(57)【要約】      （修正有）【課題】ライン・アドレス及びカラム・アドレス可能な画像センサーで露光ノイズを修正し、低コストでＦＰＮを最大限修正する。【解決手段】画像信号をディジタル値に変換し、加算器によってオフセット電圧を修正し、乗算器によってゲインを修正し、別設の加算器によって露光依存暗電流を修正する。この場合、ライン数、カラム数及び集積時間に応じて異なる係数を、特に、線形近似計算によって求める。従って、特にCMOS画像センサーにおいて、いわゆる固定パターン・ノイズを比較的低いコストで効率的に抑制できる。【選択図】図１
2005341612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライン・アドレス及びカラム・アドレス可能な画像センサーにおける露光依存ノイズの修正方法であって、
オフセット・ノイズを除かれた個々の画素センサーからの信号をディジタル画素値（ａｄｃ(i、ｊ））に変換し、
第１ステップとして、ディジタル画素値を、カラム毎に求められるオフセット値（α（i））だけ減らし、第２ステップとして、この減らされた画素値に、近似計算によって求められる逆ゲイン（１／β(i、ｊ））を乗算し、第３ステップとして、別の近似計算によって求められる暗電流値（dark（i、ｊ、Tint))を前記積から減算することにより、ディジタル画素値から修正済み画素値(P(i、ｊ））を得る
ことを特徴とする露光依存ノイズの修正方法。
【請求項２】
最短集積時間で、露光不能画素（NP)を含むラインを読み出し、ディジタル値に変換し、線形化し、オフセット値として記憶させることによって、カラム(i）のオフセット値（α(i））を求めることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
均一な、ほぼ最大のドライブ・レベルで、露光された画素（V)を読み出し、下記の計算によって逆ゲイン１／β(i、ｊ）を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の方法：
1/β(i,j)=ゲイン０＋ゲイン(i）＋ゲイン*ｊ、
但し、ゲイン０＝１、
【数１】
2005341612.tif 000006
但し、iはカラム数、ｊはライン数、imaxは露光カラムの最大数、jmaxは露光ラインの最大数、ｊ１及びｊ２は２つの異なるカラムを表わす。
【請求項４】
ゲイン０＝１の代りに、０．５と１の間の値をゲイン０として選択することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
約５０％ドライブ・レベルに対応する集積時間で、露光不能画素ULD,URD,LLD及びLRDを読み出し、下記計算によって暗電流を求めることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法：
【数２】
2005341612.tif 000007
但し、△ｊは上（ULD,URD）下（LLD,LRD)非露光ライン間のライン数、ｊmは中央カラム番号、imは中央ライン番号をそれぞれ表わす。
【請求項６】
ライン・アドレス及びカラム・アドレス可能な画像センサーにおける露光依存ノイズの修正装置であって、
相関化ユニット（CDS)に対してノイズを含む画素（P(i、ｊ）＋dark(i、ｊ、Tint)を供給し、該相関化ユニットが個々の画素からオフセット・ノイズを除いた画素(P"(i、ｊ））をA/Dコンバーター（ADC)に供給するようにする画素センサー列（APS)と、
比較的高い解像度を有するA/Dコンバーターのディジタル出力値(ａｄｃ（i、ｊ））を関連するアナログ値と整合させる線形化ユニット（LUT)と、
線形化ユニット（LUT)の下流に順次接続する、カラム毎に求められるオフセット値（α(i））を減算するための第１加算器（S1)、逆ゲイン（１／β(i、ｊ））を乗算するための乗算器（M)、及び暗電流値（Dark(i,j、Tint))を減算するための第２加算器（S2)
を備えることを特徴とする露光依存ノイズの修正装置。
【請求項７】
オフセット値、逆ゲイン値及び暗電流値を記憶するランダム・アクセス・メモリー（RAM)を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
露光画素（V)から逆ゲインの線形近似値を求めるための第１演算ユニット（B1)を含むことを特徴とする請求項６及び７に記載の装置。
【請求項９】
非露光画素（NP)から露光時間に応じた暗電流(Dark(i、ｊ、Tint))の線形近似値を求めるための第２演算ユニット（B2)を含むことを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、CCDセンサーとは異なり、主として通常のランダム・アクセス・メモリーのように直接アドレスできるCMOS画像センサーに係る。CMOSセンサーにおいては、個々の画素の１／ｆノイズの他に、技術的パラメーターの変動が本質的には固定画像パターンに対応するノイズ（固定パターンノイズ、FPN)となって現れる。このノイズは生産条件に伴うトランジスタのしきい値電圧（オフセットFPN)、読み出し通路間ゲイン（ゲインFPN)及びセンサー・セル内の漏れ電流（dark FPN)の変動によって発生する。
【背景技術】
【０００２】
個々の画素のオフセット・ノイズは、例えば、読み出し値の多重サンプリング及び相関法（相関ダブルサンプリング、CDS)によって抑圧することができる。オフセットFPNを修正するには、例えば、絞りを閉じた状態で記録される基準画像との減算を行なえばよく、基準画像は画像毎に改めて記録されるか、または一度だけ記録される。この基準画像が画像毎に記録されるなら、最大画像レートが著しく低下し、基準画像が一度だけ記録されるなら、暗電流修正が困難になる。常に暗状態にあるラインを読み取り、これをライン・メモリーの内容から差し引くことによってメモリーの使用を節減することもできるが、暗電流の修正は、可能だとしても、部分的に止まることになる。高級なシステムにおいては、上記処理に続いて、例えば、ディジタル信号処理によるゲインFPN修正が行なわれ、この修正は、記憶されている修正係数を信号に、画素毎に乗算することによって行なわれるが、ハードウェア及びメモリーに多大のコストを要する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで、本発明の目的は、ライン及びカラム・アドレス可能な画像センサーにおける露光依存ノイズを修正し、低コストでFNPノイズ修正の質を最大限に引き上げることができる方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はこの目的を、方法に関しては、特許請求の範囲第１項に記載の構成要件によって、装置に関しては、特許請求の範囲第６項に記載の構成要件によって達成する。その他の請求項は本発明の方法及び装置の好ましい実施態様に係る。
【発明の効果】
【０００５】
本発明の特に有利な点は、修正パラメーターをプログラムできることと、FNP修正を照明条件と対応させることができ、修正成分を個別にスイッチ・オン及びスイッチ・オフできることにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
添付図面に示す好ましい実施例に基づいて、本発明の詳細を以下に説明する。
本発明の本質は下記のステップにある：第１ステップにおいて、高解像度のA／D変換を行なうか、または、より高速であるという理由で好ましい比較的低い解像度でA／D変換した後、特性線形化を行ない；第２ステップにおいて、読取ユニットはカラム毎に存在するという理由でカラム毎に発生する電圧オフセットを修正し；第３ステップにおいて、電荷反転の結果として起こる画素感度の不均一及び損失の修正を行ない；最終の第４ステップにおいて、主として画素における漏れ電流に起因する画素の暗電流を修正する。
【０００７】
図１は画素センサー列APS、その下流に接続された相関化ユニットCDS、前記ユニットCDSの下流に接続されたA／DコンバーターW、及び修正ユニットFPNCを含むブロックダイヤグラムである。コンバーターWは、例えば、１０〜１２ビット程度の高解像度を有するA／Dコンバーター、またはこの場合にはもっと低い８ビット程度の低解像度を有するA／Dコンバーター、及びコンバーターの下流に接続された線形化ユニットLUTから成る。メモリー列APSはカラムCol i、ラインLine  ｊ及び画素センサー・セルだけで例示する。カラムCol ｉのラインは、各ケースにおける相関化ユニットCDSを介してコンバーター・モジュールADCの関連するA／Dコンバーターと接続する。暗電流ノイズ（i, j, Tint）、オフセット・ノイズ及びゲイン・ノイズに影響された画素値P'(i,j)が画素センサ列から相関化ユニットへ読み出され、相関化ユニットからは、個々の画素のオフセットを除去された、但し、追加のゲイン・ノイズに影響された画素値P"(i,j)がA／Dコンバーターに対して出力される。画素値P"(i,j)は相関化ユニット及びA／Dコンバーターによるオフセットに影響され、入出力変数間の関数関係はコンバーターによって実行されるから、各A／Dコンバーターからの出力信号adc（i,j）は下記関係式で表わすことができる：
adc(i,j) = f(P"(i,j) + α(i,j))
モジュールADCのA／Dコンバーターは、例えば８ビットの解像度を有し、その出力信号adc（i,j）によって線形化ユニットLUTをアドレスする。線形化ユニットLUTは記憶されたテーブル値（ルックアップテーブル）の形態を有し、その出力ワード幅は、例えば１２ビットである。線形化は下記のように行なわれる：A／Dコンバーターのステップ状の割当て機能から、信号adc(i,j)と関連する低いステップ値と高いステップ値とを基本値として取出し、これら２つの値から、比較的高い解像度で、この場合には、例えば１２ビットで中央値が出力される。この方法を採用すれば、１１〜１２ビットの精度を有する通常の線形A／Dコンバーターに匹敵する極めて低い整数非線形性が得られる。８ビットD／Aコンバーターを使用した場合の非線形性は、小さい信号レベルに対しても比較的微細な量子化を可能にする低い非線形性である。大きいグレイ・スケール値に対しては、比較的低い精度で充分であるから、画像の質は１０ビット・コンバーターに同等であるが、変換速度は１０ビット・コンバーター以上である。
【０００８】
線形化ユニットLUTは下記式で表わされる信号lut(i,j)を出力する：
lut(i,j) = α(i) + β(i,j) * (P(i,j) - dark(i,j)
実際の修正ユニットFPNCでは、下記関係式に従って修正済み画素値P(i,j)が求められる：
P(i,j) = 1/β(i,j) * (lut(i,j) - α(i) - dark(i,j,Tint)
但し、パラメーターα(i)、1/β(i,j)及びdark(i,j,Tint)は、予め求められ、修正ユニットFPNCに供給されている。
【０００９】
対応の装置を示す図２では、個々の画素センサーをこれと等価の回路で表わしてあり、該センサーは増幅器トランジスタT及び電子選択スイッチSを介して、画素値P(i,j) + dark(i,j,Tint)を相関化ユニットCDSへの入力に切り換える。この場合、A／Dコンバーターは、コンパレーターCOMP、レジスターREG、カウンターCNT及びD／AコンバーターDACを備えた回路の形態を呈し、演算増幅器がD／Aコンバーターのアナログ出力値をアナログ入力信号と比較し、D／Aコンバーターの入力側にカウンターCNTの内容が供給され、アナログ入力信号がD／Aコンバーターの出力信号と一致すれば、カウンターのカウント値がレジスターREGに受け入れられる。線形化ユニットLUTも図示されており、入力側において、A／Dコンバーターと、即ち、レジスターREGの出力と接続している。線形化ユニットLUTの出力値は第１加算器Ｓ１に供給され、該加算器の出力は乗算器Ｍの入力と接続している。乗算器Ｍの出力は第２加算器Ｓ２の入力と接続し、該加算器Ｓ２は修正済み画素値Ｐ(i,j)を出力する。加算器及び乗算器の第２入力はランダム・アクセス・メモリーＲＡＭと接続し、該メモリーはオフセット値α(i)、逆ゲイン値1/β(i,j)及び暗電流値dark(i,j,Tint)を供給する。オフセット値α(i)は加算器Ｓ１において減算される。α(i)については、各カラムのオフセット値offs(i)がカラム毎に記憶される。逆ゲイン値1/β(i,j)は露光可能画素センサーＶからの信号に基づいて第１演算ユニットＢ１において算出される。暗電流値dark(i,j,Tint)は露光不能画素センサーからの信号に基づいて第２演算ユニットＢ２によって算出され、ランダム・アクセス・メモリーに記憶され、負の符号を付して加算器Ｓ２に供給される。
【００１０】
図３は露光可能画素センサーＶ及び露光不能画素センサーＮＰを含み、ライン・アドレス及びカラム・アドレス可能な画像センサーを示す。この場合、画像センサーは、例えば、ラインＬｉｎｅ０〜Ｌｉｎｅ６０３及びカラムＣｏｌ０〜Ｃｏｌ７３７を有する。さらに、露光可能な画像領域において選択された左端のカラムはカラムi = 23で特定され、右端のカラムはカラムi = 713で特定されている。また、露光可能な画像領域において選択された上方ラインはｊ＝２３により特定され、下方の選択されたラインはｊ＝５７９により特定されている。画像センサー列の露光不能領域におけるラインｊ＝２及びラインｊ＝６０１も図示されている。座標i = 23及びｊ＝２を有する露光不能上左画素センサーＵＬＤ，座標i = 713及びｊ＝２を有する露光不能上右画素センサー、座標i = 23及びｊ＝６０１を有する露光不能左下画素センサーＬＬＤ、及び座標i = 713及びｊ＝６０１を有する露光不能右下画素センサーＬＲＤも同様に特定される。座標i = ２３及びｊ＝２３を有する上左画素センサー、座標i = 713及びｊ＝２３を有する上右画素センサー、座標i = 23及びｊ＝５７９を有する下左画素センサー、及び座標i = 713及びｊ＝５７９を有する下右画素センサーＬＲＶが画像センサー列の露光可能領域に図示されている。図３には、中央ライン番号im及び中央カラム番号jmも図示されている。
【００１１】
オフセットoffs(i)またはα（i）を求めるには、集積時間Ｔintが最短となるようにセットして、非露光ライン、例えば、ライン  i = 2を完全に読み出し、Ａ／Ｄコンバーターによって変換し、次いで線形化ユニットＬＵＴで修正し、値α(i)としてランダム・アクセス・メモリーＲＡＭに書き込む。オフセット修正済み信号と言えども、ライン及びカラム方向に、変化するゲイン・ファクターに左右される振幅応答を有するから、オフセット修正済み信号にそれぞれの逆ゲイン・ファクター１／β（i,j)を乗算しなければならない。図２に示すトランジスターＴと画素キャパシタンスＣｐｉｘとの間に生ずるソース・フォロアのゲイン偏差が、ラインi及びカラムｊにおけるゲインの動向を左右する。画素センサーにおけるソース・フォロアは各カラムにおけるカレント・ソースと協働するから、ゲイン・ファクターの変動はライン方向におけるよりもカラム方向において顕著である；カラム・キャパシタンスの変動もこの現象の一因である。従って、ライン方向には、ゲイン勾配だけが修正されるのに対して、カラム方向には、カラムごとに個別に修正が行なわれる。個別修正のため、オフセットの場合と同様に、修正値がランダム・アクセス・メモリーRAMに記憶される。逆ゲイン１／β（i、ｊ）は下記の関係式によって与えられる：
１/β(i,j)=ゲイン＝１＋ゲイン(i）＋ゲイン1*j
ゲイン(i）及びゲイン１の値を求めるため、均一な明るい照明を利用する。例えば、A/Dコンバーターに、ほぼ最大のドライブ・レベル、例えば、最大ドライブ・レベルの約８０％に相当するドライブ・レベルが作用するように選択された集積時間Tintで白紙の記録を行なう。センサー全域の平均ドライブ・レベルは下記のように算出することができる：
【００１２】
【数１】
2005341612.tif 000003
【００１３】
パラメーターであるゲイン(i）及びゲイン１はセンサー列から画素値を読み取り、計算することによって求められる。トランスファー・ファクターがセンサー全域に亙ってできるだけ均一になるように、パラメーターが求められる。考えられる方法の一つとして、FPNの二乗平均値を極力小さくする方法がある。この方法を採用する場合、数回の単純化処理後、下記関係式を得る。
【００１４】
【数２】
2005341612.tif 000004
【００１５】
但し、imaxは露光カラムの最大番号、ｊmaxは露光ラインの最大番号、ｊ1及びｊ2は異なる２本のラインを表わす。
ゲインの式において、ゲインは０．５と＜１．０の範囲にある、即ち、値１を取ることは絶対にないから、”１”以外の定ゲイン０を使用することによって、ゲインワード幅を１ビットだけ縮めることができる。暗電流は集積時間Tintに応じた態様で修正される。記憶容量を節減するため、勾配だけを修正する。暗電流Dark(i,j,Tint)の値は下記式に従って算出される：
Dark(i,j,Tint)=Tint*(Dark0+Dark1*j+Dark2*i)
センサーのドライブ・レベルが最大値の約５０％に達するように集積時間を設定して、非露光画素を利用することによって係数を求める。図３に示す画素ULD,URD,LLD,LRDの値を利用して係数を算出する。
【００１６】
係数Dark0...Dark2は下記のように算出される：
【００１７】
【数３】
2005341612.tif 000005
【００１８】
但し、imはULDとURDの間の中央カラム、ｊmはULDとULVの間の中央ラインを表わし、この場合、ｊmを例えば２８８、imを例えば３６０とする。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の方法を示す図である。
【図２】本発明の装置を示すブロック図である。
【図３】露光及び非露光画素を含む画素センサー列を示す図である。
【図１】
2005341612.tif 000008
【図２】
2005341612.tif 000009
【図３】
2005341612.tif 000010