JP4549040B2

JP4549040B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4549040B2
Application number: JP2003295455A
Authority: JP
Inventors: 康之田中
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP2005065109A

Description

本発明は、エリアセンサ（撮像素子）を用いた撮像装置に関し、特にエリアセンサの画像出力を分割して読み出す撮像装置に関する。

従来のエリア撮像素子を用いた撮像装置においては、ＣＣＤエリアセンサを駆動し、ＣＣＤエリアセンサの出力波形に相関二重サンプリングを施し、Ａ／Ｄ変換する様々なパルスを発生するために、タイミングジェネレータと呼ぶ集積回路を用いている。タイミングジェネレータの発生する上記各種パルスは、大きく２つに分類される。

(1) 画素クロックの１周期内で位相を可変させる必要のあるもの。
・水平転送パルスＨ１・Ｈ２
・リセットゲートパルス
・相関二重サンプリングパルスSHP・SHD
・A/Dクロックパルス

(2) 画素単位で変化させるもの。
・水平転送パルスＨ１・Ｈ２のあり、なし
・垂直転送パルスＶ１・Ｖ２・Ｖ３・Ｖ４
・ダミーパルス
・オプティカルブラックパルス

水平転送パルスＨ１・Ｈ２は位相を変化させる必要があり、さらに水平ブランキング期間は垂直転送のために停止させる必要もある。上記(1)の分類では、前記水平転送パルスＨ１・Ｈ２以外のパルスは常時出ている。上記(2)に分類される各パルスは、通常、水平ブランキング期間内のみで変化する。例外は画像を読み出していない垂直ブランキング期間であり、垂直ブランキング期間には、電子防振を行うために掃き出しパルスやフレームシフトパルス、各フォトダイオードから垂直転送ＣＣＤに電荷を移すためのセンサーゲートパルスをＶ１〜Ｖ４に加える。このように、垂直ブランキング期間を除いた期間では、各パルスは水平ブランキング期間内でのみ変化するので、タイミングジェネレータは当該水平ブランキング期間の少し手前で上記(2)の各種パルスを発生させるためのカウンタを起動し、当該カウンタのカウント値を用いて上記各種パルスを発生させ、水平ブランキング終了後はカウンタを停止させることで、カウンタが動作することによる画像への縦筋上のノイズの混入を抑える工夫が行われている。

また、下記の特許文献１及び２が公開されている。

特開2002-252808号公報特開2002-320142号公報

近年、エリアセンサの多画素化に伴い、画面を中央で垂直２分割して別々に読み出すエリアセンサが登場した。２分割して読み出す場合、チャンネル間のオフセットやゲインの違いを補正する必要が生じる。オフセットを合わせるために、後述するようにダミー信号を用いる。水平転送ＣＣＤに長さより多く転送パルスを与えると、すべての画素を転送し終わったあとに空のレベルが読み出される。これをダミー信号と呼び、このダミー信号を用いて、両チャンネルのレベルを合わせる。ダミー信号の場所を示すダミーパルスを発生させるために、上記カウンタを動作させる必要がある。従来の１チャンネルの場合、カウンタを動作させてはいたが、カウンタが動作することによるダミーパルスへの飛び込みは、ダミー信号の若干の上昇となるだけで実害は無かった。２チャンネルの場合、カウンタが動作することによるダミーパルスへの飛び込みがそれぞれのチャンネルに均等になるとは限らないので、チャンネルによってダミー信号レベルのずれが生じることがあり、このずれは画像のゲインアップをするほど目立つことから、ゲインアップの上限を決めてしまうことにもなり、問題であった。

本発明の目的は、２画面分割エリアセンサの画像を合成する際に精度の高いレベル合わせを行うことである。

本発明の撮像装置は、複数チャンネルに分割して、画像信号をライン単位でチャンネルごとに出力するとともに、前記画像信号に続いて空読みによるダミー信号をチャンネルごとに出力するエリアセンサと、タイミング信号に基づいて前記画像信号を所定電圧にクランプするクランプ手段と、前記クランプ手段により所定電圧にクランプされた前記画像信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段とを前記チャンネルごとに設けたアナログフロントエンドと、前記ダミー信号に基づいて前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル変換された前記画像信号の信号レベルを前記複数チャンネル間で調整するための調整手段と、前記エリアセンサが前記ダミー信号を出力した後であって、前記エリアセンサが次ラインの画像信号の垂直転送を行う前のタイミングに、前記クランプ手段によるクランプを行わせるための前記タイミング信号を生成するタイミングジェネレータと、を有することを特徴とする。

エリアセンサがダミー信号を出力した後に、エリアセンサから出力される信号に対してクランプすることにより、エリアセンサから出力される複数領域間の信号レベルを調整するための基準信号レベルのずれを防止することができる。

また、エリアセンサがダミー信号を出力した後に、エリアセンサから出力される信号の基準信号レベルを決め、エリアセンサから出力される複数領域間の信号レベルを調整することにより、複数領域間の基準信号レベルを精緻に合わせることができる。

図１は本発明の実施形態の特徴を最もよく表す図面である。同図において、レンズを通った画像がCCDエリアセンサ101に加えられる。CCDエリアセンサ101は左右分割２チャンネル読み出しのCCDエリアセンサであり、多画素をテレビレートで読み出す必要性から、従来の水平読み出しＣＣＤを中央で分割し、図３に示すように画面の右半分311と左半分313とを左右に別々に読み出す構成となっている。左右別々に取り出された画像信号はそれぞれバッファアンプ103、105を通り、アナログフロントエンド107に加えられる。アナログフロントエンド107は、例えばテキサスインスツルメンツ社のＶＳＰ２２５４である。当該LSIは、２つのチャンネルが１つのチップに作りこまれており、加えられたＣＣＤエリアセンサ出力信号に相関二重サンプリングとA/D変換を行い、結果をデジタル化された画像信号としてオフセット・ゲイン調整手段109に出力する。オフセット・ゲイン調整手段109は左右各画像信号用の２つの回路ブロック251、253とカウンタ255とで構成されている。253はチャンネルが異なるだけで同様の処理を行うので、ここでは251を用いて処理を説明する。アナログフロントエンド107からの画像信号はダミー信号平均化手段203と減算手段205に加えられる。ダミー信号平均化手段203はダミー信号部のレベルを数ラインに渡って積分することで平均化し、結果を減算手段205に加える。減算手段205は全体の画像信号を203で平均化したダミー信号レベルで減算することで除去し、結果をＯＢレベル積分手段207と減算手段211に加える。ＯＢレベル積分手段207は遮光されたオプティカルブラック(以下ＯＢと呼ぶ)信号部分のレベルを積分し、結果をマイコンバス経由でマイコンに送る。ＯＢ信号は黒の基準として用いるためのものであり、遮光された画素が図３のＯＢで示された黒の部分321、323に配置されている。また、レジスタ209、213がマイコンバスにつながれており、マイコンからレジスタ209にオフセット値、レジスタ213にゲインを書き込む。減算手段211は画像信号の固定のオフセットをマイコンの指示した値で減算し、結果を乗算手段215に加える。乗算手段215は画像信号にマイコンの指示したゲインを乗算し、結果を加算手段217に加える。加算手段217は画像信号にあらかじめ決められた固定のオフセットを加え、結果をメモリー手段113に出力する。オフセット・ゲイン調整手段109は以上説明した回路ブロック251と同じブロック253とで左右の各信号を別々に処理し、結果をメモリー手段113に加える。カウンタ255はダミー信号やＯＢ信号部分を指示するためのカウンタであり、その役割については後述する。

メモリー手段113はミラー反転して読み出された画像の右半分を並べ替え、左半分とつなげて、一つの画像信号としてカメラ信号処理手段115に出力する。カメラ信号処理手段115は従来の１チャンネル用カメラ信号処理手段であり、多画素CCDで得られた大きな画像をDVCデジタルビデオ規格に合わせる縮小処理、手ぶれ補正処理、γ補正、色の分離、輝度の輪郭強調などの各種処理を施し、画像信号として端子117に出力する。

さらにカメラ信号処理手段115はカウンタ121とコマンド生成手段119を内蔵している。カウンタ121はタイミング生成手段131内の基準クロック生成手段133の生成したクロックＴＧＣＬＫ(例えば54MHz)で動作し、計数した数値をコマンド生成手段119に加える。コマンド生成手段119はＴＧＣＬＫに同期して動作し、水平同期信号ＨＤとコマンドを生成し、水平同期信号ＨＤをタイミング生成手段131内のカウンタ139に、コマンドをタイミング生成手段131内のコマンド復号手段135に加える。ここで水平同期信号ＨＤは、ＣＣＤエリアセンサの水平読み出し周波数に同期したタイミング信号であり、多画素ＣＣＤの場合、NTSCやＰＡＬなどのビデオ信号の水平同期信号よりは周波数が高いのが普通である。

カウンタ139にはＴＧＣＬＫとＨＤとが加えられており、水平同期信号ＨＤの立下りでカウンタが起動され、設定した値に到達すると停止するように構成されている。カウンタ139の計数値はコマンド復号手段135に加えられ、コマンド生成手段119から送られてくるコマンドを復号する。

ここでコマンドとは、各水平同期時間にパルス生成手段137が発生すべき波形を指示することであり、水平同期信号の立下りを目印として、規定の順番で規定の長さに渡りカメラ信号処理手段115からタイミング生成手段131に送られる。コマンドの例を、図５を用いて説明する。水平同期信号ＨＤの立下りでカウンタが00からカウントアップする。初期値０と第一変化点10、第二変化点19がコマンドの具体例であり、一つ前の水平同期信号中に送られ、保持されている。生成する波形の例が波形Ａである。水平同期信号ＨＤの立下りで波形Ａに初期値が与えられる。そしてカウンタが第一変化点10に達すると、波形は０から１に変化し、第二変化点19に達すると１から０に変化する。このような仕組みで水平ブランキング期間内に変化させる必要のある信号を変化させ、カウンタは停止して次の水平同期信号ＨＤの立下りを待つ。

基準クロック生成手段133は、ＴＧＣＬＫを２分周することでＭＰＸＣＬＫ(例えば27MHz)を生成し、パルス生成手段137とオフセット・ゲイン調整手段109内のカウンタ255に加える。

パルス生成手段137は基準クロック生成手段133の生成したＭＰＸＣＬＫとコマンド復号手段135の指示に従い各種パルスを発生し、CCDエリアセンサ101とアナログフロントエンド107、オフセット・ゲイン調整手段109に加える。具体的にはCCDエリアセンサ101に２種類の水平転送パルスＨ１・Ｈ２、４種類の垂直転送パルスＶ１・Ｖ２・Ｖ３・Ｖ４、リセットゲートパルスＲＧを加え、アナログフロントエンド107に基準サンプルパルスＳＨＰ、データサンプルパルスＳＨＤ、Ａ／Ｄ変換のためのＡＤＣＬＫパルス、ダミー部分でアナログフロントエンド107の入力を基準電位に保持するためのダミーパルスＤＭ、画像のＯＢ部分を指示するＯＢパルスを加える。

パルス生成手段137の発生する波形の具体例を図６を用いて説明する。７０１が水平ブランキング期間であり、７０３が水平期間内にコマンド生成手段１１９が生成するコマンド、Ｈ１・Ｈ２が水平転送パルス、Ｖ１〜Ｖ４が垂直転送パルス、ＤＭが本実施形態におけるダミーパルス、ＯＢがＯＢレベルが出力されていることを示すＯＢパルスである。同図に示すように、水平ブランキング期間内で、各種のパルスが変化し、画像信号の部分では停止している。水平転送パルスは水平ブランキング期間では停止し、画像の期間では転送パルスを出し続ける。７０３に示すコマンドは次の水平ブランキング期間７０５内の波形を指示するように構成されている。

これらのパルスを生成する回路例を図７に示す。８０１、８０３、８０５、８０７、８０９、８１１、８１３、８１５は波形生成回路であり、一水平期間内に変化する波形を生成する。当該波形生成回路は図５に示した原理で波形を生成する。８０１は水平ブランキング期間内に水平転送パルスＨ１・Ｈ２を停止する信号を生成する。８０３、８０５、８０７、８０９はそれぞれＶ１〜Ｖ４の垂直転送パルスを発生し、垂直ドライバ８２１、８２３、８２５、８２７に加える。８１１と８１３はセンサーゲートパルスを発生し、８２１と８２５に加えることで、約１５Ｖ程度のセンサーゲートパルスをＣＣＤ１０１に加えるためのものである。８１５はＯＢパルスを発生し、アナログフロントエンド１０７に加える。

８５１、８５３、８５５、８５７、８５９、８６１は画素クロックの１周期内で位相を変化できる波形生成手段であり、入力された２７ＭＨｚのＭＰＸＣＬＫの１周期を５０分割した各位相から、立ち上がりと立下りエッジを選択することができる。波形生成手段８５１、８５３、８５５、８５７，８５９、８６１の構造を図８を用いて説明する。基準となる２７ＭＨｚの画素クロックが端子９０１を通じて位相比較手段９０３に加えられる。位相比較手段９０３のもう一方の端子には遅延線９０７の出力が加えられている。位相比較手段９０３は加えられた２つの位相を比較し、結果をループフィルタ９０５に出力する。ループフィルタ９０５は加えられた信号を平均化し、結果を５０段の遅延線９０７に加える。これにより、加えられた基準クロックの１周期と遅延線９０７の出力が位相ロックするようにループが動き、結果として遅延線の各タップには、基準クロックの１周期を５０分割した各位相の出力が得られる。この位相をスイッチ９０９とスイッチ９１１で選択し、結果がＳＥＴ／ＲＥＳＥＴフリップフロップ９１３に加えられることで、立ち上がりと立下りの波形をそれぞれ基準クロックの５０分割した中から選択し、結果を出力端子９１５に出力する。これにより、基準クロックの一周期を50分割した分解能で任意のデューティ・任意の位相の波形を生成することができる。

波形生成手段８５１はリセットゲートパルスＲＧを生成、８５３・８５５は水平転送パルスＨ１・Ｈ２をそれぞれ生成しＣＣＤ１０１に供給する。８５７・８５９は相関二重サンプリングパルスＳＨＰ・ＳＨＤをそれぞれ生成、８６１はＡ／ＤクロックパルスＡＤＣＬＫを生成し、アナログフロントエンドに供給する。

水平同期信号ＨＤとダミーパルスＤＭ・ＯＢパルスＯＢの関係について図４（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。図４（Ａ）において、ＶｏｕｔＡとＶｏｕｔＢがオフセット・ゲイン調整手段109に加えられた２つの画像信号であり、ＨＤと表記された信号が、コマンド生成手段119がタイミング生成手段131に加える水平同期信号、ＤＭと表記された信号が、パルス生成手段137が生成するダミーパルスである。

図４（Ａ）を、水平ブランキング期間に着目して拡大したのが図４（Ｂ）である。ＶｏｕｔＡとＶｏｕｔＢからは、画像信号ＶＩＤＥＯが終わったあと、しばらくダミー信号ＤＭが出力される。これはCCDエリアセンサ101に、水平転送ＣＣＤの長さより多くの水平転送パルスＨ１・Ｈ２を供給し続け、水平転送ＣＣＤが空読みされるためである。このダミー信号は画像で言えば左右分割の中央部分の画像が終わったあとの画素のない部分の基準信号であり、当該左右のダミー信号のレベルを合わせることで左右の画像信号のオフセットを合わせることができる。ダミー信号の次は水平ブランキング期間ＢＬＡＮＫＩＮＧであり、水平転送パルスＨ１・Ｈ２は停止され、図示しない垂直転送パルスが出されることで、ＣＣＤ101内で次の１ラインの画像信号が垂直転送ＣＣＤから転送されて、水平転送ＣＣＤ301、303上に加えられる。次に水平転送パルスＨ１・Ｈ２が再開され、ＯＢが読み出されたあと、画像信号ＶＩＤＥＯが読み出される。

ここで、タイミング生成手段131に内蔵されたカウンタ139は、本実施形態では図４（Ｃ）に示すように、ダミー信号ＤＭが終わってから起動される。これによりダミー信号部分に、タイミング生成手段131に内蔵されたカウンタ139の動作の影響をなくすことができる。

図２にアナログフロントエンド107の入力部分のブロック図を示す。ダミー信号は同図のＤＭに示すスイッチを閉じることで、コンデンサを介してＤＣカットされたアナログフロントエンド１０７の入力電圧を一定にクランプする。従来は図２のＤＭで示されたスイッチは、ＣＣＤからダミーレベルが出力される期間にＯＮされていたが、本実施形態では垂直ブランキング期間に閉じるように変更した。垂直ブランキング期間は吐き出しパルスやフレームシフトパルスによる無効な画像信号が出ていることがあるが、図２に示すようにアナログフロントエンド１０７はＤＭのスイッチと基準サンプルパルスＳＨＰによるスイッチが直列接続されており、無効な画像信号の部分ではＳＨＰが閉じないため問題はない。このようにタイミング生成手段１３１の発生するＤＭパルスを水平ブランキング期間内に移したことにより、図１に示すようにＤＭパルスを用いてアナログフロントエンド１０７入力電圧のクランプに用いるだけでなく、オフセット・ゲイン調整手段109に内蔵されたカウンタ255のリセットに用いることができ、当該カウンタ２５５を用いてダミー信号平均化手段203にダミー信号の位置、ＯＢレベル積分手段207にＯＢ信号の位置を指示する。

図６に示すように、ＣＣＤエリアセンサ１０１は、領域分割された複数の領域について、ＶｏｕｔＡ及びＶｏｕｔＢからライン単位で画像信号及びそれに続くダミー信号ＤＭを出力する。図２に示すように、アナログフロントエンド１０７は、ダミーパルスＤＭがローレベルになると、スイッチが閉じ、ＣＣＤエリアセンサ１０１から出力される信号に対して所定電圧にクランプするクランプ回路を含む。図６に示すように、タイミングジェネレータ１３１は、ＣＣＤエリアセンサ１０１がダミー信号を出力した後に、水平同期信号ＨＤがローレベルになって水平ブランキング期間が開始し、カウンタ１３９のカウントが開始してダミーパルスのローレベルが生成される。図１のダミー信号平均化手段２０３は、カウンタ２５５に応じてダミー信号レベルの取り出し位置を決定し、ＣＣＤエリアセンサ１０１から出力されるダミー信号レベルを数ラインに渡って積分して平均化して基準信号レベルを生成する。減算手段２０５は、全体の画像信号から上記の基準信号レベルを減算し、ＣＣＤエリアセンサから出力される複数領域間の信号レベルを調整する。

本実施形態は、水平ブランキング期間でダミーパルスＤＭをアナログフロントエンド１０７に与えて、仮のDMレベルでデジタル値に変換し、デジタル値になってから、本当のダミー信号のレベルで両チャンネルのレベルを合わせる。ダミー信号平均化手段２０３は、カウンタ２５５に応じて、ＶｏｕｔＡ及びＶｏｕｔＢから出力されるダミー信号ＤＭを数ラインに渡って積分して平均化する。アナログフロントエンド１０７に与えるダミーパルスＤＭは、カウンタ１３９の値に応じて生成される。そして、デジタル的に真のダミー信号レベルを取り出す位置を生成するカウンタは、カウンタ１３９に接続されたカウンタ２５５の値に応じて生成される。ダミー信号平均化手段２０３は、カウンタ２５５の値に応じて、ＶｏｕｔＡのダミー信号とＶｏｕｔＢのダミー信号のレベルを合わせてオフセットを合わせる。

すなわち、アナログフロントエンド１０７でデジタル化する時のアナログフロントエンド１０７へ与えるダミーパルスＤＭは、(ノイズが乗った)ブランキング期間の適当な値を用いる。この値は、黒に近い明るさである。そして、デジタル化された後で、両チャンネルのダミー信号のレベルをダミー信号平均化手段２０３の値で減算して０にすることで、両チャンネルのダミー信号レベルを同じ値に設定する。

図４（Ｂ）の場合、タイミング生成手段（ＴＧ）でＣＣＤエリアセンサへの駆動パルスやアナログフロントエンドへのサンプリングパルスを発生していたので、ダミーレベルを出力させる時に、タイミング生成手段の内蔵カウンタを動かしてしまうと、カウンタノイズが水平駆動パルスなどを介して、ＣＣＤ出力に重畳され、ダミーレベルは変動してしまう。２チャンネルの場合、それが同等である保証がない。

そこで、本実施形態は、図４（Ｃ）に示すように、ダミー信号レベルを出力する際にはタイミング生成手段１３１のカウンタは動かさないが、アナログフロントエンド１０７に与えるダミーパルスＤＭとしてはブランキング期間（Ｖｏｕｔは黒に近い）を使って、アナログフロントエンド１０７の入力コンデンサの電圧を設定しておいて、アナログフロントエンド１０７で両チャンネルのデジタル値（ダミー信号レベルも含まれ、アナログフロントエンド１０７に与えたダミーパルス位置でのレベルよりは若干小さい）が出てきてから、当該デジタル値に含まれるダミー信号レベルをそれぞれ規定値に合わせることで、両チャンネルの黒レベルを合わせることができる。

以上のように、本実施形態によれば、アナログフロントエンドに加えるダミーの位置を変更し、実際のダミー信号が読み出される時にはタイミングジェネレータに内蔵したカウンタを動かさないようにした。エリアセンサからダミーレベルが出力される際には、エリアセンサや相関二重サンプリングやA/D変換を行うアナログフロントエンドに与えるタイミングを発生するタイミングジェネレータのカウンタを停止させ、前記アナログフロントエンドに与えるダミーパルスとして、実際のダミーレベルではなく水平ブランキング期間内のタイミングを与えることにより、タイミングジェネレータに内蔵したカウンタが動作することによるダミーパルスへの飛び込みがダミー信号のレベルのずれを生じさせることがなくなった。

また、本実施形態によれば、水平ブランキング内に出したダミーパルスを、アナログフロントエンドだけではなく、オフセット・ゲイン調整を行うデジタル処理手段にも加え、当該デジタル処理回路中でダミーレベルを抽出することにより、２つのチャンネル間のダミーレベルを精緻に合わせることができるようになった。

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。

本発明の実施形態による撮像装置を示す図である。アナログフロントエンドの入力部分を説明するブロック図である。２分割読み出しＣＣＤエリアセンサを説明する図である。水平同期信号ＨＤとダミーパルスＤＭ・ＯＢパルスＯＢの関係について説明する図である。コマンド生成手段119の発生するコマンドを説明する図である。パルス生成手段137の発生する波形の具体例を説明する図である。パルス生成手段137の回路例を説明する図である。波形生成手段８５１、８５３、８５５、８５７，８５９、８６１の構造を説明する図である。

符号の説明

101 ２分割読み出しＣＣＤエリアセンサ
107 アナログフロントエンド
119 コマンド生成手段
137 パルス生成手段
801、803、805、807、809，811、813、815 一水平期間内に変化する波形を生成する波形生成手段
851、853、855、857、859、861 画素クロックの１周期内で位相を変化させる波形生成手段

Claims

複数チャンネルに分割して、画像信号をライン単位でチャンネルごとに出力するとともに、前記画像信号に続いて空読みによるダミー信号をチャンネルごとに出力するエリアセンサと、
タイミング信号に基づいて前記画像信号を所定電圧にクランプするクランプ手段と、前記クランプ手段により所定電圧にクランプされた前記画像信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換手段とを前記チャンネルごとに設けたアナログフロントエンドと、
前記ダミー信号に基づいて前記Ａ／Ｄ変換手段によりデジタル変換された前記画像信号の信号レベルを前記複数チャンネル間で調整するための調整手段と、
前記エリアセンサが前記ダミー信号を出力した後であって、前記エリアセンサが次ラインの画像信号の垂直転送を行う前のタイミングに、前記クランプ手段によるクランプを行わせるための前記タイミング信号を生成するタイミングジェネレータと、
を有することを特徴とする撮像装置。
前記タイミングジェネレータは、前記タイミング信号を生成するタイミングをカウントするためのカウンタを有し、前記カウンタは、前記エリアセンサが前記ダミー信号を出力した後に前記カウントを開始することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。