JP2005229307A - 撮像装置、撮像装置の制御方法及び撮像装置の制御プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像期間における暗電流の影響を抑制しつつ、高輝度の被写体を撮像する際には画像のダイナミックレンジを高く維持する。
【解決手段】撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時において転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する固体撮像素子を備え、固体撮像素子から出力された画像信号をアナログフロントエンド回路(AFE回路)208及びデジタル信号処理回路(DSP回路)210で処理し、タイミング制御回路204及び駆動ドライバ206を用いて転送電極に印加される電圧を変化させることによって、入射する光の強度に応じて撮像時における画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させる撮像素子により上記課題を解決できる。
【選択図】図1
【解決手段】撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積し、転送時において転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号を出力する固体撮像素子を備え、固体撮像素子から出力された画像信号をアナログフロントエンド回路(AFE回路)208及びデジタル信号処理回路(DSP回路)210で処理し、タイミング制御回路204及び駆動ドライバ206を用いて転送電極に印加される電圧を変化させることによって、入射する光の強度に応じて撮像時における画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させる撮像素子により上記課題を解決できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、取得された映像信号の画質を向上する撮像装置、撮像装置の制御方法及び撮像装置の制御プログラムに関する。
CCD(Charge Coupled Device)固体撮像素子は情報電荷を一塊の信号パケットとして、外部クロックパルスに同期した速度で一方向に順序良く移動させることのできる電荷転送素子である。
図6にCCD固体撮像素子を備えた撮像装置100の構成を示す。撮像装置100は、CCD固体撮像素子102、タイミング制御回路104及び駆動ドライバ106を含んで構成される。CCD固体撮像素子102は、撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dを有する。撮像部2i及び蓄積部2sは、垂直方向(図6の縦方向)に互いに平行に延伸された複数のチャネル領域とそれに交差する複数の転送電極とから構成される垂直シフトレジスタを含み、各シフトレジスタの各ビットはそれぞれ2次元行列として配置された受光画素の1つとして機能する。蓄積部2sに含まれる垂直シフトレジスタは遮光され、各シフトレジスタの各ビットが情報電荷を蓄積する蓄積画素として機能する。水平転送部2hは、水平方向(図6の横方向)に延伸して配置される水平シフトレジスタを含んで構成され、水平シフトレジスタの各ビットに蓄積部2sの各シフトレジスタの出力が接続される。出力部2dは、水平転送部2hの水平シフトレジスタから転送されてくる電荷を一時的に蓄積する容量及びその容量に蓄積された電荷を排出するリセットトランジスタを含んで構成される。
タイミング制御回路104は、所定の周波数のクロックパルス及び外部制御信号を受けて、CCD固体撮像素子102の撮像、垂直転送、水平転送及び出力を制御する制御信号を生成する。制御信号は駆動ドライバ106に入力される。駆動ドライバ106は、タイミング制御回路104から制御信号を受けて、CCD固体撮像素子102の撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dのそれぞれに対して必要なタイミングでクロック信号を出力する。
CCD固体撮像素子102は、駆動ドライバ106からのクロックを受けて、撮像、垂直転送、水平転送及び出力を行う。撮像部2iに入射された光が撮像部2iの各ビットを構成する受光画素により光電変換されて情報電荷が蓄積される。垂直転送クロックの印加によって、撮像部2iにおいて蓄積された情報電荷の2次元配列は撮像部2iの垂直シフトレジスタにより蓄積部2sに高速で転送される。これにより、1フレーム分の情報電荷が蓄積部2sの垂直シフトレジスタに保持される。続いて、情報電荷は1行分ずつ蓄積部2sから水平転送部2hへ転送される。さらに、水平転送クロックの印加によって、情報電荷は1画素単位で水平転送部2hから出力部2dへ転送される。出力部2dは1画素毎の電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化がCCDの出力とされる。
このようなCCD固体撮像素子を含む撮像装置にて露光期間に情報電荷を蓄積する際に、総ての転送電極に負電圧を印加してオフ状態とするAGP(All Gate Pinning)という技術が知られている。AGPでは、転送電極に負電圧を印加することにより、転送チャネル領域の基板表面側に正孔が集まり、近傍領域のエネルギー準位がピンニング(Pinning)状態となる。この正孔により、転送チャネル領域と基板表面に形成されたゲート絶縁膜との界面に生ずる界面準位が満たされ、露光期間中に生ずる暗電流を低減することができる。
しかしながら、AGPを用いた場合、露光期間において情報電荷を蓄積するためのポテンシャル井戸の容量が小さくなってしまう問題がある。従って、撮像部2iに高輝度の被写体からの強い光が入射している場合、発生する情報電荷量が撮像部2iの各画素に形成されるポテンシャル井戸に蓄積可能な飽和レベルを超えてしまい、得られた画像のダイナミックレンジが低下してしまう。その結果、画像の品質が低下してしまう問題があった。
本発明は、上記従来技術の問題を鑑み、撮像期間における暗電流の影響を抑制しつつ、高輝度の被写体を撮像する際にはダイナミックレンジを維持することによって、画像の品質を高めることができる撮像装置、撮像装置の制御方法及び撮像装置の制御プログラムを提供することを目的とする。
本発明は、撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積する画素を含み、前記画素には転送電極が設けられ、転送時において前記転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号として出力する固体撮像素子、を備えた撮像装置であって、前記画素へ入射する光の強度に応じて前記転送電極に印加される電圧を変化させる電圧制御手段を含み、撮像時における前記画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させることを特徴とする。
ここで、本発明の撮像装置において、前記電圧制御手段は、前記転送電極をオフ状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオフゲート期間と、前記転送電極の少なくとも一部をオン状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオンゲート期間と、の時間比を変更することが好適である。具体的には、前回撮像されたフレームにおける最大信号強度に応じてオフゲート期間とオンゲート期間との時間比を制御する。最大信号強度が小さいほどオフゲート期間が長くなるように、最大信号強度が大きいほどオンゲート期間が長くなるように制御する。そして、前記オフゲート期間の後に前記オンゲート期間を設けて一回の撮像を行うことが好ましい。
また、本発明の撮像装置は、前記画像信号に対してオフセットスミア法を適用して情報電荷に重畳されたスミア成分を除去する画像信号処理手段を含むことが好適である。すなわち、遮光機能を備えない撮像部から出力された情報電荷から転送されてきた順にスミア成分を算出する処理を行うことにより、転送期間中に情報電荷に重畳されたスミア成分を除去することができる。
また、本発明の別の態様は、撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積する画素を含み、前記画素には転送電極が設けられ、転送時において前記転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号として出力する固体撮像素子を備えた撮像装置の制御方法であって、前記画素へ入射する光の強度に応じて前記転送電極に印加される電圧を変化させて、撮像時における前記画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させる電圧制御工程を含むことを特徴とする。
ここで、本発明の制御方法において、前記電圧制御工程では、前記転送電極をオフ状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオフゲート期間と、前記転送電極の少なくとも一部をオン状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオンゲート期間と、の時間比を変更することが好適である。
また、本発明の別の態様は、撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積する画素を含み、前記画素には転送電極が設けられ、転送時において前記転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号として出力する固体撮像素子を備えた撮像装置の制御プログラムであって、コンピュータを、前記画素へ入射する光の強度に応じて前記転送電極に印加される電圧を変化させる電圧制御手段として機能させ、撮像時における前記画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させることを特徴とする。
本発明によれば、CCD固体撮像素子を含む撮像装置において、撮像期間における暗電流の影響を抑制しつつ、高輝度の被写体を撮像する際には画像のダイナミックレンジを高く維持することができる。これにより、高品質の画像を得ることができる。
本発明の実施の形態における撮像装置200は、図1に示すように、CCD固体撮像素子202、タイミング制御回路204、駆動ドライバ206、アナログフロントエンド回路(AFE回路)208及びデジタル信号処理回路(DSP回路)210を含んで構成される。
CCD固体撮像素子202は、図6に示した従来のCCD固体撮像素子と同様に、撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dを有する。撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dの構成は従来と同様である。タイミング制御回路204、駆動ドライバ206、AFE回路208及びDSP回路210は組み合わされて、固体撮像素子の転送電極に印加される転送クロックを制御する電圧制御手段及び画像信号に対してスミア成分を除去する等の処理を行う画像信号処理手段として機能する。
タイミング制御回路204は、所定の周波数のクロックパルス、外部制御信号及びDSP回路210からの露光補正信号を受けて、CCD固体撮像素子202を制御する制御信号を生成する。制御信号は駆動ドライバ206に入力される。駆動ドライバ206は、CCD固体撮像素子202の撮像部2i、蓄積部2s、水平転送部2h及び出力部2dのそれぞれに対して必要なタイミングでクロック信号を出力する。
CCD固体撮像素子202は、駆動ドライバ206からのクロックを受けて、撮像、垂直転送、水平転送及び出力を行う。撮像時には、駆動ドライバ206から垂直転送クロックにより撮像部2iが制御され、撮像部2iに入射された光が撮像部2iの各ビットを構成する受光画素により光電変換されて情報電荷が蓄積される。垂直転送期間では、駆動ドライバ206からの垂直転送クロックにより、撮像部2iにおいて蓄積された情報電荷の2次元配列は撮像部2iの垂直シフトレジスタにより蓄積部2sに高速で転送される。これにより、1フレーム分の情報電荷が蓄積部2sの垂直シフトレジスタに保持される。続いて、情報電荷は1行分ずつ蓄積部2sから水平転送部2hへ転送される。さらに、駆動ドライバ206からの水平転送クロックによって、情報電荷は1画素単位で水平転送部2hから出力部2dへ転送される。出力部2dは1画素毎の電荷量を電圧値に変換し、その電圧値の変化がCCDの出力とされる。
CCD固体撮像素子202からの出力信号はAFE回路208へ入力される。AFE回路208では、CCD固体撮像素子202の出力電圧に対して増幅、ノイズ除去等の処理が行われた後に、A/D変換器等によりアナログ信号からデジタル信号への変換が行われる。AFE回路208からの出力信号はDSP回路210へ入力される。DSP回路210は、画像信号のピーク検出回路を含んで構成される。ピーク検出回路は、1フレーム分の画像信号の強度を順次比較し、1フレームの画像信号における最大の信号強度を求める。そして、その画像信号の最大信号強度に応じて、CCD固体撮像素子202における露光の制御に用いられる露光補正信号をタイミング制御回路204へ出力する。
以下、撮像時における制御について具体的に説明する。タイミング制御回路204は、図2に示すように、CCD固体撮像素子202の撮像部2iにおける撮像期間Tをオフゲート期間TOFF及びオンゲート期間TONに分割して制御する。オフゲート期間TOFFには、図2(a)のように、撮像部2iの総ての転送電極に負電圧が印加される。従って、オフゲート期間TOFFでは、撮像部2iの各画素はオフ状態となり、AGP(All Gate Pinning)により暗電流が抑制された状態で情報電荷が蓄積される。オンゲート期間TONには、図2(a)のように、撮像部2iの転送電極の一部に正電圧が印加される。従って、オンゲート期間TONでは、図2(b)に示すように、オフゲート期間TOFFに形成されるポテンシャル井戸10よりも深いポテンシャル井戸12が形成される。従って、オンゲート期間TONでは蓄積可能な情報電荷の飽和レベルがオフゲート期間TOFFよりも大きくなる。ただし、オンゲート期間TONでは、撮像部2iの転送チャネル領域のエネルギー準位はピンニング(Pinning)されていない状態となり、暗電流の影響を受け易くなる。
タイミング制御回路204は、DSP回路210からの露光補正信号に基づいて撮像期間のオフゲート期間とオンゲート期間との比を決定する。露光補正信号は前回のフレームにおける最大信号強度に応じて出力されるので、図3のように、タイミング制御回路204は、露光補正信号に基づいて、最大信号強度が小さいほどオフゲート期間TOFFが長くなるように、最大信号強度が大きいほどオンゲート期間TONが長くなるように制御を行う。これは、連続して撮像される画像に含まれる最大信号強度は大きく変化しない傾向があることを利用して撮像期間の制御を行うものである。
なお、前回の撮像から長時間が経過した場合や確実に十分なダイナミックレンジを確保したい場合には、一旦予備的に1フレームの画像を撮像及び出力して最大信号強度を検出し、その最大信号強度に基づいて撮像期間の設定を行った後に本番としての撮像を行うものとすることが好ましい。
撮像部2iの画素に入射される光が弱い場合、図4に示すように、単位時間当たりに画素に蓄積される情報電荷(図4のラインAの傾き)は小さくなる。オフゲート期間TOFFにおけるポテンシャル井戸の飽和レベルQmaxよりも蓄積される情報電荷Qtotalが小さくなり、オンゲート期間TONを短くしても必要なダイナミックレンジを確保することができる。また、蓄積される情報電荷Qtotalが少ない場合には撮像期間Tにおいて発生する暗電流の影響を受け易くなるが、オフゲート期間TOFFを長く、オンゲート期間TONを短く設定することにより、情報電荷への暗電流の影響を抑えることができる。
撮像部2iの画素に入射される光が強い場合、図5に示すように、単位時間当たりに画素に蓄積される情報電荷(図5のラインBの傾き)は大きくなり、オフゲート期間TOFF中の時刻t1においてオフゲート期間TOFFにおけるポテンシャル井戸の飽和レベルを超える。時刻t2においてオンゲート期間TONとなると、ポテンシャル井戸の容量が増加し、再び情報電荷が蓄積される。このとき、飽和レベルQmax以下での情報電荷の蓄積と飽和レベルQmax以上での情報電荷の蓄積は図5のラインCのようにニー特性を示す。
転送時に撮像部2iで発生するスミア電荷の影響が無いと仮定すると、オンゲート期間TONに蓄積された情報電荷量QON、すなわち蓄積された総電荷量Qtotalから飽和レベルQmaxを差し引いた情報電荷量、とポテンシャル井戸が十分な容量を有して飽和しないとした場合に撮像期間Tに蓄積されるべき情報電荷Q0との比QON/Q0はオンゲート期間TON/撮像期間Tに等しくなる。従って、情報電荷Q0は数式(1)及び(2)に基づいて算出することができる。
予めオフゲート期間TOFFにおけるポテンシャル井戸の飽和レベルQmax(又は、飽和レベルQmaxに相当する出力信号値)を調べておくことによって、オンゲート期間TONに蓄積された情報電荷量QON、オンゲート期間TON及び撮像期間Tを用いて情報電荷の飽和がなかった場合に撮像期間Tに蓄積されるべき情報電荷Q0を求めることができる。この情報電荷Q0(又は、情報電荷Q0に相当する出力信号値)を画像信号処理に用いることにより、撮像部2iの画素に入射される光が強い場合でも、光の強度に応じた正しい情報電荷量を求めることができる。従って、画像信号において十分なダイナミックレンジを得ることができる。
転送時に撮像部2iでスミア電荷が発生する場合には、オフセットスミア除去法を用いてスミア電荷成分を除去することができる。撮像部2iの転送方向に対して平行にI列(i=1〜I)の画素が配置され、撮像期間Tにおいてi列目の画素に情報電荷量Qtotal,iが蓄積されたものとする。垂直転送期間では、転送サイクルTt毎に1列目の画素から順に1画素ずつ蓄積部2sへ転送される。このとき、撮像部2iに機械的なシャッタ等の遮光機構が設けられていなければ、転送サイクルTtの間にi列の画素ではi列の画素に入射する光の強度に応じた情報電荷に転送サイクルTt/撮像期間Tを掛けた量だけのスミア電荷が加えられる。これは、撮像期間Tと転送サイクルTtとでの各画素に対する受光強度が時間的に一定であるとみなせるからである。その結果、情報電荷量Qtotal,iには転送期間中に通った各画素で発生したスミア成分が重畳されて情報電荷Qout,iとして蓄積分2sに転送される。そこで、以下のように、ポテンシャル井戸が十分な容量を有して飽和しないとした場合に撮像期間Tにおいてi列目の画素に蓄積されるべき情報電荷Q0,iを求めることができる。
蓄積部2sに隣接する1列目の画素に蓄積された情報電荷Qtotal,1は転送が開始されると直ちに蓄積部2sに転送されるのでスミアによる影響を受けない。従って、情報電荷量Qout,1が飽和レベルQmaxを超える場合には数式(3)を用いて情報電荷Q0,1を算出することができる。一方、情報電荷量Qout,1が飽和レベルQmaxを超えない場合には情報電荷量Qout,1を数式(4)のようにそのまま情報電荷Q0,1とする。
1列目以降の画素に蓄積された情報電荷Qtotal,2,Qtotal,3,・・・Qtotal,Iは蓄積部2sに転送されるまでにスミアの影響を受ける。すなわち、情報電荷量Qout,iは、i列目の画素に蓄積された情報電荷Qtotal,iに1列目から(i−1)列目までの画素に入射する光の強度に応じた情報電荷量Q0,1からQ0,i−1までの電荷量に転送サイクルTtを撮像期間Tで割ったTt/Tを掛けた量だけのスミア電荷が加えられる。よって、数式(5)及び(6)を用いて情報電荷Q0,iを順に算出することができる。
なお、カラーの画像信号を処理する場合にはオフゲート期間とオンゲート期間との比が変化することによって飽和レベル以上に情報電荷が蓄積された場合の感度が変化してしまう。その結果、フレーム間の色調がずれてしまう原因となる。従って、飽和レベル以上の信号が出力された場合には画素の輝度を示す信号のみを上記実施の形態における処理の対象とすることが好ましい。
以上のように、本実施の形態によれば、被写体の輝度によってゲートをオフ状態とするオフゲート期間とゲートをオン状態とするオンゲート期間との比率を変化させることにより、暗電流の影響を少なくすると共に、出力信号を処理する際に十分なダイナミックレンジを得ることができる。すなわち、低輝度の被写体のみを撮像する場合にはオフゲート期間を長くすることによって撮像時の暗電流の影響を抑制することができる。また、高輝度の被写体を含む場合にはゲートをオン状態とするオンゲート期間を長くすることによって出力信号のダイナミックレンジを十分に確保することができる。
なお、上記実施の形態では、フレームトランスファー型のCCD固体撮像素子を含む撮像装置を対象としたが本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、低輝度の被写体を撮像する場合と高輝度の被写体を撮像する場合において蓄積できる情報電荷量を変化させる時間を変更することによって他のタイプの撮像素子を備えた撮像装置にも適用できる。
2d 出力部、2i 撮像部、2h 水平転送部、2s 蓄積部、10,12 ポテンシャル井戸、100 撮像装置、102 固体撮像素子、104 タイミング制御回路、106 駆動ドライバ、200 撮像装置、202 固体撮像素子、204 タイミング制御回路、206 駆動ドライバ、208 アナログフロントエンド回路、210 デジタル信号処理回路。
Claims (7)
- 撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積する画素を含み、前記画素には転送電極が設けられ、転送時において前記転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号として出力する固体撮像素子、を備えた撮像装置であって、
前記画素へ入射する光の強度に応じて前記転送電極に印加される電圧を変化させる電圧制御手段を含み、撮像時における前記画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させることを特徴とする撮像装置。 - 請求項1に記載の撮像装置において、
前記電圧制御手段は、前記転送電極をオフ状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオフゲート期間と、前記転送電極の少なくとも一部をオン状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオンゲート期間と、の時間比を変更することを特徴とする撮像装置。 - 請求項2に記載の撮像装置において、
前記電圧制御手段は、前記オフゲート期間の後に前記オンゲート期間を設けて一回の撮像を行うことを特徴とする撮像装置。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載の撮像装置において、
前記画像信号に対してオフセットスミア法を適用して情報電荷に重畳されたスミア成分を除去する画像信号処理手段を含むことを特徴とする撮像装置。 - 撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積する画素を含み、前記画素には転送電極が設けられ、転送時において前記転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号として出力する固体撮像素子を備えた撮像装置の制御方法であって、
前記画素へ入射する光の強度に応じて前記転送電極に印加される電圧を変化させて、撮像時における前記画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させる電圧制御工程を含むことを特徴とする撮像装置の制御方法。 - 請求項5に記載の撮像装置の制御方法において、
前記電圧制御工程では、前記転送電極をオフ状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオフゲート期間と、前記転送電極の少なくとも一部をオン状態に保持して前記画素に情報電荷を蓄積させるオンゲート期間と、の時間比を変更することを特徴とする撮像装置の制御方法。 - 撮像時において入射する光の強度に応じた情報電荷を発生させて蓄積する画素を含み、前記画素には転送電極が設けられ、転送時において前記転送電極に電圧を印加することにより情報電荷を転送してその電荷量に応じた画像信号として出力する固体撮像素子を備えた撮像装置の制御プログラムであって、
コンピュータを、
前記画素へ入射する光の強度に応じて前記転送電極に印加される電圧を変化させる電圧制御手段として機能させ、撮像時における前記画素に蓄積可能な飽和レベルを変化させることを特徴とする撮像装置の制御プログラム。
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