(57)【要約】      （修正有）【課題】高輝度被写体の撮影直後に適正露出で撮影を行った場合にも正常な画像を撮影できる画像信号処理回路を提供する。【解決手段】出力信号の黒レベルを一定にするフィードバックループを備えた画像信号処理回路であって、撮像素子は、画像信号を生成する有効画素領域と黒信号を生成する遮光領域とを備える。第１差分回路は、一方の入力端子から入力された黒信号の信号レベルと他方の入力端子の信号レベルとの差に基づいて補正信号を出力する。第２差分回路は、画像信号の信号レベルから補正信号の信号レベルを減算する。フィードバック演算部は、第２差分回路の出力側から取得された黒信号に基づいてフィードバック出力値を演算する。電圧保持部の出力により、第１差分回路の出力がフィードバック制御される。そして、電圧保持部の保持電圧レベルは、次フレーム撮影前にスイッチ部により初期化されて基準電圧レベルに戻される。【選択図】図１
2006303692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力信号の黒レベルを一定にするフィードバックループを備えた画像信号処理回路であって、
画像信号を生成する有効画素領域と黒信号を生成する遮光領域とを備えた撮像素子と、
一方の入力端子から入力された前記黒信号の信号レベルと他方の入力端子の信号レベルとの差に基づいて補正信号を出力する第１差分回路と、
前記画像信号の信号レベルから前記補正信号の信号レベルを減算する第２差分回路と、
前記第２差分回路の出力側から取得された前記黒信号に基づいてフィードバック出力値を演算するフィードバック演算部と、
前記第１差分回路の他方の入力端子と接続され、前記フィードバック出力値に基づいて増減変更される電圧レベルを保持する電圧保持部と、
前記電圧保持部の保持電圧レベルを次フレーム撮影前に初期化して基準電圧レベルに戻すスイッチ部と、
を有することを特徴とする画像信号処理回路。
【請求項２】
前記電圧保持部は、前記フィードバック出力値に基づき充放電されるコンデンサであって、前記スイッチ部は前記コンデンサの各端部と基準電圧線との間に１つずつ接続されることを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理回路。
【請求項３】
前記スイッチ部がアナログスイッチであることを特徴とする請求項２に記載の画像信号処理回路。
【請求項４】
前記フィードバック演算部は、１フレーム分の信号読み出しにおいて黒信号出力期間ごとに前記黒信号の信号レベルの平均値をそれぞれ演算し、前記平均値を前記フィードバック出力値として出力することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像信号処理回路。
【請求項５】
前記フィードバック演算部は、前記黒信号のデジタル値に基づいて前記フィードバック出力値を演算し、前記フィードバック出力値をアナログ変換して出力することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の画像信号処理回路。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像信号処理回路を有することを特徴とする電子カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は出力信号の黒レベルを一定にするフィードバックループを備えた画像信号処理回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から撮像素子を用いた電子カメラに関して、アナログ出力信号に相関二重サンプリングや利得増幅などの処理を行う画像信号処理回路が一般に知られている。この種の画像信号処理回路では、コンデンサの電圧レベルに基づいて入力信号をクランプし、利得増幅後の出力に基づくコンデンサの充放電によって出力信号のレベルを一定にするフィードバックループを備えたものも知られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】株式会社ルネサステクノロジ  ＨＤ４９３３０ＡＦ／ＡＨＦ  カタログ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、上記の画像信号処理回路で黒レベルを安定化させる場合、特に高感度、シャッタの高速秒時での高輝度被写体の撮影直後（以下、明細書中での「高輝度被写体の撮影」の撮影条件は高感度、シャッタ高速秒時を前提とするものとする。）にはコンデンサの電圧レベルが基準電圧レベルよりも低下する現象が発生しうる。そして、高輝度被写体の撮影直後に適正露出で撮影を行うと、コンデンサの電圧レベル低下の影響で２フレーム目の画像上部には黒や緑の帯が発生して正常な画像を撮影できないおそれがある点で改善の余地があった。
【０００４】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためのものであって、その目的は、高輝度被写体の撮影直後に適正露出で撮影を行った場合にも正常な画像を撮影できる画像信号処理回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、出力信号の黒レベルを一定にするフィードバックループを備えた画像信号処理回路であって、撮像素子と、第１差分回路と、第２差分回路と、フィードバック演算部と、電圧保持部と、スイッチ部と、を有することを特徴とする。撮像素子は、画像信号を生成する有効画素領域と黒信号を生成する遮光領域とを備える。第１差分回路は、一方の入力端子から入力された黒信号の信号レベルと他方の入力端子の信号レベルとの差に基づいて補正信号を出力する。第２差分回路は、画像信号の信号レベルから補正信号の信号レベルを減算する。フィードバック演算部は、第２差分回路の出力側から取得された黒信号に基づいてフィードバック出力値を演算する。電圧保持部はフィードバック出力値に基づいて増減変更される電圧レベルを第１差分回路の他方の入力端子に供給し、第１差分回路の出力がフィードバック制御される。そして、電圧保持部の保持電圧レベルは、次フレーム撮影前にスイッチ部により初期化されて基準電圧レベルに戻される。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、電圧保持部はフィードバック出力値に基づき充放電されるコンデンサであって、スイッチ部はコンデンサの各端部と基準電圧線との間に１つずつ接続されることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明において、スイッチ部がアナログスイッチであることを特徴とする。
【０００７】
第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、フィードバック演算部は、１フレーム分の信号読み出しにおいて黒信号出力期間ごとに黒信号の信号レベルの平均値をそれぞれ演算し、該平均値をフィードバック出力値として出力することを特徴とする。
第５の発明は、第１から第４のいずれかの発明において、フィードバック演算部は、黒信号のデジタル値に基づいて前記フィードバック出力値を演算し、フィードバック出力値をアナログ変換して出力することを特徴とする。
【０００８】
第６の発明に係る電子カメラは、第１から第５のいずれかの画像信号処理回路を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では１フレーム目で高輝度被写体等を撮影しても次フレームの撮影時には電圧保持部の電圧レベルが基準電圧レベルと一致し、直後に適正露出で撮影した２フレーム目の画像は正常に撮影される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本実施形態の画像信号処理回路の概要を示すブロック図である。本実施形態の画像信号処理回路は電子カメラに組み込まれている。この画像処理回路は、撮像素子１１と、サンプルホールド差動増幅部（ＳＨＡＭＰ）１２と、相関二重サンプリング差動増幅部（ＣＤＳＡＭＰ）１３と、利得増幅部１４と、Ａ／Ｄ変換部１５と、平均値演算部１６と、Ｄ／Ａ変換部１７と、コンデンサ１８と、アナログスイッチ１９と、ＣＰＵ２０とを備えている。
【００１１】
撮像素子１１は、撮影レンズ（不図示）の像空間側に配置される。撮像素子１１の受光面（撮影レンズと相対する面）には被写体像を光電変換してアナログ画像信号を生成する受光素子が２次元配列されている。
図２に示すように、撮像素子１１の受光面は有効画素領域３０と、有効画素領域３０の外周に隣接して形成される遮光領域（オプティカルブラック領域）３１とに区画されている。有効画素領域３０では、撮影レンズで結像された被写体像の明るさに応じて各受光素子に信号電荷が蓄積され、この信号電荷に基づいて撮影画像を構成する画像信号が生成される。
【００１２】
一方、遮光領域３１の表面は遮光膜で遮光されている。この遮光領域３１の出力は被写体光が入射されない部分、すなわち、被写体像の黒色に相当するデータとみなすことができる。遮光領域３１では光のあたらない受光素子に蓄積される電荷が検出され、この電荷に基づいて黒信号が生成される。
また、有効画素領域３０および遮光領域３１には、受光素子の列単位に垂直読み出し線（不図示）がそれぞれ設けられている。各垂直読み出し線の出力端は水平読み出し線３２に接続されている。そして、水平読み出し線３２の出力端には電荷検出部３３が接続されている。電荷検出部３３は読み出された信号電荷を電圧としてＳＨＡＭＰ１２およびＣＤＳＡＭＰ１３に出力する。
【００１３】
ここで、撮像素子１１の信号読み出しは以下の要領で行われる。まず、撮像素子１１の最上位の水平ラインおよびその下の水平ラインの信号が左端から右端の順に２行分同時に読み出され、次にその下の水平ラインの信号が左端から右端の順に２行分同時に読み出される。以下、同様の工程を繰り返して１画面分の信号が順次走査で読み出される。なお、本実施形態の画像信号処理回路では、有効画素領域３０の右側部分に位置する遮光領域３１の黒信号を利用して黒レベルを安定化させる。
【００１４】
ＳＨＡＭＰ１２の非反転入力端子（＋）は撮像素子１１の電荷検出部３３と接続されている。一方、ＳＨＡＭＰ１２の反転入力端子（−）はコンデンサ１８の一端と接続されている。また、ＳＨＡＭＰ１２の出力は、ＣＤＳＡＭＰ１３およびコンデンサ１８の他端に接続されている。このＳＨＡＭＰ１２の非反転入力端子（＋）には黒信号が入力され、ＳＨＡＭＰ１２の反転入力端子（−）にはコンデンサ１８の保持電圧が印加される。そして、ＳＨＡＭＰ１２では入力された黒信号をサンプリングし、黒信号の信号レベルとコンデンサ１８の保持電圧レベルとの差動増幅により生成された補正信号をホールドして出力する。
【００１５】
ＣＤＳＡＭＰ１３は、画像信号の信号レベルと補正信号の信号レベルとの差動増幅を行って画像信号中のノイズ成分を除去する。また、利得増幅部１４はＣＤＳＡＭＰ１３の出力信号にゲインを乗算して信号を増幅する。
Ａ／Ｄ変換部１５は利得増幅部１４の出力信号をＡ／Ｄ変換する。このＡ／Ｄ変換部１５から出力されたデジタル信号は、電子カメラのデジタル画像処理部（不図示）に供給されるとともに平均値演算部１６に入力される。
【００１６】
平均値演算部１６は、ＣＰＵ２０からの信号入力に基づいて、Ａ／Ｄ変換部１５の出力から黒信号出力期間（有効画素領域の右側部分の黒信号出力）に対応するデジタル信号を抽出する。そして、平均値演算部１６は水平ラインの黒信号出力期間における黒信号の平均値（黒レベル平均値）をＤ／Ａ変換部１７に出力する。
Ｄ／Ａ変換部１７は入力端が平均値演算部１６に接続され、出力端がコンデンサ１８の一端側に接続されている。このＤ／Ａ変換部１７は黒レベル平均値をＤ／Ａ変換してコンデンサ１８に充放電電流を出力する。また、コンデンサ１８はＳＨＡＭＰ１２の帰還容量であって、Ｄ／Ａ変換部１７の充放電電流によって調整された電圧レベルを保持する。
【００１７】
アナログスイッチ１９はコンデンサ１８の一端側および他端側にそれぞれ設けられている。このアナログスイッチ１９はＯＮ時にコンデンサ１８と基準電圧線（ＧＮＤ）とを接続する。各アナログスイッチ１９にはＢ接点のスイッチが用いられる。すなわち、ＣＰＵ２０の信号入力がある場合には各アナログスイッチ１９がＯＦＦとなり、コンデンサ１８の両端がＧＮＤと非接続状態となる。一方、ＣＰＵ２０の信号入力がない場合（カメラの電源切断時も含む）には各アナログスイッチ１９がＯＮとなり、コンデンサ１８の両端がＧＮＤとが接続状態となる。なお、撮影時においてコンデンサ１８の両極の電位を維持する必要から、アナログスイッチ１９は漏れ電流の少ないスイッチを選択するのが特に好ましい。
【００１８】
ＣＰＵ２０は、撮像素子１１の各動作、画像信号出力期間または黒信号出力期間の検出動作、アナログスイッチ１９のＯＮ／ＯＦＦ動作などの制御信号を所定のタイミングで各部に出力する。
次に、上記した本実施形態の画像信号処理回路の動作を説明する。
レリーズ時には撮像素子１１が光電変換によって画像信号および黒信号を生成する。１画面分の信号は撮像素子１１から水平ライン２行分ごとに順次走査で読み出される。ここで、撮像素子１１から読み出される信号のうち、黒信号はＳＨＡＭＰ１２およびＣＤＳＡＭＰ１３に入力され、画像信号はＣＤＳＡＭＰ１３に入力される。
【００１９】
まず、ＣＤＳＡＭＰ１３に入力される黒信号の信号処理を説明する。黒信号出力期間にはＣＤＳＡＭＰ１３は黒信号をそのまま通過させる。そして、黒信号は利得増幅部１４で増幅された後にＡ／Ｄ変換部１５でデジタル化されて平均値演算部１６に入力される。平均値演算部１６は、有効画素領域３０の右側部分に位置する遮光領域３１の黒信号のデジタル値を平均化して黒レベル平均値を演算する。そして、Ｄ／Ａ変換部１７は黒レベル平均値の入力に基づいてコンデンサ１８に充放電を行う。以上の動作で、ＳＨＡＭＰ１２の反転入力端子（−）に印加されるコンデンサ１８の電圧レベルが調整される。すなわち、ＳＨＡＭＰ１２には、ＣＤＳＡＭＰ１３の出力側における黒レベル平均値によってフィードバックがかかることとなる。
【００２０】
次に、ＳＨＡＭＰ１２の非反転入力端子（＋）に入力される黒信号の信号処理を説明する。ＳＨＡＭＰ１２は黒信号出力期間において黒信号をサンプリングし、反転入力端子（−）に印加されたコンデンサ１８の保持電圧レベルで上記のサンプリングされた黒信号レベルをクランプする。そして、画像信号の出力期間中には、ＳＨＡＭＰ１２は差動増幅で生成した補正信号をＣＤＳＡＭＰ１３にホールドして出力する。
【００２１】
一方、画像信号はＣＤＳＡＭＰ１３において補正信号との差動増幅により相関二重サンプリングされる。そして、画像信号は利得増幅部１４で増幅された後にＡ／Ｄ変換部１５でデジタル化されて、後段のデジタル画像処理部で画像処理が施されることとなる。上記の工程を水平ライン毎に繰り返すことで１フレーム分の信号処理が実行される。
次に、図３を参照しつつ本実施形態のアナログスイッチ１９の動作を説明する。アナログスイッチ１９はレリーズ時にはＯＦＦとなる。すなわち、撮影中はコンデンサ１８の両端はそれぞれＧＮＤと切り離された状態となる。そして、アナログスイッチ１９は撮影終了後（例えば、１フレーム分の画像信号が画像信号処理回路を通過した時点）にＯＮとなり、次フレームのレリーズがあるまでその状態を維持する。すなわち、非撮影時にはコンデンサ１８の両端はＧＮＤと接続されて、コンデンサ１８の保持電圧レベルがＧＮＤの基準電圧レベルと一致した初期化状態となる。
【００２２】
ここで、本実施形態においてアナログスイッチ１９のＯＮ／ＯＦＦでコンデンサ１８の保持電圧レベルを初期化するのは、高輝度被写体の撮影直後に適正露出で撮影を行った場合にも正常な画像を撮影できるようにするためである。以下、その理由を詳述する。
例えば、流し撮りなどにおいて、１フレーム目が高輝度被写体等の存在で露出オーバーとなり、直後の２フレーム目が適正露出で撮影された場合を考える。この１フレーム目の撮影時において撮像素子１１の有効画素領域３０と遮光領域３１との境目に強い光が照射されると、遮光膜の端部から侵入した迷光の影響で黒信号の出力レベルが黒レベルの安定化目標の電圧レベルよりも著しく大きくなってしまう場合がある。かかる場合には、コンデンサ１８の電圧が通常よりも過大となる。そして、１フレーム目に得られる撮影画像は、もともと露出オーバーであることに加えて遮光領域３１への迷光の影響もあるので、図４（ａ）に示すような失敗画像となる。
【００２３】
この１フレーム目の撮影直後にはコンデンサ１８の保持電圧レベルが基準電圧レベルよりもマイナス側に落ち込んだ状態となり、そのままにしておくとコンデンサ１８の保持電圧レベルが基準電圧レベルよりもマイナス側となる状態がしばらく継続する。この状況下で２フレーム目を適正露出で撮影すると、コンデンサ１８の保持電圧レベルがマイナス側にシフトしているので、コンデンサ１８の保持電圧レベルが安定するまで黒レベル補正の精度は大きく低下する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、適正露出で撮影した２フレーム目の撮影画像にも画像上部に黒や緑の帯が発生して失敗画像となるおそれがある。
【００２４】
そこで、本実施形態では、アナログスイッチ１９のＯＮ／ＯＦＦで次フレーム撮影前にコンデンサ１８の保持電圧レベルを基準電圧レベルと一致させて初期化し、高輝度被写体の撮影直後にも２フレーム目で正常な画像を撮影できるようにしている（図４（ｃ）参照）。
以下、本実施形態における画像信号処理回路の効果を説明する。
【００２５】
本実施形態では、ＳＨＡＭＰ１２に印加されるコンデンサ１８の保持電圧レベルは、アナログスイッチ１９の切替によって次フレーム撮影前に初期化されてＧＮＤのレベルに戻される。したがって、１フレーム目で高輝度被写体等を撮影しても、次フレームの撮影時にはコンデンサ１８の電圧レベルがＧＮＤの基準電圧レベルと一致し、直後に適正露出で撮影した２フレーム目の画像は正常に撮影される。
【００２６】
また、アナログスイッチ１９はＯＮ／ＯＦＦの切替動作が早いため、撮影後にコンデンサの電圧レベルを基準電圧レベルに一致させてから撮影可能状態に復帰するまでの時間を比較的に短くできる。さらに、アナログスイッチ１９は導通時の抵抗が小さい一方で許容電流が比較的大きい特性を有するので、より迅速にコンデンサ１８の電圧レベルを基準電圧レベルに一致させることができる。さらにまた、平均値演算部１６ではデジタル化された黒信号に基づいて黒レベル平均値を演算するので、アナログ的な外乱を抑制してクランプ動作をより安定させることができる。
【００２７】
（実施形態の補足事項）
以上、本発明を上記の実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような形態であってもよい。
（１）例えば、撮像素子は電荷順次転送方式（ＣＣＤ等）またはＸＹアドレス方式（ＣＭＯＳ等）のいずれであってもよい。また、電圧保持部はコンデンサに限定されることなく、例えば、黒レベル平均値に応じてＳＨＡＭＰへの印加電圧を変化させる制御電圧源であってもよい。さらに、スイッチ部の構成は必ずしもアナログスイッチに限定されることはない。
【００２８】
（２）図５に示すように、Ａ／Ｄ変換部を介することなくフィードバックループを形成し、平均値演算部がアナログの黒信号から黒レベル平均値を演算してコンデンサに電流をチャージするようにしてもよい（なお、図５の各部の構成については第１実施形態とほぼ共通のため同一符号を付して説明を省略する）。
（３）本発明で電圧保持部の保持電圧レベルを初期化するタイミングは、図３の例に限定されることなく、次フレームの撮影前までに基準電圧レベルに一致させることができる範囲で適宜調整することができる。
【００２９】
（４）本発明で電圧保持部の保持電圧レベルを初期化する動作は、各フレームの撮影毎に行ってもよく、あるいは特定の場合にのみ行うようにしてもよい。例えば、露出オーバーに起因して黒レベルの値が過大となる場合（シャッタ秒時が短いにも関わらず黒レベルが閾値以上となる場合など）のみ電圧保持部の保持電圧レベルを初期化するようにしてもよい。
【００３０】
（５）本発明は黒レベル平均値に基づきコンデンサの保持電圧レベルを調整する構成に限定されることはない。例えば、予め設定された黒レベルの目標値とＣＤＳＡＭＰから取得された黒信号とのオフセット誤差値を演算する黒レベル補償部を設け、このオフセット誤差値に基づいてコンデンサの保持電圧レベルを調整するようにしてもよい（図示を省略する）。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態の画像信号処理回路の概要を示すブロック図
【図２】本実施形態の撮像素子の構成を示す概略図
【図３】本実施形態でのコンデンサの電圧レベル変動とアナログスイッチの動作とを示すチャート図
【図４】本実施形態での撮影画像を示す図
【図５】本実施形態の変形例の画像信号処理回路の概要を示すブロック図
【符号の説明】
【００３２】
１１…撮像素子、１２…サンプルホールド差動増幅部、１３…相関二重サンプリング差動増幅部、１５…Ａ／Ｄ変換部、１６…平均値演算部、１７…Ｄ／Ａ変換部、１８…コンデンサ、１９…アナログスイッチ、３０…有効画素領域、３１…遮光領域
【図１】
2006303692.tif 000003
【図２】
2006303692.tif 000004
【図３】
2006303692.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006303692.tif 000007