JP3971102B2 - イメージ入力システム - Google Patents
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Description
本発明は、光電変換及び電荷の蓄積にMOSトランジスタを利用したX−Yアドレス方式の固体撮像デバイスやCCD(Charge Coupled Device)を利用した電荷転送方式の固体撮像デバイスなどを用いて光学的にイメージを入力するイメージ入力システムに係り、特に固体撮像デバイスから出力される信号のノイズ成分が、後段の相関二重サンプリング方式による処理などに与える影響を緩和する技術に関し、例えば、ビデオカメラやディジタルスチルカメラ等に適用して有効な技術に関するものである。
背景技術
CCDは、照射された光の強弱による光学像をその光の強弱に応じた電荷信号に変換する事ができ、また、多数の転送ゲートに順次パルスを加えて半導体基板表面に形成されたポテンシャルの井戸を順次移動させていくことにより前記電荷信号を移動させることができる。電荷信号(キャリア)の移動は、CCDに並設された多数の転送ゲート(絶縁ゲート)を例えば相互に逆送の2相パルス信号で制御することにより行なうことができる。転送されてきた電荷信号を出力する出力部として例えばGCD(Gated Charge Detector)と呼ばれる回路がある。このGCD形式の出力部は、前記パルス信号による電荷転送の1周期毎にプリチャージMOSトランジスタでプリチャージされるフローティング容量素子を有し、プリチャージされたフローティング容量素子にCCDからの電荷信号が流れ込むことによる当該フローティング容量素子の電位変化を、ソースフォロア出力回路で検出するようにしたものである。ソースフォロア出力回路の入力MOSトランジスタのゲート容量をC3、フローティング容量素子の容量をC0とすると、ソースフォロア出力回路の出力電圧は、大凡、Qs/(C3+C0)だけ低下される(Qsを負電荷とする)。
上記出力部による出力動作は、プリチャージMOSトランジスタによるリセット期間(固体撮像素子の終段転送ゲートがオフ状態にされていてプリチャージMOSトランジスタのオン動作によりプリチャージが行なわれる期間)、フィードスルー期間(固体撮像デバイスの終段転送ゲート及びプリチャージMOSトランジスタがオフ状態にされ上記プリチャージ電荷がフローティング容量及びソースフォロア入力MOSトランジスタの入力ゲート容量などに再配分されて安定化される期間)、及び電荷信号出力期間(プリチャージMOSトランジスタがオフ状態にされていて固体撮像デバイスの終段転送ゲートからフローティング容量素子に向けて電荷信号が出力される期間)とされる。
上記出力部から出力される電荷信号には、前記ソースフォロア入力MOSトランジスタで発生する1/fノイズ、そしてフローティング容量素子などを転送周期毎にリセットするときに発生するリセットノイズなどの容量性ノイズが含まれている。この容量性ノイズは低周波で発生するので、そのノイズを低減するために、固体撮像デバイスの出力信号を相関二重サンプリング方式で増幅する前処理回路を採用することができる。この相関二重サンプリング方式を適用した相関二重サンプリング増幅回路は、前記フィードスルー期間の出力信号レベル(黒レベル)と電荷信号出力期間の出力信号レベルとの差電圧に応ずる信号を形成する。
更に、前記相関二重サンプリング増幅回路の後段には、フィードバッククランプ回路が配置されている。このフィードバッククランプ回路は、固体撮像デバイスの受光部が光学的に遮断された状態において、上記フィードスルー期間の信号レベル(黒レベル)と前記信号電荷出力期間の信号レベル(固体撮像デバイスの受光部が光学的に遮断された状態において当該信号レベルを特に基準信号レベルと称する)との差電圧をサンプリングし、サンプリングした差電圧が一定電圧となるように、相関二重サンプリング増幅回路の出力電圧にフィードバック電圧を重畳する。これにより、水平走査期間における一定の電荷転送期間(映像期間)中は、黒レベルと前記差電圧とを基準にした映像信号が前処理回路で形成され、映像信号は更に後段の信号処理回路に供給される。
本発明者らは上述のような固体撮像デバイス及び前処理回路について検討した。これによれば、プリチャージMOSトランジスタのゲート・ソース間の寄生容量、そして、固体撮像デバイスの終段転送ゲートと出力ノードとの間の寄生容量(出力ノード寄生容量)により、出力部の出力動作が、前記フィードスルー期間から電荷信号出力期間に遷移するとき、電荷転送制御のためのパルス信号変化が出力ノード寄生容量を介して出力ノードのレベルを不所望に変化させることが明らかにされた。前記不所望なレベル変化量は、主に、出力ノード寄生容量とフローティング容量との容量比によって決定される。このとき、出力部の検出感度を高くするためにフローティング容量素子の容量は小さくされる傾向にあるから、相対的に出力ノード寄生容量が大きくなり、これにより、前記電荷信号出力期間における不所望なレベル変化が大きくなることが本発明者によって見出された。そのような容量性ノイズに起因する不所望なレベル変化は、電荷信号出力期間に不所望なオフセット電圧となってソースフォロア出力回路から出力される。
前記オフセット電圧が大きくされると、前記フィードバッククランプ回路によるフィードバック制御量が大きくなり、回路動作がそれに追従できなくなる虞の有ることが本発明者らによって見出された。フィードバック制御が追従できないと、映像信号の基準が水平走査を単位としてランダムに変化され、入力されたイメージ画像にむらを生ずることになる。これに対処するために、フィードバッククランプ回路を構成するトランジスタのコンダクタンスを大きくすると、チップ占有面積及び電力消費の増大を招くことになる。特に、低消費電力化のために動作電源電圧が低電圧化される事情の下では、必要なフィードバック制御量を満足できなくなる。また、上記相関二重サンプリング増幅回路やフィードバッククランプ回路等を含む前処理回路が半導体集積回路化された前処理LSIとして提供される場合、容量性ノイズ成分の比較的大きな固体撮像デバイスに対しては前処理LSIを汎用的に利用できない、という問題点についても本発明者らによって明らかにされた。
本発明の目的は、利用する固体撮像デバイスの容量性ノイズ特性が良好でなくても高品位のイメージ入力を行なうことができるイメージ入力システムを提供することにある。
本発明の別の目的は、固体撮像デバイスの出力信号に含まれるオフセット電圧の影響によってフィードバッククランプ制御が追従できなくなる事態を防止することができるイメージ入力システムを提供することにある。
本発明の上記並びにその他の目的と新規な特徴は本明細書の以下の記述と添付図面から明らかにされるであろう。
発明の開示
本発明に係るイメージ入力システムは、固体撮像デバイスと、前記固体撮像デバイスの出力信号に対して相関二重サンプリング増幅を行なって映像信号を出力する前処理回路とを含む。前記前処理回路は、前記固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずる信号情報を出力する相関二重サンプリング増幅回路と、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態における前記固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずるオフセット電圧をキャンセルするためのオフセットキャンセル電圧を前記相関二重サンプリング増幅回路の入力端子に印加するオフセットキャンセル手段とを含み、前記相関二重サンプリング増幅回路は、前記オフセット電圧とオフセットキャンセル電圧とを相互に逆極性の信号成分として相殺するものである。イメージ入力システムは、前記前処理回路から出力される映像信号を入力して画像信号処理を行なうデータ処理装置を更に含むことができる。
前記固体撮像デバイスの出力信号に含まれる容量性ノイズ成分によるオフセット電圧と、相関二重サンプリング増幅回路の入力端子に与えられるオフセットキャンセル電圧とは、相互に逆極性の信号成分として、相関二重サンプリング増幅回路で相殺される。これにより、固体撮像デバイスで得られる信号情報からオフセット電圧が除去若しくは減ぜられ、固体撮像デバイスの容量性ノイズ特性が良好でなくても高品位のイメージ入力を行なうことができる。
本発明による更に詳しい態様のイメージ入力システムでは、前記固体撮像デバイスはGCD形式の出力部を有する。例えばこの出力部は、信号電荷の出力周期毎にプリチャージMOSトランジスタによってプリチャージされるフローティング容量素子を有し、プリチャージされたフローティング容量素子に電荷信号が流れ込むことによる前記フローティング容量素子の電位変化を、ソースフォロア出力回路で検出するようにした回路である。前記前処理回路は更に、前記相関二重サンプリング増幅回路の出力信号のゲインを調整するゲインコントロール回路と、ゲインコントロール回路の出力をアナログ信号からディジタル信号に変換して出力するAD変換回路と、前記AD変換回路の出力信号を受け、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態における前記固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に基づいて前記AD変換回路から得られる出力信号を一定レベルにするためのフィードバッククランプ制御を行なう補正手段とを有する。
前記補正手段は、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態におけるフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずる前記AD変換回路の出力信号レベルを検出し、検出した前記出力信号レベルに基づいてフィードバッククランプ電圧を生成するフィードバッククランプ電圧生成回路と、生成されたフィードバッククランプ電圧を前記相関二重サンプリング増幅回路の出力に選択的に加える第1スイッチ手段とによって構成することができる。
前記相関二重サンプリング増幅回路は、固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を形成する第1サンプリング回路と、第1サンプリング回路の差電圧に対する参照電圧を形成する第2サンプリング回路と、前記第1及び第2サンプリング回路で夫々形成された電圧を差動増幅する差動アンプとを含んで構成することができる。
このとき、前記オフセットキャンセル手段は、第1の態様として、固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態において前記AD変換回路の出力に基づいてオフセット電圧を検出し、検出したオフセット電圧に基づいてオフセットキャンセル電圧を生成するオフセットキャンセル電圧生成手段と、生成したオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで構成することができる。これにより、補正手段はオフセットキャンセル電圧によって固体撮像デバイスの出力信号からオフセット電圧が除去された信号に対してフィードバッククランプ制御を行なえばよい。したがって、補正手段による補正制御量にはオフセット電圧に起因する信号量を含まなくても済むから、補正手段による制御量を小さくでき、また、補正手段などが低電圧電源で動作されても、フィードバッククランプ制御には良好な追従性を得ることができる。
前記オフセットキャンセル手段は、第2の態様として、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態におけるフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に従って前記差動アンプから出力される信号を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路で検出された電圧信号と基準電圧信号との差電圧によってオフセットキャンセル電圧を生成するオフセット電圧生成手段と、生成されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで構成することができる。この第2の態様では、第1の態様と同様にフィードバック制御により自動的にオフセット電圧のキャンセルが可能になる。更に、第1の態様に比べてオフセットキャンセル手段の回路規模を縮小することができる。
前記オフセットキャンセル手段は、第3の態様として、固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態においてオフセットキャンセル電圧のレベルを指定するための制御情報を外部から入力する手段と、入力された制御情報に基づいてオフセットキャンセル電圧を生成するオフセットキャンセル電圧生成手段と、生成されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで構成することができる。この手段は、フィードバック制御を行なわないが、電圧検出回路が不用になり、回路規模を縮小できる。
前記オフセットキャンセル手段は、第4の態様として、オフセットキャンセル電圧を入力する外部端子と、外部端子に入力が結合されたバッファアンプと、バッファアンプから出力されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加えるスイッチ手段とを含んで構成することができる。この手段では、オフセットキャンセル電圧を直接外部から受ければよい。上記第3及び第4の態様に係るオフセットキャンセル手段を採用する場合、外部から入力した制御情報又はオフセットキャンセル電圧が適切な値であるかを把握可能にするには、前記前処理回路に、前記補正手段によるフィードバッククランプ電圧を外部から観測可能にする外部モニタ端子を含め、そのフィードバッククランプ電圧が規定の電圧になるように前記制御情報又はオフセットキャンセル電圧を決めてやればよい。
発明を実施するための最良の形態
第1図には本発明に係るイメージ入力システムの一実施例が示される。同図に示されるイメージ入力システムは、ディジタルビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ、更にはディジタル内視鏡等に適用され、代表的に示されたレンズ1、CCD撮像デバイス2、半導体集積回路化された前処理回路(前処理LSI)3、DSP(Digital Signal Processor:ディジタル・シグナル・プロセッサ)4、バッファメモリ5、マイクロコンピュータ6及びタイミングジェネレータ7を有する。前記DSP4,マイクロコンピュータ6はデータ処理装置の一例である。
前記CCD撮像デバイス2は、例えば、光学像を信号電荷に変換する充電変換機能を有する受光部、受光部で充電変換された信号電荷を水平ライン毎に垂直転送する複数の垂直転送CCD部、各垂直転送CCD部より送られてきた1ライン毎の電荷を順次転送する水平転送CCD部、及び水平転送CCD部より転送されてきた信号電荷を信号電圧に変換して出力する出力部によって構成される。このようなCCD撮像デバイスはインクライン型と称される。
前記前処理LSI3は、前記出力部から出力された電圧信号を相関二重サンプリング増幅回路で増幅し、増幅された信号のゲインコントロールを行い、ゲインコントロールされた信号を前記DSP4に出力すると共に、前記相関二重サンプリング増幅回路の出力に対するフィードバッククランプ制御と、前記出力部から出力された電圧信号に対してオフセット電圧をキャンセルする制御を行なう。前記オフセット電圧のキャンセル制御と、前記フィードバッククランプ制御については、その詳細を後述する。
前記DSP4は、前処理LSI3から出力された映像信号に対するフィルタリング処理などの画像信号処理を行なう。前記バッファメモリ5は画像信号処理された画像データを一時的に格納したり、前記マイクロコンピュータ6のワーク領域に利用される。
前記マイクロコンピュータ6は、システム全体の制御を行なう回路であって、バス8を介してDSP4に画像信号処理コマンドを発行し、バッファメモリ5のアクセス制御を行ない、また、PCMCIAインタフェースによるPCカードインタフェース制御などを行なう。前記タイミングジェネレータ7は前処理回路3、DSP4及びマイクロコンピュータ6に各種動作クロック信号やタイミング信号を与える。
尚、前記タイミングジェネレータ7はマイクロコンピュータ6が内蔵してもよい。また、DSP4は中央処理装置と共にマイクロコンピュータ6に内蔵させてもよい。また、マイクロコンピュータ6に内蔵された中央処理装置のデータ処理能力が高い場合には、第2図に例示されるように、DSP4に代えて、マイクロコンピュータ6に内蔵された中央処理装置がその動作プログラムに従って画像信号処理を実行するように構成することも可能である。
第3図には前記CCD撮像デバイス2の一例が示される。同図において20で示されるものは水平転送CCD部であり、これに直行する方向には夫々図示を省略する前記受光部及び垂直転送CCD部が配置されている。水平転送CCD部20は、直列的に配置されたMOSキャパシタによって構成され、個々のMOSキャパシタの転送ゲートには1個置きに相互に逆相の転送パルス信号H1,H2が供給され、その転送パルス信号H1,H2の変化に同期して信号電荷を順次出力ノード22に向けて転送する。
水平転送CCD部20から転送されてきた電荷信号はGCD形式の出力部21にて電圧信号に変換される。前記出力部21は、水平転送CCD部20の出力ノード22に結合されたフローティング容量素子23、前記パルス信号H1,H2による電荷転送の1周期毎にフローティング容量素子23をプリチャージするプリチャージMOSトランジスタ24、及び前記出力ノード22にゲート電極が結合されたソースフォロア入力MOSトランジスタ25を有する。ソースフォロア入力MOSトランジスタ25は電流源26と共にソースフォロア出力回路を構成し、当該MOSトランジスタ25のソースが出力端子27とされる。第3図においてRGはリセットパルスである。G0で示されるものは前記フローティング容量素子23の容量、C1で示されるものはMOSトランジスタ24のゲート・ソース間の寄生容量、C2は水平転送CCD部20の出力ノード22と転送パルス信号H1を受ける転送ゲートとの間の寄生容量、C3はMOSトランジスタ25の入力ゲート容量を意味する。尚、出力部21のソースフォロア出力回路は1段に限定されず、複数段直列接続してもよい。
第4図には出力部21による出力動作タイミングの一例が示される。転送パルス信号H1,H2は夫々ローレベルによって電荷信号を1画素づつ後段へ転送する。リセットパルスRGはハイレベルによってプリチャージMOSトランジスタ24をオン状態にする。
上記出力部21による出力動作は、リセット期間T1、フィードスルー期間T2、及び電荷信号出力期間T3とされる。リセット期間T1において、水平転送CCD部20の終段転送ゲートはハイレベルの転送パルス信号H1によりオフ状態にされており、この状態でハイレベルのリセットパルス信号RGにてプリチャージMOSトランジスタ24がオン動作されることにより、出力ノード22及びフローティング容量素子23のプリチャージが行なわれる。このとき、前記寄生容量C1,C2及びゲート入力容量C3も充電される。
前記フィードスルー期間T2において、水平転送CCD部20の終段転送ゲート及びプリチャージMOSトランジスタ24の双方がオフ状態にされて出力ノード22はフローティング状態になり、上記プリチャージ電荷がフローティング容量素子23及びソースフォロア入力MOSトランジスタ25の入力ゲート容量C3などに電荷再配分されて安定化される。このフィードスルー期間T2で出力端子27に得られる電圧レベルを黒レベルと称する。
前記電荷信号出力期間T3は、プリチャージMOSトランジスタ24をオフ状態に維持させて、水平転送CCD部20の終段転送ゲートから出力ノード22に向けて電荷信号を出力する期間である。これにより、プリチャージされたフローティング容量素子23などに水平転送CCD部20からの電荷信号が流れ込み、これによる出力ノード22の電位変化が、ソースフォロア出力回路の出力端子27に得られる。
前記フィードスルー期間T2の黒レベルに対して、電荷信号出力期間T3の信号レベルは、大凡、Qs/(CO+C3+C1+C2)だけ低下される。Qsは負電荷である。
上記出力端子27に得られる電圧信号には、前記ソースフォロア入力MOSトランジスタ25で発生する1/fノイズ、プリチャージMOSトランジスタ24を転送周期毎にリセットするときに発生するリセットノイズなどの容量性ノイズが含まれている。特に前記寄生容量C2に着目すると、出力部21の出力動作が、前記フィードスルー期間T2から電荷信号出力期間T3に遷移するとき、転送パルス信号H1の変化が寄生容量C2を介して出力ノード22のレベルを不所望に変化させることが本発明者によって明らかにされている。前記不所望なレベル変化量は、主に、寄生容量C2とフローティング容量C0との容量比によって決定される。このとき、出力部21の検出感度を高くするためにフローティング容量素子23の容量C0は小さくされる傾向にあるから、相対的に寄生容量C2が大きくなり、これにより、前記電荷信号出力期間T3における不所望なレベル変化が大きくなる。上記容量性ノイズ成分に起因したそのような不所望なレベル変化は、電荷信号出力期間に不所望なオフセット電圧となってソースフォロア出力回路21から出力される。前記前処理LSI3はそのようなオフセット電圧をキャンセルする新たな機能が追加されている。
ここで、前記オフセット電圧について更に説明する。例えば第5図に示される画像に対するイメージ入力走査において、OBP(Optical Black Pulse)は水平方向走査の同期信号(水平同期信号)とされ、CCD撮像デバイス2は水平同期信号OBPのハイレベル期間(ラスタ走査における映像期間に類似する期間であり映像期間とも称する)に光学像の入力を行う。水平同期信号OBPのローレベル期間は受光部が光学的に遮断される期間(ラスタ走査における水平帰線期間に類似する期間であり基準期間とも称する)である。
映像期間中において、電荷信号出力期間T3中の電圧信号レベルは黒レベルに対して例えば20〜500mVの範囲の電位差を有する。一方、基準期間では、受光部は光学的に遮断されているので、理論上、電荷信号出力期間T3中の電圧信号レベルは黒レベルに一致されはずである。しかしながら、実際は前述の容量性ノイズ成分があるから、基準期間における電荷信号出力期間T3中の電圧信号レベルは、黒レベルに対して±ΔVのオフセット電圧分だけずれる。そのようなオフセット電圧は、映像期間においても電荷信号出力期間T3中の電圧信号レベルに重畳されている。
第6図には前記前処理LSI3の一例が示される。前記前処理LSI3は、前記CCD撮像デバイス2の出力部21から電圧信号を受ける相関二重サンプリング増幅回路(CDS)30と、前記相関二重サンプリング増幅回路30の出力信号のゲインを調整するゲインコントロール回路(PGA)31と、ゲインコントロール回路31の出力をアナログ信号からディジタル信号に変換して出力するAD変換回路(ADC)32と、フィードバッククランプ電圧生成回路33及び第1加算スイッチ回路34から成る補正手段35と、オフセットキャンセル電圧生成回路36及び第2加算スイッチ回路37から成るオフセットキャンセル手段38とを含む。
前記PGA31に対するゲインコントロールの指示は例えばマイクロコンピュータ6によって垂直走査期間毎に行なわれる。補正手段35に対する制御動作は、特に制限されないが、基準期間毎に行なわれる。
前記フィードバッククランプ電圧生成回路33は、CCD撮像デバイス2が光学的に遮断された状態において前記ADC32の出力信号レベルを検出し、検出した前記出力信号レベルに基づいてフィードバッククランプ電圧Vclpを生成する。第1加算スイッチ回路34は、フィードバッククランプ電圧生成回路33で生成されたフィードバッククランプ電圧Vclpを前記CDS30の出力に選択的に加算する。これによって補正手段35は、CCD撮像デバイス22が光学的に遮断された状態において前記AD変換回路32から得られる出力信号を一定レベルにするためのフィードバッククランプ制御を行なうことができる。例えばADC32が10ビットの変換精度を有するとき、上記一定レベルとして、ADC32の最小出力値からn番目の値を採用することができる。
前記オフセットキャンセル電圧生成回路36は、外部入力された情報(VOF)に基づいて、オフセットキャンセル電圧を生成する。第2加算スイッチ回路37は、生成されたオフセットキャンセル電圧をCDS30の入力端子に加える。
前記オフセットキャンセル手段38は、オフセットキャンセル電圧によってCCD撮像デバイス2の出力信号からオフセット電圧を除去する。補正手段35は、オフセット電圧が除去された信号に対してフィードバッククランプ制御を行なえばよい。したがって、補正手段35による補正制御量にはオフセット電圧に起因する信号量を含まなくても済み、補正手段35による制御量を小さくでき、また、補正手段35などが低電圧電源で動作されても、フィードバッククランプ制御には良好な追従性を得ることができる。
第7図には前記CDS30、補正手段35及びオフセットキャンセル手段38の一例回路図が示される。同図を参照しながらそれらについて詳述する。
前記CDS30は、差動入力及び差動出力型の差動アンプ300、サンプリング容量301,302、サンプリングスイッチ(SW1)303、リセットスイッチ(SW3)304を有する。305で示されるものはゲイン調整用容量素子305である。前記リセットスイッチ304は電圧VRT(例えばVdd/2等)に接続される。差動アンプ300の非反転入力端子にはサンプリング容量301を介してCCD撮像デバイス2からの電圧信号CDSINが供給される。差動アンプ300の反転入力端子にはサンプリングスイッチ(SW1)303を介して一定の電圧V1(任意に決定された一定電圧例えばVdd/2等)が与えられる。
前記フィードバッククランプ電圧生成回路33は、ADC32の出力をアナログ信号に変換するDAC330、クランプ電圧制御スイッチ331(SW10)、時定数設定用の抵抗素子332、及び容量素子333を有する。前記フィードバッククランプ電圧Vclpはボルテージフォロアアンプ39を介して前記第2加算スイッチ回路34(SW4)に伝達され、同スイッチ回路34を経て前記差動アンプ300の反転出力端子に伝達される。
前記電圧VOFは、ボルテージフォロアアンプ361を介して、前記第2加算スイッチ回路37(SW2)に伝達され、サンプリング容量302の蓄積電極に与えられる。電圧VOFは、オフセット電圧に応ずるオフセットキャンセル電圧Voftに前記一定電圧V1を重畳した電圧である。これにより、CCD撮像デバイス2が光学的に遮断された状態において黒レベルと基準信号レベルとの差電圧であるオフセット電圧に応ずるオフセットキャンセル電圧Voftに前記一定電圧V1を重畳した電圧に相当する電圧VOFがボルテージフォロアアンプ361から出力される。
第8図には第7図に示される回路の動作タイミングの一例が示される。前記クランプ電圧制御スイッチ331(SW10)により、フィードバッククランプ電圧Vclpの状態は基準期間で決定され、次の映像期間中に維持される。映像期間中において、スイッチSW3、SW4がリセット期間T1からフィードスルー期間T2にかけてオン状態にされることにより、差動アンプ300の双方の入力端子は電圧VRTにされ、差動アンプ300の非反転出力端子,反転出力端子は夫々電圧VRT,フィードバッククランプ電圧Vclpにリセットされる。このリセット動作に並行して、サンプリング容量素子301にはCCD撮像デバイス2の出力電圧が印加され、サンプリング容量素子302にはスイッチSW1を介して電圧V1が印加される。これにより、サンプリング容量301,302には夫々の印加電圧に応じた電荷が蓄積される。この状態におけるサンプリング容量301の電圧とサンプリング容量302の電圧との差分(若しくは差分に対する差動増幅出力)は、黒レベルに応ずる信号電圧とみなすことができる。電荷信号出力期間T3に遷移すると、CCD撮像デバイス2の出力信号CDSINの変化に応じて差動アンプ300の非反転入力端子(+)の電位が変化される。この変化分には、CCD撮像デバイス2のオフセット電圧も含まれている。このとき、スイッチSW2がオン状態にされ、差動アンプ300の反転入力端子(−)の電位はオフセットキャンセル電圧Voft分だけ変化される。したがって、差動アンプ300の非反転入力端子(+)に印加されたオフセット電圧は、反転入力端子(−)に印加されたオフセットキャンセル電圧Voftによって相殺される。これにより、差動アンプ300の差動出力からCCD撮像デバイス2のオフセット電圧成分が除去若しくは減ぜられる。
基準期間においても前記スイッチSW1〜SW4の動作は上記と同じである。但し、この場合には、スイッチ331(SW10)によるフィードバッククランプ電圧の更新処理が行なわれる。オフセット電圧は、CCD撮像デバイス2に固有の大きさであるから、初期設定後は、大きな温度変化などが無い限り実質的な変動は少ないと考えられる。したがって、初期設定後は、フィードバッククランプ電圧の更新のみを行なうだけで、オフセットキャンセル電圧の更新を行なう必要はない。
第9図にはCDS30の別の回路が示される。第9図においてサンプリング容量301,302には、スイッチ303,306,307を介して、CCD撮像デバイス2からの電圧信号CDSINが印加され、また、スイッチ308を介して選択的に前記電圧VRTが印加されるようになっている。第9図においてオフセットキャンセル電圧生成回路36が生成する電圧はVRT+Voftとされる。その他の構成は第7図と同様である。第9図に示される回路のスイッチSW1〜SW4は第8図と同じタイミングでオン動作される。前記スイッチ308は基準期間においてスイッチSW1と一緒にオン動作される。この回路構成においてVRTは例えば理論上の黒レベルとされる。
第7図と第9図の回路を比較すると、第7図の回路の方がシェーディング歪みを小さくすることができる。シェーディングとは、CCD撮像デバイス2を用いてイメージ入力を行なったとき、水平走査方向の基端近辺で画像が黒く沈む現象であり、第10図に示されるように水平走査方向の基端側においてCCD撮像デバイス2の出力電圧信号波形が全体的に傾く。第9図の回路構成では、サンプリング容量301,302には、フィードスルー期間T2及び電荷信号出力期間T3の双方においてCCDデバイスの出力電圧信号CDSINが印加されるから、第10図のΔa+Δbがシェーディング歪みとなる。第7図の場合には、サンプリング容量302にはCCDデバイスの出力電圧信号CDSINが印加されないから、第10図のΔaだけがシェーディング歪みとなる。
第11図には前記オフセットキャンセル手段の第2の例が示される。第11図においてオフセットキャンセル電圧生成回路36は、前記フィードバッククランプ電圧生成回路33より発生されるクランプ電圧Vclpをサンプリングするサンプルホールド回路381と、サンプルホールド回路381でサンプリングされた電圧信号と基準電圧信号Vref3(理論上のクランプ電圧)との差電圧によって、オフセットキャンセル電圧Voftに電圧V1を重畳した電圧を生成する反転増幅回路382によって構成される。反転増幅回路382の出力は第2加算スイッチ回路37を介してCDS30の入力段に選択的に加えられる。第11図におけるその他の構成は第6図と同様であり同一機能を有する回路ブロックには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。第11図に示されたオフセットキャンセル手段によれば、第6図と同様にフィードバック制御により自動的にオフセット電圧のキャンセルが可能になる。このことにより更に、フィードバック電圧制御量を小さくして、より低電圧化が行なえる。また、オフセット電圧の温特等の時間変化をもキャンセル可能となる。
第12図には前記オフセットキャンセル手段の第3の例が示される。第12図においてオフセットキャンセル電圧生成回路36は、CCD撮像デバイス2が光学的に遮断された状態においてオフセットキャンセル電圧のレベルを指定するためのディジタル制御情報Dcontを入力する外部端子392と、入力されたディジタル制御情報Dcontをアナログ信号に変換してオフセットキャンセル電圧Voftに前記一定電圧V1を重畳した電圧を生成するDA変換回路(DAC)390と、DAC390の出力を受けるボルテージフォロア回路391とを有し、生成された電圧V1+Voftを前記第2加算スイッチ回路37を介してCDS30の入力段に加える。第12図におけるその他の構成は第6図と同様であり同一機能を有する回路ブロックには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。第12図に示されたオフセットキャンセル手段によれば、サンプルホールド回路が不用になり、オフセットキャンセル電圧生成回路33は、オフセットキャンセルのための電圧V1+Voftをデイジタル信号によって生成することができる。
前記第12図に示されるオフセットキャンセル手段を採用する場合、外部から入力した制御情報Dcontが適切な値であるかを把握するには、基準期間においてモニタ端子CLPが理論上の規定電圧になるか否かを監視すればよい。例えば、第12図に示されるように、マイクロコンピュータ6がモニタ端子CLPの電圧を参照しながらデータDcontを出力することができる。
以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づいて具体的に説明したが本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
例えば、CCD撮像デバイスは前記インクライン型に限定されず、CCDにフレーム蓄積部を設けたフレームインクライン型、受光部を兼ねた転送部を有するフレームトランスファ型等であってもよい。また、本発明はMOSトランジスタを利用したX−Yアドレス方式の固体撮像デバイスを用いたイメージ入力システムにも適用することができる。また、フィードバッククランプ電圧はPGAの出力側に帰還させてもよい。但し、補正量が大きい場合には、上記実施例のようにPGAの前段に帰還させたほうが望ましい。
産業上の利用可能性
本発明は、ディジタルビデオカメラ、ディジタルスチルカメラ、更にはディジタル内視鏡等、光学的にイメージを入力するイメージ入力システムに広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【第1図】 第1図は本発明に係るイメージ入力システムの一実施例を示すブロック図である。
【第2図】 第2図は本発明に係るイメージ入力システムの別の実施例を示すブロック図である。
【第3図】 第3図はCCD撮像デバイスの一部を例示する回路図である。
【第4図】 第4図はCCD撮像デバイスの出力部による出力動作タイミングの一例を示す波形図である。
【第5図】 第5図はオフセット電圧の説明図である。
【第6図】 第6図は前処理LSIの一例を示すブロック図である。
【第7図】 第7図は前記CDS回路、補正手段及びオフセットキャンセル手段の一例を示す回路図である。
【第8図】 第8図は第7図に示される回路の動作タイミングの一例を示す波形図である。
【第9図】 第9図はCDS回路の別の例を示す回路図である。
【第10図】 第10図はシェーデイングの説明図である。
【第11図】 第11図は前記オフセットキャンセル手段の第2の例を示す回路図である。
【第12図】 第12図は前記オフセットキャンセル手段の第3の例を示す回路図である。
Claims (10)
- 固体撮像デバイスと、前記固体撮像デバイスの出力信号に対して相関二重サンプリング増幅を行なって映像信号を出力する前処理回路とを含むイメージ入力システムであって、
前記前処理回路は、前記固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずる信号情報を出力する相関二重サンプリング増幅回路と、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態における前記固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずるオフセット電圧をキャンセルするためのオフセットキャンセル電圧を前記相関二重サンプリング増幅回路の入力端子に印加するオフセットキャンセル手段とを含み、前記相関二重サンプリング増幅回路は、前記オフセット電圧とオフセットキャンセル電圧とを相互に逆極性の信号成分として相殺するものであることを特徴とするイメージ入力システム。 - 前記前処理回路から出力される映像信号を入力して画像信号処理を行なうデータ処理装置を更に備えて成るものであることを特徴とする請求項 1 に記載のイメージ入力システム。
- 前記固体撮像デバイスはGCD形式の出力部を有し、前記前処理回路は更に、前記相関二重サンプリング増幅回路の出力信号のゲインを調整するゲインコントロール回路と、ゲインコントロール回路の出力をアナログ信号からディジタル信号に変換して出力するAD変換回路と、前記AD変換回路の出力信号を受け、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態における前記固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に基づいて前記AD変換回路から得られる出力信号を一定レベルにするためのフィードバック制御を行なう補正手段とを有するものであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のイメージ入力システム。
- 前記補正手段は、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態におけるフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずる前記AD変換回路の出力信号レベルを検出し、検出した前記出力信号レベルに基づいてフィードバッククランプ電圧を生成するフィードバッククランプ電圧生成回路と、生成されたフィードバッククランプ電圧を前記相関二重サンプリング増幅回路の出力に選択的に加える第1スイッチ手段とを含んで成るものであることを特徴とする請求項3に記載のイメージ入力システム。
- 前記相関二重サンプリング増幅回路は、固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を形成する第1サンプリング回路と、第1サンプリング回路の差電圧に対する参照電圧を形成する第2サンプリング回路と、前記第1及び第2サンプリング回路で形成された電圧を差動増幅する差動アンプとを含み、
前記オフセットキャンセル手段は、前記補正手段から出力される信号を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路で検出された電圧信号と基準電圧信号との差電圧によってオフセットキャンセル電圧を生成するオフセットキャンセル電圧生成手段と、生成されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで成るものであることを特徴とする請求項3に記載のイメージ入力システム。 - 前記相関二重サンプリング増幅回路は、固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を形成する第1サンプリング回路と、第1サンプリング回路の差電圧に対する参照電圧を形成する第2サンプリング回路と、前記第1及び第2サンプリング回路で形成された電圧を差動増幅する差動アンプとを含み、
前記オフセットキャンセル手段は、オフセットキャンセル電圧のレベルを指定するための制御情報を外部から入力する手段と、入力された制御情報に基づいてオフセットキャンセル電圧を生成するオフセットキャンセル電圧生成手段と、生成されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで成るものであることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のイメージ入力システム。 - 前記相関二重サンプリング増幅回路は、固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を形成する第1サンプリング回路と、第1サンプリング回路の差電圧に対する参照電圧を形成する第2サンプリング回路と、前記第1及び第2サンプリング回路で形成された電圧を差動増幅する差動アンプとを含み、
前記オフセットキャンセル手段は、オフセットキャンセル電圧を入力する外部端子と、外部端子に入力が結合されたバッファアンプと、バッファアンプから出力されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで成るものであることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載のイメージ入力システム。 - 前記前処理回路は、前記補正手段が生成したフィードバッククランプ電圧を外部から観測可能にする外部モニタ端子を更に含んで成るものであることを特徴とする請求項6に記載のイメージ入力システム。
- 前記補正手段は、前記固体撮像デバイスが光学的に遮断された状態におけるフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧に応ずる前記AD変換回路の出力信号レベルを検出し、検出した前記出力信号レベルに基づいてフィードバッククランプ電圧を生成するフィードバッククランプ電圧生成回路と、生成されたフィードバッククランプ電圧を前記ゲインコントロール回路の出力に選択的に加える第1スイッチ手段とを含んで成るものであることを特徴とする請求項3に記載のイメージ入力システム。
- 前記相関二重サンプリング増幅回路は、固体撮像デバイスのフィードスルー期間の黒レベルと電荷信号出力期間の信号レベルとの差電圧を形成する第1サンプリング回路と、第1サンプリング回路の差電圧に対する参照電圧を形成する第2サンプリング回路と、前記第1及び第2サンプリング回路で形成された電圧を差動増幅する差動アンプとを含み、
前記オフセットキャンセル手段は、前記フィードバッククランプ電圧生成回路から出力される信号を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路で検出された電圧信号と基準電圧信号との差電圧によってオフセットキャンセル電圧を生成するオフセットキャンセル電圧生成手段と、生成されたオフセットキャンセル電圧を前記第2サンプリング回路の参照電圧に選択的に加える第2スイッチ手段とを含んで成るものであることを特徴とする請求項4に記載のイメージ入力システム。
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