(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口領域の開口画素及び遮光領域のオプティカルブラック画素を有し、光信号を電気信号に変換する撮像素子と、
前記オプティカルブラック画素から出力される画素信号と所定ダークレベルとの差をフィードバックすることで前記画素信号のオフセット調整を行うクランプ手段と、
前記撮像素子の水平シフトレジスタを駆動する水平シフトレジスタ駆動信号を前記水平シフトレジスタに供給する駆動信号発生手段とを有し、
前記駆動信号発生手段は、前記オプティカルブラック画素から出力される前記画素信号を前記オフセット調整のためにサンプリングする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号を供給し、前記所定ダークレベルとの差をフィードバックする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号の供給を停止することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記駆動信号発生手段は、前記オフセット調整を複数回繰り返すことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
開口領域の開口画素及び遮光領域のオプティカルブラック画素を有し、光信号を電気信号に変換する撮像素子と、
前記オプティカルブラック画素から出力される画素信号と所定ダークレベルとの差をフィードバックすることで前記画素信号のオフセット調整を行うクランプ手段と、
前記撮像素子の水平シフトレジスタを駆動する水平シフトレジスタ駆動信号を前記水平シフトレジスタに供給する駆動信号発生手段とを有する撮像装置の処理方法であって、
前記オプティカルブラック画素から出力される前記画素信号を前記オフセット調整のためにサンプリングする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号を供給し、前記所定ダークレベルとの差をフィードバックする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号の供給を停止することを特徴とする撮像装置の処理方法。
【請求項４】
前記オフセット調整を複数回繰り返すことを特徴とする請求項３記載の撮像装置の処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置及びその処理方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子を用いた撮像装置においては、蓄積時間・ＩＳＯ感度設定・温度などの撮影条件に応じてダークレベルが変化してしまう。特に顕著なのは暗電流が多く発生する高温・長時間露光での撮影であり、暗電流によって通常撮影時（常温・短時間露光）とは大きく異なったダークレベルとなり、ダイナミックレンジを圧迫することになる。このため、上記のような撮像装置においては、ダークレベルを補正することで常にダークレベルを一定とし、ダイナミックレンジを確保する必要がある。
【０００３】
ダークレベルを補正する方法としては、下記の特許文献１に記載されるようにコンデンサを用いた積分回路を使用したクランプ回路、下記の特許文献２に記載されるようにＤ／Ａ変換器の出力で直接フィードバックをかけるクランプ回路などが提案されている。近年ではこうしたクランプ回路によりＯＢ（オプティカル・ブラック）のレベルをクランプするＯＢクランプ機能とＡ／Ｄ変換機能を併せ持ったアナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ）を備えた構成が一般的に使用されるようになっている。
【０００４】
このようなクランプ回路を備えた撮像装置は、画素信号のノイズの影響によるクランプノイズによって画質が劣化するのを避けるため、ＯＢクランプの時定数を大きくし、１回のＯＢクランプ動作前後でのダークレベルの変化が大きくならないようにしている。
【０００５】
しかしながら、静止画撮影のように撮像素子を間欠駆動する場合においては、撮像素子の信号読み出し開始直後のダークレベルと、ダーク信号がクランプされるべきレベル（クランプ目標値）との間に大きな差があるために、急速なクランプ処理を行う必要がある。図７に撮像素子の画素領域を示すが、最初に信号が読み出されるＶＯＢ（開口部の上側にある遮光領域）の期間内に概クランプ目標値までクランプ処理を収束しなければならない。
【０００６】
下記の特許文献３では、このＶＯＢ期間内にクランプパルス（クランプ処理を指示する信号）を連続して発生することにより急速なＯＢクランプ動作を行う方法が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１５３４２８号公報
【特許文献２】特開２０００−２２４４４０号公報
【特許文献３】特開２００１−１４５０２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のようなＯＢクランプ処理では、ＯＢ画素の信号サンプリング後、算出された補正値が実際に入力信号へ反映されるまでの間に、演算時間やＤ／Ａ変換器の出力変化時間、コンデンサの充放電期間などの時間が必要である。以下、この期間をフィードバック期間と呼ぶ。フィードバック期間が終了するまでは、入力信号のダークレベルはクランプ処理のために変動しており、次回のクランプ処理のための信号サンプリングができない。従って、特許文献３に記載されるようにクランプパルスを連続して発生する場合、その最短周期はＯＢサンプリング期間とフィードバック期間の和で決定される。
【０００９】
ところが、その一方、フィードバック期間中においても撮像素子の駆動パルスは出力されており画素信号の読み出しは先へ進んでしまっている。このため、ＯＢクランプのためにサンプリングできる画素信号は全ＯＢ画素のうちの一部となり、フィードバック期間中に撮像素子から読み出された画素信号はクランプ処理には使われることなく後段の処理回路にそのまま流れていく。そのため、ＯＢクランプ処理に対しては全く無駄な画素となってしまっている。
【００１０】
ＯＢクランプ処理を連続して繰返し行う場合、画素信号サンプリング後のフィードバック期間にも撮像素子の信号は読み出されているため、所望回数の処理を行なうためにはＯＢ画素数の大きな撮像素子が必要であった。
【００１１】
本発明の目的は、ＯＢ画素をＯＢクランプ処理に有効に使用し、少ないＯＢ画素数の撮像素子で十分なＯＢクランプ効果を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の撮像装置は、開口領域の開口画素及び遮光領域のオプティカルブラック画素を有し、光信号を電気信号に変換する撮像素子と、前記オプティカルブラック画素から出力される画素信号と所定ダークレベルとの差をフィードバックすることで前記画素信号のオフセット調整を行うクランプ手段と、前記撮像素子の水平シフトレジスタを駆動する水平シフトレジスタ駆動信号を前記水平シフトレジスタに供給する駆動信号発生手段とを有し、前記駆動信号発生手段は、前記オプティカルブラック画素から出力される前記画素信号を前記オフセット調整のためにサンプリングする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号を供給し、前記所定ダークレベルとの差をフィードバックする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号の供給を停止することを特徴とする。
また、本発明の撮像装置の処理方法は、開口領域の開口画素及び遮光領域のオプティカルブラック画素を有し、光信号を電気信号に変換する撮像素子と、前記オプティカルブラック画素から出力される画素信号と所定ダークレベルとの差をフィードバックすることで前記画素信号のオフセット調整を行うクランプ手段と、前記撮像素子の水平シフトレジスタを駆動する水平シフトレジスタ駆動信号を前記水平シフトレジスタに供給する駆動信号発生手段とを有する撮像装置の処理方法であって、前記オプティカルブラック画素から出力される前記画素信号を前記オフセット調整のためにサンプリングする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号を供給し、前記所定ダークレベルとの差をフィードバックする期間に前記水平シフトレジスタ駆動信号の供給を停止することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
オプティカルブラック画素の画素信号をオプティカルブラッククランプ処理に有効に使用することができ、撮像素子の読み出し開始から開口画素の信号が読み出されるまでの間に、収束に十分な回数のオプティカルブラッククランプ処理を行うことができる。また逆に、オプティカルブラッククランプ処理に対して無駄となっていた画素に相当する領域は不要となるため、撮像素子のチップ面積削減が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置においては、撮像素子としてＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサを使用するのが一般的である。ここで、上記構成による撮像装置のカメラ動作を、図１、図２を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態によるデジタルカメラやデジタルビデオカメラの構成例を示す図である。１０１は撮像素子でありＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサが使用され、光信号を電気信号に変換する。１０２はアナログ・フロント・エンド（ＡＦＥ）であり、撮像素子からの信号に対し、アナログ−デジタル変換・ＯＢクランプなどの処理を行なう機能を有する。ＯＢクランプ処理とは、撮像素子の遮光部（オプティカルブラック：ＯＢ）の出力が所定値となるよう信号に対してオフセット調整を行なう処理である。１０３はＤＳＰ（Digital Signal Processor）であり、ＡＦＥ１０２からのデータに対して各種補正処理及び現像処理を行なう。またＤＳＰ１０３では、ＲＯＭ１０６、ＲＡＭ１０７等各種メモリの制御、記録媒体１０８への画像データの書き込み処理が行なわれる。
【００１６】
１０４は、撮像素子１０１、ＡＦＥ１０２、ＤＳＰ１０３にクロック信号や制御信号を供給するタイミング発生回路であり、ＣＰＵ１０５により制御される。
【００１７】
１０５はＤＳＰ１０３、タイミング発生回路１０４の制御、及び測光・測距など不図示の各部を使ったカメラ機能の制御を行なうＣＰＵであり、１０９〜１１１の各スイッチ、モードダイアル１１２が接続され、それぞれの状態に応じた処理を実行する。
【００１８】
１０６はカメラの制御プログラムや各種補正データを記憶するＲＯＭ、１０７はＤＳＰ１０３で処理される画像データや補正データを一時的に記憶するＲＡＭである。ＲＡＭ１０７はＲＯＭ１０６より高速のアクセスが可能である。
【００１９】
１０８は撮影された画像を保存するコンパクトフラッシュ（登録商標）カード等の記録媒体であり、不図示のコネクタを介してカメラと接続される。
【００２０】
１０９はカメラを起動させるための電源スイッチ、１１０は測光処理、測距処理等の動作開始を指示するシャッタースイッチＳＷ１である。１１１は不図示のミラー及びシャッターを駆動し、撮像素子１０１から読み出した信号をＡＦＥ１０２、ＤＳＰ１０３を介して記録媒体１０８に書き込む一連の撮像動作の開始を指示するシャッタースイッチＳＷ２である。
【００２１】
図２は、図１に示すカメラの制御を示したフローチャート図である。まず、ステップＳ２０１でカメラを起動する電源ＳＷ（スイッチ）１０９がオンされているか否か判定し、オフならＳ２０１を繰り返す。ここで電源ＳＷ１０９がオンされていれば、ステップＳ２０２でモードダイアル１１２が撮影モードに設定されているか否かを判別する。撮影モードに設定されていれば続いてステップＳ２０４へ進み、その他のモードに設定されていればステップＳ２０３で選択されているモードに応じた処理を行ないＳ２０１へ戻る。
【００２２】
ステップＳ２０４では、シャッタースイッチ（ＳＷ１） １１０がオンしているか否か判定する。ＳＷ１がオフしている場合、Ｓ２０４の処理を繰り返す。ＳＷ１がオンしている場合には、ステップＳ２０５に進む。
【００２３】
ステップＳ２０５では、不図示の測光制御部及び測距制御部を用いて、絞り値およびシャッター速度を決定する測光処理、撮影レンズ焦点を被写体に合わせる測距処理が行なわれる。
【００２４】
測光・測距処理が終了すると、続くステップＳ２０６でシャッタースイッチ（ＳＷ２）１１１の状態が判定される。ＳＷ２がオフしている場合にはＳ２０６を繰り返し、オンしている場合にはステップＳ２０７の撮影処理が実行される。この撮影処理の詳細については後述する。
【００２５】
撮影処理が終了すると、ステップＳ２０８へ進み、撮影した画像データに対しＤＳＰ１０３で現像処理が行なわれる。続いてステップＳ２０９で、現像処理の終了した画像データに対し圧縮処理が行なわれＲＡＭ１０７の空き領域に格納される。
【００２６】
ステップＳ２１０では、ＲＡＭ１０７に格納されている画像データが読み出され、記録媒体１０８への記録処理が実行される。記録処理終了後、ステップＳ２０１へ戻り次の撮影に備える。
【００２７】
次に、ステップＳ２０７の撮影処理の詳細について図３を用いて説明する。
まずステップＳ３０１でミラーをミラーアップ位置に移動させる。ステップＳ３０２では、前述の測光処理（ステップＳ２０５）で得られた測光データに基づいて、所定の絞り値まで絞りを駆動する。
【００２８】
ステップＳ３０３で撮像素子１０１の電荷クリア動作を行い、ステップＳ３０４の電荷蓄積を開始する。電荷蓄積開始後、ステップＳ３０５でシャッターを開き、撮像素子１０１の露光を開始する（ステップＳ３０６）。
【００２９】
その後、ステップＳ３０７で測光データに従って露光終了まで待ち、ステップＳ３０８でシャッターを閉じる。
【００３０】
ステップＳ３０９で開放の絞り値まで絞りを駆動し、ステップＳ３１０ではミラーダウン位置までミラーを駆動する。
【００３１】
ステップＳ３１１では設定した電荷蓄積時間が経過するまで待ち、撮像素子１０１の電荷蓄積を終了する（ステップ３１２）。
【００３２】
最後にステップＳ３１３で撮像素子１０１の信号が読み出され、一連の処理を終了してメインの処理へ復帰する。
【００３３】
このステップＳ３１３の撮像信号読み出しにおいては、撮像素子１０１から撮像信号が読み出されると同時に、ＡＦＥ１０２では前述のＯＢクランプ処理が行われる。この処理によってダーク出力レベルが所望の値に調整されるため、暗電流が多く発生する高温下での長時間露光のような撮影においても、画像信号のダイナミックレンジを確保することが可能となる。
【００３４】
ここで、ステップＳ３１３の撮像信号読み出し時における撮像素子１０１およびＡＦＥ１０２の駆動信号を図４（ａ）に示す。垂直同期信号によって一画面の読み出し開始が指示され、水平同期信号により１水平ライン毎の撮像信号読み出し動作が行われる。図７は撮像素子１０１の画素領域を示した図である。画素領域は、開口部の開口画素と遮光部ＶＯＢ，ＨＯＢのＯＢ画素を有する。領域ＶＯＢ及びＨＯＢが遮光領域（ＯＢ）である。ここでは、開口部の上側にある遮光領域をＶＯＢ、左側にある遮光領域をＨＯＢと呼ぶ。図４（ａ）において、垂直同期信号により読み出し動作が開始されると、画素領域のＶＯＢ側から１水平ライン毎に撮像信号が読み出される。図中の水平シフトレジスタ駆動パルスは撮像素子１０１の水平シフトレジスタを駆動する信号、ＯＢクランプパルスはＡＦＥ１０２に対しＯＢクランプ処理を指示する信号、ＡＦＥ駆動クロックはＡＦＥ１０２の動作クロックである。これらは、いずれもタイミング発生回路１０４から供給される。Ｌｉｎｅ１〜８がＶＯＢ中のＯＢクランプ処理が行われる領域であり、Ｌｉｎｅ９以降は開口領域（或いはＶＯＢでもＯＢクランプ処理が行われない領域）である。
【００３５】
図４（ａ）の１水平ライン毎の信号を図５に示す。図５（ａ）が図４（ａ）中のＬｉｎｅ１〜８の各ライン、即ち図７のＡの部分の１ライン駆動信号に相当する。また図５（ｂ）がＬｉｎｅ９以降、即ち図７のＢの部分の１ライン駆動信号に相当する。各ラインの読み出しにおいては、まず水平転送期間においてタイミング発生回路１０４により撮像素子１０１に供給される各種駆動パルス（不図示）によって撮像素子１０１内の水平読み出しラインに撮像信号が転送される。次いで水平走査期間において水平シフトレジスタ駆動パルスにより１ライン分の画素信号が順に読み出される。この水平走査期間において、タイミング発生回路１０４はＡＦＥ１０２に対しＯＢクランプパルスを発生しＯＢクランプ処理を促す。ＡＦＥ１０２はＯＢクランプパルスが入力されると、その時点から所定画素数分の画素信号をサンプリングし、その平均値と所望のダーク出力値との差をオフセット調整回路にフィードバックする。オフセット調整回路の例としては、コンデンサを用いた積分回路を使用するタイプのものやＤ／Ａ変換器の出力をそのままフィードバックするタイプものなどが考えられる。
【００３６】
後者のタイプを用いたＡＦＥ１０２の構成例を図８に示す。８０１は撮像信号の入力端子であり、撮像素子１０１からのアナログ信号が入力される。このアナログ信号は、増幅回路８０２の非反転入力端子（＋）に供給され所定のゲインをかけられた後、Ａ／Ｄ変換回路８０３にてデジタル信号に変換され、出力端子８０４から後段の信号処理系へと出力される。ここで、ＯＢ画素信号が入力されるのに合わせてＯＢクランプパルスがＡＦＥ１０２に入力された場合、その時点から所定画素数分の画素信号の平均値を平均化回路８０５で算出する。次に減算器８０６でこの平均値からクランプ目標値を減算し、その結果から演算部８０７で補正値を演算し、Ｄ／Ａ変換器８０８にセットする。Ｄ／Ａ変換器８０８の出力が増幅回路８０２の反転入力端子（−）にフィードバックされることでオフセット調整が行われ、ダークレベルがクランプ目標値に調整される。
【００３７】
ＡＦＥ１０２は、ＯＢ画素の信号を基に撮像素子１０１の画素信号をオフセット調整するオプティカルブラッククランプ処理と撮像素子１０１の画素信号をアナログからデジタルに変換する処理とを行う。
【００３８】
このようなＯＢクランプ回路においては、欠陥画素やランダムノイズの影響を避けるため、フィードバック係数を小さくするのが一般的である。このため、ダークレベルをクランプ目標値まで収束させるためにはＯＢクランプ処理は繰り返し行う必要がある。一方で、開口部が読み出される前のＶＯＢ期間中にダークレベルを収束させなければならない。そこでＶＯＢ期間においては、図５（ａ）のように１ライン中にＯＢクランプ処理が複数回行われることとなる。しかしながら、図に記載するように１回の処理には、所定ＯＢ画素数のサンプリングに要する期間と、サンプリングした画素の平均化、補正値演算、Ｄ／Ａ変換器の出力変化などのフィードバック期間が必要である。それに従い、１ラインあたりに行えるＯＢクランプ処理回数には制限が生じる。このため、繰り返し回数を増やすにはＶＯＢのライン数を増やす必要がある。ＶＯＢライン数を増やすことは撮像素子のチップ面積の拡大につながり、コストアップに直結してしまう。
【００３９】
そこで本実施形態では、図６（ａ）のように前述のフィードバック期間中は撮像素子１０１に対する水平シフトレジスタ駆動パルスの供給を停止することとする。一方で、ＡＦＥ駆動クロックはこの期間も停止することなく供給されつづける。従来、フィードバック期間中に撮像素子１０１から読み出された信号はＯＢクランプ処理に利用されることなくＤＳＰ１０３に伝達されるが、水平シフトレジスタ駆動パルスを停止することにより、全ての画素信号をＯＢクランプ処理に有効に使用することができる。開口領域の読み出し時には、水平シフトレジスタ駆動パルスを停止する必要はなく、図６（ｂ）に示すように従来（図５（ｂ））と全く同じである。このとき、当然ＶＯＢ１ラインあたりの読み出し時間は、開口領域のそれよりも長くなるが、同一の繰り返し回数で比較すればＶＯＢのライン数が少ない分だけ水平転送の回数は少なく済み、図４（ｂ）に示すように全体としての読み出し時間はむしろ短くなる。
【００４０】
図４（ｂ）は本実施形態の複数ラインの駆動信号を示した図である。図４（ａ）の従来例と比較し、同じ回数のＯＢクランプ処理を行うのに必要なライン数が１／４（従来例８ラインに対し２ライン）に減っている。また、Ｌｉｎｅ３以降は開口領域（或いはＶＯＢでもＯＢクランプ処理が行われない領域）であり、全体としての読み出し時間も短縮されていることがわかる。
【００４１】
以上より、本実施形態によって、従来よりも少ない画素数で十分なＯＢクランプ処理の効果が得られ、また同時に読み出し時間の短縮という効果も得ることができる。
【００４２】
本実施形態では、ＯＢクランプの方法としてＤ／Ａ変換器の出力を直接フィードバックするタイプのものを例として説明した。しかし、充放電されるコンデンサによりクランプ電圧を保持しオフセット調整するタイプのものなど、ＯＢ画素信号のサンプリング後、フィードバックに時間を要するものであればどのようなものに対しても、本実施形態は有効である。
【００４３】
以上のように、本実施形態では、ＯＢクランプ処理のフィードバック期間中に撮像素子の水平シフトレジスタ駆動パルスを停止し、フィードバック動作期間中に撮像素子から画素信号が読み出されないようにする。
【００４４】
タイミング発生回路１０４は、撮像素子１０１の水平シフトレジスタを駆動して信号を読み出す水平シフトレジスタ駆動信号を発生し、ＡＦＥ１０２にＯＢクランプ処理開始を指示する信号を発生する。その際、タイミング発生回路１０４は、１ライン中で、前記水平シフトレジスタ駆動信号を発生する第１の時間と、前記水平シフトレジスタ駆動信号を停止する第２の時間を有する。前記第１の時間は、ＯＢクランプ処理開始指示後の時間であり、前記第２の時間は、第１の時間経過後の時間である。
【００４５】
また、前記第１の時間は、ＯＢクランプ処理のための画素信号サンプリングに要する時間である。前記第２の時間は、ＯＢクランプ処理においてサンプリングした画素信号とダークレベルとの差をオフセット調整回路にフィードバックするために要する時間である。
【００４６】
図４（ｂ）及び図６（ａ）に示すように、タイミング発生回路１０４は、１ライン中で、前記水平シフトレジスタ駆動信号を発生する時間及び前記水平シフトレジスタ駆動信号を停止する時間を複数回繰り返す。
【００４７】
ＶＯＢの画素信号は全てＯＢクランプ処理に有効に使用されることとなり、撮像素子の読み出し開始から開口部の信号が読み出されるまでの間に、ダークレベルの収束に十分な回数のＯＢクランプ処理を行うことができる。また逆に、従来フィードバック期間中に読み出され、クランプ処理に対して無駄となっていた画素数に相当する領域は不要となるため、撮像素子のチップ面積削減も可能となる。
【００４８】
なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】デジタルカメラの全体構成例を示す図である。
【図２】デジタルカメラのカメラ動作を示すフローチャートである。
【図３】デジタルカメラの撮像処理を示すフローチャートである。
【図４】撮像素子及びＡＦＥの駆動信号を示したタイミングチャートである。
【図５】従来の各水平ラインにおける駆動信号を示したタイミングチャートである。
【図６】本発明の実施形態の各水平ラインにおける駆動信号を示したタイミングチャートである。
【図７】本発明の実施形態における撮像素子画素領域を模式的に表した図である。
【図８】クランプ回路の構成例を示した図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０１  撮像素子
１０２  ＡＦＥ
１０３  ＤＳＰ
１０４  タイミング発生回路
１０５  ＣＰＵ
１０６  ＲＯＭ
１０７  ＲＡＭ
１０８  記録媒体
１０９、１１０、１１１  スイッチ
１１２  モードダイアル
【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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