JP2006121137A - 信号増幅機能を有する撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＭＤ駆動電圧や周囲温度が変動してもＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）を一定に保ち、安定な画像信号を得る。
【解決手段】 ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１と、ＣＭＤに駆動電圧を印加するＣＭＤ駆動回路９とを備え、ＣＭＤの駆動電圧を調節してＣＭＤの信号増幅率（ゲイン）を設定するＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像装置において、ＣＣＤ撮像素子１に蓄積電荷量を制御可能なリファレンス画素列１ｂ、１ｃを設けるとともに、リファレンス画素列１ｂ、１ｃの出力に基づいてＣＭＤの信号増幅率を演算する信号増幅率演算回路７と、ＣＭＤの信号増幅率指令値と信号増幅率演算値とを比較し、演算値を指令値に一致させるためのＣＭＤの駆動電圧を決定し、ＣＭＤ駆動回路９を制御する信号増幅率制御回路７とを備え、ＣＭＤの信号増幅率をフィードバック制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、信号増幅機能を有する撮像素子を用いた撮像装置に関する。

半導体基板の表面付近に信号電荷を蓄積し、この信号電荷をセルごとに次々と転送していくＣＣＤ（Charge Coupled Device）において、ＣＣＤセル内で信号電荷を増倍することができるＣＭＤ（Charge Multiplying Device）の駆動電圧を調節することによって、ＣＭＤの信号増幅率を制御するようにした信号増幅機能を有する撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
特開２００３−３４７３１７号公報

ところで、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像装置は、顕微鏡のカメラポートに取り付けられ、顕微鏡の対物レンズにより撮像された被写体像を撮像するカメラとして用いられる。顕微鏡の蛍光観察では微弱光を検出する必要があり、安定な画像信号を得るためにＣＭＤの信号増幅率を高く一定に保つ必要がある。
しかしながら、上述した従来の撮像装置では、ＣＭＤの駆動電圧がある値を超えると信号増幅率が急に増大し、駆動電圧に対する信号増幅率のゲインが高くなる上に、ＣＣＤの温度により信号増幅率が変化し、信号増幅率一定の安定な画像信号を得ることが困難であるという問題がある。

（１） 請求項１は、信号増幅機能を有する撮像素子と、前記撮像素子の信号増幅率を制御する駆動信号を出力する駆動回路とを備え、前記撮像素子の信号増幅率の指令値に応じて、前記駆動信号を調節して前記撮像素子の信号増幅率を設定する撮像装置において、前記撮像素子に蓄積電荷量を制御可能なリファレンス画素列を設けるとともに、前記リファレンス画素列の出力に基づいて前記撮像素子の信号増幅率を演算する信号増幅率演算回路と、前記撮像素子の信号増幅率の指令値と前記信号増幅率の演算値とを比較し、前記演算値を前記指令値に一致させるための前記駆動信号を決定し、前記駆動回路を制御する信号増幅率制御回路とを備え、前記撮像素子の信号増幅率をフィードバック制御する。
（２） 請求項２の信号増幅機能を有する撮像装置は、前記撮像素子に蓄積電荷量を別個に制御可能な第１リファレンス画素列と第２リファレンス画素列とを設け、前記信号増幅率演算回路は、前記第１リファレンス画素列と前記第２リファレンス画素列の出力比または出力差に基づいて前記撮像素子の信号増幅率を演算する。
（３） 請求項３の信号増幅機能を有する撮像装置は、前記リファレンス画素列は遮光されており、前記リファレンス画素列に任意の電荷量を蓄積させるための定電流電源を前記撮像素子上または前記撮像素子外に設ける。
（４） 請求項４の信号増幅機能を有する撮像装置は、前記リファレンス画素列は所定の透過率を有するＮＤフィルターにより覆われており、前記リファレンス画素列には前記撮像素子上の有効画素と同量の光を入射させる。

本発明によれば、信号増幅機能を有する撮像素子の信号増幅率を、駆動信号や周囲温度が変動してもその指令値一定に保つことができ、安定な画像を撮像することができる。

本願発明を、顕微鏡のカメラポートに取り付けられ、顕微鏡の対物レンズにより撮像された被写体像をＣＭＤ搭載のＣＣＤを用いて撮像する撮像装置に適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明は顕微鏡用撮像装置に限定されるものではない。

図１は一実施の形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像装置の構成を示す。また、図２は一実施の形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子の構造を示し、図３は一実施の形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子の出力を示す。

まず図２において、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１は、被写体光を受光して光強度に応じた電荷量に変換する感光部と、感光部で生成した電荷を蓄積する蓄積部と、蓄積電荷を転送する転送部とから構成される。

一実施の形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１では、感光部左端の垂直方向に配置されたダークリファレンス画素列（オプティカルブラックライン）１ａに隣接して、蓄積電荷を制御可能な第１リファレンス画素列１ｂと第２リファレンス画素列１ｃを配列する。これらの第１リファレンス画素列１ｂと第２リファレンス画素列１ｃは、ダークリファレンス画素列１ａと同様に遮光されており、撮像素子外部に設けられた定電流電源２（図１参照）から電荷を供給して蓄積させることができる。詳細を後述するが、これらの第１および第２のリファレンス画素列１ｂ、１ｃの出力に基づいてＣＭＤの信号増幅率（ゲイン）を閉ループ制御する。

なお、この一実施の形態ではリファレンス画素列を第１と第２の２本配列する例を示すが、リファレンス画素列を１本のみ配列し、フレームごとに交互に蓄積電荷を変化させるようにしてもよい。また、リファレンス画素列を３本以上配列し、それらの出力の平均値に基づいてＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）を閉ループ制御するようにしてもよい。さらに、定電流電源２はＣＣＤ撮像素子１上に設けてもよいし、ＣＣＤ撮像素子１の外部に設けてもよい。

図１において、Ａ／Ｄコンバーター３はＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１の出力、すなわち画像信号をＡ／Ｄ変換する。ラッチ４〜６は、ＣＣＤ撮像素子１の画像データから１Ｈ（水平同期）ごとに、第１リファレンス画素列１ｂの出力Ｒｆ１、第２リファレンス画素列１ｃの出力Ｒｆ２、およびダークリファレンス画素列１ａの出力ＤＬをそれぞれラッチする。

コントローラー７はＣＰＵ７ａ、ＲＯＭ７ｂ、ＲＡＭ７ｃなどを備え、ダークリファレンス画素列１ａ、第１および第２のリファレンス画素列１ｂ、１ｃからの出力に基づいてＣＭＤの信号増幅率（ゲイン）を演算し、この信号増幅率演算値を信号増幅率指令値に一致させるためのＣＭＤ駆動電圧を出力する。すなわち、ＣＭＤの信号増幅率（ゲイン）を閉ループ制御する。

Ｄ／Ａコンバーター８はコントローラー７から出力されるＣＭＤ駆動電圧をＤ／Ａ変換し、ＣＭＤ駆動回路９へ出力する。ＣＭＤ駆動回路９はＣＭＤの信号増幅率演算値を信号増幅率指令値に一致させるためのＣＭＤ駆動電圧をＣＭＤへ印加する。ＣＣＤ制御回路１０はＣＣＤ撮像素子１の電荷蓄積と電荷転送を制御する。

図３において、第１リファレンス画素列１ｂと第２リファレンス画素列１ｃにはそれぞれ別個の定電流源２ａと２ｂから任意の電荷を蓄積することができる。ここで、第１リファレンス画素列１ｂの出力Ｒｆ１と第２リファレンス画素列１ｃの出力Ｒｆ２の出力比Ｒｆｇは、蓄積電荷量から既知である。
Ｒｆｇ＝ＣＭＤgain・（Ｒｆ２−ＤＬ）／（Ｒｆ１−ＤＬ） ・・・（１）
（１）式において、ＣＭＤgainはＣＭＤの信号増幅率である。ＣＭＤgainは、
ＣＭＤgain＝Ｒｆｇ・（Ｒｆ１−ＤＬ）／（Ｒｆ２−ＤＬ） ・・・（２）
と表すことができる。（２）式により、ダークリファレンス画素列１ａの出力ＤＬ、第１リファレンス画素列１ｂの出力Ｒｆ１および第２リファレンス画素列Ｒｆ２をモニターすることによって、現在のＣＭＤgainを演算することができる。
なお、出力Ｒｆ１、Ｒｆ２は、１フレームごとに信号増幅率を決める場合には各画素列１ｂ、１ｃの平均値を使用し、また１行（ライン）ごとに信号増幅率を決める場合には各画素列１ｂ、１ｃの１画素ごとの値を使用する。

図４は一実施の形態のＣＭＤゲイン制御プログラムを示すフローチャートである。コントローラー７は、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像装置が起動されるとこの制御プログラムを繰り返し実行する。ステップ１においてＣＣＤ制御回路１０によりＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１から１Ｈ（水平同期）の画像データを読み出し、ステップ２でダークリファレンス画素列１ａの出力ＤＬ、第１リファレンス画素列１ｂの出力Ｒｆ１および第２リファレンス画素列１ｃの出力Ｒｆ２を検出する。

ステップ３では上記（２）式によりＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）ＣＭＤgainを演算する。そして、ステップ４で演算結果のＣＭＤの信号増幅率（ゲイン）ＣＭＤgainを信号増幅率指令値と比較し、現在の信号増幅率を指令値に一致させるためのＣＭＤ駆動電圧を演算する。演算結果のＣＭＤ駆動電圧をＣＭＤ駆動回路９へ出力し、ＣＭＤ駆動回路９によりＣＣＤ撮像素子１のＣＭＤに印加させる。

コントローラー７は図４に示すゲイン制御プログラムを繰り返すことによって、ＣＣＤ撮像素子１のＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）をフィードバック制御する。これにより、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１の信号増幅率（ゲイン）を、駆動電圧や周囲温度が変動してもその指令値一定に保つことができ、安定な画像を撮像することができる。

《発明の一実施の形態の変形例》
上述した一実施の形態では、ダークリファレンス画素列出力ＤＬ、第１リファレンス画素列出力Ｒｆ１および第２リファレンス画素列出力Ｒｆ２を検出し、それらに基づいてＣＭＤゲインＣＭＤgainを演算し、ＣＭＤgainが指令値に一致するようにフィードバック制御を行う例を示したが、第１リファレンス画素列出力Ｒｆ１と第２リファレンス画素列出力Ｒｆ２の差（Ｒｆ２−Ｒｆ１）がＣＭＤゲインＣＭＤgainに比例することを利用し、出力差（Ｒｆ２−Ｒｆ１）が信号増幅率指令値に応じた値となるようにフィードバック制御を行ってもよい。

この変形例の構成は、ダークリファレンス画素列出力ＤＬを検出するためのラッチ６が不要となる他は図１に示す構成と同様であり、説明を省略する。なお、コントローラー７のＲＯＭ７ｂには、ＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）に対する第１リファレンス画素列出力Ｒｆ１と第２リファレンス画素列出力Ｒｆ２の出力差（Ｒｆ２−Ｒｆ１）のテーブルデータが記憶されている。

図５は変形例のゲイン制御プログラムを示すフローチャートである。コントローラー７は、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像装置が起動されるとこの制御プログラムを繰り返し実行する。ステップ１１においてＣＣＤ制御回路１０によりＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１から１Ｈ（水平同期）の画像データを読み出し、続くステップ１２で第１リファレンス画素列１ｂの出力Ｒｆ１と第２リファレンス画素列１ｃの出力Ｒｆ２を検出する。そして、ステップ１３で第１リファレンス画素列出力Ｒｆ１と第２リファレンス画素列出力Ｒｆ２の出力差（Ｒｆ２−Ｒｆ１）を演算する。

ステップ１４ではＲＯＭ７ｂに記憶されているテーブルデータからＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）指令値に対応する出力差（Ｒｆ２−Ｒｆ１）を読み出し、出力差指令値とする。続くステップ１５において出力差（Ｒｆ２−Ｒｆ１）の演算値と指令値とを比較し、演算値を指令値に一致させるためのＣＭＤ駆動電圧を演算する。そして、演算結果のＣＭＤ駆動電圧をＣＭＤ駆動回路９へ出力し、ＣＣＤ撮像素子１のＣＭＤに印加させる。

コントローラー７は図５に示すゲイン制御プログラムを繰り返すことによって、ＣＣＤ撮像素子１のＣＭＤ信号増幅率（ゲイン）をフィードバック制御する。これにより、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１の信号増幅率（ゲイン）を、駆動電圧や周囲温度が変動してもその指令値一定に保つことができ、安定な画像を撮像することができる。

《発明の一実施の形態の他の変形例》
上述した一実施の形態とその変形例ではＣＣＤ撮像素子１のダークリファレンス画素列１ａに沿って蓄積電荷量を制御可能なリファレンス画素列１ａ、１ｂを設け、これらのリファレンス画素列１ａ、１ｂに定電流回路２から任意の電荷量を蓄積する例を示したが、ＣＣＤ撮像素子１のダークリファレンス画素列１ａに沿って所定の透過率のＮＤフィルターに覆われた１本または２本のリファレンス画素列を設け、これらのリファレンス画素列にはＣＣＤ撮像素子１上の有効画素と同量の光を入射させ、リファレンス画素列の出力に基づいて上述したようにＣＭＤの信号増幅率を演算するようにしてもよい。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、ＣＭＤ駆動回路９がＣＭＤ駆動回路を、コントローラー７が信号増幅率演算回路および信号増幅率制御回路を、定電流電源２、２ａ、２ｂが定電流電源をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

このように一実施の形態とその変形例によれば、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１と、ＣＭＤに駆動電圧を印加するＣＭＤ駆動回路９とを備え、ＣＭＤの駆動電圧を調節してＣＭＤの信号増幅率（ゲイン）を設定するＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像装置において、ＣＣＤ撮像素子１に蓄積電荷量を制御可能なリファレンス画素列１ｂ、１ｃを設けるとともに、リファレンス画素列１ｂ、１ｃの出力に基づいてＣＭＤの信号増幅率を演算し、ＣＭＤの信号増幅率指令値と信号増幅率演算値とを比較して演算値を指令値に一致させるためのＣＭＤの駆動電圧を決定し、ＣＭＤ駆動回路９を制御するコントローラー７とを備え、ＣＭＤの信号増幅率をフィードバック制御するようにしたので、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１の信号増幅率（ゲイン）を、駆動電圧や周囲温度が変動してもその指令値一定に保つことができ、安定な画像を撮像することができる。

また、一実施の形態とその変形例によれば、ＣＣＤ撮像素子１に蓄積電荷量を別個に制御可能な第１リファレンス画素列１ｂと第２リファレンス画素列１ｃとを設け、第１リファレンス画素列１ｂと第２リファレンス画素列１ｃの出力比（一実施の形態の（２）式参照）または出力差（一実施の形態の変形例参照）に基づいてＣＭＤの信号増幅率を演算するようにしたので、ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子１の信号増幅率（ゲイン）を、駆動電圧や周囲温度が変動してもその指令値一定に保つことができ、安定な画像を撮像することができる。なお、第１リファレンス画素列１ｂと第２リファレンス画素列１ｃの出力差に基づいてＣＭＤの信号増幅率を演算する方が、出力比に基づいてＣＭＤの信号増幅率を演算するよりもＣＰＵの演算制御の負担が軽くなる。

さらに、一実施の形態とその変形例によれば、リファレンス画素列１ｂ、１ｃを遮光しておき、リファレンス画素列１ｂ、１ｃに任意の電荷量を蓄積させるための定電流電源２をＣＣＤ撮像素子１上またはＣＣＤ撮像素子外に設けるようにしたので、リファレンス画素列１ｂ、１ｃに所望の電荷量を正確に蓄積させることができる。

さらにまた、一実施の形態とその変形例によれば、リファレンス画素列を所定の透過率を有するＮＤフィルターにより覆い、リファレンス画素列にはＣＣＤ撮像素子１上の有効画素と同量の光を入射させるようにすれば、定電流電源を設置せずに、ＣＭＤの信号増幅率をフィードバック制御することができる。

一実施の形態の構成を示す図である。 一実施の形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子の構造を示す図である。 一実施の形態のＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子の出力を示す図である。 一実施の形態のゲイン制御プログラムを示すフローチャートである。 変形例のゲイン制御プログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＣＭＤ搭載ＣＣＤ撮像素子
１ａ ダークリファレンス画素列
１ｂ 第１リファレンス画素列
１ｃ 第２リファレンス画素列
２、２ａ、２ｂ 定電流電源
３ Ａ／Ｄコンバーター
４〜６ ラッチ
７ コントローラー
７ａ ＣＰＵ
７ｂ ＲＯＭ
７ｃ ＲＡＭ
８ Ｄ／Ａコンバーター
９ ＣＭＤ駆動回路
１０ ＣＣＤ制御回路

Claims (4)

1. 信号増幅機能を有する撮像素子と、
   前記撮像素子の信号増幅率を制御する駆動信号を出力する駆動回路とを備え、
   前記撮像素子の信号増幅率の指令値に応じて、前記駆動信号を調節して前記撮像素子の信号増幅率を設定する撮像装置において、
   前記撮像素子に蓄積電荷量を制御可能なリファレンス画素列を設けるとともに、
   前記リファレンス画素列の出力に基づいて前記撮像素子の信号増幅率を演算する信号増幅率演算回路と、
   前記撮像素子の信号増幅率の指令値と前記信号増幅率の演算値とを比較し、前記演算値を前記指令値に一致させるための前記駆動信号を決定し、前記駆動回路を制御する信号増幅率制御回路とを備え、
   前記撮像素子の信号増幅率をフィードバック制御することを特徴とする信号増幅機能を有する撮像装置。
2. 請求項１に記載の信号増幅機能を有する撮像装置において、
   前記撮像素子に蓄積電荷量を別個に制御可能な第１リファレンス画素列と第２リファレンス画素列とを設け、
   前記信号増幅率演算回路は、前記第１リファレンス画素列と前記第２リファレンス画素列の出力比または出力差に基づいて前記撮像素子の信号増幅率を演算することを特徴とする信号増幅機能を有する撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の信号増幅機能を有する撮像装置において、
   前記リファレンス画素列は遮光されており、前記リファレンス画素列に任意の電荷量を蓄積させるための定電流電源を前記撮像素子上または前記撮像素子外に設けることを特徴とする信号増幅機能を有する撮像装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の信号増幅機能を有する撮像装置において、
   前記リファレンス画素列は所定の透過率を有するＮＤフィルターにより覆われており、前記リファレンス画素列には前記撮像素子上の有効画素と同量の光を入射させることを特徴とする信号増幅機能を有する撮像装置。

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