JPH0937156A - 固体撮像装置およびこれを搭載したビデオカメラ、並びに固体撮像素子の信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の広ダイナミックレンジＣＣＤ固体撮像
装置では、垂直転送レジスタのパケット数を増加させな
いと、スミアを抑圧することができなかった。 【解決手段】 感度の異なる２種の画像信号、即ち高感
度信号ＶOHと低感度信号ＶOLを出力するＣＣＤ固体撮像
素子１０を用い、その出力信号を処理する信号処理回路
１１において、高感度信号ＶOHの非飽和領域では高感度
信号ＶOHから低感度信号ＶOLを減算回路１５で減算し、
この減算した信号を選択回路１８で選択して映像信号と
して出力する一方、高感度信号ＶOHの飽和領域では演算
回路１６でオフセットが与えられた低感度信号ＶOLを選
択回路１８で選択して映像信号として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体撮像装置およ
びこれを搭載したビデオカメラ、並びに固体撮像素子の
信号処理方法に関し、特に感度の異なる２種の画像信号
を出力する固体撮像素子を用いた固体撮像装置およびこ
れを搭載したビデオカメラ、並びにその固体撮像素子の
信号処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体撮像装置では、各センサ部で光電変
換されかつ蓄積された信号電荷がセンサ部から溢れた後
は信号出力が一定となるため、それ以上の入射光量に対
応する信号出力が得られなく、したがって光入力に対す
るダイナミックレンジが狭い。このダイナミックレンジ
を拡大するために、従来、図２の模式図に示すように、
感度の異なる２種の画像信号、即ち高感度信号と低感度
信号を得ることが可能なＣＣＤ(Charge Coupled Devic
e) 固体撮像素子１０を用い、この高感度信号と低感度
信号とをセンサ部からＣＣＤ垂直転送レジスタ２に読み
出し、これをＣＣＤ垂直転送レジスタ２およびＣＣＤ水
平転送レジスタ３にて転送し、電荷検出部４にて電気信
号に変換して出力する構成のものが知られている。

【０００３】ここで、感度の異なる２種の画像信号を画
素から得る方法としては、センサ部を例えばフォトダイ
オードを用いて構成した場合に、感度の異なる２種類の
フォトダイオードを配置する方法と、フォトダイオード
の蓄積時間を変える方法とがある。ただし、図２の模式
図では、画素構成については図示していない。また、高
感度信号および低感度信号の各信号電荷を大きさの異な
る円で模式的に表している。このように、感度の異なる
２種の画像信号をＣＣＤ垂直転送レジスタ２に読み出す
ことで、ＣＣＤ垂直転送レジスタ２のパケットには高感
度信号と低感度信号が交互に蓄積され、その状態で順に
ＣＣＤ水平転送レジスタ３に転送され、電荷検出部４を
通して出力される。その出力信号としては、図５
（ａ），（ｂ）に示すように、光量に対して感度の異な
る映像信号、即ち高感度信号ＶOHと低感度信号ＶOLとが
得られる。

【０００４】そして、高感度信号ＶOHが飽和しないよう
な小光量では映像信号を高感度信号ＶOHから生成し、高
感度信号ＶOHが飽和してしまうような大光量では映像信
号を低感度信号ＶOLを基にして生成すると、図５（ｃ）
に示すように、光量に対して折れ線近時の特性ＶD が得
られる。その結果、光入力に対するダイナミックレンジ
が拡大することになる。例えば、高感度信号ＶOHと低感
度信号ＶOLの感度の比が１：α（α＜１）であるとし、
所定のスレッショールドレベルＶTHで変化させるとする
と、

【数１】 で実現される。

【０００５】上述したように、感度の異なる２種の画像
信号を得ることが可能なＣＣＤ固体撮像素子１０を用
い、小光量入力時には高感度信号ＶOHから映像信号を生
成し、大光量入力時には低感度信号ＶOLに基づいて映像
信号を生成することで、広ダイナミックレンジＣＣＤ固
体撮像装置を実現できるのである。しかしながら、この
広ダイナミックレンジＣＣＤ固体撮像装置は、通常のＣ
ＣＤ固体撮像装置と同様に、スミアが発生するという問
題がある。このスミア成分は、ＣＣＤ垂直転送レジスタ
２に直接に光が混入したり、半導体基板内部で発生した
信号電荷が拡散により広がってＣＣＤ垂直転送レジスタ
２に混入すること等によって発生するものであり、再生
画像の画質劣化の一因となる。

【０００６】一方、従来より、スミアを抑圧する方法と
して、次の如き手法が知られている（特開平３−３０３
３８号公報参照）。すなわち、ＣＣＤ垂直転送レジスタ
２のパケット数を転送すべき信号群の２倍に設定し、図
６に示すように、ＣＣＤ垂直転送レジスタ２で転送する
信号用のパケットの間にスミア検出用の空パケットを設
定し、空のパケットに入ってくるスミア信号を画像信号
から減算することで、スミアを低減するというものであ
る。

【０００７】このスミア低減方法を、前述の広ダイナミ
ックレンジＣＣＤ固体撮像装置に組み合わせて用いる
と、ＣＣＤ垂直転送レジスタ２の転送電荷は、図７に示
すようになる。すなわち、高感度信号ＶOH、あるいは低
感度信号ＶOLに含まれるスミア電荷と、それの信号とＣ
ＣＤ垂直転送レジスタ２内で隣接するスミア検出用パケ
ットのスミア電荷はほぼ等しくなるため、（高感度信
号）−（隣接するスミア検出用パケットの信号）、（低
感度信号）−（隣接するスミア検出用パケットの信号）
を演算することで、高感度信号と低感度信号からスミア
を除去でき、高ダイナミックレンジと低スミアを両立さ
せることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たスミア低減方法を組み合わせた上記構成の広ダイナミ
ックレンジＣＣＤ固体撮像装置では、高感度信号用パケ
ットと低感度信号用パケットの各々に対してスミア検出
用パケットを配する構成となっているため、図７から明
らかなように、パケットを２倍必要とするという問題が
あった。また、パケットの密度を高くすることは、ＣＣ
Ｄ垂直転送レジスタの取扱い電荷量を著しく低下させて
しまうことを意味する。

【０００９】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、垂直転送レジスタの
パケット数を増加させることなく、スミアを抑圧するこ
とが可能な固体撮像装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による固体撮像装
置は、感度の異なる２種の画像信号を出力する固体撮像
素子と、この２種の画像信号のうちの高感度信号の非飽
和領域では高感度信号から低感度信号を減算して得られ
る信号を映像信号として出力する信号処理回路とを具備
する構成となっている。

【００１１】上記構成の固体撮像装置において、信号処
理回路は、固体撮像素子から出力される感度の異なる２
種の画像信号のうちの高感度信号の非飽和領域では、高
感度信号から低感度信号を減算する。この高感度信号と
低感度信号はスミアによってほぼ同一のオフセットを受
けているので、高感度信号から低感度信号を減算するこ
とで、感度が若干低下するものの、両信号に含まれるス
ミア成分が相殺され、スミアが除去される。したがっ
て、信号処理回路からは、スミアが除去された高感度信
号が映像信号として出力される。

【００１２】本発明によるビデオカメラは、感度の異な
る２種の画像信号を出力する固体撮像素子と、この２種
の画像信号のうちの高感度信号の非飽和領域では高感度
信号から低感度信号を減算して得られる信号を映像信号
として出力する信号処理回路と、固体撮像素子のイメー
ジ部に対して入射光を導く光学系とを具備する構成とな
っている。

【００１３】上記構成のビデオカメラにおいて、光学系
は、被写体からの光を固体撮像素子のイメージ部に導
く。すると、固体撮像素子は、その入射光に応じて感度
の異なる２種の画像信号を出力する。そして、信号処理
回路は、この２種の画像信号のうちの高感度信号の非飽
和領域では、高感度信号から低感度信号を減算すること
で両信号に含まれるスミア成分を相殺し、このスミアの
除去された信号を映像信号として出力する。

【００１４】本発明による信号処理方法は、感度の異な
る２種の画像信号を出力する固体撮像素子において、２
種の画像信号のうちの高感度信号から低感度信号を減算
処理するとともに、高感度信号の飽和領域／非飽和領域
を弁別し、高感度信号の非飽和領域では減算処理によっ
て得られる信号を映像信号として出力する。

【００１５】この信号処理方法において、固体撮像素子
から出力される感度の異なる２種の画像信号のうちの高
感度信号の非飽和領域では、高感度信号から低感度信号
を減算する。この高感度信号と低感度信号はスミアによ
ってほぼ同一のオフセットを受けているので、高感度信
号から低感度信号を減算することで、感度が若干低下す
るものの、両信号に含まれるスミア成分が相殺され、ス
ミアが除去される。そして、このスミアの除去された高
感度信号を映像信号とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本発明に
係る広ダイナミックレンジＣＣＤ固体撮像装置の一実施
形態を示す構成図である。図１において、入射光をその
光量に応じた電荷量の信号電荷に変換して蓄積するフォ
トダイオード等からなる複数のセンサ部（画素）１が２
次元配列されて設けられている。これらセンサ部１に対
し、その垂直列ごとにＣＣＤ垂直転送レジスタ２が配さ
れている。このＣＣＤ垂直転送レジスタ２は、各センサ
部１から画素単位で読み出された信号電荷を水平ブラン
キング期間の一部にて１画素分ずつ順にシフトしつつ垂
直転送する。

【００１７】ＣＣＤ垂直転送レジスタ２によって垂直転
送された信号電荷は、１ライン分ずつ順にＣＣＤ水平転
送レジスタ３に移される。ＣＣＤ水平転送レジスタ３
は、この１ライン分の信号電荷を水平ブランキング期間
後の水平走査期間において順次水平転送する。ＣＣＤ水
平転送レジスタ３の転送先側の端部には、例えばフロー
ティング・ディフュージョン・アンプ（ＦＤＡ;Floatin
g Diffusion Amplifier)構成の電荷検出部４が設けられ
ている。この電荷検出部４は、ＣＣＤ水平転送レジスタ
３にて水平転送された信号電荷を検出して信号電圧に変
換する。この信号電圧は、ソースフォロワ回路等からな
る出力回路５を経た後、出力端子６を介してＣＣＤ出力
信号として導出される。以上により、ＣＣＤ固体撮像素
子１０が構成されている。

【００１８】上記構成のＣＣＤ固体撮像素子１０におい
ては、ＣＣＤ出力信号として、感度の異なる２種の画像
信号、即ち高感度信号と低感度信号とが出力されるよう
になっている。このように、感度の異なる２種の画像信
号を得る方法としては、センサ部１を例えばフォトダイ
オードを用いて構成した場合には、感度の異なる２種類
のフォトダイオードを配置する方法と、フォトダイオー
ドの蓄積時間を変える方法とがある。その具体的な構成
の説明については、本願発明の要旨とは直接関係ないの
で、ここでは省略する。

【００１９】これにより、ＣＣＤ垂直転送レジスタ２の
パケットには、図２の模式図に示すように、高感度信号
と低感度信号とが交互に蓄積される。なお、ＣＣＤ垂直
転送レジスタ２の各パケットは同じ大きさであるが、図
２の模式図には、高感度信号を大きな円で、低感度信号
を小さな円で模式的に表している。この高感度信号と低
感度信号とがＣＣＤ垂直転送レジスタ２からＣＣＤ水平
転送レジスタ３へライン単位で順に移され、さらにＣＣ
Ｄ水平転送レジスタ３で水平方向に順次転送され、かつ
電荷検出部４で信号電圧に変換された後、出力回路５を
経て出力端子６からＣＣＤ出力信号として出力される。
このＣＣＤ出力信号は、以下に説明する信号処理回路１
１で信号処理される。

【００２０】この信号処理回路１１は、ＣＣＤ出力信号
に対して雑音抑圧処理を施すＣＤＳ（相関二重サンプリ
ング）回路１２と、このＣＤＳ回路１２の出力信号をデ
ィジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ１３と、この
Ａ／Ｄコンバータ１３を介してライン単位で交互に供給
される高感度信号ＶOHと低感度信号ＶOLとを同時化する
同時化回路としてのメモリ１４と、同時化された高感度
信号ＶOHから低感度信号ＶOLを減算する減算回路１５
と、低感度信号ＶOLにオフセットを付けるための演算処
理を行う演算回路１６と、高感度信号ＶOHをあるスレッ
ショールドレベルＶTHと比較する比較回路１７と、この
比較回路１７の比較結果に基づいて減算回路１５および
演算回路１６の各出力信号の一方を選択して映像信号と
して出力する選択回路１８とから構成されている。

【００２１】上記構成の信号処理回路１１において、メ
モリ１４は、１ラインごとに交互に供給される高感度信
号ＶOHおよび低感度信号ＶOLに対し、先に供給される例
えば高感度信号ＶOHを１ライン相当の時間だけ遅延する
ことによって高感度信号ＶOHと低感度信号ＶOLとを同時
化する。ここで、高感度信号ＶOHにおいて、画像成分を
Ｖsig 、スミア成分をＶsHとすると、高感度信号ＶOH
は、

【数２】ＶOH＝Ｖsig ＋ＶsH となる。ただし、画像成分をＶsig は、画素の取扱い電
荷量で制限されるため、飽和信号（取扱い電荷量の限
度）電圧をＶOFとすると、Ｖsig ≦ＶOFである。

【００２２】また、低感度信号ＶOLにおいて、画像成分
をα・Ｖsig 、スミア成分をＶsLとすると、低感度信号
ＶOLは、

【数３】ＶOL＝α・Ｖsig ＋ＶsL となる。ここに、αは感度比を表わすものであり、α＜
１である。また、図２の模式図において、高感度信号Ｖ
OHのパケットとそれに隣接する低感度信号ＶOLのパケッ
トに発生するスミア電荷はほぼ同量であり、よってＶsH
≒ＶsLである。

【００２３】次に、メモリ１４で同時化した後、高感度
信号ＶOHと低感度信号ＶOLに２種の演算を施す。まず第
１には、減算回路１５において、数４の式の演算処理、
即ち高感度信号ＶOHから低感度信号ＶOLを減算する処理
を行う。

【数４】 ＶOH−ＶOL＝（１−α）Ｖsig ＋（ＶsH−ＶsL） ≒（１−α）Ｖsig この減算処理は、スミアを除去した映像信号を得るため
の処理である。

【００２４】第２には、演算回路１６において、数５の
式の演算処理、即ち低感度信号ＶOLにオフセット（１−
２α）ＶTHを付ける処理を行う。

【数５】 ＶOL＋（１−２α）ＶTH＝（αＶsig ＋ＶsL）−（１−２α）ＶTH ＝α（Ｖsig −ＶTH）＋（１−α）ＶTH＋ＶsL この演算処理は、スミア成分ＶsLが無視できるほど小さ
い場合に、スレッショールドレベルＶTHを境に、数４の
式から求まる信号と数５の式から求まる信号とを滑らか
に接続するための処理である。

【００２５】また、比較回路１７においては、高感度信
号ＶOHの信号レベルを飽和信号電圧ＶOFよりも低い所定
のスレッショールドレベルＶTHと比較することによって
高感度信号ＶOHの飽和領域／非飽和領域の弁別を行い、
その弁別結果に応じて選択回路１８を制御する制御信号
を発生する。選択回路１８は、この制御信号に基づい
て、ＶOH＜ＶTHならば減算回路１５の出力信号を、ＶOH
≧ＶTHならば演算回路１６の出力信号をそれぞれ映像信
号として出力する。

【００２６】図３に、スミアを考慮したときの光量対信
号の特性図を示す。同図において、（ａ）は高感度信号
ＶOHを、（ｂ）は低感度信号ＶOLを、（ｃ）は合成後の
信号をそれぞれ示し、また破線がスミアのない場合の信
号を、実線がスミアを含む場合の信号をそれぞれ示して
いる。図３（ａ）の高感度信号ＶOHとそれにＣＣＤ垂直
転送レジスタ２内で隣接するパケットから得られた図３
（ｂ）の低感度信号ＶOLは、スミアによりほぼ同一のオ
フセットを受けている。

【００２７】したがって、高感度信号ＶOHが飽和しない
領域（ＶOH＜ＶOF）においては、減算回路１５で高感度
信号ＶOHから低感度信号ＶOLを減算して得られる信号を
映像信号として出力することで、減算処理をしない場合
の高感度信号ＶOHに比較して（１−α）倍だけ感度が低
下するものの、図３（ｃ）に示すように、スミアが除去
された映像信号が得られる。これにより、比較的暗い部
分（ＶOH＜ＶOF）のスミアについては良好に除去でき
る。

【００２８】一方、高感度信号ＶOHが飽和する領域（Ｖ
OH≧ＶOF）においては、低感度信号ＶOLにオフセット
（１−２α）ＶTHを付けてそのまま映像信号としている
だけであるため、広ダイナミックレンジを確保できるも
のの、十分に明るい部分（ＶOH≧ＶOF）のスミアについ
ては、図３（ｃ）から明らかなように除去できない。し
かしながら、画像の中でスミアが顕著に目立つのは暗い
部分の画像においてであるため、十分に明るい部分のス
ミアを除去できなくても実用上支障はなく、スミアに関
しては比較的暗い部分のスミアを除去できるだけでも十
分な効果が得られる。

【００２９】上述したように、ＣＣＤ出力信号として感
度の異なる２種の画像信号、即ち高感度信号ＶOHと低感
度信号ＶOLとを出力するＣＣＤ固体撮像素子１０の信号
処理において、高感度信号ＶOHから低感度信号ＶOLを減
算する処理を行うとともに、高感度信号ＶOHの信号レベ
ルに基づいて高感度信号ＶOHの飽和領域／非飽和領域を
弁別し、高感度信号ＶOHの非飽和領域では減算処理によ
る減算信号を映像信号として出力することで、図７に示
した従来技術のように、ＣＣＤ垂直転送レジスタ２のパ
ケット数を増やさなくても、スミアを抑圧できる。

【００３０】図４は、本発明に係るＣＣＤ固体撮像装置
を搭載したビデオカメラの一例を示す概略構成図であ
る。この種のビデオカメラにおいて、被写体からの光は
光学レンズ４１によって取り込まれ、光学フィルタ４２
を通してＣＣＤ固体撮像素子１０のイメージ部に入射す
る。このＣＣＤ固体撮像素子１０は、タイミング発生回
路４３で発生される各種のタイミング信号によって駆動
される。そして、ＣＣＤ固体撮像素子１０から出力され
るＣＣＤ出力信号は、信号処理回路１１で雑音抑圧処理
や上記の実施形態に係るスミア抑圧処理などの各種の信
号処理が行われた後、映像信号として導出される構成と
なっている。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による固体
撮像装置によれば、感度の異なる２種の画像信号を出力
する固体撮像素子を用い、この２種の画像信号のうちの
高感度信号の非飽和領域では高感度信号から低感度信号
を減算して得られる信号を映像信号として出力する構成
としたので、垂直転送レジスタのパケット数を増やさな
くても、スミアを良好に抑圧することが可能となる。

【００３２】また、本発明によるビデオカメラによれ
ば、感度の異なる２種の画像信号を出力する固体撮像素
子と、２種の画像信号のうちの高感度信号の非飽和領域
では高感度信号から低感度信号を減算して得られる信号
を映像信号として出力する信号処理回路とを搭載したの
で、スミアが良好に抑圧された映像信号を得ることが可
能となる。

【００３３】さらに、本発明による信号処理方法によれ
ば、固体撮像素子から出力される感度の異なる２種の画
像信号のうちの高感度信号から低感度信号を減算処理す
るとともに、高感度信号の飽和領域／非飽和領域を弁別
し、高感度信号の非飽和領域では減算処理によって得ら
れる信号を映像信号として出力するようにしたので、両
信号に含まれるスミア成分を相殺し、スミアの抑圧され
た映像信号を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す構成図である。

【図２】一実施形態に係る模式図である。

【図３】本発明に係る光量対信号の特性図である。

【図４】本発明に係るビデオカメラの概略構成図であ
る。

【図５】従来例に係る光量対信号の特性図である。

【図６】一従来例（スミア低減構造）に係る模式図であ
る。

【図７】他の従来例（スミア低減構造＆広ダイナミック
レンジ構造）に係る模式図である。

【符号の説明】

１ センサ部 ２ ＣＣＤ垂直転送レジスタ ３ ＣＣＤ水平転送レジスタ ４ 電荷検出部 １０ ＣＣＤ固体撮像素子 １１ 信号処理回路 １４ メモリ １５ 減算回路 １６ 演算回路 １７ 比較回路 １８ 選択回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 感度の異なる２種の画像信号を出力する
   固体撮像素子と、 前記２種の画像信号のうちの高感度信号の非飽和領域で
   は高感度信号から低感度信号を減算して得られる信号を
   映像信号として出力する信号処理回路とを具備すること
   を特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記信号処理回路は、高感度信号の飽和
   領域では低感度信号を映像信号として出力することを特
   徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
3. 【請求項３】 前記信号処理回路は、高感度信号と低感
   度信号とを同時化する同時化回路と、前記同時化回路で
   同時化された高感度信号と低感度信号とを減算する減算
   回路と、高感度信号の非飽和領域では前記減算回路の減
   算信号を、飽和領域では低感度信号をそれぞれ選択して
   映像信号として出力する選択回路とを有することを特徴
   とする請求項２記載の固体撮像装置。
4. 【請求項４】 感度の異なる２種の画像信号を出力する
   固体撮像素子と、 前記２種の画像信号のうちの高感度信号の非飽和領域で
   は高感度信号から低感度信号を減算して得られる信号を
   映像信号として出力する信号処理回路と、 前記固体撮像素子のイメージ部に対して入射光を導く光
   学系とを具備することを特徴とするビデオカメラ。
5. 【請求項５】 感度の異なる２種の画像信号を出力する
   固体撮像素子の信号処理方法であって、 前記２種の画像信号のうちの高感度信号から低感度信号
   を減算処理するとともに、前記高感度信号の飽和領域／
   非飽和領域を弁別し、 前記高感度信号の非飽和領域では減算処理によって得ら
   れる信号を映像信号として出力することを特徴とする固
   体撮像素子の信号処理方法。