CN112770039B - 一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，涉及光学成像技术领域。该制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱包括窗口玻璃（2）、密封前盖（3）、信号输出电路板（6）、密封底座（9）、制冷电源接口（10）和单向阀（11），密封前盖（3）安装在密封底座（9）上，半导体制冷器（7）冷端通过冷凝块（5）与图像传感器电路板（4）底部相连接，其热端与密封底座（9）相连接，图像传感器电路板（4）底部与冷凝块（5）之间还设有高导热率的垫片，窗口玻璃（2）安装在密封前盖（3）上，且窗口玻璃（2）上还安装有除雾导电膜（1）。本发明可将较多的sCMOS图像传感器信号引出至真空密封舱外，稳定性好，加工难度低，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱。
背景技术
制冷型科学相机具有低噪声、高动态范围等优点，其工作时需要对成像传感器芯片进行制冷，在湿度一定的条件下，当制冷温差达到一定程度后，传感器芯片及其电路上容易结成水汽，轻则影响成像，重则损坏电路，因此需要将成像传感器及相关电路密封在一个真空环境中，避免上述问题。密封的同时需要将传感器信号及制冷部件的电源线引出。现有的相机传感器密封方法主要有：1、电路板密封法，如专利号CN109769364A公开了一种用于电路板密封的密封组件及方法，将成像传感器安装在电路板上，电路板对外用常规连接器连接，电路板与金属腔体之间通过橡胶圈密封，真空密封舱充干燥气体或抽真空，这种方法的主要缺点在于电路板结构强度较低，且与真空密封舱的金属结构之间的热膨胀系数有一定差异，其长期稳定性相对较差；2、金属密封法，成像传感器安装在真空密封舱内，传感器的信号通过陶瓷材料的电路板（或真空接插件）转接到真空密封舱外，陶瓷材料电路板（或真空接插件）与金属腔体之间采用焊接的方式密封，密封前盖与密封基座之间采用金属垫片进行密封，或者不用铜垫片，密封基座直接采用铜材质实现密封，当图像传感器为sCMOS传感器时信号较多，此种方法不易实现，同时金属密封处的生产及装配工艺要求较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，通过刚柔结合的信号输出电路板代替真空接插件和陶瓷电路板减小了信号接口的尺寸，可将较多的sCMOS图像传感器信号引出至真空密封舱外；刚柔结合板的刚性部分与密封胶结合的密封性较好，保证了真空密封舱的长期稳定性；密封前盖与密封底座之间采用氟橡胶密封圈和真空油脂灌注的方式密封，稳定性较好；整体加工和工艺难度降低，成本降低。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，包括窗口玻璃、密封前盖、信号输出电路板、密封底座、制冷电源接口和单向阀，其中：
所述密封前盖安装在密封底座上；
所述密封前盖与密封底座之间设有密封圈，形成真空密封舱，密封圈上涂有真空油脂；
所述真空密封舱内设有图像传感器电路板和半导体制冷器；
所述图像传感器电路板包括对真空密封舱内温湿度和气压进行监测的温湿度传感器及气压传感器，且通过若干个插座与信号输出电路板连接，插座数量随输出信号数量的多少而定，可能为一个或多个；
所述图像传感器电路板上还设有用于接触半导体制冷器的开口；
所述半导体制冷器冷端通过冷凝块与图像传感器电路板底部相连接，其热端与密封底座相连接；
所述图像传感器电路板底部与冷凝块之间还设有高导热率的垫片；
所述信号输出电路板两端及中间部位均为刚性电路板，所述刚性电路板之间通过柔性电路板连接；
所述信号输出电路板、制冷电源接口和单向阀均通过密封胶固定在密封底座上，所述单向阀通过密封胶与密封底座形成密封，可通过抽气泵对真空密封舱进行抽气，通过螺钉和涂抹真空油的橡胶圈将单向阀的气孔密封，还可在螺钉与单向阀之间涂抹密封胶进行二次密封；
所述窗口玻璃安装在密封前盖上，且所述窗口玻璃上还安装有除雾导电膜，当窗口玻璃外表面有雾气时，可通过除雾导电膜加热除雾。
可选或优选的，所述密封前盖与窗口玻璃之间设有用于填充密封胶的沟槽，用于填充密封胶，避免密封胶填充时外溢，所述密封前盖外侧还均匀设有多个用于安装密封螺钉的通孔。
可选或优选的，所述除雾导电膜由弹性材料制成，且与窗口玻璃紧密接触，有利于热传递到玻璃上。
可选或优选的，所述半导体制冷器热端通过导热硅脂与密封底座相连接。
可选或优选的，所述制冷电源接口包括埋入密封底座的金属柱以及设置在金属柱两端并分别与半导体制冷器和外部驱动电源连接的多芯电线。
可选或优选的，所述信号输出电路板两端的刚性电路板通过焊接的接插件分别与图像传感器电路板上的插座以及外部电路板相连，中间部位的刚性电路板安装在密封底座的通孔内，并通过密封胶固定在密封底座上。
可选或优选的，所述密封前盖通过螺钉安装在密封底座上。
可选或优选的，所述密封底座内设有用于安装密封圈的环形凹槽。
可选或优选的，所述密封圈为氟橡胶密封圈。
可选或优选的，所述密封底座远离密封前盖侧填充有散热铜块。
基于上述技术方案，可产生如下技术效果：
本发明实施例提供的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，适用于科学相机制冷技术领域。本发明通过设置的除雾导电膜，可除去窗口玻璃表面产生的雾气，且由弹性材料制成，与窗口玻璃接触更为紧密，热传递效果好，通过图像传感器电路板对真空密封舱内温湿度和气压进行监测，设置的单向阀避免抽气泵对真空密封舱进行抽气时，拔出抽气管的瞬间容易造成气体泄漏，导致外部空气进入真空密封舱，影响制冷效果，通过刚柔结合的信号输出电路板代替真空接插件和陶瓷电路板减小了信号接口的尺寸，可将较多的sCMOS图像传感器信号引出至真空密封舱外；刚柔结合板的刚性部分与密封胶结合的密封性较好，保证了真空密封舱的长期稳定性；密封前盖与密封底座之间采用氟橡胶密封圈和真空油脂灌注的方式密封，稳定性较好；整体加工和工艺难度降低，成本降低。解决了目前制冷型科学相机电路板结构强度较低，稳定性较差以及整体加工工艺难度较高的技术问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图（爆炸图）；
图2为本发明的结构示意图；
图3为信号输出电路板的结构示意图；
图中：1、除雾导电膜；2、窗口玻璃；3、密封前盖；4、图像传感器电路板；5、冷凝块；6、信号输出电路板；7、半导体制冷器；8、氟橡胶密封圈；9、密封底座；10、制冷电源接口；11、单向阀；12、散热铜块；601、刚性电路板；602、柔性电路板；603、接插件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1-3所示：
本发明提供了一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，包括窗口玻璃2、密封前盖3、信号输出电路板6、密封底座9、制冷电源接口10和单向阀11；其中：
所述密封前盖3安装在密封底座9上；
所述密封前盖3与密封底座9之间设有密封圈8，形成真空密封舱；
所述真空密封舱内设有图像传感器电路板4和半导体制冷器7；
所述图像传感器电路板4包括对真空密封舱内温湿度和气压进行监测的温湿度传感器及气压传感器，且通过若干个插座与信号输出电路板6连接；
所述图像传感器电路板4上还设有用于接触半导体制冷器7的开口；
所述半导体制冷器7冷端通过冷凝块5与图像传感器电路板4底部相连接，其热端与密封底座9相连接；
所述图像传感器电路板4底部与冷凝块5之间还设有高导热率的垫片；
所述信号输出电路板6两端及中间部位均为刚性电路板601，所述刚性电路板601之间通过柔性电路板602连接；
所述信号输出电路板6、制冷电源接口10和单向阀11均通过密封胶固定在密封底座9上；
所述窗口玻璃2安装在密封前盖3上，且所述窗口玻璃2上还安装有除雾导电膜1。
作为可选的实施方式，所述密封前盖3与窗口玻璃2之间设有用于填充密封胶的沟槽，所述密封前盖3外侧还均匀设有多个用于安装密封螺钉的通孔。
作为可选的实施方式，所述除雾导电膜1由弹性材料制成，且与窗口玻璃2紧密接触。
作为可选的实施方式，所述半导体制冷器7热端通过导热硅脂与密封底座9相连接。
作为可选的实施方式，所述制冷电源接口10包括埋入密封底座9的金属柱以及设置在金属柱两端并分别与半导体制冷器7和外部驱动电源连接的多芯电线。
作为可选的实施方式，所述信号输出电路板6两端的刚性电路板601通过焊接的接插件分别与图像传感器电路板4上的插座以及外部电路板相连，中间部位的刚性电路板601安装在密封底座9的通孔内，并通过密封胶固定在密封底座9上。
作为可选的实施方式，所述密封前盖3通过螺钉安装在密封底座9上。
作为可选的实施方式，所述密封底座9内设有用于安装密封圈8的环形凹槽。
作为可选的实施方式，所述密封圈8为氟橡胶密封圈。
作为可选的实施方式，所述密封底座9远离密封前盖3侧填充有散热铜块12。
作为可选的实施方式，将信号输出电路板6中间的刚性电路板601通过工装夹具放置在密封底座9的条形孔中央，将条形孔一侧封堵，从另一侧注入密封胶，直至密封胶与刚性电路板601、密封胶与基座之间完全凝固，然后将再从之前封堵的一侧注入密封胶，直至密封胶完全凝固，信号输出电路板6可能为1个或多个，需根据需要设计，并将所有的信号输出电路板6固定在密封底座9上，代替真空接插件实现对图像传感器电路板4进行密封，降低成本，同时降低了加工和装配的工艺难度，密封前盖3与密封底座9之间采用氟橡胶密封圈8以及真空油脂的方式来进行密封，增强了真空密封舱的可靠性，完全能够避免水汽从外部进入真空密封舱。
作为可选的实施方式，单向阀11通过螺纹固定在密封底座9上，再在密封底座9外侧的单向阀11周围注入密封胶，直至密封胶完全凝固。
作为可选的实施方式，在密封底座9中间位置处均匀涂上导热硅脂，并将半导体制冷器7的热端放置在密封底座9所涂的导热硅脂上；再在半导体制冷器7的冷端均匀涂上导热硅脂，并将冷凝块5正放在半导体制冷器7的冷端；然后再在冷凝块5的上端放上大小一致的1mm厚度的导热垫片；在密封基座上安装上支撑图像传感器电路板4的铜螺柱，将图像传感器电路板4按照方向放置在铜螺柱上，保证图像传感器底部与冷凝块5的上端的导热垫片接触良好，通过螺钉将图像传感器电路板4固定在铜螺柱上，并将信号输出电路板6上的插头插入相应的图像传感器电路板4上的插座，清洁真空密封舱内所有的部件，并在密封圈8上涂抹上适量的真空油脂，并将密封圈8放入密封底座9的沟槽内，将密封前盖3按照方向盖在密封底座9上，并将紧固螺钉放入螺钉孔内，采用扭力扳手对称地、逐步地拧紧螺钉。
作为可选的实施方式，将抽气泵的气管插入单向阀11，启动抽气泵直至真空密封舱气压达到所需的值，然后抽调抽气泵气管，将螺钉配套密封橡胶圈图上真空油脂后套入螺钉，将螺钉放置在单向阀11内拧紧，避免拔出抽气管的瞬间造成气体泄漏，导致外部空气进入真空密封舱，影响制冷效果。
作为可选的实施方式，通过信号输出电路板6监测真空密封舱的温湿度。
作为可选的实施方式，所述制冷电源接口10包括埋入密封底座9的金属柱以及设置在金属柱两端并分别与半导体制冷器7和外部驱动电源连接的多芯电线，半导体制冷器7所需电流较大，避免信号输出电路板6上的接插件603无法承受高电流而损坏。
作为可选的实施方式，所述密封底座9采用航空铝的等导热率较高、硬度高、刚性好的材料，为提高半导体制冷器7的制冷效果，密封底座9与半导体制冷器7热端相连部分的厚度设计得较薄，外侧用导热率更高的金属块（如散热铜块12）填充，在保证真空密封舱强度的同时提高制冷效率。
Claims (10)
1.一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：包括窗口玻璃（2）、密封前盖（3）、信号输出电路板（6）、密封底座（9）、制冷电源接口（10）和单向阀（11）；其中：
所述密封前盖（3）安装在密封底座（9）上；
所述密封前盖（3）与密封底座（9）之间设有密封圈（8），形成真空密封舱；
所述真空密封舱内设有图像传感器电路板（4）和半导体制冷器（7）；
所述图像传感器电路板（4）包括对真空密封舱内温湿度和气压进行监测的温湿度传感器及气压传感器，且通过若干个插座与信号输出电路板（6）连接；
所述图像传感器电路板（4）上还设有用于接触半导体制冷器（7）的开口；
所述半导体制冷器（7）冷端通过冷凝块（5）与图像传感器电路板（4）底部相连接，其热端与密封底座（9）相连接；
所述图像传感器电路板（4）底部与冷凝块（5）之间还设有高导热率的垫片；
所述信号输出电路板（6）两端及中间部位均为刚性电路板（601），所述刚性电路板（601）之间通过柔性电路板（602）连接；
所述信号输出电路板（6）、制冷电源接口（10）和单向阀（11）均通过密封胶固定在密封底座（9）上；
所述窗口玻璃（2）安装在密封前盖（3）上，且所述窗口玻璃（2）上还安装有除雾导电膜（1）。
2.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述密封前盖（3）与窗口玻璃（2）之间设有用于填充密封胶的沟槽，所述密封前盖（3）外侧还均匀设有多个用于安装密封螺钉的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述除雾导电膜（1）由弹性材料制成，且与窗口玻璃（2）紧密接触。
4.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述半导体制冷器（7）热端通过导热硅脂与密封底座（9）相连接。
5.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述制冷电源接口（10）包括埋入密封底座（9）的金属柱以及设置在金属柱两端并分别与半导体制冷器（7）和外部驱动电源连接的多芯电线。
6.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述信号输出电路板（6）两端的刚性电路板（601）通过焊接的接插件分别与图像传感器电路板（4）上的插座以及外部电路板相连，中间部位的刚性电路板（601）安装在密封底座（9）的通孔内，并通过密封胶固定在密封底座（9）上。
7.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述密封前盖（3）通过螺钉安装在密封底座（9）上。
8.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述密封底座（9）内设有用于安装密封圈（8）的环形凹槽。
9.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述密封圈（8）为氟橡胶密封圈。
10.根据权利要求1所述的一种制冷型sCMOS科学相机的真空密封舱，其特征在于：所述密封底座（9）远离密封前盖（3）侧填充有散热铜块（12）。
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