JP2007243637A - 固体撮像装置および撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低輝度部分においても信号の張り付きが起こらない固体撮像装置および撮像方法を提供する。
【解決手段】デジタルスチルカメラ10は、CCD型撮像素子104を含み、３段階の光電感度特性を設定する。クランプ回路106は、光電感度に応じて、撮像素子104の出力信号から、参照信号として前OB部、ダミー領域、後OB部の信号のうちのいずれかを選択し、有効画素部の出力信号を、参照信号に相当する信号レベルが所定の黒レベルになるようにクランプする。ノイズ低減処理が行われた後、オフセット補正回路は、前OB部またはダミー領域の信号と、後OB部の信号との差に基づいてオフセット補正量を決定し、撮像素子104の出力信号を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子から得られた信号に対してクランプを行い、クランプした信号に対して信号処理を施して画像信号を生成する固体撮像装置および撮像方法に関するものである。

CCD型撮像素子やMOS型撮像素子などの固体撮像素子を備えた電子カメラや携帯電話などの固体撮像装置においては、近年、撮像素子自体の高画素化、高感度化が進む一方で、S/N比劣化などに起因して画質が悪くなる問題がある。従来、デジタル信号処理部におけるノイズ低減処理方法では、ノイズ低減効果を向上させるため、特許文献１のように少なくともオフセット補正（黒レベル補正）やデジタルゲイン補正のどちらか一方を行った後に、ノイズ低減処理が施されていた。ノイズ低減処理後に、ノイズの本来の性質が変化するガンマ補正などの非線形処理が施されていた。

また、上記オフセット補正に関して、オフセット補正を行う前の撮像データには、OB(Optical Black:オプティカルブラック)を用いて出力信号をクランプすることによって決定された黒レベルに応じた一定のオフセット量が付加されており、オフセット補正量はそれに応じた値のみであり、補正量を調整する手段は具備していなかった。
特開２００３−１０１８１５号公報

しかしながら、上記のようにオフセット補正後にノイズ低減処理を行うという順序では、たとえば高感度撮影時のようにノイズが増大した場合、オフセット補正により、ノイズに起因して信号がオフセットレベル(黒レベル)に張り付くことがある。これを図７により説明する。図７は、撮像素子への入射光の明るさと撮像素子の出力信号量の関係を示す。横軸が入射光の明るさ、縦軸が出力信号量であり、出力信号301は、ノイズを考慮しない場合であり、出力信号303は、ノイズを考慮した場合である。

出力信号は、オフセットレベル302以上の大きさを有する。なおオフセットレベル302は、従来、撮像素子の後OB部からの出力信号量を基準として設定される。ノイズは、出力信号301に対して、その上下に分布し、ノイズの平均を取れば、ノイズ自体の平均値は「０」と考えられる。明るさが低い場合、出力信号量は小さく、このような信号に対してオフセット補正を行うと、オフセット補正により、オフセットレベル302より低い出力信号は、オフセットレベル302とされる。出力信号304の部分は、オフセットレベル302に張り付く。このため、ノイズの下側部分が消されてしまい、ノイズが不正確になり、そのため、出力信号量自体が不正確になってしまう。

３原色のR、G、Bの３色でそれぞれ黒レベルに張り付くノイズ量に相違があることから、とくに低輝度部分で色回りが起こるなどといった色再現に問題があった。ここで、色回り(color phase shift)とは、色相がずれることをいい、基準となるカラーバースト信号に対し、カラー位相がずれていることをいう。あるいはカラー位相の同期が取れないため、色相が周期的に変化することもいう。

また、将来、電子カメラ等のさらなる高感度化が進み、それに伴ってノイズ量が増大すれば、オフセット補正を行う前のオフセットをもった撮像データにおいても、信号の張り付きが起こる可能性が十分にある。

本発明はこのような課題に鑑み、低輝度部分においても信号の張り付きが起こらない固体撮像装置および撮像方法を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するために、入射光を光電変換可能な撮像素子を含み、撮像素子の出力信号から画像信号を生成するとともに、少なくとも２つの光電感度特性を設定することが可能である固体撮像装置において、設定された光電感度に応じて、撮像素子の出力信号から参照信号を選択し、撮像素子の出力信号を、参照信号に基づいてクランプするクランプ手段と、参照信号と基準参照信号との差に基づいてオフセット補正量を決定して、撮像素子の出力信号を補正する補正手段と、補正された信号に対して信号処理を施して画像信号を生成する信号処理手段とを含むことを特徴とする。これによれば、感度設定に応じてクランプの基準となる参照信号を制御できる。また、低輝度部分に見られる、ノイズクリップによって生じる色回りなどを軽減できる。

また、本装置は、クランプ手段によりクランプされた信号に対して、信号に含まれるノイズを低減するノイズ低減手段を含み、補正手段は、ノイズ低減が行われた信号に対してオフセット補正を行うことができる。これによれば、オフセット補正を行う前のデータに対してノイズ低減を行うため、張り付きが防止できる。

なお、本発明において、参照信号は、撮像素子の有効画素領域に先行する位置にある前オプティカルブラック部が出力する信号であることが好ましい。さらに、参照信号は、撮像素子の有効画素領域に先行する位置にあるダミー領域が出力する信号としてもよい。

また、クランプ手段は、撮像素子の水平１ラインから出力された出力信号を、水平１ラインにある参照信号を用いてクランプすることが好ましい。水平１ラインごとに、参照信号のレベルは変わると考えられるからである。

なお、本発明の方法は上述の課題を解決するために、入射光を光電変換可能な撮像素子の出力信号から画像信号を生成するとともに、少なくとも２つの光電感度特性を設定することが可能である撮像方法において、設定された光電感度に応じて、撮像素子の出力信号から参照信号を選択し、撮像素子の出力信号を、参照信号に基づいてクランプする工程と、参照信号と基準参照信号との差に基づいてオフセット補正量を決定して、撮像素子の出力信号を補正する工程と、補正された信号に対して信号処理を施して画像信号を生成する工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、低輝度部分においても信号の張り付きが起こらない固体撮像装置および撮像方法を提供することができる。

次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置および撮像方法の実施例を詳細に説明する。本実施例は、デジタルスチルカメラに本発明を適用したものであり、図１を参照すると、本発明によるデジタルスチルカメラ10の実施例は、入射光を光電変換可能なCCD型撮像素子104を含み、撮像素子104の出力信号から画像信号を生成するとともに、３つの光電感度特性を設定することが可能である。設定された光電感度に応じて、撮像素子104の出力信号から、参照信号として前OB部、ダミー領域、後OB部の信号のうちのいずれかを選択し、撮像素子104の出力信号を、前OB部、ダミー領域、後OB部の信号レベルが所定の黒レベルになるようにクランプするクランプ回路106と、前OB部、ダミー領域の信号と、基準参照信号である後OB部の信号との差に基づいてオフセット補正量を決定し、撮像素子104の出力信号を補正するオフセット補正回路と、補正された信号に対して信号処理を施して画像信号を生成する信号処理回路とを含む。

デジタルスチルカメラ10は、クランプ回路106によりクランプされた信号に対して、信号に含まれるノイズを低減するノイズ低減処理回路を含み、オフセット補正回路は、ノイズ低減が行われた信号に対してオフセット補正を行う。

なお、クランプ方法は、本実施例の方式に限られず、クランプ回路は、前OB部、ダミー領域、後OB部の信号レベルそのものを所定の黒レベルとしてクランプしてもよい。その場合は、オフセット補正回路において、前OB部と後OB部の信号レベルの差、もしくはダミー領域と後OB部の信号レベルの差を検出して、オフセット補正を行う。

本実施例の説明に戻ると、前OB部の信号は、撮像素子104の有効画素領域に先行する位置にある前OB部が出力する信号であり、ダミー領域の信号は、有効画素領域に先行する位置にあるダミー領域が出力する信号である。また、クランプ回路106は、撮像素子104の水平１ラインから出力された出力信号を、同一水平１ラインにある前OB部、ダミー領域、または先行する水平１ラインにある後OB部のうちのいずれかの信号を用いてクランプする。

ここで、本実施例の処理内容の概要を説明する。デジタルカメラ10において、最終的に画像として残る信号は、図７のオフセットレベル302以上の値を持つ。そのため出力信号304のようなオフセットレベル以下の信号はノイズといえる。従来、A/D変換後のノイズ成分も含めた信号は、信号処理部にて、まずオフセット補正を施される。オフセット補正では、出力信号からオフセットレベルを減算する処理が行われ、オフセットレベル以下の信号を「０」とする。このため出力信号304のようなオフセットレベル以下+の信号は、オフセット補正後には負にならず、「０」に張り付いてしまい、本来得たい信号が失われてしまう。このことによって、とくに低輝度な出力信号において色回りが生じる問題がある。そこで本実施例では、オフセット補正を行う前に、信号に対してノイズ低減処理を施し、ノイズを軽減することで出力信号の張り付きを防ぐ。

しかし、これでは、出力信号の張り付きを防ぐには不十分である。従来技術においては、オフセット補正およびノイズ低減処理を施す前の信号において、すでに出力信号の張り付きが起こっている可能性があるからである。これについて説明する。

たとえば高感度設定時などにおいては、高感度を達成するために、CCD型撮像素子104から出力された画素データに対して、通常感度設定時よりもアナログゲインを大きく設定することにより、同一受光量に対して、CCD型撮像素子104の後段に設けたアナログアンプの出力電圧を高くする。

そのため高感度設定時はノイズ量が増えている。このような出力信号に対してクランプ回路により、図２に示す後OB部の信号レベルが黒レベルとなるように、オフセットを付加する。すなわち黒レベルを設定することが行われる。その後、この出力信号に対して、上述のオフセット補正およびノイズ低減処理が行われる。

図２は、CCD型撮像素子104の構成を示し、CCD型撮像素子104は、受光素子が配列されている有効画素部20とダミー領域22と前OB部24と後OB部26を含む。ダミー領域22、前OB部24、有効画素部20、後OB部26は、この順に水平方向に配列されている。ダミー領域22と前OB部24と後OB部26は遮光されている。CCD型撮像素子104は、さらに、図示しない垂直転送路と、水平転送路28を含む。

有効画素部20、前OB部24、後OB部26の受光素子で蓄積された信号電荷は、垂直転送路に掃き出され、垂直転送路上を水平転送路に向かって矢印30の方向に転送され、次に、垂直転送路から水平転送路28に転送され、水平転送路28上を矢印32の方向に転送されて、CCD型撮像素子104から出力される。ダミー領域22では、受光素子から垂直転送路への掃き出しは行われず、垂直転送路および水平転送路28での電荷の転送のみが行われる。

後OB部26を用いて黒レベルが設定され、クランプ回路によってオフセットが付加されている状態では、高感度設定時にノイズ量が大きいために、ノイズの張り付き、すなわち出力信号の張り付きが生じている可能性がある。

ここで、クランプ回路とは、黒レベルの基準となる信号、たとえば後OB部26の出力信号を、クランプ回路の外部からのクランプパルスに同期して取り込み、その後、クランプ回路に入力される入力信号に対して、後OB部26の出力信号の電圧に相当する電圧が所定の電圧になるように、入力信号の電圧を設定するものである。これを、入力信号にオフセットが付加されたという。

出力信号の張り付きを防ぐために、本実施例では、感度設定に応じてクランプする出力信号の位置を、ダミー領域22、前OB部24、後OB部26のいずれかに変更する。従来のように、後OB部26のみを用いてクランプを行い、後OB部を黒レベル値として決定するだけでなく、カメラの高感度設定時には前OB部、超高感度設定時にはダミー領域を参照信号としてクランプ回路106においてクランプし、黒レベルとオフセット補正量の両方を調整する。

従来、黒レベルを、後OB部26の出力信号を参照信号としてクランプすることにより決定していた理由は、後OB部26の画素構造と、最終的に画像となる部分である有効画素部20の画素構造が似ており、双方が同程度の暗電流ノイズを生むことを考慮して、両者の信号の比較からノイズのキャンセルができ、黒レベル浮き(黒浮き)などが軽減されるからである。ここで、黒浮きとは、映像の黒色部分が正しく「黒」として表示されずに、明るくなる状態をいう。黒浮きは、コントラスト、階調表現、色再現性全般に大きく影響を与え、正確な映像再現が困難になる原因となる。

前OB部24やダミー領域22は、後OB部26よりも暗電流ノイズが少ないため、有効画素部20の信号レベルと、前OB部24やダミー領域22の信号レベルとに差が生じ、前OB部24やダミー領域22を黒レベルとすると、黒浮きが起こる。しかしながら、本実施例では、上述した色回りの問題を回避するために、前OB部24やダミー領域22をクランプし、後OB部24のクランプによって決定される黒レベルよりも低い位置に、黒レベルを設定することによって、有効画素部20の信号がその黒レベル以下になることを防ぐ。

色回りを軽減するために、前OB部やダミー領域をクランプする一方で、そのことが原因となって起こりうる黒浮きを、本実施例ではオフセット補正量を調整することで防ぐ。これについて、図３のフローチャートにより説明する。撮影時、最初に測光により感度を設定する。設定された感度が、通常感度設定、高感度設定、超高感度設定のいずれであるかを判断する(ステップS10)。

比較的ノイズの少ない通常感度設定時(たとえば、感度がIS0200以下のとき)には従来のように、クランプ回路に後OB部26の出力信号が入力されたときにクランプパルスを印加し(ステップS12)、後OB部26の出力信号が所定の黒レベルになるように、有効画素部20の出力信号をクランプする(ステップS14)。オフセット補正回路では、オフセット補正量は、とくに調整はしないで、デフォルトのオフセット補正量を使用して、オフセット補正を行う。

高感度設定時(IS0800などであるとき)には、クランプ回路に前OB部24の出力信号が入力されたときにクランプパルスを印加し(ステップS16)、前OB部24の出力信号が所定の黒レベルになるように、有効画素部20の出力信号をクランプする(ステップS18)。さらに、オフセット補正量を得るために、前OB部24の出力信号が所定の黒レベルになるように、後OB部26の出力信号をクランプする(ステップS20)。クランプされた後の後OB部26の出力信号は、前OB部24を用いたときのオフセット補正量そのものである。これについては後述する。オフセット補正回路では、後OB部26のクランプによって得られた信号を、有効画素部20の出力信号から減算する(ステップS22)。これにより、オフセット補正の時点では、黒浮きは軽減されている。

超高感度設定時(IS01600などであるとき)には、クランプ回路にダミー領域22の出力信号が入力されたときにクランプパルスを印加し(ステップS24)、ダミー領域22の出力信号が所定の黒レベルになるように、有効画素部20の出力信号をクランプする(ステップS26)。さらに、オフセット補正量を得るために、ダミー領域22の出力信号が所定の黒レベルになるように、後OB部26の出力信号をクランプする(ステップS28)。クランプされた後OB部26の出力信号は、ダミー領域22を用いたときのオフセット補正量そのものである。オフセット補正回路では、後OB部26のクランプによって得られた信号を、有効画素部20の出力信号から減算する(ステップS30)。これにより、オフセット補正の時点で黒浮きを軽減できる。以上のように、本実施例によってノイズの張り付きが軽減され、低輝度部の色回りおよび黒浮きが抑えられる。

次に、オフセット補正の詳細について図４を参照して説明する。図４は、CCD型撮像素子104の水平１ラインにおけるダミー領域22、前OB部24、後OB部26、有効画素部20の信号量の関係を示す。通常、撮像部10Aに後続するAFE(Analog Front End:アナログフロントエンド)10F内のクランプ回路106で黒レベルを決定する際、後OB部26をクランプして、図４の後OB部26の信号値S1を基準値とする。

一般的に、撮像素子104からの信号はAFE 10Fによって相関２重サンプリング、AD変換処理を施されデジタル信号化される。ここで、信号値S1がAD変換された後のデジタル信号値をS1dとする。同様に、前OB部24の信号値S2はS2d、ダミー領域22の信号値S3はS3dとする。上記したように、AFE 10F内でクランプによって信号値S1を基準値と決定しているが、その基準値は、クランプ回路106から出力された時点では「０」ではなく信号値S1dである。黒レベルを決める際の基準値は、ある一定の信号（ここでは信号値S1d）である。

このように、AFE 10Fでアナログ信号がデジタル化された直後というのは、画像の全画素が信号値S1dという「下駄」を履いた状態になっている。この「下駄」の部分は、最終的に画像を生成する際、不必要な部分であるため、信号処理部114のオフセット補正回路で画像の各画素から信号S-offsetを減算する。S1d=S-offsetとなるように、あらかじめカメラに設定しておくことで、オフセット補正後に黒レベルが信号値「０」になる。このときオフセット補正回路で減算される値（ここではS-offset(=S1d)）はあらかじめカメラ内部のメモリに記憶させている。

ここで注意すべきことは、上記した信号値S1は、水平ライン毎に値が変化するということである。たとえば、撮像素子104の50番目の水平ラインを読み出しているときに、後OB部26をクランプして得られた基準値をS1-50、同様に51番目の水平ラインの場合にはS1-51とすると、信号量というのはどのラインでも同じというわけではないので、S1-50≠S1-51となりうる。そこで、クランプ回路では、後OB部26をクランプすることによって得られた信号値S1が変化しても、クランプ回路の出力は、ある一定値S-constになるように信号量を調整する。すなわち、S-const=S-offsetとなるように、S-offsetは調整される。また、通常、後OB部26をクランプして黒レベル決定のための基準値を得るのは、後OB部と有効画素部とで暗電流ノイズ量などの特性が近いためである。

既述の図３のフローチャートに示す「高感度設定」、「超高感度設定」では、ノイズが多くなり、ノイズによって信号が浮いてくる感度設定がなされた場合は、本実施例では、後OB部26ではなく、前OB部24やダミー領域22をクランプする。たとえば、「高感度設定」の場合、図３のフローチャートに示すように、前OB部24をクランプし、図４の基準信号値S2を得る。

ここで、S2≠S1であるが、クランプ回路で処理を受け、AFE 10Fから出力されるデジタル信号の段階では、S2d=S1d=S-offsetである。AFE 10Fに後続するオフセット補正回路により、画像の各画素からS-offsetが減算されると、後OB部26のみをクランプした場合には、最終的に図４の信号値S1の点線以上の部分が有効画像信号として残るが、前OB部24をクランプした際には信号値S2の点線以上の部分が残る。すなわち、図４の信号値S1と信号値S2の差分が、有効画像部20からの出力信号に残ることになる。

そこで、図３のフローチャートにあるように、前OB部24をクランプした後に、有効画素部20のデータだけではなく後OB部26のデータも取得する。信号値S2と信号値S1という両信号の差分値をΔS=S1-S2とし、ΔSをデジタル化した信号をΔSdとすると、後OB部26のデータは、(S-offset+ΔSd)である。これをメモリに保存する。

このときオフセット補正回路では、(S-offset+ΔSd)を画像の各画素から減算するようにすれば、結局残る信号部分は、図４の信号値S1の点線以上の部分になり、「通常感度設定」の際と同様の信号部分が得られることになる。「超高感度設定」の際も、同様の原理で、ダミー領域22の出力信号を用いて後OB部26の出力信号をクランプすることにより、オフセット補正回路で利用する補正量ΔSdを決める。ここでΔSdは、ΔSd=ΔSのデジタル信号値であり、ΔS=S1-S3である。

次に、図１に戻って、本実施例のデジタルスチルカメラ10の構成について説明する。デジタルスチルカメラ10には、撮像系10A、AFE 10F、信号処理系10B、駆動信号生成部10C、信号出力系10D、カメラ操作部10Eおよびシステム制御部12が備えられている。なお、以下の説明では、本発明に直接関係のない部分の説明は省略する。

撮像系10Aには、撮像レンズ102、CCD型撮像素子104が備えられている。また図示しないが、AF調整部およびAE調整部がある。撮像レンズ102は、被写界からの入射光を撮像素子104の受光面上に焦点を結ぶように集光する光学系である。

撮像素子104では、入射光を光電変換する受光素子が受光面を形成しており、既述の図２に示すように受光素子は行方向および列方向に２次元配列されている。撮像素子104は、後述する駆動信号生成部10Cから出力される駆動信号に応動する。受光素子と、受光素子に隣接配設された転送素子、すなわち垂直転送素子との間に、受光して変換した信号電荷を垂直転送素子に読み出すための信号読出しゲート（トランスファゲート）が形成されている。

信号読出しゲートは、電極を介して供給されるフィールドシフトパルスにより、信号電荷を受光素子から垂直転送路に転送する。垂直転送路は、読み出した信号電荷を列方向、すなわち垂直方向30に順次転送する。垂直転送路は、電荷結合素子（CCD）で構成されている。垂直転送により、信号電荷のラインシフトが行われ、最終的に行方向の転送素子、すなわち水平転送路28に供給される。水平転送路28は、駆動信号に応動してこの信号電荷を、AFE 10Fを介して前述したように信号処理系10Bに出力する。

また、AE調整部は、被写体を含む被写界の測光値の算出が行われるシステム制御部12内に設けられる露光制御部（図示せず）からの制御により絞り機構の絞り位置を変位させ、入射する光束量を調整する。測光は、撮像信号の一部を用いている。撮像信号は、AFE 10F内のA/D変換部112の出力を一時保存するためのメモリ118から露光制御部に信号線118aを介して送られる。

システム制御部12で測光値に基づいて露光量が算出され、この露光量になるように絞り値とシャッタ速度値を制御する制御信号をAE調整部に供給する。AE調整部は、この制御信号に応じて絞り機構およびシャッタ機構をそれぞれ調整している。この調整により露出を最適にすることができる。

システム制御部12は、測光値に基づいて露光量を算出するとともに、ISO感度を設定する。ISO感度は、被写体が暗いほど、その数値が大きくなる(高感度になる)。ISO感度に応じて、感度設定を通常感度、高感度、超高感度のいずれかに設定する。設定結果は、信号線12aを介して、駆動信号生成部10Cの信号発生部120、AFE 10Fのアナログアンプ109および信号処理系10Bの信号処理部114に送られる。

AFE 10Fのアナログアンプ109は、感度設定に応じて、増幅器の増幅率を変えて出力する。感度が高くなるほど、増幅率を高くする。駆動信号生成部10Cの信号発生部120は、感度設定に応じて、クランプ回路に供給する駆動信号を、後述するように変える。信号処理系10Bの信号処理部114内のオフセット補正回路は、感度設定に応じて、既述のオフセット補正を行う。

AFE 10Fには、CDS部108、アナログアンプ109、クランプ回路106、A/D変換部112が備えられている。CDS部108は、供給される信号に対して相関二重サンプリング（CDS）処理を施して雑音の低減を図り、この信号をアナログアンプ109に出力する。アナログアンプ109は、感度設定に応じて増幅率を選択して、入力された信号を増幅し、増幅された信号をクランプ回路106に出力する。

クランプ回路106は、黒レベルの基準となる信号、たとえば後OB部26の出力信号などを、感度設定に応じて選択するように、信号発生部120からのクランプパルスにより、駆動される。後OB部26の出力信号などを取り込んだ後、クランプ回路に入力される入力信号に対して、後OB部26の出力信号などの電圧に相当する電圧が所定の電圧になるように、入力信号の電圧を設定してA/D変換部112に出力する。

A/D変換部112は、タイミング信号等を発生させる信号発生部120からのクロック信号120aを用いて、クランプ回路106から供給されるアナログ信号をサンプリングし、量子化することによってデジタル信号に変換する。変換したデジタル信号は信号処理部114に供給される。

信号処理系10Bには、信号処理部114およびメモリ116が備えられている。信号処理部114は、得られた信号に、ノイズ低減処理、オフセット補正、白バランス（WB）補正等を行った後、得られた静止画を信号出力系10Dのメモリ116に取り込む。信号処理系10Bの構成を図５に示す。

信号処理系10Bに入力された信号は、ノイズ低減処理回路34に最初送られる。ノイズ低減処理回路34は、たとえば、線形フィルタまたは非線形フィルタを用いて、ノイズを低減する。線形フィルタとしては、たとえばローパスフィルタがある。また非線形フィルタとしては、たとえばメディアンフィルタがある。ノイズ低減処理がされた後、信号はオフセット補正回路36に送られる。

オフセット補正回路36は、システム制御回路12からの感度設定情報を、信号線12aを介して受けて、感度に応じて、オフセット補正の方法を変更する。通常感度設定時は、オフセット補正量は、とくに調整はしないで、デフォルトのオフセット補正量を使用して、オフセット補正を行う。高感度設定時は、後OB部26のクランプによって得られた信号を、有効画素部20の出力信号から減算する。超高感度設定時は、後OB部26のクランプによって得られた信号を、有効画素部20の出力信号から減算する。オフセット補正が行われた後、信号は、白バランス補正回路36、リニアマトリクス回路38、ガンマ補正回路40、輪郭補正回路42に順次送られる。

白バランス補正回路36は、入力された信号の白バランスを補正する。リニアマトリクス回路38は、RGB信号の波長特性を理想形に近づける処理を行う。ガンマ補正回路40はガンマ補正を行う。輪郭補正回路42は画像の輪郭を強調する処理を行う。その後、信号処理部114は、信号をメモリ116に出力する。

図１に戻って、駆動信号生成部10Cには、信号発生部120およびドライバ部122が含まれる。信号発生部120は、たとえば、原発振のクロックを基に同期信号を生成して信号処理部114に供給する。信号発生部120は、クランプ回路106、CDS部108、A/D変換部112にもクランプ信号、サンプリング信号、書込み／読出し信号を供給する。

信号発生部120は、原発振のクロックから同期信号を生成し、さらにこれらの信号を用いて各種のタイミング信号を生成している。生成されるタイミング信号には、撮像素子104で得られた信号電荷の読出しに用いるタイミング信号、たとえば、垂直転送路の駆動タイミングを供給する垂直タイミング信号、水平転送路の駆動タイミングを供給する水平タイミング信号、フィールドシフトやラインシフトを行わせるタイミング信号等がある。また、このように各種の信号を前述した各部に出力するとともに、信号発生部120は、垂直タイミング信号と水平タイミング信号とをドライバ部122に供給する。ドライバ部122は、供給されるタイミング信号にしたがって駆動信号を生成する。

信号発生部120が生成するクランプ信号について、図６により説明する。図6(a)〜6(c)は、信号発生部120が生成してクランプ回路106に供給するクランプ信号を示し、図6(d)は、クランプ回路106によってクランプされる撮像素子104の出力信号を示す。図6(a)、図6(b)、図6(c)は、それぞれ、通常感度設定時、高感度設定時、超高感度設定時のクランプパルスである。通常感度設定時は、後OB部26の出力信号がクランプ回路106に供給されたときに、その信号を基準とするために、クランプパルスは「ハイ」となる。高感度設定時は、前OB部24の出力信号がクランプ回路106に供給されたときに、超高感度設定時は、ダミー領域22の出力信号がクランプ回路106に供給されたときに、クランプパルスは「ハイ」となる。

図１に戻って、カメラ操作部10Eには、図示しないレリーズシャッタおよびキースイッチが備えられている。レリーズシャッタは、本実施例において、２段押し機能を備えている。すなわち、第１段の半押し状態では、測光制御モードを指定して、システム制御部12にこのモード設定がなされていることを信号として供給し、第２段の全押し状態では、画像の取込みタイミングをシステム制御部12に提供する。

またキースイッチは、十字キーであり、図示しない表示部の画面に表示される画面内のカーソルを上下左右に移動させて項目・画像の選択等を行うことができる。この選択した情報もシステム制御部12に送られる。キースイッチにより、感度設定をユーザが行ない、システム制御部12に供給することができるようにしてもよい。

デジタルスチルカメラ10において、現在、いずれの感度が設定されているかはシステム制御部12からの制御信号12aにより制御される。システム制御部12は、カメラ全体の動作を制御するコントローラである。システム制御部12には、中央演算装置（CPU）が含まれている。システム制御部12は、レリーズシャッタからの入力信号によりどのモードが選択されたかの判断を行う。また、システム制御部12は、上述したようにキースイッチからの選択情報により、画像信号に対する処理等の制御を行う。このように供給された情報に基づいてシステム制御部12は、この判断結果を基に駆動信号生成部10Cの動作を制御する。

このように構成したデジタルスチルカメラ10の動作について説明する。デジタルスチルカメラ10は、通常、全画素読出しを行える撮像素子104を有するカメラであり、静止画撮影の指定がレリーズシャッタから供給された場合、受光素子の各々では、受光した光を光電変換することによって信号電荷が蓄積される。

蓄積された信号電荷を各受光素子から読み出す場合、信号発生部120では垂直同期信号が生成される。また、信号発生部120では、垂直同期信号に同期させて垂直転送路の転送素子に供給する垂直駆動信号および信号読出しゲートに供給する垂直タイミング信号が生成される。垂直タイミング信号は、転送素子を介して信号読出しゲートに供給される。垂直タイミング信号は、垂直同期信号に同期して信号電荷を読み出すように生成されている。

垂直駆動信号が供給され、この供給により、垂直転送路にシフトされた信号電荷が水平転送路28に向かって転送されていく。垂直転送された信号電荷にラインシフトを施して、水平転送路28に転送した後、水平転送路28を順次転送させて、撮像素子104から全画素の信号電荷を所定の時間内に一度に読み出している。

ところで、一般的なデジタルスチルカメラ10の撮影手順を検討してみる。まず、最初にデジタルスチルカメラ10では、撮影を行う前に被写界に対して測光を行う。被写界の撮像の際にレリーズシャッタを半押し状態にして測光制御モードにする。測光に伴って撮像系10Aで得られた画像信号は、測光情報としてシステム制御部12に供給される。システム制御部12は、この測光情報を用いて、感度設定を行う。

この後、ユーザは所望の撮影タイミングでレリーズシャッタを全押し状態にする。撮像系10Aで被写界からの入射光の撮像が行われる。このとき、システム制御部12は、図３に示すように、設定済みの感度が、通常感度設定、高感度設定、超高感度設定のいずれであるかを判断する(ステップS10)。通常感度設定時には、信号発生部120に通常感度設定であることを指示する。信号発生部120は、図6(a)のクランプパルスを生成し、クランプ回路106に後OB部26の出力信号が入力されたときにクランプパルスを印加する(ステップS12)。クランプ回路106は、後OB部26の出力信号に相当する電圧が所定の黒レベルになるように、有効画素部20の出力信号をクランプする(ステップS14)。オフセット補正回路36は、オフセット補正量は、とくに調整はしないで、デフォルトのオフセット補正量を使用して、オフセット補正を行う。

高感度設定時には、システム制御部12は、信号発生部120に高感度設定であることを指示する。信号発生部120は、図6(b)のクランプパルスを生成し、クランプ回路106に前OB部24の出力信号が入力されたときにクランプパルスを印加する(ステップS16)。クランプ回路106は、前OB部24の出力信号に相当する電圧が所定の黒レベルになるように、有効画素部20の出力信号をクランプする(ステップS18)。さらに、オフセット補正量を得るために、前OB部24の出力信号に相当する電圧が所定の黒レベルになるように、後OB部26の出力信号をクランプする(ステップS20)。オフセット補正回路36は、後OB部26のクランプによって、得られた信号を、有効画素部20の出力信号から減算する(ステップS22)。

超高感度設定時には、システム制御部12は、信号発生部120に超高感度設定であることを指示する。信号発生部120は、図6(c)のクランプパルスを生成し、クランプ回路にダミー領域22の出力信号が入力されたときにクランプパルスを印加する(ステップS24)。クランプ回路106は、ダミー領域22の出力信号に相当する電圧が所定の黒レベルになるように、有効画素部20の出力信号をクランプする(ステップS26)。さらに、オフセット補正量を得るために、ダミー領域22の出力信号に相当する電圧が所定の黒レベルになるように、後OB部26の出力信号をクランプする(ステップS28)。オフセット補正回路36は、後OB部26のクランプによって、得られた信号を、有効画素部20の出力信号から減算する(ステップS30)。これにより、オフセット補正の時点で黒浮きを軽減できる。以上のように、本実施例によってノイズおよび画像信号の張り付きが軽減され、低輝度部の色回りおよび黒浮きが抑えられる。

本発明に係る固体撮像装置をデジタルスチルカメラに適用した際の概略的な構成を示すブロック図である。 撮像素子における有効画素、ダミー領域、前OB部などの配置を示す模式図である。 本発明のオフセット補正方法を示すフローチャートである。 有効画素、ダミー領域、前OB部、後OB部の信号量を示すグラフである。 本発明に係る信号処理部の構成を示すブロック図である。 本発明に係るクランプパルスを示すタイミングチャートである。 高感度撮影時におけるノイズの状態を示すグラフである。

符号の説明

10 デジタルスチルカメラ
12 システム制御部
10A 撮像系
10B 信号処理系
10C 駆動信号生成部
10E カメラ操作部
10F AFE
20 有効画素部
22 ダミー領域
24 前OB部
26 後OB部
28 水平転送路
34 ノイズ低減処理回路
36 オフセット補正回路
104 撮像素子
106 クランプ回路
109 アナログアンプ
120 信号発生部
122 ドライバ部

Claims (6)

1. 入射光を光電変換可能な撮像素子を含み、該撮像素子の出力信号から画像信号を生成するとともに、少なくとも２つの光電感度特性を設定することが可能である固体撮像装置において、該装置は、
   前記設定された光電感度に応じて、前記撮像素子の出力信号から参照信号を選択し、該撮像素子の出力信号を、該参照信号に基づいてクランプするクランプ手段と、
   前記参照信号と基準参照信号との差に基づいてオフセット補正量を決定して、前記撮像素子の出力信号を補正する補正手段と、
   該補正された信号に対して信号処理を施して画像信号を生成する信号処理手段とを含むことを特徴とする固体撮像装置。
2. 請求項１に記載の固体撮像装置において、該装置は、前記クランプ手段によりクランプされた信号に対して、該信号に含まれるノイズを低減するノイズ低減手段を含み、
   前記補正手段は、該ノイズ低減が行われた信号に対して前記オフセット補正を行うことを特徴とする固体撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の固体撮像装置において、前記参照信号は、前記撮像素子の有効画素領域に先行する位置にある前オプティカルブラック部が出力する信号であることを特徴とする固体撮像装置。
4. 請求項１または２に記載の固体撮像装置において、前記参照信号は、前記撮像素子の有効画素領域に先行する位置にあるダミー領域が出力する信号であることを特徴とする固体撮像装置。
5. 請求項１から４までのいずれかに記載の固体撮像装置において、
   前記クランプ手段は、前記撮像素子の水平１ラインから出力された出力信号を、該水平１ラインにある参照信号を用いてクランプすることを特徴とする固体撮像装置。
6. 入射光を光電変換可能な撮像素子の出力信号から画像信号を生成するとともに、少なくとも２つの光電感度特性を設定することが可能である撮像方法において、該方法は、
   前記設定された光電感度に応じて、前記撮像素子の出力信号から参照信号を選択し、該撮像素子の出力信号を、該参照信号に基づいてクランプする工程と、
   前記参照信号と基準参照信号との差に基づいてオフセット補正量を決定して、前記撮像素子の出力信号を補正する工程と、
   該補正された信号に対して信号処理を施して画像信号を生成する工程とを含むことを特徴とする撮像方法。