JP2005303592A - 固体撮像装置及びその信号処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】露光時間にかかわらず安定した光学的黒レベルを得る固体撮像装置および信号処理方法を提供する。
【解決手段】固体撮像装置100は、遮光膜の下に形成され光電変換機能を有しない第1の光学的黒レベル画素4と、遮光膜の下に形成され光電変換機能を有する第2の光学的黒レベル画素部5とを含む受光面を有し、光学的黒レベルを決定する信号処理方法は、第1の光学的黒レベル画素4からの出力信号と、第2の光学的黒レベル画素5からの出力信号の何れかを、露光時間や2つの黒レベルに応じて選択的にクランプする。
【選択図】図1

Description

本発明は固体撮像装置およびその信号処理方法に関する。
近年、固体撮像装置はビデオカメラやデジタルスチルカメラに広く用いられており、固体撮像装置の出力信号を精度よく記録するために、デジタル信号処理やアナログ信号処理が用いられている。
固体撮像装置から出力された画像信号の品質を落とすことなく処理、記録するために光学的黒レベルの直流再生方法(オプティカルブラック部クランプ、OBクランプと呼ばれる)も信号処理回路の重要な役割を担っている。
以下に従来の固体撮像装置における光学的黒レベルの信号処理方法について説明する。
図8は従来の固体撮像装置の構成を示す図である。同図に示す固体撮像装置50において撮像面11には、垂直CCD12、フォトダイオード(受光部)13、光学的黒レベル画素14が形成されている。このうち光学的黒レベル画素14は、遮光膜で遮光されており、高輝度光入射時の遮光膜の光の透過による、光学的黒レベルの変動や、シリコン基板の結晶欠陥から発生する暗信号成分の影響を無くすため、フォトダイオードを構成していない。
図9は従来の固体撮像装置におけるダーク撮像状態(光学レンズを遮光した状態)での通常露光時間撮影時の1水平期間の映像を示す出力信号のタイミングチャートを示す。同図において、固体撮像装置からの出力信号の期間には、映像信号期間t8と光学的黒レベル信号を出力する期間t9がある。上記のダーク撮像状態では、出力信号のうち信号基準レベルS13と、期間t8及び期間t9における映像信号S12とのそれぞれの差分は、いわゆる暗信号を示す。光学的黒レベルは、期間t9の信号出力をOBクランプパルスP11でクランプすることにより決定される。
また、光学的黒レベル信号を出力する期間9において信号出力をOBクランプパルス11でクランプする技術については、特許文献1等にフィードバック方式の同期クランプ形クランプ回路として記載されている。
上記の固体撮像装置および信号処理により、固体撮像装置の光学的黒部分の光透過やその他の欠陥による異常なレベルが発生しても、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの信号処理において映像信号の光学的黒レベルを一定に保つようにしている。
特許3289293号公報
しかしながら、上記従来の固体撮像装置の構成および信号処理方法では、低照度被写体撮影時やダーク画像に対して数秒以上の長時間露光撮影を行った場合、映像信号出力における本来の黒レベルと、検出される光学的黒レベル出力との間に差が発生するため、ビデオカメラやデジタルスチルカメラの信号処理で光学的黒レベルのクランプを行うと、映像信号が黒レベルにならないという問題を有していた。
より具体的に図10を用いて説明する。同図は、従来の固体撮像装置におけるダーク撮像状態(光学レンズを遮光した状態)での長時間露光撮影時の1水平期間の映像を示す出力信号のタイミングチャートを示す。同図において、映像信号の期間t8における映像信号S12aと期間t9における黒レベル信号との差分d1は露光時間が長いほどが大きくなる。その結果、撮像面のフォトダイオード3に溜まった暗信号成分が映像信号として検出されるため、ダーク画像時や低照度撮影時に光量の多い明るい画像のようになり、ダーク画像上で黒レベルが白く浮いたように見え、画質が劣化する。
本発明は上記従来の問題点を解決するもので、露光時間にかかわらず安定した光学的黒レベルを得る固体撮像装置およびその信号処理方法を提供することを目的とする。
この目的を達成するために本発明の固体撮像装置は、遮光膜の下に形成され光電変換機能を有しない第1の光学的黒レベル画素部と、遮光膜の下に形成され光電変換機能を有する第2の光学的黒レベル画素部とを有する。
ここで、前記固体撮像装置は、さらに、第1の光学的黒レベル画素部からの第1の光学的黒レベル信号と、第2の光学的黒レベル画素部からの第2の光学的黒レベル信号とを出力する出力アンプを有する。
この構成によれば、第1の光学的黒レベル画素部からは通常露光に適した光学的黒レベルを、第2の光学的黒レベル画素部からは長時間露光に暗信号の影響を受けない光学的黒レベルを出力するので、露光時間にかかわらず安定した光学的黒レベルを得ることができる。
また、本発明の信号処理方法は、前記受光面を露光する露光ステップと、第1の光学的黒レベル画素部からの出力信号と、第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号の何れかを光学的黒レベルとして選択する選択ステップとを有する。
この構成によれば、第1の光学的黒レベル画素部からは通常露光に適した光学的黒レベルを、第2の光学的黒レベル画素部からは長時間露光に適した光学的黒レベルを選択的に得ることができる。
ここで、前記選択ステップにおいて、露光時間に応じて選択する構成としてもよい。
また、前記選択ステップにおいて、第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルに応じて選択する構成としてもよい。
ここで、前記選択ステップにおいて、第1の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルと第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルとの差に応じて選択する構成としてもよい。
また、前記選択ステップにおいて、第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベル及び露光時間に応じて選択する構成としてもよい。
ここで、前記選択ステップにおいて、第1の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルと第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルとの差及び露光時間に応じて選択する構成としてもよい。
以上のように本発明の固体撮像装置および信号処理方法によれば、露光時間による影響や、高輝度光透過による影響や、暗信号の影響などによる光学的黒レベルの異常変動による影響を受けず、映像信号の光学的黒レベルを安定に保つことができる。
図1は、本発明の実施の形態における固体撮像装置及び信号処理部の主要な構成図を示す。同図において固体撮像装置100の撮像面1には、垂直転送CCD2、フォトダイオード(受光部)3、第1の光学的黒レベル画素4(以下OB画素4と略す)、第2の光学的黒レベル画素5(以下OB画素5と略す)、出力アンプ6、水平転送CCD7が形成されている。また、信号処理部101は、クランプ回路102と、選択部103とを有する。
垂直転送CCD2は、フォトダイオード3、OB画素4及びOB画素5の各列に対応して設けられる。各垂直転送CCD2は、フォトダイオード3、OB画素4又はOB画素5から1列分の信号電荷を読み出して、水平転送CCD7に向けて転送する。
フォトダイオード(受光部)3は、例えばシリコン基板にn型不純物をイオン注入することにより形成され、光電変換機能を有する。
OB画素4の各々は、遮光膜により覆われており、フォトダイオードを構成しない。つまり、n型不純物をイオン注入されずに形成され光電変換機能を有しない。このOB画素4は、高輝度光入射時の遮光膜の光透過による光学的黒レベルの変動や、シリコン基板の結晶欠陥にから発生する暗信号成分の影響を無くすために備えられる。
OB画素5の各々は、遮光膜により覆われており、フォトダイオードを構成する。つまり、不純物をイオン注入されて形成され光電変換機能を有する。OB画素5とフォトダイオード3との違いは、遮光膜の有無である。OB画素5と第1の光学的黒レベル画素との違いは、光電変換機能の有無(イオン注入の有無)である。このOB画素5は、OB画素4と比べて、高輝度光入射時の遮光膜の光透過による光学的黒レベルの変動や、シリコン基板の結晶欠陥から発生する暗信号成分の影響を受けやすい。
水平転送CCD7は、各垂直転送CCD2から転送された1行分の信号電荷を出力アンプ6に向けて順次転送する。
図1の構成例では、フォトダイオードを構成しないOB画素4とフォトダイオードを構成するOB画素5を水平方向に配置しており、全OB画素の半分をOB画素4とし、全OB画素の残る半分をOB画素5で構成している。現在、ビデオカメラやデジタルスチルカメラで使用されている固体撮像装置のフォトダイオードは、イオン注入によるn型不純物によって構成される。フォトダイオードを構成しないOB画素4の領域と、フォトダイオードを構成するOB画素5の領域は、n型不純物をイオン注入する部分としない部分をマスクレイアウトすることによって設定することが可能である。
クランプ回路102は、水平転送CCD7から出力アンプを介して出力される映像信号のうちOB画素4からの光学的黒レベル信号(第1のOB信号と略す)とOB画素5からの光学的黒レベル信号(第2のOB信号と略す)の何れかを、選択部103からのクランプパルスのタイミングでクランプする。クランプ回路102の構成は、上記特許文献1のような相関二重サンプリング回路と同様でよい。
選択部103は、第1のOB信号のクランプタイミングを示すOBクランプパルス11と、第2のOB信号のクランプタイミングを示すOBクランプパルス15のうち何れかを選択して、クランプ回路102に出力する。選択部103における選択基準は、例えば、露光時間がしきい値より短い場合はOBクランプパルス11を選択し、露光時間がしきい値より長い場合はOBクランプパルス15を選択する。
図2は本実施の形態における、固体撮像装置100におけるダーク撮像状態(光学レンズを遮光した状態)でのOB画素4とOB画素5の蓄積時間(カメラの露光時間に相当する)と暗信号出力の関係の例を示している。
同図において、横軸は固体撮像装置の露光時間を示し、縦軸はOB画素から出力される信号出力を示している。また、図中のAはフォトダイオードを構成しないOB画素4の信号出力を示し、Bはフォトダイオードを構成するOB画素の信号出力を示している。Bのフォトダイオードを構成するOB画素5では、シリコン基板の結晶欠陥から発生する暗信号成分の影響を受けるため、蓄積時間に比例して、暗信号出力が大きくなる。フォトダイオードを構成するOB画素5では数十msec以上の蓄積時間で数mVの出力が発生するのに対して、フォトダイオードを構成しないOB画素4では数十msec以上の蓄積時間で1mV以下の出力となる。
図3はダーク撮像状態での固体撮像装置から出力される通常露光時間撮影時の1水平期間の映像信号タイミングチャートを示す。同図において固体撮像装置からの出力信号の期間には、映像信号期間t8とOB画素レベルを出力するOB期間t9がある。OB期間t9のうち、Aはフォトダイオードを構成しないOB画素4の出力期間、Bはフォトダイオードを構成するOB画素5の出力期間である。P11はOBクランプパルス、S2は暗信号出力、S3は信号基準レベルを示す。
同図のような通常露光時間撮影時にはフォトダイオードの暗信号成分の量が少ないので、撮像面のフォトダイオード3とフォトダイオードを構成しないOB画素4とフォトダイオードを構成するOB画素5の信号出力にほとんど差は発生しない。
このため、OBクランプパルス11のタイミングはフォトダイオードを構成しないOB画素4の出力タイミングである出力期間Aのタイミングで発生させる。この理由は、フォトダイオードを構成しないOB画素4では、遮光膜の下にフォトダイオードが構成されていないので、高輝度光入射時の遮光膜の光透過による光学的黒レベルの変動や、シリコン基板の結晶欠陥にから発生する暗信号成分の影響を受けず、安定した光学的黒レベルのクランプによる信号処理ができ、SNR(信号対雑音比)の良い信号が得られるためである。
もし、フォトダイオードを構成したOB画素5のタイミングでOBクランプパルス11を発生させると、太陽などの高輝度光入射時での遮光膜の光透過やシリコン基板の結晶欠陥から発生する暗信号成分の影響による光学的黒レベルの変動の影響を受けるため、安定した光学的黒レベルのクランプによる信号処理ができない。
図4はダーク撮像状態での固体撮像装置から出力される長時間露光撮影時の1水平期間の映像信号タイミングチャートを示す。
同図のような長時間露光撮影時ではフォトダイオードの暗信号成分の量が多くなり、撮像映像信号に占める暗信号成分の割合が大きくなる。フォトダイオードを構成しないOB画素4の信号出力に比べて、撮像面のフォトダイオード3とフォトダイオードを構成するOB画素5の暗信号成分出力が大きくなり無視できなくなるため、フォトダイオード3あるいはフォトダイオードを構成するOB画素5の信号出力と、フォトダイオードを構成しないOB画素4の信号出力に差が発生する。
したがって、長時間露光時には、暗電流によるオフセットを抑圧するためフォトダイオードを構成するOB画素の信号を0レベルとして使用する。OBクランプパルス15は、図4に示すようにフォトダイオードを構成するOB画素5の出力タイミングBに発生させる。この理由は、通常露光時間では、フォトダイオードを構成するOB画素5では、遮光膜の下にフォトダイオードが構成されているので、高輝度光入射時の遮光膜の光透過による光学的黒レベルの変動の影響を受けるので、安定した光学的黒レベルのクランプによる信号処理ができないが、長時間露光撮影時には、高輝度光入射時の遮光膜の光透過による光学的黒レベルの変動の影響よりも、露光時間が長いことによるフォトダイオードに溜まる暗信号成分の影響の方が大きくなるので、これによる信号オフセットの影響を抑えるためである。
長時間露光撮影時には、撮像面のフォトダイオード3にも、暗信号成分が溜まるので、フォトダイオードを構成するOB画素5を光学的黒レベルのクランプに使うことで、信号処理上で撮像面のフォトダイオード3の暗信号成分がキャンセルされることになる。
もし、フォトダイオードを構成しないOB画素4のタイミングでOBクランプパルス15を発生させると、撮像面のフォトダイオード3に溜まった暗信号成分が映像信号として検出されるため、ダーク画像時や低照度撮影時に光量の多い明るい画像のようになり、安定した光学的黒レベルのクランプによる信号処理ができない。これは、ダーク画像上で黒レベルが白く浮いたように見える。
上記のように固体撮像装置の露光時間に応じて、フォトダイオードを構成しないOB画素4の出力期間Aをクランプする方法と、フォトダイオードを構成するOB画素5の出力期間Bをクランプする方法を信号処理で選択することで、固体撮像装置の露光時間が変わっても安定した光学的黒レベルのクランプが可能である。
図5は、信号処理部101におけるクランプ処理例を示すフローチャートである。同図において信号処理部101は、固体撮像装置100に入力される露光を制御する信号等から露光時間tを入力し(S51)、露光時間tがしきい値Ttよりも小さい否かを判定する(S52)。ここで、しきい値Ttは固体撮像装置の特性等に応じて定めればよい。
さらに信号処理部101は、露光時間tがしきい値Ttよりも小さいと判定された場合、選択部103においてOBクランプパルスP11を選択し(S53)、露光時間tがしきい値Tt以上であると判定された場合、選択部103においてOBクランプパルスP15を選択する(S54)。クランプ回路102は、選択されたOBクランプパルスP11又はP15のタイミングでOB画素信号をクランプする。このように、図5のクランプ処理によれば、露光時間に応じて第1の光学的黒レベル信号と第2の光学的黒レベル信号を適切に選択することができる。
なお、クランプ処理は図5の例に限らず、以下にその例を示す。
図6は、信号処理部101におけるクランプ処理の第2の例を示すフローチャートである。信号処理部101は、OB画素4の出力期間(図3、4における期間A)で選択部103においてOBクランプパルスP11を選択し、クランプ回路102においてOB画素4からの第1の光学的黒レベル信号(LAと略す)をクランプし(S61)、OB画素5の出力期間(図3、4における期間B)で選択部103においてOBクランプパルスP15を選択し、クランプ回路102においてOB画素5からの第2の光学的黒レベル信号(LBと略す)をクランプする(S62)。さらに、信号処理部101は、第2の光学的黒レベル信号LBがしきい値Ltよりも小さいか否かを判定し(S63)、小さい場合にはLAを(S64)、小さくない場合にはLBを光学的黒レベルと決定する(S65)。ここで、しきい値Ltは予め定めればよい。このように、図6のクランプ処理によれば、第2の光学的黒レベル信号の大きさに応じて第1の光学的黒レベル信号と第2の光学的黒レベル信号を適切に選択することができる。しかも、特性の異なる固体撮像装置に対して容易に適用することができる。すなわちOB画素5の暗信号出力特性(図2のB)が異なる固体撮像装置であっても、その特性差を吸収することができる。
図7は、信号処理部101におけるクランプ処理の第3の例を示すフローチャートである。同図のクランプ処理は、図6と比べて、S63、S64の代わりにS71、S72のステップを有する点が異なっている。同じステップは説明を省略して、異なる点を中心に説明する。信号処理部101は、LAとLBの差分Dを算出し(S71)、差分Dがしきい値Dtよりも小さいか否かを判定する(S72)。このように、図7のクランプ処理によれば、LAとLBの差の大きさに応じて第1の光学的黒レベル信号と第2の光学的黒レベル信号を適切に選択することができる。しかも、特性の異なる固体撮像装置に対して容易に適用することができる。すなわちOB画素5の暗信号出力特性(図2のB)とOB画素4の暗信号出力特性(図2のA)が異なる固体撮像装置であっても、その特性差を吸収することができる。
なお、クランプ処理は図5〜図7に限らない。例えば、図5の露光時間の判定と図6のLBの大きさの判定とを組み合わせてもよい。図5の露光時間の判定と図7の差Dの判定とを組み合わせてもよい。図5〜7を組み合わせてもよい。LAとLBと演算処理することにより光学的黒レベルを算出するようにしてもよい。また、光学的黒レベルとしてLAを適用した画像と、LBを低要した画像とを生成し、最適な画像を選択する構成としてもよい。
また、本実施の形態では、フォトダイオードを構成しないOB画素4とフォトダイオードを構成するOB画素5を水平方向のOB画素領域内に構成して説明したが、撮像面の垂直方向のOB画素領域内に構成することも可能である。
フォトダイオードを構成しないOB画素4と、フォトダイオードを構成するOB画素5の配列方法や画素数についても任意であることは言うまでもない。
OBクランプパルスP11とOBクランプパルスP15の切り替え制御は、マイコン、タイミングジェネレーターなど固体撮像装置の駆動LSIで制御でき、映像信号処理におけるデジタル信号処理のA/Dコンバータの前後何れでも構成可能であり、またアナログ信号処理にも適用可能である。
また、固体撮像装置の構造についてもCCDイメージセンサー、CMOSイメージセンサー等あらゆる構造の固体撮像装置やその他の撮像素子の黒基準レベル決定に応用できる。
なお、上記実施の形態では固体撮像装置からの映像信号で説明したが、映像信号は固体撮像装置からの映像信号に限らないことは、言うまでもない。
また、上記実施の形態では、固体撮像装置100と信号処理部101は別チップであることを前提としたが、両者を1チップ上に形成してもよい。
本発明は、複数のフォトダイオードを有する固体撮像装置、その信号処理方法に適しており、例えば、イメージセンサー、デジタルスチルカメラ、カメラ付き携帯電話機、ノートパソコンに内蔵するカメラ、監視用カメラ、放送用カメラ、情報処理機器に接続されるカメラユニット等に適している。
本発明の実施の形態における固体撮像装置の構成を示すブロック図である。 固体撮像装置のフォトダイオードの蓄積時間と暗信号成分との関係グラフである。 固体撮像装置のダーク撮像状態での通常露光時間撮影時の1水平期間の映像信号タイミングチャートである。 固体撮像装置のダーク撮像状態での長時間露光撮影時の1水平期間の映像信号タイミングチャートである。 信号処理部におけるクランプ処理の第1の例を示すフローチャートである。 信号処理部におけるクランプ処理の第2の例を示すフローチャートである。 信号処理部におけるクランプ処理の第3の例を示すフローチャートである。 従来技術における固体撮像装置の構成図である。 従来技術における固体撮像装置のダーク撮像状態での通常露光時間撮影時の1水平期間の映像信号タイミングチャートである。 従来技術における固体撮像装置のダーク撮像状態での長時間露光撮影時の1水平期間の映像信号タイミングチャートである。
符号の説明
1 撮像面
2 垂直転送CCD
3 フォトダイオード
4 第1の光学的黒画素
5 第2の光学的黒画素
6 出力アンプ
7 水平転送CCD
8 映像信号出力期間
9 OB期間
100 固体撮像装置
101 信号処理部
102 クランプ回路
103 選択部
P11 OBクランプパルス
P15 OBクランプパルス

Claims (8)

  1. 遮光膜の下に形成され光電変換機能を有しない第1の光学的黒レベル画素部と、
    遮光膜の下に形成され光電変換機能を有する第2の光学的黒レベル画素部と
    を有することを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記固体撮像装置は、さらに、第1の光学的黒レベル画素部からの第1の光学的黒レベル信号と、第2の光学的黒レベル画素部からの第2の光学的黒レベル信号とを出力する出力アンプを有することを特徴とする請求項1記載の固体撮像装置。
  3. 固体撮像装置の出力信号を処理する信号処理方法であって、
    前記固体撮像装置は、遮光膜の下に形成され光電変換機能を有しない第1の光学的黒レベル画素部と、遮光膜の下に形成され光電変換機能を有する第2の光学的黒レベル画素部とを含む受光面を有し、
    前記信号処理方法は、
    前記受光面を露光する露光ステップと、
    第1の光学的黒レベル画素部からの出力信号と、第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号の何れかを光学的黒レベルとして選択する選択ステップと
    を有することを特徴とする信号処理方法。
  4. 前記選択ステップにおいて、露光時間に応じて選択する
    ことを特徴とする請求項3記載の信号処理方法。
  5. 前記選択ステップにおいて、第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルに応じて選択する
    ことを特徴とする請求項3記載の信号処理方法。
  6. 前記選択ステップにおいて、第1の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルと第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルとの差に応じて選択する
    ことを特徴とする請求項3記載の信号処理方法。
  7. 前記選択ステップにおいて、第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベル及び露光時間に応じて選択する
    ことを特徴とする請求項3記載の信号処理方法。
  8. 前記選択ステップにおいて、第1の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルと第2の光学的黒レベル画素部からの出力信号レベルとの差及び露光時間に応じて選択する
    ことを特徴とする請求項3記載の信号処理方法。
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EP2423962A1 (en) 2007-03-19 2012-02-29 Phase One A/S Long exposure digital image sensor system

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