(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を結像する第１レンズと、
前記第１レンズの結像面に配置され微少ミラーが２次元的に配列された構造の反射手段と、
前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第２レンズと、
前記第２レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、
前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、
前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、
前記第１レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第２レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第２レンズに入射させるプリズムと、
を具備した撮像装置であって、
前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
被写体像を結像する第１レンズと、
前記第１レンズに組み込みもしくは近接され、前記第１レンズに入射する光量の調節を行う絞りと、
前記第１レンズの結像面に配置され微少ミラーが２次元的に配列された構造の反射手段と、
前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第２レンズと、
前記第２レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、
前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、
前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、
前記絞りを制御する絞り制御部と、
前記第１レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第２レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第２レンズに入射させるプリズムと、
を具備した撮像装置であって、
前記絞り制御部は前記反射手段に結像する被写体像の明るさを調節し、前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
前記ミラー制御部は、前記絞り制御部が前記絞りを制御することで前記反射手段に結像される被写体像の明るさを調節した後、前記微少ミラーを制御し、前記撮像素子に適正な光量が入るよう露光量を調整する請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記反射手段の平面に対して前記第２レンズと前記撮像素子がピントの合う結像関係を保持するようにあおられて配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
前記信号処理手段は、前記被写体と前記撮像素子上の像に生じるパースペクティブの変化を補正するように前記映像情報を変形する請求項１〜４のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項６】
前記ミラー制御部は、前記信号処理手段で演算される画像の明るさの情報をもとに、前記微少ミラーを個々に制御し、前記撮像素子に適正な光量が入るよう露光量を調整する請求項１〜５のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項７】
前記ミラー制御部は、前記個々の微少ミラーを制御する個々の制御量を前記信号処理手段に送り、対応する映像信号の補正を行う請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記ミラー制御部は、前記個々の微少ミラーについて、前記第２レンズへ被写体像を入射するＯＮの状態のミラーの配置と第２レンズへ被写体像が入射しないＯＦＦの状態のミラーの配置を切り替え、一定時間において前記ＯＮの状態が継続する時間を変えることで前記撮像素子への露光量を変える請求項６または７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記信号処理手段は、前記信号処理手段内で演算される画像の明るさの情報をもとに、画像全体の明るさを前記撮像素子の電子シャッターを利用して調整する請求項１〜８のいずれかに記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルスチルカメラやムービー、監視カメラおよび携帯電話や端末情報機器（ＰＤＡ）など情報機器の画像入力手段となる撮像素子を用いた電子カメラ用の撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子カメラの分野の課題の一つに逆光条件や過順光の条件時にカメラのダイナミックレンジが不足しているため白とびや黒つぶれなどによる画像情報の欠落がある。特に監視カメラでは、視認性が要求され画像情報がつぶれないことが重要であり、ダイナミックレンジの不足に対して、改善の要望は強く求められていた。
【０００３】
従来、ダイナミックレンジを拡大する手法として、例えば特開平１０−２３３２４号公報では、白とび、黒つぶれした情報を抽出する露光条件と通常の画像情報を抽出する露光条件の２種類の条件を撮像素子の電子シャッターを利用して短時間に切り替え、その２種類の画像情報を合成して、見かけ上、高ダイナミックレンジを得る方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１０−２３３２４号公報で提案されている撮像装置では、露光条件の異なる複数の画像は用いるが、それぞれの画像は画面全体で一定の露光条件のため、画像の細部にわたって露光条件を適切にすることが難しい。またそれぞれの画像の切り出す条件や画像の組み合わせの条件の設定が難しく、特に短い露光時間の画像を合成する場合、Ｓ／Ｎの悪い映像になる。さらに、複数枚の画像は時間的に異なるタイミングで抽出されるため、動物体の撮影や手ブレ発生時に画像の解像度が劣化してしまう。
【０００５】
本発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、画素ごとに反射量を変えられるアレイ状の微少ミラーで被写体像を反射させ、その像を撮像素子で受光することにより、逆光条件や過順光時にも黒つぶれ、白とびのない高ダイナミックレンジでＳ／Ｎが良く、画像劣化の少ない撮像装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１番目の撮像装置は、被写体像を結像する第１レンズと、前記第１レンズの結像面に配置され微少ミラーが２次元的に配列された構造の反射手段と、前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第２レンズと、前記第２レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、前記第１レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第２レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第２レンズに入射させるプリズムと、を具備した撮像装置であって、前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする。
【０００７】
次に本発明の第２番目の撮像装置は、被写体像を結像する第１レンズと、前記第１レンズに組み込みもしくは近接され、前記第１レンズに入射する光量の調節を行う絞りと、前記第１レンズの結像面に配置され微少ミラーが２次元的に配列された構造の反射手段と、前記反射手段により反射された前記被写体像を結像する第２レンズと、前記第２レンズにより結像された前記被写体像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子で光電変換された電気信号から映像情報である映像信号を形成する信号処理手段と、前記反射手段の前記微少ミラーを個々に制御するミラー制御部と、前記絞りを制御する絞り制御部と、前記第１レンズと前記反射手段との間、および前記反射手段と前記第２レンズとの間に配置され、前記反射手段からの反射光を全反射させて前記第２レンズに入射させるプリズムと、を具備した撮像装置であって、前記絞り制御部は前記反射手段に結像する被写体像の明るさを調節し、前記ミラー制御部は前記微少ミラーを制御することで反射手段上の被写体像の情報を前記微少ミラーごとに明るさを変えて前記撮像素子に導くことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
前記本発明の撮像素子によれば、第１レンズの結像面上にある微少ミラーが、結像面に形成された被写体像の反射の方向を微少ミラーごとに変えられるため、第２レンズに入射させる光の量を微少ミラーごとに制御することができ、撮像素子上に再度形成される被写体像は微少ミラーの分解能ごとに撮像素子の飽和を越えない適正な光量に制御されるため、黒つぶれや白とびのない高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【０００９】
また、第１レンズに入射する光量の調節を行う絞りが第１レンズに組み込みもしくは近接されることにより、絞り制御とミラー制御が連動し、さらに高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【００１０】
また、反射手段の平面に対して第２レンズと撮像素子がピントの合う結像関係を保持するようにあおられて配置されることで、画面全体にわたってピントを良好にすることができる。
【００１１】
また、第１レンズと反射手段および反射手段と第２レンズの間にプリズムが配置され反射手段からの反射光が前記プリズムで全反射されて第２レンズに入射することで、第１レンズと反射手段と第２レンズを近接して置くことができるため撮像装置全体を小型化することができる。
【００１２】
また、信号処理手段が被写体と撮像素子上の像に生じるパースペクティブの変化を補正するように映像情報を変形することで、反射手段と撮像素子があおられて配置されることによる画像の変形を補正することができる。
【００１４】
また、ミラー制御部は信号処理手段で演算される画像の明るさの情報をもとに、微少ミラーを個々に制御し、撮像素子に適正な光量が入るよう露光量が調整され、さらに個々の微少ミラーを制御する個々の制御量を信号処理手段に送り、対応する映像信号の補正を行うことで、撮像素子の出力の段階では一定の範囲のダイナミックレンジに押さえて、信号処理で個々のミラーの制御量をもとに、信号を復元することができ、より簡便な方法で高ダイナミックレンジの画像を得ることができる。
【００１５】
また、ミラー制御部は個々の微少ミラーについて、第２レンズへ被写体像を入射するＯＮの状態のミラーの配置と第２レンズへ被写体像が入射しないＯＦＦの状態のミラーの配置を切り替え、一定時間において前記ＯＮの状態が継続する時間を変えることで、ミラー制御の空間的な分解能を細かくせずに、精度の高い露光制御ができるため、制御系の構成に負担のない撮像装置が提供できる。
【００１６】
さらに、信号処理手段は、前記信号処理手段内で演算される画像の明るさの情報をもとに、画像全体の明るさを撮像素子の電子シャッターを利用して調整することで、絞り制御を省いたり、絞りに負担の少ない露光制御ができるため、安価な撮像装置を提供できる。
【００１７】
以下、本発明の撮像装置の一実施形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、実施形態１の撮像装置を示している。映像情報の流れに対応して被写体側から撮影レンズ１、ミラーデバイス２、リレーレンズ３、撮像素子４が配置されており、以降電気信号の流れとして信号処理回路５、ミラー制御部６が接続され、ミラー制御部６の出力はミラーデバイス２に接続されている。
【００１９】
ミラーデバイス２は最近反射型の表示パネルとして注目されている、いわゆるＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）であり、図２に示す通り、表面が複数の画素に分割され、その画素ごとに正方形の微少なミラーが配置され、各ミラーは２つの対角Ａ，Ｂを支点に回動して画素ごとに約±１０°傾く構造になっており、入射した光線を画素ごとに方向を変える機能を持っている。ミラーデバイス２は撮影レンズ１で撮影する被写体の結像位置に配置され、被写体像をリレーレンズ３に反射する。例えばミラーデバイス２の各画素のミラーが＋１０°ではＯＮの状態で、反射光はリレーレンズ３の方向に制御され、−１０°ではＯＦＦの状態でリレーレンズ３には反射光が入射しない方向に設定される。リレーレンズ３はミラーデバイス２上の被写体像を撮像素子４上に結像させる光学系となっている。なお、反射像が撮像素子４上でピントが合った状態を維持するため、いわゆるシャインプルフの法則に従うようミラーデバイス２に対してリレーレンズ３と撮像素子４はあおられて配置される。撮像素子４はミラーデバイス２の反射像を光電変換し、変換された電気信号は信号処理回路５に入力され撮像素子４の特性に基づいた一定の信号処理が施され、ＴＶ表示やメモリ記録が可能なそれぞれのフォーマットに変換された映像信号Ｉとして出力される。また、一方で、画面全体の輝度情報Ｊ１およびミラーデバイス２の各画素に対応した輝度情報Ｊ２が信号処理回路５で抽出され、ミラー制御部６に出力される。ミラー制御部６では画面全体の輝度情報Ｊ１および各画素の輝度情報Ｊ２から、撮像素子が飽和をせず、かつ画像全体として適切な露光条件の映像となるよう、ミラー制御部６からミラーデバイス２の各画素に対してリレーレンズ３に反射する光のＯＮの時間で露光量を変える。例えば逆光状態の場合は逆光でない暗い部分に画面全体の露光条件を合わせ一定のＯＮ時間とし、逆光条件の部分の画素については、逆光部分全体の明るさに応じて画面全体の露光条件よりも短いＯＮ時間とする。過順光の条件では逆光と逆の条件で制御することで、黒つぶれや白とびのない高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【００２０】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２の撮像装置を示している。実施の形態１では画面全体の露光調節をミラーデバイス２で行う構成になっているが、この場合、明るい被写体では露光時間が非常に短くなり、画面の輝度の低いところではＳ／Ｎが良好でない条件になる場合があり、動画ではストロボ撮影のような条件になるため、実施の形態２では撮影レンズ１に組み込みもしくは近接させて、通常のカメラ、ビデオカメラ、ＤＳＣなどで用いられている絞り７が配置される。絞り７は絞り制御部８で制御される構成となっている。
【００２１】
全体の動作の様子は実施の形態１と同様であるが、輝度情報の扱い方が異なる。実施の形態２では、信号処理回路５で抽出された画面全体の輝度情報Ｊ１が絞り制御部８およびミラーデバイス２の各画素に対応した輝度情報Ｊ２がミラー制御部６に入力され、画面全体の露光は絞り７で調節し、逆光や過順光の条件にある被写体についてはミラー制御部６でミラーデバイス２の各画素のミラーのＯＮの時間を条件に応じて調節する。これによりＳ／Ｎが良くかつ黒つぶれや白とびのない高ダイナミックレンジの映像情報を得ることができる。
【００２２】
（実施の形態３）
図４は、実施形態３の撮像装置を示している。基本的な構成は実施の形態２がベースとなっているが、撮影レンズ１とミラーデバイス２およびリレーレンズ３の間にプリズム９が、図４に示すように挿入される。図５に詳細なプリズム９および周辺の様子を示している。撮影レンズ１を出た光束は、まずプリズムブロック９１を通過し、プリズムブロック９２を通過してミラーデバイス２に被写体像が形成される。ミラーデバイス２で反射された像はプリズムブロック９２の反射面Ｍで全反射し、以降リレーレンズ３を介して撮像素子４に至る。ここで、プリズムブロック９１、プリズムブロック９２はプリズムを通過する光束について光路長が等価になるような構成と形状になっている。
また、反射面Ｍはミラーデバイス２からの反射光に対して全反射の条件となるような傾きになっている。これにより、反射光を直接リレーレンズ３で受けるよりも全体をコンパクトな構成にすることができる。
【００２３】
（実施の形態４）
図６は、実施の形態４の撮像装置の信号処理回路５の構成を示している。図７に示すとおり、ミラーデバイス２に対してリレーレンズ３、撮像素子４はピントの合う関係を保つためにアオリの関係にある必要がある。このとき像はミラーデバイス上で等間隔のＰ１，Ｐ２・・・Ｐｎが撮像素子４上ではＰ'１に近いほど粗い間隔、Ｐ'ｎに近いほど密な間隔になってしまい、変形されたいわゆるパースペクティブが変わった像が形成される。そこで図６に示すように信号処理回路５で映像信号を形成する映像信号処理回路５１の後、メモリ５２に蓄えられた変形情報をもとにパースペクティブ補正回路５３で変形を補正し、被写体像と相似な像を得ることができる。ここで、パースペクティブの補正はメモリ５２に情報に基づいて行っているが、演算に基づくものであっても良い。また、補正の際には平均や補間など映像処理で一般に用いられる手法を用いて画像が良好な状態になるよう処理が施される。
【００２４】
（実施の形態５）
図８は、実施の形態５の撮像装置を示している。構成要素は実施の形態３および４と同様である。ミラーの制御量すなわちミラーがＯＮの時間を情報Ｊ３として信号処理回路５に出力し、信号処理回路５で各画素に対して信号量をＪ３に基づいて補正する。すなわちミラーが標準のＯＮの時間に対して１／２の時間であれば信号を２倍にし、２倍の時間であれば信号を１／２にする。これにより信号処理回路５の入力のＡＤ変換器のビット長などに制約を受けることなく高ダイナミックレンジな信号を取り出すことができ、例えば、階調良く見たい部分の映像を加工して作り出すこともできる。すなわち操作者が見たい部分の階調を良くして見ることもできる。
【００２５】
（実施の形態６）
図９は、実施の形態６に係わる撮像装置を示している。構成は実施の形態の２〜５のいずれかの撮像装置に対して、絞り７および絞り制御部８の替わりに撮像素子の電子シャッターを利用する電子シャッター制御部１０を設けたものである。機能は絞り７と同様であり、画面全体の輝度情報Ｊ１から適切な露光条件を電子シャッターの露光時間として割り出し、撮像素子の露光時間を制御する。これにより画面全体の露光条件設定に安価な構成を用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、画素ごとに反射光量を変えられるアレイ状の微少ミラーで被写体像を反射させ、その像を撮像素子で受光することにより、逆光条件や過順光時にも黒つぶれ、白とびのない高ダイナミックレンジでＳ／Ｎが良く、画像劣化の少ない撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１を示す撮像装置の構成図
【図２】本発明の実施形態１を示すミラーデバイスの説明図
【図３】本発明の実施形態２を示す撮像装置の構成図
【図４】本発明の実施形態３を示す撮像装置の構成図
【図５】本発明の実施形態３を示すプリズムの構成図
【図６】本発明の実施形態４を示す信号処理回路５の構成図
【図７】本発明の実施形態４を示すパースペクティブ変化の説明図
【図８】本発明の実施形態５を示す撮像装置の構成図
【図９】本発明の実施形態６を示す撮像装置の構成図
【符号の説明】
１  撮影レンズ
２  ミラーデバイス
３  リレーレンズ
４  撮像素子
５  信号処理回路
６  ミラー制御部
７  絞り
８  絞り制御部
９  プリズム
【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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