(57)【要約】【目的】イメージセンサから時系列的に出力する各画素のセンサ信号をＡＤ変換器によってデジタル信号に変換して、予めメモリにテーブル設定された補正値を用いて各画素の出力特性のばらつきを補正するに際して、ＡＤ変換器の入力範囲の全領域にわたって各画素のセンサ信号をデジタル化できるようにしてデジタル変換の性能を保持させて、イメージセンサの出力補正を精度良く行わせることができるようにする。【構成】イメージセンサの受光画素領域外に設けにれたしゃ光画素の出力信号のレベルがＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるように、各画素の出力信号のレベルを調整する手段を設けるようにしたイメージセンサの出力補正装置。【選択図】      図９
2005020680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージセンサからの各画素の出力信号をＡＤ変換器によってデジタル値に変換したうえで、デジタル演算処理によって各画素の出力特性のばらつきを補正するイメージセンサの出力補正装置において、イメージセンサの受光画素領域外に設けられたしゃ光画素の出力信号のレベルが前記ＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるように、各画素の出力信号のレベルを調整する手段を設けたことを特徴とするイメージセンサの出力補正装置。
【請求項２】
しゃ光画素の出力信号をサンプルアンドホールド回路に保持したうえで、その保持信号が前記ＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
【請求項３】
複数設けられたしゃ光画素の各出力信号の平均化した信号をサンプルアンドホールド回路に保持するようにしたことを特徴とする請求項２の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
【請求項４】
しゃ光画素の出力信号を前記ＡＤ変換器によって変換したデジタル値をラッチ回路に保持したうえで、その保持されたデジタル値をＤＡ変換器によって変換した信号が前記ＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
【請求項５】
複数設けられたしゃ光画素の各出力信号のデジタル値の平均化した値をラッチ回路に保持するようにしたことを特徴とする請求項４の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
【請求項６】
しゃ光画素の出力信号のレベルが前記ＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるように各画素の出力信号のレベルを調整するに際して、予め測定したイメージセンサに光が入射しない暗時における各画素の出力信号のうちの最も低い出力信号のレベルが、前記ＡＤ変換器の入力下限値よりも低くならないように、各画素の出力信号のレベルを調整するようにしたことを特徴とする請求項１の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
【請求項７】
イメージセンサからの各画素の出力信号をＡＤ変換器によってデジタル値に変換したうえで、デジタル演算処理によって各画素の出力特性のばらつきを補正するイメージセンサの出力補正装置において、予めイメージセンサに光が入射しない暗時における各画素の出力のうちの最も低い出力信号を測定して、その測定値が前記ＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるように各画素の出力信号のレベルを調整する手段を設けたことを特徴とするイメージセンサの出力補正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、イメージセンサにおける各画素の出力特性のバラツキをデジタル演算処理によって補正するイメージセンサの出力補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＭＯＳ型のイメージセンサにあっては、その１画素分の光センサ回路が、図１に示すように、入射光Ｌｓの光量に応じたセンサ電流を生ずる光電変換素子としてのフォトダイオードＰＤと、そのフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流をサブスレッショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特性をもって電圧信号Ｖｐｄに変換するトランジスタＱ１と、その変換された電圧信号Ｖｐｄを増幅するトランジスタＱ２と、読出し信号Ｖｓのパルスタイミングでもってセンサ信号Ｖｏを出力するトランジスタＱ３とによって構成され、ダイナミックレンジを拡大して光信号の検出を高感度で行わせることができるようになっている。そして、光検知に先がけてトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを所定時間だけ定常値よりも低く設定することにより、フォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃに蓄積された残留電荷を放電させて初期化することにより、センサ電流に急激な変化が生じても即座にそのときの入射光Ｌｓの光量に応じた電圧信号Ｖｐｄが得られるようにして、入射光量が少ない場合でも残像が生ずることがないようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−３２９６１６号公報
【０００４】
図２は、初期化を行わせるようにしたときの光センサ回路における各部信号のタイムチャートを示している。図中、ｔ１は初期化のタイミングを、ｔ２はセンサ信号の読出しのタイミングを示している。また、ｔｍは初期化期間であり、Ｔは光検知時におけるフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃにおける電荷蓄積期間である。
【０００５】
このような光センサ回路にあっては、図３に示すように、入射光量に応じてフォトダイオードＰＤに流れるセンサ電流が多いときには対数出力特性を示すが、センサ電流が少ないときにはフォトダイオードＰＤの寄生容量Ｃの充電に応答遅れを生じてほぼ線形の非対数出力特性を示すようになっている。図中、ＷＡは非対数応答領域を示し、ＷＢは対数応答領域を示している。
【０００６】
しかして、このような光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサでは、図４に示すように、各画素に構造上からくる出力特性のバラツキを生じてしまい（特にトランジスタＱ１のサブスレッショルド領域の特性および温度特性を揃えることが困難である）、その出力特性が揃うように各画素の出力補正を行う必要があるものになっている。図中、Ｉｏは入射光がないときにフォトダイオードＰＤに流れる暗時のセンサ電流である。
【０００７】
そのため、従来では、予め、入射光をしゃ断した暗時の状態で、各画素の暗時の出力（Ｉｏ）と規定値との差をそれぞれ測定して各画素の暗時の出力が規定値になるようなオフセット補正値を求めるとともに、光を入射させた明時の状態で、各画素の出力特性の傾きが所定に揃うようなゲイン補正値を求めて、それらのオフセット補正値およびゲイン補正値を各画素のアドレスに対応してメモリにテーブル設定するようにしている。
【０００８】
そして、図５に示すように、イメージセンサ１から時系列的に出力する各画素のセンサ信号ＶｏをＡＤ変換器２によってデジタル信号に変換したうえで、まず、出力補正回路３におけるオフセット補正部４１において、画素アドレスに応じてメモリ５１から読み出されるオフセット補正値を用いてデジタル演算処理によるオフセット補正を行わせる。次いで、出力補正回路３におけるゲイン補正部４２において画素アドレスに応じてメモリ５２から読み出されるゲイン補正値を用いてデジタル演算処理によるゲイン補正を行わせて、ＤＡ変換器６を通してオフセットおよびゲイン補正がなされたセンサ信号Ｖｏｌを得るようにしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献２】
国際公開第０２／０９１７３６号パンフレット
【００１０】
また、従来では、イメージセンサ１の温度変化に対応してオフセット補正およびゲイン補正を行わせるようにしたものが開発されている（例えば、特許文献３参照）。
【００１１】
【特許文献３】
特開２００２−３１４８８７号公報
【００１２】
いま、図６に示すように、受光画素領域ＲＡ外に、暗時の基準信号を得るべくしゃ光画素領域（オプティカルブラック）ＳＡが設けられたイメージセンサ１にあって、時系列的に読み出される１ライン分の各画素の出力信号は図７に示すようになる。図７は各画素の出力信号がばらついている状態を示しており、Ｔ１１はしゃ光画素領域ＳＡにおける各画素の出力期間を、Ｔ１２は受光画素領域ＲＡにおける各画素の出力期間を示している。図７中、ＣＷはＡＤ変換器２の入力範囲である。
【００１３】
特に、イメージセンサ１における受光画素領域ＲＡにおける各画素のセンサ信号Ｖｏのレベルは、図８に示すように、温度によって変動するものとなる。このような温度による全ての変動範囲を網羅するように各画素のセンサ信号ＶｏをＡＤ変器器２に入力させるためにはそのセンサ信号Ｖｏのゲインを下げてやればよい。しかし、この方法では、ＡＤ変換器２のダイナミックレンジを最大限に活かすことができない。その場合、ＡＤ変換器２の分解能を上げてダイナミックレンジを広げるので、使用するＡＤ変換器２が高価なものになってしまう。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、イメージセンサから時系列的に出力する各画素のセンサ信号をＡＤ変換器によってデジタル信号に変換したうえで、予めメモリにテーブル設定された補正値を用いて各画素の出力特性のばらつきを補正する場合、ＡＤ変換器の入力範囲を越えて画素のセンサ信号が入力して誤動作することがないように、各画素のセンサ信号のゲインを下げてＡＤ変換器の入力範囲よりも狭い範囲内で各画素のセンサ信号のデジタル化を行わせるようにするのでは、デジタル変換の性能が悪くなって、センサ信号の補正の精度が低下してしまうことである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、イメージセンサから時系列的に出力する各画素のセンサ信号をＡＤ変換器によってデジタル信号に変換して、予めメモリにテーブル設定された補正値を用いて各画素の出力特性のばらつきを補正するに際して、ＡＤ変換器の入力範囲の全領域にわたって各画素のセンサ信号をデジタル化できるようにしてデジタル変換の性能を保持させるべく、イメージセンサの受光画素領域外に設けられたしゃ光画素の出力信号のレベルがＡＤ変換器の入力下限値とほぼ等しくなるように、各画素の出力信号のレベルを調整する手段をとるようにしている。
【００１６】
【実施例】
図９は、本発明に係るイメージセンサの出力補正装置の構成例を示している。
【００１７】
ここでは、図示しないコントローラの制御下において、イメージセンサ１から各画素のセンサ信号が出力するに際して、予め、受光画素領域ＲＡにおける各画素の出力に先がけて、しゃ光画素領域ＳＡにおけるしゃ光画素の出力信号をサンプルアンドホールド回路７に保持したうえで、その保持信号がＡＤ変換器２の入力下限値とほぼ等しくなるように増幅器８のクランプレベルを調整するようにしている。そして、その後に受光画素領域ＲＡから出力する各画素のセンサ信号ＶｏのレベルがＡＤ変換器２の入力範囲ＣＷに見合うように増幅器８によって調整されて、大まかなオフセット補正が行われるようになっている。
【００１８】
そして、そのデジタル信号に変換された画素のセンサ信号ＤＳ０にもとづいて、出力補正回路３におけるオフセット補正部４１において、画素アドレスに応じてメモリ５１から読み出されるオフセット補正値を用いてデジタル演算処理によるオフセット補正が細密に行われ、ゲイン補正部４２において画素アドレスに応じてメモリ５２から読み出されるゲイン補正値を用いてデジタル演算処理によるゲイン補正が行われるようになっている。
【００１９】
図１０は、（ａ）に示すイメージセンサ１からの出力信号のレベルを、（ｂ）に示すように、増幅器８によってＡＤ変換器２の入力範囲ＣＷの下限値にクランプさせたときの信号の状態を示している。図中、Ｓ／Ｈはサンプルアンドホールド信号を、Ｔ１３はサンプルアンドホールド期間をそれぞれ示している。
【００２０】
実際には、しゃ光画素の出力信号がサンプルアンドホールド回路７に保持されるまでの期間は基準値の出力が必要なのと、ノイズ成分を除去する必要があるので、図１１に示すように、ローパスフィルタ回路９と基準値Ｒｅｆとサンプルアンドホールド回路７の出力とを切り換えるスイッチ回路１０が設けられる。
【００２１】
図１２は、その場合における（ａ）に示すイメージセンサ１からの出力信号のレベルを、（ｂ）に示すように、増幅器８によってＡＤ変換器２の入力範囲ＣＷの下限値にクランプさせたときの信号の状態を示している。図中、ＬＰＦ信号はローパスフィルタ回路９の出力信号を、ＳＷ信号はスイッチ回路１０によって基準値Ｒｅｆ側とサンプルアンドホールド回路７側とに切り換えるスイッチ信号をそれぞれ示している。
【００２２】
また、図１３は、平均化回路１１を設けて、複数設けられたしゃ光画素の各出力信号の平均化した信号をサンプルアンドホールド回路７に保持させるようにしている。
【００２３】
図１４は本発明によるイメージセンサの出力補正装置の他の構成例を示している。
【００２４】
ここでは、しゃ光画素の出力信号をＡＤ変換器２によって変換したデジタル値をラッチ回路１２に保持したうえで、その保持されたデジタル値をＤＡ変換器１３によって変換した信号がＡＤ変換器２の入力下限値とほぼ等しくなるように増幅器８のクランプレベルを調整するようにしている。
【００２５】
しゃ光画素の出力信号をいったんＡＤ変換器２によってデジタル値に変換してラッチ回路１２に保持させることにより、前述したサンプルアンドホールド回路７によってアナログ信号を保持させる場合に比して、コンデンサの放電等によって長時間保持することができないという問題がなくなる。
【００２６】
この場合にあっても、実際には、しゃ光画素の出力信号がサンプルアンドホールド回路７に保持されるまでの期間は基準値の出力が必要なのと、ノイズ成分をローパスフィルタ回路によって除去する必要がある。
【００２７】
図１５は、平均化回路１４を設けて、複数設けられたしゃ光画素の各出力信号のデジタル値を平均化した値をラッチ回路１２に保持させるようにしている。
【００２８】
ここでは、各しゃ光画素の出力時ににＤＡ変換器１３は基準値を出力し、その間ＡＤ変換器２から出力する各しゃ光画素のデジタル値の平均化処理が行われる。そして、受光画素の出力信号を計測するタイミングに合せてＤＡ変換器１３からラッチ回路１２に保持された平均化信号を出力させるように切り換えるようにしている。
【００２９】
図１６は本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示している。
【００３０】
ここでは、しゃ光画素の出力信号のレベルがＡＤ変換器２の入力下限値とほぼ等しくなるように各画素の出力信号のレベルを調整するに際して、予め測定したイメージセンサに光が入射しない暗時における各画素の出力信号のうちの最も低い出力信号のレベルが、ＡＤ変換器２の入力下限値よりも低くならないように、各画素の出力信号のレベルを調整するようにしている。
【００３１】
具体的には、予め測定したイメージセンサに光が入射しない暗時における各受光画素の出力信号のうちの最も低い出力信号のデータをメモリ１５に記憶させておき、レベル調整回路１６において、ラッチ回路１２に保持されているデジタル値をそのメモリ１５に記憶されているデータによって修正させるようにしている。
【００３２】
これは、イメージセンサ１の受光画素の内にしゃ光画素の出力よりも低いセンサ信号を出力する画素が存在する場合に、単にしゃ光画素の出力信号のレベルがＡＤ変換器２の入力下限値とほぼ等しくなるように各画素の出力信号のレベルを調整するようにするのでは、ＡＤ変換器２の入力下限値以下になってしまうために、受光画素の最低出力がＡＤ変換器２の入力レンジ内に入るようにクランプレベルのかさ上げを行わせるものである。
【００３３】
また、予め測定したイメージセンサに光が入射しない暗時における各画素の出力信号のうちの最も低い出力信号のレベルが、ＡＤ変換器２の入力下限値よりも低くならないように各画素の出力信号のレベルを調整するに際して、その処理をイメージセンサ１の全体に対して１度に実行するようにしてもよく、またその処理を主走査Ｘ方向における各１ラインごとに実行するようにしてもよい。
【００３４】
図１７は、イメージセンサ１における各１ラインごとに、暗時における各画素の出力信号のうちの最も低い出力信号のレベルがＡＤ変換器２の入力下限値よりも低くならないように各画素の出力信号のレベルを調整するようにしたときの信号の状態を示している。ここでは、各１ラインごとに各画素の出力信号のレベルを調整するに際して、どの画素の出力もＡＤ変換器２の入力下限値を下回ることがないようにクランプレベルを可変的に調整している。
【００３５】
また、図１８は本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示している。
【００３６】
ここでは、しゃ光画素の出力レベルが温度によって変動することを考慮したうえで、温度検出回路１７において、出力補正回路３におけるメモリ５１に記憶されているイメージセンサ１におけるしゃ光画素を含む全体の画素の暗時のオフセット補正値としゃ光画素の出力値との差分（基準値からのずれ）を検出して、そのときの温度をわり出す。そして、温度特性補正回路１８において、その求められた温度情報を用いて、予め温度に応じたゲイン補正値（乗数）がテーブル設定されているルックアップ用のメモリ１９から所定のゲイン補正値を読み出して、そのときのイメージセンサ１の温度に応じたゲイン補正を行わせるようにしている。
【００３７】
その場合、イメージセンサ１の温度特性に応じたゲイン補正は、出力補正回路３におけるオフセット補正およびゲイン補正が行われたのちに実行されるようにしている。
【００３８】
実際のイメージセンサ１の出力信号は、温度によってオフセット以外にもゲインを変化するので、前述のようにして得られた温度情報を用いて温度変化に応じたゲイン補正を行わせている。
【００３９】
また、イメージセンサ１の温度によるゲインの変化が１次関数で与えられない場合が多いことから、ルックアップ用のメモリ６１を用いることで、任意の特性をもって変化する場合に対応することができる。
【００４０】
図１９は、温度に応じたしゃ光画素および受光画素のレベルの変動状態をしている。図中、Ｄは、基準温度時における画素の出力信号Ａと温度によって変動しているときの画素の出力信号Ｂとの差分を示している。
【００４１】
【効果】
以上、本発明によれば、イメージセンサから時系列的に出力する各画素のセンサ信号をＡＤ変換器によってデジタル信号に変換して、予めメモリにテーブル設定された補正値を用いて各画素の出力特性のばらつきを補正するに際して、ＡＤ変換器の入力範囲の全領域にわたって各画素のセンサ信号をデジタル化できるようにしてデジタル変換の性能を保持させて、イメージセンサの出力補正を精度良く行わせることができるという利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】イメージセンサの画素となる光センサ回路の一般的な構成例を示す電気回路図である。
【図２】その光センサ回路における各部信号のタイムチャートである。
【図３】その光センサ回路の出力特性図である。
【図４】光センサ回路における出力特性のばらつき状態を示す特性図である。
【図５】従来のイメージセンサの出力補正装置を示すブロック構成図である。
【図６】従来のイメージセンサの出力補正装置における各画素のセンサ信号のＡＤ変換の状態およびそのＡＤ変換の結果によって作成される補正値の状態を示す特性図である。
【図７】しゃ光画素領域と受光画素領域とが設けられたイメージセンサを示す簡略図である。
【図８】イメージセンサにおける各画素の出力特性が温度によって変動する状態を示す特性図である。
【図９】本発明によるイメージセンサの出力補正装置の一構成例を示すブロック図である。
【図１０】図９の構成にあって、イメージセンサからの出力信号のレベルを増幅器によってＡＤ変換器の入力範囲ＣＷの下限値にクランプさせたときの信号の状態を示す特性図である。
【図１１】本発明によるイメージセンサの出力補正装置の他の構成例を示すブロック図である。
【図１２】図１１の構成にあって、イメージセンサからの出力信号のレベルを増幅器によってＡＤ変換器の入力範囲ＣＷの下限値にクランプさせたときの信号の状態を示す特性図である。
【図１３】本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１４】本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１５】本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１６】本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１７】暗時における各画素の出力信号のうち最も低い出力信号がＡＤ変換器の入力下限値よりも低くならないように各画素の出力信号のレベルを調整したときの信号状態を示す特性図である。
【図１８】本発明によるイメージセンサの出力補正装置のさらに他の構成例を示すブロック図である。
【図１９】温度に応じたしゃ光画素および受光画素のレベルの変動状態を示す特性図である。
【符号の説明】
１  イメージセンサ
２  ＡＤ変換器
３  出力補正回路
４１  オフセット補正部
４２  ゲイン補正部
５１  オフセット補正用メモリ
５２  ゲイン補正用メモリ
７  サンプルアンドホールド回路
８  増幅器
９  ローパスフィルタ回路
１０  スイッチ回路
１１  平均化回路
１２  ラッチ回路
１３  ＤＡ変換器
１４  平均化回路
１５  メモリ
１６  レベル調整回路
１７  温度検出回路
１８  温度特性補正回路
１９  ルックアップ用のメモリ
【図１】
2005020680.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005020680.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005020680.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2005020680.tif 000012
【図１１】
2005020680.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2005020680.tif 000015
【図１４】
2005020680.tif 000016
【図１５】
2005020680.tif 000017
【図１６】
2005020680.tif 000018
【図１７】
2005020680.tif 000019
【図１８】
2005020680.tif 000020
【図１９】
2005020680.tif 000021