(57)【要約】【課題】  従来の撮像装置は、高輝度な光が入射すると、ＣＣＤのフィードスルー電圧が高くなり、実際に受光した電荷とは異なる明るさの画像信号が出力されてしまう問題があった。【解決手段】  本発明では、有効画素領域と非有効画素領域とからなる撮像素子の各画素の信号電圧から当該画素のフィードスルー電圧を減算する相関二重サンプリング手段を有する撮像装置において、所定電圧を保持する電圧保持手段と、相関二重サンプリング手段が減算する電圧を当該画素のフィードスルー電圧と電圧保持手段が保持する所定電圧とのいずれかに切り替える切り替え手段と、有効画素領域の画素のフィードスルー電圧が電圧保持手段が保持する所定電圧との差分が閾値より大きい場合に、切り替え手段を電圧保持手段が保持する所定電圧に切り替えて信号電圧から減算するようにした。【選択図】    図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効画素領域と非有効画素領域とからなる撮像素子の各画素の信号電圧から当該画素のフィードスルー電圧を減算する相関二重サンプリング手段を有する撮像装置において、
所定電圧を保持する電圧保持手段と、
前記相関二重サンプリング手段が減算する電圧を、前記当該画素のフィードスルー電圧と前記電圧保持手段が保持する所定電圧とのいずれかに切り替える切り替え手段と、
前記有効画素領域の画素のフィードスルー電圧が前記電圧保持手段が保持する所定電圧との差分が閾値より大きいか否かを比較する比較手段とを設け、
前記相関二重サンプリング手段は、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記差分が前記閾値より大きい場合に、前記切り替え手段を前記電圧保持手段が保持する所定電圧に切り替えて信号電圧から減算すること
を特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記電圧保持手段は、前記非有効画素領域の画素のフィードスルー電圧を所定電圧として保持すること
を特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１に記載の撮像装置において、
前記電圧保持手段は、前記非有効画素領域の複数の画素のフィードスルー電圧の平均値を所定電圧として保持すること
を特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記比較手段は、前記有効画素領域において読み出す連続した画素のフィードスルー電圧を比較するようにしたこと
を特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相関二重サンプリング回路を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＣＣＤなどの撮像装置はノイズを除去する回路を有している。例えば、ＣＣＤから画像信号を出力する際に、１画素毎にフィードスルー電圧と信号電圧とをサンプリングして、信号電圧からフィードスルー電圧を減算することで１画素毎のノイズ成分を除去する相関二重サンプリング回路を用いている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−１６７７９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、撮像装置に太陽光などの高輝度な光が入射した場合に、ＣＣＤの水平転送信号の異常が発生し、ＣＣＤのフィードスルー電圧が高くなってしまうことがある。この場合、相関二重サンプリング回路で１画素毎にサンプリングを行うと、異常部分において、実際に受光した電荷よりも小さな画像信号となってしまう。逆に、フィードスルー電圧が低くなった場合には、実際に受光した電荷よりも大きな画像信号となってしまう。
【０００４】
本発明の目的は、太陽光などの高輝度な光が入射した場合でも、適正な画像信号を取り出すことができる撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る撮像装置は、有効画素領域と非有効画素領域とからなる撮像素子の各画素の信号電圧から当該画素のフィードスルー電圧を減算する相関二重サンプリング手段を有する撮像装置において、所定電圧を保持する電圧保持手段と、前記相関二重サンプリング手段が減算する電圧を、前記当該画素のフィードスルー電圧と前記電圧保持手段が保持する所定電圧とのいずれかに切り替える切り替え手段と、前記有効画素領域の画素のフィードスルー電圧が前記電圧保持手段が保持する所定電圧との差分が閾値より大きいか否かを比較する比較手段とを設け、前記相関二重サンプリング手段は、前記比較手段の比較結果に基づいて、前記差分が前記閾値より大きい場合に、前記切り替え手段を前記電圧保持手段が保持する所定電圧に切り替えて信号電圧から減算することを特徴とする。
【０００６】
特に、前記電圧保持手段は、前記非有効画素領域の画素のフィードスルー電圧を所定電圧として保持することを特徴とする。
或いは、前記電圧保持手段は、前記非有効画素領域の複数の画素のフィードスルー電圧の平均値を所定電圧として保持することを特徴とする。
さらに、前記比較手段は、前記有効画素領域において読み出す連続した画素のフィードスルー電圧を比較するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の撮像装置は、太陽光などの高輝度な光が入射した場合に、相関二重サンプリング手段は、異常画素のフィードスルー電圧の代わりに予め保持していた所定電圧を画素の信号電圧から減算するので、常に適正な明るさの画像信号を取り出すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る撮像装置１０１を使用したカメラ１０１のブロック図である。図１において、カメラ１００は、撮像装置１０１と、レンズ１０２と、画像処理部１０５と、モニタ１０６と、ＣＰＵ１０７とで構成される。尚、ＣＰＵ１０７は、予め格納されたプログラムによって動作し、カメラ１００全体を制御する。
【０００９】
撮像装置１０１は、ＣＣＤイメージセンサなどの撮像素子１０３と、ＡＦＥ（アナログフロントエンド）１０４で構成される。ＡＦＥ１０４は、撮像素子１０３から読み出す画素信号の暗電流などによるノイズを除去するＣＤＳ（相関二重サンプリング回路）１０８と、画像信号のゲイン調整を行うアナログゲイン１０９と、アナログの画像信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換１１０と、撮像素子１０３やＡＦＥ１０４の各部のタイミングを制御するタイミング発生回路１１１とで構成される。
【００１０】
次に、ＣＤＳ回路１０８について説明する前に、回路の特徴が分かり易いように、先ず図２に示した一般的なＣＤＳ回路２０８について説明する。ＣＤＳ回路２０８は、撮像素子１０３から各画素毎の信号を入力する際に、先ず画素の基準電圧となるフィードスルー電圧をＳ／Ｈ（サンプルホールドスイッチ）１５１でコンデンサ１５２にホールドし、次に画素の信号出力をＳ／Ｈ１５３でコンデンサ１５４にホールドする。尚、ＳＨＰはフィードスルー電圧をサンプリングするタイミングパルス、ＳＨＤは信号電圧をサンプリングするタイミングパルスをそれぞれ示し、図１のタイミング発生回路１１１によって与えられる。
【００１１】
ここで、撮像素子１０３から入力する信号２０１について図３を用いて説明する。信号２０１において、画素を構成する光電変換部に蓄えられた電荷をリセットした時の電圧がリセット電圧２０２で、光が撮像素子１０３に入射して光電変換された電荷が光電変換部に蓄えられた時に出力に現れる電圧がフィードスルー電圧２０３で、光電変換部に蓄えられた電荷が読み出された時の電圧が信号電圧２０４である。尚、フィードスルー電圧は、画素の光電変換部が信号をホールドしている時の信号がどのくらいその画素の出力に現れるかを示す電圧で、このフィードスルー電圧２０３を基準として画素毎の信号電圧２０４を読み取る。フィードスルー電圧はタイミングパルスＳＨＰでサンプルホールドされ、信号電圧はタイミングパルスＳＨＤでサンプルホールドされる。フィードスルー電圧は各画素によって異なるので、出力画像の固定パターンノイズとなって現れるため、図２のようなＣＤＳ回路２０８で各画素毎のフィードスルー電圧をコンデンサ１５２にホールドし、コンデンサ１５４にホールドされた信号電圧から減算器１５５で引き算してアナログゲイン１０９へ出力するようになっている。これによって、画素の信号から固定パターンノイズを除去することができる。
【００１２】
ところが、撮像素子１０３に高輝度入射があると、図４に示すようなスミアが発生する。図４は撮像素子１０３上のスミアの様子を示した図で、３０１は有効画素領域、３０２はオプティカルブラック（ＯＢ）領域、３０３は高輝度部分、３０４はスミアをそれぞれ示している。有効画素領域３０１に入射される高輝度部分３０３は、ＯＢ領域３０２を含めてスミア３０４を引き起こす。
【００１３】
ここで、撮像素子１０３の画素構成について図５を用いて説明する。尚、図４と同じ符号は同じものを示す。撮像素子１０３の有効画素領域３０１には、被写体からの光を電気信号に変換するフォトダイオードや光電変換された信号を読み出すトランジスタなどで構成される複数の単位画素が配列されており、同様にＯＢ領域３０２にも単位画素が配列されている。例えば、有効画素領域３０１の単位画素４０１から垂直信号線４０３に読み出された信号やＯＢ領域３０２の単位画素４０２から垂直信号線４０５に読み出された信号は、各行毎に水平信号出力部４０４から出力される。尚、ＯＢ領域３０２は撮像素子１０３の周囲にあり、ＯＢ領域３０２にある単位画素４０２は図５に示すように１列ではなく複数列の単位画素が配置されている場合もある。
【００１４】
次に、水平出力部４０４が読み出す水平方向１行分の信号について図６を用いて説明する。図６は水平方向１行分の信号の波形の一部分を示した図で、一点鎖線５０１より左側がＯＢ領域３０２の各画素の読み出し信号、右側が有効画素領域３０１の各画素の読み出し信号を示している。５０２はフィードスルー電圧の位置を示し、正常波形部分５０３および５０５では正常なフィードスルー電圧が得られているが、異常波形部分５０４の２つの画素５０６および５０７のフィードスルー電圧は大きく下がっている。つまり、図４に示したようなスミア３０４が発生したために、信号の漏れが生じ、画素５０６および５０７のフィードスルー電圧が大きくなっている。このため、このフィードスルー電圧を基準にした時の画素の信号出力は小さくなってしまう。逆にフィードスルー電圧が小さくなると、画素の信号出力は大きくなってしまう。
【００１５】
このように、一般的なＣＤＳ回路２０８では高輝度入射があった場合に、画像が暗くなったり、逆に明るくなったりするために、ＡＥ判定などに大きな影響を及ぼしてしまう。本実施形態の図１のＣＤＳ回路１０８では、フィードスルー電圧が異常になった時に、ＯＢ領域の画素のフィードスルー電圧を用いることによって、上記の問題を解決する。
次に、本実施形態におけるＣＤＳ回路１０８について図７を用いて詳しく説明する。尚、図２と同じ符号のものは同じものを示す。図７のＣＤＳ回路１０８は図２のＣＤＳ回路２０８に、さらに、Ｓ／Ｈ２５１と、コンデンサ２５２と、比較部２５３と、スイッチ２５４とを設けている。例えば、水平方向１ライン分の信号を読み出す場合、先ず、タイミングパルスＳＨＰ２をＳ／Ｈ２５１に与えて、ＯＢ領域３０２の画素のフィードスルー電圧をコンデンサ２５２にホールドしておく。次に、有効画素領域３０１では、各画素のフィードスルー電圧をコンデンサ１５２にホールドし、信号電圧をコンデンサ１５４にホールドする。尚、タイミングパルスＳＨＰ２は、図１のタイミング発生回路１１１によって与えられる。
【００１６】
次に、ＣＤＳ回路１０８の動作について、図８のタイミングチャートを用いて説明する。図８は、撮像素子１０３から出力される１ライン分の水平出力波形の一部を描いたもので、ＯＢ領域から有効画素領域にまたがる数画素分の水平出力波形と、図７に示した各タイミングパルスＳＨＰ２，ＳＨＰ，ＳＨＤと、比較部２５３の出力とのタイミング関係を示している。８０１から８０８はそれぞれ１画素分の波形の範囲を示し、以降、画素８０１の波形という表現で１画素分の波形を指すものとする。
【００１７】
先ず、ＯＢ領域にある画素８０１の波形のフィードスルー電圧をタイミングパルスＳＨＰおよびＳＨＰ２でサンプリングして、図７のコンデンサ１５２および２５２にホールドする。続いて、有効画素領域にある画素８０２の波形のフィードスルー電圧をタイミングパルスＳＨＰでサンプリングして、図７のコンデンサ１５２にホールドする。比較部２５３は、コンデンサ２５２にホールドされた電圧とコンデンサ１５２にホールドされた電圧との差が所定値以上あるか否かを比較する。差が所定値以上ある場合はスイッチ２５４をＳ／Ｈ２５１側に切り替えてコンデンサ２５２にホールドされた電圧を減算器１５５に出力し、所定値より小さい場合はスイッチ２５４をＳ／Ｈ１５１側に切り替えてコンデンサ１５２にホールドされた電圧を減算器１５５に出力する。尚、画素８０２の波形の信号電圧はタイミングパルスＳＨＤでサンプリングされてコンデンサ１５４にホールドされた電圧も減算器１５５に出力されている。
【００１８】
画素８０２の波形のフィードスルー電圧の比較が終了すると、次の画素８０３の波形のフィードスルー電圧をタイミングパルスＳＨＰでサンプリングして、コンデンサ１５２にホールドする。比較部２５３は、画素８０２の波形の場合と同様に、コンデンサ２５２にホールドされたＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧との差が所定値以上あるか否かを比較して、スイッチ２５４を制御する。以降、同様に、画素８０４から画素８０８の波形のフィードスルー電圧を順番にタイミングパルスＳＨＰでサンプリングして、コンデンサ１５２にホールドする毎に比較部２５３はＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧との差が所定値以上あるか否かを比較してスイッチ２５４を制御する。
【００１９】
図８において、画素８０２から画素８０４の波形のフィードスルー電圧は安定しており、ＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧との差は少ないので、期間Ｔ１において比較部２５３はスイッチ２５４をＳ／Ｈ１５１側に切り替えるように信号を出力する。
ところが、高輝度入射があると画素８０５の波形のようにフィードスルー電圧が不安定になる。このような状態では、ＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧と画素８０５の波形のフィードスルー電圧との差が大きくなって所定値を超えてしまうため、比較部２５３はスイッチ２５４をＳ／Ｈ２５１側に切り替えるように信号を出力する。同様に、画素８０６の波形のフィードスルー電圧も不安定なので、比較部２５３はスイッチ２５４をＳ／Ｈ２５１側に切り替えるように信号を出力する。つまり、期間Ｔ２において比較部２５３はスイッチ２５４をＳ／Ｈ２５１側に切り替えるように信号を出力する。次の画素８０７および画素８０８の波形は安定しているので、ＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧との差は少なくなり、期間Ｔ３において比較部２５３はスイッチ２５４をＳ／Ｈ１５１側に切り替えるように信号を出力する。尚、図８の比較部２５３の出力波形において、ローレベルでスイッチ２５４はＳ／Ｈ１５１側に切り替わり、ハイレベルでスイッチ２５４はＳ／Ｈ２５１側に切り替わるようになっている。
【００２０】
このように、比較部２５３は、１画素ずつ順番にＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧と当該画素のフィードスルー電圧と差を比較して、差が所定値以上の場合は当該画素のフィードスルー電圧の代わりにＯＢ領域の画素８０１の波形のフィードスルー電圧を当該画素の信号電圧から減算器１５５で減算すべく、スイッチ２５４を制御する。尚、上記の説明では１ライン分の動作について説明したが、撮像素子１０３の１画面に対して同様の動作を繰り返す。
【００２１】
以上、説明したように、本実施形態に係る撮像装置１０１は、画素の波形のフィードスルー電圧の変動が所定値未満の場合には、スイッチ２５４はＳ／Ｈ１５１側に切り替えてコンデンサ１５２にホールドされた電圧を減算器１５５に出力するので、図２で説明した従来のＣＤＳ回路２０８と同じ動作を行うが、画素の波形のフィードスルー電圧の変動が所定値以上の場合には、スイッチ２５４はＳ／Ｈ２５１側に切り替えてコンデンサ２５２にホールドされた電圧、つまりＯＢ領域の画素の波形のフィードスルー電圧を減算器１５５に出力するので、スミア部分などフィードスルー電圧が不安定な場合の画素の信号出力の変動を少なくすることができ、適正な明るさの画像信号を取り出すことができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る撮像装置について説明する。本実施形態の撮像装置は、図１に示す第１の実施形態において、ＣＤＳ回路１０８以外は撮像装置１０１と全く同じ構成である。ここでは、第１の実施形態と異なるＣＤＳ回路３０８について図９を用いて説明する。尚、図７と同じ符号のものは同じものを示す。
【００２３】
図９のＣＤＳ回路３０８は、第１の実施形態のＣＤＳ回路１０８のＳ／Ｈ２５１からＳ／Ｈ３５１の８つのＳ／Ｈ回路を設け、それぞれのＳ／Ｈ回路の出力は抵抗ＲＡ１からＲＡ８を介して加算され、アンプ３５３を介して比較部２５３に出力される。８つのＳ／Ｈ回路は、それぞれに８つのタイミングパルスＳＨＰ２からＳＨＰ９が入力されている。８つのタイミングパルスＳＨＰ２からＳＨＰ９は、例えば、１画素ずつずれたタイミングでタイミング発生回路１１１から出力され、連続した８つのＯＢ領域の画素のフィードスルー電圧をホールドする。尚、図９では８つのＳ／Ｈ回路の一部は省略して描いてあり、Ｓ／Ｈ３５１とコンデンサ３５２と抵抗ＲＡ８とで構成される同じ回路を有している。また、アンプ３５３は、帰還抵抗ＲＡ０と抵抗ＲＡ１からＲＡ８の合成抵抗との比によってゲインが定まり、本実施形態では１／８のゲインに設定されている。つまり、アンプ３５３の出力は、８つのＳ／Ｈ回路の各コンデンサに保持されたＯＢ領域のフィードスルー電圧の平均値となる。
【００２４】
一方、比較部２５３は、第１の実施形態と同様に動作するので、１画素ずつ順番にＯＢ領域の複数画素の波形のフィードスルー電圧の平均値と当該画素のフィードスルー電圧と差を比較して、差が所定値以上の場合は当該画素のフィードスルー電圧の代わりにＯＢ領域の複数画素の波形のフィードスルー電圧の平均値を当該画素の信号電圧から減算器１５５で減算すべく、スイッチ２５４を制御する。
【００２５】
このように、本実施形態に係る撮像装置１０１は、画素の波形のフィードスルー電圧の変動が所定値以上の場合には、ＯＢ領域の複数画素の波形のフィードスルー電圧の平均値を用いるので、ＯＢ領域の１画素だけを用いた第１の実施形態に比べてより安定して動作することができ、スミアなどが生じた場合でも適正な明るさの画像信号を取り出すことができる。
【００２６】
尚、本実施形態ではフィードスルー電圧の基準値を８画素分の平均値としたが、複数画素であれば同様の効果が得られる。また、本実施形態では、抵抗とアンプを用いて簡易な加算平均回路を構成したが、ＯＢ領域の複数画素のフィードスルー電圧を取り込んで平均化する回路であれば、同様に実現することができる。さらに、本実施形態では、ＯＢ領域の連続する画素のフィードスルー電圧を用いたが、平均するＯＢ領域の画素は１画素置きなど連続していなくても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係るデジタルカメラ１０１のブロック図である。
【図２】ＣＤＳ回路２０８の構成を示すブロック図である。
【図３】ＣＤＳ回路２０８の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】スミアを説明するための補助図である。
【図５】撮像装置１０３の画素の構成を示す補助図である。
【図６】スミア発生時の出力波形を説明するための補助図である。
【図７】第１の実施形態に係る撮像装置１０１のＣＤＳ回路１０８の構成を示すブロック図である。
【図８】ＣＤＳ回路１０８の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】第２の実施形態に係る撮像装置１０１のＣＤＳ回路３０８の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１・・・撮像装置            １０２・・・レンズ
１０３・・・撮像素子            １０４・・・ＡＦＥ
１０５・・・画像処理部          １０７・・・ＣＰＵ
１０８，２０８，３０８・・・ＣＤＳ回路
１０９・・・アナログゲイン      １１１・・・タイミング発生回路
１５１，１５３，２５１，３５１・・・Ｓ／Ｈ（サンプルホールド回路）
１５２，１５４，２５２，３５２・・・コンデンサ
１５５・・・減算器              ２５３・・・比較部
２５４・・・スイッチ            ３５３・・・アンプ
【図１】
2008182637.tif 000003
【図２】
2008182637.tif 000004
【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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