JPS6189778A - ビデオカメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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冷却きれる固体撮像器を
含むカメラに関する。

〔発明の背景〕

最近固体撮像器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小型で低電力
で、その撮像器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が、通常の撮像管を用いたカメ
ラに比して若干の欠点を有する。その欠点の１つは、固
体撮像器独特の性質によるノイズや高レベルの漏洩電流
のような無用の非画像表示信号成分の発生である。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を信号として発生させ
る。この暗電流の不均一性のため後程再生される画像の
黒レベルのシェージングや色スれを生ずる。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Ｈｇとその支持回路内の放散電力によっ
て悪化され、カメラ外部の周囲空気温度よシ撮像器の温
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無用の温度依存非画像表示信号
成分は温度上昇と共に増大する上、被写体照度の低い状
態でカメラを動作させると、撮像器に達する光量が基準
レベルよシ低くなって、撮像器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、固体撮像器を含むカ
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な
ことがある。従って、低照度の被写体にカメラを使用し
たとき固体撮像器の出方中に生ずる温度依存ノイズおよ
び暗電流のレベルを下げて、その出力に充分な信号対雑
音比と低い黒レベルシェージングが得られるようにする
ために、その撮像器を冷却することが望ましい。この冷
却は公知のベルティエ現象によ）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ょシ達せられるが、冷却を用
いると固体撮像器の真空撮像器に対する利点のいくつか
が失われる。例えば、熱電式冷却器に要する電力の増加
のためカメラの電源の消耗が増える。固体撮像器式カメ
ラの大部分は可搬式で電池で動作するから、冷却器の消
費電力が増えると電池の再充電間のカメラの稼動時間が
減るという不都合が起る。固体撮像器を所定温度に保つ
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
を動作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生ずる電力消費
を最小にすることが望ましい。

〔発明の概要〕

この発明によって固体撮像器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
器の冷却を所定の動作点に調整するため熱サーボが結合
され、その熱サーボに結合された冷却制御手段でその所
定の動作点を撮像器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図において、絞シ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ンヤッタ）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
像を固体撮像器１２上に集束する。

絞シｌｌは通常の手段（図示せず〕で制御されて撮像器
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。撮像器１２はよく知られたフィールド転送
型の電荷結合装置（ＣＯＤ）撮像器またはＭＯＳ型等そ
の他の型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器１２に供給して、
撮像器ユ２内に集積される画像表示電荷の発生と、その
電荷の撮像器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つにょシ
、撮像器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。この信号回復回路ユ６から供
給されるアナログ信号は出力にＮＴＳＯ信号のような合
成カラーテレビジョン信号を生成するだめの例えばシェ
ージング、脱落補正、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
印加される。

信号処理回路１８はその入力に利得が多接点スイッチに
よシ所定相対レベルに選択的に制御される前置増幅器２
０を有する。スイッチＳｌは第１図のカメラの選択度制
御器に対応する。カメラの感度は通常、被写体照度が低
過ぎて絞シ１１を全開しても所要量よシ少い光量しか撮
像器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ｏｂＢ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い光量
しか撮像器１２に達しないときに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６佃や１８凸にす
る。前置増幅器２０は印加される利得制御電圧レベルに
応じてその相対利得の設定を変えるだめの利得制御人力
２２を有する。その利得制御電圧レベ／Ｉ／は安定な電
圧源＋Ｖ（カメラの電池から供給される）をスイッチＳ
ｌの可動接片と１８ｃＩＢ。

６ｄＢ、ｏ　ｄ−Ｂの各利得位置にそれぞれ結合された
抵抗Ｒ７、Ｒ３、Ｒ４を介して接地電位点等の共通基準
電位点に接続する抵抗Ｒ１を含む分圧器２４によシ生成
式れる。

撮像器１２には熱電冷却器２６が熱的に接触している。

この冷却器２６は直流を印加すると被冷却面から熱を取
去る公知のベルテイエ型のものでよい。

この冷却器２６を付勢する直流はカメラ用の電池から取
出され、その値は熱サーボ２８によって調整される。サ
ーボ２８は撮像器１２に熱的に結合されてその温度を示
す信号を比較器３２０反転入力に供給する温度感知？ｓ
？Ｊ３０を含んでいる。利得調節回路２４と同様に構成
した抵抗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シサーボ２８
が撮像器１２の冷却を調整する所定の温度設定点が確立
される。すなわち、感知器３０からの温度表示信号のレ
ベルが設定点を超える撮像器温度を示すと、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に直流が流れてこれを付
勢するようにする。冷却器２６によジ撮像器１２の温度
が、感知器３０から′の温度表示信号のレベルが基準信
号から所定範囲内に入って撮像器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した後、比較器３２が
指令信号のレベルを制御器３６によシ冷却器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（ＭｅｌＯＯｒ　）
社の小型セラミツクモシュー　／ｌｚ　「Ｆｒ１ｇ１−
ｃｈｉｐ　（登録商標）　Ｊ　ＦＣＯｅ　−６６−０６
Ｌ型がある。

カメラを照明のよい室内の被写体まだは日中の戸外の被
写体のような通常光状態で動作させるときは、撮像器に
達する光量が、撮像器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〃・シ、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器の冷却を要することがある
。撮像器を不必要に冷却することは、電池電力を消費し
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、撮像器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器到達光量の変化に
従って変えられる。従って第１図のスイッチＳ２の可動
接片が（破線で示すように）スイッチＳ１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
変化と同時に変るようになる。実際には前置増幅器２０
は信号対雑音比性能を最良にするため最低の相対利得設
定（すなわちＯｄＢ　）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
つと高い利得位置すなわち６佃と１８（ＩＢＬか用いら
れない。被写の照度が低いときは撮像器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ルツクスで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°Ｃ）で例え
ば７０ルツクスの低い被写体照度レベルのときは、撮像
器の出力信号の信号対雑音比が約１８佃から約４７ｄＢ
低下する。撮像器ユ２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１２０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
好なカメラ情能が再現される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、Ｓｌが１８（ＩＢ利
得位置のとき、スイッチＳ２の発生する基準信号のレベ
ルによって、撮像器１２の冷却がｏｄＢ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ｏｄＢに対応する点例えば２３°Ｃ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（ユＯ
） 信号に応じる冷却器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器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器１２に拾われてその出
力信号を無用に汚染する可能性のあるノイズを生ずるこ
とがあるからこれは好ましい。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２２（撮像器１２と集積可能）は−５■
電源に結合された抵抗２０４によシ順バイアスされる向
きに置かれ、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
：ニー社の型式０Ａ３２９ＯＡのような通常設計の比較
器２０６の反転入力に結合されている。抵抗２０８．２
１０．２１２から成る分圧回路はその抵抗２１０，２１
２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、その抵抗２０８．２１０の接続点
に生ずる電圧を比較器２０６の非反転入力に印加する。

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の電圧の差を考慮して調
節される。

比較器２０６はダイオード２０２の発生する感温電圧レ
ベルの非反転入力の基準レベルに対する変化に応じてそ
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２１０．２１２の接続点に結合された第
１図のスイッチＳ２の可動接片はその比較器２０６の非
反転入力に印加式れた電圧レベルを、前述のように撮像
器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じて熱サーボ２８の温度設定点が変
るように低下させる。＋５ｖ、ｇ−！５Ｖの間に直列に
接続された抵抗２１４．２１６．２１８．２２０を含む
電圧移動回路は抵抗２１６と２１８の接続点に比較器２
０６の出力信号を受けるが、比較器２０６はこの点の電
圧をＯと一５■の間で変える。比較器２０６の出力レベ
ルがＯＶの高レベルのとき抵抗２１４．２１６の接続点
に約＋３．５■の高レベル信号を発生するための抵抗２
１４〜２２０の値を第２図に示す。抵抗２１４とａ１６
ｏ接続点からフリップフロップ２２２のデータ入゛力り
にｉ全信号が供給でれる。ま層抵抗２１８と２２０の接
続点には正帰還抵抗２２４が結合きれ、比較器２０６の
動作にヒヌテリシスを導入して撮像器の温度が温度設定
点に近いとき比較器の動作が不確央になるのを防ぐ。図
示の抵抗２２４の値で約２°Ｃの右ステリシスが形成さ
れる。・ンデンサ２２６はこのヒステリシヌの動作を加
速する働きをする。

フリップフロップ２２２の出力はドレンを冷却器２６に
接続され、ソー７と基板を接地されだＦＥＴ２２８のゲ
ート電極に結合されている。このＱ出力が高レベルのと
きＦＥＴ２２８が導通して電流が＋５■電源から限流抵
抗２３０を介して供給きれ、冷却器２ｉを付勢するが、
低レベルのときはＦＥＴが非導通になって冷却器２６を
除奨する。フリップフロップ２２２とＦＥＴ　２２８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
高論理レベルを調時されたパルスを受信する。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シ、従って垂直ブランキン
グ期間中に起る様に同期されている。これによシ冷却器
の付勢除勢による無用の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で撮像器の出力信号に影響
しないようになっている。

温度設定点信号と温度池水信号を発生するだめに熱サー
ボ２８に使用し得る手段はスイッチＳ２および感知器３
０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、撮像器１２に達する光量の変化に応
じて信号処理回路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）信号はレベル移動回路３０
０に印加されて、スイッチＳ２の位置によシ変えられる
ように、比較器２０６の非反転入力に直列抵抗２０８．
２１０の接続点からの信号の代りに温度設定点信号を供
給する。レベル移動回路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、レベル移動の量または程
度に折曲点を形成するだめに数個の並列ダイオードを含
めることもできる。

更に、撮像器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シ推論する代シに直接感知すること
ができる。例えば撮像器の暗電流を直接感知して第２図
の比較器２０６の反転入力に温度表示信号を供給するこ
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
像器３０２が示されているが、これはＡレジスタと呼ば
れる感光結像領域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
ロヌハッチを施して示す遮光マヌクがＢ１Ｃレジヌタ３
０６．３０８を遮光してＡレジスタだけが画像を表わす
電荷のフィールドを生成するようになっている５例えば
１／６ｏ秒の画像積分期間の終シに、Ａレジスタ３０４
で発生された電荷がＢレジスタ３０６に転送され、次の
ｌ／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がＢレジス
タ３０６から前に積分きれたフィールドからの電荷の各
線を順次読取る。遮光きれだＢレジスタ３０８はマヌク
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逆制御されて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
に通すと同時に、余分の感光領域で生じた導電流だけを
表す電荷を積分回路３１２に通す。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りにクロック１４からのパル
スによりＯにリセットされる。このり七ットの前にサン
プル・アンド・ホールド回路３１４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（Ｌ
ＰＦ　）　３１６が濾波して撮像器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
シに供給する。

第４図はガラヌ薄板４１２に貼着されて通常の音板支持
具４ユ４と気密封止蓋４１６を含む外装に包まれだ薄型
基板固体撮像器チップ４１０の断面図である。全体を４
１８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と冷却すべき撮像器チップ４１０の
表面に取付けられた下部熱母線４２２を含み、母線４２
０．４２２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ベルティエ効果によ導熱を
母線４２２から母線４２０の方に押し送る。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によシ押し送ら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
憲４ユ６の孔を通って付勢電流を熱電式冷却器４１８に
供給する。このケープ／Ｌ’　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
。撮像器チップ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は撮像器の外装を完成す
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、」二連の形式の単一の熱サーボを用いて多撮像
器式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、各撮像器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ＦＥＴ　２２８の代シにバルヌ幅変調
器を用いて、そのバルヌ幅を第１図の温度表示信号のレ
ベルが第３ｂ図の暗電流信号の振幅によシ制御すること
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ｏｃｌＢ利得モ
ードで動作させる時、例えば周囲温度が室温よシ実質的
に高い時でも撮撮器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図はこの発明によシ構成された熱サーボ制御装置を
含む固体撮像器式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器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
固体撮像器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器
の断面図である。 １０・・・光学手段、１２・・・固体撮像器、２６・・
・冷却手段、２８・・・熱サーボ手段、３６・・・冷却
制御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）照明された被写体からの光を結像させる光学手段
   と、この光学手段により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器であつて、そ
   の出力信号がこの撮像器上に結像される光量の低減また
   はこの撮像器の温度上昇に応じてその出力信号中の含有
   率を増す非画像表示成分を含むものと、上記撮像器に結
   合されてその撮像器から熱を除去する冷却手段と、この
   冷却手段に結合されて上記撮像器の所定動作点への冷却
   を調整する熱サーボ手段と、この熱サーボ手段に結合さ
   れ、上記撮像器の被写体表示出力信号に対する上記非画
   像表示成分の相対レベルに従つて上記動作点を変える冷
   却制御手段とを含む固体撮像器式ビデオカメラ。