JP2009105891A - 利得計測方法及びデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電荷増倍が、駆動電圧をクロック要素に印加することによって得られ、少なくとも第1及び第2の出力信号からの増倍要素によって与えられる利得を導出するように配置されたCCDを有する方法及びデバイスである。CCDは、第1の電圧又は温度設定で、次いで第2の電圧又は温度設定で、並びに、CCDが実質的に一定の光景を画像化するCCDにより導出された出力信号で作動される。次に、所与の電圧又は温度設定における利得は、異なる作動電圧又は温度設定の関数として導出することができる。この方法及びデバイスはまた、電圧又は温度のような作動パラメータを用いる出力信号の変化率の関数として利得を導出することもできる。
【選択図】図5
Description
図1に示されるような、本発明者らの以前に公開された英国特許出願第GB−A−2,371,403号において開示される電子増倍CCD(EMCCD)が、この制限を克服する。CCDイメージャ1は、画像領域2と、保管領域3と、出力又は読出しレジスタ4とを含み、これらの構成要素の各々は、従来のCCDイメージャにおいて見られる。出力レジスタ4は、直列に延びて増倍レジスタ5を与え、その出力部は電荷検出回路6に接続される。
信号電荷列が出力レジスタ4内に転送されると、適切な駆動パルスが電極9に適用されて、出力レジスタの要素から増倍レジスタ5の要素に電荷を順次転送する。この実施形態においては、増倍レジスタは、ドーピングが増倍のための電極の付加に関係する限り、出力レジスタと同様のアーキテクチャである。
利得制御回路は、増倍レジスタに印加される電圧を変えることによって与えられる利得を変化させ得るが、本発明者らは、こうしたCCD電荷増倍構成によって与えられる利得の実際のレベルを求める必要性を認識している。利得を計測する1つの方法は、既知の量の信号を増倍レジスタに注入し、出力を監視することである。この手法に伴う問題は、入力信号がどのようなものであるかを知ることである。典型的には、この信号は、増倍利得が適用されない場合、映像回路のノイズ・フロアを下回るであろう。したがって、利得を伴う及び伴わない信号の計測は、実用的な提案ではない。
本発明者らは、電子増倍CCDの利得を求める改善された方法が望まれていると認識している。本発明者らは、CCDの通常の使用中に実施し作動させるために、既知の相対的光レベル又はCCDのシャッタリングを用いる照射を必要としない方法がより簡単であることもさらに認識している。
本発明は、複数の増倍要素が電荷増倍を与える方法及びCCDデバイスを提供する。この方法は、所与のCCD設定において利得が導出されるCCDからの出力信号の2つ又はそれ以上のサンプルを計測することにより作動する。直感に反して、この方法及びデバイスは、CCDに入射する照射レベルを求めることも、又はCCDへの電荷入力を求めることも必要としない。
本実施形態は、CCDに入射する照射レベルの知識又は入力された信号レベルの知識を必要とすることなく、出力信号を用いて利得を導出するのを可能にする方法で作動される、CCDイメージャのようなCCDデバイスを含む。
図1に関連して、周知のデバイスが示され、説明される。本発明は、このようなデバイス、及び、このようなデバイスを含むイメージャ又はカメラにおいて具体化することができる。図1乃至図3を参照して、最初に、本発明を適用することができる増倍レジスタの構成及びそのレジスタ内の要素を説明する。
周知のタイプの増倍要素が、図2に示されている。要素は、p型シリコンのベース20と、n型層22と、一例としてSiO2上にSi3N4の層又はSiO2のみの層を含むことができるゲート誘電体層24とを含む。ゲート誘電体層においては、各要素は、標準クロック調整電極φ1 26及びφ3 28、DC電極φDC30及び高圧電極φ2HV32として示される4つの電極を有する。要素は、電極における電圧をクロック調整し、電極φHV32における比較的高い電圧が電荷の衝撃イオン化をもたらすようにすることによって、利得を与える。図に示されるような形式「Rφ1」の電極の命名規則は周知のものであり、ここでは略して「φ1」と呼ばれる。同様に、高電圧電極「φ2HV」は、略して「φ2」と呼ぶことができる。
図4に示されるように、各増倍要素の利得は、高電圧電極(φ2)と前のDC相(φdc)との間に適用された電位によって決まる。
本発明の方法は、既存のシステム内で容易に実施することができる利得の簡便な計測を可能にする。デバイスに入射する光を用いて、光景を見ながら計測を行うことができる。
ここで、X(T)は、温度の関数であり、Y(V)は、適用される電位(又は電場)の関数であり、Z(t)は、時間の関数である。この認識の重要な特徴は、利得が、互いから独立している温度(T)及び電圧(V)の関数によって記述されることである。デバイスのアーキテクチャの範囲については、
ここで、Vは、高レベルのφ2パルスとφDC相との間の電位差であり、cは、時間から独立し、温度からほぼ独立している定数である。cの値は、デバイスごとにほとんど一定となるが、増倍要素の構造が変化するとき、デバイス・タイプ間で変わり得る。
βは、Vから独立しているが、温度及び時間に依存する。利得の通常の範囲(通常、5000倍より少ない)及び増倍要素の数(通常、400より多い)については、式2を簡単化して、次式を与えることができる。
式(3)において記述される関係の存在と、利得の測定についてのその含意の理解とが認識されている。
ここで、G1は、計測される利得である。ここで、高レベルのφ2パルスとφDC相との間の差をV2に変えるものとする。増倍利得が変化し、出力信号の変化がもたらされる。V2は、出力信号が、依然として出力回路のノイズより上で計測可能であるように選択される。新しい出力信号S2は、次式によって与えられる。
このように、デバイスの正確な温度又はデバイスがどれくらい経年変化したかを知る必要なしに、増倍利得を計算することができる。通常、V2は、S2がS1のおよそ10%となるように選択される。V2が単位利得に近いものを達成するくらい低い場合には、式(6)が明白になる。したがって、増倍利得が単位利得より大きく、S2が映像回路のノイズ・フロアを上回るように、V2を設定すべきである。S1又はS2の値は、オンチップ又はオフチップの、多数のフレームを平均化することによって得ることができる。
最後に、最終ステップにおいて、V1、V2、S1、及びS2について得られた値と、デバイスについての所定の定数である値cとを用いて、利得が計算される。
ここで、σは、Tから独立しているが、適用されたバイアス及び時間の関数である。通常の利得範囲(通常、5000倍より少ない)及び増倍要素の数(通常、400より多い)については、式7を簡略化して、次式を与えることができる。
ここで、S1はT1において計測された出力信号であり、S2はT2において計測された出力信号であり、バイアスは一定に保持される。求める必要がある唯一の項は、bの値であり、これは、特定のデバイス・タイプについて求めることができ、適用されたバイアス及び時間から独立している。この温度における出力信号及び異なる温度における出力信号が既知の場合には、式(9)を用いて、作動温度における利得を計算することができる。
異なる手法を取ると、それは、次式のように示すことができる。
及び、
かつ、式(11)から次式が得られる。
温度が一定であり、作動点付近の適用されたバイアスを用いる出力信号の変化率が既知である場合には、定数cの知識と共に式(12)を用いて利得を計算することができる。同様に、適用されたバイアスが一定であり、作動点付近の温度を用いる出力信号の変化率が既知である場合には、定数bの知識と共に式(13)を用いて利得を計算することができる。
温度に伴う信号の変化が用いられる実施において、特に有効な方法は、CCDデバイスが周囲温度から作動温度に冷却される際に、出力信号をサンプリングすることである。このように、所与の電圧及び温度設定において利得を正確に求めるために、デバイスを用いる度に開始手順の一部が用いられる。
2:画像領域
3:保管領域
4:出力レジスタ
5:増倍レジスタ
6:電荷検出回路
7、8:電極
11:自動利得制御回路
40:プロセッサ
44:出力
Claims (15)
- 衝撃イオン化により電荷利得を与えるタイプのCCDを組み込むデバイスであって、前記CCDは、駆動電圧を印加したときに電荷利得を生成する増倍レジスタを含み、前記デバイスは、該CCDからの出力信号を与えるように配置された出力部と、前記出力信号を受け取るように配置されたプロセッサとを有し、前記プロセッサは、異なるそれぞれの駆動電圧レベルが前記増倍レジスタに印加されたときに該出力信号から少なくとも第1及び第2の信号を生成し、かつ、前記少なくとも第1及び第2の信号、並びに、前記異なるそれぞれの駆動電圧から該増倍レジスタの利得を導出するように配置されることを特徴とするデバイス。
- 衝撃イオン化により電荷利得を与えるタイプのCCDを組み込むデバイスであって、前記CCDは、駆動電圧を印加したときに電荷利得を生成する増倍レジスタを含み、前記デバイスは、該CCDからの出力信号を与えるように配置された出力部と、前記出力信号を受け取るように配置されたプロセッサとを有し、前記プロセッサは、前記増倍レジスタが異なるそれぞれの温度であるときに該出力信号から少なくとも第1及び第2の信号を生成し、かつ、前記少なくとも第1及び第2の信号から、並びに、前記異なるそれぞれの温度から該増倍レジスタの利得を導出するように配置されることを特徴とするデバイス。
- 前記少なくとも第1及び第2の信号は、前記CCD内のピクセルについての平均信号レベルを表す信号であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のデバイス。
- 前記少なくとも第1及び第2の信号は、フレーム内のピクセルについての平均信号レベルを表すことを特徴とする請求項3に記載のデバイス。
- 前記第1及び第2の信号は、フレーム内のピクセルの信号レベルの合計から導出されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のデバイス。
- 前記プロセッサは、前記増倍レジスタの駆動電圧レベル又は温度を制御するように作動可能であることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のデバイス。
- 前記プロセッサは、DSP又はFPGAであることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載のデバイス。
- 前記プロセッサは、電圧を用いる出力信号の変化率を導出するように配置されることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 前記プロセッサは、温度を用いる出力信号の変化率を導出するように配置されることを特徴とする請求項1に記載のデバイス。
- 衝撃イオン化により電荷利得を与えるタイプのCCDの利得を導出する方法であって、前記CCDは、駆動電圧を印加したときに電荷利得を生成する増倍レジスタを含み、異なるそれぞれの駆動電圧レベルが前記増倍レジスタに印加されたときに出力信号から少なくとも第1及び第2の信号を導出し、前記少なくとも第1及び第2の信号から、並びに、前記異なるそれぞれの駆動電圧から該増倍レジスタの利得を求めることを含む方法。
- 衝撃イオン化により電荷利得を与えるタイプのCCDの利得を導出する方法であって、前記CCDは、駆動電圧を印加したときに電荷利得を生成する増倍レジスタを含み、前記増倍レジスタが異なるそれぞれの温度であるときに出力信号から少なくとも第1及び第2の信号を導出し、前記少なくとも第1及び第2の信号から、並びに、前記異なるそれぞれの温度から該増倍レジスタの利得を求めることを含む方法。
- 前記少なくとも第1及び第2の信号は、前記CCD内のピクセルについての平均信号レベルを表す信号であることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の方法。
- 前記第1及び第2の信号は、フレーム内のピクセルについての平均信号レベルを表すことを特徴とする請求項12に記載の方法。
- 前記第1及び第2の信号は、フレーム内のピクセルの信号レベルの合計から導出されることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の方法。
- 前記方法は、前記CCDが作動温度に冷却されたときに出力信号を計測することを含む請求項11に記載の方法。
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