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【発明の名称】 撮像装置の露出制御および信号処理による輝度補正装置
【発明者】 【氏名】妹尾 勇
【要約】 【課題】非線形性を持ってしまうことで映像出力の輝度変化に不自然な変化が発生してしまうことを課題とする。

【構成】本発明の輝度補正方法では、読出しパルス及び電子シャッターパルスの間隔を検出し、その間隔に応じてゲインおよびオフセットを制御することで映像信号の輝度出力として線形的に滑らかとなるように制御する輝度補正制御方法である。また撮像素子の特性に応じて適切な制御を行なうために撮像素子または周辺の温度を検出し、その温度に適した補正量を補正することでより正確に輝度補正を行なうことを実現する制御方法である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、
撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、
前記撮像素子からの映像信号を増幅する利得変更手段とを有し、
上記読出しパルスの位置、電子シャッターの位置を検出し、その検出結果に応じて前記利得を変更することで輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、
撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、
前記撮像素子からの映像信号にオフセットを載せる輝度補正手段とを有し、
上記読出しパルスの位置、電子シャッターの位置を検出し、その検出結果に応じて前記輝度補正手段により輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、
撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、
前記撮像素子からの映像信号を増幅する利得変更手段と、
前記撮像素子からの映像信号にオフセットを載せる輝度補正手段とを有し、
上記読出しパルスの位置、電子シャッターの位置を検出し、その検出結果に応じて前記利得変更手段により利得を変更すると共に、輝度補正手段によりオフセット方向に輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、
撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、
前記撮像素子からの映像信号を増幅する利得変更手段と、
前記撮像素子からの映像信号にオフセットを載せる輝度補正手段と、
温度を検出する手段と、
輝度補正量を計算・変更する手段とを有し、
温度を検出した結果に応じて輝度補正量を計算・再設定し、その計算・再設定された輝度補正量を利得変更手段・オフセット輝度補正手段により輝度補正を行なうことを特徴とする請求項１、請求項２、および請求項３の撮像装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ，ＣＭＯＳセンサー等の撮像素子を有した撮像装置の露出制御および信号処理による輝度補正装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の撮像装置では絞り制御等のメカ機構による輝度の非線形変化に対応する制御として絞りの位置検出に応じたゲイン制御を可変させる制御方式があった。（例えば、特許文献１参照。）
また、撮像素子の転送効率に対しては、転送効率を良くするための製造過程における工法が用いられていた。（例えば、特許文献２参照。）
【特許文献１】特開２００３−３３３４１８
【特許文献２】特開２００６−１３４６０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ＣＣＤ，ＣＭＯＳセンサ等を使用したデジタルビデオカメラ等の撮像装置では、低照度でもキレイに撮影可能とするように制御されている。小型化および高画素化によりセンサーの感度は悪くなる方向にあるため、利得変更手段により利得を従来よりも大きくし、その代わりに画像信号処理によりノイズを除去することで高感度を実現している。利得が大きく設定されている場合には、撮像素子に蓄積される電荷量が元々少ない。そのため、撮像素子の電荷転送効率が１００％でなければ電荷残りが発生し読出しパルスと電荷掃き捨てパルスの時間間隔がリニアに制御されない場合に出力電荷量が異なってしまう。その結果、映像出力の輝度変化に輝度段差が生じてしまうため、従来ではハードウェアの造り込みにより転送効率の向上が図られてきていた。
【０００４】
しかしながら、ハードウェアで１００％の転送効率を量産することは難しく、撮像素子の電荷読出しおよび電荷掃き捨て時の転送効率が１００％でない限り読出しパルスと電荷掃き捨てパルスの時間間隔がリニアに制御されない場合に出力電荷量が異なってしまう。それにより、映像出力の輝度変化に非線形性が生じてしまっていた。特に利得を高く設定している場合には転送効率が一定以上であっても輝度段差が特に目立ってしまう課題があった。
【０００５】
本出願に係る発明の目的は、下記のようなものである。
撮像素子の転送効率が１００％でないセンサーを用いた撮像装置を前提とする。
【０００６】
そして、読出しパルスと電荷掃き捨てパルスの時間間隔の切り替わりに応じて利得変更手段による利得変更および輝度補正手段によって輝度の非線形性が発生しないように輝度を調節し、映像出力の輝度変化が滑らかに変化することを可能とさせる制御を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明は、読出しパルス制御回路による読出しパルスのタイミングと、電荷掃き捨てパルス制御手段による電荷掃き捨てパルスのタイミングを、時間間隔検出手段にて検出し、時間間隔及びその切り替わりに応じて、利得変更手段により映像信号の利得を制御することで、映像信号出力を滑らからに制御可能とすることを特徴としている。
【０００８】
また、本出願に係る第２の発明は、第１の発明と同じく、読出しパルス制御回路による読出しパルスのタイミングと、電荷掃き捨てパルス制御手段による電荷掃き捨てパルスのタイミングを、時間間隔検出手段にて検出する。この検出結果である時間間隔及びその切り替わりに応じて、輝度オフセット補正回路にてオフセット方向に輝度を補正することで、映像信号の出力を滑らかに制御可能とすることを特徴としている。
【０００９】
また、本出願に係る第３の発明は、第１、第２の発明と同じく、読出しパルス制御回路による読出しパルスのタイミングと、電荷掃き捨てパルス制御手段による電荷掃き捨てパルスのタイミングを、時間間隔検出手段にて検出し、この検出結果である時間間隔及びその切り替わりに応じて、利得変更手段によりゲイン幅を制御すると共に、信号処理回路の輝度補正回路によりオフセット方向に輝度を補正することで、映像信号の高輝度部分から低輝度部分のすべての映像信号を滑らかに制御可能とすることを特徴としている。
【００１０】
また、本出願に係る第４の発明は、撮像素子の温度特性に対応するために温度を検出し、その温度に応じて上記輝度補正量を変更することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、転送効率が１００％でない撮像素子を用いた撮像装置において電子シャッターを変更していった場合に、読出しパルス及び電子シャッターパルスの間隔がリニアに変化しない場合においても、映像出力に輝度段差を生じることなく滑らかに輝度変化させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施例１）
本実施形態における撮像装置の主要構成図の一例を図１に示す。同図において、１はレンズ（簡略して１枚で図示）、２は絞り（簡略化のためＮＤは図示せず）、３は絞りを駆動させるモータ、４は絞りの位置を検出する検出回路。５は絞り機構を駆動する絞り機構駆動装置、６はＣＭＯＳ・ＣＣＤ等の撮像素子、７は撮像素子から電荷を読み出すのを制御する読出しパルス制御装置。８は撮像素子の電荷掃き捨てパルスを制御することで電子シャッター機能を実現する電子シャッター制御装置、９は二重相関サンプリング回路および信号を増幅させるＡＧＣ回路。１０はＡＧＣ回路にて増幅する増幅率を演算し変更量を決定するＡＧＣ制御装置、１１は増幅された映像信号をサンプリングしデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換装置を示している。同図の構成としてはＣＣＤを前提とした撮像装置の構成になっているが、ＣＭＯＳセンサーを用いた場合には構成が異なることもある。１２は１１から出力されたデジタル映像信号を受けて輝度・色・輪郭等の様々なデジタル信号処理を行なうデジタル信号処理回路。１３はデジタル信号処理回路の映像情報から輝度情報を検出する輝度検波回路、１４はデジタル映像信号に対してゲインを施すデジタルＡＧＣ回路。１５は撮像された映像信号をデジタル信号処理回路から受けてその映像情報に輝度のオフセット補正を行なう回路である。ここで、１３・１４・１５はデジタル信号処理回路と別構成にて図示してあるが、デジタル信号処理回路に組み込まれているものでも構わない。１６は自動露出制御中に撮像素子の読出しパルスと電子シャッターパルスの間隔を検出する期間検出回路を示している。１７は各種演算を行うと共にレンズ・センサー等各種装置の制御をつかさどるマイクロコンピュータである。１８は本発明による輝度補正を行なう際の補正量を設定する補正量設定回路である。１９は撮像装置の映像を記録する記録媒体、または映像を出力するモニタ等の出力機構をである。２０は撮像素子または撮像素子周辺の温度を電気信号に変化する温度センサー、２１は温度センサーからの出力をマイクロコンピュータ１７で受けてそのデータを検出する温度検出回路。２２は温度検出回路２１によって検出された結果に応じて輝度補正量を計算・変更する補正量計算・変更回路を示している。
【００１３】
上記構成において通常時はＣＣＤ・ＣＭＯＳ等の撮像素子６に蓄えられた電荷をＣＤＳ／ＡＧＣ回路９でサンプリング及び増幅させＡ／Ｄ変換器１１でデジタルデータに変換し、デジタル信号処理回路１２へ送る。そしてデジタル信号処理回路１２にて被写体の輝度成分を抽出し、輝度検波回路１３にて測光データの算出を行い、そのデータからマイクロコンピュータ１７にて被写体の適正輝度を求める。その演算結果からマイクロコンピュータ１７が、この輝度をもとに絞り駆動回路５、ＡＧＣ制御回路１０、電子シャッター制御装置８及び読出しパルス制御装置７を制御して、適正な露出値の画像信号が得られるよう制御がなされている。ここで、ＡＧＣ制御回路１０は撮像装置によってはＣＤＳ／ＡＧＣ回路９を用いてアナログゲインにより制御する場合もあれば、デジタルＡＧＣ回路１４を用いてデジタルゲインにより露出制御される場合もある。
【００１４】
図２に読出しおよび電子シャッター波形を示す。ここでは１フィールド蓄積にて電子シャッター制御している場合の読出しパルス、電子シャッターパルス、電荷掃き捨て期間、および蓄積時間を示している。例えば図示の捨てる電荷の期間Ｔ１１が１フィールドに対し１０％、読み出す電荷の期間Ｔ１２が１フィールドに対し９０％である場合を考える。１フィールド期間に蓄積される電荷の量を１０００個とすると捨てる電荷期間では１００個、読み出す電荷期間では９００個の電荷配分となる。ここで、転送効率を例えば９０％とした場合には電子シャッターパルスにて掃き捨てを９０％の効率で行なうと１０個の電荷が残ってしまう。この１０個が読み出す期間の電荷に加算されて読出しが行なわれる。そのため、映像として読み出される電荷量としては（１０＋９００）ｘ０．９＝８１９個の電荷となる。次に、図３に示すように例えば２フィールド蓄積にて電子シャッター制御している場合を考える。例えば捨てる電荷期間Ｔ２１を１フィールドに対して９０％、読み出す電荷期間Ｔ２２を１フィールドに対して１１０％とすると映像信号としての電荷量としては１０７１個となる。簡単に言い換えると、図２の捨てる期間の捨て残り電荷個数と図３に示す捨てる電荷期間の捨て残り電荷個数が電子シャッター位置がリニアに制御されても以下のようなことが起こる。１フィールド蓄積から２フィールド蓄積に変更されるところで大きく変化する変化点が存在するため、撮像素子の映像出力として図４の実線に示すような輝度変化の非線形性が表れてしまう。
【００１５】
本発明の代表的な動作として、上記現象を吸収するために、まず期間検出回路１６にて読み出しパルスと電子シャッターパルスの時間間隔を検出する。上記例では１／６０の１フィールド蓄積から１／５９の２フィールド蓄積に変更されるところを検出する。この期間検出回路１６によって検出された場合にＡＧＣ制御回路１０にて電子シャッター位置に応じてＡＧＣの制御を行なうことにより、最終映像としての輝度変化に輝度非線形性が生じることなく線形的に制御可能となる。
【００１６】
より具体的には実際には電子シャッターおよび読出しパルスの制御はマイクロコンピュータ１７にて行なっているため、上記期間の検出は予め制御を行なうマイクロコンピュータの情報を受けて期間検出回路１６にて予め定められたシャッター位置を検出した場合に、そのシャッター値に応じて徐々にゲインを変更することで、図５に示すように出力輝度を線形に変化させることが可能となる。極端な例でいえば、例えば１／６５の時にゲインを１ｄＢ、１／６４の時にゲインを１．５ｄＢ、１／６３の時にゲインを２．０ｄＢ、１／６２の時に２．５ｄＢ、１／６１の時に３．０ｄＢ、１／６０の時に３．５ｄＢのゲイン制御を行い、１／５９に変更されたときに０ｄＢへ戻すようにＡＧＣ制御回路１０によりゲイン制御を行うことが本発明に係る第一の動作である。
【００１７】
（実施例２）
本発明における第二の実施例について撮像装置の主要構成図の一例を図１に示す。実施例１ではＡＧＣ制御回路１０にて輝度補正をゲイン方向に行なったが、本実施例では輝度オフセット補正回路１５にて輝度補正を行うことを特徴としている。実施例１と同様に、自動露出制御中に電子シャッターを変更していくと図４の実線に示すような輝度変化となってしまう。そのため、この輝度変化のオフセット成分を打ち消すために図５に示すように例えば１／６０前後において、デジタル映像信号をデジタル信号処理回路１２から受ける。そして、輝度オフセット補正回路１５により輝度補正を行なうことで、図４に示す点線のように輝度変化を制御しようとする補正制御である。
【００１８】
より具体的には実際には電子シャッターおよび読出しパルスの制御はマイクロコンピュータ１７にて行なっている。そのため、上記期間の検出は予め制御を行なうマイクロコンピュータの情報を受けて期間検出回路１６にて予め定められたシャッター位置を検出した場合に、そのシャッター値に応じて徐々に輝度オフセットを変更する。そうすることで、図５に示すように出力輝度を線形に変化させることが可能となる。極端な例でいえば、例えば１／６５の時にオフセット量を１、１／６４の時にオフセット量を２、１／６３の時にオフセット量を３、１／６２の時に４、１／６１の時に５、１／６０の時に６の輝度オフセット制御を行う。そして、１／５９に変更されたときにオフセット量０へ戻すように輝度オフセット補正回路１５によりオフセット制御を行うことが本発明に係る第二の動作である。
【００１９】
（実施例３）
本発明における第三の実施例について撮像装置の主要構成図の一例を図１に示す。この主要構成を用いて本実施例では、実施例１、実施例２と同様に読み出しパルスと電子シャッターパルスの時間間隔を検出する。この期間検出回路１６によって検出された結果に応じて、実施例１のゲイン補正と実施例２のオフセット補正の両方の制御にて輝度補正を行なうことで最終映像としての輝度変化に輝度非線形性が生じることなく線形的に制御可能となることを特徴としている。
【００２０】
（実施例４）
本発明における第四の実施例について撮像装置の主要構成図の一例を図１に示す。この主要構成を用いて、前記実施例と同様に読み出しパルスと電子シャッターパルスの時間間隔を検出する。この期間検出回路１６によって検出された結果に応じて、実施例１のゲイン補正と実施例２のオフセット補正をそれぞれ独立または、両方同時に制御することで輝度補正を行なうことは前記実施例と同様である。
【００２１】
本発明の課題となる転送効率に依存する輝度出力信号レベルの非線形性は温度により出力信号のレベルが変化することがある。そのため、本実施例の動作としては、まず撮像素子の温度を図１に示す温度センサー２０にて温度を電気信号へ変換し、その変換された電圧値をマイクロコンピュータ１７のＡ／Ｄ変換にてデジタルデータに変換する。そしてデジタルデータに変換された温度データを温度検出回路２１により予め定められたデータと比較し、その結果に応じて輝度補正の補正量を変更し、より正確に輝度補正を行なうことを特徴としている。
【００２２】
以上のように、撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、前記撮像素子からの映像信号を増幅する利得変更手段とを有し、上記読出しパルスの位置。電子シャッターの位置を検出し、その検出結果に応じて前記利得を変更することで輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置により、映像出力に輝度段差を生じることなく滑らかに輝度変化させることが可能となる。
【００２３】
また、撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、前記撮像素子からの映像信号にオフセットを載せる輝度補正手段とを有し、上記読出しパルスの位置、電子シャッターの位置を検出し、その検出結果に応じて前記輝度補正手段により輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置により、映像出力に輝度段差を生じることなく滑らかに輝度変化させることが可能となる。
【００２４】
また、撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、前記撮像素子からの映像信号を増幅する利得変更手段と、前記撮像素子からの映像信号にオフセットを載せる輝度補正手段とを有し、上記読出しパルスの位置、電子シャッターの位置を検出し、その検出結果に応じて前記利得変更手段により利得を変更すると共に、輝度補正手段によりオフセット方向に輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置により、映像出力に輝度段差を生じることなく滑らかに輝度変化させることが可能となる。
【００２５】
また、撮像素子から電荷を読み出す読出しパルス制御手段と、撮像素子から電荷を掃き捨てする電子シャッター制御手段と、前記撮像素子からの映像信号を増幅する利得変更手段と、
前記撮像素子からの映像信号にオフセットを載せる輝度補正手段と、温度を検出する手段と、輝度補正量を計算・変更する手段とを有し、温度を検出した結果に応じて輝度補正量を計算・再設定し、その計算・再設定された輝度補正量を利得変更手段・オフセット輝度補正手段により輝度補正を行なうことを特徴とする撮像装置により、映像出力に輝度段差を生じることなく滑らかに輝度変化させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施例１、２、３、４の撮像装置の概略を説明する図である。
【図２】本発明の課題を説明する図である。
【図３】本発明の課題を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１、２、３、４に係る制御方法を説明する一例の図である。
【図５】輝度補正の補正方法・補正量を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
１ レンズ
２ 絞り
３ 絞り駆動モータ
４ 絞り位置検出回路
５ 絞り機構駆動装置
６ 撮像素子
７ 読出しパルス制御装置
８ 電子シャッター制御装置
９ ＣＤＳ／ＡＧＣ
１０ ＡＧＣ制御回路
１１ Ａ／Ｄ
１２ デジタル信号処理回路
１３ 輝度検波回路
１４ デジタルＡＧＣ回路
１５ 輝度オフセット補正回路
１６ 期間検出回路
１７ マイクロコンピュータ
１８ 補正量設定回路
１９ 記録媒体／モニタ
２０ 温度センサー
２１ 温度検出回路
２２ 補正量計算・変更回路
【出願人】 【識別番号】０００００１００７
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
【出願日】 平成１８年７月２６日（２００６．７．２６）
【代理人】 【識別番号】１０００９０５３８
【弁理士】
【氏名又は名称】西山 恵三

【識別番号】１０００９６９６５
【弁理士】
【氏名又は名称】内尾 裕一
【公開番号】 特開２００８−３４９４３（Ｐ２００８−３４９４３Ａ）
【公開日】 平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【出願番号】 特願２００６−２０３３７２（Ｐ２００６−２０３３７２）