JP5311987B2 - 撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、撮像装置により撮像された撮像信号(画像信号)の補正処理技術に関する。
ディジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置では、撮像センサとしてCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子が広く使用されている。
近年は固体撮像素子の多画素化が進み、個々の画素サイズが小さくなっている。しかしながら、画素サイズが小さくなると、各画素に入射する光量が少なくなるため、ノイズの影響を受けやすくなり、画質が低下する。
このノイズの発生原理を図8、図9に基づいて説明する。図8は、CMOSイメージセンサ(以下、CMOSセンサという)における画素の構成図である。CMOSセンサにおける各画素は、光電子を電荷(信号電荷)に変換して蓄積するフォトダイオードPD、フォトダイオードPDに蓄積された信号電荷をフローティングディフュージョンFDに転送する転送スイッチM1を有している。
また、上記の各画素は、フローティングディフュージョンFDの信号電荷を電圧に変換して増幅する増幅MOS、フォトダイオードPD、及びフローティングディフュージョンFDの信号電荷をリセットするリセットスイッチM2を有している。このリセットスイッチM2は、垂直走査回路93(図9参照)からの画素リセット信号PRESによりそのON/OFFが制御される。さらに、上記の各画素は、行選択スイッチM4を有している。
信号電荷の走査においては、まず、垂直走査回路93からの行選択信号PSELにより1行の各画素の行選択スイッチM4が一括してONされる。そして、垂直走査回路93からの転送信号PTXにより当該行の各画素の転送スイッチM1が一括してONされる。これにより、当該行の各画素のフローティングディフュージョンFDの信号電荷が、増幅MOS、行選択スイッチM4を介して垂直信号線Vに一斉に読み出され、転送されていく。
図9は、一般的なCMOSセンサの全体の概略構成を示している。CMOSセンサは、画素部90、垂直走査回路93、ラインメモリ94、水平走査回路96を有している。画素部90は、有効画素領域91と基準画素領域92により構成されている。
有効画素領域91の信号電荷は、被写体を反映した撮像画像として実際に用いられ、基準画素領域92の信号電荷は、被写体の状態に依存しない画像信号を得るための基準信号として用いられる。なお、基準画素領域92の画素は、金属膜等の遮光部材によって遮光された遮光画素、或はフォトダイオードを持たない不感光画素等により構成されている。
画素部90にマトリックス状に配された各画素のうち、同一行に配された各画素の信号電荷の蓄積、垂直転送、リセットの制御は、垂直走査回路93からの転送信号PTX、リセット信号PRES、行選択信号PSELにより、同時に行なわれる。また、同一列に配された各画素は、それぞれ、同一の垂直出力線V1〜Vm−1に共通に接続されており、各垂直出力線V1〜Vm−1は、それぞれ、ラインメモリC1〜Cm−1に接続されている。ラインメモリC1〜Cm−1は、それぞれ、水平走査スイッチQ1〜Qm−1を介して水平出力線95に接続されている。
水平走査スイッチQ1〜Qm−1の制御は、水平走査回路96により行なわれる。水平走査回路96は、水平走査スイッチQ1〜Qm−1にそれぞれ接続されたDフリップフロップFF1〜FFm−1を有し、DフリップフロップFF1〜FFm−1は、Q出力端子とD入力端子が順次接続される形態で直列に接続されている。以下、DフリップフロップFFをDFFと略称する。
従って、初段のDFF1のD入力端子に水平走査開始パルス信号PHSTが入力されると、この水平走査開始パルス信号PHSTは、後段のDFF2〜DFFm−1に順次シフト転送され、水平走査スイッチQ1〜Qm−1が順次ONされていく。
これにより、ラインメモリC1〜Cm−1に垂直転送された同一行の各画素の信号電荷(画素信号とも称する)は、順次、水平出力線95に読み出されて水平転送され、後段の画像処理回路7に出力される。一方、垂直走査回路93は、不図示の垂直走査パルス信号PVが入力される毎に、転送信号PTX、リセット信号PRES、行選択信号PSELを出力する画素行を次の画素行にシフトする。
なお、各画素の電源やGNDは共通である。このため、選択画素行の信号電荷を読み出し中に電源、GNDの電圧レベルが変動すると、選択画素行の各画素の信号電荷の電力レベルが一斉に変動する。この場合、1フレームの走査中に電源、GNDの電圧レベルが変動すると、その電圧レベルの変動量は各画素行毎に異なるため、撮像画像において横縞状のパターンノイズが発生する。
電源、GNDの電力レベルの変動量が、各選択画素行において周期性を持たずランダムであれば、横縞状のパターンノイズの表れ方もランダムになる。このようなランダムな横縞状のパターンノイズを補正する手法として、基準画素領域の各行の画素におけるノイズ電圧の平均値を算出し、この平均値を有効画素領域の各行の信号電荷から減算するオフセット補正などがある。
一般的なイメージセンサにおいては、有効画素領域の4辺のうち1辺に隣接して基準画素領域を設けたもの、或は直交する2辺に隣接して基準画素領域を設けたものが広く用いられている。このようなイメージセンサにおいては、選択画素行の各画素に生じるレベル変動量が同一であれば、基準画素領域の上記のノイズ電圧の平均値を用いて、横縞状のパターンノイズをオフセット補正によって好適に補正することが可能である。
しかし、各画素における電源やGNDからの配線長は、イメージセンサでの電源ラインやGNDラインのレイアウト位置によって異なり、画素によって配線のインピーダンスも異なる。
すなわち、電源やGNDからの配線長が長い画素ほど配線のインピーダンスが大きくなり、電源、GNDの電圧レベルの変動の影響を大きく受け、ノイズ電圧が大きくなる。電源やGNDがイメージセンサ内の左側から供給されている場合、一般的には、右側の画素ほど配線長が長くなり、ノイズ電圧が大きくなる。換言すれば、ノイズ電圧は、右方上がり、あるいは右下がりに傾斜した状態となる。
このように水平位置によってノイズ電圧が異なる場合は、上記の様なノイズ電圧の平均値を用いたオフセット補正では、基準画素領域付近の有効画素領域では補正効果が大きいが、基準画素領域から離れた有効画素領域では補正効果が小さくなる。
このような問題を解決するために、有効画素領域の上方と下方、すなわち有効画素領域の対向する2辺にOB部(オプティカルブラック部:基準画素領域)を配置したCCD撮像装置が提案されている(特許文献1参照)。
この特許文献1に係るCCD撮像装置では、有効画素領域の対向する2辺に隣接して配置したOB部のノイズ電圧に基づいて、有効画素領域のノイズ電圧を推定演算し、そのノイズ電圧を画像電圧信号から減算することで補正を行っている。
この場合、補正に用いるノイズ電圧は、有効画素領域の対向する2辺に隣接して配置された2つのOB部から得ているので、1つの読み出し方向においてノイズ電圧が変動するような場合でも、より好適に補正を行うことができる。
特開平06−078224号公報
このCCD撮像装置に特化した特許文献1に係る構成を、CMOSセンサに適用しようとする場合、図10に示すような構成が考えられる。すなわち、有効画素領域1001の4辺のうち、例えば水平方向に対向する2辺にそれぞれ左OB部(第1基準画素領域)1002a、右OB部(第2基準画素領域)1002bを配置する。
そして、1行の画素信号の読み出し(1H)毎に、左右OB部1002aの画素信号から有効画素領域のノイズ成分を推定し、有効画素領域の各画素信号を補正する。
ここで、図10のCMOSセンサに対して、CMOSセンサにおける画素信号の一般的な走査方法を適用した場合の走査制御を、図11のタイムチャートに基づいて詳細に説明する。なお、図10のCMOSセンサの構成例では、水平走査開始パルス信号PHSTは、CMOSセンサ1000の左端から入力されている。
不図示の垂直走査パルス信号PVが垂直走査回路1003に入力されることで(図11のt1〜t2)、画素信号の読み出しを行う画素行が選択される。垂直走査回路1003から不図示の各種の制御信号が適宜送られ(t2〜t3)、選択行の各画素に係る画素信号が一斉に読み出され、各列のラインメモリC1〜Cnに垂直転送されて保持される。
その後、DFF1に水平走査開始信号として水平走査開始パルス信号PHSTが入力される(t3)と、水平走査パルスPHの入力に同期し、まず、DFF1から水平走査スイッチQ1にアクティブなパルスが出力される(t4〜t6)。これにより、左端の画素列に対応するラインメモリC1に保持された画素信号が水平出力線85に読み出されて水平転送される。
その後、DFF2〜DFFnに順次水平走査開始パルス信号PHSTがシフト転送されていくことで、水平走査パルスPHの入力に同期し、各画素列のラインメモリC2〜Cnに保持された画素信号が、順に水平出力線1005に読み出されて水平転送されていく(t6〜t12)。t13以降は、次行以降の画素行に対して、t1〜t12と同様の動作が繰返し行われることで、1フレームの画素信号の走査が行われる。
なお、本明細書では、「走査」という用語は、垂直走査と水平走査の両方を含む用語として使用している。また、「垂直走査」という用語は、画素からの画素信号の読み出しと、垂直転送の両方を含む用語として使用している。また、「水平走査」という用語は、ラインメモリC1〜Cnからの画素信号の読み出しと、水平転送の両方を含む用語として使用している。
このように、CMOSセンサにおける一般的な画素信号の走査方法では、選択画素行の画素信号を一斉に各列のラインメモリに垂直転送して、一旦保持する。そして、一端のラインメモリから他端のラインメモリに向かって、保持に係る画素信号が、順次、水平出力線に読み出されて水平転送されていく。
有効画素領域の1辺に隣接して基準画素領域を配置した場合は、ラインメモリからの画素信号の読み出しを画素部の先頭にあたる列から開始することで、オフセット補正用の基準画素領域の画素信号を有効画素領域の画素信号に先行して読み出すようになっている。
従って、この場合は、少なくとも、基準画素領域の画素信号の読み出しを行っている最中に、画像処理回路においてオフセット補正値の算出を開始することができ、その後に順次読み出されてくる有効画素領域の画素信号に対するオフセット補正を迅速に行える。また、このオフセット補正処理に必要な画像処理回路のメモリ容量は、基準画素領域の画素信号を格納し得る容量で済む。
しかし、有効画素領域の対向する2辺に隣接して基準画素領域を配置し、配置された全ての基準画素領域の信号を用いて推定演算した補正値をもとに、基準画素領域の信号の補正処理を行う場合は、従来の画素信号の走査方法では、補正を効率的に行うことができず、画像処理回路のメモリ容量も大きくなってしまう。
すなわち、有効画素領域の対向する2辺に隣接して配置された2つの基準画素領域のノイズ電圧に基づいて補正処理を適正に行うためには、画像処理回路内のメモリに1行の全ての画素の画素信号を格納する必要がある。
換言すれば、画像処理回路内のメモリに1行の全ての画素の画素信号を格納した後でなければ、補正処理を開始することができなくなる。また、補正処理に必要な画像処理回路のメモリ容量も、有効画素領域と2つの基準画素領域の1行の全ての画素の画素信号を格納するだけのメモリ容量が必要となり、コスト高となってしまう。
近年は、撮像装置に対して高画質化、高速連写性、動画撮像等が求められ、上記のようなノイズ成分に対する適正な補正処理の高速化も強く要望されている。
本発明は、このような技術的な背景の下になされたもので、その目的は、ノイズ成分に対する補正処理を、コスト高を招くことなく適正且つ高速に行えるようにすることにある。
上記目的を達成するため、本発明の撮像装置は、撮像画像として用いる撮像信号を得るための画素が配列された有効画素領域と、前記撮像信号に対する基準信号を得るための画素が配列され、前記有効画素領域の対向する辺に隣接して配置された第1及び第2の基準画素領域を有する撮像センサを有する撮像装置において、行単位で一斉に垂直走査されてきた前記有効画素領域、前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を保持する保持手段と、前記保持手段により保持された画素信号を水平走査する水平走査手段と、前記水平走査手段により水平走査された前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号に基づいて前記有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正する補正手段とを有し、前記水平走査手段は、前記保持手段により保持された前記第1の基準画素領域及び前記有効画素領域に係る画素信号を読み出す読み出し信号を出力する第1のシフトレジスタと、前記保持手段により保持された前記第2の基準画素領域に係る画素信号を読み出す読み出し信号を出力する第2のシフトレジスタを有し、当該第2のシフトレジスタの信号出力端子と当該第1のシフトレジスタの信号入力端子とが接続され、当該第2のシフトレジスタの信号入力端子に水平走査開始信号が入力されることで、前記保持手段により保持された画素信号のうち、前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を、前記有効画素領域に係る画素信号よりも先に水平走査することを特徴とする。
本発明では、基準画素領域に係る画素信号を有効画素領域に係る画素信号に先立って水平走査している。
従って、本発明によれば、有効画素領域の対向する辺に隣接して配置された複数の基準画素領域に係る画素信号を用いて有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分の補正を行うために、基準画素領域に係る画素信号と有効画素領域に係る画素信号を保持する分のメモリ容量を必要とせず、基準画素領域に係る画素信号を保持する分のメモリ容量で済む。すなわち、水平走査位置でノイズ量が変化する場合において、ノイズ成分の補正を適正に行ったとしてもコスト高を招くことはない。
また、少なくとも有効画素領域に係る画素信号が水平走査されている際に、有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正を行うための補正値を基準画素領域に係る画素信号に基づいて算出する処理を開始することができる。すなわち、ノイズ成分に対する補正処理を迅速に行うことが可能となる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の第1〜3の実施の形態に係る撮像装置の全体構成を示すブロック図である。
図1に示した本撮像装置100は、レンズ1a及び絞り1bを有する光学系1、メカニカルシャッタ2、撮像センサとしての撮像素子3、アナログ信号をデジタル画像信号に変換するA/D変換器4を有している。撮像素子3は、XYアドレス方式の走査機構を有するCMOSセンサとして構成されている。
また、撮像装置100は、撮像素子3及びA/D変換器4を駆動する際に用いられるタイミング信号を発生するタイミング信号発生回路5、光学系1、メカニカルシャッタ2及び撮像素子3を駆動する駆動回路6を有している。
タイミング信号発生回路5は、クロック信号の他、後述する水平走査開始パルス信号PHST、水平走査パルス信号PH等の各種のタイミング信号を発生する。駆動回路6は、これらのタイミング信号を用いて、システム制御部13の制御の下に、後述する撮像素子3に係る画素信号の走査動作を制御する。
また、撮像装置100は、撮像信号に対して各種の補正処理等の画像処理を行う画像処理回路7、画像処理された画像データを記憶する画像メモリ8、撮像装置100に対して着脱自在な画像記録媒体9を有している。
さらに、撮像装置100は、画像処理された画像データを画像記録媒体9に記録する記録回路10、画像処理された画像データを表示する画像表示装置11を有している。また、撮像装置100は、画像表示装置11の画像表示動作を制御する表示制御回路12を有している。また、撮像装置100は、当該撮像装置100の動作を全体的に制御するシステム制御部13、不揮発性メモリ(ROM)14、揮発性メモリ(RAM)15を有している。
ROM14には、システム制御部13で実行されるプログラム、当該プログラムを実行する際に使用されるパラメータやテーブル等の制御データ、及び画像信号の各種補正に用いるデータが格納されている。なお、ROM14には、後述する図3、図5〜7のタイミングチャートに係る画素信号の走査を制御するためのアプリケーションプログラムも格納されている。
RAM15は、実行対象のプログラム、制御データ、補正データ等を展開する等、ワークエリアとして利用される。なお、システム制御部13には、電源スイッチ16、メカニカルシャッタ2の押下操作に連動してON/OFFする第1スイッチ17及び第2スイッチ18が接続されている。
次に、撮像装置100の撮像動作を説明する。光学系1のレンズ1aから入射された被写体光像は、撮像素子3上に結像される。撮像素子3は、被写体光像を光電変換して電子的な画像信号(画素信号)として出力する。メカニカルシャッタ2が第1の深さ位置まで押下されて第1のスイッチ17がONすると、駆動回路6は、システム制御部13の制御の下に、光学系1の絞り1bとレンズ1aを駆動して、自動露出制御、自動合焦制御等を行う。
メカニカルシャッタ2が第2の深さ位置まで押下されて第2のスイッチ18がONすると、駆動回路6は、システム制御部13の制御の下に、タイミング発生からのタイミング信号に基づいて、撮像素子3における画素信号の走査を制御する。走査に係るアナログの画素信号は、A/D変換器4によりデジタル信号に変換され、画像データとして画像処理回路7に出力される。
画像処理回路7は、システム制御部13の制御の下に、画像データに対して各種補正値の算出と補正、色変換、ホワイトバランス、ガンマ補正、解像度変換、画像圧縮等の各種の画像処理を行う。
画像処理回路7に内蔵された画像メモリ8は、画像処理中の画像データを一時的に記憶したり、画像処理された画像データを記憶したりするために用いられる。画像処理回路7で画像処理された画像データは、記録回路10により、画像記録媒体9に適したデータ(例えば、階層構造を持つファイルシステムデータ)に変換されて画像記録媒体9に記録される。
また、画像処理された画像データは、表示制御回路12により、画像表示装置11に適した信号(例えば、NTSC方式のアナログ信号等)に変換されて、画像表示装置11に表示される。また、画像処理回路7は、システム制御部13からの要求に応じて、画像処理の過程で生じた画像データやそれに関する情報等をシステム制御部13に出力する。画像データに関する情報としては、例えば、画像の空間周波数、指定領域の平均値、圧縮画像のデータ量等の情報がある。
記録回路10は、システム制御部13からの要求に応じて、画像記録媒体9の種類や空き容量等の情報をシステム制御部13に出力する。また、記録回路10は、システム制御部13からの制御信号により、画像記録媒体9から画像データを読み出す。
画像処理回路7は、システム制御部13からの制御信号により、圧縮に係る画像データを伸長して画像メモリ8に記憶する。画像メモリ8に記憶された画像データは、画像処理回路7で解像度変換処理が施された後、表示制御回路12により画像表示装置11に適した信号に変換されて、画像表示装置11に表示される。
[第1の実施の形態]
次に、本発明の第1の実施の形態を図2、図3に基づいて説明する。図2は、第1の実施の形態に係る撮像素子3の構成図である。
撮像素子3は、光電変換機能、電荷蓄積機能、電荷走査機能を有し、その電荷走査機能はXYアドレス方式で実現されている。すなわち、撮像素子3は、MOS型のイメージセンサ、具体的にはCMOSセンサとして構成されている(第2,3の実施の形態も同様)。
撮像素子3の光電変換機能と、電荷蓄積機能は、画素部20により実現される。画素部20では、前述の図6に示した画素がマトリクス状に配列されている。この画素部20は、有効画素領域21と、有効画素領域21の左右の辺(対向する辺)に隣接する第1基準画素領域22a、第2基準画素領域22bにより構成されている。
第1基準画素領域22a、第2基準画素領域22bの各画素は、金属膜等の遮光部材で遮光された遮光画素となっている。なお、第1基準画素領域22a、第2基準画素領域22bの画素は、遮光画素ではなく、フォトダイオードを有さず光電変換機能を有しない不感光画素とすることも可能である。
有効画素領域21から得られる信号電荷(画素信号、撮像信号)は、被写体を反映した撮像画像として実際に用いられる。第1基準画素領域22a、第2基準画素領域22bから得られる画素信号は、有効画素領域21から得られる画素信号の基準信号として用いられる。すなわち、第1基準画素領域22a、第2基準画素領域22bから得られる画素信号は、有効画素領域21から得られる画素信号の黒レベル、ノイズ成分等のレベルを規定するために利用される。
なお、第1基準画素領域22a、第2基準画素領域22bは、上記の遮光画素、又は不感光画素で統一することなく、例えば遮光画素の行又は列と不感光画素の行又は列を交互に配備する等、遮光画素と不感光画素を混在させてもよい。ただし、本実施の形態では、電源ライン、GNDラインの電力変動による電気的なパターンノイズを補正することを目的としているため、第1基準画素領域22aと第2基準画素領域22bの画素の構成態様は、同一であることが望ましい。
垂直走査回路23は、図6で説明した画素転送信号PTX(後述する垂直走査パルス信号PVに相当)、行選択信号PSEL、画素リセット信号PRES等の制御パルス信号を適宜、画素部20に出力する。
この場合、マトリクス状に配列された複数の画素のうち、同一行に配された各画素の画素転送スイッチM1は、垂直走査パルス信号PVによって共通に制御される。また、同一行に配列された各画素のリセットスイッチM2は、画素リセット信号PRESによって共通に制御される。さらに、同一行に配された各画素の行選択スイッチM4は、行選択信号PSELによって共通に制御される。
すなわち、同一行に配列された各画素の各スイッチは、同一のタイミングで制御され、同一行の各画素信号は、垂直出力線V1〜Vnから信号保持部24のラインメモリC1〜Cnに、行単位で同一のタイミングで一斉に垂直転送される。
なお、同一列に配列された画素同士は、それぞれ、垂直出力線V1〜Vnに共通に接続されている。また、ラインメモリC1〜Cnは、それぞれ、水平走査スイッチQ1〜Qnを介して水平出力線25に共通に接続されている。水平走査スイッチQ1〜Qnのゲート端子は、それぞれ、水平走査回路26のDFF1〜DFFnのQ出力端子に接続されている。
水平走査回路26のDFF1〜DFFnは、そのD入力端子が前段のDFF1〜DFFnのQ出力端子と接続される形でカスケード接続され、シフトレジスタとして構成されている。
ただし、最終段のDFFnのQ出力端子は、初段のDFF1のD入力端子と接続されている。また、有効画素領域21の最終画素列に対応するDFFm−1のQ出力端子は、次の段の第2基準画素領域22bの最初の画素列に対応するDFFmのD入力端子と接続されておらず、DFFmのD入力端子には、水平走査開始パルス信号PHSTが入力される。
換言すれば、水平走査回路(水平走査手段)26は、ラインメモリC1〜Cnに保持された画素信号を読み出す読み出し信号を出力するDFF1〜Dm−1からなる第1のシフトレジスタと、DFFm〜DFFnからなる第2のシフトレジスタを有している。そして、第2のシフトレジスタのQ出力端子(信号出力端子)と第1のシフトレジスタのD入力端子(信号入力端子)とが接続されている。
画素信号の水平走査は、第2のシフトレジスタの信号入力端子、すなわち、DFFmのD入力端子に入力される水平走査開始パルス信号(水平走査開始信号)PHSTによって開始され、水平走査パルス信号PHに同期して行われる。
この場合、水平走査開始パルス信号PHSTは、上記のカスケード接続に係るDFFのQ出力端子から次段のDFFのD入力端子にシフトされていき、各Q出力端子からのパルス信号が水平走査スイッチQ1〜Qnのゲート端子に順次入力されていく。
従って、画素信号の水平走査は、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に行われることとなる。この場合、第2基準画素領域22b、第1基準画素領域22a、有効画素領域21を単独で見ると、それぞれ、画素信号は、左側の列から右側の列に向かって順次水平走査される。
このように、第1の実施の形態では、水平走査を、従来のように第1基準画素領域22a→有効画素領域21→第2基準画素領域22bの順に行わず、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に行うことに特徴がある。なお、この特徴は、第2,第3の実施の形態も同様に有している。
次に、第1の実施の形態における画素信号の水平走査の動作タイミングを、図3に基づいて詳細に説明する。ただし、ここでは、走査を行う画素行が選択された後の当該選択行の画素列における水平走査の動作タイミングを主として説明することとする(図5、図6の説明も同様)。
駆動回路6は、垂直走査回路23により、垂直走査パルス信号PVを画素部20に出力する(t1〜t2)。その後、垂直走査回路23は、選択行の各画素に対して各種の制御信号を適宜出力する(t2〜t3)。これにより、選択行の各画素の画素信号は、各列の垂直出力線V1〜vmを介して、ラインメモリC1〜Cnに一斉に垂直転送されて保持される。
その後、駆動回路6は、水平走査回路26により、水平走査開始パルス信号PHSTを第2基準画素領域22bの先頭列に対応するm列目のD回路FFmに入力する(t3〜t5)。これにより、最初にm列目の水平走査スイッチQmがONし(t4)、m列目のラインメモリCmに保持されている画素信号から、水平出力線25への信号読み出し及び水平出力線25上での水平転送、すなわち水平走査が開始される。
ラインメモリCmの信号読み出し・水平転送(t4〜t6)に続き、ラインメモリCm+1からCnへと、1列ずつ順に信号読み出し・水平転送が行われ、第2基準画素領域22bの信号読み出し・水平転送が終了する(t6〜t8:Qm+1〜Qn)。
前述のように、n列目のDFFnのQ出力端子は、1列目のDFF1のD入力端子に接続されている。従って、n列目の水平走査スイッチQnがONするのと同時に1列目のDFF1のD入力端子にHレベルの信号が入力される。
これにより、第2基準画素領域22bの水平走査が終了すると、第1基準画素領域22aに係る1列目の水平走査スイッチQ1がONし(t8〜t9)、1列目のラインメモリC1に保持されている画素信号が水平出力線25に読み出され、水平転送される。その後は、有効画素領域21に係る最終列であるm−1列目のラインメモリCm−1に保持されている画素信号まで、1列ずつ順に水平走査が行われる(t10〜t12:Q2〜Qm−1)。
水平走査に係る第1,第2の基準画素領域22a,22bの画素信号は、有効画素領域21の画素信号のノイズ成分を補正するための補正係数や補正値を、画像処理回路7で算出するために用いられる。
以上のようにして、第1の実施の形態では、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に水平走査を行っている。換言すれば、第1の実施の形態では、有効画素領域21に先立って、第1,第2の基準画素領域22a,22bの水平走査を行っている。
従って、少なくとも有効画素領域21の補正対象行の水平走査が実行されている際に、ノイズ補正値の算出処理を開始することができ、画素信号の走査を高速に行う撮像装置においても、リアルタイム性の高いノイズ補正処理を行うことが可能となる。
また、画像処理回路7で有効画素領域21の画素信号のノイズ成分を補正するための補正係数や補正値を算出するためには、第1,第2基準画素領域22a,22bの1行分の画素信号を記憶し得るメモリ容量のメモリを用意しておけばよい。
すなわち、第1の実施の形態では、補正係数や補正レベルを算出するためのメモリのモリ容量を、有効画素領域21の1行分の画素信号を記憶する容量の分だけ、従来の場合よりも削減することができる。以上の第1の実施の形態における効果は、第2,第3の実施の形態においても同様に得られる。
[第2の実施の形態]
第1の実施の形態では、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に画素信号を水平走査するために、次のように工夫していた。すなわち、第1の実施の形態では、第2のシフトレジスタ(DFFm〜DFFn)の信号出力端子(DFFnのQ出力端子)と第1のシフトレジスタ(DFF1〜DFFm−1)の信号入力端子(DFF1のD入力端子)とを直接、接続していた。
そして、第1の実施の形態では、第2のシフトレジスタ(DFFm〜DFFn)の信号入力端子(DFFmのD入力端子)に、水平走査開始信号としての水平走査開始パルス信号PHSTを入力していた。
これに対し、第2の実施の形態では、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に画素信号を水平走査するために、次のように工夫している。すなわち、第2の実施の形態では、水平走査開始位置選択部47を介して、第2のシフトレジスタの信号出力端子(DFFnのQ出力端子)と第1のシフトレジスタの信号入力端子(DFF1のD入力端子)とを接続している。
そして、第2の実施の形態では、水平走査開始位置選択部47により、水平走査開始パルス信号PHSTを第2のシフトレジスタの信号入力端子(DFFmのD入力端子)に選択的に入力することで、第2基準画素領域22bから水平走査を開始している。
ただし、水平走査開始位置選択部47は、水平走査開始信号パルス信号PHSTを第1のシフトレジスタの信号入力端子(DFF1のD入力端子)に選択的に入力することで、第1基準画素領域22aから水平走査を開始させることも可能となっている。
なお、水平走査開始位置選択回路47に含まれる3つのスイッチ74a,47b,47cは、NMOSで構成されており、ゲート電圧がハイレベル(H:High)のときにONするスイッチとなっている。
従って、水平走査開始位置選択回路47に入力される水平走査開始位置選択信号STSELが「H」のときは、スイッチ74a,47bがONし、スイッチ47cは、インバータ47dによりOFFする。これにより、水平走査開始パルス信号PHSTは、第2基準画素領域22bに入力される。また、DFFnのQ出力信号もDFF1のD入力端子に入力される。
従って、水平走査開始位置選択信号STSELが「H」のときは、第1の実施の形態と同様に、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に水平走査を行うことが可能となる。この駆動パターンは、図5のタイミングチャートに対応している。
また、水平走査開始位置選択信号STSELがローレベル(L:Low)のときは、スイッチ74a,47bがOFFし、スイッチ47cは、インバータ47dによりONする。これにより、水平走査開始パルス信号PHSTは、第1基準画素領域22aに入力される。また、DFFnのQ出力信号は、DFF1のD入力端子に入力されなくなる。
従って、水平走査開始位置選択信号STSELが「L」のときは、第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に水平走査が行われ、第2基準画素領域22bに係る画素信号の水平走査は行われないこととなる。この駆動パターンは、図6のタイミングチャートに対応している。
まず、図5の駆動パターンについて説明する。図5の駆動パターンでは、水平走査開始位置選択信号STSELが「H」となっており、水平走査開始パルス信号PHSTは、第2基準画素領域22bの先頭列であるm列目のDFFmに入力される(t3〜t5)。
従って、第2基準画素領域22bの先頭列に対応するm列目のラインメモリCmに保持されている画素信号から順に水平走査が開始される(t4:Qm)。第2基準画素領域22bの画素信号を全て読み出した後に(t8:Qn)、第1基準画素領域22aの先頭列(1列目)から最終列(l列目)に対応するラインメモリC1〜Clに保持されている画素信号が、順に読み出される(t9〜t11:Q1〜Ql)。
そして、有効画素領域21の先頭列(l+1列目)から最終列(m−1列目)に対応するラインメモリCl+1〜Cm−1に保持されている画素信号が、順に読み出される(t11〜t12:Ql+1〜Qm−1)。
図6の駆動パターンでは、水平走査開始位置選択信号STSELが「L」となっており、水平走査開始パルス信号PHSTは、第1基準画素領域22aの先頭列である1列目のDFF1のD入力端子に入力される(t3)。
従って、最初は、第1基準画素領域22aの先頭列(1列目)から最終列(l列目)に対応するラインメモリC1〜Clに保持されている画素信号が、順に読み出される(t3〜t9:Q1〜Ql)。そして、有効画素領域21の先頭列(l+1列目)から最終列(m−1列目)に対応するラインメモリCl+1〜Cm−1に保持されている画素信号が、順に読み出される(t8〜t10:Ql+1〜Qm−1)。
図6の駆動パターンでは、第2基準画素領域22bの画素信号は読み出されないが、図5の駆動パターンでの水平走査の終了(t12)よりも早いタイミング(t10)で水平走査が終了するため、水平走査に要する時間を図5の駆動パターンより短縮できる。
図6の駆動パターンは、次のような撮像装置100の駆動条件の場合に有効利用できる。例えば、撮像装置100にストロボ装置が接続されている場合、ストロボ装置の二次電池の充電中には大電流が流れ、撮像素子100の画素信号に対しても影響を与え易い。すなわち、ストロボ装置の二次電池の充電中に撮像した場合の画素信号には、電気的なノイズが重畳され易く、且つそのノイズは1フレームの撮像画像内でもレベルが変動する可能性が高い。
そこで、このような1フレームの撮像画像内でノイズレベルが変動する可能性が高い駆動条件の場合には、第1,第2基準画素領域22a,22bの双方からの画素信号に基づいてノイズ補正を行うべく図5の駆動パターンで水平走査を行う。
一方、1フレームの撮像画像内でノイズレベルが変動する可能性が低い駆動条件の場合は、第1基準画素領域22a、すなわち一部の基準画素領域からの画素信号だけを用いてノイズ補正を行うべく図6の駆動パターンで水平走査を行う。これにより、より迅速にノイズ補正を開始できるようにする。
すなわち、撮像装置100の駆動条件に応じて、第1の水平走査モードと、第2の水平走査モードとを切替えるようにする。このモード切替は、ユーザが手動で行っても、或は撮像装置100が自動的に行ってもよい。
また、撮像装置100の駆動条件だけでなく、例えば、輝度が瞬間的に増大する花火を撮影する場合などの被写体条件や、被写体の輝度変化は小さいが、その周囲の輝度が大きく変化する場合などの撮影環境条件に応じて、上記のモード切替を行ってもよい。
要するに、電気的なノイズの発生条件に応じて、第1の水平走査モードと第2の水平走査モードの切替えを行えばよい。
このようなモード切替により、必要の無い動作を無駄に行うことを回避することができ、消費電力を低減することが可能となり、特に、二次電池で撮像装置100を駆動する場合に有用である。
[第3の実施の形態]
第1,第2の実施の形態では、水平走査回路のシフトレジスタを2つに分離することで、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に画素信号の水平走査を行っていた。
これに対し、第3の実施の形態では、水平走査回路のシフトレジスタは従来通りに1つとし、仮想水平走査を行うことで、第2基準画素領域22b→第1基準画素領域22a→有効画素領域21の順に画素信号の水平走査を行っている。
この第3の実施の形態における画素信号の水平走査の駆動制御は、図7のように行われる。ここでは、前述の図10のように構成されたCMOSセンサ(撮像素子3)に対する画素信号の水平走査を例にして説明する。
駆動回路6は、実体的な画素信号の走査を開始する前に、垂直走査パルス信号PVが垂直走査回路1003に入力されていない状態で、水平走査開始パルス信号PHSTを水平走査回路1006に入力する(t1〜t3)。すなわち、第3の実施の形態では、ラインメモリC1〜Cnの何れにも垂直走査に係る画素信号が保持されていない状態で、画素部1000の先頭列に対応するラインメモリC1から順に、仮想的に水平走査を開始する。
そして、ラインメモリC1から有効画素領域1001の最終の画素列に対応するラインメモリCm−1までの仮想水平走査(t2〜t5)が終了した後に、駆動回路6は、水平走査回路26への水平走査パルス信号PHの出力を一旦停止する(t6)。
この水平走査パルス信号PHの出力の一旦停止は、当該選択行の各画素信号をラインメモリC1〜Cm等から消去した上で、垂直走査パルス信号PVを出力して垂直走査を再開するために行われる(第1,第2の実施の形態も同様)。
駆動回路6は、水平走査パルス信号PHの出力を一旦停止した後は、画素信号の走査を信号読出しを行う画素領域における先頭行の画素信号から行うべく、垂直走査回路23により、強制的に選択行を信号読出しを行う画素領域における先頭行とする。この強制的な選択行の選択動作は、撮像動作を停止したタイミングによって、選択行が必ずしも信号読出しを行う画素領域における先頭行になっているとは限らないので行われる。
ただし、強制的な選択行の選択動作は、静止画の場合は、1フレーム(1画像)につき最初の選択行においてだけ行えばよい。また、フレームが連続する動画の場合は、1フレーム目の最初の選択行においてだけ行えばよい。このことは、仮想的な水平走査を行っても、ノイズ補正の迅速性は、殆ど損なわれないことを意味する。
駆動回路6は、水平走査パルス信号PHの出力が一旦停止されている間に(t7〜t8)、垂直走査回路1003により、垂直走査パルス信号PVを画素部1000に入力する。この垂直走査パルス信号PVの入力により、選択行に係る各画素の画素信号が一斉に読み出されてラインメモリC1〜Cnに一斉に垂直転送される。従って、ラインメモリC1〜Cnに保持される画素信号は、被写体光像、OB信号等を反映した撮像装置100にとって有意義で実体的な信号となる。
駆動回路6は、走査を行う画素行が選択されると、垂直走査回路1003により、各種の制御信号を適宜出力する(t8〜t9)。そして、駆動回路6は、選択行の画素信号が各列のラインメモリC1〜Cnに保持された後、水平走査回路1006により、水平走査パルス信号PHの出力を再開する(t9)。
水平走査パルス信号PHの出力が再開されると、第2基準画素領域1002bの先頭の画素列に対応するラインメモリCmに保持された画素信号が、水平出力線1005に読み出されて水平転送される(t9〜t10:Qm)。その後は、ラインメモリCm+1〜Cnに保持された画素信号が順に水平出力線1005に読み出されて水平転送される(t9〜t12:Qm+1〜Qn)。
なお、駆動回路6は、ラインメモリCnに保持された画素信号が読み出されるタイミングに合わせて、水平走査開始パルス信号PHSTを水平走査回路1006に入力する(t11〜t13)。これにより、画素部1000の先頭の画素列に対応するラインメモリC1に保持されている画素信号が読み出されて水平転送される(t12〜t14:Q1)。
その後、ラインメモリC2から、有効画素領域1001の最終の画素列に対応するラインメモリCm−1まで、その保持に係る画素信号が順次水平走査される(t14〜t15:Q2〜Qm−1)。そして、駆動回路6は、ラインメモリCm−1まで読み出しを行った時点で、再び、水平走査回路1006への水平走査パルス信号PHの出力を停止する。t16以降は、t7〜t16と同様の画素信号の走査が繰り返し行われる。
以上のように、第3の実施の形態では、1つの静止画又は1つの動画の撮像において1回だけ、1行に係る第1基準画素領域と有効画素領域について、垂直走査を行わずに仮想水平走査を行うだけで、第2基準画素領域から実体的な走査を開始している。
従って、第3の実施の形態において仮想水平走査を行ったとしても、第1、第2の実施の形態と同程度のノイズ補正の迅速性を得ることができる。むしろ、第3の実施の形態では、従来のシフトレジスタをそのまま活用できるので、そのメリットの方が大きくなる。
以上説明したように、第1〜3の実施の形態では、2つの基準画素領域に係る画素信号を有効画素領域に係る画素信号に先立って水平走査している。
従って、有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正を行うために、2つの基準画素領域に係る画素信号と有効画素領域に係る画素信号を保持する分のメモリ容量を必要とせず、2つの基準画素領域に係る画素信号を保持する分のメモリ容量で済む。すなわち、コスト高を招くことはない。
また、少なくとも有効画素領域に係る画素信号が水平走査されている際に、有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正を行うための補正値を、2つの基準画素領域に係る画素信号に基づいて算出する算出処理を開始することができる。これにより、ノイズ成分に対する補正処理を迅速行うことが可能となる。
さらに、有効画素領域の対向する辺に隣接して配置された複数の基準画素領域に係る画素信号を用いて有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正できる。従って、例えば、水平走査位置でノイズ量が異なるような場合でも、補正処理を適正に行うことが可能となる。
なお、本発明は、第1〜3の実施の形態に限定されることなく、例えば、水平走査回路を構成するシフトレジスタは、Dフリッププロップ以外のJKフリップフロップ等の他のフリップフロップにより構成してもよい。
また、XYアドレス方式の走査機構を有し、1行分の画素信号を一斉に垂直走査するものであれば、CMOSセンサ以外の撮像センサ(イメージセンサ)にも第1〜3の実施の形態に係る技術思想を適用することができる。
本発明の第1〜3の実施の形態に係る撮像装置の全体構成を示すブロック図である。 第1の実施の形態に係る撮像素子(CMOSセンサ)の概略構成を示す回路図である。 第1の実施の形態に係る水平走査の駆動を示すタイミングチャートである。 本発明の第2の実施の形態に係る水平走査回路の構成を示す回路図である。 第2の実施の形態に係る水平走査の第1の駆動パターンを示すタイミングチャートである。 第2の実施の形態に係る水平走査の第2の駆動パターンを示すタイミングチャートである。 本発明の第3の実施の形態に係る水平走査の駆動を示すタイミングチャートである。 CMOSセンサにおける画素の一般的な構成を示す回路図である。 CMOSセンサの一般的な構成の概要を示す回路図である(基準画素領域が1つの場合)。 CMOSセンサの一般的な構成の概要を示す回路図である(基準画素領域が2つの場合)。 CMOSセンサにおける従来の水平走査の駆動を示すタイミングチャートである。
符号の説明
3…撮像素子(CMOSセンサ)
5…タイミング信号発生回路
6…駆動回路
13…システム制御部
14…ROM
20…画素部
21…有効画素領域
22a…第1基準画素領域
22b…第2基準画素領域
23…垂直走査回路
24…信号保持部
26,46…水平走査回路
47…水平走査開始位置選択部
C1〜Cn…ラインメモリ
FF1〜FFn…Dフリップフロップ

Claims (6)

  1. 撮像画像として用いる撮像信号を得るための画素が配列された有効画素領域と、前記撮像信号に対する基準信号を得るための画素が配列され、前記有効画素領域の対向する辺に隣接して配置された第1及び第2の基準画素領域を有する撮像センサを有する撮像装置において、行単位で一斉に垂直走査されてきた前記有効画素領域、前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を保持する保持手段と、
    前記保持手段により保持された画素信号を水平走査する水平走査手段と、
    前記水平走査手段により水平走査された前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号に基づいて前記有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正する補正手段とを有し、
    前記水平走査手段は、前記保持手段により保持された前記第1の基準画素領域及び前記有効画素領域に係る画素信号を読み出す読み出し信号を出力する第1のシフトレジスタと、前記保持手段により保持された前記第2の基準画素領域に係る画素信号を読み出す読み出し信号を出力する第2のシフトレジスタを有し、当該第2のシフトレジスタの信号出力端子と当該第1のシフトレジスタの信号入力端子とが接続され、当該第2のシフトレジスタの信号入力端子に水平走査開始信号が入力されることで、前記保持手段により保持された画素信号のうち、前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を、前記有効画素領域に係る画素信号よりも先に水平走査することを特徴とする撮像装置。
  2. 前記水平走査手段は、前記有効画素領域と前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を水平走査する第1の水平走査モードと、前記第1の基準画素領域と前記有効画素領域に係る画素信号を水平走査する第2の水平走査モードを有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記水平走査手段は、電気的なノイズの発生条件に応じて、前記第1の水平走査モードと前記第2の水平走査モードとを切替えることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
  4. 前記補正手段は、少なくとも前記水平走査手段により前記有効画素領域に係る画素信号の水平走査が実行されている際に、前記有効画素領域に係る画素信号のノイズを補正するための補正値を前記基準画素領域に係る画素信号に基づいて算出する処理を開始することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の撮像装置。
  5. 前記水平走査手段は、前記第1及び第2のシフトレジスタの信号入力端子に水平走査開始信号を選択的に入力する入力手段有することを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の撮像装置。
  6. 撮像画像として用いる撮像信号を得るための画素が配列された有効画素領域と、前記撮像信号に対する基準信号を得るための画素が配列され、前記有効画素領域の対向する辺に隣接して配置された第1及び第2の基準画素領域を有する撮像センサを有する撮像装置において、行単位で一斉に垂直走査されてきた前記有効画素領域、前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を保持する保持手段と、
    前記保持手段により保持された画素信号を水平走査する水平走査手段と、
    前記水平走査手段により水平走査された前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号に基づいて前記有効画素領域に係る画素信号のノイズ成分を補正する補正手段とを有し、
    前記水平走査手段は、前記保持手段により保持された画素信号を読み出す読み出し信号を出力する1つのシフトレジスタを有し、前記保持手段に垂直走査に係る画素信号が保持されていない状態で、前記第1の基準画素領域及び前記有効画素領域に係る水平走査を行った後に、前記保持手段に垂直走査に係る画素信号が保持された状態での水平走査を開始することで、前記保持手段により保持された画素信号のうち、前記第1及び第2の基準画素領域に係る画素信号を、前記有効画素領域に係る画素信号よりも先に水平走査することを特徴とする撮像装置。
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