(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮像して被写体像を示す被写体像信号を出力する撮像手段と、
前記撮像手段の前記被写体側に設けられ前記被写体からの光量を前記撮像手段の画素に対応する画素単位で制御する光量制御手段と、
前記被写体像信号のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を小さくするよう前記光量制御手段を駆動し、前記被写体像信号のレベルが前記閾値よりも小さい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を大きくするよう前記光量制御手段を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記被写体像信号の前記画素単位でのレベルと前記駆動信号の前記画素単位でのレベルとを独立変数とする予め定められた関数の関数値である撮像信号を出力する撮像信号出力手段と、
前記被写体からの光の輝度変化量を検出する輝度変化検出手段と、
を備え、
前記輝度変化検出手段は、前記被写体からの光の輝度変化量が予め定められた変化量を超えたとき、その旨を示す信号を前記駆動信号生成手段に出力して前記光量制御手段を予め定められた透過率に初期化することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
被写体を撮像して被写体像を示す第１及び第２の被写体像信号をそれぞれ出力する第１及び第２の撮像手段と、
前記第１の撮像手段の前記被写体側に設けられ前記被写体からの光量を前記第１の撮像手段の画素に対応する画素単位で制御する光量制御手段と、
前記光量制御手段の前記被写体側に設けられ前記光量制御手段に入射する第１の光と前記第２の撮像手段に入射する第２の光とに前記被写体からの光を分岐する光分岐手段と、
前記第２の被写体像信号のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を小さくするよう前記光量制御手段を駆動し、前記被写体像信号のレベルが前記閾値よりも小さい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を大きくするよう前記光量制御手段を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記第１の被写体像信号の前記画素単位でのレベルと前記駆動信号の前記画素単位でのレベルとを独立変数とする予め定められた関数の関数値である撮像信号を出力する撮像信号出力手段と、
前記被写体からの光の輝度変化量を検出する輝度変化検出手段と、
を備え、
前記輝度変化検出手段は、前記被写体からの光の輝度変化量が予め定められた変化量を超えたとき、その旨を示す信号を前記駆動信号生成手段に出力して前記光量制御手段を予め定められた透過率に初期化することを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
被写体を撮像して被写体像を示す第１及び第２の被写体像信号をそれぞれ出力する第１及び第２の撮像手段と、
前記被写体からの光に含まれる第１及び第２の偏光成分のうち前記第１の偏光成分を反射して出射するとともに前記第２の偏光成分を透過して前記第２の撮像手段に出射する偏光分離手段と、
前記偏光分離手段が出射した前記第１の偏光成分を前記第１の撮像手段の画素に対応する画素単位で第２の偏光成分に変換して前記第１の撮像手段に出射する光量制御手段と、
前記第２の被写体像信号のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては前記光量制御手段が出射する前記第２の偏光成分の出射量を少なくするよう前記光量制御手段を駆動し、前記被写体像信号のレベルが前記閾値よりも小さい画素に対しては前記光量制御手段が出射する前記第２の偏光成分の出射量を多くするよう前記光量制御手段を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記第１の被写体像信号の前記画素単位でのレベルと前記駆動信号の前記画素単位でのレベルとを独立変数とする予め定められた関数の関数値である撮像信号を出力する撮像信号出力手段と、
前記被写体からの光の輝度変化量を検出する輝度変化検出手段と、
を備え、
前記輝度変化検出手段は、前記被写体からの光の輝度変化量が予め定められた変化量を超えたとき、その旨を示す信号を前記駆動信号生成手段に出力して前記光量制御手段を予め定められた透過率に初期化することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
前記第２の撮像手段は、カラーの被写体像信号を出力するカラー撮像素子を備えたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に関し、特に、通常のダイナミックレンジの撮像素子を使用しながら広ダイナミックレンジの撮像を可能とする撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の撮像装置は、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳを備え、ダイナミックレンジは１０００倍（１０００：１）程度と言われている（例えば、非特許文献１参照）。従来の撮像装置で例えば風景を撮影する場合、日向の被写体のみ又は日陰の被写体のみを撮影するときは、撮像装置のレンズの絞りを調整することにより前述のダイナミックレンジで対応できるが、日向の被写体と日陰の被写体とを同時に撮影するときには、それぞれ別個に撮影する場合の数十倍以上、さらに例えば被写体の明暗差が極端となる夜景の撮影では数百倍以上のダイナミックレンジでの撮像が望まれている。このため、以下に示すような提案がなされている。
【０００３】
まず、撮像素子そのもののダイナミックレンジを拡大するデジタルＣＣＤカメラが知られている（例えば、非特許文献２参照）。このカメラは、撮像素子をペルチェ素子で−３０℃まで冷却することにより、ノイズの発生を抑圧しダイナミックレンジを増大させるものである。
【０００４】
次に、外部回路を用いることなく、画素単位毎に光量補正を行ってダイナミックレンジを拡大する固体撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に示されたものは、入射光を光電変換して蓄積する光電変換部と、光電変換部の入射光側に配置され、液晶で構成された入射光制御層とを備え、入射光制御層の光透過率が入射光量又は蓄積された信号電荷量に応じて変調されることによって、ブルーミングあるいはオーバーフローが生じる入射光量限界をより高照度側に延ばし、ダイナミックレンジを拡大することができるようになっている。
【０００５】
次に、高輝度及び低輝度の画像を合成してダイナミックレンジを拡大する内視鏡撮像装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に示されたものは、１フレーム分の画像を得る場合に２つのフィールド期間における撮像素子の撮像面上の露光量が互いに異なるよう入射光量を制御する露光量制御手段を備え、高輝度用の撮像と低輝度用の撮像とを行って高輝度及び低輝度の画像を生成し、これらを合成して広ダイナミックレンジの画像を得るようになっている。
【非特許文献１】山田他、「広ダイナミックレンジ視覚センサ」、豊田中央研究所Ｒ＆ＤレビューＶｏｌ．３０、Ｎｏ．２（１９９５．６）
【非特許文献２】「デジタルＣＣＤカメラＯＲＣＡ−ＡＧ」、［ｏｎｌｉｎｅ］、浜松ホトニクス株式会社、［平成１９年１０月３０日検索］、インターネット〈ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｊｐ．ｈａｍａｍａｔｓｕ．ｃｏｍ／ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｓｙｓ／ｐｄｆ／ｊｐｎ／ｏｒｃａａｇｆａ．ｐｄｆ〉
【特許文献１】特開平５−１２２６１８号公報
【特許文献２】特開平１１−１５５８０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のものには以下に示すような課題があった。
【０００７】
まず、非特許文献２に示されたものは、撮像素子を冷却するために装置が複雑化するのに加え、得られるダイナミックレンジが１０００倍程度なので不十分であるという課題があった。
【０００８】
次に、特許文献１に示されたものは、光電変換部及び液晶層が画素毎に形成された特殊な構造なので技術的難易度が高く、製造歩留の低下による製造コストの増大が予想されるものである。また、特許文献１には、固体撮像装置の構造及び原理に関する記載はあるが、撮像素子の出力をどのように処理し、液晶層をどのように制御してダイナミックレンジを拡大するのかについての具体的な開示がない。
【０００９】
次に、特許文献２に示されたものは、得られるダイナミックレンジが１００００倍程度なので不十分であり、さらに高輝度及び低輝度の画像を合成する処理が困難であるという課題があった。
【００１０】
本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、製造コストを増大させることなく、従来よりもダイナミックレンジを拡大することができる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】
【００１１】
本発明の撮像装置は、被写体を撮像して被写体像を示す被写体像信号を出力する撮像手段と、前記撮像手段の前記被写体側に設けられ前記被写体からの光量を前記撮像手段の画素に対応する画素単位で制御する光量制御手段と、前記被写体像信号のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を小さくするよう前記光量制御手段を駆動し、前記被写体像信号のレベルが前記閾値よりも小さい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を大きくするよう前記光量制御手段を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記被写体像信号の前記画素単位でのレベルと前記駆動信号の前記画素単位でのレベルとを独立変数とする予め定められた関数の関数値である撮像信号を出力する撮像信号出力手段と、前記被写体からの光の輝度変化量を検出する輝度変化検出手段と、を備え、前記輝度変化検出手段は、前記被写体からの光の輝度変化量が予め定められた変化量を超えたとき、その旨を示す信号を前記駆動信号生成手段に出力して前記光量制御手段を予め定められた透過率に初期化する構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明の撮像装置は、従来のものよりも簡易な構造で撮像信号を出力するので、製造コストを増大させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、この構成により、本発明の撮像装置は、予め定められた変化量を超える光が撮影範囲内に現れた場合でも、駆動信号生成手段が駆動信号を補正することにより、好適な輝度で撮像を行うことができる。
【００１３】
また、本発明の撮像装置は、被写体を撮像して被写体像を示す第１及び第２の被写体像信号をそれぞれ出力する第１及び第２の撮像手段と、前記第１の撮像手段の前記被写体側に設けられ前記被写体からの光量を前記第１の撮像手段の画素に対応する画素単位で制御する光量制御手段と、前記光量制御手段の前記被写体側に設けられ前記光量制御手段に入射する第１の光と前記第２の撮像手段に入射する第２の光とに前記被写体からの光を分岐する光分岐手段と、前記第２の被写体像信号のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を小さくするよう前記光量制御手段を駆動し、前記被写体像信号のレベルが前記閾値よりも小さい画素に対しては前記光量制御手段の透過率を大きくするよう前記光量制御手段を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記第１の被写体像信号の前記画素単位でのレベルと前記駆動信号の前記画素単位でのレベルとを独立変数とする予め定められた関数の関数値である撮像信号を出力する撮像信号出力手段と、前記被写体からの光の輝度変化量を検出する輝度変化検出手段と、を備え、前記輝度変化検出手段は、前記被写体からの光の輝度変化量が予め定められた変化量を超えたとき、その旨を示す信号を前記駆動信号生成手段に出力して前記光量制御手段を予め定められた透過率に初期化する構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の撮像装置は、従来のものよりも簡易な構造で撮像信号を出力するので、製造コストを増大させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、本発明の撮像装置は、フィードバック制御を用いないで光量制御手段を駆動するので、被写体光が比較的短時間に変動する場合でも、その変動が出力信号に与える影響を抑制することができる。また、この構成により、本発明の撮像装置は、予め定められた変化量を超える光が撮影範囲内に現れた場合でも、駆動信号生成手段が駆動信号を補正することにより、好適な輝度で撮像を行うことができる。
【００１５】
さらに、本発明の撮像装置は、被写体を撮像して被写体像を示す第１及び第２の被写体像信号をそれぞれ出力する第１及び第２の撮像手段と、前記被写体からの光に含まれる第１及び第２の偏光成分のうち前記第１の偏光成分を反射して出射するとともに前記第２の偏光成分を透過して前記第２の撮像手段に出射する偏光分離手段と、前記偏光分離手段が出射した前記第１の偏光成分を前記第１の撮像手段の画素に対応する画素単位で第２の偏光成分に変換して前記第１の撮像手段に出射する光量制御手段と、前記第２の被写体像信号のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては前記光量制御手段が出射する前記第２の偏光成分の出射量を少なくするよう前記光量制御手段を駆動し、前記被写体像信号のレベルが前記閾値よりも小さい画素に対しては前記光量制御手段が出射する前記第２の偏光成分の出射量を多くするよう前記光量制御手段を駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記第１の被写体像信号の前記画素単位でのレベルと前記駆動信号の前記画素単位でのレベルとを独立変数とする予め定められた関数の関数値である撮像信号を出力する撮像信号出力手段と、前記被写体からの光の輝度変化量を検出する輝度変化検出手段と、を備え、前記輝度変化検出手段は、前記被写体からの光の輝度変化量が予め定められた変化量を超えたとき、その旨を示す信号を前記駆動信号生成手段に出力して前記光量制御手段を予め定められた透過率に初期化する構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の撮像装置は、従来のものよりも簡易な構造で撮像信号を出力するので、製造コストを増大させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。また、本発明の撮像装置は、フィードバック制御を用いないで光量制御手段を駆動するので、被写体光が比較的短時間に変動する場合でも、その変動が出力信号に与える影響を抑制することができる。また、この構成により、本発明の撮像装置は、予め定められた変化量を超える光が撮影範囲内に現れた場合でも、駆動信号生成手段が駆動信号を補正することにより、好適な輝度で撮像を行うことができる。
【００１７】
さらに、本発明の撮像装置は、前記第２の撮像手段が、カラーの被写体像信号を出力するカラー撮像素子を備えた構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の撮像装置は、従来のものよりもダイナミックレンジを拡大して被写体をカラー撮像することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、製造コストを増大させることなく、従来よりもダイナミックレンジを拡大することができるという効果を有する撮像装置を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
まず、本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態における構成について説明する。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態における撮像装置１０は、被写体光を入射するレンズ１１と、直線偏光を出射する偏光板１２と、被写体光の光量を制御する液晶素子１３と、直線偏光を出射する偏光板１４と、被写体を撮像する撮像素子１５と、撮像素子１５を駆動する撮像素子駆動部１６と、撮像信号を処理する撮像信号処理手段５０とを備えている。
【００２５】
レンズ１１は、被写体からの光を集光して偏光板１２に出射するようになっている。
【００２６】
偏光板１２及び１４は、入射光を直線偏光に変換するものであり、偏光板１２及び１４がそれぞれ出射する直線偏光の振動方向は互いに直交する方向となっている。
【００２７】
液晶素子１３は、例えばＴＮ（ツイストネマティック）型液晶分子を含み、撮像信号処理手段５０が出力する液晶駆動信号ｄに応じて、撮像素子１５の画素に対応する画素単位で被写体光が透過する際の光量を制御するようになっている。
【００２８】
なお、偏光板１２、１４及び液晶素子１３は、本発明に係る光量制御手段を構成する。
【００２９】
撮像素子１５は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等で構成され、マトリクス状に配列された画素を含み、撮像素子駆動部１６からの駆動信号に従って駆動され、被写体を撮像して被写体像を示す被写体像信号ｕを各画素からフレーム毎に出力するようになっている。なお、撮像素子１５は、本発明に係る撮像手段を構成する。
【００３０】
撮像信号処理手段５０は、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号を生成する液晶駆動信号生成部５１と、輝度変化を検出する輝度変化検出部５２と、所定のデータを記憶するデータ記憶部５３と、撮像信号を演算する撮像信号演算部５４とを備えている。
【００３１】
液晶駆動信号生成部５１は、撮像素子１５から被写体像信号ｕをフレーム毎に入力し、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号ｄを生成するようになっている。また、液晶駆動信号生成部５１は、生成した液晶駆動信号ｄを液晶素子１３及び撮像信号演算部５４に出力するようになっている。なお、液晶駆動信号生成部５１は、本発明に係る駆動信号生成手段を構成する。
【００３２】
輝度変化検出部５２は、被写体像信号ｕのレベルに基づき、撮像素子１５の撮像領域内において例えばフレーム前後における輝度が急変したか否かを画素毎に検出するようになっており、被写体像信号ｕのレベル変化率が予め画素毎に設定された輝度変化率閾値を超えた場合、その旨を示す輝度変化検知信号を液晶駆動信号生成部５１に出力するようになっている。なお、輝度変化検出部５２は、本発明に係る輝度変化検出手段を構成する。
【００３３】
データ記憶部５３は、撮像装置１０の電源がオンにされたときや初期化されたときに液晶駆動信号生成部５１が出力する既定の液晶駆動信号ｄ０のデータや、フレーム前後における画素毎の輝度変化量を輝度変化検出部５２が比較する際に用いる輝度変化率閾値のデータ等を予め記憶するようになっている。また、データ記憶部５３は、液晶駆動信号生成部５１が取得したデータや液晶駆動信号ｄを求める処理に係るデータ等も記憶することができるようになっている。
【００３４】
撮像信号演算部５４は、被写体像信号ｕ及び液晶駆動信号ｄを入力し、これらの信号のレベル比を演算して撮像信号ｖを出力するようになっている。なお、撮像信号演算部５４は、本発明に係る撮像信号出力手段を構成する。
【００３５】
次に、本実施の形態における撮像装置１０の動作原理について説明する。
【００３６】
説明を簡単にするため、液晶素子１３の画素数と撮像素子１５の画素数とが等しく、両者の画素位置が画素単位で１対１に対応しているものとする。また、液晶素子１３及び撮像素子１５の画素位置を（ｘ，ｙ）で表す。
【００３７】
ある画素（ｘ，ｙ）に入射する被写体光の大きさをＰ（ｘ，ｙ）、対応する液晶素子１３への液晶駆動信号をｄ（ｘ，ｙ）（ｄ＝０〜１．０とする。）、その画素における液晶素子１３の透過率をｔ（ｘ，ｙ）とする。なお、理想的にはｔ＝０．０〜１．０であるが、液晶素子１３のダイナミックレンジが有限であるのでｔ＝０．０にはならない。
【００３８】
透過率ｔと液晶駆動信号ｄは、ある関数ｆで表すことができる。
【００３９】
【数１】
0004966172.tif 000002
【００４０】
［数１］に示した右辺の関数は、液晶素子１３のガンマ係数をγＬで示すと、例えば［数２］で表すことができる。
【００４１】
【数２】
0004966172.tif 000003
【００４２】
液晶素子１３の各画素に対応する撮像素子１５の各画素に入力する入力光の大きさをｓ（ｘ，ｙ）で示すと［数３］が得られる。
【００４３】
【数３】
0004966172.tif 000004
【００４４】
撮像素子１５の各画素が出力する被写体像信号をｕ（ｘ，ｙ）で示すと、被写体像信号ｕと入力光の大きさｓはある関数ｇで表すことができ、撮像素子１５のガンマ係数をγＣで示すと［数４］が得られる。
【００４５】
【数４】
0004966172.tif 000005
【００４６】
撮像信号演算部５４は、撮像素子１５から被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）を、液晶駆動信号生成部５１から液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）をそれぞれ取得し、［数５］に示す演算を行って撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）を出力する。
【００４７】
【数５】
0004966172.tif 000006
【００４８】
すなわち、ｖ（ｘ，ｙ）は［数６］に示すようにＰ（ｘ，ｙ）の関数である。
【００４９】
【数６】
0004966172.tif 000007
【００５０】
ここで、撮像素子１５のダイナミックレンジをＤ１、液晶素子１３のダイナミックレンジをＤ２とする。このとき、撮像素子１５が出力する被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）は１／Ｄ１〜１．０、液晶素子１３の透過率ｔは１／Ｄ２〜１．０となる。したがって、撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）は、１／Ｄ１〜Ｄ２となるので、液晶素子１３及び撮像素子１５のトータルのダイナミックレンジは、Ｄ１×Ｄ２となる。現状の液晶素子及び撮像素子のそれぞれのダイナミックレンジは１００倍（１００：１）以上であるので、撮像装置１０のダイナミックレンジは、トータルとして１００００倍（１００００：１）以上となり、従来よりも大幅に改善されることとなる。
【００５１】
次に、本実施の形態における撮像装置１０の動作について図１及び図２を用いて説明する。図２は撮像装置１０の動作を示すフローチャートである。なお、以下の動作の説明では、動作を分かりやすく説明するためフレーム番号をｎ（＝０、１、２、・・・）で示し、例えばフレーム番号ｎにおける液晶駆動信号をｄ（ｘ，ｙ，ｎ）と表す。また、フレーム番号ｎ＝０は、撮像装置１０の電源がオンにされた直後に使用するフレームを示すものとする。また、説明を簡略化するため、γＬ＝γＣ＝１とする。
【００５２】
まず、撮像装置１０の電源がオンにされると、液晶駆動信号生成部５１は、データ記憶部５３からフレーム番号ｎ＝０の既定値として予め定められた液晶駆動信号ｄ０（＝ｄ（ｘ，ｙ，０））のデータを読み出し、液晶駆動信号ｄ０を液晶素子１３の全画素に出力して液晶素子１３を駆動する（ステップＳ１１）。ここで、例えば、液晶駆動信号ｄ０＝０．５とすればよい。
【００５３】
続いて、液晶駆動信号生成部５１は、液晶素子１３が液晶駆動信号ｄ０で駆動されている状態における液晶素子１３の透過率ｔ０（＝ｆ（ｄ０））のデータと、撮像素子１５が出力する被写体像信号ｕ０（＝Ｐ・ｔ０）のデータとをデータ記憶部５３に記憶する（ステップＳ１２）。
【００５４】
液晶駆動信号生成部５１は、フレーム番号ｎに１を代入し（ステップＳ１３）、液晶駆動信号ｄ０及び被写体像信号ｕ０に基づいて、フレーム番号ｎ＝１における液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ，１）を算出して液晶素子１３に出力し、液晶素子１３の全画素を駆動する。
【００５５】
具体的には、液晶駆動信号生成部５１は、被写体像信号ｕ０のレベルが予め定められた閾値よりも大きい画素に対しては、次のフレーム番号ｎ＝１における液晶素子１３の透過率ｔ（ｘ，ｙ，１）が現在の値より小さくなるよう液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ，１）を設定する。また、液晶駆動信号生成部５１は、被写体像信号ｕ０のレベルが閾値よりも小さい画素に対しては、次のフレーム番号ｎ＝１における液晶素子１３の透過率ｔ（ｘ，ｙ，１）が現在の値より大きくなるよう液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ，１）を設定する。例えば、液晶駆動信号生成部５１は、［数７］に基づいて演算を行う（ステップＳ１４）。なお、［数７］に示した関数は一例であって、ｕが大きくなったときに小さくなり、ｕが小さくなったときに大きくなる関数であって、ｕの変化範囲で有意な値が定まる関数であれば、適用できる。
【００５６】
ここでは、フレーム番号ｎ＝１であるので、液晶駆動信号生成部５１は、［数８］に基づいて液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ，１）を算出し、この液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ，１）を液晶素子１３の全画素に出力して液晶素子１３の透過率ｔ（ｘ，ｙ，１）を設定する。
【００５７】
【数７】
0004966172.tif 000008
【００５８】
【数８】
0004966172.tif 000009
【００５９】
次いで、撮像素子１５は、被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ，ｎ）を液晶駆動信号生成部５１、輝度変化検出部５２及び撮像信号演算部５４にそれぞれ出力し、撮像信号演算部５４は、撮像素子１５から被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ，ｎ）を取得し（ステップＳ１５）、［数９］に基づいて撮像信号ｖ（ｘ，ｙ，ｎ）を演算して出力する（ステップＳ１６）。
【００６０】
【数９】
0004966172.tif 000010
【００６１】
輝度変化検出部５２は、被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ，ｎ）のレベルに基づいて、現フレームにおける撮像素子１５の各画素の輝度と各輝度変化率閾値とを比較することによって、各画素の輝度が前フレームよりも急変したか否かを判断する（ステップＳ１７）。この判断に基づき、撮像装置１０は、例えば夜間の撮影において自動車のヘッドライド光が撮影範囲内に突然現れたことを検出することができ、液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ，ｎ）を設定し直すことができる。
【００６２】
輝度変化検出部５２は、輝度が急変したと判断した場合は、輝度変化検知信号を液晶駆動信号生成部５１に出力する。液晶駆動信号生成部５１は、データ記憶部５３から透過率ｔ０及び被写体像信号ｕ０のデータを読み出し、これらを透過率ｔ（ｘ，ｙ，ｎ）及び被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ，ｎ）にそれぞれ代入して初期化し（ステップＳ１８）、ステップＳ１９に進む。
【００６３】
一方、輝度が急変したと判断されなかった場合、液晶駆動信号生成部５１は、フレーム番号ｎを１つ繰り上げ（ステップＳ１９）、ステップＳ１４に進む。
【００６４】
以上のように、本実施の形態における撮像装置１０によれば、液晶駆動信号生成部５１は、液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を生成して液晶素子１３をフィードバック制御し、撮像信号演算部５４は、被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）と液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）との比を演算して撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）を出力するという簡易な構成としたので、製造コストを増大させることなく、従来よりもダイナミックレンジを拡大することができる。
【００６５】
なお、前述の実施の形態において、輝度変化検出部５２が撮像素子１５の出力信号に基づいて被写体光の輝度変化を検出する構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、光センサを追加し、輝度変化検出部５２がこの光センサの出力信号に基づいて被写体光の輝度変化を検出する構成としても同様の効果が得られる。
【００６６】
（第２の実施の形態）
本実施の形態における撮像装置２０は、図３に示すように、第１の実施の形態における撮像装置１０（図１参照）の一部の構成を変更したものであるので、撮像装置１０と同様な構成には同じ符号を付し、重複する構成の説明は省略する。
【００６７】
図３に示すように、本実施の形態における撮像装置２０は、偏光板１２と液晶素子１３との間に設けられたハーフミラー２１と、ハーフミラー２１が被写体光を反射する側に設けられたモノクロ撮像素子２２と、モノクロ撮像素子２２を駆動する撮像素子駆動部２３と、撮像信号を処理する撮像信号処理手段６０とを備えている。
【００６８】
ハーフミラー２１は、偏光板１２からの被写体光を透過光と反射光とに分岐するようになっている。透過光は液晶素子１３に入射し、反射光はモノクロ撮像素子２２に入射する。なお、ハーフミラー２１は、本発明に係る光分岐手段を構成する。
【００６９】
モノクロ撮像素子２２は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等で構成され、マトリクス状に配列された画素を含み、撮像素子駆動部２３からの駆動信号に従って駆動されるようになっている。また、モノクロ撮像素子２２は、ハーフミラー２１からの反射光を受光して光電変換し、被写体像信号ｕ２を各画素からフレーム毎に出力するようになっている。ここで、モノクロ撮像素子２２は、本発明に係る第２の撮像手段を構成する。なお、説明を簡単にするため、モノクロ撮像素子２２の画素数は、液晶素子１３及び撮像素子１５の画素数と等しく、これらの画素位置が画素単位で１対１に対応しているものとする。なお、本実施の形態における撮像素子１５は、本発明に係る第１の撮像手段を構成する。
【００７０】
撮像信号処理手段６０は、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号を生成する液晶駆動信号生成部６１と、輝度変化を検出する輝度変化検出部６２と、所定のデータを記憶するデータ記憶部６３と、撮像信号を演算する撮像信号演算部６４とを備えている。
【００７１】
液晶駆動信号生成部６１は、モノクロ撮像素子２２から被写体像信号ｕ２をフレーム毎に入力し、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号ｄを生成するようになっている。また、液晶駆動信号生成部６１は、生成した液晶駆動信号ｄを液晶素子１３及び撮像信号演算部６４に出力するようになっている。
【００７２】
撮像信号演算部６４は、被写体像信号ｕ及び液晶駆動信号ｄを入力し、これらの信号のレベル比を演算して撮像信号ｖをフレーム毎に出力するようになっている。
【００７３】
なお、輝度変化検出部６２及びデータ記憶部６３は、それぞれ、第１の実施の形態における輝度変化検出部５２及びデータ記憶部５３（図１参照）に対応するものであるので、説明を省略する。
【００７４】
次に、本実施の形態における撮像装置２０の動作原理について説明する。なお、説明を簡単にするため、第１の実施の形態と同じ前提条件で説明する。
【００７５】
モノクロ撮像素子２２が出力する被写体像信号をｕ２（ｘ，ｙ）と表すと、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）と、撮像信号演算部６４が出力する撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）は、それぞれ、［数１０］及び［数１１］で表される。なお、［数１１］における被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）は撮像素子１５の出力信号を示している。
【００７６】
【数１０】
0004966172.tif 000011
【００７７】
【数１１】
0004966172.tif 000012
【００７８】
ここで、モノクロ撮像素子２２には被写体光の一部がそのまま入射するため、一見ダイナミックレンジの広いものが必要なように見えるが、通常のダイナミックレンジのものでよい。以下、具体例を挙げて説明する。
【００７９】
対象とする被写体光の大きさを０．０００１〜１．０とし、ダイナミックレンジが１００００倍であるとする。これに対し、モノクロ撮像素子２２が出力する被写体像信号ｕ２（ｘ，ｙ）のレベルを０．００１〜０．１とし、ダイナミックレンジが１００倍であるとする。すなわち、ある画素（ｘ，ｙ）に入射する被写体光の大きさをＰ（ｘ，ｙ）で表すと、被写体像信号ｕ２（ｘ，ｙ）のレベルとして［数１２］が得られる。
【００８０】
【数１２】
0004966172.tif 000013
【００８１】
この［数１２］を基に、液晶駆動信号生成部６１が液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を例えば［数１３］に基づいて生成するものとする。
【００８２】
【数１３】
0004966172.tif 000014
【００８３】
［数１３］に示した液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）によって液晶素子１３を駆動したとき、撮像素子１５が出力する被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）は［数１４］で表される。
【００８４】
【数１４】
0004966172.tif 000015
【００８５】
また、撮像信号演算部６４が出力する撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）は、前述の［数１１］で示される。
【００８６】
表１は、被写体光の大きさＰ（ｘ，ｙ）を０．０００１から１．０までの範囲内で変化させたときの計算結果を示したものである。
【００８７】
【表１】
0004966172.tif 000016
【００８８】
表１に示すように、想定した被写体光のダイナミックレンジ１００００倍に対して、被写体像信号ｕ２（ｘ，ｙ）のダイナミックレンジが１００倍でありながら、撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）のダイナミックレンジは１００００倍となっている。したがって、モノクロ撮像素子２２は、通常のダイナミックレンジのものでよいことがわかる。
【００８９】
次に、本実施の形態における撮像装置２０の動作について説明する。なお、第１の実施の形態における撮像装置１０と異なる動作について主に説明する。
【００９０】
撮像装置２０の電源がオンにされると、液晶駆動信号生成部６１は、データ記憶部６３から既定値として予め定められた液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）のデータを読み出し、液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）を液晶素子１３の全画素に出力して液晶素子１３を駆動する。
【００９１】
液晶素子１３は、ハーフミラー２１が透過した透過光を通過させ、この透過光は偏光板１４を通過して撮像素子１５に入射する。
【００９２】
撮像素子１５は、透過光を光電変換した被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）を輝度変化検出部６２及び撮像信号演算部６４にフレーム毎に出力する。
【００９３】
一方、ハーフミラー２１が反射した反射光はモノクロ撮像素子２２に入射し、モノクロ撮像素子２２によって光電変換されて、被写体像信号ｕ２（ｘ，ｙ）を液晶駆動信号生成部６１にフレーム毎に出力する。
【００９４】
液晶駆動信号生成部６１は、［数１０］に基づいて液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を生成し、液晶素子１３を駆動する。撮像信号演算部６４は、［数１１］に基づいて撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）を生成し出力する。
【００９５】
以上のように、本実施の形態における撮像装置２０によれば、被写体光を分岐するハーフミラー２１を備え、ハーフミラー２１が反射した反射光をモノクロ撮像素子２２で光電変換し、この信号に基づいて液晶駆動信号生成部６１が液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を生成することにより、フィードバック制御を用いないで液晶素子１３を駆動する構成としたので、被写体光が比較的短時間に変動する場合でも、その変動が出力信号に与える影響を抑制することができる。
【００９６】
（第３の実施の形態）
本実施の形態における撮像装置３０は、図４に示すように、第２の実施の形態における撮像装置２０（図３参照）の一部の構成を変更したものであるので、撮像装置２０と同様な構成には同じ符号を付し、重複する構成の説明は省略する。
【００９７】
図４に示すように、本実施の形態における撮像装置３０は、第２の実施の形態におけるモノクロ撮像素子２２、撮像素子駆動部２３及び撮像信号処理手段６０に代えて、それぞれ、カラー撮像素子３１、撮像素子駆動部３２及び撮像信号処理手段７０を備えている。なお、液晶素子１３及び撮像素子１５は、モノクロ用のものでよい。
【００９８】
カラー撮像素子３１は、例えば単板型のカラーフィルタを備えた撮像素子や、３板式のカラー撮像素子で構成され、撮像素子駆動部３２からの駆動信号に従って駆動され、カラーの被写体像信号ｕ２を出力するようになっている。ここで、カラー撮像素子３１は、本発明に係る第２の撮像手段を構成する。なお、カラーの被写体像信号ｕ２のうち、赤色、緑色及び青色の各成分をそれぞれｕ２Ｒ（ｘ，ｙ）、ｕ２Ｇ（ｘ，ｙ）及びｕ２Ｂ（ｘ，ｙ）で示す。また、これらの信号成分を総称する場合は「被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）」という。
【００９９】
液晶駆動信号生成部７１は、カラー撮像素子３１から被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）をフレーム毎に入力し、被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）から輝度信号ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）を生成するようになっている。また、液晶駆動信号生成部７１は、輝度信号ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）に基づき、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を生成し、生成した液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を液晶素子１３及び撮像信号演算部７４に出力するようになっている。さらに、液晶駆動信号生成部７１は、被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）のそれぞれの成分と輝度信号ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）との比、具体的には、ｕ２Ｒ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）、ｕ２Ｇ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）及びｕ２Ｂ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）のデータを撮像信号演算部７４に出力するようになっている。なお、これらのデータを総称する場合は「比信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）」という。
【０１００】
撮像信号演算部７４は、被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）、液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）及び比信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）を入力し、これらの信号のレベル比を演算してカラーの撮像信号ｖをフレーム毎に出力するようになっている。以下、カラーの撮像信号ｖ（ｘ，ｙ）のうち、赤色、緑色及び青色の各成分をそれぞれｖＲ（ｘ，ｙ）、ｖＧ（ｘ，ｙ）及びｖＢ（ｘ，ｙ）で示す。なお、これらの信号成分を総称する場合は「撮像信号ｖＲＧＢ（ｘ，ｙ）」という。
【０１０１】
輝度変化検出部７２及びデータ記憶部７３は、それぞれ、第２の実施の形態における輝度変化検出部６２及びデータ記憶部６３（図３参照）に対応するものであるので、説明を省略する。
【０１０２】
次に、本実施の形態における撮像装置３０の動作原理について説明する。なお、説明を簡単にするため、第２の実施の形態と同じ前提条件で説明する。
【０１０３】
液晶駆動信号生成部７１は、カラー撮像素子３１が出力する被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）から生成した輝度信号をｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）に基づき、液晶素子１３を駆動する液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を例えば［数１５］に基づいて生成する。このとき、撮像信号演算部７４が出力する撮像信号ｖＲＧＢ（ｘ，ｙ）の各色成分は、それぞれ、［数１６］〜［数１８］で表される。
【０１０４】
【数１５】
0004966172.tif 000017
【０１０５】
【数１６】
0004966172.tif 000018
【０１０６】
【数１７】
0004966172.tif 000019
【０１０７】
【数１８】
0004966172.tif 000020
【０１０８】
次に、本実施の形態における撮像装置３０の動作について図４及び図５を用いて説明する。図５は、撮像装置３０の動作を示すフローチャートである。
【０１０９】
撮像装置３０の電源がオンにされると、液晶駆動信号生成部７１は、データ記憶部７３から既定値として予め定められた液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）のデータを読み出し、液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）を液晶素子１３の全画素に出力して液晶素子１３を駆動する（ステップＳ２１）。ここで、例えば、液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）＝０．５とすればよい。
【０１１０】
液晶素子１３が液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）で駆動されている状態において、撮像素子１５が出力する被写体像信号をｕ０（ｘ，ｙ）で表すと、この被写体像信号ｕ０（ｘ，ｙ）は、液晶駆動信号生成部７１によって取得される（ステップＳ２２）。
【０１１１】
液晶駆動信号生成部７１は、液晶駆動信号ｄ０（ｘ，ｙ）及び被写体像信号ｕ０（ｘ，ｙ）に基づいて、液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を算出して液晶素子１３に出力し、液晶素子１３の全画素を駆動する（ステップＳ２３）。また、液晶駆動信号生成部７１は、液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）及び比信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）を撮像信号演算部７４に出力する。
【０１１２】
撮像信号演算部７４は、液晶駆動信号生成部７１から比信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）／ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）をフレーム毎に取得する（ステップＳ２４）。
【０１１３】
続いて、撮像信号演算部７４は、［数１６］〜［数１８］に基づいて撮像信号ｖＲＧＢ（ｘ，ｙ）を演算して出力する（ステップＳ２５）。
【０１１４】
輝度変化検出部７２は、被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）のレベルに基づいて、現フレームにおける撮像素子１５の各画素の輝度と各輝度変化率閾値とを比較することによって、各画素の輝度が前フレームよりも急変したか否かを判断する（ステップＳ２６）。
【０１１５】
ステップＳ２６において、輝度変化検出部７２が、輝度が急変したと判断した場合は、ステップＳ２３以降の処理を実行する。一方、輝度が急変したと判断されなかった場合、液晶駆動信号生成部７１は、輝度信号ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）のレベルに応じて［数１５］に基づいて液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を液晶素子１３に出力し（ステップＳ２７）、ステップＳ２４に進む。
【０１１６】
以上のように、本実施の形態における撮像装置３０によれば、被写体光を分岐するハーフミラー２１を備え、ハーフミラー２１が反射した反射光をカラー撮像素子３１で光電変換し、この信号に基づいて液晶駆動信号生成部７１が液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を生成することにより、フィードバック制御を用いないで液晶素子１３を駆動する構成としたので、被写体光が比較的短時間に変動する場合でも、その変動が出力信号に与える影響を抑制することができるとともに、カラー撮像を可能とすることができる。
【０１１７】
（第４の実施の形態）
本実施の形態における撮像装置４０は、図６に示すように、被写体光を入射するレンズ１１と、直線偏光を出射する偏光板１２と、被写体からの光に含まれるＰ偏光成分を透過してＳ偏光成分を反射する偏光ビームスプリッタ（以下「ＰＢＳ」という。）４１と、Ｓ偏光成分を変調して反射する反射型液晶素子４２と、反射型液晶素子４２からの反射光によって被写体を撮像する撮像素子１５と、撮像素子１５を駆動する撮像素子駆動部１６と、Ｐ偏光成分によって被写体をカラー撮像するカラー撮像素子３１と、カラー撮像素子３１を駆動する撮像素子駆動部３２と、撮像信号を処理する撮像信号処理手段７０とを備えている。
【０１１８】
なお、本実施の形態において、第３の実施の形態における撮像装置３０（図４参照）と同様な構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
【０１１９】
ＰＢＳ４１は、被写体光に含まれるＰ偏光成分を透過してカラー撮像素子３１に出射し、Ｓ偏光成分を反射して反射型液晶素子４２に出射するようになっている。なお、ＰＢＳ４１は、本発明に係る偏光分離手段を構成する。
【０１２０】
反射型液晶素子４２は、液晶駆動信号生成部７１が出力する液晶駆動信号ｄに基づき、ＰＢＳ４１が反射したＳ偏光成分の偏光方向を制御し、Ｐ偏光成分の光信号成分に変換して出射するようになっている。この出射光は、ＰＢＳ４１を透過して撮像素子１５に入射する。なお、反射型液晶素子４２は、本発明に係る光量制御手段を構成する。
【０１２１】
次に、本実施の形態における撮像装置４０の動作について説明する。ただし、第３の実施の形態における撮像装置３０と異なる動作を主に説明する。
【０１２２】
ＰＢＳ４１は、被写体光に含まれるＰ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する。
【０１２３】
Ｐ偏光成分はカラー撮像素子３１に入射し、カラー撮像素子３１は、被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）を液晶駆動信号生成部７１にフレーム毎に出力する。液晶駆動信号生成部７１は、被写体像信号ｕ２ＲＧＢ（ｘ，ｙ）から輝度信号ｕ２Ｙ（ｘ，ｙ）を生成し、前述の［数１５］に基づいて液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）を算出し、反射型液晶素子４２を駆動する。
【０１２４】
一方、Ｓ偏光成分は反射型液晶素子４２に入射し、液晶駆動信号生成部７１が出力する液晶駆動信号ｄ（ｘ，ｙ）に基づいて偏光方向が制御されてＰ偏光成分としてＰＢＳ４１側に出射する。このＰ偏光成分は、ＰＢＳ４１を透過して撮像素子１５に入射する。
【０１２５】
撮像素子１５は、被写体像信号ｕ（ｘ，ｙ）を輝度変化検出部７２及び撮像信号演算部７４にフレーム毎に出力する。
【０１２６】
撮像信号演算部７４は、前述の［数１６］〜［数１８］に基づいて撮像信号ｖＲＧＢ（ｘ，ｙ）の各色成分をそれぞれ演算してフレーム毎に出力する。
【０１２７】
以上のように、本実施の形態における撮像装置４０によれば、反射型液晶素子４２を備え、反射型液晶素子４２が反射した光信号成分に基づいて撮像信号ｖＲＧＢ（ｘ，ｙ）を演算して出力する構成としたので、透過型の液晶素子を用いるものよりも被写体光の利用効率を高めてカラー撮像を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
以上のように、本発明に係る撮像装置は、製造コストを増大させることなく、従来よりもダイナミックレンジを拡大することができるという効果を有し、撮像装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態における構成を示すブロック図
【図２】本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態における動作を示すフローチャート
【図３】本発明に係る撮像装置の第２の実施の形態における構成を示すブロック図
【図４】本発明に係る撮像装置の第３の実施の形態における構成を示すブロック図
【図５】本発明に係る撮像装置の第３の実施の形態における動作を示すフローチャート
【図６】本発明に係る撮像装置の第４の実施の形態における構成を示すブロック図
【符号の説明】
【０１３０】
１０、２０、３０、４０  撮像装置
１１  レンズ
１２、１４  偏光板（光量制御手段）
１３  液晶素子（光量制御手段）
１５  撮像素子（撮像手段、第１の撮像手段）
１６、２３、３２  撮像素子駆動部
２１  ハーフミラー（光分岐手段）
２２  モノクロ撮像素子（第２の撮像手段）
３１  カラー撮像素子（第２の撮像手段）
４１  ＰＢＳ（偏光分離手段）
４２  反射型液晶素子（光量制御手段）
５０、６０、７０  撮像信号処理手段
５１、６１、７１  液晶駆動信号生成部（駆動信号生成手段）
５２、６２、７２  輝度変化検出部（輝度変化検出手段）
５３、６３、７３  データ記憶部
５４、６４、７４  撮像信号演算部（撮像信号出力手段）
【図１】
0004966172.tif 000021
【図２】
0004966172.tif 000022
【図３】
0004966172.tif 000023
【図４】
0004966172.tif 000024
【図５】
0004966172.tif 000025
【図６】
0004966172.tif 000026