(57)【要約】【課題】  撮像素子を、比較的少ない消費電力でほぼ一定の極めて低い温度まで冷却することで、ダイナミックレンジ及びＳ／Ｎ比の良好な画像信号を得ることができる電子カメラを提供する。【解決手段】  電子カメラ１は、撮像素子２と、この撮像素子２上に像を結ぶための光学系としてのレンズ群３と、スターリング冷凍機４と、このスターリング冷凍機４の冷却部で発生した冷熱を前記撮像素子２に伝達するための伝熱機構５とからなる。前記撮像素子２は略平面状に形成されており、前記レンズ群３によって前記撮像素子２の表面に像が結ばれると共に、前記伝熱機構５が前記撮像素子２の裏面を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、この撮像素子上に像を結ぶための光学系と、スターリング冷凍機と、このスターリング冷凍機の冷却部で発生した冷熱を前記撮像素子に伝達するための伝熱機構とからなることを特徴とする電子カメラ。
【請求項２】
前記撮像素子は、略平面状に形成されており、前記光学系によって前記撮像素子の表面に像が結ばれると共に、前記伝熱機構が前記撮像素子の裏面を冷却することを特徴とする請求項１記載の電子カメラ。
【請求項３】
前記伝熱機構は、金属パイプを用いたヒートパイプ又はサーモサイフォンであることを特徴とする請求項１記載の電子カメラ。
【請求項４】
前記ヒートパイプ又はサーモサイフォンは、前記スターリング冷凍機に熱的に固定され冷媒を凝縮する凝縮器と、前記撮像素子に熱的に固定され吸熱をすることにより冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する配管と、前記配管内に封入されている冷媒とからなることを特徴とする請求項３記載の電子カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を用いた電子カメラに関するものであり、特にその撮像素子を冷却して感度を向上させた電子カメラに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電子カメラとしては、例えば撮影レンズ等の光学系やＣＣＤ等の撮像素子等を備えた電子カメラと、外部電源等を備えた外部付加装置とからなる電子カメラシステムが開示されている（例えば特許文献１）。また、上記した特許文献１は、前記撮像素子の感度を向上させると共に、得られる画像信号のノイズを減少させて良好なＳ／Ｎ比の画像信号を得るため、ペルチェ素子によって前記撮像素子を冷却している。詳述すると、前記撮像素子に前記ペルチェ素子の低温側を接触させると共に、このペルチェ素子の高温側に放熱板を接触させ、この放熱板を冷却ファンにより冷却することで、前記撮像素子自体が有する熱を前記ペルチェ素子の低温側から高温側へ移動させ、この移動した熱を冷却板から放熱させ、これによって、前記撮像素子の冷却を行っている。そして、このように前記撮像素子を冷却することで、光からではなく熱から変換される電気信号（暗電流）を削減することができ、この結果、暗電流の影響が極限まで除かれ、ほぼ純粋に光から変換された電気信号による画像信号を得ることができる。
【特許文献１】特開２０００−２２８７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、これらの電子カメラにおいては、撮像素子の冷却に、前記ペルチェ素子（サーモモジュール）を用いることが多いため、撮像素子の冷却温度を極めて低い温度で一定に保つことが難しく、また、冷却のために消費される電力が大きいという問題があった。このため、用途によっては前記撮像素子の感度及びＳ／Ｎ比が充分ではなく、得られる画像信号の品質が劣る場合があった。そして、ペルチェ素子によって極めて低い温度まで冷却しようとすると、膨大な電力を消費してしまう虞があった。
【０００４】
本発明は以上の問題点を解決し、撮像素子を少ない消費電力でほぼ一定の極めて低い温度まで冷却することで、Ｓ／Ｎ比の良好な画像信号を得ることができる電子カメラを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に記載の発明は、撮像素子と、この撮像素子上に像を結ぶための光学系と、スターリング冷凍機と、このスターリング冷凍機の冷却部で発生した冷熱を前記撮像素子に伝達するための伝熱機構とからなるものである。
【０００６】
本発明の請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記撮像素子が略平面状に形成されており、前記光学系によって前記撮像素子の表面に像が結ばれると共に、前記伝熱機構が前記撮像素子の裏面を冷却するものである。
【０００７】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記伝熱機構が、金属パイプを用いたヒートパイプ又はサーモサイフォンであるものである。
【０００８】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記ヒートパイプ又はサーモサイフォンが、前記スターリング冷凍機に熱的に固定され冷媒を凝縮する凝縮器と、前記撮像素子に熱的に固定され吸熱をすることにより冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記凝縮器と前記蒸発器とを接続する配管と、前記配管内に封入されている冷媒とからなるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の請求項１に記載の電子カメラは、以上のように構成することにより、前記撮像素子が、伝熱機構を介して、前記スターリング冷凍機によってほぼ一定の極めて低い温度まで冷却されることで、暗電流を極限まで少なく且つ略一定に保ち、前記撮像素子のＳ／Ｎ比及びダイナミックレンジを良好に且つ略一定に保つことができるので、前記光学系によって前記撮像素子上に結ばれる像を良好に光電変換することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の電子カメラは、以上のように構成することにより、像が前記撮像素子の表面に結ばれることが妨害されることなく、前記撮像素子を効率よく冷却することができる。
【００１１】
更に、請求項３に記載の電子カメラは、以上のように構成することにより、前記スターリング冷凍機と前記撮像素子とが前記ヒートパイプ又はサーモサイフォンを構成する細い金属パイプによって接続されているので、前記スターリング冷凍機の振動が殆ど前記撮像素子に伝わらないようにすることで、前記撮像素子によって得られる画像データがぶれたり惚けたりしないようにすることができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の電子カメラは、以上のように構成することにより、スターリング冷凍機により凝縮器で凝縮された冷媒が配管を通って蒸発器に至り、この蒸発器において熱的に固定されている撮像素子の熱を奪って気化し、配管から再び凝縮器に戻るので、比較的少量の冷媒であっても、液化した冷媒が蒸発器で撮像素子の熱が吸熱されることになり、吸熱効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る電子カメラ１の実施形態を模式的に示す図である。また、図２はスターリング冷凍機４の構成を示す断面図である。
【００１５】
前記電子カメラ１は、光を電気信号に変換するための撮像素子２と、この撮像素子２上に像を結ぶための光学系としてのレンズ群３と、前記スターリング冷凍機４と、このスターリング冷凍機４の冷却部で発生した冷熱を前記撮像素子２に伝達するための伝熱機構５とからなる。
【００１６】
前記撮像素子２に像を結ぶための前記レンズ群３は、電子カメラ１の前方に設けられ、前記レンズ群３の光軸上に前記撮像素子２が配置される。この撮像素子２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device 電荷結合素子）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor 相補型金属酸化膜半導体）等の固体撮像素子であって、略矩形の平面形状に形成され、その表面が受光部を構成する。また、前記撮像素子２の裏面には、前記伝熱機構５が熱的に接続され、これによって、前記撮像素子２の冷却が行われる。更に、前記レンズ群３と前記撮像素子２は筐体６に搭載され、これによってカメラ本体７が構成されている。
【００１７】
次に、前記スターリング冷凍機４について説明する。９は、略円筒状に形成された円筒部10と胴部11とで構成されるケーシングであり、前記円筒部10は、ステンレス鋼などからなり基部12と中間部13と先端部14が一体に構成されている。前記胴部11の下端には振動吸収機構15が設けられている。前記円筒部10の内部には、前記胴部11まで延びるシリンダ16が円筒部10内に同軸的に挿入されて設けられ、前記シリンダ16には、ディスプレイサー17が軸方向に摺動可能に収容されている。また、前記ディスプレイサー17の先端と前記円筒部10の先端部14の間には膨張室Ｅが形成されており、隙間18によってシリンダ16の内外が連通されている。また、前記中間部13において前記シリンダ16の外周に再生器19が設けられているとともに、前記基部12において前記シリンダ16の内外を連通する連通孔20が形成されている。また、前記シリンダ16の先端外周には、吸熱フィン21が設けられ、前記再生器19と連通孔20の間において、前記シリンダ16の外周に排熱フィン22が設けられている。そして、前記シリンダ16の先端内部から前記隙間18、吸熱フィン21、再生器19、排熱フィン22、連通孔20を通って前記シリンダ16内の圧縮室Ｃに至る経路が形成されている。なお、前記基部12の外周には、外部排熱フィン23が取り付けられている。また、前記胴部11内において、前記シリンダ16内には、ピストン24が軸方向に摺動可能に収容されている。そして、このピストン24の基端部は、駆動機構25に同軸的に連結されている。そして、前記スターリング冷凍機４は、前記ピストン24がシリンダ16内を軸方向に往復動する。詳述すると、前記ピストン24がディスプレイサー17の方向に移動すると、前記ピストン24とディスプレイサー17との間に形成された前記圧縮室Ｃ内の気体は圧縮されて前記連通孔20、排熱フィン22、再生器19、吸熱フィン21、隙間18を通ってディスプレイサー17の先端と円筒部10の先端部14の間に形成された膨張室Ｅに至り、これによって前記ディスプレイサー17が押し下げられる。一方、前記ピストン24がディスプレイサー17と反対方向に移動すると、前記圧縮室Ｃの内部が負圧となり、気体は前記膨張室Ｅから隙間18、吸熱フィン21、再生器19、排熱フィン22、連通孔20を通って前記シリンダ16内の圧縮室Ｃに還流し、これによって前記ディスプレイサー17が押し上げられる。このような工程中において、二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われて、前記シリンダ16の先端外周に取り付けられた前記吸熱フィン21、ひいてはこの吸熱フィン21と熱的に接した前記円筒部10の先端部14は低温となり、一方、前記排熱フィン22、ひいてはこの排熱フィン22と熱的に接した前記円筒部10の基部12及びこの外周に取り付けられた外部排熱フィン23は高温となる。
【００１８】
前記スターリング冷凍機４は筐体26内に収納されている。この筐体26には吸気口27と排気口28とが設けられており、前記排気口28にはファン29が備えられており、これによって冷却機構部が構成されている。
【００１９】
前記伝熱機構５は、銅等の熱伝導性の良好な金属パイプを用いて構成され、毛細管力により冷媒を移動させることができるウィック構造を内部に有すると共に、真空脱気した管内に図示しない冷媒が封入されたヒートパイプ30と、前記スターリング冷凍機４の冷却部、即ち前記スターリング冷凍機４の先端部14に対して前記ヒートパイプ30の一端側30Ａを熱的に接触した状態で固定する第一の伝熱ブロック31と、前記撮像素子２における前記レンズ群３が対向している表面とは逆の裏面側に前記ヒートパイプ30の他端側30Ｂを熱的に接触した状態で固定する第二の伝熱ブロック32から構成されている。そして、このように前記ヒートパイプ30を配することで、このヒートパイプ30の一端側30Ａが凝縮器として働くと共に、他端側30Ｂが蒸発器として働く。即ち、前記撮像素子２が発する熱が前記第二の伝熱ブロック32を介して前記ヒートパイプ30の他端側30Ｂに移動することにより、前記ヒートパイプ30の他端側30Ｂ内部において前記冷媒が気化すると共に、前記スターリング冷凍機４によって冷却されることで、前記ヒートパイプ30の一端側30Ａ内部において、気体状の冷媒が熱を奪われて凝縮する。なお、前記ヒートパイプ30に封入されている冷媒としては、二酸化炭素、代替フロン等が挙げられる。また、図示されていないが、前記伝熱機構５の周囲は、断熱材によって被覆されている。
【００２０】
また、前記スターリング冷凍機４が収容された冷却機構部には温度制御部33が接続されていると共に、この温度制御部33はコンピュータ（以下、ＰＣ34）に接続されている。ＰＣ34は表示部であるディスプレイ35と入力部であるキーボード36及びマウス37と電子計算機であるＰＣ本体38とからなる。そして、温度制御部33は、図示しないが、温度制御回路と温度検出手段とからなる。この温度検出手段は、前記両伝熱ブロック31，32、即ち近似的に凝縮器及び蒸発器としての前記ヒートパイプ30の両端30Ａ，30Ｂ、及び前記撮像素子２の温度を検出する。そして、前記温度検出手段は、温度を電気信号に変換して前記温度制御回路へ入力する。また、前記キーボード36又はマウス37を用いて所望の設定温度が入力されると、前記ＰＣ本体38で入力情報が電気信号に変換され、前記温度制御回路に入力される。そして、前記温度制御回路は、前記温度検出手段からの入力である計測温度と、前記ＰＣ34からの入力である設定温度とを比較し、前記温度制御回路に予め備えられているプログラムに従って、前記スターリング冷凍機４の駆動機構25及び前記冷却機構部の排気口28に備えられた前記ファン29を制御する。このとき、設定温度や、現在の前記両伝熱ブロック31，32及び前記撮像素子２の温度を前記ディスプレイ35に表示してもよい。このように、前記ＰＣ34から前記スターリング冷凍機４の温度設定を行うことによって、前記撮像素子２を所望の温度に正確かつ簡便に設定し保持することができ、高感度でＳ／Ｎ比の良好な画像信号を得ることができる。
【００２１】
なお、前記伝熱機構５はサーモサイフォンであってもよい。このサーモサイフォンは、図示しないが、銅等の熱伝導性の良好な金属パイプで環状に形成された配管と、前記スターリング冷凍機４の冷却部に熱的に接した状態で固定されて前記配管内に封入された冷媒を凝縮させる凝縮器と、前記撮像素子２に熱的に接した状態で固定されて前記撮像素子の発する熱を吸収することにより前記冷媒を蒸発させる蒸発器とから構成される。そして、前記配管は、上端が前記凝縮器に、下端が前記蒸発器に熱的に接した状態で固定される。
【００２２】
次に、以上のように構成されている前記電子カメラ１の作用について説明する。前記レンズ群３に入射した光は、このレンズ群３を構成する各々のレンズによって屈折し、前記撮像素子２の表面に結像する。そして、この撮像素子２の表面で結ばれた像は、前記撮像素子２によって光電変換されて画像信号となる。そして、この画像信号は、図示しない画像処理回路に出力され、この画像処理回路で画像処理される。なお、前記撮像素子２は、それ自体が有する熱を電気（暗電流）に変換してしまい、この結果、この暗電流がノイズとなって、前記撮像素子２全体にわたって、光が当たっていないにも拘わらず感光してしまう現象が起こるが、前記撮像素子２が前記伝熱機構５を介して伝わった前記スターリング冷凍機４の冷熱によって極めて低温に冷却されることで、前記暗電流の影響が極限まで抑えられる。そして、前記撮像素子２の冷却にスターリング冷凍機４を用いることで、前記撮像素子２を、比較的少ない消費電力によって極めて低温まで冷却することができると共に、前記撮像素子２の冷却温度を安定させることができる。
【００２３】
前記スターリング冷凍機４から前記撮像素子２へ冷熱を伝える過程、即ち前記撮像素子２が有する熱を前記スターリング冷凍機４へ移動させる過程について詳述する。まず、前記スターリング冷凍機４を駆動させると、このスターリング冷凍機４の先端部14が冷却される。そして、前記スターリング冷凍機４の先端部14が冷却されると、前記ヒートパイプ30の凝縮器としての一端側30Ａから前記第一の伝熱ブロック31を経て前記先端部14に熱が移動する。この結果、前記ヒートパイプ30における一端側30Ａの内部で、前記ヒートパイプ30に封入されている気体状の前記冷媒が熱を奪われて凝縮する。そして、凝縮した前記冷媒は、前記ヒートパイプ30内のウィックによる毛細管現象によって、前記ヒートパイプ30の蒸発器としての他端側30Ｂへ流動する。そして、凝縮した前記冷媒が前記ヒートパイプ30の他端側30Ｂの内部において気化する際、気化熱として前記ヒートパイプ30の他端側30Ｂ、ひいてはこの他端側30Ｂと熱的に接している前記第二の伝熱ブロック32及び前記撮像素子２の裏面から熱を奪い、この結果、前記冷媒が気化する。更に、気化した前記冷媒は、凝縮した前記冷媒が流動した通路と同じ通路を通って、前記ヒートパイプ30の一端側30Ａに戻る。そして、前記ヒートパイプ30の一端側30Ａに戻った冷媒は、ここで再び凝縮される。これが繰り返されることで、前記撮像素子２が冷却される。
【００２４】
なお、前記伝熱機構５はサーモサイフォンでもよい。次に、サーモサイフォンを用いた場合について説明する。まず、前記スターリング冷凍機４を駆動させると、このスターリング冷凍機４の先端部14が冷却される。そして、前記スターリング冷凍機４の先端部14が冷却されると、前記スターリング冷凍機４の先端部14に固定されている凝縮器から前記先端部14に熱が移動することで、前記凝縮器の内部において、気体状の前記冷媒が熱を奪われて凝縮する。そして、この凝縮した冷媒は、前記配管内の上端から下端へ流下する。そして、凝縮した前記冷媒が前記蒸発器内で気化する際、気化熱として前記蒸発器、ひいてはこの蒸発器と熱的に接している前記撮像素子２の裏面から熱を奪い、この結果、前記冷媒が気化する。更に、気化した前記冷媒は、凝縮した前記冷媒が流動した通路と同じ通路を通って、前記凝縮器に戻る。そして、前記凝縮器に戻った冷媒は、ここで再び凝縮される。これが繰り返されることで、前記撮像素子２が冷却される。
【００２５】
なお、前記伝熱機構５として前記ヒートパイプ30を用いる場合であっても前記サーモサイフォンを用いる場合であっても、前記撮像素子２とスターリング冷凍機４とが細い金属パイプのみによって接続されるので、前記スターリング冷凍機４で生ずる僅かな振動が前記撮像素子２に伝わる経路が前記金属パイプのみであることから、前記スターリング冷凍機４の振動は殆ど前記撮像素子２に伝わらない。これによって、前記撮像素子２が殆ど振動しないので、この撮像素子２の振動による画像信号のぶれや惚けが抑えられる。
【００２６】
以上、本実施形態によれば、電子カメラ１は、撮像素子２と、この撮像素子２上に像を結ぶための光学系としてのレンズ群３と、スターリング冷凍機４と、このスターリング冷凍機４の冷却部で発生した冷熱を前記撮像素子２に伝達するための伝熱機構５からなり、前記撮像素子２が、前記伝熱機構５を介して、前記スターリング冷凍機４によってほぼ一定の極めて低い温度まで冷却されることで、暗電流を極限まで少なく且つ略一定に保ち、前記撮像素子２のＳ／Ｎ比及びダイナミックレンジを良好に且つ略一定に保つことができるので、前記レンズ群３によって前記撮像素子２上に結ばれる像を良好に光電変換することができる。
【００２７】
また、本実施形態によれば、前記撮像素子２が略平面状に形成されており、前記レンズ群３によって前記撮像素子２の表面に像が結ばれると共に、前記伝熱機構５が前記撮像素子２の裏面を冷却するから、像が前記撮像素子２の表面に結ばれることを妨害されることなく、前記撮像素子２を効率よく冷却することができる。
【００２８】
また、本実施形態によれば、前記伝熱機構５が、金属パイプを用いたヒートパイプ又はサーモサイフォンであるから、前記スターリング冷凍機４と前記撮像素子２とが前記ヒートパイプ又はサーモサイフォンを構成する細い金属パイプのみによって接続されているので、前記スターリング冷凍機４の振動が殆ど前記撮像素子２に伝わらないようにすることで、前記撮像素子２によって得られる画像データがぶれたり惚けたりしないようにすることができる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、前記ヒートパイプ又サーモサイフォンが、冷媒を凝縮させる凝縮器（一端側30Ａ）と、冷媒を蒸発させる蒸発器（他端側30Ｂ）と、前記凝縮器と蒸発器とを接続する配管（ヒートパイプ30）と、前記配管内に封入されている冷媒とからなるから、前記凝縮器で凝縮させた前記冷媒が前記配管を通って前記蒸発器に至り、この蒸発器において前記撮像素子２の熱を奪って気化し、前記配管から再び前記凝縮器に戻るので、比較的少量の冷媒であっても、液化した冷媒が前記蒸発器で前記撮像素子２の熱が吸熱されることになり、吸熱効率を向上させることができる。
【００３０】
なお、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態に係る電子カメラの実施形態を模式的に示す概略図である。
【図２】スターリング冷凍機４の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  電子カメラ
２  撮像素子
３  レンズ群（光学系）
４  スターリング冷凍機
５  伝熱機構（ヒートパイプ又はサーモサイフォン）
14  先端部（冷却部）
30  ヒートパイプ
30Ａ  一端側（凝縮器）
30Ｂ  他端側（蒸発器）
【図１】
2006041724.tif 000003
【図２】
2006041724.tif 000004