JP2005175930A - 撮像装置及びその信号処理方法と撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＯＢ段差の影響を低減し、正確な直流レベルが再生できるようにする。
【解決手段】 有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域と、直流再生を行うための暗電流基準信号を取り出すオプティカルブラック領域とを有する撮像素子を用い、直流再生が、直流再生パルスが有効な期間の暗電流基準信号で行われる撮像装置において、オプティカルブラック領域を、光電変換素子の大きさが異なる少なくとも２つの領域（ＯＢ１、ＯＢ２）で構成し、直流再生パルス（ＯＢパルス）を、少なくとも２つの領域（ＯＢ１、ＯＢ２）からの暗電流基準信号を含むような期間有効とする手段を有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、撮像装置及びその信号処理方法と撮像システム、特に、撮像素子から出力される画像信号に有効画素領域とオプティカルブラック領域とを有する撮像装置の直流再生動作に関するものである。

電子スチルカメラ等に用いられる撮像素子には主にインターライン型ＣＣＤが用いられる。図６にインターライン型ＣＣＤの構成図を示す。インターライン型ＣＣＤは２次元に配列されたフォトダイオード１と、このフォトダイオード１に蓄積された信号電荷を読み出すための読み出しゲート２と、読み出しゲート２を介して読み出された信号電荷を垂直方向に転送するための垂直転送部３、垂直方向に転送され信号電荷を水平方向に転送する水平転送部４、水平転送部４の水平方向の転送端に、周知のフローティングディフュージョンアンプを用いた電荷検出部５より構成される。フォトダイオード１以外の部分はアルミニウム等により遮光されている。又、一部のフォトダイオードは遮光され、フォトダイオードと垂直転送部とで発生する暗電流成分を出力する水平オプティカルブラック領域６が形成されている。フォトダイオード１に蓄積された信号電荷は垂直転送パルスφＶ１に重畳された信号読み出しパルスにより、ゲート２を介して垂直転送部のφＶ１電極下に読み出される。垂直転送部３に読み出された信号電荷は、４相の垂直転送パルスφＶ１〜φＶ４により、１水平走査毎に１行ずつ水平転送部４に転送される。水平転送部４に転送された信号電荷は２相の水平転送パルスφＨ１、φＨ２により順次、電荷検出部５に転送され、信号電荷が信号電圧に変換されて撮像素子から外部に出力される。出力された信号は、水平オプティカルブラック領域６の出力信号を用い、直流再生動作であるＯＢクランプが行われた後、各種の処理が行われる。

ＯＢクランプ回路の構成例を図７に示す。撮像素子より出力された信号は、コンデンサ７０１により信号処理回路７０２と交流結合される。ＯＢクランプは、この交流結合された信号の直流成分を撮像素子の水平オプティカルブラック領域６の出力信号（ＯＢ信号）を基準に再生する動作である。ＯＢ信号が出力されている期間、パルスφＯＢにより、スイッチ７０３をＯＮし、基準電圧を出力する基準電源７０４を接続することにより、コンデンサ７０１の信号処理回路側を基準電圧と同電圧にする。撮影された画像信号が出力されている期間は、スイッチ７０３をＯＦＦすることによってＯＢ信号を基準とした画像信号を生成する。このＯＢクランプは各行毎に行われる。その後、各種処理が行われ、最終的な画像信号となる。
なお本発明に関連する技術として、特許文献１には、ＯＢ領域の白キズ等によるＯＢ領域からの出力信号の平均値増加を防止するために、上記接合面積の異なるＰＮ接合領域を設けた２つのオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）を有する撮像装置についての開示がある。ここでは、ＯＢクランプは２つのＯＢ領域のうちのいずれかの出力信号に基づいて行われる。
特開２００３−１３４４００号

しかしながら、上記従来例の如き撮像装置においては、ＯＢ段差と呼ばれる現象により、正確な黒レベルの基準信号を得ることが出来ず、誤った直流再生動作を行ってしまう。このため画面全体のレベルが沈んでしまう黒沈みや画面全体のレベルが浮き上がる黒浮きが発生し、画像劣化を招いてしまう。

ここで、ＯＢ段差について簡単に説明する。

一般的に撮像素子において有効画素領域とオプティカルブラック領域（ＯＢ領域）とでは暗電流の発生量が異なる場合があることが知られている。これは、ＯＢ領域が、フォトダイオードをも含めてアルミニウム等で遮光されていることから、フォトダイオードと遮光膜との間に寄生容量が発生し、有効画素領域とＯＢ領域とで表面準位が異なるためである。或いは又、半導体の構造欠陥を低減させる処理を遮光膜形成後にも行うために、その処理の効果が、有効画素領域とＯＢ領域とで異なるためである。このような暗電流の発生量の差をＯＢ段差と言う。

本発明の目的は、ＯＢ段差の影響を低減し、正確な直流レベルが再生できる撮像装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域と、直流再生を行うための暗電流基準信号を取り出すオプティカルブラック領域とを有する撮像素子を用い、前記直流再生が、基準レベルを固定する直流再生パルスが有効な期間の暗電流基準信号で行われる撮像装置であって、
前記オプティカルブラック領域を、光電変換素子の大きさが異なる少なくとも２つの領域で構成し、
前記直流再生パルスを、前記少なくとも２つの領域からの暗電流基準信号を含むような期間有効とする手段を有することを特徴とする。

本発明の撮像装置の信号処理方法は、有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域と、直流再生を行うための暗電流基準信号を取り出すオプティカルブラック領域とを有し、前記オプティカルブラック領域を、光電変換素子の大きさが異なる少なくとも２つの領域で構成した撮像素子を用い、前記直流再生が、直流再生パルスが有効な期間の暗電流基準信号で行われる撮像装置の信号処理方法であって、
前記直流再生パルスを、前記少なくとも２つの領域からの暗電流基準信号を含むような期間に有効とすることを特徴とする。

本発明において、前記第１のオプティカルブラック領域の出力と前記第２のオプティカルブラックの出力の比率を、撮影条件および環境条件を基に変更することができる。

本発明によれば、ＯＢ段差の影響を排除し、正確な直流再生動作が行われ、画像劣化のない良好な画像が得られる。

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。

本発明の一実施形態の撮像素子の構成を図１に示す。図１で１０１，１０２は、それぞれアルミニウム等により遮光されたフォトダイオードを有する、第１の水平オプティカルブラック（ＯＢ）領域及び第２の水平オプティカルブラック（ＯＢ）領域である。１０３は有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域である。なお、本実施形態の撮像素子の構成は、第１および第２のオプティカルブラック領域１０１，１０２以外は、図６に示した従来の撮像素子と同様の構成であり、同一構成部分の構成及び動作の説明を省略する。

図２を用いて、本実施形態における撮像素子の構成をさらに説明する。図２は、図１におけるＡ−Ａ’付近を拡大したものである。図２において、ＯＢ１は第１の水平オプティカルブラック領域、ＯＢ２は第２の水平オプティカルブラック領域である。又Ａは有効画素領域である。

第１の水平オプティカルブラック領域ＯＢ１に属するフォトダイオードをＰＤ_ｏｂ１、第２の水平オプティカルブラック領域ＯＢ２に属するフォトダイオードをＰＤ_ｏｂ２、有効画素領域Ａに属するフォトダイオードをＰＤ_ａとする。本実施形態においては、それぞれの領域のフォトダイオードの接合領域（例えば、Ｐ型半導体層にＮ型拡散領域が形成されてフォトダイオードが形成される場合には接合領域はＮ型拡散領域を示す。）の面積が、ＰＤ_ｏｂ２＞ＰＤ_ａ＞ＰＤ_ｏｂ１となるように構成する。

図３は、本発明の実施形態の撮像装置の構成を示す図である。図３において、３０１は図１に示した撮像素子、３０２は、撮像素子３０１のノイズを相関２重サンプリングにより低減させるＣＤＳ回路、３０３は水平オプティカルブラックの出力を、基準電圧に固定する（これをクランプする又は直流再生するという）クランプ回路であり、入力されるＯＢパルスがＨＩＧＨの期間、クランプ動作が行われる。３０４は撮像素子３０１、ＣＤＳ回路３０２、クランプ回路３０３を駆動するためのパルスを発生するタイミングパルス発生回路である。タイミングパルス発生回路３０４は、制御回路３０５により制御される。

図４は撮像装置の出力とクランプパルス（直流再生パルスともいう）のタイミングを示す図である。図４を用いて、本実施形態の撮像装置の動作を説明する。図４は図２に対応した部分の撮像素子出力を表している。タイミング発生回路３０４では、水平オプティカルブラックをクランプするためのＯＢパルスとして、図４に示すようなＯＢパルス１、ＯＢパルス２、ＯＢパルス３が生成可能である。制御回路３０５は、予め測定された撮像素子の有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流の発生量を基に、使用するＯＢパルスを決定する。有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流の発生量を測定し、ＯＢパルスを設定することは、本撮影時以前に行われる。例えば、製造段階における撮像素子単体の検査時に、撮像素子を基板に取付けた状態で行う。或いは又、製品出荷時に行われる。又は製品出荷後にユーザーが行うか、撮像装置が自動的に行う場合等がある。

製品出荷前又は製品出荷時にＯＢパルスを設定する場合には、撮像素子の有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流の発生量を測定し、どのＯＢパルスを用いるかを、予め撮像装置の制御回路或いは不図示のメモリ装置に記憶しておくことでＯＢパルスを選択することができる。製品出荷後にユーザーが行う或いは自動的に行う場合は、後述するように、温度、蓄積時間、撮影モード等の撮影条件や環境条件によりＯＢパルスを選択する場合があり、撮影条件や環境条件とＯＢパルスとの関係を予め撮像装置の制御回路或いは不図示のメモリ装置に記憶することでＯＢパルスを選択することができる。
撮像素子の有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流の発生量は、撮像素子を遮光状態とし、電荷蓄積を行い暗電流を読み出し、このときの第１と第２のオプティカルブラック領域の同数の画素からの信号の平均値を取って有効画素領域の信号との出力差をとることで求められる。暗電流の発生量の差（倍率）は、蓄積時間を２通りで測定し、その差分から単位時間当たりの暗電流を求めることができ、この暗電流をフォトダイオードの面積で規格化すれば、単位面積あたりの暗電流発生量を求めることができ、そして第１と第２のオプティカルブラック領域の単位面積あたりの暗電流発生量の平均値と有効画素領域における単位面積あたりの暗電流発生量を求め、その比を取ることで得ることができる。
本実施形態においては、例えば、単位面積あたりの有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流発生量が等しい場合、ＯＢパルス２、すなわちクランプ期間中の第１のオプティカルブラック領域と第２のオプティカルブラック領域の画素数が等しくなるクランプパルスを出力する。これにより、見かけ上、有効画素領域とオプティカルブラック領域のフォトダイオードの面積が等しい撮像素子を用いた場合と同様のクランプ動作が行われ、例えば画像信号の各行毎にクランプ（直流再生）を行うことができる。

単位面積あたりの暗電流発生量が、オプティカルブラック領域よりも有効画素領域が少ない場合、ＯＢパルス１、すなわちクランプ期間中の第１のオプティカルブラック領域の画素数が第２のオプティカルブラック領域の画素数より多くなるクランプパルスを出力する。これにより、見かけ上、オプティカルブラック領域の暗電流発生量を少なくし、すなわちＯＢ段差を低減する。又、単位面積あたりの暗電流発生量が、オプティカルブラック領域よりも有効画素領域が多い場合、ＯＢパルス３、すなわちクランプ期間中の第１のオプティカルブラック領域の画素数が第２のオプティカルブラック領域の画素数より少なくなるクランプパルスを出力する。これにより、見かけ上、オプティカルブラック領域の暗電流発生量を多くし、すなわちＯＢ段差を低減する。

本実施形態においては、オプティカルブラックをクランプするためのパルスを３通り説明したが、パルスは２通り又は４通り以上設けてもよい。又、単位面積あたりの有効画素領域とオプティカルブラック領域の暗電流発生量を基に、１画素の出力単位でクランプパルスを変更する等、連続的に選択して良い。

又、本実施形態においてはフォトダイオードの接合領域の面積を変えているが、半導体領域の深さ方向すなわち、フォトダイオードを形成する深さを変えることで異なる大きさのフォトダイオードを形成しても良い。

本発明のその他の実施形態を図５を用いて説明する。図５は本発明のその他の実施形態の撮像装置の構成を示す図である。図５において、３０１は撮像素子、３０２は、撮像素子のノイズを相関２重サンプリングにより低減させるＣＤＳ回路、３０３は水平オプティカルブラックをクランプするクランプ回路であり入力されるＯＢパルスがＨＩＧＨの期間、クランプ動作が行われる。３０４は撮像素子３０１、ＣＤＳ回路３０２、クランプ回路３０３を駆動するためのパルスを発生するタイミングパルス発生回路である。タイミングパルス発生回路３０４は、制御回路３０５により制御される。５０１は温度検出回路であり撮像素子３０１の温度、或いは装置周辺の温度をサーマルダイオード、白金抵抗、熱電対等で検出するものである。５０２は撮像素子３０１の蓄積時間を設定する手段であり、使用者が被写体の明るさにより蓄積時間を設定し又はセンサーで明るさを自動的に検出して蓄積時間を設定するものである。５０３は装置の撮影モード例えば、動画撮影と静止画撮影のモード選択、フィール撮影、電子ズーム等を選択する手段である。

本実施形態においては、オプティカルブラックをクランプするためのＯＢパルスが、撮影条件及び環境条件、すなわち温度検出回路５０１、蓄積時間設定手段５０２、撮影モード設定手段５０３の状態により変更される。これにより、撮影条件や環境条件により、ＯＢ段差の状態が変化する場合でもＯＢ段差を効果的に低減できる。なお、撮影条件、環境条件とＯＢパルスの位置の関係は予め撮像装置の制御回路或いは不図示のメモリ装置に記憶されている。

例えば、温度によりＯＢパルスを変更する場合について説明する。

複数の温度範囲に対応したＯＢパルス位置が制御回路３０５に接続或いは内蔵された不図示のメモリ装置に記憶されている。

制御回路３０５は、温度検出回路５０１で検出された温度に基づき、メモリ装置に記憶されたＯＢパルス位置を選択しタイミングパルス発生回路３０４を制御し選択したＯＢパルス位置にＯＢパルスを発生させる。

蓄積時間によりＯＢパルスを変更する場合について説明する。

複数の蓄積時間範囲に対応したＯＢパルス位置が制御回路３０５に接続或いは内蔵された不図示のメモリ装置に記憶されている。

制御回路３０５は、蓄積時間設定手段５０２で設定された蓄積時間に基づき、メモリ装置に記憶されたＯＢパルス位置を選択しタイミングパルス発生回路３０４を制御し選択したＯＢパルス位置にＯＢパルスを発生させる。

撮影モードによりＯＢパルスを変更する場合について説明する。

複数の撮影モードに対応したＯＢパルス位置が制御回路３０５に接続或いは内蔵された不図示のメモリ装置に記憶されている。

制御回路３０５は、メモリ装置に記憶された複数のＯＢパルス位置から撮影モード設定手段５０３で設定された撮影モードに対応したＯＢパルス位置を選択し、タイミングパルス発生回路３０４を制御し選択したＯＢパルス位置にＯＢパルスを発生させる。

これら、撮影条件及び環境条件、すなわち温度検出回路５０１、蓄積時間設定手段５０２、撮影モード設定手段５０３の状態によるＯＢパルスの選択は、単独に或いは、組み合わせて行われる。

これにより、撮影条件や環境条件により、ＯＢ段差の状態が変化する場合でもＯＢ段差を効果的に低減できる。

本発明の実施形態の撮像素子はインターライン型ＣＣＤで説明しているが、同様の出力信号、すなわち、アルミニウム等により遮光された複数のオプティカルブラック領域と有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域とを有していれば、フレームトランスファー型ＣＣＤやＣＭＯＳセンサーであっても良い。又、本発明の実施形態においては、ＯＢ段差を低減する領域として２つの水平オプティカルブラック領域を用いたが２つ以上であれば良い。さらに、直流再生動作であるクランプをアナログ信号あるいはデジタル信号のいずれで行っても良い。

次に上記実施形態の撮像装置を用いた撮像システムについて説明する。図８に基づいて、本発明の撮像装置をスチルカメラに適用した場合の一実施例について詳述する。

図８は本発明の撮像装置を“スチルビデオカメラ”に適用した場合を示すブロック図である。

図８において、２０１はレンズのプロテクトとメインスイッチを兼ねるバリア、２０２は被写体の光学像を撮像素子２０４に結像させるレンズ、２０３はレンズ２０２を通った光量を可変するための絞り、２０４はレンズ２０２で結像された被写体を画像信号として取り込むための撮像素子、２０６は撮像素子２０４より出力される画像信号のアナログ−ディジタル変換を行うＡ／Ｄ変換器、２０７はＡ／Ｄ変換器２０６より出力された画像データに各種の補正を行ったりデータを圧縮する信号処理部、２０８は撮像素子２０４、撮像信号処理回路２０５、Ａ／Ｄ変換器２０６、信号処理部２０７に、各種タイミング信号を出力するタイミング発生部、２０９は各種演算とスチルビデオカメラ全体を制御する全体制御・演算部、２１０は画像データを一時的に記憶するためのメモリ部、２１１は記録媒体に記録又は読み出しを行うためのインターフェース部、２１２は画像データの記録又は読み出しを行うための半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体、２１３は外部コンピュータ等と通信するためのインターフェース部である。本発明の実施形態のＣＤＳ回路、クランプ回路は撮像信号処理回路２０５に含まれる。

次に、前述の構成における撮影時のスチルビデオカメラの動作について、説明する。

バリア２０１がオープンされるとメイン電源がオンされ、次にコントロール系の電源がオンし、さらに、Ａ／Ｄ変換器２０６などの撮像系回路の電源がオンされる。

それから、露光量を制御するために、全体制御・演算部２０９は絞り２０３を開放にし、撮像素子２０４から出力された信号はＡ／Ｄ変換器２０６で変換された後、信号処理部２０７に入力される。そのデータを基に露出の演算を全体制御・演算部２０９で行う。

この測光を行った結果により明るさを判断し、その結果に応じて全体制御・演算部２０９は絞りを制御する。

次に、撮像素子２０４から出力された信号をもとに、高周波成分を取り出し被写体までの距離の演算を全体制御・演算部２０９で行う。その後、レンズを駆動して合焦か否かを判断し、合焦していないと判断したときは、再びレンズを駆動し測距を行う。

そして、合焦が確認された後に本露光が始まる。露光が終了すると、撮像素子２０４から出力された画像信号はＡ／Ｄ変換器２０６でＡ−Ｄ変換され、信号処理部２０７を通り全体制御・演算２０９によりメモリ部に書き込まれる。その後、メモリ部２１０に蓄積されたデータは、全体制御・演算部２０９の制御により記録媒体制御Ｉ／Ｆ部を通り半導体メモリ等の着脱可能な記録媒体２１２に記録される。又外部Ｉ／Ｆ部２１３を通り直接コンピュータ等に入力して画像の加工を行ってもよい。

なお、実施の形態では基準レベルの調整をＯＢパルスにより制御していたが、２つのオプティカルブラック領域からの信号の割合を設定して制御するものであれば他の方法でも良い。例えば、メモリに予め撮影条件によって割合を記憶させておき、撮像時に適用して基準レベルを得るようにしても良い。

電子スチルカメラ、デジタルビデオカメラ等に用いられる撮像装置に適用することができる。

本発明の実施形態の撮像素子の構成を示す図である。 本発明の実施形態の撮像素子の詳細を説明する図である。 本発明の実施形態の撮像装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態のタイミングを示す図である。 本発明のその他の実施形態の撮像装置の構成を示す図である。 従来の撮像素子の構成を示す図である。 従来の撮像装置の信号処理回路の構成を示す図である。 本発明の撮像装置をスチルビデオカメラに適用した場合を示すブロック図である。

符号の説明

１ フォトダイオード
２ 読み出しゲート
３ 垂直転送部
４ 水平転送部
５ 電荷検出部
６ 水平オプティカルブラック領域
１０１ 第１の水平オプティカルブラック領域
１０２ 第２の水平オプティカルブラック領域
１０３ 有効画素領域
３０１ 撮像素子
３０２ ＣＤＳ回路
３０３ クランプ回路
３０４ タイミング発生回路
３０５ 制御回路
５０１ 温度検出回路
５０２ 蓄積時間設定
５０３ 撮影モード設定
７０１ コンデンサ
７０２ 信号処理回路
７０３ スイッチ
７０４ 基準電源

Claims (7)

1. 有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域と、基準レベルを調整するための暗電流基準信号を取り出すオプティカルブラック領域とを有する撮像素子を用い、クランプ回路内に、パルスが有効な期間に入力された暗電流基準信号を基準電圧に設定する撮像装置であって、
   前記オプティカルブラック領域を、光電変換素子の大きさが異なる少なくとも２つの領域で構成し、
   前記パルスを、前記少なくとも２つの領域からの暗電流基準信号を含むような期間、有効とする手段を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記２つの領域を第１及び第２のオプティカルブラック領域としたときに、前記第１のオプティカルブラック領域の光電変換素子の大きさは、前記有効画素領域の光電変換素子の大きさよりも小さく、前記第２のオプティカル領域の光電変換素子の大きさは、前記有効画素領域の光電変換素子の大きさよりも大きいことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記光電変換素子の大きさは接合領域の面積又は深さで変えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
4. 前記２つの領域を第１及び第２のオプティカルブラック領域としたときに、撮影条件および環境条件に基づいて、前記第１のオプティカルブラック領域からの第１の暗電流基準信号と前記第２のオプティカルブラック領域からの第２の暗電流基準信号との割合を設定する設定手段を有することを特徴とする撮像装置。
5. 有効な信号電荷を取り出すための有効画素領域と、基準レベルを調整するための暗電流基準信号を取り出すオプティカルブラック領域とを有し、前記オプティカルブラック領域を、光電変換素子の大きさが異なる少なくとも２つの領域で構成した撮像素子を用い、クランプ回路内に、パルスが有効な期間に入力された暗電流基準信号を基準電圧に設定する撮像装置の信号処理方法であって、
   前記パルスを、前記少なくとも２つの領域からの暗電流基準信号を含むような期間に有効とすることを特徴とする撮像装置の信号処理方法。
6. 前記２つの領域を第１及び第２のオプティカルブラック領域としたときに、撮影条件および環境条件に基づいて、前記第１のオプティカルブラック領域からの第１の暗電流基準信号と前記第２のオプティカルブラック領域からの第２の暗電流基準信号との割合を設定するように前記パルスを有効とすることを特徴とする撮像装置の信号処理方法。
7. 請求項１〜４のいずれかの請求項に記載の撮像装置と、該撮像装置へ光を結像する光学系と、該撮像装置からの出力信号を処理する信号処理回路とを有することを特徴とする撮像システム。