(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＣＤ撮像素子と、前記ＣＣＤ撮像素子に光学像を結ぶレンズと、前記ＣＣＤ撮像素子に入力される前記光学像を所定期間遮光させる機械式シャッターと、前記機械式シャッターと前記ＣＣＤ撮像素子との間の前記光学像を遮断しない位置に白色の参照光源を設けた固体撮像装置において、
前記機械式シャッターにより前記光学像を遮光している期間内に前記参照光源から発光された光量を前記ＣＣＤ撮像素子により光電荷信号に変換し、変換された光電荷信号を所定画素数分蓄積して所定の基準信号レベルになるまで加算積分する加算積分手段とを有し、
更に前記加算積分手段における加算積分回数を制御して前記基準信号レベルを制御する加算積分回数制御部を有することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項２】
前記ＣＣＤ撮像素子からの出力信号を増幅するためのアンプと、前記アンプにより増幅された出力信号をアナログからディジタルに変換するＡＤコンバータと、前記ＣＣＤ撮像素子、前記アンプ、及び前記ＡＤコンバータにおける非直線性を補正するためのルックアップテーブルとを含むアナログ信号処理回路を有し、
前記ルックアップテーブルは、前記加算積分回数と、前記加算積分回数に対応した前記非直線性を補正するデータが蓄積されていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記ＣＣＤ撮像素子は、
前記光学像を受光して電気信号に変換する受光領域部と、前記受光領域部により電気信号に変換された信号を蓄積する複数のラインからなる蓄積部とを有し、
前記受光領域部は、前記受光領域部内のＣＣＤ電荷転送路により前記光電荷信号を前記蓄積部に転送するよう動作し、前記蓄積部内のＣＣＤ電荷転送路は、前記受光領域部から電荷が流入するように各電極をバイアスした状態で停止させておくことにより、前記受光領域部で受光した光電荷信号を、前記受光領域部に隣接した前記蓄積部のラインに加算積分することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体撮像装置に関するものであり、特に、撮像素子から映像信号処理回路までの信号処理回路の特性を調整するための基準信号レベルを得ることができる固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子から得られる映像信号の黒レベルを調整する方法として、撮像素子の受光面の一部を遮光して、光学的黒（オプティカルブラック）と呼ばれる黒レベルの基準を出力する部分を設け、ＣＣＤ撮像素子の後段の信号処理回路において、映像信号における黒レベルをその基準黒レベル信号にフレーム毎、又は水平ライン毎に自動的に調整するオートブラック回路が用いられている。
【０００３】
また、ＣＣＤ撮像素子から得られる映像信号の白レベルを調整する方法に関しては、撮影開始時に撮影条件下で基準となる白色紙を撮影することにより、その映像信号レベルが白色になるよう各色チャンネルのゲインを調整するオートホワイト回路が用いられている。
なお、ゲインとは増幅器の振幅利得であり、入力に対する出力の割合である。
【０００４】
しかしながら、前述したような白レベルの調整方法では、撮影開始時には白色レベルを調整することができるが、オートブラック回路のように映像を撮影中の回路特性の変動には対応することができない。
【０００５】
そこで、映像信号回路のゲインを、映像を撮影中に調整することができる方法として、白色参照光を用いる方法が考案されている（特願２００１−１８９９１５）。
【０００６】
この方法は、機械式シャッターを持つ撮像装置において、撮像素子が遮光されているブランキング期間に基準となる白色光を点灯させ、その光が光電変換された映像信号レベルに基づいて信号処理回路のゲインを調整するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の白色参照光を用いる方法では、撮像素子が映像の光学像を光電変換している有効映像期間に対して、機械式シャッターにより撮像素子が遮光されているブランキング期間は１０％程度であるため、光学像と同程度の基準信号レベルを得ようとすると、参照光のレベルを入射光に対して１０倍、又はそれ以上の明るさが必要となってしまう。
【０００８】
また、実際には、ブランキング期間に参照光の発光、信号電荷の転送、及び、余分な信号電荷の除去等の処理が必要となる。そのため、参照光の発光期間はブランキング期間よりも更に短くなるため、参照光は入射光に対して１００倍程度の強い光源が必要となり小型で簡単に実現するのは困難となる。
【０００９】
また、上述の参照光を用いる方法では、撮像素子内のアンプも含めた映像信号回路のゲインのみしか、調整することができず、増幅回路の直線性等の重要な特性について補正することができる基準信号を得ることはできない。
【００１０】
本発明は上述した点に鑑みなされたもので、撮像素子から映像信号処理回路までの信号処理回路の特性を調整するための基準信号レベルを得ることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本件発明は、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【００１２】
請求項１に記載された発明は、ＣＣＤ撮像素子と、前記ＣＣＤ撮像素子に光学像を結ぶレンズと、前記ＣＣＤ撮像素子に入力される前記光学像を所定期間遮光させる機械式シャッターと、前記機械式シャッターと前記ＣＣＤ撮像素子との間の前記光学像を遮断しない位置に白色の参照光源を設けた固体撮像装置において、前記機械式シャッターにより前記光学像を遮光している期間内に前記参照光源から発光された光量を前記ＣＣＤ撮像素子により光電荷信号に変換し、変換された光電荷信号を蓄積して所定の基準信号レベルになるまで加算積分する加算積分手段とを有し、更に前記加算積分手段における加算積分回数を制御して前記基準信号レベルを制御する加算積分回数制御部を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、参照光源として必要な光量を少なくさせることができ、また、固体撮像装置を小型化させることができる。また、加算積分回数を制御することにより、映像を撮影中の回路特性の変動においても、常時最適な白色基準信号レベルを生成することができる。
【００１６】
請求項２に記載された発明は、前記ＣＣＤ撮像素子からの出力信号を増幅するためのアンプと、前記アンプにより増幅された出力信号をアナログからディジタルに変換するＡＤコンバータと、前記ＣＣＤ撮像素子、前記アンプ、及び前記ＡＤコンバータにおける非直線性を補正するためのルックアップテーブルとを含むアナログ信号処理回路を有し、前記ルックアップテーブルは、前記加算積分回数と、前記加算積分回数に対応した前記非直線性を補正するデータが蓄積されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明によれば、前記固体撮像装置は、前記ルックアップテーブルを用いてＣＣＤ撮像素子、アンプ、ＡＤコンバータ等のアナログ素子の非直線性を補正することができる。
【００１８】
請求項３に記載された発明は、前記ＣＣＤ撮像素子は、前記光学像を受光して電気信号に変換する受光領域部と、前記受光領域部により電気信号に変換された信号を蓄積する複数のラインからなる蓄積部とを有し、前記受光領域部は、前記受光領域部内のＣＣＤ電荷転送路により前記光電荷信号を前記蓄積部に転送するよう動作し、前記蓄積部内のＣＣＤ電荷転送路は、前記受光領域部から電荷が流入するように各電極をバイアスした状態で停止させておくことにより、前記受光領域部で受光した光電荷信号を、前記受光領域部に隣接した前記蓄積部のラインに加算積分することを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、前記固体撮像装置は、前記ＣＣＤ電荷転送路の転送段数により基準信号レベルを制御することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は白色光を用いた基準信号発生回路を備えた撮像装置において、撮像素子内で基準信号電荷を加算積分することにより、基準白色光の発光時間が短い場合にもＳＮ比（信号対雑音比）のよい基準信号レベルを得ることができ、また、加算積分回数を制御することにより、所定の基準信号レベルを生成し、前記基準信号レベルの積分回数と、出力信号レベルとを対応付けすることで撮像装置における非直線性を補正することができる固体撮像装置を提供することを主眼とする。
【００２１】
更にいえば、上述した機械式シャッターを持つ撮像装置において、前記機械式シャッターがＣＣＤ撮像素子を遮光している期間に基準白色光源を発光させ、その後、ＣＣＤ内部にて参照光によって得られる光電荷信号を加算し、信号レベルを増加させることにより光量の小さい参照光源を用いることができるようにしたことと、光電荷信号の加算回数を制御することにより、黒レベルから白レベルまでの任意の信号レベル（灰色レベル）の基準信号を出力することができるようにしたことを特徴とするものである。
【００２２】
次に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２３】
＜実施例1＞
図１は、本発明における固体撮像装置の構成例を示す図である。
【００２４】
図１の固体撮像装置１０は、撮影レンズ１１と、ＣＣＤ撮像素子１２と、機械式シャッター１３と、基準白色光源１４と、タイミング発生回路１５と、信号処理回路１６とを備えるように構成されている。
【００２５】
撮影レンズ１１は被写体の映像から光学像を生成し、ＣＣＤ撮像素子１２は前記光学像を光電変換する。機械式シャッター１３はＣＣＤ撮像素子１２に入力される前記光学像を一定期間毎に遮光する。基準白色光源１４は機械式シャッター１３と、ＣＣＤ撮像素子１２との間の光学像を遮断しない位置に設置されている。また、タイミング回路１５は、ＣＣＤ撮像素子１２、機械式シャッター１３、基準白色光源１４の動作を制御する信号を生成し、夫々に同期信号を送る。これにより、基準白色光源１４は機械式シャッター１３の遮光期間中に点灯させることができる。また、信号処理回路１６はＣＣＤ撮像素子１２からの出力信号を処理する。
【００２６】
次に、本発明で利用する撮像素子の構成例を図を用いて説明する。
【００２７】
図２は、本発明におけるＣＣＤ撮像素子の構成例の図である。
【００２８】
図２のＣＣＤ撮像素子１２は、受光領域２１と、蓄積部２２と、水平電荷転送ＣＣＤ２３と、出力アンプ２４とを備えるように構成されている。
【００２９】
受光領域２１は撮影レンズ１１からの光学像を受光し、電気信号に変換する。蓄積部２２は受光領域２１で電気信号に変換された信号を一時的に蓄積する。また、水平電荷転送ＣＣＤ２３は配列されたＣＣＤの各蓄積部２２に蓄えられた信号を１ラインずつ読み出し、出力アンプ２４で電荷信号を増幅し信号出力端子から出力する。
【００３０】
ここで、本発明で利用するパルス端子として、受光領域２１の垂直電荷転送ＣＣＤに加える駆動パルス端子（ΦI１〜ΦI４）、及び蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤを駆動するパルス端子（ΦS１〜ΦS４）がある。
【００３１】
図３に、上述した垂直電荷転送ＣＣＤの駆動タイミングの一例を示す。
【００３２】
通常、受光領域２１の光電変換信号を撮像素子の蓄積部２２に転送する場合、図３（ａ）に示すように受光領域２１の垂直電荷転送ＣＣＤと、蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤとを、同時に４相パルスで駆動させる。
【００３３】
一方、白色参照光による光電荷信号を、受光領域２１に隣接した蓄積部２２の最終ラインである第ｎラインに加算積分する場合には、図３（ｂ）に示すように蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤに加えるパルス（ΦS１〜ΦS４）は、一定のＤＣレベルとし、受光領域２１の垂直電荷転送ＣＣＤ用パルス（ΦI１〜ΦI４）は、加算積分したい段数分駆動させる。
【００３４】
蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤ用パルス（ΦS１〜ΦS４）は、信号電荷が蓄積部２２の第ｎラインに入りやすいようにし、また、蓄積部２２の各画素の信号電荷が混じり合わないようにする。例えば、図３ではΦS１〜ΦS３をＨレベルとしΦS４をＬレベルに固定している。
【００３５】
ここで、白色基準信号電荷が蓄積部の第ｎラインに加算積分される様子を図を用いて説明する。
【００３６】
図４は、白色基準信号電荷が蓄積部の第ｎラインに加算積分される一例の図である。
【００３７】
図４では、説明を容易にするために第１ライン（段数１）のみを加算転送した場合を示す。受光領域２１に存在する基準信号電荷は、蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤのパルス（ΦS１〜ΦS４）を図３（ｂ）のように固定し、受光領域２１の垂直電荷転送ＣＣＤ（ΦI１〜ΦI４）を駆動させることにより、蓄積部２２の方向に転送され、蓄積部２２の第ｎラインに加算積分される（図４（ａ）〜（ｅ））。
【００３８】
また、このとき蓄積部２２に存在する電荷は、蓄積部２２に加える垂直電荷転送ＣＣＤ用パルスがＤＣレベルに固定されているため、ΦS４が加えられる電極下が障壁となって、画素毎に電荷信号が分離・蓄積された状態を維持することができる。
【００３９】
ここで、図５に本発明における各パルスの駆動タイミングを示す。
【００４０】
機械式シャッター１３により遮光された垂直ブランキング期間５１において、映像有効期間に受光領域２１で光電変換された映像信号電荷は垂直ブランキング期間５１内に受光領域２１の垂直電荷転送ＣＣＤと、蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤとが同時に駆動する映像信号電荷転送期間中に、蓄積部２２へ転送される。
【００４１】
次に、基準白色光源１４から基準白色光を制御パルスΦlｔのタイミングによって、ある所定の期間（基準白色光発光期間：△ｔ）発光させる。このとき、受光領域２１の各画素には基準白色光の発光強度Ｗと発光時間△ｔに比例した光電荷が生成され蓄積される。
【００４２】
次に、図３で示したように、蓄積部２２の垂直電荷転送ＣＣＤのバイアスを固定し、受光領域２１の垂直電荷転送ＣＣＤを、基準電荷信号を加算積分する間（基準光電荷信号加算積分期間５３）、段数ｎ分駆動する。上述の方法により、図３、図４を用いて説明したように受光領域２１に隣接する蓄積部２２の最後の1ライン分の画素内に、ｎ画素分の基準電荷信号が加算積分される。
【００４３】
このときの加算積分電荷量Ｑは、比例定数Ｋを用いて、以下の式（１）と表せる。
【００４４】
Ｑ＝Ｋｎ×Ｗ×△ｔ    ・・・（1）
一般に、動画像を撮影しながら基準信号を得ようとした場合、発光時間△ｔは非常に短い時間となるため、白色基準信号の発光強度Ｗを大きくする必要がある。しかしながら、本発明を利用することにより白色基準信号の発光強度Ｗを大きくしなくても、転送段数ｎを増やすことによって、所望のレベルの基準信号を得ることができる。
【００４５】
最後に、電子シャッターパルスΦshtを用いて電子シャッターを動作させ、受光領域２１に残る基準白色信号により発生した電荷を除去することにより、受光領域２１の各画素はリセットされ、次の映像有効期間には、新たに映像信号を光電変換して蓄積することができる。
【００４６】
一方、蓄積部２２に蓄積された映像信号電荷、及び基準光源電荷は、映像有効期間に１ラインずつ水平電荷転送ＣＣＤ２３に転送され読み出される。
【００４７】
基準光源による信号は、蓄積部２２の最終ラインに加えられるため、図５に示すように素子出力における映像信号の最後に付加されることになる。
【００４８】
＜実施例２＞
次に、ＡＤコンバータやアンプ等のアナログ素子の非直線性を補正するための本発明の実施例を図を用いて説明する。
【００４９】
図６は、本発明における第二の実施例の図である。
【００５０】
図６は、アナログ信号処理回路におけるレベル方向の非直線性を補正するＣＣＤを備えた撮像装置の一例であり、ＣＣＤ撮像素子１２と、タイミング発生回路１５と、アンプ２４と、ＡＤコンバータ６１と、ルックアップテーブル６２とを備えるように構成されている。
【００５１】
図６では、ＣＣＤ撮像素子１２は光学像を光電変換し映像信号を生成する。アンプ２４は出力信号を増幅する。ＡＤコンバータ６１は入力されたアナログ映像信号をディジタル化する。ルックアップテーブル６２には、非直線性を補正するデータが記録されており、タイミング発生回路１５は、上述した白色参照光による基準信号の加算積分回数の制御、及び、前記加算積分回数データをルックアップテーブル回路に伝達する。
【００５２】
式（１）に示すように、本発明における白色光の基準信号レベルは白色光の発光強度Ｗ、発光時間△ｔ、及び加算積分段数ｎに比例する。したがって、白色光の発光強度Ｗ、及び発光時間△ｔを一定にすると、転送段数によって任意の基準信号レベルを得ることができる。
【００５３】
なお、この基準信号レベルは、ＣＣＤ撮像素子１２、アナログアンプ２４、ＡＤコンバータ６２等のアナログ素子の非直線性によって影響を受けるが、ルックアップテーブル６２上にディジタルデータと加算積分回数ｎとの対応関係を予め記録しておくことにより、基準信号レベルを生成時にルックアップテーブルを参照してアナログ回路の非直線性を補正することができる。
【００５４】
なお、ルックアップテーブル６２のデータは映像を撮影中でも変更することが可能であり、垂直ブランキング毎に1レベルずつ更新することができる。例として、８ビットのデータ幅であれば、通常のテレビレートで動作させた場合、５秒弱で全てのデータを更新することができる。
【００５５】
したがって、温度変動や時間変化に対する特性の変化に対しても柔軟に対応することが可能な固体撮像装置を提供することができる。
【００５６】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、ＣＣＤ撮像素子から映像信号処理回路までの信号処理回路の特性を自動的に調整するための白色基準信号レベルを有する撮像装置において、所望の基準信号レベルを得ることができる固体撮像装置を提供することができる。
【００５７】
また、白色参照光を有する撮像素子において、白色光源の光量を小さくすることができ、小型で簡易な装置で実現することができる。
【００５８】
また、黒レベルと白レベルの基準信号を生成できるだけでなく、中間のレベルにおいても基準信号を生成することができるため、映像信号処理回路のゲインだけでなく、アナログ素子の非直線性を補正することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における固体撮像装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明におけるＣＣＤ撮像素子の構成例の図である。
【図３】垂直電荷転送ＣＣＤの駆動タイミングの一例を示す図である。
【図４】白色基準信号電荷が蓄積部の第ｎラインに加算積分される一例の図である。
【図５】本発明における各パルスの駆動タイミングを示す図である。
【図６】本発明における第二の実施例の図である。
【符号の説明】
１０  固体撮像装置
１１  撮影レンズ
１２  ＣＣＤ撮像素子
１３  機械式シャッター
１４  基準白色光源
１５  タイミング発生回路
１６  信号処理回路
２１  受光領域
２２  蓄積部
２３  水平電荷転送ＣＣＤ
２４  出力アンプ
６１  ＡＤコンバータ
６２  ルックアップテーブル
【図１】
0004011890.tif 000002
【図２】
0004011890.tif 000003
【図３】
0004011890.tif 000004
【図４】
0004011890.tif 000005
【図５】
0004011890.tif 000006
【図６】
0004011890.tif 000007