JP3831460B2 - 相関二重サンプリング装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は相関二重サンプリング装置に係り、特にノイズ除去量をさらに大きくでき、映像信号成分に及ぶ影響を排除してそのハードウェアの実装面積を減らしうる相関二重サンプリング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的に、カラー及び黒/白CCD(CHARGE COUPLED DEVICE)イメージセンサーを用いたカメラの信号処理技術で相関二重サンプリング(CORRELATIVE DOUBLE SAMPLING:以下CDSと称する)は撮像されたCCDの出力信号処理過程で最も先に行うべきサンプリング方法であって、これはCCDの出力信号に含まれているノイズを除去して純粋映像情報のみを得ることである。前記CCDイメージセンサーから出力された信号の第1処理過程の相関二重サンプリングは一定した周期を有する所定の信号に同期されるサンプリングパルスを入力されて行われるが、このようにCCDイメージセンサーの出力信号を処理する従来の相関二重サンプリング装置を図1に示し、図1と関連する動作波形を図2に示した。
【0003】
図1と図2、3を参照すれば、従来の相関二重サンプリング装置はCCDイメージセンサー2から出力された映像信号(図2A)をDCカップリングするキャパシタ4と、前記キャパシタ4から出力される信号をクランピングするDCクランプ部6と、前記クランプ部6から発生された信号をサンプリング及びホールディングする第1、3サンプル/ホールド回路8、14前記第1サンプル/ホールド回路8から出力されるデータを再びサンプリング及びホールディングする第2サンプル/ホールド回路12を具備する。また、従来の相関二重サンプリング装置は前記第2、3サンプル/ホールド回路12、14から出力されたデータを入力され差動増幅する差動増幅部18と、差動増幅部18と関連して高周波成分を除去するローパスフィルタ(LPF)20と、前記第1サンプル/ホールド回路8に所定の第1サンプリングパルス(図2B)をバッファリングして提供する第1バッファ部10、前記第2、3サンプル/ホールド回路12、14に所定の第2サンプリングパルス(図2C)を各々バッファリングして提供する第2バッファ部16を具備する。ここで、前記DCクランプ部6には図2Dに示されているようなクランプパルスが入力され、第2、3サンプル/ホールド回路12、14から出力された信号はDCクランプ部6にフィードバックされ入力される。
【0004】
前記のように構成された従来の相関二重サンプリング装置の作用及び動作を図1及び図2、3に基づき説明すれば次のようである。
【0005】
CCDカメラシステム(図示せず)で被写体を撮像すれば、CCDイメージセンサー2は図2Aに示されているような映像信号を出力する。前記映像信号はキャパシタ4でDCカップリングされた後DCクランプ部6に入力される。クランプ部6は図2Dに示されているようなクランプパルスによりDCカップリングされた前記映像信号をDC再生して第1、3サンプル/ホールド回路8、14に入力する。前記DC再生はクランプパルス(図2D)がハイの区間、即ちCCDイメージセンサー2の出力がダークレベルに該当される区間を基準として行われる。
【0006】
前記のようにDCクランプ部6から出力された信号がDCを保ちながら第1サンプル/ホールド回路8に入力されると、第1サンプル/ホールド回路8は図2Bに示されたような第1サンプリングパルスの周期に合わせてハイとなる時、該当するCCDイメージセンサー2の信号をサンプリングし、ロー期間にはホールディング動作を繰返して図2Eのような波形を出力する。
【0007】
同様に、DCクランプ部6から出力された信号がDCを保ちながら第3サンプル/ホールド回路14に入力されると、第3サンプル/ホールド回路14は図2Cに示されたような第2サンプリングパルスの周期に合わせてハイとなる時、該当するCCDイメージセンサー2の信号をサンプリングし、ロー期間にはホールディング動作を繰返して図3Gのような波形を出力する。
【0008】
また、第2サンプル/ホールド回路12は第2サンプリングパルスを入力され第1サンプル/ホールド回路8でサンプリングされた信号を再びサンプリングする。こうすれば、第2サンプル/ホールド回路12から出力される波形は図3Fに示されているように第3サンプル/ホールド回路14の出力波形(図3G)の周期と同じ周期を有することになる。
【0009】
前記のようにサンプリングノイズの含まれた第2、3サンプル/ホールド回路12、14の出力信号を差動増幅器18に入力すれば、前記差動増幅器18は図3Hのような差信号を発生する。差動増幅器18の出力信号(図3H)がLPF20に入力されると、LPF20は前記差動増幅器18で除去されない高周波領域のサンプリングノイズ成分を強制的に抑制して図3Iのような波形を出力する。ここで、前記LPF20が高周波領域のノイズ成分を強制的に抑制することにより映像情報のエッジ成分も図3Iに示されたように劣化されて出力される。前述したような従来のCDS装置では信号に対したサンプリング過程で発生されるノイズ、即ちサンプル/ホールド回路のスイッチング動作時、能動素子(例えば、トランジスター及びダイオード)の過度現象とサンプル/ホールド用キャパシタとの相関関係により発生されるノイズに対した対策として、相関二重サンプリングを行って得た両極性(+、−)信号と、同位相のノイズ成分を差動増幅器を通して信号成分は出力させ、ノイズ成分はコモンモード除去比(COMMON MODE REJECTION RATIO:CMRR)により抑制する方式であった。
【0010】
しかし、前記のような方式によれば、前記差動増幅器の特性が発生したノイズ量の抑制を支配することになる。即ち、一般的な差動増幅器のコモンモード除去比(以下、CMRRと称する)の特性が低周波領域では良好であるが、高周波領域ではその特性が劣化するので約10MHz帯域以上に分布するサンプリングノイズを抑制するには適しない問題点があった。
【0011】
また、従来のCDS装置において、差動増幅器で除去されない高周波帯域に分布するサンプリングノイズを減らすための方法として低域通過フィルター(LOW PASS FILTER:LPF)を使用したりするが、この方法によれば前述したように所定の映像信号成分にも影響を与えて高周波帯域に分布するエッジ成分に対した利得を共に減衰させることにより、前記映像信号の質を評価する重要要素の1つである解像度の低下をもたらす問題点があった。
【0012】
さらに従来のCDS装置では高域通過フィルター(HPF)を通して高周波帯域に分布するノイズ成分を抽出した後、これを180°位相反転して原信号に加算する方法があるが、このような方法も映像信号成分に影響を与えて解像度の低下をもたらす問題点があった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解決するため創出されたものであって、ノイズ除去量をより大きくし、ノイズ除去効率を向上させうる相関二重サンプリング装置を提供するにその目的がある。
【0014】
本発明のさらに他の目的は映像信号成分に与えられる影響を排除して解像度を向上させ、実質的なハードウェアの具現時そのサイズを減らしうる相関二重サンプリング装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明による相関二重サンプリング装置は、イメージセンサー手段から出力された映像信号をDCクランピングして出力するクランピング回路部と、前記クランピング回路部から出力される信号をサンプリング及びホールディングする第1及び第3サンプル/ホール回路部と、前記第1サンプル/ホールド回路部から出力される信号をサンプリング及びホールディングして出力する第2サンプル/ホールド回路部と、前記第2及び第3サンプル/ホールド回路部から各々出力される信号を再びサンプリング及びホールディングして出力する第4及び第5サンプル/ホールド回路部と、前記第2及び第3サンプル/ホールド回路部から出力される信号を各々レベル補正し、前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部の出力と位相同期される信号を出力する2つ以上のレベル補正部と、前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部と前記レベル補正部での出力信号を各々入力され、第1サンプリングパルスに応じて、前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部の出力信号と前記レベル補正部の出力信号とを交代で通過させ所定のサンプリングノイズを除去する2つ以上のノイズ除去手段と、前記2以上のノイズ除去手段から各々出力される信号を入力され差動増幅して出力する差動倍幅手段とを含むことを特徴とする。
【0016】
また、本発明の相関二重サンプリング装置において、前記第1サンプリングパルスは、前記第1サンプル/ホールド回路部と前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部及び前記ノイズ除去手段に印加されることを特徴とする。
【0017】
さらに、本発明の相関二重サンプリング装置において、前記ノイズ除去手段は前記第1サンプリングパルスがハイの場合、前記レベル補正部の出力信号を前記差動増幅手段に入力させ、前記第1サンプリングパルスがローの場合は前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部の出力信号を前記差動増幅手段に入力させることにもその特徴があり、前記第2及び第3サンプル/ホールド回路部には、前記第1サンプリングパルスと違うタイミングを持つ第2サンプリングパルスが印加される特徴がある。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面に基づき本発明による相関二重サンプリング装置の望ましい実施例を詳しく説明する。
【0019】
図4を参照すれば、本発明による相関二重サンプリング装置は映像信号に含まれたノイズを効率的に除去するため従来のLPFまたはHPFの代りにレベル補正器及びノイズ除去器を採用したものであって、従来の相関二重サンプリング装置と同様にCCDイメージセンサー2から出力された映像信号(図5A)をDCカップリングするキャパシタ4と、前記キャパシタ4から出力される信号をクランピングするDCクランプ部6と、前記クランプ部6から発生された信号をサンプリング及びホールディングする第1、3サンプル/ホールド回路8、14、前記第1サンプル/ホールド回路8から出力される信号を再びサンプリング及びホールディングする第2サンプル/ホールド回路12、前記第1サンプル/ホールド回路8に所定の第1サンプリングハルス(図5B)をバッファリングして提供する第1バッファ部10、前記第2、3サンプル/ホールド回路12、14に所定の第2サンプリングパルス(図5C)を各々バッファリングして提供する第2バッファ部16を具備する。ここで、本発明による図4の構成要素の中、図1のような作用及び動作をする構成要素には図1と同じ部材番号を与え、その詳細な説明は略する。
【0020】
そして、本発明によるCDS装置は第2、3サンプル/ホールド回路12、14から出力される信号を各々2次または3次にサンプリング及びホールディングする第4、5サンプル/ホールド回路30、32と、前記第2、3サンプル/ホールド回路12、14から出力される2つの信号が各々入力されこれら信号を交代で1信号ずつ出力することにより前記第4、5サンプル/ホールド回路30、32の出力信号に含まれたノイズ成分を各々除去させる第1、2ノイズ除去器36、38の出力を各々入力され差動増幅する差動増幅器18を含む。ここで、前記第4、5クランピング30、32と第1、2ノイズ除去器36、38は第1サンプリングパルス(図5B)をバッファリングする第3バッファ部34からパルス信号が提供される。そして、第1、2ノイズ除去器36、38から出力される信号CS、DSはDCクランプ部60にフィードバックされ入力される。
【0021】
前記DCクランプ部60は図6に示されているようにネガティブフィードバック方式のクランプ回路として電流ミラー及び他の回路を構成する複数のトランジスターと抵抗及びキャパシタを含んで構成され、前記サンプル/ホールド回路等と前記レベル補正器及びノイズ除去器等も図7、図8、図9に示されているように複数のトランジスターと抵抗及びキャパシタを含んで各々構成される。
【0022】
前記のように構成された本発明によるCDS装置の作用及び動作を図4乃至図9に基づき詳しく説明すれば次のようである。
【0023】
まず、本発明によるCDS装置は従来技術のCDS装置と同様にCCDカメラシステムで被写体を撮像すれば、CCDイメージセンサー2は図5Aに示されているような映像信号を出力する。前記映像信号はキャパシタ4でDCカップリングされた後DCクランプ部60に入力される。クランプ部60は図5Dに示されているようなクランプパルスによりDCカップリングされた前記映像信号をDC再生して第1、3サンプル/ホールド回路8、14に入力する。前記DC再生はクランプパルス(図5D)がハイの区間、即ちCCDイメージセンサー2の出力がダークレベルに該当する区間を基準として行われる。また、前記のようにDCクランプ部60から出力された信号がDCを保ちながら第1サンプル/ホールド回路8に入力されると、第1サンプル/ホールド回路8は図5Bに示されたような第1サンプリングパルスの周期に合わせてハイとなる時、該当されるCCDイメージセンサー2の信号をサンプリングし、ロー期間にはホールディング動作を繰返して図2Eような波形を出力する。同様に、クランプ部60から出力された信号がDCを保ちながら第3サンプル/ホールド回路14に入力されると、第3サンプル/ホールド回路14は図5Cに示されたような第2サンプリングパルスの周期に合わせてハイとなる時、該当されるCCDイメージセンサー2の信号をサンプリングし、ロー期間にはホールディング動作を繰返して図5Fのような波形を出力する。また、第2サンプル/ホールド回路12は第2サンプリングパルスを入力され第1サンプル/ホールド回路8でサンプリングされた信号を再びサンプリングする。こうすれば、第2サンプル/ホールド回路12から出力される波形は図5Eに示されているように第3サンプル/ホールド回路14の出力波形(図5F)の周期と同じ周期を有することになる。
【0024】
前述の通り、第2、3サンプル/ホールド回路12、14から同一周期の信号波形が出力されると、第4、5サンプル/ホールド回路30、32は再び図5Bのサンプリングパルスを用いてサンプリングし、図5G、図5Hのような信号波形を出力する。また、前記第2、3サンプル/ホールド回路12、14の出力信号が図7に示されているような前記各サンプル/ホールド回路の入出力間DCレベルを補正するため図8のように構成された第1、2レベル補正器26、28に各々入力されると、第1レベル補正器26は第2サンプル/ホールド回路12の出力を第4サンプル/ホールド回路30のDC出力と一致させ、第2レベル補正器28は第3サンプル/ホールド回路14の出力を第5サンプル/ホールド回路32のDC出力と一致させた後、その出力信号を第1、2ノイズ除去器36、38に各々入力する。
【0025】
前記のように、第1、2レベル補正器26、28及び第4、5サンプル/ホールド回路30、32の出力信号が第1、2ノイズ除去器36、38に各々入力されると、第1ノイズ除去器36は図5Bのサンプリングパルスに応じて第1レベル補正器26の出力と第4サンプル/ホールド回路30の出力を交代で出力して図5Iに示されたようなサンプリングノイズの出力が除去された信号を差動増幅器18の−側入力端に入力する。同様に、第2ノイズ除去器38は図5Bのサンプリングパルスに応じて第2レベル補正器28の出力と第5サンプル/ホールド回路32の出力を交代で出力して図5Jに示されたようなサンプリングノイズの出力が除去された信号を差動増幅器18の他側入力端に入力する。前記のようにサンプリングノイズの除去された各信号が差動増幅器18の両入力端(+、−)に入力されると、差動増幅器18はその差を出力するが、この場合差動増幅器のCMRR特性によりノイズがさらに抑制される。
【0026】
図6に本発明のDCクランプ部60の具体的な一実施例を示した。前記DCクランプ部60は回路の動作点に符合するDC再生を目的とするネガティブフィードバック方式のクランプ回路として、図5I、図5Jの第1、2ノイズ除去器36、38の出力がフィードバック入力されトランジスターQ3とトランジスターQ4の比較動作により第1、2ノイズ除去器36、38の出力DC電圧をクランプ電圧と一致させる。前記のようなDCクランプ部60の動作はクランプパルス(図5A)がハイの区間、即ちCCDイメージセンサー2の出力信号がダークの区間で成されるが、例えば第2ノイズ除去器38の出力のDC電圧がクランプ電圧より高い時はトランジスターQ5、Q7、Q9、Q10よりなる電流ミラーがキャパシタCの充電された電荷を放電させることによりトランジスターQ14のベース電位は降下され、クランプ出力のDC電圧も降下することによりサンプル/ホールド回路を含む全体ループ(LOOP)のDC電圧も降下し、結局フィードバックされて再び戻った第2ノイズ除去器38のDC電圧がクランプ電圧と一致するまで前記DCクランプ部60は反復動作をする。
【0027】
そして、第2ノイズ除去器38のDC電圧がクランプ電圧より低い場合にはトランジスターQ6、Q8よりなる電流ミラーにより前記の場合と逆にキャパシタCを充電させる動作を通して前記DCクランプ部60は第2ノイズ除去器38のDC電圧とクランプ電圧を一致させる動作をする。ここで、前記キャパシタCに充電或は放電される電流量をΔi、フィードバックされるDC電圧をVfbkとした場合の関係式は次のようである。
Δi=[Vt/(IB1/2)]×(Vfbk−Vclamp)
【0028】
また、トランジスターQ11、Q12、Q13よりなる補償回路はバッファトランジスターQ14のベース電流を補償する回路であって、トランジスターQ11はトランジスターQ14と同じタイプのトランジスターであり、IB3=IB2、即ち(IB3/βQ14)=(IB2/βQ11)とし、クランプパルスのローの期間にトランジスターQ14のベース電流によるキャパシタ(C)の充電作用を防止する。
【0029】
前記第1ノイズ除去器36の出力の前記DCクランプ部60へのフィードバックループ動作は前述した第2ノイズ除去器38の出力の前記DCクランプ部60へのフィードバックループ動作と同一である。
【0030】
図7に本発明に使用されるサンプル/ホールド回路の具体的な一実施例を示した。図7を参照すれば、サンプル/ホールド回路の一実施例の回路は図5の動作波形図(図5E乃至図5H)に示されたように、サンプリングパルスのハイ/ローの中間値(Vth)とトランジスターQ4、Q5の比較動作に応じてサンプリング時はトランジスターQ1、Q2、Q5、Q6がターンオンされて抵抗R1を通してキャパシタCにサンプリングされた入力電圧が出力される。そして、ホールディング時にはトランジスターQ5、Q6がターンオフされキャパシタCは充電された電荷を次のサンプリング期間までホールドする。ここで、トランジスターQ7、Q8、Q10よりなる回路はバッファトランジスターQ9のベース電流によるキャパシタCの充電作用を防止するための補償回路である。
【0031】
図8に本発明に使用されるレベル補正器26、28の具体的な一実施例を示した。図8を参照すれば、レベル補正器26、28はサンプル/ホールド回路の動作時、人出力間発生されるDCレベルのシフトを補償するためのものであって、ノイズ除去器36、38の付加回路として作用する。即ち、レベル補正器26、28はそのバイアス電流ソースIB1..IB4を図8のサンプル/ホールド回路のバイアス電流ソースIB1. IB4と各々一致させ、トランジスターQ1、Q2、Q6、Q7、Q8、Q9及び抵抗R1..R3を各々同じタイプの同じ値として前記各トランジスターのベース−エミッタ間の電圧(Vbe)値によるDCレベルを相互一致させる。
【0032】
図9に本発明に使用されるノイズ除去器36、38の具体的な一実施例を示した。図9に示された各ノイズ除去器36、38はその動作及び構成自体において同一である。前記のように構成されたノイズ除去器のうち第2ノイズ除去器38の出力発生動作を図10乃至図11に基づき説明すれば次のようである。図11B、図11Cに示されているような第2レベル補正器28の出力と第5サンプル/ホールド回路32の出力が第2ノイズ除去器38に入力されると、前記第2ノイズ除去器38は図11Dのような第1サンプリングパルスにより前記第2レベル補正器28の出力と第5サンプル/ホールド回路32の出力を交代で通過させる。即ち、第1サンプリングパルスがハイの場合、前記ノイズ除去器のトランジスターQ14がターンオンされ第2レベル補正器28の出力のみ通過され、第1サンプリングパルスがローの場合は前記ノイズ除去器のトランジスターQ13がターンオンされ第5サンプル/ホールド回路32の出力のみ通過されることにより、究極的に図11Bの波形図に示されたサンプリングノイズが除去される。従って、ノイズ除去器では最終的に図11Eのようなサンプリングノイズの除去された波形が出力される。
【0033】
【発明の効果】
前述したように本発明によるCDS装置は所定のレベル補正手段とノイズ除去手段を具備することによりサンプリングノイズをさらに効率よく除去しうる。本発明は前記実施例に限定されず、本発明の技術的思想内で当分野の通常の知識を有する者により多くの変形が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の相関二重サンプリング装置を示した構成図である。
【図2】 AないしEは従来の相関二重サンプリング装置の動作波形図である。
【図3】 FないしIは従来の相関二重サンプリング装置の動作波形図である。
【図4】 本発明による相関二重サンプリング装置を示した構成図である。
【図5】 A乃至Kは本発明による相関二重サンプリング装置の動作波形図である。
【図6】 図3のクランプ部の一実施例を示した回路図である。
【図7】 図3のサンプル/ホールド回路部の一実施例を示した回路図である。
【図8】 図3のレベル補正部の一実施例を示した回路図である。
【図9】 図3のノイズ除去部の一実施例を示した回路図である。
【図10】 本発明によるノイズ除去部の動作を説明するための回路図である。
【図11】 本発明によるノイズ除去部の動作を説明するための説明図である。
【符号の説明】
2 CCDイメージセンサー、4 キャパシタ、6 DCクランプ部、8 第1サンプル/ホールド回路、10 第1バッファ部、12 第2サンプル/ホールド回路、14 第3サンプル/ホールド回路、16 第2バッファ部、18 差動増幅部、20 ローパスフィルタ、26 第1レベル補正器、28 第2レベル補正器、30 第4サンプル/ホールド回路、32 第5サンプル/ホールド回路、34 第3バッファ部、36 第1ノイズ除去器、38 第2ノイズ除去器、60 DCクランプ部
Claims (7)
- イメージセンサー手段から出力された映像信号をDCクランピングして出力するクランピング回路部と、
前記クランピング回路部から出力される信号をサンプリング及びホールディングする第1及び第3サンプル/ホール回路部と、前記第1サンプル/ホールド回路部から出力される信号をサンプリング及びホールディングして出力する第2サンプル/ホールド回路部と、
前記第2及び第3サンプル/ホールド回路部から各々出力される信号を再びサンプリング及びホールディングして出力する第4及び第5サンプル/ホールド回路部と、
前記第2及び第3サンプル/ホールド回路部から出力される信号を各々レベル補正し、前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部の出力と位相同期される信号を出力する2つ以上のレベル補正部と、
前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部と前記レベル補正部での出力信号を各々入力され、第1サンプリングパルスに応じて、前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部の出力信号と前記レベル補正部の出力信号とを交代で通過させ所定のサンプリングノイズを除去する2つ以上のノイズ除去手段と、
前記2以上のノイズ除去手段から各々出力される信号を入力され差動増幅して出力する差動倍幅手段とを含むことを特徴とする相関二重サンプリング装置。 - 前記第1サンプリングパルスは、前記第1サンプル/ホールド回路部と前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部及び前記ノイズ除去手段に印加されることを特徴とする請求項1に記載の相関二重サンプリング装置。
- 前記ノイズ除去手段は前記第1サンプリングパルスがハイの場合、前記レベル補正部の出力信号を前記差動増幅手段に入力させ、前記第1サンプリングパルスがローの場合は前記第4及び第5サンプル/ホールド回路部の出力信号を前記差動増幅手段に入力させることを特徴とする請求項1に記載の相関二重サンプリング装置。
- 前記第2及び第3サンプル/ホールド回路部には、前記第1サンプリングパルスと違うタイミングを持つ第2サンプリングパルスが印加されることを特徴とする請求項1に記載の相関二重サンプリング装置。
- 前記クランピング回路部には前記ノイズ除去手段の出力信号がフィードバック入力されることを特徴とする請求項1に記載の相関二重サンプリング装置。
- 前記クランピング回路部は電流ミラー手段と充放電手段を含むことを特徴とする請求項1に記載の相関二重サンプリング装置。
- 前記第1ないし第5サンプル/ホールド回路部は所定の入力電圧がサンプリング及びホールディングされるように充放電作用する充放電キャパシタと、前記充放電キャパシタの充放電を制御するスイッチングトランジスターと、前記入力電圧のサンプリング時前記充放電キャパシタの充電を防止する防止手段とを含むことを特徴とする請求項1に記載の相関二重サンプリング装置。
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