JP2013243785A - 撮像方法および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】CCDを用いた撮像装置において、14bitのA/Dと12bitの映像信号処理回路とを有し、固体撮像素子の有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長してからVOBから算出したスミアと有効画素の暗電流を減算し、14bitの映像信号を12bitに圧縮してから信号処理する。または、CDSと10bitのA/Dと映像信号処理回路とを有し、VOBから算出したスミアと有効画素の暗電流分CDSの基準電圧を画素単位で可変して、等価的にCDS以降では有効画素から出力される映像信号からスミアと有効画素の暗電流を減算し、スミアと有効画素の暗電流の高輝度圧縮を考慮してスミアと有効画素の暗電流を基準に高レベルを伸長し信号処理する。
【選択図】図1A
Description
そこで、従来、光学的黒画素部分の暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素の影響を低減するため、CCD撮像素子の垂直方向の光学的黒画素(Vertical-Optical Black以下V−OB)部分の12ラインの出力の各垂直画素信号を平均し、1ライン分の信号として記憶し、この固体撮像素子の有効画素部分の出力信号よりこの記憶した信号を減算していた。(特許文献1参照)
さらに、CCDから出力された信号から雑音を除去するCDS(Correlated
Double Sampling)と暗電流補正と利得可変増幅回路(Automatic Gain Control以下AGC)とデジタル映像信号Viに変換するADC(Analog Digital Converter)とを内蔵したFEP(Front End Processor)が普及し、FEPのADC階調は従来10ビットだったが、12ビットや14ビットが一般化し、16ビットも製品化された。ADCを22ビットとし、AGCをADCの後に配置したFEPも製品化された。
Multiplying-Charge Coupled Device以下EM−CCDと略す)は、電子冷却部と組み合わせて感度を高くできるため、可視光と近赤外光の夜間の撮影用の照明なしの準動画監視が可能となった。また、EM−CCDは、電子増倍を行う電極のCMGの電圧振幅が高い高電子増倍時は、0.1Vで1.4倍感度が変化し、11℃で1.8倍感度が変化する。CMG電圧振幅が低い低電子増倍時は垂直転送後に信号が増倍されるため、フォトダイオードや垂直転送路の転送容量不足が補われ、暗電流を低減する電子冷却と組み合わせれば映像の階調範囲が拡大する。さらにフォトダイオードの蓄積容量のばらつきで画面内で不均一だった映像の階調範囲が、画面内で均一になる。しかし、CMG電圧振幅が中程度の中電子増倍時は暗電流も電子増倍され暗電流が高レベルになり映像信号成分が飽和して映像の階調範囲が低下する。暗電流を低減する電子冷却と組み合わせれば約6度で半分と改善されるがそれでも暗電流が高レベルになり映像信号成分が飽和して映像の階調範囲が低下する。さらにCMG電圧振幅が高い高電子増倍時は水平変調度も低下し高輝度信号が圧縮されるので、EM−CCDを特に強く電子冷却して暗電流も最小限にし、CMG電圧振幅も最小限にしても暗電流が高レベルに及び映像信号成分が飽和して映像の階調範囲が低下する(非特許文献1と非特許文献2参照)。しかも、EM−CCDの電子冷却は、放熱が困難である。
また、有効画素のCCD出力が過飽和レベルになるのより更に強い飽和入射光ではフォトダイオードで発生し垂直転送路にあふれたた過剰な電荷で垂直転送路が過飽和状態となり、強い入射光の映像の画面下端が垂直スミアより高い過飽和レベルのブルーミングとよばれる白状態になる。さらに過飽和し制限レベルに達したCCD出力映像信号となる異常に強い過飽和入射光では入射光の強度が高くなるに従い強い過飽和入射光の映像の画面下方から順々に、垂直スミアより高い過飽和レベルの白状態になり異常に強い過飽和入射光で水平転送路も過飽和状態となり、逆に画面上部の垂直スミアは沈み、水平方向にも白いすじ状の水平スミアが明らかになり、映像の階調範囲が低下する。異常に強い過飽和入射光の強度が更に高くなると、白が画面全体に広がる。スミアやブルーミングの源となる入射光を以下光源とする。
(特許文献2参照)。
さらに、CCD撮像素子を用いた固体撮像装置において、白キズ等のCCD撮像素子の暗電流の影響を受けない様に垂直スミアを低減するため、CCD撮像素子の受光面の有効画素より先に読み出す4ラインの垂直遮光画素から取得した信号の画面垂直方向の暗電流むらを補正してから、垂直遮光映像4ラインの各垂直画素信号の最小値から2番目の値を算出し、垂直スミア補正信号として記憶し、映像AGCに合わせて利得を可変して固体撮像素子の受光面の有効画素から出力されるAGC後の映像信号から減算する。また、前記固体撮像素子から出力される信号を14ビットにA/D変換して前記代表値信号を算出して15/16に減衰して、CCD撮像素子の受光面の有効画素から出力される映像信号から減算している(特許文献3参照)。
(c)CMG振幅高高増倍時でさらに電子増倍が高くなり、暗電流や暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素の暗電流や垂直スミアまでが高レベルになり圧縮されたら、暗電流や暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素の暗電流や垂直スミアや映像信号の圧縮を伸長して圧縮を伸長された映像信号から減算する。ちなみに、(d)CMG振幅低低増倍時蓄積時は、画面内で不均一に高信号レベルが飽和する。
つまり、V―OBの暗電流や暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素の暗電流や垂直スミア成分と、OBとの差分の画面有効画素の暗電流や暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素の暗電流成分とを減算し、画面有効画素の映像信号のみを算出できる。
スミアを含むV−OBの代表値として、図1Aと図1Gと図1Mと図1Nと図1Oと図1PとはV−OBが3ライン以上で最小値から2番目の値(3ラインで中央値)を検出する場合で、図1Bと図1HとはV−OBが5ライン以上で最小値から3番目の値(5ラインで中央値)を検出する場合で、図1Cと図1IとはV−OBが2ライン以上で最小値を検出しデジタルAGCする場合で、図1Dと図1JとはV−OBが3ライン以上で最大値除く平均値を検出する場合で、図1Eと図1KとはV−OBが4ライン以上で最大値と最小値除く平均値を検出する場合で、図1Fと図1LとはV−OBが4ライン以上で最大値と2番目に大きい値除く平均値を検出する場合である。また、OB暗電流の算出方法として、図1Aから図1MがV−OBのH−OBの平均を算出し、図1NがV−OBの最小値を算出し、図1OがV−OBの最小値から2番目を算出している。スミアの算出方法とOB暗電流の算出方法の組み合わせは、図1Aから図1Pに限らない。
本発明の一実施例の全体構成の撮像装置を示すブロック図の図1A―図1Mの特徴は、比較部とラインメモリ部とにより、最大値または2番目に大きい値を除きCCD撮像素子の白キズの影響を削除している事である。
あるいは、図1D−図1Fに示す実施例のように、比較部21,22とラインメモリ72,75,76とを用いて所定の基準を満たすV−OBラインの垂直画素信号を選び、その選ばれた垂直画素信号を加算部13を用いて加算を行い、加算結果をラインメモリ71に記憶し、平均化部12で平均値としてのOB代表値信号を算出するように構成してよい。
さらに、CCD駆動部(TG)8はCPU9から出力される制御信号(図示せず)に従ってEM−CCD3を駆動するための信号を出力する。図1Cや図1Eに示す実施例ではFEP4にAGCがないので、白圧縮補正部5でデジタル映像信号ViからOB代表値信号を減算してからのデジタルAGCをおこなうように構成されている。
また、図1A―図1Fで示す実施例において、FEP内にAGCが含まれていない実施例や、スミア補正部のD.AGCの配置場所が異なる実施例や、デジタル信号ViやVmのビット数やOB代表値信号のビット数が異なる実施例や、比較部やラインメモリ部の構成が異なる実施例等があるが、これらは一実施例にすぎず種々の構成が適用されてよい。
まず、図1A、図2A、図3のA、図4のAに示す実施例について説明する。CPU9は、ラインメモリ部72、73に最小値信号の上限値、2番目に小さい信号の上限値をそれぞれ設定しておく。ここで、これらの上限値は、例えば、信号の輝度を数値化したものを用いてよい(以下で述べる各値についても、同様の基準で数値化されたものである)。比較部21は、ラインメモリ部72に記憶されている上限値とV−OB領域の1ライン目(以下V−OB1)の映像信号の画素の値とを各画素間で比較し、値が小さい方の信号(V−OB1の映像信号)を各画素の最小値の信号としてラインメモリ部72に記憶する(ステップ21,22)。比較部21は、V−OB2の映像信号の画素の値とラインメモリ部72に最小値の信号の値とを各画素間で比較し、値が小さい方の信号をラインメモリ部72に各画素の最小値の信号として記憶する。値が大きい方の信号は比較部22に送られる。比較部22は、大きい方の信号の値と2番目に小さい信号としてラインメモリ部73に記憶されている上限値とを各画素間で比較し、小さい方の信号を各画素の2番目に小さい信号としてラインメモリ部73に記憶する(ステップ23)。同様に、比較部21は、Nライン目(Nは3以上の自然数)のV−OBNの映像信号の画素の値とメモリ部72の最小値とを各画素間で比較し、値が小さい方の信号を各画素の最小値の信号としてラインメモリ部72に記憶する。値が大きい方の信号は各画素の比較1の信号として、比較部22に送られる(ステップ24)。比較部22は、2番目に小さい信号の値と比較1の信号の値とを各画素間で比較し、値が小さい方の信号を各画素の2番目に小さい信号としてラインメモリ部73に記憶する(ステップ25)。比較部22が最後のV−OBの比較処理を終了すると、ラインメモリ部73は、2番目に小さい信号をスミア補正用のOB代表値信号としてスミア補正部5に出力し(ステップ26)、代表値検出処理が終了する(ステップ27)。
さらに、図1D、図2D、図3のD、図4のDに示す実施例は、V−OBが3ライン以上で最大値を除く平均値を算出する方法を示しており、白キズが多くV−OBのライン数も多いが黒キズが少ないCCD撮像素子に適している。
図1E、図2E、図3のE、図4のEに示す実施例は、V−OBが4ライン以上で最大値と最小値を除く平均値を代表値として用いる方法を示しており、図1Eは22ビットにA/D変換しCCD撮像素子の暗電流の補正が容易な事と合わせて、白キズも黒キズも多くV−OBのライン数も多いCCD撮像素子を高感度動作させる用途に適している。
図1F、図2F、図3のF、図4のFに示す実施例は、V−OBが4ライン以上で最大値と2番目に大きい値を除く平均値を代表値としており、白キズが特に多くV−OBのライン数も多いCCD撮像素子を高感度動作させる用途に適している。
さらに、有効画素の各画素の暗電流がOB暗電流から算出され、有効画素の各画素の暗電流が有効画素の各画素の映像信号から減算されるため、暗電流むらがなくなり、高電子増倍時や長時間蓄積時の電流むらによるすだれ状の雑音がなくなり、実効感度が向上し、電子増倍率が低く制御できる。電子増倍率が低くて良いと電子増倍率の経時劣化も少なく、冷却部14の消費電力も少なくて済む。
図8Aと図8Bと図8Cとにおいて、横軸は入射光で縦軸はCCD出力で、左下側の直線及び曲線はV−OBの縦の画素(列)の最小値(V-OBmin)で近似検出される、V−OBスミアレベルとV−OBの暗電流または暗電流レベルが異常に高い白キズと呼ばれる画素の暗電流の合計値のCCD出力で、右上側の直線及び曲線は有効画素の垂直列の最大値Amaxつもりスミアやブルーミングの源となる入射光(以下光源)によるCCD出力である。縦軸との交点は、図8Aと図8Cでは暗電流であり、図8Bでは異常に多い暗電流である白キズの異常に多い暗電流である。
模式図の図8Cの(c)の様に、V-OBminのCCD出力信号レベルが飽和レベルになってもV-OBminのCCD出力信号を白伸張すれば、白伸張したV-OBminのCCD出力信号から80dB等一定の近似計算で有効画素の異常に強い過飽和入射光レベルは近似計算できる。
AGCを高くするか電子増倍率を高くすると、雑音は増加するが、画面上部の垂直スミアは沈み、水平方向にも白いすじ状の水平スミアが明らかになることを防止できる。異常に強い過飽和入射光の強度が更に高くなると、過飽和レベルの白が画面全体に広がることは確実に防止できる。
5:白圧縮補正部、6:暗電流スミア検出部、7:映像信号処理部、
8:CCD駆動部(TG)、9:CPU、10:利得可変部(D.AGC)
11,105:減算器、12:係数部、13,104,111,112:加算器、
14:冷却部、21,22,23,115:比較部、71〜76:ラインメモリ部、
101,103:白伸長部、
102:bit制限部(上位bit廃棄〜除算部〜白再圧縮部)
106,113:除算器、107:乗算器、108:平均部、
109,114:基準メモリ部、110:画面メモリ部
Claims (4)
- 固体撮像素子と該固体撮像素子の受光面の有効画素から出力される映像信号を取得する第1の取得部と前記固体撮像素子の受光面の上部または下部の遮光した画素から出力される信号を取得する第2の取得部とを有する固体撮像装置において、
遮光時の前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される信号と遮光時の前記第2の取得部で取得した遮光した画素から出力される信号とを記憶する第一の手段と前記第2の取得部で取得した遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最大値からM(Mは自然数)番目の値以下の値の平均値を算出する手段とを有し、前記記憶する第一の手段に暗電流の基準値を記憶し前記第2の取得部で取得した遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最大値からM(Mは自然数)番目の値以下の値の平均値を算出し、該遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最大値からM(Mは自然数)番目の値以下の値の平均値と該遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最大値からM(Mは自然数)番目の値以下の値の平均値の基準値との比を前記記憶する第一の手段の暗電流の基準値にかけて近似暗電流信号を算出し、
前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長した信号と前記算出した近似暗電流信号の高レベルを伸長した信号との差分信号を前記固体撮像装置の出力映像信号に用いることを特徴とする撮像方法。 - 固体撮像素子と該固体撮像素子の受光面の有効画素から出力される映像信号を取得する第1の取得部と前記固体撮像素子の受光面の上部または下部の遮光した画素から出力される信号を取得する第2の取得部とを有する固体撮像装置において、
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前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長した信号と前記算出した近似暗電流信号の高レベルを伸長した信号との差分信号を前記固体撮像装置の出力映像信号に用いることを特徴とする撮像方法。 - 固体撮像素子と該固体撮像素子の受光面の有効画素から出力される映像信号を取得する第1の取得部と前記固体撮像素子の受光面の上部または下部の遮光した画素から出力される信号を取得する第2の取得部とを有する固体撮像装置において、
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前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長した信号と前記算出した近似暗電流信号の高レベルを伸長した信号との差分信号を算出する手段を有し、該差分信号を算出する手段により、前記算出した近似暗電流信号の高レベルを伸長した信号と、前記伸長した信号と前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長した信号との差分信号を算出し、該差分信号を前記固体撮像装置の出力映像信号に用いることを特徴とする固体撮像装置。 - 固体撮像素子と該固体撮像素子の受光面の有効画素から出力される映像信号を取得する第1の取得部と前記固体撮像素子の受光面の上部または下部の遮光した画素から出力される信号を取得する第2の取得部とを有する固体撮像装置において、
遮光時の前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される信号と遮光時の前記第2の取得部で取得した遮光した画素から出力される信号とを記憶する第一の手段と前記第2の取得部で取得した遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最小値からN(Nは自然数)番目の値を算出する手段とを有し、前記記憶する第一の手段に暗電流の基準値を記憶し前記第2の取得部で取得した遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最小値からN(Nは自然数)番目の値を算出し、該遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最小値からN(Nは自然数)番目の値と該遮光した複数ラインの上部及び下部のV―OBのH―OBの画素から出力される信号の最小値からN(Nは自然数)番目の値の基準値との比を前記記憶する第一の手段の暗電流の基準値にかけて近似暗電流信号を算出し、
前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長した信号と前記算出した近似暗電流信号の高レベルを伸長した信号との差分信号を算出する手段を有し、該差分信号を算出する手段により、前記算出した近似暗電流信号の高レベルを伸長した信号と、前記伸長した信号と前記第1の取得部で取得した有効画素から出力される映像信号の高レベルを伸長した信号との差分信号を算出し、該差分信号を前記固体撮像装置の出力映像信号に用いることを特徴とする固体撮像装置。
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