JP6896788B2 - 撮像装置、撮像方法、コンピュータプログラム及び記憶媒体 - Google Patents
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Description
特許文献1には、単位画素の出力信号に対して列回路内にある増幅部のゲインを切り替え、画像信号のダイナミックレンジを向上することが可能な撮像素子が記載されている。そして特許文献1の図13には、アンプの入力容量を2つ持ち、2種類のゲインの切り替えるようにした撮像素子が記載されている。
また、ノイズ信号をどちらか一方のゲインで読み出し、画素信号のみゲインを変えて2回読み出すような駆動を行うと、対応するゲインのノイズ信号が存在しない画素信号が出てきてしまうことになる。
本発明は上記のような、ゲインを変更して画素信号を読み出す場合に、フレームレートを低下させることなく、各ゲインの画素信号の黒レベルを合わせることができる撮像装置を提供することを目的とする。
ノイズ信号の読み出しと、光電変換により得られた画素信号の読み出しが可能な画素を複数配列した画素部と、
前記画素部の各画素からノイズ信号を読み出し、第1のゲインで増幅して第1のノイズ信号を生成するとともに、各画素から画素信号を読み出し、第1のゲインで増幅した第1の画素信号と第2のゲインで増幅した第2の画素信号を生成する読み出し手段と、
前記画素部における遮光されている画素から読み出したノイズ信号を第2のゲインで増幅して第2のノイズ信号を生成して記憶する第1の記憶手段と、
前記画素部の各画素から順次信号を読み出しつつ、前記第1の画素信号から前記第1のノイズ信号の減算を行うとともに、前記第2の画素信号から前記第1の記憶手段に記憶されている前記第2のノイズ信号を減算する減算手段と、
を有することを特徴とする。
なお、実施例においては、撮像装置としてデジタルスチルカメラに適用した例について説明する。しかし、撮像装置はデジタルムービーカメラ、カメラ付きのスマートフォン、カメラ付きのタブレットコンピュータなど、撮像機能を有する電子機器であれば良く、それらを含む。
図1は、実施例1に係る撮像装置における一般的なブロック図であり、図1の各ブロックについて詳細を下記に説明する。
画像取得部103は、撮像素子102から出力された画像信号をキャプチャし、各処理を行うブロックから構成される。撮像素子102内部でAD変換を行わない場合は、アナログデジタル変換を行うアナログフロントエンドも含まれる。画像取得部103では、撮像素子102の固定パターンノイズの除去や、黒レベルクランプ処理などを行なう。そして、画像信号記録に使用する画像を生成するとともに、撮像素子制御のための評価用信号を生成する機能も有する。
信号処理部105は、撮像装置の代表的な画像処理機能である、画素加算機能やノイズリダクション、ガンマ補正、ニー補正、デジタルゲイン補正などをはじめ、キズ補正など各種画像処理を行なう。画像取得部103や信号処理部105には、それぞれの補正や画像処理に必要となる設定値を記憶しておくための不図示の記憶回路も含まれる。
制御部107は、画像取得部103から受けた画像信号から最適露光量を算出したり、口述するような位相差情報を出力できる撮像素子を用いた場合には、その出力から位相差を計算したりするための制御を行う。また撮像素子制御部108の動作を制御する機能を有する。更に、撮像装置内のその他の各回路の動作を制御することができる。なお、制御部107にはコンピュータとしてのCPUが内蔵されており、不図示のメモリに記憶されたコンピュータプログラムに基づき装置全体の各種動作を制御する制御手段として機能する。
タイミング・パルス制御部201は撮像素子102の各ブロックに対する動作CLK(クロック)を供給したり、各ブロックにタイミング信号を供給したりして、撮像素子102の動作を制御するものである。
なお、各画素は、異なる入射瞳からの光を受光する2つの光電変換部を備えるように構成されていてもよい。そして各画素から前記2つの光電変換部からの出力信号を別々に読み出して位相差情報を生成するモードと、上記2つの光電変換部で生成された信号を加算して読み出すモードを選択することができるようにしても良い。
列アンプ204は、画素部203から各垂直出力線に出力された信号をそれぞれの列ごとに電気的に増幅するためのものであり、後述のようにオペアンプを含む。また増幅手段として機能する。前段に設けられた列アンプ204で画素部203の出力信号を増幅することにより、画素信号のSNを改善することができる。また、列アンプ205は、タイミング・パルス制御部201からの制御信号により、ゲインを変更できる構造となっている。
列ADC(Analog to Digital Converter)205は、列アンプ204により増幅された画素信号をアナログデジタル変換する。列ADC205は、後述するように、ゲインの異なる画素信号である第1の画素信号、第2の画素信号と、ゲインの異なるノイズ信号である第1のノイズ信号、第2のノイズ信号をそれぞれAD変換するAD変換手段として機能している。
なお、列ADC205でデジタル化された信号はRAM210を介して水平転送回路206により順次読み出され、信号処理回路207に入力される。
なお、撮像素子102は多層構造になっていてもよい。その場合、画素部203以外の回路(例えば減算手段としての信号処理回路207や記憶手段としてのRAM210など)は別の層に配置されるとともに、光を受光するように画素部203が一番上に配置される。
また、本実施例では撮像素子102内に上記のような回路がすべて内蔵されているが、一部の回路(例えば減算手段としての信号処理回路207や記憶手段としてのRAM210など)を撮像素子外部に設けてもよい。これについては図5を用いて後述する。
前述したように、本実施例の撮像素子102は、HDR画像を生成するために、列アンプゲインを変更して出力することができるように構成されている。
図3は、列アンプ204の中のある列に対応した列アンプ204の回路構成を示す。
入力容量C301は、スイッチSW301がONのときに画素部203から出力された信号を保持し、スイッチSW302がONのときに保持した信号をオペアンプ301に出力する。
図4(A)のタイミングチャートは、水平同期信号HDで規定される1水平期間で行われる撮像素子の画素部203におけるある行からの信号読み出しを示している。
まず、時刻t1〜時刻t2でスイッチSW301〜SW304を同時にONし、残留電荷を排出するリセット動作を行う。次に時刻t3でスイッチSW301およびスイッチSW302をONし、画素部からのノイズ成分を読み出して第1のゲインGain1で増幅する。第1のゲインGain1は、以下の式(1)であらわされる。
次に時刻t4で画素部からの画素信号(光電変換信号)を読み出す。このとき、スイッチSW301とスイッチSW302をOFFのままとすることによって、第1のゲインGain1で画素信号を増幅する。列ADC205には、画素信号成分を第1のゲインGain1で増幅した第1の画素信号Gain1(S)が出力される。ここで、時刻t5でスイッチSW301,302をOFFすることで信号レベルの変動を抑制し、列ADC205でのアナログデジタル変換に影響を与えないようにしている。
次に時刻t6〜時刻t7でスイッチSW304をONして帰還容量をリセットし、時刻t6〜時刻t8でスイッチSW303をONすることによって、入力容量C301の画素信号を第2のゲインGain2で増幅する。このとき、第2のゲインGain2は、以下の式(2)であらわされる。
Gain2=C301/(C302+C303)… (2)
列ADC205には、Gain2で増幅された第2の画素信号Gain2(S)が出力される。なお、このとき撮像素子制御部108は読み出し手段として機能している。
図4(B)では、時刻t1〜時刻t2でスイッチSW301〜スイッチSW304を同時にONし、リセット動作を行った後、時刻t9〜時刻t10の間、スイッチSW301とスイッチSW302をONし、時刻t9〜時刻t11の間、スイッチSW303をONにする。これによって、第2のゲインGain2で増幅した第2のノイズ信号Gain2(N)を読み出している。この行では第2のノイズ信号Gain2(N)を読み出せばよいので、画素信号の読み出しは必要ではないが読み出しても構わない。
Gain2(S)−Gain2(N)… (3)
即ち、式(3)を後段の信号処理回路207で計算し、第2の画素信号Gain2(S)についてもノイズを除去した信号を得ることができる。
ただし、本実施例では、全部の行の画素について第2のノイズ信号Gain2(N)を取得しているわけではない。従って、各行の画素のS/Nの向上の効果は限定的であるが、画像の黒レベルが定められ、ペデスタルレベルを確定させることができ、後段のHDR合成などが可能となる。
また、画素部の各画素から順次信号を読み出しつつ、減算手段としての信号処理回路207によって、第1の画素信号から第1のノイズ信号の減算を行うとともに、前記第2の画素信号から前記第1の記憶手段に記憶した前記第2のノイズ信号を減算している。
なお、本実施例の回路構成は一例であって、同一の画素信号を2種類のゲインをかけて出力する構成であれば、本実施例に図示した構成に限定されるものではない。また、記憶装置RAMの構成や配置などは適宜設計変更することが可能である。
Gain2(S)−Gain2(N)の計算を撮像素子内の信号処理回路207で行った。
実施例2では、撮像素子から第2のノイズ信号Gain2(N)を出力し、撮像素子の外部で処理する例について述べる。
図5は、実施例2において、図1と異なる部分を抜き出したブロック図であり、図5では、図1の画像取得部103に対して、ラインメモリ109および減算部110を加えた点が異なる。即ち、図2におけるRAM210の代わりにラインメモリ109を用い、図2における信号処理回路207の代わりに減算部110を用いている。
本実施例では、垂直同期信号であるVDに同期して画像の読み出しが始まる。画像の読み出しの最初の行に図4(B)の読み出しを行うためのGain2(N)読み出し部2031を設けており、読み出した各列の第2のノイズ信号Gain2(N)を図5にあるラインメモリ109に記憶する。Gain2(N)読み出し部2031の下側には、垂直オプティカルブラック信号を読み出すための遮光された垂直オプティカルブラック部2032が設けられる。
なお、Gain2(N)読み出し部2031は有効画素部2034に対して垂直方向の端部の垂直オプティカルブラック部2032の隣に設けられているが、遮光されている行であれば良い。また、垂直オプティカルブラック部2032の一部の行をGain2(N)読み出し部2031として用いても良い。
なお、第2のノイズ信号Gain2(N)信号を取得する際に、複数フレームの画像から得られた第2のノイズ信号Gain2(N)信号を所定の時定数を用いて平均化してからラインメモリ109に記憶してもよい。そして、平均化された第2のノイズ信号Gain2(N)を減算しても良い。
あるいは、画素部203内のGain2(N)読み出し部2031の行数を複数行とし、その複数行から得られた第2のノイズ信号Gain2(N)を平均化してからラインメモリ109に記憶しても良い。そして、平均化された第2のノイズ信号Gain2(N)を減算しても良い。
また、各列で黒レベルに差が小さい場合、所定の遮光された行から読み出した第2のノイズ信号Gain2(N)信号を全水平画素分平均し、その値を第2のノイズ信号Gain2(S)信号の黒レベルとしても良い。
なお、本実施例においては、垂直オプティカルブラック部2032の隣のGain2(N)読み出し部2031からの信号を用いて第2のノイズ信号を得ている。しかし、垂直オプティカルブラック部2032の一部の行から第2のノイズ信号を得ても良い。
次に、画素209と水平転送回路206までの信号処理の流れについて図7を用いて説明する。画素209の中には光電変換素子701が設けられており、不図示のマイクロレンズを介して入射した光を光電変換して電荷に変換する。転送スイッチ702は光電変換素子701で発生した電荷を後段の回路に転送する。電荷保持部703は、光電変換素子701で発生した電荷を一時的に保持する。画素アンプ704は電荷保持部703の信号を垂直出力線705を通して、後段の列アンプ204へ送る。
メモリ708は光電変換素子701から読み出された画素信号を記憶するための第2の記憶手段としてのメモリである。このメモリには画素信号とともに読み出し回路部(電荷保持部703からA/D変換部707までの回路)のノイズ信号が重畳されてS+N信号として記憶される。
なお、遮光された所定の行の画素信号を読み出すと、遮光されているので実質的に読み出し回路部のノイズ信号が読み出されることになる。メモリ708からメモリ709、もしくはメモリ710に保持されたデータを減算手段としての減算器711で減算したものが、画素信号として水平転送回路206へ出力される。
列アンプ204は、オペアンプAMP301と、入力容量C301とフィードバックコンデンサ(帰還容量)C302及びC303により反転増幅回路になっている。
まず、スイッチSW303をOFF、スイッチSW305をONし、列アンプ204の増幅率を高ゲイン側に設定しておく(時刻t21)。この状態で光電変換素子の転送スイッチ702をONする前に画素のノイズ成分(N信号)を読み出して高ゲインで増幅し、AD変換を行う(時刻t22)。時刻t23で光電変換素子の転送スイッチ702をONし画素信号(S信号)を読み出して高ゲインで増幅する。その後、読み出した高ゲイン画素信号をAD変換し高ゲインS信号として出力する(時刻t24)。次に時刻t25でSW303をONし、列アンプ204の増幅率を低ゲイン側に設定する。
このように、画像信号を読み出す際に列アンプゲインの増幅率を変えることで画像信号の同時性を保ったままダイナミックレンジ拡大合成用の画像信号を得ることができる。しかしながら、上記の読み出し駆動では低ゲイン用のN信号が無いため、低ゲインの画像信号のS−N処理ができない。低ゲイン用のN信号を取得するために、例えば時刻t22の後に列アンプ204の増幅率を変えて低ゲイン用のN信号を出力すると、N信号を出力してからS信号を出力するまでの時間でノイズ成分が変わってしまい、正しくS−N処理ができなくなってしまう。
図10は本実施例3の制御におけるS信号を読み出したときの処理に関するフローチャートである。
まず、ステップS501で、読み出された信号が予め設定された遮光画素部(例えば図6の2031)の低ゲインのS信号であるか否かを判断する。遮光画素領域の低ゲインのS信号である場合はステップS505に進む。ステップS505では読み出した信号をメモリ710に保持する処理をおこなう。ステップS501で遮光画素領域の低ゲインのS信号ではないと判断された場合、ステップS502に進む。ステップS502では読み出された信号が有効画素部2034の低ゲインのS信号であるか否かを判断する。
ステップS502で有効画素領域の低ゲインのS信号であると判断された場合にはステップS504の処理に進む。ステップS504ではS信号はメモリ708に保持し、メモリ708のS信号からメモリ710に予め記憶されたN信号を減算する処理をおこなう。メモリ710には過去のステップS505で遮光画素領域の低ゲインのS信号が保持されているが、遮光されているためS信号成分は実質的に存在せずノイズ成分(N信号)だけの信号である。このデータを使うことで低ゲインS信号に対してS−N処理を実施することができる。
そこで、実施例4においては、水平方向に配置される遮光画素領域から取得したN信号を用いてS−N処理を実施する。
第4の記憶手段としてのメモリ211には算出手段としての信号処理回路207で算出された垂直方向のシェーディング成分だけを行ごとに記録しておく。垂直方向のシェーディング成分は図6に示すような有効画素部2034の左側に配置される水平オプティカルブラック部2033の信号を用いて信号処理回路207で算出する。
画素部203と水平転送回路206までの信号処理の流れについて図12を用いて説明する。
まず、ステップS801では読み出された信号が画素領域上部の遮光画素領域(例えばGain2(N)読み出し部2031)の低ゲインのS信号であるか否かを判断する。画素領域上部の遮光画素領域の低ゲインのS信号である場合はステップS805に進み、読み出した信号をメモリ710に保持する処理をおこなう。ステップS801でNoと判断された場合、ステップS802に進み、読み出された信号が画素領域左側の遮光画素領域(例えば水平オプティカルブラック部2033)の低ゲインのS信号であるか否かを判断する。画素領域左側の遮光画素領域の低ゲインのS信号である場合はステップS806に進み、信号処理回路207で垂直方向のシェーディング成分を算出する処理をおこなう。
Noの場合、つまり高ゲインのS信号の場合はステップS804に進み、S信号はメモリ708に保持し、メモリ708のS信号からメモリ709のN信号を減算することでS−N処理を実施し出力する。
一般的には、画素信号は1フレーム中に上部の行から下部の行に向けて、行単位で順次読み出される。従って、垂直方向のN信号のシェーディング成分を減算するためには前フレームの画素信号を使う必要があるが、本実施例4によればN信号の垂直方向のシェーディング成分も除去することが可能になる。
また、本実施例における制御の一部または全部を上述した実施例の機能を実現するコンピュータプログラムをネットワーク又は各種記憶媒体を介して撮像装置に供給するようにしてもよい。そしてその撮像装置におけるコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。その場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することとなる。
102 ・・・撮像素子
103 ・・・画像取得部
104 ・・・画像合成部
105 ・・・信号処理部
106 ・・・信号記録部
107 ・・・制御部
108 ・・・撮像素子制御部
Claims (22)
- ノイズ信号の読み出しと、光電変換により得られた画素信号の読み出しが可能な画素を複数配列した画素部と、
前記画素部の各画素からノイズ信号を読み出し、第1のゲインで増幅して第1のノイズ信号を生成するとともに、各画素から画素信号を読み出し、第1のゲインで増幅した第1の画素信号と第2のゲインで増幅した第2の画素信号を生成する読み出し手段と、
前記画素部における遮光されている画素から読み出したノイズ信号を第2のゲインで増幅して第2のノイズ信号を生成して記憶する第1の記憶手段と、
前記画素部の各画素から順次信号を読み出しつつ、前記第1の画素信号から前記第1のノイズ信号の減算を行うとともに、前記第2の画素信号から前記第1の記憶手段に記憶されている前記第2のノイズ信号を減算する減算手段と、
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像装置は撮像素子であることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子は多層構造であることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
- 前記画素部と前記減算手段はそれぞれ別の層に配置されていることを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。
- 前記画素部は撮像素子内部に設けられ、前記記憶手段は前記撮像素子外部に設けられることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記画素部は撮像素子内部に設けられ、前記減算手段は前記撮像素子外部に設けられることを特徴とする請求項1または5に記載の撮像装置。
- 前記遮光されている画素の行は、前記画素部の垂直方向の端部に設けられることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記遮光されている画素の行は、垂直オプティカルブラック信号を読み出すための垂直オプティカルブラック部の隣に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記遮光されている画素の行は、垂直オプティカルブラック信号を読み出すための垂直オプティカルブラック部の行を含むことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記読み出し手段は、前記画素部の各画素からノイズ信号を読み出し第1のゲインで増幅して第1のノイズ信号を生成する動作と、各画素から画素信号を読み出し、第1のゲインで増幅した第1の画素信号と第2のゲインで増幅した第2の画素信号を生成する動作を順次行うことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記読み出し手段は、1水平期間内に、前記画素部の各画素からノイズ信号を読み出し第1のゲインで増幅して第1のノイズ信号を生成する動作と、各画素から画素信号を読み出し、第1のゲインで増幅した第1の画素信号と第2のゲインで増幅した第2の画素信号を生成する動作を順次行うことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記第1のノイズ信号、前記第1の画素信号、前記第2の画素信号、前記第2のノイズ信号をAD変換するAD変換手段を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記第1、第2の画素信号を記憶する第2の記憶手段を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記第1のノイズ信号を記憶する第3の記憶手段を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記画素から読み出した信号を増幅する増幅手段を有することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記増幅手段はオペアンプを含むことを特徴とする請求項15記載の撮像装置。
- 遮光されている画素は、前記画素部の水平方向の端部に設けられ、前記遮光された画素から読み出して第2のゲインで増幅したノイズ信号から垂直方向のシェーディング成分を算出する算出手段を有することを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- 前記算出手段によって算出された垂直方向のシェーディング成分を記憶する第4の記憶手段を有することを特徴とする請求項17記載の撮像装置。
- 前記減算手段は、前記第4の記憶手段に記憶された垂直方向のシェーディング成分を前記画素信号から減算することを特徴とする請求項18記載の撮像装置。
- ノイズ信号の読み出しと、光電変換により得られた画素信号の読み出しが可能な画素を複数配列した画素部の各画素から、ノイズ信号を読み出し第1のゲインで増幅して第1のノイズ信号を生成するとともに、各画素から画素信号を読み出し、第1のゲインで増幅した第1の画素信号と第2のゲインで増幅した第2の画素信号を生成する読み出しステップと、
前記画素部における遮光されている画素から読み出したノイズ信号を第2のゲインで増幅して第2のノイズ信号を生成して記憶する記憶ステップと、
前記画素部の各画素から順次信号を読み出しつつ、前記第1の画素信号から前記第1のノイズ信号の減算を行うとともに、前記第2の画素信号から前記記憶ステップで記憶されている前記第2のノイズ信号を減算する減算ステップと、
を有することを特徴とする撮像方法。 - 請求項1〜19のうちいずれか一項に記載の前記撮像装置の各手段としてコンピュータを機能させるためのコンピュータプログラム。
- 請求項21に記載のコンピュータプログラムを記憶したコンピュータで読み取り可能な記憶媒体。
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