JP2016032216A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度により増大する固定パターンノイズを少ない消費電力で効果的に低減させる。
【解決手段】光学系を介して入射した像光を撮像する撮像素子１３と、撮像素子１３から出力される信号に基づいて画像信号を生成する画像処理部２０と、制御部１８とを備える。制御部１８は、撮像素子１３の遮光された領域の画素値を判断し、判断した画素値が閾値以上である場合に、撮像素子１３を冷却させる冷却ファン３２などの冷却機構を作動させる指令を生成させて、冷却機構を作動させるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、動画像又は静止画像を撮像する、デジタルカメラなどと称される撮像装置に関する。

デジタルカメラなどの撮像装置は、撮像素子として、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサが使用される。これらのＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサは、使用する環境が高温になるにつれて、固定パターンのノイズが発生し易くなるという問題がある。この固定パターンのノイズの発生は、温度上昇に伴い暗電流成分が増加するという、フォトダイオードの電気的な特性が影響している。

暗電流は、一般的に温度が８℃〜１０℃上昇する毎に、２倍の量に増加すると言われており、上述したイメージセンサの固定パターンのノイズは、その影響によって現れるものである。
暗電流の影響を回避するための手法としては、ノイズのパターンを認識して減算し、画像処理的に目立たなくする手法と、撮像素子を低温に保つことで、暗電流の発生を抑える手法とがある。ここで、撮像素子を低温に保つための構成としては、冷却ファンなどの冷却機構を駆動し、常時、あるいは撮像素子が高温となった時のみ冷却することが従来から行われている。

特許文献１には、冷却システムを用いて撮像時の撮像素子の温度を一定に保つことで、撮像素子の暗電流によるノイズ量を一定に保つ技術が開示されている。

特開２０１３−１６２１９２号公報

ところで、冷却ファンなどの冷却機構を駆動するためには、当然ながらそれを駆動するための電力が必要となり、それだけ撮像装置の消費電力が増大してしまうという問題がある。
したがって、撮像装置が持つ冷却機構を常時駆動させて冷却を行うと、撮像装置を低温環境下で使用する場合には過剰な冷却となってしまい、不必要に電力を消費することになる。

また、高温時のみ冷却機構を駆動する場合には、温度を検知する温度センサ等の部品が必要となり、撮像装置の製造コストが上昇するという問題がある。また、温度センサを設けた場合には、温度センサと撮像素子双方の電気的特性のばらつきにより、同じ温度で冷却機構を駆動する設定にしても、１台ごとの撮像装置で適切な冷却機構の駆動管理が難しいという問題がある。
すなわち、仮に、ある撮像装置では、温度センサが冷却機構を作動させる温度を検知しても、冷却機構を駆動しなくても良い状況（つまり実害がない程度のノイズしか発生していない状況）であると想定される場合がある。逆に、他の撮像装置では、温度センサが冷却機構の作動を開始させる温度で、既に許容できないノイズが発生している状況が想定されることもある。
したがって、温度センサを使って、少ない消費電力で撮像素子の暗電流によるノイズを適正に制御するのは非常に困難であるという問題があった。

本発明は、温度により増大する固定パターンノイズを少ない消費電力で効果的に低減させることができる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、光学系を介して入射した像光を撮像する撮像素子と、撮像素子から出力される信号に基づいて画像信号を生成する画像処理部と、制御部とを備える。
制御部は、撮像素子の遮光された領域から出力される画素値を判断し、判断した画素値が閾値以上である場合に、撮像素子を冷却させる冷却機構を作動させる指令を生成して、冷却機構を作動させる。

本発明によると、ノイズの要因となる暗電流量の増加に応じて撮像素子を冷却することができるため、消費電力の増加を必要最低限に抑えつつ、ノイズ低減の効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態による撮像素子の例を示す構成図である。 本発明の一実施の形態による制御処理例を示すフローチャートである。 画素値の検波値と温度との関係の例を示す特性図である。 本発明の一実施の形態による閾値設定画面の例を示す説明図である。 本発明の一実施の形態による撮像装置の変形例を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施の形態例（以下、「本例」と称する。）を、添付図面を参照して説明する。
［１．撮像装置の構成例］
図１は、本例の撮像装置１０の構成例を示すブロック図である。
撮像装置１０は、撮像光を取り込む光学系の部品として、レンズ１１と光学フィルタ１２とを備え、これらレンズ１１と光学フィルタ１２を介して撮像光を撮像素子１３に入射させる。光学フィルタ１２は、撮像光から不要な波長成分を除去する。撮像素子１３は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどで構成され、光を電荷に変換する処理を行う。また、撮像素子１３は、入射する光を電荷に変換する画素が配置された領域として、有効画素領域と遮光領域を有している。なお、この有効画素領域と遮光領域の具体的な例については後述する。

撮像素子１３が出力する撮像信号は、アナログフロントエンド回路（以下、「ＡＦＥ回路」と称する。）１４に供給される。ＡＦＥ回路１４では、供給された撮像信号が増幅された後、デジタル信号に変換する処理が行われる。ＡＦＥ回路１４が出力するデジタル撮像信号は、画像処理部２０に供給される。画像処理部２０は、例えばＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）と称される集積回路で構成され、ＡＦＥ回路１４から供給されるデジタル撮像信号を受信するＡＦＥインターフェース部２１を備える。画像処理部２０では、ＡＦＥインターフェース部２１で受信したデジタル撮像信号から、規定のフォーマットの画像信号が作成される。そして、画像処理部２０で作成された画像信号が、撮像装置１０の画像信号出力端子（不図示）から出力される。

画像処理部２０で画像信号を作成する際には、例えば撮像素子１３の遮光領域の画素の信号レベルを検出して、検出した遮光領域の信号レベルを画像信号の黒レベルに設定する処理が行われる。なお、図１では、画像処理部２０が画像信号を生成する処理は周知の構成であり、ここでは説明を省略する。

また、画像処理部２０は、遮光領域検波部２２を備える。遮光領域検波部２２では、撮像素子１３の遮光領域内の特定の検出範囲（例えば図２に示す検出範囲１３ｃ）内の各画素の画素値が検波され、その検波された画素値の平均値が算出される。そして、画像処理部２０には、メモリインターフェース部２３を介してＲＡＭ１５が接続され、このＲＡＭ１５に遮光領域の画素値の平均値が記憶される。ＲＡＭ１５は、例えばＤＤＲ(Double-Data-Rate)型のメモリで構成され、ＲＡＭ１５に記憶される遮光領域の画素値の平均値は、撮像素子１３から１フレームの撮像信号が供給されるごとに更新される。

ＲＡＭ１５に記憶された遮光領域の画素値の平均値は、制御インターフェース部２４を介して制御部１８に供給される。制御部１８は、ＲＡＭ１５から読み出した遮光領域の画素値の平均値と、メモリ１９に予め記憶されている閾値とを比較し、その比較結果に基づいて、撮像装置１０の冷却機構の作動状態を制御する。

図１の例では、撮像装置１０は、冷却機構として冷却ファン３２を備える。冷却ファン３２は、撮像装置１０の筐体内に外気を導入することで、撮像素子１３を含む撮像装置１０内の各部材を冷却する。この冷却ファン２３は、モータドライバ３１から供給される電源により作動される。制御部１８は、冷却ファン３２の作動開始及び作動停止を制御する指令をモータドライバ３１に供給する。
なお、メモリ１９には、制御部１８が実行する演算プログラムや初期設定値も記憶されている。そして、制御部１８は、メモリ１９に記憶された演算プログラムを読み出して、撮像装置１０内の各部の動作を制御する。

また、撮像装置１０は、操作キー等が配置された操作部３３を備える。そして、操作部３３内の操作キー等の操作により生成される操作指令が、制御部１８に供給される。
さらに、撮像装置１０は、表示部１７を備える。この表示部１７には、制御部１８や画像処理部２０から表示インターフェース部１６を介して表示データが供給される。そして、表示部１７は、この供給された表示データに基づいて各種画面を表示する。例えば、表示部１７は、撮像装置１０の動作モードや各種設定値を表示する。後述する冷却ファン３２を作動させる閾値を設定するモードであるときには、表示部１７は、その設定用の画面を表示する。
なお、表示部１７は、撮像中の画像を表示するモニタと兼用してもよい。

［２．撮像素子の各領域の例］
図２は、撮像装置１０が備える撮像素子１３の画素が配置された領域の構成例を示す図である。
撮像素子１３は、光を電荷に変換する画素が縦横にマトリクス状に配置された撮像面を備え、その撮像面の周辺部を除く大部分の箇所が、有効画素領域１３ａとなっている。画像処理部２０で生成される画像信号は、この有効画素領域１３ａ内の画素が変換された電荷から得られる。
有効画素領域１３ａの周辺には、遮光領域１３ｂが形成されている。この遮光領域１３ｂは、オプティカルブラック領域或いはＯＢ領域とも称され、領域内の画素に光が入射しないように遮光部材が配置されている。そして、画像処理部２０で画像信号を生成する際には、この遮光領域１３ｂの画素値を、画像の基準となるレベルである黒レベルにする処理が行われる。

また、画像処理部２０の遮光領域検波部２２では、撮像素子１３の遮光領域１３ｂ内の特定の検出範囲１３ｃ内の各画素値が検波され、その検波された画素値の平均値が算出される。

［３．冷却機構の制御例］
図３は、制御部１８が行う冷却機構の制御処理の例を示すフローチャートである。
まず、撮影を開始すると、画像処理部２０内の遮光領域検波部２２が、遮光領域１３ｂの検出範囲１３ｃの画素値をリアルタイムで検波する（ステップＳ１１）。そして、検波された画素値の平均値がＲＡＭ１５に記憶される（ステップＳ１２）。次に、制御部１８は、ＲＡＭ１５に記憶された遮光領域１３ｂの画素値の平均と、メモリ１９に予め記憶されている閾値とを読み出し、それぞれの値を比較する（ステップＳ１３）。

ここで、制御部１８は、画素値の平均値とメモリ１９に記憶された閾値とを比較して、画素値の平均値が上記閾値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。
ステップＳ１４で、画素値の平均値が上記閾値以上であると判断された場合には、制御部１８は、モータドライバ３１に冷却ファン３２を駆動させる指令を送り（ステップＳ１５）、冷却ファン３２を回転させる（ステップＳ１６）。

また、ステップＳ１４で画素値の平均値が上記閾値未満であると判断された場合には、制御部１８は、モータドライバ３１に冷却ファン３２を停止させる指令を送り（ステップＳ１７）、冷却ファン３２を停止させる（ステップＳ１８）。

そして、ステップＳ１６での冷却ファン３２の回転又はステップＳ１８での冷却ファン３２の停止が行われた後は、ステップＳ１１の処理に戻り、撮像装置１０での撮影が続く限り、ステップＳ１１〜ステップＳ１８の処理が繰り返される。
なお、冷却ファン３２が作動開始した後には、上述の制御以外に少なくとも一定時間作動するように制御部１８が制御するようにもよい。

図４は、遮光領域１３ｂの画素値の検波値の平均値と温度との関係の例を示す図である。
図４に示す特性ｘは、温度に対する画素値の変化特性であり、図４から温度が上昇することで、徐々にノイズ量が増加して画素値が高くなることが分かる。

ここで、図４に示すように閾値ＴＨ１を設定した場合には、温度ｔ１以上のとき、特性ｘが閾値ＴＨ１以上となり、冷却ファン３２が回転して冷却を行うようになる。また、閾値ＴＨ１をＴＨ２に変更したときには、冷却ファン３２が回転を開始する温度が、ｔ２に変更される。このように閾値を変更することで、冷却ファン３２が回転を開始する画素値が変化する。なお、上述したように、閾値を変更する例はあくまでも一例であり、例えば閾値ＴＨ１で固定してもよい。

遮光領域１３ｂの画素値の平均が閾値ＴＨ１又はＴＨ２を越えて、冷却ファン３２が作動することで、撮像装置１０内の撮像素子１３は冷却されて温度が低下し、温度の低下に比例して暗電流が減少する。このため、暗電流に起因して発生するノイズも低下する。
次に、撮像素子１３の遮光領域１３ｂの画素値を検波することで、暗電流に起因したノイズ量を検出できる点について説明する。
撮像素子１３の遮光領域１３ｂは、光の当たらない領域であるため、本来、検波値は黒レベルと同等である。ところで、暗電流は光の当たらない状態で発生するフォトダイオードの漏れ電流であるため、暗電流の増加に伴い、遮光領域１３ｂの画素値は、本来の黒レベルよりも高い輝度レベルを示すようになる。したがって、画像処理部２０の遮光領域検波部２２が遮光領域１３ｂの画素値を検波することで、撮像素子１３が出力する撮像信号に含まれる温度に依存したノイズを良好に検出できるようになる。

したがって、本例の撮像装置１０によると、撮像素子１３が出力する信号の画素値を使用して、暗電流に比例したノイズ量を正確に検出することができ、冷却機構の作動状態の制御を適正に制御できるようになる。また、温度センサなどの別の検出部材が必要なく、簡単な構成で実現できるようになる。

上述した閾値ＴＨ１を設定するに際しては、例えば、撮像装置１０の設計時に、温度槽などを使用して、撮像素子を常温から高温に推移させる。そして、その温度推移時に、撮像装置１０が出力する画像信号による画面中に、設計的に許容できるぎりぎりのノイズが現れたときの、遮光領域検波部２２の検波値（の平均値）を、閾値の初期値としてメモリ１９に格納する。そして、閾値を変更する操作がない限りは、制御部１８は、その初期値を閾値として使用し、以降の判断処理を行う。

なお、初期値は、撮像装置１０を使用する際に常時閾値として使用してもよいが、作業者の操作で変更できるようにしてもよい。例えば、図４に示す閾値ＴＨ１を、小さな値の閾値ＴＨ２に変更することで、ノイズの発生がより少ない状態で使用できるようになる。一方、逆に閾値を大きな値に変更することによりノイズが多い状況での使用が許容される。この場合、冷却ファン３２の作動する期間を少なくすることができる。

ところで、図４に示した閾値ＴＨ１及びＴＨ２に対応した温度ｔ１，ｔ２の値は、個々の撮像素子１３の特性のばらつきにより変動する。ここで本例の撮像装置１０の場合には、温度の値を温度センサで測定するのではなく、遮光領域の画素値からノイズ量を直接検知するものであるため、撮像素子１３の特性に個体差があったとしても、ノイズの発生を適正に抑制することが可能である。

［４．閾値の設定画面の例］
次に、メモリ１９に記憶される閾値が変更される場合の例について説明する。上述したように、撮像装置１０は、メモリ１９に記憶される閾値を変更できるように構成してもよい。このように閾値を変更する場合の設定画面の例について説明する。
図５は、メモリ１９に記憶される冷却ファン作動用の閾値の設定画面１００の例を示す。この設定画面１００は、例えば作業者による操作部３３の操作で、閾値を変更するモードとしたときに表示部１７に表示される。

図５Ａは、設定画面１００で閾値を変更する場合の表示例である。
図５Ａに示すように、設定画面１００には、ファン制御閾値表示１００ａと、検波値表示１００ｂと、決定ボタン１００ｃとが表示される。ファン制御閾値表示１００ａは、現在設定中の閾値の値を示す。このファン制御閾値表示１００ａで示される値（閾値）は、操作部３３の操作により変更することができる。ファン制御閾値表示１００ａの箇所に表示される表示値を変更したときには、作業者が操作部３３で、「ＯＫ」と表示された決定ボタン１００ｃの表示箇所をクリックする操作を行うことで、その変更した表示値が、新たなファン制御用の閾値に更新される。

また、設定画面１００には、現在の検波値１００ｂが表示される。この現在の検波値１００ｂの表示箇所には、現在の遮光領域検波部２２での検波値が表示される。したがって、閾値を変更する操作を行う作業者は、撮像装置１０で撮像された画像を確認しながら、閾値の変更作業を行うことができる。そして、その確認中の画像のノイズの発生状況を確認した上で、閾値を適正に調整することができる。すなわち、閾値を変更する操作を行う作業者は、検波値表示１００ｂの値から、閾値を調整する上で比較対象となる数値が分かるようになり、閾値の変更を良好に行うことができるようになる。

図５Ｂは、設定画面１００を使用して、閾値を無限大（∞）に調整して、冷却ファン３２を常時作動させないように設定する場合の例である。
すなわち、図５Ｂの例では、ファン制御閾値表示１００ａが行う閾値の数値として、無限大（∞）に設定した状態を示す。操作部３３による決定ボタン１００ｃの操作で、この無限大の設定を確定させることで、メモリ１９に記憶される閾値が無限大に設定される。

メモリ１９に記憶される閾値が無限大に設定されると、制御部１８では、遮光領域検波部２２で検波された値が、閾値未満であると常に判断され、冷却ファン３２は作動しなくなる。
したがって、設定値の設定画面１００を使用して、冷却ファン３２を常時作動させない設定とすることができるようになる。
なお、図５Ｂの設定画面１００とは逆に、閾値を０に設定することで、冷却ファン３２が常時作動するようにしてもよい。

［５．撮像装置の構成の変形例］
図１に示す構成の撮像装置１０では、表示部１７や操作部３３が一体に配置される例とした。これに対して、これらの構成要素が、撮像装置本体とは別に配置される構成としてもよい。
図６は、撮像装置１０′を監視装置４０と接続して、監視装置４０側に表示系や操作系を設ける場合の構成例を示す。図６に示す撮像装置１０′において、図１に示す撮像装置１０と同一の箇所には同一の符号を付す。

図６に示す撮像装置１０′は、表示インターフェース部１６に得られる表示データが、監視装置４０の表示系４１に伝送される。表示系４１では、受信した表示データによる画面が表示される。この表示インターフェース部１６から監視装置４０の表示系４１に伝送される表示データには、図５に示す設定画面１００を表示させる表示データの他に、撮像装置１０′で撮像して得た画像の表示データも含まれ、表示系４１で撮像した画像が表示される。
また、撮像装置１０′の制御部１８には、制御インターフェース部３４が接続してあり、監視装置４０の操作系４２から、制御インターフェース部３４を介して制御部１８に各種操作指令を送ることができる。

このような構成とすることで、撮像装置１０′は、外部の機器である監視装置４０の操作系４２による操作で、閾値などの設定を変更することができ、図１に示す撮像装置１０と同様に、メモリ１９に記憶される冷却ファン作動用の閾値を変更することができる。

［６．その他の変形例］
なお、上述した実施の形態例では、撮像装置１０が冷却ファン３２を備える例を説明した。これに対して、冷却ファン以外の冷却機構を備えた撮像装置において、その冷却機構の動作を制御部１８が同様に制御してもよい。例えば、撮像装置が備える冷却機構として、撮像素子を冷却するペルチェ素子を使用し、そのペルチェ素子の駆動開始及び停止を、遮光領域の検波値に基づいて制御部１８が制御するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態例では、撮像装置１０が冷却ファン３２を内蔵するようにした。これに対して、撮像装置１０を収納するケースなどの、撮像装置１０の外部に冷却ファンなどの冷却機構を配置して、その外部の冷却機構に、制御部１８が動作開始及び動作停止の指示を行うようにしてもよい。

また、制御部１８が閾値と比較する遮光領域の検波値として、特定範囲の画素値の平均値としたが、特定範囲内の画素値の最大値などのその他の値を、閾値と比較するようにしてもよい。

また、上述した実施の形態例では、撮像装置１０が備える撮像素子１３の遮光領域１３ｂの画素値を検波して、ノイズ量を判断するようにした。これに対して、例えば撮像装置１０がシャッタなどの蓋機構を有する撮像装置に適用してもよい。このような撮像装置の場合には、蓋機構を閉じて遮光した状態の有効画素領域の画素値を検波して、ノイズ量を判断することができる。蓋機構を閉じて画素値を検波する処理を、例えば一定期間ごとに間欠的に行うようにしてもよい。なお、このように蓋機構で撮像素子１３を遮光して画素値を検波する際には、撮像動作を一時的に中断する必要があるため、撮像動作を一時的に止めることが可能な用途の撮像装置に適用可能である。

１０，１０′…撮像装置、１１…レンズ、１２…光学フィルタ、１３…撮像素子、１３ａ…有効画素領域、１３ｂ…遮光領域、１３ｃ…検出を行う特定範囲、１４…アナログフロントエンド回路（ＡＦＥ回路）、１５…ＲＡＭ、１６…表示インターフェース部、１７…表示部、１８…制御部、１９…メモリ、２０…画像処理部、２１…ＡＦＥインターフェース部、２２…遮光領域検波部、２３…メモリインターフェース部、２４…制御インターフェース部、３１…モータドライバ３１…冷却ファン３２…操作部、３４…制御インターフェース部、４０…監視装置、４１…表示系、４２…制御系、１００…設定画面、１００ａ…ファン制御閾値表示、１００ｂ…検波値表示、１００ｃ…決定ボタン

Claims (6)

1. 光学系を介して入射した像光を撮像する撮像素子と、
   前記撮像素子から出力される信号に基づいて、画像信号を生成する画像処理部と、
   前記撮像素子の遮光された領域から出力される画素値を判断し、判断した画素値が閾値以上である場合に、前記撮像素子を冷却させる冷却機構を作動させる指令を生成させて、前記冷却機構を作動させるようにした制御部と、を備えた
   撮像装置。
2. 前記撮像素子の遮光された領域は、前記撮像素子の有効画素領域の周辺に設けられた遮光領域である
   請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記制御部は、撮像装置内の操作部又は外部の操作部からの指示で、前記閾値を任意に変更できるようにした
   請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記閾値の変更で、前記冷却機構を常時作動させない状態を設定できるようにした
   請求項３に記載の撮像装置。
5. 前記制御部は、前記閾値を変更するモードのとき、撮像装置内の表示部又は外部の表示部に、前記画像処理部が検出した現在の画素値と、設定中の閾値とを表示させるようにした
   請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記冷却機構として、前記撮像素子が配置された筐体内を冷却する冷却用ファンを備え、
   前記制御部は、前記冷却用ファンを作動させる
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。

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