JP5720213B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

ＸＹアドレス方式のＣＭＯＳ型撮像素子を備える撮像装置では、全画素のフォトダイオードの電荷を一斉にリセットするグローバルリセットを行ってから露光を行い、露光によって生じた電荷量に応じた信号が各画素から読み出される。一般にＸＹアドレス方式のＣＭＯＳ型撮像素子における信号の読み出しには、１ライン毎に順番に各画素から信号を読み出すローリング読み出し方式が用いられる。ところが、ローリング読み出し方式は、読み出し開始から読み出し終了までの時間差があるため、ライン毎にフォトダイオードで発生する暗電流量が異なり、読み出された画像に垂直シェーディングが現れるという問題がある。そこで、予め取得したシェーディング補正データを用いて、撮影画像のシェーディング補正を行う方法が考えられている（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１１８２９３号公報

従来の方法は、予め取得したシェーディング補正データを用いてシェーディング補正を行っていた。ところが、フォトダイオードで発生する暗電流量は、時間、温度変化、撮像素子の個体差など状況に応じて異なり、特にローリング読み出し方式のようにグローバルリセットから信号を読み出すまでの時間が異なる場合には、精度の高いシェーディング補正を行うことができないという問題があった。

本発明の目的は、読み出し時間が異なる場合でも暗電流の影響を受けることなく精度の高いシェーディング補正を行うことができる撮像装置を提供することである。

本発明に係る撮像装置は、複数の画素が二次元状に配列された画素部と、前記画素における単位時間当たりの暗電流増加量を求め、前記画素の暗電流補正量を算出する演算部と、前記演算部が求めた前記暗電流補正量を用いて前記画素から読み出される信号の暗電流補正を行う補正部とを有し、前記画素部は、遮光領域と受光領域とを有し、前記遮光領域には、光電変換部の無い第１画素と光電変換部の有る第２画素とが配置され、前記受光領域には、光電変換部の有る第３画素が配置され、前記演算部は、前記第１画素および前記第２画素から信号を読み出す時に当該信号を用いて単位時間当たりの前記暗電流増加量を求め、前記第３画素から読み出される信号の読み出し時間に応じた前記暗電流補正量を算出することを特徴とする。
また、前記信号の読み出し時間は、グローバルリセットから前記第３画素の信号読み出し開始タイミングまでの時間であることを特徴とする。

特に、前記画素部の前記複数の画素は行列状に配置され、各行は前記第１画素と前記第２画素と前記第３画素とを含み、各画素の信号は行順にローリング読み出しされることを特徴とする。

或いは、前記各画素の信号は、ランダムにアドレス指定された画素から読み出されることを特徴とする。

また、前記演算部は、グローバルリセットから前記第２画素の信号読み出し開始タイミングまでの第１時間と、前記第１画素の信号レベルに対する前記第１時間経過後の前記第２画素の信号レベルの増分とに基づいて単位時間当たりの前記暗電流増加量を求めることを特徴とする。

特に、前記演算部は、前記第３画素から信号が読み出される毎に、読み出された画素の前記暗電流補正量を求めることを特徴とする。

また、前記演算部は、グローバルリセットから前記第２画素の信号の読み出し開始タイミングまでの前記第１時間をＴexp、前記第２画素の信号レベルと前記第１画素の信号レベルとのレベル差をＤａｒｋ０とした場合に、単位時間当たりの前記暗電流増加量ΔＤを
ΔＤ＝Ｄａｒｋ０／Ｔexp
により求め、さらに、時間変数をｔ、前記グローバルリセットのタイミングをｔ０、前記第３画素の時間ｔにおける黒レベルをＨＯＢ（ｔ）、予め設定された係数をａとした場合に、前記第３画素と共に読み出された画素の信号のクランプレベルＨＯＢ’（ｔ）を
ＨＯＢ’（ｔ）＝ＨＯＢ（ｔ） ＋ ａ・ΔＤ・（ｔ−ｔ０）
により求め、前記補正部は、前記演算部が求めた前記クランプレベルＨＯＢ’（ｔ）で前記第３画素から読み出される信号のクランプ処理を行うことを特徴とする。

本発明に係る撮像装置は、読み出し時間が異なる場合でも暗電流の影響を受けることなく精度の高いシェーディング補正を行うことができる。

本実施形態に係る電子カメラ１０１の構成例を示すブロック図である。 撮像部１０４の構成例を示すブロック図である。 画素部１５１の構成例を示すブロック図である。 画素ｐ（ｍ，ｎ）の一例を示す回路図である。 ローリング読み出しと画素領域の一例を示す説明図である。 暗電流による信号レベルの変化を示す説明図である。 暗電流補正時の信号レベルの様子を示す説明図である。 撮像部１０４と画像処理部１０６の補正部１５５の処理分担例を示す説明図である。 撮像部１０４と画像処理部１０６の補正部１５５の処理分担例を示す説明図である。 撮影処理のフローチャートである。 ランダムアクセス読み出しと画素領域の一例を示す説明図である。

以下、本発明に係る撮像装置の実施形態について図面を用いて詳しく説明する。尚、以下の実施形態では、本発明に係る撮像装置が搭載された電子カメラ１０１の例について説明する。

［電子カメラ１０１の構成］
先ず、本実施形態に係る電子カメラ１０１の構成について説明する。図１は電子カメラ１０１の構成例を示すブロック図である。図１において、電子カメラ１０１は、光学系１０２と、メカニカルシャッタ１０３と、撮像部１０４と、制御部１０５と、画像処理部１０６と、ＲＡＭ１０７と、表示モニタ１０８と、記録Ｉ／Ｆ部１０９と、ＲＯＭ１１０と、操作部１１１と、測光センサ１１２とで構成される。尚、撮像部１０４、制御部１０５、画像処理部１０６、ＲＡＭ１０７、表示モニタ１０８、記録Ｉ／Ｆ部１０９およびＲＯＭ１１０は、バス１１３によって相互に接続されている。

図１において、光学系１０２に入射される被写体光は、メカニカルシャッタ１０３を介して撮像部１０４の受光面に入射される。ここで、光学系１０２は、ズームレンズやフォーカスレンズなどの複数枚のレンズおよびレンズ駆動部や絞り機構などを有し、制御部１０５からの指令に応じて、ズームレンズやフォーカスレンズの位置或いは絞り値などが制御される。

撮像部１０４は、例えばＸＹアドレス方式のＣＭＯＳ型撮像素子で構成される。撮像部１０４は、複数の画素が行列状に配列され、露光後の各画素の信号は、行順にローリング読み出しされる。或いは、ランダムにアドレス指定された画素の信号が読み出される。特に、本実施形態に係る電子カメラ１０１は、全画素の電荷を一斉にリセットするグローバルリセットから信号が読み出されるまでの時間が行毎あるいは画素毎に異なる場合に問題となる暗電流によるシェーディングを抑制することができる。尚、撮像部１０４の構成については後で詳しく説明する。

制御部１０５は、例えばＲＯＭ１１０に記憶されたプログラムに従って動作するＣＰＵで構成され、電子カメラ１０１全体の動作を制御する。例えば制御部１０５は、操作部１１１のレリーズボタンが押下されると、光学系１０２のフォーカス制御や絞り制御を行ってメカニカルシャッタ１０３を開閉し、撮像部１０４に結像される被写体画像を撮影する。そして、制御部１０５は、予め設定された解像度またはアドレス指定された画素から信号を読み出し、画像処理部１０６で画像処理を行う。撮像部１０４から読み出された画像データや画像処理部１０６で画像処理された画像データは、ＲＡＭ１０７に一時的に保持される。さらに、制御部１０５は、ＲＡＭ１０７に保持された画像処理後の画像データに所定のファイル名やヘッダ情報を付加し、記録Ｉ／Ｆ１０９を介してメモリカードなどの記憶媒体１０９ａに保存する。或いは、制御部１０５は、表示モニタ１０８に撮影画像を表示する。

画像処理部１０６は、撮像部１０４が出力する画像データ或いはＲＡＭ１０７に取り込まれた画像データに対して、画像処理を施す。画像処理は、例えば、ホワイトバランス処理、色補間処理、ガンマ補正処理、彩度強調処理、輪郭輪郭強調処理、或いはＪＰＥＧ規格などに準拠した画像圧縮処理などである。さらに、本実施形態では、画像処理部１０６は、後に説明するように、撮像部１０４の演算部１５４との処理分担により、暗電流補正のための補正処理を行う補正部１５５を有する。尚、暗電流補正のための補正処理の内容については、撮像部１０４の演算部１５４と画像処理部１０６の補正部１５５との処理分担により、いくつかのバリエーションがあり、詳細については後で説明する。

ＲＡＭ１０７は、例えば揮発性の高速メモリで構成され、バス１１３によって接続される各ブロック間で入出力される画像データや一時的なパラメータなどを記憶する。例えば、撮像部１０４や画像処理部１０６が出力する画像データを記憶する。或いは、ＲＡＭ１０７は、画像処理部１０６が画像処理する際のバッファメモリや、表示モニタ１０８に画像を表示する際の表示メモリとしても使用される。

表示モニタ１０８は、液晶モニタなどで構成され、制御部１０５により撮影画像や電子カメラ１０１の操作に必要な設定メニュー画面などが表示される。

記録Ｉ／Ｆ１０９は、電子カメラ１０１にメモリカードなどの記憶媒体１０９ａを接続するためのインターフェースである。そして、制御部１０５は記録Ｉ／Ｆ１０９を介して記憶媒体１０９ａに画像データを読み書きする。

ＲＯＭ１１０は、例えばフラッシュメモリなどの書き換え可能な不揮発性の半導体メモリで構成され、制御部１０５のプログラムが予め記憶されている。また、ＲＯＭ１１０には、電子カメラ１０１の撮影モードや露出情報，フォーカス情報などのパラメータも記憶される。制御部１０５は、これらのパラメータを参照して電子カメラ１０１の動作を制御する。尚、これらのパラメータは、操作部１１１を介して行われるユーザー操作に応じて適宜更新される。

操作部１１１は、電源ボタン、レリーズボタン、撮影モード選択ダイヤル、カーソルボタンなどで構成される。ユーザーは、これらの操作ボタンを用いて電子カメラ１０１を操作する。尚、これらの操作ボタンの操作情報は制御部１０５に出力され、制御部１０５は操作部１１１から入力する操作情報に応じて電子カメラ１０１全体の動作を制御する。

測光センサ１１２は、被写体の明るさを測定して制御部１０５に出力し、制御部１０５は、測光センサ１１２の測光値に応じて露出制御を行い、絞り値やシャッター速度を決定する。

以上が電子カメラ１０１の構成および基本動作である。
［撮像部１０４の構成］
次に、撮像部１０４の構成について詳しく説明する。図２において、撮像部１０４は、画素部１５１と、ＴＧ（タイミングジェネレータ）１５２と、Ａ／Ｄ変換部１５３と、演算部１５４とで構成される。また、画像処理部１０６は、暗電流補正を行うための補正部１５５を有し、演算部１５４と補正部１５５とで暗電流補正処理を行う。

画素部１５１は、行列状に配置された複数の画素を有し、ＴＧ１５２によって各画素から信号が読み出され、Ａ／Ｄ変換部１５３でデジタル値に変換される。また、演算部１５４は、画像処理部１０６の補正部１５５と共に暗電流補正を行うための処理を行うブロックであるが、画像処理部１０６の補正部１５５との処理分担によって各部で実行される処理の内容が異なる。処理分担については後で説明する。

ここで、画素部１５１の構成例を図３に示す。図３において、画素部１５１は、行列状に配置された複数の画素を有する画素回路１６１と、ＴＧ１５２が出力するタイミング信号に応じて画素回路１６１から行毎に各画素の信号を読み出す垂直走査回路１６２と、画素回路１６１から行毎に読み出された信号を一時的に保持し、ＴＧ１５２が出力するタイミング信号に応じて画素順（列順）に保持された信号をＡ／Ｄ変換部１５３に出力する水平出力回路１６３とで構成される。尚、垂直走査回路１６２をＴＧ１５２に含めてもよいし、水平出力回路１６３とＡ／Ｄ変換部１５３とを１つにまとめてもよい。また、画素回路１６１の部分のみを画素部と称してもよい。

画素回路１６１は、図３の例では画素ｐ（１，１）から画素ｐ（Ｍ，Ｎ）までのＭ行Ｎ列で構成されるＭ×Ｎ個の画素を有する。ここで、Ｍは垂直方向の画素数を示す整数で、Ｎは水平方向の画素数を示す整数である。また、以降の説明において、特定の行又は列の画素を指定しない場合は画素ｐ（ｍ，ｎ）と称し、（ｍ）は１からＭの整数で行番号を示し、（ｎ）は１からＮの整数で列番号を示す。

垂直走査回路１６２は、リセット信号ＲＳＴ（ｍ）と、転送信号ＴＸ（ｍ）と、選択信号ＳＥＬ（ｍ）とが画素回路１６１の行番号ｍの各画素に与えられる。ここで、画素ｐ（ｍ，ｎ）は、図４に示すように、入射光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードＰＤと、蓄積された電荷を読み出すために半導体基板上に容量を形成する浮遊拡散領域（ＦＤ領域）に転送するための転送トランジスタＴｔｘと、ＦＤ領域に転送された電荷量に応じた電気信号に変換するための増幅トランジスタＴａｍｐと、各画素を選択して増幅トランジスタＴａｍｐの出力を読み出すための選択トランジスタＴｓｅｌと、フォトダイオードＰＤまたはＦＤ領域の電荷をリセットするためのリセットトランジスタＴｒｓｔとで構成される。

図４において、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷は、転送信号ＴＸ（ｍ）で制御される転送トランジスタＴｔｘによってＦＤ領域に転送される。そして、増幅トランジスタＴａｍｐは、ＦＤ領域に転送された電荷に応じた電気信号を出力する。さらに、増幅トランジスタＴａｍｐが出力する電気信号は、選択信号ＳＥＬ（ｍ）で制御される選択トランジスタＴｓｅｌによって、垂直信号線ＶＬ（ｎ）を介して水平出力回路１６３に読み出される。また、リセット信号ＲＳＴ（ｍ）はＦＤ領域の電荷およびフォトダイオードＰＤの電荷をリセットするための信号である。尚、転送信号ＴＸ（ｍ），選択信号ＳＥＬ（ｍ）およびリセット信号ＲＳＴ（ｍ）は、垂直走査回路１６２から行毎に出力されるので、各画素の電荷のリセットや信号の読み出しは行単位で行われる。

ここで、画素部１５１の各画素のリセットについて説明する。画素のリセットには、フォトダイオードＰＤの電荷のリセットと、ＦＤ領域の電荷のリセットとがある。フォトダイオードＰＤの電荷をリセットする場合は、転送トランジスタＴｔｘを転送信号ＴＸ（ｍ）で導通状態（オン）に保ちながらリセットトランジスタＴｒｓｔを導通させる。これにより、フォトダイオードＰＤの電荷はＦＤ領域を介してＦＤ領域の電荷と共に電源電圧Ｖｄｄに排出される。また、ＦＤ領域の電荷のみをリセットする場合は、転送トランジスタＴｔｘを転送信号ＴＸ（ｍ）で非導通状態（オフ）にしてリセットトランジスタＴｒｓｔをリセット信号ＲＳＴ（ｍ）で導通させ、ＦＤ領域の電荷を電源電圧Ｖｄｄに排出する。

本実施形態に係る電子カメラ１０１では、フォトダイオードＰＤのリセットは、露光前に画素部１５１の全画素（画素ｐ（１，１）から画素ｐ（Ｍ，Ｎ））に対して行う。これをグローバルリセット（全画素一括リセット）と称する。
［画素部１５１の遮光領域と受光領域］
画素部１５１において、画素ｐ（１，１）から画素ｐ（Ｍ，Ｎ）は、図５（ａ）に示すように、遮光領域２０１または受光領域２０２に配置される。さらに、遮光領域２０１は、ＰＤ無しＯＢ領域２０３と、ＰＤ有りＯＢ領域２０４とを有する。ここで、「ＰＤ無し」とは、画素回路にフォトダイオードＰＤが無いダミーの画素を意味し、「ＰＤ有り」とは、受光領域２０２に配置される画素と同様にフォトダイオードＰＤが有る画素を意味する。従って、ＰＤ無しＯＢ領域２０３ではフォトダイオードＰＤに起因する暗電流は発生しないが、ＰＤ有りＯＢ領域２０４では受光領域２０２の各画素と同様にフォトダイオードＰＤに起因する暗電流が発生する。

また、図５（ａ）において、ＰＤ無しＯＢ領域２０３の画面上側を上部ＰＤ無しＯＢ領域２０３ａ、画面左側の水平方向の読み出し位置の部分を水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂ、とそれぞれ称する。尚、図５（ａ）において、ＰＤ有りＯＢ領域２０４は、画面上側にしか描いていないが、水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂと同様に画面左側の遮光領域２０１に配置してもよい。

ここで、遮光領域２０１のＰＤ無しＯＢ領域２０３から出力された信号レベルをダークレベル（黒レベルの基準）として、受光領域２０２から出力された信号の黒レベルを調整するクランプ処理が画像処理部１０６の補正部１５５で行われる。例えば図５（ａ）の場合、受光領域２０２の各行の黒レベルは、同じ行の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの画素の信号レベルを基準とする。

尚、図５（ａ）において、水平ＰＤ有りＯＢ領域を画面左側に設けて、水平ＰＤ有りＯＢ領域の画素の信号レベルを各行の基準の黒レベルとすれば、この黒レベルには各行のローリング読み出しの時間差による暗電流の変動分も含まれるので、これによりクランプ処理する方法も考えられるが、実際にはフォトダイオードがあるＯＢ領域の画素信号には暗電流ショットノイズや暗時白点などが発生することがあり、クランプレベルの精度が悪くなる場合があるので好ましくない。そこで、本実施形態では、各行の読み出し時間に応じて求めた暗電流レベルを水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの信号レベルに加算した信号をクランプレベルとする。そして、このクランプレベルでクランプ処理することにより、各画素から読み出される信号に含まれる暗電流成分を精度良く除去できる暗電流補正処理を実現する。
［暗電流補正処理］
先ず、ローリング読み出しと暗電流の関係について図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ｂ）は、画素部１５１の全画素の電荷をリセットするグローバルリセットから受光領域２０２の最終行（Ｎ行目）をローリング読み出しするまでの処理を横軸を時間変数ｔにして描いた図である。

ここで、暗電流は、主にフォトダイオードＰＤで発生する熱雑音で、遮光状態であっても時間と共にフォトダイオードＰＤに電荷が蓄積される。特に温度が高い場合や長秒時露光或いは読み出し速度が遅い場合は発生する暗電流量が多くなり、撮影画像の暗部が実際よりも明るくなるという問題が生じる。特に、図５（ｂ）に示したようなローリング読み出しを行う場合、タイミングｔ０で操作部１１１のレリーズボタンが押下され、画素部１５１の全画素の電荷がグローバルリセットされる。そして、タイミングｔ０からタイミングｔ１まで露光時間が与えられた後、例えば画素部１５１の上の行から順番にローリング読み出しが開始される。尚、ここでは、遮光領域２０１の行も読み出されるものとするが、ＰＤ有りＯＢ領域２０４の行から読み出すようにしてもよい。

一方、タイミングｔ０のグローバルリセット以降、ＰＤ有りＯＢ領域２０４および受光領域２０２のフォトダイオードＰＤでの暗電流は増加し続ける。ところが、グローバルリセットのタイミングｔ０から、受光領域２０２の最初の行の各画素から信号が読み出されるタイミングｔ３までの時間と、受光領域２０２の最終行（Ｎ行目）の各画素から信号が読み出されるタイミングｔ４までの時間とは異なり、受光領域２０２の最初の行の画素よりＮ行目の画素の方が暗電流の蓄積時間が長くなる。このため、撮影画像の上部の行から読み出される信号よりも下部の行から読み出される信号の方が暗電流量が多くなるので、一様な明るさの画面を撮影した場合、画面の上から下にかけて画像が徐々に明るくなってしまう（垂直シェーディング）。

そこで、本実施形態に係る電子カメラ１０１では、受光領域２０２の各画素から信号の読み出しを行う前に、グローバルリセットからＰＤ有りＯＢ領域２０４の予め指定した画素（指定画素）の信号を読み出すまでの時間と、この時間にＰＤ有りＯＢ領域２０４の指定画素に蓄積された暗電流量とを用いて単位時間当たりの暗電流増加量を求める。そして、受光領域２０２の各画素から信号を読み出す際に、グローバルリセットからローリング読み出しされるまでの時間に応じて発生する暗電流量を算出する。この暗電流量は、受光領域２０２の画素から読み出される信号（画素信号）に含まれる暗電流量であり、補正すべき暗電流補正量に相当する。そして、画素信号から暗電流補正量を減算することにより暗電流補正を行うことができる。このように、各画素から画素信号を読み出す毎に暗電流補正量を求めてリアルタイムで補正を行うので、読み出し時間や温度変化などに影響されることなく、精度の高い暗電流補正を行うことができる。

ここで、図５（ａ）で行順にローリング読み出しを行った場合の列方向の信号レベルの変化について、図６（ａ）および図６（ｂ）を用いて説明する。尚、図６（ａ）は図５（ａ）に対応する図で、縦軸に時間軸ｔを示し手ある。そして、各領域の最初の行を読み出すタイミングｔ１からｔ３と、ローリング読み出しする最後の行を読み出すタイミングｔ４とを示してある。図６（ａ）において、タイミングｔ０でグローバルリセットを行い、露光期間が終了後のタイミングｔ１からｔ２の期間に上部ＰＤ無しＯＢ領域２０３ａの各画素から行順に信号を読み出す。続いて、タイミングｔ２からｔ３の期間にＰＤ有りＯＢ領域２０４の各画素から信号を読み出す。そして、タイミングｔ３からｔ４の期間に受光領域２０２の各画素から信号を読み出す。尚、上部ＰＤ無しＯＢ領域２０３ａ、ＰＤ有りＯＢ領域２０４および受光領域２０２の各行の画素から信号が読み出される際に、同じ行の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの画素の信号も読み出される。

また、図６（ａ）において、二点鎖線Ａは水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの列（複数の列がある場合はある１つの列）を示す。同様に、二点鎖線Ｂは上部ＰＤ無しＯＢ領域２０３ａと、ＰＤ有りＯＢ領域２０４と、受光領域２０２とを通る１つの列を示す。そして、読み出し時間ｔに応じた二点鎖線Ａの列にある各画素の信号レベルの変化は、図６（ｂ）の実線２５１に示すように、暗電流の変動の影響を受けず、全ての行で一定の信号レベルＬａを維持する。一方、二点鎖線Ｂの列にある各画素の信号レベルは、図６（ｂ）の実線２５２に示すように、ＰＤ有りＯＢ領域２０４の読み出し開始タイミングｔ２から受光領域２０２の読み出し終了タイミングｔ４までの期間で増加し続ける。これにより、図６（ｂ）の画面２５３に示すように、ＰＤ有りＯＢ領域２０４から受光領域２０２の最終行にかけて徐々に画像が明るくなる。

ここで、ＰＤ有りＯＢ領域２０４においても、各画素はタイミングｔ０でグローバルリセットされているので、その画素から読み出した信号レベルはグローバルリセットから読み出すまでの時間にフォトダイオードＰＤで発生した暗電流により増加している。そこで、タイミングｔ２で読み出されるＰＤ有りＯＢ領域２０４の画素の信号レベルＬｂとグローバルリセット時の信号レベルＬａとのレベル差をＤａｒｋ０とし、グローバルリセットのタイミングｔ０からＰＤ有りＯＢ領域２０４の読み出し開始タイミングｔ２までの期間Ｔｅｘｐとレベル差Ｄａｒｋ０とを用いて単位時間当たりの暗電流増加量を求める。この場合、単位時間当たりの暗電流増加量ΔＤは、（式１）により求められる。尚、暗電流増加量ΔＤは、時間軸に対して暗電流が増加する割合（傾き）を示している。
ΔＤ ＝ Ｄａｒｋ０ ／ Ｔｅｘｐ …（式１）
ここで、Ｄａｒｋ０＝Ｌｂ−Ｌａ、Ｔｅｘｐ＝ｔ２−ｔ０である。尚、Ｔｅｘｐは、実質的には露光時間と同じであると見なしてもよい。また、タイミングｔ２でのＰＤ有りＯＢ領域２０４の画素の信号レベルは、ノイズなどの影響を除去するために、タイミングｔ２からｔ３までの期間に読み出したＰＤ有りＯＢ領域２０４の画素信号の平均値を用いてもよい。或いは、タイミングｔ２とタイミングｔ３でのＰＤ有りＯＢ領域２０４の画素の信号レベルの誤差は小さいと思われるので（図７ではわかり易いようにｔ２とｔ３間を大きく描いてあるが実際は微小である）、タイミングｔ３における水平ＰＤ有りＯＢ領域２０４の指定された画素の信号レベルを用いてＤａｒｋ０を求めてもよい。

次に、グローバルリセットのタイミングｔ０から受光領域２０２の各行の信号を読み出すまでの時間ｔに応じた暗電流補正量を行毎に算出する。例えばタイミングｔ４で読み出される受光領域２０２の最終行（Ｎ行目）の暗電流補正量Ｄｋは、（式２）により求められる。
Ｄｋ ＝ ΔＤ × （ｔ４−ｔ０） …（式２）
このようにして、受光領域２０２の各行から読み出す信号から各行毎に求めた暗電流補正量を減算することにより、リアルタイムで精度の高い暗電流補正を行うことができる。

次に、クランプ処理を利用した暗電流補正の方法について図７を用いて説明する。尚、図７は図６（ｂ）と同様に、グローバルリセットのタイミングｔ０から各行のローリング読み出しまでの時間に対応する各処理での信号レベルの変化を示す図である。

ここで、通常のクランプ処理は、先に説明したように、各画素から読み出した信号を予め設定した黒レベルにクランプする処理である。そこで、本実施形態に係る電子カメラ１０１では、クランプ処理で暗電流補正を行うために、暗電流の影響を受けない黒レベルに暗電流補正量を加算した値をクランプ処理の基準となるクランプレベルとする。

図７において、実線Ｓ１は、図６（ｂ）の信号レベルＬａに対応し、水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの時間ｔにおける信号レベルＨＯＢ（ｔ）を示す。尚、ＨＯＢ（ｔ）は図７に示すように時間ｔに依らず一定である。

実線Ｓ２は、各行の読み出し時間ｔにおける暗電流量Ｄａｒｋ（ｔ）を示し、（式３）により求められる。
Ｄａｒｋ（ｔ） ＝ ａ × ΔＤ × （ｔ−ｔ０） …（式３）
ここで、ｔは時間変数で、グローバルリセットのタイミングｔ０を基準にする場合は（式３）において、ｔ０＝０となる。また、ａは傾きを補正するための係数で、０．９から１．１程度の値が予め設定されている。

そして、実線Ｓ１と実線Ｓ２の信号レベルを加算した実線Ｓ３の信号レベルは、時間ｔにおけるクランプレベルＨＯＢ’（ｔ）となり、次の（式４）により求められる。
ＨＯＢ’（ｔ） ＝ ＨＯＢ（ｔ） ＋ Ｄａｒｋ（ｔ） …（式４）
そして、画像処理部１０６の補正部１５５は、ＨＯＢ’（ｔ）をクランプレベルとしてクランプ処理を行い、実線Ｓｏｕｔに示すような補正後の画像信号が得られる。尚、実線Ｓｏｕｔは、暗電流量Ｄａｒｋ（ｔ）が除去されることが分かり易いように、受光領域２０２に被写体光が入射していない場合の画素信号を示している。

ここで、暗電流補正処理は、例えば以下に示す複数の処理に分けることができる。尚、本実施形態に係る電子カメラ１０１では、演算部１５４と画像処理部１０６の補正部１５５とでこれらの処理を分担して暗電流補正を行う。
・暗電流算出処理：単位時間当たりの暗電流増加量を算出する処理（式１）。
・補正量算出処理：単位時間当たりの暗電流増加量を用いて、グローバルリセットから各画素のフォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を読み出すまでの時間に応じて、読み出された信号に含まれる暗電流レベルを算出する処理（式３)。
・暗電流補正処理：読み出された画素信号に含まれる暗電流分を減算する処理。

ここで、本実施形態に係る電子カメラ１０１では、図７の例のように、基準となる黒レベルに暗電流補正量を加算したクランプレベルを算出する処理（加算処理）と、このクランプレベルにクランプする処理（クランプ処理）とで暗電流分を除去する。

尚、他の方法として、通常行われているクランプ処理（基準となる固定の黒レベルでクランプ）後に、別途（式３）で求めた暗電流量を減算する処理（減算処理）を行ってもよい。

また、上記の説明では、演算部１５４と画像処理部１０６の補正部１５５との処理分担を説明するために、暗電流補正処理を複数の処理に分けたが、必ずしも上記のように処理を分ける必要はなく、複数の処理の全てまたは一部を統合しても構わない。例えば本実施形態では、暗電流算出処理、補正量算出処理および加算処理を演算部１５４で行い、クランプ処理を画像処理部１０６の補正部１５５で行う。
［演算部１５４と画像処理部１０６の補正部１５５との処理分担］
次に、上記の暗電流処理を演算部１５４と画像処理部１０６の補正部１５５との処理分担のバリエーションについて図８および図９を用いて説明する。

（処理分担例１）図８（ａ）に示すように、撮像部１０４の演算部１５４は、単位時間当たりの暗電流増加量を求める暗電流算出処理と、単位時間あたりの暗電流増加量を用いて、行毎の読み出し時間差に応じた暗電流補正量を求める補正量算出処理と、求めた暗電流補正量を黒レベルに加算して行毎のクランプレベルを求める加算処理とを行う。この場合、画像処理部１０６の補正部１５５では通常のクランプ処理のみを行うので、従来の画像処理部１０６の処理内容を変更する必要がない。

具体的には、図８（ａ）に示すように、ｍ行目を読み出す場合に、撮像部１０４から画像処理部１０６に出力するｍ行目の信号の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの信号レベルにｍ行目の暗電流補正量を加算したクランプレベルを画像処理部１０６に出力する。そして、画像処理部１０６の補正部１５５は、通常のクランプ処理を行い、受光領域の画素から読み出された信号（受光信号）から暗電流分を除去する。

尚、画像処理部１０６の補正部１５５が行うクランプ処理を撮像部１０４で行うようにしても構わない。この場合は、撮像部１０４単体で全ての暗電流補正を行うことができるので、撮像部１０４を１つの半導体デバイスに格納すれば、本実施形態の特徴である暗電流補正機能を有する撮像素子を実現することができる。

（処理分担例２）図８（ｂ）に示すように、撮像部１０４の演算部１５４は、暗電流算出処理と、補正量算出処理とを行う。そして、画像処理部１０６の補正部１５５は、求めた暗電流補正量を黒レベルに加算して行毎のクランプレベルを求める加算処理と、クランプ処理とを行う。この場合、演算部１５４が求めた暗電流補正量をｍ行目の信号の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの信号および受光信号とは別にｍ行目の読み出し時に補正部１５５に出力される。

（処理分担例３）図９（ａ）に示すように、撮像部１０４の演算部１５４は、暗電流算出処理のみを行う。そして、画像処理部１０６の補正部１５５は、補正量算出処理と、加算処理と、クランプ処理とを行う。この場合、演算部１５４が求めた単位時間あたりの暗電流増加量をｍ行目の信号の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの信号および受光信号とは別にｍ行目の読み出し時に補正部１５５に出力される。

（処理分担例４）図９（ｂ）に示すように、撮像部１０４の演算部１５４は、処理を行わず、画像処理部１０６の補正部１５５は、暗電流算出処理と、補正量算出処理と、加算処理と、クランプ処理とを行う。この場合、撮像部１０４に暗電流補正に関係する処理を行うための演算部１５４は不要なので、一般に用いられているローリング読み出し可能な撮像素子を利用することができる。
［撮影処理］
次に、グローバルリセットしてローリング読み出しを行って撮影する場合の処理の流れについて図１０のフローチャートを用いて説明する。尚、ここでは、演算部１５４と画像処理部１０６の補正部１５５との処理分担は、先述の処理分担例１を用いるものとする。

（ステップＳ１０１）制御部１０５は、操作部１１１のレリーズボタンが押下されたか否かを判別する。レリーズボタンが押下された場合はステップＳ１０２に進み、押下されていない場合はステップＳ１０１で待機する。

（ステップＳ１０２）制御部１０５は、撮像部１０４に指令して、画素部１５１のグローバルリセットを行う。

（ステップＳ１０３）制御部１０５は、測光センサ１１２で計測した露出条件に応じて決定したシャッタ速度でメカニカルシャッタ１０３を開閉して露光を行う。

（ステップＳ１０４）制御部１０５は、露光後に、撮像部１０４にローリング読み出しの開始を指令する。

（ステップＳ１０５）撮像部１０４の演算部１５４は、画素部１５１の遮光領域２０１のＰＤ有りＯＢ領域２０４の画素から読み出した信号レベルと、グローバルリセットからその画素を読み出すまでの時間とから単位時間当たりの暗電流増加量を算出する（暗電流算出処理（式１））。

（ステップＳ１０６）撮像部１０４の演算部１５４は、受光領域２０２の画素から行順にローリング読み出しされる信号に含まれる暗電流レベル（暗電流補正量に対応）を行毎に算出する（補正量算出処理（式３））。これは、ステップＳ１０５で求めた単位時間当たりの暗電流増加量に、受光領域２０２の画素から信号を読み出した時のグローバルリセットからの時間を乗算することにより求まる。尚、厳密には、グローバルリセットから各画素のフォトダイオードＰＤの電荷をＦＤ領域に転送までの時間が暗電流の増加に関係する時間であるが、ＦＤ領域に転送された電荷に応じた信号が読み出される時間は露光時間など全体の時間に対して微少なので、グローバルリセットから信号が読み出されるまでの時間を用いて計算する。

（ステップＳ１０７）撮像部１０４の演算部１５４は、ステップＳ１０６で求めた暗電流補正量をその画素を読み出すときに同じ行の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの画素から読み出した黒レベルに加算しクランプレベルを求める（加算処理）。そして、求めたクランプレベルを画像処理部１０６の補正部１５５に出力する。

（ステップＳ１０８）画像処理部１０６の補正部１５５は、ステップＳ１０７求めたクランプレベルを用い、水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの画素に続いて読み出される同じ行の受光領域２０２の各画素の信号に対してクランプ処理を行う。

ここで、撮像部１０４のＴＧ１５２は、最終行のローリング読み出しが終了するまで画素部１５１の各画素の信号を行順に読み出す。そして、演算部１５４および画像処理部１０６の補正部１５５は、１画面分の読み出しが終了するまで、ステップＳ１０６からステップＳ１０８までの処理を行毎に繰り返す。

（ステップＳ１０９）制御部１０５は、読み出された１画面分の画像信号に対して、通常の画像処理（ホワイトバランス処理、ガンマ処理、色補間処理、エッジ強調処理など）を行うよう画像処理部１０６に指令する。

（ステップＳ１１０）制御部１０５は、画像処理後の画像データにファイル名を付加して記録Ｉ／Ｆ部１０９を介して記録媒体１０９ａに保存し、一連の撮影処理を終了する。

尚、上記の説明では、ローリング読み出し方式を例に挙げて説明したが、フォトダイオードＰＤの電荷のリセットから読み出されるまでの時間が画素によって異なる場合であれば同様に適用可能である。

次に、一例として、ランダムアクセスで画素部１５１の指定された領域の画素から信号を読み出す場合について説明する。図１１は、図５に対応する図で、ランダムアクセスの場合も画素部１５１から行単位で取り出された後、指定された領域の画素から信号が読み出される。

図１１（ａ）において、領域３０１（５行分）の画素から信号を読み出し、続いて領域３０２（２行分）の画素から信号を読み出す場合、図１１（ｂ）に示すように、タイミングｔ０でグローバルリセットを行って露光後に、タイミングｔ２で遮光領域２０１のＰＤ有りＯＢ領域２０４の指定画素の信号を読み出し、グローバルリセットからその画素から読み出すまでの時間（ｔ２−ｔ０）と、読み出した指定画素の信号レベルとタイミングｔ１で読み出したＰＤ無しＯＢ領域２０３の信号レベルとのレベル差を用いて単位時間当たりの暗電流増加量を求める（式１）。

そして、先に説明した（式３）を用いて、グローバルリセット（ｔ０）からタイミングｔ１１で領域３０１の１行目を読み出すまでの時間に応じて発生する暗電流量を求める。同様にして、領域３０１の２行目から５行目までの各画素の信号を読み出すまでの時間に応じて発生する暗電流量を求める。さらに、領域３０２の１行目および２行目の各画素の信号を読み出すまでの時間に応じて発生する暗電流量を求める。求めた暗電流量は、各行における暗電流補正量として、同じ行の水平ＰＤ無しＯＢ領域２０３ｂの画素から読み出された信号レベル（黒レベル）に加算され、クランプレベルとして画像処理部１０６の補正部１５５に出力される。そして、画像処理部１０６の補正部１５５でクランプ処理を行い、暗電流分が除去される。

このように、本実施形態に係る電子カメラ１０１では、グローバルリセットを行ってから画素信号を読み出すまでの時間が異なる場合でも発生する暗電流量の違いによるシェーディングを補正できるので、優れた画質の撮影画像を得ることができる。特に、各行を読み出す毎に暗電流補正量を算出して補正を行うので、リアルタイムで処理することができる。

以上、本発明に係る撮像装置について、各実施形態で例を挙げて説明してきたが、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の多様な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明は、特許請求の範囲によって示されるものであって、本発明は明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。

１０１・・・電子カメラ；１０２・・・光学系；１０３・・・メカニカルシャッタ；１０４・・・撮像部；１０５・・・制御部；１０６・・・画像処理部；１０７・・・ＲＡＭ；１０８・・・表示モニタ；１０９・・・記録Ｉ／Ｆ部；１１０・・・ＲＯＭ；１１１・・・操作部；１１２・・・測光センサ；１１３・・・バス；１５１・・・画素部；１５２・・・ＴＧ；１５３・・・Ａ／Ｄ変換部；１５４・・・演算部；１５５・・・補正部；１６１・・・画素回路；１６２・・・垂直走査回路；１６３・・・水平出力回路；２０１・・・遮光領域；２０２・・・受光領域；２０３・・・ＰＤ無しＯＢ領域；２０３ａ・・・上部ＰＤ無しＯＢ領域；２０３ｂ・・・水平ＰＤ無しＯＢ領域；２０４・・・ＰＤ有りＯＢ領域

Claims (7)

1. 複数の画素が二次元状に配列された画素部と、
   前記画素における単位時間当たりの暗電流増加量を求め、前記画素の暗電流補正量を算出する演算部と、
   前記演算部が求めた前記暗電流補正量を用いて前記画素から読み出される信号の暗電流補正を行う補正部と
   を有し、
   前記画素部は、遮光領域と受光領域とを有し、前記遮光領域には、光電変換部の無い第１画素と光電変換部の有る第２画素とが配置され、前記受光領域には、光電変換部の有る第３画素が配置され、
   前記演算部は、前記第１画素および前記第２画素から信号を読み出す時に当該信号を用いて単位時間当たりの前記暗電流増加量を求め、前記第３画素から読み出される信号の読み出し時間に応じた前記暗電流補正量を算出する
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記信号の読み出し時間は、グローバルリセットから前記第３画素の信号読み出し開始タイミングまでの時間である
   ことを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の撮像装置において、
   前記画素部の前記複数の画素は行列状に配置され、各行は前記第１画素と前記第２画素と前記第３画素とを含み、各画素の信号は行順にローリング読み出しされることを特徴とする撮像装置。
4. 請求項１または２に記載の撮像装置において、
   前記各画素の信号は、ランダムにアドレス指定された画素から読み出されることを特徴とする撮像装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記演算部は、グローバルリセットから前記第２画素の信号読み出し開始タイミングまでの第１時間と、前記第１画素の信号レベルに対する前記第１時間経過後の前記第２画素の信号レベルの増分とに基づいて単位時間当たりの前記暗電流増加量を求める
   ことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の撮像装置において、
   前記演算部は、前記第３画素から信号が読み出される毎に、読み出された画素の前記暗電流補正量を求める
   ことを特徴とする撮像装置。
7. 請求項５または６に記載の撮像装置において、
   前記演算部は、グローバルリセットから前記第２画素の信号の読み出し開始タイミングまでの前記第１時間をＴexp、前記第２画素の信号レベルと前記第１画素の信号レベルとのレベル差をＤａｒｋ０とした場合に、単位時間当たりの前記暗電流増加量ΔＤを
   ΔＤ＝Ｄａｒｋ０／Ｔexp
   により求め、
   さらに、時間変数をｔ、前記グローバルリセットのタイミングをｔ０、前記第３画素の時間ｔにおける黒レベルをＨＯＢ（ｔ）、予め設定された係数をａとした場合に、前記第３画素と共に読み出された画素の信号のクランプレベルＨＯＢ’（ｔ）を
   ＨＯＢ’（ｔ）＝ＨＯＢ（ｔ） ＋ ａ・ΔＤ・（ｔ−ｔ０）
   により求め、
   前記補正部は、前記演算部が求めた前記クランプレベルＨＯＢ’（ｔ）で前記第３画素から読み出される信号のクランプ処理を行う
   ことを特徴とする撮像装置。