JP3882129B2 - イメージセンサの出力補正装置 - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、ＭＯＳ型イメージセンサにおける各画素の出力のバラツキを補正するイメージセンサの出力補正装置に関する。
背景技術
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、第１図に示すように、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、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（特開２０００−３２９６１６号公報参照）。
このような光センサ回路にあっては、第３図に示すように、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。
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、第４図に示すように、各画素の構造上からくる出力特性のバラツキを生じてしまい、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に流れる暗電流に応じた暗時のセンサ電流を示している。
そのため、従来では、以下の方法によって各画素の出力特性のバラツキを補正するようにしている。
まず、入射光をしゃ断した暗時の状態で、各画素の暗時（Ｉｏ）の出力が一致するようにオフセット補正を行わせる。次いで、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揃うようにゲイン補正を行わせる。あるいはまた、これとは逆の手順で各画素の出力特性のバラツキを補正するようにしている。
しかし、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補正するに際して、イメージセンサに対して光をしゃ断したり入射したりしながら各画素の暗時および明時の各出力レベルが揃うようにオフセット補正およびゲイン補正を行わせるのでは、光源による照度ムラによって各画素に均一な光を頻繁に切り換えながら入射させることが困難で、各画素の出力特性のバラツキを精度良く補正できないという問題がある。
また、多数のイメージセンサの出力補正を同時に行わせるようにするには、光源を多数用意する必要があり、設備の増大を招く要因になっている。
さらに、イメージセンサの出力補正を行っても、その後次第に各画素の経時変化の違いによって出力にバラツキを生じてしまい、適時イメージセンサに対して光をしゃ断したり、入射したりしながら各画素の暗時および明時の各出力レベルが揃うようにオフセット補正およびゲイン補正を行わせなければならないものになっている。
また、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、各画素の構成上からくる出力特性のバラツキおよび温度特性のバラツキに起因して、各センサ信号Ｖｏの出力特性が不揃いなものになっており、そのままでは撮影時に暗時および明時の出力が得られない。
そのため、製造時の最終段階または出荷時などに、予め画素のバラツキ状態に応じたオフセット補正値およびゲイン補正のための乗数がテーブル設定されたメモリを用いて、実際に各画素から出力されるセンサ信号のバラツキに応じたオフセット補正値およびゲイン補正のための乗数をメモリから読み出して、演算処理によってそのセンサ信号のオフセット補正およびゲイン補正を行わせることにより、各画素の出力特性を適正に揃えるようにしている（特願２０００−４０４９３１号、特願２０００−４０４９３３号、特願２００１−７５０３５号および特願２００１−７５０３６号参照）。
しかし、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによ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に用いたイメージセンサにあっては、使用に先がけて各画素の出力信号のバラツキが補正されて出力特性が適正に揃えられていても、その後に使用しているうちに各画素の出力レベルが不均一に変動して撮影画像の品質が低下してしまうという問題がある。
発明の開示
本発明は、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、実際に光を入射させることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようにしている。そのため、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
また、本発明は、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、実際に光を入射させることなく、暗時および明時の各出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようにしている。そのため、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値に設定したときの第１のセンサ信号と、そのトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときの第２のセンサ信号とを用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
また、本発明は、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、そのトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときのセンサ信号を用いて各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、実際に光をしゃ断したり入射したりすることなく、暗時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力のバラツキを補正することができるようにしている。
そのための第１の具体的手段として、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるようにしている。
そして、そのための第２の具体的手段として、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にして、そのトランジスタのドレイン電圧が定常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにしている。
また、本発明は、各画素の出力のバラツキをより適確に補正できるようにするべく、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定状態でトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
また、本発明は、各画素の出力のバラツキをより適確に補正できるようにするべく、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定電圧でトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を前記設定値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにしている。
また、本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによ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に用いたイメージセンサにあって、使用しているうちに各画素の出力レベルが変動した場合に、そのときの各画素におけるセンサ信号の出力状態に即して変動分をわり出して、明時（出力が飽和状態になる高輝度光入射時）の出力レベルを基準としてその変動分のオフセット補正をなすようにしている。
具体的には、各画素から時系列的に読み出される通常時のセンサ信号を一時保持するサンプルアンドホールド回路と、対応する画素における前記トランジスタのドレイン電圧を一時的に通常時の電圧値よりもしきい値分下げて疑似明時出力信号を得る手段と、その得られた疑似明時出力信号と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号との差分を求めて、その求められた差分をオフセット値として、予め設定された明時の基準信号のオフセット補正を行う手段とを設けて、各画素におけるセンサ信号の出力レベルを適正に揃えるようにしている。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係るイメージセンサは、基本的に、前述した第１図に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
その光センサ回路としては、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ている。
その場合、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧの値が、そのドレイン電圧ＶＤ以下となるように設定される。
その光センサ回路では、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。
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に流れるセンサ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。
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５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５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。
このような光センサ回路にあって、センサ信号Ｖｏの読出しに先がけて、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量に応じた電圧信号が得られるようにして、入射光Ｌｓの光量が少ない場合でも残像を生ずることがないようにしている。
第２図は、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。
このようなものにあって、初期化時にトランジスタ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（ｎ−ＭＯＳトランジスタではソース電圧＝ドレイン電圧となる）、フォトダイオードＰＤの接合容量Ｃが放電状態になる。
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に充電が開始される。
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寄生容量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。
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。
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。
第６図は、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一構成例を示している。
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。
そして、このような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。
このように構成された本発明によるイメージセンサの動作について、第７図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。
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１１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。
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。
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。
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。
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。
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。
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中であればよい。
以上のような各部信号の発生のタイミングは、図示しないＥＣＵの制御下で画素列選択回路１、画素選択回路２および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって決定されるようになっている。
このように、各画素のセンサ信号の読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることによって、イメージセンサ全体としての蓄積時間の過不足を低減できるようになる。
そして、残像がなく、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったイメージセンサが実現できるようになる。
本発明では、以上のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、入射光Ｌｓをしゃ断した状態で、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値ＶＧａ，ＶＤａよりも低い値ＶＧｂ，ＶＤｂに切り換えたときのセンサ出力Ｂを撮影時における明時のセンサ信号に対応させて、各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに光を入射させることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
また、本発明は、前述のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、入射光Ｌｓをしゃ断した状態で、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値ＶＧａ，ＶＤａに設定したときに得られるセンサ出力Ａと、そのトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値ＶＧｂ，ＶＤｂに切り換えたときに得られるセンサ出力Ｂとを用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、センサ出力Ａを撮影時における暗時のセンサ信号に対応させて各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるるとともに、センサ出力Ｂを撮影時における明時のセンサ信号に対応させて各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに光を入射させることなく、暗時および明時の各出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
この場合、ＶＧａ≦ＶＤａのときセンサ出力Ａとなり、ＶＧｂ≦ＶＤｂのときセンサ出力Ｂとなる。また、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値に切り換える範囲が、零から定常値よりもそのトランジスタＱ１のスレッショルド電圧Ｖｔｈ分低い値までに設定される。すなわち、ＶＧｂ→０〜（ＶＧａ−Ｖｔｈ）、ＶＤｂ→０〜（ＶＤａ−Ｖｔｈ）の関係となる。
ＶＧａ，ＶＧｂの切り換えは、第６図に示すイメージセンサの構成にあって、ＶＧ用電源４の電源電圧の切り換えを行わせることができるように設けられた電圧切換回路７において、ＥＣＵの制御下において行われることになる。また、ＶＤａ，ＶＤｂの切り換えは、ＶＤ用電源６の電源電圧の切り換えを行わせることができるように設けられた電圧切換回路５において、ＥＣＵの制御下において行われることになる。
このように、本発明によれば、実際にイメージセンサに光を入射させることなく各画素の出力特性のバラツキを補正するようにしているので、イメージセンサに対して光をしゃ断したり入射したりしながら各画素の暗時および明時の各センサ信号を得て各画素の出力特性のバラツキを補正する場合に、各画素に均一な光を頻繁に切り換えながら入射させることができないという光源による照度ムラの問題を全く生ずることなく、各画素の出力特性のバラツキを精度良く補正することができるようになる。
そして、出荷時のみならず、経時変化による各画素の出力特性のバラツキの補正をも、光源を用いることなく、随時に行わせることができるようになる。
また、本発明によれば、多数のイメージセンサの出力補正を同時に行わせる場合に、光源を多数用意して設備の増大を招くようなことがなくなる。
また、本発明では、前述のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに入射する光をいちいちしゃ断させることなく、光が入射した状態のままでも暗時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
いま、第１図に示す光センサ回路にあって、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧが撮影時の定常値よりも高い値に切り換えられて導通状態になると、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが次段の増幅用のトランジスタＱ２のゲートに直接印加されて、トランジスタＱ１のスレッショルド電圧のバラツキがキャンセルされる。そして、そのときのセンサ出力は暗時の出力に相当することになる。
その際、対数特性変換用のトランジスタＱ１が導通状態になって、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが次段の増幅用のトランジスタＱ２のゲートに直接印加されたときのセンサ出力が暗時の出力に相当すると擬制する場合、以下のような問題が生ずる。
すなわち、それはトランジスタＱ１やフォトダイオードＰＤが理想の特性をもっている場合を想定しており、実際には、フォトダイオードＰＤには光が入射していなくても暗電流が流れており、第１９図に示すように、トランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力は実際の暗時の出力と異なってしまう。図中、ａは理想時の暗時出力を、ｂは実際の暗時出力を示している。
また、その暗時出力の違いは、第２０図に示すように、残像を抑制するべく、センサ信号Ｖｏの読出しに先がけて、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して初期化を行わせた場合には、さらにその違いが大きくなってしまう。図中、ｃは初期化による残像抑制時における暗時出力を示している。
そのため、特に本発明では、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときに、適正な暗時出力に相当するセンサ出力が得られるように、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを可変に調整するようにしている。
具体的には、出力補正する前の段階における実際の暗時のセンサ出力の値を記憶しておき、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値になるように、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを設定する。その際、トランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値とほぼ同じになるようにしても、また出力補正をくり返して行なわせる場合には各補正時に記憶した値の平均値と同じになるようにしてもよい。そして、以後出力補正を行わせる際に、その設定状態でトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキのオフセット補正を行わせるようにする。
このときのセンサ出力にもとづいてオフセット補正値をわり出せば、初期値の揃った暗時の出力補正を行わせることができるようになる。また、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを変化させるということは、次段の増幅用のトランジスタＱ２に対する動作点を合せることにもなる。
暗時の出力補正に際して、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換える手段、また、出力補正する前の段階における実際の暗時のセンサ出力の値を記憶しておき、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値になるようにトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを設定する手段としては、第６図に示すイメージセンサの構成にあって、図示しないＥＣＵの制御下で、ＶＧ用電源４およびＶＤ読電源６の電源電圧の切り換えを行わせることができるように設けられた電圧切換回路７および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって実行される。
また、本発明では、前述のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にして、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが定常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに入射する光をしゃ断させることなく、光が入射した状態のままで暗時および明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
具体的には、出力補正する前の段階における実際の暗時のセンサ出力の値を記憶しておき、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値になるように、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを設定する。その際、トランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値とほぼ同じになるようにしても、また出力補正をくり返して行なわせる場合には各補正時に記憶した値の平均値と同じになるようにしてもよい。そして、以後出力補正を行わせる際に、そのドレイン電圧ＶＤの設定状態でトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキのオフセット補正を行わせるようにする。
また、本発明では、以上のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素における光が入射している明時のセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、トランジスタＱ１を導通状態にして、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが定常値（または前記設定値）よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を撮影時における明時のセンサ信号に対応させて、各画素における明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサにおける光の入射状態の如何にかかわらず、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
明時の出力補正に際して、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換える手段およびそのドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値に切り換える手段としては、第６図に示すイメージセンサの構成にあって、図示しないＥＣＵの制御下で電圧切換回路５，７を駆動することによって行われる。
第８図は、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補正するための具体的な構成を示している。
それは、イメージセンサ８および各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すための駆動制御を行うＥＣＵ９と、イメージセンサ８から時系列的に出力する各画素のセンサ信号Ｖｏをデジタル信号に変換するＡＤ変換器１０と、予め各画素の特性に応じたオフセット補正値ＯＦＳおよびゲイン補正のための乗数ＭＬＴが設定されており、ＥＣＵ９から与えられるセンサ信号読出し時における画素のアドレス（Ｘ，Ｙ）の信号ＡＤＤＲＥＳＳに応じて所定のオフセット補正値ＯＦＳおよび乗数ＭＬＴを読み出すメモリ１１と、そのメモリ１１から読み出されたオフセット補正値ＯＦＳおよび乗数ＭＬＴにもとづいてデジタル信号に変換されたセンサ信号ＤＳのオフセット補正およびゲイン補正の各演算処理を行う出力補正回路１２とによって構成されている。
イメージセンサ８から時系列的に出力する各画素のセンサ信号Ｖｏとしては、前述したように、イメージセンサ８への入射光をしゃ断した状態でのＶＧａ，ＶＤａのときの各画素のセンサ出力ＡおよびＶＧｂ，ＶＤｂのときのセンサ出力Ｂが採用される。
第１０図は、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。
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。
第９図は、出力補正回路１２における処理のフローを示している。
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、第１１図に示すように、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。
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。
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。
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、第１２図に示すように、対数応答領域ＷＢの特性が一致するようになる。
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。
第１４図は、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。
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。
第１３図は、出力補正回路１２における処理のフローを示している。
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、第１５図に示すように、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。
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。
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。
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、第１６図に示すように、非対数応答領域ＷＡの特性が一致するようになる。
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。
第１８図は、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。
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。
このような場合には、第１７図の出力補正回路１２における処理のフローに示すように、前述した第９図および第１３図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ＷＢＡの特性が一致したセンサ信号ＤＳ２′が得られるようになる。
また、本発明は、第２１図に示すイメージセンサから時系列的に読み出される各画素のセンサ信号Ｖｏの出力レベルの変動分のオフセット補正を随時行わせることができるようにしている。
第２２図は、その場合におけ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。
ここでは、イメージセンサ７から時系列的に読み出される通常のセンサ信号Ｖｏを一時保持するサンプルアンドホールド回路８と、対応する画素におけるトランジスタＱ１ドレイン電圧ＶＤを一時的に定常値（ハイレベル）よりもしきい値Ｖｔｈ分下げることによって得られる疑似明時出力信号Ｖｏ（ｈ）と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号Ｖｏとの差分ΔＶ＝｛Ｖｏ（ｈ）−Ｖｏ｝を求める演算回路９と、その求められた差分ΔＶをオフセット値として、予め設定された明時出力に相当する基準信号Ｖｓから減じてオフセット補正を行う演算回路１０とによって構成されている。そして、図示しないＥＣＵの制御下において、所定のタイミングをもって各部が動作するようになっている。
第２３図は、このように構成されたイメージセンサの出力補正装置における各部信号のタイムチャートを示している。
いま、ｔ１のタイミングで画素選択信号ＤＳｘがハイレベルＨになって対応する画素のセンサ信号Ｖｏが読み出されると、そのｔ１時点で同時にハイレベルＨのサンプルアンドホールド信号Ｓ／Ｈが出されて、その信号の立下りのｔ２のタイミングでセンサ信号Ｖｏがサンプルアンドホールド回路８に保持される。
そして、ｔ３のタイミングで対応する画素におけるトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤがＴ期間のあいだハイレベルの定常値Ｖｈからしきい値Ｖｔｈ分下げられた電圧値（Ｖｈ−Ｖｔｈ）に切り換えられる。それによって、疑似明時出力信号Ｖｏ（ｈ）が得られる。
このとき得られる疑似明時出力信号Ｖｏ（ｈ）が演算回路９に与えられ、先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号Ｖｏとの差分ΔＶによるオフセット値が求められて、演算回路１０において予め設定された明時出力に相当する基準信号Ｖｓのオフセット補正が行われ、ｔ４のタイミングでそのオフセット補正されたセンサ信号Ｖｏ′が出力する。
なお、このようなイメージセンサ７から時系列的に読み出されるセンサ信号Ｖｏのオフセット補正は、それが常時行われる。あるいはまた、ＥＣＵの制御下で定期的に、または外部からの操作指令によって任意に行わせるようにすることも可能である。その場合には、一定期間または次の操作指令が与えられるまでのあいだ、オフセット補正値をメモリに逐次記憶しておく必要がある。
産業上の利用の可能性
本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしているので、実際に光を入射させることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを容易に補正することができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値に設定したときの第１のセンサ信号と、そのトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときの第２のセンサ信号とを用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしているので、実際に光を入射させることなく、暗時および明時の各出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを容易に補正することができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、そのトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときのセンサ信号を用いて各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、暗時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の暗時出力のバラツキのオフセット補正を容易に行わせることができるようになる。
また、本発明は、そのイメージセンサにあって、対数特性変換用のトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定状態でトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、各画素の暗時出力のバラツキをより適確に補正することができるようになる。
さらに、本発明は、そのイメージセンサにあって、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、対数特性変換用のトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、光源を何ら用いることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の暗時出力のバラツキのゲイン補正を容易に行わせることができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、そのトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にして、そのトランジスタのドレイン電圧が正常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせる手段を設けるようにしているので、暗時および明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力のバラツキの補正を容易に行わせることができるようになる。
また、本発明は、そのイメージセンサにあって、対数特性変換用のトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定電圧でトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせる手段を設けるようにしているので、各画素の出力のバラツキをより適確に補正することができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによ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に用いたイメージセンサにあって、各画素から時系列的に読み出される通常時のセンサ信号をサンプルアンドホールドするとともに、対応する画素における前記トランジスタのドレイン電圧を一時的に通常時の電圧値よりもしきい値分下げて疑似明時出力信号を得て、その得られた疑似明時出力信号と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号との差分をオフセット値として、予め設定された明時の基準信号のオフセット補正を行うようにしているので、各画素におけるセンサ信号の出力レベルを適正に揃えることができ、常に品質の良い撮像画像を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によ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。
第２図は、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。
第３図は、その光センサ回路のフォトダイオードに流れるセンサ電流に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
第４図は、その光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにおける各画素の出力特性のバラツキ状態の一例を示す図である。
第５図は、初期化を行わない場合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センサ信号の出力特性を示す図である。
第６図は、本発明に係るイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
第７図は、そのイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
第８図は、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。
第９図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によ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。
第１０図は、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。
第１１図は、第１０図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。
第１２図は、第１０図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。
第１３図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によ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。
第１４図は、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。
第１５図は、第１４図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。
第１６図は、第１４図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。
第１７図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によ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。
第１８図は、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。
第１９図は、光センサ回路における対数特性変換用のトランジスタを導通状態にしたときのセンサ出力と、実際の暗時のセンサ出力との違いを示す特性図である。
第２０図は、光センサ回路における対数特性変換用のトランジスタを導通状態にしたときのセンサ出力と、残像抑制のための初期化を行わせたときの実際の暗時のセンサ出力との違いを示す特性図である。
第２１図は、本発明によるイメージセンサの基本的な一構成例を示すブロック構成図である。
第２２図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置の一実施例を示すブロック構成図である。
第２３図は、そのイメージセンサの出力補正装置における各部信号のタイミングチャートである。
本発明は、ＭＯＳ型イメージセンサにおける各画素の出力のバラツキを補正するイメージセンサの出力補正装置に関する。
背景技術
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、第１図に示すように、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、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（特開２０００−３２９６１６号公報参照）。
このような光センサ回路にあっては、第３図に示すように、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。
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、第４図に示すように、各画素の構造上からくる出力特性のバラツキを生じてしまい、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に流れる暗電流に応じた暗時のセンサ電流を示している。
そのため、従来では、以下の方法によって各画素の出力特性のバラツキを補正するようにしている。
まず、入射光をしゃ断した暗時の状態で、各画素の暗時（Ｉｏ）の出力が一致するようにオフセット補正を行わせる。次いで、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揃うようにゲイン補正を行わせる。あるいはまた、これとは逆の手順で各画素の出力特性のバラツキを補正するようにしている。
しかし、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補正するに際して、イメージセンサに対して光をしゃ断したり入射したりしながら各画素の暗時および明時の各出力レベルが揃うようにオフセット補正およびゲイン補正を行わせるのでは、光源による照度ムラによって各画素に均一な光を頻繁に切り換えながら入射させることが困難で、各画素の出力特性のバラツキを精度良く補正できないという問題がある。
また、多数のイメージセンサの出力補正を同時に行わせるようにするには、光源を多数用意する必要があり、設備の増大を招く要因になっている。
さらに、イメージセンサの出力補正を行っても、その後次第に各画素の経時変化の違いによって出力にバラツキを生じてしまい、適時イメージセンサに対して光をしゃ断したり、入射したりしながら各画素の暗時および明時の各出力レベルが揃うようにオフセット補正およびゲイン補正を行わせなければならないものになっている。
また、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、各画素の構成上からくる出力特性のバラツキおよび温度特性のバラツキに起因して、各センサ信号Ｖｏの出力特性が不揃いなものになっており、そのままでは撮影時に暗時および明時の出力が得られない。
そのため、製造時の最終段階または出荷時などに、予め画素のバラツキ状態に応じたオフセット補正値およびゲイン補正のための乗数がテーブル設定されたメモリを用いて、実際に各画素から出力されるセンサ信号のバラツキに応じたオフセット補正値およびゲイン補正のための乗数をメモリから読み出して、演算処理によってそのセンサ信号のオフセット補正およびゲイン補正を行わせることにより、各画素の出力特性を適正に揃えるようにしている（特願２０００−４０４９３１号、特願２０００−４０４９３３号、特願２００１−７５０３５号および特願２００１−７５０３６号参照）。
しかし、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによ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に用いたイメージセンサにあっては、使用に先がけて各画素の出力信号のバラツキが補正されて出力特性が適正に揃えられていても、その後に使用しているうちに各画素の出力レベルが不均一に変動して撮影画像の品質が低下してしまうという問題がある。
発明の開示
本発明は、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、実際に光を入射させることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようにしている。そのため、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
また、本発明は、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、実際に光を入射させることなく、暗時および明時の各出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようにしている。そのため、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値に設定したときの第１のセンサ信号と、そのトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときの第２のセンサ信号とを用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
また、本発明は、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、そのトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときのセンサ信号を用いて各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、実際に光をしゃ断したり入射したりすることなく、暗時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力のバラツキを補正することができるようにしている。
そのための第１の具体的手段として、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるようにしている。
そして、そのための第２の具体的手段として、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にして、そのトランジスタのドレイン電圧が定常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにしている。
また、本発明は、各画素の出力のバラツキをより適確に補正できるようにするべく、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定状態でトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
また、本発明は、各画素の出力のバラツキをより適確に補正できるようにするべく、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定電圧でトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を前記設定値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにしている。
また、本発明は、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによ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に用いたイメージセンサにあって、使用しているうちに各画素の出力レベルが変動した場合に、そのときの各画素におけるセンサ信号の出力状態に即して変動分をわり出して、明時（出力が飽和状態になる高輝度光入射時）の出力レベルを基準としてその変動分のオフセット補正をなすようにしている。
具体的には、各画素から時系列的に読み出される通常時のセンサ信号を一時保持するサンプルアンドホールド回路と、対応する画素における前記トランジスタのドレイン電圧を一時的に通常時の電圧値よりもしきい値分下げて疑似明時出力信号を得る手段と、その得られた疑似明時出力信号と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号との差分を求めて、その求められた差分をオフセット値として、予め設定された明時の基準信号のオフセット補正を行う手段とを設けて、各画素におけるセンサ信号の出力レベルを適正に揃えるようにしている。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係るイメージセンサは、基本的に、前述した第１図に示す光センサ回路を画素単位に用いている。
その光センサ回路としては、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ている。
その場合、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧの値が、そのドレイン電圧ＶＤ以下となるように設定される。
その光センサ回路では、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。
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に流れるセンサ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。
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５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５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。
このような光センサ回路にあって、センサ信号Ｖｏの読出しに先がけて、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量に応じた電圧信号が得られるようにして、入射光Ｌｓの光量が少ない場合でも残像を生ずることがないようにしている。
第２図は、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。
このようなものにあって、初期化時にトランジスタ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（ｎ−ＭＯＳトランジスタではソース電圧＝ドレイン電圧となる）、フォトダイオードＰＤの接合容量Ｃが放電状態になる。
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に充電が開始される。
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寄生容量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。
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。
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。
第６図は、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一構成例を示している。
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。
そして、このような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。
このように構成された本発明によるイメージセンサの動作について、第７図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。
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１１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。
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。
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。
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。
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。
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。
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中であればよい。
以上のような各部信号の発生のタイミングは、図示しないＥＣＵの制御下で画素列選択回路１、画素選択回路２および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって決定されるようになっている。
このように、各画素のセンサ信号の読出し走査に応じた適切なタイミングをもって各画素の初期化を行わせることによって、イメージセンサ全体としての蓄積時間の過不足を低減できるようになる。
そして、残像がなく、ダイナミックレンジの広い対数出力特性をもったイメージセンサが実現できるようになる。
本発明では、以上のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、入射光Ｌｓをしゃ断した状態で、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値ＶＧａ，ＶＤａよりも低い値ＶＧｂ，ＶＤｂに切り換えたときのセンサ出力Ｂを撮影時における明時のセンサ信号に対応させて、各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに光を入射させることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
また、本発明は、前述のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、入射光Ｌｓをしゃ断した状態で、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値ＶＧａ，ＶＤａに設定したときに得られるセンサ出力Ａと、そのトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値ＶＧｂ，ＶＤｂに切り換えたときに得られるセンサ出力Ｂとを用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、センサ出力Ａを撮影時における暗時のセンサ信号に対応させて各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるるとともに、センサ出力Ｂを撮影時における明時のセンサ信号に対応させて各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに光を入射させることなく、暗時および明時の各出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
この場合、ＶＧａ≦ＶＤａのときセンサ出力Ａとなり、ＶＧｂ≦ＶＤｂのときセンサ出力Ｂとなる。また、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧおよびドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値に切り換える範囲が、零から定常値よりもそのトランジスタＱ１のスレッショルド電圧Ｖｔｈ分低い値までに設定される。すなわち、ＶＧｂ→０〜（ＶＧａ−Ｖｔｈ）、ＶＤｂ→０〜（ＶＤａ−Ｖｔｈ）の関係となる。
ＶＧａ，ＶＧｂの切り換えは、第６図に示すイメージセンサの構成にあって、ＶＧ用電源４の電源電圧の切り換えを行わせることができるように設けられた電圧切換回路７において、ＥＣＵの制御下において行われることになる。また、ＶＤａ，ＶＤｂの切り換えは、ＶＤ用電源６の電源電圧の切り換えを行わせることができるように設けられた電圧切換回路５において、ＥＣＵの制御下において行われることになる。
このように、本発明によれば、実際にイメージセンサに光を入射させることなく各画素の出力特性のバラツキを補正するようにしているので、イメージセンサに対して光をしゃ断したり入射したりしながら各画素の暗時および明時の各センサ信号を得て各画素の出力特性のバラツキを補正する場合に、各画素に均一な光を頻繁に切り換えながら入射させることができないという光源による照度ムラの問題を全く生ずることなく、各画素の出力特性のバラツキを精度良く補正することができるようになる。
そして、出荷時のみならず、経時変化による各画素の出力特性のバラツキの補正をも、光源を用いることなく、随時に行わせることができるようになる。
また、本発明によれば、多数のイメージセンサの出力補正を同時に行わせる場合に、光源を多数用意して設備の増大を招くようなことがなくなる。
また、本発明では、前述のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに入射する光をいちいちしゃ断させることなく、光が入射した状態のままでも暗時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
いま、第１図に示す光センサ回路にあって、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧが撮影時の定常値よりも高い値に切り換えられて導通状態になると、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが次段の増幅用のトランジスタＱ２のゲートに直接印加されて、トランジスタＱ１のスレッショルド電圧のバラツキがキャンセルされる。そして、そのときのセンサ出力は暗時の出力に相当することになる。
その際、対数特性変換用のトランジスタＱ１が導通状態になって、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが次段の増幅用のトランジスタＱ２のゲートに直接印加されたときのセンサ出力が暗時の出力に相当すると擬制する場合、以下のような問題が生ずる。
すなわち、それはトランジスタＱ１やフォトダイオードＰＤが理想の特性をもっている場合を想定しており、実際には、フォトダイオードＰＤには光が入射していなくても暗電流が流れており、第１９図に示すように、トランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力は実際の暗時の出力と異なってしまう。図中、ａは理想時の暗時出力を、ｂは実際の暗時出力を示している。
また、その暗時出力の違いは、第２０図に示すように、残像を抑制するべく、センサ信号Ｖｏの読出しに先がけて、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して初期化を行わせた場合には、さらにその違いが大きくなってしまう。図中、ｃは初期化による残像抑制時における暗時出力を示している。
そのため、特に本発明では、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときに、適正な暗時出力に相当するセンサ出力が得られるように、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを可変に調整するようにしている。
具体的には、出力補正する前の段階における実際の暗時のセンサ出力の値を記憶しておき、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値になるように、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを設定する。その際、トランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値とほぼ同じになるようにしても、また出力補正をくり返して行なわせる場合には各補正時に記憶した値の平均値と同じになるようにしてもよい。そして、以後出力補正を行わせる際に、その設定状態でトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキのオフセット補正を行わせるようにする。
このときのセンサ出力にもとづいてオフセット補正値をわり出せば、初期値の揃った暗時の出力補正を行わせることができるようになる。また、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを変化させるということは、次段の増幅用のトランジスタＱ２に対する動作点を合せることにもなる。
暗時の出力補正に際して、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換える手段、また、出力補正する前の段階における実際の暗時のセンサ出力の値を記憶しておき、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値になるようにトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを設定する手段としては、第６図に示すイメージセンサの構成にあって、図示しないＥＣＵの制御下で、ＶＧ用電源４およびＶＤ読電源６の電源電圧の切り換えを行わせることができるように設けられた電圧切換回路７および電圧切換回路５の駆動を行わせることによって実行される。
また、本発明では、前述のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素におけるセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、対数特性変換用のトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしている。
その際、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にして、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが定常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサに入射する光をしゃ断させることなく、光が入射した状態のままで暗時および明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
具体的には、出力補正する前の段階における実際の暗時のセンサ出力の値を記憶しておき、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてトランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値になるように、トランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤを設定する。その際、トランジスタＱ１を導通状態にしたときのセンサ出力が先に記憶した値とほぼ同じになるようにしても、また出力補正をくり返して行なわせる場合には各補正時に記憶した値の平均値と同じになるようにしてもよい。そして、以後出力補正を行わせる際に、そのドレイン電圧ＶＤの設定状態でトランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキのオフセット補正を行わせるようにする。
また、本発明では、以上のように構成されたイメージセンサにあって、光センサ回路の構成上からくる出力特性のバラツキに起因する各画素における光が入射している明時のセンサ信号Ｖｏの出力レベルの不揃いを是正するべく、トランジスタＱ１を導通状態にして、そのトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤが定常値（または前記設定値）よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を撮影時における明時のセンサ信号に対応させて、各画素における明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせるようにする。
しかして、このような手段を設けることによって、実際にイメージセンサにおける光の入射状態の如何にかかわらず、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを補正することができるようになる。
明時の出力補正に際して、トランジスタＱ１のゲート電圧ＶＧを撮影時の定常値よりも高い値に切り換える手段およびそのドレイン電圧ＶＤを撮影時の定常値よりも低い値に切り換える手段としては、第６図に示すイメージセンサの構成にあって、図示しないＥＣＵの制御下で電圧切換回路５，７を駆動することによって行われる。
第８図は、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補正するための具体的な構成を示している。
それは、イメージセンサ８および各画素のセンサ信号を時系列的に読み出すための駆動制御を行うＥＣＵ９と、イメージセンサ８から時系列的に出力する各画素のセンサ信号Ｖｏをデジタル信号に変換するＡＤ変換器１０と、予め各画素の特性に応じたオフセット補正値ＯＦＳおよびゲイン補正のための乗数ＭＬＴが設定されており、ＥＣＵ９から与えられるセンサ信号読出し時における画素のアドレス（Ｘ，Ｙ）の信号ＡＤＤＲＥＳＳに応じて所定のオフセット補正値ＯＦＳおよび乗数ＭＬＴを読み出すメモリ１１と、そのメモリ１１から読み出されたオフセット補正値ＯＦＳおよび乗数ＭＬＴにもとづいてデジタル信号に変換されたセンサ信号ＤＳのオフセット補正およびゲイン補正の各演算処理を行う出力補正回路１２とによって構成されている。
イメージセンサ８から時系列的に出力する各画素のセンサ信号Ｖｏとしては、前述したように、イメージセンサ８への入射光をしゃ断した状態でのＶＧａ，ＶＤａのときの各画素のセンサ出力ＡおよびＶＧｂ，ＶＤｂのときのセンサ出力Ｂが採用される。
第１０図は、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。
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。
第９図は、出力補正回路１２における処理のフローを示している。
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、第１１図に示すように、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。
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。
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。
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、第１２図に示すように、対数応答領域ＷＢの特性が一致するようになる。
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。
第１４図は、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。
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。
第１３図は、出力補正回路１２における処理のフローを示している。
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、第１５図に示すように、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。
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。
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。
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、第１６図に示すように、非対数応答領域ＷＡの特性が一致するようになる。
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。
第１８図は、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。
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。
このような場合には、第１７図の出力補正回路１２における処理のフローに示すように、前述した第９図および第１３図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ＷＢＡの特性が一致したセンサ信号ＤＳ２′が得られるようになる。
また、本発明は、第２１図に示すイメージセンサから時系列的に読み出される各画素のセンサ信号Ｖｏの出力レベルの変動分のオフセット補正を随時行わせることができるようにしている。
第２２図は、その場合におけ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。
ここでは、イメージセンサ７から時系列的に読み出される通常のセンサ信号Ｖｏを一時保持するサンプルアンドホールド回路８と、対応する画素におけるトランジスタＱ１ドレイン電圧ＶＤを一時的に定常値（ハイレベル）よりもしきい値Ｖｔｈ分下げることによって得られる疑似明時出力信号Ｖｏ（ｈ）と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号Ｖｏとの差分ΔＶ＝｛Ｖｏ（ｈ）−Ｖｏ｝を求める演算回路９と、その求められた差分ΔＶをオフセット値として、予め設定された明時出力に相当する基準信号Ｖｓから減じてオフセット補正を行う演算回路１０とによって構成されている。そして、図示しないＥＣＵの制御下において、所定のタイミングをもって各部が動作するようになっている。
第２３図は、このように構成されたイメージセンサの出力補正装置における各部信号のタイムチャートを示している。
いま、ｔ１のタイミングで画素選択信号ＤＳｘがハイレベルＨになって対応する画素のセンサ信号Ｖｏが読み出されると、そのｔ１時点で同時にハイレベルＨのサンプルアンドホールド信号Ｓ／Ｈが出されて、その信号の立下りのｔ２のタイミングでセンサ信号Ｖｏがサンプルアンドホールド回路８に保持される。
そして、ｔ３のタイミングで対応する画素におけるトランジスタＱ１のドレイン電圧ＶＤがＴ期間のあいだハイレベルの定常値Ｖｈからしきい値Ｖｔｈ分下げられた電圧値（Ｖｈ−Ｖｔｈ）に切り換えられる。それによって、疑似明時出力信号Ｖｏ（ｈ）が得られる。
このとき得られる疑似明時出力信号Ｖｏ（ｈ）が演算回路９に与えられ、先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号Ｖｏとの差分ΔＶによるオフセット値が求められて、演算回路１０において予め設定された明時出力に相当する基準信号Ｖｓのオフセット補正が行われ、ｔ４のタイミングでそのオフセット補正されたセンサ信号Ｖｏ′が出力する。
なお、このようなイメージセンサ７から時系列的に読み出されるセンサ信号Ｖｏのオフセット補正は、それが常時行われる。あるいはまた、ＥＣＵの制御下で定期的に、または外部からの操作指令によって任意に行わせるようにすることも可能である。その場合には、一定期間または次の操作指令が与えられるまでのあいだ、オフセット補正値をメモリに逐次記憶しておく必要がある。
産業上の利用の可能性
本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしているので、実際に光を入射させることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを容易に補正することができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値に設定したときの第１のセンサ信号と、そのトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときの第２のセンサ信号とを用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けるようにしているので、実際に光を入射させることなく、暗時および明時の各出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力特性のバラツキを容易に補正することができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、そのトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にしたときのセンサ信号を用いて各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、暗時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の暗時出力のバラツキのオフセット補正を容易に行わせることができるようになる。
また、本発明は、そのイメージセンサにあって、対数特性変換用のトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定状態でトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、各画素の暗時出力のバラツキをより適確に補正することができるようになる。
さらに、本発明は、そのイメージセンサにあって、光電変換素子に対する入射光をしゃ断した状態で、対数特性変換用のトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出力を用いて、各画素の出力のバラツキを補正する手段を設けることにより、光源を何ら用いることなく、明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の暗時出力のバラツキのゲイン補正を容易に行わせることができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、そのトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えて導通状態にして、そのトランジスタのドレイン電圧が正常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせる手段を設けるようにしているので、暗時および明時の出力状態を疑似的に作り出して各画素の出力のバラツキの補正を容易に行わせることができるようになる。
また、本発明は、そのイメージセンサにあって、対数特性変換用のトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定電圧でトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ出号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせる手段を設けるようにしているので、各画素の出力のバラツキをより適確に補正することができるようになる。
また、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によれば、入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによ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に用いたイメージセンサにあって、各画素から時系列的に読み出される通常時のセンサ信号をサンプルアンドホールドするとともに、対応する画素における前記トランジスタのドレイン電圧を一時的に通常時の電圧値よりもしきい値分下げて疑似明時出力信号を得て、その得られた疑似明時出力信号と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号との差分をオフセット値として、予め設定された明時の基準信号のオフセット補正を行うようにしているので、各画素におけるセンサ信号の出力レベルを適正に揃えることができ、常に品質の良い撮像画像を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明によ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。
第２図は、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。
第３図は、その光センサ回路のフォトダイオードに流れるセンサ電流に対するセンサ信号の出力特性を示す図である。
第４図は、その光センサ回路を画素に用いたイメージセンサにおける各画素の出力特性のバラツキ状態の一例を示す図である。
第５図は、初期化を行わない場合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センサ信号の出力特性を示す図である。
第６図は、本発明に係るイメージセンサの構成例を示すブロック図である。
第７図は、そのイメージセンサにおける各部信号のタイムチャートである。
第８図は、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。
第９図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によ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。
第１０図は、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。
第１１図は、第１０図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。
第１２図は、第１０図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。
第１３図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によ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。
第１４図は、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。
第１５図は、第１４図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。
第１６図は、第１４図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。
第１７図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置によ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。
第１８図は、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。
第１９図は、光センサ回路における対数特性変換用のトランジスタを導通状態にしたときのセンサ出力と、実際の暗時のセンサ出力との違いを示す特性図である。
第２０図は、光センサ回路における対数特性変換用のトランジスタを導通状態にしたときのセンサ出力と、残像抑制のための初期化を行わせたときの実際の暗時のセンサ出力との違いを示す特性図である。
第２１図は、本発明によるイメージセンサの基本的な一構成例を示すブロック構成図である。
第２２図は、本発明によるイメージセンサの出力補正装置の一実施例を示すブロック構成図である。
第２３図は、そのイメージセンサの出力補正装置における各部信号のタイミングチャートである。
Claims (13)
- 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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにおいて、光電変換素子への入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正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。
- トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせ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。
- 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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにおいて、光電変換素子への入射光をしゃ断した状態で、前記トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値に設定したときの第１のセンサ信号と、そのトランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときの第２のセンサ信号とを用いて、各画素の出力のバラツキを補正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。
- 第１のセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ信号に対応させて各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるるとともに、第２のセンサ信号を撮影時における明時のセンサ信号に対応させて各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせるようにしたことを特徴とする請求項３の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
- トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換える範囲が、零から定常値よりもそのトランジスタのスレッショルド電圧分低い値までであることを特徴とする請求項１または請求項３の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
- 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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにおいて、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定状態でトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を用いて、各画素の出力のバラツキを補正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。
- ドレイン電圧設定後にトランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時の出力レベルが揃うようにオフセット補正を行わせるようにしたことを特徴とする請求項６の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
- 光電変換素子への入射光をしゃ断した状態で、トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における明時の出力レベルが揃うようにゲイン補正を行わせるようにしたことを特徴とする請求項７の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
- トランジスタのゲート電圧およびドレイン電圧を撮影時の定常値よりも低い値に切り換える範囲が、零から定常値よりもそのトランジスタのスレッショルド電圧分低い値までであることを特徴とする請求項８の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
- 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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにおいて、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にして、そのトランジスタのドレイン電圧が定常値のときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせ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。
- 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ようにした光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにおいて、前記トランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換えてそのトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、ゲート電圧が定常値のときに得られる暗時のセンサ信号に応じた値になるようにそのトランジスタのドレイン電圧を設定したうえで、以後その設定電圧でトランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号を撮影時における暗時のセンサ出力に対応させるとともに、そのトランジスタのドレイン電圧を前記設定値よりも低い値に切り換えたときのセンサ信号を撮影時における明時のセンサ出力に対応させて、各画素における暗時および明時の出力レベルが揃うように出力補正を行わせ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。
- 撮影に先がけて対数特性変換用のトランジスタのドレイン電圧を定常値よりも低い値に切り換えて、光電変換素子の寄生容量に蓄積された電荷を放出させて初期化する初期化手段を設けたことを特徴とする請求項１０または請求項１１の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
- 入射光量に応じて光電変換素子に流れるセンサ電流を弱反転状態で動作するＭＯＳ型トランジスタによって電圧信号に変換して、センサ電流が多いときには対数応答特性をもって、センサ電流が少ないときにはほぼ線形の非対数応答特性をもってセンサ信号を出力する光センサ回路を画素単位に用いたイメージセンサにあって、各画素から時系列的に読み出される通常時のセンサ信号を一時保持するサンプルアンドホールド回路と、対応する画素における前記トランジスタのドレイン電圧を一時的に通常時の電圧値よりもしきい値分下げて疑似明時出力信号を得る手段と、その得られた疑似明時出力信号と先にサンプルアンドホールドしたセンサ信号との差分を求めて、その求められた差分をオフセット値として、予め設定された明時の基準信号のオフセット補正を行う手段と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。
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