JP5617898B2

JP5617898B2 - 撮像装置

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Publication number: JP5617898B2
Application number: JP2012243108A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　達彦; 達彦齋藤; 山口　英之; 英之山口; 小林　亮一; 亮一小林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2032-11-02
Also published as: EP2916536A4; WO2014069365A1; EP2916536A1; JP2014093660A; US20150054961A1

Description

本発明は、撮像装置に関する。

静止画像や動画像を撮像するデジタルカメラでは、２次元配列された複数の画素に対して入射する撮像対象物からの入射光を受光し光電変換して出力する撮像のための受光素子（イメージセンサ）が用いられる。赤外域で使用される受光素子は常温では遮光時の暗電流が大きいため、一般的に電子冷却等によって低温にして用いられることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１１５５９６号公報

ここで、受光素子の温度が変化すると遮光時における受光素子からの信号の出力値（暗電流値）が変化する。具体的には、受光素子の温度が上がれば画像は白っぽくなり、逆に温度が下がれば暗くなる傾向がある。特に、ハイパースペクトル画像の撮像の場合には、受光素子の温度変化は取得されたスペクトルに直接影響する。このため、安定した精度の画像を得るためには、遮光時における受光素子からの出力値の変動を小さくすることが求められている。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、遮光時における受光素子からの信号の出力値の変動をより小さくすることが可能な撮像装置の提供を目的とする。

発明者らは鋭意検討の結果、受光素子の周辺の環境温度の変化が受光素子の冷却効果に影響を与えることを見出した。具体的には、受光素子の温度変動をより小さくするためには、受光素子の周辺の温度に基づいて受光素子の冷却を制御することが好適であることが判明した。

すなわち、本発明に係る撮像装置は、撮像対象物からの光を受光する受光素子と、受光素子が内部に設けられた筺体と、筺体の内部のうち受光素子が設けられた空間の温度を測定する空間温度センサと、受光素子の温度を測定する受光素子温度センサと、受光素子温度センサにより測定される受光素子の温度が所定の温度となるように、受光素子を冷却する冷却手段と、受光素子の温度を一定に保つための空間の温度と設定温度との対応関係に係る情報が記憶された温度情報記憶手段と、空間温度センサにより測定された空間の温度に基づいて、温度情報記憶手段を参照して当該空間の温度に対応する設定温度を取得し、受光素子温度センサにより測定される受光素子の温度が当該設定温度となるように冷却手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

上記の撮像装置によれば、空間温度センサによって受光素子が設けられた空間の温度が測定された後、温度情報記憶手段に記憶された受光素子の温度を一定に保つための空間の温度と設定温度との対応関係に係る情報に基づいて、受光素子の温度が空間の温度に対応した設定温度となるように、冷却手段による冷却の制御が行われる。したがって、空間の温度が変動した場合であっても受光素子の温度を一定に保つように冷却することができ、周辺の環境温度に関係なく遮光時における受光素子からの信号の出力値の変動をより小さくすることができる。

ここで上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、空間は、筺体の内壁と、受光素子が取り付けられた基板と、により形成され、空間温度センサは、基板上に取り付けられている態様が挙げられる。

また、上記作用を効果的に奏する他の構成として、空間温度センサは、筺体の内壁に取り付けられている態様が挙げられる。

本発明によれば、遮光時における受光素子からの信号の出力値の変動をより小さくすることが可能な撮像装置が提供される。

本発明の実施形態に係る撮像装置であるデジタルカメラの構成を説明する模式図である。図１のデジタルカメラに含まれる受光素子の内部構造を説明する図である。図１のデジタルカメラに含まれる回路構成について説明するブロック図である。基板温度を変化させた場合の遮光時カメラ出力がどのように変化するかを評価した結果（積算時間９ｍｓ）である。基板温度を変化させた場合の遮光時カメラ出力がどのように変化するかを評価した結果（積算時間３０ｍｓ）である。空間Ａの温度が２５℃であって、受光素子温度を−７７℃に設定する場合の基板温度と受光素子最適設定温度の関係を示した図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る撮像装置であるデジタルカメラの構成を説明する模式図である。また、図２は、図１のデジタルカメラに含まれる受光素子の内部構造を説明する図である。また、図３は、図１のデジタルカメラに含まれる回路構成について説明するブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係るデジタルカメラは、筺体２と、レンズ３と撮像素子４と、アナログ回路基板５と、デジタル回路基板６と、冷却用フィン７と、ファン８と、空間温度センサ９と、を含んで構成される。なお、本実施形態では、デジタルカメラでも特に受光素子を冷却して使用するカメラについて説明をする。また、本発明を適用可能な撮像装置としては、例えば、一般的なデジタルカメラ、撮像対象物の性質・物性を示す反射スペクトルを取得するハイパースペクトルカメラ等が挙げられる。

デジタルカメラ１は、筺体２の外側からレンズ３を経て入射した光を筺体２内部に設けられた撮像素子４で受光し、これをアナログ回路基板５及びデジタル回路基板６上の回路でＡ／Ｄ変換した後に、補正等の処理を行った後に、画像情報としてモニタ等に出力する機能を有する。アナログ回路基板５は、撮像素子４及び空間温度センサ９が取り付けられると共に、撮像素子４により受光された光に係る情報をアナログ処理した後にＡ／Ｄ変換する回路が取り付けられた基板である。また、デジタル回路基板６は、アナログ回路基板５から送られた情報をデジタル処理した後に外部に出力するためのデジタル回路が取り付けられた基板である。

撮像素子４は、アナログ回路基板５上の一方の主面（表面）に取り付けられる。また、表面とは逆側の主面（裏面）には、アナログ回路基板５に取り付けられた撮像素子４を含む各素子・回路を冷却するための冷却フィン７が取り付けられている。さらに、筺体２の内部には、冷却フィン７を冷却するためのファン８が取り付けられていて、ファン８の駆動によって冷却フィン７が冷却されることで、撮像素子４からの放熱が行われる。また、アナログ回路基板５には、撮像素子４が露出された空間Ａ（図１にて斜線で示す領域）の温度を測定する空間温度センサ９が取り付けられる。この空間温度センサ９により測定される空間Ａの温度は撮像素子４の冷却の制御に用いられるが、この点は後述する。

撮像素子４の構造について図２を用いて説明する。図２に示すように、撮像素子４は、接続ピン４１によりアナログ回路基板５に対して固定されていて、光を受光する半導体受光素子４３（受光素子）、読み出し回路であるＲＯＩＣ（Read out IC）４５、中継基板４７、及び電子冷却素子４９（冷却手段）がレンズ３側からこの順となるように積層されている。

半導体受光素子４３は、受光した光の信号を電気信号に変換する機能を有する。半導体受光素子４３としては、例えば、二次元配列したＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）受光素子やタイプＩＩ量子井戸型受光素子が用いられる。なお、本実施形態のデジタルカメラ１では、半導体受光素子４３は、０．７５μｍ〜３．０μｍの波長範囲の近赤外光を受光することを想定している。

ＲＯＩＣ４５は、半導体受光素子４３において光を受光することで発生した電気信号を読み出す機能を有すると共に、半導体受光素子４３の温度をモニタする機能を有する。中継基板４７は、ＲＯＩＣ４５により読み出された電気信号をアナログ回路基板５に転送する機能を有する。電子冷却素子４９としては例えばペルチェ素子が用いられ、接続部材４７を介してＲＯＩＣ４５、半導体受光素子４３を冷却する機能を有する。電子冷却素子４９は、後述のカメラ制御部の受光素子温度制御回路からの指示された設定温度となるように駆動する。

次に、図３を用いて、アナログ回路基板５及びデジタル回路基板６上の各機能部について説明すると共にデジタルカメラ１における撮像画像の出力について説明する。図３では、アナログ回路部５Ａとデジタル回路部６Ａとが示されている。アナログ回路部５Ａに記載されている回路及び素子は、アナログ回路基板５に取り付けられているものであり、デジタル回路部６Ａに記載されている回路及び素子は、デジタル回路基板６に取り付けられているものである。

まず、撮像対象物Ｏからの光は、アナログ回路部５Ａの半導体受光素子４３により受光される。そして、撮像対象物Ｏからの光を受光することで半導体受光素子４３から出力される電流は、ＲＯＩＣ４５によって読み出され、後述のタイミング信号に同期して数万画素のデータが時系列でシリアルに電圧信号として出力される。この電圧信号は、増幅回路４１１により増幅され、Ａ／Ｄ変換素子４１２によりＡ／Ｄ変換された後に画像信号処理回路６０３へ送られる。

また、ＲＯＩＣ４５に含まれる受光素子温度センサによる受光素子の温度に係る情報は増幅回路４０１により増幅され、Ａ／Ｄ変換素子４０２により変換された後に受光素子温度制御回路６０１へ送られる。同様に、空間温度センサ９により測定された空間Ａの温度に係る情報は、増幅回路９０１により増幅され、Ａ／Ｄ変換素子９０２に変換された後に受光素子温度制御回路６０１へ送られる。

デジタル回路基板６上のデジタル回路部６Ａには、カメラ制御部６０（受光素子温度制御回路６０１、ＲＯＩＣ制御回路６０２、画像信号処理回路６０３）（制御手段）、ＮＵＣデータ記憶素子６０４、最適設定温度記憶素子６０５（温度情報記憶手段）、タイミング信号発生回路６０６、画像信号出力回路６１１が含まれる。

カメラ制御部６０の受光素子温度制御回路６０１は、空間温度センサ９からの空間Ａの温度情報を取得し、その温度に対応した受光素子４３の最適設定温度を最適設定温度記憶素子６０５から読み出すとともに、受光素子温度センサ（ＲＯＩＣ４５）からの半導体受光素子４３の温度情報とを取得し、受光素子の温度を最適設定温度と一致させる様に電子冷却素子４９の冷却能力（電流値または電圧値）をフィードバック制御する機能を有する。

ＲＯＩＣ制御回路６０２は、タイミング信号発生回路６０６からの信号に基づいて、Ｃｌｏｃｋ、Ｌｓｙｎｃ、ＦｓｙｎｃなどのＲＯＩＣが要求するタイミング信号を生成し、これらタイミング信号とＲＯＩＣ制御に必要なアナログ電圧信号を併せてＲＯＩＣに送信して、ＲＯＩＣ７５の動作を制御する回路である。ＣｌｏｃｋはＲＯＩＣ動作の基本となるタイミング信号であり、Ｌｓｙｎｃは一ラインの頭のタイミング信号、Ｆｓｙｎｃは一画面の頭のタイミング信号である。

画像信号処理回路６０３は、撮像対象物Ｏの撮像により得られた画像信号を補正して出力する回路である。具体的には、ＲＯＩＣ４５から送られた撮像対象物Ｏに係る信号を取得すると共に、画像補正を行うための情報をＮＵＣデータ記憶素子６０４から取得し、これに基づいて補正が行われた補正後の画像信号を生成する機能を有する。画像信号処理回路６０３によって、生成された信号は、画像信号出力回路６１１によりＮＴＳＣやｃａｍｅｒａｌｉｎｋなどの出力形式に変換され、外部（例えば、モニタ）へ出力される。

ＮＵＣデータ記憶素子６０４は、画像信号処理回路６０３における画像信号の補正に係る情報を記憶している素子である。ここで記憶されている情報としては、例えば、画素毎の特性に応じた補正に係る情報や、予め把握している初期不良を補正するための情報が挙げられる。

ここで、半導体受光素子４３における温度設定について説明する。一般に、近赤外域、特に１．７μｍを超える波長領域に感度を持つ半導体受光素子はバンドギャップが浅くフォノンによる励起を受けやすいことから、室温では暗電流が大きくなってしまい画像撮影素子としては使用することが困難である。そのため、受光素子を低温（例えば、−６０℃以下）に冷却して使用される。本実施形態のデジタルカメラ１においても、電子冷却素子４９によって半導体受光素子４３を冷却することで、半導体受光素子４３が低温に保たれる。

半導体受光素子４３の温度が変化すると、暗電流値が変化することで半導体受光素子４３からの信号レベル（電流値）が変化する。ここで、半導体受光素子４３の温度が上昇した場合には画像は白っぽくなり、逆に温度が低下すれば暗くなる。いずれの場合であっても撮像対象物に係る画像の色相又は色調が変化し、綺麗な画像が得られなくなる。

このような半導体受光素子４３を用いて暗電流値の変化による影響が小さい画像を得るためには、半導体受光素子４３を一定温度に保つ必要がある。特に、一般的なデジタルカメラと比較して正確な出力値が要求されるハイパースペクトル画像の撮影においては、受光素子の温度の変動に由来する暗電流値の変化はノイズとして撮像データに対して大きく影響するため、より精密な温度制御が望まれる。具体的には、ハイパースペクトル撮影の場合、取得されるスペクトルの精度を上げるためには、半導体受光素子の温度を±０．１℃程度で制御することが望まれる。

半導体受光素子４３の温度に係る情報は、ＲＯＩＣ４５に付随する受光素子温度センサからの電気信号（出力電圧）を増幅回路４０１で増幅した上で受光素子温度制御回路６０１によって取得される。ここで、半導体受光素子４３の温度変動が±０．１℃である場合、これを出力電圧に換算すると±０．２ｍＶ程度となる。しかしながら、一般的な電子回路ではノイズレベルが数ｍＶであることから、±０．２ｍＶの変動を正確に読み取るためには、数千回測定の平均値を取る等の処理を行ってノイズの影響を減らすことが必要となる。しかし、このような平均処理を行って受光素子の温度測定精度を向上させたとしても、制御基板であるアナログ回路基板５の温度が変われば、回路定数が僅かに変化するために、実際の制御温度が変化してしまう。

例えば、半導体受光素子４３の設定温度を制御回路側では−６０℃とした場合に、ＲＯＩＣ４５に付随する受光素子温度センサからの出力電圧が５００ｍＶであって、これを増幅回路４０１において１０倍に増幅することで増幅後の出力電圧が５Ｖになっていると仮定する。この場合、受光素子温度制御回路６０１は、増幅後の出力電圧が５Ｖで一定値になるように、電子冷却素子４９を制御する。

ここで、アナログ回路基板５の温度が変化して増幅回路４０１による増幅率が僅かに小さくなったとする。具体的には、受光素子温度センサからの出力電圧が５００ｍＶである場合に、増幅率の低下によって増幅後の出力電圧が５Ｖから４．９Ｖになった場合を考える。この場合、受光素子温度制御回路６０１は、増幅後の出力電圧が５Ｖとなるように半導体受光素子４３の冷却をするように、電子冷却素子４９の制御を行う。その結果、受光素子温度制御回路６０１は、受光素子の温度センサにおける出力値が５１０ｍＶとなるように制御されてしまう。つまり、受光素子温度制御回路６０１において半導体受光素子４３の温度制御に用いられている増幅回路４０１による増幅後の出力電圧が一定値となるように設定をしていても、実際の基板温度の影響等を受けて半導体受光素子４３の温度は変化してしまう。これにより、半導体受光素子４３における暗電流値が変化する可能性があり、得られる画像の精度が悪化することになる。

上記では、受光素子温度センサから出力された電圧値を増幅する増幅回路４０１の増幅率がアナログ回路基板５の基板温度に依存して変化する場合の説明を行った。しかし、実際には、アナログ回路基板５の基板温度に依存して変化するパラメータは増幅回路４０１の増幅率のみではなく、例えば、受光素子温度センサや空間温度センサ９の駆動電圧等も変化することも考えられる。基板温度の変化によるこれらの変化は、いずれの半導体受光素子４３の温度変化を引き起こす可能性があり、その結果暗電流値がドリフトする可能性がある。すなわち、撮像中に半導体受光素子４３の周辺環境の温度が変化することによって、アナログ回路基板の温度が変化し、上記の問題が発生する。したがって、特にハイパースペクトル画像の精度を上げるためには、環境温度が変化した場合の暗電流値の変動を抑制する必要がある。

そこで、本実施形態に係るデジタルカメラでは、環境温度に応じて受光素子温度制御回路６０１による受光素子を冷却するための設定温度を決定する構成とすることで、環境温度の変化に由来する暗電流値の変動を抑制する構成とした。

本実施形態に係る半導体受光素子４３における周辺環境とは、筺体２に周囲を囲われて、半導体受光素子４３が取り付けられたアナログ回路基板５が取り付けられた空間Ａになる。そこで、空間Ａの温度に対する半導体受光素子の最適制御温度である設定温度を予め測定しておき、これを最適設定温度記憶素子６０５に記憶しておく。そして、空間Ａの温度を空間温度センサ９で測定し、最適設定温度記憶素子６０５を参照することで、測定された空間Ａの温度に対応する設定温度の情報を取得し、半導体受光素子４３の温度センサにより測定される半導体受光素子４３の温度が取得された設定温度となるように電子冷却素子４９における冷却を行う。これにより、基板の温度等の環境温度が変化した場合であっても半導体受光素子４３の温度制御をより精密に制御することが可能となり、暗電流値の変動を抑制することが可能となる。

上記の構成を有することで、本実施形態に係るデジタルカメラ１において遮光時における受光素子からの出力値（暗電流値）の変動が好適に抑制されることを以下の実施例で説明する。

図４，５は、半導体受光素子の温度制御を上述の方法で補正した場合と補正しなかった場合とについて、空間Ａの温度を変化させることで基板温度（アナログ回路基板５の温度）を変化させた際に遮光時カメラ出力がどのように変化するかを評価した結果である。

図４は、フレームレート１００Ｈｚ、積算時間９ｍｓの条件で、環境の温度を０、１０、２０、３０，４０℃と変化させた場合のアナログ回路基板の温度（空間Ａの温度）と遮光時カメラ出力との関係を評価したものである。（この時、環境の温度に対応して空間Ａの温度は１４、２４、３４、４５、５７となっていた。）このうち、補正前とは、従来の方法、すなわち、半導体受光素子の温度センサにより測定された半導体受光素子の温度情報を利用して、半導体受光素子の冷却を行った場合である。また、補正後とは、空間Ａの温度を空間温度センサ９により測定し、この値に基づいて、上述したように電子冷却素子４９による冷却を制御した場合である。ここで、半導体受光素子４３は、補正前においては、一定値−７７℃を目標として制御した。補正後においては図６に示す温度を目標として制御した。なお、遮光時カメラ出力とは、レンズを遮光した状態での半導体受光素子からの出力値であり、すなわち、暗電流値に対応するものである。

図５は、フレームレート３０Ｈｚ、積算時間３０ｍｓの条件で、環境の温度を０、１０、２０、３０，４０℃と変化させた場合のアナログ回路基板の温度（空間Ａの温度）と遮光時カメラ出力の関係を評価したものである。半導体受光素子４３は、補正前においては、一定値−７７℃を目標として制御した。補正後においては図６に示す温度を目標として制御した。

図６は、遮光時の出力が一定になるように受光素子の最適設定温度を基板温度（空間Ａの温度）の関数として変化させる際の基板温度と受光素子最適設定温度の関係を示した一例である。図６では、環境温度が２５℃（基板温度は４０℃）の時に、受光素子温度が−７７℃となる場合を例示したものであり、受光素子の設定温度を基板温度の関数として変化させることで、図４、図５に示すように遮光時の出力変動を抑制することができた。

積算時間９ｍｓの図４では、補正後の遮光時カメラ出力変動は補正前に比べて小さくなっており、本発明の有効性が確認できるが、その効果は比較的小さく見える。しかしながら、積算時間３０ｍｓの図５では、補正前の遮光時カメラ出力変動が大きいために、その効果が大きく見える。このように、本実施形態の調整方法によれば、何れの場合にも補正前に比べて補正後の方が遮光時のカメラ出力の基板温度に対する変動が小さくなっており、本発明の有効性が確認できる。なお、環境温度に対する遮光時カメラ出力の変動量は積算時間が長いほど大きくなるため、本実施形態に係る半導体受光素子の温度の制御は、図５の例のように積算時間の長い撮像条件において特に効果を発揮する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず種々の変更をすることができる。

例えば、空間Ａを測定するための空間温度センサ９について、上記実施形態では、アナログ回路基板５に取り付けられていたが、筺体２の内壁に取り付けられている構成とすることもできる。

また、上記実施形態では、近赤外領域に感度を持つデジタルカメラについて説明したが、上記の受光素子の温度制御に係る方法は、他の波長範囲に感度を持つデジタルカメラに適用することもできる。

１…デジタルカメラ、２…筺体、３…レンズ、４…受光素子、５…アナログ回路基板、９…温度センサ。

Claims

撮像対象物からの光を受光する受光素子と、
前記受光素子が内部に設けられた筺体と、
前記筺体の内部のうち前記受光素子が設けられた空間の温度を測定する空間温度センサと、
前記受光素子の温度を測定する受光素子温度センサと、
前記受光素子温度センサにより測定される前記受光素子の温度が所定の温度となるように、前記受光素子を冷却する冷却手段と、
前記受光素子の温度を一定に保つための前記空間の温度と設定温度との対応関係に係る情報が記憶された温度情報記憶手段と、
前記空間温度センサにより測定された前記空間の温度に基づいて、前記温度情報記憶手段を参照して当該空間の温度に対応する前記設定温度を取得し、前記受光素子温度センサにより測定される前記受光素子の温度が当該設定温度となるように前記冷却手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
前記空間は、前記筺体の内壁と、前記受光素子が取り付けられた基板と、により形成され、
前記空間温度センサは、前記基板上に取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
前記空間温度センサは、前記筺体の内壁に取り付けられている
ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。