JP4900199B2 - 測光装置および測光方法 - Google Patents

Description

本発明は、測光装置および測光方法に係り、特に分光放射輝度計に関するものである。

分光放射輝度計の主な測定対象となるディスプレイでは近年高品位化が目覚ましく、高コントラストの製品が相次いで商品化され、黒の階調を高精度で測定できる輝度計の要望が高まっており、センサとして、Ｓ／Ｎ（Signal／Noise）比が良いＣＣＤが用いられている。

ＣＣＤでは、多数の受光素子が並んで配置され、この受光素子に光が照射されると光電変換され光の強さに応じた電荷を発生する。そして、この電荷を、電位のポテンシャルの高低を利用し次々に転送し出力させている。

ＣＣＤの転送効率が１００％の時は、転送レジスタの信号電荷は残らず隣接する転送レジスタに順次に渡されていき、最後に出力部に導かれる。

しかし、実際のＣＣＤでは、不均一な構造による電位のムラが生じ、電位のディップやバリアで捕獲されることにより、転送されずに残存する電荷が発生するため、全ての電荷が、一の転送レジスタから隣接する他の転送レジスタへ転送されるわけではない。このような、元の信号電荷に対する、信号電荷を転送した後に得られる信号電荷の割合を転送効率という。

転送効率が低下した場合には、転送されずに残存する電荷が発生するため、Ｑ０の信号電荷があったときの出力部での転送損失電荷は、転送効率ＣＴＥ（Charge Transfer Efficiency）と転送レジスタ数ｎ（例えば、１２８画素からなるリニアセンサにおいて順次転送を行う場合には、ｎ＝１２８となる）とを用いると、（１−ＣＴＥⁿ）×Ｑ０と表される。この転送損失電荷の信号量が測定誤差となる。

特に、転送効率の劣化の原因である転送レジスタでの電位のディップやバリアにより捕獲される信号電荷の量は限りがあるので、低輝度すなわち少ない信号電荷量を測定するときには、測定誤差が大きくなり無視できなくなる。

この転送効率を改善する手法として、特許文献１〜２等には、画像処理にて後処理し補正する手法が開示されている。

また、転送効率を改善する別の手法として、信号電荷に加え、一定のバイアスを与えて電流を流すことにより転送レジスタでの電位のディップやバリアを常に電荷で埋めるＦａｔ−Ｚｅｒｏと呼ばれる手法もある。

特開平５−２１９３７３号公報 特開２００６−２２９３５０号公報

特許文献１〜２等に開示されるような画像処理による手法は、測定対象が画像データであれば精度上問題ないレベルであるが、分光放射輝度計は、測定対象が画像データではなく、１％以下の測定精度が必要となるので、採用できない。

また、Ｆａｔ−Ｚｅｒｏにより電流を流す手法では、その電流自身のノイズの影響により、低輝度測定時のＳ／Ｎ比が低下するという問題がある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、低輝度測定時においても測定精度を高めることが可能な測光装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る測光装置は、光電変換素子から出力される信号電荷を、複数のレジスタを含む電荷転送領域内で順次転送し前記電荷転送領域から前記信号電荷を読み出すイメージセンサを用いて撮像する測光装置であって、光源としての被測定物から出射された光が前記イメージセンサへ入射されるまでに通る光路を制御するシャッターと、前記シャッターを開いて前記光路を開放した状態で前記光を測定するライト測定手段と、前記シャッターを閉じて前記光路を遮断した状態で暗電流を測定するダーク測定手段とを備え、前記シャッターは、前記ライト測定手段による前記光の測定が開始するタイミングより所定期間早く開けられ、前記所定期間は、前記電荷転送領域において前記信号電荷を一の前記レジスタから隣接する他の前記レジスタへ転送する転送効率に応じて定められる。

また、請求項２に記載の発明に係る測光装置は、請求項１に記載の測光装置であって、前記所定期間は、前記電荷転送領域の一方向に沿った前記レジスタの個数に応じて定められる。

上記の課題を解決するために、請求項３に記載の発明に係る測光方法は、光電変換素子から出力される信号電荷を、複数のレジスタを含む電荷転送領域内で順次転送し前記電荷転送領域から前記信号電荷を読み出すイメージセンサを用いて撮像する測光方法であって、光源としての被測定物から出射された光が前記イメージセンサへ入射されるまでに通る光路を制御するシャッターを開いて前記光路を開放した状態で前記光を測定するライト測定工程と、前記シャッターを閉じて前記光路を遮断した状態で暗電流を測定するダーク測定工程と、前記ライト測定工程の前に、前記電荷転送領域から前記信号電荷を読み出すイニシャル工程と、前記イニシャル工程の期間中かつ前記ライト測定工程の直前に、前記シャッターを所定期間開ける工程とを備え、前記所定期間は、前記電荷転送領域において前記信号電荷を一の前記レジスタから隣接する他の前記レジスタへ転送する転送効率に応じて定められる。

また、請求項４に記載の発明に係る測光方法は、請求項３に記載の測光方法であって、前記所定期間は、前記電荷転送領域の一方向に沿った前記レジスタの個数に応じて定められる。

本発明に係る測光装置においては、ライト測定手段による測定光の測定が開始するタイミングより所定期間早くシャッターを開けることにより、ライト測定の前のイニシャル動作とライト測定動作との間において、プレ蓄積期間を設けている。従って、Ｆａｔ−Ｚｅｒｏのようなバイアスを与えることなく、電位のディップ等を埋めることができる。よって、低輝度測定時においても測定精度を高めることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る測光装置としての分光放射輝度計およびそれを用いた測光方法について説明する。

＜基礎技術＞
図１は基礎技術に係る測光装置としての分光放射輝度計の構成図である。図１の分光放射輝度計は、光源（被測定物）１から出射された光を回折格子８に入射する光学系（対物レンズ２、アパーチャミラー３、光ファイバー４、およびコリメータレンズ６）を備える。アパーチャミラー３は複数の径の穴が開いており測定角切替機能を有し、対物レンズ２の像は、アパーチャミラー３の穴に結像し光ファイバー４によりミキシングされた後にコリメータレンズ６によってコリメートされ、さらに、平行光束として回折格子８に導かれる。これにより、分光が行われる。

そして、回折格子８で分光された光束は、結像レンズ９によりＣＣＤセンサ１０に結像される。ＣＣＤセンサ１０上には光源（被測定物）１から発せられたスペクトルが形成される。分光された光は波長により結像位置が異なるため、各波長に対応したＣＣＤセンサ１０上の位置の画素の出力を得ることにより各波長に対応する信号を取り出すことができる。なお、光ファイバー４とコリメータレンズ６との間には、光源（被測定物）１から出射された光がＣＣＤセンサ１０へ入射されるまでに通る光路を制御するシャッター５が配置されている。

分光放射輝度計の１回の測定は、ライト測定およびダーク測定の２種類の測定からなる。ライト測定時は、シャッター５を開いて光路を開放した状態で光を測定する。ダーク測定時は、シャッター５を閉じて光路を遮断した状態で暗電流を測定する。測定は同じ蓄積時間にて、例えば、ライト測定、ダーク測定の順で行われる（測定順はこれに限られず、逆の順でもよい）。ライト測定において測定された光の輝度値すなわちライト測定値より、ダーク測定において測定された輝度値（暗電流値）すなわちダーク測定値を差し引くことにより、ＣＣＤセンサ１０の暗電流および回路の持つオフセットが除去され精度良い測定値を求めることができる。

なお、図１の分光放射輝度計は、光源（被測定物）１の高輝度側のダイナミックレンジを確保するため、内部に減光フィルタ７を持っている。そして、高輝度測定時には、コリメータレンズ６と回折格子８との間に減光フィルタ７を挿入することにより、ＣＣＤ１０が飽和するのを防ぐ。

図２は図１の信号処理系の詳細を示したブロック図である。光源（被測定物）１の各波長に対応する信号が、ＣＣＤ１０より出力される。ＣＣＤ１０はクロックタイミング発生器１６により駆動される。ＣＣＤ１０より出力された信号はＣＤＳ（相関２重サンプリング回路）１１およびＡＤＣ（Ａ／Ｄコンバータ）１２で構成されるアナログフロントエンドでデジタル化されＣＰＵ１３に入力される。メモリ１４には、測定値を求めるための校正係数が格納されている。そして、ＣＰＵ１３により、さまざまな演算処理が行われ、測定値が表示部１５にも表示される。

次に、図３の模式図を参照して、ＣＣＤ１０の動作について説明する。図３に示されるように、ＣＣＤ１０は、光電変換素子および転送レジスタを有する画素を、水平方向（Ｈ）５３２画素×垂直方向（Ｖ）１２８画素で配置し、光電変換素子から出力される信号電荷を、複数の転送レジスタを含む電荷転送領域内で水平方向または垂直方向に順次転送し電荷転送領域から信号電荷を読み出すことで、撮像を可能としている。

図３のＣＣＤ１０においては、垂直方向に電荷を転送するようなラインビニング動作を行うことにより、５３２ｃｈのリニアセンサとして使用している（すなわち、１ｃｈのリニアセンサは、垂直方向に沿った１２８画素から構成される）。ラインビニング動作とは、転送レジスタによる水平方向の転送を停止させた状態で垂直方向の画素信号を加算して使用する動作である。すなわち水平転送クロックφＨを停止させたまま垂直転送クロックφＶを１２８画素分（具体的には１２８画素×２相＝２５６クロック）与え、垂直方向に沿った画素１２８個分の信号を加算する。その後、水平転送クロックφＨを５３２画素分（具体的には５３２画素×４相＝２１２８クロック）送ることで、５３２ｃｈ分の信号を読み出す。

図４は、ＣＣＤ１０におけるビニング動作により転送されずに残存する電荷を示した模式図である。図４（ａ）〜（ｅ）に示されるように、ＣＣＤ１０には、不均一な構造による電位のディップ（トラップ電位）等があるので、電荷が捕獲され、転送されずに残存する電荷が発生する。

次に、図５の模式図を参照して、ＣＣＤ１０のイニシャル動作について説明する。

ＣＣＤ１０は、画素の電荷が飽和すると他の画素に電荷が漏れてしまい測定値に影響を及ぼす。従って電荷が飽和しないように常時ビニング動作を行い、溜まった電荷を吐き出す必要がある。また、測定光を受光していない場合でも、暗電流により電荷が発生するためビニング動作は必須である。まず１２８画素分の垂直転送クロックφＶを与え、次に５３２画素分の水平転送クロックφＨを与えることにより、１回のビニング動作が行われる。図５では、最短蓄積時間の５ｍｓを一周期として、複数回のビニング動作が行われている。本明細書では、電荷を吐き出すためのこのようなビニング動作をイニシャル動作とも呼ぶ。

図６は、基礎技術に係る分光放射輝度計の測定シーケンスを示した図である。測定動作（ライト測定およびダーク測定）の前後において、それぞれ、イニシャル動作が行われ、電荷が吐き出されている。また、ライト測定動作およびダーク測定動作の各測定動作においても、それぞれ、イニシャル動作と同様に、まず１２８画素分の垂直転送クロックφＶが与えられ、次に５３２画素分の水平転送クロックφＨが与えられ、電荷が吐き出されている。

各測定動作において１２８画素分の垂直転送クロックφＶを与える開始タイミングから、引き続くイニシャル動作において１２８画素分の垂直転送クロックφＶを与える開始タイミングまでの時間が、各測定の蓄積時間に相当する。すなわち、この蓄積時間において蓄積された電荷が、引き続くイニシャル動作の１回目のビニング動作において吐き出され、信号として読み出される。すなわち、イニシャル動作に含まれる複数回のビニング動作のうち、１回目のビニング動作は、直前の測定により蓄積された信号を読み出すための動作であり、２回目以降のビニング動作は、直後の測定の準備として電荷を吐き出す動作である。本明細書では蓄積時間を５ｍｓ〜１２０ｓとして測定を行っている。

図６に示されるように、基礎技術においては、ライト測定が開始する少し前（すなわちライト測定の前のイニシャル動作が終了する少し前）まで、ＣＣＤ１０が入射光で飽和しないようにシャッター５を閉じている。そして、ライト測定が開始する少し前に、シャッター５を開けて電荷を蓄積しライト測定を行う。そして、引き続くイニシャル動作において電荷を吐き出し信号として読み出した後に、シャッター５を閉じて、電荷を蓄積しダーク測定を行う。

図７は、基礎技術に係る図６の測定シーケンス（すなわちライト測定の前のイニシャル動作、ライト測定動作、ダーク測定の前のイニシャル動作、およびダーク測定を行うことにより一の輝度値を得る一連の測定シーケンス）を連続的に繰り返す連続測定を行った場合のデータを示したグラフである。図７においては、連続測定時の測定輝度値の短期ドリフトすなわち誤差ΔＬｖが、１０回目の測定値を基準として示されている。

図７に示されるように、誤差ΔＬｖは、１回目の測定において最も大きく、回数を重ねるにつれて減少している。この理由は、以下のように説明される。

測定を開始する前にシャッター５を閉じている時間が長いと、転送レジスタの電位のディップ等を埋めていた電荷は、減少していく。すなわち、１回目の測定においては、ライト測定の直前までシャッター５がずっと閉じられているので、電位のディップ等を埋めていた電荷がほぼなくなっている状態であると考えられる。従って、蓄積された電荷のうち比較的多くの電荷が、電位のディップ等を埋めるために使われ、転送されないこととなる。よって、輝度値の短期ドリフトすなわち誤差ΔＬｖが大きくなる。

一方、２回目以降の測定においては、その前の回の測定においてシャッター５が開けられることにより電位のディップ等が埋められているので、電位のディップ等を埋めるために使われる電荷は比較的少なくて済む。従って、図７に示されるように、２回目、３回目と回数を重ねるについて、輝度値の短期ドリフトすなわち誤差ΔＬｖが徐々に改善され小さくなっている。

このように、基礎技術に係る図６の測定シーケンスによれば、図７に示されるように、連続測定時の測定輝度値の短期ドリフトすなわち誤差ΔＬｖが、測定を開始する前にシャッター５を閉じている時間が長い１回目の測定において大きくなるという問題点がある。

＜実施の形態１＞
図８は、実施の形態１に係る分光放射輝度計の測定シーケンスを示した図である。図８は、基礎技術に係る図６において、ライト測定の前のイニシャル動作の期間中かつライト測定動作の直前において、電位のディップ等を埋めるためにプレ蓄積期間を設けたものである。

図８においては、ライト測定の前のイニシャル動作が終了する少し前にシャッター５を開けた後かつライト測定動作を行う前に、シャッター５を開けた状態でビニング動作を行うプレ蓄積期間を設けることにより、電位のディップ等を埋めるので、図６に比べて、１回目の測定における測定輝度値の短期ドリフトを改善することが可能となる。このプレ蓄積期間には、少なくとも、図５のビニング動作の一周期（５ｍｓ）以上の期間が必要である。このようにプレ蓄積期間を設定することにより、５３２ｃｈ全てのリニアセンサを構成する全ての画素において、適切に電位のディップ等を埋めることが可能となる。

図９は、本実施の形態に係る図８の測定シーケンスを用いて連続測定を行った場合のデータを示したグラフである。図９においては、基礎技術に係る図７に比べて、連続測定時の測定輝度値の短期ドリフトすなわち誤差ΔＬｖが、比較的回数が少ない測定（特に１回目の測定）において改善していることが分かる。

図８の測定シーケンスにおいて、必要なプレ蓄積期間は、転送効率ＣＴＥ（Charge Transfer Efficiency）と、転送レジスタ数ｎと、転送効率ＣＴＥの影響を大きく受ける最低輝度時の信号電荷Ｑ１とから求められる転送損失電荷Ｑｉ＝（１−ＣＴＥⁿ）×Ｑ１を賄うことができる時間として設定すればよい。なお、転送効率ＣＴＥは、ＣＣＤセンサ１０の電荷転送領域内において一の転送レジスタから隣接する他の転送レジスタへ信号電荷を転送する場合において、元の信号電荷に対する、信号電荷を転送した後に得られる信号電荷の割合である。また、転送レジスタ数ｎは、電荷転送領域内の一方向（例えば垂直方向）に沿った転送レジスタの個数（例えば１２８）である。また、最低輝度時とは、分光放射輝度計のスペックにおいて測定可能な最も小さい輝度を測定する場合を指す。

なお、最低輝度時のビニング動作１回分の信号電荷量Ｑｂを用いると、プレ蓄積期間に実施されるビニング回数としては、（Ｑｉ／Ｑｂ）回以上が必要となる。本実施の形態では、この回数に安全係数をかけて余裕を持たせた回数を設定している。また、あるいは、転送効率ＣＴＥの影響を大きく受ける最低輝度時において、図７，９のように実験により短期ドリフトを連続的に（１０回）測定し、図９のようにドリフト量が無視できるレベルとなるようにプレ蓄積期間のビニング回数を求めてもよい。

このように、本実施の形態に係る測光装置および測光方法は、ライト測定が開始するタイミングより所定期間早くシャッター５を開けることにより、ライト測定の前のイニシャル動作の期間中かつライト測定動作の直前において、プレ蓄積期間を設けている。従って、Ｆａｔ−Ｚｅｒｏのようなバイアスを与えることなく、電位のディップ等を埋めることができる。よって、低輝度測定時においても測定精度を高めることができる。

基礎技術に係る分光放射輝度計の構成図である。 基礎技術に係る分光放射輝度計の信号処理系の詳細を示したブロック図である。 基礎技術に係る分光放射輝度計のＣＣＤの動作を示した模式図である。 基礎技術に係る分光放射輝度計のＣＣＤにおけるビニング動作による電荷の転送残りを示した模式図である。 基礎技術に係る分光放射輝度計のＣＣＤのイニシャル動作を示した模式図である。 基礎技術に係る分光放射輝度計の測定シーケンスを示した図である。 基礎技術に係る分光放射輝度計の測定シーケンスを用いて連続測定を行った場合のデータを示したグラフである。 実施の形態１に係る分光放射輝度計の測定シーケンスを示した図である。 実施の形態１に係る分光放射輝度計の測定シーケンスを用いて連続測定を行った場合のデータを示したグラフである。

符号の説明

１ 光源（被測定物）
２ 対物レンズ
３ アパーチャミラー
４ 光ファイバー
５ シャッター
６ コリメータレンズ
７ 減光フィルタ
８ 回折格子
９ 結像レンズ
１０ ＣＣＤセンサ
１１ ＣＤＳ（相関２重サンプリング回路）
１２ ＡＤＣ
１３ ＣＰＵ
１４ メモリ
１５ 表示部
１６ クロックタイミング発生器

Claims (4)

1. 光電変換素子から出力される信号電荷を、複数のレジスタを含む電荷転送領域内で順次転送し前記電荷転送領域から前記信号電荷を読み出すイメージセンサを用いて撮像する測光装置であって、
   光源としての被測定物から出射された光が前記イメージセンサへ入射されるまでに通る光路を制御するシャッターと、
   前記シャッターを開いて前記光路を開放した状態で前記光を測定するライト測定手段と、
   前記シャッターを閉じて前記光路を遮断した状態で暗電流を測定するダーク測定手段と
   を備え、
   前記シャッターは、前記ライト測定手段による前記光の測定が開始するタイミングより所定期間早く開けられ、
   前記所定期間は、前記電荷転送領域において前記信号電荷を一の前記レジスタから隣接する他の前記レジスタへ転送する転送効率に応じて定められる
   測光装置。
2. 請求項１に記載の測光装置であって、
   前記所定期間は、前記電荷転送領域の一方向に沿った前記レジスタの個数に応じて定められる
   測光装置。
3. 光電変換素子から出力される信号電荷を、複数のレジスタを含む電荷転送領域内で順次転送し前記電荷転送領域から前記信号電荷を読み出すイメージセンサを用いて撮像する測光方法であって、
   光源としての被測定物から出射された光が前記イメージセンサへ入射されるまでに通る光路を制御するシャッターを開いて前記光路を開放した状態で前記光を測定するライト測定工程と、
   前記シャッターを閉じて前記光路を遮断した状態で暗電流を測定するダーク測定工程と、
   前記ライト測定工程の前に、前記電荷転送領域から前記信号電荷を読み出すイニシャル工程と、
   前記イニシャル工程の期間中かつ前記ライト測定工程の直前に、前記シャッターを所定期間開ける工程と
   を備え、
   前記所定期間は、前記電荷転送領域において前記信号電荷を一の前記レジスタから隣接する他の前記レジスタへ転送する転送効率に応じて定められる
   測光方法。
4. 請求項３に記載の測光方法であって、
   前記所定期間は、前記電荷転送領域の一方向に沿った前記レジスタの個数に応じて定められる
   測光方法。

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