JP2008236176A - 電子増倍型撮像装置、電子増倍型撮像装置の校正プログラムおよび校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像素子の経時的なゲインシフトを容易に校正することができる電子増倍型撮像装置、電子増倍型撮像装置の校正プログラムおよび校正方法を得る。
【解決手段】光学レンズ２０１の焦点位置に配置された電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の出力は映像レベル検出部２０８で映像レベルのピークが検出されて主制御部２１１に入力される。主制御部２１１は、インパクト・イオン化現象を実現するゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に光電変換後の電荷の代わりにゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入し、これによって得られた増倍後の電荷の量を予め定めた値と比較し、これらが等しくなるようにゲート電極から印加する電界の強度を調整するようにしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、たとえばデジタルカメラやカメラ機能付の携帯電話機に使用される固体撮像素子の光電変換後の信号電荷の増倍を行う電子増倍型撮像装置、電子増倍型撮像素子の校正プログラムおよび校正方法に係わり、たとえば電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を使用し、そのゲインの安定化を図るのに好適な電子増倍型撮像装置、電子増倍型撮像装置の校正プログラムおよび校正方法に関する。

固体撮像素子を高感度化するための一手法として、インパクト・イオン化現象を利用した電子増倍型ＣＣＤ（Charged Coupled Device）撮像素子がある（たとえば特許文献１参照）。ここでインパクト・イオン化現象とは、電界により加速された電子が、結晶格子との衝突によって電子と正孔を発生させる現象である。

図７は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の一例を原理的に示したものである。電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００は、フォトダイオード１０１と垂直ＣＣＤレジスタ１０２が配置された撮像領域１０３と、この撮像領域１０３からの信号電荷を蓄積するための蓄積領域１０４を備えている。水平ＣＣＤレジスタ１０５は、蓄積領域１０４に蓄積された信号電荷を受け取って水平方向に転送する役割を果たしている。

電子増倍ＣＣＤレジスタ１０６は、この水平ＣＣＤレジスタ１０５と縦続接続されており、転送されてきた信号電荷の増倍を行うようになっている。電子増倍ＣＣＤレジスタ１０６によって増幅された信号電荷は、電荷−電圧変換を行なう出力アンプ１０７に入力されて、電荷に対応した電圧信号１０８を出力端子１０９から出力するようになっている。

図８は、図７に示した電子増倍ＣＣＤレジスタの電荷の転送と増倍の様子を表わしたものである。電子増倍ＣＣＤレジスタ１０６は、図で紙面と垂直方向にその面を配置されたゲート酸化膜１２１を有している。ゲート酸化膜１２１の上面には、電荷の転送される方向に沿って、第１および第２の水平転送ゲート電極１２２、１２３および電子増倍ゲート電極１２４が、それぞれ所定の間隔を置いてゲート酸化膜１２１と対向配置されている。

この図８には、ゲート酸化膜１２１の下のポテンシャル分布も模式的に示している。第１の水平転送ゲート電極１２２と第２の水平転送ゲート電極１２３のポテンシャル差に比べると、第２の水平転送ゲート電極１２３と電子増倍ゲート電極１２４の間に深いポテンシャル差１３１が存在している。

このような電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００の動作を次に説明する。まず、フォトダイオード１０１に照射した光によって光電変換された信号電荷１４１は、垂直ＣＣＤレジスタ１０２によって読み出される。読み出された信号電荷１４１は、撮像領域１０３と蓄積領域１０４を順に垂直転送される。そして、更に水平ＣＣＤレジスタ１０５を水平転送されて、電子増倍ＣＣＤレジスタ１０６へと送り込まれる。

電子増倍ＣＣＤレジスタ１０６に到達した信号電荷１４１としての電子は、電子増倍ゲート電極１２４に高い電圧を印加することによって生じた深いポテンシャル差（高電界）１３１によって加速される。そして、シリコン結晶格子と衝突することによって、インパクト・イオン化現象を起こし、高電界領域での衝突電離１４２を行って、新たな電子１４４と正孔１４５の対を生成する。

このインパクト・イオン化現象によって生成された正孔１４５はシリコン基板側に流れて消滅する。電子１４４の方はポテンシャルウェル層に捕獲されて逐電される。図８では簡略化された構造で説明したが、以上説明したような動作を数百段の電子増倍ゲート電極１２４で繰り返して実行することにより、信号電荷１４１の増倍が可能となる。

図９は、以上のような動作を行う電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増幅ゲート電圧と電子増幅ゲインの関係を表わしたものである。実線１６１で示したように、図８に示した電子増倍ゲート電極１２４に印加する電圧を高くするに従って、電子増倍ゲインが高くなることが分かる。
特開２００６−２０３２２２号公報（第０００８段落、図１、図２Ｂ）

ところで、図９には電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００について実線で示した特性曲線１６１の他に、破線で示した特性曲線１６２が示されている。電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００は、経時変化と共に所定の電子増倍ゲインを与える電子増倍ゲート電圧が高電圧側にシフトすることがある。破線で示した特性曲線１６２は、このような経時変化後の一例を示したのである。この例では、特性曲線１６１と比較すると、経時変化と共に、特性曲線１６２は高電圧側へ約２Ｖ平行移動している。

以上説明したように、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００の特性が経時変化するものとする。当初、電子増倍ゲート電圧を約１９Ｖに設定して、特性曲線１６１から電子増倍ゲイン約１０００倍を得ていたとする。経時変化によって特性曲線１６１が特性曲線１６２に変化すると、電子増倍ゲート電圧を約１９Ｖに設定しても電子増倍ゲインはほぼゼロとなる。このような電子増倍ゲインの急激な変化が生じたとすると、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００を用いたカメラの安定動作に大きな問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、撮像素子の経時的なゲインシフトを容易に校正することができる電子増倍型撮像装置、電子増倍型撮像装置の校正プログラムおよび校正方法を提供することにある。

請求項１記載の発明では、（イ）光電変換素子を備えた撮像手段と、（ロ）この撮像手段の光電変換素子から出力される信号電荷を転送する電荷転送手段と、（ハ）この電荷転送手段により転送される信号電荷にゲート電極から電界を印加してインパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段と、（ニ）ゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりにゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するテスト時電荷注入手段と、（ホ）このテスト時電荷注入手段により注入された電荷が増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を予め定めた値と比較する比較手段と、（へ）単位時間当たりの電荷の転送量と前記した予め定めた値とが一致する方向にゲート電極から印加する電界の強度を調整する電界強度調整手段とを電子増倍型撮像装置に具備させる。

すなわち本発明では、撮像手段に光が入射したときその光電変換素子から出力される信号電荷をインパクト・イオン化現象により増倍して出力するようにした電子増倍型撮像装置にテスト時電荷注入手段を設けて、ゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりにゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するようにしている。そして、このテスト時電荷注入手段により注入された電荷が増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を、比較手段によって予め定めた値と比較し、電界強度調整手段を用いて、これらが一致する方向にゲート電極から印加する電界の強度を調整するようにしている。これにより、比較結果のフィードバックによって増倍のためのゲート電極の電圧を調整することで、経時変化によるゲインシフトを容易に校正することができる。

ここで、テスト時電荷注入手段は、予め定めた時間が経過するたびに電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりにゲート電極の手前から基準となる単位量の電荷を注入する手段であってもよいし、撮像手段によって得られる１フレームの画像の特定領域の信号電荷が電荷転送手段によって転送されるタイミングでゲート電極の手前から基準となる単位量の電荷を注入する手段であってもよい。後者は、画像として使用されない領域を利用して、常に経時変化によるゲインシフトを監視することができる。前者の場合には、時間を置いてテストを行うので、制御が簡単であり、かつ動画を撮影するような場合に校正のために画質が異なった画像が一時的に得られるという不具合が発生しない。

本発明で適用される光電変換素子は代表的にはＣＣＤであるが、インパクト・イオン化現象により電子を増倍することのできる撮像装置であれば、これに限定されるものではない。たとえばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型固体撮像素子にも本発明を適用することができる。

請求項５記載の発明では、光電変換素子を備えた撮像手段と、この撮像手段の光電変換素子から出力される信号電荷を転送する電荷転送手段と、この電荷転送手段により転送される信号電荷にゲート電極から電界を印加してインパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段とを備えた電子増倍型撮像装置のコンピュータに、電子増倍型撮像装置の校正プログラムとして、（イ）ゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりにゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するテスト時電荷注入処理と、（ロ）このテスト時電荷注入処理で注入された電荷が増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を予め定めた値と比較する比較処理と、（ハ）単位時間当たりの電荷の転送量と前記した予め定めた値とが一致する方向にゲート電極から印加する電界の強度を調整する電界強度調整処理とを実行させることを特徴としている。

すなわち本発明では、請求項１記載の発明の技術思想を電子増倍型撮像装置の校正プログラムとして実現している。

請求項６記載の発明では、（イ）光電変換素子を備えた撮像手段と、この撮像手段の光電変換素子から出力される信号電荷を転送する電荷転送手段と、この電荷転送手段により転送される信号電荷にゲート電極から電界を印加してインパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段とを備えた電子増倍型撮像装置におけるゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に、電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりにゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するテスト時電荷注入ステップと、（ロ）このテスト時電荷注入ステップで注入された電荷が増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を予め定めた値と比較する比較ステップと、（ハ）単位時間当たりの電荷の転送量と前記した予め定めた値とが一致する方向にゲート電極から印加する電界の強度を調整する電界強度調整ステップとを電子増倍型撮像装置の校正方法に具備させる。

すなわち本発明では、請求項１記載の発明の技術思想を電子増倍型撮像装置の校正方法として実現している。

以上説明したように本発明によれば、インパクト・イオン化現象により電子を増倍する撮像装置で生じる経時変化に伴うゲインシフトを校正し容易に安定化させることができるだけでなく、温度等の他の環境要因による増幅率の変動にも同様に対処して、増幅率の補正を行うことが可能になる。

以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例における電子増倍型ＣＣＤ撮像装置の構成を表わしたものである。この電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００は、図示しない被写体を撮影するための光学レンズ２０１を備えている。光学レンズ２０１を通った光線２０２の焦点位置には、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の受光面が配置されている。電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３から出力される電圧信号２０４は、映像信号処理回路２０５に入力されて、各種の信号処理が行われ、その出力端子２０６に処理後の映像信号２０７が出力されるようになっている。

映像信号処理回路２０５内の映像レベル検出部２０８は、映像レベル２０９のピークを検出するようになっている。検出したピークの映像レベル２０９は、主制御部２１１に入力される。主制御部２１１は、この電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００の全体的な制御を行う中央処理装置によって構成されており、その内部にはＣＰＵ（Central Processing Unit）２１２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ２１３が配置されている。ここでメモリ２１３には、制御プログラムが格納されており、これをＣＰＵ２１２が実行することで各種の制御が実現されるようになっている。

本実施例では、検出した映像レベル２０９を基にして、主制御部２１１が電子増倍ゲインを制御する電子増倍ゲイン制御信号２１５と、テスト用の基準レベルを制御する基準レベル制御信号２１６およびテスト時とそれ以外の通常時の信号切り替えを指示する切替信号２１７を出力するようになっている。

このうち電子増倍ゲイン制御信号２１５は、電子増倍ゲート駆動回路２１８に入力される。電子増倍ゲート駆動回路２１８から出力される電子増倍ゲート電圧印加信号２１９は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の電子増倍ゲート入力端子２２１に入力され、電子増倍ゲート電圧の制御が行われるようになっている。基準レベル制御信号２１６の方は、テスト信号発生回路２２２に入力される。テスト信号発生回路２２２は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３のテストを行う所定のタイミングでテスト信号２２３を発生し、これを電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３のテスト信号入力端子２２４に入力するようになっている。また、主制御部２１１から出力される切替信号２１７は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の切替信号入力端子２２５に入力されるようになっている。

このような構成の電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００で、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３は光学レンズ２０１を通過した光線２０２を入射して、信号電荷に変換する。そして、変換後の信号電荷を増倍して時系列の電圧信号２０４として出力する。ただし、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の電子増倍ゲインの特性は、すでに図９で説明したように経時変化する。本実施例では主制御部２１１による電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の制御によって、このような経時変化を補正した電圧信号２０４がこれから出力され、映像信号処理回路２０５を経て映像信号２０７が出力端子２０６から出力されるようになっている。

図２は、本実施例の電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を原理的に示したものである。この図２で図７と同一部分には同一の符号を付している。本実施例の電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３は、図７に示した従来の電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１００と比べると電子増倍ＣＣＤレジスタ１０６の手前に入力信号切替部２３１を備えている。入力信号切替部２３１にはテスト信号入力端子２２４からテスト信号２２３が入力され、また、切替信号入力端子２２５から切り替えを指示する切替信号２１７が入力されるようになっている。

テスト時には、この切替信号２１７が入力信号切替部２３１の入力系統を切り替えて、垂直ＣＣＤレジスタ１０２を転送してくる信号電荷の代わりにテスト信号２２３の選択を行うようになっている。これにより、テスト時にはテスト信号２２３が電子増倍レジスタ１０６に入力されて、その信号電荷の増倍が行われる。図１に示した電子増倍ゲート電圧印加信号２１９によって、図８に示した電子増倍ゲート電極１２４に印加する電圧を可変ことで、第２の水平転送ゲート電極１２３と電子増倍ゲート電極１２４の間のポテンシャル差１３１を調整するようになっている。

図３は、このような構成の電子増倍型ＣＣＤ撮像装置の制御内容を示したものである。図１および図８と共に説明する。主制御部２１１は、この電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００に内蔵されている時計回路がたとえば１ヶ月経過するごとに、あるいはユーザが図示しない操作パネルのテストモード用のスイッチを押すことで、テストモードに移行するようになっている。

テストモードに移行すると（ステップＳ３０１：Ｙ）、主制御部２１１は、基準レベルのテスト信号の出力をテスト信号発生回路２２２に指示する（ステップＳ３０２）。これにより、テスト信号発生回路２２２からはテスト用に設定された基準レベルのテスト信号２２３がテスト信号入力端子２２４を通じて入力信号切替部２３１に入力される。この状態で、主制御部２１１は切替信号２１７を切替信号入力端子２２５に入力して、垂直ＣＣＤレジスタ１０２を転送してくる信号電荷の代わりにテスト信号２２３の選択を行わせる（ステップＳ３０３）。そして、このテスト信号２２３を電子増倍レジスタ１０６に通した場合の映像信号レベルの期待値を算出する（ステップＳ３０４）。

このようにしてテスト信号２２３として注入された単位時間当たり一定した基準量となった電荷が電子増倍レジスタ１０６を通過すると、電荷が増倍された状態で映像レベル検出部２０８が、テスト時の映像レベル２０９を検出する。このピークの映像レベル２０９の検出値は主制御部２１１に入力されて判読される（ステップＳ３０５）。主制御部２１１は判読した検出値がステップＳ３０４で算出した期待値よりも小さいかを判別する（ステップＳ３０６）。小さければ（Ｙ）、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の経時変化が進行していることになる。そこで、この場合には電子増倍ゲインの不足分をカバーするために、電子増倍ゲイン制御信号２１５によって電子増倍ゲインを一単位だけアップさせる（ステップＳ３０７）。

そして、このアップした電子増倍ゲインの状態で、基準レベルのテスト信号の出力をテスト信号発生回路２２２に指示する（ステップＳ３０８）。そしてステップＳ３０５に進んで、新たな電子増倍ゲインによるピークの映像レベル２０９の検出値を判読し、これが期待値よりも小さいかを再度、比較する（ステップＳ３０６）。この結果、まだピークの映像レベル２０９の検出値の方が期待値よりも小さい場合には（Ｙ）、同様の処理を繰り返して電子増倍ゲインを一単位ずつ増加させる（ステップＳ３０５〜ステップＳ３０８）。

これに対して、ある時点でピークの映像レベル２０９の検出値が期待値と等しいか、これよりも大きくなった場合には（ステップＳ３０６：Ｎ）、電子増倍ゲインのゲインシフトに対する調整が終了したことになる。そこで、この場合にはそのときの電子増倍ゲインをメモリ２１３の所定の領域に上書き保存して（ステップＳ３０９）、入力信号切替部２３１を元の被写体側に戻すことを指示し（ステップＳ３１０）、テストモードを終了させる（エンド）。

電子増倍ゲート駆動回路２１８は、次のテスト時まで、図８に示した電子増倍ゲート電極１２４に対して、メモリ２１３の領域に格納した電子増倍ゲインに基づいた電圧を印加することになる。このようにして経時変化による電子増倍ゲインの補正がテストごとに繰り返されて、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の特性が良好に保たれる。

＜発明の変形可能性＞

以上説明した実施例では、電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００を使用しない時間帯にテストを行ってゲインシフトがあればこれを補正することにした。したがって、テストを行っている時間には電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００を用いて被写体の撮影を行うことができない。本発明の変形例では、ゲインシフトに対する補正を、電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００が被写体の撮影を行っている状態でも可能にするものである。

図４は、この変形例における画像の１フレームの割り振りを示したものである。図示しない被写体に対する１枚の画像としての１フレームの区間が、時刻ｔ₀から時刻ｔ₂までであるとする。動画の場合には、この１フレーム分の画像が、たとえば１秒間に３０回繰り返して電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００から出力されることになる。

この変形例では、時刻ｔ₀から時刻ｔ₁までを被写体の撮像区間としている。そして、被写体の撮像に影響しない時刻ｔ₁から時刻ｔ₂までをテスト区間に設定している。図４に示した例ではフレームの末端に近い区間をテスト区間としているが、図１に示した電子増倍型ＣＣＤ撮像装置２００の各フレームの先頭位置をテスト区間としてもよい。

図５は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子における入力信号の切り替え制御の様子を表わしたものである。図１と共に説明する。

この変形例では、図１に示した電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の入力信号切替部２３１を１フレームの先頭の信号電荷が通過する時刻を時刻ｔ₀としており、そのたびに図示しない時計回路が時間の経過を測定するようになっている。そして、時刻ｔ₀から計時して時刻ｔ₁が到来すると（ステップＳ４０１：Ｙ）、主制御部２１１は切替信号２１７を電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３に送出して、入力信号切替部２３１をテスト側に切り替える（ステップＳ４０２）。

そして、時刻ｔ₀から計時して時刻ｔ₂が到来すると（ステップＳ４０３：Ｙ）、主制御部２１１は入力信号切替部２３１を再び被写体側に切り替える（ステップＳ４０４）。複数のフレームの画像を連続して撮影する場合には、フレームごとに時刻がリセットされて、以上の動作が繰り返されることになる。なお、ステップＳ４０１では時計回路で時間の経過の測定を行っているが、この代わりに、ブランキング信号の極性が撮像区間とそれ以外の区間で異なることを利用して、撮像区間とテスト区間の判別を行うようにしてもよい。

図６は、この変形例における電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍ゲインの制御の様子を表わしたものである。図１と共に説明する。主制御部２１１は、入力信号切替部２３１（図２）がテスト側に制御されているかどうかをチェックする（ステップＳ４２１）。入力信号切替部２３１がテスト側に切り替えられている場合（ステップＳ４２１：Ｙ）、主制御部２１１は、電子増倍ゲインについての前回使用した電圧を、メモリ２１３の図示しない第１のメモリ領域から読み出す（ステップＳ４２２）。そして、電子増倍ゲート駆動回路２１８にこの電圧値を表わした電子増倍ゲイン制御信号２１５を送出して、図８に示した電子増倍ゲート電極１２４による電子増倍ゲインが前回と同じ値となるように電子増倍ゲート駆動回路２１８から電子増倍ゲート電圧印加信号２１９を出力させる（ステップＳ４２３）。

この状態で、主制御部２１１はピークの映像レベル２０９の検出値を入力して判読する（ステップＳ４２４）。そして、この映像レベル２０９を前回のテスト時に調整が終了した調整済信号レベルの検出値と比較する（ステップＳ４２５）。この調整済信号レベルの検出値は、メモリ２１３の図示しない第２のメモリ領域に格納されている。調整済信号レベルの検出値は、工場出荷時に書き込んだ値でもよい。

この結果、調整済信号レベルの検出値と今回検出した映像レベル２０９が同一範囲内とみなせる範囲内のものであれば（ステップＳ４２６：Ｙ）、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３の経時変化が進行していないものとして、電子増倍ゲインの制御を終了させる（エンド）。

ステップＳ４２６で映像レベル２０９が調整済信号レベルの検出値と同一範囲内ではないとされた場合には（Ｎ）、今回検出した映像レベル２０９の方が小さいかを判別する（ステップＳ４２７）。小さい場合には（Ｙ）、電子増倍ゲインのゲインシフトが生じていることになる。そこで、電子増倍ゲインを一単位だけアップして、メモリ２１３の第１の領域にこれを上書き保存すると共に、電子増倍ゲイン制御信号２１５によって電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３内の電子増倍ゲインを一単位だけアップした状態に設定する（ステップＳ４２８）。

そして入力信号切替部２３１がテスト側に制御されているかどうかをチェックして、テスト側のままとなっていれば（ステップＳ４２９：Ｙ）、ステップＳ４２４に戻って電子増倍ゲインを一単位だけアップした状態における映像レベル２０９の検出値を入力して判読する。そして、第２のメモリ領域に格納されている調整済信号レベルの検出値と比較して（ステップＳ４２５）、大小関係を判別する（ステップＳ４２６、ステップＳ４２７）。

このようにして、入力信号切替部がテスト側を選択している間、電子増倍ゲインが一単位ずつアップしていく。そして、ある時点で映像レベル２０９が前回の信号レベルと同一の範囲内となれば（ステップＳ４２６：Ｙ）、電子増倍ゲインの制御が終了する（エンド）。

一方、ステップＳ４２７で映像レベル２０９が調整済信号レベルの検出値よりも大きいとされた場合には（Ｎ）、電子増倍ゲインのゲインシフト以外の何らかの原因で電子増倍ゲインが大きくなっていることになる。このような場合には（ステップＳ４２７：Ｎ）、電子増倍ゲインを一単位ダウンして、メモリ２１３の第２の領域にこれを上書き保存すると共に、電子増倍ゲイン制御信号２１５によって電子増倍型ＣＣＤ撮像素子２０３内の電子増倍ゲインを一単位だけダウンした状態に設定する（ステップＳ４３０）。

そして入力信号切替部２３１がテスト側に制御されているかどうかをチェックして、テスト側のままとなっていれば（ステップＳ４２９：Ｙ）、ステップＳ４２４に戻ってこの電子増倍ゲインを一単位だけダウンした状態における映像レベル２０９の検出値を入力して判読する。そして、第２のメモリ領域に格納されている調整済信号レベルの検出値と比較して（ステップＳ４２５）、大小関係を判別することになる（ステップＳ４２６、ステップＳ４２７）。

このようにして、入力信号切替部がテスト側を選択している間、電子増倍ゲインが一単位ずつダウンしていく。そして、ある時点で映像レベル２０９が調整済信号レベルの検出値と同一の範囲内となれば（ステップＳ４２６：Ｙ）、電子増倍ゲインの制御が終了する（エンド）。このような制御で、たとえばノイズの影響によって、図８に示した電子増倍ゲート電極１２４による電子増倍ゲインが過大になっていたとしても、これを適正値に補正することができる。

最後に、ステップＳ４２１で入力信号切替部２３１がテスト側に制御されていないと判別された場合を説明する（Ｎ）。この場合には、メモリ２１３の前記領域に上書きされている最新の電子増倍ゲインを用いて、通常の撮影が行われることになる（ステップＳ４３１）。

このように本発明の変形例によれば、被写体の撮影を行っていない区間を利用して、電子増倍ゲインのテストとその補正が行われる。したがって、撮影を一時的に中断して電子増倍ゲインのテストや適正値への補正処理を行う必要がない。また、主制御部２１１はメモリ２１３の第２の領域に格納されている調整済信号レベルの検出値とテスト時の映像レベル２０９の検出値をそのまま比較する。したがって、期待値を演算する処理が不要である。

なお、実施例では電子増倍型ＣＣＤ撮像装置について説明したが、各種の光電変換手段による電子増倍型撮像装置に同様に本発明を適用することができることは当然である。また、インパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段の具体的な構成は、図８に限られるものではない。たとえば、水平転送ゲート電極の段数は、図示の２段に限定されるものではない。

本発明の一実施例における電子増倍型ＣＣＤ撮像装置の構成を表わした概略構成図である。 本実施例の電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を原理的に示した説明図である。 本実施例の電子増倍型ＣＣＤ撮像装置の制御内容を示した流れ図である。 本発明の変形例における画像の１フレームの割り振りを示した説明図である。 この変形例の電子増倍型ＣＣＤ撮像素子における入力信号の切り替え制御の様子を表わした流れ図である。 この変形例における電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍ゲインの制御の様子を表わした流れ図である。 電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の一例を示した原理図である。 図７に示した電子増倍ＣＣＤレジスタの電荷の転送と増倍の様子を表わした説明図である。 電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増幅ゲート電圧と電子増幅ゲインの関係を表わした特性図である。

符号の説明

１０１ フォトダイオード
１０２ 垂直ＣＣＤレジスタ
１０３ 撮像領域
１０４ 蓄積領域
１０５ 水平ＣＣＤレジスタ
１０６ 電子増倍ＣＣＤレジスタ
２００ 電子増倍型ＣＣＤ撮像装置
２０１ 光学レンズ
２０３ 電子増倍型ＣＣＤ撮像素子
２０８ 映像レベル検出部
２１１ 主制御部
２１２ ＣＰＵ
２１３ メモリ
２１８ 電子増倍ゲート駆動回路
２２２ テスト信号発生回路
２３１ 入力信号切替部

Claims (6)

1. 光電変換素子を備えた撮像手段と、
   この撮像手段の前記光電変換素子から出力される信号電荷を転送する電荷転送手段と、
   この電荷転送手段により転送される信号電荷にゲート電極から電界を印加してインパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段と、
   前記ゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に前記電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりに前記ゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するテスト時電荷注入手段と、
   このテスト時電荷注入手段により注入された電荷が前記増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を予め定めた値と比較する比較手段と、
   前記単位時間当たりの電荷の転送量と前記予め定めた値とが一致する方向に前記ゲート電極から印加する電界の強度を調整する電界強度調整手段
   とを具備することを特徴とする電子増倍型撮像装置。
2. 前記テスト時電荷注入手段は、予め定めた時間が経過するたびに前記電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりに前記ゲート電極の手前から基準となる単位量の電荷を注入する手段であることを特徴とする請求項１記載の電子増倍型撮像装置。
3. 前記テスト時電荷注入手段は、前記撮像手段によって得られる１フレームの画像の特定領域の信号電荷が前記電荷転送手段によって転送されるタイミングで前記ゲート電極の手前から基準となる単位量の電荷を注入する手段であることを特徴とする請求項１記載の電子増倍型撮像装置。
4. 前記光電変換素子はＣＣＤ（Charged Coupled Device）であることを特徴とする請求項１記載の電子増倍型撮像装置。
5. 光電変換素子を備えた撮像手段と、この撮像手段の前記光電変換素子から出力される信号電荷を転送する電荷転送手段と、この電荷転送手段により転送される信号電荷にゲート電極から電界を印加してインパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段とを備えた電子増倍型撮像装置のコンピュータに、
   前記ゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に前記電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりに前記ゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するテスト時電荷注入処理と、
   このテスト時電荷注入処理で注入された電荷が前記増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を予め定めた値と比較する比較処理と、
   前記単位時間当たりの電荷の転送量と前記予め定めた値とが一致する方向に前記ゲート電極から印加する電界の強度を調整する電界強度調整処理
   とを実行させることを特徴とする電子増倍型撮像装置の校正プログラム。
6. 光電変換素子を備えた撮像手段と、この撮像手段の前記光電変換素子から出力される信号電荷を転送する電荷転送手段と、この電荷転送手段により転送される信号電荷にゲート電極から電界を印加してインパクト・イオン化現象により電子を増倍する増倍手段とを備えた電子増倍型撮像装置における前記ゲート電極に印加する電圧の校正のためのテスト時に、前記電荷転送手段による電荷の転送を断って、代わりに前記ゲート電極の手前から基準となる量の電荷を単位時間ごとに注入するテスト時電荷注入ステップと、
   このテスト時電荷注入ステップで注入された電荷が前記増倍手段によって増倍されたことによって得られる単位時間当たりの電荷の転送量を予め定めた値と比較する比較ステップと、
   前記単位時間当たりの電荷の転送量と前記予め定めた値とが一致する方向に前記ゲート電極から印加する電界の強度を調整する電界強度調整ステップ
   とを具備することを特徴とする電子増倍型撮像装置の校正方法。

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