JP2021111926A - Imaging apparatus and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デジタルビデオカメラ等の撮像装置及びその制御方法に関する。 The present invention relates to an imaging device such as a digital video camera and a control method thereof.
CMOSセンサやCCDセンサ等の撮像素子により撮像を行うデジタルビデオカメラ等の撮像装置では、撮像素子のフォトダイオードから出力されるアナログ信号の黒レベル及び輝度レベルを相関二重サンプリング回路により検出している。そして、相関二重サンプリング回路から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換することにより画像データを生成している(特許文献1参照)。 In an image pickup device such as a digital video camera that images with an image pickup element such as a CMOS sensor or a CCD sensor, the black level and brightness level of an analog signal output from the photodiode of the image pickup element are detected by a correlated double sampling circuit. .. Then, the image data is generated by converting the analog signal output from the correlated double sampling circuit into a digital signal (see Patent Document 1).
フォトダイオードから出力されるアナログ信号の波形にはばらつきがあり、このようなばらつきが生じる1つの原因として、温度による波形歪が挙げられる。上記特許文献1では、撮像素子の近傍の温度を検出することにより、相関二重サンプリング回路での検出タイミングを補正しているが、波形のばらつきは温度のみならず撮像素子の個々のばらつきにも起因するため、温度のみの補正では十分とは言えない。その結果、相関二重サンプリング回路での黒レベルと輝度レベルの検出タイミングが適正なタイミングからずれてしまい、正しい輝度レベルが検出されないことで、飽和不良や輝度むら、色付き、ノイズ混入等による画質低下が生じてしまう。
The waveform of the analog signal output from the photodiode varies, and one of the causes of such variation is waveform distortion due to temperature. In
本発明は、撮像素子から出力される撮像信号の波形が変動しても、相関二重サンプリング回路での適正な輝度レベルの検出を可能とする撮像装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an image pickup apparatus capable of detecting an appropriate luminance level in a correlated double sampling circuit even if the waveform of an image pickup signal output from an image pickup device fluctuates.
本発明に係る撮像装置は、複数の画素を有し、画素ごとに光電変換により生成した電荷を撮像信号として所定の転送CLK信号に同期させて出力する撮像素子と、前記転送CLK信号を生成すると共に前記転送CLK信号に基づく基準CLK信号を生成する生成手段と、前記撮像信号の黒レベルと輝度レベルの差分を所定のタイミングで検出する相関二重サンプリング回路と、前記基準CLK信号の変動に応じて前記所定のタイミングを変更するタイミング制御手段と、を備えることを特徴とする。 The imaging device according to the present invention has a plurality of pixels, and generates an imaging element that outputs the charge generated by photoelectric conversion for each pixel as an imaging signal in synchronization with a predetermined transfer CLK signal, and the transfer CLK signal. In response to the fluctuation of the reference CLK signal, the generation means for generating the reference CLK signal based on the transfer CLK signal, the correlated double sampling circuit that detects the difference between the black level and the brightness level of the imaging signal at a predetermined timing, and the reference CLK signal. It is characterized by comprising a timing control means for changing the predetermined timing.
本発明によれば、撮像素子から出力される撮像信号の波形が変動しても、相関二重サンプリング回路で適正な輝度レベルを検出することが可能となる。 According to the present invention, even if the waveform of the image pickup signal output from the image pickup device fluctuates, it is possible to detect an appropriate luminance level by the correlation double sampling circuit.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る撮像装置の一例であるデジタルビデオカメラの要部の構成を示すブロック図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a main part of a digital video camera which is an example of an imaging device according to the present embodiment.
ここでのデジタルビデオカメラの要部とは、光学像を光電変換することによってアナログ信号を生成し、生成されたアナログ信号からデジタル信号からなる画像データを生成するまでの処理に関わる部分をいう。具体的には、デジタルビデオカメラは、その要部として、撮像素子の一例であるCMOSセンサ100と、温度センサ101と、アナログフロントエンド部102(以下「AFE102」と記す)と、エンジン部108とを有する。
The main part of the digital video camera here refers to a part related to processing from generating an analog signal by photoelectric conversion of an optical image and generating image data composed of a digital signal from the generated analog signal. Specifically, the digital video camera has, as its main parts, a
CMOSセンサ100は、結像した光学像を1画素ずつアナログ信号に変換し、生成したアナログ信号をAFE部102へ出力する。ここで、CMOSセンサ100の構成について、図2を参照して説明する。図2は、CMOSセンサ100の回路図である。CMOSセンサ100は、PD群201、垂直走査回路群203、垂直線204、列アンプ205、水平走査回路群206、CMOS内CLK信号生成部207及び出力バッファ208を有する。
The
PD群201には、光量を電荷に変換するフォトダイオード200(以下「PD_200」と記す)を有する複数の画素が、水平方向及び垂直方向にマトリクス状に配置されている。また、PD群201は、それぞれのPD_200に接続され、PD_200の電荷を電気信号に変換するFDアンプ202を有する。FDアンプ202は、垂直走査回路群203が行を選択するためのスイッチSWに接続されている。PD_200は、蓄積した電荷をゼロにするためのリセット電位ライン(不図示)にスイッチSWを介して接続される。
In the
垂直走査回路群203は、FDアンプ202に接続されたスイッチSWをオン/オフすることにより、画素信号(FDアンプ202により電気信号に変換されたPD_200の電荷)をFDアンプ202を通じて1行ずつ垂直線204へ出力する。垂直線204は、列ごとにPD_200及び列アンプ205に接続されており、選択された行の画素出力を列アンプ205へ出力する。
The vertical
列アンプ205は、行ごとに出力される画素信号を所望のレベルに増幅する。垂直線204のそれぞれに1つの列アンプ205が接続されており、画素信号は1行ずつ水平走査回路群206へ出力される。水平走査回路群206は、列アンプ205から出力される1行分の画素信号を、1画素ずつCMOS内CLK信号生成部207から出力される転送CLK信号に同期させて、順次、出力バッファ208を通じて、AFE部102へ出力する。以下、出力バッファ208からAFE部102へ出力されるアナログ信号を「撮像信号A」と称呼する。
The
CMOS内CLK信号生成部207は、AFE部102から送信される読み出しCLK信号に基づいて転送CLK信号と基準CLK信号を生成する。転送CLK信号は水平走査回路群206へ送られ、基準CLK信号はエンジン部108へ送られる。出力バッファ208は、水平走査回路群206から出力される画素信号を、1画素ずつ、電気的にインピーダンス変換し又は増幅し、転送CLK信号に同期させてAFE部102へ出力する。
The CMOS
図1の説明に戻る。温度センサ101は、CMOSセンサ100自体又はその近傍の温度検出を行う。AFE部102は、主にVD信号とHD信号に基づいて、CMOSセンサ100に対して画素信号を1行ずつ順次読み出すためのタイミング信号を生成し、CMOSセンサ100に供給する。なお、VD信号は1フレーム分の読み出し基準信号であり、HD信号1ライン分の読み出し基準信号である。AFE部102は、CMOSセンサ100から出力される撮像信号Aをデジタル信号に変換してエンジン部108へ出力する。
Returning to the description of FIG. The
AFE部102は、より具体的には、CDS部103(相関二重サンプリング回路)、A/D変換部104、転送部105、タイミング制御部106及び読み出しCLK信号生成部107を有する。CDS部103は、撮像信号Aの黒レベルを検出するタイミングを指示するSHP信号と輝度レベルを検出するタイミングを指示するSHD信号に従って輝度レベルと黒レベルの差分を検出して保持し、A/D変換部104へ出力する。A/D変換部104は、CDS部103から出力される輝度信号をデジタル信号に変換して転送部105へ出力する。
More specifically, the AFE
転送部105は、A/D変換部104から転送されてきたデジタル信号を、LVDS等の所定のフォーマットに変換した信号(以下「撮像信号D」という)を生成し、エンジン部108へ転送する。タイミング制御部106は、エンジン部108により設定され、SHP信号、SHD信号及びADCLK信号を出力する。なお、ADCLK信号は、A/D変換を行うためのクロック信号である。読み出しCLK信号生成部107は、エンジン部108より出力されるマスターCLK信号に基づいて1画素の画素信号を読み出すための読み出しCLK信号を生成し、CMOSセンサ100に供給する。
The
エンジン部108は、内部にCPUを備えており、主に、読み出し基準信号であるVD信号とHD信号をAFE部102に出力し、AFE部102から出力される撮像信号Dに所定の画像処理を施して画像データを生成し、不図示の後段へ出力する。
The
エンジン部108は、より具体的には、エンジン内CLK信号生成部109、PLL部110、タイミング検出部111、画像処理部112及びCPU_113を有する。エンジン内CLK信号生成部109は、1画素の画素信号を読み出す基準信号となるマスターCLK信号を生成し、AFE部102の読み出しCLK信号生成部107とPLL部110へ出力する。PLL部110は、入力されたマスターCLK信号を逓倍する回路であり、本実施形態では16逓倍であるとする。
More specifically, the
タイミング検出部111は、PLL部110から入力される逓倍されたCLK信号とCMOSセンサ100から入力される基準CLK信号とを比較し、基準CLK信号の変動方向と変動量を検出する。そして、タイミング検出部111は、基準CLK信号の変動検出結果に基づいてタイミング制御部106にSHP信号、SHD信号及びADCLK信号を設定する。画像処理部112は、AFE部102の転送部105から入力される撮像信号DのOBクランプ処理やホワイトバランス補正等の各種の画像処理を行って画像データを生成し、表示装置や記憶装置(共に不図示)等の後段へ出力する。CPU_113は、エンジン部108内の各ブロックのみならず、CMOSセンサ100及びAFE部102の制御を司る。
The
次に、CMOSセンサ100からの撮像信号Aの読み出しについて説明する。デジタルビデオカメラに電源が投入されると、CPU_113はデジタルビデオカメラの初期設定を行う。その1つとして、CPU_113は、タイミング検出部111を経由して、AFE部102内のタイミング制御部106の初期設定を行う。タイミング制御部106の初期設定では、SHP信号(撮像信号Aの黒レベルを検出するタイミング)、SHD信号(撮像信号Aの輝度レベルを検出するタイミング)、ADCLK信号(A/D変換を行うタイミング)が設定される。また、エンジン内CLK信号生成部109が、1画素の画素信号を読み出すためのマスターCLK信号を読み出しCLK信号生成部107へ出力する。なお、本実施形態では、マスターCLK信号を36MHzとするが、これに限られるものではない。
Next, reading of the image pickup signal A from the
また、エンジン部108は、VD信号とHD信号をAFE部102へ出力する。VD信号は、フレームレートに対応しており、例えば60fpsであれば16.6ms(ミリ秒)ごとに出力される。一方、HD信号は、水平方向の1行分の撮像信号を読み出すために必要とされる時間間隔で出力される。
Further, the
AFE部102は、VD信号とHD信号に基づいて、CMOSセンサ100において1フレーム単位で1行ずつ画素信号を読み出すための信号や露光を開始する行を決める信号等を生成し、それらをTG信号としてCMOSセンサ100の垂直走査回路群203へ出力する。CMOSセンサ100は、TG信号のフレーム読み出し開始信号に従って、PD群201の1行目からの画素信号の読み出しを開始する。
Based on the VD signal and the HD signal, the
なお、垂直走査回路群203は、1行目のスイッチSWをオンすると1行目のFDアンプ202を垂直線204とが接続されて、PD_200の電荷がFDアンプ202を介して電気信号として垂直線204に出力され、更に列アンプ205に出力される。列アンプ205は、入力された電気信号を所定のゲインで増幅して、水平走査回路群206へ出力する。
In the vertical
図3は、CMOSセンサ100での画素信号の読み出しタイミングを説明する図である。1画素の電気信号を読み出すためのマスターCLK信号が、エンジン部108からAFE_102内の読み出しCLK信号生成部107へ周期Tp[s]で出力される。なお、前述の通りにマスターCLK信号を36MHzであれば、Tpは約27.7[ns]となる。読み出しCLK信号生成部107は、読み出しCLK信号を生成してCMOSセンサ100に出力し、CMOSセンサ100では読み出しCLK信号に従って実際に画素信号の読み出しが行われる。
FIG. 3 is a diagram illustrating a pixel signal reading timing by the
本実施形態では、1行分の画素信号を読み出すための時間をThd[s]とし、読み出しCLK信号は図3中の位置Aから開始されている。読み出しCLK信号は、図3に示すように、1行分の読み出し時間Thd[s]のマスターCLK信号の、実際に画素信号を読み出す期間を除いた期間をマスクさせた波形となる。この読み出しCLK信号は、CMOS内CLK信号生成部207に入力される。CMOS内CLK信号生成部207は、読み出しCLK信号に基づいて転送CLK信号と基準CLK信号を生成し、転送CLK信号を水平走査回路群206に送信すると共に、基準CLK信号をエンジン部108内のタイミング検出部111に送信する。
In the present embodiment, the time for reading the pixel signal for one line is set to Thd [s], and the read CLK signal starts from the position A in FIG. As shown in FIG. 3, the read-out CLK signal is a waveform obtained by masking the period of the master CLK signal having a read-out time Thd [s] for one line excluding the period in which the pixel signal is actually read out. This read CLK signal is input to the CLK
基準CLK信号は、転送CLK信号と同じ波形又は立ち上がりタイミングが転送CLK信号と同等となるように低インピーダンスで出力され、タイミング検出部111では高インピーダンスで基準CLK信号を受信することで波形変化が生じないようにしている。本実施形態では、基準CLK信号は転送CLK信号と同じ信号として説明するが、信号同士の対応関係が明らかであれば、基準CLK信号は転送CLK信号と異なる信号であってもよい。
The reference CLK signal is output with a low impedance so that the same waveform as the transfer CLK signal or the rise timing is equivalent to the transfer CLK signal, and the
図4は、CMOSセンサ100から出力される撮像信号Aに対する黒レベル及び輝度レベルの検出タイミング(転送CLK信号、撮像信号A、SHP信号及びSHD信号の関係)を示す図である。図4に示す「Tpix期間」は、1画素の画素信号を読み出す間隔であり、マスターCLK信号の1CLK信号期間に対応し、また、読み出しCLK信号の1CLK信号分に相当する。 FIG. 4 is a diagram showing the detection timing of the black level and the luminance level with respect to the image pickup signal A output from the CMOS sensor 100 (relationship between the transfer CLK signal, the image pickup signal A, the SHP signal, and the SHD signal). The “Tpix period” shown in FIG. 4 is an interval for reading a pixel signal of one pixel, corresponds to a 1 CLK signal period of the master CLK signal, and corresponds to 1 CLK signal of the read CLK signal.
CMOS内CLK信号生成部207は、読み出しCLK信号に対して遅延時間Tdl[s]を持った転送CLK信号と基準CLK信号を生成し、生成した転送CLK信号を水平走査回路群206へ、基準CLK信号をタイミング検出部111へそれぞれ出力する。遅延時間Tdl[s]は、水平走査回路群206までの配線容量のばらつきやCMOSセンサ100の温度によって変化する。水平走査回路群206は、入力された転送CLK信号の立ち上がりを基準として、列アンプ205の出力を1画素ずつ順次選択して出力バッファ208へ出力する。これにより、アナログ波形を有する撮像信号AがCDS部103に出力される。
The CMOS
遅延時間Tdl[s]の変化によって転送CLK信号の波形が変化するため、遅延時間Tdl[s]が長くなると撮像信号Aは遅れる方向へ変動し、逆に遅延時間Tdl[s]が短くなると撮像信号Aは早まる方向へに変動する。このようにして、CMOSセンサ100から転送CLK信号に基づいて1画素ずつ撮像信号Aが出力される。
Since the waveform of the transferred CLK signal changes due to the change in the delay time Tdl [s], the imaging signal A fluctuates in the delayed direction when the delay time Tdl [s] becomes long, and conversely, when the delay time Tdl [s] becomes short, the image is imaged. The signal A fluctuates in the faster direction. In this way, the image pickup signal A is output from the
CDS部103では、タイミング制御部106から所定のタイミングで入力されるSHP信号に従って黒レベルが、SHD信号に従って輝度レベルが、検出される。マスターCLK信号の周期TpをPLL部110で所定数に分割し、分割された任意の位置にSHP信号とSHD信号が設定される。
The
図5は、マスターCLK信号の分割例と、SHP信号とSHD信号の設定例を示す図である。図5には、マスターCLK信号を等間隔で位置t0〜t15(16のタイミング)に16分割した例が示されており、位置t0〜t15の任意のタイミングにSHP信号とSHD信号を設定することができるようになっている。 FIG. 5 is a diagram showing a division example of the master CLK signal and a setting example of the SHP signal and the SHD signal. FIG. 5 shows an example in which the master CLK signal is divided into 16 positions t0 to t15 (16 timings) at equal intervals, and the SHP signal and the SHD signal are set at arbitrary timings at positions t0 to t15. Can be done.
図5には、タイミング制御部106において、SHP信号を位置t3で、SHD信号を位置t12でそれぞれCDS部103へ出力するように設定された例が示されている。また、図4には、SHP信号の立ち上がりタイミングで撮像信号Aのゼロ位置である黒レベルを検出し、SHD信号の立ち上がりタイミングで撮像信号Aの輝度レベルを検出する例が示されており、この場合には輝度レベルLpixを正しく検出することができる。
FIG. 5 shows an example in which the
なお、図4に示すように、SHP信号は撮像信号Aにおいてノイズ変動がない又は小さいゼロレベル位置に設定され、SHD信号は撮像信号Aにおいて波形の山(ピーク)の位置で平坦となる位置に設定される。 As shown in FIG. 4, the SHP signal is set to a zero level position where there is no noise fluctuation or is small in the image pickup signal A, and the SHD signal is set to a position where the image pickup signal A is flat at the position of the peak of the waveform. Set.
CDS部103で検出された輝度レベルの信号は、タイミング制御部106で設定されたADCLK信号に従ってA/D変換部104においてA/D変換される。デジタル信号に変換された輝度レベルの信号は、転送部105においてLVDS等の所定の伝送フォーマットの撮像信号Dに変換されて、エンジン部108内の画像処理部112へ送信される。画像処理部112では、詳細な説明を省略するが、デジタルゲイン、ホワイトバランス、ガンマ補正等の画像処理を行って画像データを生成し、表示装置や記憶装置(共に不図示)等の後段へ出力する。このようにして、CMOSセンサ100の各画素から出力される画素信号から画像データが生成される。
The brightness level signal detected by the
ところで、撮像信号Aはアナログ信号である。そのため、CMOSセンサ100が高温になると、撮像信号Aにノイズが乗りやすくなり、また、読み出しCLK信号の変動によって撮像信号AがSHP信号及びSHD信号に対してずれてくる。その結果、CDS部103において、正しい輝度レベルを検出することができなくなる。そこで、基準CLK信号に基づいてタイミング検出部111でSHP信号及びSHD信号を設定する手法について、図6を参照して説明する。
By the way, the imaging signal A is an analog signal. Therefore, when the temperature of the
図6(a),(b)はそれぞれ、エンジン部108が基準CLK信号に基づいてSHP信号とSHD信号を適正に設定する手法を説明するタイミングチャートである。PLL部110は、エンジン内CLK信号生成部109が出力するマスターCLK信号を所定数に分割し、タイミング検出部111へ出力する。ここでは、マスターCLK信号を16分割しており、以下、PLL部110により16分割されてタイミング検出部111に出力される信号を「PLL出力」と称呼する。タイミング検出部111は、基準CLK信号の立ち上がりをPLL出力で検出し、タイミング検出信号を生成する。
6 (a) and 6 (b) are timing charts for explaining a method in which the
図6(a)に示す位置に基準CLK信号がある場合、タイミング検出信号は位置t5で出力され、このタイミング検出信号に基づいてSHP信号とSHD信号の位置が決定される。タイミング検出信号が位置t5で出力される場合、SHP信号は位置t5から1を差し引いた(1つ前の)位置t4に設定され、SHD信号は位置t5に8を加えた(8つ後の)位置t13に設定される。 When there is a reference CLK signal at the position shown in FIG. 6A, the timing detection signal is output at the position t5, and the positions of the SHP signal and the SHD signal are determined based on the timing detection signal. If the timing detection signal is output at position t5, the SHP signal is set to position t4 (one before) minus 1 from position t5, and the SHD signal is position t5 plus 8 (after eight). It is set at position t13.
図6(b)は、基準CLK信号の立ち上がり位置が早まった例を示している。タイミング検出信号が位置t2で出力された場合、SHP信号は位置t1に設定され、SHD信号は位置t13に設定される。なお、タイミング検出部111からタイミング制御部106へSHP信号とSHD信号の位置データを送信することによって、SHP信号とSHD信号を所定のタイミングでCDS部103への出力することができる。
FIG. 6B shows an example in which the rising position of the reference CLK signal is accelerated. When the timing detection signal is output at position t2, the SHP signal is set at position t1 and the SHD signal is set at position t13. By transmitting the position data of the SHP signal and the SHD signal from the
上記説明の通り、本実施形態では、転送CLK信号に相当する基準CLK信号に基づいてSHP信号とSHD信号の位置(SHP信号とSHD信号をCDS部103へ入力するタイミング)を変更可能とする。これにより、CMOSセンサ100から出力される撮像信号Aの輝度レベルを、転送CLK信号の変動に起因する歪みや変化に応じた適切なタイミングで検出することが可能になり、その結果、撮影画像の輝度変動を抑制して画像の品位を高めることが可能になる。
As described above, in the present embodiment, the positions of the SHP signal and the SHD signal (timing at which the SHP signal and the SHD signal are input to the CDS unit 103) can be changed based on the reference CLK signal corresponding to the transfer CLK signal. This makes it possible to detect the luminance level of the image pickup signal A output from the
さて、撮像信号Aに対するSHP信号とSHD信号の設定は、CMOSセンサ100の温度とSHP信号及びSHD信号の各タイミングとの関係を示すテーブルデータを用いて行うようにしてもよい。図7は、CMOSセンサ100の温度に基づいてSHP信号とSHD信号を適正なタイミングに設定するために用いられるテーブルデータ(タイミング値)の一例を示す図である。図7のテーブルデータは、実験等により得ることができ、エンジン部108(例えば、CPU_113のメモリ等の記憶手段)に保存される。例えば、CMOSセンサ100の温度T3[℃]の場合に、SHP信号はタイミングLhp−t3に設定され、SHD信号はタイミングLhd−t3に設定される。タイミングLhp−t1〜Lhp−tn,Lhd−t1〜Lhd−tnはそれぞれ、PLL部110により所定数に分割された複数のタイミング(図5の16分割の場合には位置t0〜t15)のいずれかに相当する。
By the way, the setting of the SHP signal and the SHD signal with respect to the image pickup signal A may be performed by using the table data showing the relationship between the temperature of the
テーブルデータを用いる場合、先ず、デジタルビデオカメラの起動時にエンジン部108(CPU_113)が温度センサ101によりCMOSセンサの温度を検出する。そして、CPU_113が、テーブルデータを参照して、SHP信号とSHD信号について、CMOSセンサ100の温度に対応したタイミングを選択する。続いて、タイミング検出部111を通じて選択したSHP信号及びSHD信号のタイミングを初期値に設定し、撮像信号Aの読み出しを開始する。また、タイミング検出部111は、図6を参照して説明したように、基準CLK信号からタイミング検出信号を検出し、基準CLK信号のスタート位置を設定する。例えば、図6(a)の場合の基準CLK信号のスタート位置(初期値)は位置t5となる。
When using the table data, first, the engine unit 108 (CPU_113) detects the temperature of the CMOS sensor by the
撮像信号Aを読み出している際に基準CLK信号が変動した場合、次のようにしてSHP信号とSHD信号の位置を変更する。すなわち、基準CLK信号が初期値のタイミングから+αだけ変化した場合、SHP信号とSHD信号の各位置も+αだけ移動させる。例えば、図6(a)の通りに初期値が設定されていた場合に、基準CLK信号の立ち上がりタイミングが位置t5から位置t6へ+1だけ移動したとする。この場合、SHP信号を位置t4から位置t5へ変更し、SHD信号を位置t13から位置t14へ変更する。 If the reference CLK signal fluctuates while reading the image pickup signal A, the positions of the SHP signal and the SHD signal are changed as follows. That is, when the reference CLK signal changes by + α from the timing of the initial value, the positions of the SHP signal and the SHD signal are also moved by + α. For example, when the initial value is set as shown in FIG. 6A, it is assumed that the rising timing of the reference CLK signal moves from the position t5 to the position t6 by +1. In this case, the SHP signal is changed from the position t4 to the position t5, and the SHD signal is changed from the position t13 to the position t14.
同様に、基準CLK信号が初期値のタイミングから−αだけ変化した場合、SHP信号とSHD信号の各位置も−αだけ移動させる。例えば、図6(a)の通りに初期値が設定されていた場合に、基準CLK信号の立ち上がりタイミングが位置t5から位置t4へ−1だけ移動したとする。この場合、SHP信号を位置t4から位置t3へ変更し、SHD信号を位置t13から位置t12へ変更する。このようにして、SHP信号とSHD信号をCDS部103へ入力するタイミングを可変とする。
Similarly, when the reference CLK signal changes by −α from the timing of the initial value, the positions of the SHP signal and the SHD signal are also moved by −α. For example, when the initial value is set as shown in FIG. 6A, it is assumed that the rising timing of the reference CLK signal moves from the position t5 to the position t4 by -1. In this case, the SHP signal is changed from the position t4 to the position t3, and the SHD signal is changed from the position t13 to the position t12. In this way, the timing of inputting the SHP signal and the SHD signal to the
以上述べたように、初期設定されたSHP信号及びSHD信号に対して基準CLK信号が変動した場合には、SHP信号とSHD信号をCDS部103へ入力するタイミングを変更可能とする。これにより、撮像信号Aの変化に対応した輝度レベルの検出が可能となり、画像品位を高めることができる。
As described above, when the reference CLK signal fluctuates with respect to the initially set SHP signal and SHD signal, the timing of inputting the SHP signal and SHD signal to the
次に、デジタルビデオカメラでの撮像信号Aの読み出し制御についてフローチャートを参照して説明する。図8は、デジタルビデオカメラでの撮像信号Aの読み出し制御のフローチャートである。図8のフローチャートの各処理は、CPU_113が自身のROMに格納されたプログラムを自身のRAMに展開して、CMOSセンサ100、AFE部102及びエンジン部108の動作を全体的に制御することにより実現される。
Next, the read control of the image pickup signal A in the digital video camera will be described with reference to the flowchart. FIG. 8 is a flowchart of reading control of the image pickup signal A by the digital video camera. Each process of the flowchart of FIG. 8 is realized by the CPU_113 expanding the program stored in its own ROM into its own RAM and controlling the operations of the
デジタルビデオカメラの電源をオンにすることで処理が開始される。S801でCPU_113は、温度センサ101によりCMOSセンサ100の温度Tn[℃]を検出する。S802でCPU_113は、図7のテーブルデータから、温度Tn[℃]に近いSHP信号とSHD信号の各データを選択する。S803でCPU_113は、CMOSセンサ100からの画素信号(撮像信号A)の読み出しを開始する。なお、通常は、画素信号の読み出しを開始すると、デジタルビデオカメラの内部温度が上昇する。そのため、S802では、温度センサ101により検出した温度Tn[℃]よりも高く、且つ、温度Tn[℃]に最も近く、更にテーブルデータに存在する温度Tb[℃]でのSHP信号とSHD信号の各データを選択する。
The process starts when the power of the digital video camera is turned on. In S801, the CPU_113 detects the temperature Tn [° C.] of the
S804でCPU_113は、温度センサ101によりCMOSセンサ100の温度を検出する。S805でCPU_113は、S804で検出した温度がTb[℃]か否かを判定する。CPU_113は、S804で検出した温度がTb[℃]であると判定した場合(S805でYES)、処理をS806へ進め、S804で検出した温度がTb[℃]ではないと判定した場合(S805でNO)、処理をS804へ戻す。
In S804, the CPU_113 detects the temperature of the
S806でCPU_113は、タイミング検出部111により基準CLK信号の位置(立ち上がり位置)を検出し、保持する。こうしてCMOSセンサ100の温度と選択したSHP信号及びSHD信号との対応がとれた基準CLK信号の位置を保持することで、SHP信号とSHD信号をCDS部103へ入力するタイミングを高い精度で設定することが可能となる。なお、CPU_113は、S806で検出された基準CLK信号の変動に応じてSHP信号とSHD信号の各タイミングを変更するように制御を行う。
In S806, the CPU_113 detects and holds the position (rising position) of the reference CLK signal by the
S807でCPU_113は、基準CLK信号の位置とCMOSセンサ100の温度を検出する。S808でCPU_113は、基準CLK信号の位置とCMOSセンサ100の温度の両方が変化したか否かを判定する。CPU_113は、両方が変化したと判定した場合(S808でYES)、処理をS809へ進め、両方が変化してはいない(基準CLK信号の位置のみが変化した)と判定した場合(S808でNO)、処理をS807へ戻す。S808の判定基準を設けるのは、基準CLK信号の変動は温度による要因が大きく、基準CLK信号がノイズ等の外的要因で変動した場合の誤動作を防ぐためである。但し、温度以外に基準CLK信号が変動する要因がある場合はこの限りではない。
In S807, the CPU_113 detects the position of the reference CLK signal and the temperature of the
S809でCPU_113は、黒レベル信号の読み出し時のSHP信号とSHD信号の各タイミングを変更する。S809の処理は、黒レベル信号のクランプ処理を用いて実行される。そこで、黒レベルクランプ処理について説明する。なお、黒レベルクランプ処理は、画像処理部112で行われる。
In S809, the CPU_113 changes the timings of the SHP signal and the SHD signal at the time of reading the black level signal. The processing of S809 is executed by using the clamping processing of the black level signal. Therefore, the black level clamping process will be described. The black level clamping process is performed by the
図9は、CMOSセンサ100の色情報を含む輝度レベルを出力する有効画素領域と、遮光されて黒レベルを出力するオプティカルブラック領域(OB領域(遮光領域))の構成を簡易的に示す図である。
FIG. 9 is a diagram simply showing the configuration of an effective pixel region that outputs a luminance level including color information of the
垂直OB領域900は水平方向に10行程度遮光された領域であり、垂直OB領域900にあるPDからは常に黒レベル信号(VOB)が出力される。水平OB領域901は垂直方向に10列程度遮光された領域であり、水平OB領域901にあるPDからも常に黒レベル信号(HOB)が出力される。有効画素領域902に配置されたPDからは、被写体の撮像信号が出力される。
The
VOBとHOBの黒レベルも、有効画素領域902から出力される撮像信号と同様に、転送CLK信号の影響によって変動する。そのため、HOBクランプ処理は、入力されるHOBを下記式1で表されるIIRフィルタに通すフィルタ処理により得られるHOBクランプ値を用いて行われる。なお、下記式1において、‘CLHOB_n’は現在のHOBクランプ値、‘HOB_n’は読み出されたHOBの黒レベル値、‘CLHOB_n−1’は現在の1つの前のHOBクランプ値である。また、‘β’は重み係数であり、0より大きく1より小さい値(0<β<1)を取る。
The black levels of VOB and HOB also fluctuate due to the influence of the transferred CLK signal, similarly to the imaging signal output from the
HOBクランプ処理では、水平OB領域901から読み出されるHOBの黒レベル値を下記式1により得られるHOBクランプ値で随時更新し、n行目のHOBの読み出し終了後のHOBクランプ値を有効画素領域902のn行目から減算する。HOBクランプ処理により、垂直方向のシェーディングを改善することができる。
In the HOB clamp process, the black level value of the HOB read from the
なお、重み係数βが大きいほど、入力されるHOBの黒レベルの比率が大きくなるため、黒が変動した場合のHOBクランプ値の収束は早くなるが、ノイズの影響を受けやすくなる。一方、重み係数βが小さいほど、HOBのクランプ値の収束は遅くなるが、ノイズの影響はうけ難くなる。 The larger the weighting coefficient β, the larger the ratio of the black level of the input HOB, so that the HOB clamp value converges faster when the black fluctuates, but it becomes more susceptible to noise. On the other hand, the smaller the weighting coefficient β, the slower the convergence of the HOB clamp value, but the less affected by noise.
VOBクランプ処理は、列アンプ205のオフセットによる影響を改善するための処理であり、列ごとにVOBクランプ値を持つ。VOBクランプ処理は、HOBクランプ処理と同様に、入力されるVOBを下記式2で表されるIIRフィルタに通すフィルタ処理で得られるVOBクランプ値を用いて行われる。なお、‘CLVOB_n’は現在のVOBクランプ値、‘VOB_n’は読み出されたVOBの黒レベル値、‘CLVOB_n−1’は現在の1つ前のVOBクランプ値、0<重み係数β<1、である。なお、下記式1と下記式2とで、重み係数βの値は同じであってもよいし異なっていてもよい。
The VOB clamp process is a process for improving the influence of the offset of the
VOBクランプ処理では、垂直OB領域900から読み出されるVOBの黒レベル値を下記式2で得られるVOBクランプ値で列ごとに随時更新する。そして、有効画素領域902から撮像信号を読み出す際に、読み出している有効画素領域902の列に対応したVOBクランプ値を減算する。
In the VOB clamp process, the black level value of the VOB read from the
CLHOB_n=β×HOB_n+(1-β)×CLHOB_n−1・・・式1
CLVOB_n=β×VOB_n+(1-β)×CLVOB_n−1・・・式2
CLHOB_n = β × HOB_n + (1-β) × CLHOB_n-1 ...
CLVOB_n = β × VOB_n + (1-β) × CLVOB_n-1 ...
上述の通りにHOBクランプ処理及びVOBクランプ処理を行うが、クランプ値が収束するまでには多くのHOBとVOBの読み出しを行う必要がある。上述した本実施形態の構成において転送CLK信号が変動した際にも、同様に黒レベルが変動することでクランプ値が収束するまでに時間を要する可能性がある。例えば、S809でSHP信号とSHD信号のタイミングを変更してクランプ処理を行った場合に、クランプ値が収束していないためにクランプ処理が適切に実行されない状況の発生が想定される。 The HOB clamp process and the VOB clamp process are performed as described above, but it is necessary to read out many HOBs and VOBs until the clamp values converge. Even when the transfer CLK signal fluctuates in the configuration of the present embodiment described above, it may take time for the clamp value to converge due to the fluctuation of the black level as well. For example, when the clamping process is performed by changing the timings of the SHP signal and the SHD signal in S809, it is assumed that the clamping process is not properly executed because the clamp values have not converged.
そこで、S809ではSHP信号とSHD信号の各タイミングを変更する前のHOBクランプ値(CLHOB_f)とVOBクランプ値(CLVOB_f)を保存し、HOBとVOBの読み出し時にのみSHP信号とSHD信号を変更する。そして、有効画素領域902からは、SHP信号とSHD信号を変更せずに撮像信号を読み出し、保存しておいたクランプ値(CLHOB_f、CLVOB_f)で補正する。更に、S809と同様の読み出しを所定のフレーム数で繰り返す。
Therefore, in S809, the HOB clamp value (CLHOB_f) and the VOB clamp value (CLVOB_f) before changing the timings of the SHP signal and the SHD signal are saved, and the SHP signal and the SHD signal are changed only when the HOB and the VOB are read out. Then, from the
この繰り返しを行う所定のフレーム数は、SHP信号とSHD信号のタイミング変更後にCLHOBとCLVOBが十分に収束するまでのフレーム数とし、上記式1,2での重み係数βの値によって変化する。つまり、重み係数βが大きいほど収束は早いためにフレーム数は少なくなり、重み係数βが小さいほど収束までに時間を要するためにフレーム数は多くなる。S809の処理は、このようにしてクランプ値が収束するまで行われる。
The predetermined number of frames in which this repetition is performed is the number of frames until the CLHOB and CLVOB sufficiently converge after the timing of the SHP signal and the SHD signal is changed, and changes depending on the value of the weighting coefficient β in the
図8のフローチャートの説明に戻る。CPU_113は、S809でクランプ値が収束すると、処理をS810へ進める。S810でCPU_113は、有効画素領域902から出力される撮像信号Aから輝度レベルを検出するためのSHP信号とSHD信号の各タイミングを変更する。
Returning to the description of the flowchart of FIG. When the clamp value converges in S809, the CPU_113 advances the process to S810. In S810, the CPU_113 changes the timings of the SHP signal and the SHD signal for detecting the luminance level from the image pickup signal A output from the
なお、1フレームの撮像途中でSHP信号とSHD信号のタイミングを変更すると、1画像内で輝度レベルが変化して、画面内で輝度にむらが生じる可能性があるため、SHP信号とSHD信号の各タイミングの変更はフレーム単位で行うようにすることが望ましい。また、基準CLK信号の変動が大きい場合に、SHP信号とSHD信号のタイミングを離散的に大きく変更させると、変更前後での輝度変化が顕著に視認することができる可能性がある。そのため、基準CLK信号の変動が大きい場合は、SHP信号とSHD信号のタイミングを最小分解能で連続的に変化させることが望ましい。 If the timing of the SHP signal and the SHD signal is changed during the imaging of one frame, the brightness level may change in one image and the brightness may be uneven in the screen. It is desirable to change each timing on a frame-by-frame basis. Further, when the fluctuation of the reference CLK signal is large, if the timings of the SHP signal and the SHD signal are changed significantly discretely, there is a possibility that the change in brightness before and after the change can be remarkably visually recognized. Therefore, when the fluctuation of the reference CLK signal is large, it is desirable to continuously change the timing of the SHP signal and the SHD signal with the minimum resolution.
S811でCPU_113は、デジタルビデオカメラの電源がオフにされたか否かを判定する。CPU_113は、電源がオンのままであると判定した場合(S811でNO)、処理をS807へ戻し、電源がオフにされたと判定した場合(S811でYES)、本処理を終了させる。 In S811, CPU_113 determines whether or not the power of the digital video camera has been turned off. When the CPU_113 determines that the power remains on (NO in S811), the process returns to S807, and when it determines that the power is turned off (YES in S811), the CPU_113 ends this process.
このように、VOB及びHOBを用いてクランプ処理を行う場合には、先ず、OB領域からの出力信号についてのみ、CDS部103での黒レベルと輝度レベルの検出タイミング(SHP信号とSHD信号のタイミング)を変更する。そして、クランプ値が収束した後に有効画素領域902からの出力信号に対する黒レベルと輝度レベルの検出タイミングを変更する。これにより、撮影画像の輝度変動を抑制して画像の品位を高めることが可能になる。
In this way, when performing the clamping process using VOB and HOB, first, only for the output signal from the OB region, the detection timing of the black level and the luminance level in the CDS unit 103 (timing of the SHP signal and the SHD signal). ) Is changed. Then, after the clamp values have converged, the detection timings of the black level and the luminance level with respect to the output signal from the
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて詳述してきたが、本発明はこれら特定の実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。更に、上述した各実施形態は本発明の一実施形態を示すものにすぎず、各実施形態を適宜組み合わせることも可能である。例えば、上記説明では、CDS部103がAFE部102に含まれ、CMOSセンサ100とは独立して配置された構成としたが、CDS部103とA/D変換部104がCMOSセンサ100に含まれる構成となっていても構わない。
Although the present invention has been described in detail based on the preferred embodiments thereof, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various embodiments within the scope of the gist of the present invention are also included in the present invention. included. Further, each of the above-described embodiments is merely an embodiment of the present invention, and each embodiment can be combined as appropriate. For example, in the above description, the
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。 The present invention supplies a program that realizes one or more functions of the above-described embodiment to a system or device via a network or storage medium, and one or more processors in the computer of the system or device reads and executes the program. It can also be realized by the processing to be performed. It can also be realized by a circuit (for example, ASIC) that realizes one or more functions.
100 CMOSセンサ
101 温度センサ
102 AFE部
103 CDS部
105 転送部
106 タイミング制御部
108 エンジン部
111 タイミング検出部
112 画像処理部
200 フォトダイオード
207 CMOS内CLK信号生成部
208 出力バッファ
900 垂直OB領域
901 水平OB領域
902 有効画素領域
100
Claims (9)
前記転送CLK信号を生成すると共に前記転送CLK信号に基づく基準CLK信号を生成する生成手段と、
前記撮像信号の黒レベルと輝度レベルの差分を所定のタイミングで検出する相関二重サンプリング回路と、
前記基準CLK信号の変動に応じて前記所定のタイミングを変更するタイミング制御手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。 An image sensor that has a plurality of pixels and outputs the electric charge generated by photoelectric conversion for each pixel as an image pickup signal in synchronization with a predetermined transfer CLK signal.
A generation means for generating the transfer CLK signal and a reference CLK signal based on the transfer CLK signal.
A correlated double sampling circuit that detects the difference between the black level and the luminance level of the imaging signal at a predetermined timing,
An image pickup apparatus comprising: a timing control means for changing the predetermined timing according to a fluctuation of the reference CLK signal.
前記遮光領域から出力される黒レベルを収束させるフィルタ処理を行う処理手段を更に備え、
前記タイミング制御手段は、前記基準CLK信号が変動した場合に、前記遮光領域から出力される撮像信号を検出する前記所定のタイミングを前記基準CLK信号の変動に応じて変更し、前記フィルタ処理により前記黒レベルが収束した後に、前記有効画素領域から出力される撮像信号を検出する前記所定のタイミングを前記基準CLK信号の変動に応じて変更することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。 The image sensor has a light-shielding region that is shielded from light and outputs a black level, and an effective pixel region that outputs a luminance level including color information.
Further provided with a processing means for performing a filtering process for converging the black level output from the light-shielding area.
When the reference CLK signal fluctuates, the timing control means changes the predetermined timing for detecting the imaging signal output from the light-shielding region according to the fluctuation of the reference CLK signal, and performs the filter processing. The imaging according to claim 1 or 2, wherein after the black level has converged, the predetermined timing for detecting the imaging signal output from the effective pixel region is changed according to the fluctuation of the reference CLK signal. Device.
前記撮像素子の温度に対応した前記所定のタイミングを設定するためのタイミング値を保持する保持手段と、を更に備え、
前記タイミング制御手段は前記保持手段に保持されたタイミング値に基づいて、前記撮像素子の温度に近い温度のタイミング値を設定した後、前記撮像素子の温度が前記近い値になった後に前記基準CLK信号の変動に応じて前記所定のタイミングを変更することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の撮像装置。 A temperature detecting means for detecting the temperature of the image sensor and
Further provided with a holding means for holding a timing value for setting the predetermined timing corresponding to the temperature of the image sensor.
The timing control means sets a timing value having a temperature close to the temperature of the image sensor based on the timing value held by the holding means, and after the temperature of the image sensor reaches the close value, the reference CLK is used. The image pickup apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the predetermined timing is changed according to a fluctuation of a signal.
前記タイミング制御手段は、前記変動検出手段により検出された変動量と変動方向と同じ変動量と変動方向へ前記所定のタイミングを変更することを請求項1乃至6のいずれか1項に記載の撮像装置。 Further provided with a fluctuation detecting means for detecting the fluctuation amount and the fluctuation direction of the reference CLK signal,
The imaging according to any one of claims 1 to 6, wherein the timing control means changes the predetermined timing in the same fluctuation amount and fluctuation direction as the fluctuation amount and fluctuation direction detected by the fluctuation detection means. Device.
所定の信号に基づいて転送CLK信号と基準CLK信号を生成するステップと、
複数の画素を有する撮像素子から光電変換により生成した電荷を画素ごとに撮像信号として前記転送CLK信号に同期させて読み出し、相関二重サンプリング回路へ出力するステップと、
前記相関二重サンプリング回路において前記撮像信号の黒レベルと輝度レベルを検出するタイミングを指示する信号を前記基準CLK信号に基づいて生成するステップと、
前記タイミングを指示する信号を前記相関二重サンプリング回路へ供給し、前記相関二重サンプリング回路で前記撮像信号の黒レベルと輝度レベルを検出するステップと、
前記基準CLK信号の変動を検出するステップと、を有し、
前記タイミングを指示する信号を生成するステップでは、前記基準CLK信号が変動した場合には当該変動に応じて前記タイミングを変更することを特徴とする撮像装置の制御方法。 It is a control method of the image pickup device.
Steps to generate a transfer CLK signal and a reference CLK signal based on a predetermined signal,
A step of reading out the electric charge generated by photoelectric conversion from an image sensor having a plurality of pixels in synchronization with the transfer CLK signal as an image pickup signal for each pixel, and outputting it to a correlated double sampling circuit.
A step of generating a signal indicating a timing for detecting the black level and a luminance level of the imaging signal in the correlated double sampling circuit based on the reference CLK signal, and a step of generating the signal.
A step of supplying a signal indicating the timing to the correlated double sampling circuit and detecting the black level and the luminance level of the imaging signal by the correlated double sampling circuit.
It has a step of detecting the fluctuation of the reference CLK signal and
A control method for an imaging device, characterized in that, in a step of generating a signal instructing the timing, when the reference CLK signal fluctuates, the timing is changed according to the fluctuation.
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