(57)【要約】【課題】この発明は、時間経過や実使用条件等に応じてゲイン変動が発生しても、常に安定な増倍ゲインが得られるように電子増倍型の固体撮像素子を駆動することができる固体撮像素子の駆動装置及びその駆動方法を提供することを目的としている。【解決手段】電子増倍型の固体撮像素子（２０）に所定の増倍ゲインを得るための振幅を有する駆動電圧（ＶＤＲＶ）を発生する発生手段（３５）と、固体撮像素子（２０）の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量を算出する算出手段（２６ｃ）と、算出手段（２６ｃ）で算出された変化量に基づいて、発生手段（３５）から出力される駆動電圧（ＶＤＲＶ）の振幅を、所定の増倍ゲインが得られるように補正する補正手段（２６ｄ）とを備える。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子増倍型の固体撮像素子に所定の増倍ゲインを得るための振幅を有する駆動電圧を発生する発生手段と、
前記固体撮像素子の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量を算出する算出手段と、
前記算出手段で算出された変化量に基づいて、前記発生手段から出力される駆動電圧の振幅を、所定の増倍ゲインが得られるように補正する補正手段とを具備することを特徴とする固定撮像素子の駆動装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記固体撮像素子の使用時間と、前記固体撮像素子が駆動された増倍ゲインのレベルと、前記固体撮像素子の飽和画素数とに基づいて、増倍ゲインの変化量を算出することを特徴とする請求項１記載の固定撮像素子の駆動装置。
【請求項３】
前記算出手段は、前記固体撮像素子が電子増倍で駆動された総使用時間と、前記固体撮像素子が駆動された増倍ゲインのレベルに対応して、前記固体撮像素子が受けたダメージを示すために設定された重み付け係数と、前記固体撮像素子の総画素数中に占める飽和画素数の割合とに基づいて、増倍ゲインの変化量を算出することを特徴とする請求項１記載の固定撮像素子の駆動装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記固体撮像素子が電子増倍で駆動された総使用時間Ｔと、前記固体撮像素子が駆動された増倍ゲインのレベルに対応して、前記固体撮像素子が受けたダメージを示すために設定された重み付け係数ＤＦと、前記固体撮像素子の総画素数中に占める飽和画素数の割合ＳＡとに基づいて、ＤＦ×ＳＡ×logＴ なる演算を行なって増倍ゲインの変化量を算出することを特徴とする請求項１記載の固定撮像素子の駆動装置。
【請求項５】
前記補正手段は、前記算出手段で算出された変化量が予め設定された所定の閾値を超えた場合に、前記発生手段から出力される駆動電圧の振幅を補正することを特徴とする請求項１記載の固定撮像素子の駆動装置。
【請求項６】
電子増倍型の固体撮像素子を備えたカラーカメラ装置であって、
前記固体撮像素子に所定の増倍ゲインを得るための振幅を有する駆動電圧を発生する発生手段と、
前記発生手段から出力される駆動電圧に基づいて駆動された前記固体撮像素子の出力信号に所定の信号処理を施して外部に出力する処理手段と、
前記固体撮像素子の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量を算出する算出手段と、
前記算出手段で算出された変化量に基づいて、前記発生手段から出力される駆動電圧の振幅を、所定の増倍ゲインが得られるように補正する補正手段とを具備することを特徴とするカラーカメラ装置。
【請求項７】
電子増倍型の固体撮像素子に所定の増倍ゲインを得るための振幅を有する駆動電圧を発生する第１の工程と、
前記固体撮像素子の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量を算出する第２の工程と、
前記第２の工程で算出された変化量に基づいて、前記第１の工程で出力される駆動電圧の振幅を、所定の増倍ゲインが得られるように補正する第３の工程とを具備することを特徴とする固定撮像素子の駆動方法。
【請求項８】
前記第２の工程は、前記固体撮像素子の使用時間と、前記固体撮像素子が駆動された増倍ゲインのレベルと、前記固体撮像素子の飽和画素数とに基づいて、増倍ゲインの変化量を算出することを特徴とする請求項７記載の固定撮像素子の駆動方法。
【請求項９】
前記第２の工程は、前記固体撮像素子が電子増倍で駆動された総使用時間と、前記固体撮像素子が駆動された増倍ゲインのレベルに対応して、前記固体撮像素子が受けたダメージを示すために設定された重み付け係数と、前記固体撮像素子の総画素数中に占める飽和画素数の割合とに基づいて、増倍ゲインの変化量を算出することを特徴とする請求項７記載の固定撮像素子の駆動方法。
【請求項１０】
前記第２の工程は、
前記固体撮像素子が電子増倍で駆動された総使用時間Ｔを算出する第１の算出工程と、
前記固体撮像素子が駆動された増倍ゲインのレベルに対応して、前記固体撮像素子が受けたダメージを示すために設定された重み付け係数ＤＦを算出する第２の算出工程と、
前記固体撮像素子の総画素数中に占める飽和画素数の割合ＳＡを算出する第３の算出工程と、
前記第１乃至第３の算出工程で算出された各値に基づいて、ＤＦ×ＳＡ×logＴ なる演算を行なって増倍ゲインの変化量を算出する第４の算出工程とを具備することを特徴とする請求項７記載の固定撮像素子の駆動方法。
【請求項１１】
前記第３の工程は、前記第２の工程で算出された変化量が予め設定された所定の閾値を超えた場合に、前記第１の工程で出力される駆動電圧の振幅を補正することを特徴とする請求項７記載の固定撮像素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子増倍型の固体撮像素子を駆動するための固体撮像素子の駆動装置及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、電子増倍型の固体撮像素子は、その増倍部に与える駆動電圧の振幅に応じて増倍ゲインを変えることができる。ところで、このような電子増倍型の固体撮像素子にあっては、同じ振幅の駆動電圧を与えても、時間経過や実使用条件等に応じて、増倍ゲインが徐々に低下していくことがある。
【０００３】
このゲイン変動の発生は、現在、時間経過や実使用条件等に応じて、電子増倍によって増えるはずの電子が増加しなくなるためと考えられている。このため、長時間使用した電子増倍型の固体撮像素子では、初期の頃と同じ振幅の駆動電圧を与えても、その頃と同じ増倍ゲインを得ることができなくなる。
【０００４】
特許文献１には、インパクトイオン化により電荷増倍を行なう第１相の駆動電圧を、他層の駆動電圧に比して、その周期または回数を調整することにより、電荷増倍率を任意に調整することを可能としたＣＭＤ（charge multiplying device）及びＣＭＤ搭載ＣＣＤ（charge coupled device）装置の構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−３４７３１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、この発明は上記事情を考慮してなされたもので、時間経過や実使用条件等に応じてゲイン変動が発生しても、常に安定な増倍ゲインが得られるように電子増倍型の固体撮像素子を駆動することができる固体撮像素子の駆動装置及びその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る固体撮像素子の駆動装置は、電子増倍型の固体撮像素子に所定の増倍ゲインを得るための振幅を有する駆動電圧を発生する発生手段と、固体撮像素子の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量を算出する算出手段と、算出手段で算出された変化量に基づいて、発生手段から出力される駆動電圧の振幅を、所定の増倍ゲインが得られるように補正する補正手段とを備えるようにしたものである。
【０００７】
また、この発明に係る固体撮像素子の駆動方法は、電子増倍型の固体撮像素子に所定の増倍ゲインを得るための振幅を有する駆動電圧を発生する第１の工程と、固体撮像素子の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量を算出する第２の工程と、第２の工程で算出された変化量に基づいて、第１の工程で出力される駆動電圧の振幅を、所定の増倍ゲインが得られるように補正する第３の工程とを備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記した発明によれば、固体撮像素子の増倍ゲインが時間経過及び実使用条件に応じて変化したときの変化量に基づいて、固体撮像素子を駆動する駆動電圧の振幅を所定の増倍ゲインが得られるように補正したので、時間経過や実使用条件等に応じてゲイン変動が発生しても、常に安定な増倍ゲインが得られるように電子増倍型の固体撮像素子を駆動することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、この実施の形態で説明する監視用カメラ１１の概略を示している。この監視用カメラ１１は、例えば建物の天井１２に取付板１３を介して設置されている。この取付板１３には、支持板１４が取着されている。そして、この支持板１４には、その中央部に回転板１５が回動自在に支持されている。
【００１０】
また、上記回転板１５には、その回動中心を挟んで一対（図１では一方のみ図示）の支持片１６が、図中下方に向けて併設されている。そして、この一対の支持片１６の相互間に、ほぼ球形に形成されたカラーカメラ１７が回動自在に支持されている。この場合、カラーカメラ１７は、それが回動する際の最外周となる位置に撮像レンズ１８が露出されている。
【００１１】
このため、上記カラーカメラ１７は、回転板１５を回動させることにより、撮像レンズ１８をパン方向に移動することができ、カラーカメラ１７自体を回動させることにより、撮像レンズ１８をチルト方向に移動することができる。この場合、回転板１５及びカラーカメラ１７は、それぞれ図１では図示しないパンモータ及びチルトモータによって回動される。
【００１２】
また、上記カラーカメラ１７は、透明なカバー１９によって覆われている。このカバー１９は、一端部が上記カラーカメラ１７の形状に対応した半球形状に形成され、他端が開口された筒状に形成されている。そして、カバー１９は、内部にカラーカメラ１７を収容させて、その開口端を上記支持板１４の周縁部に取着させることにより、カラーカメラ１７を覆っている。
【００１３】
図２は、上記カラーカメラ１７の信号処理系を示している。すなわち、上記撮像レンズ１８から入射された被写体の光学像は、電子増倍型のＣＣＤ２０に結像されて光学像に対応した映像信号に変換される。このＣＣＤ２０から出力される映像信号は、ＣＤＳ（co-related double sampling）２０ａによってノイズ低減された後、Ａ／Ｄ（analog／digital）変換部２１によりデジタル化され、映像処理部２２に供給されて所定の映像信号処理が施される。
【００１４】
この映像処理部２２では、入力された映像信号に対して、例えば、シャープネス処理、コントラスト処理、ガンマ補正処理、ホワイトバランス処理、白傷補正処理、圧縮処理等の映像信号処理を施している。そして、この映像処理部２２から出力された映像信号は、Ｄ／Ａ（digital／analog）変換部２３によりアナログ化された後、出力端子２４を介して外部のモニタ２５により映像表示に供される。
【００１５】
そして、このカラーカメラ１７は、上記した撮像動作を含むその全ての動作を制御部２６によって統括的に制御している。この制御部２６は、ＣＰＵ（central processing unit）２６ａを内蔵しており、後述するＰＣ（personal computer）３３からの制御情報を受けて、その制御内容が反映されるように各部をそれぞれ制御している。
【００１６】
この場合、制御部２６は、メモリ部２６ｂを利用している。このメモリ部２６ｂは、主として、ＣＰＵ２６ａが実行する制御プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）と、ＣＰＵ２６ａに作業エリアを提供するＲＡＭ（random access memory）と、各種の設定情報及び制御情報等が格納される不揮発性メモリとを有している。
【００１７】
また、上記制御部２６は、駆動部２７を介して上記パンモータ２８の回転方向及び回転速度等を制御することができる。さらに、この制御部２６は、駆動部２９を介して上記チルトモータ３０の回転方向及び回転速度等を制御することができる。
【００１８】
そして、上記制御部２６は、通信Ｉ／Ｆ（interface）部３１及び入出力端子３２を介して外部の上記ＰＣ３３に接続されている。これにより、制御部２６は、映像処理部２２で信号処理されたデジタルの映像信号をＰＣ３３に出力し、ＰＣ３３で映像表示させることができるとともに、ＰＣ３３から供給される制御情報に基づいて各部を制御することができる。
【００１９】
ここで、上記制御部２６は、上記ＣＣＤ２０を駆動するためのドライブ部３４を制御している。このドライブ部３４は、駆動電圧発生部３５から出力される駆動電圧ＶＤＲＶの振幅に応じた増倍ゲインで、ＣＣＤ２０を制御している。そして、上記制御部２６は、ＰＣ３３から要求された増倍ゲインが得られるように、駆動電圧発生部３５から出力させる駆動電圧ＶＤＲＶの振幅を制御している。
【００２０】
また、上記制御部２６は、時間経過や実使用条件等に応じて、ＣＣＤ２０の増倍ゲインにゲイン変動が生じることを考慮して、そのゲイン変化量を算出する変化量算出部２６ｃと、算出されたゲイン変化量に基づいて要求された増倍ゲインが常に正しく得られるように、駆動電圧発生部３５から出力される駆動電圧ＶＤＲＶの振幅を補正する補正部２６ｄとを備えている。
【００２１】
すなわち、電子増倍型のＣＣＤ２０では、同じ振幅の駆動電圧ＶＤＲＶを与えても、その増倍ゲインが、時間経過や実使用条件等に応じて徐々に低下する、ゲイン変動が生じることが知られている。この場合、実使用条件としては、要求された増倍ゲイン、飽和状態になっている画素の数（飽和エリア）等が大きく影響する。
【００２２】
図３は、時間の経過と、一定の増倍ゲインを得るために必要となる駆動電圧ＶＤＲＶの振幅との関係を現わした一測定例を示している。時間の経過とともに、駆動電圧ＶＤＲＶの振幅を高くしないと、同じ増倍ゲインが得られないことが分かる。
【００２３】
図４は、駆動電圧ＶＤＲＶをＡ，Ｂ，Ｃ（Ａ＜Ｂ＜Ｃ）にした場合、つまり、３種の増倍ゲインのそれぞれにおいて、時間の経過に伴って発生するゲイン変化量を、同じ増倍ゲインを得るために必要となる駆動電圧ＶＤＲＶの変化量で現わした一測定例を示している。増倍ゲインが高い、つまり、駆動電圧ＶＤＲＶが高いほどゲイン変化量が大きくなることが分かる。
【００２４】
図５は、飽和エリアがＣＣＤ２０の総画素数の１００％、５０％、１０％を占める場合のそれぞれにおいて、時間の経過に伴って発生するゲイン変化量を、同じ増倍ゲインを得るために必要となる駆動電圧ＶＤＲＶの変化量で現わした一測定例を示している。飽和エリアが大きいほどゲイン変化量が大きくなることが分かる。
【００２５】
そこで、この実施の形態では、上記制御部２６の変化量算出部２６ｃが、ＣＣＤ２０にゲイン変動を発生させる、経過時間、増倍ゲイン、飽和エリア等の各種要因を総合的に考慮して現時点におけるゲイン変化量を算出し、その算出されたゲイン変化量に基づいて、補正部２６ｄが現在要求されている増倍ゲインが正しく得られるように駆動電圧ＶＤＲＤの振幅を補正するようにしている。
【００２６】
図６は、上記変化量算出部２６ｃ及び補正部２６ｄによる補正動作をまとめたフローチャートを示している。すなわち、処理が開始（ステップＳ１）されると、補正部２６ｄは、ステップＳ２で、駆動電圧発生部３５から出力させる駆動電圧ＶＤＲＤの振幅を、予め設定された初期値ＶＤＲＤＩに設定する。
【００２７】
そして、変化量算出部２６ｃは、ステップＳ３で、ＣＣＤ２０に対して電子増倍が要求されたか否かを判別し、要求されたと判断された場合（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、増倍ゲインのレベルを判定する。増倍ゲインのレベルは、例えばＥＭ（electro multiplying）５（ＭＡＸ）〜ＥＭ１（ＭＩＮ）の５段階とする。
【００２８】
その後、変化量算出部２６ｃは、ステップＳ５で、判定された増倍ゲインのレベルＥＭ５〜ＥＭ１に対応するＤＦ（damage factor）を設定する。このＤＦは、増倍ゲインのレベルに応じてＣＣＤ２０が受けたダメージを重み付けした係数で、例えば、ＥＭ５に対しては１０、ＥＭ４に対しては５、ＥＭ３に対しては２．５、ＥＭ２に対しては１．３、ＥＭ１に対しては０．６のように設定される。
【００２９】
次に、変化量算出部２６ｃは、ステップＳ６で、ＣＣＤ２０の総画素数ＴＰ（total pixel）の中で占める飽和エリアの割合ＳＡ（saturation area）を計算する。この割合ＳＡは、輝度レベルが最大値に達している画素の数（飽和画素数）をＳＰ（saturation pixel）とすると、
ＳＡ＝ＳＰ／ＴＰ
で得ることができる。
【００３０】
その後、変化量算出部２６ｃは、ステップＳ７で、ＣＣＤ２０の経過時間Ｔを計算する。この経過時間Ｔは、ＣＣＤ２０が電子増倍で駆動された総時間をTとすると、
Ｔ＝Ｔ＋（１／６０）（６０ｆｐｓの場合）
となる。
【００３１】
そして、変化量算出部２６ｃは、ステップＳ８で、ＣＣＤ２０のゲイン変化量ＳＦＴを計算する。このゲイン変化量ＳＦＴは、
ＳＦＴ＝ＳＦＴ＋ＤＦ×ＳＡ×logＴ
で得ることができる。
【００３２】
すると、補正部２６ｄは、ステップＳ９で、ＣＣＤ２０のゲイン変化量ＳＦＴが予め設定された所定の閾値ＴＨを超えたか否かを判別し、超えていないと判断された場合（ＮＯ）、ステップＳ３の処理に戻される。
【００３３】
また、上記ステップＳ９でＣＣＤ２０のゲイン変化量ＳＦＴが閾値ＴＨを超えたと判断された場合（ＹＥＳ）、補正部２６ｄは、ステップＳ１０で、駆動電圧発生部３５に対して、現在の駆動電圧ＶＤＲＤに、ゲイン変化量ＳＦＴに対応した補正電圧Ｖ（ＳＦＴ）を加算して出力するように制御する。
【００３４】
そして、補正部２６ｄは、ステップＳ１１で、駆動電圧ＶＤＲＤの初期値ＶＤＲＤＩに補正電圧Ｖ（ＳＦＴ）を加算した値を、現在の駆動電圧の振幅とし、ゲイン変化量をイニシャライズした後、ステップＳ３の処理に戻される。
【００３５】
上記した実施の形態によれば、経過時間、増倍ゲイン、飽和エリア等の各種要因を総合的に考慮して現時点におけるＣＣＤ２０のゲイン変化量を算出し、その算出されたゲイン変化量に基づいて、要求された増倍ゲインが正しく得られるように駆動電圧ＶＤＲＤの振幅を補正するようにしている。このため、時間経過や実使用条件等に応じてゲイン変動が発生しても、常に安定な増倍ゲインが得られるように電子増倍型のＣＣＤ２０を駆動することができる。
【００３６】
また、図３に示したように、時間の経過に伴なうゲイン変動は、初期の段階で大きく変動し、以後は緩やかに変動する。このため、最初の所定時間が経過するまで上記した補正動作を行ない、それ以後は補正動作を行なわないように構成しても、ほぼ安定な増倍ゲインが得られるようになる。
【００３７】
なお、この発明は上記した実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を種々変形して具体化することができる。また、上記した実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜に組み合わせることにより、種々の発明を形成することができる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良いものである。さらに、異なる実施の形態に係る構成要素を適宜組み合わせても良いものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】この発明の実施の形態を示すもので、監視カメラの概略を説明するために示す図。
【図２】同実施の形態における監視カメラに使用されたカラーカメラの信号処理系を説明するために示すブロック構成図。
【図３】同実施の形態におけるカラーカメラに使用された電子増倍型ＣＣＤの時間経過に伴なうゲイン変動を説明するために示す特性図。
【図４】同実施の形態におけるカラーカメラに使用された電子増倍型ＣＣＤの増倍ゲインに伴なうゲイン変動を説明するために示す特性図。
【図５】同実施の形態におけるカラーカメラに使用された電子増倍型ＣＣＤの飽和エリアに伴なうゲイン変動を説明するために示す特性図。
【図６】同実施の形態におけるカラーカメラに使用された制御部によるゲイン変動の補正動作を説明するために示すフローチャート。
【符号の説明】
【００３９】
１１…監視カメラ、１２…天井、１３…取付板、１４…支持板、１５…回転板、１６…支持片、１７…カラーカメラ、１８…撮像レンズ、１９…カバー、２０…ＣＣＤ、２１…Ａ／Ｄ変換部、２２…映像処理部、２３…Ｄ／Ａ変換部、２４…出力端子、２５…モニタ、２６…制御部、２７…駆動部、２８…パンモータ、２９…駆動部、３０…チルトモータ、３１…通信Ｉ／Ｆ部、３２…入出力端子、３３…ＰＣ、３４…ドライブ部、３５駆動電圧発生部。
【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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