WO2012057277A1 - 撮像装置及びその暗電流補正方法 - Google Patents

撮像装置及びその暗電流補正方法 Download PDF

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河村 典子
善工 古田
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/60Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise
    • H04N25/63Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to dark current

Definitions

  • the present invention relates to an imaging device equipped with a solid-state imaging device and a dark current correction method thereof.
  • each pixel (light-receiving element: photodiode) in the effective pixel region of the solid-state imaging device receives incident light from the subject, and from each pixel in the effective pixel region A captured image signal corresponding to the amount of incident light is output.
  • Each pixel of the solid-state imaging device generates a signal (this is referred to as a dark current) caused by thermally excited electrons even in a light-shielding state where light is not received.
  • the captured image signal output from each pixel in the effective pixel region includes a dark current component, and subject image data corresponding to the amount of received light can be obtained unless the dark current component is subtracted from the captured image signal. Can not.
  • a light-shielded pixel region called an optical black (OB) portion is provided in the periphery of the effective pixel region of the solid-state imaging device, and a signal corresponding to the dark current is output from the pixel of the OB portion.
  • the captured image signal is corrected.
  • the peripheral circuit to be a heat source since the peripheral circuit to be a heat source is manufactured together on the same chip, the amount of heat generated by the peripheral circuit is reflected in the dark current, and the output signal of the OB pixel in the narrow OB portion depends on the drive pattern of the peripheral circuit. It has become difficult to perform highly accurate dark current correction. In other words, the accuracy of dark current correction is influenced by where the peripheral circuit and the drive circuit serving as heat sources are formed on the image sensor chip (that is, the layout of the image sensor chip).
  • An object of the present invention is to provide an imaging apparatus capable of performing highly accurate dark current correction regardless of the layout on the image sensor chip and the drive pattern of the peripheral circuit, and a dark current correction method thereof.
  • An image pickup apparatus detects an image pickup element in which an effective pixel region, an optical black portion, and an image pickup device driving circuit are formed, a pixel signal in the optical black portion, and a pixel signal in the effective pixel region.
  • a signal detector A second signal included in the detection signal of the effective pixel in the effective pixel region based on the first black level detected by the signal detection unit from the pixel of the optical black unit according to the operation pattern of the image sensor driving circuit.
  • Storage means for storing a correction pattern for obtaining a black level in advance; The second black level is obtained from the correction pattern read from the storage means and the first black level according to the operation pattern of the image sensor driving circuit, and the effective pixel is output using the second black level as a clamp level.
  • clamping means for subtracting from the signal level.
  • the dark current correction method of the imaging device of the present invention includes an imaging device in which an effective pixel region, an optical black portion, and an imaging device driving circuit are formed, A signal detection unit for detecting a signal of a pixel in the optical black portion and a signal of a pixel in the effective pixel region; A second signal included in the detection signal of the effective pixel in the effective pixel region based on the first black level detected by the signal detection unit from the pixel of the optical black unit according to the operation pattern of the image sensor driving circuit.
  • a dark current correction method for an imaging apparatus including a storage unit that stores a correction pattern for obtaining a black level in advance,
  • the second black level is obtained from the correction pattern read from the storage means and the first black level according to the operation pattern of the image sensor driving circuit, and the effective pixel is output using the second black level as a clamp level. It is characterized by subtracting from the signal level.
  • the output signal of the effective pixel is clamped even if there is a difference between the dark currents. Since the clamp level is corrected according to the difference in dark current, it is possible to obtain a high-quality subject image without image failure.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for determining a clamp level by performing adjustment of the number of added pixels and gain adjustment in a solid-state imaging device having the operation patterns of FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of correction by adjusting the pixel addition number performed in FIG. 8.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of correction by gain adjustment performed in FIG. 8.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of a digital camera according to an embodiment of the present invention.
  • the digital camera 10 according to the present embodiment has a function of capturing a still image or a moving image of a subject and digitally processing a captured image signal in the camera 10.
  • the digital camera 10 is placed on the back of the photographic lens 20 and the photographic lens 20 and connected therewith.
  • a solid-state imaging device 21 arranged on the image plane and an analog signal processing unit 22 that performs analog processing such as automatic gain adjustment (AGC) and correlated double sampling processing on analog image data output from each pixel of the solid-state imaging device 21.
  • AGC automatic gain adjustment
  • An analog / digital conversion unit (A / D) 23 that converts analog image data output from the analog signal processing unit 22 into digital image data, and an A / D 23, according to instructions from a system control unit (CPU) 29 described later.
  • the digital camera 10 further includes a digital signal processing unit 26 that takes in digital image data output from the A / D 23 and performs interpolation processing, white balance correction, RGB / YC conversion processing, and the like.
  • a compression / decompression processing unit 27 that compresses or reversely decompresses the image data
  • a display unit 28 that displays a menu or the like, and a through image or a captured image
  • a system control unit that performs overall control of the entire digital camera
  • a media interface (I / F) unit 31 that performs interface processing between the (CPU) 29, an internal memory 30 such as a frame memory, and a recording medium 32 that stores JPEG image data, and the like are connected to each other.
  • an operation unit 33 for inputting an instruction from the user to the system control unit 29. It is connected.
  • the solid-state image pickup device 21 is a CMOS type in this embodiment, and the output signal of the solid-state image pickup device 21 is processed by an analog signal processing unit (AFE: analog front end) 22.
  • AFE analog front end
  • This AFE portion (correlated double sampling processing circuit)
  • a clamp circuit, a signal amplifier circuit for performing gain control, and the like) are provided as a peripheral circuit on the solid-state imaging device chip.
  • a horizontal scanning circuit, a vertical scanning circuit, a noise reduction circuit, a synchronization signal generation circuit, and the like are also formed as peripheral circuits around the light receiving unit on the chip of the solid-state imaging device 21, and the A / D in FIG.
  • the conversion part 23 may also be formed.
  • the system control unit 29 determines a black level (second black level) close to true as will be described later from the black level (first black level) detected by the OB pixel, and the clamp circuit outputs a pixel detection signal of the effective pixel region. Then, a process (clamp) for subtracting the second black level as a dark current component is performed.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a clamp level (black level) determination process procedure for determining the clamp level when the CPU 29 controls the clamp circuit via the drive control unit 24 described above.
  • step S1 the operation pattern of the peripheral circuit formed on the chip of the solid-state imaging device 21 is recognized. This operation pattern is determined by an operation instruction of the solid-state imaging device 21 instructed by the CPU 29 to the drive control unit 24.
  • the position of the peripheral circuit on the chip of the solid-state image sensor is determined by the chip layout. For this reason, how many types of operation patterns exist in the solid-state imaging device is determined by the layout. In this example, it is assumed that there are three types of operation patterns I, II, and III.
  • step S2 subsequent to step S1 it is determined whether or not the operation pattern is I.
  • the process proceeds to the next step S3, the correction calculation process I for the operation pattern I is performed on the output level of the OB pixel, and the clamp level calculated by the correction calculation process I in the next step S4. And the process is terminated.
  • step S2 If it is not the operation pattern I as a result of the determination in step S2, it is determined whether or not it is the operation pattern II in the next step S5. In the case of the operation pattern II, the process proceeds to step S6, and the correction calculation process II for the operation pattern II is performed on the output level of the OB pixel. Then, the process proceeds to the next step S4, the clamp level calculated by the correction calculation process II is determined, and this process ends.
  • step S5 If the result of determination in step S5 is not operation pattern II, it is operation pattern III, and the process proceeds to the next step S7.
  • step S7 the correction calculation process III for the operation pattern III is performed on the output level of the OB pixel.
  • step S4 the clamp level calculated in the correction calculation process III is determined, and this process ends.
  • the clamp level (black reference level) of the subject image data is changed according to the operation pattern of the solid-state image sensor 21, and dark current correction that differs for each operation pattern is performed.
  • FIG. 2 three types of operation patterns have been described. However, since what kind of operation pattern is determined in advance by the layout of the solid-state imaging device, any number of operation patterns may be used. Hereinafter, the embodiment will be described with specific examples, but in order to simplify the description, there are two types of operation patterns.
  • FIG. 3 is an example of a layout diagram of the surface of the solid-state imaging device 21 shown in FIG.
  • a rectangular effective pixel region 21a is provided from the center to the lower side of the image sensor chip.
  • an OB portion is provided around the entire circumference of the effective pixel region.
  • an OB portion 21b is provided adjacent to the left side and the upper side of the effective pixel region 21a.
  • a peripheral circuit (A) 21c is further provided adjacent to the OB portion 21b provided adjacent to the upper side, and a peripheral circuit (B) 21d is provided directly adjacent to the right side of the effective pixel region 21a. .
  • the OB pixel detects as shown in FIG.
  • the “black level + dark current component” is the same as the “black level + dark current component” of the effective pixels (pixels in the effective pixel region). Therefore, if this is used as the clamp level, the black reference level can be determined with high accuracy.
  • the clamp level is adjusted to be 64 LSB of, for example, 10-bit 1028 gradation.
  • the dark current difference is further increased during long exposure or high gain application. If the dark current difference is not accurately corrected, the quality of the subject image is greatly deteriorated.
  • FIG. 5 shows the black level + dark current component of each of the OB pixel and the effective pixel when the dark current is “OB pixel> effective pixel”.
  • the photosensitive data (the true captured image signal corresponding to the amount of incident light) ) Will be deleted.
  • the photosensitive data the true captured image signal corresponding to the amount of incident light
  • a correction calculation process for obtaining a position (point C position) that becomes “black level + dark current component” in the effective pixel output signal with respect to the output level of the OB pixel is performed by a relational expression (correction pattern described later). ) To determine the clamp level.
  • the above relational expression may be obtained in advance by experiment or simulation for each driving mode (operation pattern) of the solid-state imaging device, and stored in a rewritable ROM (not shown) inside the CPU 29. Can be used to calculate the position of the point C from the output level of the OB pixel.
  • the correction pattern may be stored in a memory or the like separately provided on the image sensor chip or the image sensor module.
  • FIG. 6 shows a case where the dark current is “effective pixel> OB pixel”.
  • the effective pixel signal is clamped at the output level of the OB pixel, it is clamped at the position where the dark current difference is added to the photosensitive data. If the temperature rise due to long exposure is further applied and the dark current is increased, the saturation area for the photosensitive data is reduced, which also results in the breakdown of the image.
  • correction calculation processing for obtaining a position (point D position) that becomes “black level + dark current component” in the effective pixel output signal with respect to the output level of the OB pixel. Is performed using the above relational expression to determine the clamp level.
  • FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for determining the case classification of FIGS. 5 and 6 and determining an appropriate clamp level.
  • step S10 the operation patterns of the peripheral circuits A and B shown in FIG. 3 are recognized.
  • step S11 it is determined whether or not the peripheral circuit temperature is an operation pattern in which A> B. For example, the amount of heat generation is estimated based on the driving conditions such as whether the peripheral circuits A and B are driven at high speed, whether or not long exposure or high gain is applied, and the temperature of the peripheral circuits A and B is determined. Determine the magnitude relationship.
  • the black level is a pattern in which “OB pixel> effective pixel”, and thus the process proceeds to step S12, the correction calculation process for FIG. 5 is performed, and the clamp level is determined in step S13. To end this process.
  • step S11 if the operation pattern satisfies A ⁇ B, the black level is a pattern in which “OB pixel ⁇ effective pixel”. Therefore, the process proceeds from step S11 to step S14, and the correction calculation for FIG. Process. In step S13, the clamp level is determined, and this process ends.
  • FIG. 8 is a flowchart showing a clamp level determination processing procedure according to another embodiment of the present invention.
  • the position of the point C in FIG. 5 and the position of the point D in FIG. 6 with respect to the output level of the OB pixel are obtained by the relational expression obtained in advance, but can be obtained more simply than the relational expression. It is.
  • the black level when 8 pixels are added becomes the clamp level as a result of adding 8 pixels of OB pixels.
  • the clamp level when adding 8 effective pixels is smaller than the addition of 8 OB pixels. For example, 7 pixels and 6 pixels may be added. In the case of FIG. 6, on the contrary, the number of additions of OB pixels is larger than the number of additions of effective pixels.
  • the addition number a of OB pixels and the addition number b of effective pixels as black reference levels are determined in advance for each operation pattern, high-precision dark current correction is achieved by controlling the addition number.
  • the relationship between the addition number of the OB pixel and the effective pixel may be obtained in advance for each operation pattern of the solid-state imaging device through experiments or simulations.
  • the addition number of OB pixels and the addition number of effective pixels can be arbitrarily determined separately.
  • the gain a for the output signal of the OB pixel and the gain b for the output signal of the effective pixel are changed.
  • This gain adjustment is performed using the automatic gain adjustment function of the analog signal processing circuit 22 of FIG.
  • gain control of gain “1” is performed on the output signal of the effective pixel
  • gain control of gain “0.8” is performed on the output signal of the OB pixel
  • crank level Make a decision.
  • FIG. 8 shows a procedure for performing the clamp level determination process based on the above principle.
  • the operation pattern of the peripheral circuit of the solid-state imaging device is recognized, and in the next step S21, is the operation pattern in which the temperatures of the peripheral circuits A and B satisfy A> B? Determine whether or not.
  • step S22 In the case of an operation pattern in which A> B, the process proceeds to step S22 because of the pattern in FIG. 5 in which the black level is “OB pixel> effective pixel”, and in the case of an operation pattern in which A ⁇ B, the black level is “ Because of the pattern of FIG. 6 in which OB pixel ⁇ effective pixel ”, the process proceeds to step S23.
  • step S22 it is determined whether or not a correction calculation of “OB pixel addition number ⁇ effective pixel addition number” is possible. If possible, the process proceeds to step S24, and if not, the process proceeds to step S25.
  • step S23 it is determined whether or not a correction calculation that satisfies “OB pixel addition number> effective pixel addition number” is possible. If possible, the process proceeds to step S24. If not, the process proceeds to step S25.
  • step S24 since correction by the number of added pixels is possible, correction calculation processing is performed to change the number of added pixels of OB pixels and the number of added pixels of effective pixels.
  • the operation pattern is a pattern in which the temperature of the pixel in the optical black portion is higher than the temperature of the effective pixel
  • the gain applied to the output signal is set larger than the gain for the pixel in the optical black portion, and the gain for the effective pixel is increased.
  • the gain applied to the output signal is made smaller than the gain for the pixel in the optical black portion to detect the first black level.
  • a second black level is obtained based on the detected first black level.
  • the clamp level is determined in the next step S26, and this process is terminated.
  • step S25 since correction based on the number of added pixels becomes impossible, correction calculation processing for changing the gain for gain control between the OB pixel and the effective pixel is performed, and the clamp level is determined in the next step S26. The process ends.
  • the imaging device and the dark current correction method thereof include an imaging device in which an effective pixel region, an optical black portion, and an imaging device driving circuit are formed, A signal detection unit for detecting a signal of a pixel in the optical black portion and a signal of a pixel in the effective pixel region; A second signal included in the detection signal of the effective pixel in the effective pixel region based on the first black level detected by the signal detection unit from the pixel of the optical black unit according to the operation pattern of the image sensor driving circuit.
  • an imaging apparatus including a storage unit that stores a correction pattern for obtaining a black level in advance
  • the second black level is obtained from the correction pattern read from the storage means and the first black level according to the operation pattern of the image sensor driving circuit, and the effective pixel is output using the second black level as a clamp level. It is characterized by subtracting from the signal level.
  • the signal detection unit detects a signal of the pixel by adding a plurality of pixels to each other in the optical black unit and the effective pixel region.
  • the correction pattern is When the operation pattern is a pattern in which the temperature of the pixel in the optical black portion is higher than the temperature of the effective pixel, the number of pixels added in the optical black portion is less than the number of pixels added in the effective pixel region, When the operation pattern is a pattern in which the temperature of the pixel in the optical black portion is lower than the temperature of the effective pixel, the pixel addition number in the optical black portion is made larger than the pixel addition number in the effective pixel region, 1 black level is detected, The second black level is obtained based on the detected first black level.
  • the signal detection unit calculates a gain to be applied to the pixel signal of the optical black unit and the pixel signal of the effective pixel region when the pixel addition cannot be performed.
  • the correction pattern is When the operation pattern is a pattern in which the temperature of the pixel in the optical black portion is higher than the temperature of the effective pixel, the gain applied to the output signal is set larger than the gain for the pixel in the optical black portion. , In the case of a pattern in which the temperature of the pixel in the optical black portion is lower than the temperature of the effective pixel, the gain applied to the output signal is made smaller than the gain for the pixel in the optical black portion to make the gain for the effective pixel smaller. Detect black level The second black level is obtained based on the detected first black level.
  • the correction pattern of the imaging apparatus and dark current correction method thereof according to the embodiment is obtained in advance by experiment or simulation for each operation pattern of the imaging element and stored in the storage unit. .
  • a peripheral circuit is provided on the solid-state imaging device chip on which the light receiving pixel portion and the optical black portion pixel portion are formed, and there is a temperature difference between the light receiving pixel portion and the optical black portion pixel portion. Even if it occurs, the dark current detected by the pixel part of the optical black part can be corrected with high accuracy, and various shooting conditions such as long-time exposure and high gain application are possible. This makes it possible to obtain a high-quality subject image.
  • the dark current correction method of the present invention even when a temperature distribution occurs on the light receiving surface of the image sensor and a difference occurs between the dark current of the pixels in the optical black portion and the dark current of the effective pixels, Digital camera such as a digital still camera, digital video camera, endoscope camera, mobile phone with camera, electronic device with camera, etc. is generally available because accurate dark current correction is possible and the quality of the subject image can be maintained high. It is useful to apply.
  • This application is based on Japanese Patent Application No. 2010-244824 filed on Oct. 29, 2010, the contents of which are incorporated herein by reference.

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Abstract

 撮像素子チップ上のレイアウトや周辺回路の駆動パターンによらずに高精度な暗電流補正を行うことを可能にする。 有効画素領域とOB部と撮像素子駆動回路とが形成された撮像素子と、例えば有効画素領域とOB部との間に温度差が生じる駆動回路の動作パターンに応じて(ステップS1,S2,S5)、OB画素が検出した黒レベルから前記有効画素領域内の有効画素の検出信号中に含まれる黒レベル(以下、第2黒レベルという。)を補正演算処理により求め(ステップS3,S6,S7)、駆動回路の動作パターンに応じた前記第2黒レベルをクランプレベルとして(ステップS4)、前記有効画素の出力信号のレベルから差し引く。

Description

撮像装置及びその暗電流補正方法
 本発明は、固体撮像素子を搭載した撮像装置及びその暗電流補正方法に関する。
 固体撮像素子によって被写体画像を撮影する撮像装置の場合、固体撮像素子の有効画素領域内の各画素(受光素子:フォトダイオード)で被写体からの入射光を受光し、有効画素領域内の各画素から入射光量に応じた撮像画像信号を出力させる。
 固体撮像素子の各画素は、光を受光しない遮光状態であっても、熱励起した電子に起因する信号(これを暗電流という。)が発生する。このため、有効画素領域内の各画素から出力される撮像画像信号には暗電流成分が含まれ、撮像画像信号から暗電流成分を減算しないと、受光量に応じた被写体画像データを得ることができない。
 そこで、固体撮像素子の有効画素領域の周辺部にはオプティカルブラック(OB)部と呼ばれる遮光した画素領域が設けられ、このOB部の画素から暗電流分に応じた信号を出力させ、例えば下記の特許文献1~4に記載されている様に、撮像画像信号を補正する様になっている。
日本国特開2000―152098号公報 日本国特開2008―118293号公報 日本国特開2009―033321号公報 日本国特開2010―068056号公報
 近年の固体撮像素子は多画素化が進展し、少なくとも1000万画素を搭載するのが普通になってきている。これは有効画素領域内の画素数であり、精度良く暗電流を検出できる様にするためのOB領域やそのOB画素数を確保しようとすると、より広いチップ面積を持つ固体撮像素子を用意しなければならなくなり、コストが嵩んでしまう。このため、OB部の領域を狭くせざるを得なくなっている。
 また、同じチップ上に、発熱源となる周辺回路を一緒に製造するため、周辺回路の発熱量が暗電流に反映してしまい、周辺回路の駆動パターンによって狭いOB部内のOB画素の出力信号で高精度の暗電流補正を行うのが困難になってきている。つまり、撮像素子チップ上の何処に発熱源となる周辺回路,駆動回路を作るか(即ち、撮像素子チップのレイアウト)により、暗電流補正の精度が影響を受ける様になっている。
 本発明の目的は、撮像素子チップ上のレイアウトや周辺回路の駆動パターンによらずに高精度な暗電流補正を行うことが可能な撮像装置及びその暗電流補正方法を提供することにある。
 本発明の撮像装置は、有効画素領域とオプティカルブラック部と撮像素子駆動回路とが形成された撮像素子と、前記オプティカルブラック部の画素の信号と、前記有効画素領域の画素の信号とを検出する信号検出部と、
 前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて、前記オプティカルブラック部の画素から前記信号検出部によって検出された第1黒レベルに基づき前記有効画素領域内の有効画素の検出信号中に含まれる第2黒レベルを求める補正パターンを予め格納した記憶手段と、
 前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて前記記憶手段から読み出した前記補正パターンと前記第1黒レベルとから前記第2黒レベルを求め、該第2黒レベルをクランプレベルとして前記有効画素の出力信号のレベルから差し引くクランプ手段とを備えることを特徴とする。
 本発明の撮像装置の暗電流補正方法は、有効画素領域とオプティカルブラック部と撮像素子駆動回路とが形成された撮像素子と、
 前記オプティカルブラック部の画素の信号と、前記有効画素領域の画素の信号とを検出する信号検出部と、
 前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて、前記オプティカルブラック部の画素から前記信号検出部によって検出された第1黒レベルに基づき前記有効画素領域内の有効画素の検出信号中に含まれる第2黒レベルを求める補正パターンを予め格納した記憶手段とを備える撮像装置の暗電流補正方法であって、
 前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて前記記憶手段から読み出した前記補正パターンと前記第1黒レベルとから前記第2黒レベルを求め、該第2黒レベルをクランプレベルとして前記有効画素の出力信号のレベルから差し引くことを特徴とする。
 本発明によれば、撮像素子の動作パターンによって有効画素の温度とオプティカルブラック部の画素の温度との間に差が生じ夫々の暗電流に差が生じても、有効画素の出力信号をクランプするクランプレベルを暗電流の差に応じて補正するため、画像破綻のない高品質な被写体画像を得ることが可能となる。
本発明の一実施形態に係る撮像装置の機能ブロック構成図である。 図1に示すCPUが実行するクランプレベル決定処理手順を示すフローチャートである。 図1に示す固体撮像素子のレイアウトの一例を示す図である。 OB画素と有効画素との黒レベルが同じ場合の説明図である。 OB画素の黒レベル(暗電流を含む)に対して有効画素の黒レベル(暗電流を含む)が小さい場合の説明図である。 OB画素の黒レベル(暗電流を含む)に対して有効画素の黒レベル(暗電流を含む)が大きい場合の説明図である。 図5,図6の動作パターンを持つ固体撮像素子におけるクランプレベル決定処理手順を示すフローチャートである。 図5,図6の動作パターンを持つ固体撮像素子において画素加算数の調整,ゲイン調整を行うことでクランプレベルを決定する処理手順を示すフローチャートである。 図8で行う画素加算数の調整による補正説明図である。 図8で行うゲイン調整による補正説明図である。
 以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
 図1は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの機能ブロック図である。本実施形態のデジタルカメラ10は、被写体の静止画像或いは動画像を撮影しカメラ10内で撮像画像信号をデジタル処理する機能を有し、撮影レンズ20と、撮影レンズ20の背部に置かれその結像面に配置された固体撮像素子21と、固体撮像素子21の各画素から出力されるアナログの画像データを自動利得調整(AGC)や相関二重サンプリング処理等のアナログ処理するアナログ信号処理部22と、アナログ信号処理部22から出力されるアナログ画像データをデジタル画像データに変換するアナログデジタル変換部(A/D)23と、後述のシステム制御部(CPU)29からの指示によってA/D23,アナログ信号処理部22,固体撮像素子21,撮影レンズ20の駆動制御を行う駆動制御部24と、CPU29からの指示によって発光するフラッシュ25とを備える。
 本実施形態のデジタルカメラ10は更に、A/D23から出力されるデジタル画像データを取り込み補間処理やホワイトバランス補正,RGB/YC変換処理等を行うデジタル信号処理部26と、画像データをJPEG形式などの画像データに圧縮したり逆に伸長したりする圧縮/伸長処理部27と、メニューなどを表示したりスルー画像や撮像画像を表示する表示部28と、デジタルカメラ全体を統括制御するシステム制御部(CPU)29と、フレームメモリ等の内部メモリ30と、JPEG画像データ等を格納する記録メディア32との間のインタフェース処理を行うメディアインタフェース(I/F)部31と、これらを相互に接続するバス40とを備え、また、システム制御部29には、ユーザからの指示入力を行う操作部33が接続されている。
 固体撮像素子21は、本実施形態ではCMOS型であり、固体撮像素子21の出力信号をアナログ信号処理部(AFE:アナログフロントエンド)22で処理するが、このAFE部分(相関二重サンプリング処理回路、クランプ回路、利得制御を行う信号増幅回路等)は固体撮像素子チップ上に周辺回路として設けられるのが普通である。また、固体撮像素子21のチップ上には、その他にも、水平走査回路や垂直走査回路、雑音低減回路,同期信号発生回路等が周辺回路として受光部周りに形成され、図1のA/D変換部23も形成される場合がある。システム制御部29は、OB画素が検出した黒レベル(第1黒レベル)から後述するように真に近い黒レベル(第2黒レベル)を決定し、クランプ回路は、有効画素領域の画素検出信号から暗電流分として第2黒レベルを差し引く処理(クランプ)を行う。
 図2は、上述したCPU29が駆動制御部24を介してクランプ回路を制御するときにクランプレベルを決定するクランプレベル(黒レベル)決定処理手順示すフローチャートである。
 先ずステップS1で、固体撮像素子21のチップ上に形成されている周辺回路の動作パターンを認識する。この動作パターンは、駆動制御部24に対しCPU29が指示する固体撮像素子21の動作指示によって決まる。
 固体撮像素子のチップ上のどの位置に周辺回路を設けるかはチップのレイアウトによって決まってしまう。このため、その固体撮像素子で何種類の動作パターンが存在するかは、レイアウトによって決まる。この例では、3種類の動作パターンI,II,IIIが存在するとして説明する。
 ステップS1の次のステップS2では、動作パターンIであるか否かを判定する。動作パターンIのときは次のステップS3に進み、OB画素の出力レベルに対して動作パターンI用の補正演算処理Iを施し、次のステップS4で、この補正演算処理Iにより算出されたクランプレベルを決定し、この処理を終了する。
 ステップS2の判定の結果、動作パターンIでない場合には次のステップS5で動作パターンIIであるか否かを判定する。動作パターンIIの場合にはステップS6に進み、OB画素の出力レベルに対して動作パターンII用の補正演算処理IIを施す。そして、次のステップS4に進み、補正演算処理IIにより算出されたクランプレベルを決定し、この処理を終了する。
 ステップS5の判定の結果、動作パターンIIでない場合には、動作パターンIIIであるため、次のステップS7に進む。このステップS7では、OB画素の出力レベルに対して動作パターンIII用の補正演算処理IIIを施し、ステップS4で、補正演算処理IIIで算出されたクランプレベルの決定を行い、この処理を終了する。
 この様に、本実施形態では、固体撮像素子21の動作パターンにより、被写体画像データのクランプレベル(黒の基準レベル)を変え、動作パターン毎に異なる暗電流補正を行う。
 この図2では、動作パターンを3種類として説明したが、どの様な動作パターンとなるかは予め固体撮像素子のレイアウトで決まってしまうため、動作パターンは何種類でも良い。以下、具体的な例で実施形態を説明するが、説明を簡単にするため、動作パターンは2種類とする。
 図3は、図1に示す固体撮像素子21の表面のレイアウト図の一例である。撮像素子チップの中央部から下辺部にかけて矩形の有効画素領域21aが設けられている。従来の固体撮像素子の場合、この有効画素領域の四周全周にOB部が設けられるが、図示する実施形態では、有効画素領域21aの左辺と上辺に隣接してOB部21bが設けられている。そして、上辺に隣接して設けられたOB部21bに更に隣接して周辺回路(A)21cが設けられ、有効画素領域21aの右辺に直接隣接して周辺回路(B)21dが設けられている。
 従来の固体撮像素子の様に、チップ面積を広くとることができ、発熱源となる周辺回路から離れた領域にOB部を設けることができれば、図4に示す様に、OB画素が検出する「黒レベル+暗電流分」と、有効画素(有効画素領域内の画素)の「黒レベル+暗電流分」とは同じとなる。このため、これをクランプレベルとすれば、黒の基準レベルを高精度に決めることが可能となる。クランプレベルが決まると、このクランプレベルが、例えば10ビット1028階調の64LSBとなるように調整される。
 図3に示すレイアウトの場合で、周辺回路(A)21cが高速駆動になって発熱量が大きくなると、周辺回路21cに隣接するOB画素の方が有効画素よりも温度が上昇し、暗電流が大きくなる。これに対し、周辺回路(B)21dが高速駆動になって発熱量が大きくなると、周辺回路21dに直接隣接する有効画素の温度が、周辺回路21dに対して離れているOB画素の温度よりも大きく上昇し、暗電流が大きくなる。
 この様に、周辺回路の動作パターンにより、有効画素領域とOB部とで温度差つまり暗電流差が発生してしまう固体撮像素子においては、長時間露光や高ゲイン印加時に、更に暗電流差が生じ、この暗電流差を精度良く補正しないと、被写体画像の品質を大きく劣化させてしまうことになる。
 図5は、暗電流が「OB画素>有効画素」となる場合のOB画素と有効画素の夫々の黒レベル+暗電流分を示している。OB画素の出力信号のうち、真の黒レベルと真の暗電流分とを分けて検出することは不可能であり、両者が混在した黒レベル+暗電流分=黒レベルとして検出できるだけである。
 OB画素の出力レベル(検出した黒レベル=真の黒レベル+真の暗電流分)をクランプ回路でクランプし有効画素の出力信号から減算すると、感光データ(入射光量に応じた真の撮像画像信号)が削除されてしまうことになる。周辺回路の発熱に加え、長時間露光によって更に温度が上昇し、暗電流だけで64LSB以上になった場合、クランプの結果、感光データが0LSB以下となってしまい、画像が破綻してしまう。
 そこで、本実施形態では、OB画素の出力レベルに対し、有効画素出力信号中の「黒レベル+暗電流分」となる位置(C点位置)を求める補正演算処理を後述の関係式(補正パターン)を用いて行い、クランプレベルを決定する。
 上記の関係式は、固体撮像素子の駆動モード(動作パターン)毎に実験或いはシミュレーションによって予め求めておき、これをCPU29内部の図示省略の書き換え可能なROMに格納しておけば良く、この関係式を使ってOB画素の出力レベルからC点位置を算出することができる。なお、補正パターンは、撮像素子チップ上や撮像素子モジュール上に別途設けたメモリ等に保存しておいても良い。
 図6は、暗電流が「有効画素>OB画素」となる場合を示している。この場合、OB画素の出力レベルで有効画素信号をクランプすると、感光データに暗電流差が加わった位置でクランプされてしまう。もし、長時間露光による温度上昇が更に加わり、暗電流が大きくなった場合、感光データ用の飽和領域が少なくなり、これも画像が破綻する結果となる。
 そこで、本実施形態では、図5の場合と同様に、OB画素の出力レベルに対し、有効画素出力信号中の「黒レベル+暗電流分」となる位置(D点位置)を求める補正演算処理を上記の関係式を用いて行い、クランプレベルの決定を行う。
 図7は、図5,図6の場合分けを判定し、適切なクランプレベルの決定を行う処理手順を示すフローチャートである。先ず、ステップS10で、図3に示す周辺回路A,Bの動作パターンを認識する。次のステップS11では、周辺回路の温度がA>Bとなる動作パターンであるか否かを判定する。例えば、周辺回路A,Bの駆動が高速であるか否か、長時間露光時や高ゲイン印加時であるか否か等の駆動条件によって発熱量を推定し、周辺回路A,Bの温度の大小関係を判定する。
 A>Bとなる動作パターンの場合には黒レベルが「OB画素>有効画素」となるパターンであるため、ステップS12に進み、図5用の補正演算処理を行い、ステップS13でクランプレベルの決定を行い、この処理を終了する。
 ステップS11の判定の結果、A≦Bとなる動作パターンの場合には、黒レベルが「OB画素<有効画素」となるパターンであるため、ステップS11からステップS14に進み、図6用の補正演算処理を行う。そして、ステップS13でクランプレベルの決定を行い、この処理を終了する。
 図8は、本発明の別実施形態に係るクランプレベル決定処理手順を示すフローチャートである。上述した例では、OB画素の出力レベルに対して図5のC点位置,図6のD点位置を、予め求めておいた関係式により求めたが、関係式よりも簡便に求めることも可能である。
 例えば、図4の場合に有効画素8画素加算を行って出力する場合、8画素加算したときの黒レベルはOB画素の8画素加算した結果がクランプレベルとなる。これに対し、図5の場合、有効画素8画素加算を行うときのクランプレベルは、OB画素8画素加算より加算数は少なくなり、例えば7画素加算,6画素加算とすれば良いことになる。図6の場合には逆にOB画素の加算数が有効画素の加算数より多くなる。
 つまり、図9に示す様に、動作パターン毎に、黒の基準レベルとするOB画素の加算数aと有効画素の加算数bとが予め決まれば、加算数の制御により精度の高い暗電流補正が可能となる。OB画素と有効画素の加算数の関係は、予め実験又はシミュレーションにより固体撮像素子の動作パターン毎に求めておけば良い。固体撮像素子がCMOS型の場合、OB画素の加算数と有効画素の加算数とは夫々別個に任意に決めることができる。
 画素1個分の「黒レベル+暗電流」以上となる暗電流成分等を補正しなければならない場合には、「加算数」で制御可能であるが、画素1個分以下の暗電流成分を補正しなければならない場合には、加算数による補正制御では高精度な補正はできない。
 そこで、この場合には、図10に示す様に、OB画素の出力信号に対するゲインaと、有効画素の出力信号に対するゲインbを変えることで行う。このゲインの調整は、図1のアナログ信号処理回路22の自動利得調整機能を用いて行う。
 例えば、図5の場合に有効画素の出力信号に対してゲイン“1”の利得制御を行う場合、OB画素の出力信号に対してはゲイン“0.8”の利得制御を行い、クランクレベルの決定を行う。
 以上の様な原理に基づいてクランプレベルの決定処理を行う手順を示したのが図8である。この図8の処理手順では、先ずステップS20で、固体撮像素子の周辺回路の動作パターンを認識し、次のステップS21で、周辺回路A,Bの温度がA>Bとなる動作パターンであるか否かを判定する。
 A>Bとなる動作パターンの場合には、黒レベルが「OB画素>有効画素」となる図5のパターンのためステップS22に進み、A≦Bとなる動作パターンの場合には黒レベルが「OB画素<有効画素」となる図6のパターンのためステップS23に進む。
 ステップS22では、「OB画素加算数<有効画素加算数」とする補正演算が可能か否かを判定し、可能な場合にはステップS24に進み、不可能な場合にはステップS25に進む。
 ステップS23では、「OB画素加算数>有効画素加算数」とする補正演算が可能か否かを判定し、可能な場合にはステップS24に進み、不可能な場合にはステップS25に進む。
 ステップS24では、画素の加算数による補正が可能となるため、OB画素の画素加算数と有効画素の画素加算数とを変える補正演算処理を行う。具体的には、動作パターンが、オプティカルブラック部の画素の温度が有効画素の温度より高くなるパターンの場合、出力信号にかけるゲインをオプティカルブラック部の画素に対するゲインより有効画素に対するゲインを大きくし、オプティカルブラック部の画素の温度が有効画素の温度より低くなるパターンの場合、出力信号にかけるゲインをオプティカルブラック部の画素に対するゲインより有効画素に対するゲインを小さくして、第1黒レベルを検出する。この検出した第1黒レベルに基づいて第2の黒レベルを求める。そして、次のステップS26でクランプレベルを決定し、この処理を終了する。
 ステップS25では、画素の加算数による補正が不可能となるため、OB画素と有効画素とで利得制御を行うゲインを変える補正演算処理を行い、次のステップS26でクランプレベルの決定を行い、この処理を終了する。
 以上述べた実施形態の撮像装置及びその暗電流補正方法は、有効画素領域とオプティカルブラック部と撮像素子駆動回路とが形成された撮像素子と、
 前記オプティカルブラック部の画素の信号と、前記有効画素領域の画素の信号とを検出する信号検出部と、
 前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて、前記オプティカルブラック部の画素から前記信号検出部によって検出された第1黒レベルに基づき前記有効画素領域内の有効画素の検出信号中に含まれる第2黒レベルを求める補正パターンを予め格納した記憶手段とを備える撮像装置において、
 前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて前記記憶手段から読み出した前記補正パターンと前記第1黒レベルとから前記第2黒レベルを求め、該第2黒レベルをクランプレベルとして前記有効画素の出力信号のレベルから差し引くことを特徴とする。
 また、実施形態の撮像装置及びその暗電流補正方法は、前記信号検出部は、前記オプティカルブラック部及び前記有効画素領域のそれぞれで、複数の画素同士を画素加算して前記画素の信号を検出し、
 前記補正パターンは、
 前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より高くなるパターンの場合、前記オプティカルブラック部の画素加算数を前記有効画素領域の画素加算数より少なくし、
 前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より低くなるパターンの場合、前記オプティカルブラック部の画素加算数を前記有効画素領域の画素加算数より多くして、前記第1黒レベルを検出し、
 該検出した第1黒レベルに基づいて前記第2黒レベルを求めることを特徴とする。
 また、実施形態の撮像装置及びその暗電流補正方法は、前記信号検出部は、前記画素加算ができない場合に、前記オプティカルブラック部の画素の信号及び前記有効画素領域の画素の信号にかけるゲインを変える補正演算処理を行い、
 前記補正パターンが、
 前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より高くなるパターンの場合、前記出力信号にかけるゲインを前記オプティカルブラック部の画素に対するゲインより前記有効画素に対するゲインを大きくし、
 前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より低くなるパターンの場合、前記出力信号にかけるゲインを前記オプティカルブラック部の画素に対するゲインより前記有効画素に対するゲインを小さくして、前記第1黒レベルを検出し、
 該検出した第1黒レベルに基づいて前記第2黒レベルを求めることを特徴とする。
 また、実施形態の撮像装置及びその暗電流補正方法の前記補正パターンは、前記撮像素子の前記動作パターン毎に予め実験的又はシミュレーションで求めておき前記記憶手段に格納しておくことを特徴とする。
 以上述べた実施形態によれば、受光画素部及びオプティカルブラック部の画素部が形成された固体撮像素子チップ上に周辺回路を設け受光画素部とオプティカルブラック部の画素部との間に温度差が生じた場合でも、オプティカルブラック部の画素部の検出した暗電流分で受光画素部の暗電流分を高精度に補正することができ、長時間露光や高ゲイン印加時等の様々な撮影条件下で高品質な被写体画像を得ることが可能となる。
 本発明に係る暗電流補正方法によれば、撮像素子受光面上で温度分布が生じオプティカルブラック部の画素の暗電流分と有効画素の暗電流分との間に差が生じた場合でも、高精度の暗電流補正が可能となり、被写体画像の品質を高く維持することでできるため、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、内視鏡用カメラ,カメラ付携帯電話機,カメラ付電子装置等のデジタルカメラ一般に適用すると有用である。
 本出願は、2010年10月29日出願の日本特許出願番号2010-244824に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
10 撮像装置
21 固体撮像素子
21a 有効画素領域
21b OB部
21c,21d 周辺回路
22 アナログ信号処理部(相関二重サンプリング処理回路,クランプ回路、利得制御回路を含む)
24 駆動制御部
26 デジタル信号処理部
29 システム制御部(CPU)

Claims (8)

  1.  有効画素領域とオプティカルブラック部と撮像素子駆動回路とが形成された撮像素子と、
     前記オプティカルブラック部の画素の信号と、前記有効画素領域の画素の信号とを検出する信号検出部と、
     前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて、前記オプティカルブラック部の画素から前記信号検出部によって検出された第1黒レベルに基づき前記有効画素領域内の有効画素の検出信号中に含まれる第2黒レベルを求める補正パターンを予め格納した記憶手段と、
     前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて前記記憶手段から読み出した前記補正パターンと前記第1黒レベルとから前記第2黒レベルを求め、該第2黒レベルをクランプレベルとして前記有効画素の出力信号のレベルから差し引くクランプ手段とを備える撮像装置。
  2.  請求項1に記載の撮像装置であって、
     前記信号検出部は、前記オプティカルブラック部及び前記有効画素領域のそれぞれで、複数の画素同士を画素加算して前記画素の信号を検出するものであり、
     前記補正パターンは、
     前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より高くなるパターンの場合、前記オプティカルブラック部の画素加算数を前記有効画素領域の画素加算数より少なくし、
     前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より低くなるパターンの場合、前記オプティカルブラック部の画素加算数を前記有効画素領域の画素加算数より多くして、前記第1黒レベルを検出し、
     該検出した第1黒レベルに基づいて前記第2黒レベルを求めるものである撮像装置。
  3.  請求項2に記載の撮像装置であって、
     前記信号検出部は、前記画素加算ができない場合に、前記オプティカルブラック部の画素の信号及び前記有効画素領域の画素の信号にかけるゲインを変える補正演算処理を行うものであり、
     前記補正パターンが、
     前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より高くなるパターンの場合、前記出力信号にかけるゲインを前記オプティカルブラック部の画素に対するゲインより前記有効画素に対するゲインを大きくし、
     前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より低くなるパターンの場合、前記出力信号にかけるゲインを前記オプティカルブラック部の画素に対するゲインより前記有効画素に対するゲインを小さくして、前記第1黒レベルを検出し、
     該検出した第1黒レベルに基づいて前記第2黒レベルを求めるものである撮像装置。
  4.  請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の撮像装置であって、前記補正パターンは、前記撮像素子の前記動作パターン毎に予め実験的又はシミュレーションで求めておき前記記憶手段に格納しておく撮像装置。
  5.  有効画素領域とオプティカルブラック部と撮像素子駆動回路とが形成された撮像素子と、
     前記オプティカルブラック部の画素の信号と、前記有効画素領域の画素の信号とを検出する信号検出部と、
     前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて、前記オプティカルブラック部の画素から前記信号検出部によって検出された第1黒レベルに基づき前記有効画素領域内の有効画素の検出信号中に含まれる第2黒レベルを求める補正パターンを予め格納した記憶手段とを備える撮像装置の暗電流補正方法であって、
     前記撮像素子駆動回路の動作パターンに応じて前記記憶手段から読み出した前記補正パターンと前記第1黒レベルとから前記第2黒レベルを求め、該第2黒レベルをクランプレベルとして前記有効画素の出力信号のレベルから差し引くことを特徴とする撮像装置の暗電流補正方法。
  6.  請求項5に記載の撮像装置の暗電流補正方法であって、
     前記信号検出部は、前記オプティカルブラック部及び前記有効画素領域のそれぞれで、複数の画素同士を画素加算して前記画素の信号を検出し、
     前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より高くなるパターンの場合、前記オプティカルブラック部の画素加算数を前記有効画素領域の画素加算数より少なくし、
     前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より低くなるパターンの場合、前記オプティカルブラック部の画素加算数を前記有効画素領域の画素加算数より多くして、前記第1黒レベルを検出し、
     該検出した第1黒レベルに基づいて前記第2黒レベルを求める撮像装置の暗電流補正方法。
  7.  請求項6に記載の撮像装置の暗電流補正方法であって、
     前記信号検出部は、前記画素加算ができない場合に、前記オプティカルブラック部の画素の信号及び前記有効画素領域の画素の信号にかけるゲインを変える補正演算処理を行い、
     前記動作パターンが、前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より高くなるパターンの場合、前記出力信号にかけるゲインを前記オプティカルブラック部の画素に対するゲインより前記有効画素に対するゲインを大きくし、
     前記オプティカルブラック部の画素の温度が前記有効画素の温度より低くなるパターンの場合、前記出力信号にかけるゲインを前記オプティカルブラック部の画素に対するゲインより前記有効画素に対するゲインを小さくして、前記第1黒レベルを検出し、
     該検出した第1黒レベルに基づいて前記第2黒レベルを求める撮像装置の暗電流補正方法。
  8.  請求項5乃至請求項7のいずれか1項に記載の撮像装置の暗電流補正方法であって、前記補正パターンは、前記撮像素子の前記動作パターン毎に予め実験的又はシミュレーションで求めておき前記記憶手段に格納しておく撮像装置の暗電流補正方法。
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