JP2009253535A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】黒化現象発生の検出精度を高め、さらに、黒化現象発生時においても、出力画像の画質を向上させることができる撮像装置を提供する。
【解決手段】被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段の所定領域から読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを検出する検出手段（レベル検出部１０１）と、電位レベルから閾値レベルを算出する算出手段（閾値レベル算出部１０２）とを備える。また、電位レベルと閾値レベルを比較する比較手段（レベル比較切替部１０３）と、検出手段、算出手段及び比較手段を制御する制御手段（制御部１０７）とを備える。算出手段は、撮影動作中に、電位レベルを参照して閾値レベルを算出し、比較手段により電位レベルが閾値レベルを超えると判断されたとき、制御手段は、電位レベルを前記閾値レベルに置き替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子で撮影した静止画像や動画像を記録及び再生するデジタルカメラ等の撮像装置に関し、特に、太陽光等の局所的に明るい画像の画質を向上させること技術に特徴のある撮像装置に関する。

近年、固体メモリ素子を有するメモリカードを記録媒体として、ＣＣＤ等の固体撮像素子で撮影した静止画像や動画像を記録及び再生するデジタルカメラ等の撮像装置が広く普及している。

図５は、デジタルカメラ等の撮像装置の画像入力部の一般的なブロック図である。

同図において、撮像装置は、固体撮像素子であるＣＣＤセンサ５０１、相関２重サンプリング回路（ＣＤＳ回路）５０２、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）５０３、デジタル信号処理部５０４、ＣＣＤ駆動部５０５を備える。

ＣＣＤセンサ５０１は、ＣＣＤ駆動部５０５からの水平転送パルス、リセットゲートパルス、垂直転送パルス、電子シャッターパルス等の各信号で駆動され、被写体の光学像を電気信号に変換する。

ＣＣＤセンサ５０１の後段には、ＣＣＤ転送時に生じたリセットノイズ成分を除去するためのＣＤＳ回路５０２を有するのが一般的である。ＣＤＳ回路５０２の出力撮影信号は、ＡＤＣ５０３でデジタル信号に変換され、デジタル信号処理部５０４に伝送される。

図６は、ＣＣＤセンサの一例であるインターライン型固体撮像素子の概略構成図である。

複数の画素がマトリクス状に配列されている。図６においては、水平１４画素、垂直１０画素となっている。

インターライン型固体撮像素子は、被写体からの光を受け光電変換する感光画素６０１、感光画素６０１を遮光したオプティカルブラック画素（ＯＢ画素）６０２、垂直電荷転送素子６０３、水平電荷転送素子６０４、出力部６０５、信号出力端子６０６を備える。

画素の信号電荷は、読み出しパルスにより垂直電荷転送素子６０３に読み出され、それぞれ、転送電極Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３及びＶ４に加えられる４相駆動パルスφＶ１、φＶ２、φＶ３及びφＶ４により水平電荷転送素子６０４の方向へ順に転送される。

水平電荷転送素子６０４は、垂直電荷転送素子６０３から転送されて来た水平１行分の信号電荷を、それぞれ、転送電極Ｈ１及びＨ２に加えられる２相駆動パルスφＨ１及びφＨ２により順次出力部６０５に転送する。

２相駆動パルスによって１画素分ずつ出力部６０５のフローティングキャパシタに転送され、１画素の信号がフローティングキャパシタから出力バッファに与えられ、電圧信号に変換されて、１画素単位の映像信号が順次出力されるようになされている。フローティングキャパシタは１画素の信号を出力する毎にリセットパルスによりクリアされる。

このように、ＣＣＤ出力信号は、１画素毎に、フローティングキャパシタのリセット動作により発生するリセット成分とリセットパルスの相関ノイズが重畳するフィードスルー部分と、映像信号部分とからなる。

ＣＤＳ回路５０２は、ＣＣＤ出力信号のうちフィードスルー部分のレベルと映像信号部分のレベルとの差分を求め、これによって相関ノイズ成分を映像信号から排除するノイズ除去回路である。

図７は、図５におけるＣＤＳ回路の基本ブロック図、図８は、図５におけるＣＤＳ回路の制御タイミングを示す図である。

図７及び図８において、ＣＤＳ回路５０２は、リセットレベルを保持するフィードスルー期間をサンプルホールドするパルス信号（ＳＨＰ）と、映像信号出力期間をサンプルホールドするパルス信号（ＳＨＤ）とを有する。

ＣＤＳ回路５０２において、直列接続されたサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）７０１、７０２とサンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）７０３によって、ＳＨＰ、ＳＨＤでＣＣＤセンサ５０１の出力信号をサンプルホールドする。そして、差分増幅器７０４でサンプルホールド回路７０２、７０３の各出力の差分が取られる。

ここで、撮影画像内に太陽光等、周囲の画像に比べて極端に高い輝度の領域が局所的に存在する場合は、それに対応する画素では、フォトダイオードが生成する光電変換電流が極端に大きくなる。その場合に、フローティングキャパシタでのリセット動作が不十分となり、フィードスルー部分のレベルが大きくなることがある。

その結果、２つのサンプルホールド電圧の差電圧が非常に小さくなる。つまり、本来は太陽光等、高い輝度の領域であれば、検出される画素信号レベルは最大レベルになることが期待されるところ、フィードスルー部分のレベルが大きくなり過ぎて、期待通りの画素信号レベルが得られなくなる。

そのため、得られる出力画像は、太陽の輝度が極端に低い画像になり、極端な場合、太陽が真っ黒な画像になってしまう。この現象をここでは黒化現象ということにする。

その対策として、例えば、特許文献１には、ＣＭＯＳイメージセンサにおいて、リセットノイズ読み出し期間中の画素電位がリセット電位レベルを超えるときに、当該画素電位をリセット電位レベルに置換する技術が開示されている。
特開２００４−１１２７４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に提案された技術には、以下の問題がある。

特許文献１に記載されているように、リセットノイズ読み出し期間中の画素電位は、画素内のトランジスタ特性のバラツキや寄生容量のバラツキにより依存するので、画素毎に異なる。

画素毎に異なる電位と、固定値であるリセット電位レベルを比較するので、黒化現象発生の検出精度は高くない。即ち、黒化現象が発生しているにも関わらず検出できない場合や、黒化現象が発生していないのに発生していると誤検出してしまう場合が多くなってしまう。

さらに、画素毎に異なる電位が、固定値であるリセット電位レベルを超えるときにそのレベルに置換するので、期待される画素信号レベルと、置換後の画素信号レベルとの差が大きくなり、出力画像の画質低下につながってしまう。

本発明の目的は、黒化現象発生の検出精度を高め、さらに、黒化現象発生時においても、出力画像の画質を向上させることができる撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の撮像装置は、被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段の所定領域から読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを検出する検出手段と、前記電位レベルから閾値レベルを算出する算出手段と、前記電位レベルと前記閾値レベルを比較する比較手段と、前記検出手段、前記算出手段及び前記比較手段を制御する制御手段とを備え、前記算出手段は、撮影動作中に、前記電位レベルを参照して前記閾値レベルを算出し、前記比較手段により前記電位レベルが前記閾値レベルを超えると判断されたとき、前記制御手段は、前記電位レベルを前記閾値レベルに置き替えることを特徴とする。

請求項２記載の撮像装置は、被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段の所定領域から読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを検出する検出手段と、前記電位レベルから閾値レベルを算出する算出手段と、前記電位レベルと前記閾値レベルを比較する比較手段と、前記検出手段、前記算出手段及び前記比較手段を制御する制御手段とを備え、前記算出手段は、撮影動作中に、前記電位レベルを参照して前記閾値レベルを算出し、前記比較手段により前記電位レベルが前記閾値レベルを超えないと判断されたとき、前記制御手段は、前記撮像手段から読み出された信号は前記所定領域の信号とし、前記比較手段により前記電位レベルが前記閾値レベルを超えると判断されたとき、前記制御手段は、前記電位レベルを前記閾値レベルに置き替えることを特徴とする。

本発明の撮像装置によれば、黒化現象発生の検出精度を高め、さらに、黒化現象発生時においても、出力画像の画質を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの要部ブロック図である。

図１において、デジタルカメラは、レベル検出部１０１、閾値レベル算出部１０２、レベル比較切替部１０３、サンプルホールド部１０４、１０５、差分増幅部１０６、制御部１０７を備える。

以下、上述のように構成された撮像装置の撮影（撮像）動作について説明する。

不図示の被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段（ＣＣＤセンサ）から読み出された信号は、レベル検出部１０１とサンプルホールド部１０５に入力される。

レベル検出部１０１では、制御部１０７からのタイミング信号ＳＨＰにより、フィードスルー部分の電位レベルが検出される。検出された電位レベルは、閾値レベル算出部１０２とレベル比較切替部１０３に入力される。

閾値レベル算出部１０２では、制御部１０７からの制御信号より、撮像手段から読み出された信号が所定領域の信号である場合、検出電位レベルを閾値レベル算出に用いる。レベル比較切替部１０３では、レベル検出部１０１で検出された電位レベルと、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベルとを比較する。

レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベル以下である場合、レベル検出部１０１で検出された電位レベルをサンプルホールド部１０４に出力する。

一方、レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベルより大きい場合、閾値レベルをサンプルホールド部１０４に出力する。

サンプルホールド部１０４の入力レベルは、制御部１０７からのタイミング信号ＳＨＤにより、差分増幅部１０６に出力される。

また、サンプルホールド部１０５からは、制御部１０７からのタイミング信号ＳＨＤにより、映像信号部分の電位レベルが差分増幅部１０６に出力される。差分増幅部１０６でサンプルホールド部１０４、１０５の各出力の差分が取られる。

差分増幅部１０６の出力撮影信号は、後段のＡＤＣ回路（不図示）で、デジタル信号に変換された後、さらに後段のデジタル信号処理回路（不図示）に伝送される。

図２は、図１のデジタルカメラによって実行される閾値算出処理の手順を示すフローチャートである。

本処理は、図１における制御部１０７の制御の下、閾値レベル算出部１０２によって実行される。

図２において、閾値算出処理を開始すると、フィードスルーレベル値Ｐを初期値Ｐ０（ステップＳ２０１）、オフセット値Ｑを初期値Ｑ０（ステップＳ２０３）とする。

デジタルカメラは、撮影動作を開始すると（ステップＳ２０３）、ＣＣＤセンサから読み出された信号が所定領域の信号であるか否か判断する（ステップＳ２０４）。

ここで、所定領域の信号である場合、閾値レベル算出部１０２に入力された電位レベルにより、フィードスルーレベル値Ｐ（Ｐ値）を更新し（ステップＳ２０５）、オフセット値Ｑ（Ｑ値）を更新する（ステップＳ２０６）。

所定領域とは、例えば、ダミー画素部またはオプティカルブラック画素部である。また例えば、Ｐ値は、閾値レベル算出部１０２に入力された電位レベルの累積平均から、Ｑ値は、閾値レベル算出部１０２に入力された電位レベルの分散から、それぞれ更新される。

ＣＣＤセンサから読み出された信号が所定領域の信号でない場合は、フィードスルーレベル値Ｐ、オフセット値Ｑを更新しない。

閾値レベルは、Ｓ＝Ｐ＋Ｑとして算出される（ステップＳ２０７）。これを撮影動作中繰り返し行い（ステップＳ２０８）、撮影動作終了まで閾値レベルの更新を行う。

水平最終段のフローティングキャパシタと出力バッファが共通であるため、撮像手段であるＣＣＤセンサから読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルの差分は微小である。

ダミー画素部やオプティカルブラック画素部は高輝度入射光の影響をほとんど受けないので、これら信号のフィードスルー部分の電位レベルから閾値レベルを算出するのは、極めて有効と考えられる。

ここで、閾値レベルは、Ｓ＝Ｐでも問題ない。Ｓ＝Ｐ＋Ｑとして算出したのは、例えば、閾値レベル算出部１０２に入力された電位レベルのＳ／Ｎが悪く、その変動が大きい場合を考慮したためである。

本実施の形態では、このように、撮影動作中に、ＣＣＤセンサから読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを参照し、その値から算出されたレベルを閾値とするため、黒化現象の発生を精度よく検出することが可能になる。

また、黒化現象発生を検出した場合、撮影動作中に、ＣＣＤセンサから読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを参照し、その値から算出されたレベルに置き替えるので、期待される画素信号レベルと、置換後の画素信号レベルとの差は微小である。それにより、黒化現象発生時においても、出力画像の画質を向上させることが可能になる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの要部ブロック図である。

図３において、デジタルカメラは、レベル検出部１０１、閾値レベル算出部１０２、レベル比較切替部１０３、サンプルホールド部１０４、１０５、差分増幅部１０６、制御部１０７を備える。

図１の第１の実施の形態とは、レベル検出部１０１、閾値レベル算出部１０２、レベル比較切替部１０３の接続の仕方が異なる。

以下、上述のように構成された撮像装置の撮影動作について説明する。

不図示の被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段（ＣＣＤセンサ）から読み出された信号は、レベル検出部１０１とサンプルホールド部１０５に入力される。

レベル検出部１０１では、制御部１０７からのタイミング信号ＳＨＰにより、フィードスルー部分の電位レベルが検出される。検出された電位レベルは、レベル比較切替部１０３に入力される。

レベル比較切替部１０３では、レベル検出部１０１で検出された電位レベルと、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベルとを比較する。

レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベル以下である場合、レベル検出部１０１で検出された電位レベルを、閾値レベル算出部１０２、及びサンプルホールド部１０４に出力する。

一方、レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベルより大きい場合、閾値レベルをサンプルホールド部１０４に出力する。

サンプルホールド部１０４の入力レベルは、制御部１０７からのタイミング信号ＳＨＤにより、差分増幅部１０６に出力される。

また、サンプルホールド部１０５からは、制御部１０７からのタイミング信号ＳＨＤにより、映像信号部分の電位レベルが差分増幅部１０６に出力される。差分増幅部１０６でサンプルホールド部１０４、１０５の各出力の差分が取られる。

差分増幅部１０６の出力撮影信号は、後段のＡＤＣ回路（不図示）で、デジタル信号に変換された後、さらに後段のデジタル信号処理回路（不図示）に伝送される。

図４は、図３のデジタルカメラによって実行される閾値算出処理の手順を示すフローチャートである。

本処理は、図３における制御部１０７の制御の下、閾値レベル算出部１０２によって実行される。

図４において、閾値算出を開始すると、フィードスルーレベル値Ｐを初期値Ｐ０（ステップＳ４０１）、オフセット値Ｑを初期値Ｑ０（ステップＳ４０２）とする。

デジタルカメラは、撮影動作を開始すると（ステップＳ４０３）、閾値レベルは、Ｓ＝Ｐ＋Ｑとして算出される（ステップＳ４０４）。

レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベル以下であるか否か判断する（ステップＳ４０５）。

検出レベルが閾値レベル以下である場合、レベル検出部１０１で検出された電位レベルにより、フィードスルーレベル値Ｐ（Ｐ値）を更新し（ステップＳ４０６）、オフセット値Ｑ（Ｑ値）を更新する（ステップＳ４０７）。

例えば、Ｐ値は閾値レベル算出部１０２に入力された電位レベルの累積平均から、Ｑ値は閾値レベル算出部１０２に入力された電位レベルの分散から、それぞれ更新される。

レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベルより大きい場合は、フィードスルーレベル値Ｐ、オフセット値Ｑを更新しない。

これを撮影動作中繰り返し行い（ステップＳ４０８）、撮影動作終了まで閾値レベルの更新を行う。

レベル検出部１０１で検出された電位レベルが、閾値レベル算出部１０２からの閾値レベル以下である場合は、ＣＣＤセンサから読み出された信号中、黒化現象が発生していない画素であると考えられる。

このように黒化現象が発生していない画素のフィードスルー部分の電位レベルを参照することで、閾値レベル算出に使用する標本数が増加し、算出の確度を増すことができる。

本実施の形態では、このように撮影動作中に、ＣＣＤセンサから読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを参照し、その値から算出されたレベルを閾値とするため、黒化現象の発生を精度よく検出することが可能になる。

また、黒化現象発生を検出した場合、撮影動作中に、ＣＣＤセンサから読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを参照し、その値から算出されたレベルに置き替えるので、期待される画素信号レベルと、置換後の画素信号レベルとの差は微小である。それにより、黒化現象発生時においても、出力画像の画質を向上させることが可能になる。
以上、本発明の実施の形態を、デジタルカメラを例に説明したが、本発明は、ビデオカメラを含む任意の撮像装置に適応可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの要部ブロック図である。 図１のデジタルカメラによって実行される閾値算出処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラの要部ブロック図である。 図３のデジタルカメラによって実行される閾値算出処理の手順を示すフローチャートである。 デジタルカメラ等の撮像装置の画像入力部の一般的なブロック図である。 ＣＣＤセンサの一例であるインターライン型固体撮像素子の概略構成図である。 図５におけるＣＤＳ回路の基本ブロック図である。 図５におけるＣＤＳ回路の制御タイミングを示す図である。

符号の説明

１０１ レベル検出部
１０２ 閾値レベル算出部
１０３ レベル比較切替部
１０４ サンプルホールド部
１０５ サンプルホールド部
１０６ 差分増幅部
１０７ 制御部

Claims (3)

1. 被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段の所定領域から読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを検出する検出手段と、
   前記電位レベルから閾値レベルを算出する算出手段と、
   前記電位レベルと前記閾値レベルを比較する比較手段と、
   前記検出手段、前記算出手段及び前記比較手段を制御する制御手段とを備え、
   前記算出手段は、撮影動作中に、前記電位レベルを参照して前記閾値レベルを算出し、前記比較手段により前記電位レベルが前記閾値レベルを超えると判断されたとき、前記制御手段は、前記電位レベルを前記閾値レベルに置き替えることを特徴とする撮像装置。
2. 被写体の光学像を電気信号に変換する撮像手段の所定領域から読み出された信号のフィードスルー部分の電位レベルを検出する検出手段と、
   前記電位レベルから閾値レベルを算出する算出手段と、
   前記電位レベルと前記閾値レベルを比較する比較手段と、
   前記検出手段、前記算出手段及び前記比較手段を制御する制御手段とを備え、
   前記算出手段は、撮影動作中に、前記電位レベルを参照して前記閾値レベルを算出し、前記比較手段により前記電位レベルが前記閾値レベルを超えないと判断されたとき、前記制御手段は、前記撮像手段から読み出された信号は前記所定領域の信号とし、前記比較手段により前記電位レベルが前記閾値レベルを超えると判断されたとき、前記制御手段は、前記電位レベルを前記閾値レベルに置き替えることを特徴とする撮像装置。
3. 前記所定領域は、ダミー画素部またはオプティカルブラック画素部であることを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。

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