(57)【要約】【課題】固定パターンノイズを除去するための補正信号を取得するのに好適な撮影装置を提供する。【解決手段】撮影装置を、基板上に配置され、入射光量に応じた電荷を蓄積する光電変換部と、蓄積された電荷を垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部によって転送された電荷を水平方向に転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部を駆動し、転送された電荷に基づいて画像信号を生成する画像信号生成手段と、垂直転送部を駆動せず、水平転送部を駆動し、転送された電荷に基づいて補正信号を生成する補正信号生成手段と、画像信号を、補正信号を用いて補正する画像信号処理手段と、基板と光電変換部との間の電位障壁の高さを変更する基板側電位変更手段とから構成する。この構成において、補正信号が生成されている間、基板と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも低くする。【選択図】図６
2017076697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置され、入射した光の光量に応じた電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を、前記基板上の垂直方向に転送する少なくとも一つの垂直転送部と、
前記垂直転送部によって転送された電荷を、前記基板上の前記垂直方向と直交する水平方向に転送する水平転送部と、
前記垂直転送部及び前記水平転送部を駆動し、前記光電変換部に蓄積され、該垂直転送部及び該水平転送部によって転送された電荷に基づいて被写体の画像信号を生成する画像信号生成手段と、
前記垂直転送部を駆動せず、前記水平転送部を駆動し、該水平転送部によって転送された電荷に基づいて補正信号を生成する補正信号生成手段と、
前記画像信号を、前記補正信号を用いて補正する画像信号処理手段と、
前記基板と前記光電変換部との間の電位障壁の高さを変更する基板側電位変更手段と、を備え、
前記基板側電位変更手段は、前記補正信号生成手段が前記補正信号を生成している間、前記基板と前記光電変換部との間の電位障壁を、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときよりも低く設定する、
撮影装置。
【請求項２】
前記基板側電位変更手段は、前記画像信号生成手段が前記画像信号を生成するときに、
前記基板と前記光電変換部との間の電位障壁を、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときよりも低く設定し、該光電変換部に蓄積された電荷を前記基板上に移動させる電荷排出処理と、
前記電荷排出処理の実行後に、前記基板と前記光電変換部との間の電位障壁の高さを、該電荷排出処理の実行前の高さに戻す電位障壁復元処理と、を実行する、
請求項１に記載の撮影装置。
【請求項３】
前記垂直転送部と前記光電変換部との間の電位障壁の高さを変更する垂直転送部側電位変更手段を更に備え、
前記垂直転送部側電位変更手段は、前記補正信号生成手段が前記補正信号を生成している間、前記垂直転送部と前記光電変換部との間の電位障壁の高さを、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときの高さ以上に設定する、
請求項１又は請求項２に記載の撮影装置。
【請求項４】
前記垂直転送部側電位変更手段は、前記画像信号生成手段が前記画像信号を生成するときに、前記垂直転送部と前記光電変換部との間の電位障壁を、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときよりも低く設定し、該光電変換部に蓄積された電荷を該垂直転送部に移動させる、
請求項３に記載の撮影装置。
【請求項５】
前記補正信号生成手段は、前記補正信号を生成する前に、前記垂直転送部及び前記水平転送部を駆動し、該垂直転送部及び該水平転送部に含まれる電荷を排出する垂直水平空転送処理を実行し、
前記垂直転送部側電位変更手段は、前記補正信号生成手段が前記垂直水平空転送処理を実行している間、前記垂直転送部と前記光電変換部との間の電位障壁の高さを、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときの高さ以上に設定する、
請求項３又は請求項４に記載の撮影装置。
【請求項６】
前記基板側電位変更手段は、前記補正信号生成手段が前記垂直水平空転送処理を実行している間、前記基板と前記光電変換部との間の電位障壁を、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときよりも低く設定する、
請求項５に記載の撮影装置。
【請求項７】
前記補正信号生成手段は、前記補正信号を生成する前に、前記垂直転送部を駆動せず、前記水平転送部を駆動し、該水平転送部に含まれる電荷を排出する水平空転送処理を実行する、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の撮影装置。
【請求項８】
前記基板側電位変更手段は、前記補正信号生成手段が前記水平空転送処理を実行している間、前記基板と前記光電変換部との間の電位障壁を、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときよりも低く設定する、
請求項７に記載の撮影装置。
【請求項９】
基板上に配置され、入射した光の光量に応じた電荷を蓄積する光電変換部と、
前記光電変換部に蓄積された電荷を、前記基板上の垂直方向に転送する垂直転送部と、
前記垂直転送部で転送された電荷を、前記基板上の前記垂直方向と直交する水平方向に転送する水平転送部と、
前記垂直転送部及び前記水平転送部を駆動し、前記光電変換部に蓄積され、該垂直転送部及び該水平転送部で転送された電荷に基づいて被写体の画像信号を生成する画像信号生成手段と、
前記垂直転送部を駆動せず、前記水平転送部を駆動し、該水平転送部で転送された電荷に基づいて補正信号を生成する補正信号生成手段と、
前記画像信号を、前記補正信号を用いて補正する画像信号処理手段と、
前記垂直転送部と前記光電変換部との間の電位障壁を変更する垂直転送部側電位変更手段と、を備え、
前記垂直転送部側電位変更手段は、前記補正信号生成手段が前記補正信号を生成している間、前記垂直転送部と前記光電変換部との間の電位障壁を、前記光電変換部が前記電荷を蓄積しているときよりも高く設定する、
撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプの撮影装置に、撮像素子としてＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサが広く使用されている。この種の撮影装置は、一般に、使用者にとって見やすい撮影画像を得るために、画像信号に対してノイズ低減処理や色変換処理などの画像処理を施すよう構成される。
【０００３】
例えば特許文献１に、画像信号に対して撮像素子の固定パターンノイズを除去するノイズ低減処理を施す撮影装置が開示されている。固定パターンノイズは、例えば、撮像素子の基板や撮像素子外の信号処理回路で発生した暗電流が画像信号に重畳することによって生じるノイズである。
【０００４】
特許文献１に記載の撮影装置では、撮像素子は、フォトダイオード、垂直転送ＣＣＤレジスタ、水平転送ＣＣＤレジスタを有している。フォトダイオードに蓄積された電荷は、垂直転送ＣＣＤレジスタと水平転送ＣＣＤレジスタによって転送され、転送された電荷に基づいて画像信号が生成される。また、特許文献１の撮影装置は、垂直転送ＣＣＤレジスタを停止し、水平転送ＣＣＤレジスタのみを駆動して、固定パターンノイズを補正するための補正信号を生成する。補正信号を生成している間、垂直転送ＣＣＤレジスタは停止されているため、フォトダイオードに蓄積された電荷が補正信号に重畳されない。したがって、補正信号には、基板や信号処理回路等で発生した固定パターンノイズの成分のみが含まれることとなり、画像信号と補正信号との差分を取ることにより、撮影画像から固定パターンノイズを除去することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−９１５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の撮影装置では、垂直転送ＣＣＤレジスタを停止することにより、補正信号に各フォトダイオードに蓄積された電荷が重畳しないようにしている。しかしながら、特許文献１のように撮影装置を構成した場合においても、例えば高輝度物体が撮影されたような場合には、撮影画像にスミア等のノイズ成分が現れる場合があった。このことは、以下のように分析される。すなわち、補正信号を生成しているときに、比較的大きい光量の外光が撮像素子に入射されると、フォトダイオードに大量の電荷が発生し、垂直転送ＣＣＤレジスタに漏れ出してしまう。この場合において、垂直転送ＣＣＤレジスタに漏れ出した電荷の量が多いと、たとえ垂直転送ＣＣＤレジスタを停止していたとしても、漏れ出した電荷が垂直転送ＣＣＤレジスタ内を伝搬し、水平転送ＣＣＤレジスタにまで漏れ出すと考えられる。この場合、補正信号に、外光によって発生した電荷が重畳されることになり（すなわち、固定パターンノイズ成分のみを含む補正信号が得られないこととなり）、画像信号を適切に補正することができなくなる。
【０００７】
本発明は上記の事情を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、強い外光が撮像素子に入射している場合においても、固定パターンノイズを除去するための補正信号を取得するのに好適な撮影装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態にかかる撮影装置は、基板上に配置され、入射した光の光量に応じた電荷を蓄積する少なくとも一つの光電変換部と、光電変換部に蓄積された電荷を、基板上の垂直方向に転送する少なくとも一つの垂直転送部と、垂直転送部によって転送された電荷を、基板上の垂直方向と直交する水平方向に転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部を駆動し、光電変換部に蓄積され、垂直転送部及び水平転送部によって転送された電荷に基づいて被写体の画像信号を生成する画像信号生成手段と、垂直転送部を駆動せず、水平転送部を駆動し、水平転送部によって転送された電荷に基づいて補正信号を生成する補正信号生成手段と、画像信号を、補正信号を用いて補正する画像信号処理手段と、基板と光電変換部との間の電位障壁の高さを変更する基板側電位変更手段と、を備える。この構成において、基板側電位変更手段は、補正信号生成手段が補正信号を生成している間、基板と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも低く設定する。
【０００９】
本発明の一実施形態によれば、補正信号を生成している間、基板と光電変換部との間の電位障壁が低く設定される。そのため、外光が入射することによって光電変換部に発生した電荷は、電位障壁を越えて基板に排出される。これにより、光電変換部に発生した電荷が補正信号に重畳することが抑制され、固定パターンノイズ成分のみを含む補正信号を得ることができる。
【００１０】
また、本発明の一実施形態において、基板側電位変更手段は、例えば、画像信号生成手段が画像信号を生成するときに、基板と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも低く設定し、光電変換部に蓄積された電荷を基板上に移動させる電荷排出処理と、電荷排出処理の実行後に、基板と光電変換部との間の電位障壁の高さを、電荷排出処理の実行前の高さに戻す電位障壁復元処理と、を実行する。
【００１１】
また、本発明の一実施形態において、撮影装置は、例えば、垂直転送部と光電変換部との間の電位障壁の高さを変更する垂直転送部側電位変更手段を更に備える。この場合、垂直転送部側電位変更手段は、補正信号生成手段が補正信号を生成している間、垂直転送部と光電変換部との間の電位障壁の高さを、光電変換部が電荷を蓄積しているときの高さ以上に設定する。
【００１２】
また、本発明の一実施形態において、垂直転送部側電位変更手段は、例えば、画像信号生成手段が画像信号を生成するときに、垂直転送部と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも低く設定し、光電変換部に蓄積された電荷を垂直転送部に移動させる。
【００１３】
また、本発明の一実施形態において、補正信号生成手段は、例えば、補正信号を生成する前に、垂直転送部及び水平転送部を駆動し、垂直転送部及び水平転送部に含まれる電荷を排出する垂直水平空転送処理を実行する。また、垂直転送部側電位変更手段は、補正信号生成手段が垂直水平空転送処理を実行している間、垂直転送部と光電変換部との間の電位障壁の高さを、光電変換部が電荷を蓄積しているときの高さ以上に設定する。
【００１４】
また、本発明の一実施形態において、基板側電位変更手段は、例えば、補正信号生成手段が垂直水平空転送処理を実行している間、基板と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも低く設定する。
【００１５】
また、本発明の一実施形態において、補正信号生成手段は、例えば、補正信号を生成する前に、垂直転送部を駆動せず、水平転送部を駆動し、水平転送部に含まれる電荷を排出する水平空転送処理を実行する。
【００１６】
また、本発明の一実施形態において、基板側電位変更手段は、例えば、補正信号生成手段が水平空転送処理を実行している間、基板と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも低く設定する。
【００１７】
また、本発明の一実施形態において、撮影装置は、基板上に配置され、入射した光の光量に応じた電荷を蓄積する光電変換部と、光電変換部に蓄積された電荷を、基板上の垂直方向に転送する垂直転送部と、垂直転送部で転送された電荷を、基板上の垂直方向と直交する水平方向に転送する水平転送部と、垂直転送部及び水平転送部を駆動し、光電変換部に蓄積され、垂直転送部及び水平転送部で転送された電荷に基づいて被写体の画像信号を生成する画像信号生成手段と、垂直転送部を駆動せず、水平転送部を駆動し、水平転送部で転送された電荷に基づいて補正信号を生成する補正信号生成手段と、垂直転送部と光電変換部との間の電位障壁を変更する垂直転送部側電位変更手段と、を備える。この構成において、垂直転送部側電位変更手段は、補正信号生成手段が補正信号を生成している間、垂直転送部と光電変換部との間の電位障壁を、光電変換部が電荷を蓄積しているときよりも高く設定する。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、補正信号を生成している間、基板と垂直転送部との間の電位障壁が高く設定される。そのため、外光が入射することによって光電変換部に発生した電荷が、電位障壁を越えて垂直転送部に漏れ出すことが抑制される。これにより、光電変換部に発生した電荷が補正信号に重畳することが抑制され、固定パターンノイズ成分のみを含む補正信号を得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、固定パターンノイズを除去するための補正信号を取得するのに好適な撮影装置を提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態にかかる電子内視鏡システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる撮像素子の受光部の模式的である。
【図３】本発明の実施形態にかかる撮像素子の断面図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる撮像素子の水平方向における電位障壁の高さ及び電位を示したグラフである。
【図５】本発明の実施形態にかかる撮像素子の上下方向における電位障壁の高さ及び電位を示したグラフである。
【図６】本発明の実施形態にかかる画像信号の生成方法に関する動作フローである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態の撮影装置について図面を参照しながら説明する。以下においては、発明の一実施形態として、内視鏡システムについて説明する。なお、撮影装置は、内視鏡システムに限らず、例えば、デジタルカメラ、ビデオカメラ、携帯端末機器など、撮影機能を有する別の種類の装置に置き換えてもよい。
【００２２】
図１は、本実施形態の電子内視鏡システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、電子内視鏡システム１は、電子スコープ１００、プロセッサ２００及びモニタ３００を備えている。電子スコープ１００は、プロセッサ２００に着脱可能に接続されている。
【００２３】
プロセッサ２００は、システムコントローラ２０２及びタイミングコントローラ２０４を備えている。システムコントローラ２０２は、メモリ２１２に記憶された各種プログラムを実行し、電子内視鏡システム１全体を統合的に制御する。また、システムコントローラ２０２は、操作パネル２１４に接続されている。システムコントローラ２０２は、操作パネル２１４より入力される術者からの指示に応じて、電子内視鏡システム１の各動作及び各動作のためのパラメータを変更する。タイミングコントローラ２０４は、各部の動作のタイミングを調整するクロックパルスを電子内視鏡システム１内の各回路に出力する。
【００２４】
ランプ２０８は、ランプ電源イグナイタ２０６による始動後、照射光Ｌを射出する。ランプ２０８は、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ等の高輝度ランプやＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。照射光Ｌは、主に可視光領域から不可視である赤外光領域に広がるスペクトルを持つ光（又は少なくとも可視光領域を含む白色光）である。
【００２５】
ランプ２０８より射出された照射光Ｌは、集光レンズ２１０によりＬＣＢ（Light Carrying Bundle）１０２の入射端面に集光されてＬＣＢ１０２内に入射される。
【００２６】
ＬＣＢ１０２内に入射された照射光Ｌは、ＬＣＢ１０２内を伝播して電子スコープ１００の先端に配置されたＬＣＢ１０２の射出端面より射出され、配光レンズ１０４を介して被写体に照射される。照射光Ｌにより照射された被写体からの戻り光は、対物レンズ１０６を介して撮像素子１０８の受光面上で光学像を結ぶ。
【００２７】
撮像素子１０８は、例えば、補色市松型画素配置を有する単板式カラーＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサである。撮像素子１０８は、受光面上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積して、イエローＹｅ、シアンＣｙ、グリーンＧ、マゼンタＭｇの画像信号を生成し、生成された垂直方向に隣接する２つの画素の画像信号を加算し混合して出力する。撮像素子１０８はまた、原色系フィルタ（ベイヤ配列フィルタ）を搭載したものであってもよい。
【００２８】
電子スコープ１００の接続部内には、ドライバ信号処理回路１１０が備えられている。ドライバ信号処理回路１１０には、画像信号がフィールド周期で撮像素子１０８より入力される。なお、以降の説明において「フィールド」は「フレーム」に置き替えてもよい。本実施形態において、フィールド周期、フレーム周期はそれぞれ、１／６０秒、１／３０秒である。ドライバ信号処理回路１１０は、撮像素子１０８より入力される画像信号に対して所定の処理を施してプロセッサ２００の前段信号処理回路２２０に出力する。
【００２９】
ドライバ信号処理回路１１０はまた、メモリ１１２にアクセスして電子スコープ１００の固有情報を読み出す。メモリ１１２に記録される電子スコープ１００の固有情報には、例えば、撮像素子１０８の画素数や感度、動作可能なフィールドレート、型番等が含まれる。電子スコープ１００がプロセッサ２００に接続されると、ドライバ信号処理回路１１０は、メモリ１１２より読み出された固有情報をシステムコントローラ２０２に出力する。
【００３０】
システムコントローラ２０２は、電子スコープ１００の固有情報に基づいて各種演算を行い、制御信号を生成する。システムコントローラ２０２は、生成された制御信号を用いて、プロセッサ２００に接続されている電子スコープ１００に適した処理がなされるようにプロセッサ２００内の各種回路の動作やタイミングを制御する。
【００３１】
タイミングコントローラ２０４は、システムコントローラ２０２によるタイミング制御に従って、ドライバ信号処理回路１１０にクロックパルスを供給する。ドライバ信号処理回路１１０は、タイミングコントローラ２０４から供給されるクロックパルスに従って、撮像素子１０８をプロセッサ２００側で処理される映像のフィールドレートに同期したタイミングで駆動制御する。
【００３２】
前段信号処理回路２２０は、ドライバ信号処理回路１１０より１フィールド周期で入力される画像信号に対してノイズ除去、色補間、マトリックス演算、Ｙ／Ｃ分離等の所定の信号処理を施して、後段信号処理回路２３０に出力する。
【００３３】
後段信号処理回路２３０は、前段信号処理回路２２０より入力される画像信号を処理してモニタ表示用の画面データを生成し、生成されたモニタ表示用の画面データを所定のビデオフォーマット信号に変換する。変換されたビデオフォーマット信号は、モニタ３００に出力される。これにより、被写体のカラー画像がモニタ３００の表示画面に表示される。
【００３４】
図２は、撮像素子１０８の受光部を模式的に表したものである。撮像素子１０８は、基板２０、複数のフォトダイオード２１及び転送ゲート２２、複数の垂直転送ＣＣＤレジスタ２３、水平転送ＣＣＤレジスタ２４、アンプ２５を有している。図２では、図面を簡素にするために、一部の部材の図示を省略している。また、図を簡素化するため、図２において、フォトダイオード、転送ゲート、垂直転送ＣＣＤレジスタに対する符号は、一部にのみ付与している。フォトダイオード２１は、基板２０上の互いに直交する垂直方向及び水平方向に行列状に並べて配置されている。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３は、垂直方向に伸びて形成されており、水平方向に並べて配置されている。各垂直転送ＣＣＤレジスタ２３は、垂直方向に並んだフォトダイオード２１の各列に隣接して配置されている。各転送ゲート２２は、対応するフォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤレジスタ２３との間に配置されている。水平転送ＣＣＤレジスタ２４は、複数の垂直転送ＣＣＤレジスタ２３と接続されている。アンプ２５は水平転送ＣＣＤレジスタ２４と接続されている。フォトダイオード２１は、入射した光の強度に応じて電荷を発生させる光電変換を行う。フォトダイオード２１に蓄積された電荷は、対応する転送ゲート２２を通って垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に移動する。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３は、電荷を水平転送ＣＣＤレジスタ２４に向かって水平方向に転送する。水平転送ＣＣＤレジスタ２４は、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３から受け取った電荷を、アンプ２５に向かって水平方向に転送する。アンプ２５は、水平転送ＣＣＤレジスタ２４から受け取った電荷を増幅し、画像信号として出力する。
【００３５】
図３は、撮像素子１０８の断面図である。図３の紙面上の左右方向が、水平方向に対応している。撮像素子１０８は、Ｎ型半導体の基板（Ｎサブストレート）３０上にＮ型半導体の領域（Ｎウェル３１、３３）とＰ型半導体の領域（Ｐウェル３２、Ｐ型層３４）を形成することによって構成される。図３において、撮像素子１０８のＮサブストレート３０が配置されている側を下側、Ｎサブストレート３０が配置されている側に対してＮウェル３１、３３やＰウェル３２、Ｐ型層３４が形成されている側を上側と定義する。撮像素子１０８には、上側から被写体からの物体光が入射される。
【００３６】
Ｎウェル３１は、フォトダイオード２１に対応し、Ｎウェル３３は垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に対応する。Ｐウェル３２のＮウェル３１とＮウェル３３とに挟まれた領域３２ａは、転送ゲート２２に対応する。Ｎウェル３１の上方のＰ型層３４は、撮像素子１０８の上面に生じる暗電流を抑えるために形成されている。撮像素子１０８の上面には、Ｎウェル３１（Ｐ型層３４）上に開口が設けられた遮光膜３６が形成されている。この遮光膜３６により、外光がＮウェル３１（フォトダイオード２１）以外の場所に入射し、ノイズが発生することを防止している。Ｐウェル３２の領域３２ａにはゲート電圧が印加されている。このゲート電圧に応じて、Ｎウェル３１とＮウェル３３との間の電荷に対する電位障壁が変化する。Ｎサブストレート３０には基板電圧が印加されている。この基板電圧により、Ｎウェル３１とＮサブストレート３０との間の電荷に対する電位障壁が変化する。
【００３７】
図４は、撮像素子１０８の水平方向における電位障壁の高さ及び電位を示したグラフである。図４の横軸は撮像素子１０８の水平方向の位置を示している。図４の左側の縦軸は電荷に対する電位障壁の高さを示し、右側の縦軸は電位を示している。外光によってＮウェル３１（フォトダイオード２１）に発生する電荷は負の極性を有しているため、電位が低くなるほど、電荷に対する電位障壁は高くなる。Ｎウェル３１の電位はＶｓ、Ｐウェル３２の電位は、Ｖｓよりも低いＶｐに一定に保たれている。但し、Ｐウェル３２の転送ゲート２２に対応する領域３２ａには、大きさを変更可能なゲート電圧が印加されている。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に対応するＮウェル３３には、領域３２ａに印加されるゲート電圧と一定のバイアス電圧Ｖｂを足し合わせた電圧が印加される。そのため、ゲート電圧を変更すると、転送ゲート２２の電位と垂直転送ＣＣＤレジスタ２３の両方の電位が変化する。撮像素子１０８が駆動されると、初期状態において、ゲート電圧は、Ｖｓよりも低いＶｇ１に設定される。そのため、初期状態では、フォトダイオード２１に蓄積されている電荷は、電位障壁によって水平方向には移動できない。転送ゲート２２のゲート電圧をＶｇ１から、Ｖｓよりも高いＶｇ２に変更すると、転送ゲート２２の電位障壁が低くなり、フォトダーオード２１に蓄積されている電荷が、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に移動する。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に移動した電荷は、水平転送ＣＣＤレジスタ２４に向かって転送される。
【００３８】
図５は、図３の上下方向（以下、単に上下方向と記す）における電位障壁の高さ及び電位を示したグラフである。図５の横軸は撮像素子１０８の上下方向の位置を示している。図５の左側の縦軸は電荷に対する電位障壁の高さを示し、右側の縦軸は電位を示している。上述したように、Ｎウェル３１（フォトダイオード２１）には一定の電圧Ｖｓが印加されている。Ｐ型層３４には、Ｎウェル３１の電圧Ｖｓよりも低いＶｐ´が印加されている。また、Ｎサブストレート３０には、Ｖｓよりも高く、変更可能な基板電圧が印加されている。初期状態では、基板電圧はＶｓｕｂ１に設定されている。Ｐウェル３２のうち、Ｎウェル３１とＮサブストレート３０に挟まれた領域３２ｂの電位は、電圧Ｖｓ及び基板電圧に依存する。詳しくは、基板電圧が低い場合（Ｖｓｕｂ１）、領域３２ｂの電位は、一部がフォトダイオード２１の電位Ｖｓよりも低くなり、フォトダイオード２１の蓄積された電荷に対して電位障壁が形成される。そのため、初期状態では、フォトダイオード２１に蓄積されている電荷は、電位障壁によって上下方向には移動できない。一方、基板電圧を高くすると（Ｖｓｕｂ２）、領域３２ｂの電位が高くなり、電荷に対する電位障壁が低くなる。この場合、フォトダイオード２１に蓄積されている電荷は、領域３２ｂの電位障壁を越えてＮサブストレート３０に排出される。
【００３９】
図４及び図５を用いて、撮像素子１０８を用いて被写体の画像信号を生成する電子シャッタ処理について説明する。被写体の画像信号を生成する場合、まず、ゲート電圧がＶｇ１に設定された状態で、基板電圧がＶｓｕｂ２に設定される。これにより、全てのフォトダイオード２１に蓄積されている電荷がＮサブストレート３０に排出されて、撮像素子１０８がリセットされる。次いで、基板電圧がＶｓｕｂ１に復元される。これにより、各フォトダイオード２１は、水平方向及び上下方向において電位障壁によって囲われた井戸型ポテンシャルを有する。この状態でフォトダイオード２１に外光が入射されると、外光の強度に応じた電荷が各フォトダイオード２１の井戸型ポテンシャル内に蓄積される。所定時間、フォトダイオード２１に電荷が蓄積されると、転送ゲート２２のゲート電圧がＶｇ１からＶｇ２に変更される。これにより、フォトダイオード２１に蓄積されていた電荷が垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に移動する。基板電圧がＶｓｕｂ２からＶｓｕｂ１に復元されてから、ゲート電圧がＶｇ１からＶｇ２に変更されるまでの時間が、電子シャッタ処理の露光時間（シャッタスピード）に相当する。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に移動した電荷は、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４によって転送される。次いで、電荷はアンプ２５で増幅され、画像信号として撮像素子１０８から出力される。撮像素子１０８から出力された画像信号は、ドライバ信号処理回路１１０で所定の信号処理が施され、前段信号処理回路２２０に入力される。
【００４０】
次に、前段信号処理回路２２０によるノイズ除去処理について詳細に説明する。ノイズ除去処理では、電子シャッタ処理によって生成された画像信号に対し、固定パターンノイズを除去する処理が行われる。固定パターンノイズは、画像信号に重畳している。固定パターンノイズには、複数のフォトダイオード２１や垂直転送ＣＣＤレジスタ２３、水平転送ＣＣＤレジスタ２４に生じる暗電流に起因するノイズや、撮像素子１０８外の信号処理回路から発生するノイズ等が含まれる。
【００４１】
撮像素子１０８外の信号処理回路から発生するノイズについて説明する。撮像素子１０８では、行列状に並んだ複数のフォトダイオード２１のうち、水平方向のライン毎に画像信号が出力される。次いで、画像信号に対して、水平方向のライン毎に増幅処理やＡＤ変換処理が行われる。これらの増幅処理やＡＤ変換処理は、クロックパルスから生成されたタイミング信号に合わせて実行される。そのため、タイミング信号に起因するノイズが画像信号に重畳した場合、ノイズはライン毎に同じパターンとなる。このライン毎に同じパターンのノイズは、撮影画像において垂直方向の筋として現れる。ノイズ除去処理では、垂直方向の筋として現れる固定パターンノイズを除去するための補正信号が生成される。補正信号は、固定パターンノイズを表す信号である。そのため、画像信号から補正信号を減算することにより、画像信号から固定パターンノイズが除去され、画像信号を補正することができる。
【００４２】
図６は、本実施形態の固定パターンノイズが除去された画像信号の生成方法に関する動作フローを示す。本フローの処理は、電子内視鏡システム１の電源が入れられることによって開始される。
【００４３】
処理ステップＳ１０１では、プロセッサ２００及び電子スコープ１００内の各種回路が通電される。また、ランプ電源イグナイタ２０６によりランプ２０８が点灯される。
【００４４】
処理ステップＳ１０２では、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）の初期化が行われる。処理ステップＳ１０２は、タイミングコントローラ２０４、前段信号処理回路２２０、後段信号処理回路２３０等にＦＰＧＡを使用する場合に実行されるものであり、回路構成によっては必ずしも実行される必要はない。ＦＰＧＡの初期化には、ＦＰＧＡのコンフィグレーションやレジスタ設定が含まれる。コンフィグレーションではシステムコントローラ２０２によって、メモリ２１２に予め記憶されている回路情報が読み出され、ＦＰＧＡに書き込まれる。レジスタ設定では、撮像素子１０８に含まれる複数のフォトダイオード２１のうち、どのフォトダイオード２１を画像信号の生成に使用するかの設定が行われる。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４は、このレジスタ設定に基づいて駆動される。
【００４５】
また、処理ステップＳ１０２では、ＦＰＧＡの初期化の後、撮像素子１０８内の各電極（不図示）に所定の電圧が印加される。これにより、例えば、Ｎサブストレート３０には基板電圧Ｖｓｕｂ１が印加され、転送ゲート２２（領域３２ａ）にはゲート電圧Ｖｇ１が印加される。
【００４６】
処理ステップＳ１０３では、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４の空転送処理が行われる。空転送処理は、転送ゲート２２の電位障壁を下げずに（ゲート電圧がＶｇ１に維持された状態で）、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４を駆動する処理である。垂直転送ＣＣＤレジスタ２３や水平転送ＣＣＤレジスタ２４には、処理ステップＳ１０３が実行される直前までの間に、暗電流や外光、被写体からの物体光によって発生した電荷が残留している可能性がある。この電荷が残留している状態で画像信号を生成すると、画像信号に残留した電荷に応じたノイズが重畳される。そのため、画像信号を生成する前に、少なくとも１フレーム分の画像信号を取得する場合と同じように垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４を駆動し、転送された電荷を排出することにより、残留している電荷によるノイズの発生を防止することができる。
【００４７】
なお、処理ステップＳ１０３において、垂直転送ＣＣＤゲート２３及び水平転送ＣＣＤゲート２４を駆動している間、転送ゲート２２のゲート電圧はＶｇ１に維持されている。そのため、フォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤレジスタ２３との間の電位障壁は比較的高い状態が維持され、フォトダイオード２１から垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に電荷が移動することが抑制される。これにより、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に残留している電荷を効率よく排出することができる。
【００４８】
また、処理ステップＳ１０３において、垂直転送ＣＣＤゲート２３及び水平転送ＣＣＤゲート２４を駆動している間、Ｎサブストレート３０の基板電圧がＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に変更されてもよい。この場合、フォトダイオード２１に残留している蓄積されている電荷がＮサブストレート３０に排出されるため、残留している電荷によるノイズの発生をより確実に防止することができる。
【００４９】
処理ステップＳ１０４では、Ｎサブストレート３０の基板電圧がＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に変更される。また、転送ゲート２２のゲート電圧は、Ｖｇ１に維持される。或いは、ゲート電圧は、Ｖｇ１よりも低い値に変更される。これにより、各フォトダイオード２１とＮサブストレート３０との間の電位障壁が下がり、フォトダイオード２１に残留している電荷がＮサブストレート３０に排出される。また、残留している電荷とは別に、暗電流や外光、被写体からの物体光により、フォトダイオード２１に新たに電荷が発生したとしても、それらの電荷はＮサブストレート３０に排出される。更に、フォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤゲート２３間の電位障壁が高い状態に維持されているため、外光や物体光の強度が大きく、フォトダイオード２１に発生する電荷の量が比較的多い場合においても、その電荷が垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に漏れ出すことが抑制される。
【００５０】
処理ステップＳ１０５では、Ｎサブストレート３０の基板電圧がＶｓｕｂ２、転送ゲート２２のゲート電圧がＶｇ１に維持された状態で、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３の駆動が停止され、水平転送ＣＣＤレジスタ２４が駆動される。水平転送ＣＣＤレジスタ２４によって転送された１ライン分に相当する電荷は、アンプ２５で増幅され、画像信号として撮像素子１０８から出力される。撮像素子１０８から出力された画像信号は、ドライバ信号処理回路１１０によって所定の処理が施され前段信号処理回路２２０に入力される。前段信号処理回路２２０は、入力された画像信号を補正信号として一時的にメモリ２２２に保存する。
【００５１】
処理ステップＳ１０５が実行されている間、基板電圧がＶｓｕｂ２に維持されているため、暗電流や外光、物体光によってフォトダイオード２１に発生する電荷はＮサブストレート３０に排出される。また、ゲート電圧がＶｇ１に維持されているため、外光や物体光の強度が強く、フォトダイオード２１に発生する電荷が多い場合においても、その電荷がフォトダイオード２１から垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に漏れ出すことが抑制される。更に、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３の駆動が停止されているため、もし、フォトダイオード２１から垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に電荷が漏れ出したとしても、その電荷が水平転送ＣＣＤレジスタ２４に転送されることが防止される。これにより、水平転送ＣＣＤレジスタ２４で転送される電荷に、外光や物体光によってフォトダイオード２１に発生した電荷が重畳してしまうことを防止できる。
【００５２】
処理ステップＳ１０６では、処理ステップＳ１０５から出力された画像信号（補正信号）が、所定ライン数分に達したか否かが判定される。所定ライン数は、例えば、１００ライン以上に設定されている。補正信号のライン数が所定数未満であると判定された場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、処理ステップＳ１０５に戻る。一方、補正信号のライン数が所定数以上であると判定された場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、処理ステップＳ１０７に進む。
【００５３】
処理ステップＳ１０７では、メモリ２２２に一時的に保存された所定ライン数分の補正信号の平均化処理が行われる。これにより、補正信号の時間的な揺らぎが平滑化される。前段信号処理回路２２０は、平均化された補正信号をメモリ２２２に保存する。
【００５４】
処理ステップＳ１０８では、ゲート電圧がＶｇ１に維持された状態で、基板電圧がＶｓｕｂ２からＶｓｕｂ１に戻される。これにより、各フォトダイオード２１に井戸型ポテンシャルが形成され、この井戸型ポテンシャル内に電荷が蓄積される。
【００５５】
処理ステップＳ１０９では、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４が駆動され、被写体の画像信号の生成が開始される。処理ステップＳ１０９では、基板電圧及びゲート電圧が、電子シャッタ処理の露光時間に基づいた所定のタイミングで変更され、各フォトダイオード２１に蓄積された電荷が、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４によって転送される。転送された電荷はアンプ２５で増幅され、画像信号として撮像素子１０８から出力される。撮像素子１０８から出力された画像信号は、ドライバ信号処理回路１１０によって所定の処理が施され前段信号処理回路２２０に入力される。
【００５６】
前段信号処理回路２２０は、メモリ２２２から平均化された補正信号を読み出し、入力された画像信号から補正信号を減算する。これにより、補正信号に含まれる固定パターンノイズの成分が画像信号から除去され、画像信号が補正される。次いで、前段信号処理回路２２０は、画像信号に対して所定の信号処理を施して、後段信号処理回路２３０に出力する。
【００５７】
後段信号処理回路２３０は、前段信号処理回路２２０より入力される画像信号に基づいて画面データを生成し、所定のビデオフォーマット信号に変換する。変換されたビデオフォーマット信号は、モニタ３００に出力される。
【００５８】
処理ステップＳ１１０では、電子内視鏡システム１の電源を切る操作が行われたか否かを判定する。電源を切る操作が行われていないと判定された場合（Ｓ１１０：ＮＯ）、処理ステップＳ１０９に戻る。電源を切る操作が行われたと判定された場合（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、電子内視鏡システム１の電源が切られ、本動作フローは終了する。
【００５９】
このように、本実施形態では、画像信号から補正信号を減算することにより、画像信号に含まれる固定パターンノイズを除去することができる。
【００６０】
また、補正信号を生成する際に、基板電圧をＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に上げて、領域３２ｂにおける電位障壁を低くしている。仮に、補正信号を生成する際に、基板電圧をＶｓｕｂ１に維持した場合、外光や物体光の強度が大きいと、フォトダイオード２１で発生した電荷が垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に漏れ出してしまう可能性があった。また、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に漏れ出した電荷が多いと、たとえ垂直転送ＣＣＤレジスタ２３の駆動を停止していたとしても、電荷が垂直転送ＣＣＤレジスタ２３内を伝搬し、水平転送ＣＣＤレジスタ２４に入り込み、正確な補正信号が得られない可能性があった。これに対し、本実施形態では、基板電圧をＶｓｕｂ２に上げているため、外光や物体光によってフォトダイオード２１に発生した電荷は、Ｎサブストレート３０に排出され、補正信号に重畳することを防止することができる。また、外光や物体光の強度が大きい場合においても、フォトダイオード２１で発生した電荷はＮサブストレート３０に排出されるため、発生した電荷が、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に漏れ出すことを防止することができる。
【００６１】
また、本実施形態では、補正信号を生成する際に、ゲート電圧をＶｇ１に維持している。これにより、フォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤレジスタ２３との間の電位障壁が比較的高い状態が維持されるため、フォトダイオード２１から垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に漏れ出す電荷をより一層抑えることができる。
【００６２】
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本発明の実施形態に含まれる。
【００６３】
例えば、図６に示される処理ステップＳ１０３の空転送処理では、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３及び水平転送ＣＣＤレジスタ２４の両方が駆動され、少なくとも１フレーム分の画像信号が排出されるが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、空転送処理では、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３を駆動せず、水平転送ＣＣＤレジスタ２４のみを駆動してもよい。この場合、少なくとも１ライン分の画像信号を取得する場合と同じように水平転送ＣＣＤレジスタ２４が駆動し、転送された電荷が排出される。また、処理ステップＳ１０３において、水平転送ＣＣＤゲート２４のみを駆動している間に、Ｎサブストレート３０の基板電圧をＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に変更してもよい。この場合、フォトダイオード２１に残留している蓄積されている電荷がＮサブストレート３０に排出されるため、残留している電荷によるノイズの発生をより確実に防止することができる。
【００６４】
空転送処理（Ｓ１０３）が実行された後、補正信号の生成処理（Ｓ１０５〜Ｓ１０７）が実行される。この補正信号の生成処理では、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３は駆動されず、水平転送ＣＣＤレジスタ２４のみが駆動される。そのため、仮に、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に暗電流等によって発生した電荷が残留していたとしても、水平転送ＣＣＤレジスタ２４のみを駆動して生成される補正信号に、残留した電荷が重畳することはない。ただし、この場合、画像信号の生成処理（Ｓ１０９）を実行する前に、垂直転送ＣＣＤレジスタ２３と水平転送ＣＣＤレジスタ２４の両方を駆動した空転送処理を実行することが望ましい。これにより、画像信号に、残留した電荷が重畳することを防止することができる。
【００６５】
また、本実施形態の図６に示される処理ステップＳ１０４では、Ｎサブストレート３０の基板電圧がＶｓｕｂ１からＶｓｕｂ２に変更され、転送ゲート２２のゲート電圧がＶｇ１以下に設定されるが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、処理ステップＳ１０４では、基板電圧をＶｓｕｂ１に維持してもよい。但し、この場合、転送ゲート２２のゲート電圧は、フォトダイオード２１の電圧Ｖｓよりも低く、且つ、フォトダイオード２１と垂直転送ＣＣＤレジスタ２３との間の電位障壁の高さが、フォトダイオード２１とＮサブストレート３０との間の電位障壁よりも高くなるように設定される。これにより、補正信号の生成性処理（Ｓ１０５〜Ｓ１０７）を実行している間に、フォトダイオード２１に暗電流や外光、物体光によって大量の電荷が発生した場合、その電荷は、より電位障壁の低いＮサブストレート３０側に漏れ出す。そのため、フォトダイオード２１から垂直転送ＣＣＤレジスタ２３に電荷が漏れ出すことが抑制され、補正信号にフォトダイオード２１で発生した電荷が重畳することを抑制することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１  電子内視鏡システム
２０  基板
２１  フォトダイオード
２２  転送ゲート
２３  垂直転送ＣＣＤレジスタ
２４  水平転送ＣＣＤレジスタ
２５  アンプ
３０  Ｎサブストレート
３１  Ｎウェル
３２  Ｐウェル
３２ａ  領域
３２ｂ  領域
３３  Ｎウェル
３４  Ｐ型層
３６  遮光膜
１００  電子スコープ
１０２  ＬＣＢ
１０４  配光レンズ
１０６  対物レンズ
１０８  撮像素子
１１０  ドライバ信号処理回路
１１２  メモリ
２００  プロセッサ
２０２  システムコントローラ
２０４  タイミングコントローラ
２０６  ランプ電源イグナイタ
２０８  ランプ
２１０  集光レンズ
２１２  メモリ
２１４  操作パネル
２２０  前段信号処理回路
２２２  メモリ
２３０  後段信号処理回路
【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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