画像をモニタリングするための表示部１１０、映像データを記録するための記録媒体１１１に出力される。

上記の信号の流れとは別に、各部を制御するための系統がある。マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称す）１１２は、信号処理回路１０８での処理を制御し、可変ゲインアンプ１０６のゲインを制御する。また、マイコン１０２は、絞り１０３を操作するための絞り操作部１１３を制御し、ズームレンズ１０２を操作するためのズーム操作部１１４を制御する。

一般的な制御であれば、ズーム操作部１１４でズームレンズ１０２を操作するマイコン１１２は、現在の焦点距離をみてシェーディング補正の観点から絞り１０３の開放側の制御範囲を決める。例えば焦点距離ｆでは制御開放絞りをＦ₀に制限するとして、以下の表１の関係にあるとする。

この場合、マイコン１１２は、ズームレンズ１０２の現在位置から現在の焦点距離を算出する。そして、焦点距離が５０ｍｍを超えていれば、上記表１の値に従って制御開放絞り値Ｆ₀を制限した状態で絞り１０３と可変ゲインアンプ１０６を制御して、適正な明るさが得られるようにする。

制御開放絞り値Ｆ₀を制限して制御するという形でシェーディングを補正するため、ズームレンズ１０２で焦点距離を変更した後で、絞り１０３の絞り値が制御開放絞り値Ｆ₀より絞られているときには特に変化はない。逆に、絞り１０３の絞り値が制御開放絞り値Ｆ₀より開かれている場合は、制御開放絞り値Ｆ₀まで絞り１０３を絞り、入射光量が減少した分は可変ゲインアンプ１０６のゲインを上げて適正な明るさを維持する。

それに対して、本実施形態では、マイコン１１２は、図２に示すフローチャートに従って制御を進める。このとき、可変ゲインアンプ１０６のゲインが最大値のときのみ、絞り１０３を制御開放絞り値Ｆ₀を超えて開くことを許容する。

まず、ステップＳ２０１では、通常の露出制御を行う。ステップＳ２０２では、不図示のズーム操作キーの操作に従ってズームレンズ１０２が移動したかどうかを判定する。

上記ステップＳ２０２においてズームレンズ１０２が移動していないと判定された場合、ステップＳ２０１に戻って通常露出制御を続ける。

上記ステップＳ２０２においてズームレンズ１０２が移動していると判定された場合、ステップＳ２０３に進んで、現在の焦点距離ｆが５０ｍｍ以上であるかどうかを判定する。これは、表１にて５０ｍｍ以上の焦点距離においては、シェーディング補正のため、制御開放絞り値補正を実施しているためである。５０ｍｍ未満である焦点距離においては、制御開放絞り値補正を実施していないため、ステップＳ２０１に戻って通常露出制御を行う。

上記ステップＳ２０３において焦点距離ｆが５０ｍｍ以上であると判定された場合、ステップＳ２０４に進んで、表１で決まる制御開放絞り値Ｆ₀の範囲内で通常と同様の露出制御を行う。

ステップＳ２０５では、ズームレンズ１０２が移動したかどうかを判定する。上記ステップＳ２０５においてズームレンズ１０２が移動していないと判定された場合、ステップＳ２０６に進み、ズームレンズ１０２が移動していると判定された場合、ステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２０６では、上記ステップＳ２０４における露出制御の結果、可変ゲインアンプ１０６のゲインが最大値（上限値）となっているかどうかを判定する。上記ステップＳ２０６において最大値となっていないと判定された場合、通常の明るさが確保されているとして、ステップＳ２０４に戻って制御を続ける。

上記ステップＳ２０６において最大値となっていると判定された場合、制御開放絞り値補正によってゲインアップによっても従来の明るさが維持できなったと考える。この場合、ステップＳ２０７で、発振防止のヒステリシスを考慮した後に、ステップＳ２０８で、レンズ本来の開放絞り値であるＦ_Kと現在の焦点距離ｆでの制御開放絞り値Ｆ₀の範囲で絞り１０３を制御して露出を制御する。ステップＳ２０８の露出の制御においては、可変ゲインアンプ１０６のゲインは最大値のままにしておく。これは、可変ゲインアンプ１０６のゲインと絞り１０３の絞り値を同時に制御することによって不安定になるのを避けるためである。

ステップＳ２０９では、ズームレンズ１０２が移動したかどうかを判定する。上記ステップＳ２０９においてズームレンズ１０２が移動していると判定された場合、ステップＳ２１０に進んで、現在の焦点距離ｆが５０ｍｍ以上であるかどうかを判定する。上記ステップＳ２１０において焦点距離ｆが５０ｍｍ以上であると判定された場合、シェーディング補正のための開放絞り値補正の値が変化したことになるので、ステップＳ２０４に戻って制御開放絞りの範囲で通常露出制御を行う。上記ステップＳ２１０において焦点距離ｆが５０ｍｍ未満である場合、シェーディングのための開放絞り値補正を行わなくなったということであり、この場合はステップＳ２０１に戻って通常の露出制御を行う。

上記ステップＳ２０９においてズームレンズ１０２が移動していないと判定された場合、ステップＳ２１１に進む。ステップＳ２１１では、レンズ本来の開放絞り値Ｆ_Kと現在の焦点距離ｆでの制御開放絞り値Ｆ₀との間で制御を行っている。このときに、信号処理回路１０８からの情報を確認して、マイコン１０２が可変ゲインアンプ１０６のゲインが最大値であるという条件では適正な明るさより明るくなってしまうと判定したときは、ステップＳ２１２に進む。ステップＳ２１２では、発振防止のヒステリシス処理をした後、ステップＳ２０４に戻って、制御開放絞り値の範囲内で通常の露出制御を行う。

以上説明したとおり、シェーディング補正のため制御開放絞り値Ｆ₀を補正している焦点距離において、可変ゲインアンプ１０６のゲインが最大値であるときに限って、レンズ本来の開放絞り値まで絞りを開けることを許可した露出制御を行う。

かかる制御によって、十分な明るさを持つ被写体についてはレンズの持つ周辺光量落ち特性を補正することが可能である。すなわち、十分な明るさを持つ被写体に対してはレンズの周辺光量落ちを原因とするシェーディングを抑圧することができる。

一方、可変ゲインアンプ１０６のゲインが最大値になる被写体においては、シェーディング補正のために充分な明るさの映像を得ることができないという現象を回避することができ、レンズをテレ側で用いたときのカメラとしての感度が上がったことになる。すなわち、可変ゲインアンプ１０６のゲインが最大値のときに限り、絞り１０３の制御開放絞り値をレンズ本来の開放絞り値まで制御することを許可することで、暗い被写体で入射光量不足から露出制御の範囲を超えて暗くなってしまう現象を回避することができる。

（第２の実施形態）
本発明の実施形態として、レンズの焦点距離をみてシェーディング補正のためにシェーディング補正部及びノイズ除去部を同時に用いる手法について説明する。本実施形態では、焦点距離によって変わる周辺光量落ちによるシェーディング補正を画像処理により行い、そのときにシェーディングの補正係数と逆の特性をもつノイズリダクションを設定することにより画面上のＳ／Ｎを一定に保つことを目的とする。

図３は本実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。レンズ３０１から入射した光は、ズームレンズ３０２の位置によって焦点距離が決まり、絞り３０３によって光量が制御された後、ＣＣＤ３０４に入射する。ＣＣＤ３０４によって光電変換された信号は、ＡＦＥ（Analog Front End）３０５内部のＣＤＳ回路での相関二重サンプリングによりノイズが除去される。そして、ＡＦＥ３０５内部の可変ゲインアンプでゲインをかけて所望のレベルに増幅された後、ＡＦＥ３０５内部のＡＤ変換器によってディジタルデータに変換される。

ＡＦＥ３０５から出力されたディジタルデータは、信号処理回路３０８によって処理される。信号処理回路３０８内部ではシェーディング補正部３０６にて光学系による周辺光量落ち現象を補正する。シェーディング補正のアルゴリズムについては後述する。シェーディング補正部３０６から出力されたディジタルデータはノイズ除去部３０７に入力され、ノイズ成分が抑圧される。ノイズ抑圧のアルゴリズムについても後述する。ノイズ除去部３０７の出力は信号処理回路３０８から出力され、映像信号を出力するための信号出力部３０９、画像をモニタリングするための表示部３１０、映像データを記録するための記録媒体３１１に出力される。

上記の信号の流れとは別に、各部を制御するための系統がある。マイコン３１２は、信号処理回路３０８内部のシェーディング補正部３０６及びノイズ除去部３０７での処理を制御し、ＡＦＥ３０５内部の可変ゲインアンプのゲインを制御する。また、マイコン３１２は、絞り３０３を操作するための不図示の絞り操作部を制御し、ズームレンズ３０２を操作するためのズーム操作部３１３を制御する。

ここで、シェーディング補正部３０６で行うシェーディング補正のアルゴリズムを説明する。本実施形態では、レンズの焦点距離がｆａ以下ではシェーディング補正が必要なく、焦点距離ｆｂで最もレンズのシェーディングが大きくなり、焦点距離ｆｂ以上ではレンズのシェーディング量がほとんど変わらないというレンズを仮定する。

レンズのシェーディングが最大となる焦点距離ｆｂでのシェーディング量Ｓ_fb（ｈ，ｖ）は調整によってマイコン３１２にとって既知の量とする。シェーディング量とは均一な被写体を撮影したときに１画面の中で最も高いレベルの信号となるところを１とした信号レベルの比と定義する。なお、ｈ、ｖはそれぞれ水平方向の位置と垂直方向の位置を表す。

マイコン３１２は、ズームレンズ３０２の位置をズーム操作部３１３を介して検知する。そして、この値に応じてシェーディング補正部３０６において、表２のようにシェーディング補正ゲインＧ_shを制御することでシェーディング補正を行う。

次に、ノイズ除去部３０７で行うノイズ抑圧のアルゴリズムを説明する。ノイズ除去部３０７でのノイズリダクション処理は、シェーディング補正部３０６でゲインＧ_shを１より上げた位置に対して、ゲインを上げた割合に応じてノイズ除去の強さを制御する。そのため、ノイズ除去部３０７で用いる方法は局所的、換言すれば、２次元的な位置毎にノイズ除去レベルを変化することが必要で、ここでは整数ｋが大きい程強度が強まるノイズフィルタＮＦ（ｋ）を用いる。対象の画素位置（ｈ，ｖ）での補正値は表２で表されるので、ノイズ除去の強度を表すｋは表３で表される。

以上説明したことをまとめると、シェーディング補正部３０６でゲインＧ_shが大きい画素の位置はそのままではＳ／Ｎが悪くなるところを、ノイズ除去部３０７でゲインＧ_shに応じた強度のノイズフィルタをかけることによってノイズを抑え、画面全体を均一なＳ／Ｎに保つことができる。すなわち、シェーディング補正を行うときに、補正を行う局所的なゲインの大きさとノイズを除去するノイズフィルタの強度を合わせることで、画面全体のＳ/Ｎを同レベルに抑えることができる。

なお、本発明の目的は、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成されることは言うまでもない。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した実施形態の機能を実現することになり、プログラムコード自体及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上述した実施形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（基本システム或いはオペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した実施形態の機能が実現される場合も含まれることは言うまでもない。

第１の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る撮像装置での制御を説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０１、３０１ レンズ
１０２、３０２ ズームレンズ
１０３、３０３ 絞り
１０４、３０４ ＣＣＤ
１０５ ＣＤＳ回路
１０６ 可変ゲインアンプ
１０７ ＡＤ変換器
１０８、３０８ 信号処理回路
１０９、３０９ 信号出力部
１１０、３１０ 表示部
１１１、３１１ 記録媒体
１１２、３１２ マイクロコンピュータ
１１３ 絞り操作部
１１４、３１３ ズーム操作部
３０５ ＡＦＥ
３０６ シェーディング補正部
３０７ ノイズ除去部

Claims (6)

1. 光電変換を行う撮像素子と、
   レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、
   絞りを操作するため絞り操作手段と、
   前記撮像素子からの信号を増幅するとともに、その増幅度を可変とした可変増幅手段と、
   映像信号のシェーディング補正のために焦点距離に応じて前記絞りの最大開口径を変更する制御を行うとともに、前記可変増幅手段での増幅度が上限値であるときには、焦点距離に応じて定められた最大開口径を超えて前記絞りを開くことを許可する制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
2. 光電変換を行う撮像素子と、
   レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、
   局所的に信号の増幅度を変化させることでシェーディング補正を行うことのできるシェーディング補正手段と、
   局所的にノイズ除去の強度を変化させることのできるノイズ除去手段と、
   前記シェーディング補正手段によるシェーディング補正時に用いた局所的な増幅度と、前記ノイズ除去手段による同一箇所のノイズ除去の強度とが一定の関係を持つように関連付けた制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
3. 光電変換を行う撮像素子と、レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、絞りを操作するため絞り操作手段と、前記撮像素子からの信号を増幅するとともに、その増幅度を可変とした可変増幅手段とを備えた撮像装置の制御方法であって、
   映像信号のシェーディング補正のために焦点距離に応じて前記絞りの最大開口径を変更する制御を行うとともに、前記可変増幅手段での増幅度が上限値であるときには、焦点距離に応じて定められた最大開口径を超えて前記絞りを開くことを許可する制御を行う手順を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
4. 光電変換を行う撮像素子と、レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、局所的に信号の増幅度を変化させることでシェーディング補正を行うことのできるシェーディング補正手段と、局所的にノイズ除去の強度を変化させることのできるノイズ除去手段とを備えた撮像装置の制御方法であって、
   前記シェーディング補正手段によるシェーディング補正時に用いた局所的な増幅度と、前記ノイズ除去手段による同一箇所のノイズ除去の強度とが一定の関係を持つように関連付けた制御を行う手順を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
5. 光電変換を行う撮像素子と、レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、絞りを操作するため絞り操作手段と、前記撮像素子からの信号を増幅するとともに、その増幅度を可変とした可変増幅手段とを備えた撮像装置を制御するコンピュータプログラムであって、
   映像信号のシェーディング補正のために焦点距離に応じて前記絞りの最大開口径を変更する制御を行うとともに、前記可変増幅手段での増幅度が上限値であるときには、焦点距離に応じて定められた最大開口径を超えて前記絞りを開くことを許可する制御を行う処理をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
6. 光電変換を行う撮像素子と、レンズを光軸方向に移動させて焦点距離を変更する焦点距離変更手段と、局所的に信号の増幅度を変化させることでシェーディング補正を行うことのできるシェーディング補正手段と、局所的にノイズ除去の強度を変化させることのできるノイズ除去手段とを備えた撮像装置を制御するコンピュータプログラムであって、
   前記シェーディング補正手段によるシェーディング補正時に用いた局所的な増幅度と、前記ノイズ除去手段による同一箇所のノイズ除去の強度とが一定の関係を持つように関連付けた制御を行う処理をコンピュータに実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。

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