JP2005012408A - Clamping circuit - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像信号のクランプ回路に関し、特に固体撮像装置の遮光された画素部から出力される映像信号のオフセットバラツキをとるのに用いて好適なクランプ回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサやCMOSイメージセンサに代表される固体撮像装置は、各種の携帯端末機器、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなどの画像入力装置として広く用いられている。特に、以前からある撮像管に比べて固体撮像装置は携帯性に優れていることから、一台であらゆる場面の撮影に用いられることがある。
【0003】
一般的に、固体撮像装置での撮影では、図12に示すように、固体撮像装置101で撮像した映像信号を、固体撮像装置101の後段に配置されたプログラマブルゲインアンプ(PGA)102などで増幅し、AD変換器103でデジタル信号に変換した後、DSP(Digital Signal Processor)104などで各種の信号処理を行う。
【0004】
固体撮像装置101では、間接照明などで照らされた室内などでの暗い被写体の撮影や、太陽光直下の屋外などでの明るい被写体の撮影など、暗い被写体から明るい被写体の撮影をこなすために、このPGA102の増幅率は−数dBから百数十dBまでに亘ることがある。
【0005】
固体撮像装置101での映像信号では、固体撮像装置101のカラーフィルターに対応した原色(R(red),G(green),B(blue))や、補色(C(cyan),M(magenta),Y(yellow))の色信号における黒レベルや、信号処理で得られる輝度信号の黒レベルや色差信号における無色レベルは、ある基準値に固定される必要がある。この基準値に固定されていないと、例えば同じ黒い被写体を撮影した場合に黒色の見え方が異なるためである。
【0006】
ところで、撮影する被写体に応じてPGA102の増幅率を変化させると固体撮像装置101が持っているオフセット値やPGA102そのもののオフセット値などが変化してしまう。固体撮像装置101に入力した光量と映像信号との関係を図13に示す。同図から明らかなように、増幅率が大きいと固体撮像装置101が持っているオフセット値も増幅されてしまう。そのため、前述の色信号における黒レベルなどがPGA102の増幅率の変化などでずれてしまい、PGA102の増幅率が小さい場合には問題がなかったとしても、増幅率を上げた場合には、例えば黒い被写体が白っぽく見えてしまうことがある。
【0007】
さらに、固体撮像装置は半導体製造工程で製造されることになるが、各回路にはエッチングやリソグラフィーなどの製造バラツキによって固体撮像装置のオフセット値に個体差が生じていたり、同一の固体撮像装置であっても使用する温度変化、経年変化、雑音などで使用するたびにオフセット値がばらついたりする問題がある。
【0008】
通常、このようなオフセット値による撮影画像の劣化の問題を防ぐために、図14に示すように、画素105が行列状に2次元配置されてなる画素部106において、一部の画素105をアルミなどの配線層で遮光した部分(以下、「OPB(オプティカルブラック)部」と記す)107を用意し、このOPB部107からの映像信号が常に一定値になるように、当該映像信号に対してオフセット値(以下、「クランプ値」と記す)を加える対策を採っている。かかる対策を採ることにより、OPB部107の映像信号が常にある一定基準値になるため、前述のような色信号における黒レベルなどの変化による撮影画像の劣化を防ぐことができる。
【0009】
このように、映像信号にクランプ値(オフセット値)を加える回路をクランプ回路と言う。図15に、時間軸上での映像信号のあるn行目と(n+1)行目の波形を示す。クランプ回路では、遮光してあるOPB部112の信号を映像信号の基準にするようにクランプ値を加える処理が行われる。通常、このOPB部107の信号は、映像信号のブランキング期間に設けられる。そして、このブランキング期間に同期したクランプパルスによりクランプ値を加える期間(図15では、低レベル期間で示している)を設定している。
【0010】
従来、この種のクランプ回路では、OPB部の個々の画素からの出力を単純に積算してOPB部の画素間のバラツキを平均化した上で、この平均値から映像信号に加えるべきクランプ値を求め、この求めたクランプ値を映像信号に加えるようにしていた(例えば、特許文献1参照)。
【0011】
【特許文献1】
特開平10−79893号公報(特に、段落0009〜0012および図1)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例に係るクランプ回路では、OPB部の出力を単純に積算して求めた平均値を使用しているため、平均化する画素数が少ないとOPB部にリーク電流などで常に最大信号値を出し続ける異常画素(白い色の被写体のように信号値が大きいため、白点と呼ばれる)やOPB部に強い光が照射され光が漏れ込んだ場合にその平均値がずれてしまう問題がある。そのため、正しいクランプ値(平均値)を求めるために、より多くの画素をOPB部として確保しなければならならない。この場合、クランプ値を求めるために長時間OPB部の読み込みを行わなければならず、クランプ値の収束に時間がかかってしまう。
【0013】
さらに、通常の積算によるクランプでは、クランプ値のかけ方が1種類の方法しかないため、例えばPGAの増幅率が急激に変化し、それに合わせてクランプ値が変化した場合、これに追従しようとクランプ値を急激に変化させるようにする(積算の母数を少なくするなど)と、雑音などの影響でOPB部の信号が変化した際にもクランプ値が急激に変化してしまう。このような不具合は例えば、OPB部の画素間のバラツキに周期性があった場合、同様にクランプ値にも周期性が表れる場合などが考えられる。
【0014】
図16には、n行目と(n+1)行目でOPB部の映像出力が行毎に周期的になったときにクランプをかけた場合の波形を示している。行毎に異なったクランプ値を加えてしまうと、画素の信号が実際に映像信号として用いられる有効画素部の出力が周期的になり、映像に縞模様ができてしまう問題が生じる。しかし、逆にクランプ値の変化を緩やかにした場合、PGAの増幅率の変化に追従できずに撮影画像が劣化してしまう。
【0015】
特に、特許文献1記載のクランプ回路では、入力映像信号のOPB期間の信号レベルをアキュムレータで演算して1ラインの平均を求め、その求めたOPB期間の信号レベルの平均についてIIRフィルタを用いてライン間で演算し、その演算結果を減算器で入力映像信号から減算するフィードフォワード方式の構成を採っているため、アキュムレータ、IIRフィルタあるいは減算器の特性に誤差があった場合、適切なクランプ処理を行うことができず、クランプ処理後の映像信号が誤差含みのものとなってしまう。
【0016】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、経年変化、温度変化、バラツキなどに強く、被写体などの状況に応じたクランプをかけることが可能なクランプ回路を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明によるクランプ回路は、入力される映像信号に対してオフセット値を付加するオフセット調整手段と、前記オフセット調整手段で前記オフセット値が付加された映像信号をフィルタリング処理する第1のデジタルフィルタと、あらかじめ設定されたクランプ設定値と前記第1のデジタルフィルタの出力とを加算する加算手段と、前記加算手段の出力をフィルタリング処理する第2のデジタルフィルタとを備え、前記第2のデジタルフィルタの出力に基づいて前記オフセット調整手段で付加する前記オフセット値を制御する構成となっている。
【0018】
上記構成のクランプ回路において、第1のデジタルフィルタ、加算手段および第2のデジタルフィルタは、オフセット調整手段で付加されたオフセット値(クランプ値)とクランプ設定値の差分をオフセット調整手段にフィードバックするフィードバックループを形成している。このループを形成するデジタルフィルタは、経年変化、温度変化、バラツキなどがないため、経年変化、温度変化、バラツキなどに強く、被写体などの状況に応じたクランプをかけることができる。しかも、ループを形成する各回路部の特性に誤差があったとしても、フィードバック制御であることから、その誤差分を補正しつつ適切なクランプ処理を行うことができる。
【0019】
【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参照して詳細に説明する。
【0020】
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係るクランプ回路の構成を示すブロック図である。図1から明らかなように、本実施形態に係るクランプ回路は、オフセット調整器11、AD変換器12、ループデジタルフィルタ13、格納部14、加算器15およびデジタルフィルタ16を有する構成となっている。ここでは、オフセット調整器11に入力されるアナログ映像信号として、固体撮像装置の遮光された画素部(OPB部)から出力される映像信号を用いる場合を例に挙げて説明するものとする。
【0021】
オフセット調整器11は、オペアンプOPと、アナログ映像信号をオペアンプOPの反転(−)入力端子に与える入力抵抗R11と、オペアンプOPの出力端子と反転入力端子との間に接続された帰還抵抗R12と、オペアンプOPの非反転(+)入力端子に接続されたオフセット設定部110とを有する構成となっており、入力されるアナログ映像信号に対してオフセット設定部17で設定されたオフセット値を付加する。
【0022】
AD変換器12は、オフセット調整器11でオフセット値が付加されたアナログ映像信号をデジタル変換する。ループデジタルフィルタ13は、AD変換器12の出力に対してある特性を持たせるためのフィルタリング処理を施す。格納部14は、ROMやレジスタなどからなり、あらかじめ設定されたクランプ設定値を格納する。加算器15は、格納部14に格納されているクランプ設定値とループデジタルフィルタ13の出力を加算(減算を含む)する。デジタルフィルタ16は、加算器15の出力に対してある特性を持たせるためのフィルタリング処理を施してオフセット調整器11に供給する。
【0023】
以上により、ループデジタルフィルタ13およびデジタルフィルタ16の2つのデジタルフィルタを含むループでのフィードバック制御によってクランプ処理を実現する本実施形態に係るクランプ回路が構成されている。また、ループデジタルフィルタ13およびデジタルフィルタ16のいずれにもクランプパルスが入力されている。ここでいう、ループデジタルフィルタ13、デジタルフィルタ16とは論理回路で構成された任意のフィルタ回路である。
【0024】
オフセット調整器11において、オフセット設定部110は、一例として、電源VddとオペアンプOPの反転入力端子との間に接続された電流源I11と、オペアンプOPの反転入力端子とグランドとの間に接続された電流源I12とを有し、デジタルフィルタ16の出力に応じてオフセット値を設定する構成となっている。具体的には、デジタルフィルタ16の出力が0よりも小さいときには、電流源I11によってオペアンプOPの反転入力端子に電流を流し込むことにより、逆にデジタルフィルタ16の出力が0よりも大きいときには、電流源I12によってオペアンプOPの反転入力端子から電流を吸い出すことにより、入力されるアナログ映像信号に付加するためのオフセット値を設定する。
【0025】
続いて、図1に示す本実施形態に係るクランプ回路の動作原理について説明する。ここでは、デジタルフィルタ16、ループデジタルフィルタ13をそれぞれ次の差分方程式で表した場合を例に挙げて具体的に説明する。
【0026】
デジタルフィルタ16については、
▲1▼クランプパルスが低レベル(以下、「Lo」と記す)のとき、
y[n]=x[n]
▲2▼クランプパルスが高レベル(以下、「Hi」と記す)のとき、
y[n]=x[clamp↓−0]
となり、ループデジタルフィルタ13については、
となる。
【0027】
ここで、nはn番目の画素の信号を、x[n],y[n]はそれぞれのフィルタの入力および出力を、aは任意の係数を、Tは遅延を表している。それぞれ、クランプパルスがHi,Loのときにフィルタを切り替えるようにしている。特に、clamp↓−0はクランプパルスが立ち下がる直前を意味している。
【0028】
さらに、図1のAD変換器12の後に任意の係数bを用いて、
y[n]=b・x[n]
で表されるデジタルアンプが追加されているとする。このように、デジタルアンプを追加しても本特許の本質は変わらない。
【0029】
上述した具体例において、図1のブロック図を信号線図で表現したものが図2および図3である。ちなみに、オフセット調整器11とAD変換器12は、単に信号の変換をするだけなので信号線図には影響がない。
【0030】
クランプ設定値と実際に出力されたクランプ値をそれぞれv[n],w[n]とおくと、クランプパルスがLoのときは、クランプ設定値v[n]とクランプ値w[n]の関係、次のような差分方程式で表される。
w[n]/b=v[n]+a・T・(w[n]/b)
⇔w[n]=b・v[n]+a・w[n]
【0031】
また、クランプパルスがHiのときは、デジタルフィルタ16の出力は、クランプパルスが立ち下がる直前の値、即ち前の画素の値を保持しているため、フィードバックループが切れた状態になり、クランプ値の制御が行われない。この状態では、クランプ設定値v[n]とクランプ値w[n]の関係は下記の式のようになる。
【0032】
この例でのクランプパルス、クランプ設定値および実際に出力されたクランプ値の関係を示したのが図4の波形図である(a=0.88,b=0.12)。固体撮像装置がOPB部の映像信号を出力している期間に合わせて、クランプパルスをLoにしている。その場合、図2の信号線図になり、クランプ値がクランプ設定値に近づくようにクランプ回路に制御がかかる。クランプパルスがHiのときは、図3の信号線図に示すようにクランプ回路の制御を切り、クランプ値の制御を行わないため、クランプ値は一定値を保っている。
【0033】
さらに、クランプパルスがLoになるたびにクランプ回路の制御が行われ、クランプ値の制御を開始して4行目でクランプ値の変化が終了し、クランプ値が安定する。通常の使用時では、このように数行から数十行に亘ってクランプ値を安定させる方法を用いる(本明細書中では、このような動作を「通常クランプモード」と記す)。これはクランプ値による変化のため、画面に急激な変化をもたらさないためである。
【0034】
同じ信号線図において、a=−0.5,b=1.5の場合のクランプパルス、クランプ設定値および実際に出力されたクランプ値の関係を示したのが図5の波形図である。この場合、図4の波形図に比べてクランプ値の変化は激しくリンギングしているが、その分だけ収束が速くなり、数行目でクランプ値が安定する。通常、クランプ値が大きく変化するのは、電源投入時やスタンバイからの復帰時など急激に動作状態にした場合(本明細書中では、このような動作時を「初期動作時」と記す)や、PGA(プログラマブルゲインアンプ)の増幅率を切り替えてオフセット値が変化したときであるから、その場合には、このようにクランプ値の収束を速くすれば良い(本明細書中では、このような動作モードを「高速クランプモード」と記す)。
【0035】
固体撮像装置を撮像デバイスとして用いたデジタルスチルカメラなどでの撮影の際には、リアルタイムで撮影した映像を確認するモニタリングモードと、実際に映像をメモリなどに取り込むスチルモードとを切り替えることがある。このとき、モニタリングモードでは被写体に追従するため高速クランプモードでのクランプ値の制御を行い、スチルモードでは同一の画面でクランプ値が変化するのを防ぐために通常クランプモードでの制御を行うようにすれば良い。また、OPB部の雑音に対してはクランプ値の制御を行わないようにする。
【0036】
この高速クランプモードと通常クランプモードの切り替えは、図6に示すように、例えば後段の信号処理系から与えられるフラグ信号によって行うことができる。なお、図6と図12の対応関係において、オフセット調整器11は、PGA102が持つ機能の一部としての位置付けとなる。固体撮像装置17のOPB部から出力され、オフセット調整器11でオフセット値が付加されたアナログ映像信号は、AD変換器12でデジタル変換された後、DSP18で各種の信号処理が施されることになる。
【0037】
図6の例では、高速クランプモードと通常クランプモードの切り替えを外部から与えられるフラグ信号によって行うとしたが、ループデジタルフィルタ13の入力x[n]に基づいて自動的にクランプ値の制御の切り替えを行うこともできる。そのクランプ制御の具体例を図7のフローチャートを用いて説明する。
【0038】
図7のフローチャートにおいて、クランプパルスがLoのときにクランプ制御を開始し、先ず、ループデジタルフィルタ13の入力x[n]がある閾値thよりも大きいか否かを判断し(ステップS11)、入力がx[n]閾値thよりも大きい場合は、クランプ値の制御を行わない(ステップS12)。具体的には、x[n]>thのとき、ループデジタルフィルタ13からはある値flagが出力される。その場合、デジタルフィルタ16では、図3の信号線図に示すようにクランプ回路の制御を切り、クランプ値の制御を行わないようにする。
【0039】
このように、ループデジタルフィルタ13の入力x[n]をある閾値thで判定し、閾値thよりも大きいときにはクランプ値の制御を行わず、クランプ値を変化させないようにするのは、固体撮像装置のOPB部に白点や光の漏れ込みなどがあり、固体撮像装置から明らかに異常な雑音(出力)があった際にこの雑音の影響をなくすためである。
【0040】
ループデジタルフィルタ13の入力x[n]が閾値th以下のときには、初期動作時であるか、あるいはPGAの増幅率が変化したか否かを判断し(ステップS13)、初期動作時あるいはPGAの増幅率変化であれば、被写体に追従するため高速クランプモードでのクランプ値の制御に切り替え(ステップS14)、そうでなければ同一の画面でクランプ値が変化するのを防ぐために通常クランプモードでのクランプ値の制御に切り替える(ステップS15)。
【0041】
このように、ループデジタルフィルタ13の入力x[n]に基づいて自動的にクランプ値の制御の切り替えを行うことにより、雑音などの影響でOPB部の信号が急激に変化した際にはクランプ値が変化しないようにすることができるとともに、デジタルスチルカメラなどでの撮影の際は、モニタリングモードやスチルモードの各動作モードに対応した最適なクランプ値を設定することができることになる。
【0042】
この場合のデジタルフィルタ16およびループデジタルフィルタ13の各出力y[n]はそれぞれ月の差分方程式で表される。
デジタルフィルタ16については、
▲1▼クランプパルスが低レベル(以下、「Lo」と記す)かつx[n]≠flagのとき、
y[n]=x[n]
▲2▼クランプパルスが高レベル(以下、「Hi」と記す)もしくはx[n]=flagのとき、
y[n]=x[clamp↓−0]
となる。
【0043】
ループデジタルフィルタ13については、
▲1▼クランプパルスがHiもしくはLoかつx[n]≦閾値thのとき、
▲2▼クランプパルスがLoかつx[n]>閾値thのとき、
y[n]=flag
となる。
【0044】
また、上記の例では、ループデジタルフィルタ13の入力x[n]に基づいてクランプ値の制御の切り替えを行うとしたが、撮影した被写体や画像に基づいてクランプ値を制御することも可能である。例えば、DSP17などにおいて、撮影した被写体や画像の信号レベルの平均値とある基準値とを比較し、平均値が基準値よりも高い場合は通常のクランプ値で、平均値が基準値よりも低い場合にはクランプ値にオフセットを余分に与えることで、信号処理やディスプレイでの表示、プリントアウトなどでは通常黒くつぶれてしまう暗い被写体や画像を、黒くつぶれないようにし、鮮明な画像を得ることができる。
【0045】
具体的には、図6に示すように、後段の信号処理系から与えられるフラグ信号をループデジタルフィルタ13、加算器15およびデジタルフィルタ16にそれぞれ与え、信号処理で平均化した信号レベルを基準値と比較し、その大小に応じてフラグ信号を切り替えることにより、クランプ値のオフセットを調整することができる。
【0046】
さらに、固体撮像装置には通常信号と高ダイナミックレンジ信号の2種類の信号を出力できる構成のものがあるが、その際にもフラグ信号をたてることで、通常信号と高ダイナミックレンジ信号を切り替えることができる。その際に、図8に示すように、固体撮像装置17の動作を制御するコントローラ19からのフラグ信号を用いて、通常信号出力時と高ダイナミックレンジ信号出力時で、ループデジタルフィルタ13、加算器15およびデジタルフィルタ16の各動作を切り替えることにより、それぞれの出力に応じたクランプ値の制御をかけることができる。
【0047】
このフラグ信号による制御は、明るい被写体と暗い被写体を同時に撮影した際に、暗い被写体など画面の一部分のみについて増幅率を変える場合などにも適応できる。
【0048】
図9は、図1の構成を伝達関数で表した信号線図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付して示している。ここで、加算器15に入力されるループデジタルフィルタ13の出力に負号をつけているが、ループデジタルフィルタ13の伝達関数に負号をつけることと等価であるため、本特許の本質性が失われることはない。
【0049】
デジタルフィルタ16、オフセット調整器11/AD変換器12、ループデジタルフィルタ13の伝達関数をそれぞれ、A,B,Gとおくと、クランプ設定値xと実際に出力されるクランプ値yとの関係fは、
【数1】
と表すことができる。
【0050】
ここで、オフセット調整器11/AD変換器12の伝達関数が、B→B+ΔBに変化したとすると、fの変化分Δfは、
【数2】
となる。
【0051】
そのため、
【数3】
となる。
【0052】
ここで、
【数4】
とすると、
【数5】
となる。
【0053】
その結果、デジタルフィルタ16の伝達関数Aを十分大きくとればαが十分小さくなるため、オフセット調整器11/AD変換器12の特性に誤差があったとしても、当該誤差がクランプ値の変化に影響を及ぼすことはない。
【0054】
上述したように、第1実施形態に係るクランプ回路においては、経年変化、温度変化、バラツキなどがないループデジタルフィルタ13およびデジタルフィルタ16を含むループでのフィードバック制御の回路構成を採っているため、経年変化、温度変化、バラツキなどに強く、被写体などの状況に応じたクランプをかけることができるクランプ回路を実現できる。
【0055】
特に、ループを形成する各回路部、即ちループデジタルフィルタ13、加算器15およびデジタルフィルタ16などの特性に誤差があったとしても、フィードバック制御であることから、適切なクランプ処理を行うことができる。また、アナログアンプ構成のオフセット調整器11でクランプ補正を行う構成を採っているため、後段のAD変換器12のダイナミックレンジを狭めることもない。ちなみに、デジタル演算でクランプ補正を行う場合には、映像信号がクランプ補正によって直流電位がレベルシフトした分だけ、後段のAD変換器12のダイナミックレンジを狭めることになる。
【0056】
ただし、本発明は、アナログ処理でクランプ補正を行う構成に限られるものではなく、オフセット調整手段の前段に、入力される映像信号をデジタル変換するAD変換器を設けて、当該オフセット調整手段においてデジタル演算でクランプ補正を行う構成を採ることも可能である。この場合でも、ループ内にデジタルフィルタを含むことに伴う上記効果や、フィードバック制御であることに伴う上記効果を得ることができる。
【0057】
[第2実施形態]
図10は、本発明の第2実施形態に係るクランプ回路の構成を示すブロック図であり、図中、図1と同等部分には同一符号を付して示している。
【0058】
本実施形態に係るクランプ回路は、ループデジタルフィルタ13およびデジタルフィルタ16をそれぞれ含む例えば2つのフィードループを有する構成となっている。具体的には、格納部14とオフセット調整器11との間に、加算器15−1、デジタルフィルタ16−1、加算器15−2およびデジタルフィルタ16−2が直列に接続され、AD変換器12の出力がループデジタルフィルタ13−1,13−2を介して加算器15−1に供給されるとともに、ループデジタルフィルタ13−2を介して加算器15−2に供給される構成となっている。
【0059】
上記構成の第2実施形態に係るクランプ回路は、第1実施形態に係るクランプ回路とはフィードバックループを2つ有する点で相違するものの、基本的な回路動作は同じである。ただし、フィードバックループを2つ持っている分だけ、第1実施形態に係るクランプ回路に比べてより多彩な制御を行うことができる。例えば、白点がOPB部に存在した際の動作例を示す図11から明らかなように、突発的な白点が存在したとしても、2つのフィードバックループによってクランプ値の制御を行うことで、より安定したクランプ値を得ることができる。
【0060】
なお、本実施形態では、フィードバックループを2つ設ける場合を例に挙げて説明したが、これに限られるものではなく、3つ以上設けても良く、その数が多くなる程、より多彩な制御を行うことができる。
【0061】
また、上記各実施形態では、オフセット調整器11に入力されるアナログ映像信号として、固体撮像装置のOPB部から出力される映像信号を用いる場合を例に挙げて説明したが、本発明はこの適用例に限られるものではなく、映像信号のクランプ回路全般に適用することができる。
【0062】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるクランプ回路によれば、経年変化、温度変化、バラツキなどがないデジタルフィルタを含むループでのフィードバック制御の回路構成を採っていることで、経年変化、温度変化、バラツキなどに強く、被写体などの状況に応じたクランプをかけることができ、しかもループを形成する各回路部の特性に誤差があったとしても、フィードバック制御であることから、適切なクランプ処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係るクランプ回路の構成を示すブロック図である。
【図2】第1実施形態に係るクランプ回路におけるクランプパルス=Loのときの信号線図である。
【図3】第1実施形態に係るクランプ回路におけるクランプパルス=Hiのときの信号線図である。
【図4】a=0.88,b=0.12のときのクランプパルス、クランプ設定値および実際のクランプ値の関係を示す波形図である。
【図5】a=0.5,b=1.5のときのクランプパルス、クランプ設定値および実際のクランプ値の関係を示す波形図である。
【図6】外部からフラグ信号でクランプ制御を行う場合の構成例を示すブロック図である。
【図7】ループデジタルフィルタの入力x[n]に基づいてクランプ制御を行う場合の手順の一例を示すフローチャートである。
【図8】コントローラからフラグ信号でクランプ制御を行う場合の構成例を示すブロック図である。
【図9】第1実施形態に係るクランプ回路を伝達関数で表記したブロック図である。
【図10】本発明の第2実施形態に係るクランプ回路の構成を示すブロック図である。
【図11】第2実施形態に係るクランプ回路において、白点がOPB部に存在した際の動作例でのクランプパルス、クランプ設定値および実際のクランプ値の関係を示す波形図である。
【図12】固体撮像装置の信号処理系の一般的な構成例を示すブロック図である。
【図13】固体撮像装置の入射光量と映像信号との関係を示す特性図である。
【図14】固体撮像装置のOPB部についての説明図である。
【図15】映像信号とクランプパルスとの関係を示す波形図である。
【図16】OPB部が周期的な場合のクランプ前およびクランプ後の映像信号を示す波形図である。
【符号の説明】
11…オフセット調整器、12…AD変換器、13,13−1,13−2…ループデジタルフィルタ、14…格納部、15,15−1,15−2…加算器、16,16−1,16−2…デジタルフィルタ、17…固体撮像装置、18…DSP、19…コントローラ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a clamp circuit for a video signal, and more particularly to a clamp circuit suitable for use in taking an offset variation of a video signal output from a light-shielded pixel portion of a solid-state imaging device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, solid-state imaging devices represented by CCD (Charge Coupled Device) image sensors and CMOS image sensors have been widely used as image input devices such as various portable terminal devices, digital still cameras, and digital video cameras. In particular, since a solid-state imaging device is superior in portability compared to a conventional imaging tube, it may be used for shooting every scene with a single unit.
[0003]
In general, in imaging with a solid-state imaging device, as shown in FIG. 12, a video signal captured by the solid-
[0004]
In the solid-
[0005]
In the video signal of the solid-
[0006]
By the way, if the amplification factor of the
[0007]
Furthermore, solid-state imaging devices are manufactured in the semiconductor manufacturing process, but there are individual differences in the offset values of the solid-state imaging devices due to manufacturing variations such as etching and lithography in each circuit, or the same solid-state imaging device. Even if it exists, there is a problem that the offset value varies every time it is used due to temperature change, aging change, noise, and the like.
[0008]
Usually, in order to prevent such a problem of deterioration of a captured image due to an offset value, as shown in FIG. 14, in a pixel unit 106 in which pixels 105 are two-dimensionally arranged in a matrix, some pixels 105 are made of aluminum or the like. A portion (hereinafter referred to as an “OPB (optical black) portion”) 107 shielded from light by the wiring layer is prepared, and the video signal from the OPB portion 107 is offset with respect to the video signal so that the video signal is always a constant value. Measures to add a value (hereinafter referred to as “clamp value”) are taken. By taking such a measure, the video signal of the OPB unit 107 always has a certain reference value, so that it is possible to prevent deterioration of the captured image due to a change in the black level or the like in the color signal as described above.
[0009]
A circuit that adds a clamp value (offset value) to a video signal is called a clamp circuit. FIG. 15 shows the waveforms of the nth row and the (n + 1) th row of the video signal on the time axis. In the clamp circuit, a process of adding a clamp value is performed so that the signal of the
[0010]
Conventionally, in this type of clamp circuit, the outputs from the individual pixels in the OPB section are simply integrated to average the variation between the pixels in the OPB section, and then the clamp value to be added to the video signal is calculated from this average value. The obtained clamp value is added to the video signal (for example, see Patent Document 1).
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-79893 (particularly paragraphs 0009 to 0012 and FIG. 1)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the clamp circuit according to the above-described conventional example uses an average value obtained by simply integrating the outputs of the OPB portion, if the number of pixels to be averaged is small, the OPB portion is always at a maximum due to a leakage current or the like. Abnormal pixels that continue to output signal values (referred to as white spots because the signal value is large like a white object) or the OPB part is exposed to strong light and the light leaks out. There is. Therefore, in order to obtain a correct clamp value (average value), more pixels must be secured as the OPB portion. In this case, the OPB part must be read for a long time in order to obtain the clamp value, and it takes time to converge the clamp value.
[0013]
Further, in the clamp by normal integration, there is only one method of applying the clamp value. For example, when the gain of the PGA changes abruptly and the clamp value changes accordingly, the clamp attempts to follow this. If the value is changed abruptly (for example, the integration parameter is reduced), the clamp value also changes abruptly when the signal of the OPB section changes due to the influence of noise or the like. For example, such a problem may occur when there is periodicity in the variation between pixels in the OPB portion, and when the periodicity also appears in the clamp value.
[0014]
FIG. 16 shows a waveform when clamping is performed when the video output of the OPB portion becomes periodic for each row in the nth row and the (n + 1) th row. If a different clamp value is added for each row, the output of the effective pixel portion in which the pixel signal is actually used as a video signal becomes periodic, causing a problem that a striped pattern is formed in the video. However, when the change of the clamp value is moderated, the captured image is deteriorated without being able to follow the change of the gain of the PGA.
[0015]
In particular, in the clamp circuit described in
[0016]
The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a clamp circuit that is resistant to secular change, temperature change, variation, and the like and can be clamped according to the situation of the subject. It is to provide.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The clamp circuit according to the present invention includes an offset adjustment unit that adds an offset value to an input video signal, a first digital filter that performs a filtering process on the video signal to which the offset value is added by the offset adjustment unit, An adding means for adding a preset clamp setting value and the output of the first digital filter; and a second digital filter for filtering the output of the adding means; and an output of the second digital filter. The offset value added by the offset adjusting means is controlled based on the above.
[0018]
In the clamp circuit having the above configuration, the first digital filter, the adding unit, and the second digital filter are feedback for feeding back the difference between the offset value (clamp value) added by the offset adjusting unit and the clamp setting value to the offset adjusting unit. A loop is formed. Since the digital filter forming this loop has no secular change, temperature change, variation, etc., it is strong against secular change, temperature change, variation, etc., and can be clamped according to the situation of the subject. In addition, even if there is an error in the characteristics of each circuit unit forming the loop, since the feedback control is performed, an appropriate clamping process can be performed while correcting the error.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
[First Embodiment]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a clamp circuit according to the first embodiment of the present invention. As is clear from FIG. 1, the clamp circuit according to the present embodiment includes an offset
[0021]
The offset
[0022]
The
[0023]
As described above, the clamp circuit according to the present embodiment that realizes the clamp process by feedback control in a loop including the two digital filters of the loop
[0024]
In the offset
[0025]
Next, the operation principle of the clamp circuit according to this embodiment shown in FIG. 1 will be described. Here, the case where the
[0026]
For the
(1) When the clamp pulse is low level (hereinafter referred to as “Lo”)
y [n] = x [n]
(2) When the clamp pulse is at a high level (hereinafter referred to as “Hi”)
y [n] = x [clamp ↓ -0 ]
As for the loop
It becomes.
[0027]
Here, n represents the signal of the nth pixel, x [n] and y [n] represent the input and output of each filter, a represents an arbitrary coefficient, and T represents the delay. Each filter is switched when the clamp pulse is Hi or Lo. In particular, clamp ↓ -0 Means just before the clamp pulse falls.
[0028]
Furthermore, an arbitrary coefficient b is used after the
y [n] = b · x [n]
It is assumed that a digital amplifier represented by is added. Thus, even if a digital amplifier is added, the essence of this patent does not change.
[0029]
In the specific example described above, the block diagram of FIG. 1 is represented by a signal diagram in FIGS. 2 and 3. Incidentally, since the offset
[0030]
When the clamp set value and the actually output clamp value are set as v [n] and w [n], respectively, when the clamp pulse is Lo, the relationship between the clamp set value v [n] and the clamp value w [n]. It is expressed by the following differential equation.
w [n] / b = v [n] + a.T. (w [n] / b)
⇔w [n] = b · v [n] + a · w [n]
[0031]
When the clamp pulse is Hi, the output of the
[0032]
FIG. 4 is a waveform diagram (a = 0.88, b = 0.12) showing the relationship between the clamp pulse, the clamp set value, and the actually output clamp value in this example. The clamp pulse is set to Lo in accordance with the period during which the solid-state imaging device outputs the video signal of the OPB unit. In that case, the signal diagram of FIG. 2 is obtained, and the clamp circuit is controlled so that the clamp value approaches the clamp setting value. When the clamp pulse is Hi, the clamp circuit is not controlled as shown in the signal diagram of FIG. 3 and the clamp value is not controlled. Therefore, the clamp value is kept constant.
[0033]
Further, every time the clamp pulse becomes Lo, the clamp circuit is controlled, the clamp value control is started, the change of the clamp value is finished in the fourth row, and the clamp value is stabilized. In normal use, a method of stabilizing the clamp value over several lines to several tens of lines is used (in this specification, such an operation is referred to as “normal clamp mode”). This is because a change due to the clamp value does not cause a sudden change in the screen.
[0034]
In the same signal diagram, the waveform diagram of FIG. 5 shows the relationship between the clamp pulse, the clamp set value, and the actually output clamp value when a = −0.5 and b = 1.5. In this case, the change in the clamp value is ringing more intensely than in the waveform diagram of FIG. 4, but the convergence becomes faster by that amount, and the clamp value is stabilized in the several lines. Usually, the clamp value changes greatly when the power supply is turned on or when the operation state is abruptly restored such as when returning from standby (in this specification, such operation time is referred to as “initial operation time”). , When the offset value changes by switching the gain of the PGA (programmable gain amplifier), in this case, the convergence of the clamp value may be accelerated (in this specification, The operation mode is described as “High-speed clamp mode”).
[0035]
When shooting with a digital still camera or the like using a solid-state imaging device as an imaging device, a monitoring mode for checking a video shot in real time and a still mode for actually reading the video into a memory may be switched. At this time, in the monitoring mode, the clamp value is controlled in the high-speed clamp mode in order to follow the subject, and in the still mode, the control in the normal clamp mode is performed to prevent the clamp value from changing on the same screen. It ’s fine. Also, the clamp value is not controlled for the noise in the OPB section.
[0036]
The switching between the high-speed clamp mode and the normal clamp mode can be performed by, for example, a flag signal given from a subsequent signal processing system as shown in FIG. 6 and 12, the offset
[0037]
In the example of FIG. 6, the high-speed clamp mode and the normal clamp mode are switched by a flag signal given from the outside, but the clamp value control is automatically switched based on the input x [n] of the loop
[0038]
In the flowchart of FIG. 7, the clamp control is started when the clamp pulse is Lo. First, it is determined whether or not the input x [n] of the loop
[0039]
As described above, the solid-state imaging device is configured to determine the input x [n] of the loop
[0040]
When the input x [n] of the loop
[0041]
In this way, by automatically switching the control of the clamp value based on the input x [n] of the loop
[0042]
In this case, each output y [n] of the
For the
(1) When the clamp pulse is at a low level (hereinafter referred to as “Lo”) and x [n] ≠ flag,
y [n] = x [n]
(2) When the clamp pulse is at a high level (hereinafter referred to as “Hi”) or x [n] = flag,
y [n] = x [clamp ↓ -0 ]
It becomes.
[0043]
For the loop
(1) When the clamp pulse is Hi or Lo and x [n] ≦ threshold th,
(2) When the clamp pulse is Lo and x [n]> threshold th,
y [n] = flag
It becomes.
[0044]
In the above example, the control of the clamp value is switched based on the input x [n] of the loop
[0045]
Specifically, as shown in FIG. 6, the flag signal given from the signal processing system at the subsequent stage is given to the loop
[0046]
Furthermore, some solid-state imaging devices have a configuration capable of outputting two types of signals, a normal signal and a high dynamic range signal. In this case, a normal signal and a high dynamic range signal are switched by generating a flag signal. be able to. At that time, as shown in FIG. 8, using a flag signal from the
[0047]
The control by the flag signal can be applied to a case where the amplification factor is changed only for a part of the screen such as a dark subject when a bright subject and a dark subject are simultaneously photographed.
[0048]
FIG. 9 is a signal diagram showing the configuration of FIG. 1 as a transfer function. In FIG. 9, the same parts as those in FIG. Here, a negative sign is attached to the output of the loop
[0049]
When the transfer functions of the
[Expression 1]
It can be expressed as.
[0050]
Here, if the transfer function of the offset
[Expression 2]
It becomes.
[0051]
for that reason,
[Equation 3]
It becomes.
[0052]
here,
[Expression 4]
Then,
[Equation 5]
It becomes.
[0053]
As a result, if the transfer function A of the
[0054]
As described above, the clamp circuit according to the first embodiment employs a circuit configuration for feedback control in a loop including the loop
[0055]
In particular, even if there is an error in the characteristics of each circuit unit forming the loop, that is, the loop
[0056]
However, the present invention is not limited to a configuration in which clamp correction is performed by analog processing, and an AD converter that digitally converts an input video signal is provided before the offset adjustment unit, and the offset adjustment unit performs digital conversion. It is also possible to adopt a configuration for performing clamp correction by calculation. Even in this case, it is possible to obtain the above-described effect associated with including a digital filter in the loop and the above-described effect associated with feedback control.
[0057]
[Second Embodiment]
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a clamp circuit according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 10, the same parts as those in FIG.
[0058]
The clamp circuit according to this embodiment is configured to have, for example, two feed loops each including the loop
[0059]
The clamp circuit according to the second embodiment configured as described above is different from the clamp circuit according to the first embodiment in that it has two feedback loops, but the basic circuit operation is the same. However, since there are two feedback loops, more various controls can be performed as compared with the clamp circuit according to the first embodiment. For example, as is clear from FIG. 11 showing an operation example when a white spot exists in the OPB portion, even if a sudden white spot exists, the clamp value is controlled by two feedback loops. A stable clamp value can be obtained.
[0060]
In the present embodiment, the case where two feedback loops are provided has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and three or more may be provided. It can be performed.
[0061]
In each of the above-described embodiments, the case where the video signal output from the OPB unit of the solid-state imaging device is used as the analog video signal input to the offset
[0062]
【The invention's effect】
As described above, according to the clamp circuit according to the present invention, by adopting a circuit configuration of feedback control in a loop including a digital filter free from aging, temperature change, variation, etc., aging, temperature change, Resistant to variations, etc., can be clamped according to the situation of the subject, etc., and even if there is an error in the characteristics of each circuit section forming the loop, it is feedback control, so appropriate clamping processing is performed be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a clamp circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a signal line diagram when a clamp pulse = Lo in the clamp circuit according to the first embodiment.
FIG. 3 is a signal line diagram when clamp pulse = Hi in the clamp circuit according to the first embodiment;
FIG. 4 is a waveform diagram showing a relationship between a clamp pulse, a clamp set value, and an actual clamp value when a = 0.88 and b = 0.12.
FIG. 5 is a waveform diagram showing a relationship between a clamp pulse, a clamp set value, and an actual clamp value when a = 0.5 and b = 1.5.
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example in the case where clamp control is performed with a flag signal from the outside.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a procedure for performing clamp control based on an input x [n] of a loop digital filter.
FIG. 8 is a block diagram showing a configuration example when clamp control is performed by a flag signal from a controller.
FIG. 9 is a block diagram representing a clamp circuit according to the first embodiment by a transfer function.
FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a clamp circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a waveform diagram showing a relationship between a clamp pulse, a clamp setting value, and an actual clamp value in an operation example when a white spot is present in an OPB portion in the clamp circuit according to the second embodiment.
FIG. 12 is a block diagram illustrating a general configuration example of a signal processing system of a solid-state imaging device.
FIG. 13 is a characteristic diagram illustrating a relationship between an incident light amount of a solid-state imaging device and a video signal.
FIG. 14 is an explanatory diagram of an OPB unit of the solid-state imaging device.
FIG. 15 is a waveform diagram showing a relationship between a video signal and a clamp pulse.
FIG. 16 is a waveform diagram showing video signals before and after clamping when the OPB section is periodic.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記オフセット調整手段で前記オフセット値が付加された映像信号をフィルタリング処理する第1のデジタルフィルタと、
あらかじめ設定されたクランプ設定値と前記第1のデジタルフィルタの出力とを加算する加算手段と、
前記加算手段の出力をフィルタリング処理する第2のデジタルフィルタとを備え、
前記第2のデジタルフィルタの出力に基づいて前記オフセット調整手段で付加する前記オフセット値を制御する
ことを特徴とするクランプ回路。Offset adjusting means for adding an offset value to the input video signal;
A first digital filter for filtering the video signal to which the offset value is added by the offset adjusting means;
Adding means for adding a preset clamp setting value and the output of the first digital filter;
A second digital filter for filtering the output of the adding means,
A clamp circuit, wherein the offset value added by the offset adjusting means is controlled based on an output of the second digital filter.
ことを特徴とする請求項1記載のクランプ回路。2. The clamp circuit according to claim 1, further comprising AD conversion means for digitally converting the video signal to which the offset value is added by the offset adjustment means, following the offset adjustment means.
ことを特徴とする請求項1記載のクランプ回路。The loop composed of the first digital filter, the adding means, and the second digital filter includes a first mode for converging the offset value over a predetermined time, and the offset faster than the first mode. 2. The clamp circuit according to claim 1, wherein a second mode for converging the value can be selected.
ことを特徴とする請求項1記載のクランプ回路。2. The clamp circuit according to claim 1, comprising a plurality of loops composed of the first digital filter, the adding means, and the second digital filter.
ことを特徴とする請求項1記載のクランプ回路。The clamp circuit according to claim 1, wherein the input video signal is a video signal output from a light-shielded pixel portion of a solid-state imaging device.
ことを特徴とする請求項1記載のクランプ回路。2. The clamp circuit according to claim 1, further comprising an AD converting unit that converts the inputted video signal into a digital signal and supplies the converted video signal to the offset adjusting unit before the offset adjusting unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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JP2009077184A (en) * | 2007-09-20 | 2009-04-09 | Sanyo Electric Co Ltd | Camera |
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