TWI540898B - Method of determination of electron multiplication rate - Google Patents

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Katsuhide Ito
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Hamamatsu Photonics Kk
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Description

電子倍增率之測定方法
本發明係關於具備電子倍增型攝像元件之攝像裝置之電子倍增率之測定方法。
作為先前之攝像裝置，已知有具備具有電荷倍增機構之CMD(Charge Multiplying Detector)-CCD攝像裝置者。如此之攝像裝置中，會因該裝置之劣化等而有在用戶設定之倍增率與所拍攝之倍增圖像之實際倍增率之間產生偏差之情形。因此，已知有一種方法，其係在如此之攝像裝置中，記憶以對應於CMD-CCD攝像元件之遮光區域之像素拍攝且以倍增率1倍增之第1信號值，再者，記憶以對應於該遮光區域之像素拍攝且以特定之倍增率倍增之第2信號值後，以第1信號值除以第2信號值，藉此而算出實際之倍增率(例如參照專利文獻1)。
先行技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2003-9000號公報
然如上述之攝像裝置中，乃謀求可正確且簡便地測定倍增率之電子倍增率之測定方法。
因此，本發明之課題係提供一種可正確且簡便地測定電子倍增率之電子倍增率之測定方法。
為解決上述問題，本發明之電子倍增率之測定方法之特徵在於：其係具備電子倍增型攝像元件之攝像裝置之電子倍增率之測定方法，且具備：於預先設定之特定之電子倍增率下，獲取利用第1光量之入射光而成之第1倍增圖像，與利用不同於第1光量之第2光量之入射光而成之第2倍增圖像之第1步驟；算出第1倍增圖像所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值之第2步驟；算出第2倍增圖像所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值之第3步驟；使用第2及第3步驟所算出之亮度平均值及亮度分散平均值，算出第1及第2倍增圖像之轉換係數之第4步驟；及使用第4步驟所算出之轉換係數與基準電子倍增率之轉換係數，求得第1及第2倍增圖像之電子倍增率之第5步驟。
該電子倍增率之測定方法係於特定電子倍增率中，獲取利用互不相同之光量之入射光而成之第1及第2倍增圖像，算出所獲取之第1及第2倍增圖像中各自包含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值，使用所算出之亮度平均值及亮度分散平均值，算出第1及第2倍增圖像之轉換係數後，使用所算出之轉換係數求得第1及第2倍增圖像之電子倍增率。如此，根據該電子倍增率之測定方法，使用2個不同之倍增圖像求得電子倍增率。因此，根據該電子倍增率之測定方法，可正確且簡便地測定電子倍增率。
又，本發明之電子倍增率之測定方法中，較佳進而具備將第5步驟所求得之電子倍增率使用，對應於該電子倍增率之過剩雜訊指數加以修正之步驟。此情形時，將所求得之電子倍增率使用對應於該電子倍增率之過剩雜訊指數加以修正，因此可進而獲得正確之電子倍增率。
再者，本發明之電子倍增率之測定方法中，較佳為在第1步驟中，獲取於互不相同之時刻下所拍攝之第3及第4倍增圖像作為第1倍增圖像，且獲取於互不相同之時刻下所拍攝之第5及第6倍增圖像作為第2倍增圖像；在第2步驟中，基於第3倍增圖像與第4倍增圖像之加算圖像，算出第1倍增圖像所含之像素之亮度平均值，且基於第3倍增圖像與第4倍增圖像之減算圖像，算出第1倍增圖像所含之像素之亮度分散平均值；在第3步驟中，基於第5倍增圖像與第6倍增圖像之加算圖像，算出第2倍增圖像所含之像素之亮度平均值，且基於第5倍增圖像與第6倍增圖像之減算圖像，算出第2倍增圖像所含之像素之亮度分散平均值。此情形時，第1及第2倍增圖像之各者包含在不同時刻下所拍攝之2個倍增圖像。並且，根據該電子倍增率之測定方法，將第1及第2倍增圖像之各者之亮度平均值及亮度分散平均值分別基於2個倍增圖像算出。因此，可獲得正確之亮度平均值及亮度分散平均值。尤其亮度分散平均值係基於2個圖像之減算圖像算出，因此可減輕該攝像裝置之陰影之影響，成為正確之值。
根據本發明，可提供一種可正確測定電子倍增率之電子倍增率之測定方法。
以下，針對本發明之較佳實施形態，參照附圖詳細說明。另，對各圖中同一或相當部分附加同一符號，省略重複說明。
如圖1所示，電子倍增型攝像裝置1具備電子倍增型固體攝像元件(電子倍增型攝像元件)10。該固體攝像元件10構成為具有排列成陣列狀之複數之像素，輸出於該各像素中對應於光入射量所生成之電荷信號，且具有將電荷信號倍增之電子倍增部。
如圖2所示，固體攝像元件10作為具有含垂直移位暫存器之攝像部101、蓄積部102、及水平移位暫存器103之FT(訊框傳送)型CCD而構成。用於獲取由入射光像形成之圖像之攝像部101成為將單位像素100排列成2維陣列狀之結構。
蓄積部102與攝像部101相同，成為將單位像素排列成2維陣列狀之結構。又，蓄積部102設於攝像部101與水平移位暫存器103之間。如此之蓄積部102不用於檢測被不透明金屬等遮掩之光像，而用於蓄積在攝像部101之單位像素100之各者生成之電荷信號，或向水平移位暫存器103傳送該電荷信號。
具有如此構成之固體攝像元件10中，首先，當對攝像部101入射光像時，於各複數之像素100中生成對應於入射光之電荷信號而進行圖像之獲取。其次，將攝像部101之各像素100中生成之電荷信號蓄積於蓄積部102。接著，利用輸出暫存器即水平移位暫存器103進行電荷信號之讀取。
固體攝像元件10中除水平移位暫存器103外，並設有具有電子倍增功能之電子倍增部即倍增暫存器105。藉此，該固體攝像元件10將高於一般之電壓作為電子倍增電壓而施加於倍增暫存器105並傳送電荷信號，從而構成為可以特定之電子倍增率倍增電荷信號之電子倍增型CCD(EM-CCD)。根據如此之構成，從攝像部101之各像素100向水平移位暫存器103傳送之電荷信號進而經由連接暫存器104被傳送至倍增暫存器105，藉此以特定之電子倍增率予以倍增，並將所得之倍增電荷信號從輸出端106作為圖像資料輸出。
此處，如圖1所示，電子倍增型攝像裝置1進而具備冷卻器12與散熱器14。冷卻器12為降低暗電流雜訊等而將固體攝像元件10保持在冷卻至特定溫度之狀態。散熱器14連接於冷卻器12之散熱側，利用風扇產生對流或利用水之循環等而進行散熱。另，冷卻器12與固體攝像元件10成為封入於真空密封管11內之構成。
又，電子倍增型攝像裝置1進而具備：類比信號處理部16、A/D轉換部18、DSP(數位信號處理器)部20、及視訊信號轉換部22。類比信號處理部16對從固體攝像元件10輸出之類比之電荷信號進行必要之信號處理。類比信號處理部16所進行之信號處理係例如將從固體攝像元件10輸出之類比視訊信號(電荷信號)直流再生，且以成為適於後段之A/D轉換之振幅之方式將類比視訊增幅之處理。
A/D轉換部18將從類比信號處理部16輸出之類比視訊信號轉換為數位視訊信號並向後段之DSP部20輸出。DSP部20對從A/D轉換部18輸出之數位視訊信號實施信號處理，並向後段之視訊信號轉換部22輸出。視訊信號轉換部22對從DSP部20輸出之圖像資料即數位視訊信號附加水平、垂直之視訊同步信號，而生成作為從電子倍增型攝像裝置1向外部輸出之輸出信號之數位視訊信號。
電子倍增型攝像裝置1進而具備CPU24、時序控制部26、固體攝像元件驅動部28。CPU24係實行攝像控制處理之CPU，且控制DSP部20或時序控制部26或固體攝像元件驅動部28等電子倍增型攝像裝置1之各部之動作。又，CPU24藉由進行特定之運算而實行後述電子倍增率之測定方法之各項處理。
時序控制部26生成並輸出固體攝像元件10或A/D轉換部18等之動作所必要之時序信號。固體攝像元件驅動部28參照來自時序控制部26之時序信號或來自CPU24之指示信號等，進行於攝像部101、蓄積部102及各暫存器103~105中之電荷傳送之控制，或對於倍增暫存器105之電子倍增電壓之條件控制等。另，電子倍增型攝像裝置1之各部之動作所需之電壓係從電源部30供給。
接著，參照圖3，針對電子倍增型攝像裝置1之電子倍增率之測定方法進行說明。該測定方法係由CPU24適當控制電子倍增型攝像裝置1之各部且進行特定之運算而實行。
首先，於預先設定之特定之電子倍增率下，獲取利用第1光量之入射光之第1倍增圖像，與利用不同於第1光量之第2光量之入射光之第2倍增圖像(第1步驟S1)。具體言之，將對應於第1光量之入射光以固體攝像元件10生成之倍增電荷信號以類比信號處理部16進行信號處理後，以A/D轉換部18轉換成數位信號，作為第1倍增圖像而記憶於DSP部20之記憶體內，且將對應於第2光量之入射光以固體攝像元件10生成之倍增電荷信號以類比信號處理部16進行信號處理後，以A/D轉換部18轉換成數位信號，作為第2倍增圖像而記憶於DSP部20之記憶體內。
此時，例如如圖4(a)所示，可將第1倍增圖像及第2倍增圖像中之一方作為利用由蓋C予以遮光、減光之入射光L而成之倍增圖像，將第1倍增圖像及第2倍增圖像中之另一方作為利用一般之(未被遮光、減光)入射光而成之倍增圖像。
或例如如圖4(b)所示，亦可準備在1個圖像中同時投映出相對亮之區域或相對暗之區域之被攝體，設第1倍增圖像及第2倍增圖像中之一方為1個倍增圖像P內之相對暗之圖像區域(由光量相對較小之入射光所致之圖像區域)R1，設第1倍增圖像及第2倍增圖像中之另一方作為1個倍增圖像內之相對亮之圖像區域(由光量相對較大之入射光所致之圖像區域)R2。
另，第1光量及第2光量相對於各像素100為均一較佳。若第1光量及第2光量相對於各像素100不均一之情形時，如後述，作為第1倍增圖像及第2倍增圖像，較佳為在不同(可能的話為連續)之時刻下拍攝並獲取各個複數之倍增圖像。
接著，算出第1步驟S1所獲取之第1倍增圖像所含之像素之亮度平均值(平均輸出計數)及亮度分散平均值(平均輸出計數之分散)(第2步驟S2)。此處，若上述第1光量相對於各像素100為均一，將更增加該第2步驟中所要算出之亮度平均值及亮度分散平均值之正確性。另，以下，有時將第2步驟S2所算出之亮度平均值及亮度分散平均值分別稱作第1亮度平均值及第1亮度分散平均值。
接著，算出該第1步驟S1所獲取之第2倍增圖像所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值(第3步驟S3)。此處，若上述第2光量相對於各像素100為均一，將更增加第3步驟中所要算出之亮度平均值及亮度分散平均值之正確性。另，以下，有時將該第3步驟S3所算出之亮度平均值及亮度分散平均值分別稱作第2亮度平均值及第2亮度分散平均值。
接著，使用第2步驟S2及第3步驟S3所算出之亮度平均值及亮度分散平均值，算出第1步驟S1所獲取之第1倍增圖像及第2倍增圖像之轉換係數(第4步驟S4)。此處，所謂轉換係數係表示1個輸出計數相當於多少光電子之係數，可如下求得。
如下式所示，可知亮度分散平均值係作為亮度平均值之一次函數表示。
[數1]
V(I)=(1/CF)×(I-offset)+r 2/CF 2
此處，V(I)為亮度分散平均值，CF為轉換係數，I為亮度平均值，r為讀取之雜訊。根據上式，亮度分散平均值V(I)之斜率(亮度平均值I之係數)成為轉換係數CF之倒數。圖5係作為一例將複數之圖像中之亮度平均值與亮度分散平均值標繪而成之圖。圖5中，連結各點之直線Y係大致為上式之亮度分散平均值V(I)。
因此，若求得該直線Y之斜率而取倒數，則求得轉換係數。並且，該直線Y之斜率係由互不相同之光量之入射光(亮度互不相同)下形成之2個倍增圖像之亮度平均值及亮度分散平均值而求得。即，若將第2步驟S2所算出之第1亮度平均值及第1亮度分散平均值分別設為Ia及Va，將第3步驟S3所算出之第2亮度平均值及第2亮度分散平均值分別設為Ib及Vb，則轉換係數CF可以下式求得。
[數2]
CF=(Ia-Ib)/(Va-Vb)
接著，如上述，使用第4步驟S4所算出之轉換係數，與預先保持之基準電子倍增率(例如1倍)之轉換係數，算出第1步驟S1中所獲取之倍增圖像之實際電子倍增率(即利用固體攝像元件10而得之實際電子倍增率)。(第5步驟S5)。根據本發明者等之見解，該實際電子倍增率可由下式求得。
[數3]
實際電子倍增率=基準電子倍增率之轉換係數/實際電子倍增率之轉換係數
此處，所謂上述之實際電子倍增率之轉換係數，係第4步驟S4中所算出之轉換係數。藉由以上步驟，求得以預先設定之特定之電子倍增率所獲取之第1及第2倍增圖像之實際電子倍增率。另，所求得之電子倍增率可作為數值即時輸出，亦可連同圖像資料一併輸出。
如上說明，該電子倍增率之測定方法係於預先設定之特定之電子倍增率中，獲取互不相同之光量之入射光下形成之第1及第2倍增圖像，算出所獲取之第1及第2倍增圖像各自所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值，使用所算出之亮度平均值及亮度分散平均值算出第1及第2倍增圖像之轉換係數後，使用所算出之轉換係數求得第1及第2倍增圖像之電子倍增率。如此，在該電子倍增率之測定方法中，使用亮度互不相同之2個倍增圖像求得電子倍增率。因此，根據該電子倍增率之測定方法，可正確且簡便地求得電子倍增率。
此處，亮度平均值與亮度分散平均值間之直線性係隨著亮度平均值變大而如圖6(a)所示變差。因此，較佳為預先測定直線性差之亮度平均值，而不以直線性差之亮度平均值求得電子倍增率，以此方式事先設定最大亮度平均值。此情形時，由於防止以超過直線性差之最大亮度平均值之亮度平均值求取電子倍增率，因此可正確地求得電子倍增率。
又，為求得更正確之電子倍增率，需要考慮過剩雜訊指數(過剩雜訊因子：excess noise factor)。所謂過剩雜訊指數，是表示在倍增電子時產生之倍增起伏者。已知如此之過剩雜訊指數會隨著電子倍增率之變化而變化(例如參照「PhotonTransfer Methods and Results For Electron Multiplication CCDs,Proceedings of SPIE Vol.5558,P248-P259」)。將伴隨電子倍增率之變化之過剩雜訊指數之變化之一例顯示於圖6(b)。根據圖6(b)，過剩雜訊指數在電子倍增率為1倍時為1.0，但隨著電子倍增率上升而上升，電子倍增率為10倍以上時變成將近1.4。
因此，本實施形態之電子倍增率之測定方法較佳為，作為第5步驟S5之後續步驟，進而具備將第5步驟S5所求得之電子倍增率以對應於該電子倍增率之過剩雜訊指數進行修正之步驟。此情形時，藉由以對應於該電子倍增率之過剩雜訊指數除第5步驟S5所求得之電子倍增率，而可求得修正後之電子倍增率。藉由進行如此之修正，可正確求得第1步驟S1所獲取之第1及第2倍增圖像之實際電子倍增率。另，如圖7所示，預先保持將電子倍增率與過剩雜訊指數建立關聯之表，參照其進行該修正，從而可更有效地修正電子倍增率。
又，本實施形態之電子倍增率之測定方法係於第1步驟S1中，如圖8所示，可獲取在互不相同之時刻下所拍攝之第3倍增圖像A1及第4倍增圖像B1作為第1倍增圖像AB1，且獲取在互不相同時刻下所拍攝之第5倍增圖像A2及第6倍增圖像B2作為第2倍增圖像AB2。此時，分別生成第3倍增圖像A1與第4倍增圖像B1之加算圖像C1及減算圖像D1，並記憶於DSP部20之記憶體內，且分別生成第5倍增圖像A2與第6倍增圖像B2之加算圖像C2及減算圖像D2，並記憶於DSP部20之記憶體內。另，第3倍增圖像A1及第4倍增圖像B1係利用第1光量之入射光之圖像，第5倍增圖像A2及第6倍增圖像B2係利用第2光量之入射光之圖像。又，第3~6倍增圖像係於相同電子倍增率下所拍攝之圖像。又，第3倍增圖像A1及第4倍增圖像B1以及第5倍增圖像A2及第6倍增圖像B2分別於不同(可能的話為連續)時刻下拍攝較佳，此情形時，即使入射光之光量有所變化亦可抑制其影響。
此情形時，第2步驟S2之後之各步驟如下進行。首先，在第2步驟S2中，基於加算圖像C1算出第1亮度平均值，且基於減算圖像D1算出第1亮度分散平均值。具體言之，算出加算圖像C1所含之像素(像素區域c10)之亮度平均值，設將其除以2所得之值為第1倍增圖像AB1所含之像素之亮度平均值(第1亮度平均值)Ia。又，算出減算圖像D1所含之像素(像素區域d10)之亮度分散平均值，設將其除以2所得之值為第1倍增圖像AB1所含之像素之亮度分散平均值(第1亮度分散平均值)Va。
接著，在第3步驟S3中，基於加算圖像C2算出第2亮度平均值，且基於減算圖像D2算出第2亮度分散平均值。具體言之，算出加算圖像C2所含之像素(像素區域c20)之亮度平均值，設將其除以2所得之值為第2倍增圖像AB2所含之像素之亮度平均值(第2亮度平均值)Ib。又，算出減算圖像D2所含之像素(像素區域d20)之亮度分散平均值，設將其除以2所得之值為第2倍增圖像AB2所含之像素之亮度分散平均值(第2亮度分散平均值)Vb。
然後，使用如上算出之亮度平均值Ia、Ib及亮度分散平均值Va、Vb算出轉換係數CF(第4步驟S4)，並算出第1倍增圖像AB1及第2倍增圖像AB2之實際電子倍增率(第5步驟S5)。
如此，於第1步驟S1中，若分別獲取在互相不同時刻下所拍攝之2個倍增圖像作為第1及第2倍增圖像，分別基於2個倍增圖像算出第1及第2倍增圖像之各者所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值，可獲得正確之亮度平均值及亮度分散平均值。尤其亮度分散平均值係基於2個圖像之減算圖像而算出，因此可排除被攝體或透鏡或電子倍增型攝像裝置1等之陰影之影響，成為正確之值。又，假定於入射至各像素100之光量不均一之情形中，亦可求得正確之電子倍增率。
又，本實施形態之電子倍增率之測定方法可具備以下步驟作為第5步驟之後續步驟：當第5步驟S5中求得之電子倍增率與預先設定之特定之電子倍增率不同之情形時(即實際電子倍增率與設定之電子倍增率不同之情形時)，以使第5步驟S5所求得之電子倍增率變成預先設定之特定電子倍增率之方式，調整電子倍增電壓。
或本實施形態之電子倍增率之測定方法可具備以下步驟作為第5步驟之後續步驟：當第5步驟S5中求得之電子倍增率與預先設定之特定之電子倍增率不同之情形時，以使第5步驟S5所求得之電子倍增率變成預先設定之特定電子倍增率之方式，修正倍增圖像之亮度值。
具備該等步驟之情形中，利用上述第1步驟S1~第5步驟S5，可正確地測定固體攝像元件10之實際之電子倍增率，因此可將電子倍增率之設定值正確地調整為實際之電子倍增率。
另，第1倍增圖像及第2倍增圖像只要亮度互不相同即可(即，只要在第1倍增圖像與第2倍增圖像之間存在特定之亮度差即可)。因此如上述，亦可使用蓋或擋板使入射光之光量變化，但例如拍攝第1倍增圖像與第2倍增圖像時，可改變光學系統(透鏡)之光圈，亦可改變曝光時間。此時，無需蓋C等之遮光、減光機構。
再者，上述實施形態之各圖像之運算及記憶不限於CPU24或DSP部20，亦可以連接於電子倍增型攝像裝置1之PC或HDD等外部運算裝置或外部記憶裝置進行。
產業上之可利用性
根據本發明，可提供一種可正確測定電子倍增率之電子倍增率之測定方法。
1．．．電子倍增型攝像裝置
10．．．固體攝像元件
圖1係顯示本實施形態之電子倍增型攝像裝置之構成之方塊圖；
圖2係顯示圖1所示之固體攝像元件之構成之一例之模式圖；
圖3係顯示圖1所示之電子倍增型攝像裝置之電子倍增率之測定方法之順序之流程圖；
圖4(a)係顯示使用蓋將入射光遮光、減光之情形之圖，圖4(b)係顯示有明暗之倍增圖像之一例之圖；
圖5係顯示亮度平均值與亮度分散平均值之關係之一例之圖；
圖6(a)係顯示亮度平均值與亮度分散平均值之關係之一例之圖，圖6(b)係顯示電子倍增率與過剩雜訊指數之關係之一例之圖；
圖7係聯繫電子倍增率與過剩雜訊指數之表之一例；及
圖8係顯示本實施形態之電子倍增率之測定方法之其他順序之圖。
(無元件符號說明)

Claims (3)

  1. 一種電子倍增率之測定方法，其特徵在於：其係具備電子倍增型攝像元件之攝像裝置之電子倍增率之測定方法，且具備：於預先設定之特定之電子倍增率下，獲取利用第1光量之入射光而成之第1倍增圖像，與利用不同於前述第1光量之第2光量之入射光而成之第2倍增圖像之第1步驟；算出前述第1倍增圖像所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值之第2步驟；算出前述第2倍增圖像所含之像素之亮度平均值及亮度分散平均值之第3步驟；使用前述第2及第3步驟所算出之前述亮度平均值及前述亮度分散平均值，算出前述第1及第2倍增圖像之轉換係數之第4步驟；及使用前述第4步驟所算出之前述轉換係數與基準電子倍增率之轉換係數，求得前述第1及第2倍增圖像之電子倍增率之第5步驟。
  2. 如請求項1之電子倍增率之測定方法，其中進而具備將前述第5步驟所求得之前述電子倍增率，使用對應於該電子倍增率之過剩雜訊指數加以修正之步驟。
  3. 如請求項1或2之電子倍增率之測定方法，其中在前述第1步驟中，獲取於互不相同之時刻下所拍攝之第3及第4倍增圖像作為前述第1倍增圖像，且獲取於互不相同之時刻下所拍攝之第5及第6倍增圖像作為第2倍增圖像；在前述第2步驟中，基於前述第3倍增圖像與前述第4倍增圖像之加算圖像，算出前述第1倍增圖像所含之像素之亮度平均值，且基於前述第3倍增圖像與前述第4倍增圖像之減算圖像，算出前述第1倍增圖像所含之像素之亮度分散平均值；在前述第3步驟中，基於前述第5倍增圖像與前述第6倍增圖像之加算圖像，算出前述第2倍增圖像所含之像素之亮度平均值，且基於前述第5倍增圖像與前述第6倍增圖像之減算圖像，算出前述第2倍增圖像所含之像素之亮度分散平均值。
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