JP3545118B2 - 固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法及びスミア除去回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像素子の垂直転送に起因して発生する垂直スミアの電荷量の算出方法及びこの算出方法を採用して画像信号の垂直スミア成分を除去するようにしたスミア除去回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
固体撮像素子を用いた撮像装置においては、固体撮像素子の露光状態を最適に保つように露光制御手段が設けられる。この露光制御手段としては、固体撮像素子に入射する光量を被写体の輝度に応じて制御する機械的な絞り機構や、固体撮像素子の電荷の蓄積時間を被写体の輝度に応じて制御する、いわゆる電子シャッタなどが知られてる。
【0003】
図6は、フレーム転送方式のCCD固体撮像素子を用いた撮像装置の構成を示すブロック図で、図7は、その動作を説明するタイミング図である。
固体撮像素子1は、撮像部1i、蓄積部1s、水平転送部1h及び出力部1dより構成される。撮像部1iは、互いに平行に配列される垂直方向に連続する複数のシフトレジスタからなり、これらのシフトレジスタの各ビットが複数の受光ビットを形成し、各受光ビットに被写体映像に対応して発生する情報電荷を蓄積する。蓄積部1sは、撮像部1iの各シフトレジスタに連続し、且つ、ビット数が一致する複数のシフトレジスタからなり、シフトレジスタの各ビットが蓄積ビットを形成し、各蓄積ビットに撮像部1iから転送される1画面分の情報電荷を一時的に蓄積する。水平転送部1hは、蓄積部1sの複数のシフトレジスタの各出力がそれぞれ各ビットに接続される単一のシフトレジスタからなり、蓄積部1sに蓄積される1画面分の情報電荷を1行単位で受け取り、順次水平方向に転送して出力する。そして、出力部1dは、電気的に独立した容量及びその容量の電位変化を取り出すアンプからなり、水平転送部1hから出力される情報電荷を1ビット単位で容量に受けて電圧値に変換し、画像信号Y0(t)として出力する。
【0004】
クロック発生回路2は、フレーム転送クロック発生部2f、垂直転送クロック発生部2v、水平転送クロック発生部2h及び基板クロック発生部2bより構成される。フレーム転送クロック発生部2fは、垂直同期信号VDに同期し、垂直走査のブランキング期間内に撮像部1iの情報電荷を素早く蓄積部1sへ転送するフレーム転送クロックφfを撮像部1iに供給する。垂直転送クロック発生部2sは、フレーム転送クロックφfによって転送される情報電荷を蓄積部1sに取り込むと共に、取り込んだ1画面分の情報電荷を水平同期信号HDに同期し、水平走査のブランキング期間内に1行ずつ水平転送部1hへ転送する垂直転送クロックφvを蓄積部1sに供給する。水平転送クロック発生部2hは、水平同期信号HDに同期し、垂直転送クロックφvに応答して1行毎に取り込まれる情報電荷を順次出力部1d側へ転送する水平転送クロックφhを水平転送部1hに供給する。また、水平転送クロック発生部2hでは、出力部1dの容量に1ビット単位で蓄積される情報電荷を水平転送クロックφhに同期して排出するリセットクロックφrが生成され、出力部1dに供給される。そして、基板クロック発生部2bは、垂直走査期間の途中で所定の期間立ち上げられる基板クロックφbを固体撮像素子1の基板側印加する。この基板クロックφbは、撮像部1iに蓄積される情報電荷を排出するためのものであり、基板クロックφbによる情報電荷の排出動作が完了してからフレーム転送クロックφfによる情報電荷の転送動作が開始されるまでの期間Lが情報電荷の蓄積時間となる。尚、基板クロックφbが立ち上げられる期間には、フレーム転送クロックφfが撮像部1iのゲート電極をクロッキングし、撮像部1iの情報電荷を効率よく排出させるようにしている。
【0005】
タイミング制御回路3は、垂直同期信号VD及び水平同期信号HDに基づいて、垂直走査に同期したフレーム転送タイミング信号FT、垂直走査及び水平走査に同期した垂直転送タイミング信号VT及び水平走査に同期した水平転送タイミング信号HTを生成し、クロック発生回路2の各部2f、2v、2hに供給する。また、後述するデジタル信号処理回路6から供給される積分データに基づいて、排出タイミング信号BTを生成し、クロック発生回路2の基板クロック発生部2bに供給する。この排出タイミング信号BTは、画像データD1(n)の1画面毎の積分値を表す積分データが適正値より大きくなった場合にはタイミングを遅らせて情報電荷の蓄積時間Lを短くし、逆に、適正値より小さくなった場合にはタイミングを早めて情報電荷の蓄積時間を長くするように生成される。これにより、固体撮像素子1の露光状態が常に適正になるようにフィードバック制御が行われる。
【0006】
アナログ信号処理回路4は、固体撮像素子1から出力される画像信号Y0(t)を取り込み、サンプルホールド、AGC(自動利得制御)等の処理を施し、所定のフォーマットに従う画像信号Y1(t)として出力する。例えば、サンプルホールド処理においては、基準レベルと信号レベルとが一定の周期で交互に繰り返される画像信号Y0(t)から、各レベルの差のみが取り出され、AGC処理では、画像信号Y1(t)の1画面内の平均レベルを適正な範囲に納めるように画像信号Y0(t)に対する利得が調整される。A/D変換回路5は、アナログ信号処理回路4から出力される画像信号Y1(t)をアナログ信号処理回路4の処理動作(固体撮像素子1の出力動作)に同期してデジタルデータに変換し、固体撮像素子1の各受光ビットに対応した画像データD1(n)を生成する。そして、デジタル信号処理回路6は、画像データD1(n)を取り込み、輪郭補正や1画面単位での積分処理、さらに、カラー撮像の場合には、色バランスの制御やフィルタリング等の処理を施し、新たな画像データD2(n)として出力する。この画像データD2(n)は、D/A変換回路によりアナログ値に変換されて表示装置に転送されるか、あるいは、そのまま記録媒体に記録される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
フレーム転送方式の固体撮像素子1においては、撮像部1iの各受光ビットに蓄積される情報電荷を蓄積部1sの蓄積ビットまで転送する際、光を受けて常に電荷を発生している受光ビットを通過させている。このため、受光ビット内を転送される過程で、不要な電荷、即ち、スミア電荷が情報電荷に混入し、再生画面上にスミアを発生させている。例えば、図8に示すように、撮像部1iの一部に明るいスポット光があたっている場合、各受光ビットに蓄積される情報電荷を蓄積部1sの蓄積ビットへ転送する際、スポット光のあたってる部分を通過して転送される情報電荷に多量のスミア電荷が混入することになる。これによって、固体撮像素子1から得られる画像情報を表示する再生画面上では、明るい被写体の下の位置にスミアが発生し易くなる。
【0008】
このようなスミアを抑圧する方法としては、本出願人による特願平1−120908号(特開平2−301270号)に示されるように、1行分のスミア情報をラインメモリに記憶し、そのスミア情報を画像信号の各行毎に差し引くことが考えられている。しかしながら、フレーム転送方式の固体撮像素子1の場合、撮像部1iの最初の行の読み出しから最後の行の読み出しまでの間に時間差があるため、画像信号に含まれるスミア成分は1行毎に段階的に増加する。従って、ラインメモリに記憶されたスミア情報を各行毎に画像信号から差し引いたとしても、情報電荷の読み出しの時間差に起因するスミア成分が残される。特に、固体撮像素子1にモザイク型のカラーフィルタが装着された場合には、1行毎に増加するスミア成分が画像信号の信号処理での色演算の演算誤差を招き、再生画面上で色むらを発生させることになる。
【0009】
そこで本発明は、固体撮像素子から情報電荷を読み出す際、読み出し時間の差に起因して生じるスミア成分を検出し、除去することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の課題を解決するために成されたもので、固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法において、複数の受光ビットが行方向及び列方向に配置された固体撮像素子で、所定の期間に各受光ビットに蓄積される情報電荷を一定の周期で列方向に転送すると共に、1行ずつ行方向に転送して出力する際、各受光ビットに蓄積された情報電荷を列方向に転送する過程で混入するスミア電荷の量を、各受光ビットに蓄積された情報電荷量から情報電荷の蓄積時間と情報電荷の列方向への転送周期との比に基づいて各受光ビット毎に推定し、この推定値を情報電荷の転送経路にある受光ビット数分累加算してスミア電荷量の合計を算出することを特徴とする。
【0011】
これにより、情報電荷が垂直方向に1行だけ転送される間に、各受光ビットに混入するスミア電荷量が各行毎にそれぞれ算出される。各受光ビットでの情報電荷の蓄積から転送出力までの期間が短く、各受光ビットに照射される光の強度が大きく変化することは少ないため、所定の蓄積期間で各受光ビットに蓄積される情報電荷量からほぼ正確なスミア電荷量を推定することができる。そして、その推定値を情報電荷の転送経路にある受光ビットの数だけ加算することにより、最終的に取り出される出力電荷量に含まれるスミア電荷量を算出することができる。
【0012】
さらに本発明は、スミア除去回路において、固体撮像素子の撮像部にマトリクス配置された複数の受光ビットにそれぞれ蓄積される情報電荷の量を表し、1行単位で連続する第1の画像データからスミアデータを減算して第2の画像データを生成する減算回路と、この減算回路から出力される上記第2の画像データを各列毎に第1行目から順次累加算して1行分の累加算データを記憶するラインメモリと、このラインメモリから読み出される上記累加算データに上記固体撮像素子の各受光ビットでの情報電荷の蓄積時間に応じて決定される係数を乗算して上記スミアデータを生成する乗算回路と、を備えたことを特徴とする。
【0013】
スミア成分が差し引かれた第2の画像データを累加算し、その累加算データに所定の係数を掛けることによって各列毎のスミア電荷量が推定される。そして、そのスミア電荷量を示すスミアデータを第1の画像データから差し引くことによって、垂直転送の時間差に起因するスミア成分が除去された第2の画像データをえることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明のスミア電荷量の算出方法の原理を説明する図で、受光ビットの各行毎の出力電荷量Vi,jを示す。尚、この図においては、各受光ビットが受ける光の量が全て均一である場合を示している。
フレーム転送方式の固体撮像素子の場合、i行j列の受光ビットから得られる出力電荷量Vi,jは、受光ビットの単位時間あたりの蓄積電荷量をEi,j(t)とすると、式1によって与えられる。
【0015】
【数1】
【0016】
ここで、t1及びt2は、各受光ビットにおける情報電荷の蓄積開始時刻及び蓄積終了時刻であり、Δtは、各受光ビットに蓄積された情報電荷がフレーム転送時に1つの受光ビットを通過するのに要する時間である。この式1で、右辺の第1項は、所定の蓄積時間(t2−t1)中に1つの受光ビットに蓄積される情報電荷の量を示し、第2項は、1つの受光ビットに蓄積された情報電荷が撮像部から蓄積部までフレーム転送される過程で混入するスミア電荷の量を示している。即ち、受光ビットの単位時間あたりの蓄積電荷量Ei,j(t)を時刻t1から時刻t2まで積分した値によって各受光ビットに蓄積される情報電荷量が表される。そして、単位時間あたりの蓄積電荷量Ei,j(t)をΔtの分だけ積分した値によってフレーム転送時に情報電荷が1つの受光ビットを通過する間にその受光ビットで発生する情報電荷量が表され、この積分値を転送経路にある受光ビットの分だけ加算した値によってスミア電荷量が表される。
【0017】
ここで、時刻t1から時刻t2まで、さらには、時刻t2+nΔtまでの時間が短く、その間の入射光量が変化しないと仮定すると、受光ビットの単位時間あたりの蓄積電荷量Ei,j(t)を一定値(この値をEi,jとする)とすることができ、式1の計算結果は式2となる。
【0018】
【数2】
【0019】
さらに、時刻t1から時刻t2までの間に各受光ビットに蓄積される情報電荷量、即ち、(t1−t2)・Ei,jをSi,jに置き換えると、式2は式3に変形される。
【0020】
【数3】
【0021】
従って、各受光ビットに真に蓄積される情報電荷量Si,jは、式4によって与えられることになる。
【0022】
【数4】
【0023】
即ち、固体撮像素子の各受光ビットから得られる出力電荷量Vi,jからスミア電荷量を差し引いた値が各受光ビットに蓄積される情報電荷量Si,jとなる。
ここで、NTSC方式に対応した場合、フレーム転送の周波数をサブキャリア信号の周波数とすると、Δtは0.28μsecとなり、1水平走査期間(63.6μsec)の約1/228となる。これにより、受光ビットでの情報電荷の蓄積時間が1水平走査期間のときに、各受光ビットに蓄積される情報電荷量の1/228がスミア電荷量となる。そして、情報電荷の蓄積時間がn倍になれば、スミア電荷量の割合は1/nとなる。
【0024】
以上のような計算式に基づいて、本発明の固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法を、図2に示すような4行4列に受光ビットが配置されたフレーム転送方式の固体撮像素子を例に挙げて説明する。
撮像部は、4ビットに分割された4本のシフトレジスタからなり、4行4列の受光ビットP11〜P44を構成する。蓄積部は、受光部と同様に、4ビットに分割された4本のシフトレジスタからなり、各シフトレジスタが撮像部の各シフトレジスタに直列に接続されて4行4列の蓄積ビットQ11〜Q44を構成する。水平転送部は、4ビットに分割された1本のシフトレジスタからなり、各ビットが蓄積部の4本のシフトレジスタの出力を受けて水平方向へ転送出力するように構成される。
【0025】
所定の蓄積期間を経過して各受光ビットP11〜P44に蓄積される情報電荷は、各シフトレジスタ内を撮像部から蓄積部までフレーム転送され、対応する蓄積ビットQ11〜Q44にそれぞれ蓄積される。1行目の蓄積ビットQ11〜Q14から取り出される出力電荷量V1,1〜V1,4は、1行目の受光ビットP11〜P14に蓄積された情報電荷をフレーム転送の開始直後に遮光された蓄積部内へ転送して取り出したものであるため、スミア電荷がほとんど含まれておらず、1行目の各受光ビットに蓄積された情報電荷量S1,1〜S1,4に一致する。2行目の蓄積ビットQ21〜Q24から取り出される出力電荷量V2,1〜V2,4は、2行目の受光ビットP21〜P24に蓄積された情報電荷を1行目の受光ビットP11〜P14を通過して蓄積部へ転送したものであるため、2行目の受光ビットP21〜P24に蓄積された情報電荷量S2,1〜S2,4と1行目の受光ビットで発生するスミア電荷量とを加算した量に一致する。ここで、2行目の受光ビットに蓄積された情報電荷が1行目の受光ビットP11〜P14を通過する間に混入するスミア電荷量は、所定の蓄積時間〔t2−t1〕に1行目の受光ビットP11〜P14に蓄積される情報電荷量S1,1〜S1,4に、その蓄積時間と通過時間〔Δt〕との比〔k〕を掛けた値で表される。即ち、t2−t1の時間に1行目の受光ビットP11〜P14に蓄積される情報電荷量がS1,1〜S1,4であれば、同じ受光ビットP11〜P14においてΔtの間に発生するスミア電荷量は、k・S1,1〜k・S1,4〔k=Δt/(t2−t1)〕となる。この場合にも、式2の計算と同様に、情報電荷の蓄積開始からフレーム転送の完了までの間で各受光ビットの単位時間あたりの蓄積電荷量Ei,j(t)は変化しないものと仮定している。このようなスミア電荷量の算出方法は、全ての行の受光ビットP11〜P44に対して適用することができる。
【0026】
3行目の蓄積ビットQ31〜Q34から取り出される出力電荷量V3,1〜V3,4は、3行目の受光ビットP31〜P34に蓄積された情報電荷を2行目及び1行目の受光ビットP21〜P24、P11〜P14を通過して蓄積部へ転送したものである。このため、3行目の受光ビットP31〜P34に蓄積される情報電荷量S3,1〜S3,4と2行目及び1行目の受光ビットP21〜P24、P11〜P14で発生するスミア電荷量とを加算した量に一致する。各受光ビットP21〜P24、P11〜P14で発生するスミア電荷の量は、上述の算出方法により、それぞれk・S2,1〜k・S2,4及びk・S1,4〜k・S1,4となり、これらを加算したk・(S2,1+S1,1)〜k・(S1,1+S1,4)が出力電荷量V3,1〜V3,4に含まれるスミア電荷量となる。この加算処理の際には、先に算出された、2行目の蓄積ビットQ21〜Q24から取り出される出力電荷量V2,1〜V2,4に含まれるスミア電荷量k・S1,1〜k・S1,4に2行目の受光ビットP21〜P24で発生するスミア電荷量k・S2,1〜k・S2,4を加算して得るようにすればよい。そして、4行目の蓄積ビットQ41〜Q44から読み出される出力電荷量V4,1〜V4,4は、4行目の受光ビットP41〜P44に蓄積された情報電荷を第3行目、2行目及び1行目の受光ビットP31〜P34、P21〜P24、P11〜P14を通過して蓄積部へ転送したものである。このため、4行目の受光ビットP41〜P44に蓄積される情報電荷量S4,1〜S4,4と3行目、2行目及び1行目の受光ビットP31〜P34、P21〜P24、P11〜P14で発生するスミア電荷とを加算した量に一致する。各受光ビットP31〜P34、P21〜P24、P11〜P14で発生するスミア電荷の量は、上述の算出方法により、それぞれk・S3,1〜k・S3,4、k・S2,1〜k・S2,4及びk・S1,1〜k・S1,4となり、これらを全て加算したk・(S3,1+S2,1+S1,1)〜k・(S3,4+S2,4+S1,4)が出力電荷量V4,1〜V4,4に含まれるスミア電荷量となる。この加算処理の際には、先に算出された、3行目の蓄積ビットQ31〜Q34から取り出される出力電荷量V3,1〜V3,4に含まれるスミア電荷量k・(S2,1+S1,1)〜k・(S2,4+S1,4)に3行目の受光ビットP31〜P34で発生するスミア電荷量k・S3,1〜k・S3,4を加算して得るようにすればよい。
【0027】
受光ビットの数が4以上である場合でも、1行進む毎にスミア電荷量を1ビット分ずつ加算するようにすれば、スミア電荷量を順次算出することが可能になる。例えば、i行目の蓄積ビットから取り出される出力電荷量Vi,jに含まれるスミア電荷量を算出する際には、1行前の蓄積ビットから取り出される出力電荷量Vi−1,jに含まれるスミア電荷量に対して、i−1行目の受光ビットで発生するスミア電荷量を加算すればよい。即ち、同一列に配置された受光ビットに蓄積される情報電荷は、同一の転送経路を経て蓄積部まで転送されるため、短い期間内においては、その転送経路で発生するスミア電荷の量も同じとなる。そこで、転送経路にある受光ビットの数が1行多くなる度に、その1行分の受光ビットで発生するスミア電荷量を順次加算すれば、全ての行でスミア電荷量を容易に算出することができる。
【0028】
以上のような固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法は、フレーム転送方式の固体撮像素子の他、情報電荷読み出し用のシフトレジスタが各受光ビットに隣接して配置されるインターライン方式の固体撮像素子にも適用することができる。インターライン方式の固体撮像素子の場合、i行j列の受光ビットから得られる出力電荷量Vi,jは、フレーム転送方式の固体撮像素子の場合と同様にして、式5によって与えられる。
【0029】
【数5】
【0030】
ここでaは、各受光ビットからシフトレジスタ部への電荷の漏れ込みの割合を表す係数であり、1未満の定数で表される。
インターライン方式の固体撮像素子の場合、各受光ビットに蓄積された情報電荷は、遮光されたシフトレジスタ内へ直接転送されるため、フレーム転送方式の固体撮像素子のように、各受光ビットに発生する電荷がそのままスミア電荷となることはない。しかしながら、受光ビットに隣接して配置されるシフトレジスタに、各受光ビットから転送された情報電荷を一時的に蓄積するようにしているため、次画面の情報電荷を蓄積している受光ビットから漏れ出した情報電荷の一部がスミア電荷となって情報電荷に混入する。この混入の度合いは、各受光ビットに入射される光の強度に比例しており、その比例係数をaとして表している。この係数aの値は、固体撮像素子の構造や受光ビットに入射する光の波長によって異なるため、実際の撮像によって得られる出力をモニタしながら最適値を決定することが好ましい。
【0031】
式5は、式1と同様に、右辺の第1項が所定の蓄積時間(t2−t1)中に1つの受光ビットに蓄積される情報電荷の量を示し、第2項が1つの受光ビットに蓄積された情報電荷がシフトレジスタ内を垂直方向に転送されて出力される過程で混入するスミア電荷の量を示している。即ち、受光ビットの単位時間あたりの蓄積電荷量Ei,j(t)を時刻t1から時刻t2まで積分した値によって各受光ビットに蓄積される情報電荷量が表される。そして、単位時間あたりの蓄積電荷量Ei,j(t)をΔtの分だけ積分した値に上述の係数aを掛けて情報電荷が1つの受光ビットの横を通過する間にその受光ビットから混入する電荷量が表される。さらに、その電荷量を転送経路にある受光ビットの分だけ加算した値によってスミア電荷量が表される。
【0032】
インターライン方式の固体撮像素子においても、フレーム転送方式の固体撮像素子の場合と同様に、t1からt2、さらにはt2+nΔtまで各受光ビットの単位時間あたりの蓄積電荷量Eij(t)が一定であると仮定すると、各受光ビットに蓄積される情報電荷量Si,jは、式6によって表される。
【0033】
【数6】
【0034】
以上のような計算式に基づいて、本発明の固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法を、図3に示すような4行4列に受光ビットが配置されたインターライン方式の固体撮像素子を例に挙げて説明する。
4行4列に配置されたフォトダイオードは、それぞれ受光ビットP11〜P44を構成する。これらの受光ビットP11〜P44の各列毎に、4ビットに分割されたシフトレジスタが並列に接続され、各受光ビットP11〜P44にそれぞれ蓄積ビットQ11〜Q44が対応付けられる。水平転送部は、4ビットに分割された1本のシフトレジスタからなり、各ビットが4本のシフトレジスタの出力を受けて水平方向へ転送出力するように構成される。
【0035】
所定の蓄積期間を経過して各受光ビットP11〜P44に蓄積される情報電荷は、それぞれ対応する蓄積ビットQ11〜Q44に転送されて一時的に蓄積される。1行目の蓄積ビットQ11〜Q14から取り出される出力電荷量V1,1〜V1,4は、各蓄積ビットQ11〜Q44に蓄積される情報電荷をすぐに水平転送部へ転送して取り出したものであるため、スミア電荷をほとんど含んでおらず、1行目の受光ビットに蓄積された情報電荷量S1,1〜S1,4に一致する。2行目の蓄積ビットQ21〜Q24から取り出される出力電荷量V2,1〜V2,4は、1行目の受光ビットP11〜P14に隣接する1行目の蓄積ビットQ11〜Q14を通過して水平転送部へ転送して取り出したものである。このため、2行目の受光ビットP21〜P24に蓄積される情報電荷量S2,1〜S2,4と1行目の受光ビットP11〜P14から漏れ込むスミア電荷量とを加算した量に一致する。1行目の蓄積ビットQ11〜Q14を通過する間に混入するスミア電荷量は、所定の蓄積時間〔t2−t1〕に1行目の受光ビットP11〜P14に蓄積される情報電荷量S1,1〜S1,4に、その蓄積時間と通過時間〔Δt〕との比〔k〕を掛け、さらに、受光ビットP11〜P14から蓄積ビットQ11〜Q14への電荷の漏れ込み係数〔a〕を掛けた値で表される。即ち、t2−t1の時間に1行目の受光ビットP11〜P14に蓄積される情報電荷量がS1,1〜S1,4であれば、同じ受光ビットP11〜P14においてΔtの間に発生する電荷量は、S1,1・Δt/(t2−t1)〜S1,4・Δt/(t2−t1)となり、この電荷量のa倍がスミア電荷量となる。このようなスミア電荷量の算出方法は、全ての行の受光ビットP11〜P44に対して適用することができる。
【0036】
3行目の蓄積ビットQ31〜Q34から取り出される出力電荷量V3,1〜V3,4は、3行目の蓄積ビットQ31〜Q34に蓄積された情報電荷を2行目及び1行目の受光ビットP21〜P24、P11〜P14に隣接する2行目及び1行目の蓄積ビットQ21〜Q24、Q11〜Q14を通過して水平転送部へ転送して取り出したものである。このため、3行目の受光ビットP31〜P34に蓄積される情報電荷量S3,1〜S3,4と2行目及び1行目の蓄積ビットQ21〜Q24、Q11〜Q14で混入するスミア電荷量とを加算した量に一致する。各蓄積ビットQ21〜Q24、Q11〜Q14で発生するスミア電荷量は、上述の算出方法により、それぞれak・S2,1〜ak・S2,4及びak・S1,1〜ak・S1,4となり、これらを加算したak・(S2,1+S1,1)〜ak・(S2,4+S1,4)が出力電荷量V3,1〜V3,4に含まれるスミア電荷量となる。この加算処理の際には、先に算出された、2行目の蓄積ビットQ21〜Q24から取り出される出力電荷量V2,1〜V2,4に含まれるスミア電荷量ak・S1,1〜ak・S1,4に2行目の受光ビットP21〜P24で発生するスミア電荷量ak・S2,1〜ak・S2,4を加算して得るようにすればよい。そして、4行目の蓄積ビットQ41〜Q44から読み出される出力電荷量V4,1〜V4,4は、4行目の蓄積ビットQ41〜Q44に蓄積された情報電荷を第3行目、2行目及び1行目の蓄積Q31〜Q34、Q21〜Q24、Q11〜Q14を通過して水平転送部へ転送して取り出したものである。このため、4行目の受光ビットP41〜P44に蓄積される情報電荷量S4,1〜S4,4と3行目、2行目及び1行目の蓄積ビットQ31〜Q34、Q21〜Q24、Q11〜Q14で発生するスミア電荷とを加算した量に一致する。各蓄積ビットQ31〜Q34、Q21〜Q24、Q11〜Q14で発生するスミア電荷の量は、上述の算出方法により、それぞれak・S3,1〜ak・S3,4、ak・S2,1〜ak・S2,4及びak・S1,1〜ak・S1,4となり、これらを全て加算した量ak・(S3,1+S2,1+S1,1)〜ak・(S3,4+S2,4+S1,4)が出力電荷量V4,1〜V4,4に含まれるスミア電荷量となる。この加算処理の際には、先に算出された、3行目の蓄積ビットQ31〜Q34から取り出される出力電荷量V3,1〜V3,4に含まれるスミア電荷量ak・(S2,1+S1,1)〜ak・(S2,4+S1,4)に3行目の蓄積ビットQ31〜Q34で発生するスミア電荷量ak・S3,1〜ak・S3,4を加算して得るようにすればよい。
【0037】
受光ビットの数が4以上である場合でも、フレーム転送方式の固体撮像素子の場合と同様に、1行進む毎にスミア電荷量を1ビット分ずつ加算するようにすれば、全ての行でスミア電荷量を容易に算出することができる。
図4は、本発明のスミア除去回路の構成を示すブロック図である。尚、このスミア除去回路は、出力電荷量Vi,jをデジタルの画像データとして演算処理するものであり、図6に示す撮像装置に対しては、デジタル信号処理回路6の入力側に付加される。
【0038】
減算回路11は、1行単位で連続して入力される画像データからスミアデータを減算し、スミア成分を含まない画像データとして出力する。加算回路12は、減算回路11から出力される画像データと後述するラインメモリ13から読み出される累加算データとを加算し、加算データをラインメモリ13に供給する。ラインメモリ13は、1画面分の画像データの入力が完了する毎にリセットされ、加算回路12から入力される加算データを1行ずつ記憶する。これにより、加算回路12では1画面の画像データが各列で累加算され、ラインメモリ13には累加算データが記憶されることになる。乗算回路14は、ラインメモリ13から読み出される累加算データに対し、露光データによって決定される所定の係数を乗算してスミア成分を表すスミアデータを生成する。ビットシフト回路15は、乗算回路14から入力されるスミアデータを下位ビット側へシフトし、スミアデータと累加算データとの桁合わせを行う。ラインメモリ13に記憶された累加算データから実際のスミア量を算出するには、累加算データに対して1以下の小さい係数を乗算する必要があり、この乗算処理をそのまま実行すれば演算誤差が生じやすくなる。そこで、演算誤差を少なくするため、本来スミア量を算出するために累加算データに乗算すべき係数を2^n倍して乗算用の係数を設定し、その係数をラインメモリ13から読み出される累加算データに乗算した後、ビットシフトによって1/2^nとすることで、スミアデータを算出するようにしている。そして、係数発生回路16は、固体撮像素子の露光状態を表す露光データに対応した係数を発生し、乗算回路14に供給する。
【0039】
ここで、減算回路11に入力される画像データは、図6に示す撮像装置によって得られるものであり、複数の受光ビットが行列配置された固体撮像素子から得られる出力電荷量Vi,jに対応している。従って、このスミア除去回路では、上述の式4あるいは式6と同等の演算が行われることになり、固体撮像素子での垂直転送によって生じるスミア成分が除去される。
【0040】
図5は、係数発生回路16に与えられる露光データを取り出すようにした露光制御回路の構成を示すブロック図である。この露光制御回路は、固体撮像素子の1画面毎の受光時間を設定するものであり、図6に示す撮像装置においては、タイミング制御回路3に含まれる。
露光判定回路17は、画像データを1画面単位で積分した積分値を受けて、その積分値が適正範囲内にあるか否かを垂直走査期間毎に判定する。この判定の結果、積分値が適正範囲より大きくなったときには露光抑制指示を発生し、適正範囲より小さくなったときには露光促進指示を発生する。この露光判定回路17での画像データの判定は、垂直走査期間毎に行われる。アップダウンカウンタ18は、露光判定回路17の露光抑制指示を受けてカウントアップされ、露光促進指示を受けてカウントダウンされることにより、固体撮像素子での電荷の排出タイミングを水平走査番号として保持する。ステップカウンタ19は、垂直同期信号VDでリセットされて水平同期信号HDでカウントアップされ、各垂直走査期間に水平走査番号を計時する。そして、比較回路20は、ステップカウンタ19のカウント値がアップダウンカウンタ18のカウント値に一致するタイミングで排出タイミング信号BTを立ち上げる。この排出タイミング信号BTに基づいた固体撮像素子の露光制御は、図6に示すとおりである。
【0041】
以上の露光制御回路では、固体撮像素子の露光期間、即ち、電荷の排出タイミングが水平走査番号としてアップダウンカウンタ18に保持されており、このアップダウンカウンタ18に保持された値が露光データとして取り出される。例えば、NTSC方式に対応した場合、アップダウンカウンタ18は、「1」から「262」の間でカウントアップあるいはカウントダウンされ、その間の値の1つが露光データとしてスミア除去回路に与えられる。
【0042】
【発明の効果】
本発明によれば、固体撮像素子の各受光ビットに蓄積される情報電荷を垂直方向に転送する過程で発生するスミア電荷量を容易に算出することができる。そして、算出したスミア電荷量を出力電荷量から順次差し引くようにすることで、スミア成分を効率よく除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法の原理を説明する図である。
【図2】フレーム転送方式の固体撮像素子の模式的平面図である。
【図3】インターライン方式の固体撮像素子の模式的平面図である。
【図4】本発明のスミア除去回路の構成を示すブロック図である。
【図5】スミア除去回路に露光データを供給する露光制御回路の構成を示すブロック図である。
【図6】従来の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図7】撮像装置の動作を説明するタイミング図である。
【図8】フレーム転送方式の固体撮像素子に発生するスミアの状態を表す図である。
【符号の説明】
1 固体撮像素子
1i 撮像部
1s 蓄積部
1h 水平転送部
1d 出力部
2 クロック発生回路
2f フレーム転送クロック発生部
2v 垂直転送クロック発生部
2h 水平転送クロック発生部
2b 基板クロック発生部
3 タイミング制御回路
4 アナログ信号処理回路
5 A/D変換回路
6 デジタル信号処理回路
11 減算回路
12 加算回路
13 ラインメモリ
14 乗算回路
15 ビットシフト回路
16 係数発生回路
17 露光判定回路
18 アップダウンカウンタ
19 ステップカウンタ
20 比較回路
Claims (5)
- 複数の受光ビットが行方向及び列方向に配置された固体撮像素子で、所定の期間に各受光ビットに蓄積される情報電荷を一定の周期で列方向に転送すると共に、1行ずつ行方向に転送して出力する際、各受光ビットに蓄積された情報電荷を列方向に転送する過程で混入するスミア電荷の量を、各受光ビットに蓄積された情報電荷量から情報電荷の蓄積時間と情報電荷の列方向への転送時の1受光ビットを通過する時間との比に基づいて各受光ビット毎に推定し、この推定値を情報電荷の転送経路にある受光ビット数分累加算してスミア電荷量の合計を算出することを特徴とする固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法。
- 上記固体撮像素子は、複数の受光ビットに蓄積される情報電荷を受光ビット列に直列に接続される垂直転送部へ列単位でシリアルに転送するフレーム転送方式であり、情報電荷を各受光ビットから垂直転送部へ転送する過程で発生するスミア電荷量を算出することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法。
- 上記固体撮像素子は、複数の受光ビットに蓄積される情報電荷を受光ビット列に並列に接続される垂直転送部へ列単位でパラレルに転送するインターライン方式であり、垂直転送部へ転送された情報電荷を垂直転送部から1行単位で取り出しながら1行ずつ垂直方向へ転送する過程で発生するスミア電荷の量を算出することを特徴とする請求項1に記載の固体撮像素子のスミア電荷量の算出方法。
- 固体撮像素子の撮像部にマトリクス配置された複数の受光ビットにそれぞれ蓄積される情報電荷を転送出力して得られる出力電荷量を表し、1行単位で連続する第1の画像データからスミアデータを減算して第2の画像データを生成する減算回路と、この減算回路から出力される上記第2の画像データを各列毎に第1行目から順次累加算して1行分の累加算データを記憶するラインメモリと、このラインメモリから読み出される上記累加算データに上記固体撮像素子の各受光ビットでの情報電荷の蓄積時間及び情報電荷の列方向への転送時の1受光ビットを通過する時間との比に応じて決定される係数を乗算して上記スミアデータを生成する乗算回路と、を備えたことを特徴とするスミア除去回路。
- 上記固体撮像素子の各受光ビットでの情報電荷の蓄積時間を決定する露光データに基づいて所定の上記係数を発生するスミア係数発生回路を備えたことを特徴とする請求項4に記載のスミア除去回路。
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