专利名称：进行高精度信号处理的信号处理电路及摄像装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将从摄像元件等输出的模拟信号放大后，变换为数字信号的信号处理电路及摄像装置。
背景技术：
以前，在如摄像装置输入的信号那样，因使用条件对如动态透镜增减变化大的模拟信号进行模拟/数字变换(A/D变换)时，通常在A/D变换电路的前级配置可变放大电路，在模拟信号振幅不超过A/D变换电路的输入电压范围的范围内，进行可变放大电路的放大幅度控制(例如，参照专利文献1)。这是因为使变换为数字信号时的模拟性分辨率提高的缘故。
例如，设A/D变换电路的分辨率为10位、输入电压范围为1V。此时，设来自外部的模拟输入信号振幅为0.5V时，将可变放大电路的放大幅度控制在2倍，并将该信号振幅放大为1V，输入到A/D变换电路。A/D变换电路以10位的分辨率将信号振幅放大为1V的模拟信号变换为数字信号。这与以11位分辨率将具有0.5V振幅的模拟信号模拟地变换为数字信号等价。
另外，在来自外部的模拟输入信号振幅为0.25V时，将可变放大电路的放大幅度控制在4倍，并将该信号振幅放大为1V，在A/D变换电路中以10位的分辨率变换为数字信号。此时，和具有0.25V振幅的模拟信号以12位分辨率模拟地变换为数字信号等价。这样，可通过所输入的模拟信号振幅越小，越提高可变放大电路的放大幅度，来提高其模拟性分辨率。
而且，在由外部输入的模拟输入信号中，除了后级的数字电路部所必要的信息(例如，像素电荷信号等)外，还包含偏置信号、或噪声等不需要的信号。通常，模拟输入信号以包括该不需要的信号的形态由可变放大电路直接放大，放大后的模拟信号由A/D变换电路变换为数字信号。并且，不需要的信号由数字电路部除去。但是，这样的构成无意义地妨碍了模拟性分辨率的提高。
与此对应，在非专利文献1的图1中公开了用设置在可变放大电路前级的减法电路可除去不需要的信号的构成。这是从模拟输入信号中减去预定的黑电平·偏置信号的构成。
在非专利文献1所公开的构成中，由可变放大电路的前级可除去的是预定的固定值，不能除去变化值。即，对于不需要的变化信号(例如，称之为固定模式噪声和拖尾噪声的噪声，或相当于计算出输入图像数据和预测图像数据之间的差分图像数据时的预测图像数据的信号等)，由于以包含这些的形态由可变放大电路原封不动地放大，用A/D变换电路变换为数字信号，故妨碍了模拟性分辨率的提高。
专利文献1特开平5-41797号公报非专利文献1Y.Fujimoto et al，“A Switched Capacitor Variable GainAmplifier for CCD Image Sensor Interface System”，ESSCIRC 2002，PP.363·366，2002发明内容本发明是鉴于这样的课题而进行的，其目的在于提供一种即使在存在不需要的变化信号的状况下也可有效的信号处理技术。
本发明的某种形态涉及信号处理电路。该电路的特征在于，具备从作为模拟信号的输入信号进行减法处理的减法电路；放大上述减法电路的输出的放大电路；将上述放大电路的输出变换为数字信号的A/D变换器；对由上述A/D变换器生成的数字信号进行处理的数字电路部；上述数字电路部生成因上述输入信号属性而变化的不需要的信号，该不需要的信号在被变换成模拟信号后，被输入到上述减法电路。根据该形态，可在放大电路的前级减去不需要的信号。
所谓上述输入信号的属性，例如可包含表示当前所输入的输入信号由上述摄像装置的哪个区域输出的属性，还可包含表示当前所输入的输入信号由上述摄像装置的哪个像素输出的属性。此外，还包含与输入信号的大小或所输入的时间等输入信号有关的任意信息。
上述数字电路部还可进一步生成表示上述放大电路放大幅度的放大幅度信号，此时，上述放大幅度信号的值，可由上述放大电路的输出振幅不超过上述A/D变换器的输入电平范围决定。这样，对于除去了不需要的信号的信号，可进一步提高模拟性分辨率。
本发明的其它形态也涉及信号处理电路。该电路的特征在于，具备从作为模拟信号的输入信号中减去相当于噪声的信号的减法电路；将上述减法电路的输出进行放大的放大电路；和生成相当于上述噪声的信号的噪声预测电路；上述噪声预测电路根据发生上述输入信号的系统，确定相当于上述噪声的信号。根据该形态，可根据处理系统来预测噪声信号。
再者，在电路、方法、装置、系统等之间，将以上构成要素的任意组合和本发明的构成要素及表现相互置换的结果，作为本发明的方式是有效的。
图1A是说明帧传输方式CCD的构成的图。
图1B是说明由帧传输方式CCD存储的信号电荷的细目的图。
图1C是表示由帧传输方式CCD存储的信号电荷的像素位置依赖性的图。
图2是实施方式1涉及的信号处理电路的框图。
图3是实施方式2涉及的信号处理电路的框图。
图4是实施方式3涉及的信号处理电路的框图。
具体实施例方式
(实施方式1)以下，根据本发明的最佳实施方式进行说明。该实施方式1涉及在数字电路部中，从由作为摄像装置的帧传输方式CCD输入的模拟信号中减去预测的拖尾噪声之后放大，并变换为数字信号的信号处理电路。
拖尾噪声是在强光被入射到摄像装置时，在摄像装置的摄像部产生的电荷漏到电荷传输部，在纵方向产生光线条的现象。此外，在帧传输方式CCD中，由该构成进一步产生特有的拖尾噪声。
图1A为表示帧传输方式CCD的构成的图。帧传输方式CCD由将入射的光变换为电荷的摄像部11；遮蔽光的存储部12；将由存储部传输的电荷传输至输出电路14的水平传输部13；和将电荷变换为电压并输出至外部的输出电路14构成。摄像部11兼垂直传输部，在摄像期间内由摄像部11变换的电荷在摄像期间后被迅速地传输至存储部12，成为防止入射其以上的光的结构。
图1B为表示存储在存储部12的各像素的信号电荷细目的图。存储在存储部12中的各像素的信号电荷被分为像素电荷、拖尾噪声、其他噪声。像素电荷是由摄像期间入射的光产生的电荷量，它是真实的图像信息。
拖尾噪声在摄像期间一结束后，在从摄像部11将电荷传输至存储部12的传输期间内，存储由射入摄像部11的光产生的电荷。即，该拖尾噪声因帧传输方式CCD的摄像部11兼用垂直传输部的结构而产生，故为摄像期间外产生的不需要的信号电荷。
其他噪声是在CCD内产生的各种噪声，包括因制造工艺或基板的结晶质量等引起的固定模式噪声或各元件的不稳定而引起的随机噪声。
图1C是表示分别在图1A所示的像素1、像素2、像素3、像素4中，图1B的各信号电荷所占的比例的图。由该图可见从摄像部11向存储部12传输的距离越长，拖尾噪声就越多。这是因为若传输距离变长，则在传输期间内暴露在光中的时间也变长的缘故。
如上述所说明的，像素电荷是对应于摄像期间入射的光而产生的，与此相对应，拖尾噪声是对应于传输期间入射的光而产生的。因此，拖尾噪声的大小可以以摄像时间和传输时间为基础而由所输出的信号电荷预测。
以下，利用图1C对各像素的拖尾噪声预测方法进行说明。在此，假设摄像期间和传输期间入射到摄像部11的光强度相同。在预测拖尾噪声时，由距存储部12最近的像素1开始预测。像素1的像素电荷大小1A和拖尾噪声大小1B之比(1A∶1B)可用摄像时间TA与将1个像素垂直传输需要的时间TB之比(TA∶TB)表示。因此，若设像素1的信号电荷大小为1S、其它噪声大小为1N，则在像素1中的拖尾噪声大小1B如下式1B＝TB·(1S-1N)/(TA+TB) … (1)
接着，预测像素2的拖尾噪声。存储在像素2中的电荷通过摄像部11的像素1被传输至存储部12。因此，在传输至存储部12的阶段内，像素2的信号电荷2S中也包含像素1的拖尾噪声。另一方面，像素2的像素电荷大小2A和像素2中产生的拖尾噪声2B之比，与像素1相同，可用摄像时间TA与将1个像素垂直传输所用的时间TB之比(TA∶TB)表示。因此，若设其他噪声的大小为2N，则像素2中的拖尾噪声大小2B如下式2B＝TB·(2S-2N-1B)/(TA+TB) … (2)对于像素3，也可与像素2同样求得。即，像素3通过摄像部11的像素1、像素2，传输至存储部12，故像素3的信号电荷3S中含有像素1和像素2的拖尾噪声1B、2B。而且，像素3的像素电荷大小3A与在像素3中产生的拖尾噪声3B之比，可用摄像时间TA和将1个像素垂直传输所用的时间TB之比(TA∶TB)表示，故若设在像素3中的其他噪声的大小为3N，则在像素3中的拖尾噪声大小3B如下式3B＝TB·(3S-3N-1B-2B)/(TA+TB) … (3)以后，按垂直方向依次对各像素的噪声预测下去。预测方法为从成为预测对象的像素的信号电荷中，减去该像素的其他噪声和在传输到存储部12期间内通过的摄像部11的各像素的拖尾噪声，对减去后的值以摄像时间TA和垂直传输1个像素所用的时间TB之比(TA∶TB)进行比例分配。
另外，在以上的说明中，虽然减去了其他噪声，但其他噪声作为预测值也可减去任意设定的值。该任意值也包含零。此外，在其他噪声中，因对固定模式噪声是可测定的，故也可将通过测定求得的固定模式噪声作为其他噪声减去。或者也可在通过测定求得的固定模式噪声中，将作为随机噪声加入任意设定的值的噪声，作为其他噪声减去。这样，预测出的拖尾噪声也有可能为不正确的值，但在本发明的实施方式中，求出拖尾噪声的预测值是重要的，不需要求得正确的值。
下面，对本发明实施方式涉及的信号处理电路100进行说明。图2为表示本发明实施方式涉及的信号处理电路100的构成的框图。信号处理电路100具备将由帧传输方式CCD200输入的模拟输入信号放大，并变换为数字信号的模拟电路部110；对由模拟电路部变换过的数字信号进行数字处理的数字电路部120；和驱动帧传输方式CCD200的驱动电路部130。而且，可以由信号处理电路100和帧传输方式CCD200构成数码相机。
模拟电路部110备有将模拟输入信号作为被减数进行减法处理的减法电路111；放大倍数可变、将由减法电路111减法处理后的模拟信号放大的可变放大电路112；将由可变放大电路112放大的模拟信号变换为数字信号的A/D变换器113。此外，还具备将由数字电路部120输入的减法运算信号变换为模拟信号的D/A变换器114，D/A变换器114的输出作为减数被输入到减法电路111。而且，由数字电路部120输入的放大幅度信号被输入到可变放大电路112，可变放大电路112根据由放大幅度信号表示的放大幅度进行放大处理。
数字电路部120具备对由模拟电路部输入的数字信号或其它数字信号实施规定处理的逻辑电路121；和暂时存储数据的存储器122。另外，逻辑电路121包括拖尾噪声预测电路123，预测拖尾噪声的大小。由拖尾噪声预测电路123预测的值作为减法运算信号输出至模拟电路部110。此外，以拖尾噪声的预测值为基础，在放大电路的输出振幅不超过上述A/D变换器的输入电平范围内决定放大幅度信号的值。
驱动电路部130除生成帧传输方式CCD200的驱动信号外，还生成表示由帧传输方式CCD200输出的数据是哪个像素位置的数据的地址。该地址被输入到数字电路部120。而且，作为用于驱动帧传输方式CCD200的参数的摄像时间TA和传输时间TB也由驱动电路部130输入到数字电路部120。
说明信号处理电路100的动作。首先，根据驱动电路部130的驱动信号，由帧传输方式CCD200进行摄像后，在帧传输方式CCD200内信号电荷被变换为信号电压，该信号电压被作为模拟输入信号按每一像素输出。而且，该模拟输入信号最初不通过减法电路111进行减法运算，而由可变放大电路112放大，由A/D变换器变换为数字信号后，输入数字电路部120。
逻辑电路121所具备的拖尾噪声预测电路123，根据由模拟电路部110输入的数字信号和由驱动电路部130输入的摄像时间TA及传输时间TB，利用前面所述的拖尾噪声的预测方法，预测各像素的拖尾噪声。该拖尾噪声的预测值暂时被存储到存储器122中。
以上动作在读出该信号电压之前对于帧传输方式CCD的所有像素进行，最终所有像素的拖尾噪声的预测值被存储到存储器122中。
接着，按照驱动电路部130的驱动信号，再次以帧传输方式CCD200进行摄像，各像素的信号电压作为模拟输入信号被输出。此时，逻辑电路121按照由驱动电路部130输出的地址，将与由帧传输方式CCD200输出的模拟输入信号的像素相同的像素的拖尾噪声从存储器122读出，并将其作为减法运算信号输出。即，将根据信号电荷的大小和摄像时间、传输时间而求得的各像素的拖尾噪声，按照当前输入的模拟输入信号是由帧传输方式CCD200的哪个像素输出来进行选择，并作为减法运算信号输出。亦即，减法运算信号根据作为模拟输入信号的属性的、信号电荷的大小、摄像时间、传输时间以及当前所输入的模拟输入信号从帧传输方式CCD200的哪个像素输出而作相应变化。
减法运算信号由D/A变换器114变换为模拟信号，并将该模拟信号作为减数输入到减法电路111。减法电路从作为被减数的模拟输入信号中减去减数。即，从模拟输入信号中除去拖尾噪声，减法运算后的模拟信号由表示大致真实的图像信息的像素电荷信号构成。
减法运算后的信号被输入到可变放大电路112，按照在不超过A/D变换器113的输入范围的范围内决定的放大幅度，对可变放大电路112的输出进行放大。而且，由A/D变换器113将放大后的模拟信号变换为数字信号，并输出至数字电路部120，实施规定的图像处理运算。
这样，通过在可变放大电路的前级对不需要的变化信号进行减法运算，从而可实现更高精度的信号处理。
因此，利用以上构成，适当预测按照信号电荷的大小、摄像时间、传输时间、以及当前所输入的模拟输入信号从摄像装置的哪个像素输出而变化的拖尾噪声，并可在由可变放大电路将其放大前从模拟输入信号中将其除去。由此，因由可变放大电路放大的信号成为基本由表示真实图像信息的像素电压信号构成的信号，故可实现更高精度的信号处理。
而且，在该实施方式中，对帧传输方式CCD进行了说明，但不局限于此，还可构成为预测在其它摄像装置中产生的拖尾噪声，从模拟输入信号作减法运算。这种情况下，拖尾噪声的预测方法对应于摄像装置的构成而决定。
(实施方式2)图3为表示实施方式2涉及的信号处理电路100的构成的框图。该信号处理电路100涉及将由摄像元件300输入的模拟信号在减去由数字电路部预测的固定模式噪声之后进行放大，变换为数字信号的信号处理电路。该构成因与图2所示的信号处理电路100的构成类似，因此对该实施方式仅说明特征点，除此之外的说明省略。再者，即使在本实施方式中，也可利用信号处理电路100和摄像元件300构成数码相机。
在遮蔽了光的状态下，若通过由驱动电路部130生成的驱动信号驱动摄像元件300，则由摄像元件300输出的模拟输入信号成为加入了固定模式噪声和随机噪声的信号。因此，首先将这样的模拟输入信号输入模拟电路部110，不进行由减法电路111进行的减法处理，通过可变放大电路112、A/D变换器113变换为数字信号，输入到数字电路部120。
在逻辑电路121中，对摄像元件300的所有像素由所输入的数字信号预测固定模式噪声，存储在存储器122的固定模式噪声存储区域124中。作为固定模式噪声的预测方法，有假定随机噪声为某恒定值，从数字信号中减去的方法。此外，也可将所输入的数字信号直接作为固定模式噪声的预测值。另外，也可在遮蔽光的状态下直接多次摄像摄像元件300，在取得由固定模式噪声和随机噪声组成的多幅图像数据之后，通过使多幅图像数据通过LPF(Low Path Filter)而除去随机噪声，来预测固定模式噪声。
接着，在由摄像元件300摄制图像时，逻辑电路121根据由驱动电路部130输出的地址，将与由摄像元件300输出的模拟输入信号的像素相同像素的固定模式噪声从固定模式噪声存储区域124读出，并将其作为减法运算信号输出。即，减法运算信号根据当前所输入的模拟输入信号是由摄像元件300的哪个像素输出的、这一模拟输入信号的属性，作相应变化。
该减法运算信号通过D/A变换器114作为减数而被输入到减法电路，在减法电路中从模拟输入信号中减去不需要的信号(在该实施方式中是固定模式噪声)后，在可变放大电路112中，根据在不超过A/D变换器113的输入范围的范围内决定的放大幅度信号放大减法运算后的模拟信号，通过A/D变换器113变换为数字信号，输出至数字电路部120。
因此，根据以上构成，适当的预测摄像元件300所固有的固定模式噪声，可将其在可变放大电路放大前从模拟输入信号中除去。这样，由可变放大电路放大的信号因成为基本由表示真实图像信号的像素电荷信号构成的信号，故可实现更高精度的信号处理。
(实施方式3)图4是表示又一实施方式涉及的信号处理电路100的构成的框图。该信号处理电路100由输入图像数据和预测图像数据计算出差分图像数据，对该差分图像数据进行运算。以往，是由数字电路部进行差分图像数据的计算，而在本实施方式中，对由摄像元件300输入的模拟信号，将由数字电路部生成的预测图像信号进行减法运算、得到差分图像信号，并放大该差分图像信号、变换为数字信号。因该构成与图2所示的信号处理电路100的构成类似，故对该实施方式仅说明特征点，其他的说明省略。另外，即使在本实施方式中，也可由信号处理电路100和摄像元件300构成数码相机。
在数字电路部120的存储器122中，设有帧存储器区域126，作为参照图像数据，在其中预先存储着多页图像数据。此外，在逻辑电路121中备有预测图像生成电路125。
对于由摄像元件300输出的图像信号，在不进行依据参照图像的预测处理时，模拟电路部110不进行由减法电路111进行的减法运算处理，将模拟输入信号由可变放大电路112直接放大后，由A/D变换器113变换为数字信号，输入至数字电路部120。
另一方面，对于由摄像元件300输出的图像信号，在进行由参照图像的预测处理时，进行以下动作。
首先，根据由驱动电路部130生成的地址，预测图像生成电路125判断当前由摄像元件300输入的模拟输入信号是从摄像元件300的那个区域输出的，从预先存储在帧存储器区域126中的参照图像数据中读出1个或多个必需区域的图像数据，实施规定的处理，并生成预测图像数据。而且逻辑电路121根据由驱动电路部130生成的地址，配合当前输入的模拟输入信号的像素位置，从预测图像中选择对应的图像数据。将相当于该图像数据的信号作为减法运算信号而输入至模拟电路部110。因此，该减法运算信号根据当前输入的模拟输入信号是摄像元件300的哪个区域，以及由哪个像素输出的、这些模拟输入信号的属性，作相应变化。
该减法运算信号通过D/A变换器114作为减数而输入到减法电路。减法电路从模拟输入信号中减去相当于预测图像数据的信号，求得差分图像数据。该差分图像数据根据在不超过A/D变换器113输入范围的范围内决定的放大幅度信号，由可变放大电路120进行放大，由A/D变换器113变换为数字信号，并输出至数字电路部120。
因此，通过以上构成，相应生成预测图像数据，在由可变放大电路将其放大前从模拟输入信号中除去，可求得差分图像数据。因由可变放大电路放大该差分图像数据，故对差分图像数据可实现更高精度的信号处理。
以上根据实施方式说明了本发明。这些实施方式为示例，对这些各构成要素的组合可有各种变形例，而且这样的变形例也在本发明的范围内，这是本领域的技术人员能理解的。
例如，也可以组合图2的信号处理电路100和图3的信号处理电路100来构成信号处理电路。这时，根据在实施方式中说明的方法，由数字电路部120预测拖尾噪声和固定模式噪声两者，可将这些的和作为减法运算信号从输入信号中除去。此外，在输入信号所包含的噪声中，在固定模式噪声与拖尾噪声相比小到可忽略的情况下，可仅预测拖尾噪声，并将其作为减法运算信号。或者，在拖尾噪声与固定模式噪声相比小到可忽略的情况下，也可仅预测固定模式噪声并将其作为减法运算信号。利用该构成，因根据产生输入的系统来预测噪声信号，故针对各种输入，可实现更高精度的信号处理。
权利要求
1.一种信号处理电路，其特征在于，具备由作为模拟信号的输入信号进行减法处理的减法电路；放大上述减法电路的输出的放大电路；将上述放大电路的输出变换为数字信号的A/D变换器；处理由上述A/D变换器生成的数字信号的数字电路部；上述数字电路生成因上述输入信号属性而变化的不需要的信号，该不需要的信号在变换为模拟信号后，被输入到上述减法电路。
2.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，上述不需要的信号包含相当于上述输入信号所包含的噪声信号。
3.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，上述数字电路部还可进一步生成表示上述放大电路放大幅度的放大幅度信号，上述放大幅度信号的值，由上述放大电路的输出振幅不超过上述A/D变换器的输入电平范围决定。
4.根据权利要求3所述的信号处理电路，其特征在于，上述不需要的信号包含相当于上述输入信号所包含的噪声信号。
5.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，上述输入信号为由摄像元件输出的、对应于图像所包含的像素的信号，上述数字电路对应于各像素生成上述不需要的信号，上述减法电路对每一像素实施相对上述输入信号的上述不需要信号的减法处理。
6.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，还具有在驱动上述摄像元件的同时，将识别上述输入信号的像素位置的识别信息发送至上述数字电路部的驱动电路部，上述数字电路部根据上述识别信息，生成对应于上述输入信号的上述不需要的信号。
7.根据权利要求2所述的信号处理电路，其特征在于，上述输入信号为由帧传输方式CCD输出的信号，上述噪声含有拖尾噪声，在上述数字电路部中，根据上述帧传输方式CCD中的摄像时间和传输时间，生成相当于上述拖尾噪声的信号。
8.根据权利要求4所述的信号处理电路，其特征在于，上述输入信号为由帧传输方式CCD输出的信号，上述噪声含有拖尾噪声，在上述数字电路部中，根据上述帧传输方式CCD中的摄像时间和传输时间，生成相当于上述拖尾噪声的信号。
9.根据权利要求5所述的信号处理电路，其特征在于，上述不需要的信号含有相当于上述输入信号所包含的固定模式噪声的信号，上述固定模式噪声按每个像素存储在上述数字电路部所具备的存储器中，用于上述减法处理。
10.根据权利要求1所述的信号处理电路，其特征在于，上述数字电路部具备逻辑电路和存储器；将多页图像数据作为参照图像数据存储在上述存储器中；上述逻辑电路由上述参照图像数据生成预测图像数据；上述不需要的信号包含相当于该预测图像数据的信号。
11.根据权利要求3所述的信号处理电路，其特征在于，上述数字电路部具备逻辑电路和存储器；将多页图像数据作为参照图像数据存储在上述存储器中；上述逻辑电路由上述参照图像数据生成预测图像数据；上述不需要的信号包含相当于该预测图像数据的信号。
12.一种信号处理电路，其特征在于，具备从作为模拟信号的输入信号进行减去相当于噪声的信号的减法电路；放大上述减法电路的输出的放大电路；生成相当于上述噪声的信号的噪声预测电路；上述噪声预测电路根据已产生的上述输入信号的系统，确定相当于上述噪声的信号。
13.一种摄像装置，其特征在于，包括摄像元件；驱动上述摄像元件的驱动电路；和权利要求1所述的信号处理电路；由上述信号处理电路对上述摄像元件输出的信号进行信号处理。
14.一种摄像装置，其特征在于，包括摄像元件；驱动上述摄像元件的驱动电路；和权利要求12所述的信号处理电路；由上述信号处理电路对上述摄像元件输出的信号进行信号处理。
全文摘要
本发明提供一种即使在存在不需要的变化信号的状况下也可以有效的信号处理电路。在数字电路部适当地预测噪声，将其作为减法运算信号输出至模拟电路部。减法运算信号通过D/A变换器输入至减法电路，在减法电路中从模拟输入信号中除去噪声。而且，减法电路的输出由可变放大电路放大，并由A/D变换器变换为数字信号。
文档编号H04N5/3725GK1678028SQ20051006278
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月30日 优先权日2004年3月31日
发明者中森隆文 申请人:三洋电机株式会社