JP4078091B2 - Imaging apparatus and imaging method - Google Patents
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Description
【0001】
【従来の技術】
通常、CCD等の固体撮像素子で撮像した静止画像や動画像を表示したり、記録したりする際に、撮像信号の明るさの基準として、撮像素子の光学的黒(オプティカルブラック、以降OBと記す)レベルが利用される。OBとは、撮像素子の受光画素部の中で遮光されて入射光に依存しない画素出力のことを指す。
【0002】
このOBレベルを撮像信号の黒基準とする直流分再生(クランプ)回路で、ビデオカメラ等で一般的によく利用されるフィードバッククランプ方式の装置構成の一例を図4に、主要動作波形を図5に示し、その動作について簡単に説明する。
【0003】
図4において、まず、たとえばCCDなどの固体撮像素子101があり、この撮像素子101から出力される撮像信号が、CDS(相関2重サンプリング)回路と呼ばれる回路102に入力されてリセットノイズが除去された後に、オフセット加算回路103に入力されて所定のオフセット電圧が加算されて、そのオフセット加算出力が可変増幅器104に入力される。
【0004】
また、CDS回路102は、端子106より入力された所定の基準電圧VREFによって撮像信号のフィードスルー部の基準とするCDS回路を成しており、同様に、可変増幅器104は、基準電圧VREFを撮像信号の直流増幅の基準とする直流増幅器を成している。
【0005】
可変増幅器104は、CCD101の出力感度ばらつきを補正したり、撮像装置の感度設定を切り換えるためのゲイン可変手段であるが、以降、撮像装置のクランプ動作を簡略かつ明確に説明するために、ゲイン1倍として簡易的に扱うものとする。
【0006】
可変増幅器104からの増幅出力信号は、一方で、不図示の画像処理・記録・表示回路に入力されるとともに、他方で、サンプルホールド回路107に入力され、端子109より入力されたOB画素の読み出しタイミングに同期するOBクランプパルスによって、サンプルホールドされたOBレベルが、積分アンプ105に入力される。
【0007】
積分アンプ105は、コンデンサ105b、抵抗105cにより所定の積分時定数を成しており、前記サンプルホールドされたOBレベルと、端子106より入力される所定の基準電圧VREFとの差分電圧(クランプ誤差電圧)が前記積分時定数にて積分されるとともに、その出力(電圧VREFからのずれ量)が、オフセット加算回路103に入力されて減算されるネガティブフィードバック制御の構成になっている。
【0008】
図5は、可変増幅器104の出力信号11CのOBレベルが直流電圧レベルVREFにクランプされて収束する様子と、そのときの各部の動作波形を示したものである。
【0009】
信号波形11AはCDS102の出力波形であり、撮像素子101から読み出された1水平ライン毎に、所定期間のOB画素出力を持っており、このOB画素出力期間の一部をサンプルホールドするタイミング信号がOBクランプパルス11Dである。
【0010】
信号波形11AのOB画素出力は、CDS(相関2重サンプリング)回路102の働きにより、前記基準電圧VREFに比較的近い直流電圧を保っているが、実際には、撮像素子101のフィードスルー成分と信号成分との差成分(CCDオフセット)および、撮像素子の温度に依存する暗電流成分が重畳されてオフセット誤差を有している(通常、数ミリ〜数十ミリボルト)。
【0011】
このオフセット誤差は、撮像素子ごとにばらつき、また、温度により変動する。そして、このオフセット誤差が可変増幅器104によって増幅されて最終的に、撮像信号の黒レベル変動VERRとして出力される。
【0012】
黒レベル変動VERRは、サンプルホールド回路107および積分アンプ105によって、VREF電圧の差分として検出され、積分されて図5に示す積分出力信号11Bとして出力され、出力11Bの電圧VREFからのずれ量が、CDS回路102の出力信号11Aより減算される。
【0013】
OBクランプパルス11Dの出力毎に、この動作が繰り返されることにより、積分出力11Bおよび可変増幅器104の出力信号のOB画素出力は、信号波形11Cのごとく基準電圧VREFへと収束する。
【0014】
ところで、このようなフィードバック方式のOBクランプ回路では、黒レベル変動VERRを積分して負帰還する場合の積分の時定数が非常に重要である。
【0015】
時定数が短いと水平ライン毎の出力OBレベルのVREF電圧への追従応答性が速くなる反面、クランプ動作毎の変動量(変動頻度)もその分多くなり、横スジ状のノイズを発生し易くなる。
【0016】
そのため、時定数は、この横スジ状のノイズが画質上問題にならない程度に所定の長さに設定せざるを得ない。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のフィードバック方式のOBクランプ回路においては、OBの変動量の主要因として撮像素子のCCDオフセットおよび暗電流成分によるオフセット誤差を想定しており、これらのオフセット誤差成分を補正することを主眼に設計がなされている。
【0018】
本来、これらのオフセット誤差成分は、撮像信号のフルレンジ(〜1ボルト)に対して、その10分の1以下(数ミリ〜数十ミリボルト)と、あまり大きなものではない。
【0019】
ところで、CCDなどの固体撮像素子に直射日光などの強い光が入射されると、光電変換部で電荷がオーバフローを起こす、所謂、ブルーミングとよばれる現象が発生する。ブルーミングが発生すると、本来は受光画素部の中で遮光されていて入射光に依存しないOB画素部にもオーバフローした電荷が流入して蓄積される場合がある。
【0020】
この場合のOBレベルは、前記オフセット誤差成分とは異なり、正確な黒基準になり得ないばかりか、激しいブルーミングに対しては撮像信号のフルレンジのレベル(CCD飽和レベルVSAT)変動にまで及ぶ。
【0021】
図6は、ブルーミング発生時のクランプ動作を説明するための各部の動作波形を示したものである。CDS出力11AのOB出力は、ブルーミングの発生にともない急速にCCD飽和レベルVSATに達する。PGA出力11CのOB出力は、積分アンプ105で設定された時定数による応答時間で、CCD飽和レベルVSATまで上昇した誤ったOBレベルに対して、ゆるやかに基準電圧VREFまで引き下げられる。
【0022】
このように、従来のクランプ回路構成では、ブルーミング発生時に、適正なOBレベルを大きく逸脱する誤った黒レベルに追従してしまい、撮像信号全体が黒沈みを起こしてしまうという問題があった。
【0023】
また、適正なOBレベルを大きく逸脱する誤った黒レベルに追従した結果、撮像素子のブルーミングが解消した後も、正常なOBレベルへの復帰時間が非常に長くかかってしまい、その間、黒沈みの状態が続くという問題があった。
【0024】
本発明は、このような状況のもとでなされたもので、OB出力を大きく誤った黒レベルに追従して撮像信号に黒沈みを生じるという問題のない撮像装置、撮像装置の撮像方法を提供することを目的とするものである。
【0025】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、撮像装置を次の(1)、(2)のとおりに構成し、撮像装置の撮像方法を次の(3)のとおりに構成する。
(1)被写体を撮像素子上に光学的に結像する結像手段と、前記被写体の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子による光電変換後の電気信号に対して、直流電圧を加算するオフセット加算手段と、可変ゲインで増幅する増幅手段と、前記オフセット加算手段によるオフセット加算処理および前記増幅手段による増幅処理後の撮像信号に対して該撮像信号に含まれる光学的黒レベルをサンプルホールドするサンプルホールド手段と、所定の基準値と前記サンプルホールド手段により保持された光学的黒レベルの差分にもとづいて、負帰還信号として前記直流電圧を発生する負帰還信号発生手段と、前記負帰還信号発生手段に設けられ、前記オフセット加算手段において加算される前記直流電圧を制限する帰還制限手段と、を備えた撮像装置において、
前記帰還制限手段は、前記増幅手段のゲインに応じて、負帰還信号に対する帰還制限レベルを可変する撮像装置。
(2)被写体を撮像素子上に光学的に結像する結像手段と、前記被写体の光学像を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子による光電変換後の電気信号に対して、直流電圧を加算するオフセット加算手段と、可変ゲインで増幅する増幅手段と、前記オフセット加算手段によるオフセット加算処理および前記増幅手段による増幅処理後のアナログ撮像信号をデジタル信号に変換するAD変換手段と、前記AD変換手段により得られたデジタル信号に含まれる光学的黒レベルを抽出する光学的黒レベル抽出手段と、所定の基準値と前記光学的黒レベル抽出手段により抽出された光学的黒レベルとの差分にもとづいて、負帰還信号として前記直流電圧を発生する負帰還信号発生手段と、前記負帰還信号発生手段に設けられ、前記オフセット加算手段において加算される前記直流電圧を制限する帰還制限手段と、を備えた撮像装置において、
前記帰還制限手段は、前記増幅手段のゲインに応じて、負帰還信号に対する帰還制限レベルを可変する撮像装置。
(3)撮影素子からの電気信号を増幅する増幅手段と、この増幅手段を含むフィードバック方式のOBクランプ回路とを備え、前記OBクランプ回路における負帰還信号の振幅を所定値以下に制限する撮像装置の撮像方法であって、
前記増幅手段のゲインを可変設定する際に、設定するゲインに応じて前記所定値を変更す撮像装置の撮像方法。
【0036】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を撮像装置の実施例により詳しく説明する。本発明は、装置の形に限らず、実施例の説明に裏付けられて方法の形で実施することもできる。
【0037】
【実施例】
(実施例1)
図1は、実施例1である“撮像装置”の要部である、フィードバック方式のOBクランプ回路の構成を示すブロック図である。
【0038】
まず、図1の構成について説明する。
【0039】
1は被写体の光学像を電気信号に変換するCCD(CCDイメージセンサ)であり、このCDD1から出力される撮像信号が、CDS(相関2重サンプリング)回路と呼ばれる回路2に入力されてリセットノイズが除去された後に、オフセット加算回路3に入力されて所定のオフセット電圧が加算されて、そのオフセット加算出力が可変増幅器4に入力される。
【0040】
また、CDS回路2は、端子6より入力された所定の基準電圧VREFを撮像信号のフィードスルー部の基準とするCDS回路を成しており、同様に、可変増幅器4は、基準電圧VREFを撮像信号の直流増幅の基準とする直流増幅器を成している。
【0041】
可変増幅器4は、CCD1の出力感度ばらつきを補正したり、撮像装置の感度設定を切り換えるためのゲイン可変手段であるが、以降、本実施例においては、撮像装置のクランプ動作を簡略かつ明確に説明するために、ゲイン1倍として簡易的に扱うものとする。
【0042】
可変増幅器4からの増幅出力信号は、一方で、不図示の画像処理・記録・表示回路に入力されるとともに、他方で、サンプルホールド回路7に入力され、端子9より入力されたOB画素の読み出しタイミングに同期するOBクランプパルスによって、サンプルホールドされたOBレベルが、積分アンプ5(請求項の負帰還信号生成手段に相当する)に入力される。
【0043】
積分アンプ5は、コンデンサ5b,抵抗5cとにより所定の積分時定数を成しており、前記サンプルホールドされたOBレベルと、端子6より入力される所定の基準電圧VREFとの差分電圧(クランプ誤差電圧)が前記積分時定数にて積分されるとともに、その出力(電圧VREFからのずれ量)が、減算値としてオフセット加算回路3に入力されて減算されるフィードバック制御の構成になっている。
【0044】
さらに積分アンプ5は、振幅制限用ダイオード5eおよび5fがそれぞれアノードとカソードの極性を逆向きにしてコンデンサ5bと並列に接続されることで、積分アンプ5に入力されたクランプ誤差電圧に対して、その積分アンプ5の出力を一定の電圧振幅(ダイオード5e,5fの順方向電圧でそれぞれ向きが逆)で制限する働きをする。
【0045】
可変増幅器4の出力信号1CのOBレベルが直流電圧レベルVREFにクランプされて収束する際の様子は、前記従来例の図5に示した例と全く同様であるので、ここでは図示しない。
【0046】
CCD出力1AのOB画素出力は、CDS(相関2重サンプリング)回路2の働きにより、基準電圧VREFに比較的近い直流電圧を保っているが、実際には、CCD1のフィードスルー成分と信号成分との差成分(CCDオフセット)および、撮像素子の温度に依存する暗電流成分が重畳されてオフセット誤差を有している(通常、数ミリ〜数十ミリボルト)。
【0047】
このオフセット誤差は、撮像素子ごとにばらつき、また、温度により変動する。そして、このオフセット誤差が可変増幅器4によって増幅されて最終的に、撮像信号の黒レベル変動VERRとして出力される。
【0048】
黒レベル変動VERRは、サンプルホールド回路7および積分アンプ5によって、VREF電圧の差分として検出され、積分されて、積分出力信号1Bとして出力され、出力1Bの電圧VREFからのずれ量がCDS回路2の出力信号1Aより減算される。
【0049】
このとき、前記オフセット誤差による積分出力に対して電圧を制限することの無いように、これよりも大きな順方向電圧を持つダイオード素子5eおよび5fが選定されるものとする。
【0050】
これによって、OBクランプパルス1Dの出力毎に、この動作が繰り返されることにより、積分出力1Bおよび可変増幅器4の出力信号のOB画素出力は、基準電圧VREFへと収束する。
【0051】
次に、本実施例におけるブルーミング発生時のクランプ動作を説明する。
【0052】
図2は、本実施例におけるブルーミング発生時のクランプ動作を説明するための各部の動作波形を示したものである。
【0053】
CDS出力1AのOB出力は、ブルーミングの発生にともない急速に上昇しCCD飽和レベルVSATに達する。PGA出力1CのOB出力は、最初、CDS出力1AのOB出力上昇に合わせて上昇を開始し、サンプルホールド回路7を通じて積分アンプ5へ入力されて、積分アンプ5で設定された時定数による応答時間で、上昇したCDS出力1AのOBレベルに対してゆるやかに基準電圧VREFまで引き下げるように働く。
【0054】
しかし、急速にCCD飽和レベルVSATまで上昇したOB出力に対して、積分アンプ5に入力されたOB変動VSATはそのまま積分されることはなく、ダイオード5eおよび5fとで構成された振幅制限器によって所定の電圧VCLIPでオフセット加算器3への減算量を制限される。
【0055】
そのために、通常のクランプ動作時のように積分出力1Bおよび可変増幅器4の出力信号のOB画素出力は基準電圧VREFへと収束するのではなく、振幅制限電圧VCLIPに収束する。
【0056】
このとき、可変増幅器4のOB出力は本来の正しいOB出力レベルに対して、おおよそVCLIP電圧分だけ上昇したところで基準電圧VREFにクランプされることになるので、撮像信号としては、電圧VCLIPによる上昇分だけが黒沈みする結果となる。したがって、VCLIP電圧を適切に設定することによりクランプ後の撮像信号の黒沈みを抑えることができる。
【0057】
CCDのブルーミングが解消した後には、今度は、可変増幅器4のOB出力は本来の正しいOB出力レベルに対して、ブルーミングにより上昇したVCLIP電圧の変動分だけ基準電圧VREFに引き上げられる。したがって、VCLIP電圧を適切に設定することにより、クランプ後の撮像信号が正しいOB出力レベルに復帰するのに要する時間も短縮することができる。
【0058】
たとえば、CCD飽和レベルVSATが1Vのとき、VCLIP電圧を0.2Vで設定すれば、ブルーミングに際して、黒沈み量と復帰時間を、およそ5分の1に抑えることができる。
【0059】
また、クランプの基本的な動作を簡略に説明するために、本実施例では、可変増幅器4のゲインを1倍の扱いとしたが、可変増幅器4のゲイン設定によってオフセット加算回路3におけるオフセット補正量がゲイン倍されることを考えれば、適切なVCLIP電圧がゲイン設定値を考慮して決定されることは言うまでもない。
【0060】
(実施例2)
ところで、前記実施例1で示したダイオードの素子特性(ダイオードの順方向電圧)を利用した帰還制限手段では、制限すべき電圧レベル(VCLIP電圧)を素子特性に依存するために、高精度で調整することができない。
【0061】
また、ブルーミングによるOB変動を制限するのに適切なVCLIP電圧は可変増幅器の設定ゲインに依存する。
【0062】
そこで、可変増幅器の設定ゲインに応じてVCLIP電圧を切り換えることにより、撮像装置の感度可変幅である低ゲインから高ゲインまでのすべての範囲において同様の効果が得られるようにその構成および動作を工夫したものが、これから説明する実施例2である。
【0063】
図3は、実施例2である“撮像装置”の要部の構成を示すブロック図である。
【0064】
図3の構成について説明する。
【0065】
31は被写体の光学像を電気信号に変換するCCD(CCDイメージセンサ)であり、このCDD32から出力される撮像信号が、CDS(相関2重サンプリング)回路と呼ばれる回路32に入力されてリセットノイズが除去された後に、オフセット加算回路35に入力されて所定のオフセット電圧が加算されて、そのオフセット加算出力が可変増幅器38に入力される。
【0066】
また、CDS回路32は、端子33より入力された所定の基準電圧VREFを撮像信号のフィードスルー部の基準とするCDS回路を成しており、同様に、可変増幅器38は、基準電圧VREFを撮像信号の直流増幅の基準とする直流増幅器を成している。
【0067】
可変増幅器38は、CCD1の出力感度ばらつきを補正したり、撮像装置の感度設定を切り換えるためのゲイン可変手段である。
【0068】
可変増幅器38からの増幅出力信号は、A/D変換器39に入力されてデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された撮像信号は、一方で、不図示の画像処理・記録・表示回路に入力されるとともに、他方で、デジタル演算回路42に入力されてデジタル信号の中に含まれるOBレベルが抽出されて電流DAC40(D/A変換器)を介してアナログ電流値に変換されて出力される。
【0069】
デジタル演算回路42および電流DAC40には、端子43よりOB画素の読み出しタイミングに同期するOBクランプパルスが入力されており、これによりOBレベルの抽出および電流DAC40の駆動が行われる。
【0070】
電流DAC40の出力は一端を接地されたコンデンサ37に接続されており、出力電流をコンデンサ37に充放電することによって、前記抽出されたOBレベルが電流値とコンデンサ37によって構成される所定の時定数にて積分されるとともに、その出力がバッファ回路36を介して減算値としてオフセット加算回路35に入力されて減算されるフィードバック制御の構成になっている。
【0071】
さらに電流DAC40の出力には、電圧制限回路34が接続される。電圧制限回路34は、NPNトランジスタ34b,PNPトランジスタ34d,抵抗34cとで構成されており、相補特性のトランジスタ34b,34dで形成されたエミッタフォロアバッファが従属に接続されており、その出力が電流DAC40の出力に接続されている。
【0072】
端子34aより与えられた制限電圧VCLIPは、トランジスタによる電圧温度ドリフトがキャンセルされる形でDAC40の出力へと伝達される。
【0073】
電流DAC40の出力電流とコンデンサ37により積分出力された電圧が制限電圧VCLIPより小さい場合には、トランジスタ34dがカットオフしてトランジスタ34dのエミッタにはほとんど電流が流れないので、電圧制限回路34は電気的に電流DAC40の出力から切り離された状態となり、制限電圧VCLIPより大きい場合には、トランジスタ34dのエミッタを通じてコンデンサ37より電流が引き出されることで、電流DAC40の出力は制限電圧VCLIPで制限される。
【0074】
可変増幅器38の出力信号のOBレベルが直流電圧レベルVREFにクランプされて収束する際の様子は、すでに説明した従来例の図5に示した例と全く同様であるので、ここでは図示しない。
【0075】
CCD出力のOB画素出力は、CDS(相関2重サンプリング)回路32の働きにより、基準電圧VREFに比較的近い直流電圧を保っているが、実際には、CCD1のフィードスルー成分と信号成分との差成分(CCDオフセット)および、撮像素子の温度に依存する暗電流成分が重畳されてオフセット誤差を有している(通常、数ミリ〜数十ミリボルト)。
【0076】
このオフセット誤差は、撮像素子ごとにばらつき、また、温度により変動する。そして、このオフセット誤差が可変増幅器38によって増幅されて最終的に、撮像信号の黒レベル変動VERRとして出力される。
【0077】
黒レベル変動VERRは、デジタル演算回路42,電流DAC40によって検出され、積分されて、バッファ回路36を介して積分出力信号としてCDS回路32の出力信号より減算される。
【0078】
OBクランプパルスの出力毎に、この動作が繰り返されることにより、黒レベル変動VERRはゼロに近づき、CDS回路32のOB出力が基準電圧VREFに近づくとともに、これに対応してA/D変換後のOBレベルも所定の目標値へと収束する。
【0079】
ここで、端子34aより与えられる制限電圧VCLIPは、不図示のシステム電圧制御用のDA変換器により供給される制御電圧とし、増幅器38のゲイン設定値に応じて可変設定されうるものとする。
【0080】
すなわち、ゲイン設定値が1倍のときの基準電圧VREFに対する振幅変動の制限量をAとし、かつ、ゲイン設定値が1倍のときの基準電圧VREFに対する振幅変動の制限量Aは、前記撮像素子のもつオフセット誤差を超えない、すなわち、オフセット誤差による変動量を制限することのない制限量に設定されるものとする。
【0081】
このとき、
ゲイン設定値が1倍のときの制限電圧VCLIPは、VREF+A
ゲイン設定値が2倍のときの制限電圧VCLIPは、VREF+A/2
ゲイン設定値が4倍のときの制限電圧VCLIPは、VREF+A/4
という具合に、振幅変動の制限量が、ゲイン設定値と反比例に設定して切り換えて与えられる。
【0082】
このような具合に制限電圧VCLIPを設定することで、可変増幅器38のゲイン設定値が、1倍,2倍,4倍のいづれの場合においても、可変増幅器38の出力側に対応する制限電圧を一定電圧Aに保つことができる。
【0083】
次に、本実施例におけるブルーミング発生時のクランプ動作を説明する。
【0084】
ブルーミング発生時のクランプ動作を説明するための各部の動作波形であるが、実施例1の説明で用いた図2の様子とほぼ同様であるので、図2を用いて(差異の部分を含めて)以下に説明する。
【0085】
CDS31の出力である1AのOB出力は、ブルーミングの発生にともない急速に上昇しCCD飽和レベルVSATに達する。PGA38の出力である1CのOB出力は、最初、CDS出力1AのOB出力上昇に合わせて上昇を開始し、AD変換器39およびをデジタル演算回路42、電流DAC40を通じてコンデンサ37へ電流値として入力されて、電流DAC40とコンデンサ37とで設定された時定数による応答時間で、積分出力1Bとして、上昇したCDS出力1AのOBレベルに対してゆるやかに基準電圧VREFまで引き下げるように働く。
【0086】
しかし、急速にCCD飽和レベルVSATまで上昇したOB出力に対して、コンデンサ37に入力された電流値がはそのまま積分されてOB変動VSATに電圧上昇することはなく、電圧制限回路34によって所定の電圧VCLIPでオフセット加算器35への減算量が制限される。
【0087】
そのために、通常のクランプ動作時のように積分出力1Bおよび可変増幅器38の出力信号のOB画素出力は基準電圧VREFへと収束するのではなく、振幅制限電圧VCLIPに収束する。
【0088】
このとき、可変増幅器38のOB出力は本来の正しいOB出力レベルに対して、おおよそVCLIP電圧分だけ上昇したところで基準電圧VREFにクランプされることになるので、撮像信号としては、電圧VCLIPによる上昇分だけが黒沈みが減少する結果となる。したがって、VCLIP電圧を適切に設定することによりクランプ後の撮像信号の黒沈みを抑えることができる。
【0089】
CCDのブルーミングが解消した後には、今度は、可変増幅器38のOB出力は本来の正しいOB出力レベルに対して、ブルーミングにより上昇したVCLIP電圧の変動分だけ基準電圧VREFに引き上げられる。したがって、VCLIP電圧を適切に設定することにより、クランプ後の撮像信号が正しいOB出力レベルに復帰するのに要する時間も短縮することができる。
【0090】
たとえば、CCD飽和レベルVSATが1Vのとき、(VCLIP−VREF)電圧を、0.2Vで設定すれば、ブルーミングに際して、黒沈み量と復帰時間を、およそ5分の1に抑えることができる。
【0091】
そして、すでに説明したように、前記(VCLIP−VREF)電圧は、
可変増幅器38のゲインに依らず、一定の振幅制限量Aに設定されるので、前記黒沈み量と復帰時間も、可変増幅器38のゲインに依らず、一定の効果が実現できる。
【0092】
なお、実施例1,2においては、従来例における装置構成と対比するために、従来例の装置構成をベースに、撮像素子,CDS回路,オフセット加算器,ゲイン可変増幅器の順番で信号処理の構成を成した一例を説明したものだが、本発明の、オフセット加算器へのオフセット加算を制限する、即ち、撮像手段の素子ばらつきや温度特性および増幅手段による変動量をおおよそ逸脱する負帰還信号に対して帰還制限を行うという主旨に基づけば、必ずしも、信号処理の順番は前述の構成に限定されるものではない。
【0093】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、CCDのブルーミングの発生によって、たとえCCD出力に適正レベルを大きく逸脱するOBレベル変動が発生したとしても、フィードバッククランプ回路の帰還信号に適切な帰還制限手段を設けることによりオフセット加算量が制限されるので、OB出力を大きく誤った黒レベルに追従して撮像信号に黒沈みを生じるという問題のない撮像信号を得ることができる。
【0094】
また、CCDのブルーミングが解消した後も、正常なOBレベルへの復帰が速やかに行えるので、応答性に優れた撮像信号を得ることができる。
【0095】
また、請求項4,8,10記載の発明によれば、前記可変増幅手段のゲインに応じて、負帰還信号に対する帰還制限レベルを可変するので、前記黒沈み量と復帰時間について、撮像装置の感度可変幅である低ゲインから高ゲインまでのすべての範囲において、感度によらない効果の安定した撮像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1の要部構成を示すブロック図
【図2】 ブルーミング発生時のクランプ動作の説明図
【図3】 実施例2の要部構成を示すブロック図
【図4】 従来例の構成を示すブロック図
【図5】 クランプ動作の説明図
【図6】 従来例におけるブルーミング発生時のクランプ動作の説明図
【符号の説明】
1 CCD
2 CDS回路
3 オフセット加算回路
4 可変増幅器
5 積分アンプ
5e,5f 振幅制限器
6 基準電圧VREF
7 サンプルホールド回路[0001]
[Prior art]
Usually, when displaying or recording a still image or a moving image captured by a solid-state imaging device such as a CCD, the optical black of the imaging device (optical black, hereinafter referred to as OB) is used as a reference for the brightness of the imaging signal. Note) levels are used. OB refers to a pixel output that is shielded from light in the light receiving pixel portion of the image sensor and does not depend on incident light.
[0002]
FIG. 4 shows an example of a device configuration of a feedback clamp system generally used in a video camera or the like in a DC component reproducing (clamping) circuit using the OB level as a black reference of an imaging signal, and main operation waveforms are shown in FIG. The operation will be briefly described.
[0003]
In FIG. 4, there is a solid-
[0004]
The
[0005]
The
[0006]
The amplified output signal from the
[0007]
The
[0008]
FIG. 5 shows how the OB level of the
[0009]
A
[0010]
The OB pixel output of the
[0011]
This offset error varies for each image sensor, and varies depending on the temperature. Then, this offset error is amplified by the
[0012]
The black level fluctuation VERR is detected as a difference of the VREF voltage by the
[0013]
By repeating this operation for each output of the
[0014]
By the way, in such a feedback type OB clamp circuit, the integration time constant in the case of integrating the black level fluctuation VERR and performing negative feedback is very important.
[0015]
If the time constant is short, the follow-up response to the VREF voltage of the output OB level for each horizontal line will be faster, but the amount of fluctuation (fluctuation frequency) for each clamping operation will increase accordingly, and horizontal streak-like noise will likely occur. Become.
[0016]
Therefore, the time constant must be set to a predetermined length so that the horizontal streak noise does not cause a problem in image quality.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional feedback type OB clamp circuit, the offset error due to the CCD offset and dark current component of the image sensor is assumed as the main factor of the fluctuation amount of OB, and these offset error components are corrected. The main design is made.
[0018]
Originally, these offset error components are not so large as 1/10 or less (several millimeters to several tens of millivolts) of the full range (up to 1 volt) of the imaging signal.
[0019]
By the way, when strong light such as direct sunlight is incident on a solid-state imaging device such as a CCD, a phenomenon called so-called blooming occurs in which charge overflows in the photoelectric conversion unit. When blooming occurs, the overflowed charge may flow into and accumulate in the OB pixel portion that is originally shielded in the light receiving pixel portion and does not depend on incident light.
[0020]
In this case, unlike the offset error component, the OB level cannot be an accurate black reference, but also reaches a full range level change (CCD saturation level VSAT) of the imaging signal for intense blooming.
[0021]
FIG. 6 shows operation waveforms of respective parts for explaining a clamping operation when blooming occurs. The OB output of the
[0022]
As described above, the conventional clamp circuit configuration has a problem that when blooming occurs, it follows an erroneous black level that greatly deviates from an appropriate OB level, and the entire image pickup signal causes blackening.
[0023]
In addition, as a result of following an erroneous black level that greatly deviates from the proper OB level, it takes a very long time to return to the normal OB level even after the blooming of the image sensor is resolved. There was a problem that the condition continued.
[0024]
The present invention has been made under such circumstances, and provides an image pickup apparatus and an image pickup method for the image pickup apparatus that do not cause a problem that blackout occurs in an image pickup signal by following an OB output to a largely incorrect black level. It is intended to do.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, an imaging apparatus is provided as the following (1)., (2) And the imaging method of the imaging device is as follows (3)Configure as follows.
(1) An imaging unit that optically forms an object on an image sensor, an image sensor that converts an optical image of the object into an electrical signal, and a direct current with respect to an electrical signal after photoelectric conversion by the image sensor An offset adding means for adding voltage, an amplifying means for amplifying with a variable gain, an optical black level included in the imaging signal with respect to the imaging signal after the offset addition processing by the offset adding means and the amplification processing by the amplifying means Sample hold means for sample-holding, negative feedback signal generation means for generating the DC voltage as a negative feedback signal based on a difference between a predetermined reference value and the optical black level held by the sample hold means, Feedback limiting means provided in a negative feedback signal generating means for limiting the DC voltage added in the offset adding means. In the imaging device,
The imaging apparatus in which the feedback limiting unit varies a feedback limiting level for a negative feedback signal according to a gain of the amplification unit.
(2) Imaging means for optically imaging a subject on an image sensor, an image sensor for converting an optical image of the subject into an electrical signal, and direct current with respect to an electrical signal after photoelectric conversion by the image sensor An offset adding means for adding a voltage; an amplifying means for amplifying with a variable gain; an offset adding process by the offset adding means; and an AD converting means for converting an analog imaging signal after the amplification process by the amplifying means into a digital signal; Optical black level extraction means for extracting an optical black level included in a digital signal obtained by the AD conversion means, and a difference between a predetermined reference value and the optical black level extracted by the optical black level extraction means And a negative feedback signal generating means for generating the DC voltage as a negative feedback signal, and the negative feedback signal generating means. In the image pickup apparatus and a feedback limiting means for limiting the DC voltage to be added in unit,
The imaging apparatus in which the feedback limiting unit varies a feedback limiting level for a negative feedback signal according to a gain of the amplification unit.
(3) An imaging apparatus comprising an amplifying unit for amplifying an electric signal from the imaging element and a feedback type OB clamp circuit including the amplifying unit, and limiting the amplitude of the negative feedback signal in the OB clamp circuit to a predetermined value or less. An imaging method of
An imaging method for an imaging apparatus, wherein the predetermined value is changed according to a gain to be set when the gain of the amplification means is variably set.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to examples of the imaging apparatus. The present invention is not limited to the form of the apparatus, and can be carried out in the form of a method supported by the description of the embodiments.
[0037]
【Example】
(Example 1)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a feedback-type OB clamp circuit that is a main part of the “imaging device” according to the first embodiment.
[0038]
First, the configuration of FIG. 1 will be described.
[0039]
[0040]
The
[0041]
The
[0042]
The amplified output signal from the
[0043]
The integrating
[0044]
Further, the integrating
[0045]
The state when the OB level of the
[0046]
The OB pixel output of the CCD output 1A is maintained at a DC voltage relatively close to the reference voltage VREF by the action of the CDS (correlated double sampling)
[0047]
This offset error varies for each image sensor, and varies depending on the temperature. Then, this offset error is amplified by the
[0048]
The black level fluctuation VERR is detected as a difference of the VREF voltage by the
[0049]
At this time, the
[0050]
As a result, this operation is repeated for each output of the
[0051]
Next, a clamp operation when blooming occurs in this embodiment will be described.
[0052]
FIG. 2 shows operation waveforms of respective parts for explaining a clamping operation when blooming occurs in this embodiment.
[0053]
The OB output of the CDS output 1A rises rapidly with the occurrence of blooming and reaches the CCD saturation level VSAT. The OB output of the
[0054]
However, the OB fluctuation VSAT input to the integrating
[0055]
For this reason, the integrated output 1B and the OB pixel output of the output signal of the
[0056]
At this time, the OB output of the
[0057]
After the CCD blooming is eliminated, the OB output of the
[0058]
For example, when the CCD saturation level VSAT is 1V, if the VCLIP voltage is set at 0.2V, the amount of black sink and the recovery time can be suppressed to about 1/5 during blooming.
[0059]
Further, in order to briefly explain the basic operation of the clamp, in this embodiment, the gain of the
[0060]
(Example 2)
By the way, in the feedback limiting means using the element characteristics (diode forward voltage) of the diode shown in the first embodiment, the voltage level (VCLIP voltage) to be limited depends on the element characteristics, and is adjusted with high accuracy. Can not do it.
[0061]
Also, the VCLIP voltage appropriate for limiting the OB fluctuation due to blooming depends on the set gain of the variable amplifier.
[0062]
Thus, by switching the VCLIP voltage according to the set gain of the variable amplifier, the configuration and operation are devised so that the same effect can be obtained in all ranges from low gain to high gain, which is the sensitivity variable width of the imaging device. This is the second embodiment to be described.
[0063]
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a main part of the “imaging device” according to the second embodiment.
[0064]
The configuration of FIG. 3 will be described.
[0065]
[0066]
The
[0067]
The
[0068]
The amplified output signal from the
[0069]
The digital
[0070]
The output of the
[0071]
Further, a
[0072]
The limit voltage VCLIP applied from the terminal 34a is transmitted to the output of the
[0073]
When the output current of the
[0074]
The manner in which the OB level of the output signal of the
[0075]
The OB pixel output of the CCD output is maintained at a DC voltage that is relatively close to the reference voltage VREF by the action of the CDS (correlated double sampling)
[0076]
This offset error varies for each image sensor, and varies depending on the temperature. Then, this offset error is amplified by the
[0077]
The black level fluctuation VERR is detected by the digital
[0078]
By repeating this operation every time an OB clamp pulse is output, the black level fluctuation VERR approaches zero, and the OB output of the
[0079]
Here, the limit voltage VCLIP given from the terminal 34a is a control voltage supplied by a DA converter for system voltage control (not shown), and can be variably set according to the gain setting value of the
[0080]
That is, the limit amount of amplitude fluctuation with respect to the reference voltage VREF when the gain setting value is 1 is A, and the limit amount A of amplitude fluctuation with respect to the reference voltage VREF when the gain setting value is 1 is the imaging element. Is set to a limit amount that does not exceed the offset error, i.e., does not limit the amount of variation due to the offset error.
[0081]
At this time,
The limit voltage VCLIP when the gain setting value is 1 is VREF + A
The limit voltage VCLIP when the gain setting value is double is VREF + A / 2
The limit voltage VCLIP when the gain setting value is 4 times is VREF + A / 4.
In other words, the limited amount of amplitude variation is set in inverse proportion to the gain setting value.
[0082]
By setting the limit voltage VCLIP in such a manner, the limit voltage corresponding to the output side of the
[0083]
Next, a clamp operation when blooming occurs in this embodiment will be described.
[0084]
The operation waveforms of each part for explaining the clamping operation when blooming occurs are almost the same as the state of FIG. 2 used in the description of the first embodiment, and therefore FIG. 2 is used (including the differences). ) Described below.
[0085]
The 1A OB output, which is the output of the
[0086]
However, the current value input to the
[0087]
Therefore, the integrated output 1B and the OB pixel output of the output signal of the
[0088]
At this time, the OB output of the
[0089]
After the CCD blooming is eliminated, the OB output of the
[0090]
For example, when the CCD saturation level VSAT is 1V, if the (VCLIP-VREF) voltage is set at 0.2V, the amount of black sinking and the recovery time can be suppressed to about 1/5 during blooming.
[0091]
And as already explained, the (VCLIP-VREF) voltage is
Since the constant amplitude limit amount A is set regardless of the gain of the
[0092]
In the first and second embodiments, in order to compare with the device configuration in the conventional example, the signal processing configuration in the order of the image pickup device, the CDS circuit, the offset adder, and the gain variable amplifier is based on the device configuration of the conventional example. In the present invention, the offset addition to the offset adder is limited, i.e., with respect to the negative feedback signal that deviates from the element variation of the image pickup means, the temperature characteristics, and the fluctuation amount due to the amplification means. Therefore, the order of signal processing is not necessarily limited to the above-described configuration.
[0093]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if an OB level fluctuation that greatly deviates from the appropriate level occurs in the CCD output due to the occurrence of the blooming of the CCD, the feedback limiting means suitable for the feedback signal of the feedback clamp circuit. Since the amount of offset addition is limited by providing the OB output, it is possible to obtain an imaging signal that does not cause a problem that blackout occurs in the imaging signal by following the OB output to a largely incorrect black level.
[0094]
In addition, even after the CCD blooming is eliminated, the normal OB level can be quickly restored, so that an imaging signal with excellent responsiveness can be obtained.
[0095]
According to the fourth, eighth, and tenth aspects of the present invention, the feedback limit level for the negative feedback signal is varied according to the gain of the variable amplifying means. An imaging signal with a stable effect independent of sensitivity can be obtained in the entire range from low gain to high gain, which is a variable sensitivity range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a clamping operation when blooming occurs
FIG. 3 is a block diagram showing a main configuration of the second embodiment.
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional example
FIG. 5 is an explanatory diagram of the clamping operation.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a clamping operation when blooming occurs in a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 CCD
2 CDS circuit
3 Offset addition circuit
4 Variable amplifier
5 Integration amplifier
5e, 5f Amplitude limiter
6 Reference voltage VREF
7 Sample hold circuit
Claims (3)
前記帰還制限手段は、前記増幅手段のゲインに応じて、負帰還信号に対する帰還制限レベルを可変することを特徴とする撮像装置。An imaging means for optically imaging the subject on the imaging device, an imaging device for converting the optical image of the subject into an electrical signal, and a DC voltage added to the electrical signal after photoelectric conversion by the imaging device samples and offset adding means, and amplifying means for amplifying with variable gain, the optical black level included in the image pickup signal to the image pickup signal after amplification by the offset addition processing and the amplification means by said offset adding means for a sample-and-hold means for holding a negative feedback signal generating means based on the difference of the held optical black level by the sample-and-hold means with a predetermined reference value, to generate the DC voltage as a negative feedback signal, before Kimake provided feedback signal generating means, shooting with a feedback limiting means for limiting the DC voltage to be added before Symbol offset adding means, In the device,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the feedback limiting unit varies a feedback limiting level for a negative feedback signal according to a gain of the amplification unit .
前記帰還制限手段は、前記増幅手段のゲインに応じて、負帰還信号に対する帰還制限レベルを可変することを特徴とする撮像装置。An imaging means for optically imaging the subject on the imaging device, an imaging device for converting the optical image of the subject into an electrical signal, and a DC voltage added to the electrical signal after photoelectric conversion by the imaging device offset adding means for, amplifying means for amplifying with variable gain, an AD converter for converting an analog image pickup signal after amplification by the offset addition processing and the amplifying means according to said offset addition means into a digital signal, the AD conversion Optical black level extraction means for extracting an optical black level contained in the digital signal obtained by the means, and based on a difference between a predetermined reference value and the optical black level extracted by the optical black level extraction means. Te, a negative feedback signal generating means for generating the DC voltage as a negative feedback signal, is provided in the negative feedback signal generating means, said offset addition means In the imaging apparatus having a feedback limiting means for limiting said DC voltage Oite added, the,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the feedback limiting unit varies a feedback limiting level for a negative feedback signal according to a gain of the amplification unit .
前記増幅手段のゲインを可変設定する際に、設定するゲインに応じて前記所定値を変更することを特徴とする撮像装置の撮像方法。Amplifying means for amplifying the electric signal from the imaging element, the imaging of the imaging device for limiting a OB clamp circuit of the feedback type which includes the amplifying means, the amplitude of the negative feedback signals before Symbol OB clamp circuit to a predetermined value or less A method,
An imaging method for an imaging apparatus, wherein when the gain of the amplifying unit is variably set, the predetermined value is changed according to the gain to be set .
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