JP2006325066A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像装置において、適正な露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像を可能にすること。
【解決手段】 露出とダイナミックレンジを各々独立して制御することで、適正な露出とダイナミックレンジを両立させた複数のブラケット撮像モードを備えた撮像装置および撮像方法を提供することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像装置に関し、特に、複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を備え、ブラケット撮像モードを備えた撮像装置に関する。

従来、フォトダイオード等の光電変換素子をマトリクス状に配置してなる固体撮像素子に、ＭＯＳＦＥＴ等を備えた対数変換回路を付加し、前記ＭＯＳＦＥＴのサブスレッショルド特性を利用することで、固体撮像素子の出力特性を入射光量に対して電気信号が対数的に変換されるようにした対数変換型撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、対数変換型撮像素子において、ＭＯＳＦＥＴに特定のリセット電圧を与えることで、固体撮像素子本来の出力特性、すなわち入射光量に応じて電気信号が線形的に変換されて出力される線形動作状態と、前述の対数動作状態とを自動的に切り替えることが可能とされた対数変換型撮像素子が知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、線形動作状態から対数動作状態へ自動的に切り替え可能とすると共に、ＭＯＳＦＥＴのリセット時間を調整することでＭＯＳＦＥＴのポテンシャル状態を調整可能とした撮像装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。

ところで、対数変換型撮像素子を線形動作状態で用いた場合、光電変換素子で発生した電荷量に比例した出力が得られることから、低輝度の被写体でも高コントラストな（高い階調性を有した）画像信号が得られる等の利点がある反面、ダイナミックレンジが狭くなってしまうという不都合がある。一方、対数変換型撮像素子を対数動作状態で用いた場合、入射光量に対して自然対数的に変換された出力が得られることから、広いダイナミックレンジが確保できるという利点がある反面、画像信号が対数圧縮されることからコントラスト性が悪くなるという不都合がある。

さらに、対数変換型撮像素子以外にも、露光量の異なる複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を合成する撮像素子（例えば、特許文献４参照）や、撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変であるような撮像素子（例えば、特許文献５参照）等も提案されている。

しかし、特許文献４で提案された撮像素子は、露光量の異なる画像から画像処理で画像を合成することから、単純な画像合成では合成の繋ぎ目が不自然で非常に見にくい画像になるため、非常に複雑な画像合成が必須となり、そのためにコストが非常に高くなる。また、特許文献５で提案された撮像素子は、素子構造が複雑で製造コストが高くなり、また容量の電圧依存性の制御も難しく、素子毎の調整等が必要でコストアップの要因となる。

特許文献１乃至３に係る撮像素子および撮像装置は、撮像素子を線形動作状態から対数動作状態へ自動的に切り替え可能とすることを開示しているに止まる。しかしながら、上述の線形動作状態及び対数動作状態の長所並びに短所に鑑みた場合、単に自動切り替えさせるだけでなく、それぞれの動作状態が備える長所を積極的に活用して撮像動作を行わせる構成とすることが望ましいと言える。例えば自動露光制御を行う場合においても、ターゲットとなる被写体の輝度と、撮像センサの線形動作状態から対数動作状態への切り替り点とを関連付けてその制御を行えば、専ら各動作状態が備える長所を活用した最適な自動露光制御を行い得る可能性がある。

そこで、本件出願人は、特願２００４−１５９７６０号において、撮像装置の露出制御を、当該撮像装置が備える撮像センサの光電変換特性と関連づけて行うことで、被写体からの光量（被写体輝度）に応じて、被写体を最適な露光状態で、しかも所定のダイナミックレンジを確保した状態で撮像することができる撮像装置及び撮像方法を提案した。

一方、撮像装置の代表例であるデジタルカメラにおいて、露出に関する撮像モード（例えば、露出ブラケット撮像モード）をもつものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。ここで、露出ブラケット撮像とは、撮像者の意図に合致した主被写体と背景の露出バランスの画像を得るために、絞りまたはシャッタスピードを少しずつ変えて露出の異なる複数枚の写真を連続で撮像する手法である。
特開平１１−２９８７９８号公報 特開２００２−７７７３３号公報 特開２００２−３００４７６号公報 特公平７−９７８４１号公報 特開２０００−１６５７５５号公報 コニカミノルタフォトイメージング株式会社：α−７ＤＩＧＩＴＡＬ カタログ（（http://konicaminolta.jp/products/consumer/digital_camera/catalogue/pdf/a-7digital.pdf）９／９ページ「撮影機能」の「露出ブラケット撮影」欄；２００５年４月８日検索）

しかしながら、特願２００４−１５９７６０号に示した方法では、該方法を露出に関する撮像モード、例えば露出ブラケット撮像に適用する場合までは言及しておらず、該方法を露出ブラケット撮像に適用すると、露出の変更に連動してダイナミックレンジも変化してしまうため、場合によっては、ダイナミックレンジが不足して、高輝度側で白つぶれが発生するという不具合が発生する可能性がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像に際して、露出とダイナミックレンジを独立で、あるいは連動させて制御することで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、下記構成により達成することができる。

（請求項１）
複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を備えた撮像装置において、
被写体の輝度情報に基づいて、被写体を撮像するに際しての露出の制御を行う露出制御部と、
前記撮像素子のダイナミックレンジを制御するダイナミックレンジ制御部と、
ブラケット撮像モードを設定するモード設定手段と、
前記モード設定手段によりブラケット撮像モードが設定されたときに、
撮像毎に、前記露出制御部に露出を制御させ、前記ダイナミックレンジ制御部にダイナミックレンジを制御させながら、前記撮像素子による複数枚の撮像を行う撮像制御部とを有することを特徴とする撮像装置。

（請求項２）
前記露出制御部は露出を一定に制御し、
前記ダイナミックレンジ制御部はダイナミックレンジを複数の異なる値に制御し、
前記撮像制御部は、該複数の異なるダイナミックレンジ毎に撮像を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

（請求項３）
前記露出制御部は露出を複数の異なる値に制御し、
前記ダイナミックレンジ制御部はダイナミックレンジを一定に制御し、
前記撮像制御部は、該複数の異なる露出毎に撮像を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

（請求項４）
前記露出制御部は露出を複数の異なる値に制御し、
前記ダイナミックレンジ制御部はダイナミックレンジを複数の異なる値に制御し、
前記撮像制御部は、該複数の異なる露出とダイナミックレンジの組毎に撮像を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

（請求項５）
前記撮像素子は、入射光量に応じた電気信号を発生すると共に、前記入射光量に対して電気信号が線形的に変換されて出力される線形特性領域と、前記入射光量に対して電気信号が対数的に変換されて出力される対数特性領域とからなる光電変換特性を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項６）
前記撮像素子は、露光量の異なる複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を合成するものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。

（請求項７）
前記撮像素子は、前記撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、前記電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。

請求項１に記載の発明によれば、複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像に際して、露出とダイナミックレンジを制御してブラケット撮像を行うことで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像に際して、露出を一定にし、ダイナミックレンジのみを変化させてブラケット撮像を行うことで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

請求項３に記載の発明によれば、複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像に際して、ダイナミックレンジを一定にし、露出のみを変化させてブラケット撮像を行うことで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像に際して、露出とダイナミックレンジ双方を変化させてブラケット撮像を行うことで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

請求項５に記載の発明によれば、撮像素子として、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する撮像素子を用いることで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

請求項６に記載の発明によれば、撮像素子として、露光量の異なる複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を生成するものを用いることで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、撮像素子として、撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変であるものを用いることで、露出とダイナミックレンジを両立させたブラケット撮像の可能な撮像装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラ１の外観模式図で、図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は背面図である。

ボディ１０の正面には、交換レンズ２０が取り付けれられている。

ボディ１０の上面には、撮像のための操作部材であるレリーズボタン１０１が設置されており、ボディ１０の内部でレリーズボタン１０１の下部には、レリーズボタン１０１の押し込みの１段目で動作するＡＦ／ＡＥスイッチ１０１ａと、レリーズボタンの押し込みの２段目で動作するレリーズスイッチ１０１ｂを構成する２段スイッチが配置されている。また、ボディ１０の上部には、フラッシュ１０２が内蔵され、デジタルカメラ１の動作モードを設定するモード設定ダイアル１１２が配置されている。

ボディ１０の背面には、デジタルカメラ１の電源をオン／オフするための電源スイッチ１１１、上下左右と中央の５つのスイッチから成り、デジタルカメラ１の各動作モードでの各種設定を行うためのジョグダイアル１１５、ファインダ接眼レンズ１２１ａ、記録された画像を表示するための画像表示部１３１が配置されている。

図２は、図１に示したデジタルカメラ１の回路の一例を示すブロック図である。図中、図１と同じ部分には同じ番号を付与した。

デジタルカメラ１の制御部であるカメラ制御部１５０は、ＣＰＵ（中央処理装置）１５１、ワークメモリ１５２、記憶部１５３等から構成され、記憶部１５３に記憶されているプログラムをワークメモリ１５２に読み出し、当該プログラムに従ってデジタルカメラ１の各部を集中制御する。また、カメラ制御部１５０は、電源スイッチ１１１、モード設定ダイアル１１２、ジョグダイアル１１５、ＡＦ／ＡＥスイッチ１０１ａ、レリーズスイッチ１０１ｂ等からの入力を受信し、光学ファインダ１２１上の測光モジュール１２１ｂと交信することで測光動作を制御し、ＡＦモジュール１４４と交信することで合焦動作を制御し、ミラー駆動部１４３を介してレフレックスミラー１４１及びサブミラー１４２を駆動し、シャッタ駆動部１４６を介してシャッタ１４５を制御し（ここに、カメラ制御部１５０は、本発明における露出制御部として機能する）、フラッシュ制御部１４７を介してフラッシュ１０２を制御し、撮像制御部１６１と交信することで撮像動作を制御すると共に、撮像された画像データや各種情報を画像表示部１３１に表示し、インファインダ表示部１３２に各種情報を表示する。

さらに、カメラ制御部１５０は、ボディ１０と交換レンズ２０の間の交信部として機能する、マウント（ボディ側）１７１上に設けられたＢＬ交信部（ボディ側）１７２と、マウント（レンズ側）２７１上に設けられたＢＬ交信部（レンズ側）２７２を介して、交換レンズ２０のレンズインターフェース２５１経由で、レンズ２１１のフォーカスとズームを制御するレンズ制御部２４１、絞り２２１の制御を行う絞り制御部２２２、交換レンズ２０の固有情報を格納しているレンズ情報記憶部２３１と交信を行うことで、交換レンズ２０全体を制御する（ここに、カメラ制御部１５０は、本発明における露出制御部として機能する）。

交換レンズ２０のレンズ２１１によって結像される画像は、撮像素子１６２で光電変換された後、アンプ１６３で増幅され、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１６４でデジタルデータに変換され、画像処理部１６５で既定の画像処理を施したデジタル画像データに変換され、一旦画像メモリ１８１に記録された後、最終的にはメモリカード１８２に記録される。これらの動作は、カメラ制御部１５０の制御下で、撮像制御部１６１によって制御される（ここに、カメラ制御部１５０および撮像制御部１６１は、本発明におけるダイナミックレンジ制御部として機能する）。

次に、本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラ１におけるブラケット撮像について説明する。図３乃至図６は、本発明におけるブラケット撮像の動作の流れを示すフローチャートであり、図３がメインルーチン、図４乃至図６が各ブラケット撮像モードを示すサブルーチンである。

図３で、ステップＳ１０１で電源スイッチ１１１が操作されてカメラ電源が投入されると、ステップＳ１１１で、モード設定ダイアル１１２で設定されているデジタルカメラ１の動作モードが確認される。カメラモードに設定されている場合（ステップＳ１１１；ＹＥＳ）は、ステップＳ１２１に進む。カメラモード以外（例えば、画像再生モード等）に設定されている場合（ステップＳ１１１；ＮＯ）は、設定に従った各モードの制御に移行する。説明は省略する。

ステップＳ１２１で、デジタルカメラ１のカメラモードでの撮像モードが、ブラケット撮像モードに設定されているかどうかが確認される。ブラケット撮像モードに設定されている場合（ステップＳ１２１；ＹＥＳ）は、ステップＳ１３１に進む。ブラケット撮像モード以外の撮像モード（例えば、連写モード等）に設定されている場合（ステップＳ１２１；ＮＯ）は、設定に従った各モードの制御に移行する。説明は省略する。

ステップＳ１３１で、ブラケット撮像モード時に露出を一定にする設定がなされているかどうかが確認される。露出を一定にする設定がなされている場合（ステップＳ１３１；ＹＥＳ）は、ステップＳ１３２に進み、図４の「ブラケットＡモード」サブルーチンが実行されて、ステップ１１１に戻り、デジタルカメラ１の動作モードがカメラモードから変更されていないかどうかが確認される。以降、上述の動作の流れを繰り返す。

ステップＳ１３１で、露出を一定にする設定がなされていない場合（ステップＳ１３１；ＮＯ）は、ステップＳ１４１で、ブラケット撮像モード時にダイナミックレンジを一定にする設定がなされているかどうかが確認される。ダイナミックレンジを一定にする設定がなされている場合（ステップＳ１４１；ＹＥＳ）は、ステップＳ１４２に進み、図５の「ブラケットＢモード」サブルーチンが実行されて、ステップ１１１に戻り、以降、上述の動作の流れを繰り返す。

ステップＳ１４１で、ダイナミックレンジを一定にする設定がなされていない場合（ステップＳ１４１；ＮＯ）は、ステップＳ１５１に進み、図６の「ブラケットＣモード」サブルーチンが実行されて、ステップ１１１に戻り、以降、上述の動作の流れを繰り返す。

図４は、上述のステップＳ１３２の「ブラケットＡモード」、すなわち露出を一定にしたブラケット撮像を行うモードのサブルーチンである。

ステップＳ３０１で、レリーズボタン１０１が操作されて、ＡＦ／ＡＥスイッチ１０１ａがオンされたかどうかが確認される。オンされるまで、ステップＳ３０１で待機する。オンされたら（ステップＳ３０１；ＹＥＳ）、ステップＳ３１１でＡＦ動作が行われて合焦される。ステップＳ３１２で、測光モジュール１２１ｂで測光が行われ、ステップＳ３１３で、測光結果から、露出、すなわち交換レンズ２０の絞り２２１の絞り値とシャッタ１４５のシャッタ速度が設定される。

ステップＳ３１４で、ステップＳ３１３で設定された露出に合わせて、ブラケット撮像の１コマ目のダイナミックレンジが設定される。ステップＳ３２１で、レリーズボタン１０１が操作されて、レリーズスイッチ１０１ｂがオンされたかどうかが確認される。オンされるまで、ステップＳ３０１からステップＳ３２１の動作の流れが繰り返される。オンされたら（ステップＳ３２１；ＹＥＳ）、ステップＳ３２２で、ステップＳ３１３で設定された絞り値およびシャッタ速度と、ステップＳ３１４で設定されたダイナミックレンジで撮像が行われ、ステップＳ３２３で、撮像された画像と画像の付属情報（ブラケットＡモードで撮像されたことを表すフラグ等）が、画像メモリ１８１に一旦記録される。露出、すなわち絞り値とシャッタ速度は、既定のコマ数のブラケット撮像が終了するまで同一設定に保持される。

ステップＳ３３１で既定のブラケット撮像のコマ数が終了したか否かが確認される。終了していない場合（ステップＳ３３１；ＮＯ）は、ステップＳ３４１で、現在設定されているダイナミックレンジを既定値だけずらせて再設定し、ステップＳ３２２に戻って、保持された露出と再設定されたダイナミックレンジで撮像が行われ、ステップＳ３２３で、撮像された画像と画像の付属情報が、画像メモリ１８１に一旦記録される。既定のブラケット撮像のコマ数が終了した場合（ステップＳ３３１；ＹＥＳ）、ステップＳ３３２で、画像メモリ１８１に記録されたブラケット撮像コマ数分の画像をメモリカード１８２に記録し、メインルーチンに戻る。

図５は、上述のステップＳ１４２の「ブラケットＢモード」、すなわちダイナミックレンジを一定にしたブラケット撮像を行うモードのサブルーチンである。図４と同じステップには同じ番号を付与し、説明は省略する。

「ブラケットＢモード」では、ステップＳ４２２で、ステップＳ３１３で設定された絞り値およびシャッタ速度と、ステップＳ３１４で設定されたダイナミックレンジで撮像が行われ、ダイナミックレンジは、既定のコマ数のブラケット撮像が終了するまで同一設定に保持される。ステップＳ４４１で、現在設定されている露出、すなわち絞り値とシャッタ速度の組み合わせを既定値だけずらせて再設定し、ステップＳ４２２に戻って、保持されたダイナミックレンジと再設定された露出で撮像が行われる。

図６は、上述のステップＳ１５１の「ブラケットＣモード」、すなわち露出もダイナミックレンジも一定にしないブラケット撮像を行うモードのサブルーチンである。図４および図５と同じステップには同じ番号を付与し、説明は省略する。

「ブラケットＣモード」では、ステップＳ５２２で、ステップＳ３１３で設定された絞り値およびシャッタ速度と、ステップＳ３１４で設定されたダイナミックレンジで撮像が行われるが、露出もダイナミックレンジも、ブラケット撮像中一定にされることはなく、ステップＳ５４１で、現在設定されている露出、すなわち絞り値とシャッタ速度の組み合わせを既定値だけずらせて再設定し、ステップＳ５４２で、現在設定されているダイナミックレンジを既定値だけずらせて再設定し、ステップＳ５２２に戻って、再設定された露出と再設定されたダイナミックレンジで撮像が行われる。

なお、上述の説明では、露出の再設定は、絞り値とシャッタ速度の組み合わせを既定値だけずらせることで行うとしたが、もちろん絞り値のみ、あるいはシャッタ速度のみを変更してもよい。また、露出およびダイナミックレンジの再設定は、現在の設定値を既定値だけずらせて再設定するとしたが、もちろん、ずらし量をユーザが外部から設定できるようにしてもよいし、プログラマブルにしてもよい。

次に、本発明における、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する撮像素子１６２の第１の例について、図７および図８を用いて説明する。

図７は、撮像素子１６２の内部構成を示すブロック図である。図中、図２と同じ部分には同じ番号を付与した。撮像素子１６２上には、画素１６２ａが２次元的に配列されている。垂直走査回路１６２ｂによって選択された水平行の画素１６２ａの光電変換出力ＶＰは、垂直信号線３０６に出力され、サンプルホールド回路１６２ｃに１行分同時にホールドされ、水平走査回路１６２ｅの走査により、出力回路１６２ｄから画像出力３０７として順次出力され、アンプ１６３に入力される。撮像素子１６２の各動作は、撮像制御部１６１からの撮像制御信号３０５に従って、タイミングジェネレータ（ＴＧ）１６２ｆにより制御される。

図８は、撮像素子１６２を構成する、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する画素１６２ａの回路の第１の例を示す回路図である。

画素１６２ａは、フォトダイオードＰＤ、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としてのトランジスタＴ１〜Ｔ６、及び積分用のコンデンサとしてのキャパシタＣから構成されている。トランジスタＴ１〜Ｔ６は、本例ではＰチャンネルＭＯＳＦＥＴが採用されている。φＶＤ、φＶ、φＶＰＳ、φＲＳＴ、φＳ及びＲＳＢは、各トランジスタやキャパシタＣに対する信号（電圧）を示し、ＧＮＤは接地を示している。

フォトダイオードＰＤは光電変換部であり、被写体からの入射光量に応じた光電流ＩＰＤを出力する。

トランジスタＴ１は、トランジスタＴ２の製造バラツキに起因して発生する画素間の誤差成分を示す画素バラツキ信号を取り出す際に用いるスイッチであり、通常はオン状態とされており、トランジスタＴ２とフォトダイオードＰＤ間に光電流ＩＰＤが流れるようになっている。画素バラツキ信号を取り出す際には、トランジスタＴ１がオフ状態となりフォトダイオードＰＤの光電流ＩＰＤが遮断され、前記の画素バラツキ信号だけが取り出される。

トランジスタＴ２は、ゲートとドレインが接続されており、ＭＯＳＦＥＴにおけるサブスレッショルド特性（ゲート電圧が閾値以下の時に、サブスレッショルド電流と呼ばれる微小電流が流れる特性）を利用して、同トランジスタのゲートに、光電流ＩＰＤに対して線形変換又は対数変換した電圧を発生させる働きをする。

具体的には、撮像される被写体が暗い場合、すなわち、フォトダイオードＰＤに入射される入射光量が少ない場合には、トランジスタＴ２のゲート電位が同トランジスタのソース電位より高くなっているために、トランジスタＴ２が所謂カットオフ状態であり、トランジスタＴ２にサブスレッショルド電流が流れず、フォトダイオードＰＤで発生する光電流ＩＰＤがフォトダイオードＰＤの寄生容量ＣＰＤに流れて光電流ＩＰＤが積分され、積分電荷量に応じた電圧が発生する。

このときＴ１はオンされているので、寄生容量ＣＰＤに積分された光電流ＩＰＤに応じた電圧が、電圧ＶＧとしてトランジスタＴ２、Ｔ３のゲートに発生する。この電圧ＶＧにより、トランジスタＴ３に電流が流れ、この電圧ＶＧに比例した量の電荷がキャパシタＣに蓄積される（トランジスタＴ３とキャパシタＣとで積分回路を構成している）。そして、トランジスタＴ３とキャパシタＣとの接続ノードａ、すなわち出力ＶＯＵＴには、光電流ＩＰＤの積分値に対して線形的に比例した電圧が現れる。これが線形特性領域における動作である。

一方、撮像される被写体が明るく、フォトダイオードＰＤに入射される入射光量が多い場合には、トランジスタＴ２のゲート電位が同トランジスタのソース電位以下となり、トランジスタＴ２がサブスレッショルド領域で動作するためにサブスレッショルド電流が流れ、光電流ＩＰＤを自然対数的に変換した値の電圧ＶＧがトランジスタＴ２、Ｔ３のゲートに発生する。そして、この電圧ＶＧにより、トランジスタＴ３に電流が流れ、キャパシタＣに、光電流ＩＰＤの積分値を自然対数的に変換した値と同等の電荷が蓄積される。これにより、キャパシタＣとトランジスタＴ３との接続ノードａ（出力ＶＯＵＴ）には、光電流ＩＰＤの積分値を自然対数的に変換した値に比例した電圧が生じる。これが当該撮像センサ３０の、対数特性領域における動作である。

上述したように、画素１６２ａの動作が線形特性となるか対数特性となるかは、トランジスタＴ２のゲート電位ＶＧとソース電位φＶＰＳの高低の関係によって決まる。ゲート電位ＶＧは上述のように光電流ＩＰＤによって決まるので、ソース電位φＶＰＳを制御することで線形特性と対数特性の切り替わる点（変曲点）を制御することができる。

以上のように、被写体の明るさ、すなわち入射光量に応じて、各画素毎に、光電流ＩＰＤの積分値に線形的又は自然対数的に比例した電圧が発生される。

トランジスタＴ４は、キャパシタＣをリセットするためのトランジスタであり、該トランジスタＴ４のゲートに印加される電圧φＲＳＴに応じてオン、オフされるスイッチとして動作する。トランジスタＴ４がオンされると、キャパシタＣにリセット電圧ＲＳＢが印加され、蓄積されていた電荷が積分開始前の状態に戻される。

トランジスタＴ５は、ソースフォロワ増幅回路を構成するものであり、前述した出力ＶＯＵＴに対する電流増幅を行うことで、出力インピーダンスを下げる働きをする。

トランジスタＴ６は、信号読み出し用のトランジスタであり、ゲートに印加される電圧φＶに応じてオン、オフされるスイッチとして動作する。トランジスタＴ６のソースは、出力信号線３０６に接続されており、トランジスタＴ６がオンされると、トランジスタＴ５で電流増幅されて低インピーダンス化された光電変換出力ＶＰを、出力信号線３０６へ導出する。

続いて、図８に示した画素１６２ａを用いた撮像素子１６２の光電変換特性と、それに基づいたブラケット撮像時の露出制御及びダイナミックレンジ制御の再設定方法について詳述する。図９は、露出を一定にしてダイナミックレンジのみを制御する場合の撮像素子１６２の画素１６２ａの光電変換特性の変化を示す模式図、図１０は、ダイナミックレンジを一定にして露出のみを制御する場合の撮像素子１６２の画素１６２ａの光電変換特性の変化を示す模式図、図１１は、ダイナミックレンジと露出の両方を制御する場合の撮像素子１６２の画素１６２ａの光電変換特性の変化を示す模式図である。図９乃至図１１は、横軸が被写体輝度Ｂの対数座標（被写体輝度の対数値）、縦軸が光電変換出力ＶＰである。

まず、露出を一定にしてダイナミックレンジのみを制御するブラケットＡモードの撮像（図４のフローチャートに相当）について、図９を用いて説明する。ここでは、説明を簡単にするために、ブラケット撮像を、適正ダイナミックレンジ１コマに対して、ダイナミックレンジが広い側と狭い側を１コマずつの計３コマを撮像するとして説明する。

光電変換特性４０２は、図４のステップＳ３１２の測光動作の結果から、例えば前述の特願２００４−１５９７６０号に記載の方法によって決定される適正なダイナミックレンジを示す光電変換特性である。光電変換特性４０２は変曲点４１２（このときの光電変換出力はＶｔｈ４２）を境として線形特性領域（被写体輝度の暗い側）と対数特性領域（同、明るい側）とに分かれている。

この光電変換特性４０２に対して、ブラケットＡモードの撮像時のダイナミックレンジずらし量として設定されている、既定値分だけダイナミックレンジをずらせるために必要な図８のトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御の再設定値が演算される。この時、露出、すなわち絞り値とシャッタ速度は、光電変換特性４０２と同じに保たれる。光電変換特性４０１がダイナミックレンジの狭い側、光電変換特性４０３がダイナミックレンジの広い側の特性で、それぞれ、適正ダイナミックレンジの光電変換特性４０２に対して、変曲点の光電変換出力が、それぞれＶｔｈ４１とＶｔｈ４３にシフトされており、それによって、それぞれ、ダイナミックレンジがＤＲ４２より狭いＤＲ４１、および広いＤＲ４３に変更されている。

これによって、同一の被写体で、露出を一定にしたままでも、ダイナミックレンジを変化させることで、見た目の異なるブラケット撮像画像を得ることができる。

実際のブラケット撮像においては、ステップＳ３１２の測光動作の結果に基づいて、まずステップＳ３１４で、光電変換特性４０１のダイナミックレンジＤＲ４１となるようなトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が設定され、ステップＳ３２２でその制御値を用いて撮像が行われる。次にステップＳ３４１で、光電変換特性４０２のダイナミックレンジＤＲ４２となるようなトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が再設定され、ステップＳ３２２で撮像が行われる。次にステップＳ３４１で、光電変換特性４０３のダイナミックレンジＤＲ４３となるようなトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が再設定され、ステップＳ３２２で撮像が行われる。以上で既定の３コマの撮像が終了したので、ステップＳ３３１でループから抜けてサブルーチンを終了する。

次に、ダイナミックレンジを一定にして露出のみを制御するブラケットＢモードの撮像（図５のフローチャートに相当）について、図１０を用いて説明する。ここでは、説明を簡単にするために、ブラケット撮像を、適正露出１コマに対して、露出オーバー側とアンダー側を１コマずつの計３コマを撮像するとして説明する。

光電変換特性５０２は、図５のステップＳ３１２の測光動作によって得られた適正露出での光電変換特性である。光電変換特性５０２は変曲点５１２（このときの光電変換出力値はＶｔｈ５２）を境として線形特性領域（被写体輝度の暗い側）と対数特性領域（同、明るい側）とに分かれている。

この光電変換特性５０２に対して、ブラケットＢモードの撮像時の露出ずらし量として設定されている既定の露出オーバー量および露出アンダー量だけ露出をずらせるために必要な絞り値とシャッタ速度が演算される。この時、図８のトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値をＶｔｈ５２のままにすると、線形特性領域のカーブの傾きのみが変化して、線形特性領域と対数特性領域の切り替わり点および対数特性領域が図１０の水平方向に平行移動するので、ダイナミックレンジが変化してしまうので、ダイナミックレンジＤＲ５１を一定にするために、演算された絞り値とシャッタ速度に合わせて図８のトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値も再設定される。光電変換特性５０１が露出オーバー側、光電変換特性５０３が露出アンダー側の特性であり、変曲点はＶｔｈ５２からそれぞれＶｔｈ５１およびＶｔｈ５３に変更されている。

これによって、ダイナミックレンジを一定にすることで、露出を変化させても撮像可能な被写体輝度範囲が変わらない、すなわち高輝度側で白つぶれしない撮像が可能となる。

実際のブラケット撮像においては、ステップＳ３１２の測光動作の結果に基づいて、まずステップＳ３１３で、光電変換特性５０１に相当する絞り値とシャッタ速度が設定され、ステップＳ３１４で、ダイナミックレンジがＤＲ５１となるようにトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が設定され、ステップＳ４２２で撮像が行われる。次にステップＳ４４１で、光電変換特性５０２に相当する絞り値とシャッタ速度が再設定され、ステップＳ４４２で、ダイナミックレンジがＤＲ５１に一定にされるようにトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が再設定され、ステップＳ４２２で撮像が行われる。次にステップＳ４４１で、光電変換特性５０３に相当する絞り値とシャッタ速度が再設定され、ステップＳ４４２で、ダイナミックレンジがＤＲ５１に一定にされるようにトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が再設定され、ステップＳ４２２で撮像が行われる。以上で既定の３コマの撮像が終了したので、ステップＳ３３１でループから抜けてサブルーチンを終了する。

最後に、ダイナミックレンジも露出も制御するブラケットＣモードの撮像（図６のフローチャートに相当）について、図１１を用いて説明する。ここでは、説明を簡単にするために、ブラケット撮像を、適正の１コマに対して、露出がオーバーでダイナミックレンジの狭い１コマと露出がアンダーでダイナミックレンジが広い１コマの計３コマを撮像するとして説明する。

光電変換特性６０２は、図６のステップＳ３１２の測光動作によって得られた適正露出での光電変換特性である。光電変換特性６０２は変曲点６１２（このときの光電変換出力値はＶｔｈ６２）を境として線形特性領域（被写体輝度の暗い側）と対数特性領域（同、明るい側）とに分かれている。

この光電変換特性６０２に対して、ブラケットＣモードの撮像時の露出ずらし量として設定されている既定の露出オーバー量および露出アンダー量だけ露出をずらせるために必要な絞り値とシャッタ速度が演算される。さらに、演算された絞り値とシャッタ速度に合わせて、ダイナミックレンジをＤＲ６２からＤ６１あるいはＤ６３に再設定するための図８のトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値も再設定される。光電変換特性６０１が露出オーバー側、光電変換特性６０３が露出アンダー側の特性であり、変曲点はＶｔｈ６２からそれぞれＶｔｈ６１およびＶｔｈ６３に変更されている。

これによって、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する撮像素子を用いた撮像装置においても、通常の銀塩フィルムカメラや通常のデジタルカメラでのブラケット撮像の画像に近いブラケット撮像画像が得られる。

実際のブラケット撮像においては、ステップＳ３１２の測光動作の結果に基づいて、まずステップＳ３１３で、光電変換特性６０１に相当する絞り値とシャッタ速度が設定され、ステップＳ３１４で、ダイナミックレンジがＤＲ６１となるようにトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が設定され、ステップＳ５２２で撮像が行われる。次にステップＳ５４１で、光電変換特性６０２に相当する絞り値とシャッタ速度が再設定され、ステップＳ５４２で、ダイナミックレンジがＤＲ６２に変更されるようにトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が再設定され、ステップＳ５２２で撮像が行われる。次にステップＳ５４１で、光電変換特性６０３に相当する絞り値とシャッタ速度が再設定され、ステップＳ５４２で、ダイナミックレンジがＤＲ６３に変更されるようにトランジスタＴ２のソース電位φＶＰＳの制御値が再設定され、ステップＳ５２２で撮像が行われる。以上で既定の３コマの撮像が終了したので、ステップＳ３３１でループから抜けてサブルーチンを終了する。

次に、本発明における、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する撮像素子１６２の第２の例について、図１２を用いて説明する。図１２は、撮像素子１６２を構成する、線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する画素１６２ａの回路の第２の例を示す回路図である。

画素１６２ａは、埋め込み型フォトダイオードＰＤ１０、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴとしてのトランジスタＴ１１〜Ｔ１４から構成されている。トランジスタＴ１のドレインとＴ２のソースの接続部は、フローティングディフュージョンＦＤで構成されている。φＲＳＢ、φＲＳＴ、φＴＸ、φＶは、各トランジスタに対する信号（電圧）を示し、ＶＤＤは電源、ＧＮＤは接地を示している。

埋め込み型フォトダイオードＰＤ１０は光電変換部であり、被写体からの入射光量に応じた光電流ＩＰＤを発生する。埋め込み型フォトダイオードは、光電変換された光電流を直接取り出せないため、転送ゲートとフローティングディフュージョンと呼ばれる取り出し部を介して出力する。

トランジスタＴ１１は転送ゲートと呼ばれ、埋め込み型フォトダイオードＰＤ１０によって光電変換された光電荷をフローティングディフュージョンＦＤに転送するための素子であり、通常はオン状態とされており、トランジスタＴ１２とフォトダイオードＰＤ１０間に光電流ＩＰＤが流れるようになっている。

トランジスタＴ１２は、リセットゲートと呼ばれ、埋め込み型フォトダイオードＰＤ１０およびフローティングディフュージョンＦＤを高電位にリセットする働きと、ＭＯＳＦＥＴにおけるサブスレッショルド特性（ゲート電圧が閾値以下の時に、サブスレッショルド電流と呼ばれる微小電流が流れる特性）を利用して、同トランジスタのソースに、光電流ＩＰＤに対して線形変換又は対数変換した電圧を発生させる働きをする。

具体的には、撮像される被写体が暗い場合、すなわち、フォトダイオードＰＤ１０に入射される入射光量が少ない場合には、リセット動作によりトランジスタＴ１２のゲート電位が同トランジスタのソース電位より低くなっているために、トランジスタＴ１２が所謂カットオフ状態であり、トランジスタＴ１２にサブスレッショルド電流が流れず、埋め込み型フォトダイオードＰＤ１０で発生する光電流ＩＰＤが、高電位にリセットされた埋め込み型フォトダイオードＰＤ１０の寄生容量ＣＰＤ１０を放電することで光電流ＩＰＤが積分され、積分電荷量に応じた電圧ＶＦＤがフローティングデフュージョンＦＤに発生する。これが線形特性領域における動作である。

一方、撮像される被写体が明るく、フォトダイオードＰＤ１０に入射される入射光量が多い場合には、トランジスタＴ１２のゲート電位が同トランジスタのソース電位以上となり、トランジスタＴ１２がサブスレッショルド領域で動作するためにサブスレッショルド電流が流れ、光電流ＩＰＤを自然対数的に変換した電圧ＶＦＤがフローティングディフュージョンＦＤに発生する。これが対数特性領域における動作である。本第２の例では、図８に示した第１の例のように積分用キャパシタＣを持っていないため、対数特性領域での出力ＶＦＤは、光電流ＩＰＤの積分値を対数変換したものではなく、その瞬間での光電流ＩＰＤの対数変換値となる。

上述したように、画素１６２ａの動作が線形特性となるか対数特性となるかは、トランジスタＴ１２のゲート電位とソース電位の高低の関係によって決まる。従って、ゲート電位φＲＳＴを適切に制御することで線形特性と対数特性の切り替わる点（変曲点）を制御することができる。

トランジスタＴ１３は、ソースフォロワ増幅回路を構成するものであり、前述した出力ＶＦＤに対する電流増幅を行うことで、出力インピーダンスを下げる働きをする。

トランジスタＴ１４は、信号読み出し用のトランジスタであり、ゲートに印加される電圧φＶに応じてオン、オフされるスイッチとして動作する。トランジスタＴ１４のソースは、出力信号線３０６に接続されており、トランジスタＴ１４がオンされると、トランジスタＴ１３で電流増幅されて低インピーダンス化された光電変換出力ＶＰを、出力信号線３０６へ導出する。

本第２の例の画素回路を用いてブラケット撮像を行う場合は、図４から図６に示したフローチャートのφＶＰＳをφＲＳＴと読み替えればよい。ただし、図５のフローチャートに示した制御を行う場合は、ステップＳ３１４でφＲＳＴを設定すれば、上述のように、対数特性領域では、光電変換出力は、撮像の瞬間の光電流ＩＰＤの対数変換値となるため、ステップＳ４４１で露出（絞り値とシャッタ速度）を変更することで、ステップＳ４４２でのφＲＳＴの変更を行わなくてもＶｔｈが自動的に変化してダイナミックレンジを一定に保つので、図１０に示した光電変換特性を得ることができる。

また、その他に、特許文献４に示した、露光量の異なる複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を合成する撮像素子や、特許文献５に示した撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変である撮像素子等の対数変換型以外の広ダイナミックレンジ撮像素子を用いた撮像装置に対しても、本発明は適用可能である。

以上に述べたように、本発明によれば、複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を用いたブラケット撮像に際して、露出とダイナミックレンジを各々独立して制御することで、適正な露出とダイナミックレンジを両立させた複数のブラケット撮像モードを備えた撮像装置および撮像方法を提供することができる。

尚、本発明に係る撮像装置を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの外観模式図である。 図１に示したデジタルカメラの回路の一例を示すブロック図である。 本発明におけるブラケット撮像の動作の流れを示すフローチャートのメインルーチンである。 本発明におけるブラケット撮像の動作の流れを示すフローチャートのサブルーチン（１／３）である。 本発明におけるブラケット撮像の動作の流れを示すフローチャートのサブルーチン（２／３）である。 本発明におけるブラケット撮像の動作の流れを示すフローチャートのサブルーチン（３／３）である。 本発明に係る撮像装置に用いられる撮像素子の内部構成を示すブロック図である。 線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する画素回路の第１の例を示す回路図である。 図４に示した制御フローによる撮像素子の画素の光電変換特性の変化を示す模式図である。 図５に示した制御フローによる撮像素子の画素の光電変換特性の変化を示す模式図である。 図６に示した制御フローによる撮像素子の画素の光電変換特性の変化を示す模式図である。 線形特性領域と対数特性領域とからなる光電変換特性を有する画素回路の第２の例を示す回路図である。

符号の説明

１ デジタルカメラ
１０ ボディ
２０ 交換レンズ
１０１ レリーズボタン
１０１ａ ＡＦ／ＡＥスイッチ
１０１ｂ レリーズスイッチ
１０２ フラッシュ
１１１ 電源スイッチ
１１２ モード設定ダイアル
１１５ ジョグダイアル
１２１ ファインダ
１２１ａ ファインダ接眼レンズ
１２１ｂ 測光モジュール
１３１ 画像表示部
１３２ インファインダ表示部
１４１ レフレックスミラー
１４２ サブミラー
１４３ ミラー駆動部
１４４ ＡＦモジュール
１４５ シャッタ
１４６ シャッタ駆動部
１４７ フラッシュ制御部
１５０ カメラ制御部
１５１ ＣＰＵ（中央処理装置）
１５２ ワークメモリ
１５３ 記憶部
１６１ 撮像制御部
１６２ 撮像素子
１６３ アンプ
１６４ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
１６５ 画像処理部
１７１ マウント（ボディ側）
１７２ ＢＬ交信部（ボディ側）
１８１ 画像メモリ
１８２ メモリカード
２１１ レンズ
２２１ 絞り
２２２ 絞り制御部
２３１ レンズ情報記憶部
２４１ レンズ制御部
２５１ レンズインターフェース
２７１ マウント（レンズ側）
２７２ ＢＬ交信部（レンズ側）

Claims (7)

1. 複数の異なる光電変換特性を有する撮像素子を備えた撮像装置において、
   被写体の輝度情報に基づいて、被写体を撮像するに際しての露出の制御を行う露出制御部と、
   前記撮像素子のダイナミックレンジを制御するダイナミックレンジ制御部と、
   ブラケット撮像モードを設定するモード設定手段と、
   前記モード設定手段によりブラケット撮像モードが設定されたときに、
   撮像毎に、前記露出制御部に露出を制御させ、前記ダイナミックレンジ制御部にダイナミックレンジを制御させながら、前記撮像素子による複数枚の撮像を行う撮像制御部とを有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記露出制御部は露出を一定に制御し、
   前記ダイナミックレンジ制御部はダイナミックレンジを複数の異なる値に制御し、
   前記撮像制御部は、該複数の異なるダイナミックレンジ毎に撮像を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記露出制御部は露出を複数の異なる値に制御し、
   前記ダイナミックレンジ制御部はダイナミックレンジを一定に制御し、
   前記撮像制御部は、該複数の異なる露出毎に撮像を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記露出制御部は露出を複数の異なる値に制御し、
   前記ダイナミックレンジ制御部はダイナミックレンジを複数の異なる値に制御し、
   前記撮像制御部は、該複数の異なる露出とダイナミックレンジの組毎に撮像を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記撮像素子は、入射光量に応じた電気信号を発生すると共に、前記入射光量に対して電気信号が線形的に変換されて出力される線形特性領域と、前記入射光量に対して電気信号が対数的に変換されて出力される対数特性領域とからなる光電変換特性を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
6. 前記撮像素子は、露光量の異なる複数の画面から適正レベルの画面部分を選択して合成することにより、個々の画面よりも広いダイナミックレンジの画像を合成するものであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。
7. 前記撮像素子は、前記撮像素子の光電変換信号電荷を信号電圧に変換する電荷電圧変換部を持ち、前記電荷電圧変換部は異なる電圧依存性を有する複数の容量からなり、ダイナミックレンジが可変であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像装置。

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