JPH01297982A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は黒レベル補正回路を有する固体撮像装置に関す
る。

［従来の技術と発明が解決しようとする課題１近年、細
長の挿入部を体腔内に挿入することにより、体腔内臓器
等を診断したり、検査したりすることのできる内視鏡（
スコープまたはファイバスコープ）が広く用いられてい
る。

また、医療用のみならず、工業用においてもボイラ、機
械、化学プラント等の管内、あるいは機器内等の対象物
を観察、検査したりするのに用いられている。

更に、電荷結合素子（以下、ＣＯＤと記す。）等の固体
撮像素子を撮像手段に用いた電子スコープも用いられて
いる。この電子スコープはファイバスコープに比べ解像
度が高く、画像の記録および再生等が容易であり、加え
て画像の拡大や２画面の比較等の画像処理が容易である
等の利点を右する。

上記電子スコープであって、特にＣＯＤの結像面にモザ
イク状の色フィルタを固着した、いわゆるモザイクカラ
ーフィルり方式によるカラー撮像方式では、ＣＣｂにお
いて得られる輝度信号に対し、色の搬送波が重畳された
信号型式で光電変換出力が得られる。この色の搬送波は
ＣＯＤの単位１ｉ１ｊ素と１対１で固着されるモザイク
カラーフィルタで得られる。当然、得られるｆ４ｉ度イ
５号と色搬送波の大きさはＣＯＤの入射光示に比例し、
入射光量が完全に遮光されると、両者とも無信号となる
。

しかしながら色搬送波については遮光しても無信号とな
らず、わずかの色搬送波が残留色搬送波として発生する
。遮光状態では最終的に１ｑられるべきカラー映像信号
は黒であるが、前記残留色搬送波が存在すると完全な黒
とならず色イ・」き現象が発生する。これは−殻内には
黒バランスのずれと呼称される。残留色搬送波が発生す
る原因はＣＯＤを駆動する駆動信号（パルス）がＣＯＤ
の光電変換出力に静電容量結合等によって発生づるのが
最も多い。特に電子スコープでは前記ＣＯＤ駆動回路は
本体側に具備されており、ＣＯＤ駆動信号はスコープ内
に構成される約３〜５ｍ程度のケーブルを使用して内視
鏡先端部に設けられているＣＯＤに８供給される。一方
、ＣＣＤ光電変換出力も同じく３〜５ｍ程度のケーブル
を使用して先端部から本体側に伝送され、また、スコー
プの外径を操作性向上の目的で極力細径になるように要
求されるため両ケーブル間に静電容量結合が生じ、ＣＯ
Ｄ駆動信号がＣＣＤ光電変換出力に発生ずる。

第９図において、電子スコープ１の挿入部２先端部にＣ
ＣＤ３が設けられている。電子スコープ１に接続された
制御装置４内に設けられたＣＯＤ駆動回路６の出力は挿
入部２内を挿通されたケーブル７によってＣＣＤ３に伝
送される。一方、ＣＣＤ３の光電変換出力はケーブル８
によって制御装置４内に設けられた映像信号処理回路９
に伝送され、信号処理されて映像出力となり、モニタ１
０の画面上に表示される。ケーブル７．８は併設されて
おり、実際にはシールド線が使用されているが完全にシ
ールドすることはシールド線の構造上不可能である。従
って両ケーブル７．８に流れる信号が相互に干渉を起こ
し、特にＣＯＤ駆動信号の光電変換出力への漏れが大き
い。

以上説明したように信号の相互干渉によって（ｑられる
映像信号に次のような現象が生じる。

最も大きな障害としては映像信号の黒バランスが極めて
不安定となることである。−殻内にＣＯＤでは受光エリ
アの一部を遮光部材により遮光し、この部分に対応する
信号の領域（以下、ＯＢ領領域略記す。）を黒レベルの
基準°レベルとしている。

上記のようにこのＯ８領域に対しても相互干渉によりＣ
ＯＤ駆動信号が漏洩づる結果、黒レベルの不安定要因と
なる。

第５図ないし第８図において、−殻内な回路を説明づる
。

第５図に示すように内視鏡装置１１は、撮像手段が組込
まれた電子スコープ１２と、この電子スコープ１２に照
明光を供給する光源部１３、電子スコープ１２でｌ１ｉ
ｌ像された信号を表示装置に表示できる映像信号に変換
する信号処理部１４を収納する制御装置１６とからなる
。

上記電子スコープ１２は体腔内に挿入し易いように細長
の挿入部１７が形成され、この挿入部１７の先端面側に
対物レンズ１８とＣＣＤ１９とを配置して撮像手段が組
込まれている。なお、ＣＣＤ１９の踊像面には例えば赤
（Ｒ）、緑（Ｇ）。

青（Ｂ）の各色光を透過するフィルタがモザイク状に設
けられたカラーモザイクフィルタ２０が貼設されている
。

また、上記挿入部１７内には照明光を伝送するライトガ
イド２１が挿通され、光源部１３から供給された照明光
を伝送して先端面から出射し、この出射された照明光は
配光レンズ２２で拡間されて被写体側を照明する。

前記ライトガイド２１の手元側端面には照明光を供給す
る光源部１３が設けられており、この光源部１３は光源
ランプ２３と、この光源ランプ２３から出射された白色
光を集光する集光レンズ２４とを備えている。

前記照明光で照明された被写体は対物レンズ１８でＣＣ
Ｄ１９の鴎像面に結像され、カラーモザイクフィルタ２
０によって色分離される。この被写体像はＣＯＤドライ
ブ回路２６からの転送、読み出しを行うための駆動パル
スの印加によって光電変換された信号が読み出される。

ＣＣＤ１９の出力信号は、信号処理部１４を形成するダ
ブルサンプリング回路２７に入力される。

このダブルサンプリング回路２７はＣＯＤ出力信号に含
まれる１／ｆおよびリセットノイズを除去するためにダ
ブルサンプリングを行い、Ｓ／Ｎを改善した信号にする
。この信号はオプティカルブラッククランプ回路（以下
、ＯＢツクラン回路と略記す。）２８に入力される。こ
のＯＢクランプ回路２８では、ＣＣＤ１９の暗電流の増
減による黒レベル変動を防ぐために入力信号のオプティ
カルブラック期間（以下Ｏ８期間と略記す。）をクラン
プパルス、サンプリングパルス発生回路３２より発生さ
れるＯＢ期間クランプパルスによって直流クランプする
ようになっている。このＯＢクランプ回路２８の出力信
号はクリーニング回路２９に入力され、ＯＢ明期間Ｈブ
ランキング期間がクリーニングされる。

第６図において、０８クランプ回路２８とクリーニング
回路２９の動作を説明する。

第６図（ｂ）はダブルサンプリング回路２７の出力波形
であって、映像信号期間１０１とＯ８期間１０２とＨブ
ランキング期間１０３とからなる。

電位１０４はＯＢ期間１０２の電位である。このレベル
がＣＣＤ１９の暗電流で決定されるレベルであり、また
、黒レベルでもある。このＯＢ期間１０２を第６図（ａ
）に示すＯＢクランプパルスによってクランプして暗電
流を除去し、黒レベルを安定させる。

前記クリーニング回路２９では、クランプパルス、サン
プリングパルス発生回路３２より発生された第６図（ｅ
）に示されるようなりリーニングパルスによってＯＢ期
間１０２とＣＣＤ１９の構造上、パルス性のノイズ１０
６が重畳されている１］ブランキング期間１０３とがク
リーニングされる。

前記クリーニング回路２９の具体的な動作はＯＢ期間１
０２がクランプされる電位１０４にＨブランキング期間
１０３をアナログゲート等で切換えることによって行な
われる。ＯＢクランプ回路２８とクリーニング回路２９
の具体例を第７図に示す。

ＯＢクランプ回路２８はクランプ用の結合コンデンサ３
３とアナログスイッチとで構成されている。このＯＢク
ランプ回路２８はＯＢ期間１０２内でアナログスイッチ
がオンとなることによりクランプ電位３４に直流クラン
プされて電位１０４となる。クリーニング回路２９も同
様にアナログスイッチで構成されており、クリーニング
パルス期間１０７においてクランプ電位３４側に切換え
、その結果電位はＯＢクランプ電位１０４と同電位とな
り、更にＯＢクランプ電位１０４にはノイズがないため
に、Ｈブランキング期間１０３に重畳されたノイズは第
６図（ｄ）に示すように完全に除去される。

前記クリーニング回路２９の出力は自動利１９制御回路
３７に入力され、自動利得制御回路３７の出力はγ補正
回路３８に入力される。γ補正回路３８はＣＣＤ１９の
出力映像信号のγ特性γ＝１をγ＝０．４５に変換する
ものであり、このγ補正回路３８の出力はローパスフィ
ルタ（ＬＰＦ）３９に入力されて色搬送波が除去されて
輝度信号Ｙが抽出されて混合器４１に入力される。

前記γ補正回路３８の出力は分岐されて、クランプ回路
４４．４６で、クランプパルス、サンプリングパルス発
生回路３２によって発生された第６図（（Ｊ）に示すよ
うなＨブランキングクランプパルスによってＨブランキ
ング期間が直流クランプされてサンプルホールド回路４
２．４３に入力される。サンプルホールド回路４２．４
３ではクランプパルス、サンプリングパルス発生回路３
２より発生されたサンプリングパルスが各々入力されて
色搬送波信号からＲ，Ｂ色信号が分離抽出され、ＬＰＦ
４７．４８を経て同時化回路４９で同時化される。

第８図において同時化回路４９の動作を説明する。

第８図（ａ）はＬＰＦ４７の出力であるＲ色信号出力の
タイミングであり、同図（ｂ）はＬＰＦ４８の出力であ
るＢ色信号出力のタイミングである。このＲ色信号とＢ
色信号は１１」毎に抽出され、同時化回路４９に入力さ
れる。同時化回路４つは１ト（遅延回路を有しており、
Ｒ，Ｂ色信号を１Ｈ遅延してＲ，Ｂ色信号が欠落づる部
分く図中破線で示される。）を補完し、第８図（Ｃ）お
よび（ｄ）のように同時化信号を１ｑる。

同時化されたＲ、Ｂ色信号は減騨器５１．５２に入力さ
れ、前記ＬＰＦ３９より出力された輝度信号Ｙによって
色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙが生成されてカラーエンコーダ
回路５３に入力される。カラーエンコーダ回路５３では
色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙよりクロマ信号が生成されて前
記混合器４１に入力される。この混合器４１では輝度信
号Ｙにクロマ信号が重畳されてコンポジット信号として
図示しないモニタに出力される。

上記のような自動利得制御回路３７の入力側にＯＢクラ
ンプ回路２８とクリーニング回路２９とを設けただけの
回路では前記干渉による黒バランスのずれが無視できな
い。その理由は、第７図で説明したようにＯＢｉ＋ｌ１
間１０２にノイズ（残留搬送波）が存在すると第７図の
分岐点３０の電圧値が変動してしまいしまいクランプ電
位３４と等しくならない問題が発生する。

また、第５図にて説明した色差信号発生部では前記変動
によって信号の直流レベルが変動したり、サンプリング
回路４２．４３の入力信号のＯＢ期間に残留搬送波が存
在すると、色差信号の黒バランスが八ＧＣ３７の利得変
化時に変動してしまう要因となる。

一般にＯＢ期間１０２はＣＣＤ１９の画素を遮光して得
るが、この遮光する画素数は必要最小限としており、Ｃ
ＣＤ１９も水平方向画素の内、十数画素がＯＢ検出用画
素として割当てられ、そのＯＢ期間１０２の時間は２μ
ｓ程度である。ＯＢクランプパルスはパルス幅１μｓ程
度であり、パルス幅が狭いためにクランプ回路の能動周
波数の高帯域化が必要となる。クリーニングする目的は
クランプパルスのパルス幅をできるだけ広くし、簡単な
回路で確実なりランプを可能とするためにクランプ期間
を広げ、例えば１μｓ以上のクランプパルスによりクラ
ンプを可能としている。しかし前記のようにＯＢ期間１
０２にノイズ等が重畳されるような回路では上記のよう
に黒レベルが不安定であるという問題がある。

なお、特開昭６２−２３６２７４号公報では無人射光時
のビデオアンプの出力に第３のゲイン時に動作状態とな
る黒レベル修正手段を設けた技術が開示されているが無
段階に変化づるゲインに対する修正については述べられ
ていなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたしのであり、安定
した黒レベルを（９ることのできる制御回路を有する固
体Ｒ像装置を提供することを目的とする。

［課題を解決づるための手段］ 本発明の固体陽像装置は、信号処理装置に設けられ、固
体撮像索子の光電変換出力をうけ、可変利１９制御する
利得調整手段と、利得調整手段の後段に設けられ、固体
撮像素子の出力信号に含まれるオプティカルブラック部
を直流クランプして、映像信号の黒レベルの安定化を行
う直流クランプ手段とを備えたものである。

［作用］ 本発明では、固体撮像索子からの信号の出力レベルは利
得調整手段によって調整される。この出力レベルの調整
された信号は、直流クランプ手段によって信号のオプテ
ィカルブラック部が直流クランプされる。

［実施例］ 以下、本発明の実流例を図面を参照して説明する。

第１図ないし第４図は本発明の一実施例に係り、第１図
は固体１ＩＩＩｌ装置の構成を説明するブＬ１ツク図、
第２図はサンプルホールド回路の動作説明用タイミング
チャート部、第３図は０３９９２７回路の回路図、第４
図は他のＯＢクランプ回路図である。

第１図において、ＣＣＤ１９の出力信号は、信号処理部
１４を形成するダブルサンプリング回路２７に入力され
る。このダブルサンプリング回路２７はＣＯＤ出力信号
に含まれる１／ｆおよびすセットノイズを除去するため
にダブルサンプリングを行い、Ｓ／Ｎを改善、した信号
にする。この信号は暗電流除去手段としてのＯＢクラン
プ回路２８に入力される。ＯＢクランプ回路２８では、
クランプ発生回路５９の発生するクランプパルスによっ
てＯＢ期間１０２を直流クラ°ンブされ、クリーニング
回路Ａ２９に入力され、ＯＢ期間１０２と映像信号期間
１０１を除いた期間部分１０３を第６図（Ｃ）に示すよ
うにクリーニングパルスＡによってクリーニングする。

ＯＢ期間１０２を除外する理由は後段の利得制御アンプ
３７，５６゜５７の出力のＯＢ期間１０２を再びクラン
プするためでクリーニング回路Ａ２９の出力波形は第６
図（ｈ）に示すように、映像期間１０１とＯＢ期間１０
２は発生する誤差電圧及び残留キャリアに相関があるた
めこの相関を利用して、輝度系、色差信号系に必要な各
処理と、利得ｆｉｌｌ　ｔ１１＋を施した後、再びＯＢ
クランプすることによって輝度系、色差信号系にそれぞ
れ発生する変動誤差を除去できる。

クリーニング回路Ａ２９の出力は、利得制御回路３７を
経てγ補正回路３８に入力される。γ補正回路３８の出
力はＬＰＦ３９とクランプ回路３１゜３１８とに分岐さ
れて入力され、サンプルホールド回路４２．４３に各々
入力される。クランプ回路３１，３１８は第６図（ｆ）
に示すクランプパルス八にて直流クランプされる。前記
γ補正回路３８の出力をサンプルホールド回路４２．４
３に直流結合する場合は、クリーニング回路Ａ２９及び
クランプ回路３１．３１ａは必要ない。サンプルホール
ド回路４２．４３ではサンプリングパルスが入力される
ことにより色搬送波信号からＲ１Ｂ１Ｂ号が分離抽出さ
れる。

第２図（ａ）はＣＣＤ１９の出力例テアリ、Ｒ２Ｏ，Ｒ
，Ｇ・・・のラインとＢ、Ｇ、Ｂ、Ｇ・・・のラインが
交互に設けられたカラーモザイクフィルり２０が撮像面
に貼設されたＣＣＤ１９の場合には、例えばｎ番目のラ
インではＲ，Ｇ、Ｒ，Ｇ・・・というふうに交互に色情
報が得られ、この色情報信号を第２図（ｂ）のようなＲ
用サンプリングパルスおよび同図（Ｃ）のようなＧ用サ
ンプリングパルスにより各々サンプリングホールドし、
サンプルホールドされた色信号の差動をとることによっ
てＲ−Ｇ信号が得られる。次のｎ＋１番目のラインでは
同様にＢ−Ｇ信号が得られる。

このようなサンプリングによる方法の他に、バンドパス
フィルタ（ＢＰＦ）によって色搬送波を抽出し、それを
検波することによって色差信号を得る方法も考えられる
。

前記サンプルホールド回路４２の出力にはＲ−Ｇ信号が
、サンプルホールド回路４３の出力にはＢ−Ｇ信号がそ
れぞれ得られる。このサンプルホールド回路４２．４３
の出力は利得制御アンプ（以下、ＯＣＡと略記す。）５
６．５７により電圧増幅されてＬＰＦ４７．４Ｂを経て
ＯＢクランプ回路２８ｂ、２８Ｇに入力され、ＯＢ期間
１０２がり）ンブされる。０ＣＡ５６．５７は適正なホ
ワイトバランスを取るために設けられており、被写体の
色温度が変化しても減停器５１．５２の出力である色差
信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−ＹがＲ−Ｙ＝０およびＢ−Ｙ＝０とな
るようにＧＣＡ５６．５７の増幅利得を可変抵抗器Ｒ１
、Ｒ２によって各々最適に可変される。

ここで、ＧＣＡ５６．５７の各々の利得はＣＣＤ１９の
分光特性あるいは被写体への光源色温瓜によっては両者
の利得は２倍以上異なる。例えば、第１図の０８クラン
プ回路２８ｂ、２８Ｇにおいて、ＯＢ期間１０２にノイ
ズまたは残留色搬送波が重畳されＯＢ期間１０２のクラ
ンプ電位に誤差が生じるとこの誤差電圧がＧＣＡ５６．
５７によってそのまま増幅されてしまう。この誤差電圧
が黒バランスの不安定要因となるために、前記０８９９
２１回路２８ｂ、２８ｃでＯＢ期間１０２をクランプす
る。

前記０８９９２１回路２８ｂ、２８ｃは、例えば第３図
のようにオペアンプ５８の反転入力端子にＯＢクロック
パルスによってオン、オフするアナログスイッチ６０を
介して信号を入力し、非反転入力にＯＢクランプ電位３
４を入力するようにしたフィードバッククランプとして
もよいし、第４図のようにＬＣの発成回路を構成して共
振周波数を残留キャリアの繰返し周波数にするようにし
てもよい。

前記０８９９２１回路２１３ｂ、２８Ｇの出力はクリー
ニング回路２９ｂ、２９ｃに入力される。

このクリーニング回路２９ｂ、２９Ｃはカラ−エンコー
ダ５３内部で色差信号をト１ブランキング期間１０３で
再度直流クランプする場合、Ｈブランキング期間１０３
をクランプするためのクランプパルス位相とＯＢ期間１
０２のタイミングが一致していないためにクリーニング
回路２９ｂ、２９ＣでクランプＩｒＪＪ間を作るために
段Ｃノられている。

前記γ補正回路３８の出力はＬＰＦ３９にも出力され、
このＬＰＦ３９で色搬送波が除去されてｒ４度信号Ｙが
抽出され、ＯＢクランプ回路２８ａで直流クランプされ
、更にクリーニング回路２９ａでクリーニングされてｕ
金品４１に入力される。

この混合器４１には前記カラーエンコーダ５３で生成さ
れたクロマ信号が入力され、輝度信号Ｙにクロマ信号が
重畳されてコンポジット信号が出力される。また、カラ
ーエンコーダ５３からはＲｌＧ、Ｂの３原色信号も出力
される。

本実滴例において、ＯＢクランプ回路２８ａ。

２８ｂ、２８ｃを利１９制御アンプ３７．５６．５７の
後段に設けることによって利得制御アンプ３７．５６．
５７によって生じる誤差電圧を吸収づることができ輝度
信号及び色差信号の黒バランスを安定化させることがで
きる。

以上の説明は照明光を供給する照明手段を有する内視鏡
装置について述べたが、照明手段を持たない一般の固体
撮像装置についても有効である。

［発明の効果Ｊ 以−Ｌ述べたように本発明によれば、０８９９２１回路
を利得制御アンプの後段に設けたために利１！７制御の
際に発生する不安定要因を吸収することができ、安定し
た黒レベルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例に係り、第１図
は固体撮像装置の構成を説明するブロック図、第２図は
サンプルホールド回路の動作説明用タイミングチャート
部、第３図は０８９９２１回路の回路図、第４図は他の
ＯＢクランプ回路図、第５図ないし第９図は従来の固体
＠像装置に係り、第５図は固体撮像装置の構成を説明す
るブロック図、第６図はオプティカルブラッククランプ
回路とクリーニング回路の動作説明用タイミングチャー
ト図、第７図はクリーニング回路を示すブロック図、第
８図は同時化回路の動作説明図、第９図は内視鏡の概略
の構成図である。 １１・・・内視鏡装置　　　１２・・・電子スコープ２
８ｂ、２８ｃ・・・オプチカルブラッククランプ回路 ５６．５７・・・利得制御アンプ 第２図 １懸 第３図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 固体撮像素子を備えた撮像部と、前記撮像部と接続され
   、前記固体撮像素子によつて得られた画像信号を信号処
   理して映像信号を出力する信号処理装置とからなる固体
   撮像装置において、 前記信号処理装置に設けられ、前記固体撮像素子の光電
   変換出力を受け、可変利得制御する利得調整手段と、 前記利得調整手段の後段に設けられ、固体撮像素子の出
   力信号に含まれるオプティカルブラック部を直流クラン
   プして、前記映像信号の黒レベルの安定化を行う直流ク
   ランプ手段と、 を具備することを特徴とする固体撮像装置。