JP3965237B2

JP3965237B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP3965237B2
Application number: JP36619397A
Authority: JP
Inventors: 英寿福田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: US6700608B1; JPH11196335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像素子を用いた撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像素子としては、図６に示すような構成のものが知られている。図６において、１は受光画素、２は該受光画素の周辺部に配置されている遮光されたＯＢ（Optical Black ）画素、３，４は受光画素１を走査し読み出すための垂直及び水平走査回路である。そして、このように構成されているＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子は、その水平走査回路及び垂直走査回路の駆動方法を工夫して制御することにより、任意の画素の信号を読み出すこと、すなわちランダムアクセスが可能であることが知られている。
【０００３】
また、一般に固体撮像素子においては、温度等の周囲環境の変化に対して安定した撮像動作を行うため、垂直もしくは水平ブランキング期間に遮光されたＯＢ画素を読み出して、その出力レベルがある基準レベルになるようにＯＢクランプを行っている。
【０００４】
例えば、特開平９−１６３２３６号公報には、受光画素の周辺部に遮光されたＯＢ画素を備えたＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子を用い、任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと、全画素を読み出すモードでの駆動を可能にした撮像装置の駆動方法において、（１）任意の画素数おきの受光画素を読み出すモード時にはＯＢ画素も間引いて低速で読み出す、（２）任意の画素数おきの受光画素を読み出すモード時にはＯＢ画素を間引かずに読み出す、また（３）全画素を読み出すモード時にはＯＢ画素を間引かずに読み出すようにした駆動方法が開示されている。
【０００５】
また、特開平９−１６３２４４号公報には、受光画素の周辺部に遮光されたＯＢ画素を備え、任意領域からの受光画素を読み出すモードで駆動できるようにした撮像装置において、水平又は垂直ブランキング期間に受光画素周辺部のＯＢ画素を読み出すようにし、これにより任意領域からの受光画素を読み出すモードのときにも安定してＯＢクランプ動作できるようにしたものについて開示がなされている。また、一般にＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子は、ＦＰＮ（固定パターンノイズ）が大きく、これを抑圧する必要があり、このＦＰＮの抑圧方法としては、例えば特開平７−１５６６６号公報には、画素から映像信号を読み出した後のリセット直後に読み出した画素信号をＦＰＮとしてメモリに書き込み、これを映像信号から減算して、ＦＰＮを抑圧するように構成したものについて開示がなされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像素子は、信号を読み出す画素を選択する走査回路を工夫することにより、ランダムアクセスが可能となるものであり、例えば、垂直、水平画素Ｈ×Ｖ＝2048×2048の 420万画素の撮像素子で、通常の全画素読み出しの他に、全撮像領域を水平、垂直共に１／４に間引いて、Ｈ×Ｖ＝ 512×512 画素だけ読み出すこと、あるいは任意の画素領域から受光画素を読み出すこと等が可能である。
【０００７】
ところで、図７の（Ａ）に示すように、信号を読み出す各ラインの受光画素１の前に配置したＯＢ画素２−１をＯＢクランプ動作のために読み出すようにした固体撮像素子において、全撮像領域からの間引き読み出しモード、領域Ａの読み出しモード、及び領域Ｂの読み出しモードで駆動を行うと、モニタ等にはそれぞれ図７の（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように表示されることになる。この際、ＯＢ画素を用いたＯＢクランプ動作と共にＦＰＮ抑圧動作を行わせた場合の動作態様について説明する。ＦＰＮの抑圧は、最初の１フレームはリセット直後の信号が読み出されるように固体撮像素子を駆動し、その信号をＦＰＮとしてメモリに記憶しておき、次のフレーム以降では映像信号から前記メモリに記憶されているＦＰＮを減算してＦＰＮを抑圧するようにしており、一方、ＯＢクランプ動作の時定数は、安定性の観点から通常数100ms に設定されている。したがって、例えば間引き読み出しモードから領域Ａの読み出しモードに移行した場合、その移行時の最初の１フレームのリセット直後の信号をＦＰＮとしてメモリに書き込む期間は、ほぼ移行前の間引き読み出しを行っていたときのＯＢ画素の出力に応じたＯＢクランプ動作が行われ、徐々に領域Ａの読み出し時に対応するＯＢ画素の出力に応じたＯＢクランプ動作に収束するようになる。よって、ＯＢクランプ動作のために読み出されるＯＢ画素に、垂直方向のばらつきによるシェーディングがある場合には、間引き読み出しモード時や領域Ａの読み出しモード時における画像の読み出し位置によって、読み出されるＯＢ画素の出力レベルが異なるので、ＦＰＮをメモリに書き込む最初の１フレーム期間におけるＤＣレベルと、数100ms かかってＯＢクランプ動作が安定したときのＤＣレベルが異なることになる。したがって、ＦＰＮとしてメモリに書き込まれるデータがオフセットをもち、そのオフセットをもつＦＰＮデータを映像信号から減算してＦＰＮを抑圧するようにしているので、ＦＰＮ抑圧後の映像出力にもオフセット分の誤差を含んでしまうという問題点がある。
【０００８】
また、１ショットの全画素読み出し撮像を行う場合にもＯＢクランプ動作が必要であるが、ＯＢクランプ回路の時定数は通常数100ms であるから、１ショットの撮像は短時間で行われるため安定したＯＢクランプ動作を行うことができないという問題点がある。
【０００９】
本発明は、従来のＯＢクランプ手段と共にＦＰＮ抑圧手段を備えた撮像装置における上記問題点を解消するためになされたもので、請求項１及び２記載の発明は、信号読み出しモードあるいは読み出し画素の位置及び／又は画素数が変わっても、安定したＯＢクランプ動作が行われ、正しくＦＰＮ抑圧ができるようにした撮像装置を提供することを目的とする。また、請求項３記載の発明は、全画素読み出し時にも安定したＯＢクランプ動作が行われ、確実なＦＰＮ抑圧動作が行われるようにした撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、受光画素と該受光画素の周辺部に遮光されたＯＢ画素を有するＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子を備え、該固体撮像素子を、任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと任意領域の受光画素を読み出すモードの両方又は一方の信号読み出しモードで駆動できるようにした撮像装置において、前記２つの信号読み出しモード、あるいは前記２つの信号読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数に係わらず、常に同じ位置のＯＢ画素を読み出しＯＢクランプ動作を行う手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
このように、２つの読み出しモード、あるいは２つの読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数に係わらず、常に同じ位置のＯＢ画素を読み出して、ＯＢクランプ動作を行うようにしているので、信号読み出しモードが変わったり、あるいは各信号読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数が変わっても、安定したＯＢクランプ動作が行われ、これによりＦＰＮ抑圧手段を設けた場合には、高精度でＦＰＮ抑圧動作を行わせることができる。
【００１２】
また、請求項１記載の撮像装置において、前記任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと、前記任意領域の受光画素を読み出すモードにおける読み出し画素数とを、同一に設定することにより、上記両モードにおいて信号蓄積時間が同じになるので、上記両モードの切替え前後において明るさの等しい安定した画像を得ることができる。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、受光画素と該受光画素の周辺部に遮光されたＯＢ画素を有するＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子を備え、該固体撮像素子を、任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと任意領域の受光画素を読み出すモードの両方又は一方の信号読み出しモード、及び全画素読み出しモードで駆動できるようにした撮像装置において、前記任意の画素数おきの読み出しモード及び任意領域の読み出しモード時には、これらの２つの信号読み出しモード、あるいは２つの信号読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数に係わらず、常に同じ位置のＯＢ画素を読み出しＯＢクランプ動作を行うと共に該ＯＢクランプ動作時のＯＢクランプ基準値をホールドし、全画素読み出しモード時には、前記任意の画素数おきの読み出しモード及び／又は任意領域の読み出しモード時においてホールドされていたＯＢクランプ基準値を用いてＯＢクランプ動作を行う手段を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
このように構成することにより、請求項１記載の発明と同様に、信号読み出しモードが変わったり、あるいは各信号読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数が変わっても、安定したＯＢクランプ動作が行われると共に、１ショット撮影時等の全画素読み出しモード時においても、タイムラグを短縮した安定且つ確実なＯＢクランプ動作を行わせることが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、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の実施の形態を示すブロック構成図である。図１において、11はＸ−Ｙアドレス型の固体撮像素子、12は固体撮像素子11の出力信号を増幅するプリアンプ、13はＯＰアンプ、14はＡ／Ｄ変換器に入力する信号の帯域を制限するためのＬＰＦ、15はＡ／Ｄ変換器のドライバ、16はフィードバックＯＢクランプ回路を構成するＯＰアンプである。17はＯＢ画素の読み出し時にＯＮしてＯＢ画素信号をＯＰアンプ16の入力端子の一方へ入力させるためのスイッチ、18はＯＰアンプ16へ入力されるＯＢ画素信号を保持するホールドコンデンサで、ＯＰアンプ16の他方の入力端子には基準レベルＶ_refが印加されている。19はＡ／Ｄ変換器、20は切替えスイッチ、21はＦＰＮを書き込むＦＰＮメモリ、22は減算回路である。
【００１６】
図２の（Ａ）は上記Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子11の画素部の構成を示す図で、11−１は受光画素、11−２は受光画素11−１の周辺部に配置されている遮光されたＯＢ画素、11−３は受光画素11−１の上部左側に配置されている、すなわち有効ラインの前に配置されているラインの一部のＯＢ画素で、ＯＢクランプ動作に用いるＯＢ画素を示している。この実施の形態における撮像素子11の画素部は、水平、垂直共に2048個の画素が配列され、 420万画素で構成されている。全画素読み出しを行ったときのフレームレートは数フレーム／秒となって、動画を撮像することはできないが、全撮像領域を水平、垂直共に１／４に間引いて読み出したり、あるいは部分的な領域Ａや領域Ｂを読み出す場合には、ＲＳ−170 等の標準ビデオ信号で動画を出力することが可能なものである。なお、図２の（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）は、間引き読み出し、領域Ａ及び領域Ｂの読み出しを行った場合の画像を示す図である。
【００１７】
また、60フィールド／秒で安定したＯＢクランプ動作を行うために、ＯＢクランプの時定数は数100ms に設定されており、常に有効ラインの前のラインのクランプ動作用ＯＢ画素11−３を用いて、垂直のブランキング期間にＯＢクランプを行うようになっている。
【００１８】
次に、このように構成されている撮像装置の動作を、図３に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。この実施の形態における動作説明においては、最初に間引き読み出しを行い、次いで領域Ａの部分領域の読み出し、次いで領域Ｂの部分領域の読み出しを行う場合を示している。まず、最初の１フレームでリセット直後の画素信号が読み出されるように固体撮像素子11を駆動し、クランプ動作用ＯＢ画素11−３の信号及び受光画素11−１のＦＰＮ信号を読み出す。クランプ用ＯＢ画素信号読み出し時には、スイッチ17を閉じてドライバ15の出力をフィードバック回路を構成するホールドコンデンサ18とＯＰアンプ16へ入力させ、ＯＰアンプ16からは基準レベルＶ_refとの差分を出力させてＯＰアンプ13にフィードバックし、これによりドライバ15の出力が基準レベルＶ_refと等しくなるようにフィードバッククランプされる。
【００１９】
次いで、受光画素11−１よりＦＰＮ信号が読み出されると、切替えスイッチ20を介してＦＰＮメモリ21に書き込まれる。次のフレーム以降では、映像信号Ｓ１，Ｓ２からＦＰＮメモリ21に書き込まれているＦＰＮを減算回路22で減算することにより、ＦＰＮが抑圧された映像信号が出力される。
【００２０】
次に、領域Ａの読み出しへと読み出し領域が変化した場合は、同様に最初の１フレームはリセット直後の信号が読み出されるように固体撮像素子を駆動し、その信号をＦＰＮ信号ＦＰＮａとしてＦＰＮメモリに書き込み、次のフレーム以降では映像信号Ａ１，Ａ２からＦＰＮメモリに書き込まれているＦＰＮａを減算して、ＦＰＮを抑圧した映像信号を出力する。領域Ｂの読み出し時においても同様にして、映像信号Ｂ１，Ｂ２からＦＰＮメモリに書き込まれているＦＰＮｂを減算して、ＦＰＮを抑圧した映像信号を出力する。
【００２１】
本実施の形態においては、上記のように間引き読み出しモード時、及び領域Ａ又はＢの部分領域の読み出しモード時においても、常に同一のクランプ動作用ＯＢ画素11−３を用いてクランプ動作を行うようにしているので、ＯＢ画素の出力を等しくすることができる。したがって、間引き読み出しから領域Ａの読み出しへ、あるいは領域Ａの読み出しから領域Ｂの読み出しへ等の、信号の読み出し領域が変化した場合であっても、継続して安定したＯＢクランプ動作が行われる。また、ＦＰＮとしてメモリに書き込まれる最初の１フレームのデータと、次のフレーム以降の映像信号のＤＣレベルが等しくなるため、ＦＰＮ抑圧後の映像出力も正しく出力される。
【００２２】
次に、第２の実施の形態を図４のブロック構成図に基づいて説明する。図４において、図１に示した第１の実施の形態と同一又は対応する部材には同一符号を付して示し、その説明を省略する。図４において、31はＡ／Ｄ変換器19の出力データと基準レベルＶ_REFとの差分を出力する差動増幅器、32は差動増幅器31の出力をフィールド周期で巡回平均するＬＰＦ機能をもつ巡回加算回路、33は巡回加算回路32の出力をホールドするホールド回路、34は巡回加算回路32とホールド回路33の出力を切り替え出力させるための切替えスイッチ、35はＤ／Ａ変換器、36はＤ／Ａ変換器35のバッファアンプであり、前記差動増幅器31から切替えスイッチ34まではデジタル回路であり、Ｄ／Ａ変換器35でアナログ信号に変換してＯＰアンプ13にフィードバックするフィードバック回路を構成している。37は固体撮像素子11の全画素の撮像データを書き込む全画素メモリ、38は減算回路である。なお、Ｘ−Ｙアドレス型の固体撮像素子11は、第１の実施の形態において用いているものと同じ構成のものである。
【００２３】
次に、このように構成されている第２の実施の形態の動作を、図５に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。この第２の実施の形態の動作説明においては、最初に間引き読み出しあるいは任意領域の読み出しを行い（図５においては間引き読み出しの場合を例示している）、次いで全画素読み出しを行う場合について説明する。まず、間引き読み出しあるいは任意領域の読み出しモードの動作において、最初の１フレームでリセット直後の画素信号が読み出されるように固体撮像素子11を駆動し、クランプ動作用ＯＢ画素11−３の信号及び受光画素11−１のＦＰＮ信号を読み出す。クランプ用ＯＢ画素信号は、Ａ／Ｄ変換器19でデジタル信号に変換された後、フィードバック回路を構成している差動増幅器31へ入力される。差動増幅器31ではＡ／Ｄ変換器19の出力データと基準レベルＶ_REFとの差分を出力し、その差分は巡回加算回路32へ入力され、フィールド周期で巡回平均され、その出力はホールド回路33へ入力されると共に、切替えスイッチ34を介してＤ／Ａ変換器35へ入力され、アナログ信号に変換されてＯＰアンプ13にフィードバックされる。これによりＡ／Ｄ変換器19の出力データは、常に基準レベルＶ_REFと等しくなるようにフィードバッククランプされる。
【００２４】
受光画素11−１より読み出されたＦＰＮ信号は、Ａ側へ接続されている切替えスイッチ20を介してＦＰＮメモリ21に書き込まれる。次のフレーム以降では、切替えスイッチ20はＢ側に切り替えられ、映像信号Ｓ１，Ｓ２からＦＰＮメモリ21に書き込まれているＦＰＮ信号を減算回路22で減算することにより、ＦＰＮが抑圧された映像信号が出力される。この間引き読み出し動作あるいは任意領域の読み出し動作中は、切替えスイッチ34はＡ側へ接続されていて、フィードバッククランプ回路が動作しているが、間引き読み出し動作から任意領域の読み出し動作等への、信号を読み出す領域が変化した場合でも、読み出されるクランプ動作用ＯＢ画素11−３は常に同じであるから、安定してＯＢクランプ動作が行われる。
【００２５】
間引き読み出しあるいは任意領域の読み出しモードから全画素読み出しモードへ移行する場合は、切替えスイッチ34はＢ側へ、切替えスイッチ20はＣ側へ切り替えられる。これにより、間引き読み出しあるいは任意領域の読み出しを行っていたときにホールド回路33でホールドしていたフィードバックデータを、Ｄ／Ａ変換器35でアナログ信号に変換してＯＰアンプ13へフィードバックする。そして、全画素読み出しを行って撮像するときには、シャッタ（図示せず）で露光時間を設定して、最初の１フレームで全画素の映像信号を全画素メモリ37に書き込む。次いで、切替えスイッチ20をＢ側へ切り替えてシャッタで遮光したときの全画素信号（暗時信号：ＦＰＮ信号に相当する）を読み出し、減算回路38において全画素メモリ37から読み出した映像信号から減算することにより、ＦＰＮを抑圧した全画素映像信号を得ることができる。
【００２６】
このように、全画素信号の読み出し動作へ移行する前の読み出し動作における安定してＯＢクランプ動作しているときのフィードバック信号をホールドしておいて、全画素信号読み出し動作への移行時に、そのホールドされていたフィードバック信号をフィードバックすることにより、全画素信号読み出しモード時においても、安定したＯＢクランプ動作と確実なＦＰＮ抑圧動作が可能となる。また、全画素を読み出す撮影時の映像信号をＦＰＮ信号よりも先に読み出すようにしているので、タイムラグの少ない撮影を行うことができる。
【００２７】
上記実施の形態においては、間引き読み出しモード動作後に任意領域の読み出しモード動作を行う態様、あるいは間引き読み出し又は任意領域の読み出しモード動作の後に全画素読み出しモード動作を行う動作態様について説明を行ったが、本発明において用いているＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子のランダムアクセスが可能であるという特徴を利用して、間引き読み出し動作と任意領域読み出し動作をフィールド又はフレーム毎に切り替え、両方の画像を取り出して表示することによって、高精細な固体撮像素子の画角（撮像範囲）調整とピント合わせをリアルタイムに行うことが可能であり、このように固体撮像素子を駆動する場合においても、図２に示したようにＯＢクランプ動作に常に同じＯＢ画素を用いることによって、信号読み出しモードあるいは読み出し画素の位置及び／又は画素数が変わっても、安定したクランプ動作が行われ、また上記読み出し動作後に全画素読み出しを行う際に、上記のようにホールドしておいたＯＢクランプ基準値を用いるように構成することにより、安定した確実なＯＢクランプ動作を行わせることができ、またＦＰＮ抑圧手段を設けた場合には、高精度のＦＰＮ抑圧動作を行わせることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１記載の発明によれば、信号読み出しモードが変わったり、あるいは読み出し受光画素の位置及び／又は画素数が変わっても、安定したＯＢクランプ動作を行うことができ、また請求項２記載の発明によれば、任意の画素数おきに読み出したときと、任意領域の受光画素を読み出したときとで信号蓄積時間が同じになるので、常に明るさの等しい安定した画像が得られる。また請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明と同様の効果が得られると共に、１ショット撮影時等の全画素読み出しモード時においても、タイムラグを短縮した安定なＯＢクランプ動作を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る撮像装置の第１の実施の形態を示すブロック構成図である。
【図２】図１におけるＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子の画素部の構成、及び間引き読み出し時、領域Ａ及びＢの部分領域の読み出し時における画像を示す図である。
【図３】図１に示した第１の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示すブロック構成図である。
【図５】図４に示した第２の実施の形態の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】従来の一般的なＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子の構成を示す概略図である。
【図７】図６に示した固体撮像素子の画素部の構成、及び間引き読み出し時、領域Ａ及びＢの部分領域の読み出し時における画像を示す図である。
【符号の説明】
11 Ｘ−Ｙアドレス型固体撮像素子
12 プリアンプ
13 ＯＰアンプ
14 ＬＰＦ
15 ドライバ
16 ＯＰアンプ
17 スイッチ
18 ホールドコンデンサ
19 Ａ／Ｄ変換器
20 切替えスイッチ
21 ＦＰＮメモリ
22 減算回路
31 差動増幅器
32 巡回加算回路
33 ホールド回路
34 切替えスイッチ
35 Ｄ／Ａ変換器
36 バッファアンプ
37 全画素メモリ
38 減算回路

Claims

受光画素と該受光画素の周辺部に遮光されたＯＢ画素を有するＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子を備え、該固体撮像素子を、任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと任意領域の受光画素を読み出すモードの両方又は一方の信号読み出しモードで駆動できるようにした撮像装置において、前記２つの信号読み出しモード、あるいは前記２つの信号読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数に係わらず、常に同じ位置のＯＢ画素を読み出しＯＢクランプ動作を行う手段を備えていることを特徴とする撮像装置。
前記任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと、前記任意領域の受光画素を読み出すモードにおける読み出し画素数が、同一に設定されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
受光画素と該受光画素の周辺部に遮光されたＯＢ画素を有するＸ−Ｙアドレス型固体撮像素子を備え、該固体撮像素子を、任意の画素数おきの受光画素を読み出すモードと任意領域の受光画素を読み出すモードの両方又は一方の信号読み出しモード、及び全画素読み出しモードで駆動できるようにした撮像装置において、前記任意の画素数おきの読み出しモード及び任意領域の読み出しモード時には、これらの２つの信号読み出しモード、あるいは２つの信号読み出しモードにおける読み出し受光画素の位置及び／又は画素数に係わらず、常に同じ位置のＯＢ画素を読み出しＯＢクランプ動作を行うと共に該ＯＢクランプ動作時のＯＢクランプ基準値をホールドし、全画素読み出しモード時には、前記任意の画素数おきの読み出しモード及び／又は任意領域の読み出しモード時においてホールドされていたＯＢクランプ基準値を用いてＯＢクランプ動作を行う手段を備えていることを特徴とする撮像装置。