(57)【要約】【課題】ダイナミックレンジを低下させることなく、撮像の感度を下げる。【解決手段】この撮像素子は、ローリングシャッター機能を有し、被写体の光量に対応したアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、入力する利得に応じて、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰するアナログ増幅器と、前記アナログ増幅器から入力するアナログ信号を変換して得られるデジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合は、前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、を具備し、前記アナログ増幅器は、入力するマイナス利得に対して、前記変換部から出力されるデジタル信号が前記最大出力レベルを維持する範囲で、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを減衰する。【選択図】図１
2015180010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローリングシャッター機能を有し、被写体の光量に対応したアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、
入力する利得に応じて、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰するアナログ増幅器と、
前記アナログ増幅器から入力するアナログ信号を変換して得られるデジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合は、前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、を具備し、
前記アナログ増幅器は、入力するマイナス利得に対して、前記変換部から出力されるデジタル信号が前記最大出力レベルを維持する範囲で、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを減衰する撮像装置のヘッド。
【請求項２】
ローリングシャッター機能を有し、被写体の光量に対応したアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、入力する利得に応じて、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰するとともに、入力するマイナス利得に対して、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを減衰するアナログ増幅器と、前記アナログ増幅器から入力するアナログ信号を変換して得られるデジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合、前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、を具備するヘッドと、
前記変換部から出力されるデジタル信号の画像を入力するとともに、前記制御された利得を出力する入出力部と、入力する利得に応じて、前記入出力部から入力されるデジタル信号の信号レベルを増加又は減衰するデジタル増幅器と、前記アナログ増幅器と前記デジタル増幅器の利得および前記ローリングシャッター機能のシャッタースピードを制御する制御部と、前記デジタル増幅器からのデジタル信号に基づく画像を出力する出力部と、を具備する制御ユニットと、を備え、
前記制御部は、前記出力された画像の明るさに応じて、前記デジタル増幅器の利得を優先的に制御し、次に前記アナログ増幅器の利得を制御した後に、前記シャッタースピードの制御を行う撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記出力された画像の明るさに応じて、前記デジタル増幅器の利得を、ゼロ利得まで下げるように制御する請求項２記載の撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記出力された画像の明るさに応じて、前記アナログ増幅器のマイナス利得を、飽和ノイズが出ない範囲で下げるように制御する請求項２記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記シャッタースピードを、前記デジタル増幅器の利得がゼロ利得で、かつ前記アナログ増幅器のマイナス利得が最小になるまで、オフを保つように制御する請求項２記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御ユニットは、
前記変換部から入力する画像の現在の明るさを算出する明るさ算出部と、前記算出された画像の現在の明るさと入力する前記画像の明るさの目標値とに基づき、前記アナログ増幅器と前記デジタル増幅器の利得を算出する利得算出部と、
前記明るさ算出部で算出された画像の現在の明るさと前記画像の明るさの目標値に基づき、前記シャッタースピードを算出するシャッタースピード算出部と、をさらに具備し、
前記制御部は、前記算出された画像の現在の明るさが前記目標値より明るい場合、前記明るさに応じて、前記デジタル増幅器の利得を、ゼロ利得まで下げ、次に前記アナログ増幅器のマイナス利得を、飽和ノイズが出ない範囲で下げるとともに、前記前記シャッタースピードを、前記デジタル増幅器の利得がゼロ利得で、かつ前記アナログ増幅器のマイナス利得が最小になるまで、オフを保つように制御した後、前記シャッタースピードを、前記算出されたシャッタースピードになるように制御する請求項２記載の撮像装置。
【請求項７】
撮像素子が、ローリングシャッター機能を有し、被写体の光量に対応したアナログ信号の画像を出力するステップと、
アナログ増幅器が、入力する利得に応じて、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰するとともに、入力するマイナス利得に対して、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを減衰するステップと、
変換部が、前記アナログ増幅器から入力するアナログ信号を変換して得られるデジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合、前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力するステップと、
入出力部が、前記変換部から出力されるデジタル信号の画像を入力するとともに、前記制御された利得を出力するステップと、
デジタル増幅器が、入力する利得に応じて、前記入出力部から入力されるデジタル信号の信号レベルを増加又は減衰するステップと、
制御部が、前記アナログ増幅器と前記デジタル増幅器の利得および前記ローリングシャッター機能のシャッタースピードを制御するステップと、
出力部が、前記デジタル増幅器からのデジタル信号に基づく画像を出力するステップと、を含み、
前記制御するステップでは、前記制御部が、前記出力された画像の明るさに応じて、前記デジタル増幅器の利得を優先的に制御し、次に前記アナログ増幅器の利得を制御した後に、前記シャッタースピードの制御を行う撮像装置の露光調整方法。
【請求項８】
明るさ算出部が、前記変換部から入力する画像の現在の明るさを算出するステップと、
利得算出部が、前記算出された画像の現在の明るさと入力する前記画像の明るさの目標値とに基づき、前記アナログ増幅器と前記デジタル増幅器の利得を算出するステップと、
シャッタースピード算出部が、前記明るさ算出部で算出された画像の現在の明るさと前記画像の明るさの目標値に基づき、前記シャッタースピードを算出するステップと、をさらに含み、
前記制御するステップでは、前記制御部は、前記算出された画像の現在の明るさが前記目標値より明るい場合、前記明るさに応じて、前記デジタル増幅器の利得を、ゼロ利得まで下げ、次に前記アナログ増幅器のマイナス利得を、飽和ノイズが出ない範囲で下げるとともに、前記前記シャッタースピードを、前記デジタル増幅器の利得がゼロ利得で、かつ前記アナログ増幅器のマイナス利得が最小になるまで、オフを保つように制御した後、前記シャッタースピードを、前記算出されたシャッタースピードになるように制御する請求項７記載の撮像装置の露光調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、ローリングシャッター機能を有するイメージセンサを用いた撮像装置のヘッド、撮像装置およびその露光調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用の内視鏡や放送局用のカメラなどを始めとする撮像装置において、絞りやＮＤフィルタを使用せずに、シャッター機能を用いて被写体を撮影するものがある。このような撮像装置では、イメージセンサの高感度化とＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）化によって、高輝度な被写体を撮影する際にローリングシャッターの影響が顕著になるとともに、センサやカメラの標準感度の高まりによって、標準感度に対して十分過ぎる飽和電子数をもったセンサが出現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−９５２１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３２３８３号公報
【特許文献３】特開２００２−２０９１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高輝度な被写体の撮影において、明るさを下げるには、絞り機能がない撮像装置ではシャッタースピードを高速にするしかないが、ローリングシャッターの原理で明るさの変動がライン毎に異なって影響し、この結果、例えば１画面内に明暗の横縞が現れることとなる。また、Ａ／Ｄ変換後のデジタルゲインにて感度を下げると、ダイナミックレンジが低下し、明るい部分の映像がいわゆる白抜けすることとなる。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、ダイナミックレンジを低下させることなく、撮像の感度を下げることのできる撮像装置のヘッド、撮像装置およびその露光調整方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために本発明の撮像装置のヘッドは、ローリングシャッター機能を有し、被写体の光量に対応したアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、入力する利得に応じて、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰するアナログ増幅器と、前記アナログ増幅器から入力するアナログ信号を変換して得られるデジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合は、前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、を具備し、前記アナログ増幅器は、入力するマイナス利得に対して、前記変換部から出力されるデジタル信号が前記最大出力レベルを維持する範囲で、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを減衰するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態１の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した撮像装置のヘッドの構成を示すブロック図。
【図３】図１に示したＡ／Ｄ変換部の入力信号と出力信号の関係を示すグラフ。
【図４】Ａ／Ｄ変換前で減感した場合とＡ／Ｄ変換後に減感した場合のＡ／Ｄ変換部の入力信号と出力信号の関係を示すブロック図。
【図５】本発明の実施形態２の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図６】図５に示したＭＰＵの自動露光調整機能部の各機能を示す機能構成図。
【図７】自動露光調整機能部の動作を説明するためのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態１の撮像装置１の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示した撮像装置１のヘッドの構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１に示すように、この撮像装置１は、撮像素子１０、アナログ増幅器２０、アナログ／デジタル変換部（以下、「Ａ／Ｄ変換部」という）３０、デジタル信号処理部４０、出力インターフェース（以下、「出力Ｉ／Ｆ」という）５０、ユーザインターフェース（以下、「ユーザＩ／Ｆ」という）５２を備える。なお、撮像素子１０、アナログ増幅器２０、Ａ／Ｄ変換部３０は、撮像装置１のヘッドを構成し、デジタル信号処理部４０、出力Ｉ／Ｆ５０、ユーザＩ／Ｆ５２は、撮像装置１の制御ユニットを構成している。
【００１０】
図２に示すように、撮像素子１０は、ローリングシャッター機能を有するＣＭＯＳイメージセンサからなる。このＣＭＯＳイメージセンサ１０は、画素１１毎にフォトダイオード（受光部）と増幅器（Ａｍｐ）とを有する。各画素１１内のフォトダイオードは、被写体からの光を受光し、光電変換機能により光をその光量に応じた電子数に変換して蓄積する。蓄積された電子は、同じ画素１１内の増幅器によって電圧に変換、増幅される。
【００１１】
この増幅された電圧は、垂直読出し回路１２による画素選択により、ライン（行）毎に選択されて読み出され、ノイズを除去した後、一時的に保管される。保管された電圧は、水平読出し回路１３によって、列毎に選択されて電圧信号（アナログ信号）として読み出される。
【００１２】
このＣＭＯＳイメージセンサ１０は、単位画素当たりで蓄積可能な最大電子数（飽和電子数）を有し、この最大電子数以下で、被写体の光量に対応した信号レベルのアナログ信号を出力する。
【００１３】
アナログ増幅器２０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の水平読出し回路１３から入力するアナログ信号の信号レベルを増加（増感）又は減衰（減感）する。すなわち、このアナログ増幅器２０には、ユーザＩ／Ｆ５２を介して、ユーザからの利得（ゲイン）指示が入力している。このアナログ増幅器２０は、この入力するゲインに応じて、ＣＭＯＳイメージセンサ１０から入力するアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰する。
【００１４】
このアナログ増幅器２０は、ユーザＩ／Ｆ５２から入力するゲイン指示に対して、Ａ／Ｄ変換部３０から出力されるデジタル信号が最大出力レベルを維持する範囲で、ＣＭＯＳイメージセンサ１０から入力するアナログ信号の信号レベルを減衰する。
【００１５】
なお、ユーザＩ／Ｆ５２は、アナログ増幅器２０のゲインを、ユーザが任意に設定できるもので、このユーザによって設定されたゲインをゲイン指示としてアナログ増幅器２０に出力している。
【００１６】
また、信号レベルを増加させる撮像装置１の増感機能は、アナログ増幅器２０でのアナログゲインの設定またはデジタル信号処理部４０でのデジタルゲインの設定で実現する。
【００１７】
図３は、図１に示したＡ／Ｄ変換部３０の入力信号と出力信号の関係を示すグラフである。
Ａ／Ｄ変換部３０は、アナログ増幅器２０から入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。図３に示すように、Ａ／Ｄ変換部３０には、入力するアナログ信号に対して、変換するデジタル信号の最大出力レベル、すなわちＡ／Ｄ出力のＡ／Ｄｍａｘが設定されている。
【００１８】
ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の飽和電子数は、アナログ信号の信号レベルのゲインが標準設定、例えば図３の減感なし（ゲインが０［ｄＢ］のとき）の状態で、Ａ／Ｄ変換部３０のＡ／Ｄ出力がＡ／Ｄｍａｘになるのに十分過ぎるものである。このため、Ａ／Ｄ変換部３０では、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のフォトダイオードが飽和する前に、Ａ／Ｄ出力がＡ／Ｄｍａｘでクリップされている。
【００１９】
この飽和電子数は、画素によってばらつきを持つため、飽和した画像が撮像装置１から出力されると、この画像は明るさの異なる粒状の画像（ノイズを含んだ画像）となってしまう。
【００２０】
そこで、本実施形態では、アナログ増幅器２０のアナログ信号の信号レベルのゲインをマイナス、例えば−１５［ｄＢ］に設定しても、Ａ／Ｄ変換部３０のＡ／Ｄ出力のクリップが先に起こるような飽和電子数を持つＣＭＯＳイメージセンサ１０を採用している。
【００２１】
このようにＣＭＯＳイメージセンサ１０、Ａ／Ｄ変換部３０を構成することで、アナログ増幅器２０では、例えば標準設定の状態でのアナログ信号の信号レベルを、ユーザＩ／Ｆ５２から入力するゲイン指示、例えば−１５［ｄＢ］のゲイン指示に対応して減衰しても、Ａ／Ｄ変換部３０のＡ／Ｄ出力がＡ／Ｄｍａｘを維持することができる。
【００２２】
図１に示すように、デジタル信号処理部（画像処理部）４０は、Ａ／Ｄ変換部３０からのデジタル信号の被写体の画像を画像処理するものである。
出力Ｉ／Ｆ５０は、画像処理された画像を、例えば図示しない外部の表示装置などに出力するものである。
【００２３】
なお、この撮像装置１における増感機能は、アナログ増幅器２０のアナログゲインの設定、またはデジタル信号処理部４０での後述するデジタル増幅器４１のデジタルゲインの設定によって行うことができる。
【００２４】
図４は、Ａ／Ｄ変換前でアナログ信号を減感した場合とＡ／Ｄ変換後にデジタル信号を減感した場合のＡ／Ｄ変換部３０の入力信号（アナログ信号）と出力信号（デジタル信号）の関係を示すブロック図である。
【００２５】
図４に示すように、Ａ／Ｄ変換部３０でのＡ／Ｄ変換後に減感、すなわちデジタル信号のゲインをマイナスに設定して減衰すると、デジタル信号がＡ／Ｄｍａｘを維持できずに、下回ることとなる。この結果、出力Ｉ／Ｆ５０から出力される画像は、明るい部分の画像がない白抜きされたものとなってしまう。
【００２６】
これに対して、本実施形態では、Ａ／Ｄ変換前に減感、すなわちアナログ信号のゲインをマイナスに設定して減衰するので、Ａ／Ｄ変換部３０で変換されたデジタル信号がＡ／Ｄｍａｘを維持できる。この結果、出力Ｉ／Ｆから出力される画像は、白抜きがない明るい部分の画像を含んだものとなり、ダイナミックレンジを広くして、撮像の感度を下げることができる。
【００２７】
このように、本実施形態では、飽和電子数の大きいイメージセンサを用いるとともに、Ａ／Ｄ変換前のアナログゲインを減感する方向に制御するので、ローリングシャッターの悪影響の低減、ノイズの低減向上を図ることができる。
【００２８】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２の撮像装置１の構成を示すブロック図である。図６は、図５に示したＭＰＵ５３の自動露光調整機能部６０の各機能を示す機能構成図である。図７は、自動露光調整機能部６０の動作を説明するためのグラフである。
【００２９】
本実施形態では、自動露光調整機能部６０を備えたＭＰＵ（Micro Processing Unit）５３を用いてアナログ増幅器２０のゲイン設定を、設定された画像の明るさの目標値に基づいて自動制御するものである。
【００３０】
ＭＰＵ５３は、この他に後述するデジタル増幅器４１のゲイン設定、ローリングシャッター機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ１０のシャッタースピード設定も、設定された画像の明るさの目標値に基づいて自動制御する。
なお、このＭＰＵ５３による制御は、現状の明るさが目標の明るさより十分に明るい場合、デジタル増幅器４１のゲイン、アナログ増幅器２０のゲイン、シャッタースピードの調整の順で行う。
【００３１】
図５に示すように、撮像装置１のヘッド２と制御ユニット３は、デジタル信号を通信するデジタル信号線４で接続されている。
【００３２】
撮像装置１のヘッド２は、図１に示した構成部分の他に、デジタル信号線４を介して、Ａ／Ｄ変換部３０でＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を制御ユニット３に出力するとともに、制御ユニット３からゲイン指示を取り込むＣＵＩ／Ｆ３１を備える。
【００３３】
制御ユニット３は、図１に示した構成部分の他に、ヘッドＩ／Ｆ５１、ＭＰＵ５３を備える。
また、デジタル信号処理部４０は、デジタル増幅器（デジタルＡｍｐ）４１、画像処理回路４２、積算回路４３を備える。
【００３４】
ヘッドＩ／Ｆ５１は、デジタル信号線４を介して、ヘッド２からデジタル信号を取り込むとともに、ＭＰＵ５３からのゲイン指示およびシャッタースピード指示をヘッド２に出力している。
【００３５】
ユーザＩ／Ｆ５２は、画像の目標の明るさを、ユーザが任意に設定できるもので、このユーザによって設定された目標の明るさのデータをＭＰＵ５３に出力している。
また、ユーザは、画像の明るさを調整する速度を早く又はゆっくり調整させたい場合やその設定範囲を調整させたい場合がある。
そこで、ユーザＩ／Ｆ５２では、目標の明るさの設定値の他に、その調整速度や設定範囲などの他の設定値も、ユーザが任意に設定でき、この他の設定値のデータをＭＰＵ５３に出力している。
【００３６】
デジタル増幅器４１は、ヘッドＩ／Ｆ５１から入力するデジタル信号の信号レベルを増加又は減衰する。すなわち、このデジタル増幅器４１には、ＭＰＵ５３からゲイン指示が入力している。このデジタル増幅器４１は、この入力するゲイン指示に応じて、ヘッドＩ／Ｆ５１から入力するデジタル信号の信号レベルを増加又は減衰する。
【００３７】
画像処理回路４２は、Ａ／Ｄ変換部３０からのデジタル信号の被写体の画像を画像処理するものである。
積算回路４３は、デジタル増幅器４１から出力されるデジタル信号をサンプリングし、このサンプリングしたデジタル信号の信号レベルを積算したデータを出力する。
【００３８】
図６に示すように、ＭＰＵ５３は、自動露光調整機能部６０を備える。この自動露光調整機能部６０は、第１〜第２の記憶機能部６１〜６２、第１〜第３の計算機能部６３〜６５を備える。
【００３９】
第１の記憶機能部６１は、現在の設定値データを記憶するものである。
これらの現在の設定値データとは、調整対象となる現在のシャッタースピード（フォトダイオードの露光時間）、現在のアナログ増幅器２０のゲイン、現在のデジタル増幅器４１のゲイン、目標の明るさの各データである。
【００４０】
これらの現在の設定値データのうち、現在のシャッタースピード、現在のアナログ増幅器２０のゲイン、現在のデジタル増幅器４１のゲインの各データは、第３の計算機能部６５から入力されて、第１の記憶機能部６１に記憶される。
また、目標の明るさのデータは、ユーザの設定によってユーザＩ／Ｆ５２から入力されて、第１の記憶機能部６１に記憶される。なお、明るさに関するデータは、例えば光量を示すデータからなる。
【００４１】
第２の記憶機能部６２は、目標の明るさのデータ以外の調整速度や設定範囲などの他の設定値データが記憶されている。
これらの他の設定値データは、ユーザの設定によってユーザＩ／Ｆ５２から入力されて、第２の記憶機能部６２に記憶される。
【００４２】
第１の計算機能部６３は、積算回路４３から入力する積算データから画像の現状の明るさを計算するものである。
【００４３】
第２の計算機能部６４は、第１の記憶機能部６３で計算された画像の現状の明るさと、目標の明るさとを演算して、目標の明るさとなる設定値を求める。この目標の明るさとなる設定値は、各種設定値の合計、例えばデジタル増幅器４１のゲイン設定値、アナログ増幅器２０のゲイン設定値、シャッタースピードの設定値、の合計を一元的に表現した値である。
【００４４】
第３の計算機能部６５は、入力する画像の現状の明るさ、目標の明るさとなる設定値、現在の設定値、その他の設定値のデータから、次の明るさとなる設定値γと、そのときの各種設定値を計算する。なお、次の明るさとなる設定値γは、設定値α、βと評価される。
【００４５】
第３の計算機能部６５には、３段階の次の画像の明るさの設定値α、β〜α、βが設定されている。これらの次の画像の明るさの設定値α、β〜α、βは、計算された次の明るさとなる設定値γと比較される基準となる固定の設定値である。このαとβは、α＞βの関係にある。
【００４６】
すなわち、次の明るさとなる設定値γが、γ＞αの関係にあるとき、自動露光調整機能部６０は、第１段階として、シャッタースピードをオフ、例えば標準の露光時間として１／６０［ｓ］に固定し、アナログ増幅器２０のゲインを最大に固定し、デジタル増幅器４１のゲインを第３の計算機能部６５で計算した設定値に調整する。
【００４７】
また、次の明るさとなる設定値γが、γ＝β〜αの関係にあるとき、これは次の明るさとなる設定値γがβとαの間にあるときである。このとき、自動露光調整機能部６０は、第２段階として、シャッタースピードをオフ、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］に固定し、アナログ増幅器２０のゲインを第３の計算機能部６５で計算した設定値に調整する。
【００４８】
また、次の明るさとなる設定値γが、γ＜βの関係にあるときは、自動露光調整機能部６０は、第３段階として、シャッタースピードを第３の計算機能部６５で計算した設定値に調整し、アナログ増幅器２０のゲインを最小（マイナスの最小値、飽和電子数とＡ／Ｄｍａｘの関係から決定）に固定し、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］に固定する。
【００４９】
本実施形態では、自動露光調整を行う場合、デジタル信号処理部４０の積算回路４３がデジタル増幅器４１から出力される画像のデジタル信号をサンプリングして積算し、この積算したデータをＭＰＵ５３の自動露光調整機能部６０に出力する。
【００５０】
ＭＰＵ５３は、この積算データと、現在の各種設定値のデータに基づき、出力される画像の明るさが目標の明るさになるよう、各種設定値（デジタル増幅器４１およびアナログ増幅器２０のゲイン、シャッタースピード）を段階毎に計算し、その設定通りにゲイン、シャッタースピードを制御するものである。
【００５１】
すなわち、図７に示すように、画像の現状の明るさが目標の明るさより十分明るい状態で、次の明るさとなる設定値γが、γ＞αの関係にあるとき、ＭＰＵ５３は、ヘッドＩ／Ｆ５１、ＣＵＩ／Ｆ３１を介して、ＣＭＯＳイメージセンサ（撮像素子）１０のシャッタースピードをオフに、アナログ増幅器２０のゲインが最大になるように制御するとともに、デジタル増幅器４１のゲインを、第３の計算機能部６５で計算したデジタルゲインの設定値になるように制御する。
【００５２】
ここで、画像の現状の明るさが目標の明るさより明るい場合、再び第１の計算機能部６３による画像の現状の明るさの計算、第２の計算機能部６４による目標の明るさとなる設定値γの計算、第３の計算機能部６５でデジタルゲインの値を計算する。
この制御は、画像の現状の明るさが目標の明るさより明るい場合、デジタル増幅器４１のゲインが０［ｄＢ］になるまで行われる。
【００５３】
このときに、第２の計算機能部６４によって計算される目標の明るさとなる設定値γは、γ＝β〜αの関係となるので、ＭＰＵ５３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のシャッタースピードをオフに、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］に固定するように制御するとともに、アナログ増幅器２０のゲインを、第３の計算機能部６５で計算したアナログゲインの設定値になるように制御する。
【００５４】
ここで、画像の現状の明るさが目標の明るさより明るい場合、再び第１の計算機能部６３による画像の現状の明るさの計算、第２の計算機能部６４による目標の明るさとなる設定値γの計算、第３の計算機能部６５でアナログゲインの値を計算する。
この制御は、画像の現状の明るさが目標の明るさより明るい場合、アナログ増幅器２０のゲインがマイナスの最小になるまで行われる。
【００５５】
このときに、第２の計算機能部６４によって計算される目標の明るさとなる設定値γは、γ＜βの関係となるので、ＭＰＵ５３は、デジタル増幅器４１のデジタルゲインを０［ｄＢ］に固定し、アナログ増幅器２０のアナログゲインをマイナスの最小に固定し、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のシャッタースピードを、第３の計算機能部６５で計算した設定値になるように制御する。
【００５６】
このように、本実施形態の撮像装置１によれば、シャッタースピードの制御の前に、アナログゲインの減感機能による制御を行うので、図７に示すように、アナログゲインによる減感制御の分だけ入力光量に対応できる範囲を拡張することができ、追従範囲の拡大を図ることができる。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５８】
１…撮像装置、２…ヘッド、３…制御ユニット、４…デジタル信号線、１０…撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）、１１…画素、１２…垂直読出し回路、１３…水平読出し回路、２０…アナログ増幅器、３０…Ａ／Ｄ変換部、４０…デジタル信号処理部、４１…デジタル増幅器、４２…画像処理回路、４３…積算回路、５０…出力Ｉ／Ｆ、５１…ヘッドＩ／Ｆ、５２…ユーザＩ／Ｆ、６０…自動露光調整機能部、６１，６２…記憶機能部、６３〜６５…計算機能部。
【図１】
2015180010.tif 000003
【図２】
2015180010.tif 000004
【図３】
2015180010.tif 000005
【図４】
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【図５】
2015180010.tif 000007
【図６】
2015180010.tif 000008
【図７】
2015180010.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月5日(2015.8.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、ローリングシャッター機能を有するイメージセンサを用いた撮像装置のヘッド、および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療用の内視鏡や放送局用のカメラなどを始めとする撮像装置において、絞りやＮＤフィルターを使用せずに、シャッター機能を用いて被写体を撮影するものがある。このような撮像装置では、イメージセンサの高感度化とＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）化によって、高輝度な被写体を撮影する際にローリングシャッターの影響が顕著になるとともに、センサやカメラの標準感度の高まりによって、標準感度に対して十分過ぎる飽和電子数をもったセンサが出現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−９５２１９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３２３８３号公報
【特許文献３】特開２００２−２０９１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高輝度な被写体の撮影において、明るさを下げるには、絞り機能がない撮像装置ではシャッタースピードを高速にするしかないが、ローリングシャッターの原理で明るさの変動がライン毎に異なって影響し、この結果、例えば１画面内に明暗の横縞が現れることとなる。また、Ａ／Ｄ変換後のデジタルゲインにて感度を下げると、ダイナミックレンジが低下し、明るい部分の映像がいわゆる白抜けすることとなる。
【０００５】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、ダイナミックレンジを低下させることなく、撮像の感度を下げることのできる撮像装置のヘッドおよび撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために本発明の撮像装置のヘッドは、ローリングシャッター機能を有し、被写体の光量に対応したアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、入力する利得に応じて、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰するアナログ増幅器と、前記アナログ増幅器から入力するアナログ信号を変換して得られるデジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合は、前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、を具備し、前記アナログ増幅器は、入力するマイナス利得に対して、前記変換部から出力されるデジタル信号が前記最大出力レベルを維持する範囲で、前記撮像素子からのアナログ信号の信号レベルを減衰するものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態１の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示した撮像装置のヘッドの構成を示すブロック図。
【図３】図１に示したＡ／Ｄ変換部の入力信号と出力信号の関係を示すグラフ。
【図４】Ａ／Ｄ変換前で減感した場合とＡ／Ｄ変換後に減感した場合のＡ／Ｄ変換部    の入力信号と出力信号の関係を示すブロック図。
【図５】本発明の実施形態２の撮像装置の構成を示すブロック図。
【図６】図５に示したＭＰＵの自動露光調整機能部の各機能を示す機能構成図。
【図７】自動露光調整機能部の動作を説明するためのグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態１の撮像装置１の構成を示すブロック図である。図２は、図１に示した撮像装置１のヘッドの構成を示すブロック図である。
【０００９】
図１に示すように、この撮像装置１は、撮像素子１０、アナログ増幅器２０、アナログ／デジタル変換部（以下、「Ａ／Ｄ変換部」という）３０、デジタル信号処理部４０、出力インターフェース（以下、「出力Ｉ／Ｆ」という）５０、ユーザインターフェース（以下、「ユーザＩ／Ｆ」という）５２を備える。なお、撮像素子１０、アナログ増幅器２０、Ａ／Ｄ変換部３０は、撮像装置１のヘッドを構成し、デジタル信号処理部４０、出力Ｉ／Ｆ５０、ユーザＩ／Ｆ５２は、撮像装置１の制御ユニットを構成している。
【００１０】
図２に示すように、撮像素子１０は、ローリングシャッター機能を有するＣＭＯＳイメージセンサからなる。このＣＭＯＳイメージセンサ１０は、画素１１毎にフォトダイオード（受光部）と増幅器（Ａｍｐ）とを有する。各画素１１内のフォトダイオードは、被写体からの光を受光し、光電変換機能により光をその光量に応じた電子数に変換して蓄積する。蓄積された電子は、同じ画素１１内の増幅器によって電圧に変換、増幅される。
【００１１】
この増幅された電圧は、垂直読出し回路１２による画素選択により、ライン（行）毎に選択されて読み出され、ノイズを除去した後、一時的に保管される。保管された電圧は、水平読出し回路１３によって、列毎に選択されて電圧信号（アナログ信号）として読み出される。
【００１２】
このＣＭＯＳイメージセンサ１０は、単位画素当たりで蓄積可能な最大電子数（飽和電子数）を有し、この最大電子数以下で、被写体の光量に対応した信号レベルのアナログ信号を出力する。
【００１３】
アナログ増幅器２０は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の水平読出し回路１３から入力するアナログ信号の信号レベルを増加（増感）又は減衰（減感）する。すなわち、このアナログ増幅器２０には、ユーザＩ／Ｆ５２を介して、ユーザからの利得（ゲイン）指示が入力している。このアナログ増幅器２０は、この入力するゲインに応じて、ＣＭＯＳイメージセンサ１０から入力するアナログ信号の信号レベルを増加又は減衰する。
【００１４】
なお、ユーザＩ／Ｆ５２は、アナログ増幅器２０のゲインを、ユーザが任意に設定できるもので、このユーザによって設定されたゲインをゲイン指示としてアナログ増幅器２０に出力している。
【００１５】
また、信号レベルを増加させる撮像装置１の増感機能は、アナログ増幅器２０でのアナログゲインの設定またはデジタル信号処理部４０でのデジタルゲインの設定で実現する。
【００１６】
図３は、図１に示したＡ／Ｄ変換部３０の入力信号と出力信号の関係を示すグラフである。
Ａ／Ｄ変換部３０は、アナログ増幅器２０から入力するアナログ信号をデジタル信号に変換する。図３に示すように、Ａ／Ｄ変換部３０には、入力するアナログ信号に対して、変換するデジタル信号の最大出力レベル、すなわちＡ／Ｄ出力のＡ／Ｄｍａｘが設定されている。
【００１７】
ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ１０の飽和電子数は、アナログ増幅器２０のゲインが標準設定、例えば図３の減感なし（ゲインが０［ｄＢ］のとき）の状態で、Ａ／Ｄ変換部３０のＡ／Ｄ出力がＡ／Ｄｍａｘになるのに十分過ぎるものである。このため、Ａ／Ｄ変換部３０では、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のフォトダイオードが飽和する前に、Ａ／Ｄ出力がＡ／Ｄｍａｘでクリップされている。
【００１８】
この飽和電子数は、画素によってばらつきを持つため、飽和した画像が撮像装置１から出力されると、この画像は明るさの異なる粒状の画像（ノイズを含んだ画像）となってしまう。
【００１９】
そこで、本実施形態では、アナログ増幅器２０のゲインをマイナス、例えば−１５［ｄＢ］に設定しても、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のフォトダイオードが飽和する前にＡ／Ｄ変換部３０から出力されるＡ／Ｄ出力にクリップが生じるような飽和電子数を持つＣＭＯＳイメージセンサ１０を採用している。換言すると、本実施形態では、アナログ増幅器２０のゲインをマイナス、例えば−１５［ｄＢ］に設定しても、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のフォトダイオードで発生する電子の数が飽和電子数に達する前にＡ／Ｄ変換部３０から出力されるＡ／Ｄ出力にクリップが生じるような飽和電子数を持つＣＭＯＳイメージセンサ１０を採用している。
【００２０】
このようにＣＭＯＳイメージセンサ１０、Ａ／Ｄ変換部３０を構成することで、アナログ増幅器２０では、例えば標準設定の状態でのアナログ信号の信号レベルを、ユーザＩ／Ｆ５２から入力するゲイン指示、例えば−１５［ｄＢ］のゲイン指示に対応して減衰しても、ＣＭＯＳイメージセンサ１０に、飽和電子数の電子を発生させる程度以上の光が入力された場合にＡ／Ｄ変換部３０から出力されるＡ／Ｄ出力の信号レベルをＡ／Ｄｍａｘとすることができる。
【００２１】
図１に示すように、デジタル信号処理部（画像処理部）４０は、Ａ／Ｄ変換部３０からのデジタル信号の被写体の画像を画像処理するものである。
出力Ｉ／Ｆ５０は、画像処理された画像を、例えば図示しない外部の表示装置などに出力するものである。
【００２２】
なお、この撮像装置１における増感機能は、アナログ増幅器２０のアナログゲインの設定、またはデジタル信号処理部４０での後述するデジタル増幅器４１のデジタルゲインの設定によって行うことができる。
【００２３】
図４は、Ａ／Ｄ変換前にアナログ信号を減感した場合とＡ／Ｄ変換後にデジタル信号を減感した場合のＡ／Ｄ変換部３０の入力信号（アナログ信号）と出力信号（デジタル信号）の関係を示すブロック図である。
【００２４】
図４に示すように、信号をＡ／Ｄ変換部３０でのＡ／Ｄ変換後にデジタル信号処理４０にて減感させると、すなわち、デジタル信号処理部４０におけるゲインをマイナスに設定して信号を減衰させると、デジタル信号処理部４０から出力されるデジタル信号のレベルがＡ／Ｄｍａｘに達せずにＡ／Ｄｍａｘを下回ることとなる。この結果、出力Ｉ／Ｆ５０から出力される画像は、明るい部分の画像がない白抜きされたものとなってしまう。
【００２５】
これに対して、本実施形態では、信号をＡ／Ｄ変換部３０でのＡ／Ｄ変換前に減感させるため、すなわち、アナログ増幅器２０のゲインをマイナスに設定して信号を減衰させるため、Ａ／Ｄ変換部３０から出力されるデジタル信号の信号レベルがＡ／Ｄｍａｘに達することができる。この結果、出力Ｉ／Ｆ５０から出力される画像は、白抜きがない明るい部分の画像を含んだものとなり、ダイナミックレンジを広くして、撮像の感度を下げることができる。信号を減感処理しない場合のＡ／Ｄ変換部３０の入力信号（アナログ信号）と出力信号（デジタル信号）の関係は図４に示す通り変化する。
【００２６】
このように、本実施形態では、飽和電子数の多いイメージセンサを用いるとともに、イメージセンサから出力されるアナログ信号をＡ／Ｄ変換前の時点で減衰させるようアナログ増幅器のゲインを制御するため、ローリングシャッターの悪影響の低減、ノイズの低減向上を図ることができる。
【００２７】
（実施形態２）
図５は、本発明の実施形態２の撮像装置１の構成を示すブロック図である。図６は、図５に示したＭＰＵ（Micro Processor Unit）５３が図示を省略したメモリに記憶されているプログラムを実行することにより実現する自動露光調整機能を説明するために自動露光調整機能部６０の機能構成を図示した機能構成図である。図７は、自動露光調整機能部６０の動作を説明するためのグラフである。
【００２８】
本実施形態では、自動露光調整機能部６０が、設定された画像の明るさの目標値に基づいて、アナログ増幅器２０のゲインを設定することにより、画像の明るさを自動制御する。
【００２９】
自動露光調整機能部６０は、設定された画像の明るさの目標値に基づいて、後述するデジタル増幅器４１のゲイン、ローリングシャッター機能を有するＣＭＯＳイメージセンサ１０のシャッタースピードも設定することにより、画像の明るさを自動制御する。
自動露光調整機能部６０は、設定された画像の明るさの目標値と画像の現状の明るさとの間の中間に位置する複数の明るさの値を中間目標値として設ける。この中間目標値の詳細は後述する。
自動露光調整機能部６０は、画像の現状の明るさが、順次、複数の中間目標値になるようアナログ増幅器２０のゲイン、デジタル増幅器４１のゲイン、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のシャッタースピードを設定することによって、最終的に画像の明るさが目標の明るさになるよう段階的に制御する。
【００３０】
図５に示すように、撮像装置１のヘッド２と制御ユニット３は、デジタル信号線４で接続されている。
【００３１】
撮像装置１のヘッド２は、図１に示した構成部分の他に、デジタル信号線４を介して、Ａ／Ｄ変換部３０でＡ／Ｄ変換されたデジタル信号を制御ユニット３に出力するとともに、制御ユニット３からゲイン指示を取り込むためのコントロールユニットインタフェース（以下、ＣＵＩ／Ｆという）３１を備える。
【００３２】
制御ユニット３は、図１に示した構成部分の他に、ヘッドインタフェース（以下、ヘッドＩ／Ｆという）５１、ＭＰＵ５３を備える。また、デジタル信号処理部４０は、デジタル増幅器（デジタルＡｍｐ）４１、画像処理回路４２、積算回路４３を備える。
【００３３】
ヘッドＩ／Ｆ５１は、デジタル信号線４を介して、ヘッド２からデジタル信号を取り込むとともに、ＭＰＵ５３からのゲイン指示およびシャッタースピード指示をヘッド２に出力している。
【００３４】
ユーザは画像の目標の明るさをユーザＩ／Ｆ５２を介して任意に設定できる。ユーザＩ／Ｆ５２を介して入力された画像の目標の明るさの設定値のデータはＭＰＵ５３に出力される。
また、ユーザは、画像の明るさを調整する速度を調整させたい場合がある。そこで、ユーザは目標の明るさの調整速度の設定値をユーザＩ／Ｆ５２にて設定でき、この設定値のデータはＭＰＵ５３に出力される。
【００３５】
デジタル増幅器４１は、ヘッドＩ／Ｆ５１から入力するデジタル信号の信号レベルを増加又は減衰する。すなわち、このデジタル増幅器４１には、ＭＰＵ５３からゲイン指示が入力している。このデジタル増幅器４１は、この入力するゲイン指示に応じて、ヘッドＩ／Ｆ５１から入力するデジタル信号の信号レベルを増加又は減衰する。
【００３６】
積算回路４３はデジタル増幅器４１から出力されるデジタル信号の信号レベルを積算して積算データを計算する。積算回路４３は積算データをＭＰＵ５３に出力する。積算データは後述する第１の計算機能部６３で現在の画像の明るさを計算するために使用するものである。
積算回路４３は１画面を例えば１６分割した各分割領域のデジタル信号の信号レベルを積算する。積算回路４３は１６個の積算データをＭＰＵ５３に出力する。積算回路４３は必ずしも各分割領域のすべてのデジタル信号の信号レベルを積算する必要はない。積算回路４３は各分割領域分のデジタル信号の中から間引いてサンプリングしたデジタル信号の信号レベルを積算するように構成してもよい。
【００３７】
図６に示すように、ＭＰＵ５３は、自動露光調整機能部６０を備える。この自動露光調整機能部６０は、第１〜第２の記憶機能部６１〜６２、第１〜第３の計算機能部６３〜６５を備える。
【００３８】
第１の記憶機能部６１は、現在の設定値データを記憶するものである。これらの現在の設定値データとは、調整対象となる現在のシャッタースピード（フォトダイオードの露光時間）、現在のアナログ増幅器２０のゲイン、現在のデジタル増幅器４１のゲイン、画像の目標の明るさの各データである。
【００３９】
これらの現在の設定値データのうち、現在のシャッタースピード、現在のアナログ増幅器２０のゲイン、現在のデジタル増幅器４１のゲインの各データは、第３の計算機能部６５から入力されて、第１の記憶機能部６１に記憶される。
また、画像の目標の明るさのデータは、ユーザの設定によってユーザＩ／Ｆ５２から入力されて、第１の記憶機能部６１に記憶される。
【００４０】
第２の記憶機能部６２は、画像の明るさを調整するための調整速度の設定値データが記憶されている。
この画像の明るさを調整するための調整速度の設定値データは、ユーザＩ／Ｆ５２を介して入力されて第２の記憶機能部６２に記憶される。
【００４１】
第１の計算機能部６３は、積算回路４３から入力する積算データから画像の現状の明るさを計算するものである。
現在の画像の明るさを画面全体から求める場合には、積算回路４３から入力した１６個の積算データの平均値を求め、この平均値を現在の画像の明るさとする。一方、現在の画像の明るさを、例えば画面を１６分割した領域の内、特定の着目する一部の領域から求める場合には、この着目した領域に対応する積算データの平均値を求め、この平均値を現在の画像の明るさとする。
【００４２】
第２の計算機能部６４は、第１の記憶機能部６３で計算された画像の現状の明るさと、第１の記憶機能部６１に記憶されている画像の目標の明るさと、第１の記憶機能部６１に記憶されている現在のシャッタースピード、現在のアナログ増幅器２０のゲイン、現在のデジタル増幅器４１のゲインの各データとに基づいて、画像を目標の明るさとするための設定値を演算して求める。この画像を目標の明るさとするための設定値は、制御のために便宜的に求めて一元的に表現した値である。具体的には、この画像を目標の明るさとするための設定値は、合算された撮像装置１全体の増幅率を示す値である。
【００４３】
第３の計算機能部６５は、第１の記憶機能部６３で計算された画像の現状の明るさと、第２の計算機能部６４で計算された画像を目標の明るさとするための設定値と、第２の記憶機能部６２に記憶されている画像の明るさを調整するための調整速度とから、画像を次の明るさとするための設定値γを計算する。この画像を次の明るさとするための設定値γも合算された撮像装置１全体の増幅率を示す値である。
この計算で求めた画像を次の明るさとするための設定値γに基づいて制御した結果として画像の明るさとして実現したい次の明るさが、上記説明した複数の中間目標値に相当する。
【００４４】
第３の計算機能部６５には、画像を次の明るさとするための設定値γと比較するための基準となる２つの設定値αと設定値βとを設けている。ここで、設定値αと設定値βは、固定値であり、設定値α＞設定値βの大小関係にある。もちろん、設定値αと設定値βも合算された撮像装置１全体の増幅率を示す値である。
【００４５】
以下に、図７を用いて設定値αと設定値βについて説明する。図７は、自動露光調整機能部60の動作を説明するためのグラフである。グラフの横軸は、撮像装置1に入射した光の光量、即ち、入射光量を示す。グラフの縦軸は、撮像装置１の出力である画像の明るさを示す。
【００４６】
図７では３種類の折れ線グラフが示されている。１つ目の折れ線グラフには、調光しない場合とのラベル付けをした。２つ目の折れ線グラフには、減感なしの場合とのラベル付けをした。３つ目の折れ線グラフには、減感ありの場合とのラベル付けをした。
【００４７】
図７には、アナログ増幅器２０のゲインをマイナス、例えば−１５［ｄＢ］に設定しても、ＣＭＯＳイメージセンサ１０のフォトダイオードが飽和する前にＡ／Ｄ変換部３０から出力されるＡ／Ｄ出力にクリップが生じるような飽和電子数を持つＣＭＯＳイメージセンサ１０を撮像装置1に使用していることを前提とした場合において、調光しない場合と、減感なしの場合と、減感ありの場合の３つの場合における折れ線グラフを図示している。
【００４８】
調光しない場合の折れ線グラフは、アナログ増幅器２０のゲインとデジタル増幅器４１のゲイン及びシャッタースピードのいずれの調整もしない場合（調光しない場合）での入射光量と画像の明るさとの関係を示す。この調光しない場合とは、アナログ増幅器２０のゲインとデジタル増幅器４１のゲインとを０［ｄＢ］に設定し、シャッタースピードをオフに設定した場合を意味する。
【００４９】
減感なしの場合の折れ線グラフは、アナログ増幅器２０のゲインを例えば最小値：０［ｄＢ］から最大値：＋２０［ｄＢ］までの範囲で調整した場合、つまりアナログ増幅器２０のゲインをマイナスに設定して信号を減衰させることをしない場合（減感しない場合）の入射光量と画像の明るさとの関係を示す。この減感なしの場合の折れ線グラフは、本願発明の従来技術における入射光量と画像の明るさとの関係を示す。この減感なしの場合には、デジタル増幅器４１のゲインを例えば０［ｄＢ］から２０［ｄＢ］の範囲で調整しており、シャッタースピードを例えばオフから１００００分の１秒まで調整している。
【００５０】
減感ありの場合の折れ線グラフは、アナログ増幅器２０のゲインを最小値、例えば−１５［ｄＢ］から最大値、例えば＋２０［ｄＢ］までの範囲で調整した場合、つまりアナログ増幅器２０のゲインをマイナスに設定して信号を減衰させることによって信号を減感した場合の入射光量と画像の明るさとの関係を示す。この減感ありの場合の折れ線グラフは、本実施形態２における入射光量と画像の明るさとの関係を示す。この減感ありの場合には、デジタル増幅器４１のゲインを例えば０［ｄＢ］から２０［ｄＢ］の範囲で調整しており、シャッタースピードを例えばオフから１００００分の１秒まで調整している。
【００５１】
設定値αは、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］、シャッタースピードをオフ、アナログ増幅器２０のゲインを最大値、例えば２０［ｄＢ］に、それぞれ設定したときの、合算された撮像装置１全体の増幅率を示す値である。図７のグラフにおいて入射光量がｘ１の場合に、撮像装置１全体の増幅率をαとすると、ちょうど画像の明るさが目標の明るさとなる。換言すると、入射光量がｘ１の場合、第２の計算機能部６４が計算で求めた画像を目標の明るさとするための設定値はαとなる。
【００５２】
同様に、設定値βは、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］、シャッタースピードをオフ、アナログ増幅器２０のゲインを最小値、例えば−１５［ｄＢ］に、それぞれ設定したときの、合算された撮像装置１全体の増幅率を示す値である。図７のグラフにおいて入射光量がｘ２の場合に、撮像装置１全体の増幅率をβとすると、ちょうど画像の明るさが目標の明るさとなる。換言すると、入射光量がｘ２の場合、第２の計算機能部６４が計算で求めた画像を目標の明るさとするための設定値はβとなる。
【００５３】
入射光量ｘ１と入射光量ｘ２とは、入射光量ｘ１＜入射光量ｘ２の大小関係にある。したがって、撮像装置１にこれらの入射光量ｘ１と入射光量ｘ２の光が入射した場合に、撮像装置１の出力である画像の明るさを目標の明るさにするためには、合算された撮像装置１全体の増幅率をそれぞれ設定値αと設定値βにする必要がある。よって、設定値α＞設定値βの大小関係になる。
【００５４】
第３の計算機能部６５は、画像の次の明るさとするための設定値γを基準となる２つの設定値α、設定値βと比較した結果に基づいて、デジタル増幅器４１に出力するデジタル増幅器４１のゲインの設定値、アナログ増幅器２０に出力するアナログ増幅器２０のゲインの設定値、撮像装置１０に出力するＣＭＯＳイメージセンサのシャッタースピードの設定値を決定する。
【００５５】
第３の計算機能部６５は、デジタル増幅器４１のゲインの設定値をデジタル増幅器４１に出力して、デジタル増幅器４１のゲインを設定する。第３の計算機能部６５は、アナログ増幅器２０のゲインの設定値をヘッドＩ／Ｆ５１、ＣＵＩ／Ｆ３１を介してアナログ増幅器２０に出力して、アナログ増幅器２０のゲインを設定する。第３の計算機能部６５は、シャッタースピードの設定値をヘッドＩ／Ｆ５１、ＣＵＩ／Ｆ３１を介して撮像素子１０に出力して、ＣＭＯＳイメージセンサのシャッタースピードを設定する。
【００５６】
このようにデジタル増幅器４１のゲインと、アナログ増幅器２０のゲインと、ＣＭＯＳイメージセンサのシャッタースピードとを設定することによって、画像の明るさが次の明るさとなるように制御する。
【００５７】
この制御の結果として画像の明るさが変化した後、上述と同様に、第３の計算機能部６５は、画像の現状の明るさと、画像を目標の明るさとするための設定値と、画像の明るさを調整するための調整速度とから、画像を次の明るさとするための設定値γを計算する。以後、順次第３の計算機能部６５が画像を次の明るさとするための設定値γを計算して、デジタル増幅器４１のゲインと、アナログ増幅器２０のゲインと、ＣＭＯＳイメージセンサのシャッタースピードとを設定することによって、画像の明るさが目標の明るさとなるよう制御する。
【００５８】
以下に、第３の計算機能部６５による、画像を次の明るさとするための設定値γと設定値α、設定値βとの比較動作を説明する。
＊［画像を次の明るさとするための設定値γと設定値αとの間にγ＞αの関係にある場合］
ここで、γ＞αの関係にあるということは、入射光量が少なく、画像が暗くなっていることを意味する。つまり、画像の明るさを目標の明るさにするために、増幅率である設定値γが大きい値として計算で求められたことを意味する。
【００５９】
第３の計算機能部６５は、設定値γと設定値α、設定値βとの比較結果に基づいて、次のようにデジタル増幅器４１に出力するデジタル増幅器４１のゲインの設定値、アナログ増幅器２０に出力するアナログ増幅器２０のゲインの設定値、撮像素子１０に出力するＣＭＯＳイメージセンサのシャッタースピードの設定値を決定する。
【００６０】
第３の計算機能部６５は、シャッタースピードをオフと決定する。シャッタースピードがオフであるとは、シャッター機能を使用しないということを意味する。したがって、ＣＭＯＳイメージセンサが１秒間あたりのフレーム数が６０、つまり６０ｆｐｓの動画を撮影している場合を仮定すると、シャッタースピードがオフにすることは、ＣＭＯＳイメージセンサの露光時間として１／６０［ｓ］に設定することである。第３の計算機能部６５は、アナログ増幅器２０のゲインを最大値、例えば２０［ｄＢ］に設定する。第３の計算機能部６５は、シャッタースピードをオフ、アナログ増幅器２０のゲインを最大値と設定したときに、合算された撮像装置１全体の増幅率を設定値γにするために必要とするデジタル増幅器４１のゲインの設定値を計算して求める。
【００６１】
＊［画像の次の明るさとするための設定値γと設定値α、設定値βとの間にα＞γ＞βの関係にある場合］
第３の計算機能部６５は、シャッタースピードをオフと決定する。つまり、ＣＭＯＳイメージセンサの露光時間を１／６０［ｓ］に設定する。第３の計算機能部６５は、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］に設定する。第３の計算機能部６５は、シャッタースピードをオフ、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］と設定したときに、合算された撮像装置１全体の増幅率を設定値γにするために必要とするアナログ増幅器２０のゲインの設定値を計算して求める。
【００６２】
＊［画像の次の明るさとするための設定値γと設定値βとの間にβ＞γの関係にある場合］
ここで、β＞γの関係にあるということは、入射光量が多くなって画像の明るさが目標の明るさよりも明るくなっていることを意味する。つまり、画像の明るさを目標の明るさにするためには、増幅率である設定値γが小さい値として計算で求められたことを意味する。
【００６３】
第３の計算機能部６５は、アナログ増幅器２０のゲインを最小値に決定する。この最小値は、飽和電子数とＡ／Ｄｍａｘの関係から決定されるマイナスの値であり、例えば−１５［ｄＢ］とする。第３の計算機能部６５は、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］に決定する。
【００６４】
第３の計算機能部６５は、アナログ増幅器２０のゲインを最小値、例えば−１５［ｄＢ］、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］と設定した時に、合算された撮像装置１全体の増幅率を設定値γにするために必要とするシャッタースピードの設定値を計算して求める。
【００６５】
図７の減感ありの場合の折れ線グラフを参照していただきたい。γ＞αの関係にある場合には、撮像装置1全体の増幅率をαに設定しても、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさに届かない状態である。このため、デジタル増幅器４１を増幅（増感）して画像信号を調光する必要がある。よって、第３の計算機能部６５は、合算した撮像装置1全体の増幅率を大きくして、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさになるよう制御する。つまり、第３の計算機能部６５は、シャッタースピードをオフ、アナログ増幅器２０のゲインを最大値と設定し、デジタル増幅器４１のゲインを計算で求めた値に設定することで、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさになるように制御する。この計算で求めたデジタル増幅器４１のゲインは、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさになるように増加することになる。このように制御する範囲を図７において、デジタルゲイン（増感）による調光範囲１として、ラベル付けした。
【００６６】
α＞γ＞βの関係にある場合には、撮像装置1全体の増幅率をαに設定すると画像が明るくなり過ぎる状態となる。一方、撮像装置1全体の増幅率をβに設定すると画像が暗過ぎる状態となる。よって、第３の計算機能部６５は、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさになるようにアナログ増幅器２０のゲインを、最小値と最大値の範囲で制御して、画像信号を増感または減感する。つまり、第３の計算機能部６５は、シャッタースピードをオフ、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］と設定し、アナログ増幅器２０のゲインを計算で求めた値に設定することで、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさとなるように制御する。このように制御する範囲を図７において、アナログゲイン（増感）による調光範囲１およびアナログゲイン（減感）による調光範囲として、ラベル付けした。
【００６７】
β＞γの関係にある場合には、撮像装置1全体の増幅率をβに設定すると画像が明るくなり過ぎる。このため増幅率をβ以下に減衰（減感）して画像信号を調光する必要がある。よって、第３の計算機能部６５は、合算した撮像装置1全体の増幅率をβ以下に設定して、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさになるよう制御する。つまり、第３の計算機能部６５は、アナログ増幅器２０のゲインを最小値、デジタル増幅器４１のゲインを０［ｄＢ］と設定し、シャッタースピードを計算で求めた値に設定することで、画像の明るさが次の明るさとして設定した明るさとなるように制御する。このβ＞γの関係にある場合には、アナログ増幅器２０のゲインの制御によるこれ以上の調光ができないため、これまで使用してこなかったシャッターを使用し、そのシャッタースピードを制御することによって、画像信号を減衰（減感）して調光している。このように制御する範囲を図７において、シャッターによる調光範囲１として、ラベル付けした。
【００６８】
本実施形態の効果を理解するために、図７に図示した調光しない場合の折れ線グラフと減感なしの場合の折れ線グラフを参照していただきたい。まず、調光しない場合の折れ線グラフを参照されたい。調光しない場合には、画像の明るさが目標の明るさを超えしまうことがある。したがって、画像信号の調光が必要になる。
【００６９】
次に、減感なしの場合の折れ線グラフを参照されたい。この減感なしの場合の折れ線グラフは、本願発明の従来技術における入射光量と画像の明るさとの関係を示す。この減感なしの場合において、入射光量が少なく画像の明るさが目標の明るさを下回っている状態では、アナログ増幅器とデジタル増幅器のゲインを制御して、画像の明るさが目標の明るさになるよう制御している。このとき、アナログ増幅器２０のゲインを最小値、例えば０［ｄＢ］から最大値、例えば＋２０［ｄＢ］までの範囲で調整する。ここで、アナログ増幅器２０のゲインがプラスであることに注目してほしい。
【００７０】
減感なしの場合の折れ線グラフにおいて、デジタル増幅器のゲインを制御して調光している範囲をデジタルゲイン（増感）による調光範囲２として、ラベル付けした。
減感なしの場合の折れ線グラフにおいて、アナログ増幅器のゲインを制御して調光している範囲をアナログゲイン（増感）による調光範囲２として、ラベル付けした。
【００７１】
入射光量が増加して、画像の明るさが目標の明るさを超えてアナログ増幅器とデジタル増幅器のゲインの調整が必要としなくなった状態では、シャッター機能を使用し、シャッタースピードを制御することによって画像の明るさが目標の明るさになるよう制御している。このように制御する範囲を図７において、シャッターによる調光範囲２として、ラベル付した。また更に入射光量が増加すると、シャッタースピードを制御しても画像の明るさが目標の明るさを超える状態になってしまう。
【００７２】
図７において、減感ありの場合の折れ線グラフと減感なしの場合の折れ線グラフとを比較されたい。本実施形態２によれば、入射光量が増加しても画像の明るさを目標の明るさに維持できる範囲が拡大していることがわかる。この拡大した範囲を追従範囲の拡大とラベル付けした。
【００７３】
このように、本実施形態２の撮像装置１によれば、アナログ増幅器のゲインを制御することにより、画像信号を減感して調光することで図７に示すように、画像の明るさを目標の明るさに維持する範囲を拡張することができる。
【００７４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、様々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７５】
１…撮像装置、２…ヘッド、３…制御ユニット、４…デジタル信号線、１０…撮像素子（ＣＭＯＳイメージセンサ）、１１…画素、１２…垂直読出し回路、１３…水平読出し回路、２０…アナログ増幅器、３０…Ａ／Ｄ変換部、４０…デジタル信号処理部、４１…デジタル増幅器、４２…画像処理回路、４３…積算回路、５０…出力Ｉ／Ｆ、５１…ヘッドＩ／Ｆ、５２…ユーザＩ／Ｆ、６０…自動露光調整機能部、６１，６２…記憶機能部、６３〜６５…計算機能部。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ローリングシャッター機能を有し、入力した被写体の光量に応じたアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、
入力する利得に応じて、前記撮像素子からの出力された前記アナログ信号の信号レベルを増幅又は減衰して出力するアナログ増幅器と、
前記アナログ増幅器から出力された前記アナログ信号をデジタル信号に変換して出力するとともに、前記デジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合には前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、
前記アナログ増幅器に入力する利得を、マイナス利得を含む所定範囲で制御する利得制御部と、
を具備した撮像装置のヘッド。
【請求項２】
ローリングシャッター機能を有し、入力した被写体の光量に応じたアナログ信号の画像を出力する撮像素子と、
入力する利得の設定値に応じて、前記撮像素子から出力された前記アナログ信号の信号レベルを増幅又は減衰して出力するアナログ増幅器と、
前記アナログ増幅器から出力された前記アナログ信号をデジタル信号に変換して出力するとともに、前記デジタル信号の信号レベルが最大出力レベルを超える場合には前記デジタル信号を前記最大出力レベルにクリップして出力する変換部と、
入力する利得の設定値に応じて、前記変換部から出力された前記デジタル信号の信号レベルを増幅するデジタル増幅器を含み前記デジタル増幅器で増幅されたデジタル信号に基づく画像信号を出力するデジタル信号処理部と、
目標とする画像の明るさを入力するための入力部と、
前記入力部から入力された目標とする画像の明るさに基づいて、前記アナログ増幅器と前記デジタル増幅器に利得の設定値を出力するとともに、前記撮像素子にシャッタースピードの設定値を出力する制御部とを具備した撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記変換部から出力された前記デジタル信号に基づいて画像の現在の明るさを算出する明るさ算出部と、
前記算出された画像の現在の明るさと前記画像の明るさの目標値とに基づき、前記アナログ増幅器と前記デジタル増幅器の利得の設定値を算出する利得算出部と、
前記算出された前記画像の現在の明るさと前記画像の明るさの目標値とに基づき、前記シャッタースピードの設定値を算出するシャッタースピード算出部と、をさらに具備した請求項２記載の撮像装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2015180010.tif 000010
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
2015180010.tif 000011