JP2011229102A - 撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法 - Google Patents
撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】Ａ／Ｄ変換部の温度特性に関わらず、常に所定のダイナミックレンジで撮像することができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
【解決手段】撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えることで、Ａ／Ｄ変換部の温度特性に関わらず、常に所定のダイナミックレンジで撮像することができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
【選択図】図２
【解決手段】撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えることで、Ａ／Ｄ変換部の温度特性に関わらず、常に所定のダイナミックレンジで撮像することができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
【選択図】図２
Description
本発明は、撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法に関し、特に温度特性を有するアナログデジタル変換部を有する撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法に関する。
入射光量に応じて、線形特性と対数特性との２つの特性が切り替わる光電変換特性を有する、線形対数変換型撮像素子が知られている。この撮像素子は、高感度と広ダイナミックレンジとを両立させることのできるものであるが、光電変換特性が線形特性から対数特性に切り替わる変曲点近傍では、撮像素子の画素を構成するＭＯＳ型トランジスタやフォトダイオードの特性のバラツキに起因する出力誤差が大きくなり、温度によっても変曲点の位置が変化するという課題があった。
そこで、例えば特許文献１では、温度係数も含めて各画素毎の補正値を記憶し、補正値に基づいて各画素の出力値を補正することで、全画素の出力値を一致させることのできる信号処理装置が開示されている。
しかしながら、撮像素子の光電変換特性の温度特性によって画素出力のオフセットや変曲点が変化すると、撮像素子のダイナミックレンジ自体が変化するが、特許文献１のように撮像素子から出力された出力値を後処理で補正する方法では、このダイナミックレンジ自体の変化を補正することはできない。
また、撮像素子から出力される撮像信号は、アナログデジタル変換器によってデジタルデータに変換されて演算されるが、アナログデジタル変換器自体も温度特性を持っており、その温度特性によってもダイナミックレンジが変化するので、アナログデジタル変換器の温度特性も補正する必要がある。アナログデジタル変換器の温度特性は、撮像素子の光電変換特性には依存しない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、アナログデジタル変換部の温度特性および撮像素子の光電変換特性の温度特性に関わらず、常に所定のダイナミックレンジで撮像することができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することを目的とする。
本発明の目的は、下記構成により達成することができる。
１．被写体像を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、
前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
前記撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、
前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えたことを特徴とする撮像装置。
２．前記Ａ／Ｄ変換部への入力を切り替えるＡ／Ｄ入力切替部を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、
前記Ａ／Ｄ入力切替部を用いて、前記Ａ／Ｄ変換部に温度に依存しない所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換動作を行わせて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする前記１に記載の撮像装置。
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、
前記Ａ／Ｄ入力切替部を用いて、前記Ａ／Ｄ変換部に温度に依存しない所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換動作を行わせて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする前記１に記載の撮像装置。
３．前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、所定時間が経過する毎に前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする前記１または２に記載の撮像装置。
４．前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度検出部を備え、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、前記温度検出部の検出結果が、前回の検出結果から所定値以上変化した場合に、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の撮像装置。
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、前記温度検出部の検出結果が、前回の検出結果から所定値以上変化した場合に、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする前記１から３の何れか１項に記載の撮像装置。
５．前記撮像素子は、前記Ａ／Ｄ変換部を内蔵するとともに、温度センサを内蔵し、
前記温度検出部は、前記温度センサの出力に基づいて前記撮像素子の温度を検出することを特徴とする前記４に記載の撮像装置。
前記温度検出部は、前記温度センサの出力に基づいて前記撮像素子の温度を検出することを特徴とする前記４に記載の撮像装置。
６．前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、撮像動作の垂直ブランキング期間中に前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする前記１から５の何れか１項に記載の撮像装置。
７．前記Ａ／Ｄ変換部は、上位ビットを逐次比較型で変換し、冗長ビットを含む下位ビットを積分型で変換するＡ／Ｄ変換器を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、
前記Ａ／Ｄ変換部に、温度に依存しない少なくとも２つの所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換特性を検出し、
検出したＡ／Ｄ変換特性を用いて、
前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄオフセット補正値と、
前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄ傾き補正値とを演算し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正部は、
前記Ａ／Ｄオフセット補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるとともに、
前記Ａ／Ｄ傾き補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけることを特徴とする前記２から６の何れか１項に記載の撮像装置。
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、
前記Ａ／Ｄ変換部に、温度に依存しない少なくとも２つの所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換特性を検出し、
検出したＡ／Ｄ変換特性を用いて、
前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄオフセット補正値と、
前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄ傾き補正値とを演算し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正部は、
前記Ａ／Ｄオフセット補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるとともに、
前記Ａ／Ｄ傾き補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけることを特徴とする前記２から６の何れか１項に記載の撮像装置。
８．前記撮像素子は、光電変換特性検出用画素を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正部によって補正された前記光電変換特性検出用画素の光電変換出力に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を検出する光電変換特性検出部と、
前記光電変換特性検出部の検出結果に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を基準光電変換特性に近づけるように補正する光電変換特性補正部とを備えたことを特徴とする前記１から７の何れか１項に記載の撮像装置。
前記Ａ／Ｄ変換特性補正部によって補正された前記光電変換特性検出用画素の光電変換出力に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を検出する光電変換特性検出部と、
前記光電変換特性検出部の検出結果に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を基準光電変換特性に近づけるように補正する光電変換特性補正部とを備えたことを特徴とする前記１から７の何れか１項に記載の撮像装置。
９．被写体像を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系で結像された被写体像を撮像して撮像信号を出力する撮像素子と、
前記撮像信号をデジタルの撮像データに変換するＡ／Ｄ変換部とを備えた撮像装置の温度特性補正方法において、
前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出工程と、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程の検出結果に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正工程とを備えたことを特徴とする撮像装置の温度特性補正方法。
前記撮像光学系で結像された被写体像を撮像して撮像信号を出力する撮像素子と、
前記撮像信号をデジタルの撮像データに変換するＡ／Ｄ変換部とを備えた撮像装置の温度特性補正方法において、
前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出工程と、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程の検出結果に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正工程とを備えたことを特徴とする撮像装置の温度特性補正方法。
１０．前記Ａ／Ｄ変換部への入力を切り替えるＡ／Ｄ入力切替部を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程は、
前記Ａ／Ｄ入力切替部を用いて、前記Ａ／Ｄ変換部に温度に依存しない所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換動作を行わせて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出する工程であることを特徴とする前記９に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程は、
前記Ａ／Ｄ入力切替部を用いて、前記Ａ／Ｄ変換部に温度に依存しない所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換動作を行わせて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出する工程であることを特徴とする前記９に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
１１．前記Ａ／Ｄ変換部は、上位ビットを逐次比較型で変換し、冗長ビットを含む下位ビットを積分型で変換するＡ／Ｄ変換器であり、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程は、
前記Ａ／Ｄ変換部に、温度に依存しない少なくとも２つの所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換特性を検出し、
検出したＡ／Ｄ変換特性を用いて、
前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄオフセット補正値と、
前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄ傾き補正値とを演算する工程であり、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正工程は、
前記Ａ／Ｄオフセット補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるとともに、
前記Ａ／Ｄ傾き補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づける工程であることを特徴とする前記１０に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程は、
前記Ａ／Ｄ変換部に、温度に依存しない少なくとも２つの所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換特性を検出し、
検出したＡ／Ｄ変換特性を用いて、
前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄオフセット補正値と、
前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄ傾き補正値とを演算する工程であり、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正工程は、
前記Ａ／Ｄオフセット補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるとともに、
前記Ａ／Ｄ傾き補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づける工程であることを特徴とする前記１０に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
１２．前記撮像素子は、光電変換特性検出用画素を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正工程によって補正された前記光電変換特性検出用画素の光電変換出力に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を検出する光電変換特性検出工程と、
前記光電変換特性検出工程の検出結果に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を基準光電変換特性に近づけるように補正する光電変換特性補正工程とを備えたことを特徴とする前記９から１１の何れか１項に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
前記Ａ／Ｄ変換特性補正工程によって補正された前記光電変換特性検出用画素の光電変換出力に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を検出する光電変換特性検出工程と、
前記光電変換特性検出工程の検出結果に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を基準光電変換特性に近づけるように補正する光電変換特性補正工程とを備えたことを特徴とする前記９から１１の何れか１項に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
本発明によれば、撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えることで、Ａ／Ｄ変換部の温度特性に関わらず、常に所定のダイナミックレンジで撮像することができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
さらに、Ａ／Ｄ変換特性補正部によって補正された撮像データに基づいて、撮像素子の光電変換特性を検出するので、撮像データがＡ／Ｄ変換部の温度特性を含まないために、光電変換特性の補正を正確に行うことができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限らない。なお、図中、同一あるいは同等の部分には同一の番号を付与し、重複する説明は省略することがある。
最初に、本発明が解決する課題について、図１２を用いて確認する。図１２は、本発明が解決する課題を示す模式図で、図１２（ａ）は撮像素子の光電変換特性の温度特性を示し、図１２（ｂ）はアナログ／デジタル（以下、Ａ／Ｄと言う）変換部のＡ／Ｄ変換特性の温度特性を示す。
図１２（ａ）において、本発明における撮像素子は、入射光量に応じて、線形特性と対数特性との２つの特性が切り替わる光電変換特性（以下、リニアログ特性と言う）を有している。グラフの横軸は、撮像素子の撮像面照度Ｌを対数軸でとってあり、縦軸は撮像素子の出力電圧ＶＬを線形軸でとってある。
グラフに実線で示した基準光電変換特性ＰＣ０は、基準温度、例えば事前測定時の温度Ｔ０での光電変換特性であり、低照度領域Ａ１では線形特性を示し、高照度領域Ａ２では対数特性を示す。線形特性と対数特性との切り替わり点である変曲点Ｐｔ０は、照度Ｌｐｔ０での出力電圧がＶｐｔ０である。
一方、高温での光電変換特性ＰＣｈは、グラフに破線で示したように、基準光電変換特性ＰＣ０に対して、（１）低照度側で出力電圧が持ち上がってオフセットが発生し、（２）変曲点Ｐｔｈが低照度側に移動し、（３）対数特性の傾きが立っている。従って、光電変換できる撮像面照度Ｌの範囲に対して出力電圧ＶＬの幅が狭くなり、画像のコントラストが低くなる。
逆に、低温での光電変換特性ＰＣｌは、グラフに一点鎖線で示したように、（１）低照度側で出力電圧が下がって負のオフセットが発生し、（２）変曲点Ｐｔｌが高照度側に移動し、（３）対数特性の傾きが寝ている。従って、光電変換できる撮像面照度Ｌの範囲、即ちダイナミックレンジが、基準光電変換特性ＰＣ０に対して狭くなってしまう。
（１）のオフセットＶｏｓは、温度による暗電流の増加に起因するもので、撮像素子全般に発生する固有の現象である。（２）の変曲点Ｐｔの移動は、温度による転送ゲートのポテンシャルの低下に起因するもので、リニアログ特性固有の現象である。（３）の対数特性の傾き変化は、対数変換の傾きの理論式が（ｋＢＴ／ｑ）の項を含んでいる（ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子の電荷素量）ために、傾きが絶対温度Ｔに比例するためで、対数変換特性固有の現象である。
上述した理由から、（１）から（３）の温度特性は撮像素子３の全ての画素３１ａで同一の温度特性であり、全ての画素３１ａで同一の補正をすることが可能である。
また、撮像装置においては、撮像に同期してリアルタイムでＡ／Ｄ変換を行う必要があるので、以下に述べる実施の形態では、高速のＡ／Ｄ変換器として、上位ビットを逐次比較型で変換し、冗長ビットを含む下位ビットを積分型で変換するカラム型と呼ばれるＡ／Ｄ変換器を用いることとする。このタイプのＡ／Ｄ変換器については、例えば特開２００８−２４４７１６号公報等に詳述されている。
図１２（ｂ）において、グラフに実線で示した基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０は、基準温度、例えば事前測定時の温度Ｔ０でのＡ／Ｄ変換特性であり、入力電圧Ｖｉｎに対して、線形のＡ／Ｄ変換特性を示す。
一方、高温でのＡ／Ｄ変換特性ＡＤｈは、グラフに破線で示したように、基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０に対して、（４）入力電圧Ｖｉｎの低い側で出力ＡＤｏｕｔ値が大きくなってオフセット（以下、ＡＤオフセットと言う）が発生し、（５）Ａ／Ｄ変換特性の傾き（以下、ＡＤ傾きと言う）が立っている。従って、Ａ／Ｄ変換の入力範囲、即ちＡ／Ｄ変換のダイナミックレンジが、基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０に対して狭くなってしまう。
逆に、低温でのＡ／Ｄ変換特性ＡＤｌは、グラフに一点鎖線で示したように、基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０に対して、（４）入力電圧Ｖｉｎの低い側で出力ＡＤｏｕｔ値が小さくなって負のＡＤオフセットが発生し、（５）ＡＤ傾きが寝ている。従って、Ａ／Ｄ変換できる入力範囲に対して出力の幅が狭くなり、画像のコントラストが低くなる。
（４）のＡＤオフセットおよび（５）のＡ／Ｄ傾きの変化の原因は、上位ビットを変換する逐次比較型の変換方法に用いられるキャパシタの容量の温度特性と、Ａ／Ｄ変換に許容される時間が短いために、キャパシタの電位が不飽和状態になっていることに起因している。つまり、高温になるとキャパシタの容量が大きくなって、不飽和の状態が大きくなり、低温になるとキャパシタの容量が小さくなって不飽和の状態が小さくなることで発生する誤差である。
以上が、本発明が解決する課題であり、以下に述べる実施の形態では、（１）および（２）をＡ／Ｄ変換前にアナログ的に補正し、（３）、（４）および（５）をＡ／Ｄ変換後にデジタル的に補正することで、課題を解決する。
（１）から（５）の課題を補正することで、温度環境下の光電変換特性およびＡ／Ｄ変換特性を、基準光電変換特性および基準Ａ／Ｄ変換特性に一致させることが望ましいが、完全に一致させることができなくても、基準光電変換特性および基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけることができれば、効果は大きい。
次に、本発明における撮像装置の実施の形態について、図１を用いて説明する、図１は、撮像装置の実施の形態の構成の一例を示すブロック図である。
図１において、撮像装置１は、撮像光学系２、撮像素子３、画像処理部４、制御部５、記憶部６、表示部７およびインターフェース部（以下、Ｉ／Ｆ部と言う）８等で構成される。表示部７およびＩ／Ｆ部８等は必須ではない。
撮像光学系２は、レンズ等で構成され、光軸２１上に配置される撮像素子３の撮像面に被写体の像を結像させる。
撮像素子３は、撮像面が撮像光学系２の光軸２１上の結像位置に来るように配置され、撮像光学系２によって結像された被写体の像を光電変換してアナログの撮像信号を出力する。図２以降で詳述するが、本例では、撮像素子３はＡ／Ｄ変換部を内蔵しており、撮像素子３は、撮像信号をＡ／Ｄ変換して、デジタルの撮像データ３ｓとして出力する。
Ａ／Ｄ変換部は、必ずしも撮像素子３に内蔵される必要はなく、撮像素子３と画像処理部４との間に別設されてもよい。
画像処理部４は、後述する制御部５の制御下で、撮像素子３から出力された撮像データ３ｓに画像処理を施して、画像データ４ｓを出力する。
制御部５は、例えばＣＰＵと演算用メモリ等で構成され、後述する記憶部６に格納されたプログラムに従って撮像装置１の動作を制御するとともに、Ｉ／Ｆ部８を介して、撮像装置１が接続される外部システムと交信を行う。撮像素子３、画像処理部４および制御部５については、図２以降で詳述する。
記憶部６は、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、制御部５を構成するＣＰＵの動作を規定するプログラムを格納するとともに、制御部５の制御下で、画像処理部４から出力された画像データ４ｓを記憶および出力し、撮像装置１の各部に関する調整データ等を記憶および出力する。
表示部７は、制御部５の制御下で、記憶部６に記憶された画像や画像に関する情報等を表示する。
Ｉ／Ｆ部８は、制御部５の制御下で、撮像装置１と外部システムとの間の交信を行う。
次に、撮像素子、画像処理部および制御部について、図２から図４を用いて説明する。図２は、撮像素子、画像処理部および制御部の構成の一例を示すブロック図である。
図２において、撮像素子３は、画素部３１、モニタ画素部３２、温度センサ３３、垂直走査回路３４、Ａ／Ｄ変換部３５、水平シフトレジスタ３６、出力アンプ３７、オフセットシフト部３８およびＡ／Ｄ入力切替部３９等で構成されている。
画素部３１は、上述したように、リニアログ特性の光電変換特性を持つ。撮像素子３からは、画像処理部４に向けて、撮像データ３ｓが出力される。撮像素子３の内部構成の詳細は、図３および図４で説明する。
画像処理部４は、撮像素子３から出力された撮像データ３ｓに画像処理を施して、あるいは処理を施さずにそのまま、画像データ４ｓとして、制御部５に向けて出力する。画像処理部４は、その他に、撮像素子３のＡ／Ｄ変換部３５のＡ／Ｄ変換特性Ａ／Ｄと基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０とのＡ／ＤオフセットＶａｄｏｓを０（ゼロ）に近づけるＡ／Ｄオフセット補正部４１、Ａ／Ｄ変換部３５のＡ／Ｄ変換特性Ａ／Ｄの傾きを基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０の傾きに近づけるＡ／Ｄ傾き補正部４２、および、撮像素子３の光電変換特性ＰＣの対数特性の傾きを基準光電変換特性ＰＣ０の対数特性の傾きに近づける対数特性補正部４３を有している。
制御部５は、撮像素子３の動作を制御して撮像データ３ｓを出力させ、画像処理部４から出力された画像データ４ｓを記憶部６に記憶させる等、撮像装置１全体の動作を制御する。
制御部５は、その他に、撮像素子３のＡ／Ｄ変換部３５の使用温度環境下でのＡ／Ｄ変換特性ＡＤを検出し、基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０に近づけるための補正値を演算するＡ／Ｄ変換補正値演算部５１と、撮像素子３の画素部３１の使用温度環境下での光電変換特性ＰＣを検出し、基準光電変換特性ＰＣ０に近づけるための補正値を演算する光電変換補正値演算部５２とを有している。
ここに、Ａ／Ｄ入力切替部３９およびＡ／Ｄ変換補正値演算部５１は、本発明におけるＡ／Ｄ変換特性検出部として機能し、モニタ画素部３２および光電変換補正値演算部５２は、本発明における光電変換特性検出部として機能する。
さらに、制御部５は、撮像素子３の光電変換特性ＰＣの温度特性に起因するオフセットのズレを基準光電変換特性ＰＣ０に近づけるオフセット制御部５３、撮像素子３の光電変換特性ＰＣの温度特性に起因する変曲点Ｐｔのズレを基準光電変換特性ＰＣ０の変曲点Ｐｔ０に近づける変曲点制御部５４、および、撮像素子３に内蔵された温度センサ３３の出力を用いて撮像素子３の温度を検出する温度検出部５５を有している。
ここに、オフセットシフト部３８およびオフセット制御部５３は、本発明におけるオフセット補正部として機能し、垂直走査回路３４および変曲点制御部５４は、本発明における変曲点補正部として機能する。さらに、対数特性補正部４３、オフセットシフト部３８およびオフセット制御部５３、垂直走査回路３４および変曲点制御部５４は、本発明における光電変換特性補正部として機能する。
図３および図４は、撮像素子３の内部構成の一例を示すブロック図で、図３は画素部３１、モニタ画素部３２、温度センサ３３および垂直走査回路３４を示し、図４はＡ／Ｄ変換部３５、水平シフトレジスタ３６、出力アンプ３７、オフセット補正回路３８およびＡ／Ｄ入力切替部３９を示す。
図３において、画素部３１は、撮像素子３の撮像面上に、ｍ行ｎ列（ｍ、ｎは正の整数）の２次元マトリクス状に配置された画素３１ａ等で構成され、撮像光学系２によって光軸２１上に結像された被写体の像を光電変換し、撮像信号を出力する。
画素３１ａの構成と光電変換特性とを、図５に示す。図５は、画素３１ａの構成の一例と特性とを示す模式図で、図５（ａ）は画素３１ａの回路構成の一例を示し、図５（ｂ）は画素３１ａの光電変換特性を示す。
図５（ａ）において、画素３１ａは、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＱ１、リセットトランジスタＱ２、フローティングディフュージョンＦＤ、出力トランジスタＱ３および選択トランジスタＱ４等で構成される。
ＰＶＤＤとＰＶＳＳとは、画素３１ａの電源電位である。最初に、転送トランジスタＱ１がオフの状態で、垂直走査回路３４から行リセット信号φＲＳＴが出力されてリセットトランジスタＱ２がオンして、フローティングディフュージョンＦＤの電位がリセットされる。
リセットから所定時間経過後に、垂直走査回路３４から行選択信号φＶＳＥＮが出力されて選択トランジスタＱ４がオンすることで、フローティングディフュージョンＦＤのリセット状態の電位が、出力トランジスタＱ３を介して、画素３１ａの垂直列毎に共通の垂直信号線３１ｂに、ノイズ信号３１ｎとして出力される。
続いて、転送トランジスタＱ１の転送信号φＴＸが所定電位に設定されると、画素３１ａに入射した被写体像の光が、フォトダイオードＰＤによって光電変換されて光電流Ｉｐとなり、転送トランジスタＱ１を介してフローティングディフュージョンＦＤに蓄積される。
入射光量即ち撮像面照度Ｌが低照度の場合は、光電流ＩｐのフローティングディフュージョンＦＤへの蓄積は線形特性である。撮像面照度Ｌが高照度の場合は、転送トランジスタＱ１のサブスレショルド特性により、光電流Ｉｐが対数変換された電位がフローティングディフュージョンＦＤに発生する。線形特性と対数特性との切り替わり点、即ち変曲点Ｐｔとなる光電流Ｉｐの値Ｌｐｔは、転送トランジスタＱ１の転送信号φＴＸの設定によって任意に設定できる。
従って、変曲点Ｐｔを基準光電変換特性の変曲点Ｐｔ０に合わせるには、制御部５の変曲点補正部５４から出力される変曲点補正値σに基づいて、転送トランジスタＱ１の転送信号φＴＸを制御することで行うことができる。
再び、垂直走査回路３４から行選択信号φＶＳＥＮが出力されて選択トランジスタＱ４がオンすることで、フローティングディフュージョンＦＤの撮像状態の電位が、出力トランジスタＱ３を介して、垂直信号線３１ｂに、画素信号３１ｐとして出力される。
後段の回路、例えばＡ／Ｄ変換部３５等で、相関二重サンプリング（以下、ＣＤＳと言う）法等により、画素信号３１ｐとノイズ信号３１ｎとの差分をとることで、ノイズがキャンセルされた撮像信号３１ｓ（３１ｓ＝３１ｐ−３１ｎ）を得ることができる。
光電変換特性を図５（ｂ）に示す。グラフの横軸は撮像面照度Ｌを対数軸でとってあり、縦軸は出力電圧ＶＬを線形軸でとってある。変曲点Ｐｔでの撮像面照度Ｌｐｔよりも低照度の状態（Ａ１領域）では、出力電圧ＶＬは撮像面照度Ｌに対して線形特性であり、変曲点Ｐｔでの撮像面照度Ｌｐｔよりも高照度の状態（Ａ２領域）では、出力電圧ＶＬは撮像面照度Ｌに対して対数特性である。
図３に戻って、モニタ画素部３２は、画素部３１の光電変換特性の温度特性をモニタするためのモニタ画素３２ａ等で構成されている。図３の例では、モニタ画素３２ａは、撮像素子３の撮像面上の画素部３１の領域に隣接して、水平１行分のｎ画素が設けられているが、これに限るものではなく、少なくとも１画素設けられればよいし、数行設けられても良い。モニタ画素３２ａの構成の一例を、図６に示す。
図６において、モニタ画素３２ａは、画素３１ａのフォトダイオードＰＤに並列に、温度に依存しない所定の電流値の電流Ｉｄを供給する定電流源ＩＤを有している。また、光電流Ｉｐを発生させずに暗電流のみを発生させるように、少なくともフォトダイオードＰＤは遮光されている。その他は画素３１ａと同じ構成をしている。温度に依存しない所定の電流値の電流Ｉｄは、例えば、バンドギャップ回路として周知の回路を用いることで作成することができる。
駆動方法も同様であり、異なる点は、転送トランジスタＱ１の転送信号φＴＸが所定電位に設定されることで、光電流Ｉｐに相当する定電流Ｉｄが、転送トランジスタＱ１を介してフローティングディフュージョンＦＤに蓄積される点である。
定電流Ｉｄの値が低い場合は、定電流ＩｄのフローティングディフュージョンＦＤへの蓄積は線形特性である。定電流Ｉｄの値が高い場合は、転送トランジスタＱ１のサブスレショルド特性により、定電流Ｉｄが対数変換された電位がフローティングディフュージョンＦＤに発生する。その他の動作は画素３１ａと同じである。よって、モニタ画素部３２に光電流Ｉｐに相当する定電流Ｉｄを供給することで、画素部３１の光電変換特性を検出することができる。
図３に戻って、温度センサは、例えばダイオードと定電流回路等とで構成され、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを出力線３３ｂに出力する。図２で説明した温度検出部５５は、ダイオードの順方向電圧Ｖｆの基準温度下での値からの変化を検出することで、温度を知ることができる。温度センサ３３は、Ａ／Ｄ変換部３５の近傍に設けられることが好ましく、そうすることによって、Ａ／Ｄ変換部３５の温度を正確に検出することができる。
垂直走査回路３４は、画素部３１およびモニタ画素部３２の各行のそれぞれに対して、上述した画素３１ｂ動作で説明した３つの駆動信号（行リセット信号φＲＳＴ、転送信号φＴＸおよび行選択信号φＶＳＥＮ）を供給し、画素部３１の各行、および必要に応じてモニタ画素部３２を順次走査して、撮像動作および光電変換特性検出動作を行わせる。
図４において、オフセットシフト部３８は、制御部５のオフセット制御部５３から出力されるオフセット補正値κに基づいて、各画素３１ａから垂直信号線３１ｂに出力された画素信号３１ｐあるいはノイズ信号３１ｎのオフセットを補正して、補正画素信号３８ｐあるいは補正ノイズ信号３８ｎを出力する。これによって、画素３１ａのオフセット値を基準光電変換特性ＰＣ０のオフセット値に近づけることができる。
Ａ／Ｄ入力切替部３９は、Ａ／Ｄ変換部３５の入力を、オフセット補正回路３８の出力である補正画素信号３８ｐあるいは補正ノイズ信号３８ｎと基準電圧３９ｖとに切り替えるスイッチ３９ａ等と、温度に依存しない所定の電位である基準電圧３９ｖを出力する基準電圧回路３９ｂとで構成される。
スイッチ３９ａは、撮像状態ではオフセット補正回路３８の出力側に設定され、Ａ／Ｄ変換部３５のＡ／Ｄ変換特性を測定する場合には基準電圧３９ｖ側に切り替えられる。スイッチ３９ａの切り替えは、制御部５のＡ／Ｄ変換補正値演算部５１から出力される切替信号３９ｈによって制御される。
また、基準電圧回路３９ｂの出力する基準電圧３９ｖの値は、制御部５のＡ／Ｄ変換補正値演算部５１から出力される基準電位切替信号３９ｊによって制御される。
Ａ／Ｄ変換部３５は、画素部３１の各列毎に設けられたｎ個と、温度センサ３３の出力に設けられた１個の合計（ｎ＋１）個のＡ／Ｄ変換器（図ではＡＤＣと表記している）３５ａ等で構成され、Ａ／Ｄ変換信号３５ｓを出力する。各々のＡ／Ｄ変換器３５ａは、例えば上位４ビットを逐次比較型で変換し、冗長ビット１ビットを含む下位１１ビットを積分型で変換する計１４ビットのＡ／Ｄ変換器である。
また、各々のＡ／Ｄ変換器３５ａは、オフセット補正回路３８の出力である補正画素信号３８ｐと補正ノイズ信号３８ｎとの差分をとるＣＤＳ機能を有し、差分をとった後のノイズがキャンセルされた撮像信号３１ｓをＡ／Ｄ変換する。
水平シフトレジスタ３６は、画素部３１の１行分のＡ／Ｄ変換信号３５ｓをシリアルデータに変換して出力アンプ３７を介して撮像データ３ｓとして出力する。
次に、本発明の撮像装置の実施の形態の動作の第１の例について、図７から図９を用いて説明する。図７は、撮像装置の実施の形態の動作の第１の例を示すフローチャートのメインルーチンであり、図８および図９は、図７のサブルーチンである。動作の第１の例では、撮像装置１は動画像を撮像するものとし、撮像装置１のＡ／Ｄ変換特性ＡＤおよび光電変換特性ＰＣを、所定時間経過毎に、動画像撮像動作の垂直ブランキング期間中に検出する。
図７において、ステップＳ１１で、タイマの計時がスタートされる。ステップＳ１３で、タイマの計時値が所定時間よりも大きいか等しいか否かが確認される。所定時間は、撮像装置１のＡ／Ｄ変換特性ＡＤおよび光電変換特性ＰＣを検出する周期であり、用途に合わせて適宜決定されればよい。
タイマの計時値が所定時間よりも小さい場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、ステップＳ２７に進んで、通常の撮像動作が行われる。タイマの計時値が所定時間よりも大きいか等しい場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１５で、撮像装置１の撮像動作のタイミングが、垂直ブランキング期間であるか否かが確認される。垂直ブランキング期間でない場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、ステップＳ２７に進んで、通常の撮像動作が行われる。
垂直ブランキング期間である場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、図８に示すステップＳ１７「Ａ／Ｄ変換特性検出サブルーチン」が実行される。
図８において、ステップＳ１７１で、制御部５のＡ／Ｄ変換補正値演算部５１によって、撮像素子３のＡ／Ｄ入力切替部３９の（ｎ＋１）個のスイッチ３９ａが基準電圧回路３９ｂから出力される基準電圧３９ｖ側に切り替えられる。ステップＳ１７２で、基準電圧３９ｖが第１基準電位Ｖ１に設定され、Ａ／Ｄ変換部３５の（ｎ＋１）個のＡ／Ｄ変換器３５ａに入力される。
ステップＳ１７３で、第１基準電位Ｖ１がＡ／Ｄ変換されて、（ｎ＋１）個の第１Ａ／Ｄ変換値Ａ１が得られる。同様に、ステップＳ１７４で基準電圧３９ｖが第２基準電位Ｖ２に設定され、ステップＳ１７５で（ｎ＋１）個の第２Ａ／Ｄ変換値Ａ２が得られる。以上の（Ｖ１，Ａ１）と（Ｖ２，Ａ２）との２つのデータを結ぶ直線が、現在の各々のＡ／Ｄ変換器３５ａのＡ／Ｄ変換特性ＡＤである。
ステップＳ１７６で、各々のＡ／Ｄ変換器３５ａの基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０が読み出される。基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０は、予めステップＳ１７３からステップＳ１７５の各動作を行って測定された、少なくとも（Ｖ１，Ａ１０）と（Ｖ２，Ａ２０）の２点のデータで表される各々のＡ／Ｄ変換器３５ａの基準特性で、測定時の温度Ｔ０とともに記憶部６に記憶されていたものである。
続いて、ステップＳ１７７で、Ａ／Ｄ変換特性ＡＤと基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０とを用いて、補正値が演算される。
まず、あるＡ／Ｄ変換器３５ａの、ステップＳ１７３からステップＳ１７５で求められた現在のＡ／Ｄ変換特性ＡＤと、記憶部６から読み出された基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０とを、図１０（ａ）に示す。図１０は、本発明における温度補正値の演算方法を示すグラフである。
図１０（ａ）のグラフから分かるように、現在のＡ／Ｄ変換特性ＡＤは、基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０とに対して、上方向にシフトするとともに、傾きが立っている。
現在のＡ／Ｄ変換特性ＡＤを、
ＡＤｏｕｔ＝α・Ｖｉｎ＋β
とすると、
α＝（Ａ２−Ａ１）／（Ｖ２−Ｖ１）
β＝Ａ１−α・Ｖ１＝Ａ１−（Ａ２−Ａ１）・Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）
となる。
ＡＤｏｕｔ＝α・Ｖｉｎ＋β
とすると、
α＝（Ａ２−Ａ１）／（Ｖ２−Ｖ１）
β＝Ａ１−α・Ｖ１＝Ａ１−（Ａ２−Ａ１）・Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）
となる。
同様に、基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０を、
ＡＤｏｕｔ＝γ・Ｖｉｎ
とすると、
γ＝＝（Ａ２０−Ａ１０）／（Ｖ２０−Ｖ１０）
となる。
ＡＤｏｕｔ＝γ・Ｖｉｎ
とすると、
γ＝＝（Ａ２０−Ａ１０）／（Ｖ２０−Ｖ１０）
となる。
従って、現在のＡ／Ｄ変換特性ＡＤを基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０に近づけるためには、まず、現在のＡ／Ｄ変換特性ＡＤをＡ／Ｄオフセット補正値βだけ平行移動（減算）した後に、傾きαにＡ／Ｄ傾き補正値δを乗算して傾きγに変換することが必要である。
よって、Ａ／Ｄオフセット補正値βおよびＡ／Ｄ傾き補正値δは、
β＝Ａ１−（Ａ２−Ａ１）・Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）・・・（１式）
δ＝γ／α＝（Ａ２０−Ａ１０）・（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｖ２０−Ｖ１０）・（Ａ２−Ａ１）・・・（２式）
となる。
β＝Ａ１−（Ａ２−Ａ１）・Ｖ１／（Ｖ２−Ｖ１）・・・（１式）
δ＝γ／α＝（Ａ２０−Ａ１０）・（Ｖ２−Ｖ１）／（Ｖ２０−Ｖ１０）・（Ａ２−Ａ１）・・・（２式）
となる。
ステップＳ１７８で、（ｎ＋１）個の各々のＡ／Ｄ変換器３５ａのＡ／Ｄオフセット補正値βおよびＡ／Ｄ傾き補正値δが記憶部６に記憶される。ステップＳ１７９で、制御部５のＡ／Ｄ変換補正値演算部５１によって、撮像素子３のＡ／Ｄ入力切替部３９の（ｎ＋１）個のスイッチ３９ａがオフセット補正回路３８の出力側に切り替えられて撮像状態にされて、図７のステップＳ１７に戻る。
ここに、ステップＳ１７「Ａ／Ｄ変換特性検出サブルーチン」は、本発明におけるＡ／Ｄ変換特性検出工程として機能する。
続いて、図９に示すステップＳ１９「光電変換特性検出サブルーチン」が実行される。図９において、ステップＳ１９１で、パラメータｋが０（ゼロ）にセットされる。ステップＳ１９２で、パラメータｋに１が加算される。
ステップＳ１９３で、全てのモニタ画素３２ａに、温度に依存しない所定の電流値の電流Ｉｄとして第ｋの電流Ｉｋが供給され、ステップＳ１９４で、モニタ画素３２ａで第ｋの電流Ｉｋが光電変換され、Ａ／Ｄ変換部３５でＡ／Ｄ変換されて、第ｋの光電変換出力Ｂｋが取得される。
ステップＳ１９５で、画像処理部４のＡ／Ｄオフセット補正部４１によって、ステップＳ１７で演算されたＡ／Ｄオフセット補正値βだけ第ｋの光電変換出力Ｂｋが平行移動されて、Ａ／Ｄオフセット補正が施される。
続いて、ステップＳ１９６で、画像処理部４のＡ／Ｄ傾き補正部４２によって、ステップＳ１７で演算されたＡ／Ｄ傾き補正値δが、Ａ／Ｄオフセット補正が施された第ｋの光電変換出力Ｂｋに乗算されることでＡ／Ｄ傾き補正が施されて、第ｋの補正光電変換出力Ｂｋ２が生成される。
ステップＳ１９５およびＳ１９６によって、Ａ／Ｄ変換特性ＡＤの温度特性が除去された補正光電変換出力を得ることが出来るので、ステップＳ１９８以降で、より正確な光電変換特性の温度特性を検出し、補正することができる。
ステップＳ１９７で、パラメータｋ≧４か否かが確認される。パラメータｋが４に等しくなるまで、ステップＳ１９２からＳ１９５の動作が４回繰り返される。
ここで、第１の電流Ｉ１は、画素３１ａの最低照度での光電流Ｉｐよりも少し大きい電流値であり、第２の電流Ｉ２は、撮像装置１の全使用温度範囲で画素３１ａの光電変換特性が線形特性となる光電流Ｉｐの最大値よりも少し小さい電流値である。第１の電流Ｉ１と第２の電流Ｉ２とを用いて、現在の光電変換特性ＰＣの線形特性が検出される。
同様に、第３の電流Ｉ３は、撮像装置１の全使用温度範囲で画素３１ａの光電変換特性が対数特性となる光電流Ｉｐの最小値よりも少し大きい電流値であり、第４の電流Ｉ４は、画素３１ａの最高照度での光電流Ｉｐよりも少し小さい電流値である。第３の電流Ｉ３と第４の電流Ｉ４とを用いて、現在の光電変換特性ＰＣの対数特性が検出される。
パラメータｋが４になったら（ステップＳ１９７；Ｙｅｓ）、ステップＳ１９８で、各々のモニタ画素３２ａの基準光電変換特性ＰＣ０が読み出される。基準光電変換特性値ＰＣ０は、予めステップステップＳ１９２からＳ１９５の各動作を行って測定された、少なくとも（Ｉ１，Ｂ１０）、（Ｉ２，Ｂ２０）、（Ｉ３，Ｂ３０）および（Ｉ４，Ｂ４０）の４点のデータで表される各々のモニタ画素３２ａの基準特性で、測定時の温度Ｔ０とともに記憶部６に記憶されていたものである。
現在の光電変換特性ＰＣにＡ／Ｄ変換部３５の温度特性が補正された、現在の補正光電変換特性ＰＣ２と基準光電変換特性ＰＣ０の関係を、図１０（ｂ）に示す。
ステップＳ１９９で、Ａ／Ｄ変換部３５の温度特性が補正された現在の補正光電変換特性ＰＣ２と基準光電変換特性ＰＣ０とを用いて、各補正値が演算される。まず、基準光電変換特性ＰＣ０の線形特性ＬＮ０を、
ＬＮ０＝ε・Ｉｄ＋φ
とすると、線形特性の傾きは常に一定であるため、現在の補正光電変換特性ＰＣ２の線形特性ＬＮｈは、
ＬＮｈ＝ε・Ｉｄ＋ξ
で表される。ここに、φおよびξは、基準光電変換特性ＰＣ０の線形特性ＬＮ０および現在の補正光電変換特性ＰＣ２の線形特性ＬＮｈの第１の電流Ｉ１よりも十分小さい電流Ｉ０（ゼロ）での出力値である。よって、
Ｂ１０＝ε・Ｉ１＋φ
Ｂ２０＝ε・Ｉ２＋φ
Ｂ１２＝ε・Ｉ１＋ξ
Ｂ２２＝ε・Ｉ２＋ξ
であり、
ε＝（Ｂ２０−Ｂ１０）／（Ｉ２−Ｉ１）＝（Ｂ２２−Ｂ１２）／（Ｉ２−Ｉ１）
φ＝Ｂ１０−ε・Ｉ１
ξ＝Ｂ１２−ε・Ｉ１
となる。
ＬＮ０＝ε・Ｉｄ＋φ
とすると、線形特性の傾きは常に一定であるため、現在の補正光電変換特性ＰＣ２の線形特性ＬＮｈは、
ＬＮｈ＝ε・Ｉｄ＋ξ
で表される。ここに、φおよびξは、基準光電変換特性ＰＣ０の線形特性ＬＮ０および現在の補正光電変換特性ＰＣ２の線形特性ＬＮｈの第１の電流Ｉ１よりも十分小さい電流Ｉ０（ゼロ）での出力値である。よって、
Ｂ１０＝ε・Ｉ１＋φ
Ｂ２０＝ε・Ｉ２＋φ
Ｂ１２＝ε・Ｉ１＋ξ
Ｂ２２＝ε・Ｉ２＋ξ
であり、
ε＝（Ｂ２０−Ｂ１０）／（Ｉ２−Ｉ１）＝（Ｂ２２−Ｂ１２）／（Ｉ２−Ｉ１）
φ＝Ｂ１０−ε・Ｉ１
ξ＝Ｂ１２−ε・Ｉ１
となる。
よって、オフセット補正値κは、
κ＝ξ−φ＝Ｂ１２−Ｂ１０・・・（３式）
である。
κ＝ξ−φ＝Ｂ１２−Ｂ１０・・・（３式）
である。
なお、オフセット補正値κは、温度に依存しない所定の電流値の電流Ｉｄを供給せずに、フォトダイオードＰＤによる暗電流のみが流れている状態での、現在の光電変換特性の出力と基準光電変換特性の出力との差を用いても良い。
次に、対数特性領域では、基準光電変換特性ＰＣ０の対数特性ＬＯＧ０および現在の補正光電変換特性ＰＣ２の対数特性ＬＯＧｈを
ＬＯＧ０＝μ・ｌｏｇ（Ｉｄ）＋ν
ＬＯＧｈ＝χ・ｌｏｇ（Ｉｄ）＋ψ
とする。νは、基準光電変換特性ＰＣ０の変曲点Ｐｔ０を与える光電流Ｉｐｔ０での対数特性ＬＯＧ０出力値である。また、ψは同じく光電流Ｉｐｔ０での現在の補正光電変換特性ＰＣ２の対数特性ＬＯＧｈ出力値である。よって、
Ｂ３０＝μ・ｌｏｇ（Ｉ３）＋ν
Ｂ４０＝μ・ｌｏｇ（Ｉ４）＋ν
Ｂ３２＝χ・ｌｏｇ（Ｉ３）＋ψ
Ｂ４２＝χ・ｌｏｇ（Ｉ４）＋ψ
となり、これらから、
μ＝（Ｂ４０−Ｂ３０）／（ｌｏｇ（Ｉ４）−ｌｏｇ（Ｉ３））
ν＝Ｂ３０−μ・ｌｏｇ（Ｉ３）
χ＝（Ｂ４２−Ｂ３２）／（ｌｏｇ（Ｉ４）−ｌｏｇ（Ｉ３））
ψ＝Ｂ３２−χ・ｌｏｇ（Ｉ３）
である。
ＬＯＧ０＝μ・ｌｏｇ（Ｉｄ）＋ν
ＬＯＧｈ＝χ・ｌｏｇ（Ｉｄ）＋ψ
とする。νは、基準光電変換特性ＰＣ０の変曲点Ｐｔ０を与える光電流Ｉｐｔ０での対数特性ＬＯＧ０出力値である。また、ψは同じく光電流Ｉｐｔ０での現在の補正光電変換特性ＰＣ２の対数特性ＬＯＧｈ出力値である。よって、
Ｂ３０＝μ・ｌｏｇ（Ｉ３）＋ν
Ｂ４０＝μ・ｌｏｇ（Ｉ４）＋ν
Ｂ３２＝χ・ｌｏｇ（Ｉ３）＋ψ
Ｂ４２＝χ・ｌｏｇ（Ｉ４）＋ψ
となり、これらから、
μ＝（Ｂ４０−Ｂ３０）／（ｌｏｇ（Ｉ４）−ｌｏｇ（Ｉ３））
ν＝Ｂ３０−μ・ｌｏｇ（Ｉ３）
χ＝（Ｂ４２−Ｂ３２）／（ｌｏｇ（Ｉ４）−ｌｏｇ（Ｉ３））
ψ＝Ｂ３２−χ・ｌｏｇ（Ｉ３）
である。
よって、変曲点補正値σは、
σ＝ν−ψ＝Ｂ３０−Ｂ３２−（μ−χ）・ｌｏｇ（Ｉ３）・・・（４式）
であり、対数特性傾き補正値θは、
θ＝χ／μ＝（Ｂ４２−Ｂ３２）／（Ｂ４０−Ｂ３０）・・・（５式）
である。
σ＝ν−ψ＝Ｂ３０−Ｂ３２−（μ−χ）・ｌｏｇ（Ｉ３）・・・（４式）
であり、対数特性傾き補正値θは、
θ＝χ／μ＝（Ｂ４２−Ｂ３２）／（Ｂ４０−Ｂ３０）・・・（５式）
である。
ステップＳ２００で、ステップＳ１９９で演算されたオフセット補正値κ、変曲点補正値σおよび対数特性傾き補正値θが記憶部６に記憶され、図７のステップＳ１９に戻る。ここに、ステップＳ１９「光電変換特性検出サブルーチン」は、本発明における光電変換特性検出工程として機能する。
ステップＳ２１で、タイマがリセットされて、再びタイマの計時が開始される。
ステップＳ２３で、ステップＳ１９で演算されたオフセット補正値κに基づいて、オフセットシフト部３８によって、画素部３１の各画素３１ａから出力された画素信号３１ｐあるいはノイズ信号３１ｎのオフセットが補正される。次にオフセット補正値３８ｈが変更されるまで、補正されたオフセット値が保持される。ここに、ステップＳ２３は、本発明におけるオフセット補正工程として機能する。
ステップＳ２５で、ステップＳ１９で演算された変曲点補正値σに基づいて、垂直走査回路３４から出力される撮像時の転送トランジスタＱ１の転送信号φＴＸの電位が制御されることで、画素部３１の各画素３１ａの光電変換特性ＰＣの変曲点Ｐｔが、基準光電変換特性ＰＣ０の基準変曲点Ｐｔ０に一致する。次に変曲点補正値σが変更されるまで、補正された転送信号φＴＸの電位が保持される。ここに、ステップＳ２５は、本発明における変曲点補正工程として機能する。
ステップＳ２７で、補正されたオフセット値および補正された転送信号φＴＸで撮像が行われ、撮像素子３から撮像データ３ｓが出力される。
ステップＳ２９で、画像処理部４のＡ／Ｄオフセット補正部４１によって、ステップＳ１７で演算されたＡ／Ｄオフセット補正値βだけ撮像データ３ｓが平行移動されて、Ａ／Ｄオフセット補正が施された撮像データ３ｓｏが生成される。次にＡ／Ｄオフセット補正値βが変更されるまでは、今回のＡ／Ｄオフセット補正値βが保持される。
続いて、ステップＳ３１で、画像処理部４のＡ／Ｄ傾き補正部４２によって、ステップＳ１７で演算されたＡ／Ｄ傾き補正値δが、Ａ／Ｄオフセット補正が施された撮像データ３ｓｏに乗算されることでＡ／Ｄ傾き補正が施されて、Ａ／Ｄ補正撮像データ３ｓａｄが生成される。これによって、Ａ／Ｄ変換特性ＡＤが基準Ａ／Ｄ変換特性ＡＤ０に一致する。次にＡ／Ｄ傾き補正値が変更されるまでは、今回のＡ／Ｄ傾き補正値が保持される。
ステップＳ３３で、画像処理部４の対数特性補正部４３によって、ステップＳ１９で演算された対数特性傾き補正値を用いてＡ／Ｄ補正撮像データ３ｓａｄに対数特性の傾き補正が施されて、画像データ４ｓが生成される。ここに、ステップＳ３３は、本発明における対数特性補正工程として機能する。また、ステップＳ２３、Ｓ２５およびＳ３３は、本発明における光電変換特性補正工程として機能する。
ステップＳ３５で、記憶部６に画像データ４ｓが記憶される。ステップＳ３７で、撮像を終了するか否かが確認され、終了しない場合（ステップＳ３７；Ｎｏ）、ステップＳ１３に戻って、上述した各動作が繰り返される。終了する場合（ステップＳ３７；Ｙｅｓ）、そのまま終了する。
なお、静止画の撮像および静止画の連写を行う場合には、ステップＳ１１、Ｓ１３、Ｓ１５およびＳ２１を省略し、レリーズ動作に合わせて、ステップＳ１７からＳ３７を行えばよい。
次に、本発明の撮像装置の実施の形態の動作の第２の例について、図１１を用いて説明する。図１１は、撮像装置の実施の形態の動作の第２の例を示すフローチャートのメインルーチンである。動作の第２の例では、撮像装置１のＡ／Ｄ変換特性ＡＤおよび光電変換特性ＰＣを、第１の例のように所定時間経過毎に検出するのではなく、撮像素子３の温度が前回の検出時の温度から所定値以上変化した場合に検出する。
図１１において、ステップＳ１５で、撮像装置１の撮像動作のタイミングが、垂直ブランキング期間であるか否かが確認される。垂直ブランキング期間でない場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、ステップＳ２７に進む。
垂直ブランキング期間である場合（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、ステップＳ４１で、撮像素子３に内蔵された温度センサ３３と制御部５の温度検出部５５とによって、撮像素子３の温度が検出される。
ステップＳ４３で、ステップＳ４１で検出された撮像素子３の温度と前回の検出時の温度との差、即ち撮像素子３の温度変化が所定値よりも大きいあるいは等しいか否かが確認される。温度変化の所定値は、Ａ／Ｄ変換特性および光電変換特性の温度特性の許容値等から適宜決定されればよい。
温度変化が所定値よりも小さい場合（ステップＳ４３；Ｎｏ）、ステップＳ２７に進む。温度変化が、所定値よりも大きいあるいは等しい場合（ステップＳ４３；Ｙｅｓ）、ステップＳ１７「Ａ／Ｄ変換特性検出サブルーチン」に進む。以後の動作は、第１の例と同じであるので、説明は省略する。
さらに、第１の例と第２の例とを組み合わせて、所定時間経過毎に撮像素子３の温度を検出し、撮像素子３の温度が前回の検出時の温度から所定値以上変化した場合に、撮像装置１のＡ／Ｄ変換特性ＡＤおよび光電変換特性ＰＣを検出するようにしてもよい。
以上に述べたように、本発明によれば、撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えることで、Ａ／Ｄ変換部の温度特性に関わらず、常に所定のダイナミックレンジで撮像することができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
さらに、Ａ／Ｄ変換特性補正部によって補正された撮像データに基づいて、撮像素子の光電変換特性を検出するので、撮像データがＡ／Ｄ変換部の温度特性を含まないために、光電変換特性の補正を正確に行うことができる撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を提供することができる。
なお、本発明に係る撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法を構成する各構成の細部構成および細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
１ 撮像装置
２ 撮像光学系
２１ 光軸
３ 撮像素子
３１ 画素部
３１ａ 画素
３２ モニタ画素部
３２ａ モニタ画素
３３ 温度センサ
３４ 垂直走査回路
３５ アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部
３５ａ アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３６ 水平シフトレジスタ
３７ 出力アンプ
３８ オフセットシフト部
３９ Ａ／Ｄ入力切替部
３ｓ 撮像データ
４画像処理部
４１ Ａ／Ｄオフセット補正部
４２ Ａ／Ｄ傾き補正部
４３ 対数特性補正部
４ｓ 画像データ
５ 制御部
５１ Ａ／Ｄ変換補正値演算部
５２ 光電変換補正値演算部
５３ オフセット制御部
５４ 変曲点制御部
５５ 温度検出部
６ 記憶部
７ 表示部
８ インターフェース部（Ｉ／Ｆ部）
２ 撮像光学系
２１ 光軸
３ 撮像素子
３１ 画素部
３１ａ 画素
３２ モニタ画素部
３２ａ モニタ画素
３３ 温度センサ
３４ 垂直走査回路
３５ アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部
３５ａ アナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器
３６ 水平シフトレジスタ
３７ 出力アンプ
３８ オフセットシフト部
３９ Ａ／Ｄ入力切替部
３ｓ 撮像データ
４画像処理部
４１ Ａ／Ｄオフセット補正部
４２ Ａ／Ｄ傾き補正部
４３ 対数特性補正部
４ｓ 画像データ
５ 制御部
５１ Ａ／Ｄ変換補正値演算部
５２ 光電変換補正値演算部
５３ オフセット制御部
５４ 変曲点制御部
５５ 温度検出部
６ 記憶部
７ 表示部
８ インターフェース部（Ｉ／Ｆ部）
Claims (12)
- 被写体像を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系で結像された被写体像を撮像する撮像素子と、
前記撮像素子で撮像された被写体像をデジタルの撮像データに変換するアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換部とを備えた撮像装置において、
前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出部と、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部の検出結果に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正部とを備えたことを特徴とする撮像装置。 - 前記Ａ／Ｄ変換部への入力を切り替えるＡ／Ｄ入力切替部を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、
前記Ａ／Ｄ入力切替部を用いて、前記Ａ／Ｄ変換部に温度に依存しない所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換動作を行わせて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。 - 前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、所定時間が経過する毎に前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の撮像装置。
- 前記Ａ／Ｄ変換部の温度を検出する温度検出部を備え、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、前記温度検出部の検出結果が、前回の検出結果から所定値以上変化した場合に、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、前記Ａ／Ｄ変換部を内蔵するとともに、温度センサを内蔵し、
前記温度検出部は、前記温度センサの出力に基づいて前記撮像素子の温度を検出することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。 - 前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、撮像動作の垂直ブランキング期間中に前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の撮像装置。
- 前記Ａ／Ｄ変換部は、上位ビットを逐次比較型で変換し、冗長ビットを含む下位ビットを積分型で変換するＡ／Ｄ変換器を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出部は、
前記Ａ／Ｄ変換部に、温度に依存しない少なくとも２つの所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換特性を検出し、
検出したＡ／Ｄ変換特性を用いて、
前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄオフセット補正値と、
前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄ傾き補正値とを演算し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正部は、
前記Ａ／Ｄオフセット補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるとともに、
前記Ａ／Ｄ傾き補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけることを特徴とする請求項２から６の何れか１項に記載の撮像装置。 - 前記撮像素子は、光電変換特性検出用画素を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正部によって補正された前記光電変換特性検出用画素の光電変換出力に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を検出する光電変換特性検出部と、
前記光電変換特性検出部の検出結果に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を基準光電変換特性に近づけるように補正する光電変換特性補正部とを備えたことを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の撮像装置。 - 被写体像を結像させる撮像光学系と、
前記撮像光学系で結像された被写体像を撮像して撮像信号を出力する撮像素子と、
前記撮像信号をデジタルの撮像データに変換するＡ／Ｄ変換部とを備えた撮像装置の温度特性補正方法において、
前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出するＡ／Ｄ変換特性検出工程と、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程の検出結果に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるように補正するＡ／Ｄ変換特性補正工程とを備えたことを特徴とする撮像装置の温度特性補正方法。 - 前記Ａ／Ｄ変換部への入力を切り替えるＡ／Ｄ入力切替部を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程は、
前記Ａ／Ｄ入力切替部を用いて、前記Ａ／Ｄ変換部に温度に依存しない所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換動作を行わせて、前記Ａ／Ｄ変換部のＡ／Ｄ変換特性を検出する工程であることを特徴とする請求項９に記載の撮像装置の温度特性補正方法。 - 前記Ａ／Ｄ変換部は、上位ビットを逐次比較型で変換し、冗長ビットを含む下位ビットを積分型で変換するＡ／Ｄ変換器であり、
前記Ａ／Ｄ変換特性検出工程は、
前記Ａ／Ｄ変換部に、温度に依存しない少なくとも２つの所定の電位の基準電圧を印加してＡ／Ｄ変換特性を検出し、
検出したＡ／Ｄ変換特性を用いて、
前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄオフセット補正値と、
前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるためのＡ／Ｄ傾き補正値とを演算する工程であり、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正工程は、
前記Ａ／Ｄオフセット補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性のオフセットを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づけるとともに、
前記Ａ／Ｄ傾き補正値に基づいて、前記Ａ／Ｄ変換特性の傾きを前記基準Ａ／Ｄ変換特性に近づける工程であることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置の温度特性補正方法。 - 前記撮像素子は、光電変換特性検出用画素を有し、
前記Ａ／Ｄ変換特性補正工程によって補正された前記光電変換特性検出用画素の光電変換出力に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を検出する光電変換特性検出工程と、
前記光電変換特性検出工程の検出結果に基づいて、前記撮像素子の光電変換特性を基準光電変換特性に近づけるように補正する光電変換特性補正工程とを備えたことを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載の撮像装置の温度特性補正方法。
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|---|---|---|---|
| JP2010099562A JP2011229102A (ja) | 2010-04-23 | 2010-04-23 | 撮像装置および撮像装置の温度特性補正方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN114205541A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-03-18 | 四川创安微电子有限公司 | 图像传感器暗电平校正结构和方法 |
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- 2010-04-23 JP JP2010099562A patent/JP2011229102A/ja active Pending
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