【カメラ・イメージセンサ】高輝度黒反転とは?

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工学

 高輝度黒反転はCMOSイメージセンサ特有の現象で,太陽光などの強い光がセンサに当たったときに出力信号の一部が黒く反転してしまう現象です.本記事では高輝度黒反転の原理について説明します.

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高輝度黒反転とは

 高輝度黒反転はCMOSイメージセンサ特有の現象で,下の図のように太陽光などの強い光がセンサに当たったときに出力信号の一部が黒く反転してしまう現象です.

高輝度黒反転
※高輝度黒反転の再現

発生原理

 高輝度黒反転は下の図のように相関2重サンプリング (CDS)動作によって発生します.

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 相関2重サンプリングの動作は,まず信号をフォトダイオードに蓄積させます.その後FD (フローティングディフュージョン)の電圧レベルをリセットし,リセットしたFDの信号を転送します.次にフォトダイオードに蓄積した電荷をFDに転送し,そのFDの信号を転送します.そしてリセットしたFDの信号と,フォトダイオードで発生した電荷を読み出したFDの信号の差分をとることで出力信号を取得します.

 高輝度黒反転は極めて強い光があたっているときに,FDをリセットしてから,リセットしたFDの信号を転送するまでの短い間にフォトダイオードからFDに電荷がオーバーフローしてしまいます.そして電荷が溜まったFDをリセットレベルとして信号を転送してしまうため,フォトダイオードで発生した電荷を転送したFDの信号との差分がほとんど0となってしまい,黒色として出力されることで発生します.

改善方法

 高輝度黒反転は電荷が容量を超えてしまい,信号が漏れることで起こります.そこで強い光源を避ける,レンズをつける,フィルターを付ける,露光時間を短くすることで抑えることができます.設計段階では,FDの容量を大きくすることでも改善に役立ちます.

まとめ

  • 高輝度黒反転:強い光がセンサに当たったときに出力信号の一部が黒く反転してしまう現象
  • 高輝度黒反転の原因:電荷が容量を超えてしまい,信号が漏れることで起こる

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