(57)【要約】【課題】  背面照射型撮像素子を有する高速撮影装置において、電荷信号変換部の厚さを変えずにノイズを低減させることを解決課題とする。【解決手段】  背面照射型の撮像素子を有する撮影装置であって、撮影中に前記画像信号記録部に記録された画像信号強度を順次記録する画像強度記録手段と、撮影終了後に、該画像強度記録手段により記録された画像信号強度から、撮影が開始した時刻から撮影が終了するまでの間に、光、及び他の荷電粒子が前記画像信号記録部に入射することにより発生した電荷信号の和を減算して各画像信号を補正する補正手段を備える高速撮影装置を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
夫々の入射光の強度に応じた電荷信号を発生する電荷信号変換部と、
各電荷信号変換部に対応して設けられ、電荷信号である画像信号を記録する画像信号記録部を備えた背面照射型の撮像素子を有する撮影装置であって、
撮影終了後に、前記画像信号記録部に記録された画像信号の画像信号強度に基づいて、撮影が開始した時刻から撮影が終了するまでの間に、光、及び他の荷電粒子が前記画像信号記録部に入射することにより発生した電荷信号の和を算出し、算出結果に基づいて各画像信号を補正する補正手段を備えることを特徴とする撮影装置。
【請求項２】
撮影終了後に照明を停止するための信号を発生する停止信号発生手段と、
該停止信号発生手段が信号を発生してから照明が停止するまでの間に放射された照明光、及び照明のための荷電粒子ビームが前記電荷信号変換部に入射することにより発生した電荷信号を記録する照明強度記録手段を有し、
前記補正手段が、該照明強度記録手段により記録された電気信号強度に基づいて、該停止信号発生手段が信号を発生してから照明が停止するまでの間に、放射された照明光、及び照明のための荷電粒子ビームが前記画像信号記録部に入射することにより発生した電荷信号の和を算出し、算出結果に基づいて照明により生じた電荷信号についても補正することを特徴とする請求項１記載の撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速撮影装置に関し、より詳しくは、ノイズの少ない画像を得ることができる高速撮影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速撮影に用いられる高速撮影装置の撮像素子は、光の照射方向により、前面照射型と背面照射型に大別することができる。前面照射型撮像素子は、撮像素子駆動構造のある面（前面）から光を入射させ、素子内部の電荷信号変換部において光から電荷への変換を行う。前面照射型撮像素子の場合は、入射する光が撮像素子駆動構造を透過する過程で削減され、電荷信号変換部に至ることになり、入射する光の一部しか光電変換されない。特に紫外光はほとんど電化信号変換部に到達することができない。
これに対し、背面照射型撮像素子では、撮像素子駆動構造のない面（背面）を物理的に削り、電荷信号変換部へ直接光を入射させることができる。このため、撮像素子に入射する光を効率よく電荷信号に変換することができる。これにより、広い波長域にわたり高い量子効率（光電変換効率）を実現することができ、近年多くの場面で使用されている。
【０００３】
一方、高速撮影用撮像素子には、複数の読み出し線から一斉に電荷信号を読み出すようにした並列読み出し型がある。しかし、撮影速度のさらなる高速化を図るためには、画素周辺型撮像素子が適している。この画素周辺型撮像素子では撮影中に電荷信号を素子外に読み出すことなく、各画素の周辺に設けた複数の画像信号記録部に連続的に記録していく。本発明者は、比較的面積の大きい個々のフォトダイオードから斜めに直線的に延びる電荷結合素子からなる画像信号記録部を備える画素周辺記録型の撮像素子（斜行ＣＣＤ型撮像素子）を先に提案している（下記特許文献１及び２参照）。
【０００４】
図６は、この斜行ＣＣＤ型撮像素子の原理を示している。この図６において、５１はフォトダイオード、５２はそれぞれ複数のエレメントを備える画像信号記録部、５３はドレーンゲートを示している。各フォトダイオード５１で発生した電荷信号は発生した順序（撮影順序）に従って、図６において１ｂ〜５ｂの番号を付して示すように、対応する画像信号記録部５２のエレメントに記録される。
【０００５】
しかしながら、画素周辺型撮像素子では、フォトダイオード等を含む電荷信号変換部を入射光や、他の荷電粒子（近赤外線等）が透過してしまい、画像信号記録部に入射してしまうといった問題が生じる。これらの光や荷電粒子等は、画像信号記録部に入射することにより、電荷信号となる。当該電荷信号はノイズとなって画像信号記録部に記録されることとなる。そこで、前面照射型撮像素子では、当該ノイズが生じないように各画像信号記録部に遮光層を設けるのが一般的である。遮光層を設けることで、電荷信号変換部を入射光が透過することを防止し、画像信号記録部に記録される画像信号にノイズが混入することを防ぐことができる。
前面照射方の撮像素子では、同一平面上に電荷信号変換部と画像信号記録部が存在するため、画像信号記録部にのみ遮光層を設けることができる。これに対し、背面照射型の撮像素子は、電荷信号変換部と画像信号記録部が表裏の関係で立体的に配置されているので、画像信号記録部にのみ遮光層を設けることが難しく、上記ノイズの混入を防ぐことができないといった問題がある。当該問題を解決するために、電荷信号変換部を厚くして、光の透過を防ぐことが考えられる。しかしながら、電荷信号変換部を厚くしても、入射光の内、赤等の波長の長い光については透過を防ぐことが難しい。また、電荷信号変換部を厚くすることによって電子が拡散してしまい、緻密な画像を得ることができなくなる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１６５７５０号公報
【特許文献２】特開２００１−３４５４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、背面照射型撮像素子を有する高速撮影装置において、電荷信号変換部の厚さを変えずに上記ノイズを低減させることを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係る発明は、夫々の入射光の強度に応じた電荷信号を発生する電荷信号変換部と、各電荷信号変換部に対応して設けられ、電荷信号である画像信号を記録する画像信号記録部を備えた背面照射型の撮像素子を有する撮影装置であって、撮影終了後に、前記画像信号記録部に記録された画像信号の画像信号強度に基づいて、撮影が開始した時刻から撮影が終了するまでの間に、光、及び他の荷電粒子が前記画像信号記録部に入射することにより発生した電荷信号の和を算出し、算出結果に基づいて各画像信号を補正する補正手段を備えることを特徴とする撮影装置に関する。
【０００９】
請求項２に係る発明は、撮影終了後に照明を停止するための信号を発生する停止信号発生手段と、該停止信号発生手段が信号を発生してから照明が停止するまでの間に放射された照明光、及び照明のための荷電粒子ビームが前記電荷信号変換部に入射することにより発生した電荷信号を記録する照明強度記録手段を有し、前記補正手段が、該照明強度記録手段により記録された電気信号強度に基づいて、該停止信号発生手段が信号を発生してから照明が停止するまでの間に、放射された照明光、及び照明のための荷電粒子ビームが前記画像信号記録部に入射することにより発生した電気信号の和を算出し、算出結果に基づいて照明により生じた電荷信号についても補正することを特徴とする請求項１記載の撮影装置に関する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、画像信号を補正する補正手段により、撮影中に画像信号記録部に記録された画像信号強度に基づいて撮影中に画像信号記録部に入射した光、及び他の荷電粒子（例えば、近赤外線や軟Ｘ線等）により画像信号に生じるノイズの強度を導き出すことができ、ノイズの低減された画像を得ることができる。
【００１１】
請求項２に係る発明によれば、撮影終了後に停止信号発生手段が照明を停止するための信号を発生してから照明が停止するまでの間に放射された照明光、及び照明のための荷電粒子ビームが電荷信号変換部に入射することにより発生した電荷信号を記録する照明強度記録手段を有することで、停止信号発生手段が信号を発生してから照明が停止するまでの間に放射された照明光、及び照明のための荷電粒子ビームが画像信号記録部に入射することにより生じるノイズの強度を導き出すことができる。
また、照明強度記録手段で得た情報を基に画像信号を補正することで、撮影時に使用する照明の影響によるノイズも低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係る高速撮影装置の一実施例について、以下説明する。
図１は高速撮影装置全体の構成を示している。
レンズ２１に入射した光や荷電粒子等（以下、光等と称すことがある）は外部シャッター２２を通過して高速撮像素子３１の受光面３２上に結像する。撮影中は入射した光等の強度に応じて電荷が生じるが、過剰な入射光により生じた過剰電荷は、ドレーン線２３を通じてアースに排出される。
本発明の撮像素子３１は背面照射型であり、遮光層を設けることが難しい。そのため撮像素子内の画像信号記録部に光等が入射し、電荷信号のノイズとなる。
撮影後、タイミングコントローラ２９中の停止信号発生手段により照明を停止するための信号を発生させ、外部機器３００の一つである照明を停止させる。そして、読み出し線２４を通じ撮像素子内に蓄積された電荷信号が、ＡＤコンバータ２５によりデジタル情報に変換され、バッファメモリー２６に蓄積される。
バッファメモリー２６に蓄積されたデジタル情報は、ノイズが生じた電荷信号をデジタル化したものであるので、当該デジタル情報にもノイズが含まれる。そこで、補正手段３３により補正し、ノイズを除去する。
補正された画像情報は、画像情報処理装置２７により連続する１枚１枚の画像情報に変換されたのち、高速撮影装置外に出力される。この画像情報はモニタ２８により画像として目で見ることができる。また、高速撮影装置は、装置全体を制御するためのタイミングコントローラ２９を備えている。さらに、高速撮影装置は高速撮像素子を制御するために、駆動電圧及び制御電圧を含む必要な数種の電圧を発生する電圧供給部３０を備えている。タイミングコントローラ２９には、トリガー信号発生部１００及びトリガー信号受信部２００が接続されている。トリガー信号発生部１００は、例えば撮影対象の輝度変化を監視し、一定の条件が充足されると連続上書きの停止を命令するトリガー信号をタイミングコントローラ２９に出力する。また、トリガー信号受信部２００は照明等の外部機器３００が取付けられており、例えば、タイミングコントローラ２９中の停止信号発生手段から照明を停止するためのトリガー信号を受け、照明を停止させる。
【００１３】
次に、高速撮像素子３１について説明する。
図２は、撮像素子内の電荷信号変換部３周辺の断面図である。なお、点線で区切られた範囲が１画素に相当する。
電荷信号変換部３は、受光面より受光した光等を電荷信号（画像信号）に変換し、画像信号記録部に転送する。電化信号変換部３における光等の変換はｐ領域とｎ領域よりなるフォトダイオードで行う。
当該光電子は矢印Ａで示す如く、電荷収集層１を水平に移動し、電荷集積部２に集まる。なお、４は電極を示している。
【００１４】
しかしながら、背面照射型の撮像素子では遮光層を設けることが難しいため、受光面より受光した光が透過してしまう。透過した光は、電荷信号変換部で変換した電荷信号を記録する画像信号記録部（ＣＣＤメモリ）に照射されることとなる。画像信号記録部に入射した光は電荷信号となり、画像信号のノイズとなる。本発明に係る撮影装置は当該ノイズを補正することができる。ノイズの補正については後に詳述する。
【００１５】
次に、前記電荷集積部２に集まった電荷信号が画像信号記録部に記録される流れを図３及び図４を用いて説明する。
図３は、高速撮像素子３１の受光面を示す部分拡大正面図であり、縦横夫々３画素分を示した図である。
【００１６】
電荷集積部２に集まった電荷信号は、インプットゲート５に高い電圧をかけると、インプットゲートの下の電位が高くなり、その下に集まる。そして、印加電圧を変化させることにより、信号電荷はインプットゲート５から下方の画像信号記録部６に順次転送される。その後、画像信号記録部の末端からドレーン７に排出される。
なお、図３に示す撮像素子は１つの電荷集積部２に対して１２０個のエレメント（メモリ要素）で構成された画像信号記録部６を有している。
【００１７】
図４は、図３におけるドレーン７周辺をさらに拡大した図であり、画像信号記録部６の電荷集積部に近いエレメントから順に１ａ、２ａと付しており、一番遠いエレメントを１２０ａと付している。
電荷集積部２より転送された最初の画像信号はエレメント１ａに転送される。そして、次の画像信号が転送されたとき、新しい画像信号がエレメント１ａに転送され、エレメント１ａにあった最初の画像信号はエレメント２ａに転送される。そして、次の画像信号がエレメント１ａに転送されたときは、エレメント１ａにあった画像信号はエレメント２ａに、エレメント２ａにあった画像信号はエレメント３ａに夫々転送される。
このように、新しい画像信号が転送されるごとに、随時電荷集積部２から遠いエレメントに転送されていく。
【００１８】
最初の画像信号（一番古い画像信号）が、エレメント１２０ａに達した時、次の瞬間にドレーンゲートを通してドレーンに排出される。これにより撮影中の連続上書き記録が可能となる。
また、インプットゲート５とドレーン７の間には、ブルーミング防止ゲート８が設けられている。電荷集積部２からインプットゲート５に移された電荷が、それより下流の画像信号記録部の容量よりも大きいと、電荷が画像信号記録部で溢れるが、ブルーミング防止ゲート８があることにより、電荷信号である画像信号が溢れるのを防ぐことができる。つまり、ブルーミング防止ゲート８は、横溢流のための低い堰としての役割を果たす。電荷信号が一定量を超えると、ブルーミング防止ゲート８からドレーン７に溢れ出て素子外に排出される。
【００１９】
また、高速撮影装置での撮影の場合、光が十分に入らないので、撮影時照明を用いることが一般的であるが、照明に十分な応答性がない時等は、連続上書き撮影を停止し、撮影を終了した後も、照明は一定期間点灯している場合がある。つまり、撮影終了後に照明を停止するための信号を停止信号発生手段により発生させて、照明を停止させるが、停止信号発生手段により信号が発生してから、照明が停止するまで、照明光が発生している。この時、機械シャッターが完全に閉じるまでは、電荷信号変換部に照明が入射してしまう。従って、撮影終了直後にブルーミング防止ゲートの電圧を上げ電位を深くすることで、撮影修了後に生じる光電子は全てインプットゲートを経由してドレーンから素子外に排出されるようにすることが必要である。当該措置をとることで、照明光が電荷信号変換部に入射したことにより電荷信号となり、画像信号記録部に記録され、上書きされることを防ぐことができる。
【００２０】
上記のように電荷信号である画像信号が画像信号記録部に記録されていく。しかしながら、受光面で受けた光や近赤外線や軟Ｘ線等の荷電粒子（光等）の一部は、電荷信号に変換されずに電荷信号変換部を透過してしまう。また、撮影が終了して停止信号発生手段により信号が発生してから、照明が停止するまでに照明光が発生するが、この時、機械シャッターが完全に閉じるまでは、照明光や照明のための荷電粒子ビーム（照明光等）が電荷信号変換部に入射してしまい、これらの一部も電荷信号変換部を透過する。
電荷信号変換部を透過したこれらの光等や照明光等が既に画像信号が記録されている画像信号記録部に入射された場合、光等や照明光等が電荷信号に変わりノイズとなる。
【００２１】
本発明は、これらのノイズを補正する補正手段を有している。以下、画像情報にノイズが生じる流れ及び、そのノイズを補正するための補正手段について詳述する。
【００２２】
まず、ノイズが生じる流れを詳述する。
図５は、画像信号記録部６に、電荷信号が随時記録されていく様子を（ａ）から（ｆ）にかけて経時的に示した図である。具体的には、電荷集積部より画像信号記録部に画像信号Ｐ１が最初に転送され、以下Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５と順に転送されていく様子を示した図である。但し、説明の都合上、画像信号記録部のエレメントは５個とし、電荷集積部より近い方から、１ａ乃至５ａとしている。また、Ｐ１乃至Ｐ５におけるノイズが生じる前の強度（画像信号強度）を夫々Ｘ１乃至Ｘ５とし、ノイズと画像信号強度の合計を夫々Ｙ１乃至Ｙ５とする。なお、Ｙ１乃至Ｙ５は経時的に変化する変数である。
【００２３】
図５（ａ）は、最初の光信号が電荷信号変換部で変換された電荷信号Ｐ１が画像信号記録部６に転送する前の模式図である。
図５（ｂ）は図５（ａ）の続きの図であり、電荷信号Ｐ１が画像信号記録部６のエレメント１ａに転送され、且つ電荷信号変換部で変換された電荷信号Ｐ２が画像信号記録部６に転送される前の図である。
しかしながら、背面照射型の撮像素子では、電荷信号変換部で遮光層により入射光の漏れを防ぐのは難しいため、入射光が電荷信号Ｐ２に変換されるとき、一部の光や近赤外線等（光等）の荷電粒子が変換されずに電荷信号変換部を透過し、直接画像信号記録部に入射する。この光や荷電粒子等は、電荷信号となり、既に画像信号記録部に記憶されている電荷信号Ｐ１のノイズとなる。
この時の電荷信号Ｐ１におけるノイズの強度は、電荷信号変換部の透過率とエレメント１ａにおける電子への変換率（量子効率）の積（ノイズ定数）をα１とすると、Ｐ１にはα１とＰ２の画像信号強度Ｘ２の積（α１Ｘ２）の強度のノイズが生じることとなる。従って、Ｐ１におけるノイズと画像信号強度の合計であるＹ１は、Ｘ１とα１Ｘ２の和となる。
なお、ノイズ定数はエレメントの大きさや製造工程によって変わり、一定ではない。そこで、エレメント１ａ乃至５ａにおけるノイズ定数をα１乃至α５とし、以下説明を続ける。
【００２４】
図５（ｃ）は電荷信号Ｐ３がエレメント１ａ転送される前の図である。電荷信号変換部で電荷信号Ｐ３が変換されるときも、一部の光等が透過し、直接画像信号記録部に入射する。当該光等も、画像信号記録部に入射されることで電荷信号となり、Ｐ１、Ｐ２のノイズとなる。具体的には、エレメント２ａにあるＰ１にはα２Ｘ３の強度のノイズが加わり、エレメント１ａにあるＰ２にはα１Ｘ３の強度のノイズが加わる。
次いで、Ｐ４、Ｐ５と順次画像信号記録部に転送されていくときも、上記したのと同様に、既に画像信号記録部に記録されている電荷信号にノイズを生じさせる。
電荷信号Ｐ５が画像信号記録部に転送された後（図５（ｆ））のＰ１乃至Ｐ５夫々における、画像信号強度と電荷信号変換部を透過した光によるノイズの合計Ｙ１乃至Ｙ５は表１のようになる。
【００２５】
【表１】
2007274634.tif 000003
【００２６】
また、照明を用いる場合、上記ノイズの他に、撮影が終了して、照明を停止するための信号を停止信号発生手段により発生させてから照明が停止するまでの間の照明光や照明のための荷電粒子ビーム（照明光等）も、ノイズを生じさせる一因となる。つまり、撮影終了時から照明が停止するまでの間の照明光や荷電粒子ビームの一部が電荷信号変換部を透過し、当該透過した光や荷電粒子ビームが画像信号記録部に入射することによって、電荷信号となり、ノイズとなる。ここで、当該照明光等が電荷信号変換部に入射することによって変換された電荷信号の強度をＸＬとすると、照明によるノイズの強度は、各画像信号が記録されている夫々のエレメントのノイズ定数（α１乃至α５）とＸＬの積（α１ＸＬ乃至α５）となる。例えば、Ｐ１はエレメント５ａに記録されているので、ノイズ定数α５とＸＬの積α５ＸＬがノイズとなる。
【００２７】
上記したように、電荷信号にはノイズが生じる。上記例の場合、照明が停止した後のＰ１乃至Ｐ５の画像信号強度とノイズの強度の合計Ｙ１乃至Ｙ５は下記表２となる。
【００２８】
【表２】
2007274634.tif 000004
【００２９】
表２に示す強度のノイズが生じた場合のノイズを除去するための補正方法について以下説明する。
【００３０】
上記ノイズを含む電荷信号は、ＡＤコンバータ２５によりデジタル情報に変換され、バッファメモリー２６に蓄積される。デジタル情報に変換する前の電荷信号にノイズが含まれるため、デジタル情報にも当然ノイズが含まれることとなる。
【００３１】
当該ノイズを補正するために、本実施例の補正手段は、停止信号発生手段が信号を発生してから照明が停止するまでの間に放射された照明光、若しくは照明のための荷電粒子ビームが電荷信号変換部に入射することにより発生した電荷信号を記録する照明信号記録手段も有している。つまり、照明信号記録手段により、ＸＬを測定することができる。
また、電荷信号変換部の透過率や量子効率も測定可能な値であるので、透過率と量子効率の積であるノイズ定数も求めることが可能である。従って、エレメント夫々におけるノイズ定数α１乃至α５を予め補正手段のプログラムに登録等しておくことで、照明光等によるノイズ、つまり、α１ＸＬ乃至α５ＸＬを算出することができる。これにより、照明光によるノイズを補正することができる。
照明光によるノイズを補正した場合、Ｙ１乃至Ｙ５は表２の状態となる。ここで、Ｙ５にはノイズが含まれていないので、Ｙ５について、ノイズが補正されたこととなる。
また、Ｙ５の補正がされたことにより、Ｘ５（＝Ｙ５）の強度が分かる。ここで、α１は既知なので、α１Ｘ５も求めることができ、Ｙ４のノイズも補正することができる。
このように、Ｙ３、Ｙ２、Ｙ１についても、ノイズを補正することができる。
【００３２】
なお、ノイズとなる電荷信号の和を減算する方法としては、上記方法のほかにも種々ある。例えば、撮影開始後、画像信号記録部に画像信号が転送される前に画像信号記録部に入射した光等について、画像信号が転送される直前に画像信号から排出しても良い。
【００３３】
また、本実施例では、デジタル化した後に補正を行っているが、デジタル化する前、換言すると、電荷信号の状態で補正を行うことも可能である。
なお、説明の都合上、画像信号記録部のエレメントは５個としているが、当該数に何ら限定されるものではない（図３においては１２０個）。エレメントの数が異なる場合でも、補正の原理は同様であるので、同様に補正することができる。
また、本実施例ではＣＣＤを用いているが、ＣＭＯＳを利用することも可能である。
【００３４】
加えて、本実施例では、画像信号記録部に画像信号を記録し終えた時点を撮影終了時としているが、連続上書き撮影が続くのであれば、連続上書き撮影が続いている間が撮影中であり、連続上書き撮影が終了した時点が撮影終了となる。
また、通常、一般で使用されているカメラの撮像素子は、画像信号記録部のエレメントの数が少なく、１個の場合が大半を占める。しかも、画像信号記録部から１枚分の画像信号を順次撮像素子外に読み出してから、画像信号記録部に一斉に移行させる。このような場合、１枚分の画像信号ごとに、画像信号強度を測定し、補正することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ノイズの低減した画像を得ることができる高速撮影装置であり、破壊、爆発、高速流、衝突等の高速現象の撮影に好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】高速撮影装置全体の構成を示した図である。
【図２】撮像素子内の電荷信号変換部周辺の断面図である。
【図３】高速撮像素子の受光面を示す部分拡大正面図である。
【図４】図３におけるドレーン周辺をより拡大した図である。
【図５】画像信号記録部に、電荷信号が随時記録されていく様子を（ａ）から（ｆ）にかけて経時的に示した図である。
【図６】斜行ＣＣＤ型撮像素子の原理を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
３            電荷信号変換部
６            画像信号記録部
３１          撮像素子
【図１】
2007274634.tif 000005
【図２】
2007274634.tif 000006
【図３】
2007274634.tif 000007
【図４】
2007274634.tif 000008
【図５】
2007274634.tif 000009
【図６】
2007274634.tif 000010