JP2006033036A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】撮像素子の部分的な温度上昇時にも、フレームレートや連写性能を保ちながら、画像の輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の部分的な増加等により画質の低下しない撮像装置を提供すること。
【解決手段】撮像素子内で温度差がある場合においても、輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行うために、撮像素子周辺に複数の温度センサを配置し、前記複数の温度センサによる温度測定結果に応じて撮像素子からの出力値に対する補正値を変更することで、撮像素子出力の補正を良好に行えるようにする。又、前記出力値に対する補正値を、撮像素子の欠陥画素の補正値とすることで、撮像素子の暗電流起因の欠陥画素補正を良好に行えるようにする。
【選択図】図1
【解決手段】撮像素子内で温度差がある場合においても、輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行うために、撮像素子周辺に複数の温度センサを配置し、前記複数の温度センサによる温度測定結果に応じて撮像素子からの出力値に対する補正値を変更することで、撮像素子出力の補正を良好に行えるようにする。又、前記出力値に対する補正値を、撮像素子の欠陥画素の補正値とすることで、撮像素子の暗電流起因の欠陥画素補正を良好に行えるようにする。
【選択図】図1
Description
本発明は、CCDやCMOSイメージセンサ等の撮像素子を用いた撮像装置に関するもので、特に撮像された画像の画質の向上に関するものである。
デジタルカメラやビデオカメラ等の撮像装置においては、撮像素子としてCCDやCMOSイメージセンサを使用するのが一般的である。
上記撮像素子の特性として、画素毎のフォトダイオードの暗電流バラツキによる固定パターンノイズや暗電流に起因した欠陥画素等があり、これらが撮像された画像の画質を低下させていることは良く知られている。
暗電流は一般的に8℃の温度上昇で2倍に増加すると言われており、上記フォトダイオードの暗電流バラツキによる固定パターンノイズや暗電流に起因した欠陥画素は温度特性を持つことになり、高温ほど固定パターンノイズや欠陥画素が増加することも広く知られている。
上記のように、温度特性を持つフォトダイオードの暗電流による固定パターンノイズを低減させる方法として、特許文献1には、予め所定温度範囲毎に固定パターンノイズを記憶すると共に撮像素子の温度を検出し、検出温度に対応した固定パターンノイズを読み出し、実際の撮像画像信号から減算することで、固定パターンノイズを補正する技術が開示されている。
暗電流に起因した欠陥画素についても、欠陥画素のアドレスを記憶し、その周囲の画素情報を基に欠陥画素情報を補間する技術が知られており、特許文献1と同様に予め所定温度範囲毎に欠陥画素のアドレスを記憶することで、欠陥画素を補正することも考えられる。
又、実際の撮像動作直前又は直後に、撮像素子全体を遮光した状態で撮像動作行うことで、暗電流成分のみの撮像画像を得て、実際の撮像画像信号から減算するようにすることで、温度変化分を含んだ暗電流による固定パターンノイズや暗電流に起因した欠陥画素による画質の低下を低減させる技術が知られている(実ダーク減算による補正)。
その他、特許文献2には、撮像素子のオプティカルブラック領域の平均値により撮像素子の周囲温度を検知して、固定パターンノイズを抑圧する方法も開示されている。
しかしながら、特許文献2(特開平2001−174329号公報)では、撮像素子全体が一様な温度変化をしたときは非常に有効であるが、撮像素子内部回路や撮像素子外部の周辺回路の部分的な発熱により、撮像素子の一部が部分的に温度上昇してしまった場合は、撮像素子の温度が高い部分と温度が低い部分で暗電流の差が出るため、適切に固定パターンノイズを低減させることができない。又、このときの撮像画像は画面内の暗電流差によって、輝度ムラや色ムラといった画質の低下を招いてしまう。
更に、上記のように撮像素子内で温度差がある場合、前記特許文献1(特開平1−147973号公報)のように画面全体を所定温度範囲毎の欠陥画素アドレスにより補正すると、補正過多や補正不足な部分が生じてしまう。欠陥画素補正は周囲画素情報からの補間により行う場合が多いため、補正過多な場合は微細なパターンを撮像したとき、そのパターンの再現性が劣化することも良く知られている。又、補正不足の場合は画面のノイズ感が増して画質の劣化を招いてしまう。
近年、撮像素子の多画素化が進むと共に、撮像素子自体のチップサイズも大きくなってきている。特に、高画質を求められるデジタルスティルカメラ等の撮像装置には、銀塩カメラの35mmフィルムの画面サイズと同等のチップサイズを有するものもあり、このような大型撮像素子では、前記輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の問題が特に顕著になる。
又、実ダーク減算による補正方式では1シーンで2回の撮像動作を行うため、1シーンの撮影時間が2倍になり、ビデオカメラのフレームレートやデジタルスティルカメラの連写性能を大きく低下させることになる。
本発明の目的は、上記問題を解決し、撮像素子の部分的な温度上昇時にも、フレームレートや連写性能を保ちながら、画像の輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の部分的な増加等により画質の低下しない撮像装置を提供することにある。
上記のように撮像素子内で温度差がある場合においても、輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行うために、撮像素子周辺に複数の温度センサを配置し、前記複数の温度センサによる温度測定結果に応じて撮像素子からの出力値に対する補正値を変更することで、撮像素子出力の補正を良好に行えるようにする。
又、前記出力値に対する補正値を、撮像素子の欠陥画素の補正値とすることで、撮像素子の暗電流起因の欠陥画素補正を良好に行えるようにする。
又、前記撮像素子の画素範囲を複数のエリアに分割し、各エリア毎に欠陥画素の補正値を変更するようにすることで、更に精度の良い欠陥画素補正を行えるようにする。
又、前記出力値に対する補正値を、撮像素子の暗電流値の補正値とすることで、輝度ムラや色ムラの補正を良好に行えるようにする。
又、前記温度センサを撮像素子と同一基板上に構成することで、装置の大型化やコストアップをすることなく輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行えるようにする。
更に、撮像素子の有効画素部周辺に配置された遮光画素を複数のエリアに分割すると共に前記遮光画素の暗電流値を検出し、前記複数の遮光画素エリアからの暗電流値から複数の領域の温度を測定し、前記複数の領域の温度測定結果に応じて撮像素子からの出力値に対する補正値を変更することで、撮像素子出力の補正を良好に行えるようにする。
本発明によれば、撮像素子内で温度差がある場合においても、輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行うために、撮像素子周辺に複数の温度センサを配置し、その温度測定結果に応じて撮像素子の欠陥画素の補正値及び撮像素子の暗電流値の補正値を変更するようにしているので、撮像素子内で温度差がある場合においても、輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行うことができ、特に、大型の撮像素子においては、その効果は非常に大きいと言える。
又、撮像素子の画素範囲を複数のエリアに分割し、各エリア毎に欠陥画素の補正値を変更するようにすることで、更に精度の良い欠陥画素補正が行える。
又、前記温度センサを撮像素子と同一基板上に構成することで、装置の大型化やコストアップをすることなく輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行えるようにする。
更に、撮像素子の有効画素部周辺に配置された遮光画素を複数のエリアに分割すると共に前記遮光画素の暗電流値を検出し、前記複数の遮光画素エリアからの暗電流値から複数の領域の温度を測定し、前記複数の領域の温度測定結果に応じて撮像素子からの出力値に対する補正値を変更しているので、撮像素子内で温度差がある場合においても、輝度ムラや色ムラ及び欠陥画素の補正を良好に行うことができ、特に、大型の撮像素子においては、その効果は非常に大きいと言える。
以下、本発明の実施の形態に係る撮像信号の補正方法及び撮像装置について、図を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の実施の形態におけるCMOS型エリアセンサの画素部回路である。
図1において、画素内にはフォトダイオード1、転送スイッチ2、リセットスイッチ3、画素アンプ10、行選択スイッチ6が設けてあり、転送スイッチ2のゲートは垂直走査回路14からのΦTX(n,n+1)に接続され、リセットスイッチ3のゲートは垂直走査回路14からのΦRES(n,n+1)に接続され、行選択スイッチ6のゲートは垂直走査回路14からのΦSEL(n,n+1)に接続されている。
光電変換は該フォトダイオード1で行われ、光量電荷の蓄積期間中は転送スイッチ2はオフ状態であり、画素アンプを構成するソースフォロア10のゲートにはこのフォトダイオード1で光電変換された電荷は転送されない。該画素アンプを構成するソースフォロア10のゲート11は、蓄積開始前に該リセットスイッチ3がオンし、適当な電圧に初期化されている。即ち、これがダークレベルとなる。次に又は同時に行選択スイッチ6がオンになると、負荷電流源7と該画素アンプ10で構成されるソース・フォロア回路が動作状態になり、ここで該転送スイッチ2をオンさせることで該フォトダイオード1に蓄積されていた電荷は、該画素アンプを構成するソースフォロア10のゲートに転送される。ここで、4はリセット電源、5はソースフォロア10を駆動する電源である。
ここで、選択行の出力が垂直出力線13上に発生する。この出力は転送ゲート15a,15bを介して、信号蓄積部15に蓄積される。信号蓄積部15に一時記憶された出力は水平走査回路16によって順次出力アンプ部へ読み出される。
図2は図1のCMOS型エリアセンサの動作タイミング図である。
全画素リセット期間T1のタイミングで、ΦTX(n),ΦTX(n+1)がアクティブになり、全画素の該フォトダイオード1の電荷は、該転送スイッチ2を介して該ソースフォロア10のゲートに転送され、該フォトダイオード1はリセットされる。この状態はフォトダイオード1のカソード電荷がソースフォロア10のゲートに移って平均化された状態であるが、ソースフォロア10のゲートのキャパシタ9の容量成分を大きくすることで、フォトダイオード1のカソードをリセットしたレベルと同様になる。
このとき、対象画像の光量を導光する不図示のメカシャッターは開いており、時間T1の終了と同時に、全画素同時に蓄積を開始する。該メカシャッターはT3の期間を開いたままで、この間がフォトダイオード1の蓄積期間となる。
T3時間経過後、T4のタイミングでメカシャッターは閉じ、該フォトダイオード1の光電荷の蓄積が終了する。この状態では該フォトダイオード1に電荷が蓄積されている。次に、各ライン毎に読み出しがスタートする。即ち、N−1行目を読み出してからN行目を読み出す。
時間T5の期間ΦSEL(n)がアクティブになり、該行選択スイッチ6がオンし、n行目に繋がっている全ての画素の該画素アンプ10で構成されるソース・フォロア回路が動作状態になる。ここで、該画素アンプ10で構成されるソース・フォロアのゲートはT2期間でΦRES(n)がアクティブになり、リセットスイッチ3がオンとなり、該ソースフォロア10のゲート11は初期化される。即ち、該垂直出力線13にはこのダークレベルの信号が出力される。
次に、ΦTN(n)がアクティブになり、転送ゲート15bがオンし、該信号蓄積部15に保持される。この動作は、N行に繋がっている全ての画素に対して同時並列に実行される。ダークレベルの該信号蓄積部15の転送が終了した時点で、該ホトダイオード1に蓄積されていた信号電荷をΦTX(n)をアクティブとすることで、転送スイッチ2をオンとし、該画素アンプ10で構成されるソース・フォロアのゲート11に転送する。このとき、該画素アンプ10で構成されるソース・フォロアのゲート11は転送されてきた信号電荷に見合う分だけリセットレベルから電位が変動し信号レベルが確定する。
ここで、ΦTSがアクティブになり、転送ゲート15aがオンし、信号レベルが該信号蓄積部15に保持される。この動作は、N行に繋がっている全ての画素に対して同時並列に実行される。ここで、該信号蓄積部15には、N行に繋がっている全ての画素のダークレベルと信号レベルを保持しており、各画素間でのダークレベルと信号レベルの差を取ることでソース・フォロアのスレシホールド電圧Vthバラツキによる固定パターンノイズ(FPN)や該リセットスイッチ3がリセット時に発生するKTCノイズをキャンセルし、S/Nの高いノイズ成分を除去された信号が得られる。ここで、フォトダイオード1を光学的に遮光した画素からの出力は、フォトダイオード1の表面欠陥等から生じる暗電流成分のみとなる。
この信号を該水平走査回路16によって、該信号蓄積部15に蓄積されたダークレベルと信号レベルの差信号を水平走査し、時系列的に、T7のタイミングで出力される。これでN行の出力は終了である。同様に、ΦSEL(n+1),ΦRES(n+1),ΦTX(n+1),ΦTN,ΦTSを図2に示すようにN行目と同様に駆動することで、N+1行目の信号を読み出すことができる。
図3は図1のCMOS型エリアセンサのチップ20を模式的に示したものである。ここで、20aはエリアセンサのうち有効画素部分を示し、20bは画素部を遮光したOB画素部分である。又、20cは図2に示す信号蓄積部15の信号を増幅し出力するためのアンプである。
又、図3は図1のCMOS型エリアセンサから出力された画像も示しており、この場合均一輝度面を若干アンダーに露光された状態の画像であり、有効部20aの一部に暗電流に起因した欠陥画素がホワイトスポットとして示されている。
図4は図3を更に詳細に説明するとともに、アンプ20cの動作に伴う発熱により、輝度ムラや色ムラ及び暗電流に起因した欠陥画素の様子を示したものである。画面左上は温度が高いため、暗電流により画面輝度レベルが見掛け上高く欠陥画素数も多いが、画面右下ほど暗電流が少ないため輝度レベルが下がり欠陥画素数も少ない。
CMOS型エリアセンサのチップ20内の画素部外周部には、チップ内の複数箇所の温度を測定するためにA〜Jの温度センサを内蔵している。又、全画素範囲を6分割(a〜f)して、図5のように各部の平均温度を、
a部温度=(A+J)/2
b部温度=(B+J+D)/3
c部温度=(C+D)/2
d部温度=(H+I)/2
e部温度=(G+I+E)/3
f部温度=(E+F)/2
としている。
a部温度=(A+J)/2
b部温度=(B+J+D)/3
c部温度=(C+D)/2
d部温度=(H+I)/2
e部温度=(G+I+E)/3
f部温度=(E+F)/2
としている。
図6は各温度毎の欠陥画素アドレスのテーブルを示しており、図4で示した6分割(a〜f)毎に用意されている。即ち、図5で示した各部の温度によって欠陥画素アドレスのテーブルを使い分けるようにすれば、撮像素子内で温度差がある場合でも欠陥画素の補正過多や補正不足の問題を解消し、最適の補正効果を得ることができる。
一方、画面内の輝度ムラに関しては、温度に対する暗電流値のテーブルを準備しておく。次に、上記図4〜5の説明でa部〜f 部の温度が測定されているので、その測定温度を図7のように各部(a〜f)の中央座標に位置する画素の温度(a1〜f1)とする。そして全画素(p×m画素)範囲内の各画素温度を、前記a1〜f1の値を用いて最小二乗法で近似決定する。
各画素温度が分かれば、温度に対する暗電流値のテーブルから各画素の暗電流が求められるので、各画素出力から暗電流分を減算することで、撮像素子内で温度差がある場合でも最適の補正効果が得られ、輝度ムラや色ムラといった画質の低下防止することができる。
ここで、図4で示した温度センサA〜Jとしては、撮像素子外部にダイオード等を配置させ、その温度特性を利用したものでも良いが、撮像素子と同一基板上に、撮像素子の製造プロセスで製造可能なNPNトランジスタやダイオードを配置させ、その温度特性を利用したもでも良い。
又、図4において温度センサはA〜Jの10個、全画素範囲の分割数はa〜fの6分割であったが、可能な範囲でその数を増やすことによってより精度の高い補正が可能となることは言うまでもない。
更に、図4における温度センサの代わりに、図8に示すようにCMOS型エリアセンサのチップ20内の有効画素部30aの外周部に30bの遮光画素(OB)を設けると共にA〜Jの部分に分割して、OB部の暗電流値と温度に対する暗電流値のテーブルからA〜Jの部分の温度を測定するようにしても良い。
又、本実施の形態では、CMOS型エリアセンサを例にとって説明しているが、CCD型エリアセンサ等どのようなエリアセンサであっても構わない。
1 フォトダイオード
2 転送スイッチ
3 リセットスイッチ
4,5 基準電源
6 行選択スイッチ
7 負荷電流源
9 ソースフォロアのゲートのキャパシタ
10 ソースフォロア
10 画素アンプ
11 ソース・フォロアのゲート
13 垂直出力線
14 垂直走査回路
15 信号蓄積部
15a,15b 転送ゲート
16 水平走査回路
20,30 CMOS型エリアセンサのチップ
20a,30a CMOS型エリアセンサの有効部
20b,30b CMOS型エリアセンサの遮光画素(OB)部
20c 増幅アンプ
2 転送スイッチ
3 リセットスイッチ
4,5 基準電源
6 行選択スイッチ
7 負荷電流源
9 ソースフォロアのゲートのキャパシタ
10 ソースフォロア
10 画素アンプ
11 ソース・フォロアのゲート
13 垂直出力線
14 垂直走査回路
15 信号蓄積部
15a,15b 転送ゲート
16 水平走査回路
20,30 CMOS型エリアセンサのチップ
20a,30a CMOS型エリアセンサの有効部
20b,30b CMOS型エリアセンサの遮光画素(OB)部
20c 増幅アンプ
Claims (9)
- 撮像素子周辺に複数の温度センサを配置し、前記複数の温度センサによる温度測定結果に応じて、撮像素子からの出力値に対する補正値を変更するようにしたことを特徴とする撮像装置。
- 前記出力値に対する補正値は、撮像素子の欠陥画素の補正値であることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- 前記撮像素子の画素範囲を複数のエリアに分割し、各エリア毎に補正値を変更するようにしたことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。
- 前記出力値に対する補正値は、撮像素子の暗電流値の補正値であることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- 前記温度センサは、撮像素子と同一基板上に構成されていることを特徴とする1記載の撮像装置。
- 撮像素子の有効画素部周辺に配置された遮光画素を複数のエリアに分割すると共に、前記遮光画素の暗電流値を検出する手段と、温度に対する暗電流値のテーブル手段とを有し、前記複数の遮光画素エリアからの暗電流値から複数の領域の温度を測定する手段と、前記複数の領域の温度測定結果に応じて、撮像素子からの出力値に対する補正値を変更するようにしたことを特徴とする撮像装置。
- 前記出力値に対する補正値は、撮像素子の欠陥画素の補正値であることを特徴とする請求項6記載の撮像装置。
- 前記撮像素子の画素範囲を複数のエリアに分割し、各エリア毎に補正値を変更するようにしたことを特徴とする請求項7記載の撮像装置。
- 前記出力値に対する補正値は、撮像素子の暗電流値の補正値であることを特徴とする請求項6記載の撮像装置。
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