JP2005057655A

JP2005057655A - 撮像装置

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Publication number: JP2005057655A
Application number: JP2003288865A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakayama; 智中山
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US7362358B2; US20050030397A1

Abstract

【課題】映像信号を増幅する際の利得に応じてゲインテーブルから別のチャンネルの利得を制御することが出来るので、利得が変化した場合でも撮像素子からの複数の出力信号の差分による境界を目立たなくし、段差を無くすことを課題とする。
【解決手段】少なくとも第１、第２の出力端子を持つ撮像素子を用いた撮像装置であって、前記撮像素子の複数の出力信号に対してそれぞれ独立に信号を増幅する第１、第２の増幅手段と、前記第１、第２の増幅手段に与える利得を制御する利得制御手段と、前記第１の増幅手段の利得に対応した前記第２の増幅手段のゲインテーブルと、を備え、前記利得制御手段は前記第１の増幅手段の利得を制御するとともにゲインテーブルから前記第２の増幅手段の利得に対応した利得を用いて前記第２の増幅手段を制御することを特徴とする撮像装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の出力端子を有する撮像素子を用いた撮像装置に関する。

近年ディジタル信号処理技術及び半導体技術の進歩により、標準テレビ方式、例えばＮＴＳＣ方式やＰＡＬ方式の動画像信号をディジタル記録する民生用ディジタルビデオ規格が提案されており、その応用として、ディジタルビデオ記録再生装置と撮像装置を一体化したディジタルビデオカメラが製品化されている。このようなディジタルビデオカメラでは、ディジタル記録という特徴を生かして、静止画記録機能を備えるものがある。また、コンピュータ等との接続のためにディジタルＩ／Ｆを具備し、撮影した画像をコンピュータに取り込む機能を有するものもある。さらに、複数の記録媒体を具備し、画像の使用目的に応じて記録媒体を選択できるようになっているものもある。

このような装置において、記録された画像をテレビに接続して再生する場合は、その画像サイズはディジタルビデオ規格で定められるもの、例えば７２０ｘ４８０画素でなんら問題は無いが、ディジタルＩ／Ｆを介して他のメディアに画像を転送する場合は、画質上の問題からより多くの画素数が要求される場合がある。

撮像素子の多画素化に伴い、撮像素子の全画素の情報を読み出すためにはより高い周波数で撮像素子を駆動する必要があり、Ｓ／Ｎの劣化や消費電力の増大を招く。

撮像素子の駆動周波数を低く抑えたまま撮像情報のデータレートを上げる方法の一つとして、撮像面を複数の領域に分割し、それぞれの領域に独立した電荷転送部、増幅器及び出力端子を持たせ、撮像信号を並列に読み出す方法がある。このような撮像素子を用いた撮像装置の例を図８に示す。同図において撮像素子８００の撮像面は左右の２領域に分割されており、８０１、８０２は光電変換及び垂直転送部、８０３、８０４は水平転送部、８０５、８０６は増幅器、８０７、８０８は出力端子である。このような構造の撮像素子を用いることにより、撮像素子の駆動周波数に対し２倍のデータレートの撮像情報が得られる利点がある。

不図示の結像光学系により撮像素子８００上に結像した被写体像は撮像素子８００により電気信号に変換され、不図示の駆動タイミング発生回路から供給される駆動パルスに応じて出力端子８０７，８０８より出力される。

撮像素子８００から得られる２系統の画像信号は８０９、８１０によりアナログ信号処理を施された後ＡＤ変換され、増幅器８１３、８１４で所定のレベルに増幅された後、画面合成回路８１７にて左右の画像が一枚の画像として合成された後、カメラ信号処理回路８１８にてγ補正処理、輪郭補正処理、色補正処理などを施され、輝度信号及び色差信号として出力端子８１９より出力される（例えば、特許文献１）。
特開平０５−０２２６６７号公報

しかしながら上記従来例では、各領域の増幅器及び外部周辺回路の特性の不均一性により、２つの領域を合成して画像を生成した場合に、領域間のレベル差による境界線が生じるなどの画質劣化が発生する問題があった。

上記課題を解決するために、少なくとも第１、第２の出力端子を持つ撮像素子を用いた撮像装置であって、前記撮像素子の複数の出力信号に対してそれぞれ独立に信号を増幅する第１、第２の増幅手段と、前記第１、第２の増幅手段に与える利得を制御する利得制御手段と、前記第１の増幅手段の利得に対応した前記第２の増幅手段のゲインテーブルと、を備え、前記利得制御手段は前記第１の増幅手段の利得を制御するとともにゲインテーブルから前記第２の増幅手段の利得に対応した利得を用いて前記第２の増幅手段を制御することを特徴とする撮像装置を提供する。

映像信号を増幅する際の利得に応じてゲインテーブルから別のチャンネルの利得を制御することが出来るので、利得が変化した場合でも撮像素子からの複数の出力信号の差分による境界を目立たなくし、段差を無くすことが出来る。

（実施の形態１）
図１は、単板ビデオカメラにおける本発明の第１の実施形態を概略的に示す図である。同図において、１００は撮像領域が２分割され、それぞれに出力端子を持つＣＣＤエリアセンサ、１０１、１０２は光電変換部及び垂直転送部、１０３、１０４は水平転送部であり画面の中心を境に左右方向に２分割されている。１０５、１０６は信号電荷を増幅する出力アンプ、１０７、１０８は撮像信号の出力端子である。１０９、１１０は相関２重サンプルとＡＤ変換を行うアナログフロントエンド、１１３、１１４はゲインを調整するゲイン調整回路、１１５は利得制御回路、１１２は対数値をリニアに変換するｄＢ／リニア変換回路、１１６は２系統間の不均一性を検出するための段差評価値生成回路、１１７は２系統の画像信号を合成して１枚の画像を生成する画面合成回路、１１８はカメラ信号処理回路、１１９は出力端子、１２１は段差評価値からゲインテーブルを作成する調整回路、１２０は書き換え可能な不揮発性メモリで構成されるメモリテーブル、１１１はメモリテーブル１２０から利得データを取得してゲイン調整回路１１４に供給するテーブル参照回路である。

次に、上記構成における本発明の実施例の動作について説明する。

ＣＣＤ１００上に結像した被写体像は、光電変換部１０１、１０２により電気信号に変換された後、水平転送路１０３、１０４により２系統に分割されて出力アンプ１０５、１０６に供給される。信号電荷は出力アンプで増幅され、出力端子１０７、１０８より出力される。出力端子１０７から得られる撮像信号を左チャンネル信号、出力端子１０８から得られる撮像信号を右チャンネル信号と呼称することにする。

左右２系統の撮像信号はアナログフロントエンド１０９、１１０により相関二重サンプル処理及びＡＤ変換された後、ゲイン調整回路１１３、１１４に供給される。

ゲイン調整回路１１３、１１４では、ゲイン調整が施される。ゲイン調整時に適用されるゲインは利得制御回路１１５より供給される。利得制御回路１１５は露出制御の便宜上対数値で利得を出力する為、ｄＢ／リニア変換回路１１２でリニア値に変換された後ゲイン調整回路１１３に供給される。従来の撮像装置では、低照度環境下での信号量のゲインアップをアナログ回路によって行っていたが、本実施例のように２系統の撮像信号を取り扱う撮像装置では、アナログ回路によるゲイン調整は２系統間の不均一性の要因となりうる。よって、本実施例ではゲインの調整はゲイン調整回路１１３，１１４を用いてディジタル演算により行う事で、回路のばらつきや経時変動、温度変動の影響を排除している。

また、画像の明るさのためのゲイン調整だけでなく、２系統間のゲイン誤差の補正もここで行う。２系統間のゲインの差は一般にＣＣＤエリアセンサ１００の出力レベルの大きさに依存する。図３は２系統間のゲインの差の一例を示したものである。図の横軸はＣＣＤ１００の左チャンネル出力レベルであり、縦軸はゲイン調整回路１１３の入力信号（左チャンネル）とゲイン調整回路１１４の入力信号（右チャンネル）の信号の比、すなわち２系統間の信号レベルのゲイン差を表している。例えば、ある明るさの被写体を撮像したときのＣＣＤ１００の左チャンネル出力レベルをＬ０ｌｅｆｔ、右チャンネル出力レベルをＬ０ｒｉｇｈｔとすると、Ｌ０ｌｅｆｔ、Ｌ０ｒｉｇｈｔは段差評価値生成回路１１６で測定され、このときのゲイン差Ｅ０は次式で与えられる。
Ｅ０＝Ｌ０ｒｉｇｈｔ／Ｌ０ｌｅｆｔ
この図で示されるように、信号レベルとゲイン差の関係が一定ではないので、ゲインの補正量は固定値ではなく、ゲインアップ量に応じて補正量を可変する必要がある。撮像系のゲイン制御を行う為には、片方のチャンネルに対するゲインを決定し、それに対応した他方のチャンネルのゲインを与えることが必要となる。本実施例では、左チャンネルのゲインＡｎｌｅｆｔを利得制御回路１１５から与え、それに対応する右チャンネルのゲインＡｎｒｉｇｈｔをテーブル参照回路１１１から与える構成になっている。

左チャンネルのゲインがＡ０ｌｅｆｔの場合、右チャンネルのゲインＡ０ｒｉｇｈｔは次式であらわされる。
Ａ０ｒｉｇｈｔ＝Ｅ０×Ａ０ｌｅｆｔ
同様に、別のゲインＡｎｌｅｆｔの場合にはＡｎｒｉｇｈｔは次式であらわされる。
Ａｎｒｉｇｈｔ＝Ｅｎ×Ａｎｌｅｆｔ
このようにして段階的にＡｎｌｅｆｔを変化させながらＥｎ（＝Ｌｎｒｉｇｈｔ／Ｌｎｌｅｆｔ）を測定することにより、各ゲインに対応したＡｎｒｉｇｈｔを求めることが出来る。

次に、ゲイン補正特性の測定について述べる。

段差評価値生成回路１１６は分割領域の境界付近に指定した矩形領域内の画素値を元に画面段差の評価値を算出し調整制御回路１２１に出力する。画面内の矩形領域の例を第２図に示す。同図に示すように２分割された領域２０１、２０２の境界近傍に、矩形領域２０３、２０４が設定され、この領域内の画素値が画面段差の評価に用いられる。ＣＣＤ１００は、単板でカラー画像を撮像するために、画素部にオンチップカラーフィルタが貼られている。オンチップカラーフィルタは例えば図２の２０５に示すようなＲＧＢの配列である。段差評価値生成回路１１６では、このうちの例えばＧ信号などの一色の画素値を選択して領域内で平均値が計算され、これが画面段差の評価値となる。

ゲイン補正特性の測定時は、明るさが一様な被写体を撮像し、利得制御回路１１５よりゲイン調整回路１１３及び１１４に同一のゲイン乗数を設定して行う。矩形領域２０３内の画素の平均レベルが左チャンネルのレベル、矩形領域２０４内の画素の平均レベルが右チャンネルのレベルとして、調整制御回路１２１に出力される。

調整制御回路１２１では、左チャンネルのレベルを基準に右チャンネルのゲイン補正量を前述のように算出する。このような測定を、ＣＣＤ１００の出力レベルにおいて所定の間隔で行うことにより、ゲイン補正特性を生成する。調整制御回路１２１は、生成されたゲイン補正特性をＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）などの書き換え可能な不揮発メモリで構成されたメモリテーブル１２０に格納する。ゲイン補正特性の生成は、例えば工場調整時などに実行される。

このようにして測定したゲインの表を図４に示す。図中のＡｎｌｅｆｔは対数（ｄＢ）単位の表記、Ａｎｒｉｇｈｔはリニアの表記で、Ａｎｒｉｇｈｔの数値は１０２４が１倍、２０４８が２倍を表す。Ａｎｌｅｆｔの数値の間隔は０．２６４ｄＢとしており、この間隔でのＡｎｒｉｇｈｔの数値をゲインテーブルとして記憶することになる。図４は左右のチャンネル間の差が全く無い状態の数値であり、実際にチャンネル間にゲイン差がある場合にはＡｎｒｉｇｈｔの数値が変動するものである。

図５は利得制御回路およびテーブル参照回路における演算処理を示すフローチャートである。図中５−Ａは利得制御回路およびｄＢ／リニア変換回路によるＡｎｌｅｆｔのゲイン制御、５−Ｂはテーブル参照回路によるＡｎｒｉｇｈｔのゲイン制御をそれぞれ示す。撮像装置の露出を制御するブロックからゲインデータを取得すると、それぞれＡｎｌｅｆｔ、Ａｎｒｉｇｈｔに相当するゲインを左右のアンプ、即ちゲイン調整回路１１３、１１４に供給する構成である。５−Ａではゲイン取得５０１で露出制御部から与えられる対数値のゲインデータを取得すると、ｄＢ／リニア変換５０２でリニアデータに変換され、Ａｎｌｅｆｔとして左側のゲインアンプに出力される。一方、５−Ｂではゲイン取得５０５で露出制御部から与えられる対数値のゲインデータを取得すると、５０６でテーブル上のどのデータを用いるかが算出され、５０７でテーブルデータ５１０から対応したデータを取得する。ゲイン取得５０５で取得されたゲインがテーブルの構成データの間に位置する場合は、その前後のテーブルデータを参照し、５０８で補完してゲインデータを算出する。テーブルデータは対数値ではなくリニアな値なので、このままＡｎｒｉｇｈｔとして右側のゲインアンプに出力される。このようにして、左右のチャンネルに対して適した利得をかけることによって、等しいレベルの映像信号を得ることが出来る。

図中の数値はあくまでも一例であり、このままの数値でなくとも良いし、実施例は露出制御部において利得を決定する構成で説明したが、使用者が設定する構成でも構わない。

（第２の実施形態）
図６は第２の実施形態の構成を示す図であり、図中の６００から６２１は第１の実施例を示す図１の１００から１２１と同様であり、撮像面を複数の領域に分割し、それぞれの領域に独立した電荷転送部、増幅器及び出力端子を持たせ、撮像信号を並列に読み出す撮像素子を用いた撮像装置で、各部の動作は従来例と同様である。図中、６３１は高温度時のテーブルデータ、６３０は２種類のテーブルデータから温度に応じた補正を行う温度補正回路、６３２は温度センサである。

前述した本発明の第１の実施形態で述べたように、一般に、ＣＣＤエリアセンサからＡＤ変換に至るまでの系の各領域の増幅器及び外部周辺回路の特性の不均一性により、２つの領域を合成して画像を生成した場合に、領域間のレベル差による境界線が生じるなどの画質劣化が発生する問題があった。この特性は温度変化に応じて変化する場合があり、本発明の第１の実施例で述べた構成にしても温度変化によって領域間のレベル差による境界線が生じるなどの画質劣化が発生する。本発明の第２の実施例では、この点に鑑みて温度センサを用いて撮像素子近傍の温度に応じた補正を行うように構成されたものである。

本発明の第１の実施形態で示したように工場調整時にデータテーブルを生成するが、この作業を比較的低温度の状態でおこなった低温テーブル６２０と、比較的高温度の状態でおこなった高温テーブル６３１の２種類のデータテーブルを持つ構成とする。このテーブルの例を図７に示す。図６中の温度センサ６３２は撮像素子近傍の温度を測定し、その情報を温度補正回路６３０に供給する。温度補正回路６３０では２種類のデータテーブルの数値からそのときの温度に適したゲインデータを算出し、テーブル参照回路６１１に供給する。テーブル参照回路６１１は本発明の第１の実施例と同様にゲインデータを算出し、右チャンネルのゲインとして与える。

図９は温度センサ６３２で検出した温度から、ゲインデータを算出する手法を説明するグラフである。Ｔｅｍｐ−ａは低温調整時の温度、Ｔｅｍｐ−ｂは高温調整時の温度、Ｔｅｍｐ−ｃは現在の温度、Ｇａｉｎ−Ａは低温調整時のゲイン、Ｇａｉｎ−Ｂは高温調整時のゲイン、Ｇａｉｎ−Ｃは算出された現在のゲインである。２種類のテーブルデータから参照された各温度に対応するＧａｉｎ−Ａ、Ｇａｉｎ−ＢはそれぞれＴｅｍｐ−ａ、Ｔｅｍｐ−ｂに対応し、現在の温度がＴｅｍｐ−ｃの場合、制御に用いるゲインはグラフからＧａｉｎ−Ｃとして算出される。

このようにして温度補正を加えることによって、どのような温度条件下においても撮像素子からの複数の出力信号の差分による境界を目立たなくし、段差を無くすことが出来る。

図９中の温度補正は直線補間で説明したがその他の補間カーブを用いても構わないし、図６中のデータテーブルは２種類としたが何種類あっても構わない。また、温度センサは撮像素子近傍としたが、構成上どのような位置にあっても構わないし、このセンサを他の用途に兼用しても構わないことは言うまでも無い。

本発明のビデオカメラにおける第１の実施形態の構成を示す図。分割画面境界部の矩形領域を例示する図。ＣＣＤ出力レベルとチャンネル間のゲイン差を示す図。ゲインテーブルの実際の形態を表す表。テーブル参照回路における演算処理を示すフローチャート。本発明のビデオカメラにおける第２の実施形態の構成を示す図。第２の実施形態のゲインテーブルの実際の形態を表す表。従来例の撮像装置を説明する図。第２の実施形態の温度からゲインデータを算出する手法を説明するグラフ。

符号の説明

１００２分割読み出しＣＣＤエリアセンサ
１０９、１１０アナログフロントエンド
１１１テーブル参照回路
１１２ｄＢ／リニア変換回路
１１３、１１４ゲインアンプ
１１５利得制御回路
１１６段差評価値生成回路
１１７画面合成
１１８カメラ信号処理
１２０メモリテーブル
１２１調整制御回路

Claims

少なくとも第１、第２の出力端子を持つ撮像素子を用いた撮像装置であって、
前記撮像素子の複数の出力信号に対してそれぞれ独立に信号を増幅する第１、第２の増幅手段と、前記第１、第２の増幅手段に与える利得を制御する利得制御手段と、
前記第１の増幅手段の利得に対応した前記第２の増幅手段のゲインテーブルと、
を備え、前記利得制御手段は前記第１の増幅手段の利得を制御するとともにゲインテーブルから前記第２の増幅手段の利得に対応した利得を用いて前記第２の増幅手段を制御することを特徴とする撮像装置。
撮像素子は撮像領域を水平に分割し、分割した領域に対応した複数の出力端子を持つことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記ゲインテーブルは生産工程において算出されるとともに不揮発メモリに記憶されることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記ゲインテーブルは第１の増幅手段の利得を第１、第２の増幅手段の両方に供給した際の、前記第１、第２の出力端子からの信号の信号レベルの比から求められることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記ゲインテーブルの各要素の間は補間で求められることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
露出制御のために利得制御手段に利得を供給する利得供給手段と、対数値をリニアな数値に変換する対数リニア変換手段とを備え、前記利得供給手段は対数で利得を出力し、前記対数リニア変換手段においてリニアに変換された利得が第１の増幅手段に与えられるとともに、ゲインテーブルはリニアな数値で構成されることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
ゲインテーブルの各要素の間隔は対数幅であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
撮像素子近傍の温度を検出する温度検出手段と、少なくとも２種類の温度に対応した複数のゲインテーブルとを備え、検出温度に応じて複数のゲインテーブルから選択される利得を補完演算することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記温度検出手段は複数の出力信号の利得制御とともに、前記撮像素子の欠陥画素補正にも併用して用いることを特徴とする請求項８記載の撮像装置。
前記温度検出手段は複数の出力信号の利得制御とともに、光学系の温度補償にも併用して用いることを特徴とする請求項８記載の撮像装置。