JP2008205549A - クランプ装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランプ動作に起因する横帯ノイズを抑制することが可能な小型で安価な撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像素子１から出力される水平１ライン分の撮像信号に含まれる黒レベル信号を設定レベルにクランプするクランプ装置を有する撮像装置であって、クランプ装置は、黒レベル信号のレベルの設定レベルからの誤差の複数ライン分の平均を算出し、算出した平均を補正データ記憶部１０に記憶するクランプ制御部９と、補正データ記憶部１０に記憶された平均を撮像信号に加算する加算器５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子から出力される水平１ライン分の撮像信号に含まれる黒レベル信号を設定レベルにクランプするクランプ装置に関する。

ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型のイメージセンサ等の撮像素子は、一般に、水平方向に並ぶ多数の光電変換素子からなる光電変換素子ラインを、水平方向に直交する垂直方向に多数並べた構成となっており、各光電変換素子ラインの端部にある複数の光電変換素子は、黒レベル（光電変換素子に光を当てない状態で発生する信号レベル）を検出するために遮光された構成となっている。このような撮像素子を搭載する撮像装置では、撮像素子から出力される水平１ライン分の撮像信号のうち、遮光した光電変換素子から得られた信号である黒レベル信号を所定のレベル（以下、目標レベルという）にクランプし、そのクランプレベルを基準として、その後の信号処理を行っている。

黒レベル信号のクランプ方法としては、各光電変換素子ラインから撮像信号が出力される毎に、その１ライン分の撮像信号に含まれる黒レベル信号のデジタル変換後の信号を目標レベルと比較して、黒レベル信号の目標レベルからの誤差を算出し、この誤差がなくなるような補正量を、デジタル変換前の撮像信号に加算する方法が一般的である。

特許文献１には、各光電変換素子ラインから撮像信号が出力される毎に、その撮像信号の黒レベル信号に基づいてクランプ動作を行う装置が開示されており、ある光電変換素子ラインからの撮像信号に含まれる黒レベル信号が異常な値を示したとき（ＯＢ浮きがあったとき）には、その光電変換素子ラインからの撮像信号については、直前に出力された撮像信号に基づいて算出した補正量を用いてクランプ動作を行うことで、誤補正を防ぐことを可能にしている。

特開２００６−１５７２４２号公報

黒レベル信号にはランダムノイズも含まれるため、各光電変換素子ラインから得られる黒レベル信号のレベルは一定とはならず、ばらつきが生じてしまう。上記一般的なクランプ方法では、各光電変換素子ラインから得られる黒レベル信号毎に補正量を演算してクランプ動作を行っているため、黒レベル信号にばらつきがあると、クランプ処理後の各ラインの撮像信号レベルにもばらつきが生じてしまう。この結果、画像の各ライン間でレベルが異なるものとなってしまい、これが横帯ノイズとして認識されてしまう。

撮像装置には、クランプ処理部の前段に、撮像信号に相関二重サンプリングを施すＣＤＳ回路と、ＣＤＳ回路の出力を可変利得で増幅する可変利得増幅器とが設けられるのが一般的である。この可変利得増幅器の利得が小さい場合は、黒レベル信号のばらつきが小さいため、横帯ノイズはそれほど目立たないが、利得が大きい場合には黒レベル信号のばらつきが大きいため、横帯ノイズが顕著に現れてしまう。従来の撮像装置では、このような横帯ノイズを抑えるために、例えば可変利得増幅器の出力にノイズ除去用のフィルタ回路を設ける等の対策が必要であるが、これでは、装置の小型化及び低コスト化を妨げる要因となってしまう。

特許文献１に記載の装置は、赤外光の入射による黒レベル信号の浮きがあった場合に、直前に演算した補正量を用いてクランプ動作を行うことで、撮像信号が黒沈みすることを回避するものであり、黒レベル信号に含まれるランダムノイズによる横帯ノイズを抑制できるものではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、クランプ動作に起因する横帯ノイズを抑制することが可能な小型で安価なクランプ装置及び撮像装置を提供することを目的とする。

本発明のクランプ装置は、撮像素子から出力される水平１ライン分の撮像信号に含まれる黒レベル信号を設定レベルにクランプするクランプ装置であって、前記黒レベル信号のレベルの前記設定レベルからの誤差の複数ライン分の平均を算出する平均算出手段と、前記平均算出手段で算出された平均を記憶部に記憶する平均記憶手段と、前記記憶部に記憶された平均を前記撮像信号に加算する加算手段とを備える。

本発明のクランプ装置は、前記平均算出手段が、前記複数ライン分の平均として、前記撮像素子の１垂直動作期間で出力される撮像信号のうちの少なくとも２ライン分の前記誤差の平均である第１の平均を算出する。

本発明のクランプ装置は、前記第１の平均が、前記撮像素子の１垂直動作期間で出力される撮像信号のうちの全ライン分の前記誤差の平均である。

本発明のクランプ装置は、前記平均算出手段が、前記複数ライン分の平均として、前記第１の平均の少なくとも２つの垂直動作期間における平均である第２の平均も算出し、前記平均記憶手段が、前記第１の平均と前記第２の平均をそれぞれ異なるタイミングで前記記憶部に記憶する。

本発明のクランプ装置は、水平１ライン分の撮像信号が前記撮像素子から出力される毎に、当該撮像信号の黒レベル信号のレベルの前記設定レベルからの誤差を算出する誤差算出手段と、前記誤差算出手段で算出された誤差が記憶される誤差記憶部とを備え、前記平均算出手段が、前記誤差記憶部に記憶される前記誤差に基づいて前記平均を算出する。

本発明のクランプ装置は、前記加算手段によって前記平均が加算される撮像信号が可変利得増幅手段によって増幅された後の信号であり、前記可変利得増幅手段で設定される利得が閾値以下の場合、前記平均算出手段が停止し、前記加算手段が前記誤差算出手段で算出された誤差を前記撮像信号に加算する。

本発明の撮像装置は、前記クランプ装置と前記撮像素子とを備える。

本発明によれば、クランプ動作に起因する横帯ノイズを抑制することが可能な小型で安価なクランプ装置及び撮像装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態である撮像装置の概略構成を示す図である。
図１に示す撮像装置は、ＣＣＤ型やＣＭＯＳ型イメージセンサ等の撮像素子１と、撮像素子１から出力される撮像信号にアナログ信号処理及びデジタル変換処理を施すアナログフロントエンド（ＡＦＥ）２とを備えている。

撮像素子１は、水平方向に並ぶ多数の光電変換素子からなる光電変換素子ラインを、水平方向に直交する垂直方向に多数並べた構成となっており、各光電変換素子ラインの両端部には、黒レベルを検出するために遮光された光電変換素子がそれぞれ複数配置された構成となっている。撮像素子１からは、水平同期信号ＨＤが立ち下がってから次に立ち下がるまでの期間である水平動作期間に、１つの光電変換素子ラインから得られる撮像信号（以下、１ライン分の撮像信号という）が出力される。又、垂直同期信号ＶＤが立ち下がってから次に立ち下がるまでの期間である垂直動作期間に、水平動作期間が多数回繰り返されて、１画面分の撮像信号が出力される。

ＡＦＥ２は、相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）３と、可変利得増幅器（ＰＧＡ）４と、加算器５と、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）６と、比較器７と、誤差記憶部８と、クランプ制御部９と、補正データ記憶部１０と、デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）１１とを備える。

ＣＤＳ３は、撮像素子１からの撮像信号を最初に受ける部分であり、入力された撮像信号に相関二重サンプリング処理を行う。

ＰＧＡ４は、撮像素子１の出力感度ばらつきを補正したり、撮像装置の感度設定を切り換えたりするための手段であり、ＣＤＳ３から出力される撮像信号を設定された利得で増幅する。

加算器５は、ＰＧＡ４から出力される撮像信号に含まれる黒レベル信号をクランプするために、この撮像信号に補正データを加算する。

ＡＤＣ６は、加算器５から出力される撮像信号をデジタル信号に変換する。

比較器７は、黒レベル信号の読み出しタイミングに同期するクランプパルスに応じて、ＡＤＣ６から出力される１ライン分の撮像信号に含まれる黒レベル信号のうち、後半に出力される黒レベル信号を取得し、その黒レベル信号を目標レベルと比較して、該黒レベル信号の目標レベルからの誤差を算出し、算出した誤差を誤差記憶部８に記憶する。比較器７は、このような処理を、各ライン分の撮像信号がＡＤＣ６から出力される毎に行う。クランプパルスは、黒レベル信号がＡＤＣ６から出力されるタイミングで有効になる。

誤差記憶部８は、比較器７で算出された誤差を記憶するための手段であり、例えばレジスタで構成される。

クランプ制御部９は、誤差記憶部８に記憶された複数の誤差の平均を算出し、算出した平均を上記補正データとして補正データ記憶部１０に記憶する処理を行う。クランプ制御部９は、例えば、１垂直動作期間を構成するｎ回（ｎ＝２以上の自然数）の水平動作期間の各々において撮像素子１から出力される撮像信号から算出された誤差の平均｛（ｎ個の誤差の総和）／ｎ｝を求め、この平均を補正データとして補正データ記憶部１０に書き込む。この補正データによれば、ＰＧＡ４に設定される利得が閾値よりも大きく、ｎ個の誤差の値に大きなばらつきが生じていた場合でも、誤差の平均化によってこのばらつきを吸収できるため、黒レベル信号のばらつきに起因する横帯ノイズを抑えることが可能となる。

補正データ記憶部１０は、クランプ制御部９で算出された平均を記憶するための手段であり、例えばレジスタで構成される。

ＤＡＣ１１は、補正データ記憶部１０で記憶されている最新の補正データを取得し、この補正データをアナログ信号に変換して加算器５に出力する。加算器５では、ＤＡＣ１１から出力されたアナログの補正データをＰＧＡ４から出力された撮像信号に加算する処理がなされ、この加算処理により、黒レベル信号がクランプされる。

以上のように構成された撮像装置のクランプ動作を説明する。
図２は、撮像装置のクランプ動作を説明するためのタイミングチャートである。図２に示す“Ｄａｔａ”は、撮像素子１から出力される撮像信号を示しており、黒く塗りつぶした部分（上にＯＢと記した部分）が黒レベル信号である。“Ｒｅａｄ”は、クランプ制御部９が誤差記憶部８から誤差を読み出すタイミングを示す信号であり、ローレベルのときに誤差の読み出しが行われる。“Ｗｒｉｔｅ”は、クランプ制御部９が補正データ記憶部１０に補正データを書き込むタイミングを示す信号であり、ローベルのときに補正データの書き込みが行われる。

撮影が開始されて、最初の垂直動作期間が開始されると、水平動作期間毎にＡＤＣ６から１ライン分の撮像信号が出力される。各水平動作期間内においてクランプパルスがローレベルになると、ＡＤＣ６から出力された撮像信号に含まれる黒レベル信号が比較器７によって取得され、取得された黒レベル信号のレベルの目標レベルに対する誤差が算出されて、この誤差が誤差記憶部８に記憶される。誤差記憶部８に記憶された誤差は、クランプパルスが有効になった直後の水平同期信号ＨＤの立ち下がりのタイミング（次の水平動作期間の開始タイミング）でクランプ制御部９によって読み出され、クランプ制御部９の内部メモリに保持される。

最初の垂直動作期間が終了して、時刻ｔで次の垂直動作期間が開始されると、最初の垂直動作期間の最後の水平動作期間内のクランプパルスに応じて誤差記憶部８に記憶された誤差がクランプ制御部９によって読み出され、この誤差と、既に読み出されて内部メモリに保持されている誤差とを合わせた１垂直動作期間で算出された多数の誤差の平均がクランプ制御部９によって算出され、この平均が補正データとして補正データ記憶部１０に記憶される。補正データ記憶部１０に補正データが記憶されると、ＤＡＣ１１によってそれが読み出され、アナログ信号に変換されて、加算器５に出力される。そして、加算器５により、ＰＧＡ４から出力される撮像信号に補正データが加算されて、黒レベル信号のクランプが行われる。クランプ制御部９は、補正データの書き込み後、内部メモリに保持した誤差をリセットし、上述した動作を繰り返す。

尚、撮影開始時には、補正データ記憶部１０には補正データが記憶されていないため、ここには初期値として所定の補正データ（例えば“０”のデータ）を記憶しておけば良い。

このように、第一実施形態の撮像装置によれば、任意の垂直動作期間を構成する各水平動作期間から得られる撮像信号に基づいて算出した誤差の平均を補正データとし、該任意の垂直動作期間の次の垂直動作期間の各水平動作期間に出力される撮像信号には該補正データを加算することでクランプを行うため、各水平動作期間で出力される撮像信号にそれぞれ異なる補正データを加算することによって生じる横帯ノイズの発生を抑えることができる。

又、第一実施形態の撮像装置によれば、ＰＧＡ４の出力にフィルタ回路を設けることなく、誤差の平均化によって横帯ノイズの発生を抑えることができるため、小型で安価な撮像装置を実現することができる。

尚、以上の説明では、クランプ制御部９が、任意の垂直動作期間を構成する各水平動作期間から得られる撮像信号に基づいて算出した誤差の平均を補正データとしているが、黒レベル信号のばらつきを吸収するには、任意の垂直動作期間を構成する各水平動作期間から得られる撮像信号に基づいて算出した誤差のうち、少なくとも２つの誤差の平均を補正データとすれば良く、全ての誤差の平均を求めることは必須ではない。

又、以上の説明では、誤差記憶部８に誤差が記憶される都度、クランプ制御部９がその誤差を読み出して内部メモリに保持するものとしたが、誤差記憶部８に、任意の垂直動作期間を構成する各水平動作期間から得られる撮像信号に基づいて算出した誤差を全て記憶しておくことができれば、誤差記憶部８からの誤差の読み出しは１回で行うことができる。この場合、クランプ制御部９は、例えば図２の時刻ｔのタイミングで誤差記憶部８から全ての誤差を読み出して平均を算出すれば良い。

又、以上の説明では、ＡＤＣ６の出力信号から補正データを生成し、その補正データをアナログ信号に変換してフィードバックするものとしたが、加算器５の出力信号からアナログの補正データを生成し、これを加算器５にフィードバックする構成としても良い。この場合、ＤＡＣ１１は不要となる。

又、以上の説明では、ＡＦＥ２内にクランプ制御部９を内蔵しているが、このクランプ制御部９はＡＦＥ２の外に設けてあっても良く、撮像装置全体を統括制御するシステム制御部にてクランプ制御部９の機能を実行するようにしても良い。

尚、第一実施形態の撮像装置は動画撮影を行うことを考えた場合、１フレーム毎に補正データが変更されるため、各フレームの品質は改善されるが、フレーム間の品質にばらつきが生じる可能性がある。このようなフレーム間の品質ばらつきを抑えるために、補正データ記憶部１０に、異なる垂直動作期間で得られた複数の補正データの平均を書き込む処理を定期的に行うことが好ましい。

例えば、動画撮影開始してから１〜３０回目の垂直動作期間まで、クランプ制御部９は図２で説明したように動作すると共に、１〜２９回目の垂直動作期間において求めた２９個の補正データを保持しておく。そして、３１回目の垂直動作期間が開始した時点で、３０回目の垂直動作期間で得られた誤差の平均ではなく、保持している２９個の補正データの平均を補正データ記憶部１０に書き込み、３１回目の垂直動作期間で出力される撮像信号には、２９個の補正データの平均を加算することでクランプ動作を実施する。以降、同様に、３１〜６０回目の垂直動作期間まで、クランプ制御部９は図２で説明したように動作すると共に、３１〜５９回目の垂直動作期間において求めた２９個の補正データを保持しておき、６１回目の垂直動作期間が開始した時点で、これら２９個の補正データの平均を補正データ記憶部１０に書き込むといった動作を繰り返せば良い。

このように、複数の補正データを平均した補正データを補正データ記憶部１０に定期的に書き込むことで、フレーム間の品質のばらつきも抑制することができ、良好な動画撮影を行うことが可能になる。

（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態である撮像装置の概略構成を示す図である。図３において図１と同じ構成には同一符号を付してある。図３に示す撮像装置は、図１に示す撮像装置にスイッチ１２を追加した構成となっている。

スイッチ１２は、ＤＡＣ１１の入力を、比較器７の出力及び補正データ記憶部１０のいずれかに選択的に接続する。スイッチ１２は、ＰＧＡ４に設定される利得が閾値以下の場合、ＤＡＣ１１の入力を比較器７の出力に接続し、ＰＧＡ４に設定される利得が閾値よりも大きい場合、ＤＡＣ１１の入力を補正データ記憶部１０に接続する。

次に、図３に示す撮像装置の動作を説明する。
ＰＧＡ４に設定される利得が閾値よりも大きい場合、ＤＡＣ１１と補正データ記憶部１０とが接続され、ＡＦＥ２は第一実施形態で説明したように動作する。一方、ＰＧＡ４に設定される利得が閾値以下であった場合、ＤＡＣ１１と比較器７の出力とが接続されると共に、クランプ制御部９は動作を停止する。そして、比較器７で誤差が算出されると、その誤差がＤＡＣ１１に入力され、アナログ信号に変換されて加算器５に出力される。

このように、第二実施形態の撮像装置によれば、ＰＧＡ４に設定される利得が閾値よりも大きい場合、即ち、横帯ノイズが顕著となる場合には、第一実施形態で説明したクランプ動作を行い、ＰＧＡ４に設定される利得が閾値以下の場合には、クランプ制御部９を停止して、従来のクランプ方法でクランプ動作を行うことができる。つまり、横帯ノイズが顕著となる条件下では、これを抑制して画質を向上させ、横帯ノイズが顕著とならない条件下では、演算量を減らして消費電力を抑制するといった具合に、撮影条件に応じて最適なクランプ動作を行うことが可能となる。

本発明の第一実施形態である撮像装置の概略構成を示す図 図１の撮像装置のクランプ動作を説明するためのタイミングチャート 本発明の第二実施形態である撮像装置の概略構成を示す図

符号の説明

１ 撮像素子
２ ＡＦＥ
３ ＣＤＳ
４ ＰＧＡ
５ 加算器
６ ＡＤＣ
７ 比較器
８ 誤差記憶部
９ クランプ制御部
１０ 補正データ記憶部
１１ ＤＡＣ
１２ スイッチ

Claims (7)

1. 撮像素子から出力される水平１ライン分の撮像信号に含まれる黒レベル信号を設定レベルにクランプするクランプ装置であって、
   前記黒レベル信号のレベルの前記設定レベルからの誤差の複数ライン分の平均を算出する平均算出手段と、
   前記平均算出手段で算出された平均を記憶部に記憶する平均記憶手段と、
   前記記憶部に記憶された平均を前記撮像信号に加算する加算手段とを備えるクランプ装置。
2. 請求項１記載のクランプ装置であって、
   前記平均算出手段が、前記複数ライン分の平均として、前記撮像素子の１垂直動作期間で出力される撮像信号のうちの少なくとも２ライン分の前記誤差の平均である第１の平均を算出するクランプ装置。
3. 請求項２記載のクランプ装置であって、
   前記第１の平均が、前記撮像素子の１垂直動作期間で出力される撮像信号のうちの全ライン分の前記誤差の平均であるクランプ装置。
4. 請求項２又は３記載のクランプ装置であって、
   前記平均算出手段が、前記複数ライン分の平均として、前記第１の平均の少なくとも２つの垂直動作期間における平均である第２の平均も算出し、
   前記平均記憶手段が、前記第１の平均と前記第２の平均をそれぞれ異なるタイミングで前記記憶部に記憶するクランプ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載のクランプ装置であって、
   水平１ライン分の撮像信号が前記撮像素子から出力される毎に、当該撮像信号の黒レベル信号のレベルの前記設定レベルからの誤差を算出する誤差算出手段と、
   前記誤差算出手段で算出された誤差が記憶される誤差記憶部とを備え、
   前記平均算出手段が、前記誤差記憶部に記憶される前記誤差に基づいて前記平均を算出するクランプ装置。
6. 請求項５記載のクランプ装置であって、
   前記加算手段によって前記平均が加算される撮像信号が可変利得増幅手段によって増幅された後の信号であり、
   前記可変利得増幅手段で設定される利得が閾値以下の場合、前記平均算出手段が停止し、前記加算手段が前記誤差算出手段で算出された誤差を前記撮像信号に加算するクランプ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載のクランプ装置と前記撮像素子とを備える撮像装置。

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