JPH08219874A - 固体撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型でかつ精度良く画像を撮像可能な固体撮
像装置を提供する。 【構成】 タイミング生成回路１４０は、発振器１３０
から出力された基本クロック信号に基づき、基本クロッ
クに同期して撮像指示信号を生成するとともに、スイッ
チング電源部２００のスイッチング指示信号を生成す
る。このスイッチング指示信号は、スイッチング電源部
２００へ伝達される。更に、タイミング生成部１４０は
読み出された光検出信号をサンプリングを指示するサン
プリング指示信号を発生する。このサンプリング指示信
号が有意になるのは、電源部２００がスイッチング動作
時に発生する高周波ノイズが充分に減衰しており、か
つ、撮像素子１１０から読み出された光検出信号も充分
に安定している時刻に設定され、サンプリング指示信号
に従って光検出信号のＡ／Ｄ変換などを実行することに
より、精度良く撮像素子１１０が検出した入力光の強度
を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体撮像素子を用いた
固体撮像装置に係り、特に固体撮像素子の冷却を電気的
に制御する固体撮像装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像の撮像にあたって固体撮像素子を用
いた固体撮像装置が広く使用されて、例えば、フォトダ
イオードアレイと選択スイッチ群とシフトレジスタとを
組込んだイメージセンサ素子が市販されている。こうし
たイメージセンサ素子などの固体撮像素子は動作するこ
とによって温度上昇するが、固体撮像素子は温度によっ
て撮像特性が変化する。そこで、通常の固体撮像装置に
おいてはペルチェ素子などの冷却手段を設置して、固体
撮像素子の温度上昇を抑制している。こうした固体撮像
装置においては、撮像素子から出力される撮像信号への
ノイズ混入量を低減するため、撮像素子用のみならず冷
却手段の動作用に電力を供給する電源にも発生ノイズ
（リップルノイズが３ｍＶ_P-P 程度）が比較的小さなシ
リーズ制御方式の電源装置を使用することが一般的であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の固体撮像装置
は、上記のように、固体撮像装置への電力供給用にシリ
ーズ制御電源を使用し、特に、ペルチェ素子などの消費
電力の大きな冷却手段の動作用にも、発生ノイズは小さ
いがエネルギ変換効率が比較的小さいシリーズ制御電源
を使用するので、装置として形状が大きくなるとともに
装置重量が大きくなり、取り扱いが容易ではないという
問題点があった。

【０００４】電力供給量を確保しつつ冷却手段用の電源
を小型化するには、シリーズ制御電源に替えて、シリー
ズ制御電源よりもエネルギ変換効率が大きなスイッチン
グレギュレータ電源（以後、スイッチング電源とも呼
ぶ）の採用が考えられる。しかしながら、スイッチング
電源は高周波ノイズ（コモンモードノイズおよびノーマ
ルモードノイズ）が約１００ｍＶ_P-P とシリーズ制御電
源に比べて大きい。したがって、撮像素子への電力供給
用の電源にスイッチング電源を使用すると、この高周波
ノイズが撮像素子から出力される撮像信号に混入して撮
像信号のＳ／Ｎを劣化させる。また、冷却手段への電力
供給用の電源にスイッチング電源を使用すると、撮像素
子と冷却手段に使用されるペルチェ素子などとの間の容
量結合を介して高周波ノイズが撮像素子から出力される
撮像信号に混入して撮像信号のＳ／Ｎを劣化させる。

【０００５】また、スイッチング電源を使用したときに
発生する高周波ノイズを低減する方法として、スイッチ
ング電源の出力にコイルやコンデンサなどを組合わせた
フィルタを取り付ける方法がある。しかし、シリーズ電
源と同等のノイズレベルを達成するには、多くの部品が
必要となり、最終的にはシリーズ電源と同様の大きさお
よび重量となる。

【０００６】本発明は、上記を鑑みてなされたものであ
り、小型でかつ精度良く画像を撮像可能な固体撮像装置
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の固体撮像装置
は、スイッチング電源を動作用の電源として使用して小
型化および軽量化を図るとともに、スイッチング電源で
の高周波ノイズがスイッチング時前後に発生することに
着目し、撮像信号のサンプリング指示信号をスイッチン
グ時とは異なるタイミングで有意にしてサンプリングタ
イミングを生成することを特徴とする。

【０００８】すなわち、本発明の固体撮像装置は、
（ａ）固体撮像素子と、（ｂ）外部からの制御により該
固体撮像素子を冷却する温度調整素子とを備え、固体撮
像素子で検出した受光強度を反映した波形のビデオ信号
と、ビデオ信号の波形における固体撮像素子での受光強
度を反映した期間を示す指示信号とを出力する固体撮像
装置であって、第１の周期を有する基本クロック信号
を発生する発振器と、発振器から出力された基本クロ
ック信号を入力し、アナログ信号である固体撮像素子で
検出した強度検出信号の読み出し指示信号、強度検出信
号に基づいて生成されたビデオ信号の波形における固体
撮像素子での受光強度を反映した期間を示す指示信号、
および第２の周期を有するとともに指示信号が有意レベ
ルでない時点でレベル変化するスイッチング信号を発生
するタイミング生成部と、スイッチング信号に同期し
て動作し、温度調整素子に動作電力を供給するスイッチ
ングレギュレータ方式の電源と、を備えることを特徴と
する。

【０００９】ここで、温度調整素子はペルチェ素子であ
る、ことを特徴としてもよい。

【００１０】

【作用】本発明の固体撮像装置では、発振器が発生する
基本クロック信号に同期して撮像素子による撮像動作お
よび電源における供給電力の生成動作を以下のようにし
て行われる。

【００１１】まず、発振器が基本クロック信号を発生
し、この基本クロック信号がタイミング生成部に入力す
る。タイミング生成部は、基本クロック信号に基づき、
基本クロックに同期して撮像素子の撮像動作を制御する
撮像指示信号を生成する。この撮像指示信号には、各撮
像素子から各撮像素子で検出した光に関する検出信号の
読み出し指示信号を含む。また、タイミング生成部は、
基本クロック信号に基づき、基本クロックに同期してス
イッチング電源のスイッチング指示信号を生成する。こ
のスイッチング指示信号は、スイッチング電源へ伝達さ
れる。更に、タイミング生成部は、読み出し指示信号に
従って読み出された光検出信号をサンプリングするに適
したタイミングを指示するサンプリング指示信号を発生
する。

【００１２】サンプル指示信号が信号レベルが有意であ
ることで光検出信号の好適なサンプリングタイミングで
あることを示す。このサンプリング指示信号が有意にな
るのは、スイッチング指示信号に従ってスイッチング電
源がスイッチング動作する時刻の後、スイッチング動作
時に発生する高周波ノイズ（以後、スイッチングノイズ
と呼ぶ）が充分に減衰しており、かつ、撮像素子から読
み出された光検出信号も充分に安定している時刻に設定
される。この結果、サンプリング指示信号が有意な信号
レベルにある時刻には、光検出信号は高Ｓ／Ｎとなって
いる。したがって、サンプリング指示信号に従って光検
出信号のＡ／Ｄ変換などを実行すれば、精度良く撮像素
子が検出した入力光の強度を得ることができる。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の固体撮
像装置の実施例を説明する。なお、図面の説明において
は同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省
略する。

【００１４】図１は、本発明の実施例の固体撮像装置の
構成図である。図１に示すように、この装置は、（ａ）
イメージ情報を反映した光を検出する検出部１００と、
（ｂ）検出部１００の温度調整素子（ペルチェ素子１２
０）に電力を供給するスイッチング電源部２００と、
（ｃ）検出部１００の温度調整素子および温度調整素子
の制御部以外の素子に電力を供給する電源部３００とを
備える。

【００１５】ここで、検出部１００は、光像イメージ
を入力し、外部からの指示に従って光検出信号（ＰＤ）
を出力するイメージセンサ１１０と、外部からの電流
制御により、イメージセンサ１１０を冷却するペルチェ
素子１２０と、基本クロック信号を発生する発振器１
３０と、発振器１３０から出力された基本クロック信
号を入力して、イメージセンサ１１０への動作指示信
号、電源部２００へのスイッチング指示信号、およびイ
メージセンサ１１０から出力された光検出信号（ＰＤ）
のサンプリング指示信号を生成するタイミング生成回路
１４０と、イメージセンサ１１０付近の温度を検出
し、検出温度の値に応じてペルチェ素子１２０に流す電
流値を制御して、イメージセンサ１１０の温度を略一定
に保つ温度制御回路１５０と、イメージセンサ１１０
から出力された光検出信号（ＰＤ）をビデオ信号に変換
するビデオ化回路１６０と、を備える。本実施例では、
イメージセンサ１１０として自己走査型フォトダイオー
ドアレイを備えたＭＯＳリニアイメージセンサ（例え
ば、浜松ホトニクス社製Ｓ３９０１シリーズ）を使用
し、イメージセンサ１１０の動作制御用信号として撮像
開始信号と２相の走査クロック信号とを入力した。ま
た、タイミング発生回路１４０は、カウンタ素子とプロ
グラマブル読み出し専用記憶素子（ＰＲＯＭ）とで構成
した。

【００１６】電源部２００は、スイッチングタイミング
が外部から指示されるタイプのスイッチング電源部であ
り、検出部１００から出力されるスイッチング指示信号
に従ってスイッチング動作を行う。すなわち、電源部２
００は、商用で供給される電力（日本においてはＡＣ
１００Ｖの形態）を入力して平滑化する平滑回路２１０
と、平滑回路２１０で平滑化された電圧波形を外部か
ら入力したスイッチングトリガ信号に従って発振電圧波
形に変換する発振回路２２０と、発振回路２２０から
出力された電圧波形を１次側から入力して２次側へ伝達
するトランス２３０と、トランス２３０の２次側から
出力された電圧波形を入力して平滑化する平滑回路２４
０と、検出部１００から出力されたスイッチング指示
信号を入力して、発振回路２２０にスイッチング動作の
タイミングを与えるスイッチングトリガ信号に変換する
変換回路２５０と、を備える。そして、平滑回路２４０
から出力される直流電圧値が電源部２００の出力形態と
なり検出部１００に電力供給される。

【００１７】図２は、本実施例の装置の動作のタイミン
グチャートである。本実施例の装置の動作を図２に従っ
て説明する。

【００１８】まず、電源部３００から動作電力（電圧値
＝Ｖ_L ）が検出部１００に供給される。電源部３００か
ら動作電力が供給されると、検出部１００のペルチェ素
子１２０と温度制御回路１５０とを除く各素子が動作を
開始する。

【００１９】発振器１３０は、自励的に発振して基本ク
ロック信号（φ_mc）を発生する。発振器１３０から出力
された基本クロック信号は、タイミング生成回路１４０
に入力して分周される。また、タイミング生成回路１４
０には、検出動作を開始するマスタスタート信号
（φ_ms）が入力される。

【００２０】タイミング生成回路１４０は、まず、基本
クロック信号でマスタスタート信号をサンプリングし、
マスタスタート信号が有意となったことを検出すると、
基本クロック信号を分周して、イメージセンサ１１０の
光検出信号（ＰＤ）の読み出し動作の走査を開始するス
タート信号（ＳＴ）と走査読み出し動作を制御する２相
クロック信号（φ₁ 、φ₂ ）とを生成する。イメージセ
ンサ１１０はスタート信号を入力すると走査読み出し動
作を開始し、２相クロック信号に従って順次受光画素ご
とに光検出信号（ＰＤ）を出力する。イメージセンサ１
１０から出力された光検出信号（ＰＤ）はビデオ化回路
１６０を介してビデオ信号に変換されて出力される。本
実施例では、外部電流積分方式を採用し、ビデオ化回路
１６０の初段アンプで積分するので、画素ごとに積分値
を得るために画素に応じた光検出信号（ＰＤ）を入力す
る前に積分回路をリセットする。このリセット信号（Ｒ
Ｓ）もタイミング生成回路１４０が基本クロックを分周
して生成している。そして、タイミング生成回路１４０
は、ビデオ信号（ＶＤ）の出力に伴って画素ごとのビデ
オ信号波形が安定した時点で有意となり、ビデオ信号の
サンプリングタイミングを指示するサンプリング指示信
号（ＳＰ）を出力する。

【００２１】以上の光検出動作と同時に、イメージセン
サ１１０の動作に伴う発熱によるイメージセンサ１１０
の温度上昇を抑制するため、ペルチェ素子１２０を流れ
る電流が温度制御回路１５０によって抑制される。

【００２２】タイミング生成回路１４０は、上記の信号
を出力するとともに、２相クロック信号（φ₁ 、φ₂ ）
に同期してイメージセンサ１１０から出力された光検出
信号（ＰＤ）に同期して、スイッチング指示信号（Ｓ
Ｗ）を出力する。図２に示すように、スイッチング指示
信号（ＳＷ）の立ち上がり時点および立ち下がり時点
は、光検出信号（ＰＤ）のイメージセンサ１１０の画素
ごとの出力開始時点および出力終了時点にほぼ一致して
いる。

【００２３】タイミング生成回路１４０から出力された
スイッチング指示信号（ＳＷ）は、検出部１００から出
力され、電源部２００の変換回路２５０に入力する。変
換回路２５０は、入力したスイッチング指示信号（Ｓ
Ｗ）をスイッチングトリガ信号（ＳＴ）に変換し、発振
回路２２０に向けて出力する。一方、発振回路２２０に
は、商用電力が平滑回路２１０で平滑化された略直流電
圧が入力される。発振回路２２０は、スイッチングトリ
ガ信号（ＳＴ）に従って、入力している略直流電圧信号
を発振電圧信号に変換する。こうして、生成された発振
電圧信号は、トランス２３０の１次側に入力し、トラン
ス２３０の２次側へ１次側と２次側との巻数の比に従っ
た態様で伝達される。トランス２３０の２次側から出力
された発振電圧信号は、平滑回路２４０で平滑化されて
直流電圧電源Ｖ_P として出力され、検出部１００へ供給
される。

【００２４】検出部１００に供給された直流電圧電源Ｖ
_P は、もっぱらイメージセンサ１１０の温度制御、すな
わち、温度制御回路１５０の動作用およびペルチェ素子
１２０を流れる電流の供給用に使用される。

【００２５】温度制御回路１５０の演算増幅器１５１の
正入力には、電圧Ｖ_P が抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２とで分
割された電圧値が基準電圧値として入力される。一方、
演算増幅器１５１の負入力には、抵抗器Ｒ３とペルチェ
素子１２０の温度を反映したサーミスタ１５２の抵抗値
との比で決定される電圧値が入力される。演算増幅器１
５１は、負入力の電圧値が正入力の基準電圧値と一致す
るように、抵抗器Ｒ３を介して、電流駆動トランジスタ
１５３に指示を通知する。電流駆動トランジスタ１５３
は、演算増幅器１５１からの指示に従って、ペルチェ素
子１２０を流れる電流量を変化させる。この電流変化に
よってペルチェ素子１２０の温度、ひいてはイメージセ
ンサ１１０の温度が略一定に維持される。

【００２６】ところで、直流電圧電源Ｖ_P に重畳される
スイッチングノイズ（ＳＷＮ）は、発振回路２２０での
スイッチング時、すなわち、スイッチング指示信号（Ｓ
Ｗ）の立ち上がり時点および立ち下がり時点付近に大き
なものが発生する。このスイッチングノイズ（ＳＷＮ）
は高周波成分を有し、たやすくイメージセンサ１１０の
出力に混入する。この結果、検出部１００のビデオ信号
出力（ＶＤ）にはスイッチングノイズ（ＳＷＮ）に由来
するノイズが混入することになる。

【００２７】図２に示すように、本実施例の装置では、
サンプリング指示信号（ＳＰ）を、ビデオ信号出力（Ｖ
Ｄ）が安定した後、かつ、スイッチング指示信号（Ｓ
Ｗ）の立ち上がり時点と立ち下がり時点との間、すなわ
ち、ビデオ信号出力（ＶＤ）においてスイッチングノイ
ズ（ＳＷＮ）に由来するノイズの混入が実質的に存在し
ていない時点で発行する。したがって、このサンプリン
グ指示信号（ＳＰ）のタイミングでビデオ信号出力（Ｖ
Ｄ）をサンプルして、例えば、Ａ／Ｄ変換すれば、イメ
ージセンサ１１０で検出した光強度をＳ／Ｎ良く測定で
きる。

【００２８】本発明は、上記実施例に限定されるもので
はなく、変形が可能である。例えば、実施例ではビデオ
信号のＡ／Ｄ変換器を備えずに検出部を構成したが、検
出部にＡ／Ｄ変換器を加え、上記のサンプリング指示タ
イミングでＡ／Ｄ変換を実行し、検出部の出力をデジタ
ルデータすることも可能である。また、実施例ではイメ
ージセンサとしてＭＯＳリニアイメージセンサを使用し
たが、プラズマ結合素子（ＰＣＤ）を走査回路に用いた
ＰＣＤイメージセンサを使用しても同様にして精度の良
い測定が可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の固
体撮像装置によれば、消費電力の大きなペルチェ素子な
どの温度制御素子に電力を供給する電源としてスイッチ
ング電源を採用するとともに、スイッチング電源におけ
るスイッチング動作を撮像タイミングに同期して行い、
スイッチング動作に由来するノイズの重畳の実質的に無
い時点でビテオ信号のサンプリング指示信号を発行する
ので、電源を小型化できるとともに、精度良く撮像結果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の固体撮像装置の構成図であ
る。

【図２】本発明の実施例の固体撮像装置の動作のタイミ
ングチャートである。

【符号の説明】

１００…検出部、１１０…イメージセンサ、１２０…ペ
ルチェ素子、１３０…発振器、１４０…タイミング発生
器、１５０…温度制御回路、１６０…ビデオ化回路、２
００…スイッチング電源部、２１０…平滑回路、２２０
…発振回路、２３０…トランス、２４０…平滑回路、２
５０…変換回路、３００…電源部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体撮像素子と、外部からの制御により
   該固体撮像素子を冷却する温度調整素子とを備え、前記
   固体撮像素子で検出した受光強度を反映した波形のビデ
   オ信号と、前記ビデオ信号の波形における前記固体撮像
   素子での受光強度を反映した期間を示す指示信号とを出
   力する固体撮像装置であって、 第１の周期を有する基本クロック信号を発生する発振器
   と、 前記発振器から出力された基本クロック信号を入力し、
   アナログ信号である前記固体撮像素子で検出した強度検
   出信号の読み出し指示信号、前記強度検出信号に基づい
   て生成された前記ビデオ信号の波形における前記固体撮
   像素子での受光強度を反映した期間を示す前記指示信
   号、および第２の周期を有するとともに前記指示信号が
   有意レベルでない時点でレベル変化するスイッチング信
   号を発生するタイミング生成部と、 前記スイッチング信号に同期して動作し、前記温度調整
   素子に動作電力を供給するスイッチングレギュレータ方
   式の電源と、 を備えることを特徴とする固体撮像装置。
2. 【請求項２】 前記温度調整素子はペルチェ素子であ
   る、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。