JP4196557B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に係り、特にテレビカメラ、ディジタルカメラ等の撮像装置の撮像信号をクランプするクランプ装置を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体撮像素子を用いたカラー撮像装置では、暗電流と呼ばれる固体撮像素子の熱雑音に起因するノイズが温度変化に依存して変化するため、撮像信号の黒レベルが安定しない。そこで、従来の撮像装置では、撮像信号の黒レベル安定化のため、固体撮像素子を図９（Ａ）に示すように、入射される被写体光像を光電変換して撮像信号を得る多数の画素からなる画像部１０１と、被写体光像を遮光する遮光部１０２とより構成し、被写体光像に感応しない遮光部１０２から得られる撮像信号を光学的な黒レベル（オプチカルブラック：以下、ＯＢと記す）の基準とすることが知られている（例えば、特開平８−３２１９７０号公報）。
【０００３】
従来の撮像信号クランプ装置では、上記の遮光部１０２が水平方向端部に設けられているので、図９（Ｂ）に示す、遮光部１０２に対応した位置で発生する水平クランプ信号に基づき、撮像信号を水平ライン毎に遮光部１０２（ＯＢ位置）で直流クランプし、上記の黒レベルの安定化を図っている。
【０００４】
また、撮像信号の走査線１本又は複数本毎に水平ＯＢを検出して、１水平走査期間の周期でＯＢレベルを算出し、あるいは撮像信号の垂直ＯＢを検出して１垂直走査期間の周期でＯＢレベルを算出し、このＯＢレベルに基づき、ＯＢ段差信号を発生して撮像信号から差し引くことにより、ＯＢ段差を補正するようにした撮像装置も従来より知られている（特開２０００−１５２０９８号公報）。また、この公報には、上記のＯＢ段差信号を生成するＯＢ段差補正回路の入力撮像信号がアナログ信号である場合と、ディジタル信号である場合のそれぞれについて開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の撮像装置は、いずれも固体撮像素子としてＣＣＤ（電荷転送素子）を用いた場合によく用いられている構成ではあるが、ＣＣＤの製造過程が複雑なため、水平方向、垂直方向あるいは空送り部の情報をもとに正確な補正を行わなければならない。このため、補正回路部の構成が複雑なものとなり、小型化や低電力化が困難でコストアップにもなり実用性に乏しかった。
【０００６】
いずれにせよ水平方向のクランプ方法が主体であり、垂直方向は補助手段として用いられているのみであった。このため、ＣＣＤでは画素数の多い高画質な固体撮像素子を実用化するのは困難で、特に高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）方式の画素数以上の画素数を持つ動画用の固体撮像素子については実現していない。
【０００７】
また、高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）方式の画素数以上の画素数を持つ撮像装置において、駆動信号周波数を下げるために撮像部を複数に分割して用いる場合、分割部分毎に被写体光像遮光部を設けることは画像内で不可能であり、従って水平方向の直流クランプをかけることができず、暗電流等の直流電位の変化の影響を防ぐことが困難である。
【０００８】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、高解像度の分割画像でも直流電位を一定にすることができ、暗電流の温度変化に影響されない撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の撮像装置は、被写体光像が照射され、その被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、撮像領域及び垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、複数の分割領域のそれぞれから撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、並列出力されたそれぞれの垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、所定電位を並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、クランプ手段から出力された撮像信号を映像信号に変換して出力する信号処理手段とを有する構成としたものである。また、本発明の第２の撮像装置は、第１の撮像装置の構成に加えて、ＣＭＯＳセンサから並列出力された画素単位の撮像信号の、垂直遮光領域の範囲内に対応した位置でクランプパルスを発生するクランプパルス発生手段を設けたものである。第１、第２の発明では、ＣＭＯＳセンサから並列出力されるそれぞれの垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、所定電位をＣＭＯＳセンサから並列出力される撮像信号の基準にする。
【００１４】
また、上記の目的を達成するため、本発明の第３の撮像装置は、被写体光像が照射され、被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、前記撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、撮像領域及び垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、複数の分割領域のそれぞれに含まれる画素単位の撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、並列出力されたそれぞれの垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、所定電位を並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、所定電位を基準に垂直遮光領域部分を含めた撮像信号をディジタル信号化するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号のうち、垂直遮光領域のディジタル信号により補正信号を作成する補正信号作成手段と、Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号を、補正信号で減算して映像信号に変換して出力する信号処理手段とを有する構成としたものである。また、本発明の第４の撮像装置は、第３の撮像装置の構成に加えて、ＣＭＯＳセンサから並列出力された画素単位の撮像信号の、垂直遮光領域の範囲内に対応した位置でクランプパルスを発生するクランプパルス発生手段を設けたものである。
【００１５】
この発明では、垂直方向に直流クランプされ、かつ、ディジタル信号に変換された撮像信号を、垂直遮光領域のディジタル信号を演算して得た補正信号で補正するようにしたため、アナログ信号では困難な垂直方向単位の画質劣化補正ができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明になる撮像装置の第１の実施の形態のブロック図を示す。同図において、撮像素子１１、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路１２、タイミング発生器（ＴＧ）１３、駆動回路１４及び増幅器１５は、本発明の撮像装置の一実施の形態であるＣＭＯＳセンサ１６を構成している。ＣＭＯＳセンサ１６は、ＣＣＤ素子とは異なり撮像素子１１以外の演算機能もセンサと同じ製法で内蔵できるため、ＣＤＳ回路１２、ＴＧ１３、駆動回路１４及び増幅器１５は、撮像素子１１と同一の大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）基板上に搭載されている。
【００２１】
ここで、撮像素子１１は、図２に示すように、撮像領域Ａと垂直方向の遮光領域である垂直オプチカルブラック（Ｖ．ＯＢ）部分Ｂとからなる。撮像領域Ａは、水平方向の画素数が高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）方式の水平方向の画素数１９２０の２倍の３８４０画素で、垂直方向の画素数がＨＤＴＶ方式の垂直方向の画素数１０８０の２倍の２１６０画素（ライン）からなる。また、Ｖ．ＯＢ部分Ｂは、撮像領域Ａの垂直方向に付加された３２画素（ライン）からなる。
【００２２】
また、撮像素子１１の撮像領域Ａの各画素は、フォトダイオードと、フォトダイオードにより入射光量に応じて発生した電荷を蓄積する蓄積部と、電荷を蓄積部に転送する転送部と、蓄積部に蓄積された電荷を出力する出力部などから構成されている。撮像素子１１のＶ．ＯＢ部分Ｂの各画素も撮像領域Ａの各画素と構成は同様であるが、入射される被写体光像が遮光されるため、フォトダイオードは入射光量に応じた電荷は発生しない。
【００２３】
映像信号を動画用とするためには垂直駆動周波数を３０Ｈｚに設定する。従って図２の撮像領域Ａを、水平方向に８分割した構成とすると、水平駆動周波数６７.５ｋＨｚ、各画素のクロック周波数３７.１２５ＭＨｚがＨＤＴＶ信号に準じた設定となる。撮像素子１１からは、図２の撮像領域を水平方向に８分割した、各分割撮像領域から８系統のアナログ出力Ａ０〜Ａ７が同時に並列出力される。図２の場合、これらの構成は全て８組となり、ＣＭＯＳセンサとしては容易に実現できる。
【００２４】
再び図１に戻って説明するに、ＣＭＯＳセンサ１６には、ＴＧ１３に基準となる同期信号を供給する同期信号発生器（ＳＳＧ）１７と、ＣＭＯＳセンサ１６から出力された撮像信号の直流分をクランプするクランプ回路１９とが接続され、また、クランプ回路１９にＯＢの期間ＯＢクランプパルスを供給するＯＢクランプパルス発生回路１８と、クランプ回路１９から出力された撮像信号を信号処理する信号処理回路２０とが設けられている。ＣＭＯＳセンサ１６、ＳＳＧ１７、ＯＢクランプパルス発生回路１８及びクランプ回路１９が撮像信号クランプ装置の一実施の形態を構成しており、これと信号処理回路２０とにより撮像装置の一実施の形態が構成される。
【００２５】
次に、本実施の形態の動作について説明する。図１において、撮像素子１１は被写体光像が全画素に同時に照射され、被写体光像の光量に応じた電荷を発生して電気信号である撮像信号に変換し、ＴＧ１３からのタイミング信号に基づいて駆動回路１４から発生される駆動信号に基づいて、図２の８つ分割撮像領域から撮像信号Ａ０〜Ａ７として並列に同時出力する。撮像素子１１から８並列出力された撮像信号は、ＣＤＳ回路１２において撮像素子１１で発生するノイズ成分がＴＧ１３からのサンプリング信号に基づき除去される。ＣＤＳ回路１２においてノイズ成分が除去された撮像信号は、増幅器１５で増幅された後、クランプ回路１９に供給される。
【００２６】
一方、ＳＳＧ１７から出力された同期信号はＯＢクランプパルス発生回路１８に供給され、ここで垂直同期信号に同期して作成された図２に黒地で示したＶ．ＯＢ部分Ｂの指定信号をクランプパルスとして発生させる。クランプ回路１９は、ＣＭＯＳセンサ１６から取り出された８並列の撮像信号の、図２に示したＶ．ＯＢ部分Ｂの期間の信号部分の直流分を基準にして、撮像信号をそれぞれ直流クランプする。クランプ回路１９で直流クランプされた８並列撮像信号は、信号処理回路２０に供給され、ＨＤＴＶ方式の４倍の画素数の高解像度の映像信号、あるいはＨＤＴＶ方式と同じ画素数の４種類の映像信号などに変換されて出力される。
【００２７】
上記のクランプ回路１９の動作について、更に図３と共に説明する。図３（Ａ）は図２にＢで示したＶ.ＯＢ部分であり、Ａ０ｎ〜Ａ７ｎはそれぞれＣＭＯＳセンサ１６の信号出力Ａ０〜Ａ７のＶ.ＯＢ部分の水平方向画素数ｎ（図２では４８０画素）を示し、ＬｍはＶ.ＯＢ部分のライン数ｍ（図２では３２ライン）を示す。
【００２８】
このＶ．ＯＢ部分の範囲内のあるラインの撮像信号Ａ０、Ａ１、・・・、Ａ７は、図３（Ｂ）にＤ０、Ｄ１、・・・、Ｄ７で示す信号レベルであり、ばらついているが、クランプ回路１９によりこのＶ．ＯＢ部分の撮像信号の直流分をクランプすることにより、図３（Ｃ）に示すように基準電位Ｄｓの一定値が設定される。このように、Ｖ．ＯＢ部分の範囲内の撮像信号の直流電位をクランプすることで、従来ばらついていたＶ．ＯＢ部分の範囲内の撮像信号の信号レベルを基準電位Ｄｓに設定することができる。更に、ＣＭＯＳセンサ１６が温度変化等により暗電流を生じ直流電位が変化した場合にも、クランプ回路１９により撮像信号の直流電位を基準電位Ｄｓに保つことができる。
【００２９】
図４はＣＭＯＳセンサ１６から８系統の信号Ａ０〜Ａ７が並列に出力される状態を示す。Ｖ．ＯＢ部分のクランプ期間はＶ .ＯＢ部分内の範囲であり、垂直同期信号期間内でもある。
【００３０】
図５はＨＤＴＶ信号に準じた垂直クランプパルス例を示す。図５（Ａ）は垂直帰線消去期間でインターレースの場合、２２Ｈか２３Ｈ（Ｈは水平走査期間）である。図５（Ｂ）は水平駆動信号で１Ｈパルスが連続する。従来の水平クランプパルスは、この水平駆動信号を基にして水平帰線消去期間内に作られ１Ｈ間隔で連続する。
【００３１】
これに対し、本実施の形態では、ＯＢクランプパルス発生回路１８は図５（Ｃ）又は同図（Ｄ）に示すクランプパルスを発生する。図５（Ｃ）に示すクランプパルスは、垂直帰線消去期間内の水平消去信号期間を除いたものであり、図５（Ｄ）に示すクランプパルスは、水平消去期間が短くクランプ効果への影響は少ないので省略した、垂直帰線消去期間一定論理値のパルスである。
【００３２】
このようにして、本実施の形態では、垂直方向に撮像信号のクランプを行うようにしたため、高解像度の分割画像でもその撮像信号の直流電位を一定にすることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明になる撮像装置の第２の実施の形態のブロック図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図６において、ＣＭＯＳセンサ１６から並列に出力された８つのアナログ撮像信号は、クランプ回路１９でＶ．ＯＢ部分の範囲内の各撮像信号の直流分が基準電位Ｄｓとして設定され、その基準電位Ｄｓに直流分がクランプされてＡ／Ｄ変換器２２に供給される。
【００３４】
このとき、Ａ／Ｄ変換器２２に供給される撮像信号のＶ．ＯＢ部分の直流電位を一定とし、略信号成分の最低値として扱えば、Ａ／Ｄ変換器２２の入力アナログ信号に対するダイナミックレンジの利用効率が高まり、変換幅が広い良好なディジタル信号を得ることができる。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換器２２でディジタル信号に変換された撮像信号は、信号処理回路２４に供給される一方、ＯＢデータ作成回路２３に供給され、ここで図２にＢで示したＶ．ＯＢ部分の範囲内のディジタル信号に基づき、ＯＢ補正信号（ＯＢデータ）が作成される。このＯＢデータ作成回路２３の動作につき更に図７と共に説明する。図７（Ａ）は図６のクランプ回路１９で直流クランプされた、Ｖ．ＯＢ部分の撮像信号、すなわちＯＢアナログ信号で、Ｌ０、Ｌ１、・・・、Ｌｎの各水平ライン信号から構成される。これらｎ＋１本の水平ラインは、図２のＶ．ＯＢ部分Ｂの３２本、図３（Ａ）に示したｍラインに相当する。
【００３６】
図７（Ｂ）はこのうちの１ラインに含まれる画素単位の信号レベルを点で示したもので、この各画素毎に、Ａ／Ｄ変換器２２でＡ／Ｄ変換すると、図７（Ｃ）に示すようなデータ列が得られる。例えば、水平ライン信号Ｌ０においては、D00、D01、D02、・・・、D0kとなる。ＯＢデータ作成回路２３は、このＶ．ＯＢ部分のデータ列を垂直方向に例えば加重平均して、図７（Ｄ）に示すＤ０、Ｄ１、Ｄ２、・・・、ＤｋのＯＢ補正信号を作成する。なお、加重平均の際に、撮像素子１１自体の傷などによる異常値を除去することは自明である。
【００３７】
再び図６に戻って説明するに、クランプ回路１９によりＶ．ＯＢ部分の撮像信号の直流分の設定電位Ｄｓで直流クランプされた後、Ａ／Ｄ変換器２２でディジタル信号に変換された被写体光像の撮像信号は、信号処理回路２４において、ＯＢデータ作成回路２３から取り出された前記ＯＢ補正信号と減算されることで補正され、被写体光像以外の原因で（例えば、撮像素子の垂直方向不均一成分）、図８（Ａ）に示すような垂直方向に濃淡を生じている画像（太線が濃い画像、細線が薄い画像を示す）を、図８（Ｂ）に示すように、濃淡の無い本来の平坦な被写体の画像とされる。信号処理回路２４は上記の補正処理終了後に、ガンマ・色変換等の処理を行い、被写体の映像信号として出力する。
【００３８】
このように、本実施の形態では、被写体光像の撮像信号に対して、垂直クランプで平均的な直流電位の固定を行った後、垂直成分毎の濃淡差の補正を行うようにしたため、第１の実施の形態と同様に高解像度の分割画像でも直流電位を一定にすることができ、暗電流の温度変化に影響されない撮像装置を実現できるという効果を奏すると共に、これに加えて画質劣化の殆ど無い良好な画質の映像信号を得ることができる。また、本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器２２に入力される撮像信号の直流電位を最適化するようにしているため、Ａ／Ｄ変換器２２の変換幅を十分に広く使え、これにより得られたディジタル信号に基づき、Ｖ．ＯＢ部分の詳細なＯＢ補正信号を作成することができる。
【００３９】
なお、アナログ撮像信号に対して垂直方向不均一部分を検出して補正することは、データの蓄積が長時間かかるため、蓄積が困難で大掛かりな構成を必要とするが、ディジタル信号では長時間の蓄積は容易に行えるため、本実施の形態ではＡ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換した後のディジタル撮像信号に対してＯＢ補正信号作成のための演算を行う。これにより、アナログ信号では困難な垂直方向単位の画質劣化補正を、簡単で精度良く行うことができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来水平方向に行っていた撮像信号の直流クランプを垂直方向に行うことで、撮像信号の直流電位を一定にするようにしたため、従来に比べて簡単な構成で暗電流の温度変化に影響されない撮像装置を実現でき、特に撮像信号の直流クランプを、複数の分割領域から並列に取り出された複数の撮像信号毎に行うようにしたため、従来では困難であった高解像度の分割画像でも直流電位を一定にすることができる。
【００４１】
また、本発明によれば、垂直方向に直流クランプした撮像信号を、Ａ／Ｄ変換手段に供給することにより、Ａ／Ｄ変換手段に入力される撮像信号の直流電位を最適化するようにしたため、Ａ／Ｄ変換手段の変換幅を十分広く使って、容易に垂直遮光領域の詳細な補正信号を得ることができ、これによりアナログ信号では困難な垂直方向単位の画質劣化補正を、簡単で精度良く行うことができる。
【００４２】
また、本発明によれば、撮像素子、駆動手段及びノイズ除去手段は同一半導体基板上に搭載することにより、撮像素子が複数の分割領域から構成されている場合にも、小型な構成とすることができるため、ＣＣＤを撮像素子に用いた従来の撮像装置に比べて、小型で低消費電力で安価な構成により、高解像度の分割画像に対しても、垂直同期信号期間内で撮像信号の直流分を一定にする直流クランプができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態のブロック図である。
【図２】 本発明における撮像素子の構成の一例を示す図である。
【図３】 本発明の要部であるＶ．ＯＢ部分によるクランプ動作を説明する図である。
【図４】 本発明における撮像素子から並列に出力される８系統の撮像信号の状態を模式的に示す図である。
【図５】 本発明におけるクランプパルスの各例を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態のブロック図である。
【図７】 図６中のＯＢデータ作成回路の動作説明図である。
【図８】 図６の実施の形態におけるＯＢ補正による効果を説明する図である。
【図９】従来の撮像素子の遮光部を説明する図である。
【符号の説明】
１１ 撮像素子
１２ ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路
１３ タイミング発生器（ＴＧ）
１４ 駆動回路
１５ 増幅器
１６ ＣＭＯＳセンサ
１７ 同期信号発生器（ＳＳＧ）
１８ ＯＢクランプパルス発生回路
１９ クランプ回路
２０、２４ 信号処理回路
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ ＯＢデータ作成回路
Ａ 撮像領域
Ｂ 垂直オプチカルブラック（Ｖ．ＯＢ）部分（垂直遮光領域）
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に係り、特にテレビカメラ、ディジタルカメラ等の撮像装置の撮像信号をクランプするクランプ装置を有する撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体撮像素子を用いたカラー撮像装置では、暗電流と呼ばれる固体撮像素子の熱雑音に起因するノイズが温度変化に依存して変化するため、撮像信号の黒レベルが安定しない。そこで、従来の撮像装置では、撮像信号の黒レベル安定化のため、固体撮像素子を図９（Ａ）に示すように、入射される被写体光像を光電変換して撮像信号を得る多数の画素からなる画像部１０１と、被写体光像を遮光する遮光部１０２とより構成し、被写体光像に感応しない遮光部１０２から得られる撮像信号を光学的な黒レベル（オプチカルブラック：以下、ＯＢと記す）の基準とすることが知られている（例えば、特開平８−３２１９７０号公報）。
【０００３】
従来の撮像信号クランプ装置では、上記の遮光部１０２が水平方向端部に設けられているので、図９（Ｂ）に示す、遮光部１０２に対応した位置で発生する水平クランプ信号に基づき、撮像信号を水平ライン毎に遮光部１０２（ＯＢ位置）で直流クランプし、上記の黒レベルの安定化を図っている。
【０００４】
また、撮像信号の走査線１本又は複数本毎に水平ＯＢを検出して、１水平走査期間の周期でＯＢレベルを算出し、あるいは撮像信号の垂直ＯＢを検出して１垂直走査期間の周期でＯＢレベルを算出し、このＯＢレベルに基づき、ＯＢ段差信号を発生して撮像信号から差し引くことにより、ＯＢ段差を補正するようにした撮像装置も従来より知られている（特開２０００−１５２０９８号公報）。また、この公報には、上記のＯＢ段差信号を生成するＯＢ段差補正回路の入力撮像信号がアナログ信号である場合と、ディジタル信号である場合のそれぞれについて開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の撮像装置は、いずれも固体撮像素子としてＣＣＤ（電荷転送素子）を用いた場合によく用いられている構成ではあるが、ＣＣＤの製造過程が複雑なため、水平方向、垂直方向あるいは空送り部の情報をもとに正確な補正を行わなければならない。このため、補正回路部の構成が複雑なものとなり、小型化や低電力化が困難でコストアップにもなり実用性に乏しかった。
【０００６】
いずれにせよ水平方向のクランプ方法が主体であり、垂直方向は補助手段として用いられているのみであった。このため、ＣＣＤでは画素数の多い高画質な固体撮像素子を実用化するのは困難で、特に高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）方式の画素数以上の画素数を持つ動画用の固体撮像素子については実現していない。
【０００７】
また、高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）方式の画素数以上の画素数を持つ撮像装置において、駆動信号周波数を下げるために撮像部を複数に分割して用いる場合、分割部分毎に被写体光像遮光部を設けることは画像内で不可能であり、従って水平方向の直流クランプをかけることができず、暗電流等の直流電位の変化の影響を防ぐことが困難である。
【０００８】
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、高解像度の分割画像でも直流電位を一定にすることができ、暗電流の温度変化に影響されない撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の撮像装置は、被写体光像が照射され、その被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、撮像領域及び垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、複数の分割領域のそれぞれから撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、並列出力されたそれぞれの垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、所定電位を並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、クランプ手段から出力された撮像信号を映像信号に変換して出力する信号処理手段とを有する構成としたものである。また、本発明の第２の撮像装置は、第１の撮像装置の構成に加えて、ＣＭＯＳセンサから並列出力された画素単位の撮像信号の、垂直遮光領域の範囲内に対応した位置でクランプパルスを発生するクランプパルス発生手段を設けたものである。第１、第２の発明では、ＣＭＯＳセンサから並列出力されるそれぞれの垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、所定電位をＣＭＯＳセンサから並列出力される撮像信号の基準にする。
【００１４】
また、上記の目的を達成するため、本発明の第３の撮像装置は、被写体光像が照射され、被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、前記撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、撮像領域及び垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、複数の分割領域のそれぞれに含まれる画素単位の撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、並列出力されたそれぞれの垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、所定電位を並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、所定電位を基準に垂直遮光領域部分を含めた撮像信号をディジタル信号化するＡ／Ｄ変換手段と、Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号のうち、垂直遮光領域のディジタル信号により補正信号を作成する補正信号作成手段と、Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号を、補正信号で減算して映像信号に変換して出力する信号処理手段とを有する構成としたものである。また、本発明の第４の撮像装置は、第３の撮像装置の構成に加えて、ＣＭＯＳセンサから並列出力された画素単位の撮像信号の、垂直遮光領域の範囲内に対応した位置でクランプパルスを発生するクランプパルス発生手段を設けたものである。
【００１５】
この発明では、垂直方向に直流クランプされ、かつ、ディジタル信号に変換された撮像信号を、垂直遮光領域のディジタル信号を演算して得た補正信号で補正するようにしたため、アナログ信号では困難な垂直方向単位の画質劣化補正ができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。図１は本発明になる撮像装置の第１の実施の形態のブロック図を示す。同図において、撮像素子１１、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling：相関二重サンプリング）回路１２、タイミング発生器（ＴＧ）１３、駆動回路１４及び増幅器１５は、本発明の撮像装置の一実施の形態であるＣＭＯＳセンサ１６を構成している。ＣＭＯＳセンサ１６は、ＣＣＤ素子とは異なり撮像素子１１以外の演算機能もセンサと同じ製法で内蔵できるため、ＣＤＳ回路１２、ＴＧ１３、駆動回路１４及び増幅器１５は、撮像素子１１と同一の大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）基板上に搭載されている。
【００２１】
ここで、撮像素子１１は、図２に示すように、撮像領域Ａと垂直方向の遮光領域である垂直オプチカルブラック（Ｖ．ＯＢ）部分Ｂとからなる。撮像領域Ａは、水平方向の画素数が高精細度テレビ（ＨＤＴＶ）方式の水平方向の画素数１９２０の２倍の３８４０画素で、垂直方向の画素数がＨＤＴＶ方式の垂直方向の画素数１０８０の２倍の２１６０画素（ライン）からなる。また、Ｖ．ＯＢ部分Ｂは、撮像領域Ａの垂直方向に付加された３２画素（ライン）からなる。
【００２２】
また、撮像素子１１の撮像領域Ａの各画素は、フォトダイオードと、フォトダイオードにより入射光量に応じて発生した電荷を蓄積する蓄積部と、電荷を蓄積部に転送する転送部と、蓄積部に蓄積された電荷を出力する出力部などから構成されている。撮像素子１１のＶ．ＯＢ部分Ｂの各画素も撮像領域Ａの各画素と構成は同様であるが、入射される被写体光像が遮光されるため、フォトダイオードは入射光量に応じた電荷は発生しない。
【００２３】
映像信号を動画用とするためには垂直駆動周波数を３０Ｈｚに設定する。従って図２の撮像領域Ａを、水平方向に８分割した構成とすると、水平駆動周波数６７.５ｋＨｚ、各画素のクロック周波数３７.１２５ＭＨｚがＨＤＴＶ信号に準じた設定となる。撮像素子１１からは、図２の撮像領域を水平方向に８分割した、各分割撮像領域から８系統のアナログ出力Ａ０〜Ａ７が同時に並列出力される。図２の場合、これらの構成は全て８組となり、ＣＭＯＳセンサとしては容易に実現できる。
【００２４】
再び図１に戻って説明するに、ＣＭＯＳセンサ１６には、ＴＧ１３に基準となる同期信号を供給する同期信号発生器（ＳＳＧ）１７と、ＣＭＯＳセンサ１６から出力された撮像信号の直流分をクランプするクランプ回路１９とが接続され、また、クランプ回路１９にＯＢの期間ＯＢクランプパルスを供給するＯＢクランプパルス発生回路１８と、クランプ回路１９から出力された撮像信号を信号処理する信号処理回路２０とが設けられている。ＣＭＯＳセンサ１６、ＳＳＧ１７、ＯＢクランプパルス発生回路１８及びクランプ回路１９が撮像信号クランプ装置の一実施の形態を構成しており、これと信号処理回路２０とにより撮像装置の一実施の形態が構成される。
【００２５】
次に、本実施の形態の動作について説明する。図１において、撮像素子１１は被写体光像が全画素に同時に照射され、被写体光像の光量に応じた電荷を発生して電気信号である撮像信号に変換し、ＴＧ１３からのタイミング信号に基づいて駆動回路１４から発生される駆動信号に基づいて、図２の８つ分割撮像領域から撮像信号Ａ０〜Ａ７として並列に同時出力する。撮像素子１１から８並列出力された撮像信号は、ＣＤＳ回路１２において撮像素子１１で発生するノイズ成分がＴＧ１３からのサンプリング信号に基づき除去される。ＣＤＳ回路１２においてノイズ成分が除去された撮像信号は、増幅器１５で増幅された後、クランプ回路１９に供給される。
【００２６】
一方、ＳＳＧ１７から出力された同期信号はＯＢクランプパルス発生回路１８に供給され、ここで垂直同期信号に同期して作成された図２に黒地で示したＶ．ＯＢ部分Ｂの指定信号をクランプパルスとして発生させる。クランプ回路１９は、ＣＭＯＳセンサ１６から取り出された８並列の撮像信号の、図２に示したＶ．ＯＢ部分Ｂの期間の信号部分の直流分を基準にして、撮像信号をそれぞれ直流クランプする。クランプ回路１９で直流クランプされた８並列撮像信号は、信号処理回路２０に供給され、ＨＤＴＶ方式の４倍の画素数の高解像度の映像信号、あるいはＨＤＴＶ方式と同じ画素数の４種類の映像信号などに変換されて出力される。
【００２７】
上記のクランプ回路１９の動作について、更に図３と共に説明する。図３（Ａ）は図２にＢで示したＶ.ＯＢ部分であり、Ａ０ｎ〜Ａ７ｎはそれぞれＣＭＯＳセンサ１６の信号出力Ａ０〜Ａ７のＶ.ＯＢ部分の水平方向画素数ｎ（図２では４８０画素）を示し、ＬｍはＶ.ＯＢ部分のライン数ｍ（図２では３２ライン）を示す。
【００２８】
このＶ．ＯＢ部分の範囲内のあるラインの撮像信号Ａ０、Ａ１、・・・、Ａ７は、図３（Ｂ）にＤ０、Ｄ１、・・・、Ｄ７で示す信号レベルであり、ばらついているが、クランプ回路１９によりこのＶ．ＯＢ部分の撮像信号の直流分をクランプすることにより、図３（Ｃ）に示すように基準電位Ｄｓの一定値が設定される。このように、Ｖ．ＯＢ部分の範囲内の撮像信号の直流電位をクランプすることで、従来ばらついていたＶ．ＯＢ部分の範囲内の撮像信号の信号レベルを基準電位Ｄｓに設定することができる。更に、ＣＭＯＳセンサ１６が温度変化等により暗電流を生じ直流電位が変化した場合にも、クランプ回路１９により撮像信号の直流電位を基準電位Ｄｓに保つことができる。
【００２９】
図４はＣＭＯＳセンサ１６から８系統の信号Ａ０〜Ａ７が並列に出力される状態を示す。Ｖ．ＯＢ部分のクランプ期間はＶ .ＯＢ部分内の範囲であり、垂直同期信号期間内でもある。
【００３０】
図５はＨＤＴＶ信号に準じた垂直クランプパルス例を示す。図５（Ａ）は垂直帰線消去期間でインターレースの場合、２２Ｈか２３Ｈ（Ｈは水平走査期間）である。図５（Ｂ）は水平駆動信号で１Ｈパルスが連続する。従来の水平クランプパルスは、この水平駆動信号を基にして水平帰線消去期間内に作られ１Ｈ間隔で連続する。
【００３１】
これに対し、本実施の形態では、ＯＢクランプパルス発生回路１８は図５（Ｃ）又は同図（Ｄ）に示すクランプパルスを発生する。図５（Ｃ）に示すクランプパルスは、垂直帰線消去期間内の水平消去信号期間を除いたものであり、図５（Ｄ）に示すクランプパルスは、水平消去期間が短くクランプ効果への影響は少ないので省略した、垂直帰線消去期間一定論理値のパルスである。
【００３２】
このようにして、本実施の形態では、垂直方向に撮像信号のクランプを行うようにしたため、高解像度の分割画像でもその撮像信号の直流電位を一定にすることができる。
【００３３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は本発明になる撮像装置の第２の実施の形態のブロック図を示す。同図中、図１と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図６において、ＣＭＯＳセンサ１６から並列に出力された８つのアナログ撮像信号は、クランプ回路１９でＶ．ＯＢ部分の範囲内の各撮像信号の直流分が基準電位Ｄｓとして設定され、その基準電位Ｄｓに直流分がクランプされてＡ／Ｄ変換器２２に供給される。
【００３４】
このとき、Ａ／Ｄ変換器２２に供給される撮像信号のＶ．ＯＢ部分の直流電位を一定とし、略信号成分の最低値として扱えば、Ａ／Ｄ変換器２２の入力アナログ信号に対するダイナミックレンジの利用効率が高まり、変換幅が広い良好なディジタル信号を得ることができる。
【００３５】
Ａ／Ｄ変換器２２でディジタル信号に変換された撮像信号は、信号処理回路２４に供給される一方、ＯＢデータ作成回路２３に供給され、ここで図２にＢで示したＶ．ＯＢ部分の範囲内のディジタル信号に基づき、ＯＢ補正信号（ＯＢデータ）が作成される。このＯＢデータ作成回路２３の動作につき更に図７と共に説明する。図７（Ａ）は図６のクランプ回路１９で直流クランプされた、Ｖ．ＯＢ部分の撮像信号、すなわちＯＢアナログ信号で、Ｌ０、Ｌ１、・・・、Ｌｎの各水平ライン信号から構成される。これらｎ＋１本の水平ラインは、図２のＶ．ＯＢ部分Ｂの３２本、図３（Ａ）に示したｍラインに相当する。
【００３６】
図７（Ｂ）はこのうちの１ラインに含まれる画素単位の信号レベルを点で示したもので、この各画素毎に、Ａ／Ｄ変換器２２でＡ／Ｄ変換すると、図７（Ｃ）に示すようなデータ列が得られる。例えば、水平ライン信号Ｌ０においては、D00、D01、D02、・・・、D0kとなる。ＯＢデータ作成回路２３は、このＶ．ＯＢ部分のデータ列を垂直方向に例えば加重平均して、図７（Ｄ）に示すＤ０、Ｄ１、Ｄ２、・・・、ＤｋのＯＢ補正信号を作成する。なお、加重平均の際に、撮像素子１１自体の傷などによる異常値を除去することは自明である。
【００３７】
再び図６に戻って説明するに、クランプ回路１９によりＶ．ＯＢ部分の撮像信号の直流分の設定電位Ｄｓで直流クランプされた後、Ａ／Ｄ変換器２２でディジタル信号に変換された被写体光像の撮像信号は、信号処理回路２４において、ＯＢデータ作成回路２３から取り出された前記ＯＢ補正信号と減算されることで補正され、被写体光像以外の原因で（例えば、撮像素子の垂直方向不均一成分）、図８（Ａ）に示すような垂直方向に濃淡を生じている画像（太線が濃い画像、細線が薄い画像を示す）を、図８（Ｂ）に示すように、濃淡の無い本来の平坦な被写体の画像とされる。信号処理回路２４は上記の補正処理終了後に、ガンマ・色変換等の処理を行い、被写体の映像信号として出力する。
【００３８】
このように、本実施の形態では、被写体光像の撮像信号に対して、垂直クランプで平均的な直流電位の固定を行った後、垂直成分毎の濃淡差の補正を行うようにしたため、第１の実施の形態と同様に高解像度の分割画像でも直流電位を一定にすることができ、暗電流の温度変化に影響されない撮像装置を実現できるという効果を奏すると共に、これに加えて画質劣化の殆ど無い良好な画質の映像信号を得ることができる。また、本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器２２に入力される撮像信号の直流電位を最適化するようにしているため、Ａ／Ｄ変換器２２の変換幅を十分に広く使え、これにより得られたディジタル信号に基づき、Ｖ．ＯＢ部分の詳細なＯＢ補正信号を作成することができる。
【００３９】
なお、アナログ撮像信号に対して垂直方向不均一部分を検出して補正することは、データの蓄積が長時間かかるため、蓄積が困難で大掛かりな構成を必要とするが、ディジタル信号では長時間の蓄積は容易に行えるため、本実施の形態ではＡ／Ｄ変換器２２によりＡ／Ｄ変換した後のディジタル撮像信号に対してＯＢ補正信号作成のための演算を行う。これにより、アナログ信号では困難な垂直方向単位の画質劣化補正を、簡単で精度良く行うことができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、従来水平方向に行っていた撮像信号の直流クランプを垂直方向に行うことで、撮像信号の直流電位を一定にするようにしたため、従来に比べて簡単な構成で暗電流の温度変化に影響されない撮像装置を実現でき、特に撮像信号の直流クランプを、複数の分割領域から並列に取り出された複数の撮像信号毎に行うようにしたため、従来では困難であった高解像度の分割画像でも直流電位を一定にすることができる。
【００４１】
また、本発明によれば、垂直方向に直流クランプした撮像信号を、Ａ／Ｄ変換手段に供給することにより、Ａ／Ｄ変換手段に入力される撮像信号の直流電位を最適化するようにしたため、Ａ／Ｄ変換手段の変換幅を十分広く使って、容易に垂直遮光領域の詳細な補正信号を得ることができ、これによりアナログ信号では困難な垂直方向単位の画質劣化補正を、簡単で精度良く行うことができる。
【００４２】
また、本発明によれば、撮像素子、駆動手段及びノイズ除去手段は同一半導体基板上に搭載することにより、撮像素子が複数の分割領域から構成されている場合にも、小型な構成とすることができるため、ＣＣＤを撮像素子に用いた従来の撮像装置に比べて、小型で低消費電力で安価な構成により、高解像度の分割画像に対しても、垂直同期信号期間内で撮像信号の直流分を一定にする直流クランプができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態のブロック図である。
【図２】 本発明における撮像素子の構成の一例を示す図である。
【図３】 本発明の要部であるＶ．ＯＢ部分によるクランプ動作を説明する図である。
【図４】 本発明における撮像素子から並列に出力される８系統の撮像信号の状態を模式的に示す図である。
【図５】 本発明におけるクランプパルスの各例を示す図である。
【図６】 本発明の第２の実施の形態のブロック図である。
【図７】 図６中のＯＢデータ作成回路の動作説明図である。
【図８】 図６の実施の形態におけるＯＢ補正による効果を説明する図である。
【図９】従来の撮像素子の遮光部を説明する図である。
【符号の説明】
１１ 撮像素子
１２ ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路
１３ タイミング発生器（ＴＧ）
１４ 駆動回路
１５ 増幅器
１６ ＣＭＯＳセンサ
１７ 同期信号発生器（ＳＳＧ）
１８ ＯＢクランプパルス発生回路
１９ クランプ回路
２０、２４ 信号処理回路
２２ Ａ／Ｄ変換器
２３ ＯＢデータ作成回路
Ａ 撮像領域
Ｂ 垂直オプチカルブラック（Ｖ．ＯＢ）部分（垂直遮光領域）
Claims (5)
- 被写体光像が照射され、該被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、前記撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、前記撮像領域及び前記垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、前記複数の分割領域のそれぞれから撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、
前記並列出力されたそれぞれの前記垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、前記所定電位を前記並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、
前記クランプ手段から出力された撮像信号を映像信号に変換して出力する信号処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 被写体光像が照射され、該被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、前記撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、前記撮像領域及び前記垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、前記複数の分割領域のそれぞれから撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、
前記ＣＭＯＳセンサから並列出力された画素単位の撮像信号の、前記垂直遮光領域の範囲内に対応した位置でクランプパルスを発生するクランプパルス発生手段と、
前記並列出力されたそれぞれの前記垂直遮光領域部分からの信号を前記クランプパルスに基づいて所定電位にクランプし、前記所定電位を前記並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、
前記クランプ手段から出力された撮像信号を映像信号に変換して出力する信号処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 被写体光像が照射され、該被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、前記撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、前記撮像領域及び前記垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、前記複数の分割領域のそれぞれに含まれる画素単位の撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、
前記並列出力されたそれぞれの前記垂直遮光領域部分からの信号を所定電位にクランプし、前記所定電位を前記並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、
前記所定電位を基準に前記垂直遮光領域部分を含めた撮像信号をディジタル信号化するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号のうち、前記垂直遮光領域のディジタル信号により補正信号を作成する補正信号作成手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号を、前記補正信号で減算して映像信号に変換して出力する信号処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 被写体光像が照射され、該被写体光像の光量に応じた電荷を発生する撮像領域と、前記撮像領域の垂直方向に付加された垂直遮光領域とからなり、前記撮像領域及び前記垂直遮光領域が少なくとも水平方向に３分割された複数の分割領域を有する撮像素子を備え、前記複数の分割領域のそれぞれに含まれる画素単位の撮像信号を並列出力するＣＭＯＳセンサと、
前記ＣＭＯＳセンサから並列出力された画素単位の撮像信号の、前記垂直遮光領域の範囲内に対応した位置でクランプパルスを発生するクランプパルス発生手段と、
前記並列出力されたそれぞれの前記垂直遮光領域部分からの信号を前記クランプパルスに基づいて所定電位にクランプし、前記所定電位を前記並列出力された撮像信号の基準にするクランプ手段と、
前記所定電位を基準に前記垂直遮光領域部分を含めた撮像信号をディジタル信号化するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号のうち、前記垂直遮光領域のディジタル信号により補正信号を作成する補正信号作成手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段から取り出されたディジタル信号を、前記補正信号で減算して映像信号に変換して出力する信号処理手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像領域は、高精細度テレビ方式の画素数の２倍以上の画素からなることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の撮像装置。
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