(57)【要約】【課題】  被写体の細部における輝度の小さな変化を鮮明に撮像する。【解決手段】  被写体（３）からの撮像光を画素ごとに光電変換する固体撮像素子（４）と、固体撮像素子の撮像出力を増幅する増幅手段（５）と、増幅手段（５）の出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換手段（６）と、Ａ／Ｄ変換手段（６）の出力を階調変換する階調変換手段（７）と、階調変換手段（７）の出力を画像処理する画像処理手段（９）とを有する撮像装置において、制御手段（８）は、固体撮像素子（４）の撮像出力（Ｓｓ）に対応した信号（Ｓｆ）に応じて、固体撮像素子の電荷蓄積時間と、増幅手段の利得の積に比例した露出量を調整し、これとともに、階調変換手段（７）の階調変換特性を制御する。【選択図】        図１
2006254279.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの撮像光を画素ごとに光電変換する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子の撮像出力を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段の出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力を階調変換する階調変換手段と、
前記階調変換手段の出力を画像処理する画像処理手段と、
前記固体撮像素子の撮像出力に対応した信号に応じて、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間と、前記増幅手段の利得の積に比例した露出量を調整するとともに、前記階調変換手段の階調変換特性を制御する制御手段と
を有する撮像装置。
【請求項２】
前記被写体を照射する光源と、
前記光源の光量を制御するための光量制御手段とをさらに有し、
前記制御手段は、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間及び前記増幅手段の利得に加えて、前記光量制御手段の光量を制御することにより前記露出量を調整する
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記階調変換手段の階調変換特性として、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力の可変範囲のうち、前記Ａ／Ｄ変換手段からの出力の低周波数成分のレベルの部分において、入力の変化に対する出力の変化の比が大きい階調変換特性を選択す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】
前記制御手段は、
前記被写体のそれぞれの部分について、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力の低周波数成分のレベルに応じて定められた露出量及び階調変換特性を用いて形成された画像を選択し、選択されたそれぞれの部分の画像を組合せることにより被写体全体の画像を生成する
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御手段は、
前記被写体の画像のうち、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力の低周波数成分のレベルが比較的高い部分については、前記露出量を比較的小さくし、前記階調変換手段の階調変換特性として、入力に対する出力の変化が略一様な変換特性を選択することにより得られた画像を選択し、
前記Ａ／Ｄ変換手段の出力の低周波数成分のレベルが比較的低い部分については、前記露出量を比較的大きくし、前記階調変換手段の階調変換特性として、入力に対する出力の変化が、入力レベルの低い領域において小さく、入力レベルの高い領域において大きい変換特性を選択することにより得られた画像を選択する
ことを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御手段は、
前記固体撮像素子の撮像出力に対応した信号として、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力を用いることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項７】
前記制御手段は、
前記固体撮像素子の撮像出力に対応した信号として、前記階調変換手段の、前記変換特性が線形であるときの出力を用いることを特徴とする請求項１に記載の撮像素子。
【請求項８】
前記固体撮像素子に形成される画像のうち、前記被写体に対応する画像の部分を検出する被写体検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記被写体検出手段により検出された被写体に対応する画像の部分以外の信号を無視して、前記露出量の制御を行う
することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子カメラのような撮像装置に関し、特に、指紋や血管のパターンなど、画像の細部における輝度の小さな変化を検出するのに撮像装置に関し、特にそのような撮像装置における露出量および階調変換特性の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の撮像装置の露出制御として、映像信号の積算値を一定レベルに近づけるように比較回路を用いて比較回路の比較結果により露出調整を行うＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｔｈｅ  Ｌｅｎｓ）測光を実現したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特公平５−３７５９５号公報（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の露出制御では、被写体の細部における輝度の小さな変化を鮮明に撮像することができないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、被写体からの撮像光を画素ごとに光電変換する固体撮像素子と、前記固体撮像素子の撮像出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力をアナログ−ディジタル変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段の出力を階調変換する階調変換手段と、前記階調変換手段の出力を画像処理する画像処理手段と、前記固体撮像素子の撮像出力に対応した信号に応じて、前記固体撮像素子の電荷蓄積時間と、前記増幅手段の利得の積に比例した露出量を調整するとともに、前記階調変換手段の階調変換特性を制御する制御手段とを有する撮像装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、被写体の細部における輝度の小さな変化を鮮明に撮像することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の撮像装置の構成を示すブロック図である。図示の撮像装置は、被写体３が指であり、指を背後から照明して、その指紋パターンを示す画像を生成するのに適したものであり、光源駆動手段１と、光源２と、固体撮像素子４と、前置増幅器５と、Ａ／Ｄ変換手段６と、階調変換手段７と、制御手段８と、画像処理手段９とを備えている。
【０００８】
光源２は例えばＬＥＤ（発光ダイオード）で構成され、被写体３として指に対し背後から照明光を当てる。
光源駆動手段１は、光源２を駆動するもので、駆動電流の調整により光源２の光量が制御される。光源駆動手段１の駆動電流は、制御手段８により制御される。
固体撮像素子４は、被写体３からの透過光を受け、入射した光を画素ごとに光電変換して、出力信号Ｓｓ（「固体撮像素子出力」と呼ぶことがある）を出力する。
【０００９】
固体撮像素子４は、図２に示すように２次元的に、即ち、水平方向Ｈ、垂直方向Ｖに配列された複数の画素を構成する光電変換素子を有し、各光電変換素子からは、入射光の光量に応じた大きさのアナログ信号が出力される。固体撮像素子４からの信号の出力は、各水平ラインに沿う、水平方向に並んだ画素ごとに順次出力される。
【００１０】
固体撮像素子４は例えばＣＣＤ撮像素子であり、その光電荷蓄積時間の制御及び蓄積された電荷の取出しのタイミングの制御により、シャッター速度及びシャッターの開閉に相当する制御を行うことができる。そのため、固体撮像素子４に対する電荷蓄積時間の制御を電子シャッター機能と呼ぶことがある。本実施の形態では、制御手段８により、電荷蓄積時間の制御が行われる。
【００１１】
前置増幅器５は、固体撮像素子４の撮像出力を増幅して、出力信号Ｓｇ（「前置増幅器出力」と呼ぶことがある）を出力する。前置増幅器５の増幅利得は制御手段８により制御される。
Ａ／Ｄ変換手段６は、前置増幅器５の出力をＡ／Ｄ（アナログ−ディジタル）変換して、ディジタル信号Ｓｆ（「Ａ／Ｄ出力」と呼ぶことがある）を出力する。
階調変換手段７は、Ａ／Ｄ変換手段６の出力を階調変換して、階調変換された信号Ｓｔ（「階調変換出力」と呼ぶことがある）を出力する。階調変換手段７は、複数の階調変換特性を切り替えて用いることができるものであり、その切り替えは、制御手段８によって行われる。
【００１２】
図３は、階調変換手段７の階調変換特性の例を示す。横軸は入力（Ａ／Ｄ出力Ｓｆ）であり、縦軸は出力（階調変換出力Ｓｔ）である。図中のＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３は、制御手段８の階調特性制御信号Ｔｃより切り替えられる階調変換特性を表す。
第１の変換特性ＴＣ１は、線形であって、入力の最小値から最大値までの変化に対して、出力最小値から最大値まで直線的に変化する。第２及び第３の変換特性ＴＣ２、ＴＣ３は非線形であって、入力（Ａ／Ｄ変換出力）が所定値未満の小さい範囲では、出力はゼロに固定され、入力が所定値以上の大きい範囲では、入力の変化に対する出力の変化が大きく（特性曲線の傾斜が急であり）、入力が最大値のとき出力も最大値となる。
上記所定値は、第２の変換特性ＴＣ２よりも第３の変換特性ＴＣ３の方が大きく、入力が上記所定値よりも大きい範囲における、入力の変化に対する出力の変化（曲線の傾斜）は、第２の変換特性ＴＣ２よりも第３の変換特性ＴＣ３の方が大きい。図示の例では、入力は１０ビットの数値であり、最小値が０、最大値が１０２３であり、出力は８ビットの数値であり、最小値が０、最大値が２５５である。
【００１３】
そして、第１の変換特性ＴＣ１では入力の変化に対する出力の変化の比が１／４である。第２の変換特性ＴＣ２では、上記所定値が５１２（入力が取り得る値の最大値の１／２）であり、入力が上記所定値よりも大きい範囲における、入力の変化に対する出力の変化の比が、第１の変換特性ＴＣ１の２倍（１／２）である。第３の変換特性ＴＣ３では、上記所定値が７６７（入力が取り得る値の最大値の３／４）であり、入力が上記所定値よりも大きい範囲における、入力の変化に対する出力の変化の比が、第１の変換特性ＴＣ１の４倍（１）である。
【００１４】
上記のように、第１の変換特性ＴＣ１は、入力の可変範囲（ダイナミックレンジ）の全体にわたり、特性を表す曲線の傾斜が一様であり、従って入力の増加に対する出力の増加が一定である。
第２の変換特性ＴＣ２は、入力のダイナミックレンジのうちの上半分で、第１の変換特性ＴＣ１よりも傾斜が急であり、入力の増加に対する出力の増加が大きく、従って、ダイナミックレンジの上半分の領域で、画像の細部における輝度の小さな変化を拡大する効果を有する。
第３の変換特性ＴＣ３は、入力のダイナミックレンジのうちの上４分の１の領域で、第２の変換特性ＴＣ２よりも傾斜が一層急であり、入力の増加に対する出力の増加が一層大きく、従って、ダイナミックレンジの上４分の１の領域で、画像の細部における輝度の小さな変化を一層拡大する効果を有する。
【００１５】
なお、一般的な階調変換は、入力信号が１０ビットであっても、後段の信号処理の制約、転送レートの制約で８ビットにするなど階調数を減らす処理が行われることが多い。本実施の形態では、入力信号の１０ビットのデータを有効に利用して、後段に適した８ビットの信号に変換する際、最上位ビットのみ又は最上位及び２番目のビットを除去し、さらに入力の低い範囲においては、すべてのビットをゼロとする処理を行うことにより、非線形の階調変換を行っている。例えば、第２の変換特性ＴＣ２は、入力の最上位ビット及び最下位ビットを除去して８ビットとし、さらに入力が所定値５１２未満では、すべてのビットをゼロに置きかえる処理をすることにより得られる。第３の変換特性ＴＣ３は、入力の最上位ビット及び上位から２番目のビットを除去して８ビットとし、さらに入力が所定値７６７未満ではすべてのビットをゼロに置きかえる処理をすることにより得られる。
【００１６】
制御手段８は、固体撮像素子４の撮像出力Ｓｓに比例したＡ／Ｄ出力Ｓｆの値に応じて、露出量を制御するとともに、階調変換手段７の階調変換特性を制御する。
【００１７】
露出量の制御は、光源駆動手段２に対する駆動電流の制御の光量の調整、固体撮像素子４に対する電荷蓄積時間の制御（電子シャッターの制御）、及び前置増幅器５に対する増幅利得の制御によって行われる。
【００１８】
露出量は、光源駆動手段２の駆動電流が大きいほど大きくなり、固体撮像素子４の電荷蓄積時間が大きいほど大きくなり、前置増幅器５の増幅利得が大きいほど大きくなる。
線形な関係が成立する範囲では、露出量は、駆動電流と、電荷蓄積時間と、増幅利得の積に比例する。
即ち、
Ｋ＝Ｋｄ×Ｋｓ×Ｋｇ
の関係がある。
ここで、Ｋは露出量、
Ｋｄは光源駆動電流に対応する光源駆動電流係数、
Ｋｓは電荷蓄積時間に対応する蓄積時間係数、
Ｋｇは増幅利得に対応する増幅利得係数である。
【００１９】
露出量Ｋの制御は、これらの係数Ｋｄ、Ｋｓ、Ｋｇを、Ａ／Ｄ出力Ｓｆに基づいて定めることにより行われる。例えば、Ａ／Ｄ出力Ｓｆに対応するアドレス値にＫｄ、Ｋｓ、Ｋｇの値を蓄えたＬＵＴ（ルック・アップ・テーブル）が用いられる。
ＬＵＴの作成（ＳｆとＫｄ、Ｋｓ、Ｋｇの関係の設定）に当たっては、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）、フレームレート、動きによるぶれ防止等が考慮される。
【００２０】
図４に示す表は、異なる値の露出量Ｋと、それを実現するための駆動電流係数Ｋｄ、蓄積時間係数Ｋｓ、増幅利得係数Ｋｇとの関係を示す。図４の表の左端の欄は設定番号（設定状態を特定するための番号）を示す。露出量Ｋ、駆動電流係数Ｋｄ、蓄積時間係数Ｋｓ、増幅利得係数Ｋｇは相対値であり、例えば、電荷蓄積時間１／３０（秒）を基準状態Ｋｓ＝１.０とした場合、電荷蓄積時間１／６０（秒）の状態はＫｓ＝０.５である。
【００２１】
制御手段８は、試験撮像時には、基準露出量Ｋ＝１とし、撮像時には、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆのレベルに基づいて、本撮像で用いる露出量Ｋが最適となるように、光源駆動電流係数Ｋｄ、電荷蓄積時間係数Ｋｓ、増幅利得係数Ｋｇを制御する。
【００２２】
基準露出量Ｋ（＝１）は、想定される種々の被写体のいずれを撮像した場合にも、固体撮像素子４の出力Ｓｓが設計された範囲内に収まるように、光源駆動電流、電荷蓄積時間、増幅利得を最適化することにより得られた値であり、この値は、多数の被写体のサンプルを用いて、それぞれについて最適化し、統計処理することにより決定されたものである。
【００２３】
基準露出量Ｋは、基準状態の光源駆動電流Ｉｄを設定する光源駆動電流係数Ｋｄを１とし、基準状態の固体撮像素子４の電荷蓄積時間を設定する蓄積時間係数Ｋｓを１とし、基準状態の前置増幅器５の増幅利得を設定する利得係数Ｋｇを１としたとき、１となる。即ち、
【００２４】
Ｋ  ＝  Ｋｄ×Ｋｓ×Ｋｇ  ＝  １
の関係が満たされる。
【００２５】
制御手段８は、試験撮像時のＡ／Ｄ変換出力Ｓｆを入力とし、本撮像で用いる光源駆動電流制御信号Ｋｄ、電荷蓄積時間Ｋｓ、増幅利得Ｋｇの値を調整する。
また、階調変換手段７に対し、信号Ｔｃにより、選択すべき階調変換特性を指示する。
【００２６】
図２は、被写体３として指（被写体３Ａ）を撮像し、指紋のパターンを鮮明に表す画像を生成する場合の、撮像画面内における指の輪郭３Ａｐと、一本の水平ライン（水平方向に並んだ画素から成るライン）Ｌｎの位置関係を示す。
【００２７】
図５、図６、図７は、それぞれ、露出量が第１の値（第１の露出量）、第２の値（第２の露出量）、第３の値（第３の露出量）に設定された状態（第１の状態、第２の状態、第３の状態）における、Ａ／Ｄ出力Ｓｆを示す。図５、図６、図７で横軸は画面内の水平ラインＬｎ上の位置（Ｈ）を示している。縦軸はＡ／Ｄ出力Ｓｆである。
【００２８】
また、図５（ａ）は、水平ラインＬｎ全体にわたるＡ／Ｄ出力Ｓｆの概要を示し、図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図５（ａ）の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のＡ／Ｄ出力Ｓｆを拡大して示す。位置Ｐ１は、被写体のうち最も明るい部分、位置Ｐ３は被写体のうち最も暗い部分、位置Ｐ２は被写体のうちの中間的な明るさの部分である。
また、図６（ａ）は、水平ラインＬｎ全体にわたるＡ／Ｄ出力Ｓｆの概要を示し、図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図６（ａ）の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のＡ／Ｄ出力Ｓｆを拡大して示す。
また、図７（ａ）は、水平ラインＬｎ全体にわたるＡ／Ｄ出力Ｓｆの概要を示し、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、図７（ａ）の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のＡ／Ｄ出力Ｓｆを拡大して示す。
【００２９】
図示のように、指を撮像することにより得られる画像は、振幅が大きい、緩やかに変化する成分（低周波数成分）に、振幅が小さい、急に変化する成分（高周波数成分）が重畳したものである。このうち、振幅の小さい高周波数成分が指紋のパターンに対応する。本発明は、指紋のパターンを表す画像の生成を目的とするものであり、以下のようにして、振幅の小さい高周波数成分を適確に抽出している。
【００３０】
図５、図６、図７において、Ｓｆ１、Ｓｆ２、Ｓｆ３はそれぞれ被写体の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の部分（小領域）の平均輝度レベルに対応するＡ／Ｄ出力Ｓｆの平均レベルを示し、ΔＳｆ１、ΔＳｆ２、ΔＳｆ３は高周波数成分の振幅を示す。
露出量を大きくすれば、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆの平均出力レベルが高くなる。一方、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆの所定のレベルにおける高周波数成分の振幅を拡大するには、階調変換手段で用いる階調変換特性として、当該所定のレベルにおける、入力の変化に対する出力の変化の比が大きい変換特性を用いれば良い。被写体に対応する画像のうち、各部分について最適の露出量と階調変換特性を用いたときに得られた画像を選択することにより、最も鮮明な画像（指紋パターンを示す画像）を得ることができ、このようにして得られた各部分の画像を互いに組合せる（合成する）ことにより、被写体画像の全体について鮮明な指紋のパターンを表す画像を得ることとができる。このような選択及び合成は画像処理手段９で行われる。
【００３１】
以下、そのための動作を図８を参照してより詳細に説明する。
撮像要求があると、最初にステップＳ１において、試験撮像処理が開始されて、初期状態、即ち、基準露出量を与えるための光源駆動電流係数Ｋｄ、電荷蓄積時間係数Ｋｓ、前置増幅器増幅利得係数Ｋｇが設定されて、この状態で撮像が行われる。このとき、階調変換手段７も階調変換特性が初期値、例えば第１の変換特性ＴＣ１に設定される。
【００３２】
次に、ステップＳ２で、制御手段８は、撮像により出力されているＡ／Ｄ変換出力Ｓｆをもとに、本撮像で用いるべき第１乃至第３の露出量を算出する。
即ち、ステップＳ１で得られたＡ／Ｄ変換出力Ｓｆから、被写体全体を、Ａ／Ｄ変換出力のダイナミックレンジを十分に利用して（ダイナミックレンジの略全体を利用して）取り込むことができる第１の露出量Ｋ１を検出する。
【００３３】
また、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆから各部の平均的レベル（Ｓｆ１，Ｓｆ２，Ｓｆ３）を考慮して、さらに位置Ｐ２の信号量Ｓｆ２、及び位置Ｐ３の信号量Ｓｆ３に基づき、第２の露出量Ｋ２及び第３の露出量Ｋ３をそれぞれ算出する。
【００３４】
ここで、第２の露出量Ｋ２と第３の露出量Ｋ３は、
Ｋ２＝Ｓａ／Ｓｆ２
Ｋ３＝Ｓａ／Ｓｆ３
で与えられる。
【００３５】
Ｓａは、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆの最大値Ｓｆｍを用い、画像処理手段９において、高周波数成分の振幅を適切に取出すことができるように予め定められた値である。
【００３６】
上記のように、振幅の大きい低周波数成分に、振幅の小さい高周波数成分が重畳した画像において、高周波数成分のパターンを鮮明に取出すため、本発明では、露出量の制御と階調変換特性の選択を適切に組合せて行うこととしている。
【００３７】
次に、ステップＳ３では、ステップＳ２で得られた第１の露出量Ｋ１を用いて露出制御を行い、これとともに、階調変換手段７に第１の階調変換特性ＴＣ１で階調変換を行わせて撮像を行い、１フレームの撮像データを生成する。第１の露出量Ｋ１は、例えば図５（ａ）に示されるように、被写体の最も明るい部分Ｐ１に対応するＡ／Ｄ変換出力Ｓｆ１が、Ａ／Ｄ変換出力のダイナミックレンジに含まれ、かつ該ダイナミックレンジの最大値Ｓｆｍに近い値となるものである。第１の階調変換特性ＴＣ１は、図３に示すように線形の変換特性である。
【００３８】
第１の露出量Ｋ１及び第１の階調変換特性ＴＣ１を用いて撮像を行うと、階調変換出力Ｓｔとして、図５（ｂ）乃至（ｄ）に示すように、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のすべてにおいて高周波数成分が現われ、位置Ｐ１における高周波数成分の方が位置Ｐ２における高周波数成分よりも振幅が大きく、位置Ｐ２における高周波数成分の方が位置Ｐ３における高周波数成分よりも振幅が大きいデータが得られる。位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３相互間で、高周波数成分の振幅に差ができるのは、同じ細かな構造（例えば指紋）による輝度変化の振幅も、その部分の輝度レベルに比例して小さくなるからである。
【００３９】
次に、ステップＳ４では、ステップＳ２で得られた第２の露出量Ｋ２を用いて露出制御を行い、これとともに、階調変換手段７に第２の階調変換特性ＴＣ２で階調変換を行わせて撮像を行い、１フレームの撮像データを得る。第２の露出量Ｋ２は、例えば図６（ａ）に示されるように、被写体の中間程度の明るさの部分Ｐ２に対応するＡ／Ｄ変換出力Ｓｆ２が、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆのダイナミックレンジに含まれ、かつ該ダイナミックレンジの最大値Ｓｆｍに近い値となり、一方、被写体の最も明るい部分Ｐ１に対応するＡ／Ｄ変換出力Ｓｆ１が、Ａ／Ｄ変換出力のダイナミックレンジの最大値Ｓｆｍに固定される（飽和する）ものである。第２の階調変換特性ＴＣ２は、図３に示すように、入力（Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆ）が最大値の１／２までは出力がゼロであり、入力が最大値の１／２以上の範囲では、入力の変化に対する出力の変化が、第１の階調変換特性ＴＣ１の２倍になる。
【００４０】
第２の露出量Ｋ２及び第２の階調変換特性ＴＣ２を用いて撮像を行うと、階調変換出力Ｓｔとして、図６（ｂ）に示すように、位置Ｐ１においては、信号が飽和し、高周波数成分が現われないものの、図６（ｃ）及び（ｄ）に示すように、位置Ｐ２及びＰ３において高周波数成分が現われ、位置Ｐ２における高周波数成分の方が位置Ｐ３における高周波数成分よりも振幅が大きいデータが得られる。
【００４１】
次に、ステップＳ５では、ステップＳ２で得られた第３の露出量Ｋ３を用いて露出制御を行い、これとともに、階調変換手段７に第３の階調変換特性ＴＣ３で階調変換を行わせて撮像を行い、１フレームの撮像データを得る。第３の露出量Ｋ３は、例えば図７（ａ）に示されるように、被写体の最も暗い部分Ｐ３に対応するＡ／Ｄ変換出力Ｓｆ３が、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆのダイナミックレンジに含まれ、かつ該ダイナミックレンジの最大値Ｓｆｍに近い値となり、一方、被写体の最も明るい部分Ｐ１に対応するＡ／Ｄ変換出力Ｓｆ１のみならず、被写体の中間程度の明るさの部分Ｐ２に対応するＡ／Ｄ変換出力Ｓｆ２が、Ａ／Ｄ変換出力のダイナミックレンジの最大値Ｓｆｍに固定される（飽和する）ものである。第３の階調変換特性ＴＣＣは、図３に示すように、入力（Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆ）が最大値の３／４までは出力がゼロであり、入力が最大値の３／４以上の範囲では、入力の変化に対する出力の変化が、第１の階調変換特性ＴＣ１の４倍になる。
【００４２】
第３の露出量Ｋ３及び第３の階調変換特性ＴＣ３を用いて撮像を行うと、階調変換出力Ｓｔとして、図７（ｂ）及び（ｃ）に示すように、位置Ｐ１及びＰ２においては、高周波数成分が現われないものの、図７（ｄ）に示すように、位置Ｐ３において高周波数成分が明確に現われるデータが得られる。
【００４３】
次に、ステップＳ６では、ステップＳ３乃至Ｓ５の撮像（本撮像）で得られた３フレームの画像信号のうち、画像の各位置（各部分）について、高周波数成分の振幅が最大のものを選んで合成する。
図示の例では、位置Ｐ１については、ステップＳ３の処理で得られた信号（図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）に示される高周波数成分のうちの最も大きいもの、即ち図５（ｂ）に示される高周波数成分を有する信号）を選ぶ。位置Ｐ２については、ステップＳ４の処理で得られた信号（図５（ｃ）、図６（ｃ）、図７（ｃ）に示される高周波数成分のうちの最も大きいもの、即ち図６（ｃ）に示される高周波数成分を有する信号）を選ぶ。位置Ｐ３については、ステップＳ５の処理で得られた信号（図５（ｄ）、図６（ｄ）、図７（ｄ）に示される高周波数成分のうちの最も大きいもの、即ち図６（ｄ）に示される高周波数成分を有する信号）を選ぶ。
【００４４】
そして、このようにして、各位置について選ばれた信号を合成して１フレームの画像信号を生成する。このような合成を行うことで、被写体内のすべての部分について、高周波数成分のパターンが鮮明に再生された画像が得られる。この場合、低周波数成分の忠実な再生は犠牲となるが、高周波数成分の鮮明な再生を優先することで、輝度が細かく変化する（変化幅が小さい）パターン、例えば指紋のパターンを表す鮮明な画像を得ることができる。
【００４５】
なお、上記の例では、ステップＳ６において、画像の各位置について、ステップＳ３乃至Ｓ５の処理で得られた信号のうち、高周波数成分の振幅が最大のものを選んで合成しているが、そのようにする代わりに、被写体に対応する画面の全体について最も適切な露出量とそれに対応する階調変換特性との組合せで生成された画像信号を得ることとしても良い。このようにした場合にも、高周波数成分の振幅を増幅し、輝度が細かく変化する（変化幅が小さい）パターンを表す鮮明な画像を得ることができる。
【００４６】
また、上記の例のステップＳ１の処理では、一つの基準露出量で撮像を行い、その結果得られる信号量Ｓｆに基づいて、第１の露出量Ｋ１、第２の露出量Ｋ２、第３の露出量Ｋ３を求める処理（Ｓ２）を行っているが、複数の異なる基準露出量、例えば３つの基準露出量で撮像を行い、その結果得られる複数の、例えば３つの信号量Ｓｆ１、Ｓｆ２、Ｓｆ３に基づいて、第１の露出量Ｋ１、第２の露出量Ｋ２、第３の露出量Ｋ３を求めることとしても良い。
【００４７】
この場合、第１の基準露出量は、実施の形態１で説明したのと同様の値を有する。第２の基準露出量は、想定される被写体のうち、透過率が比較的低い（即ち、固体撮像素子に入射する光の量が少ない）もの（例えば、太い指など）を撮像した場合に、固体撮像素子出力Ｓｓが設計された範囲内に収まるように、最適化した値であり、この値も、多数の被写体のサンプル（太い指など）を用いて、それぞれについて最適化し、統計処理することにより決定されたものである。第２の基準露出量は第１の基準露出量よりも大きな値となる。
第３の基準露出量は、想定される被写体のうち、透過率が比較的高い（即ち、固体撮像素子に入射する光の量が多い）もの（例えば、細い指など）を撮像した場合に、固体撮像素子出力Ｓｓが設計された範囲内に収まるように、最適化した値であり、この値も、多数の被写体のサンプル（細い指など）を用いて、それぞれについて最適化し、統計処理することにより決定されたものである。第３の基準露出量は第１の基準露出量よりも小さな値となる。
【００４８】
複数の基準露出量を用いることで、種々の互いの異なる特性の被写体のいずれに対しても、適切な基準露出量を設定することでき、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆが飽和するといった事態の発生を少なくすることができ、露出制御や階調変換特性の選択を適切に行うことができる。
【００４９】
また、上記の例では、露出量制御のため、光源駆動電流、電荷蓄積時間及び増幅利得を制御することとしているが、（ａ）電荷蓄積時間と増幅利得を制御し、光源駆動電流制御を固定することもでき、（ｂ）光源駆動電流を制御し、電荷蓄積時間及び増幅利得特性を固定することもできる。
【００５０】
さらにまた、上記の例では、被写体の背後から光を当てて透過光を撮像素子に入射しているが、被写体に当たる反射光（或いは散乱光）を用いた場合にも、本発明を適用することができる。
【００５１】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２の撮像装置の構成を示すブロック図である。図９において、図１と同一の符号は同一乃至同様の部材を示す。実施の形態２の撮像装置は、図１の制御手段８の代わりに、制御手段１０を備える。また、実施の形態１では、制御手段８がＡ／Ｄ変換手段６の出力に基づいて露出制御を行うが、実施の形態２では、制御手段１０が階調変換手段７の出力Ｓｔに基づいて露出制御を行う。但し、階調変換手段７が線形の階調変換特性、例えば図３に示される変換特性ＴＣ１で階調変換を行ったときの出力Ｓｔを用いる。
これ以外の点では、実施の形態２は、実施の形態１と同じであり、実施の形態２でも、実施の形態１と略同じ効果が得られる。
【００５２】
一般に、階調変換手段７までが一つの集積回路として構成されることが多いが、本実施の形態のように、階調変換手段７の出力に基づいて露出制御を行うこととすれば、集積回路の出力に基づいて、露出量の制御や階調変換特性の選択などを行うことができ、集積回路自体の改変を行う必要がないと言う利点がある。
【００５３】
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３の撮像装置の構成を示すブロック図である。実施の形態３の撮像装置は、図１０において、図９と同一の符号は同一乃至同様の部材を示す。図１０の撮像装置は、図９に示す部材に加えて、被写体検出手段１１を有する。
【００５４】
実施の形態３の撮像装置は、被写体からの信号のみを抽出して露出制御に用いるものである。より詳しく述べると、被写体検出手段１１は、階調変換手段７の出力Ｓｔに基づいて、被写体の形状を認識し、被写体部分とそうでない部分の判別を行い、被写体部分以外の部分の信号を無視し、被写体部分の信号のみを制御手段１２に供給する。制御手段１２は、被写体検出手段１１の出力を露出評価値として露出制御及び階調変換特性の選択を行わせる。
【００５５】
図１１は、被写体３の背景部分が被写体３に比べて輝度レベルの高い場合（例えば実施の形態１について述べたように、被写体３を背後から照明する光源２からの光が直接固体撮像素子４に入射した場合）場合のＡ／Ｄ変換出力Ｓｆを示す。図１１で横軸は図２に示される画面内の水平ラインＬｎ上の位置（Ｈ）を示しており、縦軸はＡ／Ｄ出力Ｓｆである。図１１において、位置Ｐ４は、被写体３の背景の明るい部分に対応する。
【００５６】
図１１に示す画像信号が入力された場合、位置Ｐ４の信号Ｓｆ４によって、露出量の適切な制御が困難となる。そこで、本実施の形態では、位置Ｐ４の信号Ｓｆ４を無視して露出量の制御、階調変換特性の選択を行うこととしている。即ち、上記のように、被写体検出手段１１が被写体部分の映像信号のみを抽出し、制御手段１２に送る。制御手段１２は、被写体検出部分１１が抽出した被写体部分の映像信号のみを用いて露出制御及び階調変換特性の選択を行う。
【００５７】
図１２は、そのような被写体部分抽出の機能を持つ撮像装置の動作を示す。図１２に示される動作は、図８に示す動作と概して同じである。異なるのは、ステップＳ１とステップＳ２の間にステップＳ７が挿入されている点であり、図１２のステップＳ２は、図８のステップＳ２と同じであるが、ステップＳ７で被写体部分の信号として抽出された信号のみを用いて露出量の算出を行う。
【００５８】
被写体部分の信号のみに基づいて露出量の制御、階調変換特性の選択を行うので、被写体の背景部分の輝度の影響を受けることなく、露出量の制御などを適切に行うことができる。
【００５９】
なお、実施の形態２、実施の形態３に対しても、実施の形態１に関連して説明したのと同様の変形を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の実施の形態１の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】撮像画面内の被写体の画像の一例を示す図である。
【図３】図１の階調変換手段の第１乃至第３の階調変換特性を示す図である。
【図４】異なる値の露出量Ｋと、それを実現するための駆動電流係数Ｋｄ、蓄積時間係数Ｋｓ、増幅利得係数Ｋｇとの関係を示す表である。
【図５】露出量が第１の値（第１の露出量）の状態における、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆを示す図である。
【図６】露出量が第２の値（第２の露出量）の状態における、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆを示す図である。
【図７】露出量が第３の値（第３の露出量）の状態における、Ａ／Ｄ変換出力Ｓｆを示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１の撮像装置の動作を示すフローチャートである。
【図９】この発明の実施の形態２の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態３の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】被写体の背景が明るい場合のＡ／Ｄ変換出力Ｓｆの一例を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３の撮像装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１  光源駆動手段、  ２  光源、  ３  被写体、  ４  固体撮像素子、  ５  前置増幅器、  ６  Ａ／Ｄ変換手段、  ７  階調変換手段、  ８  制御手段、  ９  画像処理手段、  １０  制御手段、  １１  被写体検出手段、  １２  制御手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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