JP2006279690A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 固体撮像素子のＯＰＢ領域に遮光膜を形成する工程を省略し、製造工程の簡略化を図ることができる撮像装置を提供する。
【解決手段】 内視鏡用撮像装置において、ＬＥＤを消灯した状態での期間Ｅ１で、ＣＣＤイメージセンサの撮像部の各画素を信号電荷が蓄積可能な状態とする。この暗状態での電荷蓄積動作でＣＣＤイメージセンサから読み出される画像信号を黒レベルとしてメモリに記憶する。被写体を撮像する際には、ＬＥＤ２を点灯し（期間Ｅ２）、撮像部の各画素に、被写体からの入射光に応じた信号電荷を蓄積する。この信号電荷を期間Ｒ２にて読み出す。期間Ｒ２にて読み出される画像データから、メモリに格納された黒レベルを減算し、黒レベルを除去した補正画像データを生成する（期間Ｄ）。
【選択図】 図４

Description

本発明は、固体撮像素子を用いた撮像装置に関し、特に、光電変換画素での暗電流等に応じた黒レベルの補正に関する。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ等の固体撮像素子の受光画素は、被写体からの入射光に応じて光電変換により信号電荷を発生し、この信号電荷に基づいて画像信号が生成される。ここで、受光画素は入射光がない状態でも、暗電流等により電荷を生じ、この電荷による信号オフセットが本来の画像信号に対するノイズ成分となり得る。そこで、従来の固体撮像素子の撮像部の端部には、アルミ（Ａｌ）層等で遮光した受光画素からなるオプティカルブラック（ＯＰＢ）領域が設けられている。撮像装置は、このＯＰＢ領域の画素（ＯＰＢ画素）に対応した画像信号から、暗電流等によるオフセット成分を表す黒レベル（暗信号レベル）を取得し、これを通常画素に対応した画像信号から減算することにより画像信号を補正する。

撮像部にＯＰＢ領域を設けた固体撮像素子では、ＯＰＢ画素は基本的に通常画素と共通の露光期間に亘り信号電荷を蓄積し、ＯＰＢ画素及び通常画素それぞれの信号電荷は１フレームの画像信号として同時に取り出される。この動作での露光期間は、例えば、電子シャッタ動作により撮像部の全画素の信号電荷を一旦排出したタイミングから開始される。一方、露光期間の終了は、例えば、フレーム転送型ＣＣＤイメージセンサでは撮像部から蓄積部へ信号電荷を高速にフレーム転送したタイミングで定まり、インターライン転送型ＣＣＤイメージセンサではフォトダイオードから垂直ＣＣＤシフトレジスタへ信号電荷を読み出したタイミングとなる。

さて、固体撮像素子は小型で、しかも高解像度の画像が得られるため、広い分野で利用されている。例えば、内視鏡への利用もその１つである。近年では、人体の消化器等の観察用途にカプセル型の内視鏡が開発され使用されている。これは、小型のカプセル内に固体撮像素子、光源、それらの駆動回路及びバッテリ等を内蔵したものである。被検査者はこのカプセル型内視鏡を飲み込み、カプセル型内視鏡は消化器系内を移動しつつ、撮影した画像を体外へ無線送信する。

この内視鏡用撮像装置では、露光期間を光源の発光期間で制御できるという特質がある。また、メカニカルシャッタを固体撮像素子の前面に配置し、そのメカニカルシャッタの開閉によって露光期間を制御する撮像装置も利用されている。
特願２００４−２６２２５１号公報

ＯＰＢ領域を形成するためには、配線層とは別のＡｌ層等で遮光膜を形成する工程が必要となる。製造工程の簡素化は様々な製品において共通の課題であり、固体撮像素子においても、ＯＰＢ領域のための遮光膜形成工程を省略することは、歩留まりの向上や製造期間短縮、コスト低減といった効果を期待できる課題である。しかし、画質の維持の観点から単純には遮光膜を省略してＯＰＢ領域をなくすことができないという問題があった。

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであり、ＯＰＢ領域を省略して固体撮像素子の製造工程の簡略化を可能としつつ、画質が確保される撮像装置を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像装置は、各光電変換画素に被写体からの光が入射可能な固体撮像素子と、前記固体撮像素子への入射光の有無を制御する露光手段と、前記入射光が無い暗状態での前記光電変換画素の信号電荷に応じた暗信号レベルを記憶する記憶部と、前記露光手段により前記暗状態とし、当該暗状態に対応した暗画像信号を前記固体撮像素子から読み出し、当該暗画像信号に基づいて前記暗信号レベルを取得し前記記憶部に格納する暗信号レベル取得動作と、前記露光手段により前記入射光が有る明状態とし、当該明状態に対応した明画像信号を前記固体撮像素子から読み出す被写体撮像動作と、前記記憶部が記憶する前記暗信号レベルに基づいて前記明画像信号を補正する補正動作と、を行う制御部と、を有するものである。

本発明の好適な態様は、当該撮像装置が、内視鏡用撮像装置であって、前記露光手段が、前記被写体に照明光を照射する光源であり、前記制御部が、前記露光手段の明滅を制御して前記固体撮像素子の前記明状態及び前記暗状態を切り換える撮像装置である。

本発明の他の好適な態様は、前記固体撮像素子が、各ビットが前記光電変換画素を構成する複数の垂直シフトレジスタを行方向に配列され、当該垂直シフトレジスタにより前記光電変換画素ごとの前記信号電荷の蓄積及び垂直転送を行う撮像部と、前記垂直シフトレジスタにより垂直転送される前記信号電荷を前記撮像部から行単位で受け取り水平転送する水平転送部と、前記水平転送部から出力される前記信号電荷に基づいて前記画像信号を生成する出力部と、を有する撮像装置である。

本発明のさらに好適な態様は、前記制御部が、前記被写体撮像動作にて前記明画像信号を読み出す際に、前記露光手段により前記固体撮像素子を前記暗状態とする撮像装置である。

本発明によれば、露光手段により暗状態を実現することによって、ＯＰＢ領域によらずに固体撮像素子の暗信号レベルを取得することができるので、固体撮像素子のＯＰＢ領域を省略でき、かつ画質の確保が図られた撮像装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）について、図面に基づいて説明する。

本実施形態は、カプセル型内視鏡であり、図１は、本実施形態に係るカプセル型内視鏡の概略の構成を示す模式図である。このカプセル型内視鏡は、例えば、被検査者の消化器系の内部表面を観察するためのものであり、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）２、ＣＣＤイメージセンサ４、制御部６、メモリ８及びバッテリ１０をカプセル状の筐体１２内に含んで構成される。制御部６は、駆動回路１４、信号処理回路１６、送信回路１８及びそれらを統轄する制御回路２０を含んで構成される。

ＬＥＤ２は、駆動回路１４が供給する電圧信号に応じて発光する光源である。ＬＥＤ２が発する光は、筐体１２に設けられた透明の窓から筐体１２外の被写体へ照射される。照射された被写体からの反射光は筐体１２の窓から入射する。

ＣＣＤイメージセンサ４は、被写体に応じた画像信号を生成する撮像素子である。ＣＣＤイメージセンサ４は駆動回路１４からの各種クロックに基づいて動作する。ＣＣＤイメージセンサ４の受光面の前にはレンズ等の光学系（図示せず）が配置される。この光学系は、被写体からの反射光に基づいて受光面に光学像を形成し、ＣＣＤイメージセンサ４は、この光学像を画像信号Ｖoutに変換して出力する。

メモリ８は、後述するように、制御部６がＣＣＤイメージセンサ４の出力に基づいて取得する黒レベルを記憶する。

駆動回路１４は、バッテリ１０から電力供給を受けて、上述のようにＬＥＤ２及びＣＣＤイメージセンサ４を駆動するための各種信号を生成する。

信号処理回路１６は、ＣＣＤイメージセンサ４からアナログ信号の画像信号Ｖoutを入力され、各種信号処理を行う。信号処理回路１６については、後により詳しく説明する。

送信回路１８は、画像信号を無線送信する回路であり、信号処理回路１６の出力に基づいて変調された電波信号を生成し、アンテナから、体外の受信装置へ送信する。

制御回路２０は、駆動回路１４、信号処理回路１６及び送信回路１８に動作指示を与えると共に、それらの動作を監視する。

なお、バッテリ１０は、駆動回路１４の他、制御部６の各部に電力を供給する。

筐体１２は、例えば、胃液等で浸食されない材質で、水密構造で筒形状に構成される。筒形状とすることで、体内にて筐体１２は筒の端部を先頭にして軸方向に移動しやすい。そこで、例えば、当該端部から外を臨むようにＬＥＤ２及びＣＣＤイメージセンサ４が配置され、進行方向の画像を得るように構成される。ちなみに、図１における筐体１２の形状は、筒の中心軸に沿った断面を模式的に表しており、左右両端が筒の端部に相当する。この図に表すように、筒の端部断面には丸みを持たせ、筐体１２が軸方向に体内を円滑に進むように構成される。

図２はＣＣＤイメージセンサ４の概略の構成を示す模式的な平面図である。このイメージセンサ４は、半導体基板表面に形成された撮像部４ｉ、水平転送部４ｈ及び出力部４ｄを備える。

撮像部４ｉは行方向（水平方向）に配列された複数の垂直ＣＣＤシフトレジスタ（垂直シフトレジスタ４ｖ）で構成される。この垂直シフトレジスタ４ｖは半導体基板上に行方向に複数本渡されたゲート電極を備え、これらゲート電極は半導体基板に形成される転送チャネルの電位を制御する。駆動回路１４は例えば、撮像部４ｉに３相クロックφiを供給する。このクロックφiにより、ゲート電極は３相駆動され、ゲート電極３本毎に１つの電位井戸を形成し、当該電位井戸に信号電荷を蓄積し、また、転送チャネルに沿って信号電荷を垂直転送する。すなわち、各垂直シフトレジスタ４ｖのゲート電極３本毎の領域が、シフトレジスタの１ビットを構成する。ゲート電極は例えば、可視光を透過するポリシリコン等の材料で形成される。さらに、ＣＣＤイメージセンサ４は遮光膜が形成されておらず、垂直シフトレジスタ４ｖの各ビットにおいて被写体からの光が半導体基板に入射可能に構成される。これにより、垂直シフトレジスタ４ｖの各ビットがそれぞれ、入射光量に応じた信号電荷を発生する受光画素として機能し、撮像部４ｉには、この受光画素が複数、行列配置される。つまり、撮像部４ｉにはＯＰＢ画素が設けられていない。

水平転送部４ｈは、ＣＣＤシフトレジスタからなり、その各ビットは撮像部４ｉの複数の垂直シフトレジスタ４ｖの各出力に接続される。水平転送部４ｈは、垂直シフトレジスタ４ｖから１行単位で信号電荷を転送され、その１行分の信号電荷を順次、出力部４ｄに転送する。

出力部４ｄは、電気的に独立した容量及びその電位変化を取り出すアンプからなり、水平転送部４ｈから出力される信号電荷を１ビット単位で容量に受けて電圧値に変換し、時系列の画像信号として出力する。

図３は、信号処理回路１６の構成を説明する模式的なブロック図である。ＣＣＤイメージセンサ４の出力Ｖoutはアナログ信号処理回路３０に入力される。アナログ信号処理回路３０は、相関二重サンプリング（Correlated Double Sampling：ＣＤＳ）、自動ゲイン制御（Automatic Gain Control：ＡＧＣ）等の処理を行う。Ａ／Ｄ変換回路（Analog-to-Digital Conversion：ＡＤＣ）３２は、アナログ信号処理回路３０の出力結果のアナログ信号の画像信号をデジタル信号に変換して出力する。切換器３４はＡ／Ｄ変換回路３２の出力を減算回路３６の一方端子に入力するか、メモリ８に格納するかを切り換える。メモリ８が記憶する内容は、読み出して減算回路３６の他方端子に入力することができる。この切換器３４の切り換え動作及びメモリ８のリード／ライト動作は制御回路２０が制御する。減算回路３６は、切換器３４から入力される画像信号値からメモリ８の記憶値を減算し、デジタル信号処理回路４０へ出力する。デジタル信号処理回路４０は、減算回路３６から入力されたデジタル画像信号に対して各種のデジタル信号処理を行い得る。

図４は、本装置による撮像動作を説明する模式的なタイミング図である。図４には、ＬＥＤ２の発光制御、ＣＣＤイメージセンサ４に対する電荷蓄積制御、ＣＣＤイメージセンサ４からの画像信号の読み出し制御、メモリ８に対する制御、及び減算回路３６からの補正画像データの出力期間が示されている。

時刻ｔ1から時刻ｔ2までの電荷蓄積期間Ｅ１にて、ＬＥＤ２を消灯した状態で、ＣＣＤイメージセンサ４の電荷蓄積動作が行われる。この電荷蓄積動作は、被写体を撮像したときの画像信号に重畳されている黒レベルを取得することを目的とするものである。電荷蓄積期間Ｅ１の開始は、電子シャッタ動作により規定される。電子シャッタ動作では、転送クロックφi1〜φi3が全てオフされ、所定期間、撮像部４ｉの各画素の電位井戸を全て消滅させる。これにより、電位井戸に蓄積されていた信号電荷は、転送チャネルから基板裏面へ排出される。

電子シャッタ動作が完了すると、φiの所定位相のクロック信号、例えばφi2がオン状態とされる。これにより、φi2に対応するゲート電極下に電位井戸が形成され、信号電荷の蓄積が可能な状態とされ、このタイミングｔ1から電荷蓄積期間Ｅ１が始まる。

ここで電荷蓄積期間Ｅ１では、既に述べたようにＬＥＤ２は消灯されており、体内に投入された本装置のＣＣＤイメージセンサ４には基本的に光が入射しない。そのため、電荷蓄積期間Ｅ１に撮像部４ｉの各画素に蓄積する信号電荷は、基本的に暗電流等に起因するものとなる。

電荷蓄積期間Ｅ１の終了タイミングｔ2は、ＣＣＤイメージセンサ４の読み出し動作（期間Ｒ１）の開始によって規定される。読み出し動作期間Ｒ１では、撮像部４ｉに蓄積された信号電荷を１行ずつ垂直転送するライン転送動作と、ライン転送により水平転送部４ｈに移された１行の信号電荷を出力部４ｄへ水平転送する動作とが交互に行われる。

この読み出し動作は、電荷蓄積動作（期間Ｅ１）と対をなし、撮像部４ｉの各画素での黒レベルを取得することが目的である。よって、この読み出し動作にて、撮像部４ｉの全画素を読み出し、各画素毎の黒レベルを取得するように構成することも可能であるが、黒レベルの画素毎のばらつきが小さいと考えられる場合には、撮像部４ｉの一部の画素のみに基づいて黒レベルを定めることが可能である。例えば、図３に示す回路構成では、水平転送部４ｈ寄りの或る行に対応する画像信号の出力時に切換器３４の出力先がメモリ８に切り換えられ、メモリ８は、その１行の画像信号を黒レベルとして記憶する。この他、読み出し期間Ｒ１にて数行分の読み出し動作を行い、信号処理回路１６はそれらの平均値をメモリ８に格納するように構成してもよい。

なお、電荷蓄積期間Ｅ１にて水平転送部４ｈに電位井戸が形成されていた場合には、水平転送部４ｈを構成するシフトレジスタの各ビットにも暗電流による信号電荷が蓄積し得る。その場合には、読み出し動作にてライン転送に先立ち水平転送部４ｈを駆動して、水平転送部４ｈの信号電荷を排出したり、または撮像部４ｉから読み出される最初の１行に対応する画像信号は黒レベルの取得には使わないようにし、黒レベルの精度の確保を図ることができる。

以上述べた電荷蓄積動作（期間Ｅ１）及び読み出し動作（期間Ｒ１）により、メモリ８には黒レベルが格納される。メモリ８に黒レベルが格納された状態にて、次に述べる被写体の撮像動作が行われる。

被写体の撮像する場合の電荷蓄積動作、すなわち露光動作は、時刻ｔ3から時刻ｔ4までの露光期間Ｅ２にて、ＬＥＤ２を点灯した状態で行われる。露光期間Ｅ２の開始は、電子シャッタ動作及びＬＥＤ２の点灯により規定される。例えば、図４に示す動作では、電子シャッタ動作後、速やかにＬＥＤ２を点灯することで、露光期間Ｅ２の開始時刻ｔ3はその点灯タイミングで規定される。一方、ＬＥＤ２の点灯後、電子シャッタ動作を行い、露光期間Ｅ２を電子シャッタ動作完了から開始するように構成することもできる。なお、電子シャッタ動作後のＣＣＤイメージセンサ４の駆動は、上述の期間Ｅ１での動作と同様である。

露光期間Ｅ２では、ＬＥＤ２からの照明光で照らされた被写体からの反射光が撮像部４ｉの各画素に入射し、その光量に応じた信号電荷が電位井戸に蓄積する。既に述べたように体内においては基本的にＬＥＤ２以外に光源は存在しないので、ＬＥＤ２の消灯タイミングｔ4が露光期間Ｅ２の終了となる。

露光期間Ｅ２が終了すると、撮像部４ｉに蓄積された信号電荷の読み出し動作（期間Ｒ２）が開始される。期間Ｒ２の読み出し動作は、期間Ｒ１での動作と同様、撮像部４ｉに蓄積された信号電荷を１行ずつ垂直転送するライン転送動作と、ライン転送により水平転送部４ｈに移された１行の信号電荷を出力部４ｄへ水平転送する動作とが交互に行われる。今回の読み出し動作は被写体の画像を取得する目的であるので、期間Ｅ２でのライン転送動作及び水平転送動作は、基本的に撮像部４ｉからの信号電荷の読み出し完了まで、すなわち垂直シフトレジスタ４ｖのビット数に応じた回数だけ繰り返される。

減算回路３６は、この読み出し動作に連動して動作し、ＣＣＤイメージセンサ４から出力される画像信号から、メモリ８から読み出した黒レベルを減算する処理を行う。これにより、読み出し期間Ｒ２に対応する期間Ｄにて、減算回路３６から、黒レベルを除去する補正が行われた画像信号（補正画像データ）が出力され、デジタル信号処理回路４０での処理に供せられる。

なお、露光期間Ｅ２にて水平転送部４ｈに電位井戸が形成されていた場合には、水平転送部４ｈを構成するシフトレジスタの各ビットにも信号電荷が蓄積し得る。その場合には、読み出し動作（期間Ｒ２）にてライン転送に先立ち水平転送部４ｈを駆動して、水平転送部４ｈの信号電荷を排出する。

図３に示す信号処理回路１６では、期間Ｒ２で読み出された画像信号に対応する値から、メモリ８に格納された値を単純に減算する構成としており、この場合、電荷蓄積期間Ｅ１と露光期間Ｅ２とは基本的に同じ長さに設定される。

一方、暗電流等は微弱であるため、電荷蓄積期間Ｅ１を露光期間Ｅ２より長く設定して、蓄積される信号電荷量を確保することとして、黒レベルの精度の向上を図ることもできる。その場合には、Ｅ１とＥ２との比に応じてスケーリングした黒レベルを減算回路３６にて画像信号から減算するように構成すればよい。なお、Ｅ２が固定である場合には、このスケーリングを予め行って、そのスケーリング後の値をメモリ８に格納することができる。一方、被写体の明るさに応じて露光制御によりＥ２が伸縮され得る場合には、期間Ｅ２の露光動作毎にそのＥ２に合わせてスケーリングを実行する。

ここでは実施形態として、撮像部４ｉへの光の入射の制御がＬＥＤ２の点滅により制御できる内視鏡用撮像装置に関して説明した。一方、本発明は、撮像部４ｉへの光の入射を制御できる手段を有する他の撮像装置にも適用することが可能である。例えば、メカニカルシャッタを有する撮像装置を、ＯＰＢ画素を有しない固体撮像素子を用いて上述の実施形態の装置と基本的に同様に構成することができる。また、本発明を適用される固体撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサの他、ＣＭＯＳセンサであってもよい。

実施形態に係るカプセル型内視鏡の概略の構成を示す模式図である。 実施形態に係るＣＣＤイメージセンサの概略の構成を示す模式的な平面図である。 信号処理回路の構成を説明する模式的なブロック図である。 実施形態に係るカプセル型内視鏡の撮像動作を説明する模式的なタイミング図である。

符号の説明

２ ＬＥＤ、４ ＣＣＤイメージセンサ、４ｉ 撮像部、４ｈ 水平転送部、４ｄ 出力部、６ 制御部、８ メモリ、１０ バッテリ、１２ 筐体、１４ 駆動回路、１６ 信号処理回路、１８ 送信回路、２０ 制御回路、３０ アナログ信号処理回路、３２ Ａ／Ｄ変換回路、３４ 切換器、３６ 減算回路、４０ デジタル信号処理回路。

Claims (4)

1. 各光電変換画素に被写体からの光が入射可能な固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子への入射光の有無を制御する露光手段と、
   前記入射光が無い暗状態での前記光電変換画素の信号電荷に応じた暗信号レベルを記憶する記憶部と、
   前記露光手段により前記暗状態とし、当該暗状態に対応した暗画像信号を前記固体撮像素子から読み出し、当該暗画像信号に基づいて前記暗信号レベルを取得し前記記憶部に格納する暗信号レベル取得動作と、前記露光手段により前記入射光が有る明状態とし、当該明状態に対応した明画像信号を前記固体撮像素子から読み出す被写体撮像動作と、前記記憶部が記憶する前記暗信号レベルに基づいて前記明画像信号を補正する補正動作と、を行う制御部と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   当該撮像装置は、内視鏡用撮像装置であって、
   前記露光手段は、前記被写体に照明光を照射する光源であり、
   前記制御部は、前記露光手段の明滅を制御して前記固体撮像素子の前記明状態及び前記暗状態を切り換えること、
   を特徴とする撮像装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の撮像装置において、
   前記固体撮像素子は、
   各ビットが前記光電変換画素を構成する複数の垂直シフトレジスタを行方向に配列され、当該垂直シフトレジスタにより前記光電変換画素ごとの前記信号電荷の蓄積及び垂直転送を行う撮像部と、
   前記垂直シフトレジスタにより垂直転送される前記信号電荷を前記撮像部から行単位で受け取り水平転送する水平転送部と、
   前記水平転送部から出力される前記信号電荷に基づいて前記画像信号を生成する出力部と、
   を有することを特徴とする撮像装置。
4. 請求項３に記載の撮像装置において、
   前記制御部は、前記被写体撮像動作にて前記明画像信号を読み出す際に、前記露光手段により前記固体撮像素子を前記暗状態とすること、を特徴とする撮像装置。
   

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