JP2006222546A - Cooling type imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像素子を冷却する機能を有する冷却型撮像装置に関する。 The present invention relates to a cooling type imaging apparatus having a function of cooling an imaging element.
特許文献1に開示されている従来の冷却型撮像装置では、ペルチェ素子などの電子冷却素子を用いて撮像素子を冷却することにより、その暗電流を低減し、撮像素子の性能を維持している。撮像素子を冷却すると、外部環境(大気中)から装置内に侵入した水分が撮像素子の撮像面に結露を生じさせる恐れがある。そこで、この従来装置では、撮像装置の筐体の境界部をOリングなどで簡易的に封止するとともに、撮像素子よりも低温度に冷やす熱伝導部材を設け、この熱伝導部材やペルチェ素子そのものに結露させることにより撮像装置内部の水蒸気量を低減させ、撮像素子の結露を防止している。
In the conventional cooling type imaging device disclosed in
特許文献1の技術では、Oリングなどで簡易的に封止した1重密閉構造の空間を撮像装置内に形成し、その空間にペルチェ素子や撮像素子を収容しているので、撮像装置内に外気の水分が侵入し易く、その結果、侵入した水蒸気が熱伝導部材やペルチェ素子に結露すると、ペルチェ素子が劣化しやすいという問題がある。
In the technique of
(1)本発明の請求項1に係る発明の冷却型撮像装置は、封止部材を介して複数の分割部材を接合することにより、外部に対して密閉された第1の密閉室を形成する外部筐体と、封止部材を介して複数の分割部材を接合することにより、第1の密閉室に対して密閉された第2の密閉室を第1の密閉室内に形成する内部筐体と、第2の密閉室に収容された撮像素子と、第2の密閉室に収容され、撮像素子を冷却する冷却素子とを備えることを特徴とする。
(2)請求項2の発明は、請求項1の冷却型撮像装置において、第1の密閉室と第2の密閉室には乾燥ガスが充填されていることを特徴とする。
(3)請求項3の発明は、請求項1または2の冷却型撮像装置において、第1の密閉室は、気密室と、気密室と略密閉状態で形成された緩衝室とを含み、外部筐体には、撮像素子に入射光を導入する第1の光学窓が緩衝室と面して設けられ、内部筐体には、撮像素子に入射光を導入する第2の光学窓が前記第1の光学窓と対向して設けられ、第1の光学窓には光学フィルターが着脱式に設けられ、第2の光学窓には光学ガラスが設けられていることを特徴とする。
(4)請求項4の発明は、請求項1〜3のいずれかの冷却型撮像装置において、外部筐体には、第1の密閉室を除湿する除湿装置が設置されていることを特徴とする。
(1) The cooling type imaging device according to the first aspect of the present invention forms a first sealed chamber sealed to the outside by joining a plurality of divided members via a sealing member. An external housing, and an internal housing that forms a second sealed chamber in the first sealed chamber that is sealed with respect to the first sealed chamber by joining a plurality of divided members via the sealing member. And an image sensor housed in the second sealed chamber, and a cooling element housed in the second sealed chamber and cooling the image sensor.
(2) According to a second aspect of the present invention, in the cooling type imaging apparatus according to the first aspect, the first sealed chamber and the second sealed chamber are filled with a dry gas.
(3) The invention according to
(4) The invention of
本発明によれば、撮像素子および冷却素子を収容する第2の密閉室を第1の密閉室で覆う二重密閉構造としたので、第2の密閉室に外気中の水分が侵入することを大幅に低減することができ、第2の密閉室内での結露を抑制することができる。 According to the present invention, since the second sealed chamber that houses the imaging element and the cooling element is covered with the first sealed chamber, moisture in the outside air can enter the second sealed chamber. It can be greatly reduced and condensation in the second sealed chamber can be suppressed.
以下、本発明による冷却型撮像装置について図1〜4を参照しながら説明する。図中、同じ構成部品には同一符号を付す。
〈第1の実施の形態〉
図1は、本発明の第1の実施の形態による冷却型撮像装置の構造を模式的に示す図であり、(a)は縦断面図、(b)は下面図である。図2は、図1(a)を拡大して示す図である。なお、図1(a)および図2において、撮影レンズ101により撮像される被写体側を冷却型撮像装置100の前方と呼ぶ。
Hereinafter, a cooling type imaging apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the figure, the same components are denoted by the same reference numerals.
<First Embodiment>
1A and 1B are diagrams schematically showing a structure of a cooling type imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A is a longitudinal sectional view and FIG. 1B is a bottom view. FIG. 2 is an enlarged view of FIG. In FIG. 1A and FIG. 2, the subject side imaged by the photographing
第1の実施の形態による冷却型撮像装置100は、外気に対して密閉された第1の密閉室Bを形成する主要部品である外部筐体7と、第1の密閉室Bに対して密閉された第2の密閉室Aを形成する主要部品である内部筺体3と、第2の密閉室Aに配設された撮像素子1およびペルチェ素子2とを備えている。内部筺体3は、前部材3aと後部材3bとを有し、外部筐体7は、前カバー7aと後カバー7bとを有する。
The cooling
外部筐体7は、封止部材であるOリング10cを介して前カバー7aと後カバー7bとを密着させた上で図示しないネジで締結して構成される。前カバー7aの前方には、撮像素子1に光Lを導入する第1の光学窓が開口し、この開口は、光学フィルタ8が装着されたレンズマウント9で塞がれる。
The
レンズマウント9は、Oリング10dを介して前カバー7aと密着され、ネジ11d(図1(b)参照)により締結され、光学フィルター8は、Oリング10eを介してレンズマウント9と密着され、ネジ11eにより締結される。つまり、光学フィルター8は、レンズマウント9を介して前カバー7aに取り付けられる。以上の構成により、密閉室Bは、Oリング10c,10d,10eを用いることによって気密が保持される。
The
光学フィルター8は、赤外カットフィルターであり、所定波長を越える長い波長域の光をカットする。赤外カットフィルターは、その厚さを変えることにより撮像面に入射する光の分光特性を変えることができる。なお、レンズマウント9には、カバーフィルター9aが光学フィルター8の前方に配設されている。
The
密閉室B内に設けられている内部筺体3は、封止部材であるOリング10aを介して前部材3aと後部材3bとを接合した上でこれらをネジ11aで締結して構成される。前部材3aには撮像素子1に光Lを導入する第2の光学窓が開口し、この開口は光学ガラス板4で塞がれる。すなわち、例えば石英ガラスあるいは機械強度や耐候性のある硝材で作製された光学ガラス板4は、Oリング10bを介して前部材3aと密着された上でネジ11bにより前部材3aに締結される。これにより、密閉室Aは、前部材3aと、後部材3bと、光学ガラス板4とにより形成され、Oリング10a、10bを用いることによって気密が保持される。
The
密閉室A内には、前部材3aにネジ2bで螺着された回路基板2aが設けられ、この回路基板2aに撮像素子1とペルチェ素子2が実装されている。回路基板2aには、撮像素子1とペルチェ素子2をそれぞれ制御する回路が実装されている。撮像素子1とペルチェ素子2を基板2aに実装するにあたっては、図に示すように、ペルチェ素子2の吸熱面が撮像素子1を収容するパッケージ1aに密着または接着され、ペルチェ素子2の放熱面が伝熱シート2cを介して後部材3bに密着される。後部材3bには、その後部に伝熱部材5が一体に設けられ、伝熱部材5の後面は後カバー7bに密着されている。
In the sealed chamber A, a
以上の構成により、撮像素子1およびペルチェ素子2は、前部材3a、後部材3b、光学ガラス板4、およびOリング10a,10bで形成する密閉室Aに収納され、この密閉室Aは、前カバー7a、後カバー7b、光学フィルタ8が装着されたレンズマウント9、およびOリング10cで形成する密閉室Bに設けられる。
With the above configuration, the
なお、後部材3bには、密閉室Aにガスを封入するための封入口14が設けられ、封入口14を介して密閉室Aの内部を排気した後に、乾燥窒素あるいは乾燥空気を密閉室Aに充填し、充填後に封入口14が閉鎖される。また、後カバー7bにも密閉室Bにガスを封入するための封入口15が設けられ、密閉室Bの内部を排気した後に、乾燥窒素あるいは乾燥空気を密閉室Bに充填し、充填後に封入口15が閉鎖される。すなわち、密閉室AおよびBの内部は、それぞれ出荷時に乾燥窒素もしくは乾燥空気でパージされている。
The
上記の構造を有する冷却型撮像装置100において、撮影レンズ101を通過した光Lは、カバーフィルター9a、光学フィルター8、光学ガラス板4を順次透過し、開口K(図1(b)参照)を通過して撮像素子1の撮像面に結像する。CCDなどの撮像素子1では、動作中、全く光入力がなくても微弱な暗電流が流れる。ペルチェ素子2で撮像素子1を冷却するのは、撮像素子1の温度を下げることによりこの暗電流を減らし、映像信号のS/N比を向上させるためである。
In the cooling
冷却型撮像装置100の内部で最も低温となるのは、ペルチェ素子2の吸熱面と、これに接触しているパッケージ1aの後ろ側の密着面または接着面である。パッケージ1aの密着面または接着面から吸収された熱は、ペルチェ素子2の放熱面から後部材3bと一体の伝熱部材5へ伝わり、さらに伝熱部材5から後カバー7bへ伝わり、装置外部に放熱される。
The lowest temperature inside the cooling
したがって、密閉室A中に水分が一定以上存在すると、低温領域で水蒸気が過飽和となり、撮像素子1およびペルチェ素子2に結露が生じる。結露が生じると、撮像素子1の撮像面が曇って画質の劣化が生じたり、結露の状態が長時間続くと、撮像素子1やペルチェ素子2の性能劣化や寿命短縮を招く恐れがある。
Therefore, if moisture exists in the sealed chamber A over a certain level, the water vapor becomes supersaturated in a low temperature region, and condensation occurs in the
この第1の実施の形態の撮像装置100では、外気から2重密閉構造として遮断されるように、外部筐体7によって形成される密閉室B内に密閉室Aを形成し、この密閉室A内に撮像素子1およびペルチェ素子2を配置した。換言すると、Oリングなどに代表される封止部材を利用してそれぞれ封止した二重密閉構造の密閉室Aに撮像素子1およびペルチェ素子2を配置した。したがって、外気に含まれる水分が密閉室Aまで侵入し難くなり、撮像素子1やペルチェ素子2に結露を生じることを抑制することができる。その結果、撮像素子1やペルチェ素子2の性能劣化や寿命短縮を抑制することができる。
また、出荷時にこれら密閉室A,Bに乾燥窒素あるいは乾燥空気を充填することにより、時間が経過しても密閉室A内を出荷時のままの乾燥状態に保持することができる。
In the
Further, by filling these sealed chambers A and B with dry nitrogen or dry air at the time of shipment, the inside of the sealed chamber A can be kept in the dry state as shipped even if time passes.
〈第2の実施の形態〉
図3は、本発明の第2の実施の形態による冷却型撮像装置の構造を模式的に示す縦断面図である。第2の実施の形態による冷却型撮像装置200は、第1の実施の形態による冷却型撮像装置100と基本構成は同様であるが、大きな相違点は、光学フィルター8を交換可能にした点である。
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a longitudinal sectional view schematically showing the structure of the cooling type imaging apparatus according to the second embodiment of the present invention. The cooling
第2の実施の形態による冷却型撮像装置200は、外気に対して密閉された第1の密閉室Dを形成する主要部品である外部筐体27と、第1の密閉室Dに対して密閉された第2の密閉室Cを形成する主要部品である内部筺体23と、第2の密閉室Cに配設された撮像素子1およびペルチェ素子2とを備えている。内部筺体23は、前部材23aと後部材23bとを有し、外部筐体27は、前カバー27aと後カバー27bとを有する。
The cooling
外部筐体27は、封止部材であるOリング30cを介して前カバー27aと後カバー27bとを密着させた上で図示しないネジで締結して構成される。前カバー27aの前方には、撮像素子1に光Lを導入する第1の光学窓が開口している。この開口には、押さえ環8aをネジ8bで前カバー27aに締結することにより光学フィルタ8が交換式に装着されている。なお、光学フィルタ8と前カバー27aとの間には図示しないOリングを介在させ、これにより、第1の光学窓、ひいては密閉室Dが外気から封止される。なお、前カバー27aにはレンズマウント29が螺合されている。
The
密閉室D内に設けられている内部筺体23は、前部材23aと後部材23bとの間に、撮像素子1およびペルチェ素子2が実装された回路基板22aをOリング30a,30bにより封止するように挟持して、ネジ31aにより互いに締結して構成されている。前部材23aには撮像素子1に光Lを導入する第2の光学窓が開口し、この開口は光学ガラス板24で塞がれる。これにより、密閉室Cが、前部材23aと、後部材23bと、光学ガラス板24とにより形成され、Oリング30a、30bを用いることによって気密が保持される。なお、第2の光学窓は第1の光学窓と対向して配置されている。
The
前部材23aと前カバー27aとは、図示しないネジで締結することにより符号Pの面領域で面接触して固定され、前部材23a、光学ガラス板24、前カバー27aおよび光学フィルター8により緩衝室D2が形成される。この緩衝室D2は密閉室Dの一部を構成し、緩衝室D2を除いた空間を気密室D1と呼ぶことにする。すなわち、密閉室Dは気密室D1と緩衝室D2とを含んで構成される。そして、上述したように、図3の符号Pで示す領域で前部材23aを前カバー27aに面接触させて締結することにより緩衝室D2が形成されており、緩衝室D2と気密室D1とは略気密状態で隣り合う空間と考えることができる。
The
なお、第1の実施の形態と同様に、ペルチェ素子2の吸熱面は撮像素子1を収容するパッケージ1aに密着または接着され、ペルチェ素子2の放熱面は伝熱シート2cを介して後部材23bに密着されている。後部材23bには、その後部に伝熱部材25が一体に設けられ、伝熱部材25は、後カバー27bに密着されている。
As in the first embodiment, the heat absorbing surface of the
また、第1の実施の形態と同様に、後部材23bには、密閉室Cにガスを封入するための封入口34が設けられ、封入口34を介して密閉室Cの内部を排気した後に、乾燥窒素あるいは乾燥空気を密閉室Cに充填し、充填後に封入口34が閉鎖される。また、後カバー27bにも密閉室Dにガスを封入するための封入口35が設けられ、密閉室Dの内部を排気した後に、乾燥窒素あるいは乾燥空気を密閉室Dに充填し、充填後に封入口35が閉鎖される。すなわち、密閉室CおよびDの内部は、それぞれ出荷時に乾燥窒素もしくは乾燥空気でパージされている。
Similarly to the first embodiment, the
このように、撮像素子1およびペルチェ素子2は、密閉室D内に形成される密閉室Cに配置されることより、二重に外気から遮断されている。
As described above, the
次に、冷却型撮像装置200における光学フィルター8の交換作業について説明する。先ず、螺合式のレンズマウント29を前カバー27aから取り外し、次に、ネジ8bを緩めて抜き取り、押さえ環8aと光学フィルター8を取り出す。そして、取り外しと逆の手順で、光学フィルター8の代わりに別の光学フィルターを取り付け、レンズマウント29を取り付ける。交換時には、緩衝室D2が大気に開放されるが、上述したように、緩衝室D2と気密室D1は略気密状態であり、気密室D1には外気、すなわち、外気中の水分が侵入することが抑制できる。
Next, replacement work of the
なお、緩衝室D2から気密室D1への水分の移行は、前部材23aと前カバー27aとの面接触領域Pにおける密着の程度に左右されるので、緩衝室D2を一時的に開放したときに、緩衝室D2から気密室D1へ移行する水分量が極めて僅かとなるように設計することが望ましい。
Note that the transfer of moisture from the buffer chamber D2 to the airtight chamber D1 depends on the degree of adhesion in the surface contact region P between the
本実施の形態による冷却型撮像装置200については、光Lの撮像素子1への入射光路、ペルチェ素子2による撮像素子1の冷却、ペルチェ素子2から後カバー27bへの熱伝導などは第1の実施の形態による冷却型撮像装置100と同様であるので、説明を省略する。
In the cooling
本実施の形態の冷却型撮像装置200では、二重密閉構造の密閉室C内に撮像素子1およびペルチェ素子2を配置しているので、第1の実施の形態による冷却型撮像装置100と同様の作用効果を奏する。光学フィルタ8を交換する際に気密室D1が大気開放されないように緩衝室D2を設けた。そして、緩衝室D2と気密室D1を略気密状態となるようにしたので、光学フィルタ8を交換式にした冷却型撮像装置200であっても、撮像素子1やペルチェ素子2の配置空間を外気に対して2重密閉構造の空間として隔離することができ、ペルチェ素子2などに結露することを抑制することができる。
In the cooling
なお、緩衝室D2と外気との間における気密性は必ずしも必須ではないので、剛性が低い薄いフィルターでも使用でき、光学フィルター8として選択の自由度が大きくなるという付随した効果も得られる。
In addition, since the airtightness between the buffer chamber D2 and the outside air is not necessarily essential, a thin filter with low rigidity can be used, and the accompanying effect that the degree of freedom of selection as the
次に、第1および第2の実施の形態の変形例について説明する。
図4は、第1の実施の形態による冷却型撮像装置100の変形例の構造を模式的に示す縦断面図である。冷却型撮像装置100Aは、冷却型撮像装置100に除湿器40を追加して構成したものである。従って、第1の実施の形態において説明した内容と重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。
Next, modifications of the first and second embodiments will be described.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view schematically showing the structure of a modified example of the cooling
除湿器40は、前カバー7aに取り付けられ、密閉室Bを除湿する。除湿器40としては、例えば、密閉室Bの水分を電気化学的に酸素と水素イオンと電子とに分解し、水素イオンを前カバー7aの外側に移送(放出)することにより除湿する機器(商品名:ロサール、三菱電機製)を用いることができる。冷却型撮像装置100Aでは、除湿器40により、密閉室Bが低湿度に保たれるので、密閉室Aの水分量を、第1の実施の形態による冷却型撮像装置100の場合よりも低減することができる。その結果、撮像素子1やペルチェ素子2の結露をより一層防止することができる。上記変形例は、もちろん、第2の実施の形態による冷却型撮像装置200にも適用できる。
The
なお、特許請求の範囲と実施の形態による構成要素の対応関係については、密閉室A,Cが第2の密閉室に、密閉室B,Dが第1の密閉室にそれぞれ対応する。また、Oリング10a,10c,30a,30b,30cが封止部材に対応する。以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。
Regarding the correspondence between the claims and the components according to the embodiment, the sealed chambers A and C correspond to the second sealed chamber, and the sealed chambers B and D correspond to the first sealed chamber, respectively. Further, the O-
1:撮像素子
2:ペルチェ素子
3,23:内部筺体
3a,23a:前部材
3b,23b:後部材
4,24:光学ガラス板
5,25:伝熱部材
7,27:外部筐体
7a,27a:前カバー
7b,27b:後カバー
8:光学フィルター
9,29:レンズマウント
10a〜10e、30a〜30c:Oリング
14,15,34,35:封入口
40:除湿器
100,200,100A:冷却型撮像装置
101:撮影レンズ
A,B,C,D:密閉室
D1:気密室
D2:緩衝室
K:開口
L:光
1: Image sensor 2:
Claims (4)
封止部材を介して複数の分割部材を接合することにより、前記第1の密閉室に対して密閉された第2の密閉室を前記第1の密閉室内に形成する内部筐体と、
前記第2の密閉室に収容された撮像素子と、
前記第2の密閉室に収容され、前記撮像素子を冷却する冷却素子とを備えることを特徴とする冷却型撮像装置。 An external housing that forms a first sealed chamber sealed against the outside by joining a plurality of divided members via the sealing member;
An internal housing that forms a second sealed chamber in the first sealed chamber, which is sealed with respect to the first sealed chamber, by joining a plurality of divided members via a sealing member;
An image sensor housed in the second sealed chamber;
A cooling type imaging apparatus comprising: a cooling element that is housed in the second sealed chamber and that cools the imaging element.
前記第1の密閉室と第2の密閉室には乾燥ガスが充填されていることを特徴とする冷却型撮像装置。 The cooling type imaging apparatus according to claim 1,
A cooling type imaging apparatus, wherein the first sealed chamber and the second sealed chamber are filled with a dry gas.
前記第1の密閉室は、気密室と、前記気密室と略密閉状態で形成された緩衝室とを含み、
前記外部筐体には、前記撮像素子に入射光を導入する第1の光学窓が前記緩衝室と面して設けられ、
前記内部筐体には、前記撮像素子に入射光を導入する第2の光学窓が前記第1の光学窓と対向して設けられ、
前記第1の光学窓には光学フィルターが着脱式に設けられ、前記第2の光学窓には光学ガラスが設けられていることを特徴とする冷却型撮像装置。 The cooling type imaging apparatus according to claim 1,
The first sealed chamber includes an airtight chamber, and a buffer chamber formed in a substantially sealed state with the airtight chamber,
The external casing is provided with a first optical window for introducing incident light into the imaging element so as to face the buffer chamber,
The internal housing is provided with a second optical window for introducing incident light into the imaging element, facing the first optical window,
A cooling type imaging apparatus, wherein an optical filter is detachably provided on the first optical window, and optical glass is provided on the second optical window.
前記外部筐体には、前記第1の密閉室を除湿する除湿装置が設置されていることを特徴とする冷却型撮像装置。 In the cooling type imaging device according to any one of claims 1 to 3,
The cooling type imaging apparatus, wherein a dehumidifying device for dehumidifying the first sealed chamber is installed in the external casing.
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