JP4533176B2 - 撮像装置、クランプ制御方法、及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置、クランプ制御方法、及びプログラムに関し、特に、２次元状の撮像素子から１次元走査により蓄積電荷を取り出して映像信号を出力する撮像装置、該撮像装置に適用されるクランプ制御方法、及び該クランプ制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関する。

図３は、従来の撮像装置の回路構成を示すブロック図である（例えば、特許文献１参照）。

図３において１０１は、画像を光電変換して撮像信号を出力するＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子である。この撮像素子１０１は、被写体画像を示す撮像信号を出力するための有効画素領域の他に、該撮像素子１０１の出力信号に含まれる暗電流を検出するための光学的黒（オプティカルブラック、以下「ＯＢ」という）領域を備える。このＯＢ領域で検出された信号は、暗電流量の変動による映像信号の黒レベルの変化を抑えるための制御に使用される。

図４は、ＯＢ領域を備えた撮像素子１０１の構成を示す図である。

撮像素子１０１は、有効画素部１と、垂直ＯＢ部２と、水平ＯＢ部３とで構成される。垂直ＯＢ部２及び水平ＯＢ部３では、各光電変換部が有効画素部１と同一の構成をもつが、それらの光電変換部の上に遮光層がそれぞれ設けられている。

図３に戻って、１０２はＰＧＡ回路であり、撮像素子１０１の蓄積電荷に含まれるノイズを低減するための２重相関サンプリング回路（Ｓ／Ｈ回路）と映像信号のゲインを調節するためのゲイン調節回路とからなる。１０３はクランプ回路であり、撮像素子１０１のＯＢ領域で得られる映像信号の電圧レベル（ＯＢレベル）に基づき、映像信号に対してレベル設定（クランプ）を行う。１０４はＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）であり、クランプ回路１０３から出力されたアナログ映像信号を、１２ビット等のデジタル信号に変換する。１０５は、Ａ／Ｄ変換器１０４から出力されたデジタル映像信号にデジタル信号処理を施す信号処理回路である。

１０７はクランプ電圧生成回路であり、撮像素子１０１のＯＢ領域で得られる映像信号、ここではＹ信号の電圧レベル（ＯＢレベル）を１水平ライン毎に積分し、その積分値に基づいてクランプ制御電圧を生成する。１０６はクランプパルス生成回路であり、撮像素子１０１の垂直ＯＢ部２及び水平ＯＢ部３が走査される期間において高レベルになるＯＢクランプパルスを生成する。クランプ回路１０３は、クランプパルス生成回路１０６から送られたＯＢクランプパルスが高レベルになっているとき、ＰＧＡ回路１０２から出力された映像信号に対して、クランプ電圧生成回路１０７で生成されたクランプ制御電圧でレベル設定する。

こうした構成の従来の撮像装置の具体的な動作について、図５を参照して説明する。

図５は、図１に示す従来の撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。

図５において（Ａ）は、２次元状の撮像素子１０１から１次元走査により蓄積電荷を取り出す際に使用する垂直同期信号を示し、（Ｂ）は、該蓄積電荷を取り出す際に使用する水平同期信号を示し、（Ｃ）は、白色基準板に対向した撮像素子１０１（センサ）から得られる出力信号を示し、（Ｄ）はＯＢクランプパルスを示す。

Ｓ１は、垂直ＯＢ部２で撮像素子１０１から得られる出力信号、Ｓ２は水平ＯＢ部３で撮像素子１０１から得られる出力信号、Ｓ３は有効画素部１で撮像素子１０１から得られる出力信号を示す。また、Ｓ４は垂直ＯＢ２用のクランプパルス、Ｓ５は水平ＯＢ３用のクランプパルスである。更に、Ｓ６は１水平期間を示し、Ｓ７は１フレーム期間を示している。Ｓ８は垂直ＯＢ部２のクランプ期間、Ｓ９は水平ＯＢ部３のクランプ期間を示している。

図３に示す従来の撮像装置において、撮像素子１０１より出力された映像信号は、ＰＧＡ回路１０２に入力され、ここで予め定められたゲインで増幅される。そしてＰＧＡ回路１０２から出力された映像信号は、コンデンサ１０８を通すことによって直流分が除去された交流的な映像信号になってクランプ回路１０３に入力される。クランプ回路１０３に入力された映像信号はクランプ回路１０３において、クランプパルス生成回路１０６より出力されたＯＢクランプパルス（図５（Ｄ）を参照）が高レベルである間、クランプ電圧生成回路１０７から出力されたクランプ制御電圧でクランプされる。

クランプされた映像信号は、Ａ／Ｄ変換器１０４に入力されてデジタル信号に変換され、その後、該映像信号の一方に対しては信号処理回路１０５でデジタル信号処理が施され、他方はクランプ電圧生成回路１０７に入力される。クランプ電圧生成回路１０７では、撮像素子１０１のＯＢ領域で該撮像素子１０１から得られるＹ信号のＯＢレベルを１水平ライン毎または予め設定された間隔毎に積分し、その積分値が一定値になるようなクランプ制御電圧が生成される。すなわち、クランプ回路１０３とＡ／Ｄ変換器１０４とクランプ電圧生成回路１０７との間で閉ループが構成され、結果的に、信号処理回路１０５に入力される映像信号のＯＢレベルが一定になるようにフィードバック制御が行われる。

暗電流が大きい場合に従来の撮像装置で行なわれる映像信号のクランプについて、図６を参照して説明する。

図６は、暗電流が大きい場合に従来の撮像装置で行なわれる映像信号のクランプ動作を説明するための撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。

図６において４は、暗電流が０であるときに撮像素子１０１のＯＢ領域で撮像素子１０１から出力されるべき出力信号のレベル（ＯＢクランプレベルＶＯＢ）であり、５は暗電流成分である。垂直ＯＢ部２および水平ＯＢ部３で撮像素子１０１から出力された出力信号のレベルが、図６（Ｅ）に示すように、ＯＢクランプレベルＶＯＢと同じになるように、信号処理回路１０５への入力映像信号のレベル調整が行われる。これにより、映像信号に含まれる暗電流成分が抑圧されることになる。
特開２０００−１２５２１１号公報

しかしながら、撮像素子に垂直ＯＢ部２と水平ＯＢ部３の両方を備えた上記従来の撮像装置において、撮像素子１０１の特性に、図７に示すような暗時水平シェーディングが存在する場合がある。すなわち、黒色基準板に対向した撮像素子１０１の各画素を水平方向に走査して撮像素子１０１から得られる出力電圧において、Ｖｓｈで示すような電位差（暗時水平シェーディング）が存在する場合がある。この電位差は、画面左側を０としたときに画面右側に移動するにつれて大きくなるオフセット成分の電位差である。

図８は、暗時水平シェーディングが存在する場合の従来の撮像装置で行なわれる映像信号のクランプ動作を説明するための撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。なお、図８（Ｃ）は、黒色基準板に対向した撮像素子１０１（センサ）から得られる出力信号を示す。

前述したように、従来の撮像装置では、垂直ＯＢ部２および水平ＯＢ部３で撮像素子１０１から出力された出力信号のレベルが、ＯＢクランプレベルＶＯＢと同じになるように、信号処理回路１０５への入力映像信号のレベル調整が行われる。すなわち、図８（Ｄ）に示すように、垂直ＯＢ部２でのＯＢクランプパルス（図８（Ｄ）に示す例では左側の４パルス）のパルス幅は、水平ラインの殆どの幅となっており、そのため、図８（Ｃ）に示す撮像素子１０１から出力された出力信号のレベルの殆どが、クランプ制御電圧の生成に影響を与える（積分に使用される）。こうして生成されたクランプ制御電圧が、その直後の水平ＯＢ部３で撮像素子１０１から出力された出力信号に対して行われるクランプに使用されるため、撮像素子１０１から出力された出力信号のレベルが過度に低く調整されてしまい、図８（Ｅ）に示すように、クランプ後の信号処理回路１０５への入力映像信号には、有効領域１に入った直後の数本の水平ラインにおいて、垂直シェーディング６が現れる。

そのため、撮像素子に垂直ＯＢ部２と水平ＯＢ部３の両方を備え、暗電流成分の抑圧を行う撮像装置において、得られた映像信号が表す映像画面の上部が黒ずんでしまうという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、垂直シェーディングを抑えて、映像画面の上部の黒ずみを無くすようにした撮像装置、クランプ制御方法、及びプログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、２次元状の撮像素子から１次元走査により蓄積電荷を取り出して映像信号を出力する撮像装置において、垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域を備えた撮像素子と、前記撮像素子の垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域をそれぞれ走査したときに該撮像素子から得られる出力信号のレベルを１水平走査ラインに亘って積分して水平走査ラインごとにクランプ電圧を生成するクランプ電圧生成手段と、前記撮像素子の垂直光学的黒領域を水平走査するときに要する第１の期間をパルス幅とするとともに、該パルス幅を順次減少させたパルス幅をそれぞれもつ複数の第１のクランプパルスと、前記撮像素子の水平光学的黒領域を水平走査するときに要する第２の期間をそれぞれパルス幅とする複数の第２のクランプパルスとを生成するクランプパルス生成手段と、前記撮像素子からの出力信号に対して、前記クランプパルス生成手段によって生成された第１及び第２のクランプパルスに従って、前記クランプ電圧生成手段によって生成されたクランプ電圧でレベル設定を行うクランプ手段とを有することを特徴とする撮像装置が提供される。

また、請求項３記載の発明によれば、垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域を備えた２次元状の撮像素子から１次元走査により蓄積電荷を取り出して映像信号を出力する撮像装置に適用されるクランプ制御方法において、前記撮像素子の垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域をそれぞれ走査したときに該撮像素子から得られる出力信号のレベルを１水平走査ラインに亘って積分して水平走査ラインごとにクランプ電圧を生成するクランプ電圧生成ステップと、前記撮像素子の垂直光学的黒領域を水平走査するときに要する第１の期間をパルス幅とするとともに、該パルス幅を順次減少させたパルス幅をそれぞれもつ複数の第１のクランプパルスと、前記撮像素子の水平光学的黒領域を水平走査するときに要する第２の期間をそれぞれパルス幅とする複数の第２のクランプパルスとを生成するクランプパルス生成ステップと、前記撮像素子からの出力信号に対して、前記クランプパルス生成ステップにおいて生成された第１及び第２のクランプパルスに従って、前記クランプ電圧生成ステップにおいて生成されたクランプ電圧でレベル設定を行うクランプステップとを有することを特徴とするクランプ制御方法が提供される。

さらに、上記クランプ制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。

本発明によれば、垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域を備えた撮像素子の垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域をそれぞれ走査したときに該撮像素子から得られる出力信号のレベルを１水平走査ラインに亘って積分して水平走査ラインごとにクランプ電圧を生成する。また、撮像素子の垂直光学的黒領域を水平走査するときに要する第１の期間をパルス幅とするとともに、該パルス幅を順次減少させたパルス幅をそれぞれもつ複数の第１のクランプパルスと、撮像素子の水平光学的黒領域を水平走査するときに要する第２の期間をそれぞれパルス幅とする複数の第２のクランプパルスとを生成する。そして、撮像素子からの出力信号に対して、前記生成された第１及び第２のクランプパルスに従って、前記生成されたクランプ電圧でレベル設定を行う。

これによって、暗時水平シェーディングの影響による出力信号レベルの変動（垂直シェーディング）が抑えられ、したがって、信号処理回路に入力される映像信号のＯＢレベルが一定に保たれ、映像画面の上部の黒ずみを無くすことができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の一実施の形態に係る撮像装置の構成は、図３に示す従来の撮像装置の構成と基本的に同じであるので、本実施の形態に係る撮像装置の説明では、図３に示す従来の撮像装置の構成を流用する。

図１は、本実施の形態に係る撮像装置で行なわれる映像信号のクランプ動作を説明するための撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。なお、このクランプ動作では、暗時水平シェーディングが存在するものとし、また、図１（Ｃ）は、黒色基準板に対向した撮像素子１０１（センサ）から得られる出力信号を示す。

本実施の形態におけるクランプパルス生成回路１０６では、図１（Ｄ）に示すように、垂直ＯＢクランプ期間において生成するＯＢクランプパルスの幅を徐々に小さくして、垂直ＯＢクランプ期間の最後には、水平ＯＢクランプ期間において生成するＯＢクランプパルスの幅と同じになるようにする。

これにより、垂直シェーディング（図８（Ｅ）の６を参照）を抑えることができる。

図２は、本実施の形態におけるクランプパルス生成回路１０６が生成するＯＢクランプパルスの各波形と撮像素子の各部との関係を示す図である。

図２においてＳ１０１は、垂直ＯＢ（ＶＯＢ）部２に対応するＯＢクランプパルスであり、波形ＶＯＢ０〜ＶＯＢ９からなる。図１（Ｄ）では、垂直ＯＢ（ＶＯＢ）部２に対応するＯＢクランプパルスとして４パルスを例示しているが、図２では１０パルスを例示している。

Ｓ１０２は、有効画素部１および水平ＯＢ（ＨＯＢ）部３に対応するＯＢクランプパルスであり、波形０〜Ｖからなる。Ｓ１０３は、水平ＯＢ（ＨＯＢ）部３の水平走査期間であり、Ｓ１０３は、有効画素部１の水平走査期間である。

ＯＢクランプパルスにおいて、先ず、垂直ＯＢ（ＶＯＢ）部２に対応するＯＢクランプパルスＳ１０１のうち上部に位置するパルス波形ＶＯＢ０〜ＶＯＢ３は、１水平ライン相当の長い期間に亘って高レベルとなるようにし、これによって、映像信号中の直流成分を多くクランプできるようにする。

そして、パルス波形ＶＯＢ４〜ＶＯＢ９において、有効画素部１および水平ＯＢ（ＨＯＢ）部３に対応するＯＢクランプパルスＳ１０２のパルス幅と同じになるように、徐々にパルス幅を減少させる。

このように、パルス波形ＶＯＢ４〜ＶＯＢ９においてパルス幅を徐々に減少させ、最終的にパルス波形ＶＯＢ９のパルス幅を、有効画素部１および水平ＯＢ（ＨＯＢ）部３に対応するＯＢクランプパルスＳ１０２の波形０〜Ｖのパルス幅と同じにする。これによって、図１（Ｅ）に示すように、暗時水平シェーディングの影響による出力信号レベルの変動（垂直シェーディング）がなく、したがって、本実施の形態における信号処理回路１０５に入力される映像信号のＯＢレベルは一定に保たれ、安定且つ正確な映像信号を得ることができる。

〔他の実施の形態〕
なお、上記の実施の形態における撮像装置の一部と、ＣＰＵ、記憶媒体、入出力装置等からなるコンピュータで構成し、記憶媒体に格納したプログラムコードをＣＰＵが実行することによって上記撮像装置の機能を実現するようにしてもよい。

この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施の形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード及び該プログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭ等を用いることができる。または、プログラムコードをネットワークを介してダウンロードしてもよい。

また、コンピュータが読み出したプログラムコードを実行することにより、上記実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された機能拡張ボードやコンピュータに接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部または全部を行い、その処理によって前述した実施形態の機能が実現される場合も含まれる。

本実施の形態に係る撮像装置で行なわれる映像信号のクランプ動作を説明するための撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。 本実施の形態におけるクランプパルス生成回路が生成するＯＢクランプパルスの各波形と撮像素子の各部との関係を示す図である。 従来の撮像装置の回路構成を示すブロック図である。 ＯＢ領域を備えた撮像素子の構成を示す図である。 図１に示す従来の撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。 暗電流が大きい場合に従来の撮像装置で行なわれる映像信号のクランプ動作を説明するための撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。 暗時水平シェーディングが存在する撮像素子の特性を示す図である。 暗時水平シェーディングが存在する場合の従来の撮像装置で行なわれる映像信号のクランプ動作を説明するための撮像装置の各部における信号波形を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 有効画素部
２ 垂直ＯＢ部（垂直光学的黒領域）
３ 水平ＯＢ部（水平光学的黒領域）
１０１ 撮像素子
１０２ ＰＧＡ回路
１０３ クランプ回路（クランプ手段）
１０４ Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）
１０５ 信号処理回路
１０６ クランプパルス生成回路（クランプパルス生成手段）
１０７ クランプ電圧生成回路（クランプ電圧生成手段）
Ｓ４ 垂直ＯＢ用のクランプパルス（第１のクランプパルス）
Ｓ５ 水平ＯＢ用のクランプパルス（第２のクランプパルス）

Claims (5)

1. ２次元状の撮像素子から１次元走査により蓄積電荷を取り出して映像信号を出力する撮像装置において、
   垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域を備えた撮像素子と、
   前記撮像素子の垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域をそれぞれ走査したときに該撮像素子から得られる出力信号のレベルを１水平走査ラインに亘って積分して水平走査ラインごとにクランプ電圧を生成するクランプ電圧生成手段と、
   前記撮像素子の垂直光学的黒領域を水平走査するときに要する第１の期間をパルス幅とするとともに、該パルス幅を順次減少させたパルス幅をそれぞれもつ複数の第１のクランプパルスと、前記撮像素子の水平光学的黒領域を水平走査するときに要する第２の期間をそれぞれパルス幅とする複数の第２のクランプパルスとを生成するクランプパルス生成手段と、
   前記撮像素子からの出力信号に対して、前記クランプパルス生成手段によって生成された第１及び第２のクランプパルスに従って、前記クランプ電圧生成手段によって生成されたクランプ電圧でレベル設定を行うクランプ手段と
   を有することを特徴とする撮像装置。
2. 前記クランプパルス生成手段は、前記複数の第１のクランプパルスの各パルス幅を、前記第１の期間から前記第２の期間へ向けて段階的に減少させることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域を備えた２次元状の撮像素子から１次元走査により蓄積電荷を取り出して映像信号を出力する撮像装置に適用されるクランプ制御方法において、
   前記撮像素子の垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域をそれぞれ走査したときに該撮像素子から得られる出力信号のレベルを１水平走査ラインに亘って積分して水平走査ラインごとにクランプ電圧を生成するクランプ電圧生成ステップと、
   前記撮像素子の垂直光学的黒領域を水平走査するときに要する第１の期間をパルス幅とするとともに、該パルス幅を順次減少させたパルス幅をそれぞれもつ複数の第１のクランプパルスと、前記撮像素子の水平光学的黒領域を水平走査するときに要する第２の期間をそれぞれパルス幅とする複数の第２のクランプパルスとを生成するクランプパルス生成ステップと、
   前記撮像素子からの出力信号に対して、前記クランプパルス生成ステップにおいて生成された第１及び第２のクランプパルスに従って、前記クランプ電圧生成ステップにおいて生成されたクランプ電圧でレベル設定を行うクランプステップと
   を有することを特徴とするクランプ制御方法。
4. 前記クランプパルス生成ステップでは、前記複数の第１のクランプパルスの各パルス幅を、前記第１の期間から前記第２の期間へ向けて段階的に減少させることを特徴とする請求項３記載のクランプ制御方法。
5. 垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域を備えた２次元状の撮像素子から１次元走査により蓄積電荷を取り出して映像信号を出力する撮像装置に適用されるクランプ制御方法を、コンピュータに実行させるためのプログラムにおいて、
   前記撮像素子の垂直光学的黒領域および水平光学的黒領域をそれぞれ走査したときに該撮像素子から得られる出力信号のレベルを１水平走査ラインに亘って積分して水平走査ラインごとにクランプ電圧を生成するクランプ電圧生成ステップと、
   前記撮像素子の垂直光学的黒領域を水平走査するときに要する第１の期間をパルス幅とするとともに、該パルス幅を順次減少させたパルス幅をそれぞれもつ複数の第１のクランプパルスと、前記撮像素子の水平光学的黒領域を水平走査するときに要する第２の期間をそれぞれパルス幅とする複数の第２のクランプパルスとを生成するクランプパルス生成ステップと、
   前記撮像素子からの出力信号に対して、前記クランプパルス生成ステップにおいて生成された第１及び第２のクランプパルスに従って、前記クランプ電圧生成ステップにおいて生成されたクランプ電圧でレベル設定を行うクランプステップと
   を有することを特徴とするプログラム。

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