JP2009010800A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体撮像素子を備える撮像装置において、比較的簡単な構造にて、固体撮像素子に加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子の温度上昇を抑制する撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置において、固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスと、画像情報の処理を行う画像処理回路を含む発熱体と、上記固体撮像素子と上記発熱体との間に配置された熱遮蔽部材とを備えさせる。
【選択図】図４

Description

本発明は、固体撮像素子を備えるテレビジョンカメラ、ビデオカメラなどの撮像装置に関する。

近年、固体撮像素子を３個用いる撮像装置として３板式カラーカメラ（以下３板カメラという）が開発され広く用いられるようになってきている。このような従来の３板カメラの構造について、図面を用いて説明する。

図１は、従来の３板カメラにおける撮像ブロック１０の模式断面図である。図１に示すように、撮像ブロック１０は、３板カメラにおける図示しない撮像レンズを通過して入射された光を所定の色成分に分解する色分解プリズムと、複数の固体撮像素子と、各々の固体撮像素子が搭載された撮像素子基板とにより構成されている。

図１に示すように、色分解プリズムは、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが互いに密着して接合されることより構成され、入射光を３つの色成分に分解する３色分解プリズム１である。それぞれのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの接合界面は、ダイクロイックミラー４、５となっている。また、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの光の出射面には、個別に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接着剤を介して固定されている。

図１において、３色分解プリズム１に入射した光束７は、ダイクロイックミラー４、５によって、３つの色成分、すなわち光の３原色の光束６ａ、６ｂ、６ｃに色分解され、各々の固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂに受光される。ダイクロイックミラー４、５にて３原色に分解反射された光束のうちの光束６ａ、６ｂは、それぞれのプリズム部材１ｇ、１ｂ内にて再度全反射されることで、裏返し像（鏡像）ではなく表像を形成する光束として固体撮像素子２ｇ、２ｂに受光される。それぞれの固体撮像素子２ｇ、２ｂ、２ｒにて受光されたそれぞれの光束は、それぞれの撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂにて撮像信号の処理がなされて、撮像信号が合成されたカラーテレビジョン信号が得られる。

このような構成を有する従来の３板カメラでは、３色の被写体像の重ね合わせを精度良く行う必要がある。重ね合わせの精度、すなわちレジストレーションの精度が悪いと色ずれやモアレ偽信号が発生し、画質は微妙に劣化する。従って、レジストレーションの精度低下が生じないように、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂへ加わる外力負荷を低減させる必要がある。

また、固体撮像素子は高温環境下で使用すると、白傷による画質劣化、寿命短縮、等々の問題が発生するため、所定の温度以下での使用する必要がある。近年特に、固体撮像素子が搭載される３板カメラに代表される撮像装置においては、軽薄短小、多機能・高機能化による消費電力の増加に伴って、固体撮像素子の周辺温度（装置筐体内部温度）は益々上昇する傾向にあり、固体撮像素子を冷却する手段が不可欠となっている。

そのため、従来の撮像装置においては、固体撮像素子へ加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子を効率的に冷却するための様々な放熱構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１においては、伝熱部材にネジによって設置された熱電冷却素子が、それぞれの固体撮像素子の背面に接触するように配置された放熱構造が提案されている。このような放熱構造においては、各部材の熱膨張や熱収縮に伴う変形量を、ネジのバックラッシュにより吸収することができるため、冷却素子から固体撮像素子に対して熱変形に伴う力が加わらないようにすることができる。

特開平１−２９５５７５号公報

近年、このような３板カメラにおけるそれぞれの固体撮像素子の位置決めは、μｍオーダの精度が要求されつつあり、例えばそれぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置決めは光軸方向では焦点深度があるため数十μｍ、被写体映像面内方向ではμｍオーダの精度を必要とするようになりつつある。

しかしながら、特許文献１の放熱構造においては、ネジのバックラッシュにより外力の吸収を行っているため、微小な熱変形により生じる外力を十分に吸収することはできず、作用する外力の大きさによっては、撮像素子の位置決め精度に影響を与える場合があり、この位置ずれによるレジストレーションの精度低下が問題となる。また、比較的高価な熱電冷却素子が用いられているため、撮像装置のコストが上昇するという問題もある。

また、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの前面とプリズム１ｒ、１ｇ、１ｂとの接着にはＵＶ接着剤（紫外線硬化性接着剤）が用いられ、接着剤を接着面間に塗布した状態で各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの位置調整（６軸）を実施した後に、紫外線を照射して接着剤を硬化させ、接着面を固定する工法が広く利用されている。

しかしながら、このようなＵＶ接着剤は高温クリープ特性（高温環境下で負荷を掛け続けるとクリープする特性）を有するため、特に固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの周辺温度（装置筐体内部温度）が高くなると、ＵＶ接着剤のひずみが増大して、上記金属部品等のスプリングバックに起因する負荷が深刻な問題となる。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、固体撮像素子を備える撮像装置において、比較的簡単な構造にて、固体撮像素子に加わる外力負荷を低減させながら、固体撮像素子の温度上昇を抑制する撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスと、
画像情報の処理を行う画像処理回路を含む発熱体と、
上記固体撮像素子と上記発熱体との間に配置された熱遮蔽部材とを備えることを特徴とする撮像装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記熱遮蔽部材は上記固体撮像デバイスを囲んで配置される、第１態様に記載の撮像装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記熱遮蔽部材における上記発熱体と対向する表面に、輻射率を低くする表面処理が施されている、第１態様又は第２態様に記載の撮像装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記熱遮蔽部材における上記固体撮像素子と対向する表面に、輻射率を高める表面処理が施されている、第１態様から第３態様のいずれか１つに記載の撮像装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記熱遮蔽部材は、高熱伝導性材料により形成される、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の撮像装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記固体撮像素子に固定された第１固定部と、別の部材に固定された第２固定部とを有し、高熱伝導性材料により形成された箔状の放熱シートをさらに備える、第１態様から第５態様のいずれか１つに記載の撮像装置を提供する。

本発明によれば、固体撮像素子と発熱体との間に熱遮蔽部材が配置されているため、発熱体から固体撮像素子へ向けて輻射される熱を遮断することができ、外部熱の入力による固体撮像素子の温度上昇を抑制することができる。また、固体撮像素子には、熱電冷却素子などの部材を取り付けなくても固体撮像素子の温度上昇を抑制することができるため、固体撮像素子に加わる外力負荷を低減させることができる。従って、固体撮像素子の位置ずれによるレジストレーションの精度低下が生じることを防止することができる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１の実施形態にかかる固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスを備えた撮像装置の一例である３板カメラにおける撮像ブロック２０（断熱ケースが取り外された状態）の模式斜視図を図２に示す。なお、撮像ブロック２０の構造は、図１に示す撮像ブロック１０と同じ構造であるため、同じ構成部材には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

図２に示すように、本第１実施形態の撮像ブロック２０は、３つのプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂが接着剤を介して接合された３色分解プリズム１に、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂが接着剤を介して接合された構造を有している。なお、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂには、銅、グラファイト等の放熱シートなどの放熱部材が固定されていない。

ここで、このような構造を有する撮像ブロック２０が装備された撮像装置（カメラ）２５の模式斜視図を図３に示す。図３に示すように、撮像装置２５には、撮像ブロック２０と、この撮像ブロック２０が固定されて保持される構造体であるプリズムベース２１と、その内側に撮像光軸が配置され、撮像ブロック２０の光軸と合致するように、プリズムベース２１が固定されて保持されたレンズ鏡筒２２とを備えている。さらに、撮像ブロック２０の図示右手方向には、基板２３上に実装された複数のＩＣチップ２４が配置されている。これらのＩＣチップ２４は、固体撮像素子にて取得された画像情報の処理を行う画像処理回路を含んで構成され、撮像装置２５において、発熱体となる。このような発熱体となるＩＣチップ２４は、例えば、映像処理用ＬＳＩ、ＣＣＤクロックタイミングＣＬＫジェネレータ、ＡＤ変換ＬＳＩとしての処理を行うＩＣチップである。

ここで、図２及び図３に示す撮像ブロック２０の周囲を囲むように覆い、発熱体であるＩＣチップ２４からのそれぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂへの熱輻射（熱移動）を遮蔽する熱遮蔽部材の一例である断熱ケース２６が、プリズムベース２１に取り付けられた状態の模式斜視図を図４に示す。また、この断熱ケース２６の外側の模式斜視図を図５に示し、その内側の模式斜視図を図６に示す。

図４に示すように、断熱ケース２６は、撮像ブロック２０におけるプリズムベース２１側を除く全ての方向を覆うようなケース部材として形成されており、その内側に撮像ブロック２０を配置した状態にて、プリズムベース２１に固定、例えばネジ止め固定されている。このようにプリズムベース２１に取り付けられた状態にて、断熱ケース２６は撮像ブロック２０に接触しないように、その内部空間の形状が形成されている。すなわち、撮像ブロック２０の各構成部材と、断熱ケース２６の内側表面との間には、互いの接触が防止された空間が存在している。

断熱ケース２６は、樹脂材料又は金属材料により形成される。また、図５に示すように、断熱ケース２６の外側表面には、発熱体であるＩＣチップ２４からの輻射熱を反射等により減少させる表面処理２６ａが施されている。具体的には、断熱ケース２６の外側表面に、例えば、鏡面仕上げや低輻射率塗料の塗布等の処理を施すことにより、断熱ケース２６の外側表面の輻射率が０．１以下とされている。このような表面処理を施すことにより、発熱体からの輻射熱を積極的に反射し、発熱体からの輻射熱に起因する固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度上昇を抑制することができる。

また、図６に示すように、断熱ケース２６の内側において固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂと対向する表面には、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂや撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂ自体の発熱による熱輻射を吸収し易くさせる表面処理２６ｂが施されている。具体的には、断熱ケース２６の内側表面に、例えば、表面粗さの増大や高輻射率塗料の塗布等の処理を施すことにより、断熱ケース２６の内側表面の輻射率が０．９程度と高く設定されている。このような処理を行うことにより、固体撮像素子や撮像素子基板からの輻射熱を積極的に吸収し、自己発熱に起因する固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度上昇を抑制することができる。

なお、断熱ケース２６の外側表面に対する表面処理２６ａ、内側表面に対する表面処理２６ｂは、それぞれ単独で行われる場合でも効果を得ることができるが、両者の処理を合わせて行うことで、固体撮像素子の温度低減効果をより高めることができる。また、断熱ケース２６の表面処理２６ａ、２６ｂに関しては、必ずしもケース表面全体（内面全体、もしくは外面全体）に施す必要は無く、例えば、断熱ケース２６の外側表面に対する表面処理２６ａの場合、特に高温となる発熱体と対向する表面に限定して施すことも可能である。

このように、撮像装置２５において、断熱ケース２６により撮像ブロック２０が覆われていることにより、発熱体であるＩＣチップ２４からの輻射熱を断熱ケース２６により遮断することができる。従って、発熱体からの輻射熱に起因する固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度上昇を抑制することができる。本発明の課題であるレジストレーションの精度低下が問題となるのは、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとプリズム部材１ｒ、１ｇ、１ｂの接合面に配置されている接着剤に対して、高温環境下で負荷が掛け続けられてクリープ変形が生じるような場合である。このような断熱ケース２６を設けることで、固体撮像素子の温度上昇を抑制して、接着剤のクリープ変形を防止することができ、レジストレーションの精度低下を抑制することができる。特に、近年、撮像装置における高性能、高機能化により、ＩＣチップ等よりの発熱量は増加する傾向にあることからも、このような断熱ケースを用いて外部発熱体からの輻射熱を遮断することで、固体撮像素子の温度上昇を抑制するという構成は効果的である。例えば、固体撮像素子の温度を上昇させる要因を分析すると、固体撮像素子の自己発熱が４０％、外部発熱体からの受熱が６０％というデータを得ることができる。このような分析結果から、固体撮像素子の温度上昇に対しては自己発熱よりも外部発熱体の影響の方が大きく、断熱ケースを用いて外部発熱体からの影響を遮断することが、固体撮像素子の温度低減に有効であるということができる。

なお、断熱ケース２６は、樹脂材料又は金属材料により形成されると説明したが、特に、グラファイトや金属材料等の高熱伝導性材料を用いることが好ましい。このような場合には、断熱ケース２６に吸収された熱を断熱ケース２６全体に拡散することができ、さらに効果的に温度上昇を抑制することができる。

また、撮像ブロック２０の全体が断熱ケース２６により覆われているような場合について説明したが、本第１実施形態はこのような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、発熱体であるＩＣチップ２４と固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとの間に熱遮蔽部材が配置され、撮像ブロック２０の全体が覆われていないような構成を採用することもできる。少なくとも、発熱体と固体撮像素子との間において熱遮蔽部材が配置されることで、輻射熱の遮断効果を得ることができる。

また、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂには、銅、グラファイト等の放熱シートなどの放熱部材が固定されていないので、放熱部材の固定によって生じる反力負荷を生じず、接着剤のクリープ変形を防止することができる。

（第２実施形態）
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本発明の第２の実施形態にかかる撮像装置が備える撮像ブロック５０の模式斜視図を図７に示す。なお、本第２実施形態の撮像ブロック５０において、上記第１実施形態の撮像ブロック２０と同じ構成部材には同じ参照符号を付してその説明を省略する。

撮像ブロック５０には、図７に示すように、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂにて生じる熱を効果的に放熱させる放熱構造が採用される。具体的には、図７に示すように、高熱伝導性材料により形成された箔状の放熱シート８における３つの第１端部をそれぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面に固定し、上記３つの第１端部とは別の端部である第２端部をＡＢＳ樹脂等により形成されたレンズ鏡筒ケース（図示しない）にネジ止め等により固定するものである。各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂにおける熱は、それぞれの第１端部から第２端部へと向かうように放熱シート８を通してレンズ鏡筒ケースに伝達され、その結果、それぞれの固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの温度は効果的に低減される。なお、放熱シート８は、高熱伝導性材料として、例えば銅若しくはグラファイトシートなどが用いられ、さらに、その厚み方向に高い柔軟性を有するように、箔状として例えば０．１ｍｍ以下の厚みで形成される。

また、放熱シート８のそれぞれの第１端部は、各固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂと、撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂとの間に、その厚み方向に略９０度折り曲げられて挿入された状態にて固定されている。このような第１端部の固定は、固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂと撮像素子基板３ｒ、３ｇ、３ｂとの間に挿入された放熱シート８が、固体撮像素子と撮像素子基板とによって軽く挟まれることにより行われている。このような状態においては、放熱シート８のそれぞれの第１端部が固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂの背面に接した状態とされている。なお、放熱シート８と固体撮像素子２ｒ、２ｇ、２ｂとの接触性をより良好なものとするためにグリスなどが用いられるような場合であってもよい。

本第２実施形態の撮像装置では、このように放熱シート８が装備された撮像ブロック５０を覆うように、図５及び図６に示す上記第１実施形態の断熱ケース２６を取り付けた構成を採用している。このような構成が採用されていることにより、撮像ブロック５０が断熱ケース２６により覆われた構成が採用されても、断熱ケース２６の内部にて固体撮像素子の自己発熱による熱量を放熱シート８により放熱させることができる。従って、上記第１実施形態の構成に比してさらに高い固体撮像素子の温度上昇の抑制効果を得ることができる。例えば、断熱ケース２６が用いられていない場合を基準として考えた場合、上記第１実施形態の構成では、２〜３℃程度の温度抑制効果を得ることができる。本第２実施形態では、さらに放熱構造を付加した構成が採用されているため、さらに高い温度抑制効果を得ることができる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

従来の３板式カラーカメラにおける撮像ブロックの模式構成図 本発明の第１実施形態にかかる撮像ブロックの模式構成図 第１実施形態の撮像装置の概略構成図 第１実施形態の撮像ブロックに断熱ケースを装備した状態の模式図 図４の断熱ケースの外側からの模式斜視図 図４の断熱ケースの内側からの模式斜視図 本発明の第２実施形態にかかる放熱構造を備えた撮像ブロックの模式構成図

符号の説明

１ ３色分解プリズム
１ｒ プリズム部材（赤色）
１ｇ プリズム部材（緑色）
１ｂ プリズム部材（青色）
２ｒ 固体撮像素子（赤色用）
２ｇ 固体撮像素子（緑色用）
２ｂ 固体撮像素子（青色用）
３ｒ 撮像素子基板（赤色用）
３ｇ 撮像素子基板（緑色用）
３ｂ 撮像素子基板（青色用）
４ 接合部
５ 接合部
６ａ 原色の光束（赤色用）
６ｂ 原色の光束（緑色用）
６ｃ 原色の光束（青色用）
７ 光束
８ 放熱シート
１０、２０、５０ 撮像ブロック
２１ プリズムベース
２２ レンズ鏡筒
２３ 基板
２４ ＩＣチップ
２５ 撮像装置
２６ 断熱ケース
２６ａ 表面処理（外側表面）
２６ｂ 表面処理（内側表面）

Claims (6)

1. 固体撮像素子とプリズムとが接合された固体撮像デバイスと、
   画像情報の処理を行う画像処理回路を含む発熱体と、
   上記固体撮像素子と上記発熱体との間に配置された熱遮蔽部材とを備えることを特徴とする撮像装置。
2. 上記熱遮蔽部材は上記固体撮像デバイスを囲んで配置される、請求項１に記載の撮像装置。
3. 上記熱遮蔽部材における上記発熱体と対向する表面に、輻射率を低くする表面処理が施されている、請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 上記熱遮蔽部材における上記固体撮像素子と対向する表面に、輻射率を高める表面処理が施されている、請求項１から３のいずれか１つに記載の撮像装置。
5. 上記熱遮蔽部材は、高熱伝導性材料により形成される、請求項１から４のいずれか１つに記載の撮像装置。
6. 上記固体撮像素子に固定された第１固定部と、別の部材に固定された第２固定部とを有し、高熱伝導性材料により形成された箔状の放熱シートをさらに備える、請求項１から５のいずれか１つに記載の撮像装置。

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