JP2008124624A

JP2008124624A - 固体撮像装置

Info

Publication number: JP2008124624A
Application number: JP2006303931A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Yoshida; 哲男吉田; Fumio Ukigaya; 文雄浮ヶ谷; Jun Namiki; 純並木
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2006-11-09
Filing date: 2006-11-09
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2026-11-09
Also published as: JP4921120B2

Abstract

【課題】画素周辺記録ＣＣＤ撮像素子の高速撮影の発熱による雑音の映像信号への混入を低減する。
【解決手段】斜行直線ＣＣＤ型画素周辺記録撮像素子（ＩＳＩＳ）を用いた固体撮像装置において、撮像素子部２に、電子冷却部５と温度検出部４とを付設し、制御部６は、トリガー・スタンバイ信号により電子冷却部の冷却を開始して高速撮影データ（電荷）の前記ＩＳＩＳ内の記録部への高速転送時のみに、前記撮像素子部２を冷却するように制御し、かつ、温度検出部４が所定の温度を超えた場合は、制御部６により撮像素子部を低速モードに制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は固体撮像装置に係り、特に、爆発現象や燃焼現象など、状態が高速度で変化する２次元画像を撮像するのに好適な固体撮像装置に関する。

爆発、破壊、燃焼などの高速現象の２次元画像を撮像する装置として、１画面の撮影時間が１μ秒（１００万枚／１秒）という高速度の撮像素子を備えた高速撮影装置（高速ビデオカメラ）が、科学的計測等に用いられる。このような高速現象を撮影する撮像装置が、特許文献１に提案されている。

この撮像装置では、例えば、８万画素の斜行直線ＣＣＤ型画素周辺記録撮像素子（以下、ＩＳＩＳと略す。）が、２次元配列ラインに沿って縦横マトリックス状に配設されている。各画素は、検出対象の入射光の光強度に応じた電気信号を発生する１個のフォトダイオードに、電子シャッタ毎に取り出す１個の信号取出ゲートが接続される。この信号取出ゲートの後に、電子シャッタ毎に信号取出ゲートによってフォトダイオードから出力される電気信号を、画像情報として転送するＣＣＤセルを有するＣＣＤデバイスが付設されている。

光学レンズを介して被写体の光学像が取り込まれて画素に投影されると、各画素では、１画面の画像情報を得るための電子シャッタ毎にフォトダイオードから出力される電気信号が、電荷のかたちで、信号取出ゲートから取り出され、ＣＣＤデバイスへ次々と送り出される。電荷が水平に転送されると、ＣＣＤセルの各電荷が、一斉に一段下のＣＣＤセルへ垂直に転送される。そして、再び水平に転送されると、各ＣＣＤセルの電荷が一斉に一段下のＣＣＤセルへそれぞれ垂直に転送される転送動作が繰り返される。電子シャッタが連続で繰り返される間に、各フォトダイオードからの電荷が、全てのＣＣＤセルに蓄積された状態となる。これにより、フォトダイオードに付設されたＣＣＤデバイスには、１画面分の画像信号が高速で記憶されることになる。なお、斜行直線ＣＣＤ型画素周辺記録撮像素子（ＩＳＩＳ）では、ＣＣＤデバイスが斜めに付設され、記録部（メモリー部）となっている。

上記のように動作して、電子シャッタ毎に電荷の並列転送が行われ、ＣＣＤデバイスに画像情報用の電荷が高速で蓄積される。高速撮影の場合、電荷を蓄積しながら読み出すことは難しいので、電子シャッタを停止してからＣＣＤデバイスに蓄積された電荷を、読み出し電極から読み出す。読み出した電荷は、高速撮像素子の後段でデジタル化した後、さらに同一電子シャッタで得られた電気信号を１枚の画面に編集して２次元画像を作成表示する。

特開２００５−４５６０８号公報

上記した従来の高速撮像素子の撮影速度は、電子シャッタ（電子露光）の速度とＣＣＤデバイス内の電荷の並列転送速度とに比例する。しかし、ＣＣＤデバイス内の電荷の並列転送速度を速くすると、ＣＣＤデバイスが発熱し、雑音が増加するという問題がある。

そこで本発明の目的は、高速撮影したＣＣＤデバイス内の電荷を、記憶部に高速転送する際の、発熱による雑音発生を低減した固体撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る固体撮像装置は、被写体の光学像を取り込む光学系と、前記光学像を光−電気変換して２次元画像情報を生成する撮像素子部と記録部とを有するＣＣＤ固体撮像素子と、前記撮像素子部の温度を検出する温度検出部と、前記撮像素子部を冷却する電子冷却部と制御部とを備える固体撮像装置において、
前記温度検出部からの検出温度が所定の動作範囲内の温度である場合、前記制御部は、高速度撮影準備をするためのトリガー・スタンバイ信号により、前記電子冷却部の冷却を開始して前記撮像素子部を冷却する制御を行い、かつ前記電子冷却部への冷却供給電流が所定値を超えるか、又は、検出温度が所定値を超える場合には、前記撮像素子を低速モードにする制御を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、撮像素子部を常時電子冷却するのではなく、トリガー・スタンバイ信号により撮像素子部の電子冷却を開始し、高速撮影により得られた電荷の記録部への高速転送時のみに撮像素子部を電子冷却するようにしたことにより、電子冷却の放熱の回り込みによる電子冷却の劣化が、高速撮像の信号電荷転送後となるので、電子冷却の実効効率が向上し、発熱による雑音の映像信号への混入を低減することができる。

以下、本発明の固体撮像装置の一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、１秒間に１００万コマ（すなわち、１画面の撮影時間が１μ秒）というような高速度で被写体を撮影し、例えば、爆発、燃焼、弾丸などの高速現象についての２次元画像を撮像可能な、本実施形態の固体撮像装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、高速度撮影ができる固体撮像装置は、被写体の光学像を取り込む光レンズやプリズムなどの光学系１と、取り込まれた光学像を光−電気変換して２次元画像情報を作り出す撮像素子部２と、撮像素子部２の出力信号からベースバンド信号を取り出すための相関２重サンプリング（ＣＤＳ: Correlated Double Sampling）と増幅度可変（ＡＧＣ: Automatic Gain Control）とアナログ／デジタル変換（ＡＤＣ）とを行うフロントエンドプロセッサ（ＦＥＰ: Front End Processor）７と、相関２重サンプリングした信号をデジタル変換し、画像処理、記録、及び出力処理ほかを行う画像処理部８と、撮像素子部２を指定された速度で駆動する駆動部３と、撮像素子部２を高速駆動した場合の発熱温度を測定する温度検出部４と、撮像素子部２をペルチエ冷却などで冷却する電子冷却部５と、制御部６とから構成される。

制御部６は、図４に示す安定動作の関係、図５に示す設定された撮像速度Ｓと温度上昇Ｔの関係に基づいて撮像素子部２を低速モードへ変更する速度制御と、図６に示す温度検出部４で検出した温度に基づいて電子冷却部５に供給する冷却電流Ｉを制御して撮像素子部２を低速モードへ変更する速度制御を行う機能とを有する。また、制御部６には、所定の高速撮像をするためのトリガー信号が入力されると、駆動部３に所定の駆動情報を出力する機能も備えている。

高速撮像では、メモリーの数が限られているため、所定の高速映像を捉えるのにトリガータイミングが極めて重要である。一般に、トリガーのタイミングを正確に捉えることが困難なため、トリガーが有ってから、撮像素子部２を高速動作させたのでは、所定の瞬間に間に合わず目的の撮影ができない。

そこで、トリガー信号が入る前から撮像素子部２を高速動作状態にしておく必要があるが、高速動作状態では発熱が高いので、図４に示すように安定動作時間ｔに制約がある。

図４は、動作速度と撮像素子部２が温度上昇し、最大温度Ｔｍａｘに至るまでの安定動作領域を示した模式図である。図４の模式図において、横軸Ｓは撮像速度（コマ数／ｓeｃ）であり、縦軸は動作時間ｔを示している。撮像素子部２の安定動作する動作領域は、速度Ｓ^ｐと、動作可能最高時間ｔｍａｘとの積が一定の式、すなわち、Ｓ^ｐ×ｔｍａｘ＝Ｋで、表される。また、動作可能最高時間ｔｍａｘは、ｔｍａｘ＝Ｋ／Ｓ^ｐで表される。ここで、Ｋは一定値、ｐは定数を示す。

図２は、撮像素子部２の構造を示し、大きくはｍ×ｎ画素の受光素子部１３と、受光素子部１３からの映像信号を蓄えるｍ×ｎ×１個のメモリー部１４とで構成されている。

図３は、図２に示した撮像素子部２の受光素子部１３内の１受光素子からのデータを蓄えるメモリー部１４の動作を説明するための撮像素子部の模式図である。図１において、制御部６にトリガー・スタンバイ信号が入力されると、速度指定信号で指定された撮像速度を制御部６から駆動部３に与え、駆動部３は撮像素子部２の駆動を開始し、高速度撮影動作準備状態（トリガー・スタンバイ状態）に入る。

トリガー・スタンバイ状態では、図３のメモリー部１４には、受光素子１画素からのデータが高速度画像で入力され、メモリー部１４も高速度画像を連動記録する。メモリー数ｌを超えた分は、外部に排出される。

次に、時刻ｔ０にトリガー信号が入力されると、メモリー部１４には時刻ｔ０より前に入力された時刻ｔ０−ｉ〜ｔ０までのトリガー前のデータと、時刻ｔ０以後ｔ０〜ｔ０＋ｊまでのトリガー後のデータが振り分け記録される。

トリガー前のデータと、トリガー後のデータの画像数は、予め設定されたスキップバック信号で決められる。スキップバック信号は、図１の制御部６に入力されて駆動部３を経て撮像素子部２に与えられる。スキップバック値は、目的に応じて設定できる。

次に、この高速度撮像状態では、速度が速くなればなるほど、撮像素子部２の消費電力が大きくなり、温度上昇する。撮像素子部２の温度は、温度検出部４により常時検出される。検出値は制御部６に入力されて、制御部６は撮像素子部２の温度上昇を抑制するために、電子冷却部５を制御して電子冷却部５の冷却電流の供給を増加させる。

ここで、電子冷却部５により常時冷却すると、電子冷却部からの放熱の回り込みにより、電子冷却の効率が低下し、発熱による雑音の映像信号への混入が増加する影響がでるので、制御部６は、撮像素子部２の電子冷却を、固体撮像素子内のメモリー部１４に電荷を高速転送する期間のみ電子冷却を行うように制御することで、電子冷却の放熱の回り込みによる電子冷却の劣化を、高速撮像の信号電荷をメモリー部１４へ転送した後にずらせるので、電子冷却の実行効率を向上でき、発熱による雑音の映像信号への混入を低減することができる。

しかし、撮像素子部２の温度上昇が、電子冷却による温度上昇の抑制を超えて、図５のように、撮像素子部２の許容最大温度Ｔｍａｘに至るか、近づいた場合、或いは図６のように、冷却電流Ｉが最高冷却電流Ｉｍａｘに至るか近づいた場合には、制御部６は、駆動部３に高速度撮影状態を解除する信号を送り、直ちに撮像素子部２を低速度モードへ切り替える制御を行う。

以上、好適な実施形態について説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲内において、種々の変更を成し得ることは勿論である。例えば、実施形態では、高速撮影の固体撮像素子内の記録部への高速転送している期間のみに電子冷却を行うとして説明したが、さらに、前記高速転送期間にのみ電子冷却し、所定の温度以上の間は、高速撮影の固体撮像素子内の記録部への高速転送を中止するように制御してもよい。

本発明の固体撮像装置の構成を示すブロック図。本発明の固体撮像装置の撮像素子部の構成を示すブロック図。本発明の固体撮像装置の撮像素子部１画素当りのメモリー動作の模式図。本発明の固体撮像装置の動作速度と動作時間の関係を示す模式図。本発明の固体撮像装置の動作速度と温度上昇の関係を示す模式図。本発明の固体撮像装置の動作速度と冷却電流の関係を示す模式図。

符号の説明

１…光学系、２…撮像素子、３…駆動部、４…温度検出部、５…電子冷却部、６…制御部、７…ＦＥＰ（フロントエンドプロセッサ）、８…画像処理部（画像処理＋記録＋出力）、１３…受光素子部、１４…記録部（メモリー部）

Claims

被写体の光学像を取り込む光学系と、
前記光学像を光−電気変換して２次元画像情報を生成する撮像素子部と記録部とを有するＣＣＤ固体撮像素子と、
前記撮像素子部の温度を検出する温度検出部と、
前記撮像素子部を冷却する電子冷却部と制御部とを備える固体撮像装置において、
前記温度検出部からの検出温度が所定の動作範囲内の温度である場合、前記制御部は、高速度撮影準備をするためのトリガー・スタンバイ信号により、前記電子冷却部の冷却を開始して前記撮像素子部を冷却する制御を行い、かつ前記電子冷却部への冷却供給電流が所定値を超えるか、又は、検出温度が所定値を超える場合には、前記撮像素子を低速モードにする制御を行うことを特徴とする固体撮像装置。