JP2004007068A

JP2004007068A - 撮像装置

Info

Publication number: JP2004007068A
Application number: JP2002157910A
Authority: JP
Inventors: Hidefumi Tanaka; 田中　英史
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2002-05-30
Filing date: 2002-05-30
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-05-30
Also published as: JP4292751B2

Abstract

【課題】固体撮像素子を用いた撮像装置において、高精細化した場合でも暗電流補正が正確になされた映像信号を得る。
【解決手段】被写体光像を所定期間遮光したときの暗電流成分信号Ｓ１ｎを暗電流メモリ７２に記憶する。また被写体光像の光量に応じてレンズ絞りを開閉制御したときの撮像信号Ｓ２を撮像信号メモリ８１に記憶する。暗電流減算器８２は、撮像信号Ｓ２から暗電流成分信号Ｓ１ｎの暗電流成分を減算し、暗電電流成分の含まれない映像信号Ｓ３を出力する。以後、一定間隔で暗電流メモリ７２に記憶する暗電流成分信号Ｓ１ｎを更新し、撮像信号Ｓ２が逐次出力される毎に、暗電流減算器８２は暗電流メモリ７２に記憶した暗電流成分Ｓ１ｎを取り出して減算を行い、映像信号Ｓ３を得る。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子を用いたビデオカメラ等の撮像装置に関し、例えばＨＤＴＶ画像以上の画素数を持つ撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の撮像装置においては、暗電流を補正するための種々の提案がなされている。例えば特開平１１−１１２８８４号公報には、撮像装置の暗電流成分を数画面分加算して平均化して用いる暗電流補正方法が提案されている。
【０００３】
上記特開平１１−１１２８８４号公報によれば、レンズの絞りを閉じた状態の信号から映像信号の黒レベル信号を減算してノイズ信号レベルのみを検出すると共に、このノイズ信号を数画面加算してランダムノイズを除去し暗電流ノイズとし、更に、この暗電流ノイズを映像信号から除去することにより暗電流補正を行なっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、暗電流は時間と共に変化するが、これは時間により加算されるものと、温度変化によるものとに分けられる。上記従来例では、まず暗電流を長時間の加算平均でデータ化し、使用時には温度を測定して補正量を定めている。このため、暗電流検出時期と実際の映像信号補正時期に差を生じ、暗電流の経時的な変化に対応することが難しいという課題があった。
【０００５】
特に、ＨＤＴＶ以上の高解像度分野の撮像装置は画素数が多く高精細であるため、暗電流のバラツキも多くなり、暗電流の補正を正確に行うことが難しいという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、高精細化した場合でも暗電流の補正が正確に成された映像信号を得ることができる撮像装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、被写体光像からの光を電荷として蓄積し電気信号に変換する撮像手段と、レンズ絞りを有する絞り手段と、前記レンズ絞りを開閉して前記被写体光像の光量を制御するレンズ絞り制御手段と、前記被写体光像の光量に応じて前記撮像手段における電荷の蓄積時間を設定するシャッター時間制御手段と、前記レンズ絞りを一定間隔で所定期間遮光するレンズ絞り遮光手段と、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光されたときに前記撮像素子から出力される電気信号を第１の電気信号として記憶する第１の記憶手段と、前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じて前記レンズ絞りが開閉制御されたときに前記撮像素子から出力される電気信号を第２の電気信号として記憶する第２の記憶手段と、前記第２の電気信号から前記第１の電気信号の暗電流成分を除去して第３の電気信号を得る暗電流補正手段と、前記第３の電気信号を記憶する第３の記憶手段とを具備し、前記第３の記憶手段に記憶した第３の電気信号を少なくとも記録媒体に記録する撮像装置であって、前記レンズ絞り遮光手段によりレンズ絞りが所定期間遮光される前記一定間隔毎に前記第１の記憶手段に前記第１の電気信号を記憶し、前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じてレンズ絞りが開閉されている期間中は、前記暗電流補正手段において前記第２の記憶手段に逐次記憶される前記第２の電気信号から、前記第１の記憶手段に記憶された前記第１の電気信号の暗電流成分を除去して前記第３の電気信号とすることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、第１の記憶手段に記憶する第１の電気信号を一定間隔で更新し、第２の電気信号から前記第１の電気信号の暗電流成分を除去することにより、暗電流成分を含まない第３の電気信号を得るようにしたため、暗電流の経時的な変化にも十分に対応し、暗電流の補正が正確になされた映像信号を得ることができる。
【０００９】
請求項２の発明は、前記請求項１に記載の撮像装置において、前記シャッター時間制御手段で設定される電荷の蓄積時間に基づいて前記レンズ絞り遮光手段により前記レンズ絞りを遮光する期間を設定し、前記レンズ絞りを遮光する期間内に前記撮像手段から出力される第１の電気信号を前記第１の記憶手段に記憶することを特徴とする。
【００１０】
好ましくは、上記構成において、前記シャッター時間制御手段で設定された電荷の蓄積時間が垂直同期信号期間以内であるときは、前記レンズ絞り遮光手段により前記レンズ絞りを遮光する期間として設定された期間内に、前記撮像素子から前記垂直同期信号期間毎に出力される電気信号をｎ回加算平均して第１の電気信号とし、前記シャッター時間制御手段で設定された電荷の蓄積時間が垂直同期信号期間以上であるときは、前記レンズ絞り遮光手段により前記レンズ絞りを遮光する期間として設定された期間内に、前記撮像素子から前記電荷の蓄積時間として設定された期間毎に出力される電気信号をｎ回加算平均して第１の電気信号とする。
【００１１】
請求項３の発明は、前記請求項１又は２に記載の撮像装置において、前記レンズ絞り遮光手段により被写体光像が遮光される直前に前記撮像素子から出力された電気信号を前記第２の記憶手段に記憶し、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光される期間中は、前記第２の記憶手段に記憶した電気信号を第３の電気信号として出力することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる撮像装置の実施の形態を、添付した図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係わる撮像装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【００１４】
撮像装置１００は、図示しない被写体光像からの光量を制御するレンズ絞り部１と、レンズ絞り部１から入射した被写体光像の光を電荷として蓄積し電気信号に変換するＣＭＯＳ撮像素子（以下、撮像素子）２と、電気信号にニー特性（例えば、被写体光像の光量が多く電気信号が１００％をオーバーしたとき電気信号の入出力特性を傾斜させオーバー光量による信号量を圧縮する）を持たせるＰＲＥ−ＡＭＰ部３と、あらかじめ撮像素子２に設けられた光を遮断した部分の信号領域で直流成分を固定するオプチカルブラッククランプ部４と、電気信号の利得とオフセットレベルを調整するゲイン／オフセットコントローラ５と、電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（コンバータ）部６とを備えており、被写体光像の電気信号は、これら各部を経由して、後述する暗電流信号Ｓ１又は撮像信号Ｓ２として、後段の暗電流検出部７又は映像信号検出部８に送られる。
【００１５】
レンズ絞り部１は、図示しないレンズから入射する被写体光像の光量を制御するレンズ絞りと、その開閉を制御する回路（いずれも図示せず）とから構成されている。常時は、レンズ絞りを開閉して、被写体光像の光量が適正光量となるように制御しており、後述するタイミングコントローラ１０からレンズ絞りを遮光する制御信号Ｃ１が送られてきたときは、この制御信号Ｃ１がオフレベルとなるまで、レンズ絞りを所定期間遮光状態とする。また、レンズ絞り部１からは、被写体光像の光量がタイミングコントローラ１０に逐次出力されている。
【００１６】
なお、レンズ絞り部１は、本実施の形態における絞り手段とレンズ絞り制御手段を構成する。
【００１７】
暗電流検出部７は、暗電流信号を検出して一時的に記憶する回路であり、後述する暗電流信号Ｓ１を加算平均して暗電流成分信号Ｓ１ｎを得る暗電流加算器７１と、暗電流成分信号Ｓ１ｎを記憶する暗電流メモリ７２とを備えている。
【００１８】
映像信号検出部８は、暗電流信号と撮像信号とから映像信号を生成する回路であり、後述する撮像信号Ｓ２を記憶する撮像信号メモリ８１と、撮像信号Ｓ２から暗電流成分信号Ｓ１ｎの暗電流成分を減算して映像信号Ｓ３を得る暗電流減算器８２とを備えている。
【００１９】
なお、暗電流メモリ７２、撮像信号メモリ８１は、それぞれ本実施の形態における第１の記憶手段、第２の記憶手段を構成する。また、暗電流加算器７１と暗電流減算器８２は、本実施の形態における暗電流補正手段を構成する。
【００２０】
映像信号メモリ９は、映像信号検出部８から出力された映像信号Ｓ３を記憶し、映像信号出力Ｓ４として図示しない記録媒体（ビデオテープ等）の録画再生部や、図示しないディスプレイ装置に送出する。映像信号メモリ９は、本実施の形態における第３の記憶手段を構成する。
【００２１】
タイミングコントローラ１０は、レンズ絞り部１から送られてきる被写体光像の光量に応じて、撮像手段２における電荷の蓄積時間（以下、適宜にシャッターＯＮ時間という）を設定し、これを制御信号Ｃｓとして撮像素子２に送出する。また、設定したシャッターＯＮ時間に基づいてレンズ絞りを遮光する期間を設定し、レンズ絞りを遮光するための制御信号Ｃ１を一定間隔で所定期間、レンズ絞り部１に送出する。
【００２２】
なお、タイミングコントローラ１０は本実施の形態におけるシャッター時間制御手段とレンズ絞り制御手段を構成する。
【００２３】
上記構成において、タイミングコントローラ１０は、レンズ絞りを遮光するための制御信号Ｃ１をレンズ絞り部１に送り、レンズ絞りを所定期間遮光する。またタイミングコントローラ１０は、制御信号Ｃｓを撮像素子２に送り、シャッターをＯＮにする。このとき得られた撮像素子２から出力された電気信号は、暗電流信号Ｓ１として暗電流検出部７に送られる。暗電流信号Ｓ１は暗電流成分信号Ｓ１ｎとして映像信号検出部８に送られる。
【００２４】
次に、タイミングコントローラ１０は、制御信号Ｃ１をオフレベルとする。レンズ絞り部１は、レンズ絞りを開閉して、被写体光像の光量が適正光量となるように制御する。このとき撮像素子２から出力された電気信号は、暗電流成分を含んだ撮像信号Ｓ２として映像信号検出部８に送られる。映像信号検出部８は、撮像信号Ｓ２から暗電流成分信号Ｓ１ｎの暗暗電流成分を減算して、映像信号Ｓ３を得る。
【００２５】
なお、タイミングコントローラ１０からは、レンズ絞り部１，撮像素子２を制御するための制御信号Ｃ１，Ｃｓのほか、制御信号Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が送出され、暗電流検出部７、映像信号検出部８及び映像信号メモリ９が適切なタイミングで動作するように制御している。
【００２６】
次に、暗電流検出部７と映像信号検出部８の動作を更に詳細に説明し、併せて暗電流を補正する際の全体的な動作について説明する。
【００２７】
図２は、暗電流検出部７と映像信号検出部８の機能的な構成を示すブロック図である。また図３〜図８は、各信号のタイミングチャートであり、垂直同期信号期間ＶＤ、制御信号Ｃｓ、Ｃ１、暗電流信号Ｓ１、撮像信号Ｓ２のうち、説明に必要な信号波形を示している。
【００２８】
暗電流信号Ｓ１は、レンズ絞り部１のレンズ絞りが遮光状態のときに、撮像素子２に蓄積された電気信号をもとに形成される。具体的には、タイミングコントローラ１０で設定されたシャッターＯＮ時間内の電荷の蓄積量で撮像素子２の暗電流信号は形成される。例えば、図３に示すように、タイミングコントローラ１０で設定されたシャッターＯＮ時間ＶｉがＨＤＴＶ信号の垂直同期信号期間ＶＤ（１／３０秒）以内とすると、暗電流信号Ｓ１は期間ＶＤ内に得られることになり、これをＶＤ毎に暗電流加算器７１に加える。暗電流加算器７１では、このＶＤ毎に供給される暗電流信号Ｓ１をｎ回加算してその平均値Ｓ１ｎを得る。この様にすると、暗電流信号Ｓ１に含まれるランダム雑音は除去され暗電流成分のみが検出される。この検出された暗電流成分を暗電流成分信号Ｓ１ｎとして暗電流メモリ７２に記憶する。
【００２９】
図３において、シャッターＯＮ時間Ｖｉは期間ＶＤ内とし、レンズ絞りを遮光状態とする期間をＶＤ×４とすると、このＶＤ×４の期間は暗電流信号Ｓ１がＶＤ毎に繰り返し出力されることになる。暗電流加算器７１では、暗電流信号Ｓ１を加算平均（Ｓ１ｎ＝ΣＳ１／ｎ）して暗電流成分信号Ｓ１ｎを得る。加算平均回数は、レンズ絞りを遮光状態としている期間内にシャッターがＯＮする回数に等しい。ここでは、加算平均回数をｎ＝４としている。
【００３０】
次に、暗電流成分信号Ｓ１ｎが暗電流メモリ７２に記憶されたら、図４に示すように、制御信号Ｃ１をオフレベルとして、レンズ絞りを開閉制御して被写体光像の光量が適正光量となるように設定した後、撮像素子２をシャッターＯＮ時間Ｖｉで動作させ、撮像信号Ｓ２を得る。ここでは、撮像信号２の説明が容易となるように、撮像画面全体で均一なものとする。したがって、暗電流成分は凹凸で表されている。また、撮像信号Ｓ２は、期間ＶＤ毎に被写体光像が変化する。
【００３１】
この撮像信号Ｓ２を撮像信号メモリ８１に加えた後、暗電流メモリ７２の暗電流成分信号Ｓ１ｎと共に取り出し、暗電流減算器８２に加える。暗電流減算器８２では、図５に示すように、撮像信号Ｓ２から暗電流成分Ｓ１ｎの暗電流成分を減算し、暗電流成分を含まない映像信号Ｓ３を得る。この映像信号Ｓ３は、更に映像信号メモリ９に送られ、映像信号出力Ｓ４として取り出される。
【００３２】
以後、新たな撮像信号Ｓ２が撮像信号メモリ８１に逐次記憶される毎に、暗電流減算器８２では暗電流メモリ７２に記憶されている暗電流成分Ｓ１ｎを取り出して減算を行い、映像信号Ｓ３を得る。
【００３３】
本実施の形態に係わる撮像装置１００では、暗電流メモリ７２に記憶されている暗電流成分Ｓ１ｎは、一定間隔毎に上記の動作により更新されるため、暗電流の経時的な変化にも十分に対応することができ、画素を高精細化した場合でも、バラツキがなく暗電流の補正が正確になされた映像信号を得ることができる。
【００３４】
なお、レンズ絞りを遮光状態としている期間中は映像信号Ｓ３が得られないため、一定間隔毎に映像が途切れてしまうことになる。そこで、図６に示すように、レンズ絞りを遮光する直前に得た映像信号出力Ｓ４を映像信号メモリ９に記憶しておき、レンズ絞りを遮光している期間中は、期間ＶＤ毎に映像信号メモリ９から同じ映像信号を繰り返し出力する。これにより、違和感の無い連続した映像を得ることができる。
【００３５】
次に、図７に示すように、シャッターＯＮ時間Ｖｉが期間ＶＤより長い場合について説明する。
【００３６】
ここでは、加算平均回数をｎ＝２とする。また、レンズ絞りを遮光状態として暗電流信号Ｓ１を得る際に、シャッターＯＮ時間Ｖｉの間は撮像素子２で電荷を蓄積して（この間、撮像素子２から暗電流信号は出力されない）、シャッターＯＮ時間Ｖｉ直後の期間ＶＤで暗電流信号を出力するものとする。
【００３７】
まず、レンズ絞り１を遮光状態とし、撮像素子２の蓄積電荷をリセットした後、シャッターをＯＮにして撮像素子２に暗電流の電荷を蓄積する。次に、シャッターがＯＦＦになった次の期間ＶＤにおいて、撮像素子２に蓄積された暗電流信号Ｓ１（図中、暗電流信号１）を暗電流加算器７２に加え記憶する。続いて撮像素子２をリセットした後、再びシャッターをＯＮにして撮像素子２に暗電流の電荷を蓄積し、シャッターがＯＦＦになった次の期間ＶＤにおいて、撮像素子２に蓄積された暗電流信号Ｓ１（図中、暗電流信号２）を暗電流加算器７２に加え、前回記憶した暗電流信号Ｓ１と加算平均し記憶する。この例では加算平均回数ｎ＝２としたが、それ以上の場合は、これをｎ回繰り返し加算平均して、暗電流成分信号Ｓ１ｎを暗電流メモリ７２に記憶する。
【００３８】
次に、暗電流成分信号Ｓ１ｎが暗電流メモリ７２に記憶されたら、制御信号Ｃ１をオフレベルとし、レンズ絞りを開閉制御して被写体光像の光量が適正光量となるように設定した後、撮像素子２をシャッターＯＮ時間Ｖｉで動作させる。そして、シャッターがＯＦＦになった次のＶＤ期間において、撮像素子２に蓄積された撮像信号Ｓ２を撮像信号メモリ８１に加え記憶する。次に、撮像信号メモリ８１から撮像信号Ｓ２を取り出し、暗電流成分信号Ｓ１ｎと共に暗電流減算器８２に加える。暗電流減算器８２では、撮像信号Ｓ２から暗電流成分Ｓ１ｎの暗電流成分を減算し、暗電流成分を含まない映像信号Ｓ３を得る。この映像信号Ｓ３は、更に映像信号メモリ９に送られ、映像信号出力Ｓ４として取り出される。
【００３９】
以後、新たな撮像信号Ｓ２が撮像信号メモリ８１に逐次記憶される毎に、暗電流減算器８２では暗電流メモリ７２に記憶されている暗電流成分Ｓ１ｎを取り出して減算を行い、映像信号Ｓ３を得る。
【００４０】
なお、シャッターＯＮ時間Ｖｉが長時間となる場合、加算平均回数ｎを多く設定すると、レンズ絞りを遮光状態とするのに伴って、同じ映像信号を繰り返し表示する期間が長くなり、映像の変化成分に対応することが難しくなる。このため、加算平均回数ｎを少なくして、映像の変化成分に対する対応を早くする。図８は、平均加算回数ｎ＝１とした場合のタイミングチャートを示している。
【００４１】
また、図９に示すように、暗電流の検出は一定間隔（暗電流検出間隔）で行われるが、ＣＭＯＳセンサーを撮像素子２に用いた場合は消費電力が少なく温度上昇が小さいので、例えば１０分に一回とすれば十分であり、視者に違和感を与えることはほとんどない。ＣＣＤを撮像素子に用いる場合はＣＭＯＳに比較し約１０倍ぐらい消費電力が多く従って温度上昇が大きいので、数分以内に頻繁に補正する必要がある。また、周囲温度変化が屋外等で早い場合は短くし、空調がなされて室内温度が一定に保たれている場合は長くする。
【００４２】
ちなみに、従来の技術で説明した特開平１１−１１２８８４号公報の暗電流補正方法を、高精細な撮像装置に適用した場合、温度検出のポイントが多くなるため、正確な暗電流補正が難しくなる。しかし、本実施の形態の撮像装置では、温度検出が不要であるため、高精細な撮像装置であっても、正確な暗電流補正が可能となる。
【００４３】
とくに、シャッターＯＮ時間Ｖｉが期間ＶＤより長い場合、上記従来例では暗電流補正に要する処理時間が長くなるが、本実施の形態の撮像装置では、処理時間を大幅に短くすることができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、暗電流を一定間隔で検出して映像信号を補正するようにしたので、暗電流の経時的な変化にも十分対応することができ、高精細化した場合でも、バラツキがなく暗電流の補正が正確になされた映像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係わる撮像装置の機能的な構成を示すブロック図。
【図２】暗電流検出部と映像信号検出部の機能的な構成を示すブロック図。
【図３】Ｖｉ＜ＶＤのときに暗電流信号を検出するタイミングチャート。
【図４】Ｖｉ＜ＶＤのときに撮像流信号を検出するタイミングチャート。
【図５】撮像信号から暗電流成分減算して映像信号を得るタイミングチャート。
【図６】レンズ絞り遮光中に同じ映像信号を繰り返し出力するタイミングチャート。
【図７】Ｖｉ＞ＶＤのときに暗電流信号、撮像信号及び映像信号を検出するタイミングチャート（ｎ＝２の場合）。
【図８】Ｖｉ＞ＶＤのときに暗電流信号、撮像信号及び映像信号を検出するタイミングチャート（ｎ＝１の場合）。
【図９】暗電流検出の間隔を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１　レンズ絞り部
２　撮像素子
７　暗電流検出部
８　映像信号検出部
９　映像信号メモリ
１０　タイミングコントローラ
７１　暗電流加算器
７２　暗電流メモリ
８１　撮像信号メモリ
８２　暗電流減算器

Claims

被写体光像からの光を電荷として蓄積し電気信号に変換する撮像手段と、レンズ絞りを有する絞り手段と、前記レンズ絞りを開閉して前記被写体光像の光量を制御するレンズ絞り制御手段と、前記被写体光像の光量に応じて前記撮像手段における電荷の蓄積時間を設定するシャッター時間制御手段と、前記レンズ絞りを一定間隔で所定期間遮光するレンズ絞り遮光手段と、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光されたときに前記撮像素子から出力される電気信号を第１の電気信号として記憶する第１の記憶手段と、前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じて前記レンズ絞りが開閉制御されたときに前記撮像素子から出力される電気信号を第２の電気信号として記憶する第２の記憶手段と、前記第２の電気信号から前記第１の電気信号の暗電流成分を除去して第３の電気信号を得る暗電流補正手段と、前記第３の電気信号を記憶する第３の記憶手段とを具備し、前記第３の記憶手段に記憶した第３の電気信号を少なくとも記録媒体に記録する撮像装置であって、
前記レンズ絞り遮光手段によりレンズ絞りが所定期間遮光される前記一定間隔毎に前記第１の記憶手段に前記第１の電気信号を記憶し、前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じてレンズ絞りが開閉されている期間中は、前記暗電流補正手段において前記第２の記憶手段に逐次記憶される前記第２の電気信号から、前記第１の記憶手段に記憶された前記第１の電気信号の暗電流成分を除去して前記第３の電気信号とすることを特徴とする撮像装置。
前記請求項１に記載の撮像装置において、
前記シャッター時間制御手段で設定される電荷の蓄積時間に基づいて前記レンズ絞り遮光手段により前記レンズ絞りを遮光する期間を設定し、前記レンズ絞りを遮光する期間内に前記撮像手段から出力される第１の電気信号を前記第１の記憶手段に記憶することを特徴とする撮像装置。
前記請求項１又は２に記載の撮像装置において、
前記レンズ絞り遮光手段により被写体光像が遮光される直前に前記撮像素子から出力された電気信号を前記第２の記憶手段に記憶し、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光される期間中は、前記第２の記憶手段に記憶した電気信号を第３の電気信号として出力することを特徴とする撮像装置。