JP3868885B2 - Ｃｃｄ撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子から得られた映像信号を高速に読み出すことが可能な多チャネルシリアル転送部を有するＣＣＤ（Charge coupled device ）撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なＣＣＤ撮像装置には、複数の受光素子がマトリクス状に配置されてなる受光部と、受光部の各受光素子によって被写体からの入射光に応じて蓄積した信号電荷を転送する転送部と、転送された信号電荷に応じて生成した信号を増幅し、映像信号として出力するゲインアンプが含まれている。受光素子は、例えばフォトダイオード、ＭＯＳイメージセンサなどによって構成され、転送部はＣＣＤによって構成されている。
【０００３】
転送部には、受光素子の蓄積電荷を上記マトリクスの列方向、例えば、画面上の垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送されてくる電荷をマトリクスの行方向、例えば、画面上の水平方向に転送し、上記ゲインアンプに出力する水平転送部とを有する。垂直転送部により、垂直方向に１画素ずつ電荷の転送が行われる。このため、垂直転送部によって行われる一回の垂直転送で画面上１ライン分の映像信号が水平転送部に転送される。
【０００４】
垂直転送部での電荷の転送では、１ライン分の画素に対応する信号電荷が並列で転送されるが、水平転送部での電荷の転送では、１ライン分の画素に対応する電荷がシリアルに転送される。このため、垂直転送は、パラレル転送部とも呼ばれ、水平転送部は、シリアル転送部とも呼ばれている。シリアル転送部では、垂直転送部における垂直転送の間で、１ライン分の画素に対応する電荷をすべてゲインアンプに出力しなければならないので、垂直転送部に較べてより高速な転送が要求される。ここで、例えば垂直転送部の転送クロック信号の周波数をｆV とし、また１ラインの画素数をｍとすると、シリアル転送部の転送クロック信号の周波数ｆH がｍｆV 以上でなければならない。
【０００５】
高速な撮像を行う場合、単位時間あたり撮像されるフレーム数が増加するので、垂直転送クロック信号及び水平転送クロック信号の周波数が増加する。特に、上述したように水平転送クロック信号の周波数は、垂直転送クロック信号の周波数よりも高いので、ＣＣＤの最大転送可能な速度を超えて、電荷を完全に転送できなくなるほか、映像信号を増幅して出力するための増幅回路の周波数帯域を超えて映像信号に歪みが発生することがある。
【０００６】
これらの問題を解決するために、高速なＣＣＤ撮像装置では、シリアル転送部が並列に配置されている２本または２本以上のＣＣＤからなるいわゆるマルチチャネル転送方式が提案されている。これによって、シリアル転送部では、各チャネルのＣＣＤは通常のシリアル転送周期の２倍またはそれ以上の時間で１ライン分の画素信号を転送すればよく、シリアル転送用クロック信号の周波数を低くすることができる。逆に、シリアル転送部の各チャネルの転送用クロック信号周波数を通常のままで、撮像可能なフレーム周波数をチャネルの本数分だけ高くできるので、高速な撮影を実現可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した複数本のＣＣＤを並列に配置したシリアル転送部を有するＣＣＤ撮像装置では、チャネルごとにゲインアンプが設けられ、各チャネルのＣＣＤによって転送される信号がそのチャネルのゲインアンプによって増幅されて出力される。
マルチチャネルのシリアル転送において、各チャネルに設けられたゲインアンプの特性が同一である必要があるが、実際には何らかの原因でゲインアンプの特性にバラツキが存在する。ゲインアンプの特性のバラツキは、利得及び／またはオフセットの相違として現れる。
【０００８】
このように、マルチチャネルのシリアル転送部において、チャネル間のゲインアンプの特性の差はそのまま画像信号のバラツキとなってしまうため、ＣＣＤ撮像装置の画質の劣化を引き起こすおそれがある。
【０００９】
従来、シリアル転送を行う各チャネルのゲインアンプの特性を調整し、バラツキを補正していた。しかし、すべてのチャネルのゲインアンプの特性のバラツキを一致するように補正するためには、ゲインアンプの温度特性の把握や周囲の環境などの変動要素を取り入れて逐一補正を行う必要があり、これまでのＣＣＤ撮像装置では、このような補正を実時間で行うことはできなかった。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、マルチチャネルのシリアル転送を行う転送部において、各チャネルのゲインアンプの利得特性を補正し、チャネル間のバラツキを抑制でき、温度などの外部環境の変化による影響を抑制可能なＣＣＤ撮像装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＣＣＤ撮像装置は、入射光量に応じた電荷を蓄積するための複数のフォトダイオードが行列状に配置された受光部と、垂直転送パルスに応じて上記受光部の各フォトダイオードに蓄積された電荷を垂直方向に並列に転送するための垂直転送部と、遮光されたフォトダイオードを含み、所定の白基準電位の印加によって当該フォトダイオードに蓄積される電荷に応じた白基準電荷を発生する白基準発生部と、遮光されたフォトダイオードを含み、当該フォトダイオードに蓄積される電荷に応じた黒基準電荷を発生する黒基準発生部と、上記垂直転送部から転送された１ライン分の電荷と、上記白基準発生部が発生した白基準電荷と、上記黒基準発生部が発生した黒基準電荷とを各々が受け取り、当該受け取った電荷を水平転送パルスに応じて各々が水平方向に転送する複数の水平転送部と、
上記複数の水平転送部からそれぞれ転送される電荷に応じた信号を増幅して出力する複数の増幅器と、上記複数の増幅器の各々から出力される白基準信号及び黒基準信号に基づいて、上記複数の増幅器の間におけるオフセット及び利得のばらつきを補正する補正回路とを有する。
【００１２】
上記補正回路は、上記複数の増幅器中の１の増幅器から出力される白基準信号と他の増幅器から出力される白基準信号とを比較するとともに、当該１の増幅器から出力される黒基準信号と当該他の増幅器から出力される黒基準信号とを比較する比較回路と、上記比較回路の比較結果に応じたオフセット及び利得に基づいて上記他の増幅器から出力される信号を増幅して出力する補正用増幅器とを有しても良い。
【００１３】
上記補正回路は、上記増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる画像信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換回路と、上記増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる上記白基準信号及び上記黒基準信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換回路と、上記第１のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル画像信号と上記第２のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル基準信号とを入力し、上記ディジタル基準信号に基づいて上記ディジタル画像信号に演算処理を施して上記増幅器のオフセット及び利得を補正したディジタル画像信号を出力する演算回路とを有しても良い。
【００１４】
上記補正回路は、上記増幅器から出力される信号を増幅して出力する可変利得増幅器と、上記可変利得増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる画像信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換回路と、上記可変利得増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる上記白基準信号及び上記黒基準信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換回路と、上記第２のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル基準信号と所定の基準値とに基づいて上記増幅器のオフセット及び利得を補正するための制御信号を生成する演算回路と、上記演算回路から出力される上記制御信号をアナログ信号に変換して利得制御信号として上記可変利得増幅器に出力するＤ／Ａ変換回路とを有しても良い。
【００１５】
好適には、上記第２のＡ／Ｄ変換回路の分解能は、上記第１のＡ／Ｄ変換回路の分解能よりも高い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の基本的な構成を示すブロック図である。図示のように、本発明のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０、白基準発生部４０及び補正回路５０によって構成されている。また、以下の説明において、水平転送部をシリアル転送部ともいう。
【００１７】
撮像部１０は、行列状に配置されている複数の受光素子からなる受光部と、各受光素子に蓄積した信号電荷を画面の垂直方向に転送する垂直転送部を含む。図１では、受光素子及び垂直転送部を図示していない。
【００１８】
受光素子は、フォトダイオードまたはＭＯＳ型イメージセンサなどによって構成されている。受光部において、複数の受光素子が行列状に配置されて、各受光素子は入射光の光量に応じて信号電荷を蓄積するので、この信号電荷が映像信号の一ピクセル（画素）に対応する画素信号となる。
【００１９】
受光部の各受光素子によって蓄積した信号電荷が所定のタイミングで垂直転送部によって、画面上の垂直方向に転送され、水平転送部２０に出力される。
【００２０】
水平転送部２０は、図示のように、ゲインアンプ３０、黒基準電荷蓄積部２２、信号電荷蓄積部２４及び白基準電荷蓄積部２６を有している。
水平転送部２０は、撮像部１０の垂直転送部より転送されてくる信号電荷を水平方向に転送し、ゲインアンプ３０を介して画像信号として出力する。
本発明のＣＣＤ撮像装置において、水平転送部２０は高速撮像に対応するために複数のチャネルによって構成されている。図１の例では、２チャネルのシリアル転送部からなる水平転送部２０を例示している。
【００２１】
図１に示すように、水平転送部２０は、２つの水平転送チャネル２１−１，２１−２を有している。それぞれの転送チャネルに対応して、ゲインアンプ３０−１と３０−２が設けられている。
図示のように、第１の水平転送チャネルに、黒基準電荷蓄積部２２−１、信号電荷蓄積部２４−１及び白基準電荷蓄積部２６−１を有し、第２の水平転送チャネルには、黒基準電荷蓄積部２２−２、信号電荷蓄積部２４−２及び白基準電荷蓄積部２６−２を有する。
【００２２】
ゲインアンプ３０−１は、第１の水平転送チャネル２１−１によって出力される信号電荷に応じた信号を増幅し、ゲインアンプ３０−２は第２の水平転送チャネル２１−２によって出力される信号電荷に応じた信号を増幅する。
【００２３】
白基準発生部４０は、図１に示すように、撮像部１０に並べて配置されている。白基準発生部４０によって、白基準電荷が蓄積され、水平転送部２０における白基準信号蓄積部２６−１と２６−２に出力される。そして、当該白基準電荷に応じて白基準信号が発生され、ゲインアンプによって増幅されて外部に出力される。この白基準発生部４０は遮光されており、白基準電荷は電気的に生成される。
【００２４】
なお、図１に示す白基準発生部４０の他に、撮像部１０には図示しない黒基準発生部も設けられている。当該黒基準発生部は、例えば、通常の受光素子と同じ受光素子を用いて構成され、ただし当該黒基準発生部では受光素子の表面に遮光性の材料が設けられているので、撮像時に黒基準発生部の受光素子に光が入射せず、当該受光素子から黒色に対応する信号電荷だけが出力される。
【００２５】
補正回路５０は、各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキを補正し、それぞれのチャネルによって出力される映像信号の白レベル、黒レベル及び増幅率が一致するように補正を行う。
なお、図１では、便宜上１つの補正回路５０のみを図示しているが、補正回路は一部のチャネルまたはすべてのチャネルにそれぞれ設けることができる。補正回路の構成及び動作に関して、後述する本発明のそれぞれの実施形態においてさらに詳しく説明する。
【００２６】
上述したように、本発明のＣＣＤ撮像装置において、白基準発生部４０及び図示しない黒基準発生部によって得られた白基準信号及び黒基準信号に基づき、各チャネルのゲインアンプのオフセット及び利得を補正することによって、チャネル間の映像信号の利得とオフセットを一致するように補正することができる。
【００２７】
以下、図２を参照しつつ、本発明のＣＣＤ撮像装置における撮像部、垂直転送部、水平転送部及び白基準発生部の構成について詳しく説明する。
【００２８】
図２には、撮像部の一部分１０ａ、水平転送部の一部分２０ａ及び白基準発生部４０の構成を示している。撮像部１ａは、図示のように行列状に配置されている複数の受光素子１２、垂直転送電極１４及び受光素子の間に配置されているラテラルオーバーフロードレイン（以下、ＬＯＤと略して表記する）１６を有している。
【００２９】
撮像部１０ａにおいて、受光素子１２は行列状に配置され、各受光素子１２によって画面上の一画素に対応する信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷に応じて一画素の画像信号が生成される。
撮像部１０ａは、例えば、ｐ型基板に形成されているｎ型埋め込みチャネルに形成されている。
【００３０】
ＬＯＤ１６は、隣り合う受光素子１２の間のチャネルストップ（チャネル分離層）の位置に設けられている。ＬＯＤ１６は、図示のように環状に形成されているｐ型領域と、その中心に形成されているｎ+ 型領域からなるドレインを有している。なお、ｎ+ 型ドレイン領域は、図示しない導電層に接続され、当該導電層に適宜バイアス電圧を印加することにより、ＬＯＤ１６の両側にある受光素子１２の蓄積電荷の量を調整し、余剰の電荷をＬＯＤ１６のドレイン部に掃き捨てることができる。
【００３１】
このように、ＣＣＤ撮像装置の撮像部１０ａにＬＯＤ１６を設けることにより、受光素子１２の余剰電荷を掃き捨てることができる。これによって、強い光の入射によって生じた過剰電荷が隣り合う受光素子に溢れることを防止でき、ブルーミングの発生を抑制することができる。
【００３２】
また、ＬＯＤ１６のドレインに印加されるバイアス電圧によって、画像信号の白レベルが決まる。ＬＯＤ１６のドレインの電位に応じて、ドレインと受光素子１２のポテンシャル井戸との間、ｐ型領域に応じて形成されるバリアの高さが決まる。バリアの高さによって受光素子１２のポテンシャル井戸に蓄積可能な最大電荷量が決められる。この最大電荷量が、入射光が白のときそれに応じて撮像した映像信号のレベルに対応する。このため、ＬＯＤ１６のドレインに印加する正の電圧により、画像信号の白レベルが決まる。
【００３３】
撮像部１０ａにおいて、受光素子１２の間に画面の水平方向に、垂直転送電極１４が形成されている。
垂直転送電極１４は、例えば基板の表面上に形成されているポリシリコン電極からなる。
図示のように、垂直転送電極１４は、ペアになっている電極１４ａと１４ｂからなる。電極１４ａと１４ｂにそれぞれ所定の位相差をもつ垂直転送パルスφＰ１とφＰ２を印加することにより、転送ゲートの下に形成されるポテンシャル井戸の深さが時間的に変化する。これによって、受光素子１２によって蓄積した信号電荷が図１に示す矢印の方向に転送される。
【００３４】
垂直転送電極１４の間に、受光素子１２が形成されている。受光素子１２は、例えばｎ型領域の表面に形成されている薄いｐ型層と、その下層部に形成されている高濃度のｎ+ 型領域を有している、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。
なお、受光素子１２には、ｐ型層の濃度に勾配を設けることによって、転送時にバリア部とウェル部に対応する領域が形成され、信号電荷の転送方向を制御することができる。
【００３５】
以下、上述した構成を有する撮像部１０ａにおける撮像時の動作について説明する。
撮像するとき、電荷蓄積期間中に受光素子１２に信号電荷が蓄積され、垂直転送期間中に各受光素子１２の蓄積電荷が水平転送部２０ａに向かって転送される。
【００３６】
電荷蓄積時、入射光が各受光素子１２に入射され、これに応じて各受光素子のｎ+ 型領域に入射光の光量に対応した信号電荷が蓄積される。そして、電荷蓄積が終了した後、垂直転送が行われる。
【００３７】
垂直転送時、垂直転送電極１４を形成する電極１４ａと１４ｂに所定の位相差をもつ垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加される。これによって、垂直転送電極１４ａと１４ｂの下部領域に転送パルスの電圧に応じてポテンシャル井戸が形成されるので、受光素子１２によって蓄積した信号電荷がポテンシャル井戸に蓄積される。垂直転送電極１４ａと１４ｂに印加される転送パルスの位相を適宜制御することによって、各受光素子１２によって蓄積した信号電荷が図１に示す矢印方向に転送され、水平転送部２０ａに送られる。
【００３８】
なお、撮像部１０ａは上述した構成のほか、垂直転送電極１４の下部領域において、ｎ型埋め込みチャネルにバリア部と、ウェル部を図１に示す矢印方向に順次形成することもできる。これによって、電荷転送時に垂直転送電極１４に単相の転送パルスを印加することにより、図示の矢印方向に電荷転送が行われる。
【００３９】
次に、図２を参照しつつ、水平転送部２０ａについて説明する。
水平転送部２０ａは、水平転送チャネル領域の表面に形成されている水平転送電極２３を有している。水平転送チャネル領域は、垂直転送電極とチャネルストップによって囲まれた領域であり、例えば、ｐ型基板上に形成されたｎ型チャネル領域からなる。
【００４０】
本発明のＣＣＤ撮像装置において、水平転送部２０ａは、複数のチャネルからなるマルチチャネルＣＣＤからなる。図１では、２つのチャネル２１−１と２１−２を例示している。２つのチャネルの間、基板の表面上に垂直方向に信号電荷を転送させるＨＨ転送ゲート２５が設けられている。当該ＨＨ転送ゲート２５は、チャネル２１−１に転送された信号電荷をさらにチャネル２１−２に転送するための転送ゲートである。
【００４１】
なお、当該ＨＨ転送ゲート２５は、撮像部１０ａにおける垂直転送電極１４とほぼ同じ構成を有してもよく、例えば、図示のように、ＨＨ転送ゲート２５は転送ゲート２５ａと２５ｂからなり、転送ゲート２５ａと２５ｂにそれぞれ垂直転送パルスφＰ１とφＰ２を印加することにより、水平転送部２０ａのチャネル２１−１からチャネル２１−２に信号電荷が転送される。
【００４２】
水平転送電極２３は、図示のように並列に配置されている電極２３ａと２３ｂによって形成されている。電極２３ａと２３ｂには、所定の位相差をもつ水平転送パルス信号φＳ１とφＳ２が印加される。これによって、チャネル２１−１と２１−２においてそれぞれ信号電荷が図示の矢印方向に転送される。
なお、水平転送パルスは、垂直転送パルスに較べて高速なので、水平転送部２０ａでは信号電荷が高速に転送される。
【００４３】
上述した構成を有する水平転送部２０ａにおいて、撮像部１０ａから転送されてくる信号電荷が２つのチャネル２１−１と２１−２にそれぞれ入力される。即ち、撮像部１０ａによって撮像した１画面において、２ライン分の画素に対応する信号電荷が水平転送部２０ａに転送される。水平転送電極２３に水平転送パルスを印加することによって、２つのチャネル２１−１と２１−２に転送されてきた２ライン分の信号電荷が図示しないゲインアンプ３０に転送される。
【００４４】
このように、本発明のＣＣＤ撮像装置において、水平転送部２０ａにおいて、マルチチャネルのＣＣＤを設けることによって、通常の単チャネル水平転送部を持つＣＣＤ撮像装置に較べて、実質的な信号電荷の水平転送が高速に行える。
【００４５】
次に、白基準発生部４０について説明する。
白基準発生部４０は、図２に示すように、撮像部１０ａに隣接して形成されている。白基準発生部４０は、白基準電位注入ドレイン４１、白基準注入ゲート４２、白基準フォトダイオード（白基準ＰＤ）４３、白基準調整用ラテラルオーバーフロードレイン（白基準調整用ＬＯＤ）４４及び白基準電荷蓄積部４５を有している。
【００４６】
白基準電位注入ドレイン４１は、所定の白基準電位に保持されている。なお、当該白基準電位は、例えば、電源電圧を分圧する分圧抵抗によって生成される。白基準電位注入ドレイン４１に印加される白基準電位は、白基準注入ゲート４２に印加されるパルス信号に応じたタイミングで、白基準フォトダイオード４３に印加される。
【００４７】
白基準フォトダイオード４３は、白基準電位注入ドレイン４１から印加された白基準電位に応じて電荷を蓄積し、当該蓄積電荷が白基準電荷蓄積部４５に転送され、そこで蓄積の電荷量が白基準調整用ＬＯＤ４４によって調整された後、水平転送部２０ａに転送される。
【００４８】
白基準調整用ＬＯＤ４４は、白基準フォトダイオード４３によって蓄積した白基準電荷の量を調整するために設けられている。白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に印加する電圧を適宜制御することにより、白基準電荷を一定の量に調整することができ、余剰の電荷は白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に吐き捨てられる。
なお、白基準調整用ＬＯＤ４４は、撮像部１０ａのＬＯＤ１６と共用することもできる。
【００４９】
白基準注入ゲート４２には、パルス信号φＰ３が印加される。当該パルスを印加することによって、白基準電位注入ドレイン４１に蓄積した電荷が白基準フォトダイオード４３に転送され、白基準フォトダイオード４３に蓄積される。白基準フォトダイオード４３に蓄積した電荷が白基準電荷蓄積部４５に転送され、白基準電荷蓄積部４５において、蓄積電荷の量が白基準調整用ＬＯＤ４４によって調整されるので、水平転送部２０ａの白基準電荷蓄積部２６−１と２６−２に転送される電荷の量は、撮像部１０ａによって撮像した映像信号の白レベルに等しくなる。
【００５０】
白基準電荷蓄積部４５は、白基準フォトダイオード４３から転送される白基準電荷を蓄積する。図２に示すように、当該白基準電荷蓄積部４５に隣り合って白基準調整用ＬＯＤ４４が設けられている。このため、白基準電荷が所定の量調整され、余剰の電荷が白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に掃き捨てられる。これによって、白基準電荷を所望の量に制御することができるので、これに基づいて生成される白基準信号を常に所望の信号レベルに保つことができる。
【００５１】
図２に示すように、撮像部１０ａの垂直転送電極１４の一部分、例えば、水平転送部２０ａの近くに配置されている垂直転送電極１４が引き延ばされ、白基準発生部４０の領域に突き出るように形成されている。このため、撮像部１０ａで行われる垂直転送に伴って白基準発生部４０によって生成された白基準電荷が水平転送部２０ａの白基準電荷蓄積部２６−１及び２６−２に転送される。
【００５２】
図３に白基準信号注入における白基準発生部４０のポテンシャルの概念図を示す。白基準を飽和出力とする場合、白基準電位注入ドレイン４１に印加する白基準電位として、オーバーフロードレイン領域に印加する電位よりも低い電位を垂直転送パルスに同期して印加すると、垂直転送パルス毎に一定の白基準信号を注入することができる。注入された白基準信号は、垂直転送パルスに応じて信号電荷と共に水平転送部２０ａに転送される。この白基準信号のレベルはオーバーフロードレイン４４のレベルで決定されるので、注入レベルをコントロールすることができる。
【００５３】
水平転送部２０ａによって、白基準電荷がシリアル転送され、ゲインアンプに送られる。そして、白基準電荷に応じて出力される白基準信号が補正回路５０に取り込まれ、これに応じて補正回路５０は各チャネルに補正信号を出力し、各チャネルゲインアンプのオフセット及び利得を制御する。
【００５４】
図４は、本発明のＣＣＤ撮像装置において、垂直転送パルスφＰ１，φＰ２及び白基準発生部４０の転送パルスφＰ３の波形を示す波形図である。また、図４は、水平転送部２０ａの水平転送電極に印加される水平転送パルスφＳ１，φＳ２及び出力信号の波形を示す波形図である。以下、撮像部１０ａにおける垂直転送動作及び水平転送部２０ａにおける水平転送動作について説明する。
【００５５】
図４に示すように、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２は、所定の位相差をもつ２相のパルス信号である。また、白基準発生部４０に供給される転送パルスφＰ３は、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２がアクティブ状態、例えば、ハイレベルに保持されている間、ローレベルに保持されている負のパルス信号である。
【００５６】
垂直転送パルスφＰ１とφＰ２は、図４に示すように、所定の位相差を有する。このため、垂直転送パルスφＰ１を図１に示す垂直転送電極１４ａに、垂直転送パルスφＰ２を垂直転送電極１４ｂにそれぞれ印加することによって、垂直転送電極１４ａと１４ｂの下部の埋め込みチャネルにおいて、深さが時間的に変化するポテンシャル井戸が形成される。これによって、受光素子１２によって蓄積した信号電荷が垂直転送パルスの印加に伴って、図２に示す矢印方向に転送される。
【００５７】
また、撮像部１０ａにおいて、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加され、信号電荷の転送が行われている間、転送パルスφＰ３がローレベルに保持されている。一方、垂直転送が行われていないとき、即ち垂直転送パルスφＰ１とφＰ２がローレベルにあるとき、転送パルスφＰ３がハイレベルに保持される。このとき白基準電位注入ドレイン４１に印加される白基準電位が白基準フォトダイオード４３に印加される。これに応じて、白基準フォトダイオード４３に白基準電荷が蓄積される。
【００５８】
そして、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加されると、白基準フォトダイオード４３によって蓄積した白基準電荷が白基準電荷蓄積領域４５に転送される。白基準電荷蓄積領域４５に蓄積された電荷の量が白基準調整用ＬＯＤ４４によって調整され、余剰の電荷が白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に掃き捨てられる。
そして、次の垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加されると、白基準電荷蓄積領域４５の電荷が水平転送部２０ａの白基準電荷蓄積部２６−１に転送され、さらにもう一回の転送により白基準電荷蓄積部２６−２に転送される。
【００５９】
次に、図５を参照しつつ、水平転送部２０ａにおける信号電荷の転送を説明する。
水平転送パルスφＳ１とφＳ２は、それぞれ水平転送電極２３の電極２３ａと２３ｂに印加される。これによって、水平転送部２０ａの各チャネルにおいて信号電荷が順次転送され、ゲインアンプに出力される。
【００６０】
図５（ｃ）は、ゲインアンプから出力される信号の波形を示している。図示のように、水平転送部２０における水平転送の結果、白基準電荷、黒基準電荷及び信号電荷がそれぞれ出力されるので、ゲインアンプによってこれらの電荷に対応した信号が出力される。図５（ｃ）に示すように、信号電荷に応じて白基準信号、黒基準信号及び画像信号がそれぞれ得られる。
【００６１】
次に、本発明のＣＣＤ撮像装置において、チャネル間のゲインアンプの利得及びオフセットの補正について、具体的な実施形態を用いて説明する。
【００６２】
第１実施形態
図６は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第１の実施形態を示す回路図である。
なお、図６では、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における補正回路の部分を中心に示しており、撮像部、垂直または水平転送部については、図１及び図２に示す構成と同じであるため、図６及び以降の各実施形態において、撮像部、垂直または水平転送部の詳細については省略する。
【００６３】
図６に示すように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０及び補正回路によって構成されている。
図示のように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、補正回路は、水平転送部２０のチャネルＣＨ１以外の各チャネルに設けられている。なお、図６では、チャネルＣＨ２に設けられている補正回路５０−２のみを示している。チャネルＣＨ２以降の各チャネルの補正回路は、図示の補正回路５０−２とほぼ同じ構成を有する。
【００６４】
図６に示すように、水平転送部２０は、Ｎ（Ｎ≧２、Ｎは整数）本のチャネルＣＨ１，ＣＨ２，…，ＣＨＮを有している。
チャネルＣＨ１の出力信号は、そのまま出力信号ＳCH1 として出力され、チャネルＣＨ２〜ＣＨＮの出力信号は、それぞれ補正回路５０−２〜５０−Ｎによって補正され、補正後の信号ＳCH2 〜ＳCHN が出力される。
【００６５】
なお、本実施形態において、水平転送部２０の各チャネルの出力信号は、例えば、利得の補正などを行わないゲインアンプによる出力信号である。各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキによって、各チャネルの出力信号の間にバラツキが存在する。各チャネルに設けられている補正回路は、それぞれのチャネルの出力信号とチャネルＣＨ１の出力信号の白基準信号とを比較し、当該比較結果に応じて、各チャネルの出力信号のオフセット及び利得を制御し、各チャネルの出力信号間のバラツキを抑制する。
【００６６】
以下、チャネルＣＨ２の出力信号を補正する補正回路５０−２についてその構成及び動作を説明する。他の各補正回路は、ここで説明する補正回路５０−２と同じ構成を有するので、それらについて説明を省略する。
【００６７】
補正回路５０−２は、基準信号比較回路５２と、補正用アンプ５４とを有している。
基準信号比較回路５２は、水平転送部２０から出力されるチャネルＣＨ２の出力信号にある白基準信号と、チャネルＣＨ１の出力信号の白基準信号とを比較し、また、チャネルＣＨ２の出力信号にある黒基準信号と、チャネルＣＨ１の出力信号の黒基準信号とを比較する。比較の結果に応じて、補正用アンプ５４のオフセット及び利得を制御する制御信号を出力する。
【００６８】
補正用アンプ５４は、基準信号比較回路５２からの制御信号に応じて、チャネルＣＨ２から出力される画像信号のオフセット及び利得を制御する。チャネルＣＨ２の出力信号は、補正用アンプ５４によって、オフセットが調整され、さらに所定の利得で振幅が調整される。その結果、図５に示していないゲインアンプの利得特性のバラツキによって発生するチャネルＣＨ１とＣＨ２の出力信号間のバラツキが補正され、利得特性がほぼ一致する出力信号が得られる。
【００６９】
上述した補正回路５０−２とほぼ同じ構成の補正回路がチャネルＣＨ１を除く各チャネルの出力側に設けられているので、これらの補正回路によって、チャネルＣＨ１を基準に、各チャネルの出力信号の利得特性のバラツキが補正される。これによって、水平転送部２０のすべてのチャネルの出力信号が同じ利得特性に基づいた出力信号となり、チャネル間の利得特性のバラツキによる影響が抑制され、マルチチャネルの水平転送部２０によって、高速の信号出力を実現しながら、チャネル間のバラツキによる影響を抑制することができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態によれば、マルチチャネルの水平転送部を用いたＣＣＤ撮像装置において、一のチャネルの出力信号を基準に他の各チャネルの出力信号のオフセット及び利得を補正することによって、チャネル間のバラツキを抑制でき、各チャネルの出力ゲインアンプの利得特性のバラツキによる影響を抑制することができる。
【００７１】
第２実施形態
図７は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第２の実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０及び補正回路５０ａ−１〜５０ａ−Ｎによって構成されている。
【００７２】
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、撮像部１０及び水平転送部２０は、前述した本発明のＣＣＤ撮像装置の他の実施形態の撮像部、水平転送部と同じ構成を有するので、ここではそれらの詳細については省略する。
【００７３】
図７では、チャネルＣＨ１の出力側に設けられている補正回路５０ａ−１の構成のみを示している。その他の各チャネルに設けられている補正回路は、上記補正回路５０ａ−１と同じ構成を有している。
【００７４】
図７に示すように、補正回路５０ａ−１は、アンプ５０１、画像信号用Ａ／Ｄ５０２、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３及び演算器５０４を有している。
【００７５】
アンプ５０１は、チャネルＣＨ１の出力信号を所定の利得で増幅し、増幅出力を画像信号用Ａ／Ｄ５０２及び基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３に出力する。
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、各チャネルに設けられている補正回路のアンプ５０１は、固定の利得またはプログラマブルな利得を有する。アンプ５０１の利得がプログラマブルな場合、図７に示すように外部から入力される利得設定指示信号ＧＰＭに従って、アンプ５０１の利得が設定される。
【００７６】
画像信号用Ａ／Ｄ５０２は、チャネルＣＨ１の出力信号のうち、画像信号に対してＡ／Ｄ変換を行い、例えば、４ビットの画像データを出力する。
基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３は、チャネルＣＨ１の出力信号のうち、白基準信号及び黒基準信号をＡ／Ｄ変換し、白基準データと黒基準データを出力する。なお、白基準信号及び黒基準信号のＡ／Ｄ変換は、画像信号のＡ／Ｄ変換より精度が要求されるので、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３は、画像信号用Ａ／Ｄ５０２より出力信号のビット数が多い。
【００７７】
演算器５０４は、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３から入力される黒基準データ及び白基準データに基づき、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力される画像データを補正し、補正後の画像データＤCH1 を出力する。
【００７８】
図８は、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における画像データの補正を示すグラフである。図８において、横軸は入射される光量を示し、縦軸は入射光量に応じて補正前及び補正後の画像データを示している。なお、この例において、画像データは４ビットとする。
【００７９】
入射光量は、図８のグラフにおける横軸の黒と白の間の任意の値を取る。理想的な場合、黒の信号レベルに対して、画素データ「００００」を出力し、そして白レベルに対して、画素データ「１１１１」を出力することが望まれる。しかし、実際には各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキによって、図８に示すように、出力される画像データにオフセットがついており、さらに利得も理想的な状況とは異なる。また、各チャネルのゲインアンプの利得特性にバラツキが存在するため、同じ入射光量でもチャネルごとに異なる画像データが出力されてしまう。
【００８０】
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、チャネルごとに設けられている補正回路５０ａ−１〜５０ａ−Ｎにより、画像データに対して補正を行い、チャネル間のゲインアンプの利得特性のバラツキを補正する。各補正回路において、演算器５０４は、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３から出力される白基準信号及び黒基準信号に対応する画像データに基づき、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力される画像データを補正する。
【００８１】
以下、演算器５０４における補正処理についてさらに詳しく説明する。
ここで、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力される画像データが入射光量に対して線型であると仮定する。これによって、補正を線型式によって実現できる。補正用式として、例えば次式を用いることができる。
【００８２】
【数１】
ｙ＝ａｘ＋ｂ …（１）
【００８３】
式（１）において、ｙは補正後の画像データの値、ｘは補正前の画像データの値であり、さらに、ａとｂは補正用の係数である。
【００８４】
基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３によって、白基準信号に対するＡ／Ｄ変換の結果ｘw 及び黒基準信号に対するＡ／Ｄ変換の結果ｘb がそれぞれ得られる。そして、白基準信号に対して、所望の画像データ、例えば「１１１１」を補正後の値ｙw として、黒基準信号に対して、所望の画像データ、例えば「００００」を補正後の値ｙb とすると、（ｘb ，ｙb ）及び（ｘw ，ｙw ）のペアを式（１）に代入すると、補正用係数ａとｂを計算することができる。
【００８５】
演算器５０４は、水平転送部２０によって一回のシリアル転送が行われたとき、出力される白基準データ及び黒基準データに基づき、上述した演算処理によって補正用係数ａとｂを算出する。そして、算出した補正用係数を用いて、式（１）によって、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力されたすべての画像データに対して、補正演算を行い、補正後の画像データを出力する。
【００８６】
上述した補正処理は、チャネルごとに設けられている補正回路によって行われる結果、各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキが抑制され、各チャネルにほぼ均一の利得特性による画像データが得られる。
【００８７】
第３実施形態
図９は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第３の実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０及び補正回路５０ｂ−１〜５０ｂ−Ｎによって構成されている。
【００８８】
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、撮像部１０及び水平転送部２０は、前述した本発明のＣＣＤ撮像装置の他の実施形態の撮像部、水平転送部と同じ構成を有するので、ここではそれらの詳細については省略する。
【００８９】
図９において、チャネルＣＨ１の出力側に設けられている補正回路５０ｂ−１の構成のみを示している。その他の各チャネルに設けられている補正回路は、補正回路５０ｂ−１と同じ構成を有している。
【００９０】
補正回路５０ｂ−１は、図９に示すように、利得可変アンプ５１０、画像信号用Ａ／Ｄ５１１、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２、演算器５１３及び基準信号用Ｄ／Ａ５１４によって構成されている。
以下、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における補正回路の各部分について説明する。
【００９１】
利得可変アンプ５１０は、基準信号用Ｄ／Ａ５１４から出力される利得制御信号ＧＣＴによって利得が制御される。そして、制御された利得で水平転送部２０のチャネルＣＨ１の出力信号を増幅して、画像信号用Ａ／Ｄ５１１及び基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２に出力する。
【００９２】
画像信号用Ａ／Ｄ５１１は、可変利得アンプ５１０の出力信号のうち、画像信号に対してＡ／Ｄ変換を行い、所定のビット数をもつの画像データを出力する。
基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２は、チャネルＣＨ１の出力信号のうち、白基準信号及び黒基準信号をＡ／Ｄ変換し、白基準データと黒基準データを出力する。なお、白基準信号及び黒基準信号のＡ／Ｄ変換は、画像信号のＡ／Ｄ変換より精度が要求されるので、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２は、画像信号用Ａ／Ｄ５１１より出力信号のビット数が多い。
【００９３】
演算器５１３は、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２から出力される白基準データ及び黒基準データ、並びに外部から入力される基準データＲＦＤに応じて、利得可変アンプ５１０の利得を制御する利得制御データを出力する。なお、基準データＲＦＤは、例えば、白基準信号に対応する所望の白基準データ及び黒基準信号に対応する所望の黒基準データからなる。
【００９４】
基準信号用Ｄ／Ａ５１４は、演算器５１３からの利得制御データをアナログ信号に変換し、変換出力を利得制御信号ＧＣＴとして、利得可変アンプ５１０に出力する。
【００９５】
次に、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における補正回路５０ｂ−１の動作について説明する。
水平転送部２０のチャネルＣＨ１からの出力信号が利得可変アンプ５１０によって、利得制御信号ＧＣＴに応じて制御された利得及びオフセットをもって増幅され、その出力が画像信号用Ａ／Ｄ５１１及び基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２に出力される。
【００９６】
画像信号用Ａ／Ｄ５１１において、利得可変アンプ５１０から出力にされる画像信号をＡ／Ｄ変換し、変換結果をチャネルＣＨ１の画像データＤCH1 として出力する。
一方、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２において、利得可変アンプ５１０から出力にされる白基準信号及び黒基準信号をＡ／Ｄ変換し、変換結果の白基準データ及び黒基準データを演算器５１３に出力する。
【００９７】
演算器５１３において、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２からの白基準データ及び黒基準データ、さらに外部から入力される基準デーＲＦＤに基づき、利得可変アンプ５１１の利得及びオフセットを制御する利得制御データが算出され、基準信号用Ｄ／Ａ５１４に出力される。
【００９８】
基準信号用Ｄ／Ａ５１４によって、演算器５１３からの利得制御データがアナログ信号に変換され、利得制御信号ＧＣＴとして利得可変アンプ５１０に出力される。
【００９９】
補正回路５０ｂ−１において、上述したフィードバック処理によって、利得可変アンプ５１０の利得及びオフセットが制御される。その結果、利得可変アンプ５１０から出力される画像信号が所望のオフセット及び利得特性による画像信号となり、画像信号用Ａ／Ｄ５１１によって変換の結果、所望の利得特性による画像データが得られる。
【０１００】
チャネルＣＨ２〜ＣＨＮの各チャネルに設けられている補正回路５０ｂ−２〜５０ｂ−Ｎによって、上述した補正回路５０ｂ−１と同じように補正処理が行なわれる結果、各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキが抑制され、各チャネルからほぼ均一の利得特性による画像データが得られる。
【０１０１】
なお、本実施形態のＣＣＤ撮像装置の各チャネルに用いられる補正回路５０ｂ−１〜５０ｂ−Ｎにおいて、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２には、高い精度が要求されるので、画像信号用Ａ／Ｄ５１１よりビット数の多いＡ／Ｄを用いることが望まれる。白基準信号及び黒基準信号は、水平転送部２０のおける一回のシリアル転送においてそれぞれ一回ずつ行われるので、画像信号用Ａ／Ｄ５１１より低速のＡ／Ｄ変換器を使用することができる。このため、タイミング制御により安価なＡ／Ｄ変換器を使用できる。さらに、白基準データの精度を上げるために、平均加算を行うなどもできる。
【０１０２】
図１０は、本実施形態における補正回路の信号読み出しのタイミングを示すタイミングチャートである。図示のように、画像信号の読み出しの間で基準信号の読み出しが行われる。即ち、各チャネルの出力信号における白基準信号及び黒基準信号が基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２によって取り込まれ、白基準データ及び黒基準データが変換される。このように、基準信号の読み出しが画像信号の読み出しの間で行われるので、低速で高精度のＡ／Ｄ変換器を使用可能である。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態によれば、水平転送部２０の各チャネルの出力信号に対して、利得可変アンプ５１０によって増幅した結果が画像信号用Ａ／Ｄ５１１に出力されて画像データに変換され、さらに基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２に出力されて白基準データ及び黒基準データが変換される。これらの基準データ及び外部から入力される基準データＲＦＤに基づき、演算器５１３により利得制御データが算出され、基準信号用Ｄ／Ａ５１４によって利得制御信号ＧＣＴに変換され、可変利得アンプ５１０に出力される。このため、各チャネルの出力信号に対して利得及びオフセットのバラツキを補正することができ、各チャネルからほぼ均一の利得特性による画像データが得られる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＣＣＤ撮像装置によれば、多チャネルの水平転送部の各チャネルの出力信号に対して、補正回路によって利得及びオフセットの特性を補正することにより、各チャネル間の利得特性のバラツキを抑制できる。このため、水平転送部の多チャネル化による画質の劣化を回避することができ、画質を維持しながら高速な画像データ読み出しを実現できる。
また、本発明のＣＣＤ撮像装置によれば、シリアル転送ごとに白基準信号と黒基準信号を出力し、これに基づき各チャネルの利得特性を補正することによって、実時間で利得特性の補正を実現でき、温度変化などの環境変化によるアンプ特性の変動にも対処できる。また、半導体素子の経時的な特性変化に対しても、自動的に補正を行うことができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＣＣＤ撮像装置を示す構成図である。
【図２】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の撮像部、垂直転送部及び水平転送部の構成を示す構成図である。
【図３】白基準信号注入における白基準発生部４０のポテンシャルの概念図を示す図である。
【図４】垂直転送パルスの波形を示す波形図である。
【図５】水平転送パルス及びそれに基づく出力信号の波形を示す波形図である。
【図６】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図８】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第２の実施形態の画像データの出力特性を示すグラフである。
【図９】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【図１０】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第３の実施形態における信号の読み出しを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０…撮像部、
２０…水平転送部、
５０…補正回路、
５０−２，５０ａ−１〜５０ａ−Ｎ，５０ｂ−１〜５０ｂ−Ｎ…補正回路。
【発明の属する技術分野】
本発明は、受光素子から得られた映像信号を高速に読み出すことが可能な多チャネルシリアル転送部を有するＣＣＤ（Charge coupled device ）撮像装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なＣＣＤ撮像装置には、複数の受光素子がマトリクス状に配置されてなる受光部と、受光部の各受光素子によって被写体からの入射光に応じて蓄積した信号電荷を転送する転送部と、転送された信号電荷に応じて生成した信号を増幅し、映像信号として出力するゲインアンプが含まれている。受光素子は、例えばフォトダイオード、ＭＯＳイメージセンサなどによって構成され、転送部はＣＣＤによって構成されている。
【０００３】
転送部には、受光素子の蓄積電荷を上記マトリクスの列方向、例えば、画面上の垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部から転送されてくる電荷をマトリクスの行方向、例えば、画面上の水平方向に転送し、上記ゲインアンプに出力する水平転送部とを有する。垂直転送部により、垂直方向に１画素ずつ電荷の転送が行われる。このため、垂直転送部によって行われる一回の垂直転送で画面上１ライン分の映像信号が水平転送部に転送される。
【０００４】
垂直転送部での電荷の転送では、１ライン分の画素に対応する信号電荷が並列で転送されるが、水平転送部での電荷の転送では、１ライン分の画素に対応する電荷がシリアルに転送される。このため、垂直転送は、パラレル転送部とも呼ばれ、水平転送部は、シリアル転送部とも呼ばれている。シリアル転送部では、垂直転送部における垂直転送の間で、１ライン分の画素に対応する電荷をすべてゲインアンプに出力しなければならないので、垂直転送部に較べてより高速な転送が要求される。ここで、例えば垂直転送部の転送クロック信号の周波数をｆV とし、また１ラインの画素数をｍとすると、シリアル転送部の転送クロック信号の周波数ｆH がｍｆV 以上でなければならない。
【０００５】
高速な撮像を行う場合、単位時間あたり撮像されるフレーム数が増加するので、垂直転送クロック信号及び水平転送クロック信号の周波数が増加する。特に、上述したように水平転送クロック信号の周波数は、垂直転送クロック信号の周波数よりも高いので、ＣＣＤの最大転送可能な速度を超えて、電荷を完全に転送できなくなるほか、映像信号を増幅して出力するための増幅回路の周波数帯域を超えて映像信号に歪みが発生することがある。
【０００６】
これらの問題を解決するために、高速なＣＣＤ撮像装置では、シリアル転送部が並列に配置されている２本または２本以上のＣＣＤからなるいわゆるマルチチャネル転送方式が提案されている。これによって、シリアル転送部では、各チャネルのＣＣＤは通常のシリアル転送周期の２倍またはそれ以上の時間で１ライン分の画素信号を転送すればよく、シリアル転送用クロック信号の周波数を低くすることができる。逆に、シリアル転送部の各チャネルの転送用クロック信号周波数を通常のままで、撮像可能なフレーム周波数をチャネルの本数分だけ高くできるので、高速な撮影を実現可能である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した複数本のＣＣＤを並列に配置したシリアル転送部を有するＣＣＤ撮像装置では、チャネルごとにゲインアンプが設けられ、各チャネルのＣＣＤによって転送される信号がそのチャネルのゲインアンプによって増幅されて出力される。
マルチチャネルのシリアル転送において、各チャネルに設けられたゲインアンプの特性が同一である必要があるが、実際には何らかの原因でゲインアンプの特性にバラツキが存在する。ゲインアンプの特性のバラツキは、利得及び／またはオフセットの相違として現れる。
【０００８】
このように、マルチチャネルのシリアル転送部において、チャネル間のゲインアンプの特性の差はそのまま画像信号のバラツキとなってしまうため、ＣＣＤ撮像装置の画質の劣化を引き起こすおそれがある。
【０００９】
従来、シリアル転送を行う各チャネルのゲインアンプの特性を調整し、バラツキを補正していた。しかし、すべてのチャネルのゲインアンプの特性のバラツキを一致するように補正するためには、ゲインアンプの温度特性の把握や周囲の環境などの変動要素を取り入れて逐一補正を行う必要があり、これまでのＣＣＤ撮像装置では、このような補正を実時間で行うことはできなかった。
【００１０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、マルチチャネルのシリアル転送を行う転送部において、各チャネルのゲインアンプの利得特性を補正し、チャネル間のバラツキを抑制でき、温度などの外部環境の変化による影響を抑制可能なＣＣＤ撮像装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＣＣＤ撮像装置は、入射光量に応じた電荷を蓄積するための複数のフォトダイオードが行列状に配置された受光部と、垂直転送パルスに応じて上記受光部の各フォトダイオードに蓄積された電荷を垂直方向に並列に転送するための垂直転送部と、遮光されたフォトダイオードを含み、所定の白基準電位の印加によって当該フォトダイオードに蓄積される電荷に応じた白基準電荷を発生する白基準発生部と、遮光されたフォトダイオードを含み、当該フォトダイオードに蓄積される電荷に応じた黒基準電荷を発生する黒基準発生部と、上記垂直転送部から転送された１ライン分の電荷と、上記白基準発生部が発生した白基準電荷と、上記黒基準発生部が発生した黒基準電荷とを各々が受け取り、当該受け取った電荷を水平転送パルスに応じて各々が水平方向に転送する複数の水平転送部と、
上記複数の水平転送部からそれぞれ転送される電荷に応じた信号を増幅して出力する複数の増幅器と、上記複数の増幅器の各々から出力される白基準信号及び黒基準信号に基づいて、上記複数の増幅器の間におけるオフセット及び利得のばらつきを補正する補正回路とを有する。
【００１２】
上記補正回路は、上記複数の増幅器中の１の増幅器から出力される白基準信号と他の増幅器から出力される白基準信号とを比較するとともに、当該１の増幅器から出力される黒基準信号と当該他の増幅器から出力される黒基準信号とを比較する比較回路と、上記比較回路の比較結果に応じたオフセット及び利得に基づいて上記他の増幅器から出力される信号を増幅して出力する補正用増幅器とを有しても良い。
【００１３】
上記補正回路は、上記増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる画像信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換回路と、上記増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる上記白基準信号及び上記黒基準信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換回路と、上記第１のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル画像信号と上記第２のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル基準信号とを入力し、上記ディジタル基準信号に基づいて上記ディジタル画像信号に演算処理を施して上記増幅器のオフセット及び利得を補正したディジタル画像信号を出力する演算回路とを有しても良い。
【００１４】
上記補正回路は、上記増幅器から出力される信号を増幅して出力する可変利得増幅器と、上記可変利得増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる画像信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換回路と、上記可変利得増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる上記白基準信号及び上記黒基準信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換回路と、上記第２のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル基準信号と所定の基準値とに基づいて上記増幅器のオフセット及び利得を補正するための制御信号を生成する演算回路と、上記演算回路から出力される上記制御信号をアナログ信号に変換して利得制御信号として上記可変利得増幅器に出力するＤ／Ａ変換回路とを有しても良い。
【００１５】
好適には、上記第２のＡ／Ｄ変換回路の分解能は、上記第１のＡ／Ｄ変換回路の分解能よりも高い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の基本的な構成を示すブロック図である。図示のように、本発明のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０、白基準発生部４０及び補正回路５０によって構成されている。また、以下の説明において、水平転送部をシリアル転送部ともいう。
【００１７】
撮像部１０は、行列状に配置されている複数の受光素子からなる受光部と、各受光素子に蓄積した信号電荷を画面の垂直方向に転送する垂直転送部を含む。図１では、受光素子及び垂直転送部を図示していない。
【００１８】
受光素子は、フォトダイオードまたはＭＯＳ型イメージセンサなどによって構成されている。受光部において、複数の受光素子が行列状に配置されて、各受光素子は入射光の光量に応じて信号電荷を蓄積するので、この信号電荷が映像信号の一ピクセル（画素）に対応する画素信号となる。
【００１９】
受光部の各受光素子によって蓄積した信号電荷が所定のタイミングで垂直転送部によって、画面上の垂直方向に転送され、水平転送部２０に出力される。
【００２０】
水平転送部２０は、図示のように、ゲインアンプ３０、黒基準電荷蓄積部２２、信号電荷蓄積部２４及び白基準電荷蓄積部２６を有している。
水平転送部２０は、撮像部１０の垂直転送部より転送されてくる信号電荷を水平方向に転送し、ゲインアンプ３０を介して画像信号として出力する。
本発明のＣＣＤ撮像装置において、水平転送部２０は高速撮像に対応するために複数のチャネルによって構成されている。図１の例では、２チャネルのシリアル転送部からなる水平転送部２０を例示している。
【００２１】
図１に示すように、水平転送部２０は、２つの水平転送チャネル２１−１，２１−２を有している。それぞれの転送チャネルに対応して、ゲインアンプ３０−１と３０−２が設けられている。
図示のように、第１の水平転送チャネルに、黒基準電荷蓄積部２２−１、信号電荷蓄積部２４−１及び白基準電荷蓄積部２６−１を有し、第２の水平転送チャネルには、黒基準電荷蓄積部２２−２、信号電荷蓄積部２４−２及び白基準電荷蓄積部２６−２を有する。
【００２２】
ゲインアンプ３０−１は、第１の水平転送チャネル２１−１によって出力される信号電荷に応じた信号を増幅し、ゲインアンプ３０−２は第２の水平転送チャネル２１−２によって出力される信号電荷に応じた信号を増幅する。
【００２３】
白基準発生部４０は、図１に示すように、撮像部１０に並べて配置されている。白基準発生部４０によって、白基準電荷が蓄積され、水平転送部２０における白基準信号蓄積部２６−１と２６−２に出力される。そして、当該白基準電荷に応じて白基準信号が発生され、ゲインアンプによって増幅されて外部に出力される。この白基準発生部４０は遮光されており、白基準電荷は電気的に生成される。
【００２４】
なお、図１に示す白基準発生部４０の他に、撮像部１０には図示しない黒基準発生部も設けられている。当該黒基準発生部は、例えば、通常の受光素子と同じ受光素子を用いて構成され、ただし当該黒基準発生部では受光素子の表面に遮光性の材料が設けられているので、撮像時に黒基準発生部の受光素子に光が入射せず、当該受光素子から黒色に対応する信号電荷だけが出力される。
【００２５】
補正回路５０は、各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキを補正し、それぞれのチャネルによって出力される映像信号の白レベル、黒レベル及び増幅率が一致するように補正を行う。
なお、図１では、便宜上１つの補正回路５０のみを図示しているが、補正回路は一部のチャネルまたはすべてのチャネルにそれぞれ設けることができる。補正回路の構成及び動作に関して、後述する本発明のそれぞれの実施形態においてさらに詳しく説明する。
【００２６】
上述したように、本発明のＣＣＤ撮像装置において、白基準発生部４０及び図示しない黒基準発生部によって得られた白基準信号及び黒基準信号に基づき、各チャネルのゲインアンプのオフセット及び利得を補正することによって、チャネル間の映像信号の利得とオフセットを一致するように補正することができる。
【００２７】
以下、図２を参照しつつ、本発明のＣＣＤ撮像装置における撮像部、垂直転送部、水平転送部及び白基準発生部の構成について詳しく説明する。
【００２８】
図２には、撮像部の一部分１０ａ、水平転送部の一部分２０ａ及び白基準発生部４０の構成を示している。撮像部１ａは、図示のように行列状に配置されている複数の受光素子１２、垂直転送電極１４及び受光素子の間に配置されているラテラルオーバーフロードレイン（以下、ＬＯＤと略して表記する）１６を有している。
【００２９】
撮像部１０ａにおいて、受光素子１２は行列状に配置され、各受光素子１２によって画面上の一画素に対応する信号電荷を蓄積し、蓄積した信号電荷に応じて一画素の画像信号が生成される。
撮像部１０ａは、例えば、ｐ型基板に形成されているｎ型埋め込みチャネルに形成されている。
【００３０】
ＬＯＤ１６は、隣り合う受光素子１２の間のチャネルストップ（チャネル分離層）の位置に設けられている。ＬＯＤ１６は、図示のように環状に形成されているｐ型領域と、その中心に形成されているｎ+ 型領域からなるドレインを有している。なお、ｎ+ 型ドレイン領域は、図示しない導電層に接続され、当該導電層に適宜バイアス電圧を印加することにより、ＬＯＤ１６の両側にある受光素子１２の蓄積電荷の量を調整し、余剰の電荷をＬＯＤ１６のドレイン部に掃き捨てることができる。
【００３１】
このように、ＣＣＤ撮像装置の撮像部１０ａにＬＯＤ１６を設けることにより、受光素子１２の余剰電荷を掃き捨てることができる。これによって、強い光の入射によって生じた過剰電荷が隣り合う受光素子に溢れることを防止でき、ブルーミングの発生を抑制することができる。
【００３２】
また、ＬＯＤ１６のドレインに印加されるバイアス電圧によって、画像信号の白レベルが決まる。ＬＯＤ１６のドレインの電位に応じて、ドレインと受光素子１２のポテンシャル井戸との間、ｐ型領域に応じて形成されるバリアの高さが決まる。バリアの高さによって受光素子１２のポテンシャル井戸に蓄積可能な最大電荷量が決められる。この最大電荷量が、入射光が白のときそれに応じて撮像した映像信号のレベルに対応する。このため、ＬＯＤ１６のドレインに印加する正の電圧により、画像信号の白レベルが決まる。
【００３３】
撮像部１０ａにおいて、受光素子１２の間に画面の水平方向に、垂直転送電極１４が形成されている。
垂直転送電極１４は、例えば基板の表面上に形成されているポリシリコン電極からなる。
図示のように、垂直転送電極１４は、ペアになっている電極１４ａと１４ｂからなる。電極１４ａと１４ｂにそれぞれ所定の位相差をもつ垂直転送パルスφＰ１とφＰ２を印加することにより、転送ゲートの下に形成されるポテンシャル井戸の深さが時間的に変化する。これによって、受光素子１２によって蓄積した信号電荷が図１に示す矢印の方向に転送される。
【００３４】
垂直転送電極１４の間に、受光素子１２が形成されている。受光素子１２は、例えばｎ型領域の表面に形成されている薄いｐ型層と、その下層部に形成されている高濃度のｎ+ 型領域を有している、いわゆる埋め込み型フォトダイオードである。
なお、受光素子１２には、ｐ型層の濃度に勾配を設けることによって、転送時にバリア部とウェル部に対応する領域が形成され、信号電荷の転送方向を制御することができる。
【００３５】
以下、上述した構成を有する撮像部１０ａにおける撮像時の動作について説明する。
撮像するとき、電荷蓄積期間中に受光素子１２に信号電荷が蓄積され、垂直転送期間中に各受光素子１２の蓄積電荷が水平転送部２０ａに向かって転送される。
【００３６】
電荷蓄積時、入射光が各受光素子１２に入射され、これに応じて各受光素子のｎ+ 型領域に入射光の光量に対応した信号電荷が蓄積される。そして、電荷蓄積が終了した後、垂直転送が行われる。
【００３７】
垂直転送時、垂直転送電極１４を形成する電極１４ａと１４ｂに所定の位相差をもつ垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加される。これによって、垂直転送電極１４ａと１４ｂの下部領域に転送パルスの電圧に応じてポテンシャル井戸が形成されるので、受光素子１２によって蓄積した信号電荷がポテンシャル井戸に蓄積される。垂直転送電極１４ａと１４ｂに印加される転送パルスの位相を適宜制御することによって、各受光素子１２によって蓄積した信号電荷が図１に示す矢印方向に転送され、水平転送部２０ａに送られる。
【００３８】
なお、撮像部１０ａは上述した構成のほか、垂直転送電極１４の下部領域において、ｎ型埋め込みチャネルにバリア部と、ウェル部を図１に示す矢印方向に順次形成することもできる。これによって、電荷転送時に垂直転送電極１４に単相の転送パルスを印加することにより、図示の矢印方向に電荷転送が行われる。
【００３９】
次に、図２を参照しつつ、水平転送部２０ａについて説明する。
水平転送部２０ａは、水平転送チャネル領域の表面に形成されている水平転送電極２３を有している。水平転送チャネル領域は、垂直転送電極とチャネルストップによって囲まれた領域であり、例えば、ｐ型基板上に形成されたｎ型チャネル領域からなる。
【００４０】
本発明のＣＣＤ撮像装置において、水平転送部２０ａは、複数のチャネルからなるマルチチャネルＣＣＤからなる。図１では、２つのチャネル２１−１と２１−２を例示している。２つのチャネルの間、基板の表面上に垂直方向に信号電荷を転送させるＨＨ転送ゲート２５が設けられている。当該ＨＨ転送ゲート２５は、チャネル２１−１に転送された信号電荷をさらにチャネル２１−２に転送するための転送ゲートである。
【００４１】
なお、当該ＨＨ転送ゲート２５は、撮像部１０ａにおける垂直転送電極１４とほぼ同じ構成を有してもよく、例えば、図示のように、ＨＨ転送ゲート２５は転送ゲート２５ａと２５ｂからなり、転送ゲート２５ａと２５ｂにそれぞれ垂直転送パルスφＰ１とφＰ２を印加することにより、水平転送部２０ａのチャネル２１−１からチャネル２１−２に信号電荷が転送される。
【００４２】
水平転送電極２３は、図示のように並列に配置されている電極２３ａと２３ｂによって形成されている。電極２３ａと２３ｂには、所定の位相差をもつ水平転送パルス信号φＳ１とφＳ２が印加される。これによって、チャネル２１−１と２１−２においてそれぞれ信号電荷が図示の矢印方向に転送される。
なお、水平転送パルスは、垂直転送パルスに較べて高速なので、水平転送部２０ａでは信号電荷が高速に転送される。
【００４３】
上述した構成を有する水平転送部２０ａにおいて、撮像部１０ａから転送されてくる信号電荷が２つのチャネル２１−１と２１−２にそれぞれ入力される。即ち、撮像部１０ａによって撮像した１画面において、２ライン分の画素に対応する信号電荷が水平転送部２０ａに転送される。水平転送電極２３に水平転送パルスを印加することによって、２つのチャネル２１−１と２１−２に転送されてきた２ライン分の信号電荷が図示しないゲインアンプ３０に転送される。
【００４４】
このように、本発明のＣＣＤ撮像装置において、水平転送部２０ａにおいて、マルチチャネルのＣＣＤを設けることによって、通常の単チャネル水平転送部を持つＣＣＤ撮像装置に較べて、実質的な信号電荷の水平転送が高速に行える。
【００４５】
次に、白基準発生部４０について説明する。
白基準発生部４０は、図２に示すように、撮像部１０ａに隣接して形成されている。白基準発生部４０は、白基準電位注入ドレイン４１、白基準注入ゲート４２、白基準フォトダイオード（白基準ＰＤ）４３、白基準調整用ラテラルオーバーフロードレイン（白基準調整用ＬＯＤ）４４及び白基準電荷蓄積部４５を有している。
【００４６】
白基準電位注入ドレイン４１は、所定の白基準電位に保持されている。なお、当該白基準電位は、例えば、電源電圧を分圧する分圧抵抗によって生成される。白基準電位注入ドレイン４１に印加される白基準電位は、白基準注入ゲート４２に印加されるパルス信号に応じたタイミングで、白基準フォトダイオード４３に印加される。
【００４７】
白基準フォトダイオード４３は、白基準電位注入ドレイン４１から印加された白基準電位に応じて電荷を蓄積し、当該蓄積電荷が白基準電荷蓄積部４５に転送され、そこで蓄積の電荷量が白基準調整用ＬＯＤ４４によって調整された後、水平転送部２０ａに転送される。
【００４８】
白基準調整用ＬＯＤ４４は、白基準フォトダイオード４３によって蓄積した白基準電荷の量を調整するために設けられている。白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に印加する電圧を適宜制御することにより、白基準電荷を一定の量に調整することができ、余剰の電荷は白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に吐き捨てられる。
なお、白基準調整用ＬＯＤ４４は、撮像部１０ａのＬＯＤ１６と共用することもできる。
【００４９】
白基準注入ゲート４２には、パルス信号φＰ３が印加される。当該パルスを印加することによって、白基準電位注入ドレイン４１に蓄積した電荷が白基準フォトダイオード４３に転送され、白基準フォトダイオード４３に蓄積される。白基準フォトダイオード４３に蓄積した電荷が白基準電荷蓄積部４５に転送され、白基準電荷蓄積部４５において、蓄積電荷の量が白基準調整用ＬＯＤ４４によって調整されるので、水平転送部２０ａの白基準電荷蓄積部２６−１と２６−２に転送される電荷の量は、撮像部１０ａによって撮像した映像信号の白レベルに等しくなる。
【００５０】
白基準電荷蓄積部４５は、白基準フォトダイオード４３から転送される白基準電荷を蓄積する。図２に示すように、当該白基準電荷蓄積部４５に隣り合って白基準調整用ＬＯＤ４４が設けられている。このため、白基準電荷が所定の量調整され、余剰の電荷が白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に掃き捨てられる。これによって、白基準電荷を所望の量に制御することができるので、これに基づいて生成される白基準信号を常に所望の信号レベルに保つことができる。
【００５１】
図２に示すように、撮像部１０ａの垂直転送電極１４の一部分、例えば、水平転送部２０ａの近くに配置されている垂直転送電極１４が引き延ばされ、白基準発生部４０の領域に突き出るように形成されている。このため、撮像部１０ａで行われる垂直転送に伴って白基準発生部４０によって生成された白基準電荷が水平転送部２０ａの白基準電荷蓄積部２６−１及び２６−２に転送される。
【００５２】
図３に白基準信号注入における白基準発生部４０のポテンシャルの概念図を示す。白基準を飽和出力とする場合、白基準電位注入ドレイン４１に印加する白基準電位として、オーバーフロードレイン領域に印加する電位よりも低い電位を垂直転送パルスに同期して印加すると、垂直転送パルス毎に一定の白基準信号を注入することができる。注入された白基準信号は、垂直転送パルスに応じて信号電荷と共に水平転送部２０ａに転送される。この白基準信号のレベルはオーバーフロードレイン４４のレベルで決定されるので、注入レベルをコントロールすることができる。
【００５３】
水平転送部２０ａによって、白基準電荷がシリアル転送され、ゲインアンプに送られる。そして、白基準電荷に応じて出力される白基準信号が補正回路５０に取り込まれ、これに応じて補正回路５０は各チャネルに補正信号を出力し、各チャネルゲインアンプのオフセット及び利得を制御する。
【００５４】
図４は、本発明のＣＣＤ撮像装置において、垂直転送パルスφＰ１，φＰ２及び白基準発生部４０の転送パルスφＰ３の波形を示す波形図である。また、図４は、水平転送部２０ａの水平転送電極に印加される水平転送パルスφＳ１，φＳ２及び出力信号の波形を示す波形図である。以下、撮像部１０ａにおける垂直転送動作及び水平転送部２０ａにおける水平転送動作について説明する。
【００５５】
図４に示すように、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２は、所定の位相差をもつ２相のパルス信号である。また、白基準発生部４０に供給される転送パルスφＰ３は、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２がアクティブ状態、例えば、ハイレベルに保持されている間、ローレベルに保持されている負のパルス信号である。
【００５６】
垂直転送パルスφＰ１とφＰ２は、図４に示すように、所定の位相差を有する。このため、垂直転送パルスφＰ１を図１に示す垂直転送電極１４ａに、垂直転送パルスφＰ２を垂直転送電極１４ｂにそれぞれ印加することによって、垂直転送電極１４ａと１４ｂの下部の埋め込みチャネルにおいて、深さが時間的に変化するポテンシャル井戸が形成される。これによって、受光素子１２によって蓄積した信号電荷が垂直転送パルスの印加に伴って、図２に示す矢印方向に転送される。
【００５７】
また、撮像部１０ａにおいて、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加され、信号電荷の転送が行われている間、転送パルスφＰ３がローレベルに保持されている。一方、垂直転送が行われていないとき、即ち垂直転送パルスφＰ１とφＰ２がローレベルにあるとき、転送パルスφＰ３がハイレベルに保持される。このとき白基準電位注入ドレイン４１に印加される白基準電位が白基準フォトダイオード４３に印加される。これに応じて、白基準フォトダイオード４３に白基準電荷が蓄積される。
【００５８】
そして、垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加されると、白基準フォトダイオード４３によって蓄積した白基準電荷が白基準電荷蓄積領域４５に転送される。白基準電荷蓄積領域４５に蓄積された電荷の量が白基準調整用ＬＯＤ４４によって調整され、余剰の電荷が白基準調整用ＬＯＤ４４のドレイン領域に掃き捨てられる。
そして、次の垂直転送パルスφＰ１とφＰ２が印加されると、白基準電荷蓄積領域４５の電荷が水平転送部２０ａの白基準電荷蓄積部２６−１に転送され、さらにもう一回の転送により白基準電荷蓄積部２６−２に転送される。
【００５９】
次に、図５を参照しつつ、水平転送部２０ａにおける信号電荷の転送を説明する。
水平転送パルスφＳ１とφＳ２は、それぞれ水平転送電極２３の電極２３ａと２３ｂに印加される。これによって、水平転送部２０ａの各チャネルにおいて信号電荷が順次転送され、ゲインアンプに出力される。
【００６０】
図５（ｃ）は、ゲインアンプから出力される信号の波形を示している。図示のように、水平転送部２０における水平転送の結果、白基準電荷、黒基準電荷及び信号電荷がそれぞれ出力されるので、ゲインアンプによってこれらの電荷に対応した信号が出力される。図５（ｃ）に示すように、信号電荷に応じて白基準信号、黒基準信号及び画像信号がそれぞれ得られる。
【００６１】
次に、本発明のＣＣＤ撮像装置において、チャネル間のゲインアンプの利得及びオフセットの補正について、具体的な実施形態を用いて説明する。
【００６２】
第１実施形態
図６は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第１の実施形態を示す回路図である。
なお、図６では、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における補正回路の部分を中心に示しており、撮像部、垂直または水平転送部については、図１及び図２に示す構成と同じであるため、図６及び以降の各実施形態において、撮像部、垂直または水平転送部の詳細については省略する。
【００６３】
図６に示すように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０及び補正回路によって構成されている。
図示のように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、補正回路は、水平転送部２０のチャネルＣＨ１以外の各チャネルに設けられている。なお、図６では、チャネルＣＨ２に設けられている補正回路５０−２のみを示している。チャネルＣＨ２以降の各チャネルの補正回路は、図示の補正回路５０−２とほぼ同じ構成を有する。
【００６４】
図６に示すように、水平転送部２０は、Ｎ（Ｎ≧２、Ｎは整数）本のチャネルＣＨ１，ＣＨ２，…，ＣＨＮを有している。
チャネルＣＨ１の出力信号は、そのまま出力信号ＳCH1 として出力され、チャネルＣＨ２〜ＣＨＮの出力信号は、それぞれ補正回路５０−２〜５０−Ｎによって補正され、補正後の信号ＳCH2 〜ＳCHN が出力される。
【００６５】
なお、本実施形態において、水平転送部２０の各チャネルの出力信号は、例えば、利得の補正などを行わないゲインアンプによる出力信号である。各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキによって、各チャネルの出力信号の間にバラツキが存在する。各チャネルに設けられている補正回路は、それぞれのチャネルの出力信号とチャネルＣＨ１の出力信号の白基準信号とを比較し、当該比較結果に応じて、各チャネルの出力信号のオフセット及び利得を制御し、各チャネルの出力信号間のバラツキを抑制する。
【００６６】
以下、チャネルＣＨ２の出力信号を補正する補正回路５０−２についてその構成及び動作を説明する。他の各補正回路は、ここで説明する補正回路５０−２と同じ構成を有するので、それらについて説明を省略する。
【００６７】
補正回路５０−２は、基準信号比較回路５２と、補正用アンプ５４とを有している。
基準信号比較回路５２は、水平転送部２０から出力されるチャネルＣＨ２の出力信号にある白基準信号と、チャネルＣＨ１の出力信号の白基準信号とを比較し、また、チャネルＣＨ２の出力信号にある黒基準信号と、チャネルＣＨ１の出力信号の黒基準信号とを比較する。比較の結果に応じて、補正用アンプ５４のオフセット及び利得を制御する制御信号を出力する。
【００６８】
補正用アンプ５４は、基準信号比較回路５２からの制御信号に応じて、チャネルＣＨ２から出力される画像信号のオフセット及び利得を制御する。チャネルＣＨ２の出力信号は、補正用アンプ５４によって、オフセットが調整され、さらに所定の利得で振幅が調整される。その結果、図５に示していないゲインアンプの利得特性のバラツキによって発生するチャネルＣＨ１とＣＨ２の出力信号間のバラツキが補正され、利得特性がほぼ一致する出力信号が得られる。
【００６９】
上述した補正回路５０−２とほぼ同じ構成の補正回路がチャネルＣＨ１を除く各チャネルの出力側に設けられているので、これらの補正回路によって、チャネルＣＨ１を基準に、各チャネルの出力信号の利得特性のバラツキが補正される。これによって、水平転送部２０のすべてのチャネルの出力信号が同じ利得特性に基づいた出力信号となり、チャネル間の利得特性のバラツキによる影響が抑制され、マルチチャネルの水平転送部２０によって、高速の信号出力を実現しながら、チャネル間のバラツキによる影響を抑制することができる。
【００７０】
以上説明したように、本実施形態によれば、マルチチャネルの水平転送部を用いたＣＣＤ撮像装置において、一のチャネルの出力信号を基準に他の各チャネルの出力信号のオフセット及び利得を補正することによって、チャネル間のバラツキを抑制でき、各チャネルの出力ゲインアンプの利得特性のバラツキによる影響を抑制することができる。
【００７１】
第２実施形態
図７は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第２の実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０及び補正回路５０ａ−１〜５０ａ−Ｎによって構成されている。
【００７２】
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、撮像部１０及び水平転送部２０は、前述した本発明のＣＣＤ撮像装置の他の実施形態の撮像部、水平転送部と同じ構成を有するので、ここではそれらの詳細については省略する。
【００７３】
図７では、チャネルＣＨ１の出力側に設けられている補正回路５０ａ−１の構成のみを示している。その他の各チャネルに設けられている補正回路は、上記補正回路５０ａ−１と同じ構成を有している。
【００７４】
図７に示すように、補正回路５０ａ−１は、アンプ５０１、画像信号用Ａ／Ｄ５０２、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３及び演算器５０４を有している。
【００７５】
アンプ５０１は、チャネルＣＨ１の出力信号を所定の利得で増幅し、増幅出力を画像信号用Ａ／Ｄ５０２及び基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３に出力する。
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、各チャネルに設けられている補正回路のアンプ５０１は、固定の利得またはプログラマブルな利得を有する。アンプ５０１の利得がプログラマブルな場合、図７に示すように外部から入力される利得設定指示信号ＧＰＭに従って、アンプ５０１の利得が設定される。
【００７６】
画像信号用Ａ／Ｄ５０２は、チャネルＣＨ１の出力信号のうち、画像信号に対してＡ／Ｄ変換を行い、例えば、４ビットの画像データを出力する。
基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３は、チャネルＣＨ１の出力信号のうち、白基準信号及び黒基準信号をＡ／Ｄ変換し、白基準データと黒基準データを出力する。なお、白基準信号及び黒基準信号のＡ／Ｄ変換は、画像信号のＡ／Ｄ変換より精度が要求されるので、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３は、画像信号用Ａ／Ｄ５０２より出力信号のビット数が多い。
【００７７】
演算器５０４は、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３から入力される黒基準データ及び白基準データに基づき、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力される画像データを補正し、補正後の画像データＤCH1 を出力する。
【００７８】
図８は、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における画像データの補正を示すグラフである。図８において、横軸は入射される光量を示し、縦軸は入射光量に応じて補正前及び補正後の画像データを示している。なお、この例において、画像データは４ビットとする。
【００７９】
入射光量は、図８のグラフにおける横軸の黒と白の間の任意の値を取る。理想的な場合、黒の信号レベルに対して、画素データ「００００」を出力し、そして白レベルに対して、画素データ「１１１１」を出力することが望まれる。しかし、実際には各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキによって、図８に示すように、出力される画像データにオフセットがついており、さらに利得も理想的な状況とは異なる。また、各チャネルのゲインアンプの利得特性にバラツキが存在するため、同じ入射光量でもチャネルごとに異なる画像データが出力されてしまう。
【００８０】
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、チャネルごとに設けられている補正回路５０ａ−１〜５０ａ−Ｎにより、画像データに対して補正を行い、チャネル間のゲインアンプの利得特性のバラツキを補正する。各補正回路において、演算器５０４は、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３から出力される白基準信号及び黒基準信号に対応する画像データに基づき、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力される画像データを補正する。
【００８１】
以下、演算器５０４における補正処理についてさらに詳しく説明する。
ここで、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力される画像データが入射光量に対して線型であると仮定する。これによって、補正を線型式によって実現できる。補正用式として、例えば次式を用いることができる。
【００８２】
【数１】
ｙ＝ａｘ＋ｂ …（１）
【００８３】
式（１）において、ｙは補正後の画像データの値、ｘは補正前の画像データの値であり、さらに、ａとｂは補正用の係数である。
【００８４】
基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５０３によって、白基準信号に対するＡ／Ｄ変換の結果ｘw 及び黒基準信号に対するＡ／Ｄ変換の結果ｘb がそれぞれ得られる。そして、白基準信号に対して、所望の画像データ、例えば「１１１１」を補正後の値ｙw として、黒基準信号に対して、所望の画像データ、例えば「００００」を補正後の値ｙb とすると、（ｘb ，ｙb ）及び（ｘw ，ｙw ）のペアを式（１）に代入すると、補正用係数ａとｂを計算することができる。
【００８５】
演算器５０４は、水平転送部２０によって一回のシリアル転送が行われたとき、出力される白基準データ及び黒基準データに基づき、上述した演算処理によって補正用係数ａとｂを算出する。そして、算出した補正用係数を用いて、式（１）によって、画像信号用Ａ／Ｄ５０２から出力されたすべての画像データに対して、補正演算を行い、補正後の画像データを出力する。
【００８６】
上述した補正処理は、チャネルごとに設けられている補正回路によって行われる結果、各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキが抑制され、各チャネルにほぼ均一の利得特性による画像データが得られる。
【００８７】
第３実施形態
図９は本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第３の実施形態を示す回路図である。
図示のように、本実施形態のＣＣＤ撮像装置は、撮像部１０、水平転送部２０及び補正回路５０ｂ−１〜５０ｂ−Ｎによって構成されている。
【００８８】
本実施形態のＣＣＤ撮像装置において、撮像部１０及び水平転送部２０は、前述した本発明のＣＣＤ撮像装置の他の実施形態の撮像部、水平転送部と同じ構成を有するので、ここではそれらの詳細については省略する。
【００８９】
図９において、チャネルＣＨ１の出力側に設けられている補正回路５０ｂ−１の構成のみを示している。その他の各チャネルに設けられている補正回路は、補正回路５０ｂ−１と同じ構成を有している。
【００９０】
補正回路５０ｂ−１は、図９に示すように、利得可変アンプ５１０、画像信号用Ａ／Ｄ５１１、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２、演算器５１３及び基準信号用Ｄ／Ａ５１４によって構成されている。
以下、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における補正回路の各部分について説明する。
【００９１】
利得可変アンプ５１０は、基準信号用Ｄ／Ａ５１４から出力される利得制御信号ＧＣＴによって利得が制御される。そして、制御された利得で水平転送部２０のチャネルＣＨ１の出力信号を増幅して、画像信号用Ａ／Ｄ５１１及び基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２に出力する。
【００９２】
画像信号用Ａ／Ｄ５１１は、可変利得アンプ５１０の出力信号のうち、画像信号に対してＡ／Ｄ変換を行い、所定のビット数をもつの画像データを出力する。
基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２は、チャネルＣＨ１の出力信号のうち、白基準信号及び黒基準信号をＡ／Ｄ変換し、白基準データと黒基準データを出力する。なお、白基準信号及び黒基準信号のＡ／Ｄ変換は、画像信号のＡ／Ｄ変換より精度が要求されるので、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２は、画像信号用Ａ／Ｄ５１１より出力信号のビット数が多い。
【００９３】
演算器５１３は、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２から出力される白基準データ及び黒基準データ、並びに外部から入力される基準データＲＦＤに応じて、利得可変アンプ５１０の利得を制御する利得制御データを出力する。なお、基準データＲＦＤは、例えば、白基準信号に対応する所望の白基準データ及び黒基準信号に対応する所望の黒基準データからなる。
【００９４】
基準信号用Ｄ／Ａ５１４は、演算器５１３からの利得制御データをアナログ信号に変換し、変換出力を利得制御信号ＧＣＴとして、利得可変アンプ５１０に出力する。
【００９５】
次に、本実施形態のＣＣＤ撮像装置における補正回路５０ｂ−１の動作について説明する。
水平転送部２０のチャネルＣＨ１からの出力信号が利得可変アンプ５１０によって、利得制御信号ＧＣＴに応じて制御された利得及びオフセットをもって増幅され、その出力が画像信号用Ａ／Ｄ５１１及び基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２に出力される。
【００９６】
画像信号用Ａ／Ｄ５１１において、利得可変アンプ５１０から出力にされる画像信号をＡ／Ｄ変換し、変換結果をチャネルＣＨ１の画像データＤCH1 として出力する。
一方、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２において、利得可変アンプ５１０から出力にされる白基準信号及び黒基準信号をＡ／Ｄ変換し、変換結果の白基準データ及び黒基準データを演算器５１３に出力する。
【００９７】
演算器５１３において、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２からの白基準データ及び黒基準データ、さらに外部から入力される基準デーＲＦＤに基づき、利得可変アンプ５１１の利得及びオフセットを制御する利得制御データが算出され、基準信号用Ｄ／Ａ５１４に出力される。
【００９８】
基準信号用Ｄ／Ａ５１４によって、演算器５１３からの利得制御データがアナログ信号に変換され、利得制御信号ＧＣＴとして利得可変アンプ５１０に出力される。
【００９９】
補正回路５０ｂ−１において、上述したフィードバック処理によって、利得可変アンプ５１０の利得及びオフセットが制御される。その結果、利得可変アンプ５１０から出力される画像信号が所望のオフセット及び利得特性による画像信号となり、画像信号用Ａ／Ｄ５１１によって変換の結果、所望の利得特性による画像データが得られる。
【０１００】
チャネルＣＨ２〜ＣＨＮの各チャネルに設けられている補正回路５０ｂ−２〜５０ｂ−Ｎによって、上述した補正回路５０ｂ−１と同じように補正処理が行なわれる結果、各チャネルのゲインアンプの利得特性のバラツキが抑制され、各チャネルからほぼ均一の利得特性による画像データが得られる。
【０１０１】
なお、本実施形態のＣＣＤ撮像装置の各チャネルに用いられる補正回路５０ｂ−１〜５０ｂ−Ｎにおいて、基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２には、高い精度が要求されるので、画像信号用Ａ／Ｄ５１１よりビット数の多いＡ／Ｄを用いることが望まれる。白基準信号及び黒基準信号は、水平転送部２０のおける一回のシリアル転送においてそれぞれ一回ずつ行われるので、画像信号用Ａ／Ｄ５１１より低速のＡ／Ｄ変換器を使用することができる。このため、タイミング制御により安価なＡ／Ｄ変換器を使用できる。さらに、白基準データの精度を上げるために、平均加算を行うなどもできる。
【０１０２】
図１０は、本実施形態における補正回路の信号読み出しのタイミングを示すタイミングチャートである。図示のように、画像信号の読み出しの間で基準信号の読み出しが行われる。即ち、各チャネルの出力信号における白基準信号及び黒基準信号が基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２によって取り込まれ、白基準データ及び黒基準データが変換される。このように、基準信号の読み出しが画像信号の読み出しの間で行われるので、低速で高精度のＡ／Ｄ変換器を使用可能である。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態によれば、水平転送部２０の各チャネルの出力信号に対して、利得可変アンプ５１０によって増幅した結果が画像信号用Ａ／Ｄ５１１に出力されて画像データに変換され、さらに基準信号読み取り用Ａ／Ｄ５１２に出力されて白基準データ及び黒基準データが変換される。これらの基準データ及び外部から入力される基準データＲＦＤに基づき、演算器５１３により利得制御データが算出され、基準信号用Ｄ／Ａ５１４によって利得制御信号ＧＣＴに変換され、可変利得アンプ５１０に出力される。このため、各チャネルの出力信号に対して利得及びオフセットのバラツキを補正することができ、各チャネルからほぼ均一の利得特性による画像データが得られる。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＣＣＤ撮像装置によれば、多チャネルの水平転送部の各チャネルの出力信号に対して、補正回路によって利得及びオフセットの特性を補正することにより、各チャネル間の利得特性のバラツキを抑制できる。このため、水平転送部の多チャネル化による画質の劣化を回避することができ、画質を維持しながら高速な画像データ読み出しを実現できる。
また、本発明のＣＣＤ撮像装置によれば、シリアル転送ごとに白基準信号と黒基準信号を出力し、これに基づき各チャネルの利得特性を補正することによって、実時間で利得特性の補正を実現でき、温度変化などの環境変化によるアンプ特性の変動にも対処できる。また、半導体素子の経時的な特性変化に対しても、自動的に補正を行うことができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＣＣＤ撮像装置を示す構成図である。
【図２】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の撮像部、垂直転送部及び水平転送部の構成を示す構成図である。
【図３】白基準信号注入における白基準発生部４０のポテンシャルの概念図を示す図である。
【図４】垂直転送パルスの波形を示す波形図である。
【図５】水平転送パルス及びそれに基づく出力信号の波形を示す波形図である。
【図６】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図８】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第２の実施形態の画像データの出力特性を示すグラフである。
【図９】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第３の実施形態を示す構成図である。
【図１０】本発明に係るＣＣＤ撮像装置の第３の実施形態における信号の読み出しを示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１０…撮像部、
２０…水平転送部、
５０…補正回路、
５０−２，５０ａ−１〜５０ａ−Ｎ，５０ｂ−１〜５０ｂ−Ｎ…補正回路。
Claims (5)
- 入射光量に応じた電荷を蓄積するための複数のフォトダイオードが行列状に配置された受光部と、
垂直転送パルスに応じて上記受光部の各フォトダイオードに蓄積された電荷を垂直方向に並列に転送するための垂直転送部と、
遮光されたフォトダイオードを含み、所定の白基準電位の印加によって当該フォトダイオードに蓄積される電荷に応じた白基準電荷を発生する白基準発生部と、
遮光されたフォトダイオードを含み、当該フォトダイオードに蓄積される電荷に応じた黒基準電荷を発生する黒基準発生部と、
上記垂直転送部から転送された１ライン分の電荷と、上記白基準発生部が発生した白基準電荷と、上記黒基準発生部が発生した黒基準電荷とを各々が受け取り、当該受け取った電荷を水平転送パルスに応じて各々が水平方向に転送する複数の水平転送部と、
上記複数の水平転送部からそれぞれ転送される電荷に応じた信号を増幅して出力する複数の増幅器と、
上記複数の増幅器の各々から出力される白基準信号及び黒基準信号に基づいて、上記複数の増幅器の間におけるオフセット及び利得のばらつきを補正する補正回路と
を有するＣＣＤ撮像装置。 - 上記補正回路は、
上記複数の増幅器中の１の増幅器から出力される白基準信号と他の増幅器から出力される白基準信号とを比較するとともに、当該１の増幅器から出力される黒基準信号と当該他の増幅器から出力される黒基準信号とを比較する比較回路と、
上記比較回路の比較結果に応じたオフセット及び利得に基づいて上記他の増幅器から出力される信号を増幅して出力する補正用増幅器と
を有する
請求項１記載のＣＣＤ撮像装置。 - 上記補正回路は、
上記増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる画像信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換回路と、
上記増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる上記白基準信号及び上記黒基準信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換回路と、
上記第１のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル画像信号と上記第２のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル基準信号とを入力し、上記ディジタル基準信号に基づいて上記ディジタル画像信号に演算処理を施して上記増幅器のオフセット及び利得を補正したディジタル画像信号を出力する演算回路と
を有する
請求項１記載のＣＣＤ撮像装置。 - 上記補正回路は、
上記増幅器から出力される信号を増幅して出力する可変利得増幅器と、
上記可変利得増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる画像信号をディジタル信号に変換する第１のＡ／Ｄ変換回路と、
上記可変利得増幅器から出力される信号の１ライン中に含まれる上記白基準信号及び上記黒基準信号をディジタル信号に変換する第２のＡ／Ｄ変換回路と、
上記第２のＡ／Ｄ変換回路から出力されるディジタル基準信号と所定の基準値とに基づいて上記増幅器のオフセット及び利得を補正するための制御信号を生成する演算回路と、
上記演算回路から出力される上記制御信号をアナログ信号に変換して利得制御信号として上記可変利得増幅器に出力するＤ／Ａ変換回路と
を有する
請求項１記載のＣＣＤ撮像装置。 - 上記第２のＡ／Ｄ変換回路の分解能が上記第１のＡ／Ｄ変換回路の分解能よりも高い請求項３又は４記載のＣＣＤ撮像装置。
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