JP3913388B2 - 固体撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、露光制御及びホワイトバランス制御を自動的に行うようにした固体撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4は、CCDイメージセンサを用いた撮像装置の構成を示すブロック図である。
【0003】
CCDイメージセンサ1は、複数の受光画素、複数の垂直転送レジスタ及び通常1つの水平シフトレジスタを有している。複数の受光画素は、受光面に一定の間隔で行列配置され、それぞれ受光した被写体画像に対応して情報電荷を発生して蓄積する。複数の垂直シフトレジスタは、受光画素の各列に対応して配置され、各受光画素に蓄積された情報電荷を順次垂直方向へ転送する。そして、水平シフトレジスタは、垂直シフトレジスタの出力側に配置され、複数の垂直シフトレジスタから転送出力される情報電荷を受け取り、1行単位で転送出力する。これにより、各受光画素に蓄積された情報電荷量に応じて電圧値を変化させる画像信号A1が出力される。
【0004】
ここで、カラー撮像を行う場合、CCD1の各受光画素を所定の色成分に対応付けるため、受光面に色分離用のカラーフィルタが装着される。このカラーフィルタは、モザイク型の場合、ストライプ型と比較してフィルタの構成が複雑になるが、水平解像度を高くすることができるという利点を有している。このため、高解像度化が望まれるビデオカメラ等においては、モザイク型のカラーフィルタが採用される傾向にある。
【0005】
駆動回路2は、後述するタイミング制御回路3からの各種タイミング信号に応答し、CCD1の各シフトレジスタに対して多相の駆動クロックを供給する。例えば、垂直シフトレジスタに対し、4相の垂直転送クロックφvを供給し、水平シフトレジスタに対して2相の水平転送クロックφhを供給する。タイミング制御回路3は、一定周期の基準クロックに従い、CCD1の垂直走査のタイミングを決定する垂直タイミング信号VDと水平走査のタイミングを決定する水平タイミング信号HDとを生成し、駆動回路2に供給する。
【0006】
アナログ処理回路4は、CCD1から入力される画像信号A1(t)に対し、サンプルホールド、レベルクランプ等の処理を施し、所定のフォーマットに従う画像信号A2を生成する。例えば、サンプルホールド処理においては、CCD1の出力動作に同期してリセットレベルと信号レベルとが交互に繰り返される画像信号A1から、信号レベルのみが取り出される。また、レベルクランプ処理においては、画像信号A1の水平走査期間の終端に設定される黒基準レベルが各水平走査期間毎に所定のレベルにクランプされる。A/D変換回路5は、アナログ処理回路2から入力される画像信号A2をアナログ処理回路2の動作、即ち、CCD1の出力動作に従うタイミングで量子化し、CCD1の各受光画素に対応する情報をデジタル値で表す画像データD3を生成する。
【0007】
色演算回路12は、A/D変換回路から得られる画像データD3を各色成分毎に分離し、各色成分から光の三原色に対応する複数の色成分からなる色データC4を生成する。例えば、CCD1に装着されるカラーフィルタがイエロー(Ye)、シアン(cy)、グリーン(G)及びホワイト(W)で構成されている場合、
Ye−G=R
Cy−G=B
G=G
の式に従う色演算処理を施し、光の三原色であるレッド(R)、ブルー(B)及びグリーン(緑)の各成分が生成される。
【0008】
ホワイトバランス回路7は、色演算回路6から入力される色データC4に対して、各色成分毎に設定される固有のゲインを与えることにより、各色成分のバランスを調整して色データC5を生成する。即ち、ホワイトバランス回路7では、CCD1の受光画素において生じる色成分毎の感度の差を補償するため、各色成分(R、G、B)のゲインを個別に設定することにより再生画面の色再現性を向上させている。色差演算回路8は、ホワイトバランス回路7から入力される調整された色データC5に対して演算処理を施し、色差データU、Vを生成する。例えば、色データC5のR成分、G成分、B成分を3:6:1の割合で合成して輝度データを生成し、この輝度データをB成分から差し引くことによって色差データUを生成し、R成分から差し引くことによって色差データVを生成する。
【0009】
輝度演算回路9は、画像データD4に含まれる複数の色成分を合成することにより、輝度データB4を生成する。例えば、CCD1に装着されるカラーフィルタがイエロー(Ye)、シアン(cy)、グリーン(G)及びホワイト(W)で構成されている場合、Ye、Cy、G、Wの各成分を合成することで、
となり、R、G及びBの各成分が1:2:1の割合で合成された輝度データB4を得ることができる。本来、輝度信号は、NTSC方式の規格によれば、R、G及びBの各成分を3:6:1の割合で合成して生成されるものであるが、これに近い割合で合成して生成したものであれば、実用上問題はない。
【0010】
輪郭補正回路10は、輝度データB4に含まれる特定の周波数成分を強調してアパーチャデータを生成し、このアパーチャデータを輝度データC4に加算する。即ち、被写体画像の輪郭を強調するため、A/D変換回路5のサンプリング周波数の1/4の周波数成分を強調するように輝度データB4に対してフィルタリング処理を施し、アパーチャデータを生成するように構成される。アパーチャデータが付加された輝度データB4は、輝度データYとして、色差データU、Vと共に外部の表示機器あるいは記録機器へ供給される。
【0011】
以上の固体撮像装置においては、画像信号のレベルから判定した露光状態をタイミング制御回路3にフィードバックし、CCD1の露光時間を伸縮制御することで、露光状態が適正な範囲に保たれる。即ち、CCD1においては、情報電荷の蓄積開始から転送開始までの期間が情報電荷を蓄積する露光期間となるため、蓄積開始のタイミングをCCD1の露光状態に応じて変更することにより、各受光画素に蓄積される情報電荷の量を適正な範囲に維持できる。また、画像信号の各色成分毎の平均レベルに基づいて各色成分毎のゲインを決定し、それぞれのゲインを各色成分に与えるようにしてホワイトバランスの制御が行われる。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
固体撮像素子の露光制御においては、被写体輝度の変化に追従できるように、露光状態の判定が各垂直走査期間に行われ、その都度、固体撮像素子の露光期間、即ち、シャッタタイミングが更新される。これに対して、ホワイトバランス制御においては、被写体の色バランスの変化が、被写体の輝度の変化に比べて緩やかなため、各色成分に対して設定されるゲインは、露光制御の条件よりも長い周期で更新される。
【0013】
撮像装置を周期発光する光源の下で動作させる場合、その撮像周期と光源の発光周期とが同一または整数倍の関係にあれば、再生画面上に理論上フリッカは発生しない。しかしながら、光源の周期発光動作にジッタが含まれていると、撮像動作が光源の発光周期と僅かにずれることになため、画像信号のレベルは、光源の周期発光動作に含まれるジッタに応じて変動することになる。このとき、露光制御においては、各水平走査期間で露光制御の条件が更新されるため、ジッタの影響を受けにくいが、ホワイトバランス制御では、露光制御よりも応答が緩慢なため、ジッタの影響を受け易い。従って、撮像素子の露光時間が短くなると、信号レベルに対して、ジッタに起因する変化分の割合が高くなり、再生画面の色合いが光源の発光動作に含まれるジッタに従う周期で変動することになる。
【0014】
そこで本発明は、露光制御とホワイトバランス制御とを同時に安定して行うことができるようにすることを目的とする。
【0015】
【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、その特徴とするところは、複数の受光画素が行列配置され、受光した被写体画像に応じた情報電荷を蓄積する固体撮像素子と、上記固体撮像素子の各受光画素に蓄積される情報電荷を一旦排出した後、所定の期間を経過して転送出力することで画像信号を得る駆動回路と、上記駆動回路の情報電荷の排出タイミング及び読み出しタイミングを設定するタイミング制御回路と、上記固体撮像素子の露光状態を第1の周期毎に判定し、適正範囲内にあるとき、上記タイミング制御回路の各タイミングを保持し、適正範囲から外れているとき、上記タイミング制御回路の各タイミングの時間間隔を伸縮して上記固体撮像素子の露光状態を適正範囲に収める露光制御回路と、上記画像信号から生成される所定の色成分を表す複数の色信号の相対的バランスを上記第1の周期以上の長さに設定される第2の周期で制御するホワイトバランス回路と、を備えた固体撮像装置であって、上記露光制御回路は、上記画像信号を1画面単位で積分する積分回路と、上記積分回路の積分値を適正範囲に対応して設定される上限値及び下限値と比較する比較回路と、上記積分回路の積分値が、上記上限値より大きいときに露光抑制信号を立ち上げ、上記下限値より小さいときに露光促進信号を立ち上げると共に、上記積分回路の積分値が上記上限値より小さく、上記下限値よりも大きいときにホ−ルド信号を立ち上げる判定回路と、を含んで、上記ホ−ルド信号を上記ホワイトバランス回路に供給し、上記第2の周期は、上記露光制御回路において、上記固体撮像素子の露光状態が適正範囲から外れていると判定される期間には第1の期間に設定され、上記固体撮像素子の露光状態が適正範囲にあると判定される期間には上記第1の期間より短い第2の期間に設定されることにある。
【0016】
本発明によれば、固体撮像素子の露光状態が安定した状態となったとき、ホワイトバランスの制御が、短い周期で行われるようになる。このため、被写体を照明する光源の周期発光動作にジッタが含まれている場合でも、そのジッタの影響がホワイトバランスの制御で吸収され、画面上に現れにくくなる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【0018】
この図において、CCD1、駆動回路2及びタイミング制御回路3の構成は、図4と同一であり、タイミング制御回路3の出力に応答して動作する駆動回路2によってCCD1がパルス駆動され、画像信号A1が出力される。また、画像信号A1に対して各種処理を施すアナログ処理回路4から輪郭補正回路10までの構成についても、図3と同一であり、画像信号A1からデジタル化された輝度信号Y及び色差信号U、Vが生成される。
【0019】
本発明の特徴とするところは、露光制御回路11及びバランス制御回路12を設け、バランス制御回路12の制御情報の更新周期を露光制御回路11の指示に応答して変更できるようにしたことにある。詳しくは、露光制御回路11において露光状態が適正範囲で固定されている期間に、バランス制御回路12の制御情報の更新周期を短くし、ホワイトバランス制御の応答性をよくするように構成している。
【0020】
露光制御回路11は、A/D変換回路5から入力される画像信号D3の平均レベルからCCD1の露光状態を判定し、その判定結果に従って露光促進信号OP、露光抑制信号CL及び固定信号HLDの何れか1つを立ち上げる。即ち、画像信号D3の平均レベルが低いときには、CCD1が露光不足であると判定して促進信号OPを立ち上げ、画像信号D3の平均レベルが高いときには、CCD1が過剰露光であると判定して抑制信号CLを立ち上げるように構成される。この促進信号OP及び抑制信号CLは、タイミング制御回路3に供給される。タイミング制御回路3においては、例えば、CCD1における情報電荷の蓄積期間(露光時間)を数値的に保持するアップダウンカウンタを促進信号OP及び抑制信号CLの立ち上がりに応答してアップカウントまたはダウンカウントするように構成される。これにより、CCD1の露光時間は、促進信号OPの立ち上がりに応答して短縮され、逆に、抑制信号CLの立ち上がりに応答して伸長される。また、画像信号D3が適正なレベルを示しているとき、固定信号HLDが立ち上げられ、この固定信号HLDがバランス制御回路12に供給される。この露光制御回路11においては、画像信号D3のレベルが1画面単位で判定され、必要に応じて、各垂直走査期間毎に促進信号OP、抑制信号CL及び固定信号HLDの立ち上がりが切り換えられる。
【0021】
バランス制御回路12は、色演算回路6から入力される色信号C4の各成分毎の平均レベルを算出し、基準となる色成分の平均レベルに、その他の色成分の平均レベルを一致させるためのゲインを算出する。例えば、光の三原色でG成分を基準とし、そのG成分の平均レベルをR成分及びB成分のそれぞれの平均レベルで除算してR成分及びB成分に与えるべきゲインGr、Gbを算出する。このゲインGr、Gbは、色信号C4のR成分及びB成分に対するゲインとして、ホワイトバランス回路7に供給される。このバランス制御回路12においては、色信号C4の各色成分に対する平均レベルの判定が、通常は、数画面単位、例えば、8画面単位で判定され、ホワイトバランス回路7に与えるゲインGr、Gbが8垂直走査期間毎に更新される。そして、露光制御回路11から入力される固定信号HLDが立ち上げられている期間に限って、色成分信号C4の各色成分に対する平均レベルの判定が、1画面単位で行われ、1垂直走査期間毎にゲインGr、Gbの更新が行われる。
【0022】
尚、バランス制御回路12については、ホワイトバランス回路7において生成される画像信号C5を取り込み、画像信号C5の各色成分毎のバランスをそろえるべくフィードバック制御するように構成してもよい。例えば、G成分を基準としたとき、そのG成分の平均レベルとR成分及びB成分のそれぞれの平均レベルとを比較し、その比較結果に応じてR成分及びB成分に与えるべきゲインGr、Gbを増減することで、G成分の平均レベルにR成分及びB成分の平均レベルを一致させるようにすればよい。この場合でも、G成分の平均レベルとR成分及びB成分の平均レベルとの比較判定を固定信号に応答して数画面単位または1画面単位で切り換えるように構成する。
【0023】
以上の固体撮像素子によれば、露光制御回路11がCCD1の露光時間を各垂直走査期間毎に短縮または伸長するように制御している間は、バランス制御回路12が適数垂直走査期間毎に色信号C4の各色成分毎のゲインGr、Gbを更新してホワイトバランスを制御する。従って、CCD1の露光期間が変化している間には、ホワイトバランス制御の応答が、露光制御の応答に比べて鈍くなっている。そして、露光制御動作が安定し、CCD1の露光時間が固定されている期間には、バランス制御回路12が各垂直走査期間毎に色信号C4の各色成分毎のゲインGr、Gbを更新してホワイトバランスを制御する。従って、CCD1の露光期間が安定したときには、ホワイトバランス制御の応答が、素早くなる。
【0024】
図2は、露光制御回路11の構成の一例を示すブロック図である。露光制御回路11は、加算器21、レジスタ22、比較器23、24及びデコーダ25より構成される。
【0025】
加算器21は、入力される画像信号D3とレジスタ22に保持された累加算値S3とを加算し、レジスタ22に供給する。レジスタ22は、加算器21に接続され、垂直同期信号VDに応答してリセットされると共に、加算器21の加算結果を順次取り込んで保持する。これにより、レジスタ22には、1垂直走査期間の間、画像信号D3の累加算値S3が保持される。
【0026】
比較器23、24は、レジスタ22に保持された累加算値S3を、適正露光範囲の上限及び下限に対応して設定される基準値R1、R2と比較し、それぞれの比較結果をデコーダ25に供給する。デコーダ25は、2つの比較器23、24の比較結果に基づいて、露光促進信号OP、露光抑制信号CL及び固定信号HLDの何れかを立ち上げる。例えば、累加算値S3が、適正範囲の上限に対応して設定される基準値R1を越えているときには、露光抑制信号CLを立ち上げ、適正露光範囲の下限に対応して設定される基準値R2に達していないときには、露光促進信号OPを立ち上げる。そして、累加算値S3が基準値R2から基準値R1の間にあるときには、促進信号OP及び抑制信号CLの何れも立ち上げず、固定信号HLDを立ち上げるように構成される。このようにして生成される促進信号OP及び抑制信号CLは、タイミング制御回路3に供給されて、CCD1の路呼応時間の伸縮制御に用いられる。また、固定信号HLDは、バランス制御回路12に供給されて、制御情報の更新周期の切り換えに用いられる。
【0027】
図3は、バランス制御回路12の構成の一例を示すブロック図である。バランス制御回路12は、加算器31a〜31c、レジスタ32a〜32c、除算器33、34、ラッチ35、36、カウンタ37及びデコーダ38より構成される。
【0028】
各加算器31a〜31cは、入力される色信号C4の各色成分に対して設けられ、色信号C4の各成分C4(G)、C4(R)、C4(B)と、各レジスタ32a〜33cに保持された累加算値とを加算し、それぞれレジスタ32a〜32cに供給する。各レジスタ32a〜32cは、各加算器31a〜31cに接続され、リセット信号RTに応答してリセットされると共に、各加算器31a〜31cの加算結果を順次取り込んで保持する。これにより、各レジスタ31a〜31cには、リセット信号RTの1周期の間、色信号C4の各色成分C4(G)、C4(R)、C4(B)の累加算値S4(G)、S4(R)、S4(B)が保持される。
【0029】
除算器33、34は、レジスタ32b、32cに保持された累加算値S4(R)、S4(B)で、レジスタ32aに保持された累加算値S4(G)をそれぞれ除算し、その除算結果をラッチ35、36に供給する。ラッチ35、36は、除算器33、34にそれぞれ接続され、リセット信号RTに従うタイミングで各除算器33、34の除算結果を取り込んで保持する。これにより、各ラッチ35、36には、色信号C4のG成分の平均レベルに、R成分及びB成分の各平均レベルを一致させるために色信号C4のR成分及びB成分に与えるべきゲインGr、Gbが保持される。
【0030】
カウンタ37は、リセット信号RTでリセットされて、垂直同期信号VDに応答してカウント動作する。そして、デコーダ38は、カウンタ37に接続され、カウンタ37のカウント値をデコードすることにより、垂直同期信号VDの整数倍の周期を有するリセット信号RTを出力する。さらに、デコーダ38は、露光制御回路11から与えられる固定信号HLDに応答してデコード値を切り換えるように構成されており、固定信号HLDが立ち上げられている期間には、リセット信号RTの周期を短く設定する。例えば、固定信号HLDが立ち上げられるまでは垂直同期信号VDを8分周してリセット信号RTを生成し、固定信号HLDが立ち上げられたときには、垂直同期信号VDがそのままリセット信号RTとなるように構成される。従って、色信号C4の各色成分C4(G)、C4(R)、C4(B)の平均レベルをそろえるためのゲインGr、Gbは、固定信号HLDが立ち上がっていない期間には、所定の垂直走査期間(例えば8垂直走査期間)毎に更新され、、固定信号HLDが立ち上がっている期間には、各垂直走査期間毎に更新される。
【0031】
尚、ホワイトバランス回路7から出力される色信号C5に基づいて各色成分毎のゲインをフィードバック制御する場合、図3において、除算器33、34を比較器に置き換え、その比較結果に基づいて各ゲインGr、Gbを一定のステップで増減するように構成すればよい。このように構成した場合でも、色信号C4の各色成分C4(G)、C4(R)、C4(B)の平均レベルは、固定信号HLDが立ち上がっている期間に、立ち上がっていない期間よりも短い周期で更新されることになる。
【0032】
以上の実施形態においては、露光制御回路11の制御情報の更新周期と、固定信号HLDが立ち上がっている期間のバランス制御回路12の制御情報の更新周期と、をそれぞれ1垂直走査期間としたが、この期間を垂直走査期間の2倍以上に設定することも可能である。その場合、固定信号HLDが立ち上がっていない期間のバランス制御回路12の制御情報の更新周期は、さらに長く設定する必要がある。
【0033】
【発明の効果】
本発明によれば、露光制御が安定している期間に限ってホワイトバランス制御の応答性が向上されるため、被写体の色合いが急に変化した場合でも、色バランスが崩れることなく、短時間で制御を収束させることができる。従って、安定した撮像状態を維持し、再生画面上の色合いの周期的な変動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図2】本発明の固体撮像装置の露光制御回路の構成を示すブロック図である。
【図3】本発明の固体撮像装置のバランス制御回路の構成を示すブロック図である。
【図4】従来の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 CCDイメージセンサ
2 駆動回路
3 タイミング制御回路
4 アナログ処理回路
5 A/D変換回路
6 色演算回路
7 ホワイトバランス回路
8 色差演算回路
9 輝度演算回路
10 輪郭補正回路
11 露光制御回路
12 バランス制御回路
21 31a〜31c 加算器
22 32a〜32c レジスタ
23、24 比較器
25 デコーダ
33、34 除算器
35、36 ラッチ
37 カウンタ
38 デコーダ
Claims (2)
- 複数の受光画素が行列配置され、受光した被写体画像に応じた情報電荷を蓄積する固体撮像素子と、上記固体撮像素子の各受光画素に蓄積される情報電荷を一旦排出した後、所定の期間を経過して転送出力することで画像信号を得る駆動回路と、上記駆動回路の情報電荷の排出タイミング及び読み出しタイミングを設定するタイミング制御回路と、上記固体撮像素子の露光状態を第1の周期毎に判定し、適正範囲内にあるとき、上記タイミング制御回路の各タイミングを保持し、適正範囲から外れているとき、上記タイミング制御回路の各タイミングの時間間隔を伸縮して上記固体撮像素子の露光状態を適正範囲に収める露光制御回路と、上記画像信号から生成される所定の色成分を表す複数の色信号の相対的バランスを上記第1の周期以上の長さに設定される第2の周期で制御するホワイトバランス回路と、を備えた固体撮像装置であって、
上記露光制御回路は、上記画像信号を1画面単位で積分する積分回路と、上記積分回路の積分値を適正範囲に対応して設定される上限値及び下限値と比較する比較回路と、上記積分回路の積分値が、上記上限値より大きいときに露光抑制信号を立ち上げ、上記下限値より小さいときに露光促進信号を立ち上げると共に、上記積分回路の積分値が上記上限値より小さく、上記下限値よりも大きいときにホ−ルド信号を立ち上げる判定回路と、を含んで、上記ホ−ルド信号を上記ホワイトバランス回路に供給し、
上記第2の周期は、上記露光制御回路において、上記固体撮像素子の露光状態が適正範囲から外れていると判定される期間には第1の期間に設定され、上記固体撮像素子の露光状態が適正範囲にあると判定される期間には上記第1の期間より短い第2の期間に設定されることを特徴とする固体撮像装置。 - 上記ホワイトバランス回路は、上記複数の色信号を各成分毎に積分する積分回路と、上記積分回路の積分値に基づいて上記複数の色成分毎のゲインを決定する演算回路と、上記演算回路で決定された上記複数の色成分毎のゲインを所定の周期で取り込んで保持するラッチと、を含み、上記ホールド信号に応答して上記ラッチの取り込む周期を切り換えることを特徴とする請求項1に記載の固体撮像装置。
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