JP4292751B2 - 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、固体撮像素子を用いたビデオカメラ等の撮像装置に関し、例えばHDTV画像以上の画素数を持つ撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の撮像装置においては、暗電流を補正するための種々の提案がなされている。例えば特開平11−112884号公報には、撮像装置の暗電流成分を数画面分加算して平均化して用いる暗電流補正方法が提案されている。
【0003】
上記特開平11−112884号公報によれば、レンズの絞りを閉じた状態の信号から映像信号の黒レベル信号を減算してノイズ信号レベルのみを検出すると共に、このノイズ信号を数画面加算してランダムノイズを除去し暗電流ノイズとし、更に、この暗電流ノイズを映像信号から除去することにより暗電流補正を行なっている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、暗電流は時間と共に変化するが、これは時間により加算されるものと、温度変化によるものとに分けられる。上記従来例では、まず暗電流を長時間の加算平均でデータ化し、使用時には温度を測定して補正量を定めている。このため、暗電流検出時期と実際の映像信号補正時期に差を生じ、暗電流の経時的な変化に対応することが難しいという課題があった。
【0005】
特に、HDTV以上の高解像度分野の撮像装置は画素数が多く高精細であるため、暗電流のバラツキも多くなり、暗電流の補正を正確に行うことが難しいという課題があった。
【0006】
本発明の目的は、高精細化した場合でも暗電流の補正が正確に成された映像信号を得ることができる撮像装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、下記(1),(2)の構成を有する撮像装置を提供する。
(1) 被写体光像からの光を電荷として蓄積し電気信号に変換する撮像手段と、
レンズ絞りを有する絞り手段と、
前記レンズ絞りを開閉して前記被写体光像の光量を制御するレンズ絞り制御手段と、
前記被写体光像の光量に応じて前記撮像手段における電荷の蓄積時間を設定するシャッター時間制御手段と、
前記レンズ絞りを一定間隔で所定期間遮光するレンズ絞り遮光手段と、
前記所定期間内において前記所定期間よりも短い期間毎に前記撮像手段に蓄積された第1の電気信号を加算平均して暗電流成分信号を得る暗電流加算手段と、
前記暗電流加算手段で得た前記暗電流成分信号を記憶する第1の記憶手段と、
前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じて前記レンズ絞りが開閉制御されたときに前記撮像手段から出力される電気信号を第2の電気信号として記憶する第2の記憶手段と、
前記第2の記憶手段に記憶された前記第2の電気信号から前記第1の記憶手段に記憶されている前記暗電流成分信号を減算して第3の電気信号を得る暗電流補正手段と、
前記第3の電気信号を記憶して第4の電気信号として出力する第3の記憶手段と、
を具備し、
前記レンズ絞り遮光手段は、前記所定期間を前記蓄積時間に基づいて設定し、
前記第1の記憶手段は、前記一定間隔毎に前記暗電流成分信号を記憶し、
前記暗電流補正手段は、前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じてレンズ絞りが開閉されているときには、前記第2の記憶手段に逐次記憶される前記第2の電気信号から、前記第1の記憶手段に記憶されている前記暗電流成分信号を減算して前記第3の電気信号を得ることを特徴とする撮像装置。
(2) 請求項1に記載の撮像装置において、
前記第3の記憶手段は、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光されているときには、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光される直前の前記第4の電気信号を繰り返し出力することを特徴とする撮像装置。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる撮像装置の実施の形態を、添付した図面を参照しながら説明する。
【0013】
図1は、本実施の形態に係わる撮像装置の機能的な構成を示すブロック図である。
【0014】
撮像装置100は、図示しない被写体光像からの光量を制御するレンズ絞り部1と、レンズ絞り部1から入射した被写体光像の光を電荷として蓄積し電気信号に変換するCMOS撮像素子(以下、撮像素子)2と、電気信号にニー特性(例えば、被写体光像の光量が多く電気信号が100%をオーバーしたとき電気信号の入出力特性を傾斜させオーバー光量による信号量を圧縮する)を持たせるPRE−AMP部3と、あらかじめ撮像素子2に設けられた光を遮断した部分の信号領域で直流成分を固定するオプチカルブラッククランプ部4と、電気信号の利得とオフセットレベルを調整するゲイン/オフセットコントローラ5と、電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換するA/D(コンバータ)部6とを備えており、被写体光像の電気信号は、これら各部を経由して、後述する暗電流信号S1又は撮像信号S2として、後段の暗電流検出部7又は映像信号検出部8に送られる。
【0015】
レンズ絞り部1は、図示しないレンズから入射する被写体光像の光量を制御するレンズ絞りと、その開閉を制御する回路(いずれも図示せず)とから構成されている。常時は、レンズ絞りを開閉して、被写体光像の光量が適正光量となるように制御しており、後述するタイミングコントローラ10からレンズ絞りを遮光する制御信号C1が送られてきたときは、この制御信号C1がオフレベルとなるまで、レンズ絞りを所定期間遮光状態とする。また、レンズ絞り部1からは、被写体光像の光量がタイミングコントローラ10に逐次出力されている。
【0016】
なお、レンズ絞り部1は、本実施の形態における絞り手段とレンズ絞り制御手段を構成する。
【0017】
暗電流検出部7は、暗電流信号を検出して一時的に記憶する回路であり、後述する暗電流信号S1を加算平均して暗電流成分信号S1nを得る暗電流加算器71と、暗電流成分信号S1nを記憶する暗電流メモリ72とを備えている。
【0018】
映像信号検出部8は、暗電流信号と撮像信号とから映像信号を生成する回路であり、後述する撮像信号S2を記憶する撮像信号メモリ81と、撮像信号S2から暗電流成分信号S1nの暗電流成分を減算して映像信号S3を得る暗電流減算器82とを備えている。
【0019】
なお、暗電流メモリ72、撮像信号メモリ81は、それぞれ本実施の形態における第1の記憶手段、第2の記憶手段を構成する。また、暗電流加算器71と暗電流減算器82は、本実施の形態における暗電流補正手段を構成する。
【0020】
映像信号メモリ9は、映像信号検出部8から出力された映像信号S3を記憶し、映像信号出力S4として図示しない記録媒体(ビデオテープ等)の録画再生部や、図示しないディスプレイ装置に送出する。映像信号メモリ9は、本実施の形態における第3の記憶手段を構成する。
【0021】
タイミングコントローラ10は、レンズ絞り部1から送られてきる被写体光像の光量に応じて、撮像手段2における電荷の蓄積時間(以下、適宜にシャッターON時間という)を設定し、これを制御信号Csとして撮像素子2に送出する。また、設定したシャッターON時間に基づいてレンズ絞りを遮光する期間を設定し、レンズ絞りを遮光するための制御信号C1を一定間隔で所定期間、レンズ絞り部1に送出する。
【0022】
なお、タイミングコントローラ10は本実施の形態におけるシャッター時間制御手段とレンズ絞り制御手段を構成する。
【0023】
上記構成において、タイミングコントローラ10は、レンズ絞りを遮光するための制御信号C1をレンズ絞り部1に送り、レンズ絞りを所定期間遮光する。またタイミングコントローラ10は、制御信号Csを撮像素子2に送り、シャッターをONにする。このとき得られた撮像素子2から出力された電気信号は、暗電流信号S1として暗電流検出部7に送られる。暗電流信号S1は暗電流成分信号S1nとして映像信号検出部8に送られる。
【0024】
次に、タイミングコントローラ10は、制御信号C1をオフレベルとする。レンズ絞り部1は、レンズ絞りを開閉して、被写体光像の光量が適正光量となるように制御する。このとき撮像素子2から出力された電気信号は、暗電流成分を含んだ撮像信号S2として映像信号検出部8に送られる。映像信号検出部8は、撮像信号S2から暗電流成分信号S1nの暗暗電流成分を減算して、映像信号S3を得る。
【0025】
なお、タイミングコントローラ10からは、レンズ絞り部1,撮像素子2を制御するための制御信号C1,Csのほか、制御信号C2,C3,C4が送出され、暗電流検出部7、映像信号検出部8及び映像信号メモリ9が適切なタイミングで動作するように制御している。
【0026】
次に、暗電流検出部7と映像信号検出部8の動作を更に詳細に説明し、併せて暗電流を補正する際の全体的な動作について説明する。
【0027】
図2は、暗電流検出部7と映像信号検出部8の機能的な構成を示すブロック図である。また図3〜図8は、各信号のタイミングチャートであり、垂直同期信号期間VD、制御信号Cs、C1、暗電流信号S1、撮像信号S2のうち、説明に必要な信号波形を示している。
【0028】
暗電流信号S1は、レンズ絞り部1のレンズ絞りが遮光状態のときに、撮像素子2に蓄積された電気信号をもとに形成される。具体的には、タイミングコントローラ10で設定されたシャッターON時間内の電荷の蓄積量で撮像素子2の暗電流信号は形成される。例えば、図3に示すように、タイミングコントローラ10で設定されたシャッターON時間ViがHDTV信号の垂直同期信号期間VD(1/30秒)以内とすると、暗電流信号S1は期間VD内に得られることになり、これをVD毎に暗電流加算器71に加える。暗電流加算器71では、このVD毎に供給される暗電流信号S1をn回加算してその平均値S1nを得る。この様にすると、暗電流信号S1に含まれるランダム雑音は除去され暗電流成分のみが検出される。この検出された暗電流成分を暗電流成分信号S1nとして暗電流メモリ72に記憶する。
【0029】
図3において、シャッターON時間Viは期間VD内とし、レンズ絞りを遮光状態とする期間をVD×4とすると、このVD×4の期間は暗電流信号S1がVD毎に繰り返し出力されることになる。暗電流加算器71では、暗電流信号S1を加算平均(S1n=ΣS1/n)して暗電流成分信号S1nを得る。加算平均回数は、レンズ絞りを遮光状態としている期間内にシャッターがONする回数に等しい。ここでは、加算平均回数をn=4としている。
【0030】
次に、暗電流成分信号S1nが暗電流メモリ72に記憶されたら、図4に示すように、制御信号C1をオフレベルとして、レンズ絞りを開閉制御して被写体光像の光量が適正光量となるように設定した後、撮像素子2をシャッターON時間Viで動作させ、撮像信号S2を得る。ここでは、撮像信号2の説明が容易となるように、撮像画面全体で均一なものとする。したがって、暗電流成分は凹凸で表されている。また、撮像信号S2は、期間VD毎に被写体光像が変化する。
【0031】
この撮像信号S2を撮像信号メモリ81に加えた後、暗電流メモリ72の暗電流成分信号S1nと共に取り出し、暗電流減算器82に加える。暗電流減算器82では、図5に示すように、撮像信号S2から暗電流成分S1nの暗電流成分を減算し、暗電流成分を含まない映像信号S3を得る。この映像信号S3は、更に映像信号メモリ9に送られ、映像信号出力S4として取り出される。
【0032】
以後、新たな撮像信号S2が撮像信号メモリ81に逐次記憶される毎に、暗電流減算器82では暗電流メモリ72に記憶されている暗電流成分S1nを取り出して減算を行い、映像信号S3を得る。
【0033】
本実施の形態に係わる撮像装置100では、暗電流メモリ72に記憶されている暗電流成分S1nは、一定間隔毎に上記の動作により更新されるため、暗電流の経時的な変化にも十分に対応することができ、画素を高精細化した場合でも、バラツキがなく暗電流の補正が正確になされた映像信号を得ることができる。
【0034】
なお、レンズ絞りを遮光状態としている期間中は映像信号S3が得られないため、一定間隔毎に映像が途切れてしまうことになる。そこで、図6に示すように、レンズ絞りを遮光する直前に得た映像信号出力S4を映像信号メモリ9に記憶しておき、レンズ絞りを遮光している期間中は、期間VD毎に映像信号メモリ9から同じ映像信号を繰り返し出力する。これにより、違和感の無い連続した映像を得ることができる。
【0035】
次に、図7に示すように、シャッターON時間Viが期間VDより長い場合について説明する。
【0036】
ここでは、加算平均回数をn=2とする。また、レンズ絞りを遮光状態として暗電流信号S1を得る際に、シャッターON時間Viの間は撮像素子2で電荷を蓄積して(この間、撮像素子2から暗電流信号は出力されない)、シャッターON時間Vi直後の期間VDで暗電流信号を出力するものとする。
【0037】
まず、レンズ絞り1を遮光状態とし、撮像素子2の蓄積電荷をリセットした後、シャッターをONにして撮像素子2に暗電流の電荷を蓄積する。次に、シャッターがOFFになった次の期間VDにおいて、撮像素子2に蓄積された暗電流信号S1(図中、暗電流信号1)を暗電流加算器72に加え記憶する。続いて撮像素子2をリセットした後、再びシャッターをONにして撮像素子2に暗電流の電荷を蓄積し、シャッターがOFFになった次の期間VDにおいて、撮像素子2に蓄積された暗電流信号S1(図中、暗電流信号2)を暗電流加算器72に加え、前回記憶した暗電流信号S1と加算平均し記憶する。この例では加算平均回数n=2としたが、それ以上の場合は、これをn回繰り返し加算平均して、暗電流成分信号S1nを暗電流メモリ72に記憶する。
【0038】
次に、暗電流成分信号S1nが暗電流メモリ72に記憶されたら、制御信号C1をオフレベルとし、レンズ絞りを開閉制御して被写体光像の光量が適正光量となるように設定した後、撮像素子2をシャッターON時間Viで動作させる。そして、シャッターがOFFになった次のVD期間において、撮像素子2に蓄積された撮像信号S2を撮像信号メモリ81に加え記憶する。次に、撮像信号メモリ81から撮像信号S2を取り出し、暗電流成分信号S1nと共に暗電流減算器82に加える。暗電流減算器82では、撮像信号S2から暗電流成分S1nの暗電流成分を減算し、暗電流成分を含まない映像信号S3を得る。この映像信号S3は、更に映像信号メモリ9に送られ、映像信号出力S4として取り出される。
【0039】
以後、新たな撮像信号S2が撮像信号メモリ81に逐次記憶される毎に、暗電流減算器82では暗電流メモリ72に記憶されている暗電流成分S1nを取り出して減算を行い、映像信号S3を得る。
【0040】
なお、シャッターON時間Viが長時間となる場合、加算平均回数nを多く設定すると、レンズ絞りを遮光状態とするのに伴って、同じ映像信号を繰り返し表示する期間が長くなり、映像の変化成分に対応することが難しくなる。このため、加算平均回数nを少なくして、映像の変化成分に対する対応を早くする。図8は、平均加算回数n=1とした場合のタイミングチャートを示している。
【0041】
また、図9に示すように、暗電流の検出は一定間隔(暗電流検出間隔)で行われるが、CMOSセンサーを撮像素子2に用いた場合は消費電力が少なく温度上昇が小さいので、例えば10分に一回とすれば十分であり、視者に違和感を与えることはほとんどない。CCDを撮像素子に用いる場合はCMOSに比較し約10倍ぐらい消費電力が多く従って温度上昇が大きいので、数分以内に頻繁に補正する必要がある。また、周囲温度変化が屋外等で早い場合は短くし、空調がなされて室内温度が一定に保たれている場合は長くする。
【0042】
ちなみに、従来の技術で説明した特開平11−112884号公報の暗電流補正方法を、高精細な撮像装置に適用した場合、温度検出のポイントが多くなるため、正確な暗電流補正が難しくなる。しかし、本実施の形態の撮像装置では、温度検出が不要であるため、高精細な撮像装置であっても、正確な暗電流補正が可能となる。
【0043】
とくに、シャッターON時間Viが期間VDより長い場合、上記従来例では暗電流補正に要する処理時間が長くなるが、本実施の形態の撮像装置では、処理時間を大幅に短くすることができる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、暗電流を一定間隔で検出して映像信号を補正するようにしたので、暗電流の経時的な変化にも十分対応することができ、高精細化した場合でも、バラツキがなく暗電流の補正が正確になされた映像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態に係わる撮像装置の機能的な構成を示すブロック図。
【図2】暗電流検出部と映像信号検出部の機能的な構成を示すブロック図。
【図3】Vi<VDのときに暗電流信号を検出するタイミングチャート。
【図4】Vi<VDのときに撮像流信号を検出するタイミングチャート。
【図5】撮像信号から暗電流成分減算して映像信号を得るタイミングチャート。
【図6】レンズ絞り遮光中に同じ映像信号を繰り返し出力するタイミングチャート。
【図7】Vi>VDのときに暗電流信号、撮像信号及び映像信号を検出するタイミングチャート(n=2の場合)。
【図8】Vi>VDのときに暗電流信号、撮像信号及び映像信号を検出するタイミングチャート(n=1の場合)。
【図9】暗電流検出の間隔を示すタイミングチャート。
【符号の説明】
1 レンズ絞り部
2 撮像素子
7 暗電流検出部
8 映像信号検出部
9 映像信号メモリ
10 タイミングコントローラ
71 暗電流加算器
72 暗電流メモリ
81 撮像信号メモリ
82 暗電流減算器
Claims (2)
- 被写体光像からの光を電荷として蓄積し電気信号に変換する撮像手段と、
レンズ絞りを有する絞り手段と、
前記レンズ絞りを開閉して前記被写体光像の光量を制御するレンズ絞り制御手段と、
前記被写体光像の光量に応じて前記撮像手段における電荷の蓄積時間を設定するシャッター時間制御手段と、
前記レンズ絞りを一定間隔で所定期間遮光するレンズ絞り遮光手段と、
前記所定期間内において前記所定期間よりも短い期間毎に前記撮像手段に蓄積された第1の電気信号を加算平均して暗電流成分信号を得る暗電流加算手段と、
前記暗電流加算手段で得た前記暗電流成分信号を記憶する第1の記憶手段と、
前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じて前記レンズ絞りが開閉制御されたときに前記撮像手段から出力される電気信号を第2の電気信号として記憶する第2の記憶手段と、
前記第2の記憶手段に記憶された前記第2の電気信号から前記第1の記憶手段に記憶されている前記暗電流成分信号を減算して第3の電気信号を得る暗電流補正手段と、
前記第3の電気信号を記憶して第4の電気信号として出力する第3の記憶手段と、
を具備し、
前記レンズ絞り遮光手段は、前記所定期間を前記蓄積時間に基づいて設定し、
前記第1の記憶手段は、前記一定間隔毎に前記暗電流成分信号を記憶し、
前記暗電流補正手段は、前記レンズ絞り制御手段により前記被写体光像の光量に応じてレンズ絞りが開閉されているときには、前記第2の記憶手段に逐次記憶される前記第2の電気信号から、前記第1の記憶手段に記憶されている前記暗電流成分信号を減算して前記第3の電気信号を得ることを特徴とする撮像装置。 - 前記請求項1に記載の撮像装置において、
前記第3の記憶手段は、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光されているときには、前記レンズ絞り遮光手段により前記被写体光像が遮光される直前の前記第4の電気信号を繰り返し出力することを特徴とする撮像装置。
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