(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像データを出力する撮像手段と、
前記画像データを所定の利得により増幅して出力する増幅手段と、
前記撮像手段における電子シャッターの段階的な露光時間の制御と前記増幅手段の利得の制御により露光制御の処理を実行し、信号処理後に得られる撮像結果の明るさを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記撮像結果の明るさを示す評価基準値を前記信号処理後の前記撮像結果から取得し、該評価基準値による制御目標値に対して不感帯を設定し、
所定の利得幅をもつ制御切り替え領域を前記不感帯の外側の両側にそれぞれ設定し、
前記露光制御の処理に際し、前記増幅手段の利得を初期利得から所定の利得に増大させた状態から、前記制御切り替え領域までは前記露光時間の制御により露光制御し、前記制御切り替え領域内では、前記所定の利得に前記増幅手段の利得を増大させた状態から、前記増幅手段の利得の制御により露光制御し、
前記制御手段が制御する前記増幅手段の前記所定の利得は、前記電子シャッターによる段階的な露光時間の制御を最小の分解能で行ったときに、前記撮像結果の利得の変化量を超え、かつ、該撮像結果の利得の変化が前記制御目標値を超えない利得であり、
前記制御手段が設定する前記制御切り替え領域の前記所定の利得幅は、前記露光時間の制御を最小の分解能で行ったときの、前記撮像結果の最も大きな利得変化量に対応している
撮像装置。
【請求項２】
前記制御手段は、制御目標に露光制御するための前記露光時間を判定し、該判定により前記制御目標における前記露光時間の制御において所定の露光時間以上が必要な場合、前記増幅回路の利得の制御による露光制御を中止する
請求項１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関し、例えばテレビジョンカメラに適用することができる。本発明は、制御目標近傍まで、露光時間の制御により露光制御した後、増幅回路の利得の制御により露光制御することにより、発振の現象であるハンチングを有効に回避して、従来に比して高い精度により露光制御することができるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像装置であるテレビジョンカメラにおいては、一般に、電子シャッター及びＡＧＣにより露光制御するようになされている。
【０００３】
すなわちこの種のテレビジョンカメラにおいては、撮像結果の輝度レベルを基準にした積分処理、平均値化処理、重み付け加算処理等により、撮像結果の明るさを示す判定基準値を計算し、この判定基準値が所定の値となるように、電子シャッターにおけるシャッター速度を可変し、これにより撮像素子の露光時間である電荷蓄積時間の制御により所定の明るさの撮像結果を取得するようになされている。
【０００４】
これに対してＡＧＣによる露光制御においては、同様に、判定基準値が所定値となるように、撮像結果を増幅する増幅回路の利得を制御して実行するようになされ、この方法においては、撮像結果と共に、撮像結果に含まれるノイズも増幅することにより、処理結果においてノイズが目立つようになる欠点がある。
【０００５】
これにより従来のテレビジョンカメラにおいては、電子シャッターによる露光制御を優先して実行し、この電子シャッターによる露光制御により所望の明るさを確保できない場合に、ＡＧＣにより利得を増大させて露光制御するようになされている。
【０００６】
またこのような露光制御においては、制御目標値に対して不感帯を設けて撮像結果の明るさを制御することにより、撮像結果の明るさの変化に対して過度に応答しないようになされ、さらには発振の状態（ハンチングである）を有効に回避するようになされ、これにより安定に露光制御するようになされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで電子シャッターにおける電荷蓄積時間の制御においては、所定のクロックを単位にして実行され、これにより電子シャッターによる露光制御おいては、露光時間の制御が段階的な制御となる。
【０００８】
これにより電子シャッターによる電荷蓄積時間の制御においては、撮像結果における明るさの変化が段階的に変化し、特に、電荷蓄積時間が短い場合には、この段階的な変化による明るさの変化が著しくなる。
【０００９】
これによりこの種のテレビジョンカメラにおいては、露光制御において、制御目標値を境にして、電荷蓄積時間を長い時間に切り換える動作と、電荷蓄積時間を短い時間に切り換える動作とを交互に繰り返すいわゆる発振の状態（ハンチングである）が発生する問題があった。
【００１０】
この問題を解決する方法として、例えば特開平６−６２３２４号公報、特開平１０−２７６３６３号公報においては、シャッター速度を切り換えて露光時間を短くすると、その分、不感帯の幅を増大させることにより、発振の状態を有効に回避する方法が提案されるようになされている。
【００１１】
しかしながらこの方法の場合、不感帯の幅の増大により、露光制御の精度が劣化する問題がある。
【００１２】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、発振の現象であるハンチングを有効に回避して、従来に比して高い精度により露光制御することができる撮像装置を提案しようとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、画像データを出力する撮像手段と、前記画像データを所定の利得により増幅して出力する増幅手段と、前記撮像手段における電子シャッターの段階的な露光時間の制御と前記増幅手段の利得の制御により露光制御の処理を実行し、信号処理後に得られる撮像結果の明るさを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記撮像結果の明るさを示す評価基準値を前記信号処理後の前記撮像結果から取得し、該評価基準値による制御目標値に対して不感帯を設定し、所定の利得幅をもつ制御切り替え領域を前記不感帯の外側の両側にそれぞれ設定し、前記露光制御の処理に際し、前記増幅手段の利得を初期利得から所定の利得に増大させた状態から、前記制御切り替え領域までは前記露光時間の制御により露光制御し、前記制御切り替え領域内では、前記所定の利得に前記増幅手段の利得を増大させた状態から、前記増幅手段の利得の制御により露光制御し、前記制御手段が制御する前記増幅手段の前記所定の利得は、前記電子シャッターによる段階的な露光時間の制御を最小の分解能で行ったときに、前記撮像結果の利得の変化量を超え、かつ、該撮像結果の利得の変化が前記制御目標値を超えない利得であり、前記制御手段が設定する前記制御切り替え領域の前記所定の利得幅は、前記露光時間の制御を最小の分解能で行ったときの、前記撮像結果の最も大きな利得変化量に対応している。
【００１４】
請求項１の構成によれば、撮像結果の明るさを示す評価基準値を基準にして、制御目標近傍の領域までは、前記露光時間の制御により露光制御し、制御目標近傍領域内では、増幅手段の利得の制御により露光制御することにより、露光時間による段階的な露光制御を不感帯の手前で中止し、最終的に増幅回路の利得の制御により制御目標に収束させることができ、これにより段階的な露光制御のみによる場合の発振の現象を有効に回避して、かつ不感帯の幅を狭くして露光制御することができる。これにより、発振の現象であるハンチングを有効に回避して、従来に比して高い精度により露光制御することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００１６】
（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態の構成
図１は、本発明の実施の形態に係るテレビジョンカメラを示すブロック図である。このテレビジョンカメラ１において、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）２は、単板式のカラー画像用固体撮像素子であり、タイミングジェネレータ（ＴＧ）３より出力される各種駆動信号により動作して、図示しない光学系により撮像面に形成される被写体の画像を光電変換し、撮像結果である撮像信号を出力する。
【００１７】
タイミングジェネレータ３は、ＣＣＤ２の各種駆動信号を生成して出力する。この処理において、タイミングジェネレータ３は、自動露光制御部４の制御により、ＣＣＤ２の電荷蓄積時間を可変するように駆動信号のタイミングを可変する。これによりこのテレビジョンカメラ１では、自動露光制御部４の制御により露光時間の制御である電子シャッターのシャッター速度を種々に可変できるようになされている。
【００１８】
ＡＧＣ回路５は、図示しない相関二重サンプリング回路を介して、ＣＣＤ２より出力される撮像信号を受け、この撮像信号を所定の利得により増幅して出力する。ＡＧＣ回路５は、この処理において、ディジタルアナログ変換回路（Ｄ／Ａ）６から出力される制御信号により利得を可変し、ディジタルアナログ変換回路６は、自動露光制御部４より出力される制御データをディジタルアナログ変換処理してこの制御信号を出力する。これによりＡＧＣ回路５、ディジタルアナログ変換回路６は、自動露光制御部４、ＤＳＰ（Digital Signal processor）７と共にＡＧＣによる自動露光制御の処理を実行するようになされている。
【００１９】
アナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）８は、このＡＧＣ回路５の出力信号をアナログディジタル変換処理して出力する。
【００２０】
ＤＳＰ７は、アナログディジタル変換回路８の出力信号をニー処理、ガンマ補正処理等し、その結果得られる画像データＤＶを必要に応じてデータ圧縮して出力する。なおＤＳＰ７は、ＣＣＤ２が補色系のカラーフィルタを配置してなる撮像素子の場合、アナログディジタル変換回路８の出力データを演算処理して色信号による画像データを生成した後、これらの色信号による画像データによりニー処理等を実行する。
【００２１】
ＤＳＰ７は、これらの処理において輝度信号に対応する画像データ（以下輝度データと呼ぶ）ＤＹを生成して出力する。
【００２２】
自動露光制御部４は、例えばこのテレビジョンカメラ１の動作を制御するコントローラの一部機能により構成される。なおこのコントローラにおいては、ユーザーによる各種の操作に応動したＤＳＰ７の動作の制御等により、図示しない表示装置に画像データＤＶを出力して撮像結果を表示し、さらにはデータ圧縮してなる画像データＤＶを所定の記録媒体に記録するようになされている。
【００２３】
自動露光制御部４は、ＤＳＰ７から出力される輝度データＤＹの平均値、積分値、重み付け加算処理等により、又は撮像結果を水平方向及び垂直方向に分割して設定した複数の領域を基準にして、これら各領域を単位にした輝度データＤＹの平均値、積分値、重み付け加算処理等により、撮像結果の明るさを示す評価基準値を生成する。
【００２４】
自動露光制御部４は、この評価基準値が所定となるように、タイミングジェネレータ３の動作を制御し、またディジタルアナログ変換回路６に制御データを出力し、これにより電子シャッター、ＡＧＣにより露光制御する。
【００２５】
この処理において自動露光制御部４は、不感帯近傍の、不感帯の外側の両側に、それぞれ制御切り換えレベルを設定し、この各制御切り換えレベルから不感帯までを制御切り換え領域として２つの制御切り替え領域を設定し、２つの制御切り替え領域の外側では、電子シャッターによる露光制御により判定基準値を制御切り換え領域内に導き、その後、制御切り換え領域内側ではＡＧＣによる露光制御により判定基準値を制御目標値に収束させる。
【００２６】
またこのように設定されてなる制御切り換え領域の幅が、電子シャッターにおいて最小分解能による露光時間の切り換えによって発生する撮像結果の最も大きな利得の変化量に対応するレベル差となるように、設定される。
【００２７】
これによりこのテレビジョンカメラ１では、制御目標値近傍では、最終的にＡＧＣにより露光制御して、ハンチングの発生を有効に回避するようになされている。
【００２８】
自動露光制御部４は、ＡＧＣによる露光制御の基準値ＡＧＣｏｆｆｓｅｔを基準にして、このようにして最終的に、制御目標値近傍ではＡＧＣにより露光制御するようにし、これにより露光制御において、ＡＧＣの露光制御によるノイズを目立たないようにして、制御目標を一旦通り越して元に戻る現象を防止するようになされている。ここで基準値ＡＧＣｏｆｆｓｅｔは、電子シャッターによる段階的な露光時間の制御による最小の分解能における撮像結果の利得の変化量を越える利得である。これにより自動露光制御部４においては、このようにＡＧＣ回路５の利得にバイアスを設定して露光制御する場合に、これら図２等で表される露光時間と利得により囲まれる範囲の利得については、電子シャッターと利得の制御により、確実に制御目標値に収束できるようになされている。
【００２９】
これにより何ら自動露光制御により撮像結果の利得を増大していない状態から最も利得を増大させるまでの処理を従来との対比により図２及び図３に示すように、従来のテレビジョンカメラにおいては（図２）、最も利得の少ない状態より矢印Ａにより示すように、電子シャッターにより撮像結果の利得を増大させ、電子シャッターにより撮像結果の利得を増大させることが困難になると、矢印Ｂにより示すように、ＡＧＣにより利得を増大させることになる。なおこの図２等において、横軸が電子シャッターによる利得を示し、最大の利得をＴＧｍａｘにより示す。また縦軸は、ＡＧＣによる利得を示し、最大の利得をＡＧＣｍａｘにより示す。
【００３０】
これにより従来のテレビジョンカメラに露光制御においては、このように利得が最も小さい状態から利得を最大値に設定する場合、ＡＧＣの利得を０〔ｄＢ〕に設定して電荷蓄積時間により利得を０からＴＧｍａｘ〔ｄＢ〕に増大させ、その電荷蓄積時間による利得ＴＧをＴＧｍａｘ〔ｄＢ〕に保持した状態で、ＡＧＣの利得を０〔ｄＢ〕からＡＧＣｍａｘ〔ｄＢ〕に増大させることになる。
【００３１】
これに対してこの実施の形態に係るテレビジョンカメラ１においては（図３）、符号Ｃにより示すように、始めにＡＧＣにより所定値ＡＧＣｏｆｆｓｅｔだけ利得を増大させた後、矢印Ｄにより示すように、電子シャッターにより撮像結果の利得を増大させ、電子シャッターにより撮像結果の利得を増大させることが困難になると、矢印Ｅにより示すように、ＡＧＣにより利得を増大させることになる。
【００３２】
すなわちテレビジョンカメラ１では、この場合、始めに電荷蓄積時間による利得ＴＧを０〔ｄＢ〕に保持した状態で、ＡＧＣによる利得を０〔ｄＢ〕からＡＧＣｏｆｆｓｅｔ〔ｄＢ〕だけ利得を増大させ、その後、ＡＧＣによる利得をＡＧＣｏｆｆｓｅｔ〔ｄＢ〕に保持した状態で、電荷蓄積時間により利得を０からＴＧｍａｘ〔ｄＢ〕に増大させる。さらに続いて電荷蓄積時間による利得ＴＧをＴＧｍａｘ〔ｄＢ〕に保持した状態で、ＡＧＣの利得をＡＧＣｏｆｆｓｅｔ〔ｄＢ〕からＡＧＣｍａｘ〔ｄＢ〕に増大させることになる。
【００３３】
これにより図４に示すように、テレビジョンカメラ１では、符号Ａにより示す初期状態で、例えば電荷蓄積時間による利得ＴＧ、ＡＧＣによる利得がそれぞれ０〔ｄＢ〕であったとすると、露光制御を開始して、始めにＡＧＣによる利得がＡＧＣｏｆｆｓｅｔ〔ｄＢ〕だけ増大され（符号Ａ〜Ｂ）、その後、電荷蓄積時間による利得ＴＧが増大され、目標輝度の両側に設定された制御切り換え領域まで利得が増大すると（符号Ｂ〜Ｃ）、ＡＧＣによる利得がＡＧＣｏｆｆｓｅｔ〔ｄＢ〕からさらに増大され（符号Ｃ〜Ｄ）、これにより最終的な目標輝度となるように露光制御の処理が実行される。これによりテレビジョンカメラ１では、不惑帯の幅を小さくしてもハンチングを防止することができるようになされている。
【００３４】
（１−２）第１の実施の形態の動作
以上の構成において、このテレビジョンカメラ１では、ＣＣＤ２より得られる撮像結果がＡＧＣ回路５により所定利得で増幅され、アナログディジタル変換回路８により画像データに変換される。またこの画像データがＤＳＰ７によりニー処理、ガンマ処理等される。テレビジョンカメラ１では、このように処理されてなる画像データＤＶが表示装置に表示され、またデータ圧縮されて所定の記録媒体に記録される。
【００３５】
テレビジョンカメラ１では、これらの処理において、ＤＳＰ７で生成される輝度データＤＹが自動露光制御部４に入力されて処理されることにより、画素又は所定領域を単位にした輝度レベルの平均値、積分値、重み付け加算値等により撮像結果の明るさを表す評価基準値が生成される。さらにこの評価基準値が所定となるように、タイミングジェネレータ３の制御によりＣＣＤ２の電荷蓄積時間が制御され、またＡＧＣ回路５の利得が制御され、これにより撮像結果が所定の明るさとなるように自動光量制御される。
【００３６】
テレビジョンカメラ１では、この自動光量制御において、電子シャッターの最小分解能による露光時間の切り換えによって発生する撮像結果の最も大きな利得の変化量に対応する幅により、不感帯の外側、両側に、制御切り換え領域が設定され、この制御切り換え領域までは、電子シャッターにより露光制御され、続いてＡＧＣによる露光制御により評価基準値が所定値となるように露光制御される（図１〜図４）。
【００３７】
これによりテレビジョンカメラ１では、不感帯の幅を十分に狭くしてもハンチングを有効に回避することができ、その分、従来に比して高い精度により露光制御することができる。
【００３８】
すなわち電子シャッターにおいては、段階的な露光制御となるのに対し、ＡＧＣによる露光制御においては、ディジタルアナログ変換回路６に設定する制御データの設定により高い分解能で利得を制御することができ、このように最終的にＡＧＣにより露光制御することにより、従来に比して高い精度により露光制御することができる。
【００３９】
特に、電子シャッターによる制御において、利得の変化が著しくなる高速シャッター領域においては、不感帯を狭く設定した場合でも、確実に制御目標値に収束させることができる。これにより高速シャッター領域において、従来に比して格段的に高い精度により露光制御することができる。これにより高速で移動する移動物体を精度良く適切な明るさで撮像することができる。
【００４０】
またテレビジョンカメラ１では、このような露光制御を、ＡＧＣにより所定利得ＡＧＣｏｆｆｓｅｔだけ撮像結果の利得を増大させた状態を基準にして実行することにより、不感帯の幅が小さい場合でも、制御目標を一旦通り越して元に戻る現象を防止することができ、これにより撮像結果の不自然な明るさの変化を防止することができ、さらに高精度の撮像結果を得ることができる。
【００４１】
（１−３）第１の実施の形態の効果
以上の構成によれば、制御目標近傍まで露光時間の制御により露光制御した後、増幅回路の利得の制御により露光制御することにより、発振の現象であるハンチングを有効に回避して、従来に比して高い精度により露光制御することができる。
【００４２】
またこのとき増幅手段の利得を所定利得ＡＧＣｏｆｆｓｅｔに増大させた状態を基準にして、電子シャッターによる露光時間の制御により、制御目標値近傍まで露光制御することにより、制御目標を一旦通り越して元に戻る現象を防止することができ、これにより撮像結果の不自然な明るさの変化を防止することができる。
【００４３】
またこの所定利得ＡＧＣｏｆｆｓｅｔが電子シャッターによる段階的な露光時間の制御による最小の分解能における撮像結果の利得の変化量を越える利得であることにより、種々の制御目標に確実に露光制御することができる。
【００４４】
また不感帯の外側に、所定の制御切り換え領域を設定し、撮像結果の明るさを示す判定基準値をこの制御切り換え領域により判定して、露光時間の制御による露光制御から、増幅手段の利得の制御による露光制御に動作を切り換えることにより、不感帯の幅を狭くしても、発振の状態を有効に回避して確実に露光制御することができる。
【００４５】
（２）第２の実施の形態
ところで第１の実施の形態に係る露光制御において、制御目標における電子シャッターによる電荷蓄積時間が所定時間以上の場合には、電子シャッターによる露光制御によっても高い分解能を得ることができる。
【００４６】
これによりこの実施の形態においては、制御目標Ｙにおける露光時間を判定し、この制御目標Ｙにおける露光時間の制御において所定の露光時間以上が必要と判定された場合、すなわち電子シャッターによる露光制御により十分な分解能により露光制御可能と判断できる場合、制御切り換え領域内にけるＡＧＣ回路５の利得の制御による露光制御を中止する。
【００４７】
なおこの場合、これとは逆に露光時間を極端に短くする場合には、第１の実施の形態と同様に、電子シャッターの制御とＡＧＣ回路５の利得の制御とにより露光制御する。
【００４８】
この実施の形態によれば、制御目標における露光時間を判定し、この判定により制御目標における露光時間の制御において所定の露光時間以上が必要と判定された場合、すなわち電子シャッターによる露光制御により十分な分解能により露光制御可能と判断できる場合、制御切り換え領域内におけるＡＧＣ回路の利得の制御による露光制御を中止することにより、簡易な制御により高い精度で露光制御することができる。
【００４９】
（３）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、電子シャッターとＡＧＣにより露光制御する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、これらと絞り、機械式シャッター等を組み合わせて露光制御する場合にも広く適用することができる。
【００５０】
また上述の実施の形態においては、単板式による撮像装置に本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、３板式による撮像装置にも広く適用することができる。
【００５１】
また上述の実施の形態においては、本発明を記録機能を有するテレビジョンカメラに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、このような記録機能を有していないテレビジョンカメラにも適用することができ、また携帯電話等の通信機能を有してなる撮像装置、さらにはパーソナルコンピュータと一体化されてなる撮像装置等に広く適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、制御目標近傍まで露光時間の制御により露光制御した後、増幅回路の利得の制御により露光制御することにより、発振の現象であるハンチングを有効に回避して、従来に比して高い精度により露光制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るテレビジョンカメラを示すブロック図である。
【図２】従来のテレビジョンカメラにおける露光制御の説明に供する特性曲線図である。
【図３】図１のテレビジョンカメラにおける露光制御の説明に供する特性曲線図である。
【図４】図１のテレビジョンカメラにおける制御目標への収束の説明に供する特性曲線図である。
【符号の説明】
１……テレビジョンカメラ、２……ＣＣＤ、３……タイミングジェネレータ、４……自動露光製制御部、５……ＡＧＣ回路、７……ＤＳＰ
【図１】
0004742474.tif 000002
【図２】
0004742474.tif 000003
【図３】
0004742474.tif 000004
【図４】
0004742474.tif 000005