JP2010226632A - 撮像方法および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＭ−ＣＣＤの高電子増倍時の電子増倍率を改善する。
【解決手段】ＥＭ−ＣＣＤとメモリとを有する撮像装置において、ＥＭ−ＣＣＤの有効画素の画像信号を取得する第１の取得部とＥＭ−ＣＣＤの遮光した画素の信号を取得する第２の取得部と、第２の取得部で取得した遮光した画素の信号とを記憶するＯＢ画素メモリと、ＤＣ／ＤＣコンバータを２つ以上とr-rOPamp駆動のエミッタフォロワのシリーズ電源とを有し、シリーズ電源を電子増倍電極の振幅電圧を定める電源に用い、ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧の低い方をエミッタフォロワのコレクタに接続し、ＯＢ画素メモリに暗電流の基準値を記憶し第２の取得部で取得した遮光した画素の信号の平均値を算出し遮光した画素の基準値の平均値との比を算出し、画面間で平均した値を所定の値に維持するように、シリーズ電源電圧と電圧の低い方のＤＣ／ＤＣコンバータ電圧とを連動して制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子増倍型撮像素子を用いた撮像装置の改良に関するものである。

ＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子から出力された信号から雑音を除去するＣＤＳ（Correlated Double Sampling）と暗電流補正と利得可変増幅回路（Automatic Gain Control以下ＡＧＣ）とデジタル映像信号Ｖｉに変換するＡＤＣ（Analog Digital Converter）とを内蔵したＦＥＰ（Front End Processor）が普及し、ＦＥＰのＡＤＣ階調は従来１０ビットだったが、１２ビットや１４ビットが一般化し、１６ビットも製品化された。ＡＤＣを２２ビットとし、ＡＧＣをＡＤＣの後に配置したＦＥＰも製品化された。

また、デジタル信号処理回路の集積化が進み、複数ラインの出力信号を記憶し算術処理することが、映像専用のメモリ集積ＤＳＰだけでなく、安価な汎用のＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)でも容易に実現できる様になった。

さらに、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子（Electron Multiplying-ＣＣＤ以下ＥＭ−ＣＣＤ）は、フォトダイオードで光電変換された信号電荷を電圧振幅が高い水平転送ＣＣＤ（ＣＭＧ）内部で電子増倍させることにより、電子冷却部と組み合わせて感度を高くできるため、可視光と近赤外光の夜間の撮影用の照明なしの準動画監視が可能となった。

しかし、ＥＭ−ＣＣＤは、ＣＭＧ電圧振幅が高い高電子増倍時は、０．１Ｖで１．４倍感度が変化し、１１℃で１．８倍感度が変化する。また、ＥＭ−ＣＣＤが強く電子増倍した状態で大量の光量が入射されると、電子増倍で加速された電子が転送電極下に留まるキャリアトラップがおこる。高い電子増倍率と入射光量平均値の累積に強く相関するキャリアトラップ量に反比例して電子増倍率の低下が起る。電子増倍率を維持するには電子増倍電極に印加する振幅電圧をさらに高くする必要がある。さらに、強く電子増倍した状態では、電子増倍率が揺らぎ、１／ｆ低周波雑音成分が増大する。そのため、ＥＭ−ＣＣＤを特に強く電子冷却してＣＭＧ電圧振幅も最小限にする（非特許文献１、２、３参照）。しかも、ＥＭ−ＣＣＤの電子冷却は、放熱が困難であり、冷却ファンで空気を対流させている。

また、消費電力が増加すると発熱が増加し放熱がさらに困難になる。しかし、降下電圧が約２Ｖと大きいダーリントンエミッタフォロア出力の電源ＩＣのリップル除去率0.00３％より、電圧降下が低い電源ＩＣのリップル除去率はエミッタ入力コレクタ出力の電源ＩＣで0.005％、コレクタとベースを別入力にしたエミッタフォロワ出力の電源ＩＣで0.02％と悪い（非特許文献４、５、６参照）。電子増倍電極に印加する振幅電圧が変動すると電子増倍率が変動し、１／ｆ低周波雑音成分がさらに増大する。そこで、図５の従来の電子増倍電極駆動電圧電源の構成を示すブロック図の様に、スイッチングするＤＣ／ＤＣコンバータ電源電圧を固定として、インピーダンスの高い小電流でベースを駆動するダーリントンエミッタフォロワ出力のシリーズ電源の安定化出力電圧を可変して、電子増倍電極に印加する振幅電圧を発生させる回路に用い、シリーズ電源で約２Ｖ以上の電圧降下をさせていた。そこで、図６の従来の電子増倍電極駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図の様に、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ電源電圧を２４Ｖとし、シリーズ電源の安定化出力電圧を１８Ｖから２２Ｖまで可変していた。

さらに、１ｍＡ導通するゲートソース間電圧が２５℃で０．８５Ｖで１００℃で０．６５Ｖであり、ドレインソース間導通抵抗RDSonが飽和し始めるゲートソース間電圧が２５℃で１．８Ｖで１．８Ｖ駆動ＭＯＳ−ＦＥＴと称される製品や、RDSonが飽和し始めるゲートソース間電圧が２５℃で１．２Ｖ駆動ＭＯＳ−ＦＥＴと称される製品が発売された（非特許文献７、８参照）。また、コレクタエミッタ間電圧０．１Ｖでコレクタ電流２５０ｍＡ以下で直流電流増幅率ｈｆｅが２５０のトランジスタもある（非特許文献９参照）。ところで、消費電流0.25mAで出力電流25mAで、入力電圧も出力電圧も電源に及び、さらに電源リップル除去率が高くリップル混入が0.001％と低い演算増幅器もある（非特許文献１０参照）。

ところで、ＥＭ−ＣＣＤを用いたテレビジョンカメラにおいて、ＥＭ−ＣＣＤに取り付けてある冷却部が周囲温度の影響で冷却または加熱の能力を超えた場合でもＥＭ−ＣＣＤの感度を一定に保つため、ＥＭ−ＣＣＤの温度を検出し、検出した温度に基づきＥＭ−ＣＣＤの電子増倍率を制御することも検討されている（特許文献１参照）。

また、サーバー冷却用にＰＷＭ駆動トランジスタ内蔵二重反転ファンがある。（非特許文献１１参照）

特許公開２００７−３１８７３５

ＴＩ製TC246RGB-B0 680 x 500 PIXEL IMPACTRONTM PRIMARY COLOR CCD IMAGE SENSOR SOCS087 - DECEMBER 2004 - REVISED MARCH 2005 浜松ホトニクス 高感度カメラの原理と技術 Cat No.SCAS0020J01 ANDOR Technical Note Longevity in EMCCD and ICCD ナショナルセミコンダクタ製ＬＭ−１３６ DS009063 ナショナルセミコンダクタ製ＬＭ−２９４１ 8823 リニアテクノロジ製ＬＴ３０８０ 東芝製ＳＭ３Ｋ１１９ＴＵ ローム製ＲＵＭ００２Ｎ０２ 東芝製２ＳＣ５６９２ リニアテクノロジ製ＬＴ１６３７ 山陽電気製ＣＲＡ０４１２Ｐ４

消費電力を低減して、内部温度上昇を低減して、高電子増倍時は、０．１Ｖで１．４倍感度が変化し、１１℃で１．８倍感度が変化し、高い電子増倍率と入射光量平均値の累積に強く相関するキャリアトラップ量に反比例して電子増倍率の低下が経時的に起きる、ＥＭ−ＣＣＤの電子増倍率を改善することが本発明の目的である。

本発明は、上記課題を解決するため、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子（ＥＭ−ＣＣＤ）と可変電圧電子増倍電極駆動部と利得可変増幅（ＡＧＣ）部とラインメモリと画面メモリとを有する撮像装置において、前記ＥＭ−ＣＣＤを冷却する手段と前記ＥＭ−ＣＣＤの受光面の有効画素から出力される画像信号を取得する第１の取得部と前記ＥＭ−ＣＣＤの受光面の上部または下部の遮光した画素から出力される信号を取得する第２の取得部と、前記第２の取得部で取得した遮光した画素から出力される信号とを記憶する手段（ＯＢ画素メモリ）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ電源電圧を２つ以上とエミッタフォロワまたはソースフォロワの少なくとも一つを演算増幅器で駆動するシリーズ電源とを有し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ電源の電圧の高い方の電圧を固定にし前記演算増幅器の電源端子に接続し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ電源の電圧の低い方を前記エミッタフォロワのコレクタまたはソースフォロワのドレインの少なくとも一つに接続し、前記シリーズ電源を電子増倍電極を駆動する回路の電子増倍電極の振幅電圧を定める電源に用い、前記ＯＢ画素メモリに暗電流の基準値を記憶し前記第２の取得部で取得した遮光した画素から出力される信号の代表値を算出し全画素メモリの遮光した画素の基準値の代表値との比（各垂直周期の電子増倍率）を算出し、該各垂直周期の電子増倍率を画面間で平均した値を平均の電子増倍率として、該平均の電子増倍率を所定の値に維持するように、前記シリーズ電源の電圧と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ電源の電圧の低い方の電圧とを連動して制御する手段を有することを特徴とする撮像装置である。

また、上記において、前記演算増幅器を電源リップル除去率の高い演算増幅器または出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器の電源端子にシリーズ電源を追加したものとすること、前記ソースフォロワがゲートソース導通電圧が１Ｖ以下のＭＯＳ−ＦＥＴであるか前記エミッタフォロワがコレクタエミッタ間電圧が０．２Ｖでｈｆｅが２００以上であるかの少なくとも一方で、前記演算増幅器を消費電流0.5mA以下の演算増幅器の電源端子にに高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源の少なくとも一方を追加したものと、との少なくとも一方にすることを特徴とする撮像装置である。

さらに上記において、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子（ＥＭ−ＣＣＤ）を冷却するペルチェ素子を駆動する駆動回路は同期整流ＰＷＭ駆動回路であり、上記ペルチェ素子を放熱するファンはＰＷＭ駆動トランジスタ内蔵二重反転ファンであり、該ＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力は容量接続し接地ダイオードで直流再生されることを特徴とする撮像装置である。

大電流の流れる電子増倍電極の振幅電圧回路の電源に用いるシリーズ電源出力のエミッタフォロワのエミッタとコレクタとの間またはソースフォロワのソースとドレインとの間の電圧降下は最大０．１Ｖ程度であり、リップル電圧０．１Ｖを考慮しても０．２Ｖ程度であり、従来の約２Ｖ以上の電圧降下に比べて１．８Ｖ改善し、従来と同等の消費電力となる大電流の低い電圧のＤＣ／ＤＣコンバータ電源電圧が２４Ｖでは、シリーズ電源の安定化出力電圧は２３．８Ｖとなり、雑音低減と増幅率増加とで入射光量を削減し電子増倍率の低下を抑制すれば、０．１Ｖで１．４倍感度変化から１.４倍の１８乗でおおよそ５１２倍の高感度となる。または従来同等の電子増倍率で電流の多い電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動回路の電源に用いるシリーズ電源出力が数Ｖ変化すると、低い電圧のＤＣ／ＤＣ電圧が数Ｖ変化し、数Ｖ変化した分の消費電力を低減し内部温度上昇が低減しＥＭ−ＣＣＤ温度が低下し、暗電流や同一電子増倍率でのＣＭＧ駆動電圧が下がり電子増倍で加速された電子が転送電極下に留まるキャリアトラップが減少できるため、電子増倍率の経時的低下が減少でき、高感度となる。

また上記において、前記演算増幅器を電源リップル除去率の高い演算増幅器または出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器の電源端子にシリーズ電源を追加したものとするか、前記ソースフォロワがＭＯＳ−ＦＥＴであるか前記エミッタフォロワが高ｈｆｅで、前記演算増幅器を消費電流0.5mA以下の演算増幅器の電源端子にに高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源の少なくとも一方を追加すれば、電子増倍電極に印加する振幅電圧の変動は最小となり、電子増倍率の変動と１／ｆ低周波雑音成分も最小となる。

さらに上記において、ＥＭ−ＣＣＤを冷却するペルチェ素子駆動回路は同期整流ＰＷＭ駆動回路であり上記ペルチェ素子を放熱するファンはＰＷＭ駆動トランジスタ内蔵二重反転ファンであれば冷却能力が高くなり、ＥＭ−ＣＣＤ温度が低下する。またＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力は容量接続し接地ダイオードで直流再生されればＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力はＰＷＭ駆動トランジスタ導通時に正電圧にクランプされＰＷＭ駆動トランジスタ非導通時は負電圧となりＰＷＭ駆動トランジスタ非導通時は無効電流は流れなくなり消費電力が減少でき、ＥＭ−ＣＣＤ温度が低下する。ＥＭ−ＣＣＤ温度が低下するので、暗電流や同一電子増倍率でのＣＭＧ駆動電圧が下がり電子増倍で加速された電子が転送電極下に留まるキャリアトラップが減少できるため、電子増倍率の経時的低下が減少でき、高感度となる。

また、V-OBライン内のH-OBには有効画素の高輝度信号の垂直スミア成分も水平スミア成分もないので、Ｖ−ＯＢの暗電流の代表値としてV-OBライン内のH-OBを加算平均し、非増倍時のV-OBライン内のH-OBを加算平均し温度補正したものを除算すれば、暗電流の各画面V-OB時の増倍率が検出でき、各垂直周期の増倍率が推定できる。または、V-OBの最少からＮ番目の値にも、有効画素の高輝度信号の垂直スミア成分も水平スミア成分もないので、Ｖ−ＯＢの暗電流の代表値としてV-OBの最少からＮ番目の値を算出し、非増倍時のV-OBの最少からＮ番目の値を算出し温度補正したものを除算しても、暗電流の各画面V-OB時の増倍率が検出でき、各垂直周期の増倍率が推定できる。さらに各垂直周期の増倍率を画面間で平均すれば電子増倍揺らぎを減衰させた、平均電子増倍率が算出できる。

上記の様に本発明によれば、平均電子増倍率とＥＭ−ＣＣＤ温度が検出でき、平均の電子増倍率を所定の値に維持するように、電子増倍電極の振幅電圧を制御することで、撮像装置の感度が所定の感度が外部基準が無くても、維持できる。

本発明の一実施例のＥＭ−ＣＣＤを用いた撮像装置の全体構成を示すブロック図 本発明の一実施例の電子増倍電極駆動電圧電源の構成を示すブロック図 本発明の一実施例の電子増倍電極駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図 本発明の１実施例のＥＭ−ＣＣＤの平均の電子増倍率の制御を示すフローチャート 従来の電子増倍電極駆動電圧電源の構成を示すブロック図 従来の電子増倍電極駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図

図１は、本発明の一実施例のＥＭ−ＣＣＤを用いた撮像装置の全体構成を示すブロック図であり、図２は本発明の一実施例の電子増倍電極駆動電圧電源の構成を示すブロック図であり、図３は本発明の一実施例の電子増倍電極駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図であり、図４は本発明の１実施例のＥＭ−ＣＣＤの平均の電子増倍率の制御を示すフローチャートであり、本発明の一実施例の動作を図１〜図４を参照しつつ説明する。

図１において、１は撮像装置、２は入射光を結像するレンズ等の光学系、３は光学系２から入射した光を電気信号に変換するＥＭ−ＣＣＤ等のＣＣＤ撮像素子、４はＣＣＤ撮像素子３から出力された信号から雑音を除去するＣＤＳと暗電流補正と信号の利得を調整するＡＧＣとデジタル映像信号Ｖｉに変換するＡＤＣからなるＦＥＰ、５は増倍検出含む映像信号処理部、６はＣＰＵ、７は垂直転送駆動部（ｗ／ＴＧ）、８は温度センサ、９はＣＭＧ、１０はペルチェ素子、１１はペルチェ同期整流駆動部、１２は二重反転ファン、１３はファンを駆動するパルス駆動部、１４は放熱フィンであり、１５はスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータで固定電圧のＤＣ／ＤＣと低い可変電圧のＤＣ／ＤＣ−Ｌと高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源等のフィルタのＦＩＬとエミッタフォロワまたはソースフォロワのシリーズ電源ＲＥＧ−Ｌとからなる電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧電源である。５は信号Ｖｉに種々の画像処理を施しＮＴＳＣ（National Television System Committee）方式またはＰＡＬ（Phase Alternating by Line）方式の複合映像信号（Video Burst Sync以下ＶＢＳ）またはＳＤＩ（Serial Digital Interface）映像信号、あるいはＨＤＴＶのＳＤＩ（ＨＤ−ＳＤＩ）等の所定方式の映像信号に変換して出力する映像信号処理部、７はＥＭ−ＣＣＤ３の駆動および電子増倍の利得制御を行うためのＣＣＤ駆動部（または、ＴＧと標記する）であり、ＥＭ―ＣＣＤを駆動するタイミング信号を生成するタイミングジェネレータ（ＴＧ）と、生成されたタイミング信号を駆動するドライバとを主に備えており、６は撮像装置１内の各部を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）である。

次に、撮像装置１のＥＭ−ＣＣＤ３は光学系２で受光面に結像された入射光をフォトダイオードで光電変換して信号電荷を生成し、垂直転送したのち水平転送しながら信号電荷を電子増倍してＦＥＰ４に出力する。ＦＥＰ４はＥＭ−ＣＣＤ３から出力された信号から雑音を除去し暗電流成分を補正し補正した信号を増幅してデジタル映像信号Ｖｉに変換して増倍検出含む映像信号処理部５にデジタル映像信号Ｖｉを出力する。

さらに、垂直転送駆動部（ｗ／ＴＧ）の７とＣＭＧ駆動部の９はＣＰＵ６から出力される制御信号に従ってＥＭ−ＣＣＤ３を駆動するための信号を出力する。

ＥＭ−ＣＣＤ３の出力信号には、V-OBライン内のH-OBには垂直スミア成分も水平スミア成分もないので、V-OBライン内のH-OBを加算平均し、非増倍時のV-OBライン内のH-OBを加算平均し温度補正したものを除算すれば、暗電流の各垂直V-OB時の増倍率が検出でき、各垂直周期の増倍率が推定できる。さらに冷却手段が同期整流スイッチング電源駆動部１１で可変駆動されたペルチェ素子１０と放熱フィン１４とパルス駆動部１３で駆動された非特許文献１１のＰＷＭ駆動トランジスタ内蔵の二重反転ファン１２であれば高い冷却効率となり、画面間で平均した値を平均の電子増倍率として、平均の電子増倍率を所定の値に維持するように、電子増倍電極の振幅電圧または同期整流スイッチング電源のｏｎ−ｏｆｆ比または前記パルス駆動二重反転ファンの該パルス駆動角の少なくとも１つを制御する。パルス駆動はＰＷＭ駆動でも台形波駆動でもよい。特に、ＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力を容量接続し接地ダイオードで直流再生されればＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力はＰＷＭ駆動トランジスタ導通時に正電圧にクランプされＰＷＭ駆動トランジスタ非導通時は負電圧となりＰＷＭ駆動トランジスタ非導通時は無効電流は流れなくなり消費電力が減少できる。

本発明の１実施例のＥＭ−ＣＣＤの平均の電子増倍率の制御を示すフローチャートの図４の概略としては、以下となる
増倍時のV-OBライン内のH-OBを加算平均し温度補正した電子増倍暗電流を検出する。
電子増倍暗電流を非増倍時のV-OBライン内のH-OBを加算平均し温度補正した基準暗電流で除算し垂直周期の電子増倍率Ａを算出する。
垂直周期の電子増倍率Ａを画面間で平均し平均電子増倍率Bを算出する。
平均電子増倍率Bと基準像倍率Ｃと比較し、像倍率Ｂ＞基準増倍率Ｃ なら、
電子増倍電極の振幅電圧または冷却ペルチェ同期整流駆動角または冷却ファンパルス駆動角を低減し、電子増倍率を下げる。
像倍率Ｂ＜基準増倍率Ｃなら、電子増倍電極の振幅電圧または冷却ペルチェ同期整流駆動角または冷却ファンパルス駆動角を増倍し、像倍率を上げる。
像倍率Ｂ＝基準増倍率Ｃなら終了する。

図２は本発明の一実施例の電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧電源の構成を示すブロック図であり、図３は本発明の一実施例の電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図であり、Ｑ１は低飽和電圧で高hfeのＮＰＮトランジスタまたは非特許文献６や非特許文献７の様な低ゲートソース導通電圧のＭＯＳ−ＦＥＴ、Ｄ１はツェナーダイオード、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は抵抗、ＦＩＬは高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源またはシリーズ電源ＩＣ等のフィルタ、ＩＣＣはコレクタ出力等の定電流源で、Ｄ／Ｄは高い固定電圧のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータで、Ｄ／Ｄ−Ｌは低い可変電圧のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータで、ＲＥＧ−Ｌは出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器（r-rOPamp）で駆動するエミッタフォロワまたはソースフォロワのシリーズ電源であり、Ｖｉｎは入力電源、Ｖｒｅfは基準電圧である。ＣＰＵ−Ｄ／Ａ−ｏｕｔはＣＰＵ制御電圧で低い可変電圧のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータのＤ／Ｄ−Ｌの出力電圧とシリーズ電源のＲＥＧ−Ｌの出力電圧とを制御する。

図２の本発明の一実施例の電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧電源の構成を示すブロック図と、図５の従来の電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧電源の構成を示すブロック図との相違は、電子増倍電極（ＣＭＧ）の振幅電圧回路のシリーズ電源のＲＥＧに内蔵されている演算増幅器のＡｍｐ２を出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器のＡｍｐ１に変更し、ダーリントン接続のエミッタフォロワＱ２，Ｑ３を低飽和電圧で高hfeのエミッタフォロワまたは低ゲートソース導通電圧のＭＯＳ−ＦＥＴのＱ１に変更し、高い固定電圧のＤＣ／ＤＣコンバータ電源のＤ／Ｄの出力に高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源等のフィルタＦＩＬを追加してエミッタフォロワまたはソースフォロワのシリーズ電源のベースまたはゲートを駆動するＡｍｐ１に供給し、低い可変電圧のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータを追加しＱ１のコレクタまたはドレインに接続したことである。

電子増倍電極（ＣＭＧ）に印加する振幅電圧の変動を最小とし電子増倍率の変動と１／ｆ低周波雑音成分も最小とするための演算増幅器のＡｍｐ１とフィルタＦＩＬとの組み合わせは、Ａｍｐ１が出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器ならＦＩＬはシリーズ電源電源ＩＣであり、ソースフォロワが非特許文献７の様なゲートソース導通電圧が２５℃で０．８５ＶのＭＯＳ−ＦＥＴであるか、エミッタフォロワが非特許文献９の様なコレクタエミッタ間電圧が０．１Ｖと低飽和電圧でｈｆｅが２５０と高いトランジシタであるかの少なくとも一方で、Ａｍｐ１が非特許文献１０の様な消費電流0.25mAの演算増幅器なら、ＦＩＬは高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源で、Ａｍｐ１が非特許文献１０の様な電源リップル除去率が高くリップル混入が0.001％と低い演算増幅器ならＦＩＬは不要で、Ｄ／Ｄの出力をＡｍｐ１の電源端子に直結できる。エミッタフォロワのエミッタとコレクタとの間またはソースフォロワのソースとドレインとの間の電圧降下はコレクタ電流またはドレイン電流250mAベース電流1mAで０．１Ｖ程度であり、例えばドレイン電流50mAベース電流0.25mAで０．０７Ｖ程度と推定され、リップル０．１Ｖを考慮しても０．１７Ｖ程度で０．２Ｖ以下である。リップルを０．０３Ｖ以下に抑え込めば、０．１Ｖ程度になる。

その結果、図３の本発明の一実施例の電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図の様に、大電流の流れる電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動回路の電源に用いるシリーズ電源出力のエミッタフォロワのエミッタとコレクタとの間またはソースフォロワのソースとドレインとの間の電圧降下は０．２Ｖ以下であり、図６の従来の電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧と電源電圧の動作を示す模式図の従来の約２Ｖ以上の電圧降下に比べて１．８Ｖ改善し、従来と同等の消費電力となる大電流のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ電源のＤ／Ｄ−Ｌの電圧が２４Ｖでは小電流のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ電源のＤ／Ｄの電圧が２４．６Ｖで、シリーズ電源の安定化出力電圧は２３．８Ｖとなり、雑音低減と増幅率増加とで入射光量を削減し電子増倍率の低下を抑制すれば、０．１Ｖで１．４倍感度変化から１.４倍の１８乗でおおよそ５１２倍の高感度となる。リップルを０．０３Ｖ以下に抑え込めば、エミッタフォロワのエミッタとコレクタとの間またはソースフォロワのソースとドレインとの間の電圧降下は０．１Ｖ程度になり、従来と同等の消費電力となる大電流のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ電源のＤ／Ｄ−Ｌの電圧が２４Ｖでは小電流のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ電源のＤ／Ｄの電圧が２４．７Ｖで、シリーズ電源の安定化出力電圧は２３．９Ｖとなり、ペルチェ素子１１を同期整流ＰＷＭ駆動する同期整流駆動部１２で効率よく駆動し、ペルチェ素子を放熱する非特許文献１１のＰＷＭ駆動トランジスタ内蔵の二重反転ファン１３をパルス駆動部１４で効率よく駆動することにより冷却強化してＥＭ−ＣＣＤ温度を低下させる。特に、ＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力を容量接続し接地ダイオードで直流再生されればＰＷＭ駆動トランジスタのＰＷＭ駆動入力はＰＷＭ駆動トランジスタ導通時に正電圧にクランプされＰＷＭ駆動トランジスタ非導通時は負電圧となりＰＷＭ駆動トランジスタ非導通時は無効電流は流れなくなり消費電力が減少でき、ＥＭ−ＣＣＤ温度が低下する。ＥＭ−ＣＣＤ温度が低下するので暗電流や同一電子増倍率でのＣＭＧ駆動電圧が低減し、雑音低減と増幅率増加とで入射光量を削減し、電子増倍で加速された電子が転送電極下に留まるキャリアトラップが減少電子増倍率の低下を抑制すれば、０．１Ｖで１．４倍感度変化から１.４倍の１８乗でおおよそ１０２４倍の高感度となる。

または従来同等の電子増倍率で例えば50mAと電流の多い電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動回路の電源に用いるシリーズ電源出力が１８Ｖから２２Ｖなので、低い電圧のＤＣ／ＤＣ電圧が５．８Ｖから１．８Ｖ下がり、０．２９Ｗから０．０９Ｗ消費電力を低減し内部温度上昇が低減し、暗電流や同一電子増倍率でのＣＭＧ駆動電圧が下がり電子増倍で加速された電子が転送電極下に留まるキャリアトラップが減少できるため、電子増倍率の経時的低下が減少でき、高感度となる。

さらに、雑音低減と増幅率増加とで電子増倍率を抑制することや電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動のturn-offを早くして貫通電流を減らしシリーズ電源電圧を下げることと組み合わせれば、より低いＣＭＧ電圧で運用でき、電流の多い低い電圧のＤＣ／ＤＣ電圧が下がり、さらに消費電力と内部温度上昇とが低減し、暗電流や同一電子増倍率でのＣＭＧ駆動電圧が下がり電子増倍で加速された電子が転送電極下に留まるキャリアトラップが減少できるため、さらに電子増倍率の経時的低下が減少でき、高感度となる。

１：撮像装置、２：光学系、３：撮像素子、４：ＦＥＰ、
５：増倍検出含む映像信号処理部、６：ＣＰＵ、
７：垂直転送駆動部（ｗ／ＴＧ）、８：温度センサ、９：ＣＭＧ駆動部
１０：ペルチェ素子、１１：同期整流駆動部、
１２：二重反転ファン、１３：パルス駆動部、１４：放熱フィン、
１５：電子増倍電極（ＣＭＧ）駆動電圧電源、
Ａｍｐ１：出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器（r-rOPamp）、
Ａｍｐ２：演算増幅器、
Ｑ１：低飽和電圧で高hfeのＮＰＮトランジスタまたは低ゲートソース導通電圧のＭＯＳ−ＦＥＴ、
Ｑ２、Ｑ３：ＮＰＮトランジスタ、
Ｄ１：ツェナーダイオード、
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６：抵抗、
ＦＩＬ：（高インダクタ値のコイルと接地の大容量キャパシタまたはコレクタ出力の定電流源またはシリーズ電源ＩＣ等の）フィルタ、
Ｄ／Ｄ，Ｄ／Ｄ−Ｌ：スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ、
ＲＥＧ：シリーズ電源、
ＲＥＧ−Ｌ：（出力電圧が電源に及ぶ演算増幅器（r-rOPamp）で駆動したエミッタフォロワまたはソースフォロワの）シリーズ電源、
Ｖｉｎ：入力電源、Ｖｒｅf：基準電圧、
ＣＰＵ−Ｄ／Ａ−ｏｕｔ：ＣＰＵ制御電圧

Claims (1)

1. 電子増倍型ＣＣＤ撮像素子（ＥＭ−ＣＣＤ）と可変電圧電子増倍電極駆動部と利得可変増幅（ＡＧＣ）部とラインメモリと画面メモリとを有する撮像装置において、前記ＥＭ−ＣＣＤを冷却する手段と前記ＥＭ−ＣＣＤの受光面の有効画素から出力される画像信号を取得する第１の取得部と前記ＥＭ−ＣＣＤの受光面の上部または下部の遮光した画素から出力される信号を取得する第２の取得部と、前記第２の取得部で取得した遮光した画素から出力される信号とを記憶する手段（ＯＢ画素メモリ）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ電源電圧を２つ以上とエミッタフォロワまたはソースフォロワの少なくとも一つを演算増幅器で駆動するシリーズ電源とを有し、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ電源の電圧の高い方の電圧を固定にし前記演算増幅器の電源端子に接続し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ電源の電圧の低い方を前記エミッタフォロワのコレクタまたはソースフォロワのドレインの少なくとも一つに接続し、前記シリーズ電源を電子増倍電極を駆動する回路の電子増倍電極の振幅電圧を定める電源に用い、
   前記ＯＢ画素メモリに暗電流の基準値を記憶し前記第２の取得部で取得した遮光した画素から出力される信号の代表値を算出し全画素メモリの遮光した画素の基準値の代表値との比（各垂直周期の電子増倍率）を算出し、該各垂直周期の電子増倍率を画面間で平均した値を平均の電子増倍率として、該平均の電子増倍率を所定の値に維持するように、前記シリーズ電源の電圧と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ電源の電圧の低い方の電圧とを連動して制御する手段を有することを特徴とする撮像装置。