JP2002094797A

JP2002094797A - Ｃｃｄ信号処理における光学的黒及びオフセット補正のノイズ・フィルタリングのデジタル方式

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Publication number: JP2002094797A
Application number: JP2000309912A
Authority: JP
Inventors: Biruhan Haidaru; ビルハンハイダル; Chandrasekaran Ramesh; チャンドラセカランラメシュ
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-03-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＣＤにおける不良画素の発生を防止する。【解決手段】ホット／コールド画素及びライン・ノイ
ズ・フィルタリングを有する電荷結合デバイスのための
画像処理装置（８００）が開示され、光学的黒及びオフ
セット補正を提供する。本発明は、デジタル的にプログ
ラム可能なバンド幅が存在するように、電荷結合デバイ
スのノイズのない光学的黒補正を得るためのデジタル・
フィルタを有するオフセット及び光学的黒補正回路を教
示する。チャンネル・オフセットと光学的黒レベルの和
は、ライン毎に多数の光学的黒セルを有する所定数のラ
インに対して平均化され、この和はデジタル・フィルタ
を介して通過する。更に、チャンネルは、その平均値に
対応する、ユーザがプログラム可能なＡＤＣ（８１０）
出力を得るため、デジタル的に較正される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は画像処理に関連し、
更に特定して言えば、デジタル光学的黒及びオフセット
補正とノイズ・フィルタ作用を提供する、電荷結合デバ
イスのアナログ・フロント・エンドに関する。

【０００２】

【従来の技術及びその課題】集積回路の設計及び製造の
著しい進歩により、デジタル電子カメラを含めて、低コ
ストで集積度の高い高性能な画像処理製品ができるよう
になっている。従来のカメラは、典型的にはアレイ電荷
結合デバイス（ＣＣＤ）である画像センサと、アナログ
・フロント・エンド（ＡＦＥ）と、デジタル画像処理装
置とを含む。光学的黒及びオフセット較正を有するアナ
ログ・フロント・エンドの多くは、光学的黒期間の間、
エラー信号をコンデンサに積分し、ビデオ期間の間、生
成された電圧を入力にフィードバックして、オフセット
又は光学的な黒の値を相殺する方式を含む。図１の回路
１００に示されているように、デジタル・イメージング
に用いられる集積されたフォトセルのアレイであるＣＣ
Ｄ１０２は、ＡＣカップリングのためコンデンサ１０４
及びクランプ回路１０６に接続される。コンデンサ１０
４に接続されるＡＦＥは一般的に、３つの主な要素：相
関ダブル・サンプラー１０８（ＣＤＳ）、プログラマブ
ル利得増幅器１１０（ＰＧＡ）、及びアナログ・デジタ
ル変換器１１２（ＡＤＣ）を含む。任意のカメラ設計の
基本的な目的は、後続の回路に何らノイズを付加するこ
となく、画像センサからできるだけ大きなダイナミック
・レンジを引き出すことである。このような構造を有す
る従来の画像処理装置１００の特定の動作を、図２ａ及
び図２ｂのＣＣＤ１０２のタイミング・チャートを参照
して説明する。詳細には、ＣＣＤ１０２の出力は、リセ
ット・パルス、参照レベル、及びビデオ・レベルを有す
る。ＣＣＤ１０２からの出力は、ＣＤＳ１０８によって
２度サンプリングされて、参照レベルの間第１のサンプ
ルが取られ、ビデオ信号の間第２のサンプルが取られ
る。その差が、対応するＣＤＳ１０８の出力である。光
学的黒レベルとビデオ・レベルの間のこの差は、任意の
所定の画素に対する実際の画像の値を表わす。図２ｂに
示されているように、暗いセルは、フレームの画素毎
に、及びライン毎に変化し得るフォトセルの暗電流のた
め、ゼロ・ディファレンシャル出力を生成しない。暗電
流又は「光学的黒レベル」、及びＣＤＳ１０８、ＰＧＡ
１１０、及びＡＤＣ１１２で用いられる全ての増幅器の
内部オフセットにより、その結果の、暗いセルに対する
ＡＤＣ１１２の出力はゼロにはならない。更に複雑なこ
とに、ＣＤＳ１０８のオフセット及び光学的黒レベル
は、ＰＧＡ１１０からの利得で乗算される。信号に対し
て理想のダイナミック・レンジを達成するために、黒レ
ベルとオフセットは取除かれなければならない。

【０００３】図２ａ及び図２ｂに示されているように、
ＣＤＳ１０８の機能は、各画素の参照レベルとビデオ・
レベルとの間の電位差を感知及び生成することである。
ＣＤＳ１０８を用いる最も重要な利点は、ノイズを減ら
すことである。ビデオ・レベルから参照レベルを減算す
ることによってビデオ・データを捕捉することに加え、
これらの２つの信号に共通するノイズはすべてＣＤＳ１
０８によって取除かれる。切替えコンデンサ増幅器のオ
フセットを相殺する１つの方式は、サンプリング・フェ
ーズの間、単位利得フィードバックに増幅器を置くこと
である。このようにして、増幅フェーズの間、入力オフ
セットもサンプリング及び相殺される。しかし、高速で
高い閉ループ利得が必要とされるアプリケーションで
は、単位利得フィードバックで安定した増幅器は維持さ
れ得ない。更に、この方式は、光学的黒レベルを補正し
ない。別の方式は、図３に示されたフィードバック回路
３００を用いて光学的黒レベルを補正する。この方式
は、積分器で光学的黒エラーを積分し、ＰＧＡ３０６の
入力に負のフィードバックを供給する。フィードバック
回路は、アナログの光学的黒信号のレベルを所定のレベ
ルに制御するよう動作する。しかし、この技術は、デジ
タル・プログラマビリティの柔軟性に欠け、複雑なアナ
ログ回路を必要とし、時にはオフ・チップ・コンデンサ
も必要とする。更にこの技術は、増幅器出力の遅延のた
め、離散時間（切替えコンデンサ）のシステムに適さな
い。しかし、最適なダイナミック・レンジのためにはア
ナログ・ドメインのオフセットを相殺するほうが良いた
め、代替として、ポスト・デジタル光学的黒補正技術は
望ましくない。同時係属中の米国特許出願番号０９／３
５３，９１９は、図４に示されているように、移動平均
化フィルタ方式を用いて光学的な黒オフセット補正を行
うＣＣＤ信号処理方法を提供し、光学的黒画素が各々の
ラインの始めで平均化され、オフセットを相殺するため
にオフセットＤＡＣ４１８が更新されるようにする。
アナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ）は、ＣＣＤ出力
信号をデジタル・データに変換して、この後のデジタル
信号処理ができるようにする。ＡＦＥの入力では、ＣＣ
Ｄ出力信号の直流レベルを入力ダイナミック・レンジに
クランプする。ノイズ性能及びダイナミック・レンジを
一層良くするため、クランプされた入力信号に対して相
関ダブル・サンプリングが適用される。相関ダブル・サ
ンプラー（ＣＤＳ）の出力が、線形制御で指数関数的に
変化するプログラム可能な利得によって増幅される。そ
の後、増幅されたアナログ信号がデジタル・データに変
換される。ダイナミック・レンジを最大にするために、
光学的な黒の値及びチャンネル・オフセットが補正され
る。

【０００４】信号の光学的黒レベル・サンプリングの間
閉じているスイッチ４１０を有するフィードバック・ル
ープを用いて、デジタル平均化器４１２が光学的黒画素
を平均化する。コンパレータ４１４は、所望の光学的黒
レベルと平均化された光学的黒レベルとを比較する。こ
れにより、アップ及びダウン制御信号がアップ／ダウン
・カウンタ４１６へ提供される。カウンタ／レジスタ４
１６は、ＡＤＣ４０８の出力が所望の光学的黒レベルに
収束するまで、カウント・アップ又はカウント・ダウン
する。デジタル・アナログ変換器４１８は、カウンタの
出力を、ＣＤＳ４０２からの画像信号出力に適用される
ようにアナログ電圧に変換する。しかし、この回路配置
は、光学的黒レベル・オフセットを相殺するために、フ
ィードバック・ラインの未知数の反復を行う。更に、Ｐ
ＧＡ利得があまりに高いと、相殺の精度が悪化する。出
願人の同時係属中の出願、米国特許出願番号０９／３５
３，９１９の第２の実施例は、移動平均化フィルタ方式
を用いて光学的な黒オフセット補正を行うＣＣＤ信号処
理方法を提供し、光学的黒画素が各々のラインの始めで
平均化され、オフセットを相殺するために、オフセット
ＤＡＣ、即ち、ＤＡＣ−Ｃ６１２及びＤＡＣ−Ｆ６１
４が更新されるようにする。具体的に言うと、図６に示
されているように、回路６００は、粗調整モード及び微
細調整モードを用いてアナログ・ドメインでオフセット
及び光学的な黒の値を補正するミックスド・シグナル技
術を含む。デジタル光学的黒補正回路６１６は、画像信
号のアナログ・オフセットが調整されるべき必要な量を
決定する。ＤＡＣ−Ｃ６１２及びＤＡＣ−Ｆ６１４
は、それぞれ粗調整モード及び微細調整モードでオフセ
ットを提供する。この高度にプログラム可能な技術は、
離散時間系及び連続時間系の両方において用いることが
でき、オフ・チップ部品を必要としない。動作について
説明すると、ＣＣＤ画像ラインがライン・レジスタへ垂
直方向にシフトされ、その後、このラインの画素が出力
ピンへ水平方向にシフトされる。この工程は、フレーム
内の光学的な黒の値を次第に増加させ、これは補正され
る必要がある。図７に示されているように、画像フレー
ム又はフィールドの最初のラインに対し、光学的な黒の
値に初期のジャンプがあることがある。このジャンプ
は、異なる露出時間によって引き起こされる。その後、
平均値が次第に増加する。画像読み込みモードの間、光
学的な黒の値のシフトによる緩やかな傾斜に加え、図示
するようなライン・ノイズが存在し、このため、補正Ｄ
ＡＣがライン毎に更新される場合、ライン・ノイズが存
在し得る。ＤＡＣ更新が、ユーザがプログラムし得る一
定数のラインにわたって成される場合、画像には目に見
える帯があることがある。更に、ある光学的黒画素が不
良である、即ち、ホット光学的黒画素及びコールド光学
的黒画素であることがあるので、平均値はラインによっ
て異なる。ホット画素は、生成する電荷が多すぎる不良
画素であり、コールド画素は、全く電荷を生成しない画
素である。画像に帯を発生することなく、ライン・ノイ
ズ、及びホット画素及びコールド画素を取除くためのＣ
ＣＤ光学的黒補正用の移動平均化フィルタ方式であっ
て、かなりの量のレジスタ及び複雑なデジタル回路を省
くために直接的な移動平均化フィルタを用いることがで
きる、又はその簡略版を用いることができる方式が必要
とされている。

【０００５】

【課題を達成するための手段及び作用】光学的黒及びオ
フセット補正を有するアナログ・フロント・エンド回路
の上述の欠点に対処するため、本発明は、電荷結合デバ
イスのノイズのない光学的黒補正を得るためのデジタル
・フィルタを有し、デジタル的にプログラム可能なバン
ド幅が存在するようにするオフセット及び光学的黒補正
回路を教示する。本発明に従って、高周波ノイズ成分を
有するデジタル・エラー信号など、ＡＤＣの出力にある
チャンネル・オフセットと光学的黒レベルの和は、ホッ
ト／コールド画素フィルタ作用を介して通過し、所定数
のライン及びライン当たりの光学的な黒セルに対して平
均化される。最終的に、これは、プログラム可能なバン
ド幅を有するデジタル・フィルタを介して通過して、フ
ィルタリングされたデジタル・エラー信号を生成する。
このエラー信号は、ＡＤＣの出力で所望の光学的黒レベ
ルを得るために、デジタル・アナログ変換器を介してア
ナログ・チャンネルにフィードバックされる。

【０００６】本発明に従った画像処理装置の第1の実施
例は、ＣＣＤと光学的黒及びオフセット補正回路との間
に接続されるアナログ・フロント・エンド回路を含む。
この装置は、入力画像信号をサンプリングするためのサ
ンプリング回路と、光学的黒レベルを検出するための検
出回路を含む。デジタル平均化器が、画像信号の各ライ
ンの始めに光学的黒画素を平均化する。更に、デジタル
平均化器は、光学的黒画素の平均化の前にホット画素及
びコールド画素をフィルタリングするための第１のフィ
ルタを含む。ライン・ノイズ・フィルタは、平均化され
た光学的黒信号を受けとり、更に、光学的黒信号からラ
イン・ノイズを取除く。デジタル・コンパレータが、参
照信号と光学的黒信号を受けとり、光学的黒信号を参照
信号と比較する。この差は、デジタル・コンパレータで
得られた差をフィードバックすることによって光学的黒
レベルを補正するための補正回路によって受信され、そ
の差がアナログ画像信号に適用されるようにする。本発
明の実施例の範囲内で、補正回路は、画像処理装置の入
力におけるアナログ画像信号に対する調整として適用さ
れるように、この差を逆にアナログ信号に変換するデジ
タル・アナログ変換器を含む。第２の実施例において、
補正回路は、画像処理における異なるポイントの画像信
号に対し粗調整及び微細調整を適用するために用いられ
る第１及び第２のデジタル・アナログ変換器を含む。既
知の通り、ＡＦＥは一般的に、３つの主な要素：相関ダ
ブル・サンプラー（ＣＤＳ）、プログラマブル利得増幅
器（ＰＧＡ）、及びアナログ・デジタル変換器（ＡＤ
Ｃ）を含む。粗調整は、ＰＧＡの前の画像信号に先ず適
用され、微細調整は、ＰＧＡ後の増幅された画像信号に
適用される。この実施例により、ＰＧＡの利得が高いと
きの精度が向上する。この設計の利点は、これに限らな
いが、ライン・ノイズとコールド／ホット画素を取除
く、高度にプログラム可能なミックスド・シグナル光学
的黒及びオフセット回路を有するアナログ・フロント・
エンド回路を含む。この回路は、他の方式よりも、画像
処理のためのダイナミック・レンジが改善されている。
このため、この高度にプログラム可能な設計は、離散時
間系及び連続時間系の両方に用いることができ、オフ・
チップ部品を必要としない。このため、この設計は、後
続の回路に何らノイズを追加することなく、画像センサ
からできるだけ大きなアナログ・ダイナミック・レンジ
を引き出すという目的を達成する。

【０００７】

【実施例】本発明に従って、図８は、ライン・ノイズと
共にホット画素及びコールド画素がフィルタ作用によっ
て除かれるＣＣＤ信号処理の光学的黒及びオフセット補
正を有するアナログ・フロント・エンド回路の実施例を
示す。回路８００は、移動平均化フィルタ方式を用いる
光学的黒オフセット補正を有するＣＣＤ信号処理方法を
提供し、各ラインの始めに平均化された光学的黒画素の
ライン・ノイズと共にホット画素及びコールド画素がフ
ィルタ作用によって除かれるようにする。オフセットＤ
ＡＣは、オフセットを相殺するために更新される。光学
的黒レベル及び増幅は、ユーザによって完全にカスタマ
イズされ得る。動作において、アナログ・フロント・エ
ンド（ＡＦＥ）８００は、ＣＣＤ出力信号ＣＣＤＩＮ
を、後続のデジタル信号処理が可能となるようにデジタ
ル・データに変換する。ＡＦＥ８００の入力で、ＣＣＤ
出力信号ＣＣＤＩＮの直流レベルが、入力ダイナミック
・レンジにクランプされる。ノイズ性能及びダイナミッ
ク・レンジをより良くするため、クランプされた入力信
号に対して相関ダブル・サンプリングが適用される。相
関ダブル・サンプラー（ＣＤＳ）８０２の出力は、線形
制御で指数関数的に変化するプログラム可能な利得によ
って増幅される。その後、増幅されたアナログ信号は、
デジタル・データに変換される。較正ロジック８１４内
で、光学的黒データからライン・ノイズと共にホット画
素及びコールド画素が取除かれる。チャンネル・オフセ
ットと光学的黒レベルの和が、所定数のライン、及びラ
イン当たりの光学的黒セルに対して平均化される。これ
は、ユーザによってカスタマイズされ得るデジタル参照
値と比較され、その差は、ライン・ノイズを取除くた
め、デジタル・フィルタリングに供される。結果の補正
信号は、アナログ値に変換され、アナログ・チャンネル
に適用されて、ユーザ・プログラマー光学的黒の値が求
められる。更に具体的に言えば、アナログ・フロント・
エンド回路８００は、後続の利得が高い場合、ＣＣＤか
らの画像信号に対して第１の調整を付加する目的で、第
１の加算器８０４に結合される相関ダブル・サンプラー
（ＣＤＳ）８０２を含み、このような調整は典型的に粗
調整である。プログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）８０
６は、合計された信号を増幅するため結合される。第２
の加算器８０８は、ＰＧＡ８０６の出力に接続され、画
像信号に対し、典型的に微細調整である付加的な調整を
適用する。１つが増幅に先行し１つが増幅の後に続く２
つの個別の調整を有する所定のこの配置は、粗ＤＡＣが
大きなダイナミック補正範囲を提供し、微細ＤＡＣが微
細精度を提供するため、信号処理は、増幅前の１回の調
整のみしか有さない場合よりも信頼性があることに注意
されたい。

【０００８】ＡＤＣ８１０は、第２の加算器８０８から
出力を受けとり、アナログ画像信号をデジタル画像信号
に変換する。光学的黒画素制限ブロック８１２は、ホッ
ト光学的黒画素及びコールド光学的黒画素を制限するた
めに用いられる。これらの制限は、ユーザがプログラム
することができる。較正ロジック８１４は、デジタル平
均化器（図示せず）とコンパレータ（図示せず）を含
む。デジタル平均化器は、各ラインの始めで光学的黒画
素を平均化し、コンパレータは、この信号を光学的黒参
照値と比較して、必要とされる調整の量を決定する。更
に、較正ロジック８１４は、図９を参照して更に詳細に
説明するように、ライン・ノイズを取除くフィルタ装置
を含む。回路８００は、移動平均化フィルタ方式を用い
る光学的黒オフセット補正を提供し、光学的黒画素が各
ラインの始めで平均化され、オフセットを相殺するた
め、オフセットＤＡＣ、即ち、ＤＡＣ８３６及びＤＡＣ
８３８が更新されるようにする。具体的に言うと、ＤＡ
Ｃ８３６及び８３８が、この差をアナログ電圧に変換
し、それぞれＰＧＡ８０６の前及び後の画像信号に適用
されるようにする。光学的黒画素レジスタ８１２、較正
ロジック８１４、マルチプレクサ８１８及び８２０、及
びオフセット・レジスタ８３０及び８３２を含むデジタ
ル・ブロックは、光学的黒レベルのＡＤＣ出力の平均を
取り、チャンネル・オフセット及び光学的黒補正を補償
するために２つのＤＡＣ、８３８及び８３６を制御す
る。ＰＧＡ８０６の前のＤＡＣ８３６は、粗オフセット
を補正するために用いられ、ＡＤＣ８１０の前のＤＡＣ
８３８は、微細オフセット補正のために用いられる。図
１１から図１３のフローチャートに示されているよう
に、オフセットが微細ＤＡＣ８３８の範囲外にある場
合、そのオフセットが負であるか正であるかに従って、
粗ＤＡＣ８３６が増減される。粗モードにおいて出力が
所望の値に最も近づくと、システムは、微細ＤＡＣ８３
８がその補正範囲の中心になるまで粗ＤＡＣ８３６を更
新し続ける。その後、残りは微細ＤＡＣ８３８によって
補正される。このようにして微細ＤＡＣ８３８の範囲が
最適化される。粗ＤＡＣ８３６は、光学的黒画素の間、
ライン毎の閉ループ・フィードバックにある。これは、
粗モードでは、オフセットを補正するため２回以上反復
をするが、微細モードでは、オフセットはライン毎にす
ぐに補正される。上述の最適化により、８ビット微細Ｄ
ＡＣ８３８の＋／−２５５ＬＳＢに近い比較的大きな
光学的レベルの変動は、粗モードへの切替えなしに微細
モードで補正され得る。

【０００９】具体的に言えば、図１１に示されているよ
うに、工程１０は、ＡＤＣ８１０から光学的黒画素レジ
スタ８１２への出力を表わす。ユーザは、工程１２に示
されているように光学的黒レベルを設定し、任意に工程
１４で利得を設定する。これに従い、工程１６におい
て、これらの入力はデジタル・ブロックに適用され、そ
れが、ＣＣＤからの画像信号に粗光学的黒調整が成され
る粗モードで動作するようにする。その後、工程１８に
おいて、デジタル・ブロックは、画像信号に対して微細
光学的黒調整が成される微細モードに入る。工程２０に
おいて、補正がまだ微細範囲内にあるかどうか判定され
る。微細範囲内にある場合、プロセスは工程１８に進
み、デジタル・ブロックは微細モードに残る。微細範囲
内にない場合、工程１６に進み、デジタル・ブロックは
粗モードで作動する。図１２は、図１１の工程１６に示
したような粗モードの方法を示す。較正ロジック８１４
は、工程２４において、利得が６４より小さいかどうか
を判定する。６４より小さい場合、工程２６に示される
ように、粗ＤＡＣ８３６は４だけ増加する。そうでない
場合、工程２８に示されるように、較正ロジック８１４
は、利得が９６より小さいかどうかを判定する。９６よ
り小さい場合、工程３０に示されるように、粗ＤＡＣ８
３６は３だけ増加する。そうでない場合、工程３２に示
されるように、較正ロジック８１４は、利得が１２８よ
り小さいかどうかを判定する。１２８より小さい場合、
工程３４は、粗ＤＡＣ８３６が２だけ増加することを示
す。そうでない場合、工程３６で示されるように、粗Ｄ
ＡＣ８３６は１だけ増加する。粗ＤＡＣ８３６が増加さ
れた後、工程３８において、負のオーバーフローがある
かどうか判定される。負のオーバーフローがある場合、
工程４０で示されるように、粗ＤＡＣ８３６が増加され
る。そうでない場合、工程４２に示されるように、正の
オーバーフローがあるかどうか判定される。正のオーバ
ーフローがある場合、工程４４に示されるように、粗Ｄ
ＡＣ８３６は減少される。そうでない場合、工程４６が
示すように、粗ＤＡＣ８３６に何ら更新は成されない。

【００１０】図１３は、図１１の工程１８で示したよう
な微細モードの方法を示す。工程４８において、微細Ｄ
ＡＣ８３８オーバーフローがあるかどうかが先ず判定さ
れる。オーバーフローがある場合、工程５０に示すよう
に、較正ロジックは、微細ＤＡＣ８３８が最適化中かど
うかを判定する。最適化中である場合、工程５４に示す
ように、前の微細ＤＡＣ値が用いられ、粗ＤＡＣ変更が
元に戻され、工程１８において微細ＤＡＣモードが再び
開始される。最適化されない場合、工程５２に示すよう
に、粗ＤＡＣモードに進む（工程１６）。微細ＤＡＣオ
ーバーフローがない場合、工程５６に示すように、前の
サイクルが真のオーバーフローであったかどうかが判定
される。そうであった場合、工程５８で示すように、微
細ＤＡＣ８３８を最適化するため、モードが粗ＤＡＣモ
ードに変わる。そうでない場合、工程６０に示すよう
に、前のサイクルが粗ＤＡＣ８３６を最適化していたか
どうかが判定される。最適化していた場合、工程６２に
示すように、前の微細ＤＡＣ調整が、現在の微細ＤＡＣ
調整よりも大きいかどうかが判定される。そうである場
合、工程６６は、粗ＤＡＣ８３６を最適化し続けるよう
デジタル・ブロックに指示する。そうでない場合、工程
６４は、前の微細ＤＡＣ調整値に戻り、粗ＤＡＣ調整を
元に戻し、微細ＤＡＣモード（工程１８）に戻るよう、
デジタル・ブロックに指示する。前のサイクルが粗ＤＡ
Ｃ８３６を最適化していなかった場合、工程６８に示す
ように、デジタル・ブロックは、回路８００がパワーア
ップされたばかりであるかどうかを判定する。そうであ
る場合、工程７０が示すように、粗ＤＡＣモード（工程
１６）が開始される。そうでない場合、工程７２に示す
ように、デジタル・ブロックは微細ＤＡＣ（工程１８）
を続ける。代わりに、別の実施例は、２つのＤＡＣ、８
３６及び８３８、オフセット・レジスタ、８３０及び８
３２、及びマルチプレクサ、８１８及び８２０のうちの
片方をなくし、ＣＣＤからの入力アナログ画像信号に対
し１つの調整のみが成されるようにする。第１の実施例
は、光学的黒レベルを相殺し、より正確な光学的黒レベ
ルを生成するため、フィードバック・ラインの未知数の
反復を行わないという点で一層効率的である。任意の要
素、ＤＡＣ８２６及び８２８、ＤＡＣレジスタ８２２及
び８２４、ＰＧＡレジスタ８３４、及びシリアル・ポー
ト８１６は、テストのためデータをリトリーブすること
に加え、光学的黒レベル及び増幅をカスタマイズする能
力をユーザに提供するために組込まれる。このように、
この高度にプログラム可能な設計は、離散時間系及び連
続時間系の両方に用いることができ、オフ・チップ部品
を何ら必要としない。

【００１１】図９に示されるように、回路９００は、ホ
ット画素及びコールド画素を取除く回路に加え、ライン
・ノイズ・フィルタリング方式を含む。回路９００は、
光学的黒画素制限リファレンス８１２に組込まれるホッ
ト／コールド画素フィルタ及び平均化器９０２を除き、
較正ロジック８１４内に組込まれる。これは、ホット画
素及びコールド画素を取除くと共に、各ラインの始めに
光学的黒画素を平均化する目的で、ホット画素及びコー
ルド画素フィルタ及び平均化器９０２を含む。更に具体
的に言えば、この設計９００により、ホット画素参照値
レベル及びコールド画素参照値レベルを、平均化器９０
２への入力としてカスタマイズすることができる。光学
的黒レベル・シフトは緩やかな（slow）信号であるた
め、過補正を適用することによるライン・ノイズを避け
るため、エラー信号から高周波成分を取除くことが望ま
しい。回路９００の、ライン・ノイズを相殺する部分
は、少数のレジスタしか必要としない簡略化した関数Ｙ（ｎ）＝α^*Ｘ（ｎ）＋（１−α）^*Ｙ（ｎ−１）を用いて、移動平均化フィルタを近似する。ここでＹ
（ｎ）は新しいＤＡＣの値、Ｘ（ｎ）はエラー信号（補
正ＤＡＣがゼロである場合、所望の値と実際の光学的黒
レベルの間の差）、Ｙ（ｎ−１）は前のＤＡＣの値、α
はユーザがプログラムし得る重みである。この関数は、
加算器、９０４，９０６，９１０及び９１４、増幅器、
９０８及び９１６、及びレジスタ９１２を用いて実行さ
れる。αが１であれば、補正は非常に速いが、ライン・
ノイズが発生し得る。αが非常に小さいと、入力に対す
る補正の応答は一層ゆっくりになるが、不良光学的黒画
素及びノイズによる高周波成分のオーバー補正は、図１
０に示されるようにフィルタ作用によって除かれる。画
像読み込みモードの間、光学的な黒の値に予測される変
化は非常に緩やかである。しかし、異なる露出時間によ
る各フレームの開始時は、そうではないかもしれない。
各フレームの始めに急激な光学的黒シフトがあることも
ある。ユーザは、フレームの初めのラインに対し、ホッ
ト／コールド画素をフィルタリングすることなく、及び
そのラインに対してのみのαから１の重み付けを設定す
ることなく、光学的黒補正が急速に行われるように、内
部制御ビットを設定することができる。ライン・ノイズ
が取除かれると、デジタル・コンパレータ９１８は、図
示するように、粗ＤＡＣ８３６に対する調整を（図１１
−図１２に示したような、ＰＧＡ利得及び粗モード及び
微細モードに依って）決める。これに従い、信号、微細
ＤＡＣ、及び粗ＤＡＣはそれぞれ、マルチプレクサ８１
８及び８２０に送られ、アナログ画像信号に対する微細
調整及び粗調整を提供する。マニュアル光学的黒補正モ
ードの間、マルチプレクサ８１８及び８２０は、自動補
正値は通さず、ユーザ設定値を両方のＤＡＣ８３６及び
８３８に通過させる。

【００１２】図１４−図１６は回路９００のテスト結果
を示す。図１４において、高周波正弦波として表わされ
るノイズを有する低周波ランプ信号の光学的黒入力がフ
ィルタリングされる。微細ＤＡＣ出力８３８に対して示
されるように、光学的黒ノイズの高周波成分がフィルタ
作用によって除かれ、低周波エラー信号が補正される。
図１５において、高周波正弦波ノイズを有する低周波ラ
ンプ信号の同じ光学的黒入力信号が、ＡＤＣ８１０に対
する出力で示されている。図示されるように、α＝１／
６４の設定によって、高周波ノイズが取除かれている。
図１６において、異なる重み係数を用いてＡＤＣ８１０
の出力をみるよう、同じ信号が取上げられている。図示
されるように、一層小さい重み係数が、画像信号の品質
を向上させる。光学的黒補正装置の利点は、これに限ら
れるものではないが、アナログ・コンデンサ・ベースの
積分器に対しての、デジタル的にプログラム可能なフィ
ルタを含む。ＣＣＤのノイズ、スキャン時間、及び他の
変数に依って、光学的黒補正の応答時間及びフィルタ・
バンド幅は、デジタル的にプログラムされ得る。この構
成により、デジタル的にプログラムできること、微細な
解像度、及び連続時間系及び離散的時間系の両方のプロ
グラマブル利得増幅器への両立を含み、従来の構成より
も著しい利点が提供される。本発明は、デジタル・スチ
ル・カメラ、デジタル・ビデオ・カメラ、デジタル・ビ
デオ処理システム、ＣＣＤ信号処理装置、及びＣＭＯＳ
イメージャを含めて、種々の工業用、医療用、及び軍事
用センサ及びイメージングの用途で、非常に多くのビデ
オ・システムの用途に用いられる。

【００１３】この明細書の読者は、この明細書と同時に
出願され、この明細書と共に公けに調べることができる
全ての文書を参照されたい。これらの全ての書類の内容
をここで引用することによってこの出願に取入れる。こ
の明細書に記述した全ての特徴（全ての請求項、要約及
び図面を含む）は、特に断らない限り、同じ、同等な又
は同様な目的に役立つ代わりの特徴に置き換えることが
できる。従って特に断らない限り、開示された各々の特
徴は、属としての一連の同等な又は同様な特徴の一例に
過ぎない。この明細書で用いた用語及び表現は、説明の
用語として使われたのであって、この発明を制約するも
のではなく、こういう用語及び表現を使ったからといっ
て、図面に示し、ここで説明した特徴の均等物又はその
一部分を除外するつもりはなく、この発明の範囲が、特
許請求の範囲にのみによって定められるものであること
を承知されたい。

【００１４】

【関連出願との関係】この発明は、１９９９年７月１５
日に出願された米国特許出願番号０９／３５３，９１
９、発明の名称「ＣＣＤ信号処理における光学的黒及び
オフセット補正」という同時係属中の出願に関するが、
この出願をここで引用することによってこの出願に取入
れる。この出願は、３５ＵＳＣ §１１９（ｅ）
（１）により、１９９９年９月３日に出願された仮出願
番号６０／１５２，４３９の優先権を主張する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＣＤのアナログ・フロント・エンドの既知の
実施例のブロック図。

【図２】図１の回路を理解するのに役立つ波形。

【図３】積分器を用いる光学的黒較正システムの既知の
実施例を示す図。

【図４】同時継続中の米国出願番号０９／３５３，９１
９に開示された光学的黒較正システムの第１の実施例を
示す図。

【図５】光学的黒期間及び信号期間を有するＣＣＤ出力
フレームを示す波形。

【図６】同時継続中の米国特許出願番号０９／３５３，
９１９に開示された光学的黒オフセット補正装置の第２
の実施例のブロック図。

【図７】フレーム又はフィールドに対する典型的な光学
的黒の値を示す波形。

【図８】本発明に従って光学的黒及びオフセット較正を
提供し、ノイズを取除くためのアーキテクチャを示す
図。

【図９】本発明に従って光学的黒及びオフセット較正を
提供し、ノイズを取除くための較正ロジックを示す図。

【図１０】ライン周波数を関数として、光学的黒フィル
タ応答を示す図。

【図１１】同時係属中の米国特許出願番号０９／３５
３，９１９に開示された光学的黒オフセット補正装置の
粗調整モード及び微細調整モードのフローチャート。

【図１２】同時継続中の米国特許出願番号０９／３５
３，９１９に開示された光学的黒オフセット補正装置の
粗調整モードのフローチャート。

【図１３】同時継続中の米国特許出願番号０９／３５
３，９１９に開示された光学的黒オフセット補正装置の
微細調整モードのフローチャート。

【図１４】２つの異なる重み係数を有する高周波正弦波
光学的黒ノイズを有する低周波ランプ信号に対する微細
ＤＡＣ出力を示す図。

【図１５】２つの異なる重み係数を有する高周波正弦波
光学的黒ノイズを有する低周波ランプ信号に対する微細
ＡＤＣ出力を示す図。

【図１６】高周波正弦波光学的黒レベルを有する低周波
ランプ信号に対し、αに異なる重み係数を用いるＡＤＣ
出力を示す図。

【符号の説明】

８００アナログ・フロント・エンド回路８０２相関ダブル・サンプラー８１０アナログ・デジタル変換器８１２光学的黒画素制限レジスタ８１４較正ロジック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｂ (72)発明者ラメシュチャンドラセカランアメリカ合衆国テキサス、ダラス、マッカラムブールバード 7835、アパートメントナンバー 1301 Ｆターム(参考） 4M118 AA05 AA10 AB01 BA10 DD09 FA06 GB09 5B047 AB02 BB02 DA04 DC01 5B057 BA02 CA02 CA08 CA12 CA16 CB02 CB08 CB12 CB16 CC01 CE02 CE06 CH08 5C024 CX06 CX21 GY01 HX04 HX09 HX18 HX21 HX28 HX29 5C077 LL02 MM03 MP01 PP02 PP07 PP45 PQ12 PQ18 SS01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電荷結合デバイスからの光学的黒信号を
受けとるために結合される、オフセット及び光学的黒補
正回路を有する画像処理装置であって、所定の参照電圧で光学的黒信号をサンプリングするため
のサンプリング回路と、サンプリングされた信号をデジタル信号に変換するため
に、サンプリング回路に結合されるアナログ・デジタル
変換器と、デジタル信号の光学的黒レベルを検出する検出器回路
と、光学的黒信号のそれぞれのラインの始めで光学的黒画素
を平均化するために、検出器回路に結合されるデジタル
平均化器と、光学的黒信号からライン・ノイズを取除くために、デジ
タル平均化器に結合されるライン・ノイズ・フィルタ
と、所定の参照値を有し、ライン・ノイズ・フィルタからの
光学的黒信号を参照値と比較して差を生成するために、
ライン・ノイズ・フィルタに結合されるデジタル・コン
パレータと、デジタル・コンパレータで得られた差をフィードバック
して、この差がアナログ光学的黒信号に加減されるよう
にすることにより、光学的黒レベルを補正する補正回路
とを含む画像処理装置。
【請求項２】請求項１に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、サンプリング回路
が、相関ダブル・サンプラーと、相関ダブル・サンプラーに結合される加算器とを含み、
補正回路が、光学的黒信号に正及び負の差を加算するた
め、加算器に結合される装置。
【請求項３】請求項２に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、サンプリング回路
が、サンプリングされた光学的黒信号を増幅するため加
算器に結合されるプログラマブル利得増幅器を更に含む
装置。
【請求項４】請求項３に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、サンプリング回路
が、増幅の値をカスタマイズするためプログラマブル利
得増幅器に結合されるレジスタを更に含む装置。
【請求項５】請求項１に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、デジタル平均化器
が、光学的黒信号からホット及びコールド画素を取除く
ための第1のフィルタを更に含む装置。
【請求項６】請求項１に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、ライン・ノイズ・フ
ィルタは、光学的黒信号に対して次の関数Ｙ（ｎ）＝α^*Ｘ（ｎ）＋（１−a）^*Ｙ（ｎ−１）を適用し、ここで、Ｙ（ｎ）はデジタル・アナログ変換
器の新しい値であり、Ｘ（ｎ）は、補正デジタル・アナ
ログ変換器がゼロである場合、アナログ・デジタル変換
器の出力における所望の値と実際の光学的黒レベルとの
間の差であり、Ｙ（ｎ−１）はデジタル・アナログ変換
器の前の値であり、αはユーザがプログラムし得る重み
である装置。
【請求項７】請求項３に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、補正回路が、アナロ
グ光学的黒信号に差を加えるため加算器に結合される第
1のデジタル・アナログ変換器を含む装置。
【請求項８】請求項７に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、補正回路が、増幅さ
れたアナログ画像信号に差を加えるために、サンプリン
グ回路に結合される第２のデジタル・アナログ変換器を
更に含み、増幅されたアナログ光学的黒信号に微細調整
が行われる微細モードで第２のデジタル・アナログ変換
器が動作可能になる前に、アナログ光学的黒信号に粗調
整が行われる粗モードで第１のデジタル・アナログ変換
器が動作可能になるようになっている装置。
【請求項９】請求項８に記載のオフセット及び光学的
黒補正回路を有する装置であって、補正回路が、光学的
黒信号に対するオフセット値をカスタマイズするため
に、第１及び第２のデジタル・アナログ変換器に結合さ
れる第１及び第２のオフセット・レジスタを更に含む装
置。
【請求項１０】画像処理方法であって、物体から反射された光の信号を光電的に変換して光学的
黒信号を得、所定の参照電圧を生成し、光学的黒信号を所定の参照電圧にクランプし、ホット及びコールドの光学的黒画素をフィルタ作用によ
って除き、クランプされた光学的黒信号の光学的黒レベルを検出
し、ライン・ノイズをフィルタ作用によって除き、検出された光学的黒レベルと所定の光学的黒レベルとの
間の差を生成し、粗モードと微細モードとの間の切替えをし、クランプされた光学的黒信号に差をフィードバックする
ことによって光学的黒レベルを補正する工程を含む画像
処理方法。
【請求項１１】請求項１０に記載の方法であって、ラ
イン・ノイズをフィルタ作用によって除く工程は、光学
的黒信号に対して次の関数Ｙ（ｎ）＝α^*Ｘ（ｎ）＋（１−α）^*Ｙ（ｎ−１）を適用し、ここで、Ｙ（ｎ）はデジタル・アナログ変換
器の新しい値であり、Ｘ（ｎ）は、補正デジタル・アナ
ログ変換器がゼロである場合、アナログ・デジタル変換
器の出力における所望の値と実際の光学的黒レベルとの
間の差であり、Ｙ（ｎ−１）はデジタル・アナログ変換
器の前の値であり、αはユーザがプログラムし得る重み
である方法。