JPH0695732B2 - ビデオカメラ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、冷却器の消費電力を最小にして温度依存ノ
イズおよび暗電流を低減するために冷却される固体撮像
装置を含むカメラに関する。

〔発明の背景〕

最近、固体撮像装置（ソリッド・ステート・イメージ
ャ）を持つ可搬テレビジョンカメラが市場に現れつつあ
る。このカメラは極めて丈夫で、しかも小型、低電力
で、その撮像装置の経年劣化がないため、特に可搬カメ
ラとして極めて有利である。しかしながら、このカメラ
にも通常の撮像管を用いたカメラに比して若干の欠点が
ある。その欠点の１つは、固体撮像装置特有の性質によ
るノイズや高レベルの漏洩電流のような画像を表すもの
ではない不所望な信号成分（以下では非画像表示信号成
分または非画像表示ノイズと称す）が発生することであ
る。この性質は光がないときでも温度依存性の空間的に
不均一な黒レベル漏洩電流すなわち暗電流成分を表わす
信号を発生させる。この暗電流の不均一性のため再生さ
れる画像の黒レベルのシェージングや色ずれを生ずる。
温度依存性の信号源と空間的に不均一な暗電流によるノ
イズの問題は動作中に撮像装置とそれに関連する回路内
の消費電力によって悪化する。これらの消費電力は、カ
メラ外部の周囲空気温度より撮像装置の温度を約30℃も
高くすることがある。

ノイズや暗電流のような温度に依存する前記の不所望な
非画像表示信号成分は温度上昇と共に増大する。また、
被写体照度の低い状態でカメラを動作させると、撮像装
置に達する光量が基準レベルより低くなって、撮像装置
から供給される画像表示信号のレベルが低下する。従っ
て、固体撮像装置を含むカメラが通常の照明下の室温で
動作するとき良好なノイズ性能や黒レベルのシェージン
グを示すことがあっても、周囲光の下で夜間または室内
撮影をするときの様な低照度では、ノイズ性能も黒レベ
ルシェージングも不充分になることがある。従って、低
照度の被写体に対してカメラを使用したとき固体撮像装
置の出力中に生ずる温度依存ノイズおよび暗電流レベル
を下げて、その出力に充分な信号対雑音比と黒レベルシ
ェージングが得られるようにするために、その撮像装置
を冷却することが望ましい。この冷却は公知のベルチエ
現象により電流を流すことによって被冷却面から熱エネ
ルギを運び去る固体装置とすることのできる熱電式冷却
器により達せられるが、冷却器を使用すると従来の真空
管式撮像装置に対する固体撮像装置を含むカメラ固有の
利点のいくつかが失われる。例えば、熱電式冷却器に要
する電力が増加するため、カメラの電源の消耗が増え
る。固体撮像装置を具えたカメラの大部分は可搬式で電
池で動作するから、冷却器の消費電力が増えると充電し
た電池によるカメラの稼働時間が減るという不都合が起
こる。固体撮像装置を所定温度に保つために熱電冷却器
を常時使用すると、冷却を削減または中止しても充分な
信号対雑音比が得られる状態でカメラを作動させるとき
は不必要な電力が消費される。従って、カメラの信号対
雑音比または黒レベル均一度性能を著しく犠牲にするこ
となく熱電式冷却器の電力消費を最小にすることが望ま
しい。

〔発明の概要〕

この発明では、固体撮像装置から熱を除去するためそれ
に冷却器が取付けられるが、この冷却器にはその撮像装
置の冷却を所定の温度動作点に調整するため熱サーボが
結合される。この熱サーボに結合された冷却制御手段で
その所定の温度動作点を撮像装置の非画像表示成分と被
写体表示出力信号との相対差に従って変えるようになっ
ている。

〔詳細な説明〕

第１図に示す実施例において、絞り11（および図示され
ないレンズおよび恐らくプリズムまたは回転シャッタ）
を含む光学系10は照明された被写体（図示せず）から反
射した光像を固体撮像装置（ソリッド・ステート・イメ
ージャ）12上に結像する。絞り11は通常の手段（図示せ
ず）で制御されて撮像装置12に達する光量を被写体の照
度変化に関係なく所要量に制御する。撮像装置12はよく
知られたフィールド転送型の電荷結合装置（CCD）型撮
像装置またはMOS型、等その他の形式の固体感知器とす
ることができる。クロック発生器14は多相クロック信号
を撮像装置12に供給して、該撮像装置12内に集積される
画像表示電荷の発生と、その電荷の撮像装置12から信号
回復回路16への出力としての転送を制御する。信号回復
回路16は相関２重サンプリング等のいくつかの公知の信
号回復技法の１つにより、撮像装置12から供給される電
荷サンプルから画像表示アナログ信号を発生する。この
信号回復回路16から供給されるアナログ信号は出力にNT
SC信号のような合成カラーテレビジョン信号を生成する
ための例えばシェージング、脱落（ドロップアウト）補
正、ガンマ補正、クランプ、消去等の通常のカメラ信号
処理回路網を含む信号処理回路18に伝送される。

信号処理回路18の入力部には利得が多接点スイッチS1に
より所定の相対レベルに選択的に制御される前置増幅器
20が設けられている。スイッチS1は第１図のカメラの感
度制御器に対応する。カメラの感度は通常、被写体照度
が低過ぎて絞り11を全開しても所要量より少ない光量し
か撮像装置12に達しない時に高められる。信号回復回路
16や前置増幅器20により発生され得る合成映像信号中の
ノイズを最小にするため、前置増幅器20を予め設定され
た例えば0dBの相対利得で動作させることが望ましい
が、例えば低照度の被写体の撮影時のように少ない光量
しか撮像装置12に達しないときには、カメラの感度を上
げるため、前置増幅器20の利得を例えば6dBや18dBにす
る。前置増幅器20の相対利得はその利得制御入力22に供
給される利得制御電圧レベルに応答して設定される。電
圧レベルは、安定化された電圧源＋Ｖ（カメラの電池か
ら供給される）と接地電位点のような基準電位点との間
に接続された抵抗R1と、スイッチS1の可動アームと、18
dB、6dB、0dBの各利得位置にそれぞれ結合された抵抗R
2、R3、R4とを含む分圧器24により生成される。

撮像装置12には熱電冷却器26が熱的に接触して設置され
ている。この冷却器26は直流を印加すると被冷却面から
熱を取去る公知のペルチエ型のものでよい。この冷却器
26を付勢する直流はカメラ用の電池27から取出され、そ
の値は熱サーボ28によって調整される。熱サーボ28は撮
像装置12に熱的に結合されてその温度を示す信号を比較
器32の反転入力に供給する温度感知器30を含んでいる。
利得調節回路24と同様に構成された抵抗R5、R6、R7、R8
と多接点スイッチS2を含む可変分圧器34が基準信号を比
較器32の非反転入力に供給し、この基準信号のレベルに
より熱サーボ28が撮像装置12の冷却を調整する所定の温
度設定点が確率される。すなわち、温度感知器30からの
温度を示す信号のレベルが、撮像装置12の温度が設定点
以上であることを示すと、比較的32が電流制御器36の制
御入力に指令信号を供給して、カメラの電池27から冷却
器26に直流を流してこれを付勢するようにする。冷却器
26により撮像装置12の温度が、温度感知器30からの温度
を示す信号のレベルが基準信号から所定範囲に入って撮
像装置の温度が所定の設定温度に達したことを示す点ま
で低下すると、比較器32は指令信号のレベルを制御器36
により冷却器26が除勢されるレベルまで変える。この発
明に使用し得る市販の熱電式冷却器の１例として、メル
カ（Melcor）社の小型セラミックモジュール「Erigichi
p（登録商標）」FCO6-66-06L型がある。

カメラを照明のよい室内の被写体または日中の戸外の被
写体のような通常光の状態で動作させるときは、撮像装
置12に達する光量が、撮像装置を全く冷却しなくてもそ
の出力信号の信号対雑音比が良好になる（すなわち、画
像表示信号電流に対して非画像表示ノイズおよび暗電流
が充分低くなる）ような値になる。しかし、前述のよう
にカメラを夜間または暗い照明で動作させると、温度依
存性の非画像表示ノイズおよび暗電流を減じて良好な信
号対雑音比性能を得るために撮像装置の冷却を要するこ
とがある。撮像装置を不必要に冷却することは電池の電
力を消費してカメラの可搬運転時間を短縮するため、特
に可搬式カメラのとき不都合である。この発明によれ
ば、撮像装置12を冷却するための熱サーボの調整点がカ
メラの感度設定を変える必要がある撮像装置に到達する
光量の変化に従って変えられる。従って第１図のスイッ
チS2の可動アームが（破線で示すように）スイッチS1の
可動アームの位置と連動して、基準信号のレベルが前置
増幅器20の利得設定の変化と同時に変わるようになる。
実際には前置増幅器20は信号対雑音比特性を最良にする
ため最低の相対利得設定（すなわち0dB）で動作するこ
とが望ましいから、カメラを比較的暗い照明の場所で動
作させるときはもっと高い利得位置すなわち6dBと18dB
しか用いられない。被写体の照度が低いときは撮像装置
12から供給される画像表示信号が低く、その信号に対す
る温度依存雑音のレベルの割合が大きいため、カメラの
信号対雑音性能が低下する。

例えば、560ルックスで65dBの信号対雑音比のとき良好
な性能が得られるが、室温（約23℃）で例えば70ルック
スの低い被写体照度レベルのときは、撮像装置12の出力
信号の信号対雑音比が約18dB低下して約47dBになる。撮
像装置12の温度を約32℃だけ下げると、温度依存性ノイ
ズと暗電流のレベルが約12dB低下して、良好な信号対雑
音比性能が再び得られるようになる。恐らく、さらに重
要なことは、暗電流が減少するほど良好なカメラ性能が
再現される点まで黒レベルシェージングを減じ得ること
である。このため、スイッチS1の可動アームが18dBの利
得位置のとき、スイッチS2が発生する基準信号のレベル
によって、撮像装置12の冷却が0dBの利得位置に対する
設定点より約32℃低い設定点に調整される。被写体の照
度が上昇すると、カメラの操作員はスイッチS1を逐次動
かして前置増幅器20の利得設定を下げ、これによってス
イッチS2が温度設定点を前置増幅器の相対利得0dBに対
応する点例えば23℃まで逐次上昇するようにする。

この発明の他の特徴として、熱サーボ28の指令信号に応
答する冷却器26の始動と停止が、合成映像信号の発生に
用いられる出力信号を撮像装置12が供給していないとき
に行われるようになっている。冷却器26の始動と停止
は、撮像装置12が拾い上げてその出力信号を不所望に汚
染する可能性のあるノイズを生ずることがあるから、上
記始動および停止の時期の選択は好ましい。推奨実施例
では、制御器36が冷却器26への電力の制御がテレビジョ
ンフィールド期間の垂直ブランキング期間内に行われる
ように同期する手段を含んでいる。次にこの同期手段を
第２図について説明する。

第２図は第１図の熱サーボ28の推奨実施例の詳細を示
す。ダイオード202（撮像装置12と集積可能）は−5V電
源に結合された抵抗204により順バイアスされる極性で
接続され、その陰極に抵抗204により供給される定電流
により温度変化に応じてレベルの変わる電圧を生成す
る。このダイオード202の陰極は例えばアール・シー・
エー社の型式CA3290Aのような通常の設計の比較器206の
反転入力に結合されている。抵抗208、210、212から成
る分圧回路は、その抵抗210と212との接続点に第１図の
スイッチS2の可動接片の温度設定用基準電圧を受ける。
抵抗208と210との接続点に生ずる電圧は比較器206の非
反転入力に供給され、抵抗210は製造中に室温における
ダイオード202の実際の電圧降下と比較器206の電圧オフ
セットを考慮して調節される。

ダイオード202が発生する感温電圧レベルが比較器206の
非反転入力の基準レベルを中心として変化すると、上記
比較器206は上記感温電圧レベルの変化に応答してその
出力レベルを低レベルから高レベルにまたはその反対に
変える。抵抗210と212との接続点に結合された第１図の
スイッチS2の可動アームは、比較器206の非反転入力に
供給される電圧レベルを、前述のように撮像装置12に達
する低い光量を補償するために行われるカメラの感度の
変更に応答して熱サーボ28の温度設定が変わるように低
下させる。＋5Vと−5Vの間に直列に接続された抵抗21
4、216、218、220を含む電圧シフト回路は抵抗216と218
との接続点に比較器206の出力信号を受けるが、比較器2
06はこの接続点の電圧を0Vと−5Vとの間で変化させる。
比較器206の出力レベルが0Vの高レベルのとき、抵抗214
と216との接続点に約＋3.5Vの高レベル信号を発生する
ための抵抗214〜220の値を第２図に示す。抵抗214と216
との接続点からフリップフロップ222のデータ入力Ｄに
指令信号が供給される。また抵抗218と220の接続点には
正帰還抵抗224が結合され、比較器206の動作にヒステリ
シスを導入して撮像装置の温度が温度設定点に近いとき
比較器の動作が不確定になるのを防止する。図示の抵抗
224の値で約２℃のヒステリシスが形成される。コンデ
ンサ226はこのヒステリシスの動作を加速する働きをす
る。

フリップフロップ222のＱ出力は、ドレンが冷却器26に
接続され、ソースと基板が接地されたFET228のゲート電
極に結合されている。このフリップフロップ222のＱ出
力が高レベルのときFET228が導通して電流が＋5V電源か
ら限流抵抗230を経て供給され、冷却器26を付勢する。
Ｑ出力が低レベルのときはFET228が非導通になって冷却
器26を除勢する。フリップフロップ222とFET228は第２
図に破線で示す第１図の制御器36を構成する。

前述のように、この発明の特徴によって制御器36の動作
がテレビジョンフィールドの垂直ブランキング期間に同
期されているため、フリップフロップ222のクロック入
力CLKは垂直ブランキング期間に一致するようにタイミ
ングを設定された高論理レベルのパルスを受信する。こ
のパルスは第１図のクロック14から供給することができ
る。従って、フリップフロップ222のＱ出力のレベルの
変化はクロック信号の前縁で起こり、従って垂直ブラン
キング期間中に起こる様に同期されている。これにより
冷却器26の付勢、除勢による不所望なノイズが発生して
テレビジョンフィールドの有効トレース部における撮像
装置の出力信号に悪影響を与えることがなくなる。

温度設定点信号と温度を示す信号を発生するために熱サ
ーボ28に使用し得る手段はスイッチS2および感知器30の
他にもあり、これを第3a図および第3b図について説明す
る。

第3a図において、撮像装置12に達する光量の変化に応答
して信号処理回路18内の増幅段の利得を自動的に制御す
る自動利得制御（AGC）信号はレベルシフト回路300に供
給されて、スイッチS2の位置により変えられるように、
比較器206の非反転入力に直列抵抗206と210との接続点
からの信号の代わりに温度設定点信号を供給する。レベ
ルシフト回路300は単にAGC信号の電圧を変える抵抗回路
網で構成してもよく、または回路設計者によく知られて
いるように、レベルシフトの量または程度に折曲点を形
成するために数個の並列ダイオードを含めることもでき
る。

更に、撮像装置12の冷却の調整を所定設定温度への調整
として説明して来たが、制御すべきものは実際には温度
依存性の非被写体表示信号であるから、このレベルは温
度を感知することにより推論する代わりに直接感知する
ことができる。例えば撮像装置の暗電流を直接感知し
て、第２図の比較器206の反転入力に温度を示す信号を
供給することができる。これを第3b図に示す。

第3b図には当業者に公知のフィールド転送型CCD撮像装
置302が示されている。撮像装置302はＡレジスタと呼ば
れる感光影像領域304と、Ｂレジスタと呼ばれるフィー
ルド記憶領域306と、Ｃレジスタと呼ばれる線順次読取
りレジスタ308を含んでいる。簡単に言うと、クロスハ
ッチを施して示す遮光マスクがＢレジスタ306とＣレジ
スタ308を遮光し、Ａレジスタ304のみが画像を表わす電
荷のフィールドを生成するようになっている。例えば1/
60秒の画像積分期間の終わりに、Ａレジスタ304で発生
した電荷はＢレジスタ306に転送され、次の1/60秒の間
にＡレジスタが次の電荷フィールドを積分し得るように
なる。Ａレジスタ304で次の電荷フィールドが積分され
る間に、Ｃレジスタ308はＢレジスタ306から前に積分さ
れたフィールドからの電荷の各線を順次読取る。遮光さ
れたＢレジスタ308はマスクによる光もＡレジスタ304か
らの電荷も受けないため、積分された電荷はすべて暗電
流しか表さない余分の感光領域の列を持つように構成さ
れる。スイッチ310はテレビジョン線周波数信号により
制御されてＣレジスタ308から供給される画像表示電荷
を信号回復回路16に供給すると同時に、余分の感光領域
で生じた暗電流だけを表わす電荷を積分回路312に供給
する。積分回路312はフィールド期間中に線順次的に供
給される暗電流電荷を積分し、そのフィールドの終わり
にクロック14からのパルスにより０にリセットされる。
このリセットの前にサンプル・アンド・ホールド回路31
4がその積分された暗電流信号をサンプリングし、この
出力を低域濾波器（LPF）316が濾波して撮像装置の暗電
流のレベルを直接表わすレベルを有する信号を第２図の
比較器206の反転入力にダイオード202からの温度表示信
号の代わりに供給する。

第４図はガラス薄板412に貼着されて通常の基板支持具4
14と気密封止蓋416を含むパッケージに包まれた薄型基
板固体撮像装置のチップ410の断面図である。全体を418
で示す熱電式冷却器は蓋416の内側に取付けられた上部
熱母線420と冷却すべき撮像装置のチップ410の表面に取
付けられた下部熱母線422を含み、母線420、422間に結
合された半導体材料424が直流で電気的に付勢されたと
き前述のペルチエ効果により熱を母線422から母線420の
方に押し出る。蓋416は熱母線420と熱的に接触し、編組
銅線426のような導熱材料が蓋426の頂部に熱的に取付け
られ、熱電式冷却器418により押し出された熱を蓋から
熱シンク（図示せず）に追出すのを助ける。導電ケーブ
ル428は蓋416の孔を通って付勢電流を熱電式冷却器418
に供給する。このケーブル428を蓋416の孔に通した後エ
ポキシ樹脂429を用いてその孔を封止する。撮像装置の
チップ410への電気結線は支持具414の一部であるピン
（図示せず）に導線430を接合することにより成され
る。透光窓432は撮像器のパッケージを完成するもの
で、支持具414の開口部434上に接着される。

この発明の他の実施例は当業者に自明である。例えば、
上述の形式の単一の熱サーボを用いて多撮像装置を有す
るカラービデオカメラ用の多段直列熱電式冷却器の付勢
制御をすることも、各撮像装置ごとに各別の熱サーボを
用いることもできる。その上、熱サーボ用の他の回路構
成を用いることもできる。例えば、第２図のFET228代わ
りにパルス幅変調器を用いて、そのパルス幅を第１図の
温度を示す信号のレベルか第3b図の暗電流信号の振幅に
より制御することもできる。また別の温度感知装置を用
いることもでき、例えば、熱電対を用いて温度依存信号
を生成することもできる。最後に、カメラを前置増幅器
の0dB利得モードで動作させる時、例えば周囲温度が室
温より大幅に高い時でも撮像装置を冷却することが望ま
しいことがある。これは第１図の比較器32への信号を改
変するために他の温度感知器を要することを意味する
が、第3b図におけるように暗電流を直接感知すればこの
温度感知器の追加を要しないことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明により構成された熱サーボ制御装置を
含む固体撮像装置を含むカメラのブロック図、第２図は
第１図のカメラの固体撮像装置を冷却する熱サーボ制御
装置の詳細回路図、第3a図および第3b図は第１図のカメ
ラの固体撮像装置に用いられる他の熱サーボ装置のブロ
ック図、第４図は熱電式冷却器に熱的に結合された固体
撮像装置の断面図である。 10……光学手段、12……固体撮像装置、26……冷却手
段、28……熱サーボ手段、36……冷却制御手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−80056（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−139423（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−162387（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】照射された被写体からの光を結像させる光
   学装置と、 上記光学装置によって結像された光に応じて上記被写体
   を表わす出力信号を発生する固体撮像装置と、 上記固体撮像装置によって発生されたビデオ信号に応答
   する利得制御増幅器を含み、カメラ出力信号を発生する
   信号処理手段と、 上記固体撮像装置に結合されていて、該固体撮像装置か
   ら熱を除去する冷却手段と、 上記冷却手段に結合されていて、上記固体撮像装置の所
   定の動作温度を設定するように上記固体撮像装置の冷却
   を調整する熱サーボ手段と、 上記利得制御増幅器の利得が大きくなると上記固体撮像
   装置の動作温度を低下させ、上記利得制御増幅器の利得
   が小さくなると上記固体撮像装置の動作温度を上昇させ
   るような態様で上記利得増幅器の利得の変化に従って上
   記固体撮像装置の動作温度を変更する冷却制御手段と、 を具えたビデオカメラ。
2. 【請求項２】照射された被写体からの光を結像させる光
   学装置と、 上記光学装置によって結像された光に応じて上記被写体
   を表わす出力信号を発生する固体撮像装置と、 上記固体撮像装置に結合されていて、該固体撮像装置か
   ら熱を除去する冷却手段と、 上記冷却手段に結合されていて、該冷却手段を選択的に
   付勢、消勢して所定動作温度を設定するように上記固体
   撮像装置の冷却を調整する熱サーボ手段と、 上記熱サーボ手段に結合されていて、上記冷却手段の選
   択的な付勢および消勢が、テレビジョンのフィールド走
   査期間の垂直ブランキング期間に相当する期間中に行わ
   れるように、上記冷却手段の選択的な付勢および消勢を
   同期化する手段と、 を具えたビデオカメラ。