(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子増倍ゲート電圧を選択することによって所望の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の前記電子増倍ゲインを校正するための電子増倍ゲイン校正機構であって、
前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍によるゲイン調整とは別に設けられたゲイン調整部と、
前記ゲイン調整部および前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を経た電気信号の映像レベルを検出する映像レベル検出部と、
前記ゲイン調整部を所定の基準ゲインに設定し、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を電子増倍しない状態に設定し、その状態で前記映像レベル検出部によって検出される映像レベルを基準値として取得し、校正目標の電子増倍ゲインに対応する電子増倍ゲート電圧の設定値を前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定し、前記ゲイン調整部を、前記校正目標の電子増倍ゲインとの和が前記基準ゲインとなるようなゲインに設定し、その状態で前記映像レベル検出部によって検出される映像レベルを測定値として取得し、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定している電子増倍ゲート電圧を変化させることにより前記測定値を前記基準値に一致させるように制御し、前記測定値が前記基準値に一致したときの電子増倍ゲート電圧を校正後の設定値として記録する制御部と、を有し、
前記ゲイン調整部は、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子から出力される電気信号のゲインの選択が可能なゲイン制御アンプと、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子から出力される電気信号の振幅が前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の信号電荷蓄積期間に応じて変化することを利用した増幅部の少なくとも一方からなる、電子増倍ゲイン校正機構。
【請求項２】
前記制御部は、所望の電子増倍ゲインを得るために設定する電子増倍ゲート電圧を、前記校正目標の電子増倍ゲインに対応する校正前の電子増倍ゲート電圧と校正後の電子増倍ゲート電圧との差分だけシフトする、請求項１に記載の電子増倍ゲイン校正機構。
【請求項３】
前記ゲイン調整部は、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に入射する前の光のゲインを調整する光フィルタ部を、さらに有する、請求項１または２に記載の電子増倍ゲイン校正機構。
【請求項４】
前記光フィルタ部は、光路に挿入することで通過光を減光するニュートラルデンシティフィルタ、または電子シャッタ時間に応じて通過光を減光するＣＣＤ電子シャッタの少なくとも一方からなる、請求項３に記載の電子増倍ゲイン校正機構。
【請求項５】
電子増倍ゲート電圧を選択することによって所望の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の前記電子増倍ゲインを校正するための電子増倍ゲイン校正方法であって、
前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子から出力される電気信号のゲインの選択が可能なゲイン制御アンプと、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子から出力される電気信号の振幅が前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の信号電荷蓄積期間に応じて変化することを利用した増幅部の少なくとも一方からなる、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍によるゲイン調整とは別に設けられたゲイン調整部を所定の基準ゲインに設定し、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を電子増倍しない状態にし、その状態で得られる映像レベルを基準値として取得し、
校正目標の電子増倍ゲインに対応する電子増倍ゲート電圧の設定値を前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定し、前記ゲイン調整部を、前記校正目標の電子増倍ゲインとの和が前記基準ゲインとなるようなゲインに設定し、その状態で得られる映像レベルを測定値として取得し、
前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定している電子増倍ゲート電圧を変化させることにより前記測定値を前記基準値に一致させるように制御し、
前記測定値が前記基準値に一致したときの電子増倍ゲート電圧を校正後の設定値として記録する、電子増倍ゲイン校正方法。
【請求項６】
所望の電子増倍ゲインを得るために設定する電子増倍ゲート電圧を、前記校正目標の電子増倍ゲインに対応する校正前の電子増倍ゲート電圧と校正後の電子増倍ゲート電圧との差分だけシフトする、請求項５に記載の電子増倍ゲイン校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラなどに用いられる電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に関し、特に、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の特性変化に対する校正に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体撮像素子を高感度化するための一手法として、インパクト・イオン化現象を利用した電子増倍型ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）撮像素子が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
図６は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の一例を示す図である。図６を参照すると、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子は、撮像領域９０３、蓄積領域９０４、水平ＣＣＤレジスタ９０５、電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６、および出力アンプ９０７を有している。
【０００４】
撮像領域９０３にはフォトダイオード９０１と垂直ＣＣＤレジスタ９０２を有し、信号電荷（電子）を発生させる。
【０００５】
蓄積領域９０４は、撮像領域９０３から転送されて来た信号電荷を蓄積する。
【０００６】
水平ＣＣＤレジスタ９０５は、蓄積領域９０４からの信号電荷を受け取って水平方向に転送する。
【０００７】
電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６は、水平ＣＣＤレジスタ９０５に接続されており、水平ＣＣＤレジスタ９０５からの信号電荷を増倍する。
【０００８】
出力アンプ９０７は、電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６で増倍された信号電荷を電圧に変換する。
【０００９】
図７は、図６に示した電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６の断面とポテンシャル分布を示す図である。図７を参照すると、電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６は、ゲート酸化膜９０８、水平転送ゲート電極９０９，９１０、および電子増倍ゲート電極９１１を有しており、ゲート酸化膜９０８の上面に水平転送ゲート電極９０９，９１０および電子増倍ゲート電極９１１が配置されている。図７には、ゲート酸化膜９０８のポテンシャル分布が模式的に示されている。
【００１０】
以下、図６に示した電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の動作を説明する。
【００１１】
まず、フォトダイオード９０１における光電変換で発生した信号電荷は垂直ＣＣＤレジスタ９０２に読み出される。垂直ＣＣＤレジスタ９０２に読み出された信号電荷は、撮像領域９０３と蓄積領域９０４を垂直転送され、水平ＣＣＤレジスタ９０５に至る。信号電荷は、さらに水平ＣＣＤレジスタ９０５を水平転送されて電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６に送り込まれる。
【００１２】
電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６では、電子増倍ゲート電極９１１に高い電圧を印加することによって、図７に示したような深いポテンシャル差（高電界）が生じている。
【００１３】
電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６に到達した信号電荷９１２は、この深いポテンシャル差によって加速され、シリコン結晶格子と衝突する。この衝突によってインパクト・イオン化現象が起こり、新たな電子９１３と正孔９１４の対が生成される。ここで生成された電子と正孔の対のうち正孔９１４は、シリコン基板側に流れて消滅するが、電子９１３はウェルに捕獲される。
【００１４】
実際には電子増倍ゲート電極が数百段あり、上述した一連動作を数百段の電子増倍ゲート電極で繰り返して実行することにより信号電荷が増倍される。
【００１５】
図８は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍ゲインの実測結果を示すグラフである。図８に示された曲線９１５は、電子増倍ゲート電圧と電子増倍ゲインの関係を示している。この曲線９１５によれば、電子増倍ゲート電圧が１９．２Ｖのとき、電子増倍ゲインは１０２４倍である。
【特許文献１】特許第３４８３２６１号公報
【特許文献２】特開平１０−３０４２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述したような電子増倍型ＣＣＤ撮像素子は経時変化に伴って所定の電子増倍ゲインを与える電子増倍ゲート電圧が高電圧側にシフトすることがある。図８に示した曲線９１６は曲線９１５が経時変化でシフトしたものである。この曲線９１６は、約１００時間の加速試験を行った後の電子増幅ゲインを実測した結果である。
【００１７】
曲線９１６は、曲線９１５に比べて電子増倍ゲート電圧が高電圧側へ約２Ｖだけ平行にシフトしている。経時変化の前には、電子増倍ゲート電圧を１９．２Ｖに設定すれば１０２４倍の電子増倍ゲインが得られていた。しかし、経時変化後には、電子増倍ゲート電圧を同じ１９．２Ｖに設定しても、得られる電子増倍ゲインはゼロとなっている。この時間の経過による電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の特性変化がカメラの安定動作を疎外していた。
【００１８】
一説によれば、時間の経過による電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の特性変化は、深いポテンシャル差によって加速された信号電荷９１２の一部（ホット・エレクトロンと呼ばれる）、またはインパクト・イオン化現象によって発生した電子９１３あるいは正孔９１４の一部がゲート酸化膜９０８中に飛び込んで深い準位にトラップされることが原因と考えられている。しかし、現時点では、その真の原因の解明や問題の解決には至っていない。
【００１９】
本発明の目的は、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子によって得られる所望の電子増倍ゲインを容易に安定させることができる機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の電子増倍ゲイン校正機構は、
電子増倍ゲート電圧を選択することによって所望の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の前記電子増倍ゲインを校正するための電子増倍ゲイン校正機構であって、
前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍によるゲイン調整とは別に設けられたゲイン調整部と、
前記ゲイン調整部および前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を経た電気信号の映像レベルを検出する映像レベル検出部と、
前記ゲイン調整部を所定の基準ゲインに設定し、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を電子増倍しない状態に設定し、その状態で前記映像レベル検出部によって検出される映像レベルを基準値として取得し、校正目標の電子増倍ゲインに対応する電子増倍ゲート電圧の設定値を前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定し、前記ゲイン調整部を、前記校正目標の電子増倍ゲインとの和が前記基準ゲインとなるようなゲインに設定し、その状態で前記映像レベル検出部によって検出される映像レベルを測定値として取得し、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定している電子増倍ゲート電圧を変化させることにより前記測定値を前記基準値に一致させるように制御し、前記測定値が前記基準値に一致したときの電子増倍ゲート電圧を校正後の設定値として記録する制御部とを有している。
【００２１】
本発明によれば、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍を行わずゲイン調整部のみにより基準ゲインに設定された状態で基準値を取得し、校正目標の電子増倍ゲインとの和が基準ゲインとなるように設定されたゲイン調整部と電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を経て得られる映像レベルの計測値を基準値に一致させるように制御する。その結果として電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍ゲインが校正目標に一致する電子増倍ゲート電圧が得られる。したがって、本発明によれば、経時変化が無いゲイン調整部を基準として所望の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧を容易に校正することができる。
【００２２】
また、前記制御部は、所望の電子増倍ゲインを得るために設定する電子増倍ゲート電圧を、前記校正目標の電子増倍ゲインに対応する校正前の電子増倍ゲート電圧と校正後の電子増倍ゲート電圧との差分だけシフトすることにしてもよい。
【００２３】
これによれば、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍ゲインの特性が経時変化で電圧方向に平行シフトすることを利用して、１つの校正目標での結果に基づいて特性曲線をオフセットすることで任意の電子増倍ゲインの電子増倍ゲート電圧を校正することができる。
【００２４】
また、前記ゲイン調整部は、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に入射する前の光のゲインを調整する光フィルタ部と、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子から出力された電気信号のゲインを調整する増幅部の少なくとも一方を含むことにしてもよい。
【００２５】
また、前記光フィルタ部は、光路に挿入することで通過光を減光するニュートラルデンシティフィルタ、または電子シャッタ時間に応じて通過光を減光するＣＣＤ電子シャッタの少なくとも一方からなることにしてもよい。
【００２６】
また、前記電気増幅部は、ゲインの選択が可能なゲイン制御アンプ部と、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子のゲインが電荷蓄積期間に応じて変化することを利用した増幅部の少なくとも一方からなることにしてもよい。
【００２７】
本発明の電子増倍ゲイン校正方法は、
電子増倍ゲート電圧を選択することによって所望の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の前記電子増倍ゲインを校正するための電子増倍ゲイン校正方法であって、
前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍によるゲイン調整とは別に設けられたゲイン調整部を所定の基準ゲインに設定し、前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を電子増倍しない状態にし、その状態で得られる映像レベルを基準値として取得し、
校正目標の電子増倍ゲインに対応する電子増倍ゲート電圧の設定値を前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定し、前記ゲイン調整部を、前記校正目標の電子増倍ゲインとの和が前記基準ゲインとなるようなゲインに設定し、その状態で得られる映像レベルを測定値として取得し、
前記電子増倍型ＣＣＤ撮像素子に設定している電子増倍ゲート電圧を変化させることにより前記測定値を前記基準値に一致させるように制御し、
前記測定値が前記基準値に一致したときの電子増倍ゲート電圧を校正後の設定値として記録する電子増倍ゲイン校正方法である。
【００２８】
また、所望の電子増倍ゲインを得るために設定する電子増倍ゲート電圧を、前記校正目標の電子増倍ゲインに対応する校正前の電子増倍ゲート電圧と校正後の電子増倍ゲート電圧との差分だけシフトすることにしてもよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、所望の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧を容易に校正することができ、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子によって得られる所望の電子増倍ゲインを容易に安定させることができる機構を提供する
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態によるカメラの構成を示すブロック図である。本実施形態のカメラは電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を用いた単板式白黒カメラである。図１を参照すると、本実施形態のカメラ１は、レンズ２、ニュートラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）３、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４、ゲイン制御アンプ５、映像信号処理回路６、映像レベル検出部７、中央処理装置（ＣＰＵ）８、アイリス制御回路９、ＮＤフィルタ挿抜機構１０、および電子増倍ゲート駆動回路１１を有している。入射光はレンズ２に入射する。
【００３２】
レンズ２は、不図示のアイリス機構を内蔵しており、通過する光量を調節することができる。
【００３３】
ＮＤフィルタ３は、レンズ２の後段に配置され、レンズ２からの光路に挿抜することが可能なニュートラルデンシティフィルタである。ＮＤフィルタ３を光路に挿入した状態では、レンズ２からの光はＮＤフィルタ３で減光されて電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４に入射される。
【００３４】
電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４は、入射した光を信号電荷に変換し、その信号電荷を増倍し、さらに増倍した信号電荷を電圧に変換して時系列の信号として出力する。信号電荷を増倍する際、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４は電子増倍ゲート駆動回路１１から与えられる電子増倍ゲート電圧に応じた電子増倍ゲインで増倍を行う。ただし、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍ゲート電圧に対する電子増倍ゲインの特性は経時変化する。
【００３５】
ゲイン制御アンプ５は、ゲインの制御が可能な増幅器であり、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４から出力された信号の振幅レベルを増減して出力する。電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４から出力された信号はゲイン制御アンプ５を介して映像信号処理回路６に入力される。
【００３６】
映像信号処理回路６は、入力した信号に対して各種の映像信号処理を施すことにより白黒映像信号を生成して出力する。また、映像信号処理回路６は、映像レベルの平均値およびピーク値を検出する映像レベル検出部７を有しており、映像レベル検出部７で検出された映像レベルの平均値およびピーク値を示す信号はＣＰＵ８に入力される。
【００３７】
ＣＰＵ８は、プログラムを実行することで動作し、映像信号処理回路６から入力した信号に基づいて、ゲイン制御アンプ５のゲインを制御し、またアイリス制御回路９、ＮＤフィルタ挿抜機構１０、および電子増倍ゲート駆動回路１１に対して制御信号を与える。
【００３８】
アイリス制御回路９は、ＣＰＵ８からの制御信号に従って、レンズ２に内蔵されたアイリス機構を制御する。
【００３９】
ＮＤフィルタ挿抜機構１０は、ＣＰＵ８からの制御信号に従ってＮＤフィルタ３を挿抜する。
【００４０】
電子増倍ゲート駆動回路１１は、ＣＰＵ８からの制御信号に従って、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４に印加する電子増倍ゲート電圧を制御する。
【００４１】
ゲイン制御アンプ５、アイリス制御回路９、ＮＤフィルタ挿抜機構１０、および電子増倍ゲート駆動回路１１はＣＰＵ８からの制御により連携動作する。
【００４２】
以下、本実施形態のカメラ１の校正動作について説明する。図２Ａ〜Ｂは、第１の実施形態によるカメラ１の動作を示すフローチャートである。ここでは、カメラ１の標準感度が２０００ｌｘ／Ｆ１１であるものとする。また、１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧を校正する場合を例示する。すなわち校正目標の電子増倍ゲインが６０ｄＢである。
【００４３】
まず、照度５００ｌｘ程度で照明されたグレースケールチャートまたは静止した被写体を撮影する。次に、スタートボタンを押すと（ステップ１０１）、カメラ１の制御動作が自動的に開始される。
【００４４】
校正動作を開始したカメラ１は、ＣＰＵ８からゲイン制御アンプ５に＋２４ｄＢのゲインを設定する（ステップ１０２）。次いで、カメラ１は、自動感度制御機構を起動する（ステップ１０３）。自動感度制御機構では、ＣＰＵ８からの制御信号に従ってアイリス制御回路９がレンズ２に内蔵されたアイリス機構のアイリス値を制御することで映像レベル（光量）が自動的に調整される。
【００４５】
自動感度制御機構を動作させた状態で、ＣＰＵ８が、映像信号処理回路６の映像レベル検出部７が検出した映像レベル（被写体の明るさ）を示す信号を読み込む（ステップ１０４）。例えば映像レベルの平均値を用いればよい。
【００４６】
続いて、ＣＰＵ８は、取り込んだ信号から映像レベルが安定したか否か判定する（ステップ１０５）。映像レベルが所定のレベルに安定するまで、自動感度制御機構を動作させながらステップ１０４〜１０５の処理を繰り返す。
【００４７】
映像レベルが安定すると、カメラ１は、自動感度制御機構を停止してアイリス値を固定する（ステップ１０６）。ここに示している例では、レンズ２のアイリス値はＦ５．６近辺になっている筈である。
【００４８】
次に、ＣＰＵ８は、この状態で映像レベル検出部７から出力されている映像レベルの平均値およびピーク値を読み込み、所定の基準値Ｖrefとして記憶する（ステップ１０７）。この状態では、経時変化が起こる電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍の機能は動作しておらず、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４に比べて経時変化が殆どないゲイン制御アンプ５だけでゲインが設定されている状態である。それゆえ、基準値Ｖrefとしては経時変化の影響を受けていない値が得られる。
【００４９】
次の動作として、ＣＰＵ８は、ＮＤフィルタ挿抜機構１０を制御して、１／６４（−３６ｄＢ相当）のＮＤフィルタ３を光路に挿入する（ステップ１０８）。それと同時に、ＣＰＵ８は、ゲイン制御アンプ５のゲインを０ｄＢにし、増幅を解除する（ステップ１０９）。
【００５０】
さらに、ＣＰＵ８は、電子増倍ゲート駆動回路１１への制御信号によって、電子増倍ゲート電圧を所定の設定値に設定する（ステップ１１０）。ここで設定される設定値は、電子増倍ゲインを１０２４倍（６０ｄＢ）にするような（校正前の）電子増倍ゲート電圧である。
【００５１】
図３は、第１の実施形態によるカメラ１に用いられている電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍ゲインを示すグラフである。図３を参照すると、調整前の曲線９１５において、１０２４倍の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧は１９．２Ｖなので、この値が設定される。
【００５２】
曲線９１５を見て分かるように、経時変化前であれば、電子増倍ゲート電圧を１９．２Ｖに設定することで１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインが得られていた。電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４による電子増倍ゲイン（６０ｄＢ）とＮＤフィルタ３のゲイン（−３６ｄＢ）とを合わせて、基準値Ｖrefを取得したときのゲイン制御アンプ５のゲイン（２４ｄＢ）と一致する。ＮＤフィルタ３のゲインもゲイン制御アンプ５のゲインと同様に経時変化が殆ど無いので、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４に経時変化が無ければ、このときに検出される映像レベルは先に取得した基準値Ｖrefと一致するはずである。しかし、ここでは、経時変化によって電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍ゲインは曲線９１６に示すような特性に変化しているものとする。それゆえ、ここで検出される映像レベルは基準値Ｖrefと一致しない。
【００５３】
図２に戻り、次に、ＣＰＵ８は、映像レベル検出部７が検出した映像レベルを示す信号を読み込む（ステップ１１１）。続いて、ＣＰＵ８は、読み込んだ映像レベルと基準値Ｖrefを比較する（ステップ１１２）。
【００５４】
読み込んだ映像レベルが基準値Ｖrefよりも小さければ、ＣＰＵ８は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ増加させる（ステップ１１３）。１ステップは電圧の制御幅である。一方、読み込んだ映像レベルが基準値Ｖrefよりも大きければ、ＣＰＵ８は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ減少させる（ステップ１１４）。
【００５５】
ここに示している例では、図３の曲線９１６のように、経時変化によって電子増倍ゲインが殆どゼロになっているので、読み込んだ映像レベルは基準値Ｖrefより遥かに小さくなっている。この映像レベルを基準値Ｖrefに一致させるようにステップ１１１〜１１４の処理が繰り返され、最終的に映像レベルが基準値Ｖrefと一致する。
【００５６】
映像レベルが基準値Ｖrefと一致すると、ＣＰＵ８は、そのときの電子増倍ゲート電圧を新たな設定値として更新する（ステップ１１５）。図３の曲線９１６において、１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍ゲート電圧は２１．２Ｖなので、新たな設定値はその値となる。
【００５７】
次に、ＣＰＵ８は、電子増倍ゲート電圧を低下させて電子増倍機能を解除する（ステップ１１６）。それと同時に、ＣＰＵ８は、ＮＤフィルタ挿抜機構１０にＮＤフィルタ３を抜去させる（ステップ１１７）。
【００５８】
最後に、ＣＰＵ８は、ステップ１０６で停止した自動感度制御機能を再び起動し、カメラ１を通常の動作に戻す（ステップ１１８）。
【００５９】
以上のような校正動作によって、カメラ１は図３の曲線９１６に基づいて動作するようになる。
【００６０】
図３に示した経時変化後の曲線９１６は、経時変化前の曲線９１５を高電圧側へ平行にシフトしたものとなっている。一般に電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の経時変化はこのような性質を有している。それゆえ、経時変化後の曲線９１６を求めるために複数ポイントに対して図２に示した校正を行う必要は無い。経時変化前の曲線９１５を示す入出力対照表（ルックアップテーブル）あるいは近似式が予め分かっていれば、任意の１点に対する校正の結果として得られたシフト量だけ入出力対照表（ルックアップテーブル）あるいは近似式にオフセットを付加すればよい。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態によれば、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４による電子増倍を行わずかつ経時変化の無いゲイン制御アンプ５のみにより基準ゲインに設定された状態の映像レベルを基準値Ｖrefとする。そして、校正目標の電子増倍ゲインとの和が基準ゲインとなるようにゲインが設定された経時変化の無いＮＤフィルタ３と電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４とを経て得られる映像レベルの計測値を基準値Ｖrefに一致させるように制御する。その結果として電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍ゲインが校正目標に一致する電子増倍ゲート電圧が得られる。したがって、本実施形態によれば、経時変化が殆んどないゲイン制御アンプ５およびＮＤフィルタ３を基準として所望の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧を容易に校正することができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍ゲインの特性が経時変化で電圧方向に平行シフトすることを利用して、１ポイントの校正目標での結果に基づいて特性曲線をオフセットすることで任意の電子増倍ゲインの電子増倍ゲート電圧を校正することができる。
【００６３】
また、本実施形態では、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４を用いたカメラ１が元来有する構成を利用して校正を行うので、校正を可能にするために装置規模が増大するのを抑えることができる。
【００６４】
なお、本実施形態では、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４と映像信号処理部６の間にゲイン制御アンプ５を配置する構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４のＣＣＤ電荷蓄積期間を調整することによって、ゲイン制御アンプ５と同等の機能を実現してもよい。
【００６５】
例えば、ゲイン制御アンプ５のゲインを＋２４ｄＢとすることは、ＣＣＤ電荷蓄積期間を１６フレームに設定することと同等である。その場合、図２に示したフローチャートのステップ１０２およびステップ１０９において、ゲイン制御アンプ５のゲインを設定する代わりにＣＣＤ電荷蓄積期間を制御すればよい。
【００６６】
また、本実施形態では、レンズ２の後段に挿抜可能なＮＤフィルタ３を配置する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、ＮＤフィルタ３の挿抜と同等の機能をＣＣＤ電子シャッタ機能によって実現してもよい。例えば、１／６４のＮＤフィルタの減光比率は、ＣＣＤ電子シャッタ時間を１／４０００秒に設定したときとほぼ同等である。その場合、図２に示したフローチャートのステップ１０８およびステップ１１７において、ＮＤフィルタ挿抜機構１０からの制御によりＮＤフィルタ３を挿抜する代わりに、ＣＣＤ電子シャッタ機能を働かせればよい。
【００６７】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態によるカメラの構成を示すブロック図である。本実施形態のカメラは３つの電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を用いた３板式カラーカメラである。図４を参照すると、本実施形態のカメラ１２は、レンズ１３、ニュートラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）１４、プリズム１５、Ｂｃｈ，Ｇｃｈ，Ｒｃｈの３つの電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８、Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つのゲイン制御アンプ１９〜２１、映像信号処理回路２２、ＣＰＵ２６、アイリス制御回路２７、ＮＤフィルタ挿抜機構２８、およびＲｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つの電子増倍ゲート駆動回路２９〜３１を有している。入射光はレンズ２に入射する。
【００６８】
レンズ１３は、不図示のアイリス機構を内蔵しており、通過する光量を調節することができる。
【００６９】
ＮＤフィルタ１４は、レンズ１３の後段に配置され、レンズ１３からの光路に挿抜することが可能なニュートラルデンシティフィルタである。ＮＤフィルタ３を光路に挿入した状態では、レンズ１３からの光はＮＤフィルタ１４で減光されて色分解光学系（プリズム）１５に入射する。
【００７０】
プリズム１５は、入射した光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色光に分光し、それぞれをＲｃｈ電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６、Ｇｃｈ電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１７、Ｂｃｈ電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１８に入射する。
【００７１】
Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つの電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８は、入射した光を信号電荷に変換し、その信号電荷を増倍し、さらに増倍した信号電荷を電圧に変換して時系列の信号として出力する。信号電荷を増倍する際、Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つの電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８は、各々に対応する電子増倍ゲート駆動回路２９〜３１から与えられる電子増倍ゲート電圧に応じた電子増倍ゲインで増倍を行う。ただし、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８の電子増倍ゲート電圧に対する電子増倍ゲインの特性は経時変化する。
【００７２】
Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つのゲイン制御アンプ１９〜２１は、ゲインの制御が可能な増幅器であり、各々に対応する電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８から出力された信号の振幅レベルを増減して出力する。電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８から出力された信号はゲイン制御アンプ１９〜２１を介して映像信号処理回路２２に入力される。
【００７３】
映像信号処理回路２２は、入力した３つの信号に対して各種の映像信号処理を施すことによりカラー映像信号を生成して出力する。また、映像信号処理回路２２は、映像レベルの平均値およびピーク値を検出する３つの映像レベル検出部２３〜２５を有している。Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つの映像レベル検出部２３〜２５の各々で検出された映像レベルの平均値およびピーク値を示す３つの信号はＣＰＵ２６に入力される。
【００７４】
ＣＰＵ２６は、プログラムを実行することで動作し、映像信号処理回路２２から入力した信号に基づいて、ゲイン制御アンプ１９〜２１のゲインを制御し、またアイリス制御回路２７、ＮＤフィルタ挿抜機構２８、および電子増倍ゲート駆動回路２９〜３１に対して制御信号を与える。
【００７５】
アイリス制御回路２７は、ＣＰＵ２６からの制御信号に従って、レンズ１３に内蔵されたアイリス機構を制御する。
【００７６】
ＮＤフィルタ挿抜機構２８は、ＣＰＵ２６からの制御信号に従ってＮＤフィルタ１４を挿抜する。
【００７７】
Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つの電子増倍ゲート駆動回路２９〜３１は、ＣＰＵ２６からの制御信号に従って、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８に印加する電子増倍ゲート電圧を制御する。
【００７８】
ゲイン制御アンプ１９〜２１、アイリス制御回路２７、ＮＤフィルタ挿抜機構２８、および電子増倍ゲート駆動回路２９〜３１はＣＰＵ２６からの制御により連携動作する。
【００７９】
以下、本実施形態のカメラ１２の校正動作について説明する。図５Ａ〜Ｃは、第２の実施形態によるカメラ１２の動作を示すフローチャートである。ここでは、カメラ１２の標準感度が２０００ｌｘ／Ｆ１１であるものとする。また、１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧を校正する場合を例示する。
【００８０】
まず、照度５００ｌｘ程度で照明されたグレースケールチャートまたは静止した被写体を撮影する。次に、スタートボタンを押すと（ステップ２０１）、カメラ１２の制御動作が自動的に開始される。
【００８１】
校正動作を開始したカメラ１２は、ＣＰＵ２６からゲイン制御アンプ１９〜２１に＋２４ｄＢのゲインを設定する（ステップ２０２）。次いで、カメラ１２は、自動感度制御機構を起動する（ステップ２０３）。自動感度制御機構では、ＣＰＵ２６からの制御信号に従ってアイリス制御回路２７がレンズ１３に内蔵されたアイリス機構のアイリス値を制御することで映像レベル（光量）が調整される。
【００８２】
自動感度制御機構を動作させた状態で、まずＣＰＵ２６が、映像信号処理回路２２の映像レベル検出部２３〜２５が検出した映像レベルを示す信号を読み込む（ステップ２０４）。例えば映像レベルの平均値を用いればよい。
【００８３】
続いて、ＣＰＵ２６は、取り込んだ信号から映像レベルが安定したか否か判定する（ステップ２０５）。映像レベルが所定のレベルに安定するまで、自動感度制御機構を動作させながらステップ２０４〜２０５の処理を繰り返す。
【００８４】
映像レベルが安定すると、カメラ１２は、自動感度制御機構を停止してアイリス値を固定する（ステップ２０６）。ここに示している例では、レンズ１３のアイリス値はＦ５．６近辺になっている筈である。
【００８５】
次に、ＣＰＵ２６は、この状態で映像レベル検出部２４から出力されている映像レベルの平均値およびピーク値を読み込み、Ｇｃｈの基準値ＶRrefとして記憶する（ステップ２０７）。同様に、ＣＰＵ２６は、この状態で映像レベル検出部２３から出力されている映像レベルの平均値およびピーク値を読み込み、Ｒｃｈの基準値ＶGrefとして記憶する（ステップ２０８）。また、ＣＰＵ２６は、この状態で映像レベル検出部２５から出力されている映像レベルの平均値およびピーク値を読み込み、Ｂｃｈの基準値ＶBrefとして記憶する（ステップ２０９）。
【００８６】
次の動作として、ＣＰＵ２６は、ＮＤフィルタ挿抜機構２８を制御して、１／６４（−３６ｄＢ相当）のＮＤフィルタ１４を光路に挿入する（ステップ２１０）。それと同時に、ＣＰＵ２６は、ゲイン制御アンプ１９〜２１のゲインを０ｄＢにし、Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの増幅を解除する（ステップ２１１）。
【００８７】
さらに、ＣＰＵ２６は、Ｒｃｈ，Ｇｃｈ，Ｂｃｈの３つの電子増倍ゲート駆動回路２９〜３１への制御信号によって、電子増倍ゲート電圧を所定の設定値に設定する（ステップ２１２）。ここで設定される各設定値は、電子増倍ゲインを１０２４倍（６０ｄＢ相当）にするような（調整前の）電子増倍ゲート電圧である。
【００８８】
本実施形態で用いている電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８の電子増倍ゲインは第１の実施形態と同じであるとする。図３を参照すると、図３を参照すると、調整前の曲線９１５において、１０２４倍の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧は１９．２Ｖなので、この値が設定される。
【００８９】
曲線９１５を見て分かるように、経時変化前であれば、電子増倍ゲート電圧を１９．２Ｖに設定することで１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインが得られていた。その状態が維持されていれば、各チャネルの映像レベルは先に取得した基準値ＶRref、ＶGref、ＶBrefと一致するはずである。しかし、ここでは、経時変化によって電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８の電子増倍ゲインは曲線９１６に示すような特性に変化しているものとする。
【００９０】
次に、ＣＰＵ２６は、Ｇｃｈの映像レベル検出部２４が検出した映像レベルを示す信号を読み込む（ステップ２１３）。続いて、ＣＰＵ２６は、読み込んだ映像レベルと基準値ＶGrefを比較する（ステップ２１４）。
【００９１】
読み込んだ映像レベルが基準値ＶGrefよりも小さければ、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ増加させる（ステップ２１５）。１ステップは電圧の制御幅である。一方、読み込んだ映像レベルが基準値ＶGrefよりも大きければ、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ減少させる（ステップ２１６）。
【００９２】
ここに示している例では、図３の曲線９１６のように、経時変化によって電子増倍ゲインが殆どゼロになっているので、読み込んだ映像レベルは基準値Ｖrefより遥かに小さくなっている。それゆえステップ２１３〜２１６の処理が繰り返される。そして、その結果として最終的に映像レベルが基準値ＶGrefと一致する。
【００９３】
映像レベルが基準値ＶGrefと一致すると、ＣＰＵ２６は、そのときの電子増倍ゲート電圧を新たな設定値として更新する（ステップ２１７）。図３の曲線９１６において、１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍ゲート電圧は２１．２Ｖなので、新たな設定値はその値となる。
【００９４】
次に、ＣＰＵ２６は、Ｇｃｈと同様に、Ｒｃｈの映像レベル検出部２３が検出した映像レベルを示す信号を読み込む（ステップ２１８）。続いて、ＣＰＵ２６は、読み込んだ映像レベルと基準値ＶRrefを比較する（ステップ２１９）。
【００９５】
読み込んだ映像レベルが基準値ＶRrefよりも小さければ、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ増加させる（ステップ２２０）。一方、読み込んだ映像レベルが基準値ＶRrefよりも大きければ、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ減少させる（ステップ２２１）。
【００９６】
ここに示している例では、図３の曲線９１６のように、経時変化によって電子増倍ゲインが殆どゼロになっているので、読み込んだ映像レベルは基準値ＶRrefより遥かに小さくなっている。それゆえステップ２１８〜２２１の処理が繰り返される。そして、その結果として最終的に各映像レベルが各基準値ＶRrefと一致する。
【００９７】
映像レベルが基準値ＶRrefと一致すると、ＣＰＵ２６は、そのときの電子増倍ゲート電圧を新たな設定値として更新する（ステップ２２２）。図３の曲線９１６において、１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍ゲート電圧は２１．２Ｖなので、新たな設定値はその値となる。
【００９８】
次に、ＣＰＵ２６は、Ｂｃｈの映像レベル検出部２５が検出した映像レベルを示す信号を読み込む（ステップ２２３）。続いて、ＣＰＵ２６は、読み込んだ映像レベルと基準値ＶBrefを比較する（ステップ２２４）。
【００９９】
読み込んだ映像レベルが基準値ＶBrefよりも小さければ、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ増加させる（ステップ２２５）。１ステップは電圧の制御幅である。一方、読み込んだ映像レベルが基準値ＶBrefよりも大きければ、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を１ステップだけ減少させる（ステップ２２６）。
【０１００】
ここに示している例では、図３の曲線９１６のように、経時変化によって電子増倍ゲインが殆どゼロになっているので、読み込んだ映像レベルは基準値ＶBrefより遥かに小さくなっている。それゆえステップ２２３〜２２６の処理が繰り返される。そして、その結果として最終的に各映像レベルが各基準値ＶBrefと一致する。
【０１０１】
映像レベルが基準値ＶBrefと一致すると、ＣＰＵ２６は、そのときの電子増倍ゲート電圧を新たな設定値として更新する（ステップ２２７）。図３の曲線９１６において、１０２４倍（６０ｄＢ相当）の電子増倍ゲインを得ることのできる電子増倍ゲート電圧は２１．２Ｖなので、新たな設定値はその値となる。
【０１０２】
次に、ＣＰＵ２６は、電子増倍ゲート電圧を低下させて電子増倍機能を解除する（ステップ２２８）。それと同時に、ＣＰＵ２６は、ＮＤフィルタ挿抜機構２８にＮＤフィルタ１４を抜去させる（ステップ２２９）
最後に、ＣＰＵ２６は、ステップ２０６で停止した自動感度制御機能を再び起動し、カメラ１２を通常の動作に戻す（ステップ２３０）。
【０１０３】
以上のような校正動作によって、カメラ１２は図３の曲線９１６に基づいて動作するようになる。
【０１０４】
図３に示した経時変化後の曲線９１６は、経時変化前の曲線９１５を高電圧側へ平行にシフトしたものとなっている。一般に電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の経時変化はこのような性質を有している。それゆえ、経時変化後の曲線９１６を求めるために複数ポイントに対して図５に示した校正を行う必要は無い。経時変化前の曲線９１５を示す入出力対照表（ルックアップテーブル）あるいは近似式が予め分かっていれば、任意の１点に対する校正によって得られたシフト量だけ入出力対照表（ルックアップテーブル）あるいは近似式にオフセットを付加すればよい。
【０１０５】
以上説明したように、本実施形態によれば、３つの電子増倍型ＣＣＤ撮像素子を用いた３板式カラーカメラであっても、第１の実施形態と同様に、所望の電子増倍ゲインを得るための電子増倍ゲート電圧を容易に校正することができる。
【０１０６】
なお、本実施形態では、各電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８と映像信号処理部２２の間にゲイン制御アンプ１９〜２１をそれぞれ配置する構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、電子増倍型ＣＣＤ撮像素子１６〜１８のＣＣＤ電荷蓄積期間を調整することによって、ゲイン制御アンプ１９〜２１と同等の機能を実現してもよい。
【０１０７】
例えば、ゲイン制御アンプ１９〜２１のゲインを＋２４ｄＢとすることは、ＣＣＤ電荷蓄積期間を１６フレームに設定することと同等である。その場合、図５に示したフローチャートのステップ２０２およびステップ２１１において、ゲイン制御アンプ１９〜２１のゲインを設定する代わりにＣＣＤ電荷蓄積期間を制御すればよい。
【０１０８】
また、本実施形態では、レンズ１３の後段に挿抜可能なＮＤフィルタ１４を配置する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。他の例として、ＮＤフィルタ１４の挿抜と同等の機能をＣＣＤ電子シャッタ機能によって実現してもよい。例えば、１／６４のＮＤフィルタの減光比率は、ＣＣＤ電子シャッタ時間を１／４０００秒に設定したときとほぼ同等である。その場合、図５に示したフローチャートのステップ２１０およびステップ２２９において、ＮＤフィルタ挿抜機構２８からの制御によりＮＤフィルタ１４を挿抜する代わりに、ＣＤ電子シャッタ機能を働かせればよい。
【０１０９】
また、第１の実施形態では単板式白黒カメラを例示し、第２の実施形態では３板式カラーカメラを例示したが、本発明はこれらに限定されるものではない。他の例として、本発明は単板式カラーカメラやイメージ・インテンシファイアやアバランシェ増倍型撮像管を用いたカメラにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】第１の実施形態によるカメラの構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】第１の実施形態によるカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【図２Ｂ】第１の実施形態によるカメラ１の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１の実施形態によるカメラ１に用いられている電子増倍型ＣＣＤ撮像素子４の電子増倍ゲインを示すグラフである。
【図４】第２の実施形態によるカメラの構成を示すブロック図である。
【図５Ａ】第２の実施形態によるカメラ１２の動作を示すフローチャートである。
【図５Ｂ】第２の実施形態によるカメラ１２の動作を示すフローチャートである。
【図５Ｃ】第２の実施形態によるカメラ１２の動作を示すフローチャートである。
【図６】電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の一例を示す図である。
【図７】図６に示した電子増倍ＣＣＤレジスタ９０６の断面とポテンシャル分布を示す図である。
【図８】電子増倍型ＣＣＤ撮像素子の電子増倍ゲインの実測結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１１１】
１、１２    カメラ
２、１３    レンズ
３、１４    ニュートラルデンシティフィルタ（ＮＤフィルタ）
４、１６〜１８    電子増倍型ＣＣＤ撮像素子
５、１９〜２１    ゲイン制御アンプ
６、２２    映像信号処理回路
７、２３〜２５    映像レベル検出部
８、２６    中央処理装置（ＣＰＵ）
９、２７    アイリス制御回路
１０、２８    ＮＤフィルタ挿抜機構
１１、２９〜３１    電子増倍ゲート駆動回路
１５    プリズム
１０１〜１１８、２０１〜２３０    ステップ
９１５、９１６    曲線
【図１】
0004835836.tif 000002
【図２Ａ】
0004835836.tif 000003
【図２Ｂ】
0004835836.tif 000004
【図３】
0004835836.tif 000005
【図４】
0004835836.tif 000006
【図５Ａ】
0004835836.tif 000007
【図５Ｂ】
0004835836.tif 000008
【図５Ｃ】
0004835836.tif 000009
【図６】
0004835836.tif 000010
【図７】
0004835836.tif 000011
【図８】
0004835836.tif 000012