JP2002344812A - 映像信号処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体撮像素子の出力信号へ混入するノイズに
よって発生する、周期性をもつレベル変動成分を、水平
ＯＢ領域信号から検出することにより、ノイズ補正を行
う。 【解決手段】 固体撮像素子１の水平ＯＢ画素領域内の
画素に含まれる周期性ノイズ信号をＯＢ領域信号レベル
検出回路３で検出し、その検出信号に基づいて、周期的
なレベル変動成分の振幅と変動成分の周期を抽出して、
固体撮像素子１の出力信号に含まれる周期性ノイズの逆
相の補正信号を作成してノイズを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像信号処理装置
に関するもので、特に固体撮像素子のオプティカルブラ
ック（以下ＯＢという）領域の画素からの出力信号を用
いて周期的なノイズ成分を抽出し、その周期的なノイズ
成分に基づいて補正信号を作成して周期的なノイズを補
正する映像信号処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像素子の出力信号のうち、ＯＢ領
域画素の出力信号は、後段の映像信号処理において、信
号の黒基準レベルとなるものであり、図４に示すよう
に、光電変換により光を検出するための有効領域画素周
辺に、水平ＯＢ画素領域および垂直ＯＢ画素領域として
配置される。

【０００３】固体撮像素子の出力信号には、光電変換さ
れた信号以外に、熱励起による暗電流や出力段アンプの
ノイズ等の成分も含まれている。ただし、ＯＢ領域にお
いては、素子表面に遮光膜が設けられるため、撮像素子
に入射する光の影響は受けない。従って、ＯＢ領域画素
の出力信号を黒基準レベル信号とすることにより、撮像
素子の出力信号から光による信号成分のみを取り出すこ
とができる。

【０００４】ここで、固体撮像素子の出力信号に対す
る、一般的なノイズキャンセル手法である相関二重サン
プリング法（以後ＣＤＳ法という）について説明を行
う。

【０００５】図２は固体撮像素子の出力信号波形図であ
り、６は固体撮像素子の出力段の電荷検出部（図示せ
ず）で画素ごとに電位リセットを行う際に発生するリセ
ットノイズであり、７は画素ごとの黒基準となるリセッ
ト電位（フィードスルーレベルと呼ばれる）領域で、８
が出力信号レベルとなる出力信号成分である。

【０００６】ＣＤＳ法は、リセットノイズ６および出力
アンプノイズ（図示せず）のような画素ピッチの周期よ
り低い低周波ノイズに対して有効なノイズキャンセル手
法である。図２において、固体撮像素子の出力信号のう
ち、７のフィードスルー領域と８の出力信号成分の領域
で、各々サンプリングパルスによりサンプル・ホールド
処理を施すことにより、フィールドスルー領域をサンプ
ル・ホールドして得られる黒基準レベルＶｂと出力信号
成分の領域をサンプリング・ホールドして得られる信号
レベルＶｃの差分を抽出して出力信号成分の振幅Ｖａを
取り出す。

【０００７】このＣＤＳ法により、画素ピッチ以上の周
期をもったノイズ成分を除去した画素ごとの信号成分が
得られる。即ち、画素毎に、黒基準レベルＶｂと信号レ
ベルＶｃの差分である出力信号成分の振幅Ｖａが得られ
るのである。

【０００８】固体撮像素子を用いた撮像装置において
は、固体撮像素子内で光電変換された微少なレベルの映
像信号と、固体撮像素子を駆動するための振幅数ボルト
のパルスが回路内に混在している。また、撮像装置シス
テム内での信号処理用に様々な種類のパルスやクロック
が混在することも一般的であり、それらは共通の基準ク
ロックから作られ、互いに同期した信号であることが多
い。

【０００９】それらの同期した信号の高周波成分が、パ
ターン間の容量結合等により、固体撮像素子の出力信号
に混入すると、モニター画面上で目に見える固定パター
ンノイズとなり画質劣化の要因となる場合がある。

【００１０】特に、低照度下での撮影時には、固体撮像
素子の出力信号レベルがより小さくなるため、信号レベ
ルを確保するためには、後段のアンプで数ｄＢ〜数十ｄ
Ｂ程度増幅する必要があり、ノイズによる画質劣化が顕
著になる。

【００１１】それらの、高周波ノイズに対しては、先に
述べたＣＤＳ回路では除去することができない。従っ
て、従来より、それら高周波ノイズによる影響を低減す
るための方法がいくつか提案されている。

【００１２】例えば、固体撮像素子の全画素分の暗時出
力信号レベルをメモリに記憶しておき、通常撮像時の明
時出力信号レベルから、各画素に対応する暗時出力信号
を減算することによりノイズ成分をキャンセルするとい
う手法が代表的なものである。

【００１３】また、特開平５−１６１０８０号公報にお
いては、ノイズの要因となっている単一クロックが存在
する場合、素子出力のＯＢ領域期間の信号を積算するこ
とにより、混入ノイズ量を検出し、前記単一クロックの
逆相クロック発振器出力信号レベルを、検出したノイズ
量によりコントロールして、素子出力信号に加算するこ
とによりノイズ成分をキャンセルする手法が開示されて
いる。

【００１４】さらに、特開２０００−１５２０９８号公
報においては、図４に示すダミー画素領域のように、画
素が存在しない垂直転送手段のみの空送り部が存在する
固体撮像素子に対して、空送り部出力信号に含まれるノ
イズ成分を負のデータとして扱い、有効領域信号出力に
含まれるノイズ成分が重畳した信号成分を正のデータと
して扱うことにより、ノイズ成分を相殺して除去する手
法が開示されている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】年々、固体撮像素子の
画素数は増加傾向にある。一般的に、画素数が増えると
１画素単位の開口面積が小さくなり感度が悪化するた
め、前述した低照度環境下でのノイズの影響が、さらに
大きくなる。従って、ノイズキャンセル手法の必要性が
より高まっている。

【００１６】しかし、固体撮像素子の画素数が増える
と、前述した代表的なノイズキャンセル手法のうち、各
画素の暗時信号レベルをメモリに記憶させるような方法
では、必要となるメモリ容量が画素数に比例して大きく
なってしまうという問題がある。

【００１７】また、暗時信号レベルを検出するには、レ
ンズを閉じるなどして入射光を遮断する必要があるた
め、撮影途中で内部回路の温度特性要因によりノイズレ
ベルの変動があった場合には対応が難しい。

【００１８】また、固体撮像素子を用いた撮像装置にお
いて、システムの規模が大きく、複雑化するに従い、回
路内に存在するパルス、クロックの種類も増える傾向が
強い。システム信号処理の都合上、同期系の信号が多く
を占めるが、例えば、ＰＬＬ回路や、ＬＳＩ内部のバッ
ファ遅延量ばらつき等の要因で、各種パルス、クロック
間の位相が信号処理動作の裕度内で数ｎ〜数十ｎｓｅｃ
程度ばらつくことは通常である。さらに各クロック間の
干渉によりビート成分が発生する場合もある。

【００１９】それら厳密には位相関係が固定されないク
ロックやビート成分が固体撮像素子の出力信号に混入
し、ノイズとなった場合、そのノイズ成分と全く逆相の
クロックを発生させて素子出力信号に加算するというよ
うなノイズキャンセルの方法は、厳密には不可能である
場合がある。

【００２０】さらに、空送り部（ダミー画素領域）の出
力信号を利用してノイズ除去を行う手法については、手
ぶれ補正処理やメモリレスズーム処理の際に一般的に行
われる撮像素子の垂直高速転送処理によって、空送り部
の信号が正常に読み出されない場合には対応することが
できない。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解説するため
に、本発明の映像信号処理装置は、固体撮像素子を用い
た撮像装置の映像信号処理装置において、前記固体撮像
素子の水平ＯＢ画素領域内の画素に含まれる周期性ノイ
ズ信号を検出し、周期的なレベル変動成分の振幅と変動
成分の周期を抽出して、抽出された信号に基づいて固体
撮像素子の出力信号に含まれる周期性ノイズの逆相の補
正信号を作成してノイズを補正することを特徴としたも
のである。

【００２２】また、本発明の映像信号処理装置は、固体
撮像素子からの出力信号をサンプリングする相関二重サ
ンプリング回路と、前記相関二重サンプリング回路の出
力信号を用いて前記固体撮像素子の水平ＯＢ画素領域内
の画素に含まれる周期性ノイズ信号レベルを検出するＯ
Ｂ領域信号レベル検出手段と、そのＯＢ領域信号レベル
検出手段からの出力信号より、周期的なレベル変動成分
の振幅と変動成分の周期を抽出して制御信号を作成する
マイコンと、前記マイコンにて作成された制御信号よ
り、固体撮像素子の出力信号に含まれる周期性ノイズの
逆相の補正信号を作成するノイズ補正信号発生回路と、
そのノイズ補正信号発生回路からの補正信号と、前記相
関二重サンプリング回路からの出力信号を加算する加算
回路により固体撮像素子の出力信号に含まれる周期性ノ
イズを補正することを特徴としたものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳細に説明する。

【００２４】（実施の形態１）図１は、本発明による実
施の形態１における映像信号処理装置のブロック図で、
図２は、一般的な固体撮像素子の出力信号波形を、図３
は、有効画素領域と水平ＯＢ画素領域からの出力信号波
形を示したものである。

【００２５】図１において、本発明の映像信号処理装置
は、固体撮像素子１、その固体撮像素子１からの出力信
号に重畳しているリセットノイズを除去するＣＤＳ回路
２、ＣＤＳ回路２からの出力信号よりＯＢ領域画素の出
力信号レベルを検出するＯＢ領域信号レベル検出回路
３、ＯＢ領域信号レベル検出回路３で検出されたＯＢ領
域画素の出力信号レベルから周期的な変動成分を検出す
るためのマイコン４、ＯＢ領域信号レベル検出回路３で
検出される検出信号の周期的な変動とリファレンス電圧
とを比較して制御信号を発生するマイコン４、その発生
された制御信号によりＣＤＳ回路２からの出力信号であ
る映像信号中に含まれる周期的な変動レベル成分の逆相
成分を出力するノイズ補正信号発生回路５、そのノイズ
補正信号発生回路５からの出力信号とＣＤＳ２からの出
力信号を加算する加算回路１０とから構成される。

【００２６】図２の出力信号波形図において、６は固体
撮像素子１内の出力段の電荷検出部（図示せず）で画素
ごとに電位リセットを行う際に発生するリセットノイズ
であり、７は画素ごとの黒基準となるリセット電位（フ
ィードスルーレベルと呼ばれる）領域で、８が出力信号
成分である。

【００２７】ＣＤＳ回路２において、図２に示すよう
に、固体撮像素子１の出力信号のうち、黒基準レベルサ
ンプリングパルスと信号レベルサンプリングパルスの位
相の異なるサンプリングパルスによりフィードスルー領
域７と信号領域８をサンプル・ホールドして黒基準レベ
ルＶｂと出力信号レベルＶｃを検出し、その検出された
黒基準レベルＶｂと出力信号レベルＶｃの差分を取り、
映像信号成分となる信号成分Ｖａを抽出する。

【００２８】なお、ＣＤＳ２は、黒基準レベルＶｂと出
力信号レベルＶｃを、黒基準サンプリングパルスと信号
レベルサンプリングパルスを用いて、それぞれのレベル
を検出して、それらのレベルの差分の振幅を抽出する
が、サンプリングパルスの位相を所定量移送可能とする
ことができる。これは、サンプリング位置を移動するこ
とにより、出力信号に重畳するノイズの影響を減少する
ことが出来るようにするためである。

【００２９】変動成分の検出法として、水平ＯＢ領域の
各画素の出力信号の振幅レベルであるＶａと所定レベル
との比較を行い、その比較結果より所定レベルを越える
出力信号を変動成分を含む出力信号とする。この方法に
よれば、図１のＯＢ領域信号レベル検出回路３におい
て、出力信号Ｖａを出力するＣＤＳ回路２の出力信号よ
り変動成分の検出に利用することができる。

【００３０】他の変動成分の検出法として、所定レベル
と黒基準レベルＶｂ、出力信号レベルＶｃとをそれぞれ
比較してそれらのレベル差を検出する場合においては、
黒基準レベル７および出力信号レベル８の両方にノイズ
が飛び込んだ場合でもノイズの検出が可能となる。

【００３１】ＯＢ領域信号レベル検出回路３で検出され
たＯＢ領域画素の信号レベルからノイズパターンを検出
する方法について、図３を用いて説明する。

【００３２】図３は、固体撮像素子のＯＢ領域画素の出
力信号の信号領域に、３画素周期のノイズが混入して出
力信号レベル変動が発生している例を表したものであ
る。図３中の記号ｎは水平基準クロックタイミングパル
スからのクロックカウンタ値であり、有効画素領域の水
平基準位置からｎ番目の画素が水平ＯＢ画素領域の先頭
となることを示す。

【００３３】ここで、ノイズが混入していない通常のＯ
Ｂ画素領域の画素の出力レベルが２で、ノイズ混入によ
るレベル変動分が＋２として現れるとすると、図３に示
すように、３画素周期でＯＢ領域信号レベル検出回路３
における検出レベルに大きさ２の変化点が現れる。ここ
で、レベル変動を検出するための変動分のスレッシュレ
ベルを大きさ２と設定した場合、（ｎ）、（ｎ＋３）、
（ｎ＋６）番目の画素において信号レベル変動が検出で
きる。

【００３４】また、変動周期検出のために、同じレベル
変動間隔のくり返しが２周期以上続くときに周期性ノイ
ズ判定するという条件設定した場合、図３で示される検
出範囲において、（ｎ＋６）番目の画素で周期性のある
ノイズが混入していると判定されることになる。

【００３５】これらの検出動作は、レベル変動点の画素
間隔検出用のカウンタと信号レベル変動のくり返し回数
カウンタを設け、マイコンで処理することで容易に実現
できる。即ち、固体撮像素子１のＯＢ領域の画素間の信
号レベル差を検出し、その検出された変動分を混入ノイ
ズの大きさとして所定のスレシュレベルと比較して、所
定量の大小を抽出することにより、ＯＢ領域に混入した
ノイズと判定する。そして、固体撮像素子１のＯＢ領域
の画素の信号レベルの所定量のレベル変動点の画素間隔
検出用のカウンタにより変動周期を検出するとともに、
その信号レベル変動の繰り返し回数をカウントして、周
期性ノイズのパターンを検出する。

【００３６】なお、信号レベル変動分の判定用スレッシ
ュレベルおよび信号レベル変動分の周期判定用の設定値
は映像信号処理装置内部にそれぞれの設定値記憶用書き
換え可能ＲＯＭを設けることで、容易に設定変更可能と
することができる。

【００３７】固体撮像素子１のＯＢ領域信号レベル検出
回路３及び、マイコン４により検出される信号変動レベ
ルおよびその変動周期情報より、ノイズ補正信号発生回
路５において変動成分の逆相成分を発生させ、ＣＤＳ２
よりの出力信号と重畳回路１０にて加え合わせることに
よりノイズの補正を行う。

【００３８】即ち、図３に示すように、ノイズの混入画
素の位置は、水平方向基準信号からの位置情報より決ま
るため、対応する画素信号に対して、検出した信号変動
レベルに応じた逆相成分を発生させ、出力信号と加算処
理することにより、ノイズの影響を低減できる。

【００３９】本発明の映像信号処理装置においては、周
期性ノイズの振幅と周期を表すノイズパターンを検出す
るための水平ＯＢ画素領域内の信号領域設定を、装置内
部に設けた書き換え可能なＲＯＭに記憶させることによ
って、水平ＯＢ画素領域仕様の異なる撮像素子に対応可
能となる。

【００４０】図４の一般的な固体撮像素子の画素領域配
置例に示すように、固体撮像素子１の水平ＯＢ領域はラ
イン毎に配置されるが、画素数は固体撮像素子によって
様々である。この水平ＯＢ領域内におけるどの部分の画
素信号を使うかは前述したＲＯＭ設定により任意に選択
可能となる。また、複数ラインの検出レベルの平均デー
タを使用してノイズ検出の信頼性を増し、周期性ノイズ
成分の減少をより正確にすることができる。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明の映像信号処理装
置によれば、固体撮像素子を駆動するクロックパルスと
位相同期したノイズ成分が、固体撮像素子の出力信号に
混入することにより発生する周期的なレベル変動を、Ｏ
Ｂ領域画素の出力信号から検出し、有効領域画素の出力
信号にも含まれる前記レベル変動分を補正することによ
って、フレームメモリのような大容量のメモリを使用す
ることなく、様々な画素仕様の固体撮像素子に対応した
周期性ノイズを補正する映像信号処理装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における映像信号処理装
置のブロック図

【図２】一般的な固体撮像素子の出力信号波形を示す図

【図３】本発明の実施の形態１におけるノイズ検出例を
示す図

【図４】一般的な固体撮像素子の画素領域配置例を示す
図

【符号の説明】

１ 固体撮像素子 ２ ＣＤＳ ３ ＯＢ領域信号レベル検出回路 ４ マイコン ５ ノイズ補正信号発生回路 ６ 固体撮像素子出力信号におけるリセットノイズ領域 ７ 固体撮像素子出力信号における黒基準領域 ８ 固体撮像素子出力信号における信号成分領域 １０ 加算回路

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子を用いた撮像装置の映像信
   号処理装置において、前記固体撮像素子の水平ＯＢ画素
   領域内の画素に含まれる周期性ノイズ信号を検出し、周
   期的なレベル変動成分の振幅と変動成分の周期を抽出し
   て、その抽出された信号に基づいて固体撮像素子の出力
   信号に含まれる周期性ノイズの逆相の補正信号を作成し
   てノイズを補正することを特徴とする映像信号処理装
   置。
2. 【請求項２】 固体撮像素子を用いた撮像装置の映像信
   号処理装置において、固体撮像素子からの出力信号をサ
   ンプリングする相関二重サンプリング回路と、前記相関
   二重サンプリング回路の出力信号を用いて前記固体撮像
   素子の水平ＯＢ画素領域内の画素に含まれる周期性ノイ
   ズ信号レベルを検出するＯＢ領域信号レベル検出手段
   と、そのＯＢ領域信号レベル検出手段からの出力信号よ
   り、周期的なレベル変動成分の振幅と変動成分の周期を
   抽出して制御信号を作成するマイコンと、前記マイコン
   にて作成された制御信号より、固体撮像素子の出力信号
   に含まれる周期性ノイズの逆相の補正信号を作成するノ
   イズ補正信号発生回路と、そのノイズ補正信号発生回路
   からの補正信号と、前記相関二重サンプリング回路から
   の出力信号を加算する加算回路により固体撮像素子の出
   力信号に含まれる周期性ノイズを補正することを特徴と
   する映像信号処理装置。
3. 【請求項３】 固体撮像素子の水平ＯＢ領域内の画素か
   らの出力信号に含まれる周期的なレベル変動成分の振幅
   の検出は、相関二重サンプリング回路の出力信号を用い
   て前記水平ＯＢ領域内の画素の出力信号レベルを検出
   し、その検出された出力信号レベルと所定レベルとの比
   較を行い、その比較結果より前記所定レベルを越える出
   力信号レベルを検出することにより、前記周期的なレベ
   ル変動成分の振幅を検出することを特徴とする請求項１
   記載の映像信号処理装置。
4. 【請求項４】 固体撮像素子の水平ＯＢ領域内の画素か
   らの出力信号に含まれる周期的なレベル変動成分の振幅
   の検出は、前記水平ＯＢ領域内の各画素から出力される
   出力信号の黒基準レベルと出力信号レベルを所定の基準
   レベルと比較して水平ＯＢ領域内の各画素の出力信号レ
   ベルを検出し、その検出された各画素の出力信号レベル
   と所定レベルとの比較を行い、その比較結果より前記所
   定レベルを越える出力信号レベルを検出することによ
   り、前記周期的なレベル変動成分の振幅を検出すること
   を特徴とする請求項１記載の映像信号処理装置。
5. 【請求項５】 前記水平ＯＢ画素領域は有効画素領域の
   一水平ライン毎に配置され、周期的なレベル変動成分の
   振幅の検出は、複数の水平ラインの平均をとり検出する
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の映像信
   号処理装置。
6. 【請求項６】 固体撮像素子の画素からの出力信号レベ
   ルの検出は、相関二重サンプリング回路にて、画素の所
   定の黒基準領域と信号領域をサンプリングクロックによ
   りサンプリングしてそれぞれの信号レベルの検出を行
   い、そのサンプリングクロックの位相が所定量移相可能
   であることを特徴とする請求項１記載の映像信号処理装
   置。