JP2009152971A

JP2009152971A - 撮像装置および観察装置

Info

Publication number: JP2009152971A
Application number: JP2007330120A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kanjo; 行男冠城; Koichiro Tozaki; 耕一朗戸崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09

Abstract

【課題】結露の発生を簡易な制御で防止する。
【解決手段】撮像素子１２は、被写体を撮像し、冷却素子１３は、撮像素子１２を冷却し、除湿素子１５は、撮像素子１２および冷却素子１３が収納されている密閉空間２１を除湿する。そして、制御基板２０は、撮像装置１１自身の起動時に、密閉空間２１の湿度が除湿素子１５による除湿の限界である限界湿度に到達する時刻以降に、所定の目標冷却温度となるような電力を冷却素子１３に供給する。本発明は、例えば、細胞を観察する観察装置の撮像装置に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置および観察装置に関し、特に、結露の発生を簡易な制御で防止することができるようにした撮像装置および観察装置に関する。

従来、細胞の培養に適した高温かつ多湿な環境に維持されているインキュベータ内で培養されている細胞を観察する観察装置では、細胞を撮像する撮像装置が、インキュベータ内に配置されている。

一般に、CCD（Charge Coupled Device）などの固体撮像素子は、使用環境の温度の上昇に伴い、暗電流が増加して画質が低下する。そこで、撮像装置には、画質の低下を抑制するために、撮像素子を冷却するための冷却素子が備えられている。また、撮像装置には、冷却素子の冷却によって、結露が発生することを防止するために、撮像装置内を除湿するための除湿素子が設けられている。

例えば、特許文献１には、気密性の高いケースに、撮像素子、冷却素子、および除湿素子を収納した撮像装置において、ケース内の冷却時に、ケース内が飽和水蒸気圧以下になるように、撮像素子、冷却素子、および除湿素子を起動させるタイミングや、停止させるタイミングを、それぞれ独立して制御することにより、結露の発生を防止する技術が開示されている。

また、特許文献２には、撮像素子、冷却素子、除湿素子、温度センサ、湿度センサ、並びに、温度センサおよび湿度センサを制御する制御装置を備えた撮像装置において、撮像素子により撮像された画像の輝度レベルの低下を起点にして除湿素子を起動し、湿度センサによって所定の湿度に到達したことを検知してから冷却素子を起動し、温度センサで冷却温度を制御することにより、結露の発生を防止する技術が開示されている。

特開２００３−１４３４４９号公報特開２００６−２４６３１５号公報

ところで、上述したような撮像装置においは、撮像素子、冷却素子、および除湿素子を起動させるタイミングを、それぞれ独立して制御する必要があったり、画像の輝度レベルに基づく制御や、温度センサや湿度センサの出力に基づく制御が必要であったりするため、結露の発生を防止するための制御が煩雑であった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、結露の発生を簡易な制御で防止することができるようにするものである。

本発明の撮像装置は、撮像を行う撮像装置であって、被写体を撮像する撮像手段と、前記撮像手段を冷却する冷却手段と、前記撮像手段および前記冷却手段が収納されている密閉空間を除湿する除湿手段と、前記撮像装置自身の起動時に、前記密閉空間の湿度が前記除湿手段による除湿の限界である限界湿度に到達する時刻以降に、所定の目標冷却温度となるような電力を前記冷却手段に供給する電力供給制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の観察装置は、細胞を観察する観察装置であって、前記細胞の培養に適した培養環境を維持する培養環境維持手段と、前記培養環境維持手段による培養環境内に配置され、前記細胞を撮像する撮像装置とを備え、前記撮像装置は、被写体を撮像する撮像手段と、前記撮像手段を冷却する冷却手段と、前記撮像手段および前記冷却手段が収納されている密閉空間を除湿する除湿手段と、前記撮像装置自身の起動時に、前記密閉空間の湿度が前記除湿手段による除湿の限界である限界湿度に到達する時刻以降に、所定の目標冷却温度となるような電力を前記冷却手段に供給する電力供給制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の撮像装置および観察装置においては、撮像手段により、被写体が撮像され、冷却手段により、撮像手段が冷却され、除湿手段により、撮像手段および冷却手段が収納されている密閉空間が除湿される。そして、撮像装置自身の起動時に、密閉空間の湿度が、除湿手段による除湿の限界である限界湿度に到達する時刻以降に、所定の目標冷却温度となるような電力が、冷却手段に供給される。

本発明の撮像装置および観察装置によれば、結露の発生を簡易な制御で防止することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。

図１において、撮像装置１１は、撮像素子１２、冷却素子１３、ハウジング１４、除湿素子１５、光学フィルタ１６、レンズマウント１７、放熱器１８、ファン１９、制御基板２０から構成される。

撮像素子１２は、CCDや、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどで構成され、図示しない被写体を撮像し、その結果得られる画像信号を出力する。撮像素子１２の正面（図１において撮像素子１２の左側の面）は、図１の矢印ａにより示される方向に沿って入射する被写体からの光学像を受光する受光面となっており、撮像素子１２の背面には、冷却素子１３が接合されている。

冷却素子１３は、例えば、電流によって冷却および放熱を制御することのできるペルチェ素子であり、冷却素子１３の冷却面が撮像素子１２に接触し、冷却素子１３の放熱面がハウジング１４に接触するように設けられている。冷却素子１３は、撮像素子１２による微弱光撮影時における熱雑音を除去するために、撮像素子１２の熱を、ハウジング１４を介して放熱器１８に伝導することにより、撮像素子１２を冷却する。

ハウジング１４は、撮像素子１２、冷却素子１３、および制御基板２０を収納し、除湿素子１５および光学フィルタ１６を装着可能とされている。ハウジング１４は、除湿素子１５および光学フィルタ１６を装着することにより、内側の空間が密閉され、その密閉空間２１に収納される撮像素子１２、冷却素子１３、および制御基板２０を外気から隔絶する。また、ハウジング１４の背面側の壁面の内側には、冷却素子１３が接合されており、その外側には、放熱器１８が接合されている。

除湿素子１５は、例えば、固体高分子電解質膜を用いた電気分解セルであり、固体高分子電解質膜に設けられた陽極および陰極に電圧が印加されたときに、陽極側の湿度を低下させるとともに、陰極側で水蒸気を発生させることで除湿機能を実現している。除湿素子１５は、吸湿面がハウジング１４の内側を向き、放湿面がハウジング１４の外側を向くように、ハウジング１４の側壁に設けられた貫通穴に埋め込まれており、密閉空間２１の水蒸気を吸収し、密閉空間２１の外部（図１の矢印ｂが示す方向）に放出する。

光学フィルタ１６は、ハウジング１４の撮像素子１２の正面側に装着され、撮像素子１２への撮像光束を透過する。

レンズマウント１７は、ハウジング１４の正面に固定され、撮像光束を集光させる撮像レンズ（図示せず）をマウントする。

放熱器１８は、複数の放熱フィンを有する金属部材であり、その正面に接合されているハウジング１４を介して、冷却素子１３から伝導される熱を、放熱フィンに伝導させて、放熱フィンから放出する。また、放熱器１８の内部には、撮像装置１１を矢印ａの方向から見たときに放熱器１８の側面に設けられた流入口から内部中央に向かって延び、その中央から背面に向かうような流路が形成されている。

ファン１９は、放熱器１８の背面側に設けられ、放熱器１８の内部に設けられた流路を通過してくる空気や、放熱器１８の放熱フィンの周囲の空気を、放熱器１８の背面に設けられた排気口から外部に排出する。

制御基板２０には、図示しない外部の電源から電力が供給され、撮像素子１２、冷却素子１３、および図示していない配線を介して除湿素子１５への電力の供給を制御する。

例えば、制御基板２０は、撮像装置１１の起動時において、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給を同時に開始する。ここで、冷却素子１３と除湿素子１５とに、定格電力が同時に供給された場合には、除湿素子１５により密閉空間２１の湿度が飽和水蒸気圧以下の低湿状態に到達するよりも先に、密閉空間２１の温度が低下することにより、密閉空間２１内の水蒸気が結露してしまう。

そこで、本発明の実施の形態においては、制御基板２０は、密閉空間２１の湿度が飽和水蒸気圧以下の低湿状態に達した後に、密閉空間２１の温度が所定の目標冷却温度に達するように、冷却素子１３に電力を供給し、密閉空間２１内の水蒸気が結露しないようにすることを可能にした。

図２を参照して、密閉空間２１の湿度が飽和水蒸気圧以下の低湿状態に達する時刻、および、密閉空間２１の温度が所定の目標冷却温度に達する時刻について説明する。

図２は、撮像装置１１の起動時における密閉空間２１内の温度および湿度の変化を示す図であり、横軸は時刻を表しており、縦軸は温度および湿度を表している。

図２に示すように、撮像装置１１が起動する前において、即ち、冷却素子１３および除湿素子１５が動作する前において、密閉空間２１は、撮像装置１１の外部環境に応じた温度Ｔａおよび湿度Ｈａとなっている。

例えば、時刻ｔ０において、撮像装置１１を起動させる指示が制御基板２０に供給されると、制御基板２０は、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５に対して、同時に、電力の供給を開始する。

制御基板２０は、時刻ｔ０において、撮像素子１２および除湿素子１５には、定格電力をそれぞれ供給する。

撮像素子１２は、定格電力の供給を受けることにより撮像を開始し、画像信号を出力する。また、除湿素子１５は、定格電力の供給を受けることにより、定格での除湿能力で除湿を行う。除湿素子１５が、定格での除湿能力で除湿を行うことにより、時刻ｔ０において湿度Ｈａであった密閉空間２１の湿度は、時刻ｔ１において限界湿度Ｈｂに到達する。即ち、限界湿度Ｈｂは、除湿素子１５による除湿により到達可能な限界（例えば、湿度が、湿度Ｈａから低下して、その変化がほぼ見られなくなる状態）での湿度であり、密閉室２１内は、飽和水蒸気量よりも十分に低い低湿度状態となる。

また、制御基板２０は、密閉空間２１の湿度が限界湿度Ｈｂに到達した時刻ｔ１以降の時刻ｔ２に、密閉空間２１の温度が、目標冷却温度Ｔｃに到達するように、冷却素子１３に供給する電力を制御する。

例えば、制御基板２０は、目標冷却温度Ｔｃの達成に必要な電力を複数の段階に分け、時刻の経過に応じて、冷却素子１３に供給する電力（電流）を、１段階ずつ増加させる。これにより、冷却素子１３に供給される電力の増加に基づき、密閉空間２１の温度が時刻の経過に応じて低下し、時刻ｔ０において温度Ｔａであった密閉空間２１の温度は、時刻ｔ２において目標冷却温度Ｔｃに到達する。

ここで、例えば、撮像装置１１の設計時に、実験またはシミュレーションにより、除湿素子１５が、定格の除湿能力で除湿したときに、密閉空間２１の湿度が限界湿度Ｈｂに到達するまでの時刻ｔ１を求め、その時刻ｔ１以降の時刻ｔ２において、密閉空間２１の温度が目標冷却温度Ｔｃに到達するように、時刻に応じて冷却素子１３に供給される電力を増加させる設定が求められる。そして、制御基板２０は、その設定に従って、冷却素子１３に電力を供給する。

次に、図３は、図１の撮像装置１１における除湿処理および冷却処理を説明するフローチャートである。

例えば、所定のスケジュールに従って、撮像装置１１の起動時刻になると、撮像装置１１を制御する外部のコンピュータから起動を指示する信号が制御基板２０に供給され、ステップＳ１１において、制御基板２０は、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５に対する電力の供給を開始する。ここで、図２を参照して説明したように、制御基板２０は、撮像素子１２および除湿素子１５には、定格電力を供給し、冷却素子１３には、例えば、第１段階の電力を供給する。

ステップＳ１１の処理後、処理はステップＳ１２に進み、制御基板２０は、密閉空間２１内の温度が、時刻ｔ２において目標冷却温度Ｔｃに到達するように、時刻の経過に応じて、冷却素子１３への電力の供給を１段階ずつ増加させる。そして、冷却素子１３に供給される電力が、目標冷却温度Ｔｃの達成に必要な電力に到達すると、処理はステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３において、制御基板２０は、撮像装置１１の停止を指示する信号が供給されたか否かを判定し、撮像装置１１の停止を指示する信号が供給されたと判定されるまで、処理を待機する。制御基板２０が処理を待機している間に、撮像素子１２が被写体を撮像して得られる画像信号が、外部のコンピュータに供給されて記録される。そして、所定のスケジュールに従って、撮像装置１１による撮像が終了すると、外部のコンピュータは、撮像装置１１の停止を指示する信号を制御基板２０に供給する。

ステップＳ１３において、制御基板２０が、撮像装置１１の停止を指示する信号が供給されたと判定すると、処理はステップＳ１４に進み、制御基板２０は、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給を停止し、処理は終了する。

以上のように、撮像装置１１において、撮像素子１２は、冷却素子１３により冷却されるので、暗電流によるノイズの発生を抑制することができ、微弱な光による撮像における画質の低下を抑制することができる。また、撮像装置１１においては、密閉空間２１の湿度が限界湿度Ｈｂに到達した時刻ｔ１以降の時刻ｔ２に、密閉空間２１の温度が、目標冷却温度Ｔｃに到達するので、密閉空間２１に結露が発生することを防止することができる。

また、撮像装置１１では、制御基板２０が、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給を同時に開始するとともに、冷却素子１３に供給される電力（電流）が時刻の経過に従って増加するように制御するだけであるので、制御基板２０を比較的に簡易な構成とすることができる。

即ち、例えば、特許文献１の撮像装置のように、撮像素子、冷却素子、および除湿素子を起動させるタイミングを、それぞれ独立して制御する場合には、それぞれを独立して制御することができる制御機構が必要であり、そのような制御機構は煩雑なものとなる。また、特許文献２の撮像装置のように、画像信号の輝度レベルや、温度、湿度などに基づいて、冷却素子および除湿素子を制御する場合には、それらを検出するセンサが必要であり、そのような制御機構は煩雑なものとなる。

これに対し、撮像装置１１では、制御基板２０が、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給を同時に開始するので、撮像素子、冷却素子、および除湿素子の起動をそれぞれ独立して制御するような煩雑な制御機構を必要とせず、冷却素子１３に供給される電力が時刻の経過に従って増加するように制御するので、画像信号の輝度レベルや、温度、湿度などに基づいて制御するような煩雑な制御機構を必要としない。

このように、撮像装置１１では、従来の撮像装置よりも、制御基板２０を比較的に簡易な構成とすることができる。即ち、撮像装置１１では、従来よりも簡易な制御で、結露の発生を防止することができる。

また、撮像装置１１では、制御基板２０は、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給を同時に停止するので、例えば、特許文献２の撮像装置のように、停止時の制御を行う制御機構よりも、制御基板２０を比較的簡易な構成とすることができる。また、撮像装置１１を停止させる処理に必要な時間を短くすることができる。また、このように、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給を同時に停止しても、次回の起動時に、上述したような除湿および冷却を行うことで、撮像装置１１を正常に使用することができる。

このように、撮像装置１１では、制御基板２０の構成を簡易にすることができるとともに、温度センサや湿度センサなどを必要としないので、低価格で実現可能であり、従来の撮像装置よりコストダウンを図ることができる。

また、撮像装置１１では、撮像素子１２、冷却素子１３、および除湿素子１５への電力の供給が同時に開始されるので、例えば、密閉空間２１内が所定の湿度に達成したことを湿度センサなどにより検出した後に、冷却を開始し、十分に撮像素子が冷却されてから画像を出力する場合に比べて、起動から正常な画像が出力されるまでの時間を短縮することができる。さらに、撮像素子１２が十分に冷却される前であっても、撮像素子１２が画像を出力するので、撮像素子１２から熱ノイズを有する画像が出力されているとしても、ユーザは、その画像により、撮像装置１１の起動を確認することができ、ユーザの待機時間を短縮することができる。また、撮像素子１２が冷却されるに従って熱ノイズが除去されていく様子を、ユーザが確認することができる。

また、冷却素子１３として、ペルチェ素子を用いることにより、撮像装置１１を小型化することができるとともに、静音性を高めることができるが、冷却素子１３は、ペルチェ素子に限定されるものではなく、例えば、冷媒を圧縮したり蒸発させたりすることによって熱交換を行うような熱交換器を用いることができる。

このような撮像装置１１は、例えば、細胞の培養に適した高温かつ多湿な環境に収納され、細胞の培養状況の観察に用いられる。

次に、図４は、撮像装置１１を用いた細胞観察装置の構成例を示す図である。

図４Ａは、細胞観察装置３１の正面図であり、図４Ｂは、正面図の矢印Ａ−Ａ方向から見た細胞観察装置３１の断面図である。

細胞観察装置３１は、細胞を培養する環境を維持する培養環境維持手段であるインキュベータ部３２と、インキュベータ部３２が載置される架台部３３とを有し、インキュベータ部３２の内部に撮像装置１１が配置されている。インキュベータ部３２の内部は、細胞の培養に適した環境、例えば、温度３７℃、湿度９０％に維持されている。

インキュベータ部３２の内部には、撮像装置１１の他、細胞が収納されている培養容器４１、細胞の観察時に培養容器４１が載置されるステージ４２、複数の培養容器４１を収納するストッカ部４３、ストッカ部４３とステージ４２との間で培養容器４１を搬送する搬送部４４、および、ステージ４２上の培養容器４１の上方から光を照射する照明部４５が収納されている。

架台部３３の内部には、ステージ４２上の培養容器４１の下方から光を照射する照明部４６、ステージ４２上の培養容器４１を下方から観察する撮像装置４７、および、細胞観察装置３１の各部を制御するコントロールユニット４８が収納されている。

このように構成されている細胞観察装置３１において、撮像装置１１は、レンズマウント１７（図１）に所定の倍率のレンズが装着され、コントロールユニット４８の制御に従って、あらかじめ登録されている観察スケジュールに基づき、培養容器４１内の細胞を定期的に撮像し、細胞の培養状況を観察する。

撮像装置１１は、インキュベータ部３２の内部に配置されており、撮像装置１１の密閉室２１に水蒸気が浸入してくることがあるが、良好な画像を得ることができる。即ち、冷却素子１３により撮像素子１２が冷却されることにより、高温な環境下でも画像に生じる熱ノイズを低減させることができるとともに、除湿素子１５により密閉室２１が除湿されることにより、多湿な環境下でも湿気による悪影響、例えば、撮像素子１２に入射する光の光軸上で水蒸気が結露することによる画質の低下を回避することができる。従って、撮像装置１１は、高温かつ多湿な環境に維持されているインキュベータ部３２内での使用において好適である。

なお、本発明の実施の形態では、ハウジング１４、除湿素子１５、および光学フィルタ１６により密閉空間２１が形成されているが、例えば、ハウジング１４の背面側を開放し、密閉空間を形成する壁面の一部に、放熱器１８の正面側の壁面を利用してもよい。この場合、冷却素子１３の放熱面を、放熱器１８の正面側の壁面に接合するような構造とすることができ、冷却素子１３から放熱器１８に直接伝熱を行うことで、放熱効率を向上させることができる。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

本発明を適用した撮像装置の一実施の形態の構成例を示す図である。撮像装置１１の起動時における密閉空間２１内の温度および湿度の関係を示す図である。撮像装置１１における除湿処理および冷却処理を説明するフローチャートである。撮像装置１１を内蔵する細胞観察装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１１撮像装置，１２撮像素子，１３冷却素子，１４ハウジング，１５除湿素子，１６光学フィルタ，１７レンズマウント，１８放熱器，１９ファン，２０制御基板，２１密閉空間，３１観察装置，３２インキュベータ部，３３架台部，４１培養容器，４２ステージ，４３ストッカ部，４４搬送部，４５および４６照明部，４７撮像装置，４８コントロールユニット

Claims

撮像を行う撮像装置において、
被写体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段を冷却する冷却手段と、
前記撮像手段および前記冷却手段が収納されている密閉空間を除湿する除湿手段と、
前記撮像装置自身の起動時に、前記密閉空間の湿度が前記除湿手段による除湿の限界である限界湿度に到達する時刻以降に、所定の目標冷却温度となるような電力を前記冷却手段に供給する電力供給制御手段と
を備えることを特徴とする撮像装置。
前記電力供給制御手段は、前記撮像装置自身の起動時に、前記撮像手段、前記冷却手段、および前記除湿手段への電力の供給を同時に開始する
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記冷却手段がペルチェ素子である
ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
細胞を観察する観察装置において、
前記細胞の培養に適した培養環境を維持する培養環境維持手段と、
前記培養環境維持手段による培養環境内に配置され、前記細胞を撮像する撮像装置と
を備え、
前記撮像装置は、
被写体を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段を冷却する冷却手段と、
前記撮像手段および前記冷却手段が収納されている密閉空間を除湿する除湿手段と、
前記撮像装置自身の起動時に、前記密閉空間の湿度が前記除湿手段による除湿の限界である限界湿度に到達する時刻以降に、所定の目標冷却温度となるような電力を前記冷却手段に供給する電力供給制御手段と
を有する
ことを特徴とする観察装置。