JP5147246B2 - カメラ - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ或いはＣＭＯＳ等の撮像素子を用いたカメラに係り、特に、撮像素子を冷却することで撮像時に発生するノイズを低減させるシステムを有するカメラに関するものである。

ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いた撮影装置（特にデジタルスチルカメラ）においては暗電流の影響で画像にノイズが発生することがある。

現在の撮像素子はかなりノイズ対策が進んでいるが、それでも信号利得を大きくした時（ＩＳＯ数値を大きくするゲインアップ撮影）にはこの暗電流ノイズが目立ってくる。

このノイズは撮像素子が高温なほど大きくなるので、撮像素子をペルチェ素子等の電子冷却素子を用いて冷却し、ノイズを抑える技術も提案されている。

例えば、特許文献１には、撮像素子の背面に電子冷却素子を配置することで撮像素子が発生する熱を吸収し、電子冷却素子背面に設けた放熱部材でそれを放熱する機構が開示されている。
特開２００６−０３３０３１号公報

上記特許文献１おいては、撮像素子の冷却効率は大きいものの、全体の装置が厚み方向（撮影光軸方向）に厚くなってしまい、民生品としては扱いにくい大型の撮像装置になってしまうと言う欠点がある。

本発明の目的は、薄型で、且つ冷却効果の高いカメラを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のカメラは、撮像素子と、前記撮像素子の撮像面の裏面に設けられた熱伝導部材と、前記熱伝導部材と接し、前記撮像素子の平面方向と揃う方向に平面を有し、前記熱伝導部材を基準に前記撮像素子と同一面上の異なる位置に設けられた電子冷却素子と、前記熱伝導部材を基準に前記撮像素子と同一面に設けられ前記電子冷却素子の上面に重なって接触する放熱部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、薄型で、且つ冷却効果の高い固体撮像装置を実現することができ、民生品においてノイズの少ない撮像画像を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影準備時の側面断面図である。

以下、その構成を動作と併せて説明する。

図１において、カメラ本体１１には、マウント１４を介してレンズ鏡筒１２が着脱可能に設けられる。また、レンズ鏡筒１２には撮影光学系１３が設けられる。

撮影光学系１３により取り込まれる被写体像は、被写体観察時にはクイックリターンミラー１５により反射されてペンタプリズム１６に入射し、その後、接眼光学系１７を介して撮影者観察像となる。

ペンタプリズム１６及び接眼光学系１７でファインダー光学系を形成している。クイックリターンミラー１５はハーフミラーになっており、クイックリターンミラー１５を透過した被写体光束は、サブミラー１８に反射され、フィールドレンズ１９、ＡＦミラー１１０、めがねレンズ１１１を透過してＡＦセンサ１１２面に結像する。

ＡＦセンサ１１２は、めがねレンズ１１１を介した２像の位相差によりデフォーカスを検出する。フィールドレンズ１９、ＡＦミラー１１０、めがねレンズ１１１、ＡＦセンサ１１２により公知の合焦検出装置を構成する。

図２は、撮影時の状態を示しており、不図示のレリーズボタンを操作するとクイックリターンミラー１５は跳ね上げられ、サブミラー１８はクイックリターンミラー１５に格納される。同時にシャッタ１１３のシャッタ膜が退避され、被写体光束はローパスフィルタ１１４を透過して撮像素子１１５に入射される。

撮像素子１１５で撮像された被写体画像は、不図示の記録メディアに記録されると共に、液晶画面１１６に表示され、撮影者は撮像画像を観察することができる。

上記合焦検出やクイックリターンミラー１５の跳ね上げを始めとする一連の動作はメイン基盤１１７に配置されたカメラマイコン１１８により制御される。

撮像素子１１５の撮像面（撮影光学系１３に対向する面）の裏面側にはグラファイトシート等の熱伝導部材が接触している。熱伝導部材は、撮像素子１１５の裏面と接する第１の熱伝導部材１１９ａと、撮像素子１１５の側面と対向する第２の熱伝導部材１１９ｂの少なくとも２つの平面で構成されている。

第２の熱伝導部材１１９ｂ及び第３の熱伝導部材１１９ｃには夫々ペルチェ素子等の第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂが接触している。第２の電子冷却素子１２０ａは、カメラ本体１１の底面（カメラ底面）１２１に接触している。

カメラ本体１１の底面１２１は、熱伝導率の高い部材で形成されており、電子冷却素子１２０ａの熱伝導部材接触面の反対面が接触している。カメラ本体の底面１２１は、第１の電子冷却素子１２０ａが発生する熱の放熱を行う放熱部材の役割をしている。同様に、第２の電子冷却素子１２０ｂもカメラ本体１１と接触しており、カメラ本体１１で第２の電子冷却素子１２０ｂの放熱を行っている。

ここで、第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂの吸熱容量は異なっており、多くの熱は第１の電子冷却素子１２０ａで吸熱してカメラ底面１２１で放熱し、そのアシストを第２の電子冷却素子１２０ｂで行う構成にしている。

従来例にある様に、一般に電子冷却素子及び放熱部材は撮像素子の撮像面の裏面に配置される。しかし、そのようなレイアウトでは撮像素子の厚み方向の寸法は大きくなりすぎ、民生品機器としては大きく、取り扱いにくい撮影装置になってしまうことは前述した通りである。

本実施の形態では、グラファイトシートの様に、厚み方向に熱伝導効率の高い熱伝導部材を配置し、撮像素子１１５の側面側に第１の電子冷却素子１２０ａを配置することで、冷却装置を有する固体撮像装置の薄型化を達成している。

また、操作部材や表示部材が設けられておらず、表面積の広いカメラ底面１２１で第１の電子冷却素子１２０ａの放熱を行うことで効率よく冷却を行うことができる。

第１の熱伝導部材１１９ａの撮像素子１１５接触面の裏面には第１、第２の温度センサ１２２ａ、１２２ｂが設けられている。

図３は、図１における撮像素子及びその冷却部を含む制御ブロック図である。

図３において、撮像素子１１５の上下であり、第１の熱伝導部材１１９ａの裏面には、前述した様に、各々の温度を検出する第１、第２の温度センサ１２２ａ、１２２ｂが設けられている。

第１、第２の温度センサ１２２ａ、１２２ｂの検出出力は、カメラマイコン１１８に入力されており、その信号に基づいてカメラマイコン１１８は第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂの駆動制御を行っている。

前述した様に、第１の電子冷却素子１２０ａは、放熱容量の大きいカメラ底面１２１と接触しており、冷却効率が高い。そのため、撮像素子１１５の発生する熱の多くは第１の電子冷却素子１２０ａの方向に流す様にしており、カメラ底面１２１とは反対方向に流れた熱のみを第２の電子冷却素子１２０ｂで冷却する構成にしている。

具体的には、第１の温度センサ１２２ａと第２の温度センサ１２２ｂの出力が同じ（等温度）の場合には第１の電子冷却素子１２０ａの冷却能力を高める（駆動電圧を上げる或いは駆動電流を多くする）。

或いは、第１の温度センサ１２２ａと第２の温度センサ１２２ｂの出力が同じ（等温度）の場合には、第２の電子冷却素子１２０ｂの冷却能力を低くする（駆動電圧を下げる或いは駆動電流を減らす）。

これにより、第１の温度センサ１２２ａの検出温度が第２の温度センサ１２２ｂの検出温度より若干低くなる様にして、第１の熱伝導部材１１９ａの温度分布に勾配を与え、熱がカメラ底面１２１側に多く流れる構成にしている。

第２の電子冷却素子１２０ｂを省いて第１の電子冷却素子１２０ａだけで本撮影装置を構成しても良いが、その場合には、第２の電子冷却素子１２０ｂ側に残った熱が蓄積され、撮像素子１１５の温度を上昇させてしまう。そのため、第２の電子冷却素子１２０ｂを設け、残った熱をカメラ本体１１に放熱する構成にしている。

撮像素子１１５の温度上昇は、第１、第２の温度センサ１２２ａ、１２２ｂで検出し、その結果に基づいて第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂの駆動制御を行っている訳であるが、温度上昇を検出し、それを抑えるための冷却効果が得られるまでには遅延時間が発生する。そのため、冷却能力を発揮するまでの間はノイズを十分低減できないことになる。

本実施の形態では、この遅延時間を短縮するために、温度上昇を予測する温度上昇予測手段を設けており、温度上昇が予測される時は、その予測温度に応じて予め電子冷却素子を駆動しておき、温度の上昇を防いでいる。

温度上昇予測手段は、撮影装置の撮影条件に応じて温度上昇を予測しており、具体的には以下の条件及び外界温度と撮影装置の使用時間に基づいて温度上昇を予測している。
・撮影装置の撮影モードが動画撮像モードか静止画撮像モードか
・撮影装置の撮影モードが連写撮像モードか否か
・撮影装置の露光時間
・装置が把持されているか否か
図３において、カメラマイコン（ＣＰＵ）１１８には、撮像素子１１５の使用時間計測手段３１、動画静止画モード判別手段（切換操作）３２、連写単写モード判別手段（切換操作）３３、撮影露光時間算出手段３４の信号が入力している。また同様に、振動検出手段３５、外気温度検出手段３６の信号が入力している。

そして以下の条件の場合には、電子冷却素子の駆動能力を高くしている。
・撮影装置の使用時間が長い（基盤回路の温度上昇）
・動画モード（撮像素子の温度上昇）
・連写モード（撮像素子の温度上昇）
・撮影露光時間が長い（撮像素子の温度上昇）
・振動検出手段の出力が大きい（撮影装置が手で把持されており熱がこもる）
・外気温度が高い（撮影装置に熱がこもる）
尚、上記条件ばかりでなく、第１、第２の温度センサ１２２ａ、１２２ｂの温度上昇の割合に基づいて電子冷却素子の駆動能力を制御している。それは、温度の予測制御により応答性を高めると共に、温度センサを用いたフィードバック制御で温度変動を少なくするためである。

図４は、図１の撮影装置によって実行される撮影動作処理の手順を示すフローチャートである。

このフローは撮影装置の主電源オンでスタートする。またこのフローは、図３におけるカメラマイコン（ＣＰＵ）１１８によって実行される。

図４において、ステップＳ４０１では、撮影モードが静止画モードか動画モードかを判別する。これは図３の動画静止画モード判別手段３２のカメラマイコン１１８への出力に基づいて判別される。そして静止画モードの時はステップＳ４０２、動画モードの時はステップＳ４０３に進む。

ここで撮影モードの違いによる第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２２ｂ（以下、単に電子冷却素子と称する場合もある）の駆動の違いを説明する。

先ず、動画モードでは、この後どれだけの時間撮影を続けるかわからない。そのため電子冷却素子を最大限機能させつづけると、電源の消費の予測が付かない。この撮影装置は静止画の画質を優先するため、動画撮影後に静止画撮影時を行う場合の電力を保持しておく必要がある。

そこで動画撮影の時は電子冷却素子の能力を落として省電力化を図っている。

具体的には、カメラマイコン１１８は第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂを１ｖで駆動する（ステップＳ４０３）。

ステップＳ４０２では、静止画で連写撮影モードか否かを判別している。ステップＳ４０４に移行する場合は、単写モード（カメラ操作一回で１枚撮影可能、引き続き撮影を行う場合には、その都度カメラ操作を行うモード）となる。このモードでは、例えば露光時間が６分（天体撮影等では使用する露光時間）と判明した場合には、カメラマイコン１１８は第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂを３ｖで駆動する。

更に詳細には、露光時間１分では０．５Ｖ駆動、２分では１ｖ駆動・・と露光時間が長くなる毎に駆動電圧を高くしている。

連写撮影モード（カメラ操作一回で複数枚連続撮影可能）の時はステップＳ４０５に進む。静止画撮影を連続して行う場合には、一回だけの撮影に比べて撮像素子１１５は冷える期間が無いために高温になる。そこで連写の場合には特に電子冷却素子の能力を引き上げている。例えば、露光時間が６分と判明した場合にはカメラマイコン１１８は、第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂを６ｖで駆動する。

更に詳細には、露光時間１分では１Ｖ駆動、２分では２ｖ駆動・・と露光時間が長くなる毎に駆動電圧を高くしている。即ち連写モードの場合には、単写モードの場合より露光時間に対する電子冷却素子の能力を高くしている。

ステップＳ４０３、Ｓ４０４、Ｓ４０５で電子冷却素子の駆動電圧を設定した後にステップＳ４０６に進む。ステップＳ４０６では外気温度に合わせて電子冷却素子の駆動能力を設定している。

これは、図３における外気温度検出手段３６のカメラマイコン１１８への出力に基づいて判別される。更に詳細には、外気温度６０℃では電子冷却素子を４ｖ駆動とし、外気温度５０℃では３ｖ、４０℃では２ｖ、３０℃では１ｖ、２０℃では０ｖ、１０℃では−１ｖ、０℃では−２ｖ、−１０℃では−３ｖで電子冷却素子を駆動する。

尚、駆動電圧がマイナスの場合は実際には電子冷却素子を駆動する訳ではない。これはステップＳ４０３、Ｓ４０４、Ｓ４０５の駆動設定電圧を減算して電子冷却素子を駆動するために、マイナスの電圧を設定している。

即ち、ステップＳ４０３で電子冷却素子を１ｖで駆動することになった時、ステップＳ４０６で外気温が１０℃以下の場合には電子冷却素子を駆動しない。

ステップＳ４０７では、カメラの主電源オンからの使用時間に合わせて電子冷却素子の駆動能力を変更している。カメラの主電源をオンすると、メイン基盤１１７に流れる電流の発熱により徐々にカメラ内の温度が上がってくる。

この温度変化は実際には時間に対してリニアではなく、時間と共に温度変化率が大きくなる。即ち、主電源オンから１０分後の温度とそれから５分後の温度の差より、主電源オンから６０分後の温度とそれから５分後の温度の差の方が大きい。そのため主電源オンからの経過時間を知り、その後の温度上昇を予測している。

主電源オンからの経過時間は、図３における使用時間計測手段３１のカメラマイコン１１８への出力に基づいて判別される。例えば、主電源オンから６０分経過している場合には、電子冷却素子を２Ｖで駆動する様に設定し、３０分の場合は１Ｖと設定することでその後の温度上昇に対応している。

ステップＳ４０８では、カメラが把持されているか否かを判別する。そして、把持されている場合には、ステップＳ４０９で、ステップＳ４０５と同様に露光時間が６分と判明した場合には、カメラマイコン１１８は第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂを６ｖで駆動する。

更に詳細には、露光時間１分では１Ｖ駆動、２分では２ｖ駆動・・と露光時間が長くなる毎に駆動電圧を高くしている。これはカメラが把持状態の場合にはカメラの放熱が撮影者に遮られて不十分になるためである。カメラが把持状態か否かは、図３における振動検出手段３５のカメラマイコン１１８への出力に基づいて判別される。

ステップＳ４１０では、今までステップＳ４０３、Ｓ４０４、Ｓ４０５、Ｓ４０６、Ｓ４０７、Ｓ４０９で設定した電子冷却素子の駆動電圧の合計を求める。ここで合計が６Ｖ以上の場合は６Ｖ、合計がマイナスの場合には０Ｖとする。

ステップＳ４１１では、合計された駆動電圧で電子冷却素子を駆動し、撮像素子１１５の冷却を行い、ステップＳ４０１に戻る。

この様に撮影の条件を細かく検出し、それにより今後の温度上昇を予測して予め適した能力で電子冷却素子を駆動することで、応答性の高い冷却制御を効率的に行える。

以上説明した様に、本実施の形態においては、撮像素子１１５の側面に電子冷却素子を配置し、電子冷却素子の放熱を撮像装置１１５の背面ではなく、底面や前面で行うことで冷却機構の薄型化を図っている。

また、薄型の冷却機構を有効に利用するために撮像素子１１５の温度上昇を予測し、温度上昇前に予め撮像素子１１５を冷却する様にしている。

図５は、本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影準備時の側面断面図である。

図１の第１の実施の形態と異なるのは、第１の電子冷却素子１２０ａの第２の熱伝導部材１１９ｂとの接触面の裏面に放熱部材２１が接しており、放熱部材２１の一部がカメラ底面１２１を貫通して外部に露出している点である。

図１の第１の実施の形態ではカメラ底面１２１が放熱部材を兼ねていた。しかしカメラ底面１２１は外装面でもあるので樹脂等で形成されることも多い。そのような場合、底面１２１を放熱部材として有効に活用できなくなる。

第２の実施の形態では、専用の放熱部材２１を設け、それをカメラ底面１２１に接触させると共に、底面１２１を貫通して放熱部材２１の一部を外部に露出させる構成になっている。そのためカメラ底面１２１は外装部材としての見栄えを保ちつつ、放熱も行える様になる。

以上説明した様に、本実施の形態においては、撮像素子１１５の側面に電子冷却素子を配置し、電子冷却素子の放熱を撮像装置１１５の背面ではなく、底面や前面で行うことで冷却機構の薄型化を図っている。

図６は、本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影準備時の側面断面図である。

第３の実施の形態は、第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂは撮像素子１１５と平面方向が沿う様に並べて配置されている。そして、折れ曲った第１、第２の放熱部材２１ａ、２１ｂが、第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂの熱伝導部材１１９との接触面と反対の面に接触している。

第１の放熱部材２１ａは、図５の第２の実施の形態と同様に、カメラ底面１２１と接触しており、一部が底面１２１を貫通して外部に露出している。第２の放熱部材２１ｂは撮影装置の内壁に接触している。

この様に、第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂを撮像素子平面と沿う様に配置すると、第１、第２の電子冷却素子１２０ａ、１２０ｂ、熱伝導部材１１９、第１、第２の放熱部材２１ａ、２１ｂで構成される冷却機構全体が薄型化でき、小型の撮影装置にも組み込むことができる。

以上説明した様に、本実施の形態においては、撮像素子１１５の側面に電子冷却素子を配置し、電子冷却素子の放熱を撮像装置１１５の背面ではなく、底面や前面で行うことで冷却機構の薄型化を図っている。

以上、デジタルカメラの防振システムを例にして説明を続けてきたが、本発明の装置は薄型で効率良く撮像素子の冷却することが可能であるので、デジタルカメラに限らず、デジタルビデオカメラや、監視カメラ、Ｗｅｂカメラ、携帯電話等にも展開できる。

本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影準備時の側面断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影時の側面断面図である。 図１における撮像素子及びその冷却部を含む制御ブロック図である。 図１の撮影装置によって実行される撮影動作処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影準備時の側面断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る固体撮像装置を含む撮影装置の撮影準備時の側面断面図である。

符号の説明

１１ カメラ本体
１２ レンズ鏡筒
２１ 放熱部材
１１５ 撮像素子
１１９ 熱伝導部材
１２０ 電子冷却素子
１２１ カメラ底面

Claims (12)

1. 撮像素子と、
   前記撮像素子の撮像面の裏面に設けられた熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材と接し、前記撮像素子の平面方向と揃う方向に平面を有し、前記熱伝導部材を基準に前記撮像素子と同一面上の異なる位置に設けられた電子冷却素子と、
   前記熱伝導部材を基準に前記撮像素子と同一面に設けられ前記電子冷却素子の上面に重なって接触する放熱部材と、
   を備えることを特徴とするカメラ。
2. 前記電子冷却素子は、前記撮像素子の平面方向と揃う方向に複数配置されることを特徴とする請求項１記載のカメラ。
3. 前記放熱部材は、前記撮像素子を内包する底面と接しているか、或いは底面を形成することを特徴とする請求項１記載のカメラ。
4. 前記撮像素子近傍に配置された複数の温度検出素子と、
   前記複数の温度検出素子各々の出力に基づいて前記複数の電子冷却素子を個別に制御する電子冷却素子制御手段とをさらに備え、
   前記電子冷却素子制御手段は、前記電子冷却素子、前記温度検出素子を制御して前記撮像素子近傍の温度分布に勾配を持たせることを特徴とする請求項１記載のカメラ。
5. 前記撮像素子近傍に配置された放熱部材に向かって前記温度分布に勾配を持たせることを特徴とする請求項４記載のカメラ。
6. 前記撮像素子或いはその近傍の温度を検出する温度検出素子と、
   前記撮像素子を内包する機内の温度上昇を予測する温度上昇予測手段と、
   前記温度上昇予測手段の出力と前記温度検出素子の出力に基づいて前記電子冷却素子を駆動制御する電子冷却素子制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のカメラ。
7. 前記温度上昇予測手段は、撮影条件に応じて前記撮像素子の温度上昇を予測することを特徴とする請求項６記載のカメラ。
8. 前記温度上昇予測手段は、撮影モードが動画撮像モードか静止画撮像モードかに基づいて前記撮像素子の温度上昇を予測することを特徴とする請求項７記載のカメラ。
9. 前記温度上昇予測手段は、撮影モードが連写撮像モードか否かに基づいて前記撮像素子の温度上昇を予測することを特徴とする請求項７記載のカメラ。
10. 前記温度上昇予測手段は、露光時間に基づいて前記撮像素子の温度上昇を予測することを特徴とする請求項７記載のカメラ。
11. 前記温度上昇予測手段は、機器が把持されているか否かに基づいて前記撮像素子の温度上昇を予測することを特徴とする請求項７記載のカメラ。
12. 機器の振動を検出する振動検出手段の出力に基づいて機器が把持されているか否かを判別する把持判別手段を有し、
    前記温度上昇予測手段は、前記把持判別手段の出力に基づいて前記撮像素子の温度上昇を予測することを特徴とする請求項１１記載のカメラ。

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