JP2008124886A - スミア低減機能付き撮像装置およびそのスミア低減方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スミア成分を取り出す段数が制限されていてもスミアを抑制しかつ画像を安定させることのできる撮像装置を提供する。
【解決手段】固体撮像装置１０３は、スミア転送期間において、第１の領域１０９のみを駆動することにより、第１の領域１０９に存在しているスミア成分を境界にあるレジスタに加算蓄積し、加算蓄積したスミア成分を第２の領域１１０を経由して出力する。さらに、固体撮像装置１０３は、信号出力期間において、第１の領域１０９および第２の領域１１０を経由した画像信号を画像速度で出力する。スミア低減回路１０３は、固体撮像装置１００からスミア転送期間に出力されたスミア成分と信号出力期間に出力された画像信号とに基づいて、スミアの低減された画像信号を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像装置およびそのスミア低減方法に関する。

図５は、電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像装置によって、車のヘッドライトのような高輝度被写体を撮影した画像の一例を示す図である。図５を参照すると、高輝度被写体１０１の上下方向（垂直方向）に白帯状の画像妨害（スミア）１０２が発生し、画質を著しく劣化させている。

スミアの発生原因は垂直ＣＣＤレジスタへの不用な入射光の漏れ込みである。しかし、近年では、ＣＣＤ製造プロセスにおいて遮光膜のステップカバレージを良くしたり、入射光のシリコン表面での多重反射を防止するためにゲート酸化膜を薄くしたり、あるいはシリコン深部で発生する電子−正孔対を除去するためにｐウェル構造を採用したりなどにより、一般的な用途では問題とならない水準まで画像が改善されている。

また、ＣＣＤのデバイス構造をフレーム転送方式からインタライン転送方式へ変更したり、さらにフレームインタライン転送方式へ変更したりすることによってもスミアは低減される。

しかし、昼間と夜間を通しての屋外監視に用いられる高感度カメラでは、シーンによっては更なる改善が要求されることがある。

これに対して、上述したようなＣＣＤデバイス自身を改善する方法の他に、ＣＣＤ駆動方法や信号処理方式を工夫するという電気的な方法でスミアを低減することも可能である。

特許文献１にはスミアを改善する電気的方法の一例が開示されている。図６は、特許文献１に開示された電気的方法でスミアを低減する例を説明するための図である。図６には固体撮像装置１０３とスミア低減回路１００が示されている。固体撮像装置１０３は、撮像領域１０９、蓄積領域１１０、水平ＣＣＤレジスタ１１１、および出力アンプ１１２を有している。スミア低減回路１００は、信号切替器１０４、加算器１０５、ラインメモリ１０６、減衰器１０７、および差動増幅器１０８を有している。

固体撮像装置１０３は、ＣＣＤを用いた固体撮像装置であり、撮像した画像の信号を出力アンプ１１２からスミア低減回路１００へ出力する。

信号切替器１０４は、入力端が固体撮像装置１０３の出力アンプ１１２の出力端に接続されており、入力した信号を２つの出力端のうちのいずれか一方から出力する。

加算器１０５は、一方の入力端が信号切替器１０４の一方の出力端に接続され、他方の入力端がラインメモリ１０６の出力に接続されている。そして、加算器１０５はそれら２つの入力端に入力された信号を加算合成して出力する。

ラインメモリ１０６は、入力端が加算合成器１０５の出力端に接続されており、入力した信号を一水平走査期間（以下“１Ｈ”と称する）に亘って加算しながら蓄積し、加算蓄積により得られた信号を加算器１０５および減衰器１０７に出力する。

減衰器１０７は、入力端がラインメモリ１０６の出力端に接続されており、入力した信号を所定の比率で減衰し、差動増幅器１０８に出力する。

差動増幅器１０８は、正入力端が信号切替器１０４の他方の出力端に接続され、負入力端が減衰器１０７の出力端に接続されている。そして、差動増幅器１０８は、信号切替器１０４からの信号から、減衰器１０７からの信号を減算し、得られた信号を映像出力として出力する。

ここでは説明の便宜上、固体撮像装置１０３の撮像領域１０９の総画素数は３５万画素（７００画素（水平）×５００画素（垂直））であるものとする。また、蓄積領域１１０の垂直転送段数が５００段であるものとする。また固体撮像装置１０３はフレームインタライン転送方式を採用しており、転送部が水平ＣＣＤレジスタ１１１および出力アンプ１１２で構成されているものとする。さらに、撮像領域１０９の下端には４ライン分の遮光されたオプティカルブラック（ＯＢ）領域１１３が設けられているものとする。撮像領域１０９は、互いに異なる３相駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）で順次走査される。また蓄積領域１１０は、互いに異なる３相駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）で順次走査される。

撮像領域１０９を走査する３相駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と、蓄積領域１１０を走査する３相駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）とをそれぞれ適切に制御することにより所望のタイミングで出力アンプ１１２から映像信号が出力される。

図７は、特許文献１に開示された方法における撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）および蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の垂直ブランキング期間での様子を示す図である。図８は、特許文献１に開示された方法による、信号電荷およびスミア成分が撮像領域および蓄積領域を転送される様子と、その転送によって出力される画面の構成とを示す図である。

図７を参照すると、有効な映像を出力する有効映像期間の前に、垂直同期をとるための信号を出力する垂直ブランキング期間１１４がある。駆動パルスによる走査で見ると、垂直ブランキング期間１１４に相当する期間内に、不要電荷吐き出し期間１１５、信号読出しパルス１１６、および信号高速転送期間１１７があり、信号出力期間１２０が始まる。

まず不要電荷掃き出し期間１１５では、撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を５００回以上高速で駆動することにより、撮像領域１０９に残留している不要電荷を蓄積領域１１０経由で水平ＣＣＤレジスタ１１１に掃き出す。

高速駆動の周波数は速ければ速いほど良いが、ＣＣＤ転送電極に数千ｐＦ程度の少なからぬ容量が存在すること、および駆動パルスドライバの駆動能力にも限界があることから、１〜３ＭＨｚ程度に選ぶのが一般的である。ここではＮＴＳＣ方式のカラーサブキャリア周波数（３．５７９５４５ＭＨｚ）の３／７倍である１．５３ＭＨｚで高速駆動する場合を想定して説明することにする。

次に、図７に示すように時刻ｔ₁₀₁に信号読出しパルス１１６を印加することにより、撮像領域１０９の前段にあるフォトダイオード（図示せず）で光電変換された信号電荷を撮像領域１０９中の垂直ＣＣＤレジスタ（図示せず）へ読み出す。

それに続く信号高速転送期間１１７で、撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を正確に５００回、１．５３ＭＨｚで高速駆動することにより、撮像領域１０９の信号電荷を蓄積領域１１０へ高速転送する。この信号高速転送期間１１７での信号電荷の転送の様子が図８（ａ）に模式的に示されている。

撮像領域１０９のオプティカルブラック（ＯＢ）領域１１３の信号は遮光された状態での信号である。それ故、オプティカルブラック領域１１３から得られる出力１１８には通常の映像信号１１９が含まれていない。そして、不用な入射光の漏れ込みによるスミア成分だけがオプティカルブラック領域１１３に含まれている。

続く信号出力期間１２０では、蓄積領域１１０にあるスミア成分１１８および映像信号１１９を水平走査周期（１Ｈ）毎に垂直方向に転送し、水平ＣＣＤレジスタ１１１と出力アンプ１１２を経由して時系列の映像信号として固体撮像装置１０３の外部へ出力する。この映像信号がスミア低減回路１００の入力となる。この通常転送期間（信号出力期間）１２０での信号電荷の転送の様子が図８（ｂ）に示されている。

先に出力されたラインが画面の上に来るので、固体撮像装置１０３の上述した動作により、フレーム毎に、図８（ｃ）に示す構成の画像が出力される。図８（ｃ）によれば、まず４ライン分のスミア成分１１８があり、次いで４９６ライン分の映像信号１１９がある。

図８（ｃ）に示した構成の画像の信号を受信すると、スミア低減回路１００は４ライン分のスミア成分１１８の期間には信号切替器１０４を加算器１０５側（図６では上側）に切り替える。そしてスミア低減回路１００は加算器１０５およびラインメモリ１０６を使って１Ｈ単位でスミア成分１１８を加算蓄積する。この加算蓄積は、平均化によってスミア成分１１８中に含まれるランダムノイズ成分を抑制するためである。

次に、スミア低減回路１００は４９６ライン分の映像信号１１９の期間には信号切替器１０４を差動増幅器１０８側（図６では下側）に切り替える。これにより映像信号１１９が差動増幅器１０８の正入力端に供給される。また、このときラインメモリ１０６は、スミア成分１１８を加算蓄積した信号を継続的に出力する。その出力は減衰器１０７で１ライン分のスミア成分に換算され、差動増幅器１０８の負入力端に入力される。ここでは４ライン分のスミア成分が加算蓄積されているので減衰器１０７は信号を１／４に減衰させればよい。

差動増幅器１０８は、信号切替器１０４からの映像信号１１９から、減衰器１０７からのスミア成分を減算し、得られた映像信号を出力する。以上説明したように特許文献１に開示された方法により映像信号のスミア成分を低減することができる。

また、特許文献２にはスミアを改善する電気的方法の他の例が開示されている。この方法も図６に示した固体撮像装置１０３とスミア低減回路１００からなる構成に適用できるので、図６を説明に用いる。図９は、特許文献２に開示された方法における撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）および蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の垂直ブランキング期間での様子を示す図である。図１０は、特許文献２に開示された方法による、信号電荷およびスミア成分が撮像領域および蓄積領域を転送される様子と、その転送によって出力される画面の構成とを示す図である。

図９を参照すると、図７と同様に、有効映像期間の前に垂直ブランキング期間１２１がある。駆動パルスによる走査で見ると、垂直ブランキング期間１２１に相当する期間内に、不要電荷吐き出し期間１２２、信号読出しパルス１２３、信号高速転送期間１２４、およびスミア転送期間１２７があり、信号出力期間１３３が始まる。

まず不要電荷掃き出し期間１２２では、撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を１．５３ＭＨｚで５００回以上高速駆動することにより、撮像領域１０９に残留している不要電荷を蓄積領域１１０経由で水平ＣＣＤレジスタ１１１に掃き出す。

次に、図９に示すように時刻ｔ₁₀₂に信号読出しパルス１２３を印加することにより、撮像領域１０９の前段にあるフォトダイオード（図示せず）で光電変換された信号電荷を撮像領域１０９中の垂直ＣＣＤレジスタ（図示せず）へ読み出す。

それに続く信号高速転送期間１２４で、撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を正確に５００回、１．５３ＭＨｚで高速駆動することにより、撮像領域１０９に読み出された信号電荷を蓄積領域１１０へ高速転送する。この信号高速転送期間１２４での信号電荷の転送の様子が図１０（ａ）に模式的に示されている。

撮像領域１０９のオプティカルブラック（ＯＢ）領域１１３の信号は遮光された状態での信号であるため、通常の映像信号１２６を含まずスミア成分を含んでいる。しかし特許文献１と異なり、特許文献２ではこの信号をスミアの改善に用いない。

図９に示したように特許文献２の方法は、信号高速転送期間１２４に続いてスミア転送期間１２７を設けているのが特徴である。このスミア転送期間１２７には、図９の拡大図に示したように時刻ｔ₁₀₃から時刻ｔ₁₀₄に掛けて撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を信号高速転送期間１２４と同じ周波数の１．５３ＭＨｚで所定の回数だけ空転送している。空転送は遮光された状態の電荷を転送するものなので、空転送によって得られる信号にはスミア成分のみが含まれる。同図の例では空転送は４回行われている。このスミア転送期間１２７での信号電荷の空転送の様子が図１０（ｂ）に示されている。この空転送により得られる信号１３２は通常の映像信号を含まず、スミア成分だけを含んでいる。

図９内の拡大図において、時刻ｔ₁₀₃から時刻ｔ₁₀₄の間に転送される信号にはスミア成分のみが含まれている。拡大図の例では、丸型の記号で示されたスミア成分１２８、三角形の記号で示されたスミア成分１２９、四角形の記号で示されたスミア成分１３０、および逆三角形の記号で示されたスミア成分１３１が転送されている。

続く信号出力期間１３３では、蓄積領域１１０にある映像信号１２６およびスミア成分１３２を水平走査周期（１Ｈ）毎に垂直方向に転送し、水平ＣＣＤレジスタ１１１と出力アンプ１１２を経由して時系列の映像信号として固体撮像装置１０３の外部に出力する。この映像信号がスミア低減回路１００の入力となる。この通常転送期間（信号出力期間）１３３での信号電荷の転送の様子が図１０（ｃ）に示されている。

上述したような動作により固体撮像装置１０３は、フレーム毎に、図１０（ｄ）に示す構成の画像を出力する。図１０（ｄ）によれば、まず４９６ライン分の映像信号１２６があり、それに続いて４ライン分のスミア成分１３２がある。

図１０（ｄ）に示した構成の画像フレームの信号を連続的に受信すると、スミア低減回路１００は、前のフレームの最後の４ライン分のスミア成分１３２の期間には信号切替器１０４を加算器１０５側（図６では上側）に切り替える。そしてスミア低減回路１００は加算器１０５およびラインメモリ１０６を使って１Ｈ単位でスミア成分１３２を加算蓄積する。この加算蓄積は、平均化によってスミア成分１３２中に含まれるランダムノイズ成分を抑制するためである。

次に、スミア低減回路１００は、その次のフレームの先頭から４９６ライン分の映像信号１２６の期間には信号切替器１０４を差動増幅器１０８側（図６では下側）に切り替える。これにより映像信号１２６が差動増幅器１０８の正入力端に供給される。また、このときラインメモリ１０６は、スミア成分１３２を加算蓄積した信号を継続的に出力する。その出力は減衰器１０７で１ライン分のスミア成分に換算され、差動増幅器１０８の負入力端に入力される。ここでは４ライン分のスミア成分が加算蓄積されているので減衰器１０７は信号を１／４に減衰させればよい。

差動増幅器１０８は、信号切替器１０４からの映像信号１２６から、減衰器１０７からのスミア成分を減算し、得られた映像信号を出力する。以上説明したように特許文献２に開示された方法により映像信号のスミア成分を低減することができる。
特許第１０９１８３２号公報 特開平２−３０１２７０号公報

しかしながら、特許文献１、２に開示された方法においてスミア成分を取り出すためのラインの数に限度がある。一例として、図６に示した固体撮像装置１０３を、ＮＴＳＣ方式に準じて５９．９４フレーム／秒で順次走査する場合を考える。垂直ブランキング期間は４０Ｈであり、垂直高速転送周波数はカラーサブキャリア周波数（３．５７９５４５ＭＨｚ）の３／７倍である１．５３ＭＨｚである。また不要電荷掃き出し期間および信号高速転送期間にはそれぞれ１０Ｈが必要である。この場合、現実的にはスミア成分を取り出す期間として４Ｈ、つまりライン数で４ライン程度を確保するのが精一杯であった。

上述したように、特許文献１、２に開示された方法において、スミア成分を複数のラインから取り出して加算蓄積しているのは平均化によってランダムノイズの影響を抑制するのが目的である。しかし、この平均化においてはサンプル数に相当するライン数が少なければランダムノイズが十分に抑制されない可能性がある。

ランダムノイズが十分に抑制されなければ、残留したランダムノイズの影響で、算出されるスミア成分の誤差がフレーム毎に変動する。除去しようとするスミア成分の誤差がフレーム毎に変動すると、スミア成分を除去する処理を行った後の映像が安定せず、あたかも雨が降っているように見えてしまう。特許文献１、２に開示された方法にはこのような大きな欠点があった。

本発明の目的は、スミア成分を取り出す段数が制限されていてもスミアを抑制しかつ画像を安定させることのできる固体撮像装置およびそのスミア低減方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のスミア低減機能付き撮像装置は、
電荷結合素子を用いて画像信号を生成し、そのときに前記電荷結合素子で発生するスミアを低減するスミア低減機能付き撮像装置であって、
画像を光電変換することで発生した電荷を格納し転送する電荷結合素子による複数段のレジスタで構成された領域内に、所定の境界を挟んで前段にある第１の領域と後段にある第２の領域とを有し、スミア転送期間において、前記第１の領域のみを駆動することにより、前記第１の領域に存在しているスミア成分を前記境界にあるレジスタに加算蓄積し、該加算蓄積したスミア成分を前記第２の領域を経由して出力し、信号出力期間において、前記第１の領域および前記第２の領域を経由した画像信号を前記画像速度で出力する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置から前記スミア転送期間に出力された前記スミア成分と前記信号出力期間に出力された前記画像信号とに基づいて、スミアの低減された画像信号を生成するスミア低減回路とを有している。

本発明によれば、固体撮像装置は、第１の領域のみを駆動することにより、第１の領域に存在しているスミア成分を加算蓄積する。スミア低減回路は、固体撮像装置で加算蓄積されたスミア成分を用いて画像信号のスミアを低減する。したがって、スミア成分を取り出す段数が制限されていても、複数段の分の加算蓄積によりランダムノイズの影響を十分に低減することができるので、スミアを抑制しかつ画像を安定させることができる。

また、前記固体撮像装置が、スミア転送期間において前記第１の領域のみを駆動するとき、画像信号を出力するとこより速いスミア転送速度で前記第１の領域を駆動することにしてもよい。

また、前記第１の領域は光電変換で得られた電荷を格納する撮像領域であり、前記第２の領域は前記撮像領域から転送された電荷を格納する蓄積領域であり、
前記スミア転送速度は、前記固体撮像装置が前記撮像領域に格納された画像信号の電荷を前記蓄積領域に転送するときと同じ速度であるとしてもよい。

また、前記スミア低減回路は、前記固体撮像装置からの加算蓄積されたスミア成分を更に加算蓄積した後に所定の減衰比で減衰し、得られたスミア成分の値を、前記固体撮像装置からの前記画像信号から減算することにしてもよい。

また、前記固体撮像装置がＮ回分の加算蓄積を行い、前記スミア低減回路がＭ回分の加算蓄積を行った後に１／（Ｎ×Ｍ）に減衰することでスミア成分の平均値を求め、該平均値を前記固体撮像装置からの画像信号から減算することにしてもよい。

これによれば、スミア成分の低減においてＮ×Ｍ段分を平均化した１段分のスミア成分を算出することができ、スミア成分を高精度で低減することができる。

本発明によれば、画像信号のスミアを抑制しかつ画像を安定させることができる。

本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態によるスミア低減機能付き撮像装置の構成を示す概略構成図である。図１を参照すると、本実施形態のスミア低減機能付き撮像装置は固体撮像装置１０３とスミア低減回路１００を有している。固体撮像装置１０３は、撮像領域１０９、蓄積領域１１０、水平ＣＣＤレジスタ１１１、および出力アンプ１１２を有している。スミア低減回路１００は、信号切替器１０４、加算器１０５、ラインメモリ１０６、減衰器１０７、および差動増幅器１０８を有している。

本実施形態のスミア低減機能付き撮像装置は、図５に示したものと同じ構成を有しているが、駆動方法が異なる。

固体撮像装置１０３は、ＣＣＤを用いた固体撮像装置であり、本実施形態の駆動方法により駆動されることで画像を撮像し、撮像した画像の信号を出力アンプ１１２からスミア低減回路１００へ出力する。本実施形態の駆動方法では垂直ブランキング期間内にスミア転送期間が設けられている。スミア転送期間では、まず蓄積領域１１０を駆動せずに撮像領域１０９のみを複数回高速で駆動することでスミア成分を加算蓄積した後に、加算蓄積されたスミア成分を蓄積領域１１０の複数のスミア成分用ラインに転送する。そして、信号出力期間に、このスミア成分を通常の映像信号に隣接してスミア低減回路１００へ出力する。この加算蓄積は、平均化によってスミア成分中に含まれるランダムノイズ成分を抑制するためである。

この固体撮像装置１０３の撮像領域１０９は、光電変換を行う複数のフォトダイオード（不図示）が所定の行数および列数で配置され、それらフォトダイオードに対応して複数の垂直ＣＣＤレジスタ（不図示）を設けた構成である。撮像領域１０９はフォトダイオードによる光電変換で得られた電荷を垂直ＣＣＤレジスタに蓄える。また、撮像領域１０９は、駆動により、蓄積していた電荷を蓄積領域１１０に転送する。

蓄積領域１１０は、撮像領域１０９の垂直ＣＣＤレジスタの各列に対応して設けられた複数の垂直ＣＣＤレジスタ（不図示）からなる。蓄積領域１１０は、撮像領域１０９から転送されてきた電荷を垂直ＣＣＤレジスタに蓄える。また、蓄積領域１１０は、駆動により、蓄積していた電荷を水平ＣＣＤレジスタ１１１に転送する。

蓄積領域１１０の垂直ＣＣＤレジスタの各列に水平ＣＣＤレジスタ１１１が接続されている。水平ＣＣＤレジスタ１１１の出力端に、水平ＣＣＤレジスタ１１１からの電荷を電圧に変換する出力アンプ１１２が接続されている。蓄積領域１１０から水平ＣＣＤレジスタ１１１に転送された電荷は、水平ＣＣＤレジスタ１１１から出力アンプ１１２に送られ、出力アンプ１１２で電圧信号に変換される。この電圧信号が固体撮像装置１０３の出力となる。

スミア低減回路１００は、固体撮像装置１０３から出力された信号に基づき、その信号に含まれている映像信号のスミア成分を低減して出力する。その際、スミア低減回路１００は、複数のスミア成分用ラインのスミア成分を加算蓄積した後に１ライン分のスミア成分に換算し、映像信号の各ラインの信号から１ライン分のスミア成分を減算する。

このスミア低減回路１００の信号切替器１０４は、入力端が固体撮像装置１０３の出力アンプ１１２の出力端に接続されており、入力した信号を２つの出力端のうちのいずれか一方から出力する。

加算器１０５は、一方の入力端が信号切替器１０４の一方の出力端に接続され、他方の入力端がラインメモリ１０６の出力に接続されている。そして、加算器１０５はそれら２つの入力端に入力された信号を加算合成して出力する。

ラインメモリ１０６は、入力端が加算合成器１０５の出力端に接続されており、入力した信号を一水平走査期間（以下“１Ｈ”と称する）に亘って加算しながら蓄積し、加算蓄積により得られた信号を加算器１０５および減衰器１０７に出力する。

減衰器１０７は、入力端がラインメモリ１０６の出力端に接続されており、入力した信号を所定の比率で減衰し、差動増幅器１０８に出力する。

差動増幅器１０８は、正入力端が信号切替器１０４の他方の出力端に接続され、負入力端が減衰器１０７の出力端に接続されている。そして、差動増幅器１０８は、信号切替器１０４からの信号から、減衰器１０７からの信号を減算し、得られた信号を映像出力として出力する。

次に、本実施形態の駆動方法について詳細に説明する。ここでは説明の便宜上、固体撮像装置１０３の撮像領域１０９の総画素数は３５万画素（７００画素（水平）×５００画素（垂直））であるものとする。また、蓄積領域１１０の垂直転送段数が５００段であるものとする。また固体撮像装置１０３はフレームインタライン転送方式を採用しており、転送部が水平ＣＣＤレジスタ１１１および出力アンプ１１２で構成されているものとする。さらに、撮像領域１０９の下端には４ライン分の遮光されたオプティカルブラック（ＯＢ）領域１１３が設けられているものとする。撮像領域１０９は、互いに異なる３相駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）で順次走査される。また蓄積領域１１０は、互いに異なる３相駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）で順次走査される。

撮像領域１０９を走査する３相駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と、蓄積領域１１０を走査する３相駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）とをそれぞれ適切に制御することにより所望のタイミングで出力アンプ１１２から映像信号が出力される。

図２は、本実施形態における撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）および蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の垂直ブランキング期間での様子を示す図である。図３は、本実施形態によるスミア成分の加算蓄積の様子を説明するための図である。図３（ａ）には、撮像領域１０９と蓄積領域１１０の境界付近における垂直ＣＣＤレジスタの垂直方向断面図が電極構造と共に示されている。また、図３（ｂ）には、各転送電極下での信号電荷の転送の様子が模式的に示されている。図４は、本実施形態の駆動方法による、信号電荷およびスミア成分が撮像領域および蓄積領域を転送される様子と、その転送によって出力される画面の構成とを示す図である。

図２を参照すると、有効映像期間の前に垂直ブランキング期間１がある。駆動パルスによる走査で見ると、垂直ブランキング期間１に相当する期間内に、不要電荷吐き出し期間２、信号読出しパルス３、信号高速転送期間４、およびスミア転送期間７があり、信号出力期間１５が始まる。

まず不要電荷掃き出し期間２では、撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を５００回以上高速駆動することにより、撮像領域１０９に残留している不要電荷を蓄積領域１１０経由で水平ＣＣＤレジスタ１１１に掃き出す。

高速駆動の周波数は速ければ速いほど良いが、ＣＣＤ転送電極に数千ｐＦ程度の少なからぬ容量が存在すること、および駆動パルスドライバの駆動能力にも限界があることから、１〜３ＭＨｚ程度に選ぶのが一般的である。ここではＮＴＳＣ方式のカラーサブキャリア周波数（３．５７９５４５ＭＨｚ）の３／７倍である１．５３ＭＨｚで高速駆動する場合を想定して説明することにする。

次に、図２に示すように時刻ｔ₁₀に信号読出しパルス３を印加することにより、撮像領域１０９の前段にあるフォトダイオード（図示せず）で光電変換された信号電荷を撮像領域１０９中の垂直ＣＣＤレジスタ（図示せず）へ読み出す。

それに続く信号高速転送期間４で、撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の両方を正確に５００回、１．５３ＭＨｚで高速駆動することにより、撮像領域１０９の信号電荷を蓄積領域１１０へ高速転送する。この信号高速転送期間４での信号電荷の転送の様子が図４（ａ）に模式的に示されている。

撮像領域１０９のオプティカルブラック（ＯＢ）領域１１３の信号は遮光された状態での信号である。それ故、オプティカルブラック領域１１３から得られる出力５には通常の映像信号が含まれておらず、スミア成分のみが含まれている。しかし、本実施形態ではこのＯＢ領域１１３の信号をスミアの改善に用いない。

本実施形態による駆動方法では、信号高速転送期間４に続いてスミア転送期間７を設けている。このスミア転送期間７には、図２の拡大図に示したように、まず撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）だけを信号高速転送期間４と同じ周波数１．５３ＭＨｚで所定の回数Ｎだけ空転送する。図２の例ではＮ＝４である。空転送は遮光された状態による電荷を転送するものなので、空転送によって得られる信号にはスミア成分のみが含まれる。

図２の拡大図および図３（ｂ）を参照すると、スミア転送期間７に撮像領域１０９を転送される信号にはスミア成分のみが含まれている。図の例では、丸型の記号で示されたスミア成分８、三角形の記号で示されたスミア成分９、四角形の記号で示されたスミア成分１０、および逆三角形の記号で示されたスミア成分１１が転送されている。

撮像領域１０９だけを駆動しているとき、図３（ｂ）に示す如く蓄積領域１１０の最初の転送電極１２をオン状態にしておく。これにより、その転送電極下にはスミア成分８、９、１０および１１がそれぞれ時刻ｔ₁₂、ｔ₁₅、ｔ₁₈およびｔ₂₁のタイミングで加算され、その結果であるスミア成分１３が蓄積される。図２の拡大図では、スミア成分８、９、１０、１１を加算蓄積したスミア成分１３は星型の記号で示されている。

スミア転送期間７では、次の時刻ｔ₂₂から時刻ｔ₂₄に掛けて撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）と蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）とを同時に駆動することにより、転送電極１２下に加算蓄積されたスミア成分１３を垂直方向へ１段分転送する。スミア転送期間７ではそれ以後も同様に駆動することにより、スミア成分の加算蓄積と垂直方向への転送とを所定の回数Ｍだけ繰り返す。ここではＭ＝４とする。

図４（ｂ）にはスミア転送期間７が終了した後の固体撮像装置１０３の様子が模式的に示されている。この空転送により得られるスミア成分１４は通常の映像信号を含まず、加算蓄積されたスミア成分だけを含んでいる。蓄積領域１１０には、まず４９６ライン分の映像信号６があり、それに続いて４ライン分のスミア成分を１ラインに加算蓄積したスミア成分１４が４ライン分（つまり４×４）ある。

続く信号出力期間１５では、蓄積領域１１０にある映像信号６とスミア成分１４とを水平走査周期（１Ｈ）毎に垂直方向に転送し、水平ＣＣＤレジスタ１１１と出力アンプ１１２を経由して時系列の映像信号として固体撮像装置１０３の外部に出力する。この映像信号がスミア低減回路１００の入力となる。この通常転送期間（信号出力期間）１５での信号電荷の転送の様子が図４（ｃ）に模式的に示されている。

上述したような動作により固体撮像装置１０３は、フレーム毎に、図４（ｄ）に示す構成の画像を出力する。図４（ｄ）によれば、まず４９６ライン分の映像信号６があり、それに続いて４ライン分のスミア成分１４がある。図４（ｄ）に示した構成の画像フレームの信号を連続的に受信すると、スミア低減回路１００は、前のフレームの最後の４ライン分のスミア成分１４の期間には信号切替器１０４を加算器１０５側（図１では上側）に切り替える。そしてスミア低減回路１００は加算器１０５およびラインメモリ１０６を使って１Ｈ単位でスミア成分１４を加算蓄積する。この加算蓄積は、平均化によってスミア成分１３２中に含まれるランダムノイズ成分を抑制するためである。

次に、スミア低減回路１００は、その次のフレームの先頭から４９６ライン分の映像信号６の期間には信号切替器１０４を差動増幅器１０８側（図１では下側）に切り替える。これにより映像信号６が差動増幅器１０８の正入力端に供給される。また、このときラインメモリ１０６は、スミア成分１４を加算蓄積した信号を継続的に出力する。その出力は減衰器１０７で１ライン分のスミア成分に換算され、差動増幅器１０８の負入力端に入力される。固体撮像装置１０３でＮライン（ここでは４ライン）分が加算蓄積され、スミア低減回路１００でＭライン（ここでは４ライン）分が加算蓄積されているので、減衰器１７は信号を１／（Ｎ×Ｍ）（ここでは１／１６）に減衰させればよい。

差動増幅器１０８は、信号切替器１０４からの映像信号１２６から、減衰器１０７からのスミア成分を減算し、得られた映像信号を出力する。

以上説明したように本実施形態によれば、固体撮像装置１０３は、蓄積領域１１０を駆動せず撮像領域１０９のみを駆動することにより、撮像領域１０９に存在しているスミア成分を、撮像領域１０９と蓄積領域１１０との境界にあるレジスタに加算蓄積する。スミア低減回路１００は、固体撮像装置１０３で加算蓄積されたスミア成分を用いて画像信号のスミアを低減する。したがって、スミア成分を取り出す段数が制限されていても、固体撮像装置１０３での加算蓄積によってランダムノイズの影響を十分に低減することができるので、スミアを抑制しかつ画像を安定させることができる。

また、固体撮像装置１０３がＮ（ここでは４）ライン分の加算蓄積をした後、スミア低減装置１００が更にＭ（ここでは４）ライン分の加算蓄積をし、加算蓄積の結果を用いて平均化したスミア成分を映像信号から減算するので、スミア成分の低減においてＮ×Ｍ（ここでは４×４＝１６）ライン分を平均化した１ライン分のスミア成分を算出することができ、スミア成分を高精度で低減することができる。

なお、本実施形態の説明では、スミア成分を加算蓄積する回数をＮ＝４として説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
ＮＴＳＣ方式に準じて５９．９４フレーム／秒で順次走査する固体撮像装置１０３を想定すると、水平走査周波数が３１．５ｋＨｚで、垂直高速転送周波数が１．５３ＭＨｚであるから、実際にはＮを５０程度にすることもできる。そうすれば、４ライン分のトータルで２００ライン程度のスミア成分を加算蓄積した平均化が可能であり、そのランダムノイズの影響を低減する効果が大きくなる。

本実施形態によるスミア低減機能付き撮像装置の構成を示す概略構成図である。 本実施形態における撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）および蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の垂直ブランキング期間での様子を示す図である。 本実施形態によるスミア成分の加算蓄積の様子を説明するための図である。 本実施形態の駆動方法による、信号電荷およびスミア成分が撮像領域および蓄積領域を転送される様子と、その転送によって出力される画面の構成とを示す図である。 電荷結合素子（ＣＣＤ）を用いた固体撮像装置によって、車のヘッドライトのような高輝度被写体を撮影した画像の一例を示す図である。 特許文献１に開示された電気的方法でスミアを低減する例を説明するための図である。 特許文献１に開示された方法における撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）および蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の垂直ブランキング期間での様子を示す図である。 特許文献１に開示された方法による、信号電荷およびスミア成分が撮像領域および蓄積領域を転送される様子と、その転送によって出力される画面の構成とを示す図である。 特許文献２に開示された方法における撮像領域駆動パルス（ΦＶＩ１，ΦＶＩ２，ΦＶＩ３）および蓄積領域駆動パルス（ΦＶＳ１，ΦＶＳ２，ΦＶＳ３）の垂直ブランキング期間での様子を示す図である。 特許文献２に開示された方法による、信号電荷およびスミア成分が撮像領域および蓄積領域を転送される様子と、その転送によって出力される画面の構成とを示す図である。

符号の説明

１ 垂直ブランキング期間
２ 不要電荷吐き出し期間
３ 信号読出しパルス
４ 信号高速転送期間
７ スミア転送期間
８〜１１、１３、１４ スミア成分
１５ 信号出力期間
１００ スミア低減回路
１０３ 固体撮像装置
１０４ 信号切替器
１０５ 加算器
１０６ ラインメモリ
１０７ 減衰器
１０８ 差動増幅器
１０９ 撮像領域
１１０ 蓄積領域
１１１ 水平ＣＣＤレジスタ
１１２ 出力アンプ

Claims (10)

1. 電荷結合素子を用いて画像信号を生成し、そのときに前記電荷結合素子で発生するスミアを低減するスミア低減機能付き撮像装置であって、
   画像を光電変換することで発生した電荷を格納し転送する電荷結合素子による複数段のレジスタで構成された領域内に、所定の境界を挟んで前段にある第１の領域と後段にある第２の領域とを有し、スミア転送期間において、前記第１の領域のみを駆動することにより、前記第１の領域に存在しているスミア成分を前記境界にあるレジスタに加算蓄積し、該加算蓄積したスミア成分を前記第２の領域を経由して出力し、信号出力期間において、前記第１の領域および前記第２の領域を経由した画像信号を前記画像速度で出力する固体撮像装置と、
   前記固体撮像装置から前記スミア転送期間に出力された前記スミア成分と前記信号出力期間に出力された前記画像信号とに基づいて、スミアの低減された画像信号を生成するスミア低減回路と、を有するスミア低減機能付き撮像装置。
2. 前記固体撮像装置が、スミア転送期間において前記第１の領域のみを駆動するとき、画像信号を出力するときより速いスミア転送速度で前記第１の領域を駆動する、請求項１に記載のスミア低減機能付き撮像装置。
3. 前記第１の領域は光電変換で得られた電荷を格納する撮像領域であり、前記第２の領域は前記撮像領域から転送された電荷を格納する蓄積領域であり、
   前記スミア転送速度は、前記固体撮像装置が前記撮像領域に格納された画像信号の電荷を前記蓄積領域に転送するときと同じ速度である、請求項２に記載のスミア低減機能付き撮像装置。
4. 前記スミア低減回路は、前記固体撮像装置からの加算蓄積されたスミア成分を更に加算蓄積した後に所定の減衰比で減衰し、得られたスミア成分の値を、前記固体撮像装置からの前記画像信号から減算する、請求項１から３のいずれか１項に記載のスミア低減機能付き撮像装置。
5. 前記固体撮像装置がＮ回分の加算蓄積を行い、前記スミア低減回路がＭ回分の加算蓄積を行った後に１／（Ｎ×Ｍ）に減衰することでスミア成分の平均値を求め、該平均値を前記固体撮像装置からの画像信号から減算する、請求項４に記載のスミア低減機能付き撮像装置。
6. 電荷結合素子を用いて画像信号を生成するときに前記電荷結合素子で発生するスミアを低減するためのスミア低減方法であって、
   画像を光電変換することで発生した電荷を格納し転送する電荷結合素子による複数段のレジスタで構成された領域内に、所定の境界を挟んで前段にある第１の領域と後段にある第２の領域とを備えておき、
   光電変換により画像信号を生成したことにより前記第１の領域に生じたスミア成分を、前記第１の領域のみを駆動することにより前記境界にあるレジスタに加算蓄積し、
   該加算蓄積されたスミア成分を前記第２の領域を経由して出力し、
   前記第２の領域を経由して出力された前記スミア成分と前記画像信号とに基づいて、スミアの低減された画像信号を生成する、スミア低減方法。
7. 前記第１の領域のみを駆動するとき、画像信号を出力するときより速いスミア転送速度で前記第１の領域を駆動する、請求項６に記載のスミア低減方法。
8. 前記第１の領域は光電変換で得られた電荷を格納する撮像領域であり、前記第２の領域は前記撮像領域から転送された電荷を格納する蓄積領域であり、
   前記スミア転送速度は、前記撮像領域に格納された画像信号の電荷を前記蓄積領域に転送するときと同じ速度である、請求項７に記載のスミア低減方法。
9. 前記第２の領域を経由して出力された前記スミア成分と前記画像信号とに基づいて、スミアの低減された画像信号を生成するとき、
   前記スミア成分を更に加算蓄積した後に所定の減衰比で減衰し、得られたスミア成分の値を、前記光電変換による画像信号から減算する、請求項６から８のいずれか１項に記載のスミア低減方法。
10. 前記第１の領域のみを駆動してＮ回分のスミア成分を加算蓄積し、該加算蓄積されたスミア成分を更にＭ回分加算蓄積し、該加算蓄積されたスミア成分を１／（Ｎ×Ｍ）に減衰することでスミア成分の平均値を求め、該平均値を前記光電変換による画像信号から減算する、請求項９に記載のスミア低減方法。

Images