JPWO2006098374A1 - 撮像装置、信号処理装置及び信号処理方法 - Google Patents

Abstract

暗電流等の要因による固定パターンノイズを低減する撮像装置。撮像装置（１０）は固体撮像装置（１１）と信号処理装置（１２）とを備える。固体撮像装置（１１）は複数の画像セル（Ｃａ）を有し、各画像セル（Ｃａ）に入射された入射光量に対して対数特性を持つ画素信号を生成する。信号処理装置（１２）は、画素信号を補正するための第１補正データを記憶する補正データテーブル（３３）と、低照度領域において画素信号を補正するための第２補正データを記憶する暗電流誤差データテーブル（３４）とを有している。信号処理装置（１２）のオフセット補正演算回路（３１）は、第１補正データに基づいて画素信号を補正し、第１画素データを生成する。更に、第１画素データに対応する暗電流誤差データテーブル（３４）の第２補正データが必要に応じて読み出される。そして、この第２補正データによって第１補正データが生成され、第２画素データが生成されることにより、暗電流等の要因によるバラツキが平均値に補正される。

Description

本発明は、撮像装置に関し、詳しくは、画素信号を補正するための装置及び方法に関するものである。

従来、種々の画像データを取得するために、固体撮像素子が用いられている。固体撮像素子はＣＣＤ撮像素子（単にＣＣＤという）とＣＭＯＳ型撮像素子（以下、ＣＭＯＳセンサという）を含む。ＣＭＯＳセンサは、ＣＣＤと異なり、センサ部分とその周辺回路とをＣＭＯＳプロセスで一体に製造することができる。このため、セット価格が安価になる。しかし、ＭＯＳＦＥＴの特性のばらつき、配線インピーダンスのばらつき等によって、ＣＭＯＳセンサ特有の固定パターンノイズが発生する。これは、画質の悪化を招く。

特開平１１−２９８７９９号公報は、イメージセンサ（固体撮像素子）を構成する複数の光センサのバラツキ（オフセット）を補正データとして記憶し、該補正データを光センサの出力値に加算することで各光センサの出力値を補正し、複数の光センサのそれぞれの出力値を一致させるようにした処理装置を開示している。

ところで、各画像セルでは、受光素子に印加される逆バイアスによって暗電流が流れる。この暗電流は、画像セル毎に異なる。暗電流は、明るい（入射光量が多い）場合には出力電流（又は出力電圧）に影響を殆ど与えない。このため、単純にオフセットの加算または減算によって出力値が補正される。しかし、暗い（入射光量が少ない）場合、オフセット補正後の出力値が、画素毎の暗電流によってばらつく。このため、単純に補正データの加算または減算のみでは低照度領域における固定パターンノイズを補正することができない。従って、低照度領域における固定パターンノイズを低減することができなかった。

本発明は、暗電流等の要因による低照度領域の固定パターンノイズを低減するための装置及び方法を提供する。

本発明の第１の局面では、撮像装置が提供される。固体撮像部は、複数の画像セルを含み、各画像セルに入射される入射光量に対して対数特性を持つ画素信号を生成する。第１記憶部は、画素信号を補正するための第１補正データを記憶する。第２記憶部は、相対的に少ない入射光量を有する少なくとも１つの画像セルを含む低照度領域において生成された画素信号を補正するための第２補正データを記憶する。第１補正手段は、第１補正データに基づいて画素信号を補正し、第１画素データを生成する。第２補正手段は、第２補正データに基づいて第１画素データを補正し、第２画素データを生成する。

第２記憶部は、複数の画像セルの数よりも少ない数のテーブルを第２補正データとして含んでもよい。第１補正データは、各画像セルを複数のテーブルの何れか一つに関連づけるテーブル番号と、第１画素データが複数の画像セル間において一致するように画素信号を補正するためのオフセット値とを含み得る。

撮像装置は更に、第１画素データが低照度領域に含まれるか否かを判断する判断手段を備えてもよい。判断手段は、第１画素データが低照度領域に含まれる場合に第１画素データを第２補正手段に供給し、第１画素データが低照度領域に含まれない場合には第１画素データを撮像装置の出力データとして決定する。

本発明の第２の局面では、信号処理装置が提供される。信号処理装置は、固体撮像部から画像セルの画素信号を受け取る。第１記憶部は、画素信号を補正するための第１補正データを記憶する。第２記憶部は、相対的に少ない入射光量を有する少なくとも１つの画像セルを含む低照度領域において生成された画素信号を補正するための第２補正データを記憶する。第１補正手段は、第１補正データに基づいて画素信号を補正し、第１画素データを生成する。第２補正手段は、第２補正データに基づいて第１画素データを補正し、第２画素データを生成する。

本発明の第３の局面では、画像セルの画素信号を補正するための方法が提供される。当該方法は、第１補正データに基づいて画素信号を補正し、第１画素データを生成する工程と、相対的に少ない入射光量を有する少なくとも１つの画像セルを含む低照度領域において生成された画素信号を補正するための第２補正データに基づいて第１画素データを補正し、第２画素データを生成する工程と、を含む。

本発明の第一実施形態の撮像装置の概略的なブロック回路図である。 図１の撮像回路に含まれる画像セルの一例を示す回路図である。 図１の補正データテーブルに記憶される第１補正データを示す模式図である。 図２の画像セルの出力信号における入射光量（照度）と出力電圧との関係を示す特性図である。 図４の出力信号におけるオフセット補正後の入射光量（照度）と出力電圧との関係を示す特性図である。 図５の各出力信号の低照度領域における平均特性値からの出力電圧値のばらつきを示す概念図である。 図１の信号処理装置による固定パターンノイズ補正処理の概念図である。 本発明の第二実施形態の撮像装置の概略的なブロック回路図である。 図８の補正処理回路による固定パターンノイズ補正処理のフローチャートである。

以下、本発明の第一実施形態の撮像装置１０を図１〜図７に従って説明する。

図１は、撮像装置１０の概略的なブロック回路図である。

撮像装置１０は、固体撮像部としての固体撮像装置１１と、信号処理装置１２と、発振回路（ＯＳＣ）１３とを備えている。発振回路１３は所定の周波数を有するクロック信号ＣＬＫを生成し、該クロック信号ＣＬＫを固体撮像装置１１と信号処理装置１２に供給する。固体撮像装置１１と信号処理装置１２は、クロック信号ＣＬＫに従って動作する。

固体撮像装置１１は、撮像回路２１、アドレス生成回路２２、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２３を備えている。撮像回路２１は、行列配列された複数の画像セルを含む。各画像セルは、対数変換型の撮像デバイスであり、入射光量に応じて対数特性を示す信号を生成する。

図２は、図１の撮像回路２１に含まれる画像セルＣａの一例を示す回路図である。画像セルＣａは、フォト・ダイオードＰＤを含む。フォト・ダイオードＰＤのアノードは第１トランジスタＴ１に接続され、フォト・ダイオードＰＤのカソードは高電位電源に接続されている。第１トランジスタＴ１はＮチャネル型ＭＯＳトランジスタよりなり、第１端子（ソース）が低電位電源に接続され、第２端子（ドレイン）がフォト・ダイオードＰＤに接続されている。第１トランジスタＴ１の制御端子（ゲート）は第１トランジスタＴ１のドレイン及び第２トランジスタＴ２のゲートに接続されている。

フォト・ダイオードＰＤは、入射光の光量に応じた光電流（フォトカレント）を流し、その光電流により第１トランジスタＴ１がサブ・スレッショルド領域にて動作する。第１トランジスタＴ１はゲートに印加された電圧を対数変換し、変換された電圧は第２トランジスタＴ２のゲートに印加される。この第２トランジスタＴ２のゲートに印加された電圧は第２トランジスタＴ２及び第３トランジスタＴ３により増幅され、該増幅された電圧は行選択線ＷＬの電圧によりオンされた第４トランジスタＴ４を介してビット線ＢＬに供給される。さらに、画像セルＣａは、リセット線ＲＬに接続された第５トランジスタＴ５を含み、該リセット線ＲＬの電位によりリセットされる。

アドレス生成回路２２は、撮像回路２１を構成する複数の画像セルから信号を順次読み出すためのアドレス信号を生成し、該アドレス信号を撮像回路２１に供給する。撮像回路２１は、撮像回路２１から供給されたアドレス信号に応答して、各アドレス信号に対応する位置（アドレス信号により選択される行選択線ＷＬとビット線ＢＬの交点）の画像セルにて光電流に応じた電圧（又は電流）を持つ信号を生成する。

ＡＤＣ２３は、クロック信号ＣＬＫに従って動作し、撮像回路２１の出力信号を所定ビット数（例えば１０ビット）のデジタル信号に変換し、該デジタル信号をクロック信号ＣＬＫに同期して画素信号として信号処理装置１２に供給する。

信号処理装置１２は、第１補正手段としてのオフセット補正演算回路３１、判断手段としての低照度領域誤差補正判定回路３２、第１記憶部としての補正データテーブル３３、第２記憶部及び第２補正手段としての低照度領域誤差データテーブル３４、及びデータ長変換回路３５を備えている。

オフセット補正演算回路３１は、ＡＤＣ２３から供給された画素信号に補正データテーブル３３から読み出された補正データを加算し、加算結果を示す信号（第１画素データ）を生成する。補正データテーブル３３には、撮像回路２１を構成する複数の画像セルの各々に対応する複数の補正データ４１（第１補正データ）が記憶されている。図３に示すように、各補正データ４１は、テーブル番号４２と固定パターンノイズオフセット（ＦＰＮオフセット）４３とを含む。テーブル番号４２は、後述する低照度領域誤差データテーブル３４を指定する値である。ＦＰＮオフセット４３は、画素信号をオフセットする、即ち画素信号のバラツキを補正するための値である。

図４は、各画像セルＣａの出力信号（即ち画素信号）における入射光量（照度）と出力電圧との関係を示す特性図である。

画像セルＣａの出力信号は全体として対数特性を持つ。具体的には、入射光量が相対的に多い高照度領域では、出力信号はほぼ直線状の特性（入射光量−出力電圧特性）を持ち、入射光量が相対的に少ない低照度領域では、出力信号は所定関数の特性を持つ。ＦＰＮオフセット４３は、出力信号の直線状の部分、つまり高照度領域において複数の出力信号の電圧を互いに一致させるための補正データである。オフセット補正演算回路３１は、各画像セルＣａに対応する画素信号に補正データテーブル３３から読み出されたＦＰＮオフセット４３を加算し、その加算結果を示す信号を生成する。

図５は、オフセット補正演算回路３１によるオフセット補正後の各出力信号における入射光量（照度）と出力電圧との関係を示す特性図である。図５に示すように、オフセット補正後の各出力信号の電圧は、高照度領域において実質的に一致している。

しかし、図５に示すように、オフセット補正後の各出力信号は、低照度領域においてばらついている。従って、この低照度領域においても出力信号を補正して、出力信号の電圧を実質的に一致させる必要がある。

具体的には、オフセット補正後の複数の出力信号における平均特性が定義され、その平均特性（図５に破線で示す）が補正に用いられる。図６は、この平均特性値（平均値）からの各出力信号値のばらつきを示す概念図である。図６に示すように、各出力信号値は、低照度領域において平均値よりも高い値もしくは低い値にばらついている。この画素毎のバラツキは、所定の関数（例えば、ｙ＝ａｘ⁴＋ｂｘ²）にて表されることが実験により求められている。言い換えれば、各画像セルＣａの出力信号は、上記した所定の関数にて表されるいくつかの特性のいずれかの値とほぼ一致する。このため、そのような特性を持つ複数の曲線のデータがそれぞれテーブル（第２補正データ）として作成される。そして、作成された各テーブルは、画像セルＣａに対応づけられて低照度領域誤差データテーブル３４に記憶されている。このデータテーブル３４に記憶されるテーブルの数は、撮像回路２１に含まれる画像セルＣａの数より少ない。各テーブルには１つの曲線のデータが記憶され、テーブルと画像セルＣａとの対応関係はテーブル番号４２で表される。

オフセット補正後の出力信号の値が低照度領域に含まれる場合、その出力信号値が画像セルＣａに対応づけられたテーブルの値と置き換えられることで、該低照度領域における出力信号値が補正される。

具体的には、低照度領域誤差補正判定回路３２（以下、単に「判定回路３２」という）は、オフセット補正後の出力信号に対して暗電流の補正が必要か否かを、低照度領域と高照度領域とを区画するしきい値を用いて判断する。判定回路３２には、このしきい値が予め設定されている。判定回路３２は、入力値（オフセット補正後の出力信号）がしきい値以上か否かを判断する。入力値がしきい値以上の場合、その入力値は高照度領域に含まれ、入力値がしきい値未満の場合、その入力値は低照度領域に含まれる。従って、判定回路３２は、入力値がしきい値未満の場合、その入力値を低照度領域誤差データテーブル３４に供給する。しきい値は、第一実施形態では８ビット値で表される２５６に設定されている。これは、オフセット補正演算回路３１から出力される１０ビットの出力信号で表現される値の範囲の１／４に相当する。従って、判定回路３２は、オフセット補正演算回路３１の出力信号値が２５６未満の場合に、その出力信号値の下位８ビットの値を示す信号を低照度領域誤差データテーブル３４に供給する。

低照度領域誤差データテーブル３４は、上記したように複数のテーブルを含む。低照度領域誤差データテーブル３４は、補正データテーブル３３から読み出されたテーブル番号４２に対応する１つのテーブルを選択し、該選択されたテーブルの要素から判定回路３２の出力信号に対応する値を暗電流補正後の信号（第２画素データ）として生成する。

データ長変換回路３５は、低照度領域誤差データテーブル３４で生成された所定ビット数の信号を、判定回路３２の出力信号のビット数に変換する。第一実施形態では、判定回路３２は１０ビットの信号を生成し、低照度領域誤差データテーブル３４は８ビットの信号を生成する。低照度領域誤差データテーブル３４で生成される信号のビット数は、低照度領域に対応している。つまり、撮像回路２１から供給される信号は１０ビットであるが、低照度領域の信号を補正するためには８ビット分のデータが用いられる。従って、データ長変換回路３５は、低照度領域誤差データテーブル３４から供給された８ビットの信号のデータ長を１０ビットの信号に変換する。

従って、図７に示すように、上記のように構成された信号処理装置１２は、先ず、補正データテーブル３３から読み出されたＦＰＮオフセット４３（オフセット値Ｈ１）により固体撮像装置１１で生成された信号（画素信号）にオフセット補正を施す。次に、信号処理装置１２は、低照度領域の信号の値を、低照度領域誤差データテーブル３４内の、画像セルＣａに対応するテーブルの値に置き換える。こうして、低照度領域の信号が補正される。

第一実施形態の撮像装置１０は、以下の利点を有する。

（１）撮像装置１０は固体撮像装置１１と信号処理装置１２とを備える。固体撮像装置１１は、入射光量に対して対数特性で示される信号を生成する複数の画像セルＣａを有している。信号処理装置１２は、各画像セルＣａの出力値のオフセット（バラツキ）を補正するための補正データを記憶する補正データテーブル３３と、低照度領域における各画像セルＣａの出力値のバラツキを補正するための補正値を記憶する低照度領域誤差データテーブル３４とを有している。信号処理装置１２のオフセット補正演算回路３１は、補正データに基づいて画像セルＣａの出力値のオフセットを補正する。更に、その補正後のデータに対応する低照度領域誤差データテーブル３４の補正値が必要に応じて読み出され、この補正値により暗電流等の要因による出力値のバラツキが所定の特性（例えば平均値）に補正される。従って、暗電流等の要因による低照度領域の固定パターンノイズが低減される。

（２）各画像セルＣａの出力値は、低照度領域において平均値よりも高い値、もしくは低い値にばらついている。この画素毎のバラツキは所定の関数にて表され、各出力値は、その所定の関数にて表されるいくつかの特性のいずれかの値とほぼ一致する。低照度領域誤差データテーブル３４には、上記特性を示す複数の曲線データにそれぞれ対応する複数のテーブルが記憶される。このテーブルの数は、画像セルＣａの数よりも少ない。従って、全画像セルＣａにそれぞれ対応する補正データを記憶する場合に比べて補正データの数が低減される。これは、信号処理装置１２に搭載される記憶容量のサイズを小さくする。このため、信号処理装置１２の回路規模を小さくして、暗電流等の要因による固定パターンノイズを低減することができる。

（３）信号処理装置１２は、オフセット補正後のデータが低照度領域に含まれるか否かを判断する判定回路３２を備える。オフセット補正後のデータが低照度領域に含まれる場合には低照度領域誤差データテーブル３４を用いてそのデータが補正され、オフセット補正後のデータが低照度領域に含まれない場合にはそのデータがそのまま出力される。従って、全てのデータが低照度領域誤差データテーブル３４を用いて補正される場合に比べて低照度領域に含まれないデータに対する処理時間が短くなる。

次に、本発明の第二実施形態の撮像装置６０を図８，図９に従って説明する。

図８は、本発明の第二実施形態の撮像装置６０の概略的なブロック回路図である。

撮像装置６０は、固体撮像装置１１と、信号処理装置６２と、発振回路（ＯＳＣ）１３とを備えている。

信号処理装置６２は、第１補正手段，第２補正手段，判断手段としての補正処理回路７１、第１記憶部としてのＲＯＭ７２、第２記憶部としての参照テーブル（ＬＵＴ）７３を備えている。補正処理回路７１はＣＰＵよりなり、補正処理のためのプログラムを記憶するメモリを有している。補正処理回路７１は、補正処理プログラムに従って、固体撮像装置１１の出力信号を補正し、該補正された信号を出力する。

ＲＯＭ７２は例えばＥＥＰＲＯＭよりなる。ＲＯＭ７２には、第一実施形態の補正データテーブル３３と同様に、撮像回路２１に含まれる複数の画像セルＣａにそれぞれ対応する複数の補正データが記憶されている。各補正データは、第一実施形態と同様に、テーブル番号４２と固定パターンノイズオフセット（ＦＰＮオフセット）４３（図３参照）とを含む。

ＬＵＴ７３は、第一実施形態の低照度領域誤差データテーブル３４と同様に、複数のテーブルを含む。各テーブルには、それぞれ１つの曲線のデータが記憶されている。テーブルと画像セルＣａとの対応関係はテーブル番号４２で表される。

図９は、図８の補正処理回路７１により実行される補正処理プログラムを示すフローチャートである。補正処理回路７１は、図９に示すステップ８１からステップ８４の各処理に従って、固体撮像装置１１の出力信号を補正する。

ステップ８１のオフセット補正処理は、２つのサブステップ８１ａ，８１ｂを含む。ステップ８１ａにおいて、補正処理回路７１は、ＲＯＭ７２をアクセスし、テーブル番号４２及びＦＰＮオフセット４３を取得する。詳しくは、補正処理回路７１は、画像セルＣａの位置を示すアドレスをＲＯＭ７２に供給し、ＲＯＭ７２から、そのアドレスに対応するテーブル番号４２及びＦＰＮオフセット４３を取得する。

ステップ８１ｂにおいて、補正処理回路７１は、ＲＯＭ７２から読み出したＦＰＮオフセット４３を固体撮像装置１１の出力信号に加算して、該固体撮像装置１１の出力信号をオフセット補正する。

ステップ８２において、補正処理回路７１は、オフセット補正処理後のデータが低照度領域に含まれるか否かを判断する。そして、データが低照度領域に含まれる場合、補正処理回路７１は、ステップ８３の処理を実行する。

ステップ８３の暗電流補正処理は、３つのサブステップ８３ａ，８３ｂ，８３ｃを含む。ステップ８３ａの補正データアドレス算出処理において、補正処理回路７１は、オフセット補正処理後のデータとテーブル番号４２とに基づいて、ＬＵＴ７３からデータ（テーブル）を読み出すためのアドレスを算出する。ＬＵＴ７３に含まれる複数のテーブルは、１つのメモリ領域を分割することによって得られる複数の領域に記憶されている。従って、複数のテーブルに各々対応する複数のアドレスは連続している。このため、補正処理回路７１は、テーブル番号４２を上位アドレスとし、オフセット補正処理後のデータを下位アドレスとすることで、補正データを読み出す補正データアドレスを算出する。

ステップ８３ｂの暗電流補正値取得処理において、補正処理回路７１は、ステップ８３ａにおいて算出された補正データアドレスをＬＵＴ７３に供給し、ＬＵＴ７３から、そのアドレスに対応するデータを取得する。

ステップ８３ｃのデータ長変換処理において、補正処理回路７１は、ＬＵＴ７３から読み出されたデータのビット数を所定ビット数（１０ビット）に変換する。具体的には、補正処理回路７１は、ＬＵＴ７３から読み出された８ビットのデータに、２ビットの”００”を加えて、１０ビットのデータを生成する。

ステップ８４のデータ出力処理において、補正処理回路７１は、ステップ８３において生成されたデータを画素データとして出力する。

一方、ステップ８２において、オフセット補正処理後のデータが低照度領域に含まれない場合、補正処理回路７１はステップ８４に移行し、そのステップ８４において補正後のデータを画素データとして出力する。

第二実施形態の撮像装置６０も、第一実施形態と同様の利点を有する。

尚、上記各実施形態は、以下の態様に変更してもよい。

・第一実施形態において、低照度領域誤差データテーブル３４が画像セル毎のテーブルを含んでもよい。また、第二実施形態において、ＬＵＴ７３が画像セル毎のテーブルを含んでもよい。

・各実施形態では、低照度領域誤差データテーブル３４、ＬＵＴ７３に、各画像セルＣａの出力信号を所定の特性（例えば平均値）に補正するための演算式（演算式の係数）を記憶し、その演算式を用いて低照度領域におけるデータを補正してもよい。

・各実施形態において、画像セルＣａを構成するトランジスタの数を適宜変更してもよい。

Claims (5)

1. 撮像装置であって、
   複数の画像セルを含み、各画像セルに入射される入射光量に対して対数特性を持つ画素信号を生成する固体撮像部と、
   前記画素信号を補正するための第１補正データを記憶する第１記憶部と、
   相対的に少ない前記入射光量を有する少なくとも１つの前記画像セルを含む低照度領域において生成された前記画素信号を補正するための第２補正データを記憶する第２記憶部と、
   前記第１補正データに基づいて前記画素信号を補正し、第１画素データを生成する第１補正手段と、
   前記第２補正データに基づいて前記第１画素データを補正し、第２画素データを生成する第２補正手段と、
   を備える撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置において、
   前記第２記憶部は、前記複数の画像セルの数よりも少ない数のテーブルを前記第２補正データとして含み、
   前記第１補正データは、前記各画像セルを複数の前記テーブルの何れか一つに関連づけるテーブル番号と、前記第１画素データが前記複数の画像セル間において一致するように前記画素信号を補正するためのオフセット値とを含む、撮像装置。
3. 請求項１又は２記載の撮像装置は更に、
   前記第１画素データが前記低照度領域に含まれるか否かを判断する判断手段を備え、
   前記判断手段は、前記第１画素データが前記低照度領域に含まれる場合は前記第１画素データを前記第２補正手段に供給し、前記第１画素データが前記低照度領域に含まれない場合は前記第１画素データを前記撮像装置の出力データとして決定する、撮像装置。
4. 複数の画像セルを含む固体撮像部によって生成された画素信号であって、各画像セルに入射された入射光量に対して対数特性を持つ画素信号を補正する信号処理装置であって、
   前記画素信号を補正するための第１補正データを記憶する第１記憶部と、
   相対的に少ない前記入射光量を有する少なくとも１つの前記画像セルを含む低照度領域において生成された前記画素信号を補正するための第２補正データを記憶する第２記憶部と、
   前記第１補正データに基づいて前記画素信号を補正し、第１画素データを生成する第１補正手段と、
   前記第２補正データに基づいて前記第１画素データを補正し、第２画素データを生成する第２補正手段と、
   を備える信号処理装置。
5. 複数の画像セルを含む固体撮像部によって生成された画素信号であって、各画像セルに入射された入射光量に対して対数特性を持つ画素信号を補正するための方法であって、
   第１補正データに基づいて前記画素信号を補正し、第１画素データを生成する工程と、
   相対的に少ない前記入射光量を有する少なくとも１つの前記画像セルを含む低照度領域において生成された前記画素信号を補正するための第２補正データに基づいて前記第１画素データを補正し、第２画素データを生成する工程と、
   を備える方法。

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