(57)【要約】【課題】  ペルチェ素子を取り付けたＣＣＤイメージセンサーをはじめとする固体撮像素子を搭載した電子式カメラで、連続撮像する場合、ペルチェ素子の動作時によるヒートシンクの温度上昇を防ぐことにより、固体撮像素子の冷却効果を高める、優れた質の画像を提供する。また、ペルチェ素子の動作に伴う電力消費を小さくする。【解決手段】  撮像素子および関連素子の連続動作時に間隔をおいて静止画を撮像するにあたり、ペルチェ素子の動作を焦点調整動作時とシャッター開放時のみとする。不必要な時間におけるペルチェ素子の動作をとめることにより、ヒートシンクの温度上昇を防ぎ、撮像時の冷却効果を高くする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子モジュールと、この撮像素子モジュールを冷却するペルチェ素子とから構成される電子機器において、
前記撮像素子モジュールによる画像撮像前に行う焦点調整開始から画像撮像終了までの間にのみ前記ペルチェ素子を動作させることを特徴とする電子機器。
【請求項２】
前記撮像素子モジュール及び前記ペルチェ素子の動作は、制御部により制御されることを特徴とする請求項１記載の電子機器。
【請求項３】
前記撮像素子モジュール及び前記ペルチェ素子は、フィルター、レンズ、及びこれらを保持する鏡筒及び基板によりパッケージ化されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子機器。
【請求項４】
前記電子機器は、カメラであることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の電子機器。
【請求項５】
撮像素子モジュールによる焦点調整を開始するステップと、これと同時期にペルチェ素子の動作を開始させるステップと、撮像素子モジュールによる画像撮像を開始させるステップと、撮像素子モジュールによる画像撮像を終了させるステップと、これと同時期にペルチェ素子の動作を終了させるステップと、からなる電子機器の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーなどの固体撮像素子を用いた電子式カメラ等の電子機器及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタルカメラやビデオカメラ等では、画像のセンシングにＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサー等の半導体を用いた固体撮像素子を用いているが、これらの半導体を用いたイメージセンサーは、温度上昇と共に暗電流が増化する。この暗電流の増化は、センシングした画像の画質の低下をもたらしている。
【０００３】
温度上昇による暗電流の増加を防ぐために、上記の半導体を用いたイメージセンサーをペルチェ素子で冷却することが行われている。このような例は、特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平２０００−１０１８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載された例では、焦点調整動作後、ペルチェ素子に対して非常に厳密な制御を行うため、制御に対し時間を要することとなる。このため、撮像素子からの熱だけでなく、ペルチェ素子から発生する熱により、ペルチェ素子に取り付けられているヒートシンクの温度が上昇してしまうため、撮像素子を十分冷却することができなかった。とくに、連続した撮影を行う場合、このような制御を行うとヒートシンクの温度上昇が大きくなり、この温度上昇がペルチェ素子による冷却温度より大きくなるため、冷却効果が全く得られない場合があった。すなわち、一般に電子式カメラによる連続的な撮影では、焦点調整動作、シャッター開放、画像転送・画像処理、待機、次回撮影（焦点調整動作へ）の繰り返しとなるが、この間、ＣＣＤイメージセンサーなどの固体撮像素子は連続的な動作を行っており、このため固体撮像素子の温度は上昇し続けている。この場合、ペルチェ素子を連続的に動作させておくと、ヒートシンクの能力が不十分な場合、ヒートシンクの温度が上昇し、この上昇がペルチェ素子による冷却効果を超えてしまい、なんら効果を成さないばかりか性能を低下させてしまうという問題があった。さらに、十分に能力のあるヒートシンクを取り付けた場合においては、ペルチェ素子に供給する電力が大きくなり、電池で駆動する携帯機器である電子式カメラでは、電池寿命に対して大きな問題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
【０００６】
本発明は、ペルチェ素子の動作を撮像前に行う焦点調整動作を行っている間とシャッター開放時のみとすることにより、できる限り短時間としており、効率よくＣＣＤイメージセンサーやＣＭＯＳイメージセンサーなどの固体撮像素子の冷却を行うことにより鮮明な画像を出力できる電子機器を提供する。
【０００７】
上記のように、電子式カメラの連続的な撮影では、焦点調整動作、シャッター開放、画像転送、待機、次回撮影（焦点調整動作）の繰り返しとなるが、この間、ＣＣＤイメージセンサーなどの固体撮像素子は連続的な動作を行っており、このため固体撮像素子の温度は上昇し続けている。本発明によれば、焦点調整動作とシャッター開放時のみにペルチェ素子を動作させるだけなので、ペルチェ素子による発熱量を小さくすることができるのでヒートシンクの小型化が測れると同時に電力の削減を図ることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＣＣＤイメージセンサーなどの固体撮像素子の温度を下げることができるので優れた質の画像を出力および記録ができる。また、ヒートシンクの大きさを小さくでき、消費する電力を小さくすることができるのでカメラ本体の大きさを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は、本発明を行うための電子式カメラの主要部分であるカメラセンサーモジュール１の主要部の断面図である。このカメラセンサーモジュールは基板２にペルチェ素子３が取り付けられ、ペルチェ素子３上には撮像素子モジュールであるＣＣＤイメージセンサー４が搭載されている。ペルチェ素子３とＣＣＤイメージセンサー４はワイヤー５により基板２上の電気配線に電気的に接続されている。このペルチェ素子３とＣＣＤイメージセンサー４は、フィルター６およびレンズ７とこれを保持する鏡筒８および基板２によりパッケージ化された構造になっている。ＣＣＤイメージセンサー４は、ペルチェ素子３に直接取り付けられており、高速で冷却されるようになっている。
【００１１】
制御部９は、ワイヤー５を通じてペルチェ素子３及びＣＣＤイメージセンサー４に接続され、これらの動作を制御する。また、ＣＣＤイメージセンサーの近傍には、このＣＣＤイメージセンサー４の温度を測定するサーミスタ（図示せず）が設けられている。
【００１２】
本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサー４として、連続的な使用時において、消費電力が平均で１００ｍＷのものを使用し、ペルチェ素子３としては、エレメント対数２４対で素子としてのゼーベック係数が０．０１Ｖ／Ｋ、電気抵抗２．７オーム、エレメントの熱コンダクタンス０．０１４Ｗ／Ｋのものを使用した。また、基板２に１５ｍｍ×１５ｍｍ×１ｍｍのアルミニウム製のヒートシンクを取り付けた。本実施形態では、環境温度３０℃にて、焦点調整動作とシャッター開放時間の合計を１秒とし、次の焦点調整動作までの時間を９秒、すなわち、1秒間ペルチェ素子動作、１０秒サイクルで7回の静止画の撮像を行った。ペルチェ素子の動作は、電流値４００ｍＡの定電流駆動とした。ＣＣＤイメージセンサーと、ＣＣＤイメージセンサーからの信号を受け、これを処理する信号処理デバイスは、この動作の間、連続動作を行うように設定した。
【００１３】
また、同じカメラセンサーモジュールを用いて、ペルチェ素子を同じ駆動条件で連続動作させた場合での静止画撮像とペルチェ素子を取り付けていないカメラセンサーモジュールでの静止画撮像についても比較例として実施した。
【００１４】
図２は、ＣＣＤイメージセンサーによる撮像動作とペルチェ素子の動作をフロー図に表したものである。
【００１５】
静止画の撮像行為が開始されると、制御部によりＣＣＤイメージセンサーは焦点調整を開始し、これと同時期にペルチェ素子には電力の供給が開始される。ＣＣＤイメージセンサーが焦点の調整を終了し静止画の撮像が終了するまで（シャッター開放が終了し露出が終了するまで）、ペルチェ素子には電力が供給されＣＣＤイメージセンサーを冷却し続ける。そして、静止画の撮像の終了と同時期にペルチェ素子への電力供給が終了する。
【００１６】
図３は、ＣＣＤイメージセンサー動作時の温度プロファイルを表した概略図である。
【００１７】
静止画の撮像のため焦点調整が開始されると同時期にペルチェ素子に電力が供給されるため、ＣＣＤイメージセンサーの温度は時間の経過とともに低下する。この温度低下は静止画の撮像が終了し、ペルチェ素子への電力供給が終了するまで続く。図中点線で示した線は、ＣＣＤイメージセンサーによる静止画撮像が終了してもペルチェ素子の電力供給が続いた場合の温度プロファイルを示す。ペルチェ素子への電力供給が続くと、点線で示すように、ＣＣＤイメージセンサーの温度は上昇し始める。これについては、以下図４において説明する。
【００１８】
図４は、本実施形態と比較例における時間とＣＣＤイメージセンサーの温度の関係、時間と積算電力の関係を示した図である。
【００１９】
図４中の曲線Ａは本発明に係る実施形態の結果として、時間とＣＣＤイメージセンサーの温度の関係を示したものである。曲線Ｂは本発明に係る実施形態の結果として、ＣＣＤイメージセンサーとペルチェ素子に投入した積算電力を示したものである。曲線Ａにおける各ピークに記載した数字(1)〜(7)は、静止画の撮像回数を示したものである。各回の静止画の撮像では、焦点調整動作開始と同時にペルチェ素子冷却をＣＣＤイメージセンサーの温度下降が開始しており、シャッター開放中も温度は下降しており、シャッターを閉じた瞬間にペルチェ素子の動作が終了するので、急激にＣＣＤイメージセンサーの温度は上昇している。曲線Ａ上の点Ｇは、焦点調整動作を開始した点を、Ｈはシャッターを閉じた点を表しており、図４の中では便宜的に６回目の動作にのみに、これらの点を示した。
【００２０】
一方、図４の曲線Ｃは、本実施形態で用いたペルチェ素子を取り付けたカメラセンサーモジュールを用い、ペルチェ素子を連続的に動作した場合のＣＣＤイメージセンサーの温度変化を示したものであり、曲線ＤはこのときのＣＣＤイメージセンサーとペルチェ素子に投入した積算電力の合計を示したものであり、比較例としてあげたものである。さらに、図４の曲線Ｅは、ペルチェ素子を取り付けず、ＣＣＤイメージセンサーのみをカメラセンサーモジュールに取り付け、焦点調整動作とシャッター開放時間の合計を1秒、次の焦点調整動作までの時間を９秒とし、１０秒サイクルで７回静止画の撮像を行ったときのＣＣＤイメージセンサーの温度変化を示したものであり、曲線Ｆは、ＣＣＤイメージセンサーに投入した積算電力を示したものであり、比較例としてあげたものである。
【００２１】
本発明の実施形態の結果である曲線Ａと比較例である曲線Ｅを比較すると、１回目の静止画撮像では、本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサーの温度が１０℃まで下がったのに対し、比較例であるペルチェ素子を取り付けていないものでは、３０．３℃へと上昇していた。すなわち、本発明による静止画撮像では、２０．３度の冷却効果があったことになる。これをノイズに換算すると８度でノイズが半減することを考慮すると８３％のノイズ低減が図れたこととなる。さらに、撮像を続け、７回目では、本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサーの温度が２７．１℃まで下がったのに対し、比較例であるペルチェ素子を取り付けていないものでは、４２．１℃へと上昇していた。すなわち、本発明による静止画撮像では、１５度の冷却効果があったことになる。これをノイズに換算すると８度でノイズが半減することを考慮すると７３％のノイズ低減が図れたこととなる。
【００２２】
ペルチェ素子を連続動作した比較例の場合では、曲線Ｃに示したように、1回目の静止画撮像では、１０℃までＣＣＤイメージセンサーの温度が下がっており、本発明による１回目と同様な効果が得られ、２回目では、６℃までＣＣＤイメージセンサーの温度が下がっており、本発明による本実施形態の２回目の値である１２．９℃より大きな効果が出ている。しかしながら、３回目の以降では、急激な温度上昇が生じており、３回目で本発明の本実施形態より温度を下げることができず、４回目では、比較例であるペルチェ素子を取り付けなかったもの（曲線Ｅ）よりも温度が高くなっており、ペルチェ素子による冷却効果は全くなくなってしまった。
【００２３】
投入電力については、７回の静止画撮像終了時において、本実施形態における時間と積算電力の関係を示した曲線Ｂと比較例であるペルチェ素子を連続動作させた場合の時間と積算電力の関係を示した曲線Ｄを比較すると、本実施形態では、１０．１Ｗ・秒であるのに対し、比較例であるペルチェ素子を連続動作した場合には、図４から曲線Ｄを延長することにより７６．６Ｗ・秒が得られることから、本発明による本実施形態の撮像方法が１／７以下の電力であり、電力的にも本発明が非常に優れた撮像方法を提供できることが示された。また、比較例であるペルチェ素子を取り付けない場合、曲線Ｆより、７回の静止画撮像終了時における積算電力が６．１Ｗ・秒となっており、本発明の値である１０．１Ｗ・秒より小さくなっているが、冷却の効果すなわち画質の向上を考えれば大きな問題となる電力の差ではないといえる。
【００２４】
以上、本実施形態によれば、ペルチェ素子を連続動作と比べ、２回目の静止画撮像までは、冷却効果の点で劣るものの、３回目以降は格段の差が現れる。また、電力の点では格段の差が生じる。
【００２５】
本実施形態では、焦点調整動作時間とシャッター開放時間の合計を1秒とし、静止画撮像サイクルを１０秒としたが、前者を一定とし、後者のサイクル時間を長くした場合、本発明の効果は、ペルチェ素子を連続動作させる場合と比べ、さらに大きくなることが、図４より明らかである。すなわち、図４中Ａ曲線およびＢ曲線において、の２回目、４回目、６回目の静止画撮像動作を削除すれば、図４中Ｃ曲線およびＤ曲線との比較から容易に推察できる。
【００２６】
また、図４に示したように、本発明の撮像方式によれば、ＣＣＤイメージセンサー等の固体撮像素子の温度を１５度から２０度程度を容易に下げることができる。ＣＣＤイメージセンサーなどのようにシリコンを利用した固体撮像素子では、８度でノイズを半減することができるので、ノイズを１／２から１／５程度におさえることができるのである。これにより、ＣＣＤイメージセンサーなどの固体撮像素子の感度すなわちＩＳＯを２倍から５倍程度上げることができるので、ペルチェ素子を取り付けていないカメラセンサーモジュールとくらべ、同じシャッター速度に設定した場合、１／２から１／５の照度下で同等の画像を得ることができる。また、露出量を同じとした場合には、ＩＳＯ感度を上げることによりシャッター速度を２倍から５倍とすることができるので、いわゆる手ブレや動いている被写体のブレ等画像のブレを大幅に小さくすることができる。
【００２７】
さらに、放出される熱も小さくなるので、ペルチェ素子に取り付けるヒートシンクを小さくすることも可能となるため、小型が進む電子式カメラ、たとえば携帯電話に内蔵される電子式カメラ等に対して非常に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係わるカメラセンサーモジュールの概要を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に関わるＣＣＤイメージセンサーによる撮像動作とペルチェ素子の動作をフロー図に表したものである。
【図３】本発明の実施形態に関わるＣＣＤイメージセンサー動作時の温度プロファイルを表した概略図である。
【図４】本発明の実施形態と比較例における時間とＣＣＤイメージセンサーの温度の関係、時間と積算電力の関係を示した図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      カメラセンサーモジュール
２      基板
３      ペルチェ素子
４      ＣＣＤイメージセンサー
５      ワイヤー
６      フィルター
７      レンズ
８      鏡筒
９      制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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