(57)【要約】  【課題】  液晶などの光透過率を制御可能な物性素子を光量制御に用いて、迅速な反応速度と良好な画質とを簡易な構成で得る。  【解決手段】  物性素子を１フレーム内で反応が完了する減光ゲイン量ＫｄＢで段階的に制御する。ＡＧＣでの光量制御を低照度側で行い、範囲（ａ）から範囲（ｂ）へ移行した後は、シャッタ速度が遮光閾値に達したら物性素子の制御を１段階落とすと共に、シャッタ速度をＫｄＢ分長くする。入射光量に応じてシャッタ速度を制御し、再び遮光閾値に達したら、物性素子の制御をさらに１段階落とす。物性素子が光透過率ＭＩＮで尚、入射光量が増加したら、物性素子の光透過率ＭＩＮを維持してシャッタ速度を短くする。ＡＧＣ制御のＭｄＢと、シャッタ制御のＮｄＢと、物性素子制御のＫｄＢ×５との合計がダイナミックレンジになる。物性素子を段階的に制御するので、高速な反応が得られ、安定的な制御が可能である。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過率を制御可能な物性素子を用いて撮像素子に対する入射光量を制御するようにしたカメラ装置において、
光透過率を制御可能な物性素子と、
上記物性素子の上記光透過率を、入射光量に応じて複数段階に順次切り替えて制御するようにした物性素子制御手段と
上記物性素子を介して入射された入射光を撮像する撮像素子と
を有することを特徴とするカメラ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のカメラ装置において、
上記複数段階に切り替える光透過率は、変化の比率が一定であり、上記物性素子による上記光透過率の変化が所定期間内に完了可能な上記光透過率の変化の比率に基づくことを特徴とするカメラ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のカメラ装置において、
上記所定期間は、上記撮像素子の出力信号を処理する際の単位時間に対応することを特徴とするカメラ装置。
【請求項４】
請求項１に記載のカメラ装置において、
上記撮像素子のシャッタ速度を入射光量に応じて連続的に制御可能なシャッタ制御手段をさらに有し、
上記物性素子制御手段による上記制御と、上記シャッタ制御手段による上記シャッタ速度の制御とを組み合わせて上記撮像素子に対する入射光量を制御することを特徴とするカメラ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のカメラ装置において、
上記入射光量に応じて上記シャッタ速度が所定の閾値に達したら、上記シャッタ制御手段により上記シャッタ速度が上記段階に対応する範囲で戻されてから上記段階に対応する範囲で上記シャッタ速度が制御されると共に、上記物性素子制御手段により上記複数段階が１段階切り替えられるようにしたことを特徴とするカメラ装置。
【請求項６】
請求項１に記載のカメラ装置において、
上記撮像素子の出力信号が入力され、入射光量に応じて上記撮像素子の出力信号に対する増幅率を制御可能な増幅手段をさらに有し、
上記物性素子制御手段による上記制御と、上記増幅手段による上記増幅率の制御とを組み合わせて上記撮像素子に対する入射光量を制御することを特徴とするカメラ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のカメラ装置において、
上記撮像素子のシャッタ速度を制御するシャッタ制御手段をさらに有し、
上記増幅手段は、上記シャッタ制御手段による上記シャッタ速度が最長に制御され、さらに入射光量が必要なときに、上記増幅率を制御するようにしたことを特徴とするカメラ装置。
【請求項８】
請求項１に記載のカメラ装置において、
上記撮像素子に対する入射光量を開口率を変化させることで制御する絞り手段をさらに有することを特徴とするカメラ装置。
【請求項９】
光透過率を制御可能な物性素子を用いて光量を制御するようにした光量制御方法において、
光透過率の変化の比率が一定な複数段階の状態を持ち、上記光透過率を制御可能な物性素子の上記光透過率を、入射光量に応じて上記複数段階を順次切り替えて制御するようにしたことを特徴とする光量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光透過率を制御可能な物性素子を用いて光量を制御するようにしたカメラ装置および光量制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、カメラなどにおいて入射光量の制御を行う手段として、機械絞りが用いられていた。撮像光学系において、被写体からの光が光学系を介してＣＣＤ(Charge Coupled Device)など光源変換を行う撮像素子に入射される。このような構成において、光学系に対して機械絞りを設けて撮像素子に入射される光量を制御し、露光制御を行う。
【０００３】
これに対し、液晶などの、光透過率の制御が可能な物性素子を撮像光学系に用いて撮像素子に入射する光量を制御し、露光補生を行うカメラ装置が提案されている。物性素子を用いて光量制御を行うことで、機械絞り機構を省略することができ、カメラモジュールの小型化を実現できる。
【０００４】
近年では、携帯電話端末にカメラが組み込まれた製品が広く普及しているが、光透過率を制御可能な物性素子は、このような、大きさの制約から機械絞りを使用できないような場合に、用いて好適である。
【０００５】
光透過率の制御が可能な物性素子では、光透過率を最も高い状態から最も低い状態まで、連続的に変化させることが可能である。そこで、このような物性素子を用いたカメラ装置は、特許文献１に記載されるように、物性素子の光透過率を連続的に制御させるように動作させている。
【特許文献１】特開平５−３４７６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ここでカメラ装置の光量制御に用いられる物性素子は、制御信号に対する光透過率変化の応答時間が長いものが多いという問題点があった。例えば、カメラ装置のフレーム周波数でみて、制御信号に対する光透過率の応答に数フレーム乃至数十フレーム以上を要してしまう物性素子も多い。また、光透過率を大きく変化させる場合と小さく変化させる場合とで、その応答時間に大きな差が生じてしまうという問題点もあった。
【０００７】
また、液晶などの物性素子には、大きく光透過率を変化させた場合に、その光透過率の変化の過程で、物性素子全面における光透過率の変化が一様にはならないものがある。このような物性素子を用いると、光透過率を変化させた場合に、物性素子を透過する透過光の解像度が劣化してしまうという問題点があった。
【０００８】
また、物性素子の光透過率と、光透過率を変化させる制御信号との関係は、物性素子の個々でばらつくものが多い。この場合、カメラ装置の製造過程などにおいて、補正値を個々に与えてばらつきを吸収することが行われる。しかしながら、光透過率を連続的に変化させる場合、光透過率の濃度による補正値が一定値でない場合が殆どで、補正を行うためには、制御信号の分解能に対応して、あるいは、制御信号の分解能よりは粗いが連続的な制御に影響が出ないまでの補正値を持つ必要がある。そのため、補正値の量が膨大になってしまうという問題点があった。
【０００９】
また、膨大な補正値を装置個々に求める必要があり、補正値を求める時間を長大に要してしまい製造コストが増大してしまうという問題点があった。
【００１０】
したがって、この発明の目的は、液晶などの光透過率を制御可能な物性素子を光量制御に用いて、簡易な構成で、制御信号に対する迅速な反応速度と良好な画質とを得られるようなカメラ装置および光量制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、上述した課題を解決するために、光透過率を制御可能な物性素子を用いて撮像素子に対する入射光量を制御するようにしたカメラ装置において、光透過率を制御可能な物性素子と、物性素子の光透過率を、入射光量に応じて複数段階に順次切り替えて制御するようにした物性素子制御手段と物性素子を介して入射された入射光を撮像する撮像素子とを有することを特徴とするカメラ装置である。
【００１２】
また、この発明は、光透過率を制御可能な物性素子を用いて光量を制御するようにした光量制御方法において、光透過率の変化の比率が一定な複数段階の状態を持ち、光透過率を制御可能な物性素子の光透過率を、入射光量に応じて複数段階を順次切り替えて制御するようにしたことを特徴とする光量制御方法である。
【００１３】
上述したように、この発明は、光透過率を制御可能な物性素子の光透過率を、入射光量に応じて複数段階に順次切り替えて制御するようにしているため、物性素子を限定的な範囲でのみ制御すればよく、段階毎の制御を安定的に行うことができ、制御に対して高速且つ安定的な反応が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、光透過率を制御可能な物性素子を、所定期間内に制御に対する反応が完了するような制御レベル毎に段階的に制御するようにしている。そのため、制御可能範囲内で制御したときに応答に長時間を要する特性を持つ物性素子を用いた場合でも、高速に応答可能な制御特性を実現できるという効果がある。
【００１５】
そのため、この発明をカメラ装置の露光補正に適用した場合、特に動的な被写体の撮影に対して安定的な出力画像を提供できるという効果がある。
【００１６】
また、この発明をカメラ装置に適用することで、小型化のために機械絞り機構を持たないカメラ装置における撮像素子の出力を適切に制御でき、被写体からの入射光量の範囲を広くできる。そのため、画像の白飛び、スミアの発生などにより制御できなかった照度範囲も露光制御可能な高性能なカメラ装置を、小型に構成できるという効果がある。
【００１７】
さらに、この発明の実施の一形態によれば、回路の増幅器の増幅率により露光制御する場合よりも、ＳＮ比および階調分解能の良好な画像を得ることが可能な露光補正システムが実現できる効果がある。
【００１８】
さらにまた、機械絞りにて撮像素子への入射光量を制御すると、開口径が変化するために被写界深度が変わってしまうが、光透過率の制御が可能な物性素子を用いて入射光量の制御を行うことで、開口径を変えることなく入射光量を制御できる。そのため、この発明を用いることで、被写界深度を一定に保つことができる露光補正システムを実現できる効果がある。
【００１９】
また、蛍光灯下などの撮影時に、商用電源周波数とフレームまたはフィールド周波数とがビートを起こして映像が瞬くフリッカを防止するために、シャッタ速度を１／１００秒程度として撮影することが行われる。この発明の実施の一形態において、遮光閾値および／または開放閾値を１／１００秒付近に設定することによって、フリッカが発生しにい照度範囲を広く取れ、ＡＧＣでの制御が少なくて済む。そのため、この発明の実施の一形態によれば、フリッカの少ないＳＮ比および階調分解能の良好な画像を得る露光補正システムが実現できるという効果がある。
【００２０】
さらに、この発明の実施の一形態では、シャッタ速度のみを判定閾値として用いているので、実装が容易であるという効果がある。
【００２１】
さらにまた、この発明によれば、物性素子の光透過率を段階的に制御することによって、非線形的な透過特性でも容易に制御でき、また反応速度の問題を解消することができるという効果がある。
【００２２】
また、この発明によれば、物性素子の光透過率の制御を、段階毎に限定的な範囲で行うため、光透過率を大きく変化させる場合と小さく変化させる場合とで、物性素子の応答時間に大きな差が生じにくいという効果がある。
【００２３】
さらに、限定的な範囲で物性素子を制御することで、物性素子の全面において比較的均一な光透過率を得られるという効果がある。また、限定的な範囲で物性素子を制御するので、安定的な特性が得られ、補正値も多くは必要ないという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明の実施の一形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の一形態が適用されたカメラ装置の一例の構成を概略的に示す。物性素子１は、例えば液晶からなり、光透過率を制御可能とされている。物性素子１は、例えば、所定に配向処理が施された対向する２枚の透明電極間に液晶を挟んで構成され、電極に印加する電圧を制御することで、光透過率が１００％に近い透過の状態から、光透過率が０％に近い遮蔽の状態にまで変化させることができる。物性素子１の光透過率は、物性素子駆動信号発生回路８から供給される駆動信号に基づき可変的に制御される。
【００２５】
撮像素子２は、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)からなり、入射された光を光電変換により電気信号に変換し、撮像信号として出力する。撮像素子２における光電変換の蓄積時間は、撮像素子駆動信号発生回路３から供給される駆動信号に基づき制御される。この撮像素子２における光電変換の際の電荷の蓄積時間は、撮像素子２のシャッタ速度である。すなわち、撮像素子２において、光電変換の際の電荷の蓄積時間を制御することで、電子シャッタが構成される。
【００２６】
なお、図１において、ズーム機構やフォーカス機構などのカメラの撮像光学系は、この発明の主旨と直接的な関連性がないため、繁雑さを避けるため省略されている。
【００２７】
被写体からの光は、物性素子１を介して撮像素子２に入射される。撮像素子２から出力された撮像信号は、ＡＧＣ(Auto Gain Control)回路４に供給される。ＡＧＣ回路４は、カメラ出力信号を一定範囲内に保つ自動制御増幅機能を提供する。例えば、制御部７において、出力信号のレベルを一定範囲内に収めるような制御信号が生成され、ＡＧＣ回路４に供給される。ＡＧＣ回路４は、制御部７から供給されたこの制御信号に基づきゲインを調整し、入力された撮像信号を増幅する。ＡＧＣ回路４から出力された撮像信号は、制御信号抽出回路６および信号処理回路５に供給される。信号処理回路５は、供給された撮像信号を所定の処理により画像信号として出力端子９に出力する。
【００２８】
制御信号抽出回路６は、ＡＧＣ回路４から供給された撮像信号を例えば検波し、制御部７による制御に必要な信号を抽出する。制御信号抽出回路６で抽出された信号は、制御部７に供給される。制御部７は、例えばマイクロコンピュータであって、制御信号抽出回路６から供給された信号などに基づき各種の制御信号を所定に生成し、この各種の制御信号を用いてこのカメラ装置の各部を制御する。制御部７から出力された各種制御信号は、ＡＧＣ回路４、信号処理回路５、撮像素子駆動信号発生回路３および物性素子駆動信号発生回路８にそれぞれ供給される。
【００２９】
なお、図１のような構成を有するカメラでは、所定時間当たり１枚の画像が連続的に出力される。以下では、この１枚の画像を１フレームと称し、１秒間あたりに出力されるフレーム数を、フレーム周波数と称する。例えば、１秒間あたり３０枚の画像が出力される場合、フレーム周波数は、３０Ｈｚである。カメラ画像を生成するための処理の多くは、フレーム単位で制御される。そのため、図１の構成において、入射光量に対して出力信号のレベルを適切に保つ制御も、フレーム毎に適切に行うことが求められる。
【００３０】
ここで、撮像素子２の蓄積時間の制御およびＡＧＣ回路４の増幅率制御は、共に、制御部７からの制御値（制御信号）に対して、１フレーム時間内で蓄積時間や増幅率の設定が変更完了される特性を持つことが可能である。一方、物性素子１は、制御部７からの制御値に対して、１フレーム時間内で光透過率の変化が終了するとは限らない。すなわち、物性素子１の制御信号に対する光透過率変化の応答速度は、光透過率を大きく変化させる場合は、変化の完了に長い時間を必要とする。これに対して、光透過率を小さく変化させる場合には、より短い時間で変化を完了させることが可能な特性を有する。
【００３１】
図２は、図１のカメラ装置のより具体的な一例の構成を示す。なお、図２において、図１と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。物性素子１は、液晶を主成分とし、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)信号のデューティー比に応じて光透過率を変化させる。物性素子１は、例えば図示されないレンズと密着されて用いられる。
【００３２】
ＰＷＭ信号は、ＰＷＭ出力回路２３により、マイクロコンピュータ２２の制御に基づき２本のＰＷＭ信号が位相変調されて生成される。２本のＰＷＭ信号をマイクロコンピュータ２２の制御に基づき位相変調することで、ＰＷＭ信号のデューティー比を制御することができる。位相変調されたＰＷＭ信号は、ドライバ１５に供給され物性素子１を駆動するのに必要な振幅（例えば１２Ｖ）に増幅されて、物性素子１に供給される。
【００３３】
ＣＣＤ１１は、図１の撮像素子２に対応するもので、マイクロコンピュータ２２の制御に基づきＴＧ(Timing Generator)２１で発生されるシャッタパルスに基づき電子シャッタが制御される。例えば、ＣＣＤ１１は、１フレーム毎に電荷の蓄積および信号電荷の読み出しが行われる。蓄積された電荷を１フレームの途中で一旦排出し、１フレームの残りの期間に蓄積された電荷を読み出すことで、シャッタ制御が行われる。この、読み出すための電荷が蓄積される、１フレームの残りの期間がシャッタ速度とされる。すなわち、フレーム期間内の所定のタイミングでシャッタパルスを発生させ、このシャッタパルスに応じてＣＣＤ１１において電荷の排出を行うことで、電子シャッタ動作を行うことができる。
【００３４】
被写体からの光が図示されないレンズ系および物性素子１を介してＣＣＤ１１に入射され、光電変換により撮像信号に変換される。ＣＣＤ１１から出力された撮像信号は、ＡＦＥ(Analog Front End)回路１２に供給される。ＡＦＥ回路１２は、入力されたアナログ信号を増幅する増幅器であって、マイクロコンピュータ２２から供給されたＡＧＣ(Auto Gain Control)制御信号に応じて増幅率が調整される。ＡＦＥ回路１２で所定に増幅された撮像信号は、カメラ信号処理回路１３内の画像信号処理回路３０に供給される。
【００３５】
画像信号処理回路３０は、マイクロコンピュータ２２の制御信号に基づき、供給された撮像信号に対して所定の処理を施し、輝度信号Ｙおよび色信号Ｃからなる画像信号として出力する。例えば、画像信号処理回路３０は、供給された撮像信号に対して原色分離処理を行いＲ（赤色）信号、Ｇ（緑色）信号およびＢ（青色）信号からなるＲＧＢ信号を生成し、生成されたＲＧＢ信号に対してホワイトバランス処理やガンマ補正処理などを行う。ホワイトバランス処理やガンマ補正処理が行われたＲＧＢ信号は、輝度信号Ｙおよび色信号Ｃからなる画像信号に変換され、画像信号処理回路３０から出力される。画像信号処理回路３０から出力された画像信号は、出力端子３２に導出される。
【００３６】
画像信号処理回路３０において、輝度信号Ｙが取り出され、検波回路３１に供給される。検波回路３１は、輝度信号Ｙの１フレーム分の積分値を求め、マイクロコンピュータ２２に供給する。
【００３７】
マイクロコンピュータ２２は、各種の制御信号を所定に生成し、このカメラ装置を構成する各部に供給することで、このカメラ装置の全体を制御する。ＲＯＭ(Read Only Memory)２４は、各種のデータやプログラムが予め記憶される。この発明による露光制御方法をマイクロコンピュータ２２に実行させる露光制御プログラムも、このＲＯＭ２４に予め記憶される。マイクロコンピュータ２２は、このＲＯＭ２４に記憶されたデータやプログラムを読み込み、読み込まれたデータやプログラムに基づきこのカメラ装置の動作を制御する。
【００３８】
例えば、マイクロコンピュータ２２は、検波回路３１から受け取った輝度信号Ｙの１フレーム分の積分値に基づき、ＣＣＤ１１に対する入射光量を判断し、入射光量およびＣＣＤ１１から出力される撮像信号レベルが適切になるように、シャッタ速度制御、物性素子１の制御およびＡＦＥ回路１２を用いたＡＧＣ制御を行うための各制御信号を生成する。生成された各制御信号は、ＡＦＥ回路１２、ＴＧ２１およびＰＷＭ出力回路２３にそれぞれ供給される。
【００３９】
不揮発性メモリ１４は、光透過率制御の閾値となるシャッタ速度値および光透過率の段階制御ゲイン量などが記憶される。これらシャッタ速度値および段階制御ゲイン量の詳細は、後述する。
【００４０】
なお、ＴＧ２１は、マイクロコンピュータ２２の制御に基づき、上述のシャッタパルスの他に、フレームのタイミングを指定するフレームパルスなど各種のタイミング信号を生成し、このカメラ装置の各部に供給する（図示しない）。
【００４１】
図３は、物性素子１のデューティー比に対する一例の光透過率特性を示す。図３は、光透過率を、物性素子１の最大の光透過率を基点とした減光ゲイン量（ｄＢ）で示している。物性素子１の光透過率の特性は、図３に示されるように、ＰＷＭ信号のデューティー比に対して線形的な関係にはならず、デューティー比がある値（図３の例では５％程度）に達したところで急激に光透過率が減少し、デューティー比が５０％程度でなだらかな変化となる。図３の例で示す物性素子１は、デューティー比の制御により、光透過率を最大で約１１ｄＢ分、変化させることができる。
【００４２】
図４は、物性素子１の光透過率を変化させる際の、減光ゲイン量と時間との一例の関係を示す。図４も、図３と同様に、光透過率を、物性素子１の最大の光透過率を基点とした減光ゲイン量で示している。なお、ここでは、フレーム周波数を１５Ｈｚとし、１１フレーム目でデューティー比を０％から１００％に変化させ、１２フレーム目から４４フレーム目まで、デューティー比１００％を維持し、４５フレーム目でデューティー比を１００％から０％に変化させている。また、システムは、１５ＦＰＳ(Frame Per Second)、シャッタ速度は、１／１００秒に固定とする。
【００４３】
デューティー比を変化させたときの物性素子１の反応速度は、一般的には、２０ｍｓ程度である。したがって、図４のシステムでは、１フレーム以内に所定の減光ゲイン量が得られるはずである。しかしながら実際には、図４に示すように、時間に対する減光ゲイン量の変化がなだらかになりある程度安定するまで、凡そ３５フレーム分（略２．３秒）の時間を要してしまっている。これは、物性素子１自体の性能に起因するもので、減光ゲイン量を一度に大きく、例えば６ｄＢ以上変化させるようなデューティー比の制御を行った場合に発生する。
【００４４】
すなわち、入射光量に対して物性素子１の光透過率を連続的に制御する場合において、入射光量が大きく変化したときに、物性素子１の光透過率を大きく変化させるようにデューティー比を変えてしまうと、図４に示すような、光透過率が実際に所定の値まで変化するために長時間を要する現象が発生してしまう。
【００４５】
この問題を解決するために、この発明では、物性素子１の光透過率を、限られたレベルでのみ制御する。図３に示される特性を持つ物性素子１を用いたこの実施の一形態では、図５に一例が示されるように、減光ゲイン量の最小値を０ｄＢ、最大値を１０ｄＢとして、この範囲の減光ゲイン量を２ｄＢ毎に５等分した、６段階の制御レベルを設定する。すなわち、この発明では、物性素子１に対して、光透過率の変化の比率（減光ゲイン量）が一定（図５の例では２ｄＢ）となるような数段階の状態を持たせ、物性素子１の光透過率の制御を、入射光量に応じて複数段階を順次切り替えながら制御する。
【００４６】
図５の例では、物性素子１において、減光ゲイン量を０ｄＢから２ｄＢに切り替える際には、デューティー比を０％から７．０％に切り替える。減光ゲイン量を２ｄＢから４ｄＢに切り替える際には、デューティー比を７．９％から９．２％に切り替える。減光ゲイン量を４ｄＢから６ｄＢに切り替える際には、デューティー比を９．２％から１２．１％に切り替える。減光ゲイン量を６ｄＢから８ｄＢに切り替える際には、デューティー比を１２．１ｄＢから１８．７％に切り替える。また、減光ゲイン量を８ｄＢから１０ｄＢに切り替える際には、デューティー比を１８．７％から４７．５％に切り替える。
【００４７】
物性素子１の制御は、この制御レベルが、連続したフレーム間では同一のレベル若しくは光透過率（減光ゲイン量）が１段階異なるレベルのみになるように、制御可能な量にリミッタを設ける。このレベルの間隔は、物性素子の反応が１フレーム内で完了する幅以内の設定としておく。例えば、物性素子１の反応が２ｄＢの減光ゲイン量に対して１フレーム以内に完了可能であれば、制御レベルの間隔は、減光ゲイン量で２ｄＢ以内とされる。
【００４８】
一例として、入射光量が大きく明るく変化し、それに対応して物性素子１による減光ゲイン量を大きくする場合について考える。この発明の実施の一形態では、このように減光ゲイン量を大きく変化させる場合、減光ゲイン量が１フレーム毎に変化するように、物性素子１の制御を段階的に行う。
【００４９】
例えば、減光ゲイン量を０ｄＢから１０ｄＢに変えたい場合、減光ゲイン量が１フレーム毎に２ｄＢずつ変化するように、段階的に、物性素子１の制御を行う。より具体的には、減光ゲイン量は、１フレーム目で０ｄＢから２ｄＢに切り替えられ、２フレーム目で２ｄＢから４ｄＢに切り替えられ、３フレーム目で４ｄＢから６ｄＢに切り替えられ、４フレーム目で６ｄＢから８ｄＢに切り替えられ、５フレーム目で８ｄＢから１０ｄＢに切り替えられ、１０ｄＢを５フレームかけて段階的に変化させるように、物性素子１の制御を行う。同様に、減光ゲイン量を８ｄＢ変化させたいときには、４フレームかけて段階的に変化するように物性素子１を制御し、６ｄＢ変化させたいときには、３フレームかけて段階的に変化するように物性素子１を制御する。
【００５０】
図４を用いて説明したように、物性素子１の減光ゲイン量を一度に１０ｄＢ変化させた場合、物性素子１の反応完了まで３５フレーム以上の時間を要していた。また、図示は省略するが、物性素子１の減光ゲイン量を一度に６ｄＢ、８ｄＢと変化させた場合も、同様に、物性素子１の反応完了まで、それぞれ３５フレーム以上の時間を要する。これに対して、この発明の実施の一形態による制御を行うことで、物性素子１の減光ゲイン量を６ｄＢ変化させる場合は、６ｄＢ＝２ｄＢ×３で３フレームで物性素子１の反応が完了し、同様に、８ｄＢ変化させる場合は４フレーム、１０ｄＢ変化させる場合でも５フレームで物性素子１の反応が完了する。
【００５１】
このように、物性素子１の光透過率（減光ゲイン量）を段階的に制御することによって、反応速度の問題を解消することができ、また非線形的な透過特性でも容易に制御できる。
【００５２】
なお、物性素子１の減光ゲイン量を４ｄＢ変化させる場合、この発明の実施の一形態による制御を行わない場合でも１フレームで物性素子１の反応が完了され、この実施の一形態による制御による反応完了フレーム数（４ｄＢ＝２ｄＢ×２）の方がより時間を要してしまうが、物性素子１の光透過率制御範囲全体で考えると、最大で３５フレーム以上の時間を要していたものが、５フレームで制御が完了し、全体的にはより高速な制御が実現されているといえる。
【００５３】
次に、上述の物性素子１の制御をカメラ装置に適用する例について説明する。先ず、図６を用いて露光制御の基本的な考え方について説明する。図６では、光量制御を、シャッタおよびＡＧＣを用いて行う例であり、カメラ装置の露光制御における、ダイナミックレンジ、シャッタ速度およびＡＧＣ(Auto Gain Control)動作の一例の関係を示す。図６において、シャッタ速度の制御によりＮｄＢの露光制御が行え、ＡＧＣの制御によりＭｄＢの露光制御が行えるものとする。また、図６は、左側が被写体からの入射光の低照度側、右側が高輝度側とし、被写体からの入射光が低照度から高輝度へと変化するものとする。
【００５４】
なお、ここで、露光制御とは、入射光量に対して出力レベルを適切に保つ制御であり、ダイナミックレンジとは、カメラ出力を適切に保つことのできる入射光量の範囲である。シャッタ速度とは、撮像素子２（ＣＣＤ１１）の電荷蓄積時間である。また、ＡＧＣは、制御信号に応じて増幅率が制御される増幅器であって、例えば制御信号を系全体の出力に基づく信号とすることで、出力を安定化することができる。
【００５５】
図６Ａの範囲（ａ）および範囲（ｂ）における動作について、それぞれ説明する。
【００５６】
（ａ）ＡＧＣ制御範囲
ＡＧＣによる制御は、主に低照度領域側で行われ、シャッタ速度が最長のときにさらに光量が必要な場合に、ＡＧＣのゲインを上げていき信号を増幅する。ＡＧＣのゲイン値は、最小値ＡＧＣＭＩＮから最大値ＡＧＣＭＡＸの範囲で制御される。
【００５７】
（ｂ）シャッタ速度制御範囲
シャッタ速度による制御は、主に高輝度領域側で行われ、光量が多すぎるときにシャッタ速度を速くする（シャッタが開いている時間を短くする）ことで、信号レベルを抑える。シャッタ速度は、最大値ＳＨＴＭＡＸ（シャッタ速度が最も遅い、すなわち、シャッタが開いている時間が最も長い状態）から最小値ＳＨＴＭＩＮ（シャッタ速度が最速、すなわち、シャッタが開いている時間が最も短い状態）の範囲で制御される。
【００５８】
上述した（ａ）ＡＧＣ制御範囲の露光制御レベルＭｄＢと、（ｂ）シャッタ速度制御範囲の露光制御レベルＮｄＢとを合計した値が従来方式によるダイナミックレンジとなる。すなわち、シャッタによる露光制御と、ＡＧＣによる露光制御を併用することで、図６Ｂに示されるように、（Ｎ＋Ｍ）ｄＢのダイナミックレンジが得られる。
【００５９】
図７および図８を用いて、この発明の実施の一形態による露光制御方法について説明する。上述したように、物性素子１のみの制御では、減光ゲイン量２ｄＢ以内の細やかな制御ができない。そのため、この実施の一形態では、物性素子１の制御に加え、シャッタ速度およびＡＧＣ制御も共に適切に制御することで、２ｄＢ以内の細やかな制御を実現している。
【００６０】
図７および図８に示すシステムでは、物性素子１の光透過率の減光ゲイン量をＫｄＢ毎に５段階に分割し、物性素子１により合計（５×Ｋ）ｄＢの減光ゲイン量の制御が可能とする。また、図６を用いて説明したように、シャッタ速度の制御によりＮｄＢ分、ＡＧＣの制御によりＭｄＢ分の露光制御が行えるものとする。
【００６１】
図７は、被写体からの入射光が低照度側から高輝度側に変化する場合の例である。すなわち、図７は左側で被写体からの入射光の低照度側、右側で高輝度側とされ、図７の左側から右側へ、状態が変化していくものとする。また、図７において、範囲（ａ）および範囲（ｂ）は、それぞれ図６と同様にＡＧＣ制御範囲およびシャッタ制御範囲であり、範囲（ｃ）は、シャッタ制御と物性素子１の制御とを併用する範囲である。範囲（ｃ）は、低照度側のシャッタ制御範囲（ｂ）と、より高輝度側のシャッタ制御範囲（ｂ）とに挟まれた範囲に設けられる。
【００６２】
範囲（ａ）、範囲（ｂ）および範囲（ｃ）の動作について説明する。範囲（ａ）および範囲（ｂ）については、上述の図６の場合と同様である。すなわち、ＡＧＣによる制御は、主に低照度領域側（範囲（ａ））で最小値ＡＧＣＭＩＮから最大値ＡＧＣＭＡＸの範囲でＡＧＣゲイン値を制御されることで行われ、シャッタ制御は、主に高輝度領域側（範囲（ｂ））で最大値ＳＨＴＭＡＸから最小値ＳＨＴＭＩＮの範囲でシャッタ速度が制御されることで行われる。
【００６３】
範囲（ｃ）について説明する。ＡＧＣ制御範囲（ａ）からシャッタ制御範囲（ｂ）に移行された後は、被写体からの入射光量が多くなると、入射光量に応じてシャッタ速度を短くすることで、露光制御が行われる。このとき、シャッタ速度値が所定の遮光閾値に達しそれよりも小さくなるところで、物性素子１の制御レベルを１段階すなわちＫｄＢ分落とすと共に（図７Ｂ参照）、シャッタ速度値を遮光閾値からＫｄＢの制御分だけシャッタ速度が長い値とする（図７Ａ参照）。
【００６４】
このような制御によれば、シャッタ速度値が遮光閾値より小さくなったときに、物性素子１の光透過率の変化により撮像素子２に対する入射光量がＫｄＢ分減少するが、シャッタ速度をＫｄＢ分長く設定しているのでこの入射光量の減少分が相殺され、撮像素子２（ＣＣＤ１１）から出力される撮像信号の量には変化はない。
【００６５】
以降、被写体からの入射光量が多くなるのに従って物性素子１の制御レベルを１段階落とすと共に、入射光量に応じてシャッタ速度値を小さくしていく。そして、シャッタ速度値が遮光閾値よりも小さくなったら、さらに物性素子１の制御レベルを１段階落とす。入射光量に応じてこの処理を繰り返し、物性素子１の制御レベルを最大制御レベル（光透過率ＭＩＮ）まで落として、なお入射光量が多い場合には、図７Ａの右端側の範囲（ｂ）に示されるように、物性素子１を最大制御レベルで制御しながら、遮光閾値以下でのシャッタ速度値の制御を行う。
【００６６】
図８は、被写体からの入射光が高輝度側から低照度側に変化する場合の例である。すなわち、図８では、上述の図７とは逆に、図８の右側から左側へ状態が変化していくものとする。この場合でも、範囲（ａ）および範囲（ｂ）の制御は、図６の場合と同様である。
【００６７】
範囲（ｃ）について説明する。物性素子１の制御レベルを１段階以上落とした状態で被写体からの入射光量が少なくなった場合、シャッタ速度は、長く設定していく。このとき、シャッタ速度値が所定の開放閾値に達しそれより大きくなるところで、物性素子１の制御レベルを１段階すなわちＫｄＢ分上げると共に（図８Ｂ参照）、シャッタ速度値を開放閾値からＫｄＢの制御分だけ短くする（図８Ａ参照）。
【００６８】
このように制御することで、図７の例と同様に、シャッタ速度値が開放閾値より大きくなったときに、物性素子１の光透過率の変化により撮像素子２（ＣＣＤ１１）に対する入射光量がＫｄＢ分増加するが、シャッタ速度をＫｄＢ分短く設定しているのでこの入射光量の増加分が相殺され、撮像素子２から出力される撮像信号の量に変化はない。
【００６９】
以降、被写体からの入射光量が少なくなるのに従って物性素子１の制御レベルを１段階上げると共に、入射光量に応じてシャッタ速度値を大きくしていく。そして、シャッタ速度値が開放閾値よりも大きくなったら、さらに物性素子１の制御レベルを１段階上げる。入射光量に応じてこの処理を繰り返し、物性素子１の制御レベルを最小制御レベル（光透過率ＭＡＸ）まで上げて、なお入射光量が少ない場合には、図８Ａの左側の範囲（ｂ）に示されるように、物性素子１を最小制御レベルで制御しながら、開放閾値よりＫｄＢ分小さいシャッタ速度値から最大値ＳＨＴＭＡＸまでのシャッタ速度値の制御を行う。
【００７０】
以上のような制御によれば、範囲（ａ）、範囲（ｂ）および範囲（ｃ）の光透過率（減光ゲイン量）の制御範囲を合計したものがダイナミックレンジとなる。図７および図８の例では、ダイナミックレンジは、以下のようになる（図７Ｃおよび図８Ｃ参照）。
ＮｄＢ＋ＭｄＢ＋（５×Ｋ）ｄＢ＝（Ｎ＋Ｍ＋（５×Ｋ））ｄＢ
【００７１】
なお、遮光閾値（または開放閾値）に達したところでＫｄＢ分変化させたシャッタ速度値が開放閾値（または遮光閾値）の値を超えていた場合には、物性素子１の制御レベルおよびシャッタ速度値が発振してしまう。そのため、遮光閾値と開放閾値との間のゲイン差分が制御レベルの１段階（この例ではＫｄＢ）分のゲイン量よりも大きくなるように、遮光閾値および開放閾値の設定を行なう。
【００７２】
このように、この発明の実施の一形態では、撮像素子２（ＣＣＤ１１）に対する入射光量の制御により広いダイナミックレンジを得ているので、回路の増幅器の増幅率を制御する方法よりも、良好なＳＮ比および高い階調分解能の画像を得ることができる。また、ダイナミックレンジが広く取れるため、撮像素子２（ＣＣＤ１１）の特性に起因する、画像の白飛び、スミアの発生などにより制御できなかった照度範囲も露光制御可能となる。また、シャッタ速度のみを判定閾値（遮光閾値および開放閾値）として使用するので、比較的容易に実装することが可能である。
【００７３】
また、蛍光灯下などの撮影時に、商用電源周波数とフレームまたはフィールド周波数とがビートを起こして映像が瞬くフリッカを防止するために、シャッタ速度を１／１００秒程度として撮影することが一般的に行われている。この発明の実施の一形態において、遮光閾値および／または開放閾値を１／１００秒付近に設定することによって、フリッカが発生しにい照度範囲を広く取れ、ＡＧＣでの制御が少なくて済む。そのため、この発明の実施の一形態によれば、フリッカの少ないＳＮ比および階調分解能の良好な画像を得る露光補正システムが実現できる。
【００７４】
このようにして設定された遮光閾値、開放閾値、物性素子１の各制御レベルおよび当該制御レベルに対応したデューティー比の情報などは、不揮発性メモリ１４に予め記憶される。マイクロコンピュータ２２は、不揮発性メモリ１４からこれらの情報を読み出し、読み出された情報に基づいて上述した図７および図８のような制御を行う。
【００７５】
この発明の実施の一形態では、物性素子１による減光ゲイン量を１フレームに付き１段階しか変化させないので、（設定したレベルの数−１）フレーム数だけ物性素子１の応答に時間がかかる。しかしながら、物性素子１が１フレーム時間内に複数段階を切り替えることができるほど応答時間が短い特性を有する場合、物性素子１の制御レベルを、１フレーム内で１段階ずつ複数段階、切り替えるようにに制御することで、さらに高速な制御特性が実現可能になる。
【００７６】
また、物性素子１の制御レベル毎の光透過率の差がカメラの出力信号レベルとして許容範囲内に入っている場合は、シャッタ速度やＡＧＣは変化させないで物性素子１の制御レベルのみの制御で露光制御を行うことができ、簡便な露光補正システムが実現できる。
【００７７】
さらに、絞り機構で撮像素子２への入射光量を増減する場合は、開口径が変化するために、被写界深度が変わってしまう。この発明の実施の一形態が適用されたカメラ装置では、入射光量を物性素子１で光透過率を変えることで制御しており、開口率を変化させずに露光制御を行うことができるため、被写界深度を変化させずに光量を増減できるような露光補正システムが実現できる。
【００７８】
なお、上述では、この発明の実施の一形態によるカメラ装置は、機械的手段などによる絞り機構を用いないとして説明したが、勿論、撮像光学系に対して絞り機構を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】この発明の実施の一形態を適用可能なカメラ装置の一例の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の一形態を適用可能なカメラ装置のより具体的な一例の構成を示すブロック図である。
【図３】物性素子のデューティー比に対する一例の光透過率特性を示す略線図である。
【図４】物性素子の光透過率を変化させる際の、減光ゲイン量と時間との一例の関係を示す略線図である。
【図５】物性素子の減光ゲイン量に応じた制御レベルの一例の設定を示す略線図である。
【図６】露光制御の基本的な考え方について説明するための図である。
【図７】この発明の実施の一形態による露光制御方法について説明するための図である。
【図８】この発明の実施の一形態による露光制御方法について説明するための図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  物性素子
２  撮像素子
３  撮像素子駆動信号発生回路
４  ＡＧＣ回路
６  制御信号抽出回路
７  制御部
８  物性素子駆動信号発生回路
１１  ＣＣＤ
１２  ＡＦＥ回路
１４  不揮発性メモリ
１５  ドライバ
２１  ＴＧ（タイミングジェネレータ）
２２  マイクロコンピュータ
２３  ＰＷＭ出力回路
３１  検波回路
【図１】
2005134593.tif 000003
【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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