(57)【要約】【課題】ノイズがあってもスミア過飽和を確実に検出する。【解決手段】自動絞りを有するレンズ部と、該レンズ部を通して入射した光を光電変換して電気信号を出力するＣＣＤ撮像部と、該電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該デジタル信号に含まれるスミア信号を補正するスミア補正手段とを有する固体撮像装置において、該デジタル信号に含まれるダークラインからスミア信号の水平位置を検出するスミア位置検出部５１２と、検出された前記水平位置の範囲内で、該デジタル信号に含まれる映像期間の最下位ラインのデータから過飽和状態を検出する判定部５１５と、該過飽和状態が検出されたときに前記自動絞りを絞るように制御する制御部とを備えた。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動絞りを有するレンズ部と、該レンズ部を通して入射した光を光電変換して電気信号を出力するＣＣＤ撮像部と、該電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該デジタル信号に含まれるスミア信号を補正するスミア補正手段とを有する固体撮像装置において、
該デジタル信号に含まれる第１の水平ラインのデータからスミア信号の水平位置を検出するスミア位置検出部と、
検出された該水平位置に基づいて、該デジタル信号に含まれる第２の水平ラインのデータから過飽和状態を検出する判定部と、を備えたことを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記ＣＣＤ撮像部は、ＩＴ型或いはＦＩＴ型のＥＭ−ＣＣＤであり、
前記第１の水平ラインは、前記第２の水平ラインとは別個のダークラインであり、
前記第２の水平ラインは、映像期間の最下位付近のラインであり、
前記判定部は、検出された前記水平位置の範囲内で、該第２の水平ラインのデータが所定の検出レベルを超えたときに、前記過飽和状態を検出するものであり、
更に、該過飽和状態が検出されたときに前記自動絞りを絞るように制御する制御部を備えたことを特徴とする実施例１記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置に関し、特に過飽和状態の検出精度を向上させた固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying-Charge Coupled Device）撮像素子を用いた固体撮像装置では、強い光が受光素子に入射すると、スミア過飽和状態となって、受光素子から読み出される映像信号が劣化することが知られる。以下、スミアの発生メカニズムについて説明する。
【０００３】
図１は、ＩＴ（Interline Transfer）型ＣＣＤの基本的な駆動原理を示す図である。点線で示した枠が１つのセル（１ピクセル分の構造）を示しており、枠内の円は、受光部（フォトダイオード）である。
(A)は映像期間中であり、受光部で受けた光を電荷ｅとして蓄える。
(B)は垂直ブランキング期間であり、一斉に垂直ＣＣＤ（垂直転送路）へ電荷を読み出す。
(C)は次の映像期間の初期であり、一段分、垂直転送を行い、先頭の電荷が水平ＣＣＤ（水平転送路）へ入る。
(D)では、水平ＣＣＤが空になるまで水平転送を繰り返す。
水平ＣＣＤが空になったら(C)の垂直転送と(D)の水平転送を繰り返す。水平転送されてきた電荷を増幅して得られる信号が、各画素の信号レベルに相当する。
【０００４】
図２は、スミアの発生原理を示す図であり、垂直ＣＣＤ１本分だけ示してある。図２において、(A)のように受光部に強い光が入ると、受光部から垂直ＣＣＤに、無視できない量の電荷ΔPがあふれる。(B)のように垂直転送時も受光部からの電荷はあふれ続ける。従って(C)のように、次の電荷読み出し時に垂直ＣＣＤに残っているΔPが本来の電荷ｅに加算される。或いは垂直ＣＣＤを上から転送されてきた電荷ｅに後からΔPが加算される。これを再生映像で見ると白い縦すじとなって見える。これがスミアである。
【０００５】
スミア発生により電荷があふれているときに、さらに強い光が入ると、「スミア過飽和状態」となる。スミア過飽和状態になると、映像期間の最下位ライン（１フレーム中で最後に水平転送路に転送されＣＣＤから読み出される水平ラインの意味で、図１では最上に位置するライン）から高輝度の劣化信号が見え始める。
【０００６】
図３は、ＦＩＴ(Frame Interline Transfer)型ＣＣＤにおけるスミア過飽和状態を説明する図である。ＦＩＴ型ＣＣＤでは、垂直ＣＣＤと水平ＣＣＤの間に電荷を蓄積するメモリ部を備えている。垂直ＣＣＤは、１フレーム時間よりも格段に短い時間内で垂直ＣＣＤの段数分を転送することができる。
通常は、受光部の電荷ｅを垂直ＣＣＤに読み出す直前に、垂直ＣＣＤの掃き出しを行い、読み出した直後に、垂直ＣＣＤおよびメモリ部の転送を行う。これら掃き出しや転送は、同じ速度で、１フレーム時間よりも格段に短い時間で行われる。したがって、スミアの主原因は、掃き出し中および垂直転送中に受光部から垂直ＣＣＤに漏れ出す電荷のみとなり、スミアは高輝度光の入射位置にかかわらず、画面上端から下端まで一定のレベルの輝線として現れる。
【０００７】
非常に強い光が入りスミア過飽和状態になると、スミア上に映像期間最下位ラインから劣化信号が現れ始め、光が強くなるにつれて劣化信号の範囲が上方に拡大する。この現象は、垂直ＣＣＤにあふれた大量の電荷がメモリ部に達したときに、メモリ部に全て転送されない現象（あふれや転送漏れ）によりあふれた電荷が近傍に溜まり、溜まった電荷の量がある値に達すると、後続の転送電荷にこの溜まった電荷が加算されるために発生すると考えられている。
【０００８】
図４は、スミア過飽和状態における信号の再生画面の一例である。公知のスミア補正を行っており目立ったスミアは見られないが、スミア過飽和により映像期間における最下位の数ラインのレベルが通常のスミアより更により高くなっているため、その部分は補正しきれずに明るい線となって現れている。
スミア過飽和の発生を完全に防ぐことは原理的に不可能であるし、スミア過飽和による劣化を正確に予測し補償することもきわめて困難である。したがって、過飽和発生を検出したらレンズ（アイリス）を絞り、過飽和が発生しない状態まで光量を落とすようにしている。
【０００９】
図５は、従来のスミア過飽和回避制御のフローチャートを示す図であり、図６はそのタイムチャートの一例である。この制御はフレーム毎に行われ、最下位ラインにおける映像信号（ＲＡＷ信号）中に、所定の検出レベルを超える信号を検出すると、レンズを現在値よりも更に絞るように制御する。検出レベルを超える信号がなくなるまで、レンズが絞られていくことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−１５０７７０号公報
【特許文献２】特開２００７−１１０４１３号公報
【特許文献３】特開２００７−１１６３３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述したスミア過飽和状態の検出方法では、電子増倍作用を有するＥＭ−ＣＣＤを高ゲインで動作させたときに、スミア過飽和状態を誤判定するという問題があった。カメラ感度がアップすると、高感度時のノイズが増え、レベルの高いノイズ成分を劣化信号として誤検出してしまうためである。
【００１２】
図７は、劣化信号の誤検出を説明する模式図である。図７の左側は再生画面を示しており、右側は最下位の水平１ラインの実際のサンプルデータのグラフであり縦軸は信号レベルである。グラフにおいて、検出レベルを超えるノイズが確認できる。このようなノイズによりスミア過飽和状態であると判定すると、必要以上にレンズを絞ったりＥＭゲインを下げたりするように誤って制御されてしまう。
【００１３】
誤判定への対策として、次の２点が考えられる。
(A) フィルタによるノイズ低減
(B) スミア補正情報によるゲート処理
フィルタを強く効かせれば(A)のみで上述の誤判定はなくなる。しかしフィルタを強く効かせすぎると本来の過飽和を検出しなくなる場合があり、フィルタを弱く効かせると誤判定が発生する。したがってフィルタだけで誤判定を防ぐのは困難である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、上記(B)の手法を採用する。
即ち、過飽和の検出に用いる最下位ライン以外のラインから、スミア検出を行う。その後に、最下位（最終）ラインでの劣化信号のレベル判定を行う。その際にダークラインでスミアを検出した位置と同じ位置のみで判定を行い、劣化信号を検出したときに、スミア過飽和状態検出信号を出力する。
過飽和の検出に用いるラインは最下位ラインが望ましいが、最下位から上の数ラインでも同様の効果が得られる。
スミア検出に用いるラインとしては、ダークライン（水平オプティカルブラック）を用いるのが望ましいが、それに限定されない。
スミア過飽和状態の誤検出をさらに低減させるため、検出対象となる信号にフィルタ処理を行い、ランダム成分によるノイズを抑圧するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、スミアと同じ水平位置でのみ劣化信号検出を行うようにしたので、高感度時のようにノイズが多い状況においても、スミア過飽和状態の誤判定を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ＩＴ型ＣＣＤの基本的な駆動原理を示す図
【図２】スミアの発生原理を示す図
【図３】ＦＩＴ型ＣＣＤにおけるスミア過飽和状態を説明する図
【図４】スミア過飽和状態における信号の再生画面の一例（従来）
【図５】スミア過飽和回避制御のフローチャート（従来、実施例１）
【図６】スミア過飽和回避制御のタイムチャートの一例（従来、実施例１）
【図７】劣化信号の誤検出を説明する模式図
【図８】劣化信号の検出範囲を説明する模式図
【図９】ＥＭ−ＣＣＤカメラの構成図（実施例１）
【図１０】ＤＳＰ６が備えるスミア過飽和検出回路５１の構成図（実施例１）
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図８は、本発明の実施形態における、劣化信号の検出範囲を説明する模式図である。
本発明は、図８の右側に示されるように、検出すべきスミア過飽和の劣化信号が、スミアが発生している水平位置にスミアに重畳して現れるという性質を利用しており、スミアを検出し、スミア発生範囲を特定し、スミアと同じ位置のみで劣化信号を検出する。
スミアの検出には垂直ブランキング期間に存在するダークライン（水平オプティカルブラック）を用いる。ダークラインにはレンズから入射された光の映像信号は存在しないので、スミア信号のみを検出可能である。図８の例では、映像の上部に黒く示した部分がダークラインであり、水平転送路に最初に転送される数本の水平ラインからなる。
ダークラインに存在するスミア信号として一定レベル以上の信号を検出し、検出したスミア信号の水平位置を用い、映像期間最終ラインの同じ水平位置で、劣化信号として一定レベル以上の信号を検出し、劣化信号を検出したら、過飽和状態検出信号を出力する。ダークラインと最終ラインとで、スミア位置が若干ずれることが予想される場合は、劣化信号の検出範囲をスミア発生範囲より広げるようにしても良い。
【実施例１】
【００１８】
図９は、本発明の一実施例であるＥＭ−ＣＣＤカメラの構成図である。
レンズ部１は、被写体からの光をＥＭ−ＣＣＤの撮像面に結像させる。またレンズ部１は自動絞りを有し、ＤＳＰ６からの制御に応じて絞りを可変する。
ＥＭ−ＣＣＤ２は、ＦＩＴ型の２次元イメージセンサであり、レンズ部１からの入射光を光電変換し、電子増倍した信号を順次出力する。
タイミングジェネレータ（ＴＧ）３は、周波数制御されたクロック信号を発生し、ＥＭ−ＣＣＤに駆動パルスを与えるとともに、ＤＳＰ(Digital Signal Processor)５等に動作クロックを与える。
Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）４は、ＥＭ−ＣＣＤ２からの電気信号を、相関二重サンプリングし、ゲインを調整した上で、アナログからデジタルに変換する。
【００１９】
ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）５は、Ａ／Ｄ４から入力されたデジタル信号に対し、スミア補正、シェーディング補正、ノイズ低減（巡回型フィルタ）等の演算処理を行いＤＳＰ６に一旦出力する。また、ＤＳＰ６から入力された映像信号処理済みの信号に、各種状態や設定（例えばフォーカスゲート範囲）をＯＳＤ（On Screen Display）表示するための重畳処理を行って出力する。
ＤＳＰ６は、本発明のスミア過飽和回避制御などを含む、ＥＭ−ＣＣＤカメラ全体の制御を行うほか、カラーバランスなどの映像信号処理を行う。
ＴＶエンコーダ（ＥＮＣ）７は、ＦＰＧＡ５から入力された信号を、例えばNTSC（National Television System Committee）規格のアナログ映像信号に変換して外部へ出力する。
【００２０】
図１０は、ＤＳＰ６が備えるスミア過飽和検出回路５１の構成図である。スミア過飽和検出回路５１は、撮像素子からＡ／Ｄ変換して得られたままのＲＡＷ信号を入力とし、１フレーム周期で動作する。
ノイズ低減フィルタ５１１は、入力されたＲＡＷ信号について、例えば１ライン内でフィルタリングを行い、ノイズを低減する。
スミア位置情報検出部５１２は、１ライン分のメモリを有し、ダークライン（水平オプティカルブラック）の信号期間において、ピクセル毎に信号レベルを所定の閾値と比較し、閾値を超えたときに真、超えないときに偽の論理値を記憶する。そして最終ラインの期間に読み出して出力する。本例では、垂直ブランキング期間に存在するダークラインを用い、ダークラインや最終ラインのタイミングは、ＴＧ２からのクロックをカウントして生成したパルスとしてスミア過飽和検出回路５１に与えられている。スミア位置検出には、上述の他、公知の様々な方法を利用でき、ＤＳＰ６が行うスミア補正と処理を共用しても、別個に行っても良い。
最終ライン抽出部５１３は、最終ラインの期間において図７のような信号を抽出して出力する。
ゲート部５１４は、スミア位置情報検出部から読み出した論理値が真のときにのみ、最終ライン抽出部５１３からの信号を通過させる。
劣化信号判定部５１５は、ゲート部５１４を通過した最終ラインの信号を所定の検出レベルと比較し、検出レベル以上の信号（劣化信号）を検出したときに、過飽和検出信号をＤＳＰ６へ出力する。
【００２１】
次に、図６を参照して、ＤＳＰ６におけるスミア過飽和回避制御を説明する。ＤＳＰ６は、映像の明るさを適切に保つための通常の制御として、ＡＧＣ（Auto Gain Control）のほか、レンズ部１の絞りや露出時間の制御している。本例では、この通常の絞り制御値に加え、過飽和用絞り制御値を設け、過飽和状態になったときには、通常絞り制御値に代えて、過飽和用絞り制御値をレンズ１に与えるようにする。絞り制御値は、絞りの絶対値、或いは絞りの駆動量（変化量）のどちらでも良い。
【００２２】
前者の場合の一例として、ＦＰＧＡ５から過飽和検出信号を直近の所定フレーム数において連続して受け取っている場合、過飽和状態と判断して、直前にレンズ１に与えた絞り制御値に、絞りを所定量だけ閉じさせる値を加算して過飽和用絞り制御値とし、通常絞り制御値の代わりにレンズ１に出力する。過飽和状態が解除された後も、過飽和用絞り制御値と通常絞り制御値との差がなくなるまで、絞りを所定量だけ開けさせる値を過飽和用絞り制御値にフレーム毎に加算して更新し、レンズ１に出力する。
後者の場合の一例として、過飽和検出信号を直近の所定フレーム数において連続して受け取っている場合、絞りを所定量だけ閉める過飽和用絞り制御値を、通常絞り制御値の代わりにレンズ１に出力すればよい。
【００２３】
なお、このように絞り制御値を強制的に設定すると、ＥＭゲイン、デジタルゲイン等の制御ループが、照度不足を補うように動作する。しかし、ＥＭゲインを高くしすぎると、画質（Ｓ／Ｎ）が劣化したり、（ほぼ飽和状態のスミアが発生している状況では）ＥＭ−ＣＣＤの素子自体が劣化したりする。したがって、過飽和状態と判定したときは、ＥＭゲインの制御範囲の上限を下げるようにするとよい。
【００２４】
以上説明したように、本発明の一例は、撮像素子からダークラインを得、ダークライン部に対してスミアのレベル判定を行う。その後に、最終ラインでの劣化信号のレベル判定を行う。その際にダークラインでスミアを検出した位置と同じ位置のみで判定を行い、劣化信号を検出し、スミア過飽和状態検出信号を出力する。
スミア過飽和状態を検出した後は、レンズの絞りを絞り、ゲインを下げ、レンズに入射される光量を減少することにより、スミア過飽和状態の解消を行う。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明はＦＩＴ型やＩＴ型のＣＣＤに好適であるが、その他のＣＣＤにも適用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  レンズ部、                      ２  ＥＭ−ＣＣＤ、
３  タイミングジェネレータ（ＴＧ）、４  Ａ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ）、
５  ＦＰＧＡ、                      ６  ＤＳＰ、
７  ＴＶエンコーダ（ＥＮＣ）、
５１  スミア過飽和検出回路、        ５１１  ノイズ低減フィルタ、
５１２  スミア位置情報検出部、      ５１３  最終ライン抽出部、
５１４  ゲート部、                  ５１５  劣化信号判定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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