(57)【要約】【課題】オーバーフロードレイン構造を有する撮像素子において、γ補正後の信号レベルについてダイナミックレンジを確保する。【解決手段】撮像装置１は、撮像素子１３と飽和レベル設定部１７と、γ補正部１６１とを備える。飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３の画素出力信号の飽和レベルを第１の信号レベルと、第１の信号レベルよりも小さい第２の信号レベルにそれぞれ設定可能である。γ補正部１６１は、複数のγテーブルを記憶しており、飽和レベル設定部１７により設定された飽和レベルに基づいてγテーブルを選択し、飽和レベル設定部１７により設定された飽和レベルの各々に対応するデジタル画素出力信号をほぼ等しい信号レベルの信号にγ補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、
前記撮像素子の飽和レベルを少なくとも第１の飽和レベル及び前記第１の飽和レベルよりも小さい第２の飽和レベルにそれぞれ設定可能である飽和レベル設定手段と、
前記撮像素子の画素出力信号を、前記飽和レベル設定手段が前記第１の飽和レベルを設定した時には第１のγ補正特性でγ補正し、前記飽和レベル設定手段が前記第２の飽和レベルを設定した時には第２のγ補正特性でγ補正するγ補正手段と、
を備え、
前記第１及び第２のγ補正特性は、前記第１の飽和レベルに達したときの画素出力信号を前記第１のγ補正特性でγ補正した出力信号のレベルと、前記第２の飽和レベルに達したときの画素出力信号を前記第２のγ補正特性でγ補正した出力信号のレベルとが互いにほぼ等しくなるように、定められていることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記撮像素子の露光時間を設定する露光時間設定手段をさらに備え、
前記飽和レベル設定手段は、前記露光時間設定手段により設定された前記撮像素子の露光時間に基づいて前記第２の飽和レベルを設定することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の撮像装置において、
前記撮像素子の感度を設定する感度設定手段をさらに備え、
前記飽和レベル設定手段は、前記感度設定手段により設定された前記撮像素子の感度に基づいて前記第２の飽和レベルを設定することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記飽和レベル設定手段は、前記第２の飽和レべルよりも小さい第３の飽和レベルを設定可能であり、
前記γ補正手段は、前記撮像素子の画素出力信号を、前記飽和レベル設定手段が前記第３の飽和レベルを設定した時には第３のγ補正特性でγ補正し、
前記第３のγ補正特性は、前記第３の飽和レベルに達した時の画素出力信号を前記第３のγ補正特性でγ補正した出力信号のレベルが、前記第１の飽和レべルに達した時の画素出力信号を前記第１のγ補正特性でγ補正した出力信号のレベルにほぼ等しくなるように、定められていることを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
撮像素子と、
前記撮像素子の飽和レベルを少なくとも第１の飽和レベル及び前記第１の飽和レベルよりも小さい第２の飽和レベルにそれぞれ設定可能である飽和レベル設定手段と、
前記撮像素子の画素出力信号を、前記飽和レベル設定手段が前記第１の飽和レベルを設定した時には第１のγ補正特性でγ補正し、前記飽和レベル設定手段が前記第２の飽和レベルを設定した時には第２のγ補正特性でγ補正するγ補正手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
撮像装置に備えられる撮像素子は複数の画素を有し、光束を受光した各画素は電荷を蓄積する。各画素に蓄積された電荷はアナログ信号として読み出され、Ａ／Ｄ変換などの信号処理を施された後、γ補正などのデジタル信号処理を施される。
【０００３】
撮像素子の各画素が長時間露光されると各画素に蓄積される電荷量が飽和し、さらに露光が続けられると各画素はオーバーフロー状態となる。従来、各画素がオーバーフロー状態となることを防ぐため、オーバーフロードレイン構造と呼ばれる構造を有する撮像素子が知られている（たとえば、特許文献１）。オーバーフロードレイン構造では、画素に蓄積される電荷が所定レベルに達すると、それ以降に蓄積される電荷を過剰電荷として排出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−８７６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
オーバーフロードレイン構造を有する撮像素子においては、画素に蓄積される電荷量は上記所定レベルを超えない。そのため、γ補正後の信号レベルについてダイナミックレンジが制限されてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明による撮像装置は、撮像素子と、撮像素子の飽和レベルを少なくとも第１の飽和レベル及び第１の飽和レベルよりも小さい第２の飽和レベルにそれぞれ設定可能である飽和レベル設定手段と、撮像素子の画素出力信号を、飽和レベル設定手段が第１の飽和レベルを設定した時には第１のγ補正特性でγ補正し、飽和レベル設定手段が第２の飽和レベルを設定した時には第２のγ補正特性でγ補正するγ補正手段と、を備え、第１及び第２のγ補正特性は、第１の飽和レベルに達したときの画素出力信号を第１のγ補正特性でγ補正した出力信号のレベルと、第２の飽和レベルに達したときの画素出力信号を第２のγ補正特性でγ補正した出力信号のレベルとが互いにほぼ等しくなるように、定められていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
オーバーフロードレイン構造を有する撮像素子においても、γ補正後の信号レベルについてダイナミックレンジを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態による撮像装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】撮像素子の画素に蓄積された電荷と画素出力信号との関係を示すグラフの一例である。
【図３】γ補正における情報の送受信を示すブロック図である。
【図４】γ補正に用いるγテーブルを例示する図である。
【図５】γ補正に用いるγテーブルを例示する図である。
【図６】γ補正に関するフローチャートの一例である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本願発明の一実施形態による撮像装置の一構成例を示すブロック図である。図１に示す撮像装置１はデジタルカメラであって、撮像光学系１０と絞り１１とシャッタ１２と撮像素子１３とアナログ信号処理部１４とフレームメモリ１５とデジタル信号処理部１６と飽和レベル設定部１７とモニタ１８とメモリカード１９とＣＰＵ２０とレンズ駆動部２１と絞り駆動部２２とシャッタ制御部２３と撮像素子制御部２４と操作部２５とデータバス２６と測光センサ２７とを備える。
【００１０】
撮像光学系１０は、モータおよびドライバを含むレンズ駆動部２１により駆動されて、撮像倍率の変更と焦点調節が行われる。絞り１１は、モータおよびドライバを含む絞り駆動部２２により駆動されて、絞り径が切り替えられる。シャッタ１２は、その開閉をシャッタ制御部２３により制御される。
【００１１】
撮像素子１３は、ＣＣＤイメージセンサによって構成され、複数の画素が２次元状に配置されている。撮像素子１３は撮像光学系１０などを通過した被写体光束を受光し、各画素にはその受光量に基づいた量の電荷が蓄積される。撮像素子１３の各画素は、オーバーフロードレイン構造を有し、各画素に所定量以上の電荷が蓄積されるとそれ以降の電荷を排出する。撮像素子１３の各画素に蓄積された電荷は、撮像素子制御部２４の制御により１ラインずつ読み出され、画素出力信号としてアナログ信号処理部１４へ出力される。
【００１２】
アナログ信号処理部１４は、信号増幅回路１４１およびＡ／Ｄ変換回路１４２を有する。撮像素子１３から出力された画素出力信号は、不図示の相関二重サンプリング回路等によりノイズが除去された後、信号増幅回路１４１により所定の増幅倍率で増幅される。そして、信号増幅回路１４１により増幅された画素出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路１４２によりデジタル信号に変換され、データバス２６を介してフレームメモリ１５へ格納される。以降、デジタル信号に変換されフレームメモリ１５へ格納された画素出力信号のことを、デジタル画素出力信号と称する。
【００１３】
デジタル信号処理部１６は、フレームメモリ１５を作業用メモリとして利用して、デジタル画素出力信号に対してγ補正を含む各種画像処理を実行する。デジタル信号処理部１６には少なくともγ補正部１６１が含まれ、γ補正部１６１はデジタル画素出力信号に対して後述のγ補正を行う。
【００１４】
飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３がオーバーフロードレイン構造による電荷の排出を開始する電荷量を指定し、撮像素子１３から出力される画素出力信号の上限となる信号レベルを設定する。以降、飽和レベル設定部１７により設定される画素出力信号の信号レベルの上限のことを飽和レベルと称する。
【００１５】
図２は、撮像素子１３の各画素が受光する被写体光束の光量と、各画素から出力される画素出力信号との関係を示すグラフの一例である。図２に示すグラフの横軸は、撮像素子１３の各画素が受光した被写体光束の受光量を示す。被写体光束の受光量は、被写体光束の輝度と露光時間とに基づいて決定される。図２に示すグラフの縦軸は撮像素子１３の各画素から出力される画素出力信号の信号レベルを示す。
【００１６】
撮像素子１３は、オーバーフロードレイン構造による電荷の排出を行わずに被写体光束を受光すると、図２に点線で例示されるグラフ２００のような出力レベルの画素出力信号を出力する。グラフ２００において撮像素子１３が出力する画素出力信号は、受光量が所定受光量Ｑｏｖｆに達するまでは増加し、所定受光量Ｑｏｖｆに達すると各画素がオーバフロー状態となるため信号レベルＳｍａｘで略一定となる。信号レベルＳｍａｘは、撮像素子１３の画素から出力される画素出力信号の信号レベルの最大値である。
【００１７】
飽和レベル設定部１７により飽和レベルが設定される場合、図２に実線で例示されるグラフ２０１のように、撮像素子１３から出力される画素出力信号の信号レベルは、設定された飽和レベルＳｓａｔまでしか増加しない。なお、飽和レベル設定部１７は、飽和レベルを信号レベルＳｍａｘに設定することが可能である。
【００１８】
モニタ１８は、撮像装置１の背面等に設けられた液晶式の表示装置であって、撮像装置１の各種設定画面や、γ補正部１６１によりモニタ１８用にγ補正されたスル―画像、メモリカード１９に記憶された画像等を表示することができる。モニタ１８に設定画面が表示されているとき、ユーザは操作部２５に含まれる各種操作部材を介して撮像装置１に対して各種設定を行うことができる。メモリカード１９は、撮像装置１から着脱可能な不揮発性の記録媒体であって、ＪＰＥＧ形式などに変換された撮影画像の画像データを記憶することができる。
【００１９】
ＣＰＵ２０は、操作部２５に含まれる各種操作部材を介して入力される操作信号に応じて撮像装置１の各部を制御する。操作部２５は、電源スイッチ２５１や、レリーズスイッチ２５２や、撮像素子１３の露光時間を設定するための露光時間設定部２５３や、撮像素子１３の感度を設定するための感度設定部２５４などを含む。
【００２０】
露光時間設定部２５３は、シャッタスピード調整ダイアル等により構成される。ユーザが露光時間設定部２５３を操作すると、その操作に応じた操作信号がＣＰＵ２０へ送信される。ＣＰＵ２０は、露光時間設定部２５３からの操作信号に基づいて、シャッタ制御部２３に対してシャッタ１２を開放する時間を設定する。また、ＣＰＵ２０は、撮像素子１３や測光センサ２７などの出力値に基づいた自動露出演算によっても露光時間を設定できる。ユーザによりレリーズスイッチ２５２が操作されたとき、シャッタ制御部２３は、ＣＰＵ２０により設定された時間の間シャッタ１２を開放し、撮像素子１３の各画素を露光させる。
【００２１】
感度設定部２５４は、感度設定ダイアル等により構成される。ユーザが感度設定部２５４を操作すると、その操作に応じた操作信号がＣＰＵ２０へ送信される。ＣＰＵ２０は、感度設定部２５４からの操作信号に基づいて、信号増幅回路１４１の増幅倍率を設定する。また、ＣＰＵ２０は、撮像素子１３や測光センサ２７などの出力値に基づいた自動露出演算によっても増幅倍率を設定できる。
【００２２】
（γ補正）
γ補正部１６１が実施するγ補正について説明する。図３は、撮像装置１におけるγ補正に関する各種信号の流れを示す図である。ユーザが露光時間設定部２５３を操作したとき、またはＣＰＵ２０が測光センサ２７などの出力値に基づいて自動露出演算を行ったとき、ＣＰＵ２０から撮像装置１の露光時間に関する露光時間情報が飽和レベル設定部１７へ送信される。また、ユーザが感度設定部２５４を操作したとき、またはＣＰＵ２０が測光センサ２７などの出力値に基づいてＣＰＵ２０が自動露出演算を行ったとき、ＣＰＵ２０から信号増幅回路１４１の増幅倍率に関する情報、すなわち撮像素子１３の感度に関する情報が飽和レベル設定部１７へ送信される。
【００２３】
飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３の露光時間に関する情報と撮像素子１３の感度に関する情報とに基づいて飽和レベルを設定する。飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３の露光時間が長いほど飽和レベルを低く設定し、撮像素子１３の感度が高いほど（信号増幅回路１４１の増幅倍率が大きいほど）飽和レベルを低く設定する。飽和レベル設定部１７は、設定した飽和レベルに関する情報をγ補正部１６１へ送信する。
【００２４】
γ補正部１６１は、複数のγテーブルが記憶されているγテーブル記憶部１６１０を有する。γ補正部１６１は、γテーブル記憶部１６１０に記憶された複数のγテーブルの中から一のγテーブルを選択する。そして、選択したγテーブルをルックアップテーブルとして利用してＡ／Ｄ変換回路１４２から送信されるデジタル画素出力信号をγ補正する。
【００２５】
γ補正部１６１は、飽和レベル設定部１７により設定される飽和レベルＳｓａｔと、γ補正後の用途（たとえば、モニタ１８へのスルー画像出力や、メモリカード１９への画像データの保存など）とに基づいて、γテーブル記憶部１６１０に記憶されている複数のγテーブルの中から一のγテーブルを選択する。
【００２６】
図４は、γテーブル記憶部１６１０に記憶されているγテーブルを二つ例示するものである。図４の横軸は、デジタル画素出力信号の信号レベルを示す。図４の縦軸は、γ補正後の信号の信号レベルを示す。図４に示す二つのγテーブル４０１および４０２は、デジタル画素出力信号に基づいたスルー画像をモニタ１８へ出力するためにγ補正を行うためのγテーブルである。図４の縦軸に示されている信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘは、モニタ１８に表示可能な信号の最大レベルを示している。
【００２７】
図４の横軸に示されている信号レベルＳｉｎ＿ｍａｘは、図２に示す信号レベルＳｍａｘに対応するデジタル画素出力信号であって、オーバーフロードレイン構造による電荷の排出を行わないときにおける最大のデジタル画素出力信号である。図４の横軸に示されている信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔは、図２に示す信号レベルＳｓａｔに対応するデジタル画素出力信号であって、飽和レベル設定部１７により設定された飽和レベルの画素出力信号に対応するデジタル画素出力信号である。
【００２８】
γ補正部１６１がγテーブル４０１を用いる場合、信号レベルがＳｉｎ＿ｍａｘであるデジタル画素出力信号は、信号レベルがＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正される。γ補正部１６１がγテーブル４０２を用いる場合、信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔのデジタル画素出力信号が信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正される。なお、γテーブル４０１により信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔのデジタル画素出力信号は信号レベルＳｏｕｔ＿ｓａｔの信号にγ補正され、γテーブル４０２により信号レベルＳｉｎ＿ｍａｘのデジタル画素出力信号は信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正される。
【００２９】
飽和レベル設定部１７により信号レベルＳｍａｘが飽和レベルに設定された場合、γ補正部１６１はγテーブル４０１を選択する。飽和レベル設定部１７により飽和レベルＳｓａｔが設定された場合、γ補正部１６１はγテーブル４０２のように、飽和レベルＳｓａｔに対応した信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔのデジタル画素出力信号を信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正するようなγテーブルを選択する。
【００３０】
飽和レベル設定部１７により飽和レベルとしてＳｓａｔと異なる信号レベルＳｓａｔ２が設定された場合、γ補正部１６１はその信号レベルＳｓａｔ２の画素出力信号に対応する信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔ２のデジタル画素出力信号を信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正するようなγテーブルをγテーブル記憶部１６１０から選択する。図５は、図４に示したγテーブル４０２と、信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔ２のデジタル画素出力信号を信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正するようなγテーブル５０１とを示した図である。飽和レベルＳｓａｔに対応する信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔのデジタル画素出力信号をγテーブル４０２でγ補正したときの出力信号の信号レベルは、飽和レベルＳｓａｔ２に対応する信号レベルＳｉｎ＿ｓａｔ２のデジタル画素出力信号をγテーブル５０１でγ補正したときの出力信号の信号レベルと等しい。また、それらの出力信号の信号レベルは、信号レベルＳｉｎ＿ｍａｘのデジタル画素出力信号をγテーブル４０１でγ補正したときの出力信号の信号レベルとも等しい。
【００３１】
図６は、γ補正部１６１がγ補正を行うためにＣＰＵ２０が行う一制御例を示すフローチャートである。ステップＳ１００では、ＣＰＵ２０は、γ補正部１６１に対して撮像素子１３の露光時間に関する情報を飽和レベル設定部１７へ送信する。露光時間は、たとえば露光時間設定部２５３からの入力信号や測光センサ２７などの出力値に基づいた自動露出演算に基づいて設定される。
【００３２】
ステップＳ２００では、ＣＰＵ２０は、γ補正部１６１に対して撮像素子１３の感度、すなわち信号増幅回路１４１の増幅倍率に関する情報を飽和レベル設定部１７へ送信する。信号増幅回路１４１の増幅倍率は、たとえば感度設定部２５４からの入力信号や測光センサ２７などの出力値に基づいた自動露出演算に基づいて設定される。
【００３３】
ステップＳ３００では、ＣＰＵ２０は、飽和レベル設定部１７を制御して、ステップＳ１００において飽和レベル設定部１７へ送信された撮像素子１３の露光時間に関する情報と、ステップＳ２００において飽和レベル設定部１７へ送信された撮像素子１３の感度に関する情報とに基づいて、飽和レベルを設定し、飽和レベルに関する情報をγ補正部１６１へ送信する。
【００３４】
ステップＳ４００では、ＣＰＵ２０は、γ補正部１６１を制御してγテーブルを選択する。ＣＰＵ２０は、γ補正の用途に合わせたγ補正後の信号の最大出力レベルを判断する。この最大出力レベルは、撮像装置１の設計段階において予め仕様として決定される。次にＣＰＵ２０は、γ補正部１６１を制御して、ステップＳ３００で設定された飽和レベルに対応するデジタル画素出力信号の信号レベルが当該最大出力レベルとほぼ同一レベルにγ補正されるγテーブルを、γ補正テーブル記憶部１６１０の中から選択させる。そして、ステップＳ５００では、ＣＰＵ２０は、ステップＳ４００において選択されたγテーブルに基づいて、デジタル画像出力信号をγ補正する。
【００３５】
以上で説明した実施の形態によれば、以下の作用効果が得られる。
撮像装置１は、撮像素子１３と飽和レベル設定部１７と、γ補正部１６１とを備える。飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３の画素出力信号の飽和レベルを信号レベルＳｍａｘ及び信号レベルＳｍａｘよりも小さい信号レベルＳｓａｔにそれぞれ設定可能である。γ補正部１６１は、飽和レベル設定部１７により設定された飽和レベルに対応したγテーブルを、γテーブル記憶部１６１０に記憶されているγテーブルの中から選択し、選択したγテーブルを用いてデジタル画素出力信号をγ補正する。たとえば、γ補正部１６１は、飽和レベル設定部１７が飽和レベルを信号レベルＳｍａｘに設定したときγテーブル４０１を選択し、信号レベルＳｍａｘの画素出力信号に対応するデジタル画素出力信号Ｓｉｎ＿ｍａｘを信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正する。また、飽和レベル設定部１７が飽和レベルを信号レベルＳｓａｔに設定したときγテーブル４０２を選択し、信号レベルＳｓａｔの画素出力信号に対応するデジタル画素出力信号Ｓｉｎ＿ｓａｔを信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘの信号にγ補正する。飽和レベル設定部１７が飽和レベルを信号レベルＳｍａｘに設定したときにその飽和レベルに対応するデジタル画素出力信号をγテーブル４０１を用いてγ補正した信号の信号レベルは、飽和レベル設定部１７が飽和レベルを信号レベルＳｓａｔに設定したときにその飽和レベルに対応するデジタル画素出力信号をγテーブル４０２を用いてγ補正した信号の信号レベルと等しく、信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘである。これにより、オーバーフロードレイン構造を有する撮像素子においても、γ補正後の信号レベルについてダイナミックレンジを確保することができる。
【００３６】
以上で説明した実施形態は、以下のように変形して実施できる。
撮像素子１３は、ＣＣＤイメージセンサとしたが、ＣＭＯＳイメージセンサでもよい。撮像素子１３をＣＭＯＳイメージセンサとした場合、撮像素子１３にアナログ信号処理部１４の一部が内蔵される。
【００３７】
図３において、飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３の露光時間に関する情報と撮像素子１３の感度に関する情報とに基づいて飽和レベルを設定するものとした。しかし、飽和レベル設定部１７は、撮像素子１３の露光時間に関する情報と撮像素子１３の感度に関する情報とのいずれか一方だけに基づいて飽和レベルを設定することにしてもよい。
【００３８】
γ補正部１６１は、飽和レベル設定部１７が設定した飽和レベルに対応するγテーブルがγテーブル記憶部１６１０に記憶されていないときは、その飽和レベル近傍の信号レべルのデジタル画素出力信号が信号レベルＳｏｕｔ＿ｍａｘ等の信号にγ補正されるγテーブルを代わりに選択することにすればよい。
【００３９】
以上で説明した実施の形態や各種の変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されない。また、上記の実施形態と各種変形例は、組み合わせて実行してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１  撮像装置
１０  撮像光学系
１１  絞り
１２  シャッタ
１３  撮像素子
１４  アナログ信号処理部
１５  フレームメモリ
１６  デジタル信号処理部
１７  飽和レベル設定部
１８  モニタ
１９  メモリカード
２０  ＣＰＵ
２５  操作部
２７  測光センサ
１４１  信号増幅回路
１４２  Ａ／Ｄ変換回路
１６１  γ補正部
４０１，４０２，５０１  γテーブル
【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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