(57)【要約】  受光CCD素子のラインを有するCCD 1からのデータを処理する方法が提供される。この方法は、受光CCD素子ラインの各素子に関連する電荷の測定に対応する、CCDからの測定された照明データ読出しを受信するステップと、各CCD素子に関する測定された照明データから、読出しプロセスの間にCCD素子からの電荷が通過した他のCCD素子のそれぞれによって記録された照明に依存する成分を取り除くステップとを含む。
2009519655.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光CCD素子の少なくとも1つのラインを有するCCDからのデータを処理する方法であって、
前記受光CCD素子ラインの各素子に関連する電荷の測定に対応する前記CCDからの測定された照明データ読出しを受信するステップと、
各CCD素子に関する前記測定された照明データから、前記読出しプロセスの間に前記CCD素子からの前記電荷が通過した他のCCD素子のそれぞれによって記録された照明に依存する成分を取り除くステップとを含む方法。
【請求項２】
素子電荷がそれを通って前記CCD素子ラインから引き出される最下のCCD素子についての前記記録されたデータを、前記最下の素子について計算された照明に等しいものとして扱うステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
2番目に低いCCD素子から始めて連続した各素子について、より低いCCD素子のそれぞれに関連する前記計算された照明の成分を引くことによって計算された照明を計算するステップをさらに含む、請求項2に記載の方法。
【請求項４】
前記最下のCCD素子について前記結果として生じるデータを、前記最下のCCD素子についての前記計算された照明に等しいものとして扱う前に、前記最下のCCD素子に関連する前記測定されたデータからオフセットを引くステップを含む、請求項2または3に記載の方法。
【請求項５】
各CCD素子に関して前記測定された照明データから、他のCCD素子のそれぞれによって記録された照明に依存する成分を取り除く前記ステップが、前記CCD素子より下の領域上の測定された照明データ関数とカーネル関数との積の積分に実質上等しい量を各CCD素子から取り除くステップを含む、請求項1から4のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記カーネル関数が、前記CCD素子ラインの非一様な感度を補償するように選択される、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
前記カーネル関数が一定のカーネルパラメータである、請求項5または請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記CCDが、CCD素子のアレイを含む、請求項1から7のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記CCD素子アレイが、前記CCD素子ラインがそのうちの1つである複数の列を形成する、請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
いくつかのCCD素子が基準素子として選択され、これらの基準素子について期待された照明値が決定される、請求項1から9のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記基準素子が、照明に当たらないと期待される、マスクキングされた素子である、請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
1)前記カーネルパラメータの値を選択するステップと、
2)計算された照明データを生成するために請求項10から11のいずれかに従って照明データを処理するステップと、
3)前記基準素子に対応する前記計算された照明データが前記期待された照明値を有するかどうか判断するために前記計算データを検査するステップとをさらに含む、請求項5に従属する請求項10または請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
4)前記カーネルパラメータの前記値を変更するステップと、
5)前記基準素子に関する前記計算されたデータが、前記期待された照明値を所定の許容範囲内に有するまでステップ1〜4を繰り返すステップとをさらに含む、請求項12に記載の方法。
【請求項１４】
前記カーネルパラメータの初期値を選択する前記ステップが、期待されたカーネルパラメータより大きい大きさのカーネルパラメータを選択するステップを含む、請求項12または請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
前記カーネルパラメータが列単位に計算される、請求項7および請求項9に従属する場合の請求項1から14のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
グローバルカーネルパラメータが、前記測定された照明データの処理のために計算される、 請求項7から14のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
比較的高い光量にさらされ1つまたは複数の列を選択し、他の列に優先してこれらの列の前記カーネルパラメータを計算するステップを含む、請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
残りの列のカーネルパラメータを続いて計算するステップを含む、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
CCD素子の列内の前記基準素子についての前記測定された照明データが、前記期待された照明値の許容範囲内にある場合、前記カーネルパラメータが、より低いCCD素子に関連する前記計算された照明データの成分が、前記列内のCCD素子についての前記測定された照明データから取り除かれないようにゼロに設定される、請求項10に従属する場合の請求項15に記載の方法。
【請求項２０】
CCD素子の列内の前記基準素子についての前記測定された照明データが、前記期待された照明値の許容範囲内にある場合、前記カーネルパラメータのデフォルト値が使用される、請求項10に従属する場合の請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
前記デフォルト値が、高信号データ列の処理中に計算されたカーネルパラメータから決定された前記カーネルパラメータの値である、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
他のCCD素子によって記録された前記照明に依存する成分を取り除く前記ステップが、前記CCD素子ラインからの前記照明データをベクトルとして扱い、前記ベクトルに行列を事前に掛けるステップを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項２３】
前記行列が、前記CCDによる照明測定を表す行列演算子の逆の近似である、請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
前記行列演算子の逆の前記近似が、前記行列演算子の近似を反転することによって得られる、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
前記行列演算子が、前記CCDの露光時間、前記CCDの読出し時間、および前記CCDのクリアパターンについての知識に基づいて推定される、請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
いくつかのCCD素子が基準素子として選択され、これらの基準素子について期待された照明値が決定される、請求項23から25のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
1)計算された照明データを生成するために前記推定された行列を使用してデータを処理するステップと、
2)前記基準素子に対応する前記データが前記期待された照明値を有するかどうか確かめるために前記計算された照明データを検査するステップとをさらに含む、請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
3)前記推定された行列を変更するステップと、
4)前記基準素子に関連する前記計算されたデータが、前記期待された照明値を所定の許容範囲内に有するまでステップ1〜3を繰り返すステップとをさらに含む、請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記CCDが、列および行に配列されたCCD素子のアレイを含み、ステップ1から3が、前記CCDの関連する行のCCD素子からのデータの加重平均に対応するベクトルを使用して実施される、請求項27または請求項28に記載の方法。
【請求項３０】
前記加重平均が、比較的高い光量にさらされた前記CCDの列に対応するデータにより大きな重みを加えるように計算される、請求項29に記載の方法。
【請求項３１】
前記行列演算子が、前記行列の各行に感度係数を掛けることによって前記CCD素子の非一様な感度を補償するように調整される、請求項22から30のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
受光素子のラインを含むCCDと、
測定された照明データを生成するために、前記CCD素子に関連する電荷を測定する測定手段と、
請求項1から31のいずれかに記載の方法を実施する処理手段とを含むCCD撮像装置。
【請求項３３】
請求項32に記載のCCD撮像装置を含む分析測定システム。
【請求項３４】
処理手段で実行されるとき、請求項1から31に記載のいずれか一項による方法を実施するソフトウェア。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、CCDからのデータを処理する方法、およびCCD撮像装置に関する。本文献の全体を通して、頭文字CCDは、電荷結合素子を表す。
【背景技術】
【０００２】
CCDは一般に、受光CCD素子のアレイを含む。これらの素子は、半導体材料で通常形成され、適切な周波数の光に当たるときに電荷を発生する。使用時、CCD素子は、露光時間の間、入射光に当たり、その間、CCD素子上に電荷が蓄積する。CCD素子上で蓄積された電荷は、露光時間、および入射光の強度に依存する。各CCD素子で発生した電荷をその後に測定することは、CCD素子上の入射光の測定に対応し、画像を記録することを可能にする。
【０００３】
各CCD素子で発生した電荷を測定するために、記録されたデータが処理される間にさらなる露光を記録することを可能にするため電荷をCCD素子から運び出すことは一般的である。CCDから電荷を取り除き、それを測定するこのプロセスは、輸送および読出しプロセスと呼ばれることがある。電荷を運び出すために、アレイの列から下へと電荷を引き出すことは一般的である。したがって、輸送および読出しプロセスの間、列の最上部の素子は、より低いCCD素子を通って下へと引き出される。
【０００４】
CCD素子は、多くの撮像アプリケーションで使用される。デジタルカメラなど、一部のアプリケーションでは、CCDは、シャッターの後に設けられる。ルミネセンスおよびシンチレーション分析測定システムなど、他のアプリケーションでは、シャッターは設けられない。しかし、シャッターがないと、問題が生じることがある。シャッターなしのシステムでは、輸送および読出しプロセスの間、電荷が隣接したCCD素子を通って下へと引き出されるので、CCD素子は、依然として照明に当たる。これは、特に電荷が読出しプロセスの間に複数のCCD素子を通って引き出された場合、測定される電荷を増加させる傾向がある。さらに、この追加の露光時間は、各電荷に一定ではない。輸送および読出しプロセスの間、列の最上部のCCD素子に対応する電荷は、複数のCCD素子を通って下へと引き出され、最も低いCCD素子に関連する電荷は、他のCCD素子を通過しない。CCD素子の照明は、一様または一定でないことがあり、輸送および読出しプロセスの間、他のCCD素子を通過したことの電荷への影響を証明することは難しい。
【０００５】
この問題は、例示のための図1Aおよび図1Bを参照して示され得る。図1Aは、100個の受光素子10を含むCCD 1を示している。CCDは、Aとマーク付けされたCCD素子上に位置する3つの「スポット」で照明に当たる。図1Bの構成である場合、輸送および読出しプロセス間、電荷は、CCDの垂直列から輸送され、CCDの最下部でCCDを離れる。標準処理を使用してCCDデータから形成された結果画像が、図1Bに示されている。見て分かるように、3つの輝点Aが記録されている。しかし、露光されていない領域を示すのではなく、露光を示すSでマーク付けされたスミアもある。スミアSは、輸送および読出しプロセスの間に、明るく露光された要素の上のCCD素子からの電荷が、露光された素子を通って引き出される間に蓄積された電荷によるものである。輸送および読出しプロセスによって引き起こされる偽画像データのこの問題は、スミアリングと呼ばれる。
【０００６】
上記に言及されたように、電荷がCCDの列から引き出されると、さらなる露光が開始し得る。あるいは、次の露光の前にセンサをさらに「クリア」するために、さらなる電流が、多分より迅速に、列に沿って引き出されてもよい。このプロセスは、クリア(clearing)として知られている。
【０００７】
記録された照明データを歪みし得る別の問題は、このクリアのプロセスの間に残された残留電荷である。クリアの、照明がまだ存在する間に電流がCCDの列に沿って引き出される。クリアアウトプロセスの間、より低いCCD素子は、その上のCCD素子に蓄積された電荷を受け取るので、クリアアウトプロセスは、上部のCCD素子よりも下部のCCD素子により多くの電荷を残す傾向がある。状況によっては、この電荷蓄積は、上記に述べたスミアリングプロセスを部分的に補い得る。露光の最初の不均等な電荷分布によって、不完全なまたは不均等なクリアアウトプロセスがもたらされることもあり、このクリアアウトプロセスの後、CCD素子内に、電荷の不規則な集中が残される。
【０００８】
画像へのスミアリングの影響を減少させるためにCCDからのデータ処理の知られている方法は、線形オフセット近似である。たとえばシンチレーション分析で、CCDが、ウェルのアレイから放射された光を測定するように構成される場合、CCDの下部は、配列内の最下部のウェルの下の領域を見るように向けられてもよく、CCDの上部はアレイ内の最も高いウェルの領域を見るように向けられてもよい。ウェルの外で光が発生するとは予想されないので、CCDの上部も下部も露光されないと予想される。上記で述べたスミアリングの影響により、CCDの上部に関する照明データは、スミアリングに起因するいくらかの露光を示し得る。この人工的な露光を補償するために、露光されないと予想されたCCDの上部および下部の露光について測定が行われる。次いで、スミアリングによるCCDの上部と下部の間の露光の差が測定され、測定された露光差の値を上部と下部の間のCCD素子の数で割り、その行の下の素子の行数を掛けた値に等しいオフセットが、CCD素子の各行について記録されたデータに適用される。
【０００９】
線形オフセット法は、スミアリングがCCD全体を通して等しく発生し、またCCDの照明が比較的に一様な場合、たとえばシンチレーション分析測定システムのウェルが一様に満たされ、それぞれが同じ量の光を放出すると仮定するものである。しかし、たとえば図1Aに示されるように、露光が一様でない場合、この方法は、照明の輝点より下のセルについて負の読出しを生成する傾向があり、照明の輝点より上のスミアリングを完全には補償することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の一目的は、CCDからのデータを処理する方法、および上記で述べたスミアリングの影響をよりよく補償する傾向があるCCD撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第1の態様によれば、受光CCD素子のラインを有するCCDからのデータを処理する方法が提供され、
受光CCD素子のラインの各素子に関連する電荷の測定値に対応するCCDからの測定された照明データ読出しを受信するステップと、
各CCD素子に関する測定された照明データから、読出しプロセスの間にCCD素子からの電荷が通過した他のCCD素子のそれぞれによって記録された照明に依存する成分を取り除くステップとを含む。
【００１２】
他のCCD素子によって記録された照明の成分を取り除くことによって、画像の一部の過剰補償の問題、および他の部分の過小補償の問題が低減され得る。
【００１３】
好ましくは、CCD素子から取り除かれた、他の各CCD素子によって記録された照明の成分は、読出しプロセスの間にCCD素子からの電荷が通過する他の各CCD素子からの測定された照明に比例する。
【００１４】
一部の実施形態では、この方法は、最下の素子の電荷がCCDから引き出される、最下の素子について記録されたデータを、最下のCCD素子について計算された照明に等しいものとして扱うステップを含んでもよい。これは、最下素子に関連する電荷が他のCCD素子を通過しないので、最下素子に関連する記録されたデータにスミアリングが生じないという仮定が理にかなっているので行われ得る。この方法は、最下CCD素子について結果として生じたデータを、計算された照明値に等しいものとして扱う前に、最下CCD素子に関連する測定された照明データからオフセット分を引くステップを含んでもよい。オフセットは、測定された照明データ中に存在するクリアの影響を補償してもよい。この方法はさらに、2番目に低いCCD素子から始まるCCD素子のラインの連続した各素子について、最下CCD素子のそれぞれに関連する計算された照明の成分を引くことによって計算された照明を計算するステップを含んでもよい。
【００１５】
他の実施形態では、各CCD素子に関して測定された照明データから、他の各CCD素子によって記録された照明に依存する成分を取り除くステップは、そのCCD素子より下の領域の、計算された照明データの関数とカーネル関数の積の積分に実質上等しい量を引くステップを含んでもよい。照明関数は、測定された照明データを連続した形で表す関数である。
【００１６】
CCD素子が一様な感度を有さない場合、カーネル関数は、CCD素子のラインの線の非一様な感度を補償するように選択されてもよい。
【００１７】
一部の場合では、カーネル関数は知られていないことがある。一部の場合では、カーネル関数は、一定のカーネルパラメータ、kに近似されてもよい。
【００１８】
カーネルパラメータが知られていない場合、この方法は、カーネルパラメータkを決定するステップを含んでもよい。
【００１９】
好ましくは、CCDは、CCD素子のアレイを含む。CCD素子のアレイは、CCD素子のラインがそのうちの1つを形成している、CCD素子の複数の列で形成されてもよい。一部の実施形態では、カーネルパラメータkは、列単位に計算されてもよい。他の実施形態では、kは、アレイを形成するすべてのCCD素子について決定されてもよい。
【００２０】
好ましくは、一部のCCD素子は、基準素子として選択され、これらの基準素子について、期待された照明値が決定される。基準素子は、マスキングされたCCD素子であってもよい。この場合、基準素子は、照明に当たっていないと予期される。
【００２１】
カーネルパラメータkを決定するステップは、
1.カーネルパラメータの値を選択し、
2.計算されたデータの生成のために、上記の方法に従って照明データを処理し、
3.基準素子に対応する計算された照明データが、期待された照明値を有するかどうか判断するために、計算されたデータを検査するステップを含んでもよい。
【００２２】
この方法は、カーネルパラメータを変更し、基準素子に関する計算されたデータが所定の許容範囲内の期待値を有するまで、上記ステップを繰り返すステップをさらに含んでもよい。
【００２３】
上記方法は、期待されたカーネルパラメータ値より大きい大きさのカーネルパラメータの初期値を選択するステップを含むこともできる。期待されたカーネルパラメータ値は、基準素子に対応するデータについての期待値をもたらすカーネルパラメータ値の推定または推測である。次いで、この方法は、受け入れられる許容範囲内の基準素子についての期待値をもたらす、受け入れられる許容範囲内の最も小さい大きさのカーネルパラメータを見つけるように、カーネルパラメータを変更するステップを含んでもよい。カーネルパラメータは、二分法(bi-section)、ニュートン-ラフソン法(Newton-Raphson)の派生物など、知られている根探索法に従って変更されてもよい。
【００２４】
カーネル値を決定するこの方法が列単位に実施される場合、この方法は、比較的高い光量に露出されている1つまたは複数の列を選択し、他の列に優先してこれらの高信号の列のカーネルパラメータを計算するステップを含んでもよい。好ましくは、この方法は、次いで、残りの列を処理するステップを含む。一部の実施形態では、列内の基準素子について計算された照明データが期待値の許容範囲内にある場合、その列のさらなる処理は行われない。他の実施形態では、列内の基準素子について測定された照明データが、期待された照明値の許容範囲内にある場合、その列は、カーネルパラメータのデフォルト値を使用して処理される。カーネルパラメータのデフォルト値は、高信号データ列の処理中に計算されたカーネルパラメータの処理から決定されたカーネルパラメータの値であってもよい。
【００２５】
他のCCD素子の成分のどれだけが照明データから取り除かれるべきか計算する別の方法は、行列処理である。CCDアレイの各列に関連するデータがベクトルとして扱われる場合、スミアリングの影響を含むCCDによって生成された照明データは、CCDの実際の照明として、CCDによる測定のプロセスを表す行列演算子による作用を受けるベクトルとして扱われてもよい。一部の実施形態では、各CCD素子に関して測定された照明データから、他の各CCD素子によって記録された照明に依存する成分を取り除くステップは、CCD素子のラインからの照明データをベクトルとして扱い、ベクトルに行列を事前に掛けるステップを含んでもよい。好ましくは、行列は、CCDによる照明の測定を表す行列演算子の逆の近似である。
【００２６】
好ましくは、行列演算子の逆の近似は、行列演算子の近似を反転させることにより得られる。一部の実施形態では、行列演算子の反転は、特異値分解などの数値法を使用して実施される。
【００２７】
行列演算子の1つの表現では、行列演算子は、N×N行列であり、ただしNは、列内のCCD素子の数に等しく、行列の対角要素は、露光時間に関連する定数を含む。一部の実施形態では、対角線成分はそれぞれ、露光時間に関連する単一の定数を含む。好ましくは、対角線より下の行列演算子の要素は、読出しプロセスに起因するスミアリングに関連する定数を含む。一部の実施形態では、対角線より下の行列の要素は、読出しの間のスミアリングに関連する単一の定数を含む。好ましくは、対角線より上の行列の要素は、クリア中のCCD素子の事前露光に関連する定数を含む。一部の実施形態では、対角線より上の行列の要素はそれぞれ、クリア中のCCD素子の事前露光に関連する単一の定数を含む。
【００２８】
一部の方法では、行列演算子は、CCDの露光時間、CCDの読出し時間、CCDのクリアについての知識に基づいて推定される。
【００２９】
好ましくは、データは、推定された行列演算子に基づいて処理され、次いで、基準素子に関連するデータは、基準素子に関連するデータが期待値の許容範囲内であるかどうか調べられる。反復法では、基準素子関連する処理されたデータが許容範囲内にない場合は、行列演算子は調整され、基準素子に関連するデータが許容範囲内になるまで、プロセスは繰り返される。
【００３０】
一部の実施形態では、初期の行列演算子が推定され、列ベクトルの各要素がCCDの関連する行内のCCD素子からのデータの加重平均に対応する照明データを表すベクトルと共に使用される。一部の実施形態では、加重平均は、大きいスミアリングを有するCCDの列に関連して、データにより大きな重みを加えるように計算される。
【００３１】
一部の実施形態では、行列演算子は、行列演算子の各行に感度係数を掛けることにより、CCD素子の非一様な感度を補償するように調整されてもよい。
【００３２】
受光CCD素子のラインを有するCCDと、
測定された照明データを生成するためにCCD素子に関連する電荷を測定する手段と、
各CCD素子に関して測定された照明データの各要素から、読出しプロセスの間にCCD素子からの電荷が通過した他のCCD素子のそれぞれによって記録された照明の成分を取り除く処理手段とを含むCCD撮像装置が提供されてもよい。
【００３３】
上述された本発明の第1の態様の任意選択の特徴もまた、任意選択により本発明の第2の態様の特徴となり得る。
【００３４】
次に、CCDからのデータを処理する方法およびCCD撮像装置について、例示するためだけに、添付の図面を参照して述べる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
図2は、CCD素子10のアレイを有するCCD 1を含むCCD撮像装置を示している。CCDは、一定の照明下にあり、シャッターの後ろに設けられていない。CCD 1は、CCD素子10で蓄積された電荷を測定するアナログ/デジタル変換器(ADC: analogue to digital converter)2の形の測定手段に接続される。一般に、測定手段は、CCDの一部として形成されてもよく、あるいは別個の装置であってもよい。ADC 2は、ADC 2から受信された画像データを処理するプロセッサ3の形の処理装置に接続される。
【００３６】
ADC 2によって生成された画像データは、スミアリングに起因し、またクリアによって引き起こされたCCD露光の開始時の電荷密度差に起因する歪みを受ける。データ上のスミアリングおよびクリアの影響は、ある程度、CCD 1の露光、読出しおよびクリアの相対継続時間に依存する。この実施形態では、露光時間は約400msであり、読出し時間は約600msであり、クリア時間は約100msである。
【００３７】
スミアリングは、読取り時間が露光時間と比べて大きくなるにつれてより重大な問題になる傾向がある。したがって、CCDのサイクル時間を増加させるために露光時間が4msに減少される場合、スミアリングの影響は、ADC 2によって生成された画像データよりも際立つ。読取り時間が増加する場合、読出し中に画像信号に生じた雑音を多分減少させるために、類似の影響が生じる。一方で、読取り時間に対して露光時間を増加させると、結果として生じる画像への相対的なスミアリングの影響が減少する。
【００３８】
プロセッサ3は、スミアリングまたはクリアによる歪みを少なくとも部分的に補償するために、以下の方法のいずれかに従ってデータを処理してもよい。
【００３９】
第1の実施形態
露光時間の間、最初に照明に当たるCCD 1内のCCD素子10の単一の列について考慮されたい。CCD素子は、輸送および読出しプロセスの間、各CCD素子に関連する電流が列に沿って引き出され、最下の素子を通って取り出されるように構成される。この場合、CCD素子が下から上に番号付けされるならば、輸送および読出しプロセスの間、第yのCCD素子からの電荷は、その下の第y-1のCCD素子を通過する。CCD素子のこの列の照明は一般に、非一様であり、照明関数X(y)によって表され得る。上記内容を考慮して、第yのCCD素子の記録された照明は、露光時間の間の第yのCCD素子の照明に起因し、また、輸送および読出しプロセスの間、第yのCCD素子に関連する電荷が第y-1のより低いCCD素子を通過するときの照明にも起因する。大きい数のCCD素子では、
【００４０】
【数１】
2009519655.tif 000003
【００４１】
であり、ただし、I(y)は、ADC 2によって記録されたデータを表す、記録された照明関数であり、kは、カーネルパラメータとして知られているパラメータである。関数X(y)は、露光時間の間の照明を表す。カーネル、kは、より一般的には、たとえば読出しプロセスが非一様である場合、CCD素子に列に沿って変化する関数であり得る。カーネルが空間的に変化する場合では、カーネル関数は、積分内で得られるべきである。積分項は、yのCCD素子に関連する電荷として蓄積された電荷が、より低いCCD素子を通過することを表す。記録された最後のデータが、露光の間の照明と、電荷がその下の素子を通過する間の蓄積との和を表すことが予期されるので、kは、この場合では負の定数であるにちがいないことが見て分かる。
【００４２】
上記の数式は、以下のように再構成されてもよい。
【００４３】
【数２】
2009519655.tif 000004
【００４４】
この数式は、標準の解が存在するVolterra型積分の数式として認識可能である。あるいは、この問題は、以下の数式をもたらす離散項で表されてもよい。
【００４５】
【数３】
2009519655.tif 000005
【００４６】
もちろん、上記の数式中で唯一知られている関数は、記録されたCCD画像データI(y)またはIyである。これらの数式を検査すると、連続のケースではy=0である場合、または離散のケースではy=1である場合、和または累積的な積分は消え、最下のCCD素子に関してスミアリングがないことを示すことが明らかになる。これは、最下の素子からの電荷がそれより下のCCD素子を通過しないからである。したがって、特に離散方程式を見ると、X1をI1に等しく設定することによって開始し、次の照明、X2が、
X2=I2−kX1
に等しいことが推定される。
【００４７】
したがって、照明関数、Xyは、nをCCDの列内のCCD素子の数に等しいとして、X3  X4…Xnについて上記ステップを繰り返すことにより、反復して推定され得ることが見て分かる。したがって、この段階で、唯一知られていないままであるのは、カーネルパラメータである。
【００４８】
本発明の第1の実施形態によるデータ処理方法は、CCD素子の列の最下のCCD素子がスミアリングを含まないと仮定するステップと、最下のCCD素子の上のCCD素子に関連する測定されたデータから、最下のCCD素子に対応するデータの重み付き成分を取り除き、第3の最上のCCD素子から、最下のCCD素子に関する記録されたデータの重み付き成分、および中間のCCD素子についての計算された照明データの重み付き成分を取り除き、すべてのCCD素子について照明関数の推定が計算されるまで以下同様に続くステップとからなる。これは、CCD素子のアレイについて列単位に繰り返され得る。
【００４９】
次のステップは、カーネルパラメータ、kの測定である。図3は、スミアリングの影響を含むシミュレートされた、測定された画像データに、第1の実施形態による方法を適用する効果を示している。図3に、測定された画像データが、「画像」と印が付けられた破線によって示されている。この画像データは、スポットで照明に当たっているCCD素子(ピクセル)の列を含むCCDについて生成されている。グラフを見ると、スポットは、高い照明のピークのような鋭い尖端をもたらしていることが見て分かる。
【００５０】
kの適切な値が決定されることを可能にするため、この画像データを生成するために使用されたCCDの上端がマスキングされている。期待された照明が知られている、マスキングされたCCD素子は、基準素子と呼ばれ得る。画像データが、列ピクセルインデックス250超では実質上平らな線を形成しているグラフを見ると、平らな線は、照明に当たらなかった基準ピクセルを表している。しかし、グラフを見ると、スミアリングのために、基準ピクセルの相対的な照明は実際、0より上であり、0.2を超えている。k=-0.01の値を使用した上記方法を適用すると、スミアリングの影響が減少し、画像データの平らになった端部分の高さが0.2未満の相対照明に下がることが見て分かる。しかし、よりよい適合は、カーネルパラメータをさらに-0.002まで下げることによってもたらされるように見え、その場合、 平らになった端部分は、ほぼゼロの相対照明になる。これは、CCD素子のマスキングによる、期待されたゼロ照明に対応する。
【００５１】
K=-0.005およびK=-0.020の結果を見ると、大き過ぎる(過度に負である)カーネルパラメータを選択することの影響が見て分かる。大き過ぎるカーネルパラメータが選択される場合、結果として生じる画像データは、歪曲される傾向があり、負の照明値が現れる。
【００５２】
したがって、カーネルパラメータkの適切な値を決定する方法は、照明が知られているCCDの領域を選択し(基準素子の選択)、基準素子について結果として生じるデータが、必要な許容範囲内の期待照明値に一致するまで、kのそれぞれ異なる値を使用して、上記の方法に従って画像処理を実施することである。
【００５３】
図3を見ると、過度に負であるkの値について、計算されたデータの平らになった端部分は、依然としてゼロ相対照明になる傾向があることが分かる。したがって、kの最適値は、基準素子についてほぼゼロの相対照明をもたらす最も小さい大きさの値であるように見える。これは、大き過ぎる大きさの (過度に負である)カーネルパラメータを最初に選択し、次いで、受入れ可能な解をもたらすkの最小の大きさを見つけるようにカーネルパラメータを調整することによって行われ得る。これは事実上、方程式の根を見つける問題であり、二分法、Ridderのアルゴリズム、ニュートン-ラフソン法(Newton-Raphson)の派生物、またはBrent法(van Wijngaarden-Dekker-Brent)などの従来の方法を使用して解決され得る。
【００５４】
この方法のさらなる開発は、CCDの最下部ならびに最上部に設けられた基準素子の使用を伴う。CCDは、クリアからのCCD素子の残余の露光の影響を受けることがある。この影響は、スミアリングが存在しないCCD列の最下の素子に見ることができる。クリアを補償するために、上記の方法を適用する前にCCDの最下部の基準素子がその期待値となるように、オフセットがCCDの列のデータに適用されてもよい。
【００５５】
上記方法の適用は、非常に有効であると見られてきた。図4は、シミュレートされた、スミアありの(smeared)画像データ、上記の積分アルゴリズムを使用して計算された画像データ、および本出願の序文に述べられた線形近似法(線形アルゴリズム)を使用して計算されたデータを示すグラフである。再び、スミアありの画像データが、上部の素子でマスキングが行われたCCDについて形成されている。したがって、250より上の列ピクセルの相対信号は、照明が記録されていないことを表す0となるべきである。スミアありの画像データを見ると、スミアリングにより、250より上の列ピクセルの記録された相対的な信号は、ちょうど0.1未満であることが分かる。この状況は、線形近似法によっていくらか向上される。しかし、積分アルゴリズムによって生成されたデータを見ると、このデータによって、遥かに水平な背景がもたらされ、線形アルゴリズムにより生成される負の信号読出しが回避されることが分かる(たとえば、列ピクセル50と125の間を参照されたい)。
【００５６】
第1の実施形態の変形形態では、CCDが複数の露光で使用される場合、以前の露光について計算されたカーネルパラメータの値が、後の露光のカーネルパラメータを推定するために使用されてもよい。それぞれ異なる露出の露光時間が変化する場合、カーネルパラメータkの値は、それぞれ異なる露出の露光時間および読取り時間に比例した係数によってスケーリングされてもよい。
【００５７】
第1の実施形態の方法は、状況によっては、負のデータ値をもたらす潜在性を有する。これを補償するために、最終画像データは、それにオフセットを加えさせ、表示中の画像データの切落としを防ぐために、ユーザに表示する前に再びスケーリングされてもよい。
【００５８】
第2の実施形態
本発明を実施する第2の方法では、CCDの実際の照明を表す記録された照明データは、行列演算子による作用を受ける元の照明データとして扱われる。記録されたデータは、列ベクトルIとして構成されてもよい。それに対応して、元の照明データは、列ベクトルXとして構成されてもよい。記録された照明データは、行列演算子、Mによる作用を受ける元の照明データと見なされ、この行列演算子、Mは、事前露光、クリア露光および読出しの間のCCDの動作を表す。したがって、
【００５９】
【数４】
2009519655.tif 000006
【００６０】
である。
【００６１】
スミアリングまたはクリアの影響がない場合、元の照明データ、Xは、記録された照明Iに、露光に関する定数を掛けた値に等しい。したがって、行列演算子Mの対角要素は、露光時間Eに関する定数を含む。行列内の他の要素は、スミアリングおよびクリアの影響を表すために含まれる。一般に、クリアの影響のエントリは、定数Cijによって表され得る。しかし、クリアによる事前露光に関連する定数を単一の定数Cによって表すことができ、スミアリングに関する項が定数Rによって表される場合、行列Mの形は、以下の通りである。
【００６２】
【数５】
2009519655.tif 000007
【００６３】
本出願の序文で論じられたように、クリアに起因する事前露光は、不完全なクリアのせいで、または多分クリアプロセスの間の大きい休止のせいで不規則であり得る。これらの状況では、また上記に述べられるように、行列M内の定数Cは満足のいく近似ではないことがあり、異なる値Cijを使用することが適切である。列内のCCD素子が一様な感度のものでない場合、これは、行列Mの行に適切な感度係数を掛けることによって補完されてもよい。
【００６４】
クリア定数Cを伴う上記行列が、上記の行列数式に代入され、展開され、次いで、その結果、クリアに関する定数Cを伴う項が存在することを除いて、離散方程式が第1の実施形態の方法に関してより前に公式化されることになる。したがって、Cを伴う項が無視できるほど小さい場合、上記数式の解は、第1の実施形態の積分法とまさに同じ結果をもたらす。
【００６５】
行列Mは、以下のように、Mを2つの行列の和として表すことによって、より低い対角形で書かれてもよい。
M=MLD+C
【００６６】
【数６】
2009519655.tif 000008
【００６７】
行列Mのこの表現を挿入し、行列を展開する場合、
I=MX=(MLD+C)X=MLDX+CXが得られる。
【００６８】
上記数式は、事前クリアが一様である、すなわちCij=Cである場合、各列からオフセットを引き、第1の実施形態を使用することによって解くことができる。このオフセットは、様々な方法を使用して推定することができる。たとえば、最下のCCD素子が、露光にさらされない基準素子である場合、スミアリングの影響が存在しない。したがって、記録値と、期待されたゼロの照明の差は、クリアの影響によるものであり、オフセットCを計算するために使用され得る。このようにCを決定して、この値が、第1の実施形態による方法を実施する前に、すべての列データから引かれてもよい。
【００６９】
第2の特別な場合は、読出しおよび事前露光の影響の定数がほぼ等しいときに存在する。この場合、スミアリングとクリアの影響は互いに相殺し、より低い対角行列は対角になることが、数式から見て分かる。この状況では、上記数式の解は、行列の対角項内のCの存在を補償するために、上記と同様に各列から単純にオフセットを取り除くことにある。
【００７０】
実際に、一様な事前クリア(C=定数)の仮定が有効でない場合でも、第1の実施形態による積分アルゴリズムを上記オフセットと共に適用すると、比較的小さい計算努力で上記数式の適切な1次解が与えられる可能性が高いことが分かっている。したがって、この方法を適用すると、実質的により少ないスミアリングおよびクリアの歪みを有するデータがもたらされる。
【００７１】
Cの値が定数として扱われ得ない場合、それは定数CIJによって置き換えられる必要があり、より精巧な方法が使用されてもよい。行列方程式
【００７２】
【数７】
2009519655.tif 000009
【００７３】
に戻ると、数式の両側に行列Mの逆行列を事前に掛けてもよい。結果として生じる数式は、以下の通りである。
【００７４】
【数８】
2009519655.tif 000010
【００７５】
したがって、予想されるように、実際の照明データは、CCDの動作を表す行列Mの逆行列を、測定された照明データに適用することができる場合に回復され得る。この考えを適用すると、2つの問題:
CCD演算条件についての知識から、また照明Xについての予備知識なしに、行列Mを決定すること、および
行列Mの反転が提示される
【００７６】
CCDが大きく、したがって行列Mが多数の要素を有する場合、行列Mの反転は、特定の問題を提示することがある。行列Mの反転は、それが決定されると、知られている様々な方法によって遂行されてもよい。好ましい1つの方法は、特異値分解の方法である。この方法は、反転が数値的にいつ不安定になるかユーザが判断し、解の適切な近似を行うことができるという利点を有する。
【００７７】
行列Mの構造は、以下のように決定され得る。最初の推定は、露光、読出しおよびクリアの間にCCDが要した時間についての知識に基づいて決定されてもよい。これらの推定によって、上述されたものと類似の公式化を使用して行列Mの構造への適切な近似が可能となる可能性が高い。
【００７８】
次いで、行列Mは、知られている照明パターンについての測定された照明データに上記方法を適用することによって適応されてもよい。計算された照明データおよび知られている照明パターンの検査に基づく行列Mの反復適応は、行列Mを受入れ可能な近似へと改良する(refine)ことを可能にする。
【００７９】
上記方法は、CCDの各列に関する行列を決定するために、列単位の手法で適用され得る。代替の方法は、CCDの2つ以上の列に同時に上記方法を適用することである。
【００８０】
元の照明データ、および記録された照明データが複数の列について同時に考慮される場合、加重平均照明データ列ベクトル、および記録された加重平均照明データベクトルが形成され得る。数式I=M.Xは、以下の形で書くことができる。
【００８１】
【数９】
2009519655.tif 000011
【００８２】
上記数式では、合計は、画像のN個の列にわたって行われ、iは、行インデックスを表す。項wは、加重係数である。各列についてクリアと読出しの影響が同じであると仮定する場合、Mは、合計の範囲外と見なされ得る定数である。同時に、数式の両側に逆行列が掛けられ、以下の数式が得られる。
【００８３】
【数１０】
2009519655.tif 000012
【００８４】
行列Mの合理的な近似を得るために、以下の方法は、CCD素子の各列の最上部および最下部にマスキングされた基準素子を伴うCCDを使用して使用される。加重係数wは、強いスミアを有する列の和を生成するように調整される。これは、たとえば、CCD列の最上部の基準素子に対応するデータを見ることによって決定されてもよい。次いで、左側の和が計算されて、かなりの量のスミアありのデータを含む平均の列画像が得られる。この平均列データを使用して、変換行列Mが推定される。次いで、この行列は、反転され、計算された照明データが生じる。次いで、列の最上部および最下部の基準素子に対応する計算されたデータが検査される。この実施例では、基準素子についてのデータは、CCDがマスキングされているため、露光を示さないはずである。CCDの列の最上部のマスキングされた領域に関するデータを見て、データがゼロに近くない場合は、スミアリングが適切に修正されていない。この場合、行列内の定数Rの値を調整することが必要である。同様に、CCDの最下部のマスキングされた領域内のCCD素子に対応するデータを見て、測定された平均データが0平均値を有さない場合は、依然としてクリアの影響が存在しており、行列内の項Cijは、調整する必要がある。これらの調整が行われると、新しい逆行列が計算され、記録された画像データが再び処理され、基準素子に関連する値が再び比較される。このプロセスは、安定した解に達するまで、反復して繰り返される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１Ａ】そのうちのいくつかに明るい光が入射する、CCD素子を有するCCDを示す図である。
【図１Ｂ】図1に示されたCCDによって記録された画像のスミアリングを示す図である。
【図２】本発明を使用するCCD撮像装置の概略図である。
【図３】カーネルパラメータの値kの変更が、第1の実施形態の方法によって生成されたデータにどのように影響を及ぼすか示すグラフである。
【図４】線形オフセット法および本発明の第1の実施形態の方法のシミュレートされたスミアありの画像データへの影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８６】
1    CCD
2    ADC
3    プロセッサ
10    CCD素子
【図１Ａ】
2009519655.tif 000013
【図１Ｂ】
2009519655.tif 000014
【図２】
2009519655.tif 000015
【図３】
2009519655.tif 000016
【図４】
2009519655.tif 000017
【国際調査報告】
2009519655.tif 000018
2009519655.tif 000019