JP2008263339A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遮光領域の信号レベルが異常に変動した場合、特に遮光領域に輝度の高い被写体が撮像されても安定した撮像信号を得る。
【解決手段】高輝度被写体の画像ｃが遮光領域ａにある場合、撮像素子２０１の出力Ｓoutは、遮光領域ａであっても高いレベルｄ2を出力し、検出判定回路７０５における検出回路８０１は検出タイミングパルスＪ１に同期して撮像素子の出力レベルを検出するが、このときの検出結果は通常より高いレベルとなる。判定回路８０２はクランプ回路２０２のクランプレベル更新を禁止すべくクランプ許可パルスＣＰＥＮＢを Low レベルにし、クランプタイミングパルスＣＰＯＢ１はＡＮＤゲート７０６で制限（ Low レベルに）され、クランプ回路にはクランプパルスが供給されず、クランプ回路はクランプレベル（黒基準）を更新せず、それ以前のクランプレベル、例えばｄ1を基準にクランプ動作を続ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像素子の撮像面の一部に遮光領域を設けることにより撮像素子の出力を安定化させる撮像装置に関する。

一般に、撮像装置では、温度などの周辺環境の変化に応じて撮像信号のレベルが変動する現象に対して、撮像面の一部に、遮光された画素（オプチカルブラック、以降ＯＢと記す）から構成される遮光領域を設け、その他の遮光されていない画素（受光領域）からの出力を、ＯＢ画素の出力を黒レベルの基準とした相対レベルの信号とする、いわゆるＯＢクランプを行うことで安定した撮像信号を得ている（例えば下記の特許文献１参照）。
特開２００４−１５０９７号公報（要約書）

図７〜図９を用いてこの従来技術を説明する。図７は複数の光電変換素子（画素）が２次元的に配列された撮像素子２０１（図８参照）の撮像面を示し、ここでは水平（カラム）方向に１９２０個、垂直（ライン）方向に１０９０個の画素が配列されており、さらに、垂直読み出し方向の１０９０ラインのうち、上部１０ライン分は入射光を光電変換素子に入射させないように、例えばアルミニウム薄膜によって遮光が施されている（遮光領域ａ、受光領域ｂ）。

図８はＯＢクランプ回路の一例を示し、図１に示したような撮像面（遮光領域ａ、受光領域ｂ）を持つ撮像素子２０１と、撮像素子２０１の出力Ｓoutをクランプするクランプ回路２０２と、クランプ回路２０２の出力ＣＰoutにホワイトバランス、ガンマ、アパコンなどの撮像装置としての所望の処理を行う信号処理回路２０３と、撮像素子２０１に対しては撮像信号Ｓoutを読み出すための水平（ライン）同期信号ＨＤ及び垂直（フレーム）同期信号ＶＤを出力し、クランプ回路２０２に対しては撮像素子２０１から遮光領域ａの画素を読み出している期間にクランプパルスＣＰＯＢ１を出力するタイミング制御回路２０４とからなる。

図９を用いてクランプ動作を説明する。撮像素子２０１はタイミング制御回路２０４から供給される垂直同期信号ＶＤと、水平同期信号ＨＤと、ここでは図示しない画素クロックに同期して撮像面（遮光領域ａ、受光領域ｂ）に配置された各画素の信号Ｓoutを順次出力する。図７に示したように垂直読み出し方向の上部１０ラインは遮光領域ａのため、図９に示すように垂直同期信号ＶＤ入来から最初の１０ライン期間（ＴＯＢ）では、撮像素子出力Ｓoutは信号レベルとしては十分に暗い（黒い）値ｄ1となる。この値ｄ1が現在の使用環境条件における遮光された画素（黒）の信号レベルである。その後、１０８０ライン期間（ＴＡＶ）は受光領域ｂが読み出され、この間は撮像面に入射した光像に応じた信号（波高値：ｄ1＋Ａ）が出力される。これ以降、次の垂直同期信号ＶＤが入来するまでの、例えば３５ラインの期間（ＴＢＬＫ）は電気的な基準信号レベル（例えば０Ｖ）が出力される。

クランプ回路２０２は、タイミング制御回路２０４から出力されるクランプパルスＣＰＯＢ１の期間に入力される撮像素子出力Ｓoutを基準電圧としてクランプした信号をクランプ出力ＣＰoutとして出力する。図９では、１〜４ライン目までは１フレーム前のクランプレベル、例えば０Ｖを基準としたクランプが行なわれ、クランプ回路出力ＣＰoutは入力信号と同じ信号レベルｄ1が出力されるが、クランプパルスＣＰＯＢ１が５ライン目と６ライン目に出力されると、７ライン目以降は入力信号Ｓoutからクランプレベルｄ1を減算した信号ＣＰout＝Ｓout−ｄ1（波高値：Ａ）がクランプ回路２０２から出力される。これによって、１１ライン目以降にクランプ回路２０２から出力される受光領域ｂの信号ＣＰoutは、遮光領域ａの画素出力ｄ1を基準とした信号となるので、温度などの環境条件が変わり、撮像素子２０１の信号レベル（ｄ1）が変動しても、クランプ回路２０２の出力ＣＰoutは、遮光領域ａの画素の出力を基準とした受光領域ｂの画素の相対信号（Ａ）となるため、安定した信号レベルが得られる。

なお、図９では分かりやすさのために、クランプパルスＣＰＯＢ１の入来期間（５ライン目及び６ライン目）におけるクランプ回路２０２の出力ＣＰoutを連続（アナログ）的に変化させる場合を示しているが、例えば図１０に示すように、クランプ回路２０２をデジタル要素で構成することもできる。図１０において、平均値算出回路４０１はクランプパルスＣＰＯＢ１が入力される期間中の撮像素子出力Ｓoutを加算し、その平均値ＯＢＡＶＥを出力する。減算回路４０２で撮像素子出力Ｓoutからクランプ平均値ＯＢＡＶＥを減算し、クランプ出力ＣＰoutを得る。なお、平均値ＯＢＡＶＥ算出のための加算は、ここでは図示しないフレーム同期信号ＶＤによって１フレームごとにリセットされる。

ところで、従来のＯＢクランプ回路は、遮光領域ａの画素出力が温度などの環境条件によって変動はするが、入射光に対しては常に遮光された黒信号であることを前提としている。しかし、実際には極端に強い光が入射した場合、遮光層の構造による漏れ光や遮光層と光電変換素子との空隙への迷光などが遮光領域ａの画素（光電変換素子）に入射して遮光しきれずに、遮光領域ａの信号レベルが変動する場合がある。

図１１、図１２を用いてこの場合の説明をする。今、図１１に示すように遮光領域ａに極端に輝度の高い被写体の画像ｃが映された場合、上記のような理由から図１２に示すように、遮光領域ａの撮像素子出力Ｓoutが本来の黒信号レベルｄ1よりも高い値ｄ2となる。その後、読み出される出力Ｓoutは、受光領域（ＴＡＶ）である上部のラインでは、高輝度被写体の画像ｃが映っているために、信号レベルが飽和しているラインもあるが、その他の受光領域ｂでは本来の撮像素子出力（波高値Ｂ）が出力される。詳細には、この波高値Ｂには、図９におけるｄ1と同様に環境条件による黒レベルの変動分が含まれる。クランプ回路２０２は入力信号Ｓoutを、このｄ2を黒レベルとしてクランプするため、受光領域ｂの高輝度被写体の画像ｃの映っていない部分では、図１２に示すように本来の撮像素子出力Ｓoutより異常に暗い信号ＣＰout（波高値Ｃ）を出力する。

本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、遮光領域の信号レベルが異常に変動した場合、特に遮光領域に輝度の高い被写体が撮像されても安定した撮像信号を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、複数の光電変換素子が配列された撮像面に受光領域及び遮光領域を設けた撮像素子と、前記遮光領域における前記撮像素子の出力信号レベルを、出力する撮像信号の黒レベルを基準にした基準信号にクランプしてフレームごとに更新し、前記受光領域における撮像素子の出力信号レベルから前記クランプした出力信号レベルを減算した信号を撮像信号として出力するクランプ回路とを備えた撮像装置において、
前記遮光領域における前記撮像素子の出力信号レベルをフレームごとに検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記遮光領域における前記撮像素子の出力信号レベルが所定のレベルより大きいときには前記クランプ回路の基準信号のフレームごとの更新を禁止する禁止信号を出力する手段と、
前記禁止信号により前記クランプ回路の基準信号のフレームごとの更新を禁止する手段とを、
備えたことを特徴とする。

本発明によれば、遮光領域の信号レベルが所定のレベルより大きいときにはクランプ回路の基準信号の更新を禁止するので、遮光領域の信号レベルが異常に変動した場合、特に遮光領域に輝度の高い被写体が撮像されても安定した撮像信号を得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態のＯＢクランプ回路を示すブロック図である。図１中、従来技術の説明で用いた図８と同じ構成要素には同じ符号を付ける。このＯＢクランプ回路は、従来技術と同じ撮像素子２０１と、従来技術と同じクランプ回路２０２と、従来技術と同じ信号処理回路２０３と、従来技術と同じ水平同期信号ＨＤ、垂直同期信号ＶＤ及びクランプパルスＣＰＯＢ１に加え、検出判定回路７０５に検出タイミングパルスＪ１を出力するタイミング制御回路７０４と、検出タイミングパルスＪ１で示される期間だけ撮像素子２０１の出力レベルを検出し、この検出結果とあらかじめ定めた所定の値とからクランプ動作の許可パルスＣＰＥＮＢをＡＮＤゲート（禁止手段）７０６に出力する検出判定回路７０５と、クランプパルスＣＰＯＢ１とクランプ許可パルスＣＰＥＮＢとの論理積ＣＰＯＢ２をクランプ回路２０２に出力して、クランプ回路２０２の基準信号の更新を禁止するＡＮＤゲート７０６とから構成される。

図２は検出判定回路７０５の内部構成を詳しく示す。検出回路８０１は撮像素子２０１の出力信号Ｓoutのレベルを、検出タイミングパルスＪ１が入力される期間だけ検出して検出結果ＯＢＤ１を出力する検出回路であって、例えば検出タイミングパルスＪ１が入力される期間だけ入力信号Ｓoutの積和値を求める回路、あるいは、入力信号Ｓoutをローパスフィルタを通過させた後の信号のピークを検出する回路などである。判定回路８０２は検出回路８０１の出力ＯＢＤ１（検出結果）をあらかじめ定めた所定のレベルＴＨ（ｄ1＜ＴＨ＜ｄ2）と比較し、検出結果ＯＢＤ１が所定のレベルＴＨより小さいときはクランプ回路２０２のクランプレベル更新を許可すべく、例えば Hi レベルの信号ＣＰＥＮＢをＡＮＤゲート７０６に出力し、逆に検出結果ＯＢＤ１が所定のレベルＴＨより大きいときはクランプ回路２０２のレベル更新を禁止すべく、例えば Low レベルの信号ＣＰＥＮＢを出力する回路である。

図３を用いて動作の説明をする。まず、図９と同様に通常の輝度の画像の場合、遮光領域ａにおける撮像素子２０１の出力はｄ1である。タイミング制御回路７０４は従来技術と同様に、５ライン目と６ライン目にクランプパルスＣＰＯＢ１を出力するが、これに先立ち４ライン目には検出タイミングパルスＪ１を検出判定回路７０５に出力する。検出判定回路７０５は検出タイミングパルスＪ１が入力される４ライン目の撮像素子出力Ｓoutを検出し、この検出結果をあらかじめ定めた所定の値ＴＨと比較するが、図３においては素子出力Ｓoutは正常なレベルｄ1であるため、クランプ許可パルスＣＰＥＮＢは Hi レベルとなり、クランプパルスＣＰＯＢ１はＡＮＤゲート７０６で制限されることなくそのままクランプ回路２０２に出力され、クランプ動作が従来と同様に行なわれる。

一方、高輝度被写体の画像ｃが遮光領域ａにある場合、図４に示すように撮像素子２０１の出力Ｓoutは、遮光領域ａであっても高いレベルｄ2を出力する。検出判定回路７０５における検出回路８０１は、４ライン目に入来する検出タイミングパルスＪ１に同期して撮像素子２０１の出力レベルを検出するが、このときの検出結果ＯＢＤ１は通常より高いレベルとなる。そのため、判定回路８０２はクランプ回路２０２のクランプレベル更新を禁止すべくクランプ許可パルスＣＰＥＮＢを Low レベルにする。この結果、クランプタイミングパルスＣＰＯＢ１はＡＮＤゲート７０６で制限（ Low レベルに）され、クランプ回路２０２にはクランプパルスＣＰＯＢ１が供給されないため、クランプ回路２０２はクランプレベル（黒基準）を更新せず、それ以前のクランプレベル、例えばｄ1を基準にクランプ動作を続ける。そのため、図４に示したようにクランプ回路出力ＣＰoutは、撮像素子出力Ｓoutを遮光領域ａの出力が正常だったときのレベルｄ1でクランプした出力となる。

その後、高輝度被写体の画像ｃが遮光領域ａから外れ、遮光領域ａの信号レベルが正常に戻ると、再び図３に示したものと同様のクランプ動作が再開されるため、高輝度被写体の画像ｃが遮光領域ａにかかったり、外れたりしても受光領域ｂの信号レベルの変動が少なく、安定した撮像信号が得られる。

本実施の形態では、検出判定回路７０５の検出回路を１回路（検出回路８０１）だけとしたが、図５に示すように検出回路を複数用いて（検出回路１１０１、１１０２、１１０３）、出力Ｓoutを複数の検出タイミングパルスＪ１、Ｊ２、Ｊ３で検出し、複数の検出結果ＯＢＤ１、ＯＢＤ２、ＯＢＤ３から判定回路１１０４が判定を行なってもよい。また、判定方法も複数の検出結果ＯＢＤ１、ＯＢＤ２、ＯＢＤ３の平均値を用いたり、あるいは、複数の検出結果ＯＢＤ１、ＯＢＤ２、ＯＢＤ３の最大値を用いるなどしてもよい。また、本実施の形態では、出力Ｓoutの検出ラインを４ライン目、クランプレベルの更新ラインを５ライン目と６ライン目としたが、代わりに図６に示すように、出力Ｓoutの検出ラインを４、６、８ライン目とし、クランプレベル更新ラインを５、６、７ライン目とするなどしたり、また、出力Ｓoutの検出ラインとクランプレベル更新ラインを同一ラインとしてもよい。

また、本実施の形態では、遮光領域ａを垂直読み出し方向の読み出し開始側に設けたが、一般に従来のＯＢクランプ回路がそうであるように、読み出し終了側に設けてもよく、さらに、水平読み出し方向の開始側、あるいは特許文献１に開示された技術のように終了側に設けてもよい。

本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態のＯＢクランプ回路を示すブロック図である。 図１の検出判定回路を詳しく示すブロック図である。 図１において通常輝度の場合の主要信号を示す波形図である。 図１において高輝度の場合の主要信号を示す波形図である。 図２の検出判定回路の変形例を示すブロック図である。 図５における主要信号を示すタイミングチャートである。 撮像素子の撮像面を示す説明図である。 従来技術の撮像装置の一例のＯＢクランプ回路を示すブロック図である。 図８に示すＯＢクランプ回路において通常輝度の場合の主要信号を示す波形図である。 クランプ回路の他の一例を示すブロック図である。 図８に示すＯＢクランプ回路において高輝度被写体撮像時における撮像素子の撮像面を示す説明図である。 図８に示すＯＢクランプ回路において高輝度被写体撮像時における主要信号を示す波形図である。

符号の説明

２０１ 撮像素子
２０２ クランプ回路
２０３ 信号処理回路
７０４ タイミング制御回路
７０５ 検出判定回路
７０６ ＡＮＤゲート（禁止手段）
８０１ 検出回路
８０２ 判定回路

Claims (1)

1. 複数の光電変換素子が配列された撮像面に受光領域及び遮光領域を設けた撮像素子と、前記遮光領域における前記撮像素子の出力信号レベルを、出力する撮像信号の黒レベルを基準にした基準信号にクランプしてフレームごとに更新し、前記受光領域における撮像素子の出力信号レベルから前記クランプした出力信号レベルを減算した信号を撮像信号として出力するクランプ回路とを備えた撮像装置において、
   前記遮光領域における前記撮像素子の出力信号レベルをフレームごとに検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記遮光領域における前記撮像素子の出力信号レベルが所定のレベルより大きいときには前記クランプ回路の基準信号のフレームごとの更新を禁止する禁止信号を出力する手段と、
   前記禁止信号により前記クランプ回路の基準信号のフレームごとの更新を禁止する手段とを、
   備えたことを特徴とする撮像装置。

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