JP2008271049A - 撮像装置及びそのゲイン調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子増倍型の固体撮像素子における電荷信号の増倍ゲインをユーザ側で簡単かつ精度良く再調整することが可能な撮像装置、及びそのゲイン調整方法を提供する。
【解決手段】 各画素において生成された電荷信号を増倍する電子増倍部を有する電子増倍型の固体撮像素子と、電子増倍部における増倍ゲインを設定する増倍ゲイン設定部４１と、撮像素子により所定条件下で取得されたノイズ画像について、そのノイズ標準偏差を算出する標準偏差算出部３４と、基準標準偏差が記憶された基準標準偏差記憶部３５と、ノイズ標準偏差と基準標準偏差とを比較し、得られた比較結果を出力する標準偏差比較部３６とによって撮像装置１Ａを構成する。増倍ゲイン設定部４１は、ゲイン調整時において、標準偏差比較部３６による比較結果に基づいて増倍ゲインを調整する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電子増倍型の固体撮像素子を用いた撮像装置、及びそのゲイン調整方法に関するものである。

近年、電子増倍機能を有する固体撮像素子として、電子増倍型ＣＣＤ（ＥＭ−ＣＣＤ：Electron Multiplying CCD）の開発と利用が進められている。ＥＭ−ＣＣＤでは、撮像部の各画素からの電荷信号を出力する水平シフトレジスタに対して増倍レジスタを設け、この増倍レジスタにおいて通常よりも高い電圧で電荷を転送することによって、電荷信号が増倍される（例えば特許文献１〜３参照）。

ここで、例えば蛍光顕微鏡において細胞などの試料に対して蛍光観察を行う場合、試料からの蛍光が微弱で通常の撮像素子では充分な感度で画像を取得することが困難な場合がある。これに対して、上記した電子増倍型ＣＣＤを用いたＥＭ−ＣＣＤカメラは、同じく電子増倍機能を有するＩＣＣＤカメラ、ＥＢ−ＣＣＤカメラ等とともに、そのような微弱光を含む画像を高感度で取得する上で有用である。また、ＥＭ−ＣＣＤカメラは、上記した蛍光観察などの微弱光の測定以外にも、高感度での画像取得が必要とされる様々な分野において、好適に用いることができる。
特開２００６−２０３２２２号公報 特許第３４８３２６１号公報 特許第３８６２８５０号公報

上記した電子増倍型ＣＣＤでは、増倍レジスタにおける電荷信号の増倍ゲインの経時的な変化が問題となる場合がある。例えば、製品としてのＥＭ−ＣＣＤカメラでは、通常、電荷信号の増倍ゲインを決める増倍レジスタへの電圧印加条件等の増倍条件は、カメラの出荷前に安定な光源等を用いた一定の条件下で設定される。

これに対して、ＥＭ−ＣＣＤカメラの出荷後に、カメラの使用によって徐々にゲインが劣化してきた場合、ユーザ側では上記したように一定の条件下で行う必要があるゲインの再調整は難しく、また、そのような再調整を行った場合には、ＥＭ−ＣＣＤでの電荷信号の増倍ゲインを充分な精度で設定することができないという問題がある。また、カメラを出荷元に返却してゲインの再調整を行う場合には、カメラの一時的な使用停止及び返却等の作業が発生してしまう。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、電子増倍型の固体撮像素子における電荷信号の増倍ゲインをユーザ側で簡単かつ精度良く再調整することが可能な撮像装置、及びそのゲイン調整方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による撮像装置は、（１）アレイ状に配列された複数の画素を有し、各画素において生成された電荷信号を出力するとともに、電荷信号を増倍する電子増倍部を有する電子増倍型の固体撮像素子と、（２）固体撮像素子の電子増倍部に対して増倍条件を設定することにより、電荷信号の増倍ゲインを設定する増倍ゲイン設定手段と、（３）固体撮像素子により所定の撮像条件下で取得されたノイズ画像について、その標準偏差をゲイン調整用のノイズ標準偏差として算出する標準偏差算出手段と、（４）ゲイン調整用の基準となるノイズ標準偏差としてあらかじめ取得された基準標準偏差が記憶された基準標準偏差記憶手段と、（５）ゲイン調整時に標準偏差算出手段で算出されたノイズ標準偏差と、基準標準偏差記憶手段に記憶された基準標準偏差とを比較し、得られた比較結果を出力する標準偏差比較手段とを備え、（６）増倍ゲイン設定手段は、ゲイン調整時において、標準偏差比較手段による比較結果に基づいて増倍ゲインを調整することを特徴とする。

また、本発明による撮像装置のゲイン調整方法は、（ａ）アレイ状に配列された複数の画素を有し、各画素において生成された電荷信号を出力するとともに、電荷信号を増倍する電子増倍部を有する電子増倍型の固体撮像素子と、（ｂ）固体撮像素子の電子増倍部に対して増倍条件を設定することにより、電荷信号の増倍ゲインを設定する増倍ゲイン設定手段とを有する撮像装置におけるゲイン調整方法であって、（ｃ）固体撮像素子により所定の撮像条件下で取得されたノイズ画像について、その標準偏差をゲイン調整用のノイズ標準偏差として算出する標準偏差算出ステップと、（ｄ）ゲイン調整用の基準となるノイズ標準偏差としてあらかじめ取得された基準標準偏差を記憶手段から読み出す基準標準偏差読出ステップと、（ｅ）ゲイン調整時に標準偏差算出ステップで算出されたノイズ標準偏差と、基準標準偏差読出ステップで読み出された基準標準偏差とを比較し、得られた比較結果を出力する標準偏差比較ステップと、（ｆ）増倍ゲイン設定手段により、ゲイン調整時において、標準偏差比較ステップによる比較結果に基づいて増倍ゲインを調整する増倍ゲイン調整ステップとを備えることを特徴とする。

上記した撮像装置、及びそのゲイン調整方法においては、電子増倍型の固体撮像素子を備える撮像装置での電荷信号の増倍ゲインについて、一定の条件下で取得されたノイズ画像における輝度データの画像中での標準偏差をゲイン調整の指標とする。そして、あらかじめ記憶手段に用意された基準標準偏差と、ゲイン調整時に取得されたノイズ標準偏差とを比較し、その比較結果に基づいて固体撮像素子の電子増倍部への電圧印加条件等の増倍条件、及びそれによる電子増倍部での電荷信号の増倍ゲインを調整している。

ここで、上記のように取得されるノイズ標準偏差は、ノイズ画像が取得された撮像素子における電荷信号の増倍ゲインに対して一定の相関を有する。したがって、このようなノイズ標準偏差を指標として用い、ゲイン調整時に取得されたノイズ標準偏差が基準標準偏差からみてどのように変化しているかを参照してゲイン調整を行うことにより、電子増倍型の固体撮像素子における電荷信号の増倍ゲインを精度良く再調整することができる。また、このような方法では、調整時において安定な光源等が不要となるので、ゲイン調整をユーザ側で簡単に実行することが可能となる。

上記構成において、電子増倍型の固体撮像素子のゲイン調整に用いられるノイズ画像については、具体的には、固体撮像素子により暗条件下で取得された暗電流ノイズによる暗時出力画像であることが好ましい。このような暗時出力画像をゲイン調整に用いることにより、暗時標準偏差と増倍ゲインとの相関を利用して、電荷信号の増倍ゲインの調整を高精度で実行することができる。

また、撮像装置は、標準偏差算出手段でのノイズ標準偏差の算出対象となるノイズ画像について、固体撮像素子により取得されたノイズ画像から外来ノイズを含む画像データを除去するための外来ノイズ除去手段を備えることが好ましい。同様に、撮像装置のゲイン調整方法は、標準偏差算出ステップでのノイズ標準偏差の算出対象となるノイズ画像について、固体撮像素子により取得されたノイズ画像から外来ノイズを含む画像データを除去するための外来ノイズ除去ステップを備えることが好ましい。これにより、固体撮像素子のゲイン調整の精度を向上することができる。

また、ゲイン調整の具体的な方法については、撮像装置は、増倍ゲイン設定手段が、標準偏差比較手段による比較結果で、ノイズ標準偏差と基準標準偏差とが略一致するように増倍ゲインを調整することが好ましい。同様に、撮像装置のゲイン調整方法は、増倍ゲイン調整ステップにおいて、標準偏差比較ステップによる比較結果で、ノイズ標準偏差と基準標準偏差とが略一致するように増倍ゲインを調整することが好ましい。

また、撮像装置の具体的なハードウェア構成については、撮像装置は、標準偏差算出手段、基準標準偏差記憶手段、及び標準偏差比較手段を含んで構成されたデジタル信号処理手段を備えることが好ましい。このように、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）などのデジタル信号処理手段を用いることにより、上記したゲイン調整機能を有する撮像装置を好適に実現することができる。また、これ以外の構成を用いても良い。また、以下において、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）については、広義にデジタル信号を処理可能に構成されたものをいう。

本発明の撮像装置、及び撮像装置のゲイン調整方法によれば、電子増倍型の固体撮像素子での電荷信号の増倍ゲインについて、一定の条件下で取得されたノイズ画像における輝度データの標準偏差をゲイン調整の指標とし、基準標準偏差と、ゲイン調整時に取得されたノイズ標準偏差とを比較した比較結果に基づいて固体撮像素子の電子増倍部での電荷信号の増倍ゲインを調整することにより、撮像素子での電荷信号の増倍ゲインをユーザ側で簡単かつ精度良く再調整することが可能となる。

以下、図面とともに本発明による撮像装置、及び撮像装置のゲイン調整方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による撮像装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態による撮像装置１Ａは、電子増倍型の撮像素子１０を備えている。本撮像素子１０は、アレイ状に配列された複数の画素を有し、その各画素において光入射量に応じて生成された電荷信号を出力するとともに、電荷信号を増倍する電子増倍部を有して構成された固体撮像素子である。

図２は、電子増倍型の固体撮像素子の構成の一例を示す模式図である。図２に示す撮像素子１０は、垂直シフトレジスタからなる撮像部１０１及び蓄積部１０２と、水平シフトレジスタ１０３とを有するＦＴ（フレームトランスファー）型ＣＣＤとして構成されている。入射光像による画像の取得に用いられる撮像部１０１は、単位画素１００が複数、２次元アレイ状に配列された構造となっている。

また、蓄積部１０２は、撮像部１０１と同様の２次元画素構造を有しており、撮像部１０１と水平シフトレジスタ１０３との間に設けられている。蓄積部１０２は、不透明な金属などによってマスクされて光像の検出には用いられず、撮像部１０１の各画素１００で生成された電荷の蓄積、及び水平シフトレジスタ１０３への電荷の転送に用いられる。なお、撮像部１０１、蓄積部１０２におけるマトリクス状の画素数は適宜設定して良いが、例えば、５１２×５１２画素の構成を用いることができる。

このような構成を有するＦＴ型ＣＣＤ１０では、まず、撮像部１０１に対して光像が入射されると、複数の画素１００のそれぞれにおいて入射光に対応する電荷が生成されることによって画像取得が行われる。次に、撮像部１０１の各画素１００で生成された電荷信号が蓄積部１０２へと垂直転送され、撮像部１０１で取得された画像データの電荷信号が蓄積部１０２に蓄積される。続いて、蓄積部１０２、及び出力レジスタである水平シフトレジスタ１０３による電荷信号の読み出しが行われる。

また、図２に示した構成例では、水平シフトレジスタ１０３に加えて、電子増倍機能を有する電子増倍部である増倍レジスタ１０５が設けられている。これにより、このＣＣＤ１０は、増倍レジスタ１０５に通常よりも高い電圧を増倍電圧として印加して電荷を転送することで電荷信号を所定の増倍ゲインで増倍することが可能な電子増倍型ＣＣＤ（ＥＭ−ＣＣＤ）の構成となっている。このような構成では、撮像部１０１の各画素１００から水平シフトレジスタ１０３へと転送された電荷信号が、さらに接続レジスタ１０４を介して増倍レジスタ１０５に転送されることにより所定のゲインで増倍され、得られた増倍電荷信号が出力端１０６から画像データとして出力される。

なお、撮像装置１Ａにおいて用いられる電子増倍型の固体撮像素子１０については、その具体的な構造は図２に示したものに限らず、他の構造を用いても良い。例えば、図２においては撮像素子１０として撮像部１０１及び蓄積部１０２を有するＦＴ型ＥＭ−ＣＣＤを例示したが、蓄積部１０２が設けられていないＦＦＴ（フルフレームトランスファー）型ＥＭ−ＣＣＤの構成としても良い。

また、図１に示す構成においては、この電子増倍型の固体撮像素子１０に対して、冷却器１２、及び放熱器１４が設けられている。冷却器１２は、撮像素子１０を所定温度まで冷却された状態に保持して暗電流ノイズ等を低減するための冷却手段である。この冷却器１２としては、例えばペルチェ素子などの電子冷却素子を好適に用いることができる。

また、放熱器１４は、冷却器１２の放熱側に接続されており、ファンによる対流、あるいは水の循環などによって放熱を行なう。なお、このような構成において、撮像素子１０及び冷却器１２については、図１中に破線によって模式的に示すように、真空封じきり管１１内に封入された構成とすることが、その冷却性能の向上、取り扱いの容易さなどの点で好ましい。また、冷却器１２については、具体的にはペルチェ素子以外の冷却手段を用いても良い。

図１に示す撮像装置１Ａでは、図２に示した構成の電子増倍型の固体撮像素子１０に対し、信号処理部２０と、Ａ／Ｄ変換部２２と、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）３０と、信号変換部２４とが設けられている。信号処理部２０は、撮像素子１０から出力されたアナログの電荷信号に対して必要な信号処理を行うアナログ信号処理手段である。例えば、この信号処理部２０は、撮像素子１０から出力されたアナログのビデオ信号を直流再生するとともに、後段でのＡ／Ｄ変換に適した振幅となるようにアナログ信号を増幅する。

Ａ／Ｄ変換部２２は、撮像素子１０から出力され信号処理部２０において直流再生及び増幅されたアナログビデオ信号を、デジタルビデオ信号に変換する。Ａ／Ｄ変換部２２から出力されたデジタル信号は、ＤＳＰ３０において必要な信号処理がされた後、ビデオ信号変換部２４へと入力される。ＤＳＰ３０は、Ａ／Ｄ変換部２２からのデジタル信号に対して信号処理を行うデジタル信号処理手段である。また、信号変換部２４は、画像データであるデジタル信号に対して水平、垂直のビデオ同期信号を付加し、撮像装置１Ａから外部へと出力される出力信号としてのデジタルビデオ信号を生成する。

また、これらの撮像素子１０、信号処理部２０、Ａ／Ｄ変換部２２、ＤＳＰ３０、及び信号変換部２４に対して、撮像装置１Ａではさらに、撮像制御部４０と、タイミング制御部２６と、撮像素子駆動部２８とが設けられている。撮像制御部４０は、撮像制御処理を実行するＣＰＵを有して構成され、ＤＳＰ３０、タイミング制御部２６、撮像素子駆動部２８等の撮像装置１Ａの各部の動作を制御する制御手段である。

タイミング制御部２６は、固体撮像素子１０、及びＡ／Ｄ変換部２２等の動作に必要なタイミング信号を生成して出力する。また、撮像素子駆動部２８は、電子増倍型の固体撮像素子１０を駆動制御する。具体的には、撮像素子駆動部２８は、タイミング制御部２６からのタイミング信号、及び必要があれば撮像制御部４０からの指示信号を参照し、撮像部１０１、蓄積部１０２、及び各レジスタ１０３、１０４、１０５での電荷転送の制御、及び増倍レジスタ１０５に対する電圧印加条件等の増倍条件の制御等を行う。また、撮像装置１Ａの各部の動作に必要な電圧は、電源部５０から供給されている。

本実施形態による撮像装置１Ａの構成についてさらに説明する。図３は、図１に示した撮像装置１ＡにおけるＤＳＰ（デジタル信号処理装置）３０及び撮像制御部４０の具体的な構成の一例を示すブロック図である。図３に示す構成においては、ＤＳＰ３０は、入力信号処理部３１と、画像データ記憶部３２と、データ処理制御部３３とを含んで構成されている。このようなＤＳＰ３０は、例えばデータ処理制御部３３の機能を実現するＤＳＰコア、プログラムメモリ、画像データ記憶部３２として機能するデータメモリ、及び信号の入力、出力に必要な入出力ポート等から構成される。なお、ＤＳＰ３０の構成については、具体的には様々な構成を用いて良い。

このＤＳＰ３０において、Ａ／Ｄ変換部２２からＤＳＰ３０へと入力されたデジタル信号は、入力信号処理部３１において必要な信号処理がなされた後、画像データ記憶部３２に記憶され、後段の信号変換部２４へと出力される。入力信号処理部３１において実行される信号処理としては、例えば通常画像からのノイズ除去の処理がある。また、このような入力信号処理部３１については、不要であれば設けない構成としても良い。

データ処理制御部３３は、入力信号処理部３１の動作、及び画像データ記憶部３２でのデータの入出力動作等を制御する。また、データ処理制御部３３は、必要に応じて画像データ記憶部３２に記憶されている画像データに対して所定の画像処理を行う。また、本実施形態の撮像装置１Ａでは、撮像モードとして通常撮像モードと、ゲイン調整モードとの２つのモードが用意されている。データ処理制御部３３には、これに対応してモード制御部３８が設けられており、このモード制御部３８によって撮像モードの設定、切換が制御されている。

また、図３に示す構成例のＤＳＰ３０では、ゲイン調整モードで撮像素子１０での増倍ゲインの調整動作を実行するため、データ処理制御部３３において、暗時標準偏差算出部３４と、基準標準偏差記憶部３５と、標準偏差比較部３６と、外来ノイズ除去部３７とが設けられている。なお、このうち基準標準偏差記憶部３５については、ＤＳＰ３０を構成するメモリ（例えばデータメモリ）が記憶部として用いられる。

本撮像装置１Ａでは、ゲイン調整モードにおいて、電子増倍型の固体撮像素子１０により所定の撮像条件下で取得されるノイズ画像を利用して、撮像素子１０の電子増倍部である増倍レジスタ１０５での電荷信号の増倍ゲインを調整する構成を採用している。このようなノイズ画像としては、好ましくは、撮像素子１０により暗条件下で取得される暗電流ノイズによる暗時出力画像が用いられる。

暗時標準偏差算出部３４は、ゲイン調整モードにおいて撮像素子１０により取得されたノイズ画像である暗時出力画像について、その複数の画素成分での輝度データ（暗電流による電荷信号の強度データに相当）の標準偏差を算出する標準偏差算出手段である。この暗時標準偏差算出部３４によって算出された標準偏差が、ゲイン調整用のノイズ標準偏差として用いられる暗時標準偏差となる。また、基準標準偏差記憶部３５は、ゲイン調整用の基準となる暗時標準偏差としてあらかじめ取得された基準標準偏差が記憶された基準標準偏差記憶手段である。

標準偏差比較部３６は、ゲイン調整モードを設定して実行されるゲイン調整時に、暗時標準偏差算出部３４で算出された暗時標準偏差と、基準標準偏差記憶部３５から読み出された基準標準偏差とを比較し、得られた比較結果を出力する標準偏差比較手段である。なお、ゲイン調整における暗時出力画像の取得、及び標準偏差の算出については、複数回繰り返して行う構成としても良い。この場合、暗時標準偏差算出部３４は、例えば複数取得された暗時出力画像についての標準偏差の平均値によって、ゲイン調整用の暗時標準偏差を算出する。

また、暗時出力画像の標準偏差を算出する暗時標準偏差算出部３４に対して、外来ノイズ除去部３７が設けられている。外来ノイズ除去部３７は、ゲイン調整用の暗時標準偏差の算出対象となる暗時出力画像について、固体撮像素子１０により取得された暗時出力画像から、宇宙線によるスポットノイズなどの外来ノイズを含んでいてゲイン調整に不適格な画像データを除去するための外来ノイズ除去手段である。ただし、このような外来ノイズ除去部３７については、不要であれば設けない構成としても良い。

このような構成のＤＳＰ３０に対して、撮像制御部４０は、増倍ゲイン設定部４１と、モード指示部４２とを有して構成されている。モード指示部４２は、ＤＳＰ３０のモード制御部３８に対して、上記した通常撮像モード、及びゲイン調整モードの設定、切換を指示する。このような撮像モードの設定、切換は、例えば、撮像モード設定ボタン等による操作者からの指示によって行われる。

増倍ゲイン設定部４１は、固体撮像素子１０の電子増倍部に対して増倍条件を設定することにより、電荷信号の増倍ゲインを設定する増倍ゲイン設定手段である。図２に示した構成の撮像素子１０では、増倍ゲイン設定部４１は、タイミング制御部２６及び撮像素子駆動部２８を介して、電子増倍部に対する増倍条件である増倍レジスタ１０５への電圧印加条件を設定することにより、電荷信号の増倍ゲインを設定する。

通常撮像モードでは、増倍ゲイン設定部４１は、撮像装置１Ａの出荷時に設定、記憶された増倍条件、あるいは前回のゲイン調整時に再設定、記憶された増倍条件を読み出し、その増倍条件に基づいて撮像素子１０の増倍レジスタ１０５での電荷信号の増倍ゲインを設定する。

また、ゲイン調整モードでは、増倍ゲイン設定部４１は、所定のゲイン調整方法で撮像素子１０の増倍レジスタ１０５での増倍ゲインの調整、再設定を行う。具体的には、増倍ゲイン設定部４１には、ＤＳＰ３０の標準偏差比較部３６において行われた暗時標準偏差と基準標準偏差との比較結果が入力されている。増倍ゲイン設定部４１は、この標準偏差比較部３６による比較結果に基づいて増倍ゲインを調整し、得られた電圧印加条件等を新たな増倍条件として再設定、記憶する。

上記実施形態による撮像装置、及び撮像装置に適用されるゲイン調整方法の効果について説明する。

図１〜図３に示した撮像装置１Ａ、及びそのゲイン調整方法においては、電子増倍型の固体撮像素子１０であるＥＭ−ＣＣＤを備える撮像装置１Ａでの電荷信号の増倍ゲインについて、一定の条件下で撮像素子１０によって取得されたノイズ画像における輝度データの画像中での標準偏差をゲイン調整の指標とする。そして、あらかじめ記憶部３５に用意された基準標準偏差と、ゲイン調整時に算出部３４において取得、算出されたノイズ標準偏差とを比較部３６において比較し、その比較結果に基づいて撮像素子１０の電子増倍部である増倍レジスタ１０５への電圧印加条件等の増倍条件、及びそれによる撮像素子１０での電荷信号の増倍ゲインを調整している。

ここで、上記のように取得されるノイズ標準偏差は、ノイズ画像が取得された撮像素子１０における電荷信号の増倍ゲインに対して一定の相関を有する。図４は、ＥＭ−ＣＣＤにおける増倍ゲインと暗時出力画像の標準偏差との相関を示すグラフである。ここでは、ＥＭ−ＣＣＤカメラとしてカメラＡ、Ｂ、Ｃの３つのカメラを用意し、それぞれについて得られた増倍ゲイン（倍）と暗時標準偏差（counts）との相関を、グラフＧＡ、ＧＢ、ＧＣによって示している。

ＥＭ−ＣＣＤカメラでは、その電子増倍の原理により、電子増倍ゲインと、出力画像データの揺らぎとの間に一定の相関がある。したがって、暗時出力画像について、画像を構成する複数の画素成分での画像データの揺らぎを示す標準偏差を求めると、図４に示すように、増倍ゲインが大きくなるほど暗時標準偏差もともに大きくなる。また、このような増倍ゲインと暗時標準偏差との相関については、図４中に３つのグラフＧＡ、ＧＢ、ＧＣによって示すように、個々の撮像装置によって異なる相関特性を示す。

したがって、このような暗時標準偏差等のノイズ標準偏差を指標として用い、対象となる撮像装置１Ａについて基準となる標準偏差をあらかじめ取得しておくとともに、ゲイン調整時に取得されたノイズ標準偏差が基準標準偏差からみてどのように変化しているかを参照してゲイン調整を行うことにより、電子増倍型の固体撮像素子１０における電荷信号の増倍ゲインを精度良く再調整することができる。また、このような方法では、調整時において安定な光源等が不要となるので、ゲイン調整をユーザ側で簡単に実行することが可能となる。

上記構成において、電子増倍型の撮像素子１０のゲイン調整に用いられるノイズ画像については、具体的には、図３に示した構成例のように、撮像素子１０により暗条件下で取得された暗電流ノイズによる暗時出力画像を用いることが好ましい。このような暗時出力画像をゲイン調整に用いることにより、図４のグラフに示した暗時標準偏差と増倍ゲインとの相関を利用して、電荷信号の増倍ゲインの調整を高精度で実行することができる。

また、図３に示した構成例では、標準偏差算出部３４に対し、標準偏差算出部３４でのノイズ標準偏差の算出対象となるノイズ画像（暗時出力画像）について、撮像素子１０により取得されたノイズ画像から外来ノイズを含む画像データを除去するための外来ノイズ除去部３７が設けられている。これにより、固体撮像素子１０のゲイン調整の精度を向上することができる。なお、このような外来ノイズ除去については、図３の構成において、入力信号処理部３１で行う構成としても良い。また、外来ノイズ除去が不要な場合には、外来ノイズ除去部３７を設けない構成としても良い。

また、標準偏差比較部３６、及び増倍ゲイン設定部４１によって行われる撮像素子１０のゲイン調整の具体的な方法については、標準偏差比較部３６による暗時標準偏差と基準標準偏差との比較結果において、暗時標準偏差と基準標準偏差とが略一致するように増倍ゲインを調整することが好ましい。この場合の具体的な方法としては、基準標準偏差に対して許容可能な標準偏差の値の範囲を設定しておき、取得された暗時標準偏差の値が許容範囲内となるように増倍条件及び増倍ゲインを調整する方法を用いることができる。

また、撮像装置１Ａの具体的なハードウェア構成については、図１及び図３に示した構成例では、暗時標準偏差算出部３４、基準標準偏差記憶部３５、及び標準偏差比較部３６を含んで構成されたＤＳＰ（デジタル信号処理装置）３０を用いて撮像装置１Ａを構成している。このように、ＤＳＰなどのデジタル信号処理手段を用いることにより、上記したゲイン調整機能を有する撮像装置を好適に実現することができる。

ここで、文献１には、ＥＭ−ＣＣＤにおいて、暗電流、またはクロック誘導電荷（ＣＩＣ）を増倍ゲイン測定に用いることが記載されている。具体的には、電子増倍が達成されない条件、及び電子増倍が活性化された条件のそれぞれで暗電流等を測定し、その比を用いて増倍ゲインを測定する方法（方法１）、及び暗電流等によって生じる離散的な単一イベントの統計的分布を用いて増倍ゲインを測定する方法（方法２）が記載されている。

しかしながら、上記方法のうち、方法１では暗電流またはＣＩＣを通常の使用時のレベルを超えて増大させて測定を行うことが記載されているが、このような方法では、暗電流等を増大させるための特別な駆動方法で動作させるための機能を撮像装置に搭載しておかなくてはならない。また、方法２では単一イベントの統計的分布を用いているために、例えば単一イベントを識別するための閾値の設定等、増倍ゲインを測定するために必要となる計算等が複雑である。

これに対して、上記実施形態による撮像装置１Ａでは、電子増倍型の固体撮像素子１０での電荷信号の増倍ゲインについて、一定の条件下で取得されたノイズ画像での標準偏差を指標とし、基準となる標準偏差とゲイン調整時に取得された標準偏差との比較結果に基づいて増倍ゲインを調整する構成としている。これにより、撮像素子１０の特別な駆動方法等を必要とせずに、撮像素子１０の増倍レジスタ１０５における電荷信号の増倍ゲインをユーザ側で簡便に再調整することが可能となる。

本発明による撮像装置１Ａの構成について、撮像装置１Ａにおいて実行される具体的なゲイン調整方法とともにさらに説明する。なお、以下においては、ゲイン調整用のノイズ画像として、固体撮像素子１０によって暗条件下で取得される暗電流ノイズによる暗時出力画像を用いる例について説明する。

図５は、撮像装置１Ａのゲイン設定方法を示すフローチャートである。図５に示す撮像素子１０のゲイン設定は、例えば撮像装置１Ａの工場出荷前に、デフォルトの増倍条件等を設定するために実行される。

撮像装置１Ａの出荷前に行われるゲイン設定では、まず、安定した輝度を有する光源等を用い、ゲイン設定用の所定の撮像条件下で画像取得等を行って、電子増倍型の撮像素子１０における電荷信号の増倍ゲイン、及びその際の増倍レジスタ１０５への電圧印加条件などの増倍条件の調整が行われる。そして、最終的に所望の増倍ゲインが得られる増倍条件が、初期値の増倍条件として設定され、メモリに記憶される（ステップＳ１０１）。

次に、このように撮像素子１０での増倍ゲインが正しく調整された状態で、暗時出力画像の標準偏差を取得する（Ｓ１０２）。そして、ここで取得された暗時標準偏差は、撮像装置１Ａの出荷後においてゲイン調整時に参照される基準標準偏差として、基準標準偏差記憶部３５に記憶される（Ｓ１０３）。

図５のステップＳ１０２における暗時標準偏差の取得は、好ましくは、図６のフローチャートに示す暗時出力画像の標準偏差の取得方法によって行われる。この取得方法では、まず、ゲイン調整に用いられる暗時出力画像を一定の暗条件下で取得するための準備が行われる（ステップＳ２０１）。具体的には、撮像装置１Ａのレンズにレンズキャップを装着して撮像素子１０に外部から光が入射しない条件とする。また、撮像素子１０の冷却温度を、ゲイン調整について設定された一定の温度に安定させる。

次に、暗条件下において撮像素子１０によって暗電流ノイズによる暗時出力画像を取得する（Ｓ２０２）。また、取得された暗時出力画像について、ＤＳＰ３０の外来ノイズ除去部３７において、宇宙線によるスポットノイズなどの外来ノイズに起因する画像データの除去処理が行われる（Ｓ２０３、外来ノイズ除去ステップ）。なお、この外来ノイズの除去処理については、不要であれば行わない構成としても良い。

続いて、暗時出力画像について、所定の画像データ数だけ取得したかどうかが確認され（Ｓ２０４）、必要な画像データ数に達していなければ、ステップＳ２０２、Ｓ２０３が繰り返して行われる。また、必要な画像データ数に達していれば、暗時出力画像の取得を終了し、暗時標準偏差算出部３４において、その画像中での輝度データの標準偏差である暗時標準偏差が算出される（Ｓ２０５）。

なお、上記の処理において算出される標準偏差の精度を向上するために、複数の暗時出力画像から暗時標準偏差を求める場合には、例えば、複数の画像のそれぞれについて求められた標準偏差の平均値を暗時標準偏差とすることができる。また、１つの暗時出力画像のみを暗時標準偏差の算出に用いる場合には、図６に示した取得方法においてステップＳ２０４を省略すれば良い。

ここで、暗時出力画像に対する外来ノイズの除去処理について説明しておく。図７は、外来ノイズ除去を行っていない状態での増倍電圧と暗時標準偏差との相関を示すグラフである。また、図８は、外来ノイズ除去を行った状態での増倍電圧と暗時標準偏差との相関を示すグラフである。図７及び図８のグラフにおいて、横軸は撮像素子１０の増倍レジスタ１０５に印加される増倍電圧（ａ．ｕ．、電圧印加に用いられるＤ／Ａ変換器への設定値に相当）を示し、縦軸は暗時出力画像の標準偏差（counts）を示している。また、これらのグラフでは、撮像素子１０に対する増倍電圧を徐々に上げていき、暗時標準偏差が約８０カウントとなるようにゲイン調整を行った場合の例を示している。

図７のグラフに示すように、外来ノイズ除去を行っていない状態で増倍電圧を上げていくと、それに伴って暗時標準偏差が増大していくが、時々、スパイク状に大きな標準偏差の値が計測されている。これは、宇宙線によるスポットノイズ等に起因するものである。このような大きな外来ノイズの存在は、暗電流ノイズによる暗時標準偏差を参照して行われるゲイン調整において調整誤差が発生する原因となり、充分な精度でゲイン調整を行うことができない可能性がある。

これに対して、図８のグラフに示すように、スパイク状に大きい標準偏差の値が計測された画像データを除外する外来ノイズ除去処理を行うことにより、暗時標準偏差を用いたゲイン調整の精度を向上することが可能となる。このような外来ノイズ除去の具体的な方法としては、例えば、画像中の各画素における輝度データに対して閾値を設定しておき、閾値以上の輝度データをスポットノイズとして標準偏差の算出から除外する方法を用いることができる。また、外来ノイズ除去においては、閾値の適用等によって外来ノイズの発生が確認された場合に、暗時出力画像中で外来ノイズが発生している画像部分を除外する方法、あるいは、その暗時出力画像自体をゲイン調整処理から除外する方法を用いることができる。

次に、撮像装置１Ａに対して行われる撮像素子１０での電子増倍のゲイン調整について説明する。図９は、撮像装置１Ａのゲイン調整方法を示すフローチャートである。このような撮像素子１０のゲイン調整は、例えば撮像装置１Ａの出荷後において、撮像素子１Ａを使用しているユーザにより、撮像素子１０による増倍ゲインが低下してきた場合などに必要に応じて実行される。

撮像装置１Ａのゲインの再調整では、まず、操作者によってモード指示部４２を介してゲイン調整モードの選択が指示され、ＤＳＰ３０のモード制御部３８においてゲイン調整モードが設定される（ステップＳ３０１）。そして、ゲイン調整に用いられる暗時出力画像の取得、及び暗時標準偏差算出部３４による暗時標準偏差の算出が行われる（ステップＳ３０２、標準偏差算出ステップ）。この暗時標準偏差の取得は、図６のフローチャートに示したゲイン設定時と同様の暗時標準偏差の取得方法によって行われる。また、この暗時標準偏差に対して、ゲイン調整において参照される基準標準偏差が、基準標準偏差記憶部３５から読み出される（Ｓ３０３、基準標準偏差読出ステップ）。

次に、標準偏差比較部３６において、暗時標準偏差算出部３４で算出された暗時標準偏差と、基準標準偏差記憶部３５から読み出された基準標準偏差とが比較され、得られた比較結果が増倍ゲイン設定部４１へと出力される（Ｓ３０４、標準偏差比較ステップ）。増倍ゲイン設定部４１は、入力された標準偏差比較部３６による比較結果に基づいて、撮像素子１０の電子増倍部での増倍ゲインの調整を行う（増倍ゲイン調整ステップ）。

具体的には、増倍ゲイン設定部４１は、標準偏差比較部３６による比較結果が所定条件を満たしているかどうかを判断する（Ｓ３０５）。ここでの具体的な判断方法としては、例えば、基準標準偏差に対して許容可能な標準偏差の値の範囲を設定しておき、取得された暗時標準偏差の値が許容範囲内となっているかどうかを判断する方法を用いることができる。そして、条件を満たすと判断された場合には、増倍ゲインの調整は不要として（Ｓ３０６）、ゲイン調整処理を終了する。

一方、暗時標準偏差が条件を満たさないと判断された場合には、撮像素子１０の増倍レジスタ１０５への電圧印加条件などの増倍条件を、暗時標準偏差が基準標準偏差に近づくように所定の変更条件によって変更する（Ｓ３１１）。そして、暗時標準偏差の取得（Ｓ３１２）、及び暗時標準偏差の基準標準偏差との比較（Ｓ３１３）を再度実行して、得られた比較結果が所定条件を満たしているかどうかを判断する（Ｓ３１４）。暗時標準偏差が条件を満たさないと判断された場合には、ステップＳ３１１、Ｓ３１２、Ｓ３１３を繰り返して実行する。また、暗時標準偏差が条件を満たすと判断された場合には、そのときの増倍条件を新たな増倍条件として設定し直し（Ｓ３１５）、ゲイン調整処理を完了する（Ｓ３１６）。

なお、このようなゲイン調整処理については、自動で行われる構成であっても良く、あるいは操作者による手動で行われる構成であっても良い。また、ゲイン調整時に取得された暗時標準偏差が条件を満たさない場合の増倍条件の変更については、撮像装置１Ａの使用によって増倍ゲインが低下している場合には、暗時標準偏差が基準標準偏差（初期値）に近づく方向に所定の変更量で増倍電圧を上げていく方法を用いることができる。

具体的な方法としては、増倍電圧を所定電圧値ごとに等間隔で上げていくようにフィードバック制御する方法、増倍電圧を始めは大きい間隔で、初期値に近づいてきたらより小さい間隔で上げていくようにフィードバック制御する方法、あるいは、あらかじめ記録しておいた標準偏差−増倍電圧−増倍ゲインのテーブルを参照して増倍電圧を決定する方法等を用いることができる。

本発明による撮像装置、及び撮像装置のゲイン調整方法は、上記実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、撮像装置の具体的なハードウェア構成については、図１〜図３に示した構成に限られるものではなく、必要に応じて様々な構成を用いて良い。また、上記実施形態では、暗時標準偏差算出部３４、基準標準偏差記憶部３５、及び標準偏差比較部３６をＤＳＰ３０などのデジタル信号処理手段において実現し、増倍ゲイン設定部４１を撮像制御部４０において実現する構成としているが、それらの機能を実現可能であれば、上記以外にも様々な構成を用いても良い。

本発明は、電子増倍型の固体撮像素子における電荷信号の増倍ゲインをユーザ側で簡単かつ精度良く再調整することが可能な撮像装置、及びそのゲイン調整方法として利用可能である。

撮像装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 電子増倍型の固体撮像素子の構成の一例を示す模式図である。 撮像装置におけるＤＳＰ及び撮像制御部の構成を示すブロック図である。 増倍ゲインと暗時出力画像の標準偏差との相関を示すグラフである。 撮像装置のゲイン設定方法を示すフローチャートである。 暗時出力画像の標準偏差の取得方法を示すフローチャートである。 外来ノイズ除去を行っていない状態での増倍電圧と暗時出力画像の標準偏差との相関を示すグラフである。 外来ノイズ除去を行った状態での増倍電圧と暗時出力画像の標準偏差との相関を示すグラフである。 撮像装置のゲイン調整方法を示すフローチャートである

符号の説明

１Ａ…撮像装置、１０…電子増倍型の固体撮像素子（ＥＭ−ＣＣＤ）、１２…冷却器、１４…放熱器、１００…画素、１０１…撮像部、１０２…蓄積部、１０３…水平シフトレジスタ、１０４…接続レジスタ、１０５…増倍レジスタ、１０６…出力端、２０…信号処理部、２２…Ａ／Ｄ変換部、２４…信号変換部、２６…タイミング制御部、２８…撮像素子駆動部、３０…ＤＳＰ（デジタル信号処理装置）、３１…入力信号処理部、３２…画像データ記憶部、３３…データ処理制御部、３４…暗時標準偏差算出部、３５…基準標準偏差記憶部、３６…標準偏差比較部、３７…外来ノイズ除去部、３８…モード制御部、４０…撮像制御部、４１…増倍ゲイン設定部、４２…モード指示部、５０…電源部。

Claims (9)

1. アレイ状に配列された複数の画素を有し、各画素において生成された電荷信号を出力するとともに、前記電荷信号を増倍する電子増倍部を有する電子増倍型の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記電子増倍部に対して増倍条件を設定することにより、前記電荷信号の増倍ゲインを設定する増倍ゲイン設定手段と、
   前記固体撮像素子により所定の撮像条件下で取得されたノイズ画像について、その標準偏差をゲイン調整用のノイズ標準偏差として算出する標準偏差算出手段と、
   ゲイン調整用の基準となるノイズ標準偏差としてあらかじめ取得された基準標準偏差が記憶された基準標準偏差記憶手段と、
   ゲイン調整時に前記標準偏差算出手段で算出された前記ノイズ標準偏差と、前記基準標準偏差記憶手段に記憶された前記基準標準偏差とを比較し、得られた比較結果を出力する標準偏差比較手段とを備え、
   前記増倍ゲイン設定手段は、ゲイン調整時において、前記標準偏差比較手段による前記比較結果に基づいて前記増倍ゲインを調整することを特徴とする撮像装置。
2. 前記ノイズ画像は、前記固体撮像素子により暗条件下で取得された暗電流ノイズによる暗時出力画像であることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 前記標準偏差算出手段での前記ノイズ標準偏差の算出対象となる前記ノイズ画像について、前記固体撮像素子により取得された前記ノイズ画像から外来ノイズを含む画像データを除去するための外来ノイズ除去手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
4. 前記増倍ゲイン設定手段は、前記標準偏差比較手段による前記比較結果で、前記ノイズ標準偏差と前記基準標準偏差とが略一致するように前記増倍ゲインを調整することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の撮像装置。
5. 前記標準偏差算出手段、前記基準標準偏差記憶手段、及び前記標準偏差比較手段を含んで構成されたデジタル信号処理手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の撮像装置。
6. アレイ状に配列された複数の画素を有し、各画素において生成された電荷信号を出力するとともに、前記電荷信号を増倍する電子増倍部を有する電子増倍型の固体撮像素子と、
   前記固体撮像素子の前記電子増倍部に対して増倍条件を設定することにより、前記電荷信号の増倍ゲインを設定する増倍ゲイン設定手段とを有する撮像装置におけるゲイン調整方法であって、
   前記固体撮像素子により所定の撮像条件下で取得されたノイズ画像について、その標準偏差をゲイン調整用のノイズ標準偏差として算出する標準偏差算出ステップと、
   ゲイン調整用の基準となるノイズ標準偏差としてあらかじめ取得された基準標準偏差を記憶手段から読み出す基準標準偏差読出ステップと、
   ゲイン調整時に前記標準偏差算出ステップで算出された前記ノイズ標準偏差と、前記基準標準偏差読出ステップで読み出された前記基準標準偏差とを比較し、得られた比較結果を出力する標準偏差比較ステップと、
   前記増倍ゲイン設定手段により、ゲイン調整時において、前記標準偏差比較ステップによる前記比較結果に基づいて前記増倍ゲインを調整する増倍ゲイン調整ステップと
   を備えることを特徴とする撮像装置のゲイン調整方法。
7. 前記ノイズ画像は、前記固体撮像素子により暗条件下で取得された暗電流ノイズによる暗時出力画像であることを特徴とする請求項６記載の撮像装置のゲイン調整方法。
8. 前記標準偏差算出ステップでの前記ノイズ標準偏差の算出対象となる前記ノイズ画像について、前記固体撮像素子により取得された前記ノイズ画像から外来ノイズを含む画像データを除去するための外来ノイズ除去ステップを備えることを特徴とする請求項６または７記載の撮像装置のゲイン調整方法。
9. 前記増倍ゲイン調整ステップにおいて、前記標準偏差比較ステップによる前記比較結果で、前記ノイズ標準偏差と前記基準標準偏差とが略一致するように前記増倍ゲインを調整することを特徴とする請求項６〜８のいずれか一項記載の撮像装置のゲイン調整方法。

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