(57)【要約】【課題】  ランダムノイズによる画像の歪みを除去してＳ／Ｎ特性を向上させることのできる撮像装置を提供する。【解決手段】  パルス信号分配部２２ではパルス信号２８を分配して、複数の信号サンプリング部３ａ〜３ｎにパルス信号１４ａ〜１４ｎを送る。信号処理部２５はサンプリングメモリ４と信号選択部２６を備えている。サンプリングメモリ４は、それぞれの信号サンプリング部３ａ〜３ｎでサンプリングしたサンプリング信号１５ａ〜１５ｎを記憶する。信号選択部２６はサンプリングブロック３により集められたサンプリング信号１６を受けて、ノイズを含まない基準信号および出力信号を任意に少なくとも一つ以上選択し、その選択信号１７を信号変換部６に送る。【選択図】        図１
2007028116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段を駆動する駆動手段と、
前記撮像手段の出力をサンプリングするためのサンプリングパルスを生成するパルス生成手段と、
前記サンプリングパルスを分配するパルス分配手段と、
前記撮像手段の出力を前記パルス分配手段によって分配されたサンプリングパルスによりサンプリングする複数のサンプリング手段と、
前記サンプリング手段によるサンプリング信号を格納する記憶手段と、
前記記憶手段に格納された複数のサンプリング信号から何れかのサンプリング信号を選択する選択手段と、
前記記憶手段または前記選択手段の出力から前記サンプリングパルスの位相ずれを検出する位相ずれ検出手段と、
前記位相ずれ検出手段の検出結果に応じて前記サンプリングパルスの位相調整を行う調整手段とを備えた撮像装置。
【請求項２】
前記選択手段は、前記複数のサンプリング手段から得られるサンプリング信号を基準信号帯域と画素データ信号帯域とに分け、前記基準信号帯域と前記画素データ信号帯域とにおけるサンプリングポイント間を、時系列またはマトリクスに組み合わせて選択する請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記選択手段は、前記サンプリング手段から得られる出力にランダムノイズがある場合、時系列に隣接する前記サンプリング手段から得られる出力を用いる請求項２記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像手段により被写体を撮像する撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子は高画素化および微細化により画像信号の出力レベルが低くなると、ビデオカメラなどのセット機器に内在する信号ノイズや電源ノイズが相対的に大きくなるため、画像信号のＳ／Ｎ特性が劣化するという課題がある。
【０００３】
このため、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）を行い、かつＣＤＳのサンプリング位相の調整を行うことにより、画像信号のノイズ除去を行う撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
以下、撮像信号のノイズ除去を行う撮像装置について、図４を用いて説明する。
【０００５】
図４より、撮像装置は、パルス発生部５１が発生するクロックに基づいて撮像素子５２を駆動する撮像素子ドライブ部５３と、撮像素子５２の出力にパルス発生部５１からの基準信号付加信号５１ｂを付加する基準信号付加部５４と、サンプリングパルス５１ａの位相を調整した位相調整サンプリングパルス５７ａにより撮像素子出力の雑音を除去する撮像素子出力雑音除去部５５と、撮像素子出力雑音除去部５５の出力からサンプリングパルス５１ａの位相ずれを検出しサンプリングパルス位相調整信号５６ａを発生するサンプリング位相ずれ検出部５６と、サンプリング位相ずれ検出部５６の検出結果に応じてサンプリングパルス５１ａの位相を調整し位相調整サンプリングパルス５７ａを出力するサンプリングパルス位相調整部５７とを備えている。
【０００６】
図５（ａ）に画像信号のサンプリングを行うための回路として、相関二重サンプリング法（ＣＤＳ法）を実現する回路例を示す。同様に、図５（ｂ）に遅延差雑音除去法（ＤＤＳ法）を実現する回路例を示す。さらに図５（ｃ）に積分型遅延差雑音除去法（ＩＤＤＳ法）を実現する回路例を示す。
【０００７】
この構成により自動的にサンプリングパルスの位相の調整とノイズ除去とが行われる。
【特許文献１】特開平６−２５３２１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術に示された撮像装置は、画像を読み出す際に外来ノイズであるランダムノイズが発生すると、そのランダムノイズを除去できず、画像が乱れるという課題を有していた。
【０００９】
そこで、上記課題に鑑み、本発明は、ランダムノイズによる画像の歪みを除去してＳ／Ｎ特性を向上させることの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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、被写体を撮像する撮像手段と、撮像手段を駆動する駆動手段と、撮像手段の出力をサンプリングするためのサンプリングパルスを生成するパルス生成手段と、サンプリングパルスを分配するパルス分配手段と、撮像手段の出力をパルス分配手段によって分配されたサンプリングパルスによりサンプリングする複数のサンプリング手段と、サンプリング手段によるサンプリング信号を格納する記憶手段と、記憶手段に格納された複数のサンプリング信号から何れかのサンプリング信号を選択する選択手段と、記憶手段または信号選択手段の出力からサンプリングパルスの位相ずれを検出する位相ずれ検出手段と、位相ずれ検出手段の検出結果に応じてサンプリングパルスの位相調整を行う調整手段とを備えている。
【００１１】
上記の選択手段は、複数のサンプリング手段から得られるサンプリング信号を基準信号帯域と画素データ信号帯域とに分け、基準信号帯域と画素データ信号帯域とにおけるサンプリングポイント間を、時系列またはマトリクスに組み合わせて選択することが好ましい。
【００１２】
また、選択手段は、サンプリング手段から得られる出力にランダムノイズがある場合、時系列に隣接するサンプリング手段から得られる出力を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る撮像装置は、ランダムノイズによる画像の歪みを除去してＳ／Ｎ精度劣化を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係る撮像装置について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態１に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。また、図２（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る撮像装置におけるサンプリングポイントを示した撮像素子からのセンサ出力信号の波形図であり、図２（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、本実施の形態の撮像装置で用いられる各種パルスを示したタイミング図である。同図（ｂ）はパルス発生部２３から出力されるパルス信号を示し、同図（ｃ）は位相調整部２０による位相調整後のパルス信号を示し、同図（ｄ）はパルス信号分配部２２から出力される分配後のパルス信号を示している。
【００１６】
図１に示すように、発振器７からの基準クロックにより、パルス発生部２３で各種パルスを発生する。
【００１７】
そのパルスの一部が駆動部１に送られ、駆動部１ではそのパルスを撮像素子駆動用パルスに変換して撮像素子２に送り、撮像素子２を駆動する。
【００１８】
パルス信号調整部２１は、位相調整部２０とパルス信号分配部２２とを備えている。
【００１９】
位相調整部２０は、パルス発生部２３で発生した、図２（ｂ）に示すような、パルス信号１３を、信号処理部２５から送られた位相調整パラメータ（位相調整信号）２７を受けて、図２（ｃ）に示すように位相の調整を行い、パルス信号２８を出力する。
【００２０】
上記の位相調整部２０は、信号処理部２５から渡された位相調整パラメータ２７を元に全てのサンプリングパルスの基準位相を管理する。この基準位相を基準として、時系列、マトリクスのサンプリングを行う。基準信号部と画素データ信号部からなる１波形におけるサンプリングポイントのそれぞれの間隔は等間隔ではなく、位相調整部２０が作る基準位相によって変動する間隔になる。
【００２１】
また、図２（ｄ）に示すように、パルス信号分配部２２ではパルス信号２８を分配して、複数の信号サンプリング部３ａ〜３ｎを備えたサンプリングブロック３にパルス信号１４を送る。パルス信号１４は、各信号サンプリング部３ａ〜３ｎへ供給されるパルス信号１４ａ〜１４ｎからなる。このパルス信号１４ａ〜１４ｎによって、例えば各信号サンプリング部３ａ〜３ｎが基準信号部の３つのポイントＢａ，Ｂｂ，Ｂｃと画素データ信号部の３つのポイントＰａ，Ｐｂ，Ｐｃでサンプリングを行う。
【００２２】
なお、本実施の形態では、パルス信号調整部２１はパルス発生部２３から発生したパルス信号１３を位相調整してパルス信号２８を得た後に、パルス信号分配部２２でパルス信号２８を分配している。しかし、その他のパルス信号調整方法として、パルス信号１３を分配した後に、分配されたパルス信号を個別に位相調整しても良い。
【００２３】
次に、サンプリングブロック３は、パルス信号調整部２１から出力された複数のパルス信号１４ａ〜１４ｎに対峙するように複数の信号サンプリング部３ａ〜３ｎがあり、それぞれ信号サンプリング部３ａ〜３ｎはサンプリングを行う。
【００２４】
具体的には、パルス信号１４ａは信号サンプリング部３ａに送られ、パルス信号１４ｂは信号サンプリング部３ｂに送られ、パルス信号１４ｎは信号サンプリング部３ｎに送られる。
【００２５】
さらに、パルス信号１４ａ〜１４ｎを受けた夫々の信号サンプリング部３ａ〜３ｎは、撮像素子２から出力した画像信号１１に対して夫々サンプリングを行う。
【００２６】
具体的には、信号サンプリング部３ａはサンプリング信号１５ａを、信号サンプリング部３ｂはサンプリング信号１５ｂを、信号サンプリング部３ｎはサンプリング信号１５ｎを、それぞれサンプリング信号１５として出力する。
【００２７】
各信号サンプリング部３ａ〜３ｎは、その構成によって、基準信号と画素データ信号とを交互にサンプリングしてもよいし、基準信号のみ、画素データ信号のみと役割分担してよいし、どのように構成してもよい。要は、基準信号部の３つのポイントＢａ，Ｂｂ，Ｂｃと画素データ信号部の３つのポイントＰａ，Ｐｂ，Ｐｃでサンプリングを行えればよい。
【００２８】
次に、信号処理部２５はサンプリングメモリ４と信号選択部２６とを備えている。
【００２９】
サンプリングメモリ４は、それぞれの信号サンプリング部３ａ〜３ｎでサンプリングした結果得られたサンプリング信号１５を記憶する。
【００３０】
具体的には、信号サンプリング部３ａでサンプリングして得たサンプリング信号１５ａ、信号サンプリング部３ｂでサンプリングして得たサンプリング信号１５ｂ、信号サンプリング３ｎでサンプリングして得たサンプリング信号１５ｎは、すべてサンプリングメモリ４に記憶される。
【００３１】
また、信号選択部２６はサンプリングブロック３により集められた、つまりサンプリングメモリ４から読み出されたサンプリング信号（基準信号および画素データ信号）１６を受けて、ノイズを含まない任意の基準信号および画素データ信号を選択し、その選択信号１７を信号変換部６に送る。
【００３２】
ここで、上記サンプリング部では、相関二重サンプリングの差分出力までは行わず、相関二重サンプリングのための基準信号と画素データ信号とを別々に出力する。一般に言う、相関二重サンプリングという動作は信号選択部２６で初めて成立する。信号選択部２５は、ソフトウェア制御のＣＰＵで実現されるが、理論的にはハードウェア構成およびソフトウェア構成のどちらでもよい。
【００３３】
また、信号処理部２５は位相の遅延量を決めるための位相調整パラメータ２７をパルス信号調整部２１に送る。上記の位相調整パラメータ２７は、基準位相を調整する値であり、例えば、１秒位相をずらす場合には１秒に値する変数、クロック数、実数となる。
【００３４】
ここで、信号処理部２５による位相ずれ検出機能について説明する。信号処理部２５では、基準信号部と画素データ信号部とが一対で構成される１波形に対して複数のポイントでＣＤＳを行う場合において、それぞれのＣＤＳ出力を比較し、位相を微調整してゆくことで複数ポイントにおけるＣＤＳ出力の差がない位相を見つける。つまり、１波形にノイズによる歪が定常的に発生していた場合、明らかにその歪んでいるポイントでのＣＤＳ出力は本来の出力とはかけ離れてしまう。それは他のポイントでのＣＤＳ出力と比較することで判断することができ、かけ離れたＣＤＳ出力は不要であるので、位相をずらし、できるだけ、それぞれのＣＤＳ出力が同じ値になるように位相を調整する。これにより、外来などのランダムノイズに代表される突発のノイズによって１波形の一部が破壊された場合でも、その破壊された以外のＣＤＳ出力を代わりとして選択できる幅が広がることになり、回避できる可能性が高くなる。
【００３５】
さらに、選択信号１７を受けた信号変換部６で画像データ１８に変換した後、後段に出力する。
【００３６】
なお、信号選択部２６はあくまでサンプリングメモリ４に格納された各信号サンプリング部３ａ〜３ｎの出力を比較して、最適な基準位相を選択するものであり、これは時系列またはマトリクスの組み合わせを行わせる基準ともなるものである。つまり、信号選択部２６がサンプリングブロック３を制御し、その結果を選択するというものになり、サンプリングブロック３は単に与えられた作業をするブロックとなる。
【００３７】
なお、本実施の形態では信号サンプリング部３ａ〜３ｎの数は３個（あるいは６個）であるが、これに限定されるものではなく、それ以上の多くの信号サンプリング部３ａ〜３ｎを備えていることが望ましい。
【００３８】
その場合、信号サンプリング部３ａ〜３ｎの増加に合わせ、パルス信号１３を分配する。
【００３９】
次に、信号選択部２６で行うサンプリング信号（サンプリングデータ）１６の選択方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、本実施の形態では、例えば画像信号（センサ出力）１１の基準信号部ではＢａ、Ｂｂ、Ｂｃの３ポイントのサンプリングを行い、また画素データ信号部ではＰａ、Ｐｂ、Ｐｃの３ポイントのサンプリングを行うものとする。
【００４１】
このとき、外来ノイズ等のランダムノイズの影響を受けるのは、通常、基準信号部と画素データ信号部とで差分をとる一組のサンプリングポイントのうち、片側のサンプリングデータがノイズによって歪められた場合である。
【００４２】
ここで、３ポイントサンプリングで対応できるノイズについて説明する。基準信号部と画素データ信号部からなる１波形全体を歪ましてしまうような大きなノイズがのってしまった場合、１波形全体が歪んでしまっているので、サンプリングすべきポイントが存在しないことになる。図３ではこのような１波形そのものを破壊してしまうノイズがあった場合に、その前後で１波形単位で取捨選択するというものである。図２では１波形の基準信号部および画素データ信号部を全て破壊しない程度の小さなノイズがあった場合、他ポイントでのサンプリングによって、そのノイズによる歪みを取捨選択できる。
【００４３】
そこで、図２（ａ）のように、複数対（３対以上）のサンプリングを行うと、サンプリングの取捨選択によって、そのような信号の歪みによるデータの破壊を回避することができる。
【００４４】
第１の方法は時系列の差動信号の組み合わせを用い、具体的には（Ｂａ−Ｐａ）、（Ｂｂ−Ｐｂ）、（Ｂｃ−Ｐｃ）の組み合わせでサンプリングを行う。ここで、時系列の組み合わせのサンプリング動作について説明する。すなわち、位相調整部２０からサンプリングポイントＢａ，Ｂｂ，Ｂｃ，Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃに応じた基準パルスをパルス信号分配部２２がそれぞれ信号サンプリング部３ａ〜３ｎへ分配し、各信号サンプリング部３ａ〜３ｎは基準パルスを受ける毎に、基準信号および画素データ信号のサンプリングを行う。サンプリングされた基準信号および画素データ信号はサンプリングメモリ４に格納され、格納された値を信号選択部２６が取捨選択、組み合わせを行い、任意の基準信号と画素データ信号の差分をとる。
【００４５】
この３組のサンプリングポイントの位相を３組それぞれの差動出力が等しくなるように取るならば、この３組のどれかに信号の歪みによるデータ破壊が発生したことを、３組の差動出力を相互に比較することによって判断することができる。すなわち、サンプリングブロック３でサンプリングされた基準信号と画素データ信号の差分を信号選択部２６がとり、各差分の値を比較し、大きく異なっているものは除き、多く偏っている値を取捨選択する。つまり、差分を取った値のうち、大きく異なっているものはイレギュラーとして扱い、全体への影響を除去する。
【００４６】
また、第２の方法はマトリクスによる差動信号の組み合わせを用い、具体的には（Ｂａ−Ｐａ）、（Ｂａ−Ｐｂ）、（Ｂａ−Ｐｃ）、（Ｂｂ−Ｐａ）、（Ｂｂ−Ｐｂ）、（Ｂｂ−Ｐｃ）、（Ｂｃ−Ｐａ）、（Ｂｃ−Ｐｂ）、（Ｂｃ−Ｐｃ）の組み合わせでサンプリングを行う。
【００４７】
第２の方法は基準信号部と画素データ出力部との３ポイント×３ポイントのマトリクス状の組み合わせをとるものであり、３組、６ポイントのサンプリングポイントの情報を取捨選択することで、より安定した差動出力を得ることができる。この構成においても、基本的に信号サンプリング部３ａ〜３ｎはパルス信号分配部２２からの基準パルスに従って、基準信号および画素データ信号のサンプリングを行い、サンプリングメモリ４に格納するだけのものになる。その後、マトリクス状の組み合わせを行うのは信号選択部２６であり、これは時系列の場合と同じである。
【００４８】
次に、前後の波形と比べることで、各サンプリングポイント間の相関を求め、データ破壊が発生したことを判断する方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図３は、それぞれの差動出力が等しくなるようにサンプリングポイントを取れない場合のサンプリングポイントの補正方法を示している。これは、上述したように、サンプリングするポイントがないくらい大きな歪みが１波形に発生した場合と適用される。
【００５０】
この場合は、撮像素子からのセンサ出力信号において、基準信号部と画素データ信号部の波形を、その前後の基準信号部と画素データ信号部の波形と比べることで、各サンプリングポイント間の相関を求める。この構成では、１波形に対してではなく、１波形を１単位として、その前後の１波形を視野に入れる。つまり、前後波形を参照して、問題波形のサンプリングを補完する。
【００５１】
例えば、画素データ信号部でサンプリングしたデータＰ１Ａ、Ｐ１Ｂ、Ｐ１Ｃでは、特にデータＰ１Ｂにランダムノイズによる大きな信号の歪みがあるとする。
【００５２】
この場合は、隣接する６ポイント（基準信号部の３ポイントと画素データ信号部の３ポイント）のサンプリングポイント全てが影響を受けるため、上述した時系列やマトリクス状のサンプリングポイントの組み合わせでは対処できない。
【００５３】
そこで、前後の基準信号部と画素データ信号部の値を用いて置き換えると、ランダムノイズの影響を除去することができる。具体的には、（データＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃ）の代わりに（データＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃ）、または（データＰ３ａ、Ｐ３ｂ、Ｐ３ｃ）を置き換える。この処理は、信号選択部２６で行う。
【００５４】
この方法により、信号選択部２６内で外来ノイズによるランダムノイズの発生を確認できるとともに、ランダムノイズの影響による画像信号１１のＳ／Ｎ精度劣化を防ぐことができる。
【００５５】
なお、本発明の実施の形態に係る撮像装置は、信号サンプリング部はＣＤＳ法を用いたが、これに限らず遅延差雑音除去（ＤＤＳ法）、積分型遅延差雑音除去（ＩＤＤＳ法）等を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る撮像装置は、外来ノイズによるランダムノイズの発生を確認できるとともに、ランダムノイズの影響による画像信号のＳ／Ｎ精度劣化を防ぐことができ、高画質や小型化が求められる撮像装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施の形態に係る撮像装置を用いたサンプリングポイントを示した図であり、（ｂ），（ｃ），（ｄ）はサンプリングに用いるパルスのタイミング図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る撮像装置を用いたサンプリングポイントを示した図である。
【図４】先行技術による撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図５】サンプリング回路の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  駆動部
２  撮像素子
３  サンプリングブロック
４  サンプリングメモリ
６  信号変換部
７  発振器
１１  画像信号
１３  パルス信号
１４  パルス信号
１５  サンプリング信号
１６  サンプリング信号
１７  選択信号
１８  画像データ
２１  パルス信号調整部
２０  位相調整部
２２  パルス信号分配部
２３  パルス発生部
２６  信号選択部
２７  位相調整パラメータ
３ａ〜３ｎ  信号サンプリング部
【図１】
2007028116.tif 000003
【図２】
2007028116.tif 000004
【図３】
2007028116.tif 000005
【図４】
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【図５】
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