(57)【要約】【課題】  光電変換された信号そのものを増倍する電子増倍機能を備えた電子増倍型固体撮像装置は、電子増倍型固体撮像素子の温度依存性が高く、出力レベルにバラツキが発生していたため、適切な色再現ができないという問題があった。【解決手段】  電子増倍型固体撮像素子のオプティカルブラックレベルを検出し、このオプティカルブラックレベルに基づいて、電子増倍型固体撮像素子の電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍型固体撮像素子の感度を補正することでホワイトバランス制御を行うようにする。このような構成とすることで、電子増倍型固体撮像素子の温度特性によるバラツキをリアルタイムで補正することが可能となり、適切な色再現が可能となる。【選択図】  図１
2010016475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を赤光と緑光と青光に分光する分光器と、
前記分光器により分光された前記赤光の光軸上に配置され、前記赤光を撮像する第１の電子増倍型固体撮像素子と、
前記分光器により分光された前記緑光の光軸上に配置され、前記緑光を撮像する第２の電子増倍型固体撮像素子と、
前記分光器により分光された前記青光の光軸上に配置され、前記青光を撮像する第３の電子増倍型固体撮像素子とを備えた三板式固体撮像装置において、
前記第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の各々のオプティカルブラックレベルを検出し、前記オプティカルブラックレベルに基づいて前記第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の感度を補正することを特徴とする三板式固体撮像装置。
【請求項２】
第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の各々のオプティカルブラックレベルに基づいて、前記第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の各々の電子増倍制御電圧を制御することで、前記第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の感度を補正することを特徴とする請求項１に記載の三板式固体撮像装置。
【請求項３】
入射光を撮像する電子増倍型固体撮像素子を備えた固体撮像装置において、
前記電子増倍型固体撮像素子のオプティカルブラックレベルを検出し、前記オプティカルブラックレベルに基づいて、前記電子増倍型固体撮像素子の電子増倍制御電圧を制御することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項４】
入射光を撮像する電子増倍型固体撮像素子と、
前記電子増倍型固体撮像素子を冷却する機能を備えた冷却素子とを備えた固体撮像装置において、
前記電子増倍型固体撮像素子のオプティカルブラックレベルを検出し、前記オプティカルブラックレベルに基づいて、前記冷却素子を温度制御することを特徴とする固体撮像装置。
【請求項５】
入射光を赤光と緑光と青光に分光する分光器と、
前記分光器により分光された前記赤光の光軸上に配置され、前記赤光を撮像する第１の電子増倍型固体撮像素子と、
前記分光器により分光された前記緑光の光軸上に配置され、前記緑光を撮像する第２の電子増倍型固体撮像素子と、
前記分光器により分光された前記青光の光軸上に配置され、前記青光を撮像する第３の電子増倍型固体撮像素子と、
前記第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の各々の電子増倍型固体撮像素子を冷却する機能を備えた冷却素子とを備えた三板式固体撮像装置において、
前記第１〜第３の電子増倍型固体撮像素子の各々のオプティカルブラックレベルを検出し、前記オプティカルブラックレベルに基づいて、前記冷却素子を温度制御することを特徴とする三板式固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、CCD（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子に関するもので、特に高感度化機能として固体撮像素子自体で信号増幅を実現する電子増倍機能を備えた固体撮像装置および三板式固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の三板式固体撮像装置では、例えばRGB３原色の、それぞれが異なるCCD等の固体撮像素子を用いて構成され、三板式固体撮像装置の校正時に、予めAGCアンプの感度バラツキを検出しておき、検出した値に基づいてAGCアンプの補正を行う方法が特許文献１に開示されている。
【０００３】
また、CCD等の固体撮像素子の感度を上げるために、インパクトイオン化現象（衝突電離）を利用して、受光した光に応じて発生した電荷を増幅する電子増倍型のCCD固体撮像素子があり、この電子増倍型のCCD固体撮像素子を用いてノイズの増幅を低減する方法が特許文献２に開示されている。特許文献２に示した電子増倍型のCCD固体撮像素子は、その構成要素である電荷蓄積部がアンプ部から離れており、電荷蓄積部から電子を読み出す際に電子増倍をかける構造であることから、アンプ部の直前に増幅部を設ける場合に比べ、ノイズの増幅が低減されるものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１４５８３７号公報
【特許文献２】特開２００８−９９１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２に記載の三板式固体撮像装置等の固体撮像装置は、光電変換された信号そのものを増倍する電子増倍機能を用いることで、特に一般のCCD固体撮像素子を備えた固体撮像装置の最低被写体照度よりも低い照度における感度を上げることが可能である。しかし、この電子増倍機能使用時に、各CCD固体撮像素子の温度特性やCCD固体撮像素子自体の個体差により固体撮像装置の電子増倍率の設定値と各CCD固体撮像素子から得られる出力信号レベルにバラツキが発生していたため、適切な色再現ができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、CCD固体撮像素子の電子増倍感度のバラツキ補正を自動制御し、適切な色再現を実現する固体撮像装置および三板式固体撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る三板式撮像装置は、入射光を赤光と緑光と青光のグループに分光する分光器と、前記分光器により分光された前記赤光のグループの光軸上に配置され、前記赤光のグループを撮像する第１の電子増倍型固体撮像素子と、前記分光器により分光された前記緑光のグループの光軸上に配置され、前記緑光のグループを撮像する第２の電子増倍型固体撮像素子と、前記分光器により分光された前記青光のグループの光軸上に配置され、前記青光のグループを撮像する第３の電子増倍型固体撮像素子とを備えた三板式固体撮像装置において、前記第１の電子増倍型固体撮像素子から第３の電子増倍型固体撮像素子の出力レベルから各々のオプティカルブラックレベルを検出し、前記オプティカルブラックレベルに基づいて前記第１の電子増倍型固体撮像素子から第３の電子増倍型固体撮像素子の感度を補正することでホワイトバランス制御を行うようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
電子増倍型固体撮像素子の出力レベルからオプティカルブラックレベルを検出し、前記オプティカルブラックレベルに基づいて前記電子増倍型固体撮像素子の感度を補正することでホワイトバランス制御を行うようにしたので、電子増倍型固体撮像素子の温度特性によるバラツキをリアルタイムで補正することが可能となり、適切な色再現を実現する固体撮像装置および三板式固体撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１は、電子増倍型の固体撮像素子を備えた三板式固体撮像装置において、オプティカルブラック（Optical Black）領域（以下ではＯＢ領域と表記）の出力レベルに基づいて、各EM-CCD(Electron Multiplying - Charge Coupled Device、電子増倍型固体撮像素子)の電子増倍率を制御することで、各EM-CCDの感度を補正し、ホワイトバランス調整するようにした三板式固体撮像装置である。以下で、本発明の実施の形態を図１〜図１０に基づいて説明する。なお、本実施の形態の例では、EM-CCDを３つ備えた三板式固体撮像装置について説明するが、EM-CCD以外にも、電子増倍型の固体撮像素子を備えた三板式固体撮像装置等の固体撮像装置についても同様に適用可能である。
【００１０】
図１は、本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置の構成を示すブロック図である。図２はホワイトバランス調整手順を示すフローチャート、図３はホワイトバランス調整前後およびEM-CCD３Ｒの温度変化後の各EM-CCDの温度と出力レベルの関係を示す図、図４は固体撮像素子の画素配列を示す図、図５はEM-CCD３Ｒの内部構成を示す図、図６はＯＢレベル検出部４Ｒの内部構成を示す図、図７は撮像領域１３およびＯＢ領域１４におけるEM-CCD出力特性の一例を示す図、図８はEM-CCDの温度とＯＢレベルの関係を示す図、図９はＯＢレベルと電子増倍制御電圧の関係を示す図、図１０は本発明の実施の形態１に係るマイクロプロセッサ１０の動作内容を示すフローチャートである。
【００１１】
図１において、１は入射した光を結像するレンズ部、２はレンズ部１で結像された入射光を赤光、緑光および青光に色分解するダイクロイックプリズム等の色分解光学系部である。３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは色分解光学系部２で色分解された赤光、緑光および青光の光軸上に配置され、赤光、緑光および青光に色分解された入射光をそれぞれＲ信号、Ｇ信号およびＢ信号（すべて映像信号）に変換するEM-CCDで、４Ｒ、４Ｇ、４ＢはEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３ＢのＯＢレベルを検出するＯＢレベル検出部、５Ｒ、５Ｇ、５ＢはEM-CCD３Ｒ、３Ｇ、３Ｂから出力されるＲ信号、Ｇ信号およびＢ信号のノイズを除去するCDS(Correlated Double Sampling)部、６Ｒ、６Ｇ、６ＢはCDS部５Ｒ、５Ｇおよび５Ｂから出力されるノイズ除去後の各映像信号の増幅を行うアンプ部である。７Ｒ、７Ｇ、７Ｂはアンプ部６Ｒ、６Ｇおよび６Ｂから出力されたアナログの映像信号をディジタルの映像信号に変換するA/D変換部、８はA/D変換部７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂから出力されたディジタルの映像信号に対して、γ補正やマトリックス処理等の各種画像処理を行う映像信号処理部、９は映像信号処理部８から出力された信号を所定の映像フォーマットに変換して映像信号を出力する映像信号出力部である。１０は三板式固体撮像装置内の各部を制御するCPU(Central Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)等のマイクロプロセッサ、１１はマイクロプロセッサ１０からの制御信号およびＯＢレベル検出部４Ｒ、４Ｇおよび４Ｂから出力されるＯＢレベルに基づいて電子増倍型の固体撮像素子に印加する電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御する電子増倍制御部、１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂは電子増倍制御部１１からの制御信号に基づき、所定の駆動パルスをEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂに供給するCCD駆動部である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一部分を示す。
【００１２】
引き続き、本発明の実施の形態１の動作を図１で説明する。レンズ部１で結像された入射光は色分解光学系２により赤光、緑光および青光に色分解され、EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂに入力される。EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂでは色分解された入射光が光電変換され、光電変換後の電気信号をＯＢレベル検出部４Ｒ、４Ｇおよび４ＢとCDS部５Ｒ、５Ｇおよび５Ｂに出力する。ＯＢレベル検出部４Ｒ、４Ｇおよび４ＢではEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの出力信号のうち、ＯＢ領域における出力信号、すなわちＯＢレベルの検出を行い、検出されたＯＢレベルを電子増倍制御部１１に出力する。CDS部５Ｒ、５Ｇおよび５ＢはEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの出力信号のうち、撮像領域における出力信号、すなわちＲ信号、Ｇ信号およびＢ信号のノイズを除去してアンプ部６Ｒ、６Ｇおよび６Ｂに出力する。アンプ部６Ｒ、６Ｇおよび６ＢはCDS部５Ｒ、５Ｇおよび５Ｂから出力されたノイズ除去後のアナログの映像信号をマイクロプロセッサ１０から出力されるアンプ制御信号に従って増幅してA/D変換部７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂに出力する。A/D変換部７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂはアンプ部６Ｒ、６Ｇおよび６Ｂから出力された増幅後のアナログの映像信号を例えば10ビットのディジタル信号に変換して映像信号処理部８に出力する。映像信号処理部８はマイクロプロセッサ１０から出力される画像処理制御信号に従って、A/D変換部７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂから出力されたディジタルの映像信号に例えばγ補正、マトリックス処理等の種々の画像処理を施して映像信号出力部９に出力する。同時に、A/D変換部７Ｒ、７Ｇおよび７Ｂから出力されたディジタルの映像信号の情報をマイクロプロセッサ１０に出力する。映像信号出力部９は映像信号処理部８から出力された画像処理後のディジタルの映像信号を例えばNTSC(National Television System Committee)方式等の所定方式の映像信号に変換して出力する。電子増倍制御部１１はマイクロプロセッサ１０からのディジタルの映像信号の情報およびＯＢレベル検出部４Ｒ、４Ｇおよび４ＢからのＯＢレベルに基づいてEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂに印加する電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御する電子増倍制御信号をCCD駆動部１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂに出力する。なお、ＯＢレベルに基づく電子増倍制御の詳細については、後述する。CCD駆動部１２Ｒ、１２Ｇおよび１２Ｂは電子増倍制御部１１から出力される電子増倍制御信号に従って、EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの電子増倍率を設定し、EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂを駆動するための信号を出力する。
また、マイクロプロセッサ１０は映像信号処理部８から出力される画像処理後のディジタルの映像信号に応じて、アンプ部６Ｒ、６Ｇおよび６Ｂに増幅率を制御するアンプ制御信号を出力することで、ゲイン補正を行う。
【００１３】
ここで、ＯＢレベルに基づく電子増倍制御の動作説明の前に、本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置のホワイトバランス調整について、図２、図３に基づいて説明する。ホワイトバランス調整とは輝度Y,色差Cb,Crで表される色空間(YUV)において、EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの出力レベル(R,G,B)から、色差Cb,Crがともに0になるよう輝度Yを調整することである。
【００１４】
図２は本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置のホワイトバランスの調整手順を示したフローチャートである。また、図３はEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの温度および出力レベルの関係を示した図であり、図３(a)(b)はEM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの温度がTr、TgおよびTbで、ホワイトバランス調整前(a)・調整後(b)の、図３(c)はホワイトバランス調整後、EM-CCD３Ｒの温度がTr+Δに変化したときの、出力レベル(R,G,B)を示している。なお、出力レベルの添え字0,1は、EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの温度に対応したものであり、ホワイトバランス調整前後(Tr,Tg,Tb)の場合を0、EM-CCD３Ｒの温度がTr+Δに変化した後の場合を1で表している。
【００１５】
続いて、ホワイトバランスの調整手順を示す。図２のＳ１において、輝度Y(n)の重み係数Wr(n),Wg(n)およびWb(n)の初期化を行った後、Ｓ２に進む。ここで、輝度Y(n),色差Cb(n),Cr(n)の各値は、EM-CCD３R、３Gおよび3Bの測定値(R0,G0,B0)を用いて、下記（数１）のように表される(n=0)。本実施の形態１の例では、Wr(0)＝Wb(0)＝0.3、Wg(0)＝0.4を初期値としているが、Wr(0)＋Wg(0)＋Wb(0)＝1となるようであれば、他の値を初期値としても構わない。
【００１６】
【数１】
2010016475.tif 000003
Ｓ２において、EM-CCD３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの出力レベル(R0,G0,B0)を測定した後、Ｓ３に進む。図３(a)の例では、３Ｒ、３Ｇおよび３Ｂの出力レベルとしてR0,G0およびB0が得られた場合について示されている。Ｓ２で得られた各EM-CCDの出力レベルをもとに輝度Y(n)、色差Cr(n),Cb(n)を算出する（Ｓ３）。
【００１７】
Ｓ３において、輝度Y(n),色差Cr(n),Cb(n)を算出する。各値は、上記（数１）のように表される。Ｓ３で算出された色差Cr(n),Cb(n)がともに0かどうかの判定を行う（Ｓ４）。図３(a)の例では、輝度Y(0)＝0.3R0＋0.4G0＋0.3B0が算出され、同時に色差Cr(0),Cb(0)も算出された場合について示されている。
【００１８】
Ｓ４において、色差Cr(n),Cb(n)がともに0かどうかの判定を行う。色差Cr(n),Cb(n)がともに0であれば（Ｓ４のＹｅｓ）、ホワイトバランスが成立した状態であることから、処理を終了する。そうでなければ（Ｓ４のＮｏ）、輝度Yの重み係数Wr(n),Wg(n)およびWb(n)の値を更新する（Ｓ５）。図３(a)の例では、色差Cr(n),Cb(n)がともに0ではないため、Ｓ４における判定はＮｏとなり、Ｓ５に進む。
【００１９】
Ｓ５において、輝度Y(n)の重み係数Wr(n),Wg(n)およびWb(n)の値の更新を行う。例えば、色差Cr(n)＞0であれば、δr(n)＝0.2(＞0)、δg(n)＝−0.1(＜0)、δb(n)＝−0.1(＜0)とし、Cr(n)＜0であれば、δr(n)＝−0.2(＜0)、δg(n)＝0.1(＞0)、δb(n)＝0.1(＞0)とし、Wi(n)＋δi(n)(i＝r,g,b)を更新後の重み係数としてWi(n+1)に代入する。なお、δiの値は、δr(n)＋δg(n)＋δb(n)＝0となるようであれば、他の値としても構わない。変数nをインクリメントした後、Ｓ５で得られた重み係数Wr(n),Wg(n)およびWb(n)をもとに輝度Y(n),色差Cr(n),Cb(n)を再度算出する（Ｓ３）。図３の例では、ホワイトバランス調整前（図３(a)）は下記（数２）のように、輝度Y(0)の重み係数Wr(0),Wg(0),Wb(0)はそれぞれ0.3,0.4,0.3で、色差Cr(0),Cb(0)はともに0ではなかったが、ホワイトバランス調整の結果（図３(b)）、下記（数３）のように、重み係数Wr(N),Wg(N),Wb(N)はそれぞれ0.3,0.59,0.11で、色差Cr(N),Cb(N)がともに0となり、ホワイトバランスが成立した状態であることを示している。
【００２０】
【数２】
2010016475.tif 000004
【００２１】
【数３】
2010016475.tif 000005
以上の動作を行うことにより、ホワイトバランス調整を行うことが可能となる。
【００２２】
続いて、電子増倍部１１の動作内容である、ＯＢレベルに基づいて、電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御する電子増倍制御の詳細について説明する。
【００２３】
図３(c)は、図３(b)においてホワイトバランス調整後、EM-CCD３Ｒの温度がTrからTr＋Δに変化し、EM-CCD３Ｒの出力レベルがR0からR1に変化したことを示している。このとき、EM-CCD３Ｒの出力レベルはR1（≠R0）で、下記（数４）のように、輝度Y'(N)はY(N)とは異なる値であり、それ故、色差Cr(N),Cb(N)はともに0ではないため、ホワイトバランスが成立しなくなる。
【００２４】
【数４】
2010016475.tif 000006
以下では、図４〜図８を参照しながら、固体撮像素子の画素配列、EM-CCDおよびＯＢレベル検出部の内部構成、撮像領域およびＯＢ領域におけるEM-CCDの出力特性、ＯＢレベルの温度特性について説明し、その後、図３、図８、図９を参照しながら、EM-CCD３Ｒの温度がTrからTr＋Δに変化した際、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御することで、リアルタイムにEM-CCD３Ｒの感度を補正する方法を説明する。
【００２５】
図４は固体撮像素子の画素配列を示す図であり、１３は画素を遮光しない領域、すなわち入射光を撮像する撮像領域、１４は画素を遮光した領域、すなわちＯＢ領域である。固体撮像素子の領域はこれら２つの領域に分かれている。
【００２６】
図５はEM-CCD３Ｒの内部構造を示す図、図６はＯＢレベル検出部４Ｒの内部構成を示す図である。なお、EM-CCD３Ｇ、３Ｂについては、出力信号がＲ信号ではなく、それぞれＧ信号、Ｂ信号となるだけで、構造自体はEM-CCD３Ｒと同様であり、ＯＢ検出部４Ｇ、４Ｂについても、構造自体はＯＢレベル検出部４Ｒと同様であることから、詳細説明は省略する。図５において、１５は光電変換により色分解光学系部２で色分解された入射光を電気信号に変換する感光部、１６は感光部１５から出力される電気信号を画素の垂直方向に転送するための垂直転送レジスタ、１７は垂直転送レジスタ１６から転送された電気信号を画素の水平方向に転送するための水平転送レジスタである。１８は水平転送レジスタ１７から転送された電気信号に対して、電子増倍制御部１１から出力される電子増倍制御信号に従って設定された電子増倍率に対応する電子増倍率制御電圧を加えることで電気信号を増幅する電子増倍部、１９は電子増倍部１８から出力された電気信号を読み出すための読み出しアンプ部である。
【００２７】
引き続き、本発明の実施の形態１のEM-CCD３Ｒの動作を図５で説明する。色分解光学系部２により色分解された入射光（光信号）はEM-CCD３Ｒ内の感光部１５で光電変換により電気信号に変換され、垂直転送レジスタ１６に格納され、垂直方向の画素として水平転送レジスタ１７に転送される。水平転送レジスタ１７に転送された垂直転送レジスタ１６内の画素は、水平方向の画素として電子増倍部１８に転送される。電子増倍部１８では、マイクロプロセッサ１０からの電子増倍制御信号に従って、EM-CCD内の電子増倍部１８に印加する電子増倍制御電圧を設定し、この電子増倍制御電圧に対応した電子増倍率で、水平転送レジスタ１７から転送された電気信号の増幅を行う。読み出しアンプ部１９では、電子増倍部１８から出力された電気信号を読み出し、読み出し結果、すなわちEM-CCD３Ｒ出力信号をＯＢレベル検出部４ＲおよびCDS部５Ｒに入力する。
【００２８】
図６において、２０はEM-CCD３Ｒで光電変換された電気信号のうち、撮像領域１３の信号を遮断し、ＯＢ領域１４の信号を通過させるためのゲート部、２１はゲート部２０から出力される信号からＯＢ信号（ＯＢレベル）を抽出する検波部である。EM-CCD３ＲからのEM-CCD出力信号はゲート部２０に入力され、ＯＢ領域の信号のみが通過され、検波部２１にてＯＢレベルが抽出される。検波部２１で抽出されたＯＢレベルは電子増倍制御部１１に入力され、電子増倍制御部１１にてＯＢレベルに基づいて電子増倍制御を行う。
【００２９】
図７は撮像領域１３およびＯＢ領域１４におけるEM-CCD出力特性の一例を示す図である。図７において、撮像領域１３では入射光強度に比例してEM-CCD出力レベルが大きくなる（図７の実線）。EM-CCD出力レベルが飽和レベル（飽和出力電圧、図７のＡ点）に達すると、それ以上の入射光強度の光が入射されてもEM-CCD出力レベルは一定のままである。一方、ＯＢ領域１４では入射光強度に関らず、EM-CCD出力レベルは常に一定であり、入射光強度0のときのEM-CCD出力レベルがＯＢレベルである（図７の点線）。
【００３０】
図８は電子増倍型固体撮像素子の温度とＯＢレベルの関係の一例を示した図である。図７から、ＯＢレベルは入射光強度に依存せず一定レベルであるが、図８から、温度が変化するとＯＢレベルは線形に変化し、温度が上がるとノイズが増加することが分かる。
【００３１】
次に、図３、図９〜図１０を参照しながら、EM-CCD３Ｒの温度がTrからTr＋Δに変化した際、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御することで、リアルタイムにEM-CCD３Ｒの感度を補正する方法を説明する。
【００３２】
前述のとおり、EM-CCD３Ｒの温度がTrからTr＋Δに変化すると、図３(c)に示すように、EM-CCD３Ｒの出力レベルがR0からR1(≠R0)に変化することから、ホワイトバランスは成立しなくなる（数４）。このとき、図８に示すＯＢレベルの温度特性の図より、EM-CCD３Ｒの温度変化に伴い、EM-CCD３ＲのＯＢレベルも変化する。
【００３３】
図９は電子増倍率が100倍のときの、ＯＢレベルと電子増倍制御電圧の関係を示す図である。なお、図９に示す図は一例であり、ＯＢレベルと電子増倍制御電圧が非線形に変化する場合もあり得る。図９から、温度上昇等の要因で、感度とともにＯＢレベルが変化した場合、対応した電子増倍制御電圧を印加することでＯＢレベル変化前の電子増倍率を保つことが可能であることが分かる。それ故、図９に示すＯＢレベルの特性を利用することで、EM-CCD３Ｒの温度が変化した際、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御することで、リアルタイムにEM-CCD３Ｒの感度を補正することが可能である。以下で、図１０を参照しながら具体的な動作内容を説明する。
【００３４】
図１０は図１に示す三板式固体撮像装置において、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御することで、リアルタイムにEM-CCD３Ｒの感度を補正する際の、マイクロプロセッサ１０の動作内容を示すフローチャートである。
【００３５】
図１０のＳ１において、変数R、εおよびnの初期化を行った後、Ｓ２に進む。本実施の形態１の例では、EM-CCD３Ｒの所望の感度を変数Rに設定し、n=0を初期値とする。また、εは感度R(n)の補正を行うかどうかの判定しきい値であり、図１０に示したフローチャートの例の場合、ε=1.0を初期値とするが、この値に限定されるものではなく、他の値を初期値としても構わない。なお、εの値が小さいほど精度よく感度補正を行うことが可能であり、大きいほど短時間で感度補正を行うことが可能である。変数εは、EM-CCD３Ｒの諸特性または三板式固体撮像装置の使用用途に応じて決定すればよい。
【００３６】
Ｓ２において、所望の感度Rに基づいて電子増倍制御電圧Vr(n)を印加し、EM-CCD３Ｒの感度R(n)を算出する。その後、RとR(n)の類似度判定処理を行う（Ｓ３）。
【００３７】
Ｓ３において、RとR(n)の差の絶対値がεより小さいかどうかの判定処理を行う。両者の差の絶対値がεより小さい場合（Ｓ３のＹｅｓ）は、R(n)が所望の感度Rと等しいと判断し、処理を終了する。また、両者の差の絶対値がεより大きい場合（Ｓ３のＮｏ）は、温度変化等の要因により感度R(n)が変化したと判断し、Ｓ４以下でＯＢレベルに基づく感度補正処理を行う。
【００３８】
Ｓ４において、Vr(n)印加時のＯＢレベル、すなわちOB(n)を検出する。ＯＢレベル検出の具体的手順は、上述のとおりであることから、詳細説明は省略する。次に、図９に示すようなＯＢレベルと電子増倍制御電圧の関係が格納された参照テーブルを用いて、検出したOB(n)から電子増倍制御電圧Vob(n)を決定し、電子増倍制御電圧Vr(n)、変数nの更新を行う（Ｓ５）。なお、上述の参照テーブルは、例えば、EM-CCDごとに予めＯＢレベルと電子増倍制御電圧の関係を測定等により求め、電子増倍制御部１１内に格納しておき、EM-CCDの感度補正時に参照されるものである。
【００３９】
Ｓ５において、電子増倍制御電圧の更新を行う。具体的には、Vob(n)をVr(n+1)に代入し、変数nの値をインクリメントする。その後、更新後の電子増倍制御電圧Vr(n)を印加し、再度感度R(n)を算出し（Ｓ６）、RとR(n)の類似度判定処理を行う（Ｓ３）。Ｓ３〜Ｓ６の繰り返し処理は、EM-CCD３Ｒの感度補正が完了するまで行われる。
【００４０】
以上の動作を行うことにより、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍率を制御することで、EM-CCD３Ｒの感度補正を行うことが可能となる。
【００４１】
以上のように、この実施の形態１では、温度変化等によりEM-CCDの感度が変化した場合でも、ＯＢレベルを検出し、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御を行うことで、EM-CCDの感度が元の値に補正され、常にホワイトバランス調整された状態を保つことが可能となり、適切な色再現を実現する固体撮像装置および三板式固体撮像装置を提供することが可能となる。
【００４２】
また、本実施の形態１の例では、EM-CCDの電子増倍率を制御することで、EM-CCDの感度を補正し、ホワイトバランス調整する場合について示したが、EM-CCDを１つ備えた単板式固体撮像装置において、予め電子増倍率を電子増倍部１１内に格納しておき、温度変化等によりEM-CCDの感度が変化した際、ＯＢレベルに基づいて電子増倍制御電圧を設定し、電子増倍部１１内に格納しておいた、EM-CCDの感度が変化する前の電子増倍率と同じとなるよう、電子増倍制御を行うようにした場合でも、同様の効果が得られる。
【００４３】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、EM-CCDを備えた固体撮像装置において、ＯＢレベルに基づいて、EM-CCDの電子増倍率を制御する構成であったが、これにペルチェ素子等の冷却素子をさらに備えた固体撮像装置において、ＯＢレベルに基づいて、ペルチェ素子に流す電流を制御するようにすることで、温度補正を行うための温度センサを用いずに小規模な構成で、実施の形態１と同様の効果を得ることが可能である。以下では、EM-CCDおよびペルチェ素子をそれぞれ１つ備えた単板式固体撮像装置の例を図１１〜図１３に基づいて説明する。なお、本実施の形態の例では、冷却素子としてペルチェ素子を用い、ペルチェ素子に流す電流を制御することで、温度制御する場合について説明するが、ペルチェ素子以外の冷却素子を用いて温度制御する場合についても同様に適用可能である。
【００４４】
また、本実施の形態２では、EM-CCDおよびペルチェ素子をそれぞれ１つ備えた単板式固体撮像装置について説明するが、EM-CCDおよびペルチェ素子を３つ備えた三板式固体撮像装置等の固体撮像装置についても同様に適用可能である。また、固体撮像素子に関しても、EM-CCD以外にも、電子増倍型の固体撮像素子を備えた単板式固体撮像装置および三板式固体撮像装置等の固体撮像装置についても同様に適用可能である。
【００４５】
図１１は本実施の形態２に係る単板式固体撮像装置の構成を示すブロック図、図１２は周辺温度が２５℃のときの、EM-CCDの温度とペルチェ素子に流す電流値の関係を示す図、図１３は本発明の実施の形態２に係るマイクロプロセッサ１０の動作内容を示すフローチャートである。
【００４６】
図１１において、２２はEM-CCD３からの放熱を冷却するペルチェ素子（冷却素子）、２３はマイクロプロセッサ１０からの制御信号に基づいてペルチェ素子２２に流す電流を制御するペルチェ素子駆動部である。
【００４７】
引き続き、本発明の実施の形態２の動作を図１１で説明する。上記実施の形態１の説明と同様、EM-CCD３の温度が上昇するとEM-CCD３の出力レベルが変化し、EM-CCD３の感度が変化する。同時に、ＯＢレベルも変化するが、図８に示したＯＢレベルと温度の間には線形関係が成立するというＯＢレベルの特性と、図１２に示すEM-CCDの温度とペルチェ素子に流す電流値の関係、の両者を組み合わせることにより、温度一定の条件下での、ＯＢレベルとペルチェ素子に流す電流値の関係が得られる。それ故、図８および図１２に示すＯＢレベルの特性を利用することで、EM-CCD３の温度が変化した際、ＯＢレベルに基づいてペルチェ素子に流す電流値を設定し、EM-CCD３の温度を制御することで、リアルタイムにEM-CCD３の感度を補正することが可能である。以下で、図１３を参照しながら具体的な動作内容を説明する。
【００４８】
図１３は図１１に示す単板式固体撮像装置において、ＯＢレベルに基づいてペルチェ素子に流す電流値を設定し、EM-CCD３の温度を制御することで、リアルタイムにEM-CCD３の感度を補正する際の、マイクロプロセッサ１０の動作内容を示すフローチャートである。なお、図１３において、Ip(n)はEM-CCD３の感度がR(n)のときのペルチェ素子に流す電流値である。
【００４９】
図１３のＳ７において、Vr(n)印加時のＯＢレベルを検出する。ＯＢレベル検出の具体的手順は、上述のとおりであることから、詳細説明は省略する。次に、図８および図１２に示す関係よりＯＢレベルとペルチェ素子に流す電流値の関係が格納された参照テーブルを用いて、検出したOB(n)からペルチェ素子に流す電流値Iob(n)を決定し、ペルチェ素子に流す電流値Ip(n)、変数nの更新を行う（Ｓ８）。なお、上述の参照テーブルは、EM-CCDごとに予めＯＢレベルとペルチェ素子に流す電流値の関係を測定等により求め、電子増倍制御部１１内に格納しておき、EM-CCDの温度制御時に参照されるものである。
【００５０】
Ｓ８において、ペルチェ素子に流す電流値の更新を行う。具体的には、Iob(n)をIp(n+1)に代入し、変数nの値をインクリメントする。その後、ペルチェ素子に流す電流値を更新後のIp(n)に変更し、再度感度R(n)を算出し（Ｓ６）、RとR(n)の類似度判定処理を行う（Ｓ３）。Ｓ３〜Ｓ６の繰り返し処理は、EM-CCD３の温度制御が完了するまで行われる。
【００５１】
以上の動作を行うことにより、ＯＢレベルに基づいてペルチェ素子に流す電流値を設定することで、EM-CCDの温度制御を行うことが可能となる。
【００５２】
以上のように、この実施の形態２では、温度補正を行うための温度センサを用いずに、ＯＢレベルに基づいて、ペルチェ素子等の冷却素子に流す電流制御を行うことで、EM-CCDの温度が元の値に補正され、温度特性によりバラツキをリアルタイムに補正することが可能となり、実施の形態１の効果に加え、装置規模を小さくすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係る固体撮像装置によれば、低照度下において、電子増倍による輝度調整を行う際、温度変化に伴う感度補正をリアルタイムに行うことが可能であることから、例えば、超高感度のビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器に適用することができ、特に、高級一眼レフタイプのデジタルスチルカメラ、業務用デジタルスチルカメラ、ハイビジョンビデオカメラ、放送用ＴＶカメラ、天体観測用カメラ及び監視用カメラ等の高性能を要求される撮像機器に有用である。本発明によって、電子増倍制御の温度依存性を低減することができるので、色再現の向上に寄与することができその産業的利用価値は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る三板式固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】ホワイトバランス調整を行う手順を示すフローチャートである。
【図３】ホワイトバランス調整前後およびEM-CCD３Ｒの温度がTrからTr＋Δに変化した時の、各EM-CCDの温度と出力レベルの関係を示す図である。
【図４】固体撮像素子の画素配列を説明するための図である。
【図５】EM-CCD３Rの内部構成を示す図である。
【図６】ＯＢレベル検出部４Ｒの内部構成を示す図である。
【図７】撮像領域１３およびＯＢ領域１４におけるEM-CCD出力特性の一例を示す図である。
【図８】EM-CCDの温度とＯＢレベルの関係の一例を示す図である。
【図９】電子増倍率一定の条件下での、ＯＢレベルと電子増倍制御電圧の関係の一例を示す図である。
【図１０】本実施の形態１に係るマイクロプロセッサ１０の動作内容を示すフローチャートである。
【図１１】本実施の形態２に係る単板式固体撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】EM-CCDの温度とペルチェ素子に流す電流値の関係の一例を示す図である。
【図１３】本実施の形態２に係るマイクロプロセッサ１０の動作内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５５】
１：レンズ部、２：色分解光学系部、３、３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ：EM-CCD、４、４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ：ＯＢレベル検出部、５、５Ｒ、５Ｇ、５Ｂ：CDS部、６、６Ｒ、６Ｇ、６Ｂ：アンプ部、７、７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ：A/D変換部、８、映像信号処理部、９：映像信号出力部、１０：マイクロプロセッサ、１１：電子増倍制御部、１２、１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ：CCD駆動部、１３：撮像領域、１４：ＯＢ領域、１５：感光部、１６：垂直転送レジスタ部、１７：水平転送レジスタ部、１８：電子増倍部、１９：読み出しアンプ部、２０：ゲート部、２１：検波部、２２：ペルチェ素子、２３：ペルチェ素子駆動部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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