(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＭＤの駆動電圧がある値を超えると信号増幅率が急に増大し、駆動電圧に対する信号増幅率のゲインが高くなっても安定な画像信号を得る。【解決手段】ＣＭＤに駆動電圧を印加する駆動回路４と、ＣＭＤ搭載のＣＣＤを冷却する冷却器５を備え、ＣＭＤの駆動電圧と温度を調節してＣＭＤの信号増幅率を制御し、信号増幅率を高くしても安定な高感度画像を撮像する。【選択図】図１
2006115324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号増幅機能を有する撮像素子を用いた撮像装置において、
前記撮像素子の信号増幅率を制御する駆動信号を出力する駆動手段と、
前記撮像素子を冷却する冷却手段と、
前記撮像素子の温度を検出する温度検出手段と、
前記撮像素子の信号増幅率が所望の値となるように、前記温度検出手段の検出した温度に基づいて前記冷却手段により前記撮像素子を冷却するとともに前記駆動手段の出力する前記駆動信号を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項２】
請求項１に記載の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置において、
前記撮像装置の周囲温度を検出する周囲温度検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記周囲温度検出手段により検出した周囲温度に基づいて、前記撮像素子を所望の冷却温度に冷やせるか否かを判断し、可能であると判断した場合に、前記冷却手段および前記駆動手段を制御して前記撮像素子の冷却温度および駆動信号を制御することを特徴とする信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置において、
前記駆動信号である駆動電圧と前記撮像素子の冷却温度に対する信号増幅率のデータテーブルを記憶する記憶手段を備え、
前記制御手段は、前記記憶手段に記憶されているデータテーブルを参照して、前記撮像素子の信号増幅率指令値を達成するための駆動電圧指令値と冷却温度指令値を決定することを特徴とする信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項４】
請求項２に記載の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置において、
前記制御手段は、前記周囲温度検出手段により検出された前記周囲温度に基づいて、現在の前記撮像素子の温度以上で信号増幅率指令値を達成可能と判定した場合は、前記駆動信号のみを調節して前記信号増幅率指令値を達成することを特徴とする信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項５】
請求項４に記載の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置において、
前記制御手段は、前記周囲温度検出手段により検出された前記周囲温度に基づいて、現在の前記撮像素子の温度で信号増幅率指令値を達成不可能と判定した場合は、前記信号増幅率指令値を達成するための前記駆動信号と前記冷却温度の複数の組み合わせの中から前記駆動手段の駆動信号を最大にした場合の温度を検索し、検索結果の温度を冷却温度指令値とするとともに、最大駆動信号を駆動電圧指令値とすることを特徴とする信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項６】
請求項５に記載の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置において、
前記制御手段は、前記冷却手段により前記最大駆動信号に対応する温度まで前記撮像素子を冷却することができない場合は警告することを特徴とする信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、信号増幅回路を有する撮像素子を用いて被写体像を撮像する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板の表面付近に信号電荷を蓄積し、この信号電荷をセルごとに次々と転送していくＣＣＤ（Charge Coupled Device）において、ＣＣＤセル内で信号電荷を増倍することができるＣＭＤ（Charge Multiplying Device）の駆動電圧を調節することによって、ＣＭＤの信号増幅率を制御するようにしたＣＭＤ搭載のＣＣＤを用いた撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この出願の発明に関連する先行技術文献としては次のものがある。
【特許文献１】特開２００３−３４７３１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の撮像装置では、ＣＭＤの駆動電圧がある値を超えると信号増幅率が急に増大し、駆動電圧に対する信号増幅率のゲインが高くなって安定な画像信号を得ることができなくなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）  請求項１の発明は、信号増幅機能を有する撮像素子を用いた撮像装置において、前記撮像素子の信号増幅率を制御する駆動信号を出力する駆動手段と、前記撮像素子を冷却する冷却手段と、前記撮像素子の温度を検出する温度検出手段と、前記撮像素子の信号増幅率が所望の値となるように、前記温度検出手段の検出した温度に基づいて前記冷却手段により前記撮像素子を冷却するとともに前記駆動手段の出力する前記駆動信号を制御する制御手段とを備える。
（２）  請求項２の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置は、前記撮像装置の周囲温度を検出する周囲温度検出手段をさらに備え、前記制御手段によって、前記周囲温度検出手段により検出した周囲温度に基づいて、前記撮像素子を所望の冷却温度に冷やせるか否かを判断し、可能であると判断した場合に、前記冷却手段および前記駆動手段を制御して前記撮像素子の冷却温度および駆動信号を制御するようにしたものである。
（３）  請求項３の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置は、前記駆動信号である駆動電圧と前記撮像素子の冷却温度に対する信号増幅率のデータテーブルを記憶する記憶手段を備え、前記制御手段によって、前記記憶手段に記憶されているデータテーブルを参照して、前記撮像素子の信号増幅率指令値を達成するための駆動電圧指令値と冷却温度指令値を決定するようにしたものである。
（４）  請求項４の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置は、前記制御手段によって、前記周囲温度検出手段により検出された前記周囲温度に基づいて、現在の前記撮像素子の温度以上で信号増幅率指令値を達成可能と判定した場合は、前記駆動信号のみを調節して前記信号増幅率指令値を達成するようにしたものである。
（５）  請求項５の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置は、前記制御手段によって、前記周囲温度検出手段により検出された前記周囲温度に基づいて、現在の前記撮像素子の温度で信号増幅率指令値を達成不可能と判定した場合は、前記信号増幅率指令値を達成するための前記駆動信号と前記冷却温度の複数の組み合わせの中から前記駆動手段の駆動信号を最大にした場合の温度を検索し、検索結果の温度を冷却温度指令値とするとともに、最大駆動信号を駆動電圧指令値とするようにしたものである。
（６）  請求項６の信号増幅回路を有する撮像素子を用いた撮像装置は、前記制御手段によって、前記冷却手段により前記最大駆動信号に対応する温度まで前記撮像素子を冷却することができない場合は警告するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、信号増幅率を高くして高感度画像を安定に撮像することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本願発明を、顕微鏡のカメラポートに取り付けられ、顕微鏡の対物レンズにより撮像された被写体像をＣＭＤ搭載のＣＣＤを用いて撮像する撮像装置に適用した一実施の形態を説明する。なお、本願発明は顕微鏡用撮像装置に限定されるものではない。
【０００８】
図１は一実施の形態の構成を示す図である。一実施の形態の撮像装置１は、ＣＭＤ（Charge Multiplying Device）２を搭載したＣＣＤ（Charge Coupled Device）３の半導体チップを備えている。ＣＭＤ２に印加する駆動電圧とＣＣＤ３の冷却温度を調節してＣＭＤ２の信号増幅率を変えることができる。駆動回路４は制御回路７からの駆動電圧指令値にしたがってＣＭＤ２に駆動電圧を印加し、冷却器５は制御回路７からの冷却温度指令値にしたがってＣＭＤ２を搭載したＣＣＤ３の半導体チップを冷却する。なお、冷却器５にはペルチェ素子などを用い、ＣＣＤ３の半導体チップに接合されている。温度センサー６はＣＭＤ２を搭載したＣＣＤ３の温度を検出するためにＣＣＤ３の半導体チップ上に載置されている。
【０００９】
制御回路７はマイクロコンピューター７ａ、ＲＯＭ７ｂ、ＲＡＭ７ｃ、Ａ／Ｄコンバーター７ｄなどを備えている。制御回路７は、撮像装置１の外部からＣＭＤ２の信号増幅率指令値が入力されると、記憶装置８に記憶されているＣＭＤ２の駆動電圧とＣＣＤ３の冷却温度に対する信号増幅率のデータテーブルを参照し、駆動電圧と冷却温度を決定して駆動回路４と冷却器５とを制御する。温度センサー９は撮像装置１内部の制御回路７周辺に配置され、ＣＭＤ２を搭載したＣＣＤ３の周囲温度を検出する。
【００１０】
図２は、記憶装置８に記憶されているＣＭＤ２の駆動電圧とＣＣＤ３の冷却温度に対する信号増幅率のデータテーブルを示す図である。なお、図２では＋３０℃、０℃、−３０℃の冷却温度に対する信号増幅率のグラフＡ、Ｂ、Ｃを代表的に示すが、記憶装置８にはもちろんこれ以外の冷却温度に対する信号増幅率のデータテーブルが記憶されている。
【００１１】
ＣＭＤ２は駆動電圧が高くなるほど、また冷却温度が低くなるほどリニアリティーの高い制御可能な信号増幅率が高くなる。Ｖmaxは駆動回路４の最大駆動電圧である。上述したように、ＣＭＤ２は駆動電圧がある値を超えると信号増幅率が急に増大し、駆動電圧に対する信号増幅率のゲインが高くなって安定な画像信号を得ることができなくなるという問題がある。したがって、最大駆動電圧Ｖmaxには、信号増幅率が急に増大する手前の、駆動電圧に対する信号増幅率のゲインが低い範囲の最も高い電圧（Ｖmax-A、Ｖmax-B、Ｖmax-C）を設定することが望ましい。
【００１２】
図３は記憶装置８に記憶されている冷却器５の冷却性能を示す図である。冷却器５の冷却性能には限界があり、周囲温度（温度センサー９により検出された周囲温度）が高くなるほど冷却可能な温度が低下する。また、周囲温度が高いほど、冷却温度が低いほど、多くの電力を必要とする。図２に示す信号増幅率データテーブルでは、同じ信号増幅率（例えば、１００）を達成する駆動電圧と冷却温度の組み合わせは多数存在（例えば、グラフＢ、Ｃ）するが、冷却器５における電力消費を節約するために、高い温度の組み合わせを選択するのが望ましい。その結果、冷却器５の電力消費は最少になる。
【００１３】
図４は制御回路７で実行される信号増幅率制御プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。撮像装置１が起動されると制御回路７はこの制御プログラムを実行する。ステップ１において外部（例えば、ユーザーが外部モニターのＧＵＩから）から与えられる信号増幅率指令値（例えば、増幅率１００）を入力するとともに、温度センサー６から現在のＣＭＤ２を搭載したＣＣＤ３の温度を入力する。続くステップ２では記憶装置８の信号増幅率データテーブル（図２参照）を参照して現在のＣＣＤ３の温度以上（例えば、温度０℃）で信号増幅率指令値を達成可能か否かを判定する。
【００１４】
現在のＣＣＤ３の温度以上で信号増幅率指令値を達成可能であれば、冷却器５によるＣＣＤ３の冷却の必要はない。この場合はステップ３へ進み、記憶装置８の信号増幅率データテーブル（例えば、グラフＢ）から現在のＣＣＤ温度で信号増幅率指令値を達成するための駆動電圧を検索し、駆動電圧指令値として駆動回路４へ出力する。駆動回路４はこの指令値に応じた駆動電圧をＣＭＤ２へ印加し、ＣＭＤ２を駆動する。
【００１５】
一方、現在のＣＣＤ３の温度（例えば、０℃、図２のグラフＢ）で信号増幅率指令値（例えば、増幅率１０００、図２）を達成できない場合は、冷却器５によるＣＣＤ３の冷却を必要とする。この場合はステップ４へ進み、記憶装置８の冷却温度データテーブルから最大駆動電圧Ｖmaxで信号増幅率指令値を達成可能な冷却温度（例えば、−３０℃、図２のグラフＣ）を検索する。ステップ５では温度センサー９によりＣＣＤ３の周囲温度（例えば、３０℃）を検出し、記憶装置８の冷却温度データテーブル（図３参照）を参照して現在の周囲温度（例えば、３０℃）で検索結果の冷却温度（例えば、−３０℃、図３）を達成可能か否かを判定する。
【００１６】
現在の周囲温度が高く（例えば、５０℃、図３）、冷却器５の冷却能力では検索結果の冷却温度（例えば、−３０℃、図２のグラフＣ）までＣＣＤ３を冷却することができない場合には、ステップ６で不図示のディスプレイとスピーカーのどちらか一方あるは両方を用いて使用者に警告を行う。
【００１７】
一方、検索結果の冷却温度（例えば、−３０℃、図３）まで冷却可能な場合はステップ７へ進み、検索結果の冷却温度を冷却温度指令値として冷却器５へ出力する。冷却器５はこの指令値までＣＭＤ２を搭載したＣＣＤ３を冷却する。その結果、信号増幅率指令値（例えば、増幅率１０００、図２）は、記憶装置８の冷却温度テーブル（例えば、図２のグラフＣ）に基づき達成される。
【００１８】
このように、一実施の形態によれば、ＣＭＤ２に駆動電圧を印加する駆動回路４と、ＣＭＤ搭載のＣＣＤ３を冷却する冷却器５を備え、ＣＭＤの駆動電圧とＣＣＤ３の冷却温度を調節して記憶装置８の冷却温度テーブル（図２のグラフＡ、Ｂ、Ｃ）から最適なテーブルを選択する。選択されたテーブルに基づき、ＣＭＤ２の信号増幅率を制御するようにしたので、信号増幅率を高くして高感度画像を安定に撮像することができる。
【００１９】
また、一実施の形態によれば、ＣＭＤ２の駆動電圧とＣＣＤ３の冷却温度に対する信号増幅率のデータテーブルを記憶する記憶装置８を備え、記憶装置８に記憶されているデータテーブルを参照してＣＭＤ２の信号増幅率指令値を達成するための駆動電圧指令値と冷却温度指令値を決定するようにしたので、信号増幅率指令値を達成するための駆動電圧と冷却温度の複数の組み合わせ（図２のグラフＡ、Ｂ、Ｃ）の中から、信号増幅率を高くして高感度画像を安定に撮像することができる最適な組み合わせを選択することができる。
【００２０】
さらに、一実施の形態によれば、記憶装置８に記憶されているデータテーブルを参照して現在のＣＭＤ２の温度以上で信号増幅率指令値を達成可能と判定した場合は、駆動電圧のみを調節して信号増幅率指令値を達成するようにしたので、冷却器５による電力消費がなく、合理的に素早く信号増幅率指令値を達成することができる。
【００２１】
一実施の形態によれば、記憶装置８に記憶されているデータテーブルを参照して現在のＣＭＤ２の温度で信号増幅率指令値を達成不可能と判定した場合は、信号増幅率指令値を達成するための駆動電圧と温度の複数の組み合わせの中から駆動回路４の駆動電圧を最大にした場合の温度を検索し、検索結果の温度を冷却温度指令値とするとともに、最大駆動電圧を駆動電圧指令値とするようにしたので、冷却器５による電力消費を最少に抑制して信号増幅率指令値を達成することができる。
【００２２】
一実施の形態によれば、冷却器５により最大駆動電圧に対応する温度までＣＭＤ搭載ＣＣＤ３を冷却することができない場合は警告するようにしたので、使用者に注意を喚起することができる。
【００２３】
特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、駆動回路４が駆動手段を、冷却器５が冷却手段を、温度センサー６が温度検出手段を、温度センサー９が周囲温度検出手段を、制御回路７が制御手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００２４】
なお、上述した一実施の形態では、電荷増幅されるために駆動電圧増幅に用いた撮像素子について説明したが、これに限られず、例えば電流増幅を用いた素子や光増幅を用いた素子でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】ＣＭＤの駆動電圧と冷却温度に対する信号増幅率を示す図である。
【図３】冷却器の周囲温度に対する冷却可能な温度を示す図である。
【図４】一実施の形態の信号増幅率制御プログラムを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００２６】
１  撮像装置
２  ＣＭＤ
３  ＣＣＤ
４  駆動回路
５  冷却器
６、９  温度センサー
７  制御回路
７ａ  ＣＰＵ
７ｂ  ＲＯＭ
７ｃ  ＲＡＭ
７ｄ  Ａ／Ｄコンバーター
８  記憶装置
【図１】
2006115324.tif 000003
【図２】
2006115324.tif 000004
【図３】
2006115324.tif 000005
【図４】
2006115324.tif 000006