JPH0432590B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、CCD、シリコンダイオードアレイ、
MOSトランジスタアレイ、CID等を用いた固体
撮像装置に関する。

上述のような固体撮像素子は、一般にシリコン
半導体基板上に形成されている。しかしシリコン
を半導体材料とする半導体素子は、良く知られて
いるように暗電流が常温でも10nA程度と比較的
多い上に、10℃の温度上昇によつて暗電流は約２
倍に増加する。このためシリコンを用いた固体撮
像素子では、暗電流に起因するノイズ成分が温度
に依存して増減する不都合が生ずる。換言すれ
ば、撮像素子に入射する光が一定であれば、一定
レベルの撮像出力信号のＳ／Ｎが温度に依存し、
従つて、感度が温度依存性を持つことになる。

またCCDのような固体撮像装置では、暗電流
が時間経過に伴つて蓄積され、解像度が劣化する
ことが知られている。例えば、Ｘ線写真装置の螢
光面のような微弱な光学情報をCCDを通して電
気的に読出す場合、螢光面からの入力光量は極度
に低照度であるから、十分な画像情報を取出すた
めにCCDへの露光を長時間行う必要がある。と
ころが素子の暗電流はCCDのポテンシヤル井戸
に時間の経過に伴つて蓄積され、結局、読出され
た画像信号のＳ／Ｎが劣化する。

従つて、CCDのような固体撮像素子の光−電
荷変換効率は、通常の温度範囲では温度にあまり
依存しないことを考えると、CCDが形成された
半導体基板の温度を低下させることにより、撮像
感度を大巾に向上させることが可能である。特願
昭56−37751号公報には、この目的に関する１つ
の技術的手段が開示されている。

ところがCCDの温度を低下させるには、大き
な電力消費を必要とする上、露滴の問題が生ず
る。

本発明は、この問題にかんがみ、冷却効率を向
上させて消費電力の低減を図ると共に、露滴の問
題を回避し得るようにすることを目的とする。

以下本発明の実施例を図面に基いて説明する。
第１図は本発明を適用した固体撮像装置の光軸に
沿つた縦断面図である。この撮像装置は、例え
ば、Ｘ線写真装置の螢光面のような微弱な光学情
報をCCDカメラを通して電気的に読出し、磁気
シートレコーダ等に記録するようなシステムに用
いるために考えられたものであるが、勿論、一般
的用途にも供し得るものである。この場合、入力
光量は極度に低照度であるから、CCDの暗電流
を最小に押えて感度を最大にする必要がある。

第１図において、半導体基板１上にはCCD等
の固体撮像素子が形成されている。半導体基板１
は熱導体（例えば金属）の半導体取付基板２に固
着され、この半導体取付基板２は、断熱材で形成
された円筒または角筒形状の保持部材３の内壁面
に断熱された状態で保持される。半導体基板１の
撮像面の上部には、ガラス等の透明板４が枠体５
を介して前記保持部材３の前面の開口部を密閉し
て蓋うように固定されている。

保持部材３の背面側には、その背面側開口を蓋
う如くにダイアフラム保持部材６が取付けられ、
その中央部の開口を密閉するように可撓性のシー
ル部材としてダイアフラム７が取付けられてい
る。ダイアフラム７はその中央部の開口において
熱伝導軸８を挿通・保持している。ダイアフラム
７と軸８とは気密リング９によつて密着固定され
る。なお熱伝導軸８は、棒状の金属または熱伝導
物質を封入したヒートパイプであつてよい。

熱伝導軸８は、軸受部材１０によつて摺動自在
に保持され、その半導体取付基板２の側の一端に
は熱伝導の良い受熱板１１が固定され、また他端
には放熱フイン１２が固定されている。

なお半導体基板１上の撮像素子の出力は信号線
１６を介して、端子１７に導出される。この場
合、撮像素子の出力は直接に取出されてもよい
が、半導体基板１上に増巾回路を形成し、この増
巾回路で出力信号を増巾してから端子１７に導出
してもよい。

上述の第１図の構成によれば、筒状の保持部材
３の内壁、前面側開口を蓋う透明板４、背面側開
口を蓋うダイアフラム７及びダイアフラム保持部
材６でもつて、密閉された空洞１３が形成され
る。この空洞１３の内部は、空気抜き栓１４がは
め込まれた穴から空気を排出することによつて減
圧されている。このため半導体取付基板２には、
その前面側と背面側とを連通させる複数の孔１８
が形成されている。空洞１３内は完全に真空であ
る必要はなく、例えば0.1気圧程度の減圧であつ
てよい。

減圧された空洞１３内の受熱板１１と、外部の
放熱フイン１２とを結合している熱伝導軸８は、
ダイアフラム７を介して取付けられているので、
密閉・減圧状態を保つたまま、半導体取付基板１
１の背面と受熱板１１の表面とを接離自在に外部
から操作できるようになつている。

次に第１図の固体撮像装置の動作を説明する。
まず熱伝導軸８を操作して半導体取付基板２に受
熱板１１を接触させて、CCDが設けられた半導
体基板１から熱を十分に放出させる。次に半導体
基板２から受熱板１１を離す。この状態では、半
導体基板１及び半導体取付基板２は周囲から熱的
にほぼ完全に遮断される。すなわち、構造部材を
伝わる熱伝導は、熱絶縁体である保持部材３を通
しての無視できる程度の極めて低いレベルであ
り、また空洞１３内の空気が排出されているか
ら、対流伝熱も極めて低いレベルである。従つ
て、CCDへの通電による自己発熱以外の温度上
昇要因は殆んど無く、長時間にわたつて半導体基
板の温度を低く保つことができる。

次にCCDを露光し、光情報が十分に電荷に変
換された状態で、CCDに読出しのための通電を
行つて、画像情報を読出す。読出しに要する時間
は１フレーム期間（１／30秒）であるから、この
期間のみ通電を行えば、CCDの自己発熱は最小
に押えられる。

CCDカメラを何回か操作してその自己発熱に
よつて基板１の温度が上昇し、暗電流レベルが増
加した場合、再び半導体取付基板２に受熱板１１
を接触させて放熱を図る。この場合、暗電流レベ
ルを測定してその値または或る一定値を越えたこ
とを表示させ、この表示に基いて受熱板１１、熱
伝導軸８及び放熱フイン１２からなる冷却装置を
操作するように構成してもよい。

第２図は本発明の別の実施例を示す同様な縦断
面図である。第２図では、熱伝導軸８と放熱フイ
ン１２との間にペルチエ効果またはトムソン効果
を利用した熱電素子１９が介在され、この熱電素
子１９に電流源２０から電流を流して半導体基板
１及び半導体取付基板２を冷却するように構成さ
れている。他の構造は第１図と同じである。

第２図の構成によれば、半導体基板１を−50℃
程度に保つことができ、CCDの暗電流を十分に
小さくして読出し画像の解像度を十分に高くする
ことができる。半導体取付基板２と受熱板１１と
を接触させると共に、熱電素子１９に通電して半
導体基板１を一旦冷却し、冷却装置と基板２とを
分離すれば、既述のように半導体基板１に流入す
る熱は十分に遮断され得るから、冷却状態を長時
間にわたつて保つことができる。またCCDの読
出し時の通電は既述のように１フレーム画面につ
き１／30秒であるから、これによる自己発熱も極
めて微小である。

また熱電素子１９への通電は、冷却時のみで良
いから、その電力消費を十分に小さく押えること
が可能である。

更に、半導体基板１の周囲の空気が排出されて
いるから、基板温度が−50℃程度であつても、基
板表面に露滴が付着することは無い。またCCD
の前面側の透明板４は室温と同じであるから、そ
の前面及び背面に露滴が付着することも防げる。

既述のように半導体基板１の暗電流を検出し
て、その検出結果に応じて冷却装置を操作または
動作させることができるが、これを自動制御にす
ることも可能である。すなわち、CCDの自己発
熱によつて暗電流レベルが一定の基準値を越えた
ならば、これを検出して電磁装置を動作させ、受
熱板１１が半導体取付基板２に接触するように冷
却装置を往動させる。これと共に、スイツチ素子
を動作させ、熱電素子１９に通電を行う。暗電流
レベルが基準値よりも低下したならば、上述の電
磁装置及びスイツチ素子をオフにする。

第２図の変形例として、CCDが設けられた半
導体基板１を熱電素子１９の冷却面に取付け、こ
れらの半導体基板１と熱電素子１９とを第１図ま
たは第２図のように保持部材３で保持した状態で
減圧された空洞１３内に配置してもよい。この場
合、第１図と同様な構造の冷却装置が熱電素子１
９の放熱面に接離自在に設けられるのが望まし
い。

次に第３図は、更に別の実施例を示す固体撮像
装置の縦断面図である。この例では、熱電素子１
９が外部からの操作で半導体取付基板２に直接に
接触され、また離間されるような構造となつてい
る。熱電素子１９は２重構造になつていて、縦長
の半円筒形の異種金属１９ａ，１９ｂとが接合さ
れて１つの熱電素子が形成され、更にこれらの金
属１９ａ，１９ｂの夫々に偏平な半円筒形の異種
金属１９ｃ，１９ｄが接合されて、金属１９ａと
１９ｃとで１つの熱電素子、金属１９ｂと１９ｄ
とで更に１つの熱電素子が形成されている。金属
１９ａ，１９ｂが吸熱側であり、金属１９ｃ，１
９ｄが放熱側である。

本発明の固体撮像装置は、固体撮像素子（半導
体基板１）が配置された取り付け基板２と、この
取り付け基板を外気から隔離すると共に気圧を低
く保つ保持部材３，６と、この保持部材に設けら
れ、上記固体撮像素子が対向する面に設けられた
透明板４と、上記取り付け基板２の近傍に設けら
れ、熱を逃がす受熱板１１と、この受熱板１１に
接触すると共に上記保持部材３，６を貫通し上記
受熱板よりの熱を伝導する軸部材８と、上記保持
部材における上記軸部材８の貫通部分に設けられ
た可撓性のシール部材（ダイアフラム７）とを備
え、上記保持部材の内部を減圧したまま上記軸部
材を作動させて上記取り付け基板２と受熱板１１
とを接触及び離間させることを特徴とする。

この構成によると、放熱時のみ取り付け基板２
と受熱板１１とを接触させ、通常は取り付け基板
２と受熱板１１とを離間させて撮像素子を完全に
断熱状態に保つことができるので、撮像素子の自
己発熱以外の温度上昇要因が殆どなく、長時間に
わたつて撮像素子の温度を低く保つて、暗電流の
増大に起因する画像出力のＳ／Ｎ劣化を軽減する
ことができる。また熱電素子を用いて強制冷却す
る場合でも、熱電素子を常に通電する必要が無い
ので、冷却効率が著しく改善され、消費電力を大
巾に低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の固体撮像装置の１つの実施例
を示す光軸に沿つた縦断面図、第２図及び第３図
は夫々別の実施例を示す第１図と同様な縦断面図
である。 なお図面に用いられた符号において、１……半
導体基板、２……半導体取付基板、３……保持部
材、４……透明板、６……ダイアフラム保持部
材、７……ダイアフラム（シールド部材）、８…
…熱伝導軸、１１……受熱板、１２……放熱フイ
ン、１３……空洞、１９……熱電素子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固体撮像素子が配置された取り付け基板と、 この取り付け基板を外気から隔離すると共に気
   圧を低く保つ保持部材と、 この保持部材に設けられ、上記固体撮像素子が
   対向する面に設けられた透明板と、 上記取り付け基板の近傍に設けられ、熱を逃が
   す受熱板と、 この受熱板に接触すると共に上記保持部材を貫
   通し上記受熱板よりの熱を伝導する軸部材と、 上記保持部材における上記軸部材の貫通部分に
   設けられた可撓性のシール部材とを備え、 上記保持部材の内部を減圧したまま上記軸部材
   を作動させて上記取り付け基板と受熱板とを接触
   及び離間させることを特徴とする固体撮像装置。