JP2004242264A - イメージセンサ - Google Patents
イメージセンサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004242264A JP2004242264A JP2003068877A JP2003068877A JP2004242264A JP 2004242264 A JP2004242264 A JP 2004242264A JP 2003068877 A JP2003068877 A JP 2003068877A JP 2003068877 A JP2003068877 A JP 2003068877A JP 2004242264 A JP2004242264 A JP 2004242264A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- signal
- sensor
- sensor signal
- pixel
- incident light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Facsimile Heads (AREA)
Abstract
【目的】各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するに際して、センサ信号のSN比を向上させるとともにデジタル分解能を改善させる。
【構成】低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換する手段と、その変換されたセンサ信号をデジタル化してデータの変換テーブルによって各画素のセンサ信号の特性を任意に変換する手段とを設ける。
【選択図】 図14
【構成】低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換する手段と、その変換されたセンサ信号をデジタル化してデータの変換テーブルによって各画素のセンサ信号の特性を任意に変換する手段とを設ける。
【選択図】 図14
Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するようにしたイメージセンサに関する。
【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、フォトダイオードPDに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号Vpdに変換させるトランジスタQ1と、その電圧信号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とからなり、対数出力特性をもたせることによって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している。
【0003】
このような構成によるイメージセンサでは、各画素の光センサ回路におけるフォトダイオードPDに充分な光量をもって入射光Lsが当たっているときには、トランジスタQ1には充分なセンサ電流が流れることになり、そのトランジスタQ1の抵抗値もさほど大きくないことから、イメージセンサとして残像を生ずることがないような充分な応答速度をもって光信号の検出を行わせることができる。
【0004】
しかし、フォトダイオードPDの入射光Lsの光量が少なくなってトランジスタQ1に流れる電流が小さくなると、トランジスタQ1はそれに流れる電流が1桁小さくなるとその抵抗値が1桁大きくなるように動作するように設定されていることから、トランジスタQ1の抵抗値が増大し、フォトダイオードPDの寄生容量Cとの時定数が大きくなってその寄生容量Cに蓄積された電荷を放電するのに時間がかかるようになる。そのため、入射光Lsの光量が少なくなるにしたがって、残像が長時間にわたって観測されることになる。
【0005】
図6は、フォトダイオードPDのセンサ電流が1E−10Aから1E−15Aまで急激に変化した場合の電圧信号Vpdの変化特性を示している。
【0006】
この特性から、フォトダイオードPDへの入射光Lsの光量が少ない1E−12A程度のセンサ電流では、1/30secごとにセンサ信号Voを出力させるようにする場合、その時間内では電圧信号Vpdが飽和しないことがわかる。
【0007】
したがって、フォトダイオードPDの入射光Lsの光量が少ないときのセンサ電流に応じた電圧信号Vpdの飽和時間が長くなるため、図8に示すような読出し信号Vsのパルスタイミングでセンサ信号Voの読み出しを行うと、当初ほど大きなレベルの出力が残像となってあらわれる。なお、図8中、Vpd′は増幅用のトランジスタQ2によって反転増幅された電圧信号を示している。
【0008】
そのため従来では、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をMOS型トランジスタを用いて弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号に変換するようにした光センサ回路を画素単位として、複数の画素をマトリクス状に配設したイメージセンサにあって、撮影に先がけて各光センサ回路におけるトランジスタQ1のドレイン電圧VDを所定時間だけ撮影時の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排出し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(特開2000−329616号公報参照)。
【0009】
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。
【0010】
図3の出力特性によれば、入射光量が少ない非対数応答領域WAでは対数特性が失われてセンサ出力の変化がほとんどなく、感度が低くなってしまう。入射光量の少ない低照度から入射光量の多い高照度にわたる全領域での有効利用を図るためには、低照度時での感度を上げるべく、非対数応答領域WAにおけるセンサ出力の変化を立ち上げる必要がある。
【0011】
そのため、従来では、図9に示すように、イメージセンサ8から時系列的に出力されるセンサ信号VoをAD変換器16によってデジタル信号に変換したうえで、予め入,出力特性の変換テーブルが設定されたルックアップ用のメモリ17を用いて、低照度から高照度までの入射光量の全域にわたって完全な対数特性をもった変換出力Vo′を得るようにしている(特開平11−211565号公報参照)。
【0012】
図10は、イメージセンサ8から出力されるセンサ信号Voの特性TAを、低照度から高照度までの入射光量の全域にわたって完全な対数特性になるように変換したセンサ信号Vo′の特性TBを示している。
【0013】
しかし、テーブルを用いてイメージセンサ8から出力されるセンサ信号Voの出力特性を完全対数特性になるように変換するのでは、デジタル的に増幅されるのでノイズも同様に幅増されてしまい、ノイジーな撮影画像になってしまう。
【0014】
いま、イメージセンサ8から出力されるセンサ信号Voの特性を完全対数特性のセンサ信号Vo′に変換する場合、図11に示すように、低照度領域においては大きなゲインをもたせなければならないが、SN比は一定であることから、低照度領域ではノイズが強調されてしまうことになる。また、デジタル的に処理するために、低照度領域ではゲインが大きいことから、TB′に示すように、変換される特性の階調が粗くなってしまう。
【0015】
ノイズを低減する手法としては、フィルタを用いてノイズを除去する方法もあるが、その場合、高周波成分がなくなってしまうので画像(輪郭)がぼやけてしまう。
【0016】
低照度領域でのSN比の改善および密な階調度確保のためには、アナログ段で充分な増幅を行うことも有効であるが、アナログ段で単純に増幅すると、AD変換器13の入力範囲は有限であることから、ダイナミックレンジを狭めてしまうことになる。
【0017】
【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出力される各画素のセンサ信号を増幅してデジタル信号に変換する場合、その処理信号にはイメージセンサに含まれるノイズ、増幅器やAD変換器の内部ノイズなどが存在する。そのノイズの影響を軽減するためには、センサ信号をノイズよりも充分大きくなるように増幅してやればよいが、増幅器のゲインを大きくすると処理速度が遅くなってしまい、イメージセンサから高速で転送されてくるセンサ信号を処理する場合に不利になる。また、AD変換する場合にあっても、大振幅で転送速度のはやいセンサ信号を取り扱うのは、応答速度の点などから実現しににくなっている(高速処理用のAD変換器で取り扱うことのできる入力電圧範囲は低速処理用のものよりも狭くなっている)。このように、イメージセンサから高速で転送されてくるセンサ信号をデジタル信号に変換する場合には、特に低照度領域の出力にあって、高いSN比を得ることが困難になっていることである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するに際して、低照度領域の出力におけるSN比を向上させるとともに分解能の改善を図って、ノイズの少ない信号に変換することができるように、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性を、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換する手段と、その特性が変換されたセンサ信号をデジタル信号に変換する手段と、その変換されたデジタル信号にもとづいてデータの変換テーブルを用いて各画素のセンサ信号の特性を任意に変換する手段とを設けるようにしている。
【0019】
【実施例】
本発明に係るイメージセンサにあっては、基本的に、前述した図1に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
【0020】
そして、その光センサ回路にあって、撮影に先がけて、対数特性変換用のトランジスタQ1のドレイン電圧VDを所定時間だけ撮影特の定常値よりも低く設定して、フォトダイオードPDの寄生容量Cに蓄積された電荷を排出して初期化するようにしている。
【0021】
図2は、その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。ここで、t1は初期化のタイミングを、t2は光信号検出のタイミングを示している。トランジスタQ1のドレイン電圧VDを定常値(ハイレベルH)から低い電圧(ローレベルL)に切り換える所定時間tmとしては、例えば1画素分の読出し速度が100nsec程度の場合に5μsec程度に設定される。図中、TはフォトダイオードPDの寄生容量Cの蓄積期間を示しており、その蓄積期間TはNTSC信号の場合1/30sec(または1/60sec)程度となる。
【0022】
このようなものにあって、初期化時にMOSトランジスタQ1のドレイン電圧VDがローレベルLに切り換えられると、そのときのゲート電圧VGとドレイン電圧VDとの間の電位差がトランジスタQ1のしきい値よりも大きければトランジスタQ1が低抵抗状態になる。それにより、そのときのソース側の電位がドレイン電圧VDと同じになり(実際にはしきい値分の電位差が残る)、フォトダイオードPDの接合容量Cが放電状態になる。
【0023】
図4は、初期化時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【0024】
そして、tm時間の経過後にそのドレイン電圧VDが定常のハイレベルHに切り換えられて光信号の検出が行われると、ソース側の電位がドレイン電圧VDよりも低くなって、そのときのゲート電圧VGとドレイン電圧VDとの間の電位差がしきい値よりも大きければMOSトランジスタQ1が低抵抗状態になり、フォトダイオードPDの接合容量Cが充電状態になる。
【0025】
図5は、光信号検出時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【0026】
このように光信号の検出に先がけてフォトダイオードPDの接合容量Cを放電させて初期化したのちにその接合容量Cを充電させるようにすると、その初期化のタイミングから一定の時間経過した時点での出力電圧(フォトダイオードPDの端子電圧)Vpdは入射光Lsの光量に応じた値となる。すなわち、初期化後には入射光Lsの光量の変化に追随した一定の時定数による放電特性が得られるようになる。
【0027】
その際、長時間放置すればドレイン電圧VDからトランジスタQ1を通して供給される電流とフォトダイオードPDを流れる電流とは同じになるが、前に残った電荷がなければ常に同じ放電特性が得られるので残像が生ずることがなくなる。
【0028】
したがって、初期化してから一定の時間を定めて光信号を検出するようにすれば、入射光Lsの光量に応じた残像のないセンサ信号Voを得ることができるようになる。
【0029】
図6はフォトダイオードPDのセンサ電流が1E−10Aから1E−15Aまで急激に変化した場合の電圧信号Vpdの変化特性にあって、初期化してから一定の時間1/30sec経過後に光信号の検出のタイミングを設定したときを示している。
【0030】
図7は、1/30secのタイミングで光信号の読み出しをくり返し行わせたときの電圧信号Vpdの増幅信号の特性を示している。これによれば、1/30secごとに得られる信号特性はフォトダイオードPDへの入射光Lsの光量に応じたセンサ電流に即したものとなり、残像の影響がないことがわかる。
【0031】
図12は、このような光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各画素のセンサ信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサの具体的な構成例を示している。
【0032】
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、D11〜D44からなる4×4の画素をマトリクス状に配設して、各1ライン分の画素列を画素列選択回路1から順次出力される選択信号LS1〜LS4によって選択し、その選択された画素列における各画素を、画素選択回路2から順次出力される選択信号DS1〜DS4によってスイッチ群3における各対応するスイッチSW1〜SW4が逐次オン状態にされることによって各画素のセンサ信号Voが時系列的に読み出されるようになっている。図中、4は各画素における前記トランジスタQ1のゲート電圧VG用電源であり、6はドレイン電圧VD用電源である。
【0033】
そして、そのイメージセンサにあって、各1ライン分の画素列の選択に際して、その選択された画素列における各画素の前記トランジスタQ1のドレイン電圧VDを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルHおよび初期化時のローレベルLに切り換える電圧切換回路5が設けられている。
【0034】
このように構成されたイメージセンサの動作について、図13に示す各部信号のタイムチャートとともに、以下説明をする。
【0035】
まず、画素列選択信号LS1がハイレベルHになると、それに対応するD11,D12,D13,D14からなる第1の画素列が選択される。そして、LS1がハイレベルHになっている一定期間T1のあいだ画素選択信号DS1〜DS4が順次ハイレベルHになって、各画素D11,D12,D13,D14のセンサ信号Voが順次読み出される。
【0036】
次いで、画素列選択信号LS1がローレベルLになった時点で次のLS2がハイレベルHになると、それに対応するD21,D22,D23,D24からなる第2の画素列が選択される。そして、LS2がハイレベルHになっている一定期間T1のあいだ画素選択信号DS1〜DS4が順次ハイレベルHになって、各画素D21,D22,D23,D24のセンサ信号Voが順次読み出される。
【0037】
以下同様に、画素列選択信号LS3およびLS4が連続的にハイレベルHになって各対応する第3および第4の画素列が順次選択され、LS3およびLS4がそれぞれハイレベルHになっている一定期間T1のあいだ画素選択信号DS1〜DS4が順次ハイレベルHになって、各画素D31,D32,D33,D34およびD41,D42,D43,D44のセンサ信号Voが順次読み出される。
【0038】
また、画素列選択信号LS1がT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第1の画素列における各画素D11,D12,D13,D14のドレイン電圧VD1をそれまでのハイレベルHからローレベルLに所定時間T2のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、1サイクル期間T3の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号の読出しにそなえる。
【0039】
次いで、画素列選択信号LS2がT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第2の画素列における各画素D21,D22,D23,D24のドレイン電圧VD1をそれまでのハイレベルHからローレベルLに所定時間T2のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、1サイクル期間T3の径過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号の読出しにそなえる。
【0040】
以下同様に、画素列選択信号LS3およびLS4がそれぞれT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第3および第4の画素列にそれぞれ対応するドレイン電圧VD3をローレベルLに切り換えて各画素の初期化が行われ、1サイクル期間T3の径過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号の読出しにそなえる。
【0041】
なお、ここでは画素列選択信号LSX(X=1〜4)がT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点でドレイン電圧VDXをローレベルLに切り換えて初期化を行わせるようにしているが、その初期化のタイミングは画素列選択信号LSXがローレベルL状態にある画素列選択の休止期間T4中にあればよい。
【0042】
本発明は、このような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デジタル化して、データの変換テーブルを用いてセンサ信号の特性を任意に変換するに際して、図14に示すような構成をとるようにしている。
【0043】
それは、イメージセンサ8から時系列的に出力する図3に示すような特性をもった各画素のセンサ信号Voを、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように、折れ線特性をもって変換する信号処理回路9と、その信号処理されたセンサ信号をデジタル信号に変換するAD変換器10と、その変換されたデジタル信号DSにもとづいて、所定の入,出力特性の変換テーブルが設定されているルックアップ用のメモリ17とを用いて、低照度から高照度までの入射光量の全域にわたって完全な対数特性をもった変換出力DS′を得るようにしている。
【0044】
図15は、その構成における各部信号の特性例を示している。同図(a)はイメージセンサ8から出力するセンサ信号Voの特性を、同図(b)は信号処理回路9によって処理されたセンサ信号の特性を、同図(c)はメモリ17による変換出力DS′の特性を示している。ここで、(b)の特性にあって、例えば、低照度の入射光量の少ない領域A1としては図3に示す非対数応答領域WAに相当し、高照度の入射光量の多い領域A2としては図3に示す対数応答領域WBに相当するようにしている。
【0045】
信号処理回路9としては、低照度の入射光量の少ない領域A1ではゲインが大きく、高照度の入射光量の多い領域A2ではゲインが小さくなるような増幅率を可変にできるものを用いる。具体的には、入出力特性の傾斜と折れ点が自由に設定でき、非直線の特性を直線に近似する折れ線回路や、関数発生回路、対数変換回路またはガンマ回路などを用いる。
【0046】
このような構成をとることによって、特に低照度の入射光量の少ない領域A1ではセンサ信号の変化の割合が大きくなるように処理されたセンサ信号をAD変換したデジタル信号DSにもとづいて全域にわたって対数特性となるようにテーブル変換されるため、SN比の改善が図られる。また、図16に示すように、低照度領域におけるデジタル化されたセンサ信号の特性TB″の階調が密になる。したがって、そのデジタル化されたセンサ信号にもとづいて、広いダイナミックレンジをもって、感度良く、ノイズの少ない階調性に優れた画像を再生することができるようになる。
【0047】
また、図14に示すように、各画素のデジタル化されたセンサ信号にもとづいて、出力補正回路12においてデジタル演算処理によってイメージセンサ8における各画素の構造上からくる出力特性のばらつきを補正する場合、イメージセンサ8から出力するセンサ信号Voは信号処理回路9によって処理されているので単純に補正演算をすることができない。例えば、折れ線の曲がり部は滑らかなので演算から求めることは困難である。
【0048】
そのため、ルックアップ用のメモリ17によって逆変換を行わせたうえで、出力補正を行わせるようにしている。その場合、逆変換を演算によって行わせるのではその処理が複雑になるが、メモリ17を用いたテーブル変換によればその処理を容易にかつ迅速に行わせることができるようになる。
【0049】
図18は、3つの画素の構成上からくる各センサ信号A,B,Cの出力特性のバラツキ状態の一例を示している。ここで、画素出力のしきい値Hに応じたセンサ電流の値Imは各画素のセンサ信号信号A,B,Cが非対数応答領域WAから対数応答領域WBに切り換わる点を示している。また、Ioは暗時のセンサ電流を示している。
【0050】
ここでは、このような非対数応答領域WAにおける各画素のセンサ信号の出力特性の形状がほぼ同一で、対数応答領域WBにおける各画素のセンサ信号の出力特性の傾きがそれぞれ異なるときのイメージセンサの出力補正を行わせる場合を示している。各画素のパラメータとして、それぞれの各センサ信号が非対数応答領域WAから対数応答領域WBに切り換わる点の情報と、暗時の画素出力とを用いている。
【0051】
図17は、図18に示すセンサ信号の出力特性のばらつきを補正するための出力補正回路12における処理のフローを示している。
【0052】
メモリ11には、センサ電流がImの値のときに画素出力がHとなるようなオフセット補正値OFSが設定されている。そして、オフセット補正部121において、そのオフセット補正値OFSを用いた加減算処理をなすことによって各画素のデジタル信号に変換されたセンサ信号DSのオフセット補正を行わせると、図19に示すように、各画素のセンサ信号A,B,Cにおける非対数応答領域WAの特性が一致するようになる。
【0053】
次に、そのオフセット補正されたセンサ信号DS1にもとづき、ゲイン補正部122において、しきい値H以上の対数応答領域WBに対してゲイン補正のための乗算処理を行う。
【0054】
具体的には、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値H以上であるか否かを判断して、しきい値H以上であれば、すなわちセンサ信号DS1が対数応答領域WBにあれば、メモリ10から読み出されたゲイン補正のための所定の乗数MLTを用いて、
出力←H+(センサ信号DS1−H)×乗数
なる演算を行って、その演算結果を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0055】
このような各画素のセンサ信号A,B,Cのゲイン補正が行われた結果、図20に示すように、対数応答領域WBの特性が一致するようになる。
【0056】
また、その際、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値Hよりも小さければ、すなわちセンサ信号DS1が非対数応答領域WAにあれば、そのままオフセット補正されたセンサ信号DS1を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0057】
図22は、3つの画素の構成上からくる各センサ信号A,B,Cの出力特性のバラツキ状態の他の例を示している。
【0058】
ここでは、このような対数応答領域WBにおける各センサ信号の出力特性の傾きがほぼ同一で、非対数応答領域WAにおける各センサ信号の出力特性の形状がそれぞれ異なるときにイメージセンサの出力補正を行わせる場合を示している。
【0059】
図21は、図22に示すセンサ信号の出力特性のばらつきを補正するための出力補正回路12における処理のフローを示している。
【0060】
メモリ11には、センサ電流がImの値のときに画素出力がHとなるようなオフセット補正値OFSが設定されている。そして、オフセット補正部121において、そのオフセット補正値OFSを用いた加減算処理をなすことによって各画素のデジタル信号に変換されたセンサ信号DSのオフセット補正を行わせると、図22に示すように、各画素のセンサ信号A,B,Cにおける対数応答領域WBの特性が一致するようになる。
【0061】
次に、そのオフセット補正されたセンサ信号DS1にもとづき、ゲイン補正部112において、しきい値H以下の非対数応答領域WAに対してゲイン補正のための乗算処理を行う。
【0062】
具体的には、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値H以下であるか否かを判断して、しきい値H以下であれば、すなわちセンサ信号DS1が非対数応答領域WAにあれば、メモリ10から読み出されたゲイン補正のための所定の乗数MLTを用いて、
出力←H−(H−センサ信号DS1)×乗数
なる演算を行って、その演算結果を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0063】
このような各画素のセンサ信号A,B,Cのゲイン補正が行われた結果、図24に示すように、非対数応答領域WAの特性が一致するようになる。
【0064】
また、その際、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値Hよりも大きければ、すなわちセンサ信号DS1が対数応答領域WBにあれば、そのままオフセット補正されたセンサ信号DS1を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0065】
図26は、イメージセンサ8における各画素の構成上からくるセンサ信号A,B,Cの出力特性のバラツキ状態のさらに他の例を示している。
【0066】
ここでは、対数応答領域WBにおける各センサ信号A,B,Cの出力特性の傾きがそれぞれ異なるとともに、非対数応答領域WAにおける各センサ信号A,B,Cの出力特性の形状がそれぞれ異なる場合を示している。
【0067】
このような場合には、図25の出力補正回路12における処理のフローに示すように、前述した図17および図21に示す各処理を組み合せて行わせることによって、各センサ信号A,B,Cのオフセット補正およびゲイン補正が逐次なされて最終的に非対数応答領域WAおよび対数応答領域WBの特性が一致したセンサ信号DS2′が得られるようになる。
【0068】
また、図14に示す構成にあって、信号処理回路9がアナログ系であるために温度特性および構成部品のばらつきによる影響が否めず、その処理信号にもとづいて一律に変換テーブルが設定されたメモリ17によって入,出力特性の変換を行わせるのでは、その変換出力DS′に誤差が含まれてしまう。
【0069】
そのため、本発明では、図27に示すように、予め信号処理回路9の入力側に設けられたスイッチSWをb接点側に切り換えて、基準信号発生回路13からの基準信号を信号処理回路9に与えて所定の処理を行わせることにより、実際にその基準信号がどのような折れ線特性に処理されたかをみて、信号処理回路9の動作状態を把握するようにしている。
【0070】
図28は、基準信号発生回路13から生ずる基準信号として、例えば同図(a)に示すように直線状に変化する信号を用いて、それが信号処理回路9において同図(b)に示すように折れ線特性になるように処理された状態の一例を示している。
【0071】
そして、本発明では、図29に示すように、信号処理回路9に基準信号を与えたときの処理結果に即するように、メモリ17における逆変換のためのテーブルを作成するようにしている。
【0072】
ここでは、信号処理回路9の入力側に設けられたスイッチSWをb接点側に切り換えて基準信号発生回路13からの基準信号を信号処理回路9に与えたときのAD変換器10の出力データをテーブル作成回路14が読み込んで、信号処理回路9で処理された折れ線特性のデータにもとづいて、その折れ線特性の逆変換の特性のデータを作成してメモリ17に登録するようにしている。
【0073】
具体的には、AD変換器10の出力データをアドレスに設定し、そのアドレスに対応してメモリ17にAD変換器10の出力データを記録することで逆変換のテーブルを作成することができる。
【0074】
図30は、同図(a)に示すような信号処理回路9の出力特性に応じて、テーブル作成回路14からメモリ17に与えられる逆変換データの特性を同図(b)に示している。
【0075】
したがって、このようなテーブル作成手段をとることによって、信号処理回路9における温度特性および構成部品のばらつきによる影響を受けることなく、メモリ17における入,出力特性の変換を適切に行わせることができるようになる。
【0076】
また、実際にテーブルを作成するに際して、作成データが離散する場合があり、そのためテーブル作成回路14では作成データの離散の有無を監視して、離散している場合にはデータ補間を行わせるようにしている。
【0077】
具体的には、作成データの注目アドレスのn番目のデータと次アドレスのn+1番目のデータとを比較してその次アドレスのデータの増分を求めて、その増分が予め設定したしきい値以上を越えたときに、補間法によって補間値を求めてn番目とn+1番目との間にデータ補間を行わせるようにする。その補間法は一般的なものが用いられる。
【0078】
なお、このデータ補間の代わりに、作成データが離散することがないように、AD変換器10の分解能を高めるようにしてもよい。
【0079】
【発明の効果】
以上、本発明によるイメージセンサにあっては、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するに際して、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換して、その変換されたセンサ信号をデジタル化してデータの変換テーブルによって各画素のセンサ信号の特性を任意に変換するようにしているので、低照度領域におけるセンサ信号のSN比を向上させるとともにデジタル分解能を改善させることができるという利点を有している。したがって、入,出力特性の変換テーブルを用いて任意の出力特性をもったセンサ信号に変換する場合に、ノイズが強調されることがなく、階調が密な画質の良いデジタル画像を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るイメージセンサに用いられる1画素分の光センサ回路を示す電気回路図である。
【図2】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】光センサ回路の初期化を行わせたときの照度に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図4】光センサ回路の初期化時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
【図5】光センサ回路の光信号検出時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
【図6】光センサ回路におけるフォトダイオードPDのセンサ電流が変化したときの各電圧信号Vpdの変化特性を示す図である。
【図7】光センサ回路において所定のタイミングで光信号の読み出しをくり返し行わせたときの電圧信号Vpdの増幅信号の特性を示す図である。
【図8】初期化を行わないときの光センサ回路における入射光量が少ないときに所定のタイミングで読み出される画信号の出力特性を示す図である。
【図9】従来のイメージセンサから出力するセンサ信号をAD変換して、メモリテーブルを用いて入出力特性変換の処理を行わせるための構成を示すブロック図である。
【図10】従来のイメージセンサにおけるセンサ信号の特性を完全対数特性になるように入出力特性の変換を行ったときの照度に対するセンサ信号の特性を示す図である。
【図11】従来のイメージセンサにおけるセンサ信号の特性を完全対数特性になるように入出力特性の変換を行ったときの低照度領域におけるセンサ信号の特性およびデジタル的に変換されるセンサ信号の階調を示す特性図である。
【図12】本発明に係るイメージセンサの具体的な構成例を示すブロック図である。
【図13】図12に示す構成におけるイメージセンサの各部信号のタイムチャートである。
【図14】本発明によるイメージセンサの一実施例を示すブロック構成図である。
【図15】その一実施例において処理される各部信号の変化状態を示す図である。
【図16】本発明によってイメージセンサにおけるセンサ信号の特性を完全対数特性になるように入出力特性の変換を行ったときの低照度領域におけるセンサ信号の特性およびデジタル的に変換されるセンサ信号の階調を示す特性図である。
【図17】図14の構成における出力補正回路における処理のフローの一例を示す図である。
【図18】イメージセンサにおける各画素の構成上からくるセンサ信号の出力特性のバラツキ状態の一例を示す特性図である。
【図19】図18に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正した結果を示す特性図である。
【図20】図18に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正およびゲイン補正した結果を示す特性図である。
【図21】図14の構成における出力補正回路における処理のフローの他の例を示す図である。
【図22】イメージセンサにおける各画素の構成上からくるセンサ信号の出力特性のバラツキ状態の他の例を示す特性図である。
【図23】図22に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正した結果を示す特性図である。
【図24】図22に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正およびゲイン補正した結果を示す特性図である。
【図25】図14の構成における出力補正回路における処理のフローのさらに他の例を示す図である。
【図26】イメージセンサにおける各画素の構成上からくるセンサ信号の出力特性のバラツキ状態のさらに他の例を示す特性図である。
【図27】本発明によるイメージセンサの他の実施例を示すブロック構成図である。
【図28】その他の実施例において基準信号発生回路からの基準信号が信号処理回路において折れ線特性になるように処理された状態の一例を示す図である。
【図29】本発明によるイメージセンサのさらに他の実施例を示すブロック構成図である。
【図30】そのさらに他の実施例において信号処理回路の出力特性に応じてテーブル作成回路において作成される逆変換データの特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
8 イメージセンサ
9 信号処理回路
10 AD変換器
12 出力補正回路
13 基準信号発生回路
14 テーブル作成回路
17 入,出力特性変換用のメモリ
【産業上の利用分野】
本発明は、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するようにしたイメージセンサに関する。
【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、フォトダイオードPDに流れるセンサ電流を弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号Vpdに変換させるトランジスタQ1と、その電圧信号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とからなり、対数出力特性をもたせることによって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している。
【0003】
このような構成によるイメージセンサでは、各画素の光センサ回路におけるフォトダイオードPDに充分な光量をもって入射光Lsが当たっているときには、トランジスタQ1には充分なセンサ電流が流れることになり、そのトランジスタQ1の抵抗値もさほど大きくないことから、イメージセンサとして残像を生ずることがないような充分な応答速度をもって光信号の検出を行わせることができる。
【0004】
しかし、フォトダイオードPDの入射光Lsの光量が少なくなってトランジスタQ1に流れる電流が小さくなると、トランジスタQ1はそれに流れる電流が1桁小さくなるとその抵抗値が1桁大きくなるように動作するように設定されていることから、トランジスタQ1の抵抗値が増大し、フォトダイオードPDの寄生容量Cとの時定数が大きくなってその寄生容量Cに蓄積された電荷を放電するのに時間がかかるようになる。そのため、入射光Lsの光量が少なくなるにしたがって、残像が長時間にわたって観測されることになる。
【0005】
図6は、フォトダイオードPDのセンサ電流が1E−10Aから1E−15Aまで急激に変化した場合の電圧信号Vpdの変化特性を示している。
【0006】
この特性から、フォトダイオードPDへの入射光Lsの光量が少ない1E−12A程度のセンサ電流では、1/30secごとにセンサ信号Voを出力させるようにする場合、その時間内では電圧信号Vpdが飽和しないことがわかる。
【0007】
したがって、フォトダイオードPDの入射光Lsの光量が少ないときのセンサ電流に応じた電圧信号Vpdの飽和時間が長くなるため、図8に示すような読出し信号Vsのパルスタイミングでセンサ信号Voの読み出しを行うと、当初ほど大きなレベルの出力が残像となってあらわれる。なお、図8中、Vpd′は増幅用のトランジスタQ2によって反転増幅された電圧信号を示している。
【0008】
そのため従来では、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をMOS型トランジスタを用いて弱反転状態で対数出力特性をもって電圧信号に変換するようにした光センサ回路を画素単位として、複数の画素をマトリクス状に配設したイメージセンサにあって、撮影に先がけて各光センサ回路におけるトランジスタQ1のドレイン電圧VDを所定時間だけ撮影時の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排出し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(特開2000−329616号公報参照)。
【0009】
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。
【0010】
図3の出力特性によれば、入射光量が少ない非対数応答領域WAでは対数特性が失われてセンサ出力の変化がほとんどなく、感度が低くなってしまう。入射光量の少ない低照度から入射光量の多い高照度にわたる全領域での有効利用を図るためには、低照度時での感度を上げるべく、非対数応答領域WAにおけるセンサ出力の変化を立ち上げる必要がある。
【0011】
そのため、従来では、図9に示すように、イメージセンサ8から時系列的に出力されるセンサ信号VoをAD変換器16によってデジタル信号に変換したうえで、予め入,出力特性の変換テーブルが設定されたルックアップ用のメモリ17を用いて、低照度から高照度までの入射光量の全域にわたって完全な対数特性をもった変換出力Vo′を得るようにしている(特開平11−211565号公報参照)。
【0012】
図10は、イメージセンサ8から出力されるセンサ信号Voの特性TAを、低照度から高照度までの入射光量の全域にわたって完全な対数特性になるように変換したセンサ信号Vo′の特性TBを示している。
【0013】
しかし、テーブルを用いてイメージセンサ8から出力されるセンサ信号Voの出力特性を完全対数特性になるように変換するのでは、デジタル的に増幅されるのでノイズも同様に幅増されてしまい、ノイジーな撮影画像になってしまう。
【0014】
いま、イメージセンサ8から出力されるセンサ信号Voの特性を完全対数特性のセンサ信号Vo′に変換する場合、図11に示すように、低照度領域においては大きなゲインをもたせなければならないが、SN比は一定であることから、低照度領域ではノイズが強調されてしまうことになる。また、デジタル的に処理するために、低照度領域ではゲインが大きいことから、TB′に示すように、変換される特性の階調が粗くなってしまう。
【0015】
ノイズを低減する手法としては、フィルタを用いてノイズを除去する方法もあるが、その場合、高周波成分がなくなってしまうので画像(輪郭)がぼやけてしまう。
【0016】
低照度領域でのSN比の改善および密な階調度確保のためには、アナログ段で充分な増幅を行うことも有効であるが、アナログ段で単純に増幅すると、AD変換器13の入力範囲は有限であることから、ダイナミックレンジを狭めてしまうことになる。
【0017】
【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出力される各画素のセンサ信号を増幅してデジタル信号に変換する場合、その処理信号にはイメージセンサに含まれるノイズ、増幅器やAD変換器の内部ノイズなどが存在する。そのノイズの影響を軽減するためには、センサ信号をノイズよりも充分大きくなるように増幅してやればよいが、増幅器のゲインを大きくすると処理速度が遅くなってしまい、イメージセンサから高速で転送されてくるセンサ信号を処理する場合に不利になる。また、AD変換する場合にあっても、大振幅で転送速度のはやいセンサ信号を取り扱うのは、応答速度の点などから実現しににくなっている(高速処理用のAD変換器で取り扱うことのできる入力電圧範囲は低速処理用のものよりも狭くなっている)。このように、イメージセンサから高速で転送されてくるセンサ信号をデジタル信号に変換する場合には、特に低照度領域の出力にあって、高いSN比を得ることが困難になっていることである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
本発明は、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するに際して、低照度領域の出力におけるSN比を向上させるとともに分解能の改善を図って、ノイズの少ない信号に変換することができるように、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性を、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換する手段と、その特性が変換されたセンサ信号をデジタル信号に変換する手段と、その変換されたデジタル信号にもとづいてデータの変換テーブルを用いて各画素のセンサ信号の特性を任意に変換する手段とを設けるようにしている。
【0019】
【実施例】
本発明に係るイメージセンサにあっては、基本的に、前述した図1に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
【0020】
そして、その光センサ回路にあって、撮影に先がけて、対数特性変換用のトランジスタQ1のドレイン電圧VDを所定時間だけ撮影特の定常値よりも低く設定して、フォトダイオードPDの寄生容量Cに蓄積された電荷を排出して初期化するようにしている。
【0021】
図2は、その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。ここで、t1は初期化のタイミングを、t2は光信号検出のタイミングを示している。トランジスタQ1のドレイン電圧VDを定常値(ハイレベルH)から低い電圧(ローレベルL)に切り換える所定時間tmとしては、例えば1画素分の読出し速度が100nsec程度の場合に5μsec程度に設定される。図中、TはフォトダイオードPDの寄生容量Cの蓄積期間を示しており、その蓄積期間TはNTSC信号の場合1/30sec(または1/60sec)程度となる。
【0022】
このようなものにあって、初期化時にMOSトランジスタQ1のドレイン電圧VDがローレベルLに切り換えられると、そのときのゲート電圧VGとドレイン電圧VDとの間の電位差がトランジスタQ1のしきい値よりも大きければトランジスタQ1が低抵抗状態になる。それにより、そのときのソース側の電位がドレイン電圧VDと同じになり(実際にはしきい値分の電位差が残る)、フォトダイオードPDの接合容量Cが放電状態になる。
【0023】
図4は、初期化時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【0024】
そして、tm時間の経過後にそのドレイン電圧VDが定常のハイレベルHに切り換えられて光信号の検出が行われると、ソース側の電位がドレイン電圧VDよりも低くなって、そのときのゲート電圧VGとドレイン電圧VDとの間の電位差がしきい値よりも大きければMOSトランジスタQ1が低抵抗状態になり、フォトダイオードPDの接合容量Cが充電状態になる。
【0025】
図5は、光信号検出時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示している。
【0026】
このように光信号の検出に先がけてフォトダイオードPDの接合容量Cを放電させて初期化したのちにその接合容量Cを充電させるようにすると、その初期化のタイミングから一定の時間経過した時点での出力電圧(フォトダイオードPDの端子電圧)Vpdは入射光Lsの光量に応じた値となる。すなわち、初期化後には入射光Lsの光量の変化に追随した一定の時定数による放電特性が得られるようになる。
【0027】
その際、長時間放置すればドレイン電圧VDからトランジスタQ1を通して供給される電流とフォトダイオードPDを流れる電流とは同じになるが、前に残った電荷がなければ常に同じ放電特性が得られるので残像が生ずることがなくなる。
【0028】
したがって、初期化してから一定の時間を定めて光信号を検出するようにすれば、入射光Lsの光量に応じた残像のないセンサ信号Voを得ることができるようになる。
【0029】
図6はフォトダイオードPDのセンサ電流が1E−10Aから1E−15Aまで急激に変化した場合の電圧信号Vpdの変化特性にあって、初期化してから一定の時間1/30sec経過後に光信号の検出のタイミングを設定したときを示している。
【0030】
図7は、1/30secのタイミングで光信号の読み出しをくり返し行わせたときの電圧信号Vpdの増幅信号の特性を示している。これによれば、1/30secごとに得られる信号特性はフォトダイオードPDへの入射光Lsの光量に応じたセンサ電流に即したものとなり、残像の影響がないことがわかる。
【0031】
図12は、このような光センサ回路を画素単位として、画素をマトリクス状に複数配設して、各画素のセンサ信号の時系列的な読出し走査を行わせるようにしたイメージセンサの具体的な構成例を示している。
【0032】
そのイメージセンサは、その基本的な構成が、例えば、D11〜D44からなる4×4の画素をマトリクス状に配設して、各1ライン分の画素列を画素列選択回路1から順次出力される選択信号LS1〜LS4によって選択し、その選択された画素列における各画素を、画素選択回路2から順次出力される選択信号DS1〜DS4によってスイッチ群3における各対応するスイッチSW1〜SW4が逐次オン状態にされることによって各画素のセンサ信号Voが時系列的に読み出されるようになっている。図中、4は各画素における前記トランジスタQ1のゲート電圧VG用電源であり、6はドレイン電圧VD用電源である。
【0033】
そして、そのイメージセンサにあって、各1ライン分の画素列の選択に際して、その選択された画素列における各画素の前記トランジスタQ1のドレイン電圧VDを所定のタイミングをもって定常時のハイレベルHおよび初期化時のローレベルLに切り換える電圧切換回路5が設けられている。
【0034】
このように構成されたイメージセンサの動作について、図13に示す各部信号のタイムチャートとともに、以下説明をする。
【0035】
まず、画素列選択信号LS1がハイレベルHになると、それに対応するD11,D12,D13,D14からなる第1の画素列が選択される。そして、LS1がハイレベルHになっている一定期間T1のあいだ画素選択信号DS1〜DS4が順次ハイレベルHになって、各画素D11,D12,D13,D14のセンサ信号Voが順次読み出される。
【0036】
次いで、画素列選択信号LS1がローレベルLになった時点で次のLS2がハイレベルHになると、それに対応するD21,D22,D23,D24からなる第2の画素列が選択される。そして、LS2がハイレベルHになっている一定期間T1のあいだ画素選択信号DS1〜DS4が順次ハイレベルHになって、各画素D21,D22,D23,D24のセンサ信号Voが順次読み出される。
【0037】
以下同様に、画素列選択信号LS3およびLS4が連続的にハイレベルHになって各対応する第3および第4の画素列が順次選択され、LS3およびLS4がそれぞれハイレベルHになっている一定期間T1のあいだ画素選択信号DS1〜DS4が順次ハイレベルHになって、各画素D31,D32,D33,D34およびD41,D42,D43,D44のセンサ信号Voが順次読み出される。
【0038】
また、画素列選択信号LS1がT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第1の画素列における各画素D11,D12,D13,D14のドレイン電圧VD1をそれまでのハイレベルHからローレベルLに所定時間T2のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、1サイクル期間T3の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号の読出しにそなえる。
【0039】
次いで、画素列選択信号LS2がT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第2の画素列における各画素D21,D22,D23,D24のドレイン電圧VD1をそれまでのハイレベルHからローレベルLに所定時間T2のあいだ切り換えることによって各画素の初期化が行われ、1サイクル期間T3の径過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号の読出しにそなえる。
【0040】
以下同様に、画素列選択信号LS3およびLS4がそれぞれT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点で、そのとき選択されている第3および第4の画素列にそれぞれ対応するドレイン電圧VD3をローレベルLに切り換えて各画素の初期化が行われ、1サイクル期間T3の径過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信号の読出しにそなえる。
【0041】
なお、ここでは画素列選択信号LSX(X=1〜4)がT1期間後にローレベルLに立ち下がった時点でドレイン電圧VDXをローレベルLに切り換えて初期化を行わせるようにしているが、その初期化のタイミングは画素列選択信号LSXがローレベルL状態にある画素列選択の休止期間T4中にあればよい。
【0042】
本発明は、このような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デジタル化して、データの変換テーブルを用いてセンサ信号の特性を任意に変換するに際して、図14に示すような構成をとるようにしている。
【0043】
それは、イメージセンサ8から時系列的に出力する図3に示すような特性をもった各画素のセンサ信号Voを、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように、折れ線特性をもって変換する信号処理回路9と、その信号処理されたセンサ信号をデジタル信号に変換するAD変換器10と、その変換されたデジタル信号DSにもとづいて、所定の入,出力特性の変換テーブルが設定されているルックアップ用のメモリ17とを用いて、低照度から高照度までの入射光量の全域にわたって完全な対数特性をもった変換出力DS′を得るようにしている。
【0044】
図15は、その構成における各部信号の特性例を示している。同図(a)はイメージセンサ8から出力するセンサ信号Voの特性を、同図(b)は信号処理回路9によって処理されたセンサ信号の特性を、同図(c)はメモリ17による変換出力DS′の特性を示している。ここで、(b)の特性にあって、例えば、低照度の入射光量の少ない領域A1としては図3に示す非対数応答領域WAに相当し、高照度の入射光量の多い領域A2としては図3に示す対数応答領域WBに相当するようにしている。
【0045】
信号処理回路9としては、低照度の入射光量の少ない領域A1ではゲインが大きく、高照度の入射光量の多い領域A2ではゲインが小さくなるような増幅率を可変にできるものを用いる。具体的には、入出力特性の傾斜と折れ点が自由に設定でき、非直線の特性を直線に近似する折れ線回路や、関数発生回路、対数変換回路またはガンマ回路などを用いる。
【0046】
このような構成をとることによって、特に低照度の入射光量の少ない領域A1ではセンサ信号の変化の割合が大きくなるように処理されたセンサ信号をAD変換したデジタル信号DSにもとづいて全域にわたって対数特性となるようにテーブル変換されるため、SN比の改善が図られる。また、図16に示すように、低照度領域におけるデジタル化されたセンサ信号の特性TB″の階調が密になる。したがって、そのデジタル化されたセンサ信号にもとづいて、広いダイナミックレンジをもって、感度良く、ノイズの少ない階調性に優れた画像を再生することができるようになる。
【0047】
また、図14に示すように、各画素のデジタル化されたセンサ信号にもとづいて、出力補正回路12においてデジタル演算処理によってイメージセンサ8における各画素の構造上からくる出力特性のばらつきを補正する場合、イメージセンサ8から出力するセンサ信号Voは信号処理回路9によって処理されているので単純に補正演算をすることができない。例えば、折れ線の曲がり部は滑らかなので演算から求めることは困難である。
【0048】
そのため、ルックアップ用のメモリ17によって逆変換を行わせたうえで、出力補正を行わせるようにしている。その場合、逆変換を演算によって行わせるのではその処理が複雑になるが、メモリ17を用いたテーブル変換によればその処理を容易にかつ迅速に行わせることができるようになる。
【0049】
図18は、3つの画素の構成上からくる各センサ信号A,B,Cの出力特性のバラツキ状態の一例を示している。ここで、画素出力のしきい値Hに応じたセンサ電流の値Imは各画素のセンサ信号信号A,B,Cが非対数応答領域WAから対数応答領域WBに切り換わる点を示している。また、Ioは暗時のセンサ電流を示している。
【0050】
ここでは、このような非対数応答領域WAにおける各画素のセンサ信号の出力特性の形状がほぼ同一で、対数応答領域WBにおける各画素のセンサ信号の出力特性の傾きがそれぞれ異なるときのイメージセンサの出力補正を行わせる場合を示している。各画素のパラメータとして、それぞれの各センサ信号が非対数応答領域WAから対数応答領域WBに切り換わる点の情報と、暗時の画素出力とを用いている。
【0051】
図17は、図18に示すセンサ信号の出力特性のばらつきを補正するための出力補正回路12における処理のフローを示している。
【0052】
メモリ11には、センサ電流がImの値のときに画素出力がHとなるようなオフセット補正値OFSが設定されている。そして、オフセット補正部121において、そのオフセット補正値OFSを用いた加減算処理をなすことによって各画素のデジタル信号に変換されたセンサ信号DSのオフセット補正を行わせると、図19に示すように、各画素のセンサ信号A,B,Cにおける非対数応答領域WAの特性が一致するようになる。
【0053】
次に、そのオフセット補正されたセンサ信号DS1にもとづき、ゲイン補正部122において、しきい値H以上の対数応答領域WBに対してゲイン補正のための乗算処理を行う。
【0054】
具体的には、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値H以上であるか否かを判断して、しきい値H以上であれば、すなわちセンサ信号DS1が対数応答領域WBにあれば、メモリ10から読み出されたゲイン補正のための所定の乗数MLTを用いて、
出力←H+(センサ信号DS1−H)×乗数
なる演算を行って、その演算結果を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0055】
このような各画素のセンサ信号A,B,Cのゲイン補正が行われた結果、図20に示すように、対数応答領域WBの特性が一致するようになる。
【0056】
また、その際、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値Hよりも小さければ、すなわちセンサ信号DS1が非対数応答領域WAにあれば、そのままオフセット補正されたセンサ信号DS1を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0057】
図22は、3つの画素の構成上からくる各センサ信号A,B,Cの出力特性のバラツキ状態の他の例を示している。
【0058】
ここでは、このような対数応答領域WBにおける各センサ信号の出力特性の傾きがほぼ同一で、非対数応答領域WAにおける各センサ信号の出力特性の形状がそれぞれ異なるときにイメージセンサの出力補正を行わせる場合を示している。
【0059】
図21は、図22に示すセンサ信号の出力特性のばらつきを補正するための出力補正回路12における処理のフローを示している。
【0060】
メモリ11には、センサ電流がImの値のときに画素出力がHとなるようなオフセット補正値OFSが設定されている。そして、オフセット補正部121において、そのオフセット補正値OFSを用いた加減算処理をなすことによって各画素のデジタル信号に変換されたセンサ信号DSのオフセット補正を行わせると、図22に示すように、各画素のセンサ信号A,B,Cにおける対数応答領域WBの特性が一致するようになる。
【0061】
次に、そのオフセット補正されたセンサ信号DS1にもとづき、ゲイン補正部112において、しきい値H以下の非対数応答領域WAに対してゲイン補正のための乗算処理を行う。
【0062】
具体的には、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値H以下であるか否かを判断して、しきい値H以下であれば、すなわちセンサ信号DS1が非対数応答領域WAにあれば、メモリ10から読み出されたゲイン補正のための所定の乗数MLTを用いて、
出力←H−(H−センサ信号DS1)×乗数
なる演算を行って、その演算結果を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0063】
このような各画素のセンサ信号A,B,Cのゲイン補正が行われた結果、図24に示すように、非対数応答領域WAの特性が一致するようになる。
【0064】
また、その際、オフセット補正されたセンサ信号DS1がしきい値Hよりも大きければ、すなわちセンサ信号DS1が対数応答領域WBにあれば、そのままオフセット補正されたセンサ信号DS1を出力補正されたセンサ信号DS2として出力する。
【0065】
図26は、イメージセンサ8における各画素の構成上からくるセンサ信号A,B,Cの出力特性のバラツキ状態のさらに他の例を示している。
【0066】
ここでは、対数応答領域WBにおける各センサ信号A,B,Cの出力特性の傾きがそれぞれ異なるとともに、非対数応答領域WAにおける各センサ信号A,B,Cの出力特性の形状がそれぞれ異なる場合を示している。
【0067】
このような場合には、図25の出力補正回路12における処理のフローに示すように、前述した図17および図21に示す各処理を組み合せて行わせることによって、各センサ信号A,B,Cのオフセット補正およびゲイン補正が逐次なされて最終的に非対数応答領域WAおよび対数応答領域WBの特性が一致したセンサ信号DS2′が得られるようになる。
【0068】
また、図14に示す構成にあって、信号処理回路9がアナログ系であるために温度特性および構成部品のばらつきによる影響が否めず、その処理信号にもとづいて一律に変換テーブルが設定されたメモリ17によって入,出力特性の変換を行わせるのでは、その変換出力DS′に誤差が含まれてしまう。
【0069】
そのため、本発明では、図27に示すように、予め信号処理回路9の入力側に設けられたスイッチSWをb接点側に切り換えて、基準信号発生回路13からの基準信号を信号処理回路9に与えて所定の処理を行わせることにより、実際にその基準信号がどのような折れ線特性に処理されたかをみて、信号処理回路9の動作状態を把握するようにしている。
【0070】
図28は、基準信号発生回路13から生ずる基準信号として、例えば同図(a)に示すように直線状に変化する信号を用いて、それが信号処理回路9において同図(b)に示すように折れ線特性になるように処理された状態の一例を示している。
【0071】
そして、本発明では、図29に示すように、信号処理回路9に基準信号を与えたときの処理結果に即するように、メモリ17における逆変換のためのテーブルを作成するようにしている。
【0072】
ここでは、信号処理回路9の入力側に設けられたスイッチSWをb接点側に切り換えて基準信号発生回路13からの基準信号を信号処理回路9に与えたときのAD変換器10の出力データをテーブル作成回路14が読み込んで、信号処理回路9で処理された折れ線特性のデータにもとづいて、その折れ線特性の逆変換の特性のデータを作成してメモリ17に登録するようにしている。
【0073】
具体的には、AD変換器10の出力データをアドレスに設定し、そのアドレスに対応してメモリ17にAD変換器10の出力データを記録することで逆変換のテーブルを作成することができる。
【0074】
図30は、同図(a)に示すような信号処理回路9の出力特性に応じて、テーブル作成回路14からメモリ17に与えられる逆変換データの特性を同図(b)に示している。
【0075】
したがって、このようなテーブル作成手段をとることによって、信号処理回路9における温度特性および構成部品のばらつきによる影響を受けることなく、メモリ17における入,出力特性の変換を適切に行わせることができるようになる。
【0076】
また、実際にテーブルを作成するに際して、作成データが離散する場合があり、そのためテーブル作成回路14では作成データの離散の有無を監視して、離散している場合にはデータ補間を行わせるようにしている。
【0077】
具体的には、作成データの注目アドレスのn番目のデータと次アドレスのn+1番目のデータとを比較してその次アドレスのデータの増分を求めて、その増分が予め設定したしきい値以上を越えたときに、補間法によって補間値を求めてn番目とn+1番目との間にデータ補間を行わせるようにする。その補間法は一般的なものが用いられる。
【0078】
なお、このデータ補間の代わりに、作成データが離散することがないように、AD変換器10の分解能を高めるようにしてもよい。
【0079】
【発明の効果】
以上、本発明によるイメージセンサにあっては、各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性をデジタル処理によって任意の特性に変換して出力するに際して、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換して、その変換されたセンサ信号をデジタル化してデータの変換テーブルによって各画素のセンサ信号の特性を任意に変換するようにしているので、低照度領域におけるセンサ信号のSN比を向上させるとともにデジタル分解能を改善させることができるという利点を有している。したがって、入,出力特性の変換テーブルを用いて任意の出力特性をもったセンサ信号に変換する場合に、ノイズが強調されることがなく、階調が密な画質の良いデジタル画像を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るイメージセンサに用いられる1画素分の光センサ回路を示す電気回路図である。
【図2】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】光センサ回路の初期化を行わせたときの照度に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
【図4】光センサ回路の初期化時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
【図5】光センサ回路の光信号検出時におけるトランジスタQ1の電荷qの流れによる動作状態を模擬的に示す図である。
【図6】光センサ回路におけるフォトダイオードPDのセンサ電流が変化したときの各電圧信号Vpdの変化特性を示す図である。
【図7】光センサ回路において所定のタイミングで光信号の読み出しをくり返し行わせたときの電圧信号Vpdの増幅信号の特性を示す図である。
【図8】初期化を行わないときの光センサ回路における入射光量が少ないときに所定のタイミングで読み出される画信号の出力特性を示す図である。
【図9】従来のイメージセンサから出力するセンサ信号をAD変換して、メモリテーブルを用いて入出力特性変換の処理を行わせるための構成を示すブロック図である。
【図10】従来のイメージセンサにおけるセンサ信号の特性を完全対数特性になるように入出力特性の変換を行ったときの照度に対するセンサ信号の特性を示す図である。
【図11】従来のイメージセンサにおけるセンサ信号の特性を完全対数特性になるように入出力特性の変換を行ったときの低照度領域におけるセンサ信号の特性およびデジタル的に変換されるセンサ信号の階調を示す特性図である。
【図12】本発明に係るイメージセンサの具体的な構成例を示すブロック図である。
【図13】図12に示す構成におけるイメージセンサの各部信号のタイムチャートである。
【図14】本発明によるイメージセンサの一実施例を示すブロック構成図である。
【図15】その一実施例において処理される各部信号の変化状態を示す図である。
【図16】本発明によってイメージセンサにおけるセンサ信号の特性を完全対数特性になるように入出力特性の変換を行ったときの低照度領域におけるセンサ信号の特性およびデジタル的に変換されるセンサ信号の階調を示す特性図である。
【図17】図14の構成における出力補正回路における処理のフローの一例を示す図である。
【図18】イメージセンサにおける各画素の構成上からくるセンサ信号の出力特性のバラツキ状態の一例を示す特性図である。
【図19】図18に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正した結果を示す特性図である。
【図20】図18に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正およびゲイン補正した結果を示す特性図である。
【図21】図14の構成における出力補正回路における処理のフローの他の例を示す図である。
【図22】イメージセンサにおける各画素の構成上からくるセンサ信号の出力特性のバラツキ状態の他の例を示す特性図である。
【図23】図22に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正した結果を示す特性図である。
【図24】図22に示す出力特性のバラツキをもった各画素のセンサ信号をオフセット補正およびゲイン補正した結果を示す特性図である。
【図25】図14の構成における出力補正回路における処理のフローのさらに他の例を示す図である。
【図26】イメージセンサにおける各画素の構成上からくるセンサ信号の出力特性のバラツキ状態のさらに他の例を示す特性図である。
【図27】本発明によるイメージセンサの他の実施例を示すブロック構成図である。
【図28】その他の実施例において基準信号発生回路からの基準信号が信号処理回路において折れ線特性になるように処理された状態の一例を示す図である。
【図29】本発明によるイメージセンサのさらに他の実施例を示すブロック構成図である。
【図30】そのさらに他の実施例において信号処理回路の出力特性に応じてテーブル作成回路において作成される逆変換データの特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
8 イメージセンサ
9 信号処理回路
10 AD変換器
12 出力補正回路
13 基準信号発生回路
14 テーブル作成回路
17 入,出力特性変換用のメモリ
Claims (6)
- 各画素における入射光量に応じた光電変換素子における光検知状態に応じたセンサ信号の特性を、低照度の入射光量の少ない領域ではセンサ信号の変化の割合が大きく、高照度の入射光量の多い領域ではセンサ信号の変化の割合が小さくなるように変換する手段と、その特性が変換されたセンサ信号をデジタル信号に変換する手段と、その変換されたデジタル信号にもとづいてデータの変換テーブルを用いて各画素のセンサ信号の特性を任意に変換する手段とを設けたことを特徴とするイメージセンサ。
- 予めセンサ信号の特性を変換する手段にセンサ信号の代わりに基準信号を与えてその特性変換を行わせ、その特性が変換された信号にもとづいてデータの変換テーブルを作成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。
- 変換テーブルによって逐次変換されるアドレスのデータと次アドレスのデータとの増分を求めて、その増分が所定値を越えたときにデータ補間を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シセンサ。
- 各画素が、撮影時の入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流をトランジスタの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に変換して、その変換された電圧信号に応じたセンサ信号を出力するものである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。
- 撮影に先がけて、各画素の光電変換素子の寄生容量に過剰電荷を注入させて初期化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。
- データの変換テーブルを用いて、初期化した各画素のセンサ信号の特性が低照度から高照度に応じた入射光量の全領域にわたって対数特性となるように変換するようにしたことを特徴とする請求項5の記載によるイメージセンサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003068877A JP2004242264A (ja) | 2003-02-06 | 2003-02-06 | イメージセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003068877A JP2004242264A (ja) | 2003-02-06 | 2003-02-06 | イメージセンサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004242264A true JP2004242264A (ja) | 2004-08-26 |
Family
ID=32959348
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003068877A Pending JP2004242264A (ja) | 2003-02-06 | 2003-02-06 | イメージセンサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004242264A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006098374A1 (ja) * | 2005-03-15 | 2006-09-21 | Omron Corporation | 撮像装置、信号処理装置及び信号処理方法 |
JP2006295231A (ja) * | 2005-04-05 | 2006-10-26 | Hamamatsu Photonics Kk | 固体撮像装置 |
-
2003
- 2003-02-06 JP JP2003068877A patent/JP2004242264A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006098374A1 (ja) * | 2005-03-15 | 2006-09-21 | Omron Corporation | 撮像装置、信号処理装置及び信号処理方法 |
JP2006295231A (ja) * | 2005-04-05 | 2006-10-26 | Hamamatsu Photonics Kk | 固体撮像装置 |
JP4503481B2 (ja) * | 2005-04-05 | 2010-07-14 | 浜松ホトニクス株式会社 | 固体撮像装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7616146B2 (en) | A/D conversion circuit, control method thereof, solid-state imaging device, and imaging apparatus | |
CA2428996C (en) | Output-compensating device for image sensor | |
JP2004363666A (ja) | 広ダイナミックレンジイメージセンサ | |
JP2004297546A (ja) | 撮像装置 | |
KR100423349B1 (ko) | 이미지 센서 | |
US7667760B2 (en) | Image sensor output correction device | |
JP3882129B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP2004229257A (ja) | イメージセンサ | |
JP2004242264A (ja) | イメージセンサ | |
JP3861244B2 (ja) | 画像処理装置 | |
JP3963008B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP2005039447A (ja) | 撮像装置 | |
JP4616527B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
Sasaki et al. | A wide dynamic range CMOS image sensor with multiple short-time exposures | |
JP3975396B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP4432017B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP4658388B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP4026127B2 (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP2002312781A (ja) | 画像処理装置 | |
JP2003324657A (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JPH09181977A (ja) | 固体撮像装置 | |
JP2005020681A (ja) | イメージセンサの出力補正装置 | |
JP2004120724A (ja) | イメージセンサ | |
JP3861239B2 (ja) | イメージセンサ | |
JP2002185855A (ja) | イメージセンサ |