JP4243084B2

JP4243084B2 - 固体撮像装置およびその信号処理方法

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Publication number: JP4243084B2
Application number: JP2002282697A
Authority: JP
Inventors: 和也小田; 丈司宮下
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP2004120492A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を電気信号に変換して得られる信号を撮像信号とし、この撮像信号に黒レベルのクランプを行い、クランプした撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する固体撮像装置に関するものであり、また、本発明は、たとえば固体撮像素子から読み出した撮像信号にクランプ処理を施し、さらに信号処理を施して画像データを生成する固体撮像装置の信号処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体撮像装置における信号処理では、固体撮像素子から得られたアナログ信号に対する前処理としてノイズ除去処理およびゲイン調整が行われ、ディジタル信号が行われている。ゲイン調整において理想的なDC直結の入力を試みると、回路規模を増大させてしまう。また、ゲイン調整における信号のDC電位は、ゲインが大きいことから外部回路と合わせることが難しい。
【０００３】
このため、DC成分をカットした場合、ゲイン調整は、出力される信号のオプティカルブラック（光学的な黒）レベルの出力期間およびこれに相当する出力期間の一方をクランプしてDC電位の適合を図っている。
【０００４】
また、固体撮像装置は、信号電荷の転送を映像表示させないブランキング期間に垂直転送を行うが、駆動に応じて不要な信号を出力してしまうことがある。この他、いわゆる垂直サグが生じ、対処しても完全に消去できず、さらに、垂直駆動のパルスがノイズとして重畳され、無視できない影響をもたらすことがある。
【０００５】
この影響を回避するため、サンプルホールド回路で光学的な黒レベル期間の電位をサンプルホールドするようにOBCP（Optical Black Clamp Pulse）信号を供給し、少なくとも垂直ブランキング期間の大部分の期間をサンプルホールドした電位に切換スイッチで切り換えている。これにより、不要電荷の出力信号が供給断状態になるので、正常なDC再生が行われるようにしている（特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特許第2806035号明細書。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように光学的な黒領域またはOB部の受光素子から得られる信号を用いて黒レベルを補正する回路が提案されているが、露出時間が長くなると、画面に黒潰れや黒浮きと言われる現象が水平転送方向と同方向にスジとして生じてくる。
【０００８】
この原因を検討してみる。OB部の受光素子は、遮光板で覆われているので、正常な再生が得られるはずである。ところで、一般的に、受光素子は、露出時間が長くなると、受光素子の暗電流により白傷が発生する。この暗電流は、遮光しているにもかかわらず、OB部の受光素子にも発生する。暗電流の発生は、OB部をサンプリングして求めた信号レベルを通常の露出時に比べて変化させてしまう。したがって、この黒レベルをクランプしても、映像信号を生成する受光素子が２次元状に配設されたエリアからの信号レベルと、OB部をサンプリングして求めた信号レベルとが異ならせてしまうことになる。この結果、画像には、黒く潰れたり、黒く浮き上がる現象が生じる。また、この現象は、露出時間の長期化にともなう発熱の増加とOB部の遮光板による保温効果で周囲温度が上昇することも原因と考えられる。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の欠点を解消し、露出時間の長期化や高温環境にあっても、黒潰れや黒浮きを防止することができる固体撮像装置およびその信号処理方法を提供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、入射光を電気信号に変換する複数の受光素子が２次元アレイ状に配され、電気信号を撮像信号として出力する固体撮像素子と、この撮像信号における黒レベルをクランプするクランプ手段とを含み、このクランプした撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する固体撮像装置において、複数の受光素子は、入射光が有効に入射される第１の領域と、第１の領域の外周にあって入射光が遮光された第２の領域とに配設され、固体撮像素子は、第２の領域を囲み受光素子のない第３の領域を有し、この装置は、クランプ手段におけるクランプをどのように行うかの判断に用いるクランプ決定のパラメータを調べる条件調査手段と、パラメータに応じた撮像信号の黒レベルに対するクランプ信号を生成するクランプ信号生成手段と、パラメータを用いて黒レベルのクランプをどのように行うかの判断を行い、この判断に応じてクランプ信号生成手段を制御する制御手段とを含むことを特徴とする。
【００１１】
本発明の固体撮像装置は、条件調査手段で撮像信号に対するクランプ決定のパラメータを調べて制御手段に送り、制御手段でこのパラメータに応じてクランプ信号生成手段を制御することにより、パラメータに応じたクランプ信号が生成され、このクランプ信号でクランプ手段に供給される撮像信号のクランプする範囲を調整することができる。
【００１２】
また、本発明は上述した課題を解決するために、入射光を電気信号に変換する複数の受光素子が２次元アレイ状に配され、複数の受光素子は、入射光が有効に入射される第１の領域と、第１の領域の外周にあって入射光が遮光された第２の領域とに配設され、さらに第２の領域を囲み受光素子のない第３の領域を有し、電気信号を撮像信号として出力する固体撮像素子を用い、この撮像信号における黒レベルをクランプし、このクランプした撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する固体撮像装置の信号処理方法において、予備的な測光にともない少なくとも、撮像信号に対するクランプの決定に用いるパラメータを調べる第１の工程と、このパラメータを用いて黒レベルのクランプをどのように行うかの判断を行い、この判断に応じてクランプ信号の生成を制御する第２の工程と、パラメータにともなう制御に応じて撮像信号に対するクランプ信号を生成する第３の工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の固体撮像装置の信号処理方法は、予備的な測光において撮像信号に対するクランプ決定のパラメータを調べ、このパラメータに応じて黒レベルのクランプ処理に対する判断を行い、判断結果からクランプ信号の生成を制御することにより、撮像信号に対するクランプ信号を生成し、生成したクランプ信号により、撮像信号のクランプする範囲を調整する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に添付図面を参照して本発明による固体撮像装置の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
本実施例は、本発明の固体撮像装置を一眼レフタイプのディジタルカメラ10に適用した場合である。本発明と直接関係のない部分について図示および説明を省略する。以下の説明で、信号はその現れる接続線の参照番号で指示する。
【００１６】
一眼レフタイプのディジタルカメラ10には、図１に示すように、光学系12、撮像部14、前処理部16、信号処理部18、温度センサ部20、システム制御部22、操作部24、タイミング信号発生器26、ドライバ28、モニタ30およびストレージ32が含まれる。光学系12は交換可能な機構を有している。光学系12には、図示しないが、光学系レンズ、ズーム機構、絞り調節機構、およびオートフォーカス（AF: Automatic Focus)調節機構が含まれている。
【００１７】
ズーム機構は、図示しないが被写界の画角を調整する。AF調節機構は、複数の光学レンズの配置を自動的に変位調節して被写体を焦点の合った位置関係に調節する機構である。機構のそれぞれには、上述した位置に光学レンズを移動させるためモータが配設されている。これらの機構は、各モータにドライバ28からそれぞれ供給される駆動信号28aに応動して動作している。
【００１８】
絞り調節機構は、具体的に図示しないが入射光量を調節するAE（Automatic Exposure）調節機構であり、ドライバ28からの駆動信号28bに応じてリング部を回転させる。リング部は、羽根を部分的に重ならせてアイリスの形状を丸く形成し、入射する光束を通すようにアイリスを形成する。このようにして絞り調節機構はアイリスの口径を変えている。絞り調節機構は、メカニカルシャッタをレンズシャッタとして光学系レンズに組み込んでもよい。
【００１９】
メカニカルシャッタは、撮像部14に撮影のとき以外に光が照射されないように遮光するとともに、露光の開始と終了により露光時間を決める機能を有している。メカニカルシャッタには、たとえば一眼レフカメラで使用されているようなフォーカルプレン式がある。この方式は、シャッタ幕が縦または横に走り、この瞬間にできるスリットで露光を行うものである。また、上述したようにレンズシャッタ式を用いてもよい。メカニカルシャッタは、ドライバ28から供給される駆動信号28cに応じてシャッタを開閉する。
【００２０】
撮像部14は、光学ローパスフィルタ14aおよび色フィルタが配された固体撮像素子14bを備えている。光学ローパスフィルタ14aは、入射光の空間周波数をナイキスト周波数以下にするフィルタである。固体撮像素子14bの要部を図２および図３に示す。固体撮像素子14bは、図2(a)に示すように、２次元アレイ状に受光素子を配設して入射光側の撮像面を形成し、各受光素子から映像信号として読み出される有効画素領域140と、遮光された光学的な黒領域（Optical Black area: OB部）142とに分けられている。固体撮像素子14bのOB部142には、受光素子が配設されている。また、固体撮像素子14bは、図示しないがOB部142のさらに外周領域に遮光された受光素子のないダミー（または空）領域を備えている。
【００２１】
固体撮像素子14bは、インターライントランスファ（Interline Transfer: IT)型の電荷結合素子（CCD: Charge Coupled Device)であり、図2(b)に示す太線144で囲む領域を１画素とする受光素子を２次元状にアレイ状に配設している。各受光素子には、入射光を取り込む開口領域144aが形成されている。開口領域144aの直下には、光電変換デバイスとしてフォトダイオードが配設されている。形成したフォトダイオードには、隣接して垂直転送レジスタ144bが形成されている。垂直転送レジスタ144bは、２つのフォトダイオードに対して隣接させてたとえば、４つのCCD V1〜V4を１単位として駆動するように形成している。４つの垂直転送レジスタ144bには、それぞれ垂直駆動信号φV1〜φV4が供給されている。
【００２２】
受光素子の構造を図３を用いて簡単に説明する。図３の受光素子は、有効画素領域142とOB部144の各受光素子に対して図2(b)に示す破断線IIb−IIbに沿って切断した断面を示している。前者の受光素子の場合、N型半導体基板140aの上面140bにP型ウェル140cが積層形成されている。P型ウェル140cには、開口領域144aがカバーされるように対応させてN⁺層140d, P⁺層140eと順次積層させてフォトダイオードを形成している。断面に対するフォトダイオードの両側には独立にチャネルストッパ140f, 140fが形成されている。さらにチャネルストッパ140f, 140fの外側には、N型半導体により垂直転送レジスタ144に対応する埋込みチャネル140g, 140gがそれぞれ形成されている。 P⁺層140e、チャネルストッパ140f, 140fおよび埋込みチャネル140g, 140gで形成される面140hを平坦化する。
【００２３】
垂直転送レジスタ144が形成される面140i上に図示しないが酸化シリコン膜等を用いた絶縁膜を介して転送電極140j, 140jがポリシリコンにより形成される。転送電極は、たとえば２つもけるようにしてもよい。開口領域144aを除く領域は遮光膜140k, 140kにより遮光されている。遮光膜140k, 140kには、開口領域144aが入射光照射領域として形成されている。遮光膜140k, 140kとしては、タングステン（W)等が用いられている。遮光膜140k, 140kは、上述したように転送電極140j, 140jを覆い、開口領域144aを形成するため、遮光膜140k, 140kは、折曲形成される。遮光膜140k, 140kを覆うように、ホスホシリケートガラス等で形成された層間絶縁膜（図示せず）が形成され、遮光膜140k, 140kの表面上が平坦化されている。
【００２４】
この平坦化された開口領域144a上には、色フィルタセグメント140mが形成される。色フィルタセグメント140mは、塗布する材質による入射光の波長選択性を利用して色分解する機能を有する。色フィルタセグメント140m上に層間絶縁膜を形成して平坦化し、この上にマイクロレンズ140nを形成する。
【００２５】
図3(b)に示すように、本実施例の固体撮像素子14bは、OB部144にも受光素子を形成している。図3(a)の受光素子と構造的な相違は、遮光膜140kを折曲することなく、面140iや色フィルタセグメント140mと同様に平行に形成する点である。これにより、OB部144の受光素子は、開口領域144aおよび転送電極140j, 140jすべてが遮光膜140kに覆われる。
【００２６】
図１に戻って、固体撮像素子14bにはドライバ28から駆動信号28dが供給されている。駆動信号28dは、固体撮像素子14bの動作モードや読出し制御に応じてフィールドシフトパルス、水平駆動信号φH、垂直駆動信号φVおよびOFD（Over Flow Drain)信号等が供給される。固体撮像素子14bは、読出し制御に応じて得られたアナログ電圧信号14cを前処理部16に出力する。
【００２７】
前処理部16には、ノイズ除去に相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling: CDS)回路、ゲイン調整アンプ（GCA: Gain Controlled Amplifier)、およびA/D変換器（Analog-to-Digital Converter)が含まれている。CDS回路には、クランプ調整回路16aが含まれる。CDS回路には、タイミング信号発生器26からCDS用のクランプパルス（またはリセットパルス）26a、図示しないサンプリング信号が供給され、A/D変換器には、変換クロック信号26bが供給されている。クランクパルス26aは、システム制御部22から供給される制御信号22aに応じてパルス幅を変化させたクランプパルスである。また、クランプ調整回路16aは、後段で説明するようにクランプ切換制御信号22bがシステム制御部22から供給され、制御を受けるようにしてもよい。
【００２８】
クランプ調整回路16aには、図４に示すように、コンデンサ160、切換スイッチ162、コンデンサ164および抵抗器166a, 166bが配設されている。コンデンサ160は、アナログ電圧信号14cの直流成分をカットし、切換スイッチ162は、クランクパルス26aに応じてクランプするタイミングおよびクランプのオン／オフを切り換える。また、時定数は、コンデンサ164の容量値Cと抵抗器166bの抵抗値Rの積で決まる。前処理部16は、供給されるアナログ信号14cに対してノイズ除去、波形整形、ディジタル化を行って得られた撮像データのすべてをディジタルデータ16bとして信号処理部18に出力する。
【００２９】
信号処理部18は、画像メモリ、WB（White Balance)ゲイン部、ガンマ変換部、同時化処理部、補正部、圧縮／伸長処理部および画像縮小部等を含んでいる。また、信号処理部18には、図示しないがこの他に信号発生回路も含まれている。
【００３０】
信号処理部18には、システム制御部22から制御信号22cが供給されている。信号処理部18の図示しない信号発生回路は制御信号22cに応動して動作する。信号発生回路は、複数の周波数を生成することができるPLL（Phase Locked Loop）回路を有している。信号発生回路は、源発の発振周波数を基準クロックとして逓倍して複数種類のクロック信号を生成し、図示しないがシステム制御部22およびタイミング信号発生器26に出力している。
【００３１】
一方、信号処理部18には、タイミング信号発生器26からタイミング信号26cが供給されている。このタイミング信号は、水平同期信号HD、垂直同期信号VDおよび後述する各部の動作クロック等を含んでいる。
【００３２】
画像メモリは、バッファメモリである。画像メモリには、画像データ16bが入力され、一時的に記憶される。画像メモリは、システム制御部22からの制御信号22cに応じて書込み/読出し制御が行われ、受光素子の位置を考慮した間引き読出し等も行われる。また、画像メモリは、同じ画素データを繰り返して読み出す場合、不揮発性メモリを用いることが好ましい。画像メモリは、制御信号22cに応じて一時的に格納した画素データをWBゲイン部に出力する。
【００３３】
WBゲイン部は、供給される画素データに対するホワイトバランス調整・ゲイン補正を行う機能を有している。WBゲイン部は、システム制御部22の制御により調整した画素データをガンマ補正部に送る。ガンマ変換部には、たとえばガンマ補正用のルックアップテーブルが含まれている。ガンマ変換部は、供給される画像データをテーブルのデータを用いてガンマ補正する機能を有している。ガンマ変換部は、システム制御部22の制御に応じて同時化処理部に出力する。ガンマ変換部は、図１に示した補正した画素データ18aとしてシステム制御部22に出力する。
【００３４】
同時化処理部は、供給される画素データを用いて画素補間処理および色補間処理を行う機能を有している。画素補間処理は、受光素子の画素ずらし配列にともない生じる受光素子のない空領域、仮想画素の補間を行う。画素補間処理には、生成した画素データを広帯域化する機能を含んでもよい。色補間処理は、単板色フィルタの使用により三原色RGBの内、画素データが一色にしか対応していないので、他の二色に対応する画素データを生成し、全画素に対応して三原色RGBを揃える（同時化）。同時化処理部は、システム制御部22の制御に応じて補正部に出力する。
【００３５】
補正部は、プレーンな３色の画像データを基に色差マトリクス処理、輪郭強調処理およびゲイン調整等の補正処理を施す機能を有している。色差マトリクス処理は、供給される画素データと所定の係数を用いて輝度データYと色データCb, Crや色差データ (B-Y), (R-Y)を生成する。補正部は、さらに生成した画像データに対して階調補正、輪郭強調処理およびゲイン調整を施す。補正部は、システム制御部22の制御に応じて生成した画像データを圧縮／伸長処理部に供給する。
【００３６】
圧縮／伸長処理部は、静止画や動画（ムービ）モードにおいて供給される画像データにJPEG（Joint Photographic coding Experts Group）やMPEG（Moving Picture coding Experts Group)-1, MPEG-2等の規格でそれぞれ、圧縮処理を施す。圧縮／伸長処理部は、システム制御部22の制御に応じて圧縮処理した画像データ18bをストレージ部32に送って記録する。圧縮／伸長処理部では、ストレージ部32に記録した画像データ18bをシステム制御部22の制御に応じて読み出して伸長処理が施される。この伸長処理は、圧縮処理の逆処理である。
【００３７】
画像縮小部は、供給される画像データのサイズを考慮して間引き処理を行い、モニタ30の表示サイズ・表示形式データに調整する機能を有している。画像縮小部は、システム制御部22の制御に応じて調整された画像データ18cをモニタ30に供給する。
【００３８】
図１に戻って、温度センサ部20は、図示しないが温度センサおよびA/D変換器を備えている。温度センサは、固体撮像素子14b、撮像部14またはその周囲における温度を測定し、測定した温度をA/D変換器に送る。A/D変換器は、測定した温度をディジタル化し、温度データ20aをシステム制御部22に供給する。
【００３９】
システム制御部22は、カメラ全体の汎用な部分やディジタル処理を行う部分を制御するマイクロコンピュータまたはCPU（Central Processing Unit）である。システム制御部22は、図示しないが評価値算出機能部を含んでいる。システム制御部22は、操作部24から供給されるモード信号24aに応じてディジタルカメラ10を静止画撮影モードまたは動画撮影モードに設定する。システム制御部22は、この設定するモード信号24aと、図示しないレリーズシャッタボタンから撮像タイミングを報知するトリガ信号24bとを受けて、測光が行われ、この測光により得られた画素データ18aを信号処理部18から取り込む。
【００４０】
評価値算出機能部には、絞り値・シャッタ速度を算出する演算回路が含まれている。評価値算出機能部は、供給される画像データ18aを基に輝度分布の演算処理により測光の評価値を算出する。測光の評価値とは、単に積算値を示す場合もあれば、評価関数Pの値を示す場合もある。
【００４１】
なお、評価値算出部は、システム制御部22への配設に限定することなく、信号処理部18に配設するようにしてもよい。この場合、信号処理部18は、ガンマ補正した画像データ18aでなく、演算により算出した積算値18aをシステム制御部22に供給する。
【００４２】
システム制御部22は、評価値算出機能部での絞り値・シャッタ速度および判断結果に応じた制御信号22a, 22c, 22dおよび切換制御信号22bをそれぞれ生成する。生成した制御信号22a, 22c, 22dは、システム制御部22にて信号電荷読出しをどのように行うかに応じて生成されている。これら制御信号20a, 20c, 20dは、それぞれ、タイミング信号発生器24、信号処理部18およびドライバ28に供給される。システム制御部22は、信号処理部18内におけるライン補間や信号発生回路に対する制御、および信号処理を行う上での制御をも考慮した制御信号22cを生成する。また、システム制御部22は、制御信号の内、露出時間や温度データ20aに応じてクランプ調整回路16aのタイミングや時定数における各スレッショルド値を基準に切り換える制御信号20aおよび切換制御信号22bのいずれか一方を生成している。この他、図示しないが、システム制御部22は、ストレージ32における読出し／書込み制御も行っている。
【００４３】
操作部24には、モード選択部およびレリーズシャッタボタンが含まれている。モード選択部は、静止画撮影モードと動画撮影モードの内、いずれのモードにするかの選択を行う。モード選択部は、選択したモード信号24aをシステム制御部22に出力する。レリーズシャッタボタンは、２段階のストロークを有するボタンで、第１段のストロークでディジタルカメラ10を予備撮像の段階（S1)にし、第２段のストロークで本撮像の段階（S2)にするトリガ信号24bをシステム制御部22に出力する。操作部24には、この他、ズーム選択スイッチおよび十字ボタンを設けてもよく、液晶表示パネルに表示される条件を選択する機能を持たせてもよい。
【００４４】
タイミング信号発生器26は、信号処理部18から供給されるクロック信号（図示せず）を基準にシステム制御部22から供給される制御信号22aに応じてタイミング信号を生成する。タイミング信号は、垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスならびにCDS用クランクパルス26aおよびA/D変換クロック信号26b等がある。タイミング信号発生器26は、これら生成した垂直同期信号、水平同期信号、フィールドシフトパルス、垂直転送信号、水平転送信号および電子シャッタパルスを含むタイミング信号26dを動作に応じてそれぞれ、ドライバ28に供給し、クランクパルス26aおよび変換クロック信号26bを前処理部16に供給している。そして、信号処理部18には、タイミング信号26cが供給されている。
【００４５】
ドライバ28は、供給されるタイミング信号26dや制御信号22dを基に駆動信号28a, 28b, 28c, 28dを生成する駆動回路を有している。ドライバ28は、制御信号22dを基に駆動信号28a, 28bを光学系14の光学レンズおよび絞り調節機構にそれぞれ供給してAF調節やAE調節を行わせる。ドライバ28は、レリーズシャッタボタンから供給される本撮像のタイミングに応動してメカニカルシャッタの開閉を行う駆動信号28cをメカニカルシャッタに出力する。また、ドライバ28は、タイミング信号26dを基に生成した駆動信号28dを固体撮像素子14bに供給し、各受光素子の感光領域に信号電荷を露光期間中に蓄積させ、蓄積した信号電荷を垂直転送レジスタ144bに読み出して、水平転送レジスタに転送させ、さらに水平転送レジスタ、出力アンプを経てアナログ電圧信号（または撮像信号）14cを出力している。
【００４６】
モニタ30には、信号処理部18からの画像データ18cが供給される。モニタ30には、一般的に液晶モニタが用いられる。液晶モニタには、液晶表示コントローラが配設されている。液晶コントローラは、画像データ18cを基に液晶分子の並び方や電圧の印加によりスイッチング制御している。この制御により液晶モニタは、画像を表示する。モニタ30は、液晶モニタに限定されず、小型、画像の確認および電力の消費が抑えられる表示機器であれば十分に用いることができることは言うまでもない。
【００４７】
ストレージ32は、半導体メモリ等を記録媒体として用いて、信号処理部18から供給される画像データ18bを記録する。記録媒体には、光ディスクや光磁気ディスク等を用いてもよい。ストレージ32は、各記録媒体に適したピックアップやピックアップと磁気ヘッドを組み合わせて記録再生用ヘッドを用いてデータの書込み／読出しを行う。データの書込み／読出しは、図示しないがシステム制御部22の制御に応じて行われる。このようにディジタルカメラ10が構成されている。
【００４８】
ここで、固体撮像素子（CCD)14bの出力としてアナログ電圧信号14cは、1Hラインを取り出すと、図5(a)に示すダミー領域170、OB領域172、有効画素領域174、OB領域176およびダミー領域178の各領域に分けられる。ディジタルカメラ10は、温度や露出時間等により、遮光してもOBレベルと有効画素領域のレベルに段差が生じ、画像中の水平方向にスジが現れる現象をことを説明した。この現象は、受光素子の暗電流に起因して生じている可能性がある。
【００４９】
CDSでのクランプ機能が完全に機能する理想的な場合、図5(b)に示すように遮光時のCCD出力は、OB領域172, 176のクランプが有効画素領域174から得られるレベルと同じで平坦になり、OBとの間に段差は生じない。
【００５０】
ところで、暗電流は、温度に関して8℃〜10℃上昇すると、２倍になることが知られている。また、暗電流は、露出時間の増加に比例して増えることも知られている。暗電流が発生しやすい長時間露出や高温環境で遮光して撮影すると、OB部を基準にクランプしても暗電流の影響を大きく受けてしまう。この結果、図5(c)に示すように、有効画素領域174のレベルが相対的に弱くなる。このため、OB領域172, 176と有効画素領域174の間で段差を生じる。逆に、暗電流が少ない高速露出や低温環境の場合、遮光撮影すると、この場合の暗電流を基準にするから、図5(d)に示すように、有効画素領域174のレベルが相対的に大きくなる。
【００５１】
このような現象を防止するため、ディジタルカメラ10は、前処理部16のクランプ調整回路16aにおけるクランプを温度や露出時間を考慮して行わせる。クランプパルスは、図６に示すように、1H期間の内、後ろ側のOB部に入れて黒レベルを決定する。また、クランプに対する温度と露出時間についてあらかじめ上限と下限のスレッショルドを設定する。上限のスレッショルドを超える長時間や高温の場合、クランプパルス幅を広げるようにシステム制御部22でタイミング信号発生器26を制御する。また、下限のスレッショルドを下回るようなたとえば、過大な入射光を扱う場合、クランプパルス幅を狭くするようにシステム制御部22でタイミング信号発生器26を制御する。ディジタルカメラ10におけるこの基本的なクランプ決定の手順を図６に示す。
【００５２】
ディジタルカメラ10は、予備撮影か否かの判断を行う（ステップS10）。予備撮影でない場合（NO）、予備撮影まで待機する。予備撮影の場合（YES)、測光へ進む。直ちに被写界に対して測光を行う（ステップS12）。測光は、固体撮像素子14bから得られるアナログ電圧信号14cをディジタル化し、信号処理部18を介してガンマ補正を施された画素データ18aをシステム制御部22に送る。同時に温度センサ部20で温度測定を行う（ステップS14）。測定された温度データ20aもシステム制御部22に供給される。本実施例のディジタルカメラ10において条件調査手段は、温度センサ部20およびシステム制御部22が対応している。
【００５３】
システム制御部22では、画素データ18aから評価値を算出し、本撮像における露出時間や絞り値を設定する。システム制御部22では、この評価値の設定と温度データの両方を考慮して、クランプパルス幅があらかじめ設定しているクランプ決定のパラメータ（露出時間と温度データ）における上限のスレッショルド値より大きいか否かの判断を行う（ステップS16）。このスレッショルド値より大きい場合（YES)、クランクパルス幅を広くする設定へ進む（ステップS18へ）。また、スレッショルド値以下の場合（NO）、下限より小さいか否かの判断に進む（ステップS20へ）。
【００５４】
次にクランクパルス幅を通常のパルス幅よりも広くする設定を行う（ステップS18）。この設定により、実際、クランプ調整回路16aは、切換スイッチ162がオンの間、コンデンサ164に充電し、一定の直流値にする。切換スイッチ162がオフになると、コンデンサ164は放電する。広いパルス幅にすることから、クランプ調整回路16aはクランプする黒レベルと有効画素領域174との相対的なレベル差がなくなる動作を可能にし、黒レベル動作の安定化だけでなく、黒潰れを防止する。
【００５５】
次にシステム制御部22では、この設定と温度データの両方を考慮して、クランプパルス幅があらかじめ設定しているクランプ決定のパラメータにおける下限より小さいか否かの判断を行う（ステップS20）。このスレッショルドより小さい場合（YES)、クランクパルス幅を狭くする設定へ進む（ステップS22へ）。また、スレッショルド以上の場合（NO）、通常のクランプパルス幅の範囲内と判断してクランプ決定に進む（ステップS24へ）。
【００５６】
次にクランクパルス幅を通常のパルス幅よりも狭くする設定を行う（ステップS22）。過大な光が入射されることがあり、ミスクランプを起こしかねない場合がある。このような場合には、通常より短いパルス幅でクランプさせ、クランプの黒レベルを低くする。このように３つの範囲に関する判断を行ってクランプのパルス幅が決定する（ステップS24）。この決定後、クランプパルス幅の決定処理を終了する。本撮像において決定したクランプパルス幅で撮影を行う。
【００５７】
なお、スレッショルド値は、露出時間が１秒または４秒を考慮して設定するとよい。また、温度におけるスレッショルド値は、露出時間よりも暗電流の発生を受け易いので、実験的に設定してもよい。スレッショルド値は、これらのクランプ決定のパラメータを組み合わせて設定してもよい。
【００５８】
このように動作させると、OB部172, 176に発生する白傷の影響を緩和することができる。特に暗電流の発生し易い長時間露出や周囲温度が高い場合、クランプパルス幅を通常より長く設定する。これにより、積分領域が大きくなり黒潰れ現象を防止することができる。
【００５９】
ディジタルカメラ10に生じる黒潰れや黒浮き対策は、露出時間と温度がクランプ決定のパラメータを満たすか否かに応じてクランプパルスのパルス幅を変える方法に限定されない。ディジタルカメラ10のアナログ信号処理における他の実施例を説明する。本実施例で、クランプするスレッショルド値との判断は先の実施例と同じであるが、判断結果に対する対処が異なる。クランプパルス26aは、OB部とダミー領域とに切り換えて挿入される。OB部176の選択はクランプ決定のパラメータ（露出時間・温度）がスレッショルド値の範囲内にあり、通常の範囲内と判断された場合であり、ダミー領域178の選択はスレッショルド値を越えた場合である。ダミー領域178は、暗電流の影響を受けないので、有効画素領域174の黒レベルより浮き上がることがない。
【００６０】
実際の動作としては、システム制御部22にて前述したように条件を用いて判断を行い、判断結果に応じた制御信号22aをタイミング信号発生器26に供給する。タイミング信号発生器26は、クランプパルス26aの切換タイミングを切り換えて切換スイッチ162に供給する。特に、少なくとも、長時間露出および温度データのいずれか一方がスレッショルド値を越えたとき黒潰れ等の現象が発生するとしてダミー領域178をクランプするタイミングでクランプパルス26aが供給される。これにより、有効画素領域174の黒潰れによる画像劣化を防止することができる。
【００６１】
さらに、クランプ調整回路16aは、変形例として複数の積分時定数を有し、この積分時定数を切り換えるように制御してもよい。クランプ調整回路16aは、基本的に図４と同じであり、共通する構成要素に同じ参照符号を付して説明を省略する。図８に示すクランプ調整回路16aには、切換スイッチ162S、積分時定数回路16A, 16B、抵抗器168aが含まれている。切換スイッチ162Sは、端子a, bで積分時定数回路16A, 16Bのいずれかを選択するスイッチである。積分時定数回路16Aは、図４に示したコンデンサ164と同じ値のコンデンサ164aおよび抵抗器166bを用いている。また、積分時定数回路16Bは、コンデンサ164bおよび抵抗器168bを有している。積分時定数回路16Bは、積分時定数回路16Aの時定数より大きい時定数の回路である。すなわち、積分時定数回路16Bは、少なくとも、コンデンサ164bおよび抵抗器168bのいずれかの値が大きい。
【００６２】
クランプ調整回路16aに対してシステム制御部22は、露出時間および温度データを考慮してスレッショルド値の判断条件が満たされるか否かを判断し、この判断結果に応じた制御信号22aをタイミング信号発生器26に供給する。タイミング信号発生器26は、切換信号としてクランプパルス26aを切換スイッチ162Sに供給する。また、システム制御部22は、直接的に切換制御信号22bを供給して切換制御してもよい。
【００６３】
本実施例では、クランプ調整回路16aには、暗電流が発生し易い長時間露出や高温の場合、回路時定数の通常より長い積分時定数回路16Bまたは端子b側が選択されるようにタイミング信号発生器24からクランプパルス26aが供給される。この選択により、画像劣化の原因となる黒潰れを防止することができる。
【００６４】
なお、コンデンサや抵抗器の値を変える素子を用いて値を制御してもよい。このようなコンデンサとしては、たとえば、可変容量ダイオードがあり、電圧で制御できる。これにより一層細かな時定数を設定することができる。
【００６５】
以上のように構成することにより、露出時間と温度に依存して生じる暗電流の影響をなくす。ディジタルカメラ10では、特に長時間露出や高温でOB部に生じる白傷をなくすようにクランプすることにより、有効画素領域における画像データの劣化を防止することができる。
【００６６】
具体的には、長時間露出や高温にあるか否かをシステム制御部22で判断し、判断結果に応じて制御してクランプパルスを調整する。第１に、クランプパルスは、パルス幅を通常より広くする。第２に、クランプパルスは、クランプ位置をダミー領域にする。第３に、クランプパルスは、より大きな積分時定数を選択する。これらの調整により、有効画素領域に黒潰れや黒浮き等の画像劣化を防止することができる。
【００６７】
【発明の効果】
このように本発明の固体撮像装置によれば、条件調査手段で撮像信号に対するクランプ決定のパラメータを調べて制御手段に送り、制御手段でクランプ決定のパラメータに応じてクランプ信号生成手段を制御して、パラメータに応じたクランプ信号が生成され、このクランプ信号でクランプ手段に供給される撮像信号のクランプする範囲を調整することができる。これにより、有効画素領域における画像データの劣化を防止することができる。
【００６８】
本発明の固体撮像装置の信号処理方法によれば、予備的な測光において撮像信号に対するクランプ決定のパラメータを調べ、このクランプ決定のパラメータに応じて黒レベルのクランプ処理に対する判断を行い、判断結果からクランプ信号の生成を制御して、撮像信号に対するクランプ信号を生成し、生成したクランプ信号で撮像信号のクランプする範囲を調整することにより、有効画素領域に黒潰れや黒浮き等の発生を回避し、画像劣化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をディジタルカメラに適用した概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】図１の撮像部における固体撮像素子の有効画素領域とOB部ならびに受光素子の配置を説明する図である。
【図３】図2(b)に示す破断線IIb−Iibに沿った切断面の断面図である。
【図４】図１の前処理部にて用いるクランプ調整回路の概略的な構成を示す回路図である。
【図５】図１の固体撮像素子による1H期間における出力波形と遮光時における出力波形のそれぞれを示す波形図である。
【図６】図１の固体撮像素子からの出力信号に対するクランクパルスの挿入位置を説明する図である。
【図７】図６のクランクパルスのパルス幅を決定する手順を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の固体撮像装置における変形例として適用したクランプ調整回路の概略的な構成を示す回路図である。
【符号の説明】
10 ディジタルカメラ
12 光学系
14 撮像部
14b 固体撮像素子
16 前処理部
16a クランプ調整回路
18 信号処理部
20 温度センサ部
22 システム制御部
24 操作部
26 タイミング信号発生器
28 ドライバ

Claims

入射光を電気信号に変換する複数の受光素子が２次元アレイ状に配され、前記電気信号を撮像信号として出力する固体撮像素子と、該撮像信号における黒レベルをクランプするクランプ手段とを含み、該クランプした撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する固体撮像装置において、
前記複数の受光素子は、前記入射光が有効に入射される第１の領域と、第１の領域の外周にあって前記受光素子に対して遮光された光学的な黒領域に対応する第２の領域とに配設され、前記固体撮像素子は、第２の領域を囲み前記受光素子のない第３の領域を有し、
該装置は、
前記クランプ手段におけるクランプをどのように行うかの判断に用いるクランプ決定のパラメータを調べる条件調査手段と、
前記パラメータに応じた前記撮像信号の黒レベルに対するクランプ信号を生成するクランプ信号生成手段と、
前記パラメータを用いて前記黒レベルのクランプをどのように行うかを判断し、該判断に応じて前記クランプ信号生成手段を制御する制御手段とを含み、
前記条件調査手段は、前記パラメータを出力する前記固体撮像素子に対する温度測定手段および前記入射光に対する露出時間の算出手段を含むことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の装置において、前記クランプ信号生成手段は、前記パラメータに応じて第２の領域をクランプするクランプ信号のパルス幅を変化させることを特徴とする固体撮像装置。
請求項１または２に記載の装置において、前記クランプ信号生成手段は、あらかじめ設定したスレッショルド値より大きい前記パラメータに応じて前記クランプ信号のパルス幅を長く設定することを特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の装置において、前記クランプ信号生成手段は、前記パラメータに応じて第２の領域と第３の領域のいずれかを選択する選択切換手段を含むことを特徴とする固体撮像装置。
請求項１に記載の装置において、前記クランプ手段は、クランプする期間を定める時定数をそれぞれ設定する複数の時定数設定手段と、
前記パラメータに応じて供給される前記クランプ信号により前記複数の時定数設定手段から一つを選択する時定数選択手段とを含むことを特徴とする固体撮像装置。
請求項５に記載の装置において、前記クランプ信号生成手段は、前記複数の時定数設定手段の中からの選択において、あらかじめ設定したスレッショルド値より大きい前記パラメータに応じて通常より長い時定数の前記時定数設定手段を選択するクランプ信号を生成することを特徴とする固体撮像装置。
入射光を電気信号に変換する複数の受光素子が２次元アレイ状に配され、前記複数の受光素子は、前記入射光が有効に入射される第１の領域と、第１の領域の外周にあって前記受光素子に対して遮光された光学的な黒領域に対応する第２の領域とに配設され、さらに第２の領域を囲み前記受光素子のない第３の領域を有し、前記電気信号を撮像信号として出力する固体撮像素子を用い、該撮像信号における黒レベルをクランプし、該クランプした撮像信号に信号処理を施して画像データを生成する固体撮像装置の信号処理方法において、該方法は、
予備的な測光にともない少なくとも、前記撮像信号に対するクランプの決定に用いるパラメータを調べる第１の工程と、
該クランプ決定のパラメータを用いて前記黒レベルのクランプをどのように行うかの判断を行い、該判断に応じて前記クランプ信号の生成を制御する第２の工程と、
前記パラメータにともなう制御に応じて前記撮像信号に対するクランプ信号を生成する第３の工程とを含み、
第２の工程は、前記パラメータに応じて第２の領域と第３の領域のいずれかの選択を制御し、
前記パラメータは、あらかじめ前記固体撮像素子が被る温度および前記入射光に対する露出時間の長さを用い、前記クランプは、前記パラメータに対する判断基準としてあらかじめ設定したスレッショルド値と前記パラメータとを比較した判断結果に応じて制御することを特徴とする固体撮像装置の信号処理方法。
請求項７に記載の方法において、第２の工程は、前記パラメータに応じて第２の領域をクランプするクランプ信号のパルス幅の変化を制御することを特徴とする固体撮像装置の信号処理方法。
請求項８に記載の方法において、第２の工程は、あらかじめ設定したスレッショルド値より大きい前記パラメータに応じて前記クランプ信号のパルス幅を長くすることを特徴とする固体撮像装置の信号処理方法。
請求項７または８に記載の方法において、第２の工程は、前記クランプにおける積分時間を規定する複数の時定数設定を用意し、前記パラメータに応じて前記複数の時定数の中から一つを選択する制御を行うことを特徴とする固体撮像装置の信号処理方法。