(57)【要約】【課題】画像データの補正に関して、信頼性の高い補正を効果的に行うことができる撮像装置を提供する。【解決手段】受光素子により生成された電荷を出力する出力ゲート１０２１と、出力ゲート１０２１が出力した電荷を変換することにより生成された電気信号をデジタル信号に変換して画像データとしてメモリに出力する画像データ出力部１２１とを有する撮像部１２０と、撮像部１２０を制御するコントローラ１０４とを備える撮像装置１００において、コントローラ１０４は、出力ゲート１０２１からの電荷の出力を停止させ、出力ゲート１０２１からの電荷の出力が停止された状態で画像データ出力部１２１から出力される画像データを、出力ゲート１０２１が電荷を出力している状態で画像データ出力部１２１から出力される画像データの補正データとしてメモリ１０８に記憶させることを特徴とする。【選択図】図１
2010239301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子により生成された電荷を出力する出力ゲートと、前記出力ゲートが出力した電荷を変換することにより生成された電気信号をデジタル信号に変換して画像データとしてメモリに出力する画像データ出力部とを有する撮像部と、前記撮像部を制御するコントローラとを備える撮像装置において、
前記コントローラは、
前記出力ゲートからの電荷の出力を停止させ、前記出力ゲートからの電荷の出力が停止された状態で前記画像データ出力部から出力される画像データを、前記出力ゲートが電荷を出力している状態で前記画像データ出力部から出力される画像データの補正データとして前記メモリに記憶させることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記画像データ出力部は、
前記コントローラにより前記出力ゲートからの電荷の出力が停止されていない状態で出力した画像データを補正前画像データとして前記メモリに記憶し、
前記撮像装置は、さらに、
前記コントローラにより前記メモリに記憶された補正データと前記補正前画像データとを前記メモリから読み出して、前記補正前画像データから前記補正データを差し引いた画像データを補正後画像データとしてメモリに記憶する減算回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記出力ゲートは、電極を備え、
前記コントローラは、
前記出力ゲートの備える電極の電位を、前記出力ゲートから電荷が出力されない電位に制御することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記撮像部は、さらに、
前記画像データ出力部から出力された画像データを、前記補正データとして前記メモリに記憶するか前記補正前データとしてメモリに記憶するかの切替をする切替部を備え、
前記コントローラは、前記切替部を切替えて、
前記出力ゲートからの電荷の出力を停止させた場合に、前記画像データ出力部から出力される画像データを前記補正データとして前記メモリに記憶させ、前記出力ゲートから電荷を出力させている場合には、前記画像データ出力部から出力される画像データを前記補正前データとして前記メモリに記憶させる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の撮像装置。
【請求項５】
撮像部が、受光素子により生成され出力ゲートから出力される電荷を変換することにより生成される電気信号を、デジタル信号に変換して画像データとしてメモリに出力する撮像ステップと、制御部が、前記撮像部による撮像ステップを制御する制御ステップとを備える撮像装置の撮像方法において、
前記制御ステップは、
前記制御部が、前記出力ゲートからの電荷の出力を停止させ、前記出力ゲートからの電荷の出力が停止された状態で撮像ステップにより出力される画像データを、前記出力ゲートが電荷を出力している状態で前記撮像ステップから出力される画像データの補正データとして前記メモリに記憶させることを特徴とする撮像装置の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像対象を撮影して画像データを取得するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた撮像装置及び撮像装置の撮像方法に関するものであり、特に、画像データの補正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、一次元ＣＣＤを搭載した撮像装置においては、高空間分解能化が求められており、画素サイズを高精細化するなどの対応が一般的となっている。１次元ＣＣＤは、入射光により一次元に配列された画素部で発生した信号電荷を水平転送レジスタに転送し、出力部から順次読み出して、電気信号として出力する機能を有する。
【０００３】
画素を高精細化する場合、一画素に入射する光の照度が減少して撮像装置の感度が低下するという課題が発生する。この課題を解決する手段の一つとして、ＴＤＩ（ｔｉｍｅ  ｄｅｌａｙ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ：時間遅延積分）型ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｅｖｉｃｅ  ：電荷結合素子）を採用する撮像装置が開発されている。
【０００４】
ＴＤＩ型ＣＣＤは、二次元アレーＣＣＤと同類の構造を有し、垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタから構成され、垂直シフトレジスタで電荷（信号）の蓄積と転送を行い、水平シフトレジスタで電荷（信号）の読み出しを行う。ＴＤＩ型ＣＣＤのＴＤＩ機能とは、撮像物あるいは撮像装置の移動と同期して垂直シフトレジスタにより電荷転送を行い、通常得られる電荷をＴＤＩ段数に比例した倍率で積分することにより十分大きな電荷を得ることができる機能である。
【０００５】
ＴＤＩ型ＣＣＤでは、電荷（信号）の垂直転送は水平シフトレジスタ動作中に行うため、ＴＤＩ型ＣＣＤからの出力信号（画像信号）に垂直転送クロックによるカップリングノイズが重畳してしまうという課題が生じる。垂直転送クロックは出力信号（画像信号）読み出しのタイミングと同期しているため、ノイズが固定パターンとなり、画像としては縦縞として視認される。このような課題を解決する方法として、特許文献１と特許文献２が提案されている。
【０００６】
特許文献１では、垂直転送クロックの立ち上がり、立ち下がりにより影響を受ける一定期間、水平転送クロックを停止し、影響を受けない時間経過後再動作させることで、ノイズの重畳を防止する方法が提案されている。
【０００７】
特許文献２では、ノイズ自体を抑制するかわりに、メカニカルシャッタを用いて撮像装置の起動時に暗時データを取得して記憶装置に記憶し、通常撮像時に記憶された暗時データに基づいて画像データの補正を行うことより、固定パターンノイズを相殺する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０５７５５２号公報
【特許文献２】特開２０００−１３４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１の技術は、予め想定しているカップリングノイズに対しては、水平転送クロックの制御により効果があるが、想定外のカップリングノイズが重畳した場合、対応できない。また、ＣＣＤ以降の電気回路でカップリングノイズが重畳した場合も、対応できないという課題がある。
【００１０】
また、特許文献２の技術においては、メカニカルシャッタが必要となるため、シャッタの開閉頻度が高い用途では信頼性の確保が課題となる。また起動時のみに補正用の暗時データを取得する場合、ＣＣＤや電気回路の温度上昇に伴うカップリングノイズのレベルの変化により、時間経過とともに補正精度が低下するという課題がある。
【００１１】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、メカニカルシャッタ等の機器を使用することなく、ＴＤＩ型ＣＣＤの駆動方法を改良して、画像データの補正を効果的に行うとともに、信頼性の高い補正を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る撮像装置によれば、受光素子により生成された電荷を出力する出力ゲートと、前記出力ゲートが出力した電荷を変換することにより生成された電気信号をデジタル信号に変換して画像データとしてメモリに出力する画像データ出力部とを有する撮像部と、前記撮像部を制御するコントローラとを備える撮像装置において、
前記コントローラは、
前記出力ゲートからの電荷の出力を停止させ、前記出力ゲートからの電荷の出力が停止された状態で前記画像データ出力部から出力される画像データを、前記出力ゲートが電荷を出力している状態で前記画像データ出力部から出力される画像データの補正データとして前記メモリに記憶させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る撮像装置によれば、受光素子により生成された電荷を出力する出力ゲートと、出力ゲートが出力した電荷を変換することにより生成された電気信号をデジタル信号に変換して画像データとしてメモリに出力する画像データ出力部とを有する撮像部と、撮像部を制御するコントローラとを備える撮像装置において、コントローラは、出力ゲートからの電荷の出力を停止させ、出力ゲートからの電荷の出力が停止された状態で画像データ出力部から出力される画像データを、出力ゲートが電荷を出力している状態で画像データ出力部から出力される画像データの補正データとしてメモリに記憶させることができるので、メカニカルシャッタ等の機器を使用することなく、画像データの補正を効果的に行うとともに、信頼性の高い補正を行うことができる撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１における撮像装置１００の全体構成の一例を示す全体構成図である。
【図２】実施の形態１におけるフレーム転送（ＦＴ）方式のＣＣＤ撮像素子１０２を示す平面図である。
【図３】図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す各部の通常撮影時の電子ポテンシャルを示す図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す各部の補正画像データ取得時の電子ポテンシャルを示す図である。
【図４】ＴＤＩ型ＣＣＤであるＣＣＤ撮像素子１０２の一般的な駆動パターンの一例を示すタイミングチャート図を示した図である。
【図５】図５（ａ）はカップリングノイズが重畳した二次元画像の一例を示す図、図５（ｂ）は実施の形態１における撮像装置１００により取得された画像データの画像の一例を示す図、図５（ｃ）は、実施の形態１における撮像装置１００により補正された後の補正後画像データの画像（最終画像）の一例を示す図である。
【図６】実施の形態１における撮像装置１００の各構成部の動作のモードシーケンス図である。
【図７】実施の形態２における撮像装置１００の全体構成の一例を示す全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における撮像装置１００の全体構成の一例を示す全体構成図である。図１を用いて、実施の形態１における撮像装置１００の全体構成について説明する。
【００１６】
撮像装置１００は、いわゆるＴＤＩ方式により、撮像対象４００を撮像して二次元画像を生成する装置である。撮像装置１００は、光学系１０１、撮像部１２０、駆動回路１０３、コントローラ１０４、積分回路１０７、メモリ１０８、減算回路１０９を備える。撮像部１２０は、ＣＣＤ撮像素子１０２、画像データ出力部１２１（増幅回路１１０、アナログ／デジタル変換器１０５）、切替回路１０６を備える。
【００１７】
光学系１０１は、レンズ等であり、撮像対象から発せられた光（入射光）を撮像部１２０の備えるＣＣＤ撮像素子１０２に集光する。
【００１８】
ＣＣＤ撮像素子１０２は、例えば、上述したＴＤＩ型ＣＣＤである。ＣＣＤ撮像素子１０２では、光学系１０１により集光された光が受光素子からなる受光面に結像し、受光素子が結像した光（撮像対象からの光）による明暗を光電変換することにより電荷を生成する。ＣＣＤ撮像素子１０２は、二次元アレーＣＣＤと同類の構造を有し、垂直シフトレジスタと水平シフトレジスタから構成され、垂直シフトレジスタで電荷（信号）の蓄積と転送を行い、水平シフトレジスタで電荷（信号）の出力ゲート１０２１から電荷の読み出しを行う。ＣＣＤ撮像素子１０２では、生成された電荷を出力ゲート１０２１から出力して、出力した電荷を電気信号に変換して増幅回路１１０に出力する。ＣＣＤ撮像素子１０２の詳細は、後述する。
【００１９】
コントローラ１０４は、モード切替信号を出力して撮像部１２０を制御する。コントローラ１０４は、モード切替信号を、駆動回路１０３と切替回路１０６とに出力して撮像部１２０を制御する。ここで、モード切替信号とは、撮像装置１００の補正データ取得モードと通常撮像モードとの切替を意味する。補正データ取得モードと通常撮像モードとの切替についての詳細は後述する。
【００２０】
駆動回路１０３は、コントローラ１０４からのモード切替信号にしたがって、ＣＣＤ撮像素子１０２を駆動する駆動信号を生成してＣＣＤ撮像素子１０２に出力する。駆動回路１０３は、コントローラ１０４からのモード切替信号が補正データ取得モードの場合には、出力ゲート１０２１の備える電極の電位を、出力ゲート１０２１から電荷が出力されない電位に制御する駆動信号を出力する。また、駆動回路１０３は、コントローラ１０４からのモード切替信号が通常撮像モードの場合には、出力ゲート１０２１の備える電極の電位を、出力ゲート１０２１から電荷が出力する電位に制御する駆動信号を出力する。
【００２１】
増幅回路１１０は、ＣＣＤ撮像素子１０２から出力される電気信号を、所定の振幅に増幅する。アナログ／デジタル変換器１０５は、増幅回路１１０から出力された増幅電気信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して画像データとして出力する。
【００２２】
切替回路１０６は、入力したコントローラ１０４の指示（モード切替信号）にしたがって、アナログ／デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号（画像データ）を出力する。切替回路１０６は、入力したコントローラ１０４の指示（モード切替信号）にしたがって、アナログ／デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号（画像データ）を積分回路１０７に送信する（スイッチ「Ａ」）か減算回路１０９に送信する（スイッチ「Ｂ」）かを切り替える。
【００２３】
すなわち、切替回路１０６は、コントローラ１０４からのモード切替信号が補正データ取得モードの場合には、アナログ／デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号（画像データ）を積分回路１０７に送信する。また、切替回路１０６は、コントローラ１０４からのモード切替信号が通常撮像モードの場合には、アナログ／デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号（画像データ）を通常画像データ（補正前画像データの一例）として減算回路１０９に送信する。あるいは、切替回路１０６は、コントローラ１０４からのモード切替信号が通常撮像モードの場合に、アナログ／デジタル変換器１０５から出力されたデジタル信号（画像データ）を通常画像データ（補正前画像データの一例）としてメモリ１０８に送信して記憶するとしてもよい（図示せず）。
【００２４】
積分回路１０７は、切替回路１０６から画像データを入力して、所定ライン数間の積分演算によりランダム雑音の除去を行い、積分された画像データを補正データとしてメモリ１０８に記憶する。
【００２５】
減算回路１０９は、アナログ／デジタル変換器１０５（画像データ出力部）から出力された通常画像データ（補正前画像データ）を入力し、入力した通常画像データから、コントローラ１０４によりメモリ１０８に記憶された補正データを差し引いた画像データを、最終画像データである補正後画像データとして出力する。あるいは、切替回路１０６により、通常画像データ（補正前画像データ）がメモリ１０８に記憶される方式の場合には、減算回路１０９は、アナログ／デジタル変換器１０５（画像データ出力部）から出力されメモリ１０８に記憶された通常画像データ（補正前画像データ）を入力し、入力した通常画像データから、コントローラ１０４によりメモリ１０８に記憶された補正データを差し引いた画像データを、最終画像データである補正後画像データとして出力する。
【００２６】
すなわち、コントローラ１０４は、出力ゲート１０２１からの電荷の出力を停止させ、出力ゲート１０２１からの電荷の出力が停止された状態で増幅回路１１０とアナログ／デジタル変換器１０５とからなる画像データ出力部１２１から出力される画像データを、出力ゲート１０２１が電荷を出力している状態で画像データ出力部１２１から出力される画像データの補正データとしてメモリ１０８に記憶させる。また、コントローラ１０４は、出力ゲート１０２１から電荷が出力している状態で画像データ出力部１２１から出力される画像データを、通常画像データ（補正前画像データ）として減算回路１０９に出力させる（あるいは、通常画像データ（補正前画像データ）としてメモリ１０８に出力させる）。そして、減算回路１０９は、画像データ出力部１２１から出力された補正前画像データを入力し（あるいは、メモリ１０８に記憶された補正前画像データを入力し）、入力した補正前画像データから、メモリ１０８に記憶された補正データを差し引いた画像データを補正後画像データとして出力する。
【００２７】
このように、本実施の形態の撮像装置１００では、メカニカルシャッタ等の機器を用いることなく、駆動回路１０３を介したＣＣＤ撮像素子１０２の駆動条件を変更することにより、メカニカルシャッタを閉じた状態と同様に光信号成分の検出を阻止している。すなわちメカニカルシャッタを閉じた状態と同等の暗時データ（補正データ）が得られる。
【００２８】
図２は、実施の形態１に係るフレーム転送（ＦＴ）方式のＣＣＤ撮像素子１０２を示す平面図である。フレーム転送（ＦＴ）方式のＣＣＤ撮像素子１０２の概要について説明する。フレーム転送（ＦＴ）方式のＣＣＤ撮像素子１０２とは、受光部が垂直転送レジスタを兼ねる方式のＣＣＤ撮像素子１０２のことである。
【００２９】
ＣＣＤ撮像素子１０２は、二次元ＣＣＤイメージセンサである。ＣＣＤ撮像素子１０２は、垂直転送レジスタの機能を兼ねた画素（垂直ＣＣＤ）２０１、垂直電荷排出部２０２、垂直電荷排出制御ゲート２０３、垂直転送電極２０４（２０４−１〜２０４−４（ΦＶ１〜ΦＶ４））、ライン蓄積部（ＳＴ）２０５、ライン蓄積部制御ゲート（ＳＣ）２０６、水平転送レジスタ２０７（水平ＣＣＤ）、水平電荷排出部２０８、水平電荷排出制御ゲート２０９、水平転送電極２１０（２１０−１〜２１０−２（ΦＨ１、ΦＨ２））、出力障壁電極（ＧＯ）２１１（出力ゲート１０２１の一例）、フローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２（電荷検出部の一例）、リセットゲート２１３、リセットトランジスタのドレイン２１４、ソースフォロアアンプ２１５を備えている。
【００３０】
図２では、ＣＣＤ撮像素子１０２の垂直転送電極２０４を４相（ΦＶ１〜ΦＶ４）で構成し、水平転送電極２１０を２相（ΦＨ１、ΦＨ２）で構成したが、垂直転送電極２０４および水平転送電極２１０の両方を４相で構成してもよい。
【００３１】
画素（垂直ＣＣＤ）２０１は、撮像部１２０が撮像する一次元画像の一画素に対応する。画素（垂直ＣＣＤ）２０１は、４相構成の垂直転送電極２０４を有する。垂直転送電極２０４は、垂直方向に一列に並んでいる。垂直転送電極２０４は、撮像対象からの光を受光して、受光した光に基づいて受光素子により変換された電荷を下方向に隣接した垂直転送電極２０４に転送する。画素（垂直ＣＣＤ）２０１の一番下の垂直転送電極２０４は、ライン蓄積部（ＳＴ）２０５に対して電荷を転送する。
【００３２】
撮像部１２０の走査により、撮像対象の同じ位置から発した光の到達位置が、垂直転送電極２０４一つ分下に移動するのと同期して、駆動回路１０３が生成した駆動電圧により、垂直転送電極２０４は、電荷を一つ下の垂直転送電極２０４に転送する。これにより、撮像対象の同じ位置から発した光により発生した電荷が、垂直転送電極２０４を移動しながら蓄積されていく。
【００３３】
ライン蓄積部（ＳＴ）２０５は、複数の水平転送電極２０５１を有する。水平転送電極２０５１は、水平方向に一列に並んでいる。一つの水平転送電極２０５１は、撮像部１２０が撮像する一次元画像の一画素に対応する。水平転送電極２０５１は、同じ画素に対応する画素（垂直ＣＣＤ）２０１の一番下の垂直転送電極２０４から電荷を受け取り、受け取った電荷をライン蓄積部制御ゲート（ＳＣ）２０６に対して転送する。ライン蓄積部制御ゲート（ＳＣ）２０６は、ライン蓄積部（ＳＴ）２０５と同様の構成であり、ライン蓄積部（ＳＴ）２０５に蓄積された電荷を水平転送レジスタ２０７に転送する。
【００３４】
水平転送レジスタ２０７は、複数の水平転送電極２１０（２１０−１，２１０−２）を有する。水平転送電極２１０は、水平方向に一列に並んでいる。一つの水平転送電極２１０は、撮像部１２０が撮像する一次元画像の一画素に対応する。水平転送電極２１０は、同じ画素に対応するライン蓄積部（ＳＴ）２０５の水平転送電極２０５１からライン蓄積部制御ゲート（ＳＣ）２０６の水平転送電極２０６１を介して電荷を受け取る。水平転送電極２１０は、受け取った電荷を、右方向に隣接した水平転送電極２１０に転送する。
【００３５】
水平転送レジスタ２０７の一番右の水平転送電極２１０は、出力障壁電極（ＧＯ）２１１（出力ゲート１０２１の一例）を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２に対して電荷を転送する。フローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２（電荷検出部）は、出力障壁電極（ＧＯ）２１１（出力ゲート１０２１の一例）を介して電荷を受け取り、受け取った電荷を電圧（電気信号）に変換する。フローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２により変換された電気信号は、ソースフォロアアンプ２１５により読み出されてＣＣＤ撮像素子１０２より出力される。
【００３６】
図３において、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す各部の通常撮影時の電子ポテンシャル値（電子ポテンシャル井戸）を示す図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示す各部の補正画像データ取得時の電子ポテンシャル値（電子ポテンシャル井戸）を示す図である。図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す電子ポテンシャルでは、図中の下方向が高レベル（正電位）を示している。
【００３７】
図３（ａ）を用いて、ＣＣＤ撮像素子１０２の構成について説明する。図３（ａ）に示す断面図において、ＣＣＤ撮像素子１０２は、ｐ型シリコン基板３００と、ｐ型シリコン基板３００上にイオン注入によって形成された埋め込みチャネル３０５（ｎ型シリコン層）と、埋め込みチャネル３０５上に形成された第１ポリシリコン電極３０１と、第１ポリシリコン電極３０１の形成後に埋め込みチャネル３０５上に形成された第２ポリシリコン電極３０２と、第１ポリシリコン電極３０１の後のイオン注入によって埋め込みチャネル３０５内に形成されたＣＣＤバリア部３０３と、埋め込みチャネル３０５へのイオン注入によって形成されたＮ型シリコン層３０４とにより構成されている。
【００３８】
第１ポリシリコン電極３０１および第２ポリシリコン電極３０２は、図２に示す水平転送レジスタ２０７の水平転送電極２１０（ΦＨ１、ΦＨ２）（２１０−１、２１０−２）を形成しており、第２ポリシリコン電極３０２は、２相ＣＣＤのバリア部となっている。
【００３９】
第１ポリシリコン電極３０１および第２ポリシリコン電極３０２は、埋め込みチャネル３０５の不純物濃度によって電子ポテンシャル値が変化する。通常、電荷転送がスムーズに行われるように、Ｖ（垂直）ＣＣＤ部を浅く、Ｈ（水平）ＣＣＤ部が深くなるように電子ポテンシャル値が設定される。
【００４０】
また、第１ポリシリコン電極３０１および第２ポリシリコン電極３０２は、図２に示す画素（垂直ＣＣＤ）２０１（垂直転送レジスタ）の垂直転送電極（ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４）（２０４−１〜２０４−４）を形成している。
【００４１】
また、第１ポリシリコン電極３０１は、図２に示すライン蓄積部（ＳＴ）２０５、ライン蓄積部制御ゲート（ＳＣ）２０６およびリセットゲート２１３（ΦＲ）を形成しており、第２ポリシリコン電極３０２は、図２に示す出力障壁電極（ＧＯ）２１１を形成している。
【００４２】
さらに、Ｎ型シリコン層３０４は、図２に示すフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２およびリセットトランジスタのドレイン２１４（ＶＲ）を形成している。また、Ｎ型シリコン層３０４は、図２に示す垂直電荷排出部２０２（ＶＩ）を形成し、第２ポリシリコン電極３０２は、図２に示す垂直電荷排出制御ゲート２０３（ＶＣＣ）を形成している。
【００４３】
図３（ｂ）の電子ポテンシャル図は、通常撮像モード時のある時刻における図３（ａ）の各断面位置での電子ポテンシャル状態を示し、図３（ｃ）の電子ポテンシャル図は、補正データ取得モード時のある時刻における図３（ａ）の各断面位置での電子ポテンシャル状態を示している。図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す電子ポテンシャルでは、図中の下方向が高レベル（正電位）を示している。すなわち、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す電子ポテンシャルの井戸では、対応する電極の電圧が高レベル（高電位）なほど、電子ポテンシャルの井戸の深さ（電子ポテンシャル値）が深く（高く）なる。
【００４４】
図１〜図３を用いて、実施の形態１に係る撮像装置１００の動作の概要について説明する。なお、通常の画像撮像動作については、従来技術と同様なのでここでは省略し、主に、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の電子ポテンシャル図を参照しながら、ＣＣＤ撮像素子１０２の内部での電荷転送に関する動作について説明する。
【００４５】
ＣＣＤ撮像素子１０２は、複数のＭＯＳキャパシタで構成されており、電極のゲートに印加されるゲート電圧に応じて、電極のゲート下に形成される電子ポテンシャルの井戸の深さが変化する。したがって、電子ポテンシャルの井戸に蓄積された電荷（信号電荷）は、電極のゲート電圧を順次変化させることによって、バケツリレーのように転送されることになる。
【００４６】
図３（ｂ）の通常撮像時（すなわち、通常撮像モード時）のある時刻においては、コントローラ１０４により水平転送電極（ΦＨ２）２１０−２の電子ポテンシャルが低レベルに制御され、信号電荷（矢印）は、水平転送レジスタ２０７の最終段から電荷検出部であるフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２に転送された状態を示している。すなわち、ＣＣＤ撮像素子１０２の出力ゲート１０２１である出力障壁電極（ＧＯ）２１１から電荷が出力された状態を示している。
【００４７】
図３（ｃ）の補正画像取得時（すなわち、補正データ取得モード時）のある時刻においては、ＣＣＤ撮像素子１０２の光信号成分が検出されないように制御される。すなわち、コントローラ１０４により、ＣＣＤ撮像素子１０２の出力ゲート１０２１である出力障壁電極（ＧＯ）２１１から電荷が出力しないように制御される。
【００４８】
補正画像取得時（すなわち、補正データ取得モード時）においては、コントローラ１０４により、出力障壁電極（ＧＯ）２１１に印加される電圧が、他の電極に印加される電圧よりも小さく（たとえば、−５Ｖに）設定されるように制御される。したがって、出力障壁電極（ＧＯ）２１１の電圧は、ＣＣＤ撮像素子１０２の電極の中で一番小さくなり、出力障壁電極（ＧＯ）２１１に対応する電子ポテンシャルの井戸の深さは他の電極の電子ポテンシャルの井戸の深さよりも浅くなる。つまり、図３（ｃ）に示すように、出力障壁電極（ＧＯ）２１１の電子ポテンシャル値が、他の電極下の電子ポテンシャル値と比べて最も小さく設定され、転送されてきた信号電荷は出力障壁電極（ＧＯ）２１１によりせき止められて出力できない。
【００４９】
図３（ｃ）の状態において、転送されてきた信号電荷は、出力障壁電極（ＧＯ）２１１でせき止められて、撮像時間に応じて蓄積されていく。そして、出力障壁電極（ＧＯ）２１１によってせき止められるので、過剰な電荷（破線矢印）は、垂直電荷排出部２０２（ＶＩ）から排出される（破線矢印）。
【００５０】
このように、図３（ｃ）に示す動作によって生成された信号電荷は、電荷検出部であるフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２に転送されず、垂直電荷排出部２０２（ＶＩ）から排出されるので、擬似的に光信号成分の電荷を遮断した画像信号（画像データ）を得ることができる。
【００５１】
図４は、ＴＤＩ型ＣＣＤであるＣＣＤ撮像素子１０２の一般的な駆動パターンの一例を示すタイミングチャート図を示した図である。ＴＤＩ型ＣＣＤの垂直転送駆動は、垂直転送クロック（垂直転送電極の駆動）ΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４により、水平転送クロック（水平転送電極の駆動）ΦＨ１、ΦＨ２動作中（１水平転送期間）に行われる。この場合、図４に示すように、垂直転送クロックが「Ｈ」から「Ｌ」、あるいは「Ｌ」から「Ｈ」に変化したとき出力信号にカップリングノイズが重畳する。図４では、カップリングノイズが出力信号に重畳したときの出力信号の出力波形の一例を示している。このように、カップリングノイズは特定の画素位置で発生するため、二次元画像においては縦縞の固定ノイズパターンとして視認される。
【００５２】
図５では、図５（ａ）はカップリングノイズが重畳した二次元画像の一例を示す図、図５（ｂ）は実施の形態１における撮像装置１００により取得された通常画像データ（補正前画像データ）及び補正データによる画像の一例を示す図、図５（ｃ）は、実施の形態１における撮像装置１００により補正された後の補正後画像データによる画像（最終画像）の一例を示す図である。
【００５３】
図５（ａ）は、撮像対象物をＬ（撮像開始時）からＬ‘（撮像終了時）までの区間で取得したときの画像の一例を示している。上述したように、カップリングノイズは特定の画素位置で発生するため、図５（ａ）に示すように、二次元画像では縦縞（固定パターン）として視認される。なお、図５（ａ）の画像にはランダムノイズも含まれている。図５（ｂ）及び図５（ｃ）についての説明は後述する。
【００５４】
図６は、実施の形態１における撮像装置１００の各構成部の動作のモードシーケンス図である。図６を用いて、撮像装置１００の各構成部の動作について説明する。
【００５５】
まず、撮像装置１００において撮影が開始される。図６のモードシーケンス図では、「撮像開始」時点である。撮像装置１００では、通常撮像データを取得する（以下、通常撮像モードと記す）直前に、補正データを取得する（以下、補正データ取得モードと記す）。
【００５６】
撮像装置１００で撮像が開始されると、コントローラ１０４は、撮像装置１００を補正データ取得モードに設定するためのモード切り替え信号（補正データ取得モード指令信号）を、駆動回路１０３と切替回路１０６とへ送信する。
【００５７】
駆動回路１０３は、コントローラ１０４より補正データ取得モード指令信号を受信すると、補正データ取得モードの動作状態となり、ＣＣＤ撮像素子１０２の出力障壁電極（ＧＯ）２１１に印加する電圧を低い値（例えば−５Ｖ）に設定する駆動信号を生成して、ＣＣＤ撮像素子１０２へ送信する。
【００５８】
また、切替回路１０６は、コントローラ１０４より補正データ取得モード指令信号を受信すると、補正データ取得モードの動作状態となり、アナログ／デジタル変換器１０５から受信する画像データを積分回路１０７へ送信（図１における「スイッチＡ」）に切り替える。
【００５９】
ＣＣＤ撮像素子１０２では、駆動回路１０３からの駆動信号により、出力障壁電極（ＧＯ）２１１からの電荷の出力がせき止められ、光成分の電荷が除去される。これにより、ＣＣＤ撮像素子１０２からは、光成分が除去され、カップリングノイズ成分が重畳された疑似暗時画像信号が出力される。
【００６０】
図５（ｂ）は、図５（ａ）と同じ撮像対象物を撮像したときの画像であり、補正データ取得モード時の疑似暗時画像信号による画像（Ｌ１時からモード切替時）と通常撮像モード時の補正前画像信号による画像（モード切替時からＬ１‘時）とを示す図である。すなわち、図５（ｂ）は、撮像対象物をＬ１時（撮像開始時）からＬ１‘時（撮像終了時）までの区間撮像した場合の、疑似暗時画像信号に基づく疑似暗時画像データ（補正データ）と補正前画像信号に基づく補正前画像データである。疑似暗時画像信号に基づく疑似暗時画像データ（補正データ）は、Ｌ１時（撮影開始時）からモード切替時までの画像である。
【００６１】
撮像装置１００では、Ｌ１時（撮像開始時）（すなわち開始時）から所定期間（例えば、予め設定されているＮライン画像取得期間）の間に、補正データ取得モードとなるものとする。図５（ｂ）に示すように、補正データ取得モードでは、撮像対象の画像は除去され、カップリングノイズ成分及びランダムノイズ成分が重畳された画像（疑似暗時画像）となる。疑似暗時画像部分は、光信号成分は遮断され、カップリングノイズ成分とランダムノイズ成分が含まれている。
【００６２】
補正データ取得モード時にＣＣＤ撮像素子１０２から出力された出力信号（疑似暗時画像信号）は、増幅回路１１０により所定の振幅に増幅され、アナログ／デジタル変換器１０５へ出力される。
【００６３】
増幅回路１１０により増幅され出力された出力信号（増幅疑似暗時画像信号）は、アナログ／デジタル変換器１０５によりアナログ信号からデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された信号は、疑似暗時画像データとして切替回路１０６へ出力される。上述したように、コントローラ１０４は、撮像開始時（すなわち起動時）から画素のＮラインを取得する期間を補正データ取得モードとして制御するものとする。この場合、ＣＣＤ撮像素子１０２では、疑似暗時画像信号をＮライン分取得し、デジタル信号に変換された疑似暗時画像データもＮライン分となる。
【００６４】
上述したように、切替回路１０６は、補正データ取得モードでは、コントローラ１０４からの補正データ取得モード指令信号により、出力「Ａ」側に選択（切替）されており、疑似暗時画像データは積分回路１０７へ出力される。
【００６５】
積分回路１０７では、入力された疑似暗時画像データに対して、予め設定されているライン数分Ｎの積分処理を行う。積分回路１０７による積分処理により、疑似暗時画像データからランダムノイズ成分が除去され、カップリングノイズ成分を含む補正データが得られる。積分回路１０７により得られた補正データは、メモリ１０８に記憶される。
【００６６】
図５（ｃ）は、実施の形態１における補正データのプロファイルの一例を示す図である。
【００６７】
次に、コントローラ１０４により、補正データ取得モードから通常撮像モードにモードの切替がなされる。コントローラ１０４は、撮像装置１００を通常撮像モードに設定するためのモード切り替え信号（通常撮像モード指令信号）を、駆動回路１０３と切替回路１０６とへ送信する。
【００６８】
駆動回路１０３は、コントローラ１０４より通常撮像モード指令信号を受信すると、通常撮像モードの動作状態となり、ＣＣＤ撮像素子１０２の出力障壁電極（ＧＯ）２１１に印加する電圧を、撮像対象の画像を取得するための電圧とする通常の駆動信号を生成して、ＣＣＤ撮像素子１０２へ送信する。
【００６９】
また、切替回路１０６は、コントローラ１０４より通常撮像モード指令信号を受信すると、通常撮像モードの動作状態となり、アナログ／デジタル変換器１０５から受信する画像データを減算回路１０９へ送信（図１における「スイッチＢ」）に切り替える。
【００７０】
ＣＣＤ撮像素子１０２では、駆動回路１０３からの駆動信号により、通常の画像取得動作が行われ、ＣＣＤ撮像素子１０２からは、撮像対象の画像にカップリングノイズ成分が重畳された補正前画像信号が出力される。
【００７１】
通常撮像モード時にＣＣＤ撮像素子１０２から出力された出力信号（補正前画像信号）は、増幅回路１１０により所定の振幅に増幅され、アナログ／デジタル変換器１０５へ出力される。アナログ／デジタル変換器１０５に入力された補正前画像信号は、アナログ信号からデジタル信号へ変換されて、変換した信号を補正前画像データとして減算回路１０９へ出力する。補正前画像データは、光信号成分とカップリングノイズ成分が含まれる画像データである。
【００７２】
図５（ｂ）は、撮像対象物をＬ１時（撮像開始時）からＬ１‘時（撮像終了時）までの区間撮像した場合の、疑似暗時画像信号に基づく疑似暗時画像データ（補正データ）と補正前画像信号に基づく補正前画像データである。補正前画像信号に基づく補正前画像データ（通常画像データ）は、モード切替時からＬ１’時（撮影終了時）までの画像である。補正前画像は、撮像対象の画像にカップリングノイズ成分とランダムノイズ成分とが重畳した画像である。
【００７３】
通常撮像モードでは、コントローラ１０４からの指令により、切替回路１０６は、出力「Ｂ」側に選択されており、補正前画像データは減算回路１０９へ出力される。
【００７４】
減算回路１０９では、ライン毎に得られる補正前画像データから、補正データ取得モードで取得され、メモリ１０８に記憶されている補正データを差し引く処理を行う。減算回路１０９により、ライン毎に補正前画像データから補正データを減算することにより、カップリングノイズ成分が除去された最終画像データ（補正後画像データ）を得ることができる。図５（ｄ）は、補正後画像データによる最終画像の一例を示している。図５（ｄ）に示すように、補正後画像データによる最終画像は、図５（ｂ）に示すモード切替時からＬ１’時（撮影終了時）までの補正前画像データから、縦縞により視認されていたカップリングノイズ成分が除去され、補正された画像となっている。
【００７５】
本実施の形態では、以下のような特徴を備える撮像装置について説明した。
【００７６】
本実施の形態に係る撮像装置１００は、
受光面上に複数配列され、受光量に応じて画素出力を生成する受光画素（画素（垂直ＣＣＤ）２０１）と、前記受光面上における光像の光学走査にタイミングを合わせて、前記受光画素の画素出力を垂直転送し、前記光学走査の経路に沿って逐次生成される画素出力を加算する垂直転送部（垂直転送電極２０４）と、前記垂直転送部の出力端の一方に配置され、前記垂直転送部からの画素出力を水平転送する水平転送部（水平転送電極２１０）と、前記垂直転送部、前記水平転送部および電荷検出部（フローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２）を駆動する駆動回路１０３と、前記電荷検出部からの画像データを保持するデータ保持部（メモリ１０８）と、前記データ保持部内の画像データを用いて最終画像データを取得する減算回路１０９と、前記駆動回路１０３、前記データ保持部（メモリ１０８）および前記減算回路１０９を制御するコントローラ１０４とを備えた撮像装置１００であって、前記コントローラ１０４は、所定の転送期間（補正データ取得モード）中に、前記電荷検出部への信号電荷の転送を禁止して取得した第１の画像データ（補正データ）と、前記所定の転送期間中のクロックパルスの条件を維持したまま、前記信号電荷の転送禁止を解除して取得した第２の画像データ（補正前画像データ）とを前記データ保持部（メモリ１０８）に格納するための制御手段を含み、前記データ保持部（メモリ１０８）は、前記第１の画像データを保持し、前記減算回路１０９は、前記第２の画像データから前記第１の画像データを差し引くことにより前記最終画像データ（補正後画像データ）を取得することを特徴とする。
【００７７】
前記制御手段（コントローラ１０４）は、前記第１の画像データ取得時に、前記水平転送部と前記電荷検出部との間に設けられた障壁ゲート電極（出力障壁電極（ＧＯ）２１１（出力ゲート１０２１））の電子ポテンシャルを、他の電極の電子ポテンシャルよりも小さい値に制御することを特徴とする。
【００７８】
受光面上に複数配列され、受光量に応じて画素出力を生成する受光画素（画素（垂直ＣＣＤ）２０１）と、前記受光面上における光像の光学走査にタイミングを合わせて、前記受光画素の画素出力を垂直転送し、前記光学走査の経路に沿って逐次生成される画素出力を加算する垂直転送部（垂直転送電極２０４）と、前記垂直転送部の出力端の一方に配置され、前記垂直転送部からの画素出力を水平転送する水平転送部（水平転送電極２１０）と、前記垂直転送部、前記水平転送部および電荷検出部（フローティングディフュージョン（ＦＤ）２１２）を駆動する駆動回路１０３と、前記電荷検出部からの画像データを保持するデータ保持部（メモリ１０８）と、前記データ保持部内の画像データを用いて最終画像データを取得する減算回路１０９と、前記駆動回路１０３、前記データ保持部（メモリ１０８）および前記減算回路１０９を制御するコントローラ１０４とを備えた撮像装置１００の信号処理方法であって、所定の転送期間中に、前記電荷検出部への信号電荷の転送を禁止して第１の画像データ（補正データ）を取得するステップと、前記所定の転送期間中のクロックパルスの条件を維持したまま、前記信号電荷の転送禁止を解除して第２の画像データ（補正前画像データ）を取得するステップと、前記第２の画像データから前記第１の画像データを差し引くことにより前記最終画像データ（補正後画像データ）を取得するステップとを備えたことを特徴とする。
【００７９】
以上のように、実施の形態１の撮像装置１００によれば、図４に示すＣＣＤ撮像素子１０２の駆動クロックΦＶ１、ΦＶ２、ΦＶ３、ΦＶ４、ΦＳＣ、ΦＳＴ、ΦＨ１、ΦＨ２の駆動パターンを変更することなく、出力障壁電極（ＧＯ）２１１に印加する電圧を小さくし、擬似的に光信号電荷を遮断した画像信号を得ることによりカップリングノイズ成分を抽出し、補正を行うことができる。
【００８０】
また、実施の形態１の撮像装置１００によれば、メカニカルシャッタを用いずにＣＣＤ撮像素子の駆動条件を変更することで暗時と同等の画像を取得し、高い信頼性で、カップリングノイズによる固定パターン雑音を除去するための補正処理を実現した撮像装置およびその信号処理方法を得ることができる。
【００８１】
また、本実施の形態に係る撮像装置１００の動作は、撮像装置１００の撮像の度に、毎回初期時に補正データ取得モードにモードを切り替えて実施することを基本としている。このように、撮像装置１００は、通常撮像を実施する直前に補正データを取得するため、起動時のみに補正用の暗時データを取得する場合と比べ、ＣＣＤや電気回路の時間経過に伴うカップリングノイズのレベルの変化による補正精度の劣化を最小限とすることができる。
【００８２】
また、本実施の形態に係る撮像装置１００の動作は、ＣＣＤ撮像素子１０２内で発生するカップリングノイズの除去について述べているが、これに限られない。つまり、本実施の形態に係る撮像装置１００の動作は、デジタル信号に変換された後のデータ（補正データ、補正前画像データ）を使用して補正処理を行っているため、アナログ／デジタル変換器１０５を含む、それより上流側に位置する部位（例えば増幅回路１１０等）で発生するカップリングノイズに対しても有効である。
【００８３】
例えば、増幅回路１１０で発生するカップリングノイズ成分を除去するためには、増幅回路１１０の出力の手前にて増幅電気信号から光成分を除去する処理を行い、カップリングノイズ成分を含む疑似暗時信号を取得し、補正データを取得する。取得した補正データと通常撮像モードで取得された補正前画像データを用いることにより、増幅回路１１０で発生するカップリングノイズ成分を除去することができる。このように、信頼性を確保したまま、ＣＣＤだけではなく他の電気回路で発生するカップリングノイズをも、高い精度で抑制する方法を提供することができる。
【００８４】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２における撮像装置１００の全体構成の一例を示す全体構成図である。図７に示す全体構成図において、実施の形態１の全体構成図（図１）と同様の機能を有するブロック構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８５】
図７において、コントローラ１０４は、増幅回路１１０に対してゲインの切替を制御するゲイン切替信号を出力するとともに、積分回路１０７に対して積分ライン数の指定を行う積分ライン数指定信号を出力する。
【００８６】
本実施の形態の撮像装置１００においては、増幅回路１１０にゲイン切替機能が具備され、また、積分回路１０７に外部（コントローラ１０４）からの指令により積分処理を行うライン数Ｎを可変とできる機能が具備されている。増幅回路１１０に対するゲイン切替と、積分回路１０７に対する積分処理ライン数の指定はコントローラ１０４より行う。
【００８７】
通常、撮像装置では、暗い対象物を撮像するとき、ゲインを高く制御して信号量を確保する方法がある。しかし、この方法のみでは、ランダムノイズも信号量に比例して増幅されてしまう。本実施の形態の撮像装置１００においては、コントローラ１０４によりゲインを高く制御した場合には、コントローラ１０４により積分ライン数を必要に応じて可変できる機能を備え、ランダムノイズが大きい場合は積分ライン数を増やすことによりランダムノイズを低減することができる。このため、補正データの精度をより高精度とすることができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００８８】
１００  撮像装置、１０１  光学系、１０２  ＣＣＤ撮像素子、１０３  駆動回路、１０４  コントローラ、１０５  アナログ／デジタル変換器、１０６  切替回路、１０７  積分回路、１０８  メモリ、１０９  減算回路、１１０  増幅回路、１２０  撮像部、１２１  画像データ出力部、２０１  画素（垂直ＣＣＤ）、２０２  垂直電荷排出部、２０３  垂直電荷排出制御ゲート、２０４，２０４−１，２０４−２，２０４−３，２０４−４  垂直転送電極、２０５  ライン蓄積部（ＳＴ）、２０６  ライン蓄積部制御ゲート（ＳＣ）、２０７  水平転送レジスタ、２０８  水平電荷排出部、２０９  水平電荷排出制御ゲート、２１０，２１０−１，２１０−２  水平転送電極、２１１  出力障壁電極（ＧＯ）、２１２  フローティングディフュージョン（ＦＤ）、２１３  リセットゲート、２１４  リセットトランジスタのドレイン、２１５  ソースフォロアアンプ、３００  ｐ型シリコン基板、３０１  第１ポリシリコン電極、３０２  第２ポリシリコン電極、３０３  ＣＣＤバリア部、３０４  Ｎ型シリコン層、３０５  埋め込みチャネル、１０２１  出力ゲート、２０５１，２０６１  水平転送電極。
【図１】
2010239301.tif 000003
【図２】
2010239301.tif 000004
【図３】
2010239301.tif 000005
【図４】
2010239301.tif 000006
【図６】
2010239301.tif 000007
【図７】
2010239301.tif 000008
【図５】
2010239301.tif 000009