(57)【要約】【課題】  撮像素子を冷却する機能を備えた電子カメラにおける画像信号のＳＮ比を、消費電力の点から効率的に向上させる。【解決手段】  本発明の電子カメラは、撮像部と、電子カメラ内の温度を測定温度として検出する検出部と、測定温度が目標温度に近づくように電子カメラ内を冷却する冷却部と、条件決定部（または、第１及び第２演算部）とを備えている。本発明では、『露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件』と、電子カメラ内の温度とに基づいて、ＦＰＮ及びランダムノイズの大きさを予測する。そして、大きい方が低減するように、露光時間、及び目標温度を決定する。例えば、ＦＰＮがランダムノイズより大きい場合、目標温度を下げ、ランダムノイズがＦＰＮより大きい場合、露光時間を延長補正する。従って、画質向上にあまり寄与しない冷却は行われず、画像信号のＳＮ比を効率的に向上できる。【選択図】      図１
2005354258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体を撮像して、画像信号を生成する撮像部を備えた電子カメラであって、
電子カメラ内の温度を測定温度として検出する検出部と、
前記測定温度が目標温度に近づくように、電子カメラ内を冷却する冷却部と、
前記被写体の輝度情報を取得して、前記輝度情報に基づいて、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を決定し、前記露出条件及び前記測定温度に基づいて、前記画像信号における固定パターンノイズ及びランダムノイズの内大きい方が低減するように、前記露光時間及び前記目標温度を決定する条件決定部と
を備えていることを特徴とする電子カメラ。
【請求項２】
被写体を撮像して、画像信号を生成する撮像部を備えた電子カメラであって、
電子カメラ内の温度を測定温度として検出する検出部と、
前記測定温度が目標温度に近づくように、電子カメラ内を冷却する冷却部と、
前記被写体の輝度情報を取得して、前記輝度情報に基づいて、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を決定する第１演算部と、
前記画像信号における固定パターンノイズ及びランダムノイズの大きさを前記露出条件及び前記測定温度から予測して、前記固定パターンノイズが前記ランダムノイズより大きい場合、前記目標温度を下げ、前記ランダムノイズが前記固定パターンノイズより大きい場合、前記露光時間を延長する第２演算部と
を備えていることを特徴とする電子カメラ。
【請求項３】
対物レンズ及び結像レンズを有し、標本の像を形成する結像光学系と、
前記標本の像を被写体として撮像して、画像信号を生成する請求項１または請求項２に記載の電子カメラと
を備えていることを特徴とする顕微鏡。
【請求項４】
撮像素子を有し、前記撮像素子により被写体を撮像して、画像信号を生成する撮像部と、
前記撮像素子の温度が目標温度に近づくように、前記撮像素子を冷却する冷却部と、
前記被写体の輝度情報、及び前記撮像素子の温度情報を取得して、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を前記輝度情報に基づいて決定し、前記露出条件及び前記温度情報に基づいて、前記画像信号における固定パターンノイズ及びランダムノイズの内大きい方が低減するように、前記露光時間及び前記目標温度を決定する条件決定部と
を備えていることを特徴とする冷却制御機能付き撮像装置。
【請求項５】
撮像素子を有し、前記撮像素子により被写体を撮像して、画像信号を生成する撮像部と、
前記撮像素子の温度が目標温度に近づくように、前記撮像素子を冷却する冷却部と、
前記被写体の輝度情報、及び前記撮像素子の温度情報を取得して、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を前記輝度情報に基づいて決定し、前記画像信号における固定パターンノイズ及びランダムノイズの大きさを前記露出条件及び前記温度情報から予測し、前記固定パターンノイズが前記ランダムノイズより大きい場合、前記目標温度を下げ、前記ランダムノイズが前記固定パターンノイズより大きい場合、前記露光時間を延長する演算部と
を備えていることを特徴とする冷却制御機能付き撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子カメラ、顕微鏡、及び冷却制御機能付き撮像装置に関する。特に本発明は、冷却機能を備えた電子カメラにおいて、画像信号のＳＮ比を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子カメラには、例えばＣＣＤ型やＣＭＯＳ型の撮像素子が用いられている。撮像素子の各画素は、受光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードを有し、各画素から出力される画素信号は、信号成分だけではなく、受光量に依存しない暗電流成分も含む。この暗電流成分は、固定パターンノイズ（Fixed Patern Noise、以下、ＦＰＮと略記）を生じさせ、画像信号における信号成分とノイズ成分との比であるＳＮ比を低下させる。ＦＰＮは特に、被写体輝度に拘らずに特定の画素が輝点となることで表れる。これは白傷と呼ばれ、全体が暗い画像（例えば夜間撮影の画像）において顕著になる。
【０００３】
ところで、電子カメラは、画像処理を行うＬＳＩチップや電池などの発熱により、内部温度が上昇することがある。カメラ内の温度上昇は、撮像素子の温度上昇を招き、撮像素子自体も、使用時には発熱して温度が上昇する。撮像素子の温度が上昇すると、上述の暗電流成分が増大して、ＦＰＮが増大する。そこで、従来の電子カメラでは、撮像素子を冷却して暗電流成分の増加を抑制し、これによりＦＰＮを低減し、ＳＮ比の向上を図っている。
【０００４】
また、特許文献１では、撮像素子に対する冷却量の決定に際して、被写体輝度を判断基準に用いている。具体的には、撮像画像において低輝度部分が多い場合には冷却量を多くし、低輝度部分が少ない場合には冷却量を抑えている。これにより、低輝度部分の多い画像ではＳＮ比を向上させることを試み、低輝度部分の少ない画像では不必要な冷却を避けることを試みている。
【特許文献１】特開２００３−３４８４２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
画像信号のノイズ成分は、温度に依存するＦＰＮだけではなく、ＦＰＮと比較して温度にはあまり依存しないランダムノイズも含む。ランダムノイズの主要因は、撮像素子内部の電荷電圧変換回路における読み出しノイズである。特許文献１等の従来技術では、撮像素子の冷却に際してＦＰＮしか考慮されていないので、ノイズ成分においてランダムノイズが支配的な場合に、冷却量が多くされることがある。その場合、冷却量を多くしても、ランダムノイズが十分に低減することはなく、画像信号のＳＮ比はあまり向上しないと考えられる。このようにＳＮ比の向上にあまり寄与しない冷却は、消費電力の点から、効率的とは言えない。
【０００６】
本発明の目的は、撮像素子を冷却する機能を備えた電子カメラ、及び冷却制御機能付き撮像装置における画像信号のＳＮ比を、消費電力の点から効率的に向上させることである。
本発明の別の目的は、上記のようにＳＮ比が効率的に向上された電子カメラを、標本画像の表示用に有する顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、被写体を撮像して、画像信号を生成する撮像部を備えた電子カメラである。本請求項の電子カメラは、検出部と、冷却部と、条件決定部とを備えていることを特徴とする。検出部は、電子カメラ内の温度を測定温度として検出する。冷却部は、測定温度が目標温度に近づくように、電子カメラ内を冷却する。条件決定部は、被写体の輝度情報を取得して、輝度情報に基づいて、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を決定する。さらに条件決定部は、露出条件及び測定温度に基づいて、画像信号におけるＦＰＮ及びランダムノイズの内大きい方が低減するように、露光時間及び目標温度を決定する。なお、電子カメラ内の温度としては、例えば撮像部の温度や撮像素子の温度を測定すればよく、冷却部は例えば撮像部や撮像素子を冷却する。
【０００８】
請求項２の発明は、被写体を撮像して、画像信号を生成する撮像部を備えた電子カメラである。本請求項の電子カメラは、検出部と、冷却部と、第１演算部と、第２演算部とを備えていることを特徴とする。検出部は、電子カメラ内の温度を測定温度として検出する。冷却部は、測定温度が目標温度に近づくように、電子カメラ内を冷却する。第１演算部は、被写体の輝度情報を取得して、輝度情報に基づいて、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を決定する。第２演算部は、画像信号におけるＦＰＮ及びランダムノイズの大きさを露出条件及び前記測定温度から予測して、ＦＰＮがランダムノイズより大きい場合、目標温度を下げ、ランダムノイズがＦＰＮより大きい場合、露光時間を延長する。
【０００９】
請求項３の顕微鏡は、結像光学系と、電子カメラとを備えている。結像光学系は、対物レンズ及び結像レンズを有し、標本の像を形成する。電子カメラは、標本の像を被写体として撮像して、画像信号を生成する請求項１または請求項２に記載のものである。
請求項４の冷却制御機能付き撮像装置は、撮像部と、冷却部と、条件決定部とを備えていることを特徴とする。撮像部は、撮像素子を有し、撮像素子により被写体を撮像して、画像信号を生成する。冷却部は、撮像素子の温度が目標温度に近づくように、撮像素子を冷却する。条件決定部は、被写体の輝度情報、及び撮像素子の温度情報を取得して、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を輝度情報に基づいて決定する。さらに、条件決定部は、露出条件及び温度情報に基づいて、画像信号における固定パターンノイズ及びランダムノイズの内大きい方が低減するように、露光時間及び目標温度を決定する。
【００１０】
なお、冷却部は、撮像部を冷却することで間接的に撮像素子を冷却してもよいし、撮像素子を直接冷却してもよい（請求項５も同様）。また、撮像素子の温度情報は、撮像素子自体の温度であってもよいし、撮像素子近傍の温度でもよい（請求項５も同様）。撮像素子自体の温度、または撮像素子近傍の温度を検出して、温度情報として条件決定部に伝達する検出部を設けてもよい。
【００１１】
請求項５の冷却制御機能付き撮像装置は、撮像部と、冷却部と、演算部とを備えていることを特徴とする。撮像部は、撮像素子を有し、撮像素子により被写体を撮像して、画像信号を生成する。冷却部は、撮像素子の温度が目標温度に近づくように、撮像素子を冷却する。演算部は、被写体の輝度情報、及び撮像素子の温度情報を取得して、露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件を輝度情報に基づいて決定する。また、演算部は、画像信号における固定パターンノイズ及びランダムノイズの大きさを露出条件及び温度情報から予測し、固定パターンノイズがランダムノイズより大きい場合、目標温度を下げ、ランダムノイズが固定パターンノイズより大きい場合、露光時間を延長する。
【００１２】
なお、本請求項での演算部は、請求項２の第１演算部と第２演算部とを合わせた機能に相当する。撮像素子自体の温度、または撮像素子近傍の温度を検出して、温度情報として演算部に伝達する検出部を設けてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、『露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件』と、電子カメラ内の温度とに基づいて、ＦＰＮ及びランダムノイズの大きさを予測する。そして、大きい方が低減するように、露光時間、及び冷却の指標となる目標温度を決定する。例えば、ＦＰＮがランダムノイズより大きい場合、目標温度を下げ、ランダムノイズがＦＰＮより大きい場合、露光時間を延長補正する。従って、画質向上にあまり寄与しない冷却は行われず、画像信号のＳＮ比を効率的に向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ノイズ成分において、ＦＰＮが支配的である場合には撮像素子を冷却し、ランダムノイズが支配的である場合には露光時間を延長すれば効率的にＳＮ比を向上できることを、本発明者は解明した。以下、実施の形態の説明に先立って、この結論に至る原理説明を、ＦＰＮの要因、ランダムノイズの要因、冷却等の処理がＳＮ比に与える影響、の順に説明する。
【００１５】
＜本発明の原理説明＞
ＦＰＮの要因である暗電流成分は、入射光がない状態でも画素信号に重畳される成分である。そこで、通常の撮像素子は、相関二重サンプリング処理により暗電流成分を除去するため、有効画素とは別に、オプティカルブラックと呼ばれる遮光された画素（以下、ＯＢ画素と略記）を有している。
【００１６】
即ち、ＯＢ画素の画素信号は暗電流成分に相応するので、各有効画素の画素信号の信号レベルは、ＯＢ画素の画素信号の信号レベルが差し引かれたレベルにされる。通常、各有効画素毎に暗電流特性にばらつきがあるが、この減算によって除去されるものは、複数のＯＢ画素から得られる平均的な暗電流成分である。このため、暗電流成分は、完全には除去できない。従って、画像全体が暗いとき、暗電流成分が大きい有効画素は、輝点として表れてしまう。
【００１７】
図１は、電子カメラの温度をパラメータとして、画素信号における信号成分、ＦＰＮ、ランダムノイズの大きさの露光時間依存性を測定した結果を示すグラフである。信号成分は実線で、ＦＰＮは点線で、ランダムノイズは一点鎖線で示した。ここでは、温度が５０℃、３０℃、１０℃、−１０℃の４つの場合について測定したが、ランダムノイズは、温度を変えても測定値はほとんど変わらなかったので、図では１つの線のみ記載した。また、信号成分は画素により異なるので、図では一例を示す１つの線のみ記載した。図１では、信号成分、ＦＰＮ、ランダムノイズの信号レベルは、画素の蓄積電荷量が飽和量に達したときの信号成分を基準に正規化している。
【００１８】
図２は、露光時間をパラメータとして、画素信号における信号成分、ＦＰＮ、ランダムノイズの大きさの温度依存性を測定した結果を示すグラフである。信号成分は実線で、ＦＰＮは点線で、ランダムノイズは一点鎖線で示した。なお、露光時間が０．３３秒、４秒、６０秒、６００秒の４つの場合について測定したが、ランダムノイズは露光時間を変えても測定値は変わらなかったので、図では１つの線のみ記載した。図２においても、図１と同様に信号成分は１つのみを記載し、飽和量に達したときの信号成分を基準に正規化している。
【００１９】
図１、２から分かるように、ＦＰＮは、露光時間に比例して増大し、且つ、温度が７〜１０℃上昇すると約２倍に増加する。なお、図１、２では、カメラの筐体の温度を測定したが、撮像素子の温度と、筐体の温度との差は、−１０℃〜５０℃の温度範囲で大きく変わることはないと考えられる。従って、撮像素子等の各部の温度と、筐体の温度との間にほぼ一定の温度差があるだけと考えることができるので、露光時間依存性、温度依存性の考察に影響はないと言える。
【００２０】
一方、ランダムノイズの主要因は、撮像素子の信号電荷を電圧に変換するアンプを構成するトランジスタのチャネル抵抗によって生じる熱ノイズＶｎ（ボルト）である。この熱ノイズＶｎの二乗は、一般に次式で表される。
Ｖｎ2＝a×ｋ×Ｔ×Ｂ／ｇｍ・・・（１）
上式において、ａは比例定数（無名数）、ｋはボルツマン定数（ジュール／ケルビン）、Ｔは絶対温度（ケルビン）、Ｂは帯域幅（ヘルツ）、ｇｍはトランジスタの相互コンダクタンス（アンペア／ボルト）である。
【００２１】
このようにランダムノイズは、撮像素子内部の電荷電圧変換回路における読み出しノイズであるので、カメラ内温度や露光時間などの全ての条件を同じにして撮影しても、画素の位置に関係なく不規則に表れる。また、ランダムノイズは、撮像素子の後段の信号処理回路における回路利得に比例する。この回路利得は、撮像感度（撮像素子のＩＳＯ値）に相当する。
【００２２】
（１）式から分かるように、ランダムノイズは、絶対温度の平方根に比例する。従って、通常の使用状態におけるカメラ内の温度範囲（３００Ｋ近辺）では、カメラ内温度が１０℃上昇すると、ランダムノイズは約２％増加する。これは図２からも分かるが、ＦＰＮと比較すれば、ランダムノイズは、温度にはあまり依存しないと言える。また、図１から分かるように、ランダムノイズは、露光時間にも依存しない。
【００２３】
従って、撮像時のカメラ内温度や露光時間によって、画像信号のノイズ成分における支配的な要素は、異なる。図１から分かるように、カメラ内温度が同じであれば、露光時間を長くするとランダムノイズよりもＦＰＮが支配的になり、露光時間を短くするとランダムノイズが支配的になる。また、露光時間が固定であれば、カメラ内温度が高くなるとランダムノイズよりもＦＰＮが支配的になり、カメラ内温度が低くなるとランダムノイズが支配的になる。
【００２４】
図３は、以上の理論に基づいて、ＦＰＮ、ランダムノイズ、信号成分が冷却等の処理によってどう変わるかを整理した表である。図において、信号成分は冷却しても『実質的に変化なし』とあるが、実際には若干変化する。これは、撮像素子の各画素が形成された半導体基板中における光電変換の量子効率（例えば、単位照射量に対する生成電荷量で定義できる）が温度に応じて変わるためである。しかし、この変化量は、ノイズの変化量に比べて十分無視できる大きさである。
【００２５】
信号成分は、露光時間、及び回路利得に比例して高くなる。しかしＦＰＮも露光時間、及び回路利得に比例して高くなるので、これら２つの条件が変わっても、信号成分とＦＰＮとのＳＮ比は変わらない。同様の理由で、回路利得を変えても、信号成分とランダムノイズとのＳＮ比は変化しない。また、露光時間を延長すると、ランダムノイズの大きさは変わらないが信号成分が大きくなるので、信号成分とランダムノイズとのＳＮ比は向上する。
【００２６】
ここで、撮影条件は通常、画像信号の平均的輝度（全画素信号の平均的信号レベル）が適正範囲内（通常は黒と白の中間調）になるように決定される。従って、被写体輝度が決まっている場合、画像信号の平均的輝度が適正範囲内になるように、『露光時間と回路利得との積』を調整する必要がある。即ち、何らかの条件を変えてＳＮ比の向上を図る場合、まず、画像信号の平均的輝度が適正範囲内となるように『露光時間と回路利得との積』を決定した上で、この積が変わらないように条件を変えることが望ましい。
【００２７】
従って、ノイズ成分においてＦＰＮが支配的な条件では、画像信号のＳＮ比を向上させるためには、撮像素子を冷却することが効果的である。なぜなら、これによりＦＰＮは低減し、冷却による温度変化は、『露光時間と回路利得との積』を変えないからである。ここで、冷却に必要となる電力を考慮すると、冷却量の上限は、ＦＰＮがランダムノイズと同等の大きさに低減するまででよいと考えられる。なぜなら、それ以上冷却しても、ランダムノイズは小さくならず、ＳＮ比は大きく向上しないので、消費電力の点から非効率的であるからである。
【００２８】
一方、ノイズ成分においてランダムノイズが支配的な条件では、画像信号のＳＮ比を向上させるためには、回路利得を低くしてランダムノイズを小さくすることと、露光時間を延長して信号成分を大きくすることが効果的である。この条件の変更に際しては、『露光時間と回路利得との積』が変わらないようにすることが望ましい。
このように本発明は、温度等の条件に基づいてノイズ成分において支配的な要素を判断した上で、その要素を直接、或いは、信号成分に対して相対的に小さくすることでＳＮ比を効率的に向上させるという、本発明者の新たな知見に基づく。以下、この知見に基づいた実施の形態を説明する。なお、各図において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
＜第１の実施形態＞
図４は、本発明の第１の実施形態における電子カメラの概略構成図である。本実施形態は、請求項１に対応する。図に示すように、電子カメラ８は、撮影レンズ１２と、シャッタ１６と、タイミング発生器２０と、撮像素子２４と、利得制御部２８と、Ａ／Ｄ変換部３０と、温度センサ３２と、冷却部３４と、温度制御部３６と、測光部４０と、ＭＰＵ４４と、操作部４８と、システムバス５２と、画像処理部５６と、画像メモリ６０と、メモリカード６４と、カードインターフェース６８と、モニタ制御部７２と、液晶モニタ７６とを有している。
【００３０】
撮像素子２４は、多数の画素を２次元マトリクス状に半導体基板に形成することで構成されている。
利得制御部２８及びＡ／Ｄ変換部３０は、撮像素子２４からの画素出力に、クランプ処理、感度補正処理（前述の回路利得の変更による撮像感度の調整）、Ａ／Ｄ変換などを施し、画像データを生成する。
【００３１】
冷却部３４は、冷却素子として、例えばペルチエ素子を有している。
温度センサ３２は、撮像素子２４の温度を測定温度として常時検出して、温度制御部３６に伝達する。温度センサ３２、及びペルチエ素子は、撮像素子２４の半導体基板の裏面（画素が形成されている面とは反対側の面）に密着して配置される。
温度制御部３６には、冷却の指標となる目標温度がＭＰＵ４４から伝達される。温度制御部３６は、測定温度が目標温度に近づくように、冷却部３４を制御して撮像素子２４を冷却する。また、温度制御部３６は、温度センサ３２が検出した測定温度をＭＰＵ４４に伝達する。
【００３２】
ＭＰＵ４４は、電子カメラ８のシステム制御を行う。なお、ＭＰＵ４４や温度制御部３６の構成は、マイクロプロセッサによるソフトウェア処理でも、論理回路の組み重ね（ＡＳＩＣ、ゲートアレイ等のプログラマブルなＩＣ）による演算処理でもよい。
操作部４８は、電源釦、レリーズ釦、撮影モード選択釦、撮影条件入力用釦などを含む操作用釦群を有している（図示せず）。
【００３３】
本実施形態の電子カメラ８は、目標温度及び撮影条件を決定する際のＭＰＵ４４の機能（詳細は後述）を主な特徴とする。特に説明しない部分の機能は、従来の電子カメラとほぼ同様である。
図５は、本実施形態の電子カメラ８の動作を示す流れ図である。以下、図に示すステップ番号に従って、電子カメラ８の動作を説明する。
【００３４】
［ステップＳ１］ＭＰＵ４４は、利得制御部２８の回路利得（撮像感度に相当）を最小に設定する。具体的には、ランダムノイズの信号レベルが量子化誤差より小さくなるように、回路利得を決定する。
［ステップＳ２］測光部４０は、不図示の測光センサにより被写体輝度を測光し、これをＭＰＵ４４に伝達する。ＭＰＵ４４は、被写体輝度、撮影レンズ１２の絞り値等に基づいて、画像信号の平均的輝度が適正値になるように『露光時間と回路利得との積』を決定する。
【００３５】
［ステップＳ３］温度センサ３２は、撮像素子２４の温度を測定温度として常時検出し、温度制御部３６に入力している。温度制御部３６は、最新の測定温度をＭＰＵ４４に伝達する。同時に、ＭＰＵ４４は、『露光時間と回路利得との積』を、ステップＳ１で決定した回路利得で割り、露光時間を決定する。
［ステップＳ４］ＭＰＵ４４は、露光時間と、測定温度とを入力すると、目標温度を出力するテーブルデータを記憶している。ＭＰＵ４４は、このテーブルデータと、ステップＳ３で決定した露光時間と、最新の測定温度とを参照して、目標温度を決定する。以下、テーブルデータによる撮影条件の決定方法について説明する。
【００３６】
露光時間と、測定温度とにより、ランダムノイズの大きさと、ＦＰＮの大きさとが予測できる。
ＦＰＮが支配的である場合、ＦＰＮがランダムノイズと同等になる温度を目標温度として求め、その温度に下がるまで冷却すればよい。
ランダムノイズが支配的である場合、さらに冷却しても、ランダムノイズは小さくならず、ＳＮ比は変わらない。そこで、この場合は、さらなる冷却を行わず、ステップＳ３での測定温度が維持されるように冷却部３４を制御する。従って、ステップＳ３の時点における測定温度を目標温度とする。
【００３７】
なお、露光時間を延長補正すれば、信号成分とランダムノイズとのＳＮ比を向上できるが、ステップＳ１で回路利得は最小に設定されているので、『露光時間と回路利得との積』を変えずに、露光時間を延長補正することはできない。ここで、『露光時間と回路利得との積』を変えると、画像信号の平均的輝度が適正範囲から外れるおそれがある。テーブルデータは、このような理論に基づいて、実験やシミュレーションにより予め作成し、ＭＰＵ４４に記憶させておけばよい。
【００３８】
［ステップＳ５］ステップＳ４で決定した目標温度と、測定温度とに差があれば、ＭＰＵ４４は、測定温度が目標温度に下がるまで待機する。測定温度が目標温度まで下がっていれば、ＭＰＵ４４は、ステップＳ３で決定した露光時間で撮影するように、各部を制御する。これにより撮像素子２４は露光されて、公知の撮影動作により生成された画像データがＡ／Ｄ変換部３０から出力される。画像処理部５６は、この画像データに、ホワイトバランス調整、ガンマ補正、色補間、色変換、色補正、輪郭強調、圧縮等の処理を施す。この後、画像データは、カードインターフェース６８を介してメモリカード６４に記録される。以上が本実施形態の動作説明である。
【００３９】
このように第１の実施形態では、まず、回路利得を最小に設定して、ランダムノイズを小さくする。次に、被写体輝度に基づいて『露光時間と回路利得との積』を決定し、これと回路利得とを用いて露光時間を決定する。そして、この露光時間と、測定温度と、テーブルデータとを参照して、目標温度を決定する。
ＦＰＮが支配的である場合、ＦＰＮがランダムノイズと同等になる温度を目標温度とする。この目標温度に下がるまで冷却する過程では、ＦＰＮの大きさはランダムノイズ以上であり、冷却によりＦＰＮは小さくなるので、ＳＮ比は確実に向上する。また、目標温度に下がった時点で、ＦＰＮとランダムノイズとが同等になるので、それ以上の冷却によるＦＰＮの低減は、ＳＮ比の向上にはあまり寄与しない。
【００４０】
従って、冷却によるＳＮ比の向上の見込みが大きい温度範囲においてのみ、冷却を行うので、消費電力の点から極めて効率的である。また、回路利得、即ち、ランダムノイズが最小に設定されているので、このように両者を同等にすることは、ランダムノイズとＦＰＮとの合成である総合ノイズを最小にすることとほぼ等価である。即ち、実質的に最良のＳＮ比を必要最低限の冷却量で得ることができる。従って、冷却過多による結露のおそれは全くない。
【００４１】
反対に、ランダムノイズが支配的である場合、さらに冷却してもＳＮ比はあまり変わらないので、その時点での測定温度を目標温度とする。この結果、ＳＮ比の向上に寄与しない冷却が行われて、不必要に電力が消費されることはない。
また、以上から明らかなように本実施形態では、被写体輝度に基づいて決定した『露光時間と回路利得との積』は変えないので、画像信号の平均的輝度は常に適正範囲内に維持される。
【００４２】
＜第１の実施形態の補足事項＞
［１］ランダムノイズが支配的である場合、露光時間を延長しない例を述べたが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。画像信号の平均的輝度が適正範囲から大きく外れない範囲内において、回路利得はステップＳ１で設定した最小値に維持しておき、ステップＳ３で決定した露光時間を延長してもよい。これにより、信号成分とランダムノイズとのＳＮ比を向上でき、画質を向上できる。この場合、第１の実施形態は、請求項２にも対応する。
【００４３】
［２］上記補足事項［１］においては、被写体深度が変わっても支障がなく、且つ、絞りを開放側にずらす余裕があれば、露光時間を延長する代わりに、絞りを開放側にずらしてもよい。この場合、透過光量が大きくなるので、信号成分が大きくなり、露光時間の延長と同等の効果がある。或いは、この後述べる顕微鏡画像取得時のように光源の光量を可変できる場合、露光時間を延長する代わりに、光量を増加してもよい（後述する他の実施形態でも同様）。
【００４４】
［３］第１の実施形態の電子カメラ８は、顕微鏡における標本画像の作成にも適用可能であり、図６は、そのようにした顕微鏡システムの概略構成図を示している（請求項３に対応）。図に示すように、顕微鏡システム１００は、顕微鏡本体１０２と、電子カメラ１０４と、モニタ１０６と、コンピュータ１０８と、記録媒体１１０とを有している。
顕微鏡本体１０２は、結像レンズ１２２と、ミラー１２４と、落射照明部１２８と、対物レンズ１３２と、ステージ１３６と、透過照明部１３８とを有している。
【００４５】
電子カメラ１０４は、タイミング発生器２０と、撮像素子２４と、利得制御部２８と、Ａ／Ｄ変換部３０と、温度センサ３２と、冷却部３４と、温度制御部３６と、測光部４０と、ＭＰＵ４４と、システムバス５２と、メモリ１５０と、通信部１５２とを有している。ＭＰＵ４４は、上述と同様にして目標温度や撮影条件を決定する。
以下、この形態と、上述した電子カメラ８の形態との主な違いを説明する。この形態では、対物レンズ１３２及び結像レンズ１２２により、撮像素子２４上に標本１７０の像が結像され、この標本像に対して、撮影が行われる。また、メカニカルシャッタは用いられず、電子シャッタ動作（電気的に撮像素子の電荷蓄積開始と、電荷排出とを制御）により撮像素子２４は露光される。さらに、電子カメラ１０４は、画像処理を行わずに、Ａ／Ｄ変換直後の画像データ（色補間等の画像処理が施されていないもの）を、通信部１５２を介してコンピュータ１０８に入力する。通信部１５２は、例えばＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling、低電圧差動信号）によるデータ伝送を行う。
【００４６】
コンピュータ１０８は、Ａ／Ｄ変換直後の画像データに公知の画像処理を施して、これを画像としてモニタ１０６に表示させる。また、コンピュータ１０８は、画像処理後の画像データを記録媒体１１０に記録する。なお、顕微鏡システム１００は、ＭＰＵ４４による目標温度や撮影条件の決定方法を主な特徴とし、ここで説明しなかった部分の機能は従来の顕微鏡システムと同様である。
【００４７】
［４］テーブルデータにより目標温度を決定する例を述べたが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。目標温度は、換算式によっても算出可能である（後述する他の実施形態でも同様）。
［５］撮像素子２４の温度を測定温度として検出する例を述べたが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではない。電子カメラ８のカメラボディ（筐体）の温度や、ＭＰＵ４４等が搭載されるシステムＬＳＩチップの温度を測定して、測定温度として用いてもよい（後述する他の実施形態でも同様）。その場合、目標温度や撮影条件の決定を行うテーブルデータは、測定温度と撮像素子２４の温度との差を考慮して作成しておくことが望ましい。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の電子カメラは、目標温度や撮影条件を決定するＭＰＵ４４の演算機能のみが第１の実施形態と異なるので、構成図を省略する。第２の実施形態は、請求項１に対応する。なお、第２の実施形態の電子カメラも、図６と同様に顕微鏡システムに適用可能であり、その場合は請求項３にも対応する。
【００４９】
図７は、第２の実施形態の電子カメラの動作を示す流れ図である。以下、図に示すステップ番号に従って、第２の実施形態の電子カメラの動作を説明する。
［ステップＳ１１］本実施形態は、動いている被写体の撮影を対象としているので、ＭＰＵ４４は、露光時間を最短に設定する。なお、本実施形態の用途は、動いている被写体に限定されるものではない。また、絞り開放の方がＳＮ比はよく、絞りは、例えば開放で設定されている。
【００５０】
［ステップＳ１２］前述のステップＳ２と同様に、被写体輝度が測光され、『露光時間と回路利得との積』が決定される。
［ステップＳ１３］前述のステップＳ３と同様に、検出された測定温度がＭＰＵ４４に伝達される。同時に、ＭＰＵ４４は、『露光時間と回路利得との積』を、ステップＳ１１で決定した露光時間で割り、回路利得を決定する。
【００５１】
［ステップＳ１４］ＭＰＵ４４は、第１の実施形態と同じテーブルデータと、露光時間と、測定温度とを参照して、目標温度を決定する。この後のステップＳ１５は前述のステップＳ５と同様である。
以上が本実施形態の動作説明であり、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に『露光時間と回路利得との積』を決定する。第１の実施形態では、回路利得を最小にした上で、この積が変わらないように露光時間を決定したが、第２の実施形態では、反対に露光時間を最小にした上で、この積が変わらないように回路利得を決定する。第１及び第２の実施形態の違いはこの点である。
【００５２】
露光時間を最短にした第２の実施形態では、ＦＰＮが小さくなるので、第１の実施形態よりも、ランダムノイズが支配的になる確率が大きくなる。従って、目標温度が測定温度より低くされて、さらに冷却されることは、第１の実施形態よりも少なくなる。
顕微鏡観察においては、蛍光照明を長時間行うと細胞が損傷することがあり、短時間露光で、できる限り高解像度にすることが望まれていた。第２の実施形態の電子カメラは、露光時間を最短に設定するので、顕微鏡システムに適用すれば極めて顕著な効果が得られる。
【００５３】
＜本発明の補足事項＞
本発明は、冷却制御機能を有する撮像装置であれば、電子カメラ以外にも適用可能である。例えば、図１の電子カメラ８における、タイミング発生器２０、撮像素子２４、利得制御部２８、Ａ／Ｄ変換部３０、冷却部３４、温度制御部３６、ＭＰＵ４４のみを他の産業用装置に組み込む場合である。その場合も、被写体の輝度情報や撮像素子の温度情報を取得して、撮像素子をどの程度冷却するか（撮像素子に対する目標温度）を上述と同様の概念に基づいて決定すればよい。この場合、請求項４、請求項５に対応し、上述と同様の効果が得られる。
【００５４】
なお、以上の実施形態では冷却を行う形態を述べたが、本発明の概念は、以下のように冷却を行わない形態にも適用可能である。図８は、その場合の電子カメラの動作の流れ図を示している。
［ステップＳ２１］ステップＳ２と同様に、被写体輝度が測光され、『露光時間と回路利得との積』が決定される。
【００５５】
［ステップＳ２２］ステップＳ３と同様に、検出された測定温度がＭＰＵ４４に伝達される。ＭＰＵ４４は、『露光時間と回路利得との積』と、測定温度とを入力すると、露光時間と回路利得との組み合わせ（両方の値）を出力するテーブルデータを記憶している。ＭＰＵ４４は、『露光時間と回路利得との積』と、測定温度と、このテーブルデータとを参照して、露光時間、回路利得をそれぞれ決定する。
【００５６】
このテーブルデータは、ランダムノイズとＦＰＮとが同等の大きさになる、または、ランダムノイズがＦＰＮより若干小さくなる、露光時間と回路利得との組み合わせを出力する。このテーブルデータも、実験やシミュレーション等により予め作成して、ＭＰＵ４４に記憶させておけばよい。
なお、『露光時間と回路利得との積』が変わらないように露光時間を長くして回路利得を下げると、信号成分とＦＰＮとのＳＮ比は変わらないが、信号成分とランダムノイズとのＳＮ比は向上する。この理論に基づけば、両者のＳＮ比が同等になる、または、ランダムノイズがＦＰＮより若干小さくなる、露光時間と回路利得との組み合わせは、換算式によっても決定可能である。
【００５７】
［ステップＳ２３］ステップＳ２２で決定した露光時間、回路利得（撮像感度）で撮影が行われる。この形態では、ランダムノイズとＦＰＮとが同等の大きさにされるので、一方が支配的になって、両者の合成である総合ノイズが大きく増大することはない。従って、冷却を行わない低消費電力状態で、実質的に最もノイズの少ない画像信号が得られる。
＜請求項との対応関係＞
最後に、請求項と実施形態との対応関係を説明する。なお、以下に示す対応関係は、参考のために示した一解釈であり、本発明を限定するものではない。
【００５８】
請求項記載の撮像部は、タイミング発生器２０、撮像素子２４、利得制御部２８、Ａ／Ｄ変換部３０と、これらに画像データを生成させるＭＰＵ４４の機能とに対応する。
請求項記載の『露光時間と撮像感度との積に相応する露出条件』は、『露光時間と回路利得との積』に対応する。
請求項記載の条件決定部は、『被写体輝度を取得して、これに基づいて露光時間と回路利得との積を決定した上で、露光時間、回路利得のそれぞれの値を決定し、この積と測定温度とテーブルデータとに基づいて、目標温度を決定するＭＰＵ４４の機能』に対応する（ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ１３、Ｓ１４参照）。
【００５９】
請求項記載の第１演算部は、『測光部４０が検出した被写体輝度を取得して、画像信号の平均的輝度が適正値になるように、露光時間と回路利得との積を決定するＭＰＵ４４の機能』に対応する。
請求項記載の第２演算部は、『露光時間と回路利得との積、測定温度、及びテーブルデータを用いて、ＦＰＮが支配的である場合、ＦＰＮがランダムノイズと同等になる温度を目標温度とし、ランダムノイズ支配的である場合、さらなる冷却を行わずに露光時間を延長するＭＰＵ４４の機能』に対応する（ステップＳ３、Ｓ４、Ｓ１３、Ｓ１４、第１の実施形態の補足事項［２］参照）。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上詳述したように本発明は、電子カメラ及び顕微鏡の分野において大いに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】撮像素子の温度をパラメータとして、画素信号における信号成分、ＦＰＮ、ランダムノイズの大きさの露光時間依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図２】露光時間をパラメータとして、画素信号における信号成分、ＦＰＮ、ランダムノイズの大きさの温度依存性を測定した結果を示すグラフである。
【図３】ＦＰＮ、ランダムノイズ、信号成分が冷却等の処理によってどう変わるかを整理した表である。
【図４】本発明の第１の実施形態における電子カメラのブロック図である。
【図５】第１の実施形態の電子カメラの動作を示す流れ図である。
【図６】本発明の電子カメラを顕微鏡における標本画像の作成に適用した例を示す概略構成図である。
【図７】第２の実施形態の電子カメラの動作を示す流れ図である。
【図８】本発明の変形例の動作を示す流れ図である。
【符号の説明】
【００６２】
８  電子カメラ
１２  撮影レンズ
１６  シャッタ
２０  タイミング発生器
２４  撮像素子
２８  利得制御部
３０  Ａ／Ｄ変換部
３２  温度センサ
３４  冷却部
３６  温度制御部
４０  測光部
４４  ＭＰＵ
４８  操作部
５２  システムバス
５６  画像処理部
６０  画像メモリ
６４  メモリカード
６８  カードインターフェース
７２  モニタ制御部
７６  液晶モニタ
１００  顕微鏡システム
１０２  顕微鏡本体
１０４  電子カメラ
１０６  モニタ
１０８  コンピュータ
１１０  記録媒体
１２２  結像レンズ
１２４  ミラー
１２８  落射照明部
１３２  対物レンズ
１３６  ステージ
１３８  透過照明部
１５０  メモリ
１５２  通信部
１７０  標本
【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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