(57)【要約】【課題】撮像素子の冷却を、撮像素子パッケージの外側に配置された温度センサによる間接情報に頼るのではなく、より撮像素子温度に直接的に関連した情報を取得し、これによって冷却手段が制御される撮像装置を提供する。【解決手段】撮像装置１は、信号処理装置２０の暗時ランダム雑音成分算出手段２２ａにより、撮像素子１２の受光画素配列部により、ある時刻に撮像され、出力された信号のうちの光学マスク領域からの信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出する。また、撮像装置１は、信号処理装置２０のパワー算出手段２２ｂにより、暗時ランダム雑音成分のパワーを算出する。さらに、撮像装置１は、信号処理装置２０の比較手段２２ｃにより、パワーと予め設定したしきい値とを比較し、制御信号生成手段２２により、比較結果に応じて、冷却手段１４に撮像素子１２の冷却を指示、あるいは、冷却の停止を指示する制御信号を生成する。【選択図】図１
2014068109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光画素を複数配列してなる受光画素配列部で入射光を受光して光電変換し、２次元画像信号として出力する撮像素子と、
制御信号にしたがって前記撮像素子を冷却あるいは冷却停止する冷却手段と、
前記撮像素子の光入射側に配置され、前記撮像素子の前記受光画素配列部の一部を遮光する光学マスクと、
前記受光画素配列部から出力された信号のうち、前記光学マスクで遮光された光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出するとともに、この暗時ランダム雑音成分のパワーを前記撮像素子の冷却状態を示す指標として算出する指標算出手段と、
前記指標算出手段で算出された、前記暗時ランダム雑音成分のパワーと前記撮像素子の冷却状態に対応して予め設定したしきい値とを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に応じて前記冷却手段の駆動を制御するための前記制御信号を生成する制御信号生成手段と、
前記撮像素子と前記指標算出手段とを一定のタイミングで動作させるための基準信号を生成するタイミングパルス生成手段と、を備える信号処理手段と、を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記指標算出手段は、
前記光学マスク領域の信号を時間方向に加算平均するとともに、この信号に含まれる暗時固定パターン雑音成分を時間方向に加算平均し、前記光学マスク領域の信号の加算平均値から前記暗時固定パターン雑音成分の加算平均値を減算して、前記光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出する暗時ランダム雑音成分算出手段と、
前記暗時ランダム雑音成分算出手段で算出された、前記暗時ランダム雑音成分の分散値を、前記暗時ランダム雑音成分のパワーとして算出するパワー算出手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置に係り、特に、撮像素子を冷却する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、光電変換を行う撮像素子を有する撮像装置において、その撮像素子の温度が高くなると、映像中の暗時ランダム雑音成分が増加し、これにより、画質劣化を生じることが知られている。これを防止すべく、撮像素子およびその周辺が適温に保たれるよう、ファンによる強制空冷や、ペルチェ素子などの冷却手段を用いた電子冷却が取り入れられている。撮像素子の温度管理には温度センサが使用され、温度センサの出力と撮像素子に対して予め設定した適当な温度との差分を測定し、この差分が最小になるように冷却手段の制御が行われている。
【０００３】
ここで、ペルチェ素子などにより撮像素子を電子冷却する技術の一例として、例えば、特許文献１には、撮像素子部と、温度検出部と、電子冷却部と、制御部とを備えた固体撮像装置が開示されている。この特許文献１に開示された固体撮像装置によれば、温度検出部によって撮像素子部を高速駆動した場合の発熱温度を測定し、制御部によって温度検出部で検出した温度に基づいて、電子冷却部に供給する冷却電流量を制御して、撮像素子部の撮像速度を切り替えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２４６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記したような一般的な撮像素子の温度管理方法や特許文献１に開示された手法では、撮像素子の温度を温度センサにより測定することを前提とすることによる不都合がある。すなわち、温度センサは、通常、撮像素子パッケージの外側に配置されることから、パッケージ内外の空気の影響によりパッケージ表面の温度とパッケージ内の撮像素子自体の温度とに差が生じてしまい、撮像素子自体の温度を正確に測定することが困難である。そのため、撮像素子が十分冷却されていないにも関らず、温度センサにより撮像素子が低温であるという測定結果を出力してしまい、制御系により撮像素子の冷却を停止してしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、撮像素子の冷却を、撮像素子パッケージの外側に配置された温度センサによる間接情報に頼るのではなく、より撮像素子温度に直接的に関連した情報を取得し、これによって冷却手段が制御される撮像装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するために創案されたものであり、まず、請求項１に記載の撮像装置は、撮像素子と、冷却手段と、光学マスクと、指標算出手段と、比較手段と、制御信号生成手段と、タイミングパルス生成手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、撮像装置は、撮像素子によって、受光画素を複数配列してなる受光画素配列部で入射光を受光して光電変換し、２次元画像信号として出力する。
また、撮像装置は、冷却手段によって、制御信号にしたがって、撮像素子を冷却あるいは冷却停止する。
さらに、撮像装置は、撮像素子の入射光の入射側に配置された光学マスクによって、撮像素子の受光画素配列部の一部を遮光して光学マスク領域とすることで、常に入射光がない状態のときの受光画素の映像信号を得ることができる。この光学マスク領域の信号には、暗時固定パターン雑音成分および暗時ランダム雑音成分が含まれる。
【０００９】
またさらに、撮像装置は、指標算出手段によって、受光画素配列部から出力された信号のうち、光学マスクで遮光された光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出するとともに、この暗時ランダム雑音成分のパワーを撮像素子の冷却状態を示す指標として算出する。
画像中の暗時ランダム雑音成分量は、撮像素子の温度変化に伴って変化するため、光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分量を求めることで、この暗時ランダム雑音成分を撮像素子の冷却状態を推定する指標として用いることが可能となる。そして、ある時刻における暗時ランダム雑音成分のパワーを求めることで、ある時刻における暗時ランダム雑音成分が、画質に対してどの程度影響を与えるかがわかる。
【００１０】
さらに加えて、撮像装置は、比較手段によって、指標算出手段で算出された、暗時ランダム雑音成分のパワーと撮像素子の冷却状態に対応して予め設定したしきい値とを比較する。これによって、撮像素子の冷却状態を推定する。
【００１１】
そして、撮像装置は、制御信号生成手段によって、比較手段による比較結果に応じて冷却手段の駆動を制御するための制御信号を生成する。これによって、撮像素子の冷却状態に応じて冷却手段を駆動させる。
【００１２】
そして、撮像装置は、タイミングパルス生成手段によって、撮像素子と指標算出手段とを一定のタイミングで動作させるための基準信号を生成する。これによって、撮像素子から信号を出力するタイミングと、指標算出手段で光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出するタイミングとを同期させる。
【００１３】
また、請求項２に記載の撮像装置は、請求項１に記載の撮像装置において、指標算出手段は、暗時ランダム雑音成分算出手段と、パワー算出手段と、を備えることとした。
かかる構成によれば、撮像装置は、指標算出手段の暗時ランダム雑音成分算出手段によって、光学マスク領域の信号を時間方向に加算平均するとともに、この光学マスク領域の信号に含まれる暗時固定パターン雑音成分を時間方向に加算平均し、光学マスク領域の信号の加算平均値から暗時固定パターン雑音成分の加算平均値を減算して、光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出する。
また、撮像装置は、指標算出手段のパワー算出手段によって、暗時ランダム雑音成分算出手段で算出された、暗時ランダム雑音成分の分散値を、暗時ランダム雑音成分のパワーとして算出する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１，２に記載の発明によれば、撮像素子の温度状態を推定する指標として、撮像素子の温度変化に伴って変化する暗時ランダム雑音成分のパワーを用いることにより、撮像素子の冷却状態を正確に推定することが可能となる。つまり、撮像素子の冷却の要否を正確に推定することができるので、撮像素子の冷却手段を誤って停止することを防止することができる。
また、撮像素子を適温の状態で維持することが可能となるので、撮像素子を安定して動作させることができる。これにより、雑音成分が少ない、良好な画質の画像を得ることができる。
さらに、請求項１，２に記載の発明によれば、温度センサを用いることなく、撮像素子の冷却状態を正確に推定することが可能となるので、構成が簡素であり、省電力かつ低騒音の撮像装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の撮像素子における受光画素配列部、有効撮像領域および光学マスク領域を示す概念図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る撮像装置の信号処理装置の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［撮像装置の概要］
従来の温度センサでは、撮像素子の温度を直接測定することができないため、撮像素子の実際の温度と測定温度とに誤差が生じてしまい、これにより、撮像素子が十分に冷却されていないにも関らず、冷却手段が、撮像素子の冷却を停止してしまう場合があった。
例えば、放送スタジオ等で使用されるテレビカメラは、撮影開始時に電源をオンすると冷却手段により撮像素子の冷却を開始し、撮影終了時に電源をオフすると冷却手段による撮像素子の冷却を一定時間経過後に停止するようになっている。ここで、撮影開始から撮影終了までの間に撮影を一時停止する待機状態（省電力状態）においても、冷却手段による撮像素子の冷却を継続しているが、このときに、撮像素子の温度が一時的に低下することに加え、前記したような測定誤差により、温度センサによって、撮像素子が実際の温度よりも低温であると誤って出力してしまい、冷却手段が撮像素子の冷却を誤って停止してしまうことがある。
【００１７】
これに対し、本発明の撮像装置は、撮像素子の受光画素配列部の一部を光学マスクで遮光して常時入射光がない状態とし、この光学マスクで遮光された部分（光学マスク領域）の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分量により、撮像素子の冷却状態を推定するものである。つまり、本発明の撮像装置は、光学マスク領域の信号に含まれる暗時ランダム雑音成分量と撮像素子の温度との間に相関があることに着目し、光学マスク領域の信号中の暗時ランダム雑音成分量を算出して撮像素子の冷却状態を推定する指標として用いることで、撮像素子の冷却状態を従来の温度センサよりも正確に推定することを可能としている。このように、本発明の撮像装置は、従来の温度センサでは誤推定しやすい場面においても、撮像素子の冷却の要否を正確に推定することを可能としたものである。
【００１８】
以下、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係る撮像装置の構成について説明する。
［撮像装置の構成］
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１は、被写体の光学像を撮像することで２次元画像信号を生成して記録するものであり、カメラ部１０と信号処理装置２０と、を備えている。
カメラ部１０は、光学系１１と、撮像素子１２と、光学マスク１３と、冷却手段１４とを備えている。
【００１９】
光学系１１は、被写体の光学像を取り込むレンズやプリズムなどである。
撮像素子１２は、表面に、縦および横方向に複数の受光画素を配列して構成した受光画素配列部１２１（図２参照）を備え、この受光画素配列部１２１（図２参照）によって、光学系１１で取り込まれた被写体の光学像を撮像して被写体の光学像を光電変換し、２次元画像信号として出力するものである。撮像素子１２としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなどの一般的なものを適用することができる。
光学マスク１３は、光学系１１からの入射光を遮光するものであり、撮像素子１２の光入射側に、撮像素子１２の受光画素配列部１２１（図２参照）の一部を被覆するように設けられている。
【００２０】
ここで、撮像素子１２および光学マスク１３の構成例について説明する。
ここでは、詳しくは図示しないが、撮像素子１２は、平面視で横長矩形状に形成され、光学マスク１３は、撮像素子１２の受光画素配列部１２１の中央部分以外の周辺部分への入射光を遮光するような枠状に形成されている。そのため、撮像素子１２は、受光画素配列部１２１の中央部分でのみ光学系１１からの入射光を受光し、それ以外の光学マスク１３で遮光された部分では光学系１１からの入射光を受光しない。以下では、図２に示すように、撮像素子１２の受光画素配列部１２１において、光学系１１からの入射光を受光する部分、つまり、光学マスク１３で遮光されていない部分を「有効撮像領域１２１ａ」と呼称し、一方、光学マスク１３で遮光された部分を「光学マスク領域１２１ｂ」と呼称する。
【００２１】
図２に示す有効撮像領域１２１ａは、光学系１１で取り込まれた被写体の光学像を受光して光電変換し、２次元画像信号を出力する。
図２に示す光学マスク領域１２１ｂは、光学マスク１３によって遮光されているため、光学系１１からの入射光を受光しない。そのため、光学マスク領域１２１ｂは、常時、入射光がない場合における受光画素の出力である、暗時固定パターン雑音成分と暗時ランダム雑音成分とを含む信号を出力する。
【００２２】
光学マスク領域１２１ｂ（光学マスク１３）は、撮像素子１２の冷却状態を正確に判断するためには、大きければ大きいほどよいが、光学マスク領域１２１ｂの増大に伴って、信号処理装置２０の後記する冷却状態推定手段２１での信号処理量が増大することになるので、冷却状態推定手段２１に過度な負荷がかからないようにするためには、光学マスク領域１２１ｂを適度な大きさにとどめることが望ましい。例えば、光学マスク領域１２１ｂを、有効撮像領域１２１ａの左右にそれぞれ６０画素程度、上下にそれぞれ３０画素程度設けるとよい。
【００２３】
暗時固定パターン雑音成分と暗時ランダム雑音成分については、詳しくは後記する。
このようにして得られた、有効撮像領域１２１ａおよび光学マスク領域１２１ｂの信号は、信号処理装置２０に出力される。
【００２４】
なお、光学マスク１３は、ここでは枠状に形成されているものとしたが、これに限られるものではなく、図２に示す撮像素子１２の受光画素配列部１２１における有効撮像領域１２１ａ外の任意の位置に配置することができる。光学マスク１３は、例えば、矩形状としてもよいし、円状としてもよいし、点状としてもよい。これによって、撮像素子１２の受光画素配列部１２１に矩形状、円状、あるいは、点状の光学マスク領域１２１ｂが形成されることになる。また、光学マスク１３は、ここでは１つとしたが、これに限られるものではなく、撮像素子１２の受光画素配列部１２１に設ける光学マスク領域１２１ｂの数に応じて、適宜設定することができる。例えば、撮像素子１２の受光画素配列部１２１に複数の光学マスク領域１２１ｂを形成する場合、撮像素子１２の受光画素配列部１２１内の異なる箇所をそれぞれ被覆する複数の光学マスク１３を設ければよい。
【００２５】
再び図１に示すように、冷却手段１４は、撮像素子１２を冷却し、あるいは、冷却を停止するものである。冷却手段１４は、特に限定されるものではなく、例えば、ペルチェ素子等の電子冷却手段としてもよいし、ファンや、ヒートシンク等の空冷手段としてもよい。
【００２６】
図１に示すように、信号処理装置２０は、撮像素子１２の受光画素配列部１２１から出力された２次元画像信号を処理するものである。この信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１と、制御信号生成手段２２と、タイミングパルス生成手段２３と、映像信号生成手段２４と、を備えている。また、信号処理装置２０は、ここでは図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ、入出力インターフェース等を備えている。
【００２７】
冷却状態推定手段２１は、撮像素子１２の冷却状態を推定するものであり、図１に示すように、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａと、パワー算出手段２１ｂと、比較手段２１ｃとを備えている。この冷却状態推定手段２１において、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａとパワー算出手段２１ｂとにより、特許請求の範囲における「指標算出手段」を構成する。
暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａは、後記するタイミングパルス生成手段２３からタイミングパルス（基準信号。例えば、水平および垂直パルス信号）を入力し、このタイミングパルスにしたがって、撮像素子１２の受光画素配列部１２ａから出力されたある時刻ｔに撮像された２次元画像信号のうち、光学マスク領域１２１ｂの信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を算出するものである。
【００２８】
ここで、暗時固定パターン雑音成分と暗時ランダム雑音成分について説明する。なお、ここでは、撮像素子１２がＣＭＯＳイメージセンサであるものとして説明するが、以下の説明はＣＣＤイメージセンサにおいても同様に成り立つ。
まず、暗時固定パターン雑音成分について説明する。
撮像素子１２は、フォト・ダイオードによって、光学系１１からの入射光を電気信号に変換（光電変換）してその電荷を蓄え、アンプによって、その電荷を電圧に変換して出力する。
ここで、撮像素子１２は、入射光の明るさに比例した大きさの電荷を出力するので、入射光がない場合、理論上、出力はゼロとなるはずである。しかし、このような場合であっても、フォト・ダイオードの感度のばらつきや撮像素子１２の温度上昇に起因する微小な暗電流雑音が出力されることがある。例えば、撮像素子１２の特定の画素の暗電流が極端に大きいと、特定の画素の暗電流が画像に雑音として顕著に現れてしまう。このように、暗電流等に起因して、画像中の固定した位置に一定の大きさで現れる雑音成分を、暗時固定パターン雑音成分と呼ぶ。
【００２９】
次に、暗時ランダム雑音成分について説明する。
撮像素子１２において、フォト・ダイオードによって蓄えられた電荷を電圧に変換するアンプは、トランジスタ等の半導体で構成されている。この半導体中を電子が高速移動するときに、熱によって端子間で不規則な電圧が生じることで、画像中に雑音成分が不規則に現れることがある。この雑音成分を暗時ランダム雑音成分と呼ぶ。この暗時ランダム雑音成分は、周波数も位相も不規則なランダムノイズである。また、暗時ランダム雑音成分は、画素に依存せず、観測するたびにランダムに変化する雑音成分である。
【００３０】
以上のように、暗時固定パターン雑音成分は、光学マスク領域１２１ｂの信号（観測データ）の観測を何度繰り返しても値が変わらない一方で、暗時ランダム雑音成分は、撮像素子１２の温度と相関があり、撮像素子１２の温度状態に応じて不規則に変化する雑音成分である。より具体的には、受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂの信号に含まれる暗時ランダム雑音成分は、撮像素子１２の温度が上昇するのに伴って増加する。よって、光学マスク領域１２１ｂの信号に含まれる暗時ランダム雑音成分から、撮像素子１２の現在の冷却状態を推定することが可能となる。
【００３１】
次に、暗時ランダム雑音成分算出手段２２ａにより、光学マスク領域１２１ｂの信号に含まれる暗時ランダム雑音成分を求める処理について説明する。
ここで、光学マスク領域１２１ｂの信号において、時刻ｔにおけるポジションｐの信号をＯ（ｐ，ｔ）とし、暗時固定パターン雑音成分をＮｆｉｘ（ｐ）とし、暗時ランダム雑音成分をＮｔｍｐ（ｐ，ｔ）とすると、これらの間には、次の式（１）に示す関係が成立する。
【００３２】
【数１】
2014068109.tif 000003
【００３３】
暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａは、前記式（１）の左辺の例えばポジションｐ０における信号Ｏ（ｐ０，ｔ）を時間方向に加算平均する。具体的には、前記式（１）の関係から、式（１）の両辺を時間方向にそれぞれ加算平均する。よって、この信号Ｏ（ｐ０，ｔ）の加算平均値（左辺）は、次の式（２）の右辺に示すように、暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０，ｔ）の時間方向の加算平均値と暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ０，ｔ）の加算平均値の和と等価である。
【００３４】
【数２】
2014068109.tif 000004
【００３５】
ここで、前記式（２）の右辺第２項の暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ０，ｔ）が時間方向に平均値０のガウス分布であると仮定すれば、つまり、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ０，ｔ）の加算平均値が０であると仮定すれば、右辺第１項の暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０）を、次の式（３）で表すことができる。
【００３６】
【数３】
2014068109.tif 000005
【００３７】
前記式（３）の最右辺の等号の意味は、暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０）の加算平均値を、時刻ｔにおけるポジションｐ０の暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０）とみなすことを表している。それは、信号Ｏ（ｐ０，ｔ）に含まれる暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０，ｔ）の値は、前記したように、常に一定であるため、加算回数を増やしてもこの値が変化することはないからである。したがって、前記式（３）に示すように、信号Ｏ（ｐ０，ｔ）の加算平均値を、暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０）とみなすことができる。
【００３８】
以上のように、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａは、時刻ｔにおけるポジションｐ０の信号Ｏ（ｐ０，ｔ）に含まれる暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０）を算出する。そして、暗時ランダム雑音成分算出手段２２ａは、時刻ｔにおけるポジションｐ０の信号Ｏ（ｐ０，ｔ）から暗時固定パターン雑音成分Ｎfix（ｐ０）を減算することにより、時刻ｔにおけるポジションｐ０の暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ０，ｔ）を算出する。暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａは、撮像素子１２の受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂの信号Ｏ（ｐ，ｔ）の全てのポジション（つまり、ポジションｐ０，ｐ１，ｐ２，…，ｐｎ−１（ｎは受光画素の個数））について、同様にして暗時ランダム雑音成分を算出する。
【００３９】
このようにしてポジション毎に算出された暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）は、パワー算出手段２１ｂに出力される。
なお、信号Ｏ（ｐ，ｔ）の加算回数は、適宜設定することができるが、加算回数を増やすほど、余分な雑音成分を除去することができ、より正確な暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）を求めることができる。
【００４０】
パワー算出手段２１ｂは、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａで算出された暗時ランダム雑音成分のパワー（２乗平均）を算出するものである。
ここでは、パワー算出手段２１ｂは、撮像素子１２の受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂ内のＰ個（Ｐ≦ｎ）の受光画素の信号の分散値を、暗時ランダム雑音成分のパワーとして求めることとする。
【００４１】
この分散値は、次のようにして求めることができる。まず、光学マスク領域１２１ｂ内のＰ個の受光画素から出力された、時刻ｔにおける信号に含まれる暗時ランダム雑音成分の加算平均値を求め、さらに、暗時ランダム雑音成分の加算平均値と、各受光画素から出力された時刻ｔにおける信号に含まれる暗時ランダム雑音成分の値との偏差をそれぞれ求める。偏差は、暗時ランダム雑音成分の加算平均値から、各受光画素から出力された時刻ｔにおける信号に含まれる暗時ランダム雑音成分の値をそれぞれ減算し、さらに、正の値とするために２乗することで求めることができる。このＰ個の偏差の平均値が分散値である。したがって、パワー算出手段２１ｂは、以上をまとめた次の式（４）により、時刻ｔにおけるポジションｐの暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）のパワーＰｗ（ｔ）を求めることができる。
【００４２】
【数４】
2014068109.tif 000006
【００４３】
前記式（４）において、パワーＰｗ（ｔ）の算出に用いる光学マスク領域１２１ｂ内の受光画素の個数Ｐは、適宜設定することができるが、個数Ｐを多くすればするほど、撮像素子１２の冷却状態を正確に推定することができる。このようにして算出された、時刻ｔにおける暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）のパワーＰｗ（ｔ）は、比較手段２１ｃに出力される。
【００４４】
比較手段２１ｃは、パワー算出手段２１ｂで算出された、ある時刻における暗時ランダム雑音成分のパワーと撮像素子１２の冷却状態を推定するために予め設定されたしきい値とを比較して比較結果を求めるものである。
比較手段２１ｃは、ここでは、パワー算出手段２１ｂで算出された、ある時刻ｔにおける暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）のパワーＰｗ（ｔ）と予め設定したしきい値ＴＨとを比較する。ここでは、比較手段２１ｃによる比較の結果、暗時ランダム雑音成分のパワーが予め設定したしきい値ＴＨ以上である場合、撮像素子１２の冷却が必要であると推定する。一方、比較手段２１ｃによる比較の結果、暗時ランダム雑音成分のパワーが予め設定したしきい値ＴＨを超えていない場合、撮像素子１２の冷却が不要であると推定する。このようにして求められた比較結果は、制御信号生成手段２２に出力される。
【００４５】
制御信号生成手段２２は、比較手段２１ｃによる比較結果に応じて、冷却手段１４に対し、撮像素子１２を冷却あるいは冷却停止を指示する制御信号を生成するものである。
制御信号生成手段２２は、比較手段２１ｃから、ある時刻ｔにおける暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）のパワーＰｗ（ｔ）が予め設定したしきい値ＴＨを超えたという比較結果を入力した場合、ここでは、冷却手段１４に対して撮像素子１２を冷却するよう指示する制御信号を生成し、一方、パワーＰｗ（ｔ）がしきい値以下であるという比較結果を入力した場合、冷却手段１４に対して撮像素子１２の冷却を停止する旨を指示する制御信号を生成する。
このようにして生成された制御信号は、冷却手段１４に出力される。
【００４６】
タイミングパルス生成手段２３は、撮像素子１２と信号処理装置２０（冷却状態推定手段２１）とを一定のタイミングで動作させるためのタイミングパルス（基準信号）を生成するものである。
タイミングパルス生成手段２３は、撮像素子１２と冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａとに、撮像素子１２の受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂを検出するための、タイミングパルス（例えば、水平・垂直パルス信号）をそれぞれ出力する。
【００４７】
これにより、撮像素子１２の受光画素配列部１２１が信号を出力するタイミングと、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａが光学マスク領域１２１ｂの信号を検出するタイミングとを同期させることができる。また、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａにより、撮像素子１２の受光画素配列部１２１から出力された信号のうちの光学マスク領域１２１ｂの信号を取得することが可能となる。
【００４８】
映像信号生成手段２４は、撮像素子１２の受光画素配列部１２１から出力された信号（２次元画像信号）を入力し、この２次元画像信号から、映像信号を生成するものである。映像信号生成手段２４は、一般的な撮像装置における映像信号生成手段と同様に、撮像素子１２の受光画素配列部１２１から出力された２次元画像信号をデジタル変換して画像データとし、この画像データに対し圧縮等の画像処理を行って映像信号を生成する。このようにして生成された映像信号は、図示しないメモリに記録され、あるいは、外部に出力される。なお、映像信号生成手段２４は、撮像素子１２の受光画素配列部１２１から出力された１画面分の２次元画像信号をそのままデジタル変換してもよいし、１画面分の２次元画像信号のうちの有効撮像領域１２１ａの信号のみを切り取ってデジタル変換することしてもよい。映像信号生成手段２４によって、１画面分の２次元画像信号の映像信号を出力する場合、撮像装置１の外部の装置によって１画面分の２次元画像信号の映像信号から有効撮像領域１２１ａの映像信号のみを切り取ってもよい。このような映像信号は、図示しないモニタ等に適宜表示される。
【００４９】
［信号処理装置の動作］
次に、図３および適宜図１，２を参照して、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１の信号処理装置２０の動作について説明する。
図３に示すように、信号処理装置２０は、タイミングパルス生成手段２３によって、タイミングパルス（時刻ｔ＝０）を生成する（ステップＳ１）。信号処理装置２０は、タイミングパルス生成手段２３によって、生成したタイミングパルスを撮像素子１２および冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａに出力する。
【００５０】
撮像素子１２は、タイミングパルス生成手段２３から、タイミングパルスを入力して、受光画素配列部１２１、すなわち有効撮像領域１２１ａおよび光学マスク領域１２１ｂの画素を駆動する（ステップＳ２）。
【００５１】
これとともに、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、タイミングパルス生成手段２３からタイミングパルスを入力する。そして、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、このタイミングパルスに基づいて、撮像素子１２の受光画素配列部１２１によって時刻ｔに撮像され、出力された信号のうちの光学マスク領域１２１ｂの信号Ｏ（ｐ，ｔ）をポジション毎に取得し、信号Ｏ（ｐ，ｔ）に含まれる暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）をポジション毎に算出する（ステップＳ３）。
【００５２】
信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、例えば、前記式（２），（３）を用いて、光学マスク領域１２１ｂの信号Ｏ（ｐ，ｔ）に含まれる暗時ランダム雑音成分をポジション毎に算出する。撮像装置１は、信号処理装置２０の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、算出したポジション毎の暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)をパワー算出手段２１ｂに出力する。
【００５３】
続いて、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１のパワー算出手段２１ｂによって、暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａから、信号Ｏ(ｐ，ｔ)に含まれるポジション毎の暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)を入力し、この暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）を算出する（ステップＳ４）。信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１のパワー算出手段２１ｂによって、例えば、前記式（４）により、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）を算出する。信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１のパワー算出手段２１ｂによって、算出した暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）を比較手段２１ｃに出力する。
【００５４】
信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の比較手段２１ｃによって、パワー算出手段２１ｂから、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）を入力し、このパワーＰｗ（ｔ）と予め設定したしきい値ＴＨとを比較する（ステップＳ５）。具体的には、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の比較手段２１ｃによって、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）が予め設定したしきい値ＴＨ以上であると推定した場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、その旨の比較結果を制御信号生成手段２２に出力する。一方、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の比較手段２１ｃによって、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）が予め設定したしきい値ＴＨを超えていないと推定した場合（ステップＳ５でＮｏ）、その旨の比較結果を制御信号生成手段２２に出力する。
【００５５】
信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の制御信号生成手段２２によって、比較手段２１ｃから比較結果を入力し、この比較結果に応じた制御信号を生成する。具体的には、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の制御信号生成手段２２によって、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）が予め設定したしきい値ＴＨ以上であるとの比較結果を入力した場合、冷却手段１４に撮像素子１２の冷却を指示する制御信号を生成する（ステップＳ６）。一方、信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の制御信号生成手段２２によって、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）が予め設定したしきい値ＴＨを超えていないとの比較結果を入力した場合、冷却手段１４に撮像素子１２の冷却停止を指示する制御信号を生成する（ステップＳ７）。信号処理装置２０は、冷却状態推定手段２１の制御信号生成手段２２によって、生成した制御信号を冷却手段１４に出力する。
なお、しきい値ＴＨをＴＨ１とＴＨ２の２つに分け（ＴＨ１＞ＴＨ２）、暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ(ｐ，ｔ)のパワーＰｗ（ｔ）がしきい値ＴＨ１以上の場合、冷却を指示し、しきい値ＴＨ２以下の場合、冷却の停止を指示することとしてもよい。
【００５６】
信号処理装置２０は、映像信号生成手段２４によって、撮像素子１２の受光画素配列部１２１によって、時刻ｔに撮像され、出力された信号を取得し、この信号から映像信号を生成する（ステップＳ８）。信号処理装置２０は、映像信号生成手段２４によって、生成した映像信号を図示しないメモリに記録し、あるいは、外部に出力する。
【００５７】
そして、信号処理装置２０は、タイミングパルス生成手段２３によって、次のタイミングパルス（時刻ｔ＝ｔ＋１）を生成する（ステップＳ９）。信号処理装置２０は、タイミングパルス生成手段２３によって、タイミングパルスを撮像素子１２と冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａとに出力する。そして、信号処理装置２０は、ステップＳ２〜Ｓ７を繰り返す。信号処理装置２０は、以上のように動作して、撮像素子１２の受光画素配列部１２１によって、時刻ｔに撮像され、出力された信号のうちの光学マスク領域１２１ｂの信号Ｏ（ｐ，ｔ）に含まれる暗時ランダム雑音成分Ｎｔｍｐ（ｐ，ｔ）のパワーＰｗ（ｔ）が、しきい値ＴＨの近傍となるように、撮像素子１２の冷却状態を制御する。
【００５８】
なお、図３に示したステップＳ６、あるいは、Ｓ７において、冷却状態推定手段２１の制御信号生成手段２２から出力された制御信号が冷却手段１４に入力されると、冷却手段１４は、制御信号にしたがって、撮像素子１２の冷却あるいは冷却停止を行う。例えば、冷却手段１４は、制御信号による指示が、現在の冷却手段１４の駆動状態と一致している場合、そのままその駆動状態を維持し、一方、制御信号による指示が現在の冷却手段１４の駆動状態と異なる場合、制御信号による指示にしたがって、駆動状態を切り替える。
また、図３に示したステップＳ２，Ｓ３は、同期して処理が行われる。さらに、図３に示したステップＳ２〜Ｓ７とステップＳ８は、並列して処理が行われることとしてもよいし、また、ステップＳ８をステップＳ２〜７よりも先に行ってもよい。
【００５９】
以上説明した、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１によれば、次のような作用効果を奏する。
撮像装置１によれば、撮像素子１２の光入射側に光学マスク１３を設けることで、撮像素子１２の受光画素配列部１２１に、光学系１１からの入射光が入射しない光学マスク領域１２１ｂを形成することができる。これによって、撮像装置１は、撮像素子１２の受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂによって、撮像素子１２に常時入射光がない場合の信号を取得することができる。
【００６０】
また、撮像装置１によれば、撮像素子１２の受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂから出力された、ある時刻における信号に含まれる暗時ランダム雑音成分のパワーを用いて、撮像素子１２の冷却状態を推定することが可能となる。
つまり、撮像装置１によれば、撮像素子１２の受光画素配列部１２１における光学マスク領域１２１ｂの信号に含まれる暗時ランダム雑音成分量は、撮像素子１２の温度と相関があるため、この暗時ランダム雑音成分のパワーを算出することで、撮像素子１２の温度を直接測定したのと同等の効果が得られる。したがって、撮像装置１によれば、従来の温度センサによる場合よりも、撮像素子１２の冷却状態を正確に推定することができる。
【００６１】
さらに、撮像装置１によれば、撮像素子１２の冷却の要否を正確に推定することができるため、撮像素子１２を適温付近で維持することが可能となる。これにより、撮像素子１２の冷却状態が不十分であることに起因する不具合等の発生を防ぐことができ、撮像素子１２を安定して動作させることができる。
またさらに、撮像装置１によれば、撮像素子１２を適温付近で維持することができるので、雑音成分が少ない、良好な画質の画像を得ることができる。
さらに加えて、撮像装置１によれば、従来の温度センサを用いなくても、撮像素子１２の冷却状態を正確に推定することができるため、構成が簡素であり、省電力かつ低騒音の撮像装置を構成することができる。
【００６２】
以上、本発明の第１実施形態に係る撮像装置１について説明したが、本発明は、前記した第１実施形態の内容に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。
例えば、前記した第１実施形態では、撮像装置１は、信号処理装置２０における冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、撮像素子１２の受光画素配列部１２１で時刻ｔに撮像され、出力された信号のうちの光学マスク領域１２１ｂの信号中の全てのポジションについて、暗時ランダム雑音成分を算出することとしたが、これに限られるものではない。パワー算出手段２１ｂによって暗時ランダム雑音成分のパワーを算出するときに用いる、光学マスク領域１２１ｂ内の受光画素の個数Ｐ以上であれば、いくつであってもよい。撮像装置１は、信号処理装置２０における冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、信号中の一部のポジションについて暗時ランダム雑音成分を算出することとすれば、処理負荷を軽減することができ、処理を高速化することができる。
【００６３】
また、前記した第１実施形態では、撮像装置１は、信号処理装置２０における冷却状態推定手段２１の暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａによって、撮像素子１２の受光画素配列部１２１で時刻ｔに撮像され、出力された信号のうちの光学マスク領域１２１ｂの信号中の全てのポジションの信号を入力していたが、これに限られるものではない。例えば、パワー算出手段２１ｂによって暗時ランダム雑音成分のパワーを算出するときに用いる、光学マスク領域１２１ｂ内の受光画素の個数Ｐ以上であれば、一部であってもよい。
【００６４】
また、前記した第１実施形態では、撮像装置１は、信号処理装置２０が、冷却状態推定手段２１の比較手段２１ｃによって、予め設定した１つのしきい値と暗時ランダム雑音成分のパワーとを比較した結果に応じて、制御信号生成手段２２により、冷却手段１４の冷却（オン）、あるいは、冷却停止（オフ）を指示する制御信号を生成することとしているが、これに限られるものではない。例えば、撮像装置１は、信号処理装置２０が、公知のＰＩＤ制御により冷却手段１４を制御することとしてもよい。
【００６５】
また例えば、撮像装置１は、信号処理装置２０における冷却状態推定手段２１の比較手段２１ｃにおいて、暗時ランダム雑音成分のパワーと比較するしきい値を予め段階的に複数設定し、比較手段２１ｃによって、この複数のしきい値と暗時ランダム雑音成分のパワーとをそれぞれ比較してもよい。そして、この複数のしきい値との比較結果に応じて、信号処理装置２０における制御信号生成手段２２により、予め設定した運転モード（弱、中、強等）を指定する制御信号を生成し、冷却手段１４に出力することとしてもよい。この場合、撮像装置１は、冷却手段１４によって、制御信号で指定された運転モードに切り替える。具体的には、冷却手段１４がペルチェ素子による電子冷却を行う場合、供給する電流量を調整し、また例えば、冷却手段１４がファンによる強制空冷を行う場合、回転数を調整する。
【００６６】
さらに、前記した第１実施形態では、撮像装置１は、カメラ部１０が温度センサを備えていないが、これに限られるものではなく、温度センサをさらに備えていてもよい。
つまり、従来の撮像装置に、光学マスク１３と信号処理装置２０とを後付けで組み込んで本発明の撮像装置を構成してもよい。このような撮像装置によれば、従来の温度センサと信号処理装置２０の冷却状態推定手段２１とにより、撮像素子１２の冷却状態をダブルチェックすることができる。例えば、通常のオンまたはオフ状態のときは、従来の温度センサでチェックを行い、待機（省電力）状態のときは、従来の温度センサと信号処理装置２０の冷却状態推定手段２１とによりダブルチェックを行うこととすれば、信号処理装置２０の冷却状態推定手段２１の負荷を軽減することができる。また、従来の撮像装置をそのまま利用することが可能となるので、導入コストを削減しつつ、従来の撮像装置の性能をより向上することができる。
【００６７】
また、さらに、前記した第１実施形態では、撮像装置１は、タイミングパルス生成手段２３が、撮像素子１２と暗時ランダム雑音成分算出手段２１ａとにタイミングパルスを出力することとしたが、さらに、映像信号生成手段２４にタイミングパルスを出力してもよい。このようにすることで、撮像装置１は、映像信号生成手段２４によって、撮像素子１２の受光画素配列部１２ａから出力された信号のうちの有効撮像領域１２１ａの信号のみを取得することが可能となる。
【符号の説明】
【００６８】
１      撮像装置
１０      カメラ部
１１      光学系
１２      撮像素子
１２１      受光画素配列部
１２１ａ    有効撮像領域
１２１ｂ    光学マスク領域
１３      光学マスク
１４      冷却手段
２０      信号処理装置
２１      冷却状態推定手段
２１ａ    暗時ランダム雑音成分算出手段
２１ｂ    パワー算出手段
２１ｃ    比較手段
２２      制御信号出力手段
２３      タイミングパルス生成手段
２４      映像信号生成手段
【図１】
2014068109.tif 000007
【図２】
2014068109.tif 000008
【図３】
2014068109.tif 000009