WO2002091736A1 - Unite de correction de sortie d'un capteur d'image - Google Patents

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WO2002091736A1
WO2002091736A1 PCT/JP2002/003089 JP0203089W WO02091736A1 WO 2002091736 A1 WO2002091736 A1 WO 2002091736A1 JP 0203089 W JP0203089 W JP 0203089W WO 02091736 A1 WO02091736 A1 WO 02091736A1
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sensor
output
transistor
time
pixel
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PCT/JP2002/003089
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Sukeyuki Shinotsuka
Atsushi Nakajima
Hironari Watanabe
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Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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Publication date
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    • H04N25/571—Control of the dynamic range involving a non-linear response
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    • H04N3/10—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical
    • H04N3/14—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices
    • H04N3/15—Scanning details of television systems; Combination thereof with generation of supply voltages by means not exclusively optical-mechanical by means of electrically scanned solid-state devices for picture signal generation
    • H04N3/155—Control of the image-sensor operation, e.g. image processing within the image-sensor
    • H04N3/1568—Control of the image-sensor operation, e.g. image processing within the image-sensor for disturbance correction or prevention within the image-sensor, e.g. biasing, blooming, smearing

Definitions

  • the present invention relates to an output correction device of an image sensor for correcting a variation in output of each pixel in a MOS type image sensor.
  • a photosensor circuit for one pixel includes a photosensor as a photoelectric conversion element that generates a sensor current corresponding to the amount of incident light Ls.
  • a transistor Q2 that amplifies the signal and a transistor Q3 that outputs a sensor signal Vo at the same time as the readout signal Vs, and expands the dynamic range to detect optical signals with high sensitivity. Can be done.
  • the logarithmic output characteristic is exhibited when the sensor current flowing through the photodiode PD is large according to the amount of incident light, but when the sensor current is small, the photodiode PD is displayed.
  • the response of the charging of the parasitic capacitance C is delayed, so that a nearly linear non-logarithmic output characteristic is exhibited.
  • WA indicates a non-logarithmic response region
  • WB indicates a logarithmic response region.
  • Io indicates the sensor current at the time corresponding to the dark current flowing through the photodiode PD when there is no incident light.
  • offset correction is performed so that the output of each pixel at the dark time (Io) matches.
  • the gain is corrected so that the slopes of the output characteristics of the respective pixels become uniform in the bright state where light is incident.
  • dispersion of the output characteristics of each pixel is corrected in the reverse procedure.
  • Offset correction and gain correction must be performed so that the output levels of each pixel in the dark and the light are the same.
  • each sensor signal V o is not uniform due to variations in output characteristics and variations in temperature characteristics due to the configuration of each pixel. It is not possible to obtain the output in the dark or light during shooting.
  • each pixel is actually output using the memory in which the offset correction value and the multiplier for gain correction according to the variation state of the pixel are set in a table in advance.
  • the output characteristics of each pixel are properly aligned (Japanese Patent Application No. 2000-404931, Japanese Patent Application No. 2000-404933, (See Japanese Patent Application No. 2001-75035 and Japanese Patent Application No. 2001-75036).
  • an image sensor using an optical sensor circuit that converts a sensor current flowing through a photoelectric conversion element into a voltage signal by an M ⁇ S-type transistor that operates in a weak inversion state according to the amount of incident light is not suitable for an image sensor using a pixel unit. Even if the output characteristics of each pixel are corrected before use and the output characteristics are properly adjusted, the output level of each pixel fluctuates non-uniformly during subsequent use. There is a problem that the image quality is reduced.
  • the present invention converts a sensor current flowing through a photoelectric conversion element into a voltage signal with a logarithmic characteristic in a weak inversion state using characteristics of a sub-threshold region of a transistor according to the amount of incident light at the time of imaging, and performs the conversion.
  • an image sensor that uses a photosensor circuit that outputs a sensor signal that is the same as the output voltage signal in pixel units, the output state during light is simulated without actually inputting light. It makes it possible to correct variations in the output characteristics of each pixel. Therefore, in a state where the incident light to the photoelectric conversion element is cut off, the sensor output when the gate voltage and the drain voltage of the transistor are switched to values lower than the steady values at the time of photographing is used for each pixel. Means for correcting output variations are provided.
  • the present invention also provides a method of converting a sensor current flowing through a photoelectric conversion element into a voltage signal with logarithmic characteristics in a weak inversion state using characteristics of a sub-threshold region of a transistor in accordance with the amount of incident light at the time of image capturing.
  • an image sensor that uses a photosensor circuit that outputs a sensor signal corresponding to the applied voltage signal on a pixel-by-pixel basis, it can simulate the dark and bright output states without actually entering light. This makes it possible to correct variations in the output characteristics of each pixel.
  • the first sensor signal when the gate voltage and the drain voltage of the transistor are set to the steady values at the time of photographing with the incident light to the photoelectric conversion element being cut off, and the gate of the transistor Voltage and drain voltage A means is provided for correcting the variation in the output of each pixel using the second sensor signal when the value is switched to a lower value.
  • the present invention converts a sensor current flowing through the photoelectric conversion element into a voltage signal having a logarithmic characteristic in a weak inversion state using characteristics of a sub-threshold region of the transistor in accordance with the amount of incident light during imaging,
  • the gate voltage of the transistor is switched to a value higher than a steady value at the time of shooting.
  • a sensor signal when the gate voltage of the transistor is switched to a value higher than a steady value at the time of photographing is made to correspond to a sensor output at the time of darkness at the time of photographing. Offset correction is performed so that the output levels of the pixels at the time are uniform.
  • the gate voltage of the transistor is switched to a ⁇ ⁇ value from a steady value at the time of photographing to make the transistor conductive, and a sensor signal when the drain voltage of the transistor is a steady value is obtained.
  • the sensor signal when the drain voltage of the transistor is switched to a value lower than the steady-state value corresponds to the sensor output in the light during shooting, and the darkness of each pixel is The output is corrected so that the output levels at the time and at the time of light are aligned.
  • the present invention makes it possible to more accurately correct the variation in the output of each pixel.
  • the gate voltage of the transistor is switched to a value higher than a steady value at the time of photographing to make the transistor conductive.
  • the drain voltage of the transistor is set so that the sensor signal at the time when the gate voltage becomes a steady value is obtained according to the sensor signal at the time of darkness.
  • Means are provided for correcting the variation in the output of each pixel by using the sensor signal when the voltage is switched to a value higher than the steady value at the time of photographing.
  • the present invention makes it possible to more accurately correct the variation in the output of each pixel. ..
  • the gate voltage of the transistor is switched to a value higher than the steady value at the time of photographing, and the transistor is switched.
  • the drain voltage of the transistor is set so that the sensor signal when the transistor is turned on becomes a value corresponding to the sensor signal at the time of darkness obtained when the gate voltage is a steady value, and thereafter, with the set voltage,
  • the sensor signal when the transistor is turned on corresponds to the sensor output in the dark at the time of shooting, and the sensor signal when the drain voltage of the transistor is switched to a value lower than the set value is used for shooting.
  • the output correction is performed so that the output levels of the pixels at the time of darkness and at the time of lightness correspond to each other in accordance with the sensor output at the time of light.
  • the present invention provides an image sensor using an optical sensor circuit for converting a sensor current flowing through a photoelectric conversion element in accordance with an incident light amount into a voltage signal by a MOS transistor operating in a weak inversion state, on a pixel basis. If the output level of each channel fluctuates during use, the fluctuation is calculated according to the output state of the sensor signal at each pixel at that time, and the Based on the output level at the time of high-brightness light that becomes saturated (offset), off-sessit correction for the fluctuation is performed.
  • a sample-and-hold circuit that temporarily holds a normal-time sensor signal read out in time series from each pixel, and the drain voltage of the transistor in the corresponding pixel is temporarily changed from the normal voltage value.
  • Means are provided for performing offset correction of a preset reference signal at the time of light, so that the output levels of the sensor signal at each pixel are properly aligned.
  • FIG. 1 is an electric circuit ⁇ showing an optical sensor circuit for one pixel used in the image sensor according to the present invention.
  • FIG. 2 is a time chart of signals of each part in the optical sensor circuit.
  • FIG. 3 is a graph showing an output characteristic of a sensor signal with respect to a sensor current flowing through the photodiode of the optical sensor circuit.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a variation state of output characteristics of each pixel in an image sensor using the photosensor circuit for the pixel.
  • FIG. 5 is a diagram showing output characteristics of a sensor signal read at a predetermined timing when the amount of incident light in the optical sensor circuit is small when initialization is not performed.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of an image sensor according to the present invention.
  • FIG. 7 is a time chart of signals of each part in the image sensor.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a configuration example of an image sensor output correction device according to the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a process in an output correction circuit by the output correction device for an image sensor according to the present invention.
  • FIG. 10 is a characteristic diagram showing an example of a variation state of output characteristics of a sensor signal coming from the configuration of each pixel in the image sensor.
  • FIG. 11 is a characteristic diagram showing the result of off-secite correction of the sensor signal of each pixel having the variation of the output characteristic shown in FIG.
  • a 1221 is a characteristic diagram showing a result of offset correction and gain correction of the sensor signal of each pixel having the variation of the output characteristic shown in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing another example of the processing flow in the output correction circuit of the image sensor output correction device according to the present invention.
  • FIG. 14 is a characteristic diagram showing another example of a variation state of output characteristics of a sensor signal coming from the configuration of each pixel in the image sensor.
  • FIG. 15 is a characteristic diagram showing the result of offset correction of the sensor signal of each pixel having the variation in the output characteristics shown in FIG.
  • FIG. 16 is a characteristic diagram showing the results of offset correction and gain correction of the sensor signal of each pixel having the variation in the output characteristics shown in FIG.
  • FIG. 17 is a diagram showing still another example of the processing flow in the output correction circuit of the image sensor output correction device according to the present invention.
  • FIG. 18 is a characteristic diagram showing still another example of a variation state of output characteristics of a sensor signal coming from the configuration of each pixel in the image sensor.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing a difference between a sensor output when the sensor output is set to “ON” and an actual sensor output when the sensor is turned ON.
  • Figure 20 shows the difference between the sensor output when the transistor for logarithmic characteristic conversion in the optical sensor circuit is turned on and the actual sensor output in the dark when initialization for suppressing image lag is performed.
  • FIG. 21 is a block diagram showing an example of a basic configuration of an image sensor according to the present invention.
  • FIG. 22 is a block diagram showing an embodiment of an image sensor output correction device according to the present invention.
  • FIG. 23 is a timing chart of each signal in the output correction device of the image sensor.
  • the image sensor according to the present invention basically uses the optical sensor circuit shown in FIG. 1 described above for each pixel.
  • the photosensor circuit uses a photodiode PD as a photoelectric conversion element that generates a sensor current corresponding to the amount of incident light Ls, and a sensor current flowing through the photodiode PD.
  • the characteristics of the sub-threshold region are used.
  • the transistor Q1 converts the voltage signal Vpd to a voltage signal Vpd with a logarithmic characteristic in the weakly inverted state, the transistor Q2 amplifies the converted voltage signal Vpd, and the sensor signal Vo with the pulse timing of the read signal Vs.
  • a transistor Q3 that outputs In that case, the value of the gate voltage VG of the transistor Q1 is set to be equal to or lower than its drain voltage VD.
  • the optical sensor circuit when the incident light Ls is incident on the photodiode PD with a sufficient amount of light, a sufficient sensor current flows through the transistor Q1, and the resistance of the transistor Q1 is also very large. Since there is no image signal, the optical signal can be detected with a sufficient response speed so as not to cause an afterimage as the image sensor.
  • the transistor Q1 When the current decreases by one digit, the resistance is set to increase by one digit, so the resistance of transistor Q1 increases and the time constant of the parasitic capacitance C of photodiode PD decreases. As it becomes larger, it takes time to discharge the charge stored in the parasitic capacitance C. Therefore, as the amount of the incident light Ls decreases, the afterimage is observed over a long period of time.
  • V p d ′ indicates a voltage signal inverted and amplified by the amplifying transistor Q 2.
  • the drain voltage VD of the transistor Q 1 is set lower than a steady value for a predetermined time to reduce the parasitic capacitance C of the photodiode PD.
  • FIG. 2 shows a time chart of signals of each part in the optical sensor circuit at that time.
  • t1 indicates the timing of initialization
  • t2 indicates the timing of optical signal detection.
  • the predetermined time tm for switching the drain voltage VD of the transistor Q1 from a steady value (high level!) To a low voltage (low level L) is, for example, when the reading speed of one pixel is about 100 nsec. It is set to about 5 ⁇ sec.
  • T indicates the accumulation period of the parasitic capacitance C of the photodiode PD, and the accumulation period T is about 1 to 30 sec (or 1 to 60 sec) for NTSC signals.
  • the MOS transistor Q1 If the potential difference between the gate voltage VG and the drain voltage VD of the MOS transistor Q1 is larger than the threshold value, the MOS transistor Q1 enters a low-resistance state, and charging starts at the junction capacitance C of the photodiode diode PD. .
  • the output voltage (terminal voltage of the photodiode PD) Vpd is a value corresponding to the amount of incident light Ls. That is, after the initialization, a discharge characteristic with a constant time constant following the change in the amount of incident light Ls is obtained.
  • FIG. 6 shows a configuration of an image sensor in which a plurality of pixels are arranged in a matrix in such a manner that the optical sensor circuit is a pixel unit, and the sensor signal of each pixel is read out in time series. An example is shown.
  • the basic configuration of the image sensor is as follows. For example, a 4 ⁇ 4 pixel composed of D]. 'Selection by the selection signals LS1 to LS4 sequentially output from the element selection circuit 1 and selection of each pixel in the selected pixel row from the element selection circuit 2 Each of the corresponding switches SW1 to SW4 in the switch group 3 is sequentially turned on by the signals DS1 to DS4, so that the sensor signal ⁇ Vo of each pixel is read out in time series. Let's be done.
  • reference numeral 4 denotes a power supply for the gate voltage VG of the transistor Q1 in each pixel
  • reference numeral 6 denotes a power supply for the drain voltage VD.
  • the selection of the pixel line for each one line is switched with a predetermined timing to a high level H in a steady state and a low level L in an initialization.
  • a voltage switching circuit 5 is provided.
  • the pixel row selection signal ⁇ LS1 becomes high level H
  • the corresponding first row of Dl1, D12, D13, D14 is selected.
  • the image selection signals DS1 to DS4 are sequentially turned to the high level IU, and each of the pixels D11, D12, D 1 3, the sensor SV o of D 1 is sequentially read out.
  • the pixel selection signal LS 1 goes to the low level L and the next LS 2 goes to the high level 1 !, the corresponding D 2 1 , D 22, D 23, and D 24 are selected.
  • the pixel selection signals ⁇ S 1 to DS 4 are sequentially at the high level H, and each pixel D 21, D 22, D 23, the sensor signal V o of D 2 is sequentially read.
  • the screen column selection ⁇ LS and S4 are continuously at a high level, and the corresponding third and '1st screen columns are sequentially selected, and LS3 and LS4 are selected.
  • Each of the pixels is at high level--During the fixed period T1, the pixel selection signals DS1 to DS4 sequentially become high level H, and each pixel D31, D32, D33, D34, etc. And D 41, D '12, D 43, and D 44 sensor signals V ⁇ are sequentially read.
  • each pixel D 1 1, D 1 2 in the currently selected pixel sequence of ⁇ 1 , D13, D14, the drain voltage VD1 is switched from the high level ⁇ to the low level L up to that time for a predetermined time ⁇ 2, and each pixel is initialized, thereby completing one cycle period.
  • the drain voltage VDX is switched to the low level L and the initialization is performed.
  • the initialization may be performed during the pause period of the pixel column selection when the pixel column selection signal LSX is in the low level L state.
  • the timing of the generation of the above-described signals of each section is determined by driving the pixel column selection circuit 1, the pixel selection circuit 2, and the voltage switching circuit 5 under the control of an ECU (not shown). I have.
  • Image sensors with logarithmic output characteristics with a wide dynamic range can be realized.
  • the image sensor configured as described above, in order to correct unevenness in the output level of the sensor signal V o in each pixel due to the variation in output characteristics due to the configuration of the optical sensor circuit, Using the sensor output obtained when the gate voltage VG and the drain voltage VD of the transistor Q1 for logarithmic characteristic conversion are switched to values lower than the steady-state values during imaging with the light Ls being cut off, Means for correcting the variation in the output of each pixel is provided.
  • the present invention is directed to an image sensor configured as described above, in order to correct irregularities in the output level of the sensor signal Vo in each pixel due to variations in output characteristics due to the configuration of the optical sensor circuit.
  • Sensor output A obtained when the gate voltage VG and drain voltage VD of the transistor Q 1 are set to the steady-state values VG a, VD a at the time of photographing, and the corresponding transistor.
  • sensor output B obtained when the gate voltage VG and drain voltage VD of Q1 are switched to values VGb and VDb lower than the steady-state values at the time of shooting, correct the output variation of each pixel Means are provided.
  • the sensor output A is made to correspond to the dark sensor signal at the time of shooting, offset correction is performed so that the output level of each pixel in darkness becomes uniform, and the sensor output B is set to the sensor at the time of shooting at the time of light.
  • the gain is corrected so that the output level of each pixel at the time of light becomes uniform.
  • the sensor output becomes A when VGa ⁇ VDa, and becomes the sensor output B when VGbVDb.
  • the range in which the gate voltage VG and the drain voltage VD of the transistor Q1 are switched to values lower than the steady value at the time of shooting is set from zero to a value lower than the steady value by the threshold voltage Vth of the transistor Q1. Is done. That is, the relationship is as follows: VGb ⁇ 0 to (VGa ⁇ Vth) and VDb ⁇ 0 to (VDa ⁇ Vth).
  • Switching between VGa and VGb is performed by a voltage switching circuit 7 provided in the configuration of the image sensor shown in FIG. 6 and provided so that the power supply voltage of the VG power supply 4 can be switched. Will be performed under the control of the ECU. Switching between VD a and VD b requires switching the power supply voltage of VD power supply 6. The operation is performed under the control of the ECU in the voltage switching circuit 5 provided so as to perform the operation.
  • the variation in the output characteristics of each pixel is corrected without actually causing light to enter the image sensor.
  • correcting the variation in output characteristics of each pixel by obtaining the dark and light sensor signals of each pixel while making the light incident, it is not possible to make uniform light incident on each pixel while switching frequently. It does not cause the problem of illuminance unevenness due to the light source at all .. It is possible to accurately correct the variation in the output characteristics of each pixel.
  • the variation of the output characteristics of each pixel due to aging can be corrected at any time without using a light source. Further, according to the present invention, in the case where the output correction of a large number of image sensors is performed simultaneously, it is not necessary to prepare a large number of light sources and increase the number of facilities.
  • the unevenness of the output level of the sensor signal Vo in each pixel due to the variation of the output characteristic due to the configuration of the optical sensor circuit is corrected.
  • the gate voltage VG of the transistor Q1 for logarithmic characteristic conversion is switched to a value higher than the steady-state value at the time of shooting, and the sensor signal when the transistor Q1 is turned on is used. Means for correcting output variations are provided.
  • the output level of each pixel in the dark state is set in correspondence with the sensor signal when the gate voltage VG of the transistor Q1 is switched to a value higher than the steady value at the time of shooting and the sensor output at the time of shooting. Offset correction is performed so that they are aligned.
  • the gate voltage VG of the transistor Q1 for logarithmic characteristic conversion is switched to a value higher than the steady value at the time of photographing, resulting in a conduction state. Then, the drain voltage VD of the transistor Q1 is directly applied to the gate of the transistor Q2 for amplification at the next stage, and the fluctuation of the threshold voltage of the transistor Q1 is canceled. Then, the sensor output at that time corresponds to the output at the time.
  • the transistor Q1 for logarithmic characteristic conversion becomes conductive, and the sensor output when the drain voltage VD of the transistor Q1 is directly applied to the gate of the transistor Q2 for amplification at the next stage. If it is assumed that the output corresponds to the output in the dark, the following problems occur.
  • the transistor Q1 and the photodiode PD have ideal characteristics.In fact, even though no light is incident on the photodiode PD, a dark current flows, As shown in FIG. 19, the sensor output when the transistor Q1 is turned on is different from the actual output when the transistor Q1 is turned on. In the figure, a shows the ideal hourly output, and b shows the actual dark output.
  • the difference in the dark output is, as shown in FIG. 20, in order to suppress the afterimage, before reading the sensor signal V o, the drain voltage VD of the transistor Q1 is reduced from the steady value for a predetermined time. If the initialization is performed with a low setting, the difference is even greater.
  • c indicates the dark output when the afterimage is suppressed by the initialization.
  • the gate voltage VG of the transistor Q1 for logarithmic characteristic conversion when switched to a value higher than the steady value at the time of shooting to make it conductive, a sensor corresponding to an appropriate dark output
  • the drain voltage VD of the transistor Q1 is variably adjusted so as to obtain an output.
  • the value of the actual sensor output at the time before the output correction is performed is memorized, and the gate voltage VG of the transistor Q1 is switched to a higher value than the steady value at the time of photographing to set the transistor Q1.
  • Set the drain voltage VD of transistor Q1 so that the sensor output when 1 becomes conductive will be the value previously stored.
  • the value stored at each correction is used. May be the same as the average value. And .. After that the output correction
  • the output correction value is calculated based on the sensor output at this time, the output correction at the time when the initial values are uniform can be performed. Changing the drain voltage V D of the transistor Q 1 also matches the operating point for the next-stage amplification transistor Q 2.
  • switch the transistor Q1 so that when the gate voltage VG of the transistor Q1 is switched to a higher value than the steady value at the time of imaging and the transistor Q1 is turned on, the sensor output becomes the previously stored value.
  • the power supply voltage of the VG power supply 4 and the VD read power supply 6 is switched under the control of an ECU (not shown) in the configuration of the image sensor shown in FIG. This is performed by driving the voltage switching circuit 7 and the voltage switching circuit 5 that are provided so as to be able to operate.
  • the unevenness of the output level of the sensor signal Vo in each pixel due to the variation of the output characteristic due to the configuration of the optical sensor circuit is corrected.
  • the gate voltage VG of the transistor Q1 for logarithmic characteristic conversion is switched to a value higher than the steady-state value at the time of shooting, and the sensor signal when the transistor Q1 is turned on is used.
  • Means for correcting output variations are provided. -At that time, the gate voltage VG of the transistor Q1 is switched to a value higher than the steady value at the time of shooting to make it conductive, and the sensor signal when the drain voltage VD of the transistor Q1 is the steady value is output.
  • the actual sensor output value at the time of darkness before the output correction is stored, and the gate voltage VG of the transistor Q1 is switched to a higher value than the steady value at the time of shooting to set the transistor Q1.
  • Set the drain voltage VD of transistor Q1 so that the sensor output when 1 becomes conductive will be the value previously stored. At this time, even if the sensor output when the transistor Q1 is turned on becomes almost the same as the previously stored value, if the output correction is to be repeated, it is stored at each correction. It may be set to be the same as the average value of the calculated values.
  • the sensor at the time of light, in which light from each pixel is incident due to variation in output characteristics due to the configuration of the optical sensor circuit.
  • the transistor when the transistor Q 1 is turned on and the drain voltage VD of the transistor Q 1 is switched to a value lower than the steady value (or the set value).
  • the output is made to correspond to the sensor signal at the time of light at the time of photographing, and the output is corrected so that the output level at the time of light at each pixel becomes uniform.
  • the output state at the time of light is simulated regardless of the actual light incident state on the image sensor to correct the variation in the output characteristics of each pixel. Will be able to do it.
  • means for switching the gate voltage VG of the transistor Q1 to a value higher than the steady value at the time of shooting and means for switching the drain voltage VD to a value lower than the steady value at the time of shooting are as follows. In the configuration of the image sensor shown in FIG. 6, this is performed by driving the voltage switching circuits 5 and 7 under the control of an ECU (not shown).
  • FIG. 8 is a diagram for correcting variations in output characteristics of each pixel in the image sensor. 2 shows a specific configuration.
  • the ECU 9 performs drive control for reading out the image sensor 8 and the sensor signal of each pixel in time series, and the sensor signal Vo of each pixel output in time series from the image sensor 8 is converted into a digital signal.
  • An AD converter 10 to be converted and an offset correction value OFS and a multiplier MLT for gain correction according to the characteristics of each pixel are set in advance.
  • Memory 11 that reads a predetermined offset correction value OFS and multiplier MLT in accordance with the address (X, Y) signal ADDRESS, and the offset correction value 0 FS and multiplier MLT read from that memory 11
  • An output correction circuit 12 that performs each processing of off-segment correction and gain correction of the sensor signal DS converted into a digital signal.
  • the sensor signal Vo of each pixel output in time series from the image sensor 8 is, as described above, each pixel at VGa and VDa with the incident light to the image sensor 8 cut off or cut off.
  • the sensor output A and the sensor output B at VGb and VDb are adopted.
  • FIG. 10 shows an example of a variation state of the output characteristics of the sensor signals A, B, and C coming from the configuration of three pixels.
  • the sensor current value Im corresponding to the threshold value H of the pixel output is a point at which the sensor signal signals A, B, and C of each pixel are switched from the non-logarithmic response area WA to the logarithmic response area WB. Is shown. Io indicates the sensor current in the dark.
  • the shape of the output characteristic of the sensor signal of each pixel in such a non-logarithmic response area WA is almost the same, and the slope of the output characteristic of the sensor signal of each pixel in the logarithmic response area WB has a different slope. This shows a case where output correction is performed.
  • Information on the point at which each sensor signal switches from the non-logarithmic response area WA to the logarithmic response area WB and the pixel output at the time are used as parameters of each pixel.
  • FIG. 9 shows a processing flow in the output correction circuit 12.
  • An offset correction value OFS is set in the memory 11 so that the pixel output becomes H when the sensor current is Im. Then, the offset correction unit 1 2 1 Then, the offset correction of the sensor signal DS converted into the digital signal of each pixel is performed by performing the addition and subtraction processing using the offset correction value OFS, as shown in FIG.
  • the characteristics of the non-logarithmic response area WA in signals A, B, and C are matched.
  • the gain correction unit 122 performs a multiplication process for gain correction on the logarithmic response region WB equal to or larger than the threshold value H.
  • the following calculation is performed, and the calculation result is output as the output-corrected sensor signal DS2.
  • the offset-corrected sensor signal DS 1 is smaller than the threshold value H, that is, if the sensor signal DS 1 is in the non-logarithmic response area WA, the off-cesitated sensor signal DS 1 is left as it is. Is output as the output-corrected sensor signal DS2.
  • FIG. 14 shows another example of the variation in the output characteristics of the sensor signals A, B, and C coming from the configuration of the three pixels.
  • the output correction of the image sensor is performed when the output characteristics of the sensor signals in the logarithmic response region WB have almost the same slope and the output characteristics of the sensor signals in the nonlogarithmic response region WA have different shapes. This shows a case where the operation is performed.
  • FIG. 13 shows a processing flow in the output correction circuit 12.
  • an offset correction value OFS is set such that the pixel output becomes H when the sensor current is Im. Then, the offset correction unit 122 1 performs an addition and subtraction process using the off-segment correction value ⁇ FS, thereby obtaining each image.
  • the sensor signal DS converted to a raw digital signal is subjected to off-segment correction, the characteristics of the logarithmic response area WB of the sensor signals A, B, and C of each pixel are matched as shown in FIG. become.
  • the gain correction unit 112 performs a multiplication process for gain correction on the non-logarithmic response area WA below the threshold value H.
  • the offset-corrected sensor signal DS 1 is equal to or lower than the threshold value H, and if the force is equal to or lower than the threshold value H, that is, the sensor signal DS 1 is in the non-logarithmic response region. If it is in WA, using a predetermined multiplier MLT for gain correction read from memory 10,
  • the offset-corrected sensor signal DS1 is larger than the threshold value H, that is, if the sensor signal DS1 is in the logarithmic response region WB, the offset-corrected sensor signal DS1 remains unchanged. 1 is output as the sensor signal DS2 whose output has been corrected.
  • the 18th image shows still another example of the variation in the output characteristics of the sensor signals A, B, and C coming from the configuration of each pixel in the image sensor 8.
  • the slopes of the output characteristics of the sensor signals A, B, and C in the logarithmic response region WB are different from each other, and the shapes of the output characteristics of the sensor signals A, B, and C in the nonlogarithmic response region WA are different from each other. Is shown.
  • each processing shown in FIG. 9 and FIG. Offset correction and gain correction of sensor signals A, B, and C are sequentially performed so that sensor signal DS2 'with the same characteristics of nonlogarithmic response area WA and logarithmic response area WBA can be obtained.
  • the present invention is capable of performing the offset correction for the fluctuation of the output level of the sensor signal Vo of each pixel read out in time series from the image sensor shown in FIG. 21 at any time.
  • FIG. 22 shows a configuration example of an output correction device of the image sensor in that case.
  • a sample-and-hold circuit 8 for temporarily holding a normal sensor signal Vo read out in time series from the image sensor 7 and a drain voltage VD of the transistor Q1 in the corresponding pixel are temporarily set to a steady value (high level).
  • AV (Vo (h) -Vo) between the pseudo-bright output signal Vo () obtained by lowering the threshold value V th by the threshold value and the sensor signal Vo sampled and held earlier a circuit 9, its as an offset value the difference delta tau obtained is constituted by an arithmetic circuit 1 0 performing an offset correction by subtracting the reference signal Vs corresponding to the time preset bright output.
  • each unit Under the control of an ECU (not shown), each unit operates at a predetermined timing.
  • FIG. 23 shows a time chart of signals of various parts in the output correction device for an image sensor configured as described above.
  • the pseudo-bright output signal Vo (h) obtained at this time is supplied to the arithmetic circuit 9, and an off-set value based on a difference from the previously sampled and held sensor signal Vo is obtained and set in the arithmetic circuit 10 in advance.
  • the offset correction of the reference signal Vs corresponding to the bright output is performed, and the sensor signal Vo 'whose offset is corrected is output at the timing of t4. Note that such offset correction of the sensor signal Vo read out in time series from the image sensor 7 is always performed.
  • the sensor current flowing through the photoelectric conversion element according to the amount of incident light at the time of image capturing is a voltage signal having a logarithmic characteristic in a weak inversion state using characteristics of a sub-selection region of a transistor.
  • Image sensor using an optical sensor circuit for each pixel, which outputs a sensor signal corresponding to the converted voltage signal, in a state where incident light to the photoelectric conversion element is cut off.
  • Means are provided for correcting the variation in the output of each pixel by using the sensor output when the gate voltage and drain voltage of the transistor are switched to values lower than the steady values at the time of photographing. It is possible to simulate the output state at the time of light without actually inputting light to easily correct the variation in output characteristics of each pixel. I will be able to.
  • the sensor current flowing through the photoelectric conversion element according to the amount of incident light at the time of photographing is applied to a voltage having a logarithmic characteristic in a weak inversion state using characteristics of a subthreshold region of the transistor.
  • incident light to the photoelectric conversion element is cut off.
  • the means for correcting the variation in the output of each pixel is provided by using the second sensor signal when the value is switched to a lower value, the actual In this case, it is possible to simulate the output states at the time of light and at the time of light without making light incident, and to easily correct the variation in the output characteristics of each pixel.
  • the incident light at the time of shooting is The sensor current flowing through the photoelectric conversion element is converted into a voltage signal with a logarithmic characteristic in a weak inversion state using the characteristics of the sub-threshold region of the transistor according to the amount, and the sensor signal according to the converted voltage signal
  • a sensor signal is used when the gate voltage of the transistor is switched to a value higher than the steady-state value at the time of imaging and the transistor is turned on.
  • the present invention also relates to the image sensor, wherein the gate voltage of the transistor for logarithmic characteristic conversion is switched to a value higher than a steady value at the time of imaging, and the transistor is turned on.
  • the drain voltage of the transistor is set so that the signal becomes a value corresponding to the sensor signal at the time obtained when the gate voltage is a steady value, and thereafter, the gate voltage of the transistor is set in the set state.
  • the gate voltage and the drain voltage of the transistor for logarithmic characteristic conversion are switched to lower values than the steady-state values at the time of photographing in a state where incident light to the photoelectric conversion element is cut off.
  • the sensor current flowing through the photoelectric conversion element according to the amount of incident light at the time of photographing is applied to a voltage having a logarithmic characteristic in a weak inversion state using characteristics of a subthreshold region of the transistor.
  • the gate voltage of the transistor is set to a steady state during imaging. The transistor signal when the drain voltage of the transistor is at a normal value to the sensor output at the time of photographing.
  • the output of the sensor when the drain voltage of the transistor is switched to a value lower than the steady value corresponds to the sensor output in the dark at the time of shooting, and the output of each pixel in the dark and light Since a means is provided to perform output correction so that the levels are aligned, it is possible to simulate the output state at the time of lighting and to easily correct the variation in the output of each pixel. become able to. Also, the present invention provides a sensor signal in the image sensor when the gate voltage of a transistor for logarithmic characteristic conversion is switched to a value higher than a steady value at the time of photographing to make the transistor conductive.
  • the sensor signal is made to correspond to the sensor output at the time of shooting, and the sensor output when the drain voltage of the transistor is switched to a value lower than the steady value is made to correspond to the sensor output at the time of shooting. Since a means is provided to perform output correction so that the output levels of the pixels at the time of light and at the time of light are aligned, the output of each pixel varies. Key it is possible to Ho ⁇ the more accurately.
  • an optical sensor that converts a sensor current flowing through a photoelectric conversion element into an electric signal by a MOS transistor that operates in a weak inversion state according to the amount of incident light.
  • a normal sensor signal read in time series from each pixel is sampled and held, and the drain voltage of the transistor in the corresponding pixel is temporarily set to a normal time.
  • a pseudo-bright output signal is obtained by lowering the voltage value by a threshold value than the voltage value of, and the difference between the obtained pseudo-bright output signal and the previously sampled and held sensor signal is used as an offset value to set a preset brightness value.
  • the offset correction of the reference signal at the time is performed, so that the output level of the sensor signal in each pixel is properly aligned. It is possible to always obtain high quality captured images.

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Description

明 細 書 イメージセンサの出力補正装置
技術分野
本発明は、 M O S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 るィメージセンサの出力補正装置に関する。
背景技術
従来、 M O S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 L s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 P Dと、 そのフォトダイオード P D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つて 電圧信号 V p dに変換するトランジスタ Q 1と、 その変換された電圧信号 V p d を増幅するトランジスタ Q 2と、 読出し信号 V sのハレスタィミングでもつてセ ンサ信 V oを出力する卜ランジスタ Q 3とによつて構成され、 ダイナミジクレ ンジを拡大して光信 'の検出を高感度で行わせることができるようになつている。 そして、 トランジスタ Q 1のドレィン電圧 V Dを所定時間だけ定常値よりも低く 設定することにより、 フ才トダイオード P D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 L sの光量に応じた電圧信号 V p d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 2 0 0 0— 3 2 9 6 1 6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 P D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ォード P D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つている。 図中、 WAは非 対数応答領域を示し、 W B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、 I oは入射光がないときにフ才トダイオード P Dに流れる暗電流に応じた喑時の 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、 入射光をしや断した喑時の状態で、 各画素の暗時 （I o ) 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や断したり入射したりしながら各画素の喑 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つ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リ、 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 光をしや断したり、 入射したりしながら各画素の暗時おょぴ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ッキに起因して、 各センサ信号 V o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 に暗時おょぴ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ォフセツト補正およぴゲイン補正を行わせることによ リ、 各画素の出力特性を適正に揃えるようにしている （特願 2000-4049 3 1号、 特願 2000— 404933号、 特願 200 1— 75035号および特 願 200 1— 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 M〇 S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ソ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 つて電圧信号に変換して、 その変換された電圧信号に ί&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リ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や断した状態で、 前記トランジスタのゲート電圧およびドレ ィ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ジ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や断した状態で、 前記トランジスタのゲ 一ト電圧およびドレィ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ジショルド領域の特性を利用した弱反転状態で対数特 性をもつ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、 実際に光をしや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リ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一ト電圧を撮影時 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、 各画素における喑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髙ぃ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 ベく .. 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、 ゲー卜電圧が定常値 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 ドレィ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 ベく .. 前 トランジスタのゲ一卜電圧を撮影時の定常値よりも高い値に切り換え てその卜ランジスタを導通状態にしたときのセンサ信号が、 ゲー卜電圧が定常値 のときに得られる暗時のセンサ信 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ィン電圧を前記設定値よりも低い値に切リ換えたときの センサ信 ^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 M O S型トランジスタによつ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 凼尜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シ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 '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 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ァンドホール 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ジト値として、 予め設定された明時の基準信 ¾ '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^の出力レベルを適正に揃えるようにしている。
の簡 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 ^である
第 2図は、 その光センサ回路における各部信^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才卜ダイオードに流れるセンサ電流に対する センサ信 の出力特性を示す ^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口 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□一の一例を示す図である。
第 1 0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 1 1図は、 第 1 0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 をオフセシト補正した結果を示す特性図である。
第 1 2 121は、 第 1 0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 1 3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 1 4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 1 5図は、 第 1 4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 1 6図は、 第 1 4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 1 7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 1 8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 1 9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、 実際の喑時のセンサ出力との違いを示す特性図であ る。
第 2 0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 2 1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 2 2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 Pツク構成図である。
第 2 3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。
発明を実施するための最良の形態
本発明に係るィメ一ジセンサは、 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 L s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 P Dと、 そのフォトダイォ一ド P D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 V p dに変換するトランジスタ Q 1と、 その変換された電圧 信号 V p dを増幅するトランジスタ Q 2と、 読出し信号 V sのパルスタイミング でもってセンサ信号 V oを出力するトランジスタ Q 3とによって構成されている。 その場合、 トランジスタ Q 1のゲート電圧 V Gの値が、 そのドレイン電圧 V D 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 P Dに充分な光量をもって入射光 L sが当たっているときには、 トランジスタ Q 1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 Q 1の抵抗値もさほど大きくないことから、 ィメー 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 P Dの入射光 L sの光量が少なくなつてトランジス タ Q 1に流れるセンサ電流が小さくなると、 トランジスタ Q 1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 Q 1の抵抗値が増大し、 フォトダイオード P D の寄生容量 Cとの時定数が大きくなつてその寄生容量 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 L sの光量が少なくなるに したがつて .. 残像が長時間にわたつて観測されることになる。
したがって、 フ才トダイオード P Dの入射光 L sの光量が少ないときのセンサ 電流に応じた電圧信号 V p dの飽和時間が長くなるため、 図 5に示すような読出 し信 V sのパルスタィミングでセンサ信号 V o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、 V p d ' は増幅 用のトランジスタ Q 2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 V oの読出しに先がけて、 トラ ンジスタ Q 1のドレイン電圧 V Dを所定時間だけ定常値よりも低く設定して、 フ ォトダイォード P D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 によリ、 センサ電流に急激な変ィヒ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、 入射先 L s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、 t 1は初期化のタイミングを、 t 2は光信号検出のタイミング を示している。 トランジスタ Q 1のドレイン電圧 V Dを定常値 （ハイレベルお!) から低い電圧 （ローレベル L ) に切り換える所定時間 t mとしては、 例えば 1画 素分の読出し速度が 1 0 0 n s e c程度の場- に 5 μ s e c程度に設定される。 國中、 Tはフォトダイオード P D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 N T S C信号の場合 1ノ 3 0 sec (または 1ノ 6 0 sec ) 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 Q 1のドレイン電圧 V D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 V Gとドレイン電圧 V Dとの間の電位差がトランジスタ Q 1のしきい値よりも大きければトランジスタ Q 1が低抵抗状想になる。 それにより、 そのときのソース側の電位がドレイン電 圧 V Dと问じになり （n—！i O S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 P Dの接合容量 Cが放電状態になる。 そして、 ί m時間の経過後にそのドレイン電圧 V D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ィン電圧 V Dよ りも低くなつて、 そのときのゲート電圧 V Gとドレィン電圧 V Dとの間の電位差 がしきい値よりも大きければ] M O Sトランジスタ Q 1が低抵抗状態になり、 フ才 卜ダイォ一ド P Dの接合容量 Cに充電が開始される。
このように光信 の検出に先がけてフォ卜ダイォード P D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 （フォ卜ダイオード P Dの 端子電圧） V p dは入射光 L sの光量に応じた値となる。 すなわち、 初期化後に は入射光 L s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 V Dからトランジスタ Q 1を通して供 給される電流とフォトダイオード P Dを流れる電流とは同じになるが、 前に残つ 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 したがつて、 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 L sの光量に応じた残像のないセンサ信号 V o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、 D ]. 1〜D 4 4からな る 4 X 4の幽'素をマトリクス状に配設して、 各 1ライン分の画素列を幽'素列選択 回路 1から順次出力される選択信号 L S 1〜 L S 4によつて選択し、 その選択さ れた幽 '尜列における各画素を、 幽 '素選択回路 2から順次出力される選択信号 D S 1〜D S 4によってスィジチ群 3における各対応するスィシチ S W 1〜S W 4が 遂次ォン状態にされることによつて各幽'素のセンサ信^ V oが時系列的に読み出 されるようになつていろ。 図中、 4は各画素における前記トランジスタ Q 1のゲ 一卜電圧 V G用電源であり、 6はドレィン電圧 V D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し由 i素の前記トランジスタ Q 1のドレィ ン電圧 V Dを所定のタイミングをもつて定常時のハイレベル Hおよび初期化時の 口一レベル 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 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^ L S 1がハイレベル Hになると、 それに対応する D l 1 ， D 1 2 , D 1 3 , D 1 4からなる第 1の画^列が選択される。 そして、 L S 1 がハイレベル Hになっている '定期間 T 1のあいだ画尜選択信号 D S 1〜D S 4 が順次ハイレベル I Uこなって、 各幽'尜 D 1 1 , D 1 2 , D 1 3 , D 1 のセンサS V oが順次読み出される- 次いで、 画^列選択信号 L S 1がローレベル Lになった時点で次の L S 2がハ ィレベル 1 !になると， それに対応する D 2 1， D 2 2 , D 2 3 , D 2 4からなる 2の 尜列が選択される。 そして. L S 2がハイレベル Hになっている一定期 間 T〗のあいだ画素選択信 ϋ S 1〜D S 4が順次ハイレベル Hになって、 各幽' 尜 D 2 1， D 2 2 , D 2 3， D 2 のセンサ^号 V oが順次読み出される。
以下问様に、 画尜列選択^^ L S およびし S 4が連続的にハイレベル Πにな つて各対応する第 3および第 '1の画尜列が順次選択され、 L S 3および L S 4が それぞれハィレベル Hになっている- -定期間 T 1のあいだ画素選択信号 D S 1〜 D S 4が順次ハイレベル Hになって、 各画素 D 3 1 , D 3 2 , D 3 3 , D 3 4お よび D 4 1 , D '1 2， D 4 3 , D 4 4のセンサ ί 号 V οが順次読み出される。 また、 幽'素列選択^ し S 1が Τ 1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笫 1の幽'素列における各凼素 D 1 1 , D 1 2， D 1 3 , D 1 4のドレィン電圧 V D 1 をそれまでのハイレベル Ηからローレベル Lに 所定時間 Τ 2のあいだ切リ換えることによつて各画素の初期化が われ、 1サイ クル期問 Τ の経過後に行われる次サイクルにおけるセンサ信 の読出しにそな える。
次いで、 幽'素列選択信 §· L S 2が Τ 1期間後に d—レベル Lに立ち下がつた時 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 D 2 1 , D 2 2 , D 2 3 , I ) 2 4のドレイン電庄 V D 1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 T 2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 ィクル期間 Τ 3の経過後に行お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 L S 3および L S 4がそれぞれ Τ 1期間後に口一 レベル Lに立ち下がつた時点で、 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 V D 3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 Τ 3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 L S X (X = 1〜 4 ) が Τ 1期間後にローレべ ル Lに立ち下がつた時点でドレィン電圧 V D Xをローレベル Lに切リ換えて初期 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 L S Xがローレベル L状態にある画素列選択の休止期間 Τ 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 E C U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 つ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 時間の過不足を低减できるようになる。
そして、 残像がなく -. ダイナミジクレンジの広い対数出力特性をもったィメー 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 V o の出力レベルの不揃いを是正するべく、 入射光 L sをしや断した状態で、 対数特 性変換用のトランジスタ Q 1のゲート電圧 V Gおよびドレイン電圧 V Dを撮澎時 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 Q 1のゲート電圧 V Gおよびドレイン電圧 V Dを撮影時 の定常値 V G a， V D aよりも低い値 V G b， V D b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 L sをしや断した状態で.. ト ランジスタ Q 1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 VG a, VD a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 Q 1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 VG b， VD b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餱を疑似的に作り出して各画 素の出力特性のバラッキを補正することができるようになる。
この場合、 VG a≤VD aのときセンサ出力 Aとなり、 VG b VD bのとき センサ出力 Bとなる。 また、 トランジスタ Q 1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、 零から定常値よリ もそのトランジスタ Q 1のスレツショルド電圧 V t h分低い値までに設定される。 すなわち、 VG b→0〜 （VG a -V t h) 、 VD b→0〜 （VD a - V t h) の関係となる。
V G a , VG b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、 V G用電源 4の電源電圧の切リ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、 V D a , VD b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、 E C Uの制御下において行 おれることになる。
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 に対して光をしや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ッ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 V o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 Q 1のゲート電圧 V Gを撮影時の定常値よリも高い値に切り換えてそのトランジス タ Q 1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 Q 1のゲート電圧 V G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喑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 'ジ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 Q 1のゲート電圧 V G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想に なると、 そのトランジスタ Q 1のドレィン電圧 V Dが次段の増幅用のトランジス タ Q 2のゲートに直接印加されて、 卜ランジスタ Q 1のスレツショルド電圧のバ 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唷時の出力に相当 することになる。
その際、 対数特性変換用のトランジスタ Q 1が導通状態になって、 その卜ラン ジスタ Q 1のドレイン電圧 V Dが次段の増幅用のトランジスタ Q 2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 Q 1やフォトダイォード P Dが理想の特性をも つている場合を想定しており、 実際には、 フォトダイオード P Dには光が入射し ていなくても暗電流が流れており、 第 1 9図に示すように、 卜ランジスタ Q 1を 導通状態にしたときのセンサ出力は実際の喑時の出力と異なってしまう。 図中、 aは理想時の喑時出力を、 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 2 0図に示すように、 残像を抑制するべく、 センサ信号 V oの読出しに先がけて、 トランジスタ Q 1のドレイン電圧 V D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 いが大きくなつてしまう。 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 Q 1のゲート電圧 V Gを撮影時の定常値よリも髙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 Q 1のドレイン 電圧 V D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喑時のセンサ出力の値を記 憶しておき、 トランジスタ Q 1のゲート電圧 V G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 Q 1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 Q 1のドレイン電圧 V Dを設定する。 その際、 トランジスタ Q 1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
U - 行わせる際に、 その設定状態でトランジスタ Q 1のゲ一ト電圧 V G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'ソ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'ント補正値をわり出せば、 初期値の 揃った喑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 Q 1のドレイン電圧 V D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 Q 2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 Q 1のゲー卜電圧 V G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 Q 1のゲート電圧 V G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 Q 1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 Q 1のドレイン電圧 V D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 E C Uの制御下で、 V G用電源 4および V D読電源 6の電源電圧の切リ換 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 V o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 Q 1のゲート電圧 V Gを撮影時の定常値よリも高い値に切り換えてそのトランジス タ Q 1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 Q 1のゲート電圧 V Gを撮影時の定常値よリも髙い値に 切リ換えて導通状態にして、 トランジスタ Q 1のドレイン電圧 V Dが定常値のと きのセンサ信号を撮影時における喑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 Q 1のドレィン電圧 V Dを定常値よリ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 射する光をしや断させることなく、 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ッ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 Q 1のゲート電圧 V G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 Q 1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 Q 1のドレイン電圧 V Dを設定する。 その際、 トランジスタ Q 1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、 また出力補正をくリ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 V Dの設定状態で卜ランジスタ Q 1のゲート電 圧 V Gを撮影時の定常値よリ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ィメ一ジセンサにあって、 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 V oの出力レベルの不揃いを是正するべく、 トランジ スタ Q 1を導通状態にして、 そのトランジスタ Q 1のドレィン電圧 V D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 Q 1のゲート電圧 V G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 V Dを撮影時の定常値 よリも低い値に切リ換える手段としては、 第 6図に示すィメージセンサの構成に あって、 図示しない E C Uの制御下で電圧切換回路 5， 7を駆動することによつ 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 E C U 9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 V oをデジタル信号に変換する A D変換器 1 0と、 予め各画素の 特性に応じたオフセシト補正値 O F Sおよびゲイン補正のための乗数 M L Tが設 定されており、 E C U 9から与えられるセンサ信号読出し時における画素のァド レス （X， Y) の信号 A D D R E S Sに応じて所定のオフセット補正値 O F Sお よび乗数 M L Tを読み出すメモリ 1 1と、 そのメモリ 1 1から読み出されたオフ セット補正値 0 F Sおよび乗数 M L Tにもとづいてデジタル信号に変換されたセ ンサ信号 D Sのオフセジ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 1 2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 V oとしては、 前述したように、 イメージセンサ 8への入射光をしや断した状態での V G a， V D aのときの各画素のセンサ出力 Aおよび V G b， V D bのときのセンサ出力 B が採用される。
第 1 0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 I mは各画素のセンサ信号信号 A , B , Cが非対数応答領域 W Aか ら対数応答領域 W Bに切リ換おる点を示している。 また、 I o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 W A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 W B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 W Bに切り換わる点の情報と、 喑時の画素出力とを用 いている。
第 9図は、 出力補正回路 1 2における処理のフローを示している。
メモリ 1 1には、 センサ電流が I mの値のときに画素出力が Hとなるようなォ フセジト補正値 O F Sが設定されている。 そして、 オフセット補正部 1 2 1にお いて、 そのオフセット補正値 O F S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 D Sのオフセット補正を行わせると、 第 1 1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 W Aの特性がー致するようになる。
次に、 そのオフセット補正されたセンサ信号 D S 1にもとづき、 ゲイン補正部 1 2 2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、 オフセシト補正されたセンサ信号 D S 1がしきい値 H以上である 力、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 D S 1が対数 応答領域 W Bにあれば、 メモリ 1 0から読み出されたゲイン補正のための所定の 乗数 M L Tを用いて、
出力 H + (センサ信号 D S 1— H) X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 D S 2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 1 2図に示すように、 対数応答領域 W Bの特性がー致するようになる。
また、 その際、 オフセット補正されたセンサ信号 D S 1がしきい値 Hよりも小 さければ、 すなおちセンサ信号 D S 1が非対数 答領域 WAにあれば、 そのまま オフセシト補正されたセンサ信号 D S 1を出力補正されたセンサ信号 D S 2とし て出力する。
第 1 4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 W B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 W A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 1 3図は、 出力補正回路 1 2における処理のフローを示している。
メモリ 1 1には、 センサ電流が I mの値のときに画素出力が Hとなるようなォ フセット補正値 O F Sが設定されている。 そして、 オフセット補正部 1 2 1にお いて、 そのオフセジト補正値〇F S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 D Sのオフセジト補正を行わせると、 第 1 5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 W Bの特性がー致するようになる。
次に、 そのオフセット補正されたセンサ信号 DS 1にもとづき、 ゲイン補正部 1 1 2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 DS 1がしきい値 H以下である 力、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 DS 1が非対 数応答領域 WAにあれば、 メモリ 1 0から読み出されたゲイン補正のための所定 の乗数 ML Tを用いて、
出力 — （H—センサ信号 DS 1) X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 DS 2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 1. 6図に示すように、 非対数応答領域 W A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 DS 1がしきい値 Hよりも大 きければ、 すなおちセンサ信号 DS 1が対数応答領域 WBにあれば、 そのままォ フセ'クト補正されたセンサ信号 DS 1を出力補正されたセンサ信号 DS 2として 出力する。
第 1 8画は、 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 W A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 1 7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 1 3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のオフセジ卜補正おょぴゲイン補正が逐次 なされて最終的に非対数応答頜域 W Aおよび対数応答領域 W B Aの特性が一致し たセンサ信号 DS 2' が得られるようになる。 また、 本発明は、 第 2 1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の出カ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 V oを一時保持するサンプルァンドホールド回路 8と、 対応する画素におけるトラ ンジスタ Q 1のドレィン電圧 V Dを一時的に定常値 （ハィレベル） よりもしきい 値 V t h分下げることによって得られる疑似明時出力信号 Vo ( ) 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 AV= {Vo (h)-Vo) を求 める演算回路 9と、 その求められた差分 Δ τ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 1 0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、 t 1のタイミングで画素選択信号 D S Xがハィレベル Hになつて対応す る画素のセンサ信号 Voが読み出されると、 その t 1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 t 2のタ ィミングでセンサ信号 V oがサンプルアンドホールド回路 8に保持される。 そして、 t 3のタイミングで対応する画素におけるトランジスタ Q 1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 V hからしきい値 V t h分下げ られた電圧値 （Vh—Vt h) に切り換えられる。 それによつて、 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 によるオフセシ ト値が 求められて、 演算回路 1 0において予め設定された明時出力に相当する基準信号 V sのオフセッ ト補正が行われ、 t 4のタイミングでそのオフセジ ト補正された センサ信号 Vo' が出力する。 なお、 このようなィメージセンサ 7から時系列的に読み出されるセンサ信号 V oのオフセット補正は、 それが常時行われる。 あるいはまた、 E C U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遂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クショルド領域 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斷した 状態で、 前記卜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ッキを容易に補正す 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ジショル 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や 断した状態で、 前記トランジスタのゲ一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、 各幽'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、 喑時および明時の各出力状想を疑似的 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 て各幽'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 タのゲ一ト電圧を撮澎時の定常値よりも高い値に切り換えてその卜ランジスタを 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喑時 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一ト電圧を撮影時の定常値より も髙ぃ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、 各画素の喑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ジショル 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 影時の定常値よリ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 レィン電圧が正常値のときのセンサ信号を撮影時における喑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 リ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、 喑時おょぴ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、 対数特性変換用の卜ランジス タのゲ一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喑時 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 を撮影時における喑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 ける喑時のセンサ出力に対応させて、 各画素における喑時および明時の出カレべ 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芷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 M O S型トランジス タによって電庄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ィメ 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ォ フセツ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カレべ 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。

Claims

請 求 の 範 囲 1 . 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 のサブスレジ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 の入射光をしや断した状態で、 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徵とするイメージセンサの 出力補正装置。
2 . トランジスタのゲ一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澎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。
3 . 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 の入射光をしや断した状態で、 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、 各幽'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ィメージセンサの出力補正装置。
4 . 第 1のセンサ信号を撮影時における晴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ヅ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幽'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おせるようにしたことを特徵とす 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。
5 . トランジスタのゲー卜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クショルド 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。
6 . 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 'ジ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つて電圧 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 タのゲ一ト電圧を撮澎時の定常値よりも髙ぃ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。
7 . 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喑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'ジ 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。
8 . 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 のサブスレシ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喑時 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激とするイメージセンサの出力補正装置。
9 . ドレイン電圧設定後に卜ランジスタのゲート電圧を撮影時の定常値よリも高 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 8の記載によるイメージセンサの出力補正装
1 0 . 光電変換素子への入射光をしや断した状態で、 トランジスタのゲート電圧 およびドレィン電圧を撮影時の定常値よリも低い値に切リ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 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 または請求項 9の記載によるィメージセンサの出力補正装置。
1 1 . トランジスタのゲート電圧おょぴドレィン電圧を撮影時の定常値よリも低 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'クショル ド電圧分低い値までであることを特徴とする請求項 1 0の記載によるイメージセ ンサの出力補正装置。
1 2 . 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卜ランジス 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つて電 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、 各画素における喑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ィメージセ ンサの出力補正装置。
1 3 . 撮澎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 タのサブスレジ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リ換えてその卜ランジスタ 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卜ランジスタのドレィン電圧を設定 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、 各画素における喑時および明時の出 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ィメ一 ジセンサの出力補正装置。
1 4 , 撮影に先がけて対数特性変換用のトランジスタのドレィン電圧を定常値よ 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徵とする請求項 1 2または請求項 1 3 の記載によるイメージセンサの出力補正装置。
1 5 = 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 M O S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 ザにあって.. 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 ドレィ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ジ卜値として、 予め設定された明時の基準信号のオフセジ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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