JP2011139280A - 冷却型撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却動作の停止時の撮像素子の撮像面への結露を防止する。
【解決手段】冷却型撮像装置１は、撮像素子１５と、撮像素子１５の撮像面１５ａとは反対側の裏面を冷却するペルチェ素子１７と、撮像素子１５の撮像面１５ａの撮像領域１５ｂの外側に配設された結露誘導部材２２と、撮像素子１５とペルチェ素子１７と結露誘導部材２２とを内蔵する密閉室１００と、ペルチェ素子１７に接続され、密閉室１００の外部とペルチェ素子１７との間で伝熱する熱伝導部材１８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却型撮像装置に関する。

撮像素子は、自己発熱や周囲温度の上昇などによって内部温度が上昇すると、暗電流が増加して固定パターンノイズが発生するので、撮像素子をペルチェ素子などで冷却して固定パターンノイズを低減することが知られている。
ところが、撮像素子をペルチェ素子等によって冷却すると、撮像素子の撮像面などに結露が生じ、撮像するべき光学像を劣化させてしまう。
そこで、撮像素子を冷却しつつ、撮像素子の撮像面への結露の発生を防止した冷却型撮像装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載された冷却型撮像装置は、撮像素子を収容したパッケージを、熱伝導金具を介して、ペルチェ素子によって冷却すると共に、ペルチェ素子の放熱面を放熱容器に密着させてペルチェ素子放熱面からの熱を放熱容器で吸熱する構成である。
パッケージには所定の熱抵抗が存在する為に、ペルチェ素子は、熱伝導金具とパッケージとを最初に所定温度まで冷却し、パッケージ熱抵抗に依存した時間経過後に撮像素子を所定温度に冷却する。これによって、結露がペルチェ素子と熱伝導金具とパッケージとに発生するようにして、撮像素子での結露の発生を防止している。

特開平９−１６２３７９号公報

ところが、上述した従来の冷却型撮像装置は、撮像動作を終了しペルチェ素子の冷却動作を停止すると、放熱容器からの熱は、ペルチェ素子、熱伝導金具、パッケージを順次伝導して撮像素子に到達する為、ペルチェ素子と熱伝導金具とパッケージとが最初に高温化し、パッケージの熱抵抗の為に、撮像素子はそれに遅れて高温化する、即ち、撮像素子は所定時間、ペルチェ素子や熱伝導金具やパッケージよりも低温状態に保たれる。
従って、ペルチェ素子と熱伝導金具とパッケージとに発生していた結露は、この高温化によって蒸発し水蒸気になり、この水蒸気は、低温状態に保たれている撮像素子の撮像面に結露してしまう。

従って、従来の冷却型撮像装置は、上述のペルチェ素子の冷却動作の停止後、撮像動作を再開したい場合にも、撮像面に結露が存在するために、直ちに再開することができないと言った問題がある。
更に、従来の冷却型撮像装置は、撮像素子撮像面の結露がその後に蒸発すると、撮像面に水の蒸発痕跡が残り、その水の蒸発痕跡が撮像素子の撮像面に結像される光学像を劣化させるという問題も存在する。

（１）請求項１の発明による冷却型撮像装置は、撮像素子と、前記撮像素子の撮像面とは反対側の裏面を冷却する冷却手段と、前記撮像素子の撮像面の撮像領域の近傍外側に配設された結露誘導部材と、前記撮像素子と前記冷却手段と前記結露誘導部材とを内蔵する密閉室と、前記冷却手段に接続され、前記密閉室の外部と前記冷却手段との間で伝熱する熱伝導部材とを備えることを特徴とする。

本発明の冷却型撮像装置によれば、冷却手段の冷却動作の停止時には結露誘導部材が撮像素子よりも先に結露を誘導するので、この結露誘導部材に結露が生じて、これによって撮像素子の撮像面での結露の発生を防止することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る冷却型撮像装置の断面図。 （ａ）は図１の結露誘導部材と撮像素子との関係を示した平面図、（ｂ）はその縦断面図。 撮像素子の裏面と撮像面と結露誘導部材との温度変化を示したグラフ図。 （ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る冷却型撮像装置を示した平面図、（ｂ）はその縦断面図。 （ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る冷却型撮像装置を示した平面図、（ｂ）はその縦断面図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態による顕微鏡用の冷却型撮像装置を説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の冷却型撮像装置を示したもので、冷却型撮像装置１は、横断面が矩形の側壁２と下部の底壁３と上部の底壁４とを有し、これらの側壁２と下部の底壁３と上部の底壁４は、密閉室１００を有する筐体１１０を構成する。
側壁２の下端部は、下部底壁３から突出しており、その下端面に底板５が取り付けられている。この底板５には、多数の貫通孔６が穿孔されている。

下部底壁３は側壁２と一体に構成されている。また、上部底壁４はＯリング７を介して側壁２に固定されている。上部底壁４のほぼ中央部には開口４ａが穿設され、この開口４ａを覆うように、透明窓部材８がビス１０によってＯリング１１を介して取り付けられている。
このように、透明窓部材８は、密閉室１００が室外の周囲の雰囲気に対して気密性を保持するように、開口４ａに取り付けられている。なお、透明窓部材８としては例えば光学フィルタを使用することができる。
こうして、筐体１１０の内部の密閉室１００は、外部に対してほぼ気密状態、または密閉状態に保たれる。

上部底壁４には顕微鏡取付用のマウント１２が取り付けられ、撮像装置１はこのマウント１２によって不図示の顕微鏡に搭載され、顕微鏡の観察像を撮像する。

下部底壁３には回路基板１３が、下部底壁３との間に所定の間隙が生ずるように、ネジ１４によって取り付けられている。回路基板１３には、パッケージに収容された撮像素子１５が実装されている。撮像素子１５は、回路基板１３の上面から所定距離だけ離れた状態で、リード線１６によって回路基板１３に取り付けられている。

こうして、撮像素子１５は、その表面、即ちその撮像面が透明窓部材８の方に向き、冷却型撮像装置１が顕微鏡のポートに取り付けられたときに撮像面の中心が顕微鏡の光軸Ｌに一致するように、密閉室１００内に配置されている。
撮像素子１５の裏面にはペルチェ素子１７の冷却面が密接、又は密着されている。ペルチェ素子１７の放熱面は熱伝導部材１８に密接、又は密着している。熱伝導部材１８は下部底壁３に一体的に突設された放熱突起部から構成されている。
この熱伝導部材１８は、ペルチェ素子１７の冷却動作時にはペルチェ素子１７の熱を吸収して下部底壁３に伝熱するヒートシンクとして機能し、ペルチェ素子１７の冷却動作の停止時には、下部底壁３からの熱をペルチェ素子１７を介して撮像素子１５に伝熱する機能を有する。

本実施の形態では、熱伝導部材１８は下部底壁３と一体に形成され、またこの下部底壁３は側壁２と一体に形成されているので、結局、熱伝導部材１８と下部底壁３と側壁２とが熱伝導性の良い材料から作られている。
また、ペルチェ素子１７と熱伝導部材１８は、回路基板１３に設けられた開口１３ａを貫通している。
なお、熱伝導部材１８は、この実施の形態では下部底壁３から一体に突設された熱伝導突起部として構成したが、このような構成に限られるものではなく下部底壁３に密接された別部品として構成することもできる。
下部底壁３には貫通孔２０が穿孔され、下部底壁３の下面には貫通孔２０を覆う、即ち密閉するように除湿素子２１が取り付けられている。

図１及び図２に示したように、撮像素子１５の撮像面１５ａのカバーガラスＧには結露誘導部材２２が密着するように取り付けられている。この結露誘導部材２２は、４枚の平板からなる長方形の枠体であり、撮像素子１５の撮像面１５ａの撮像領域１５ｂを取り囲むように、撮像領域１５ｂの外側に配置されている。図２（ａ）では、結露誘導部材２２を明瞭に示すためにハッチングを施してある。結露誘導部材２２は例えばアルミ等の金属又はＡＢＳ等の樹脂のような材料から構成される。
なお、撮像領域１５ｂは、この領域に結像した顕微鏡光像を光電変換して画像信号を出力する光電変換領域である。
従って、結露誘導部材２２の大きさ及びその配置位置は、上部底壁４の開口４ａを通って撮像素子１５の撮像領域１５ｂに入射する光束を遮光しないように定められている。
また、結露誘導部材２２は、その内周面に反射防止処理が施されており、上部底壁４の開口４ａからの迷光が結露誘導部材２２で反射して撮像領域１５ｂに入射することを防止している。この反射防止処理としては、反射防止塗料の塗布や結露誘導部材２２の内周面の凹凸加工が好適である。

また、結露誘導部材２２と撮像素子１５との接触面積は、熱伝導部材１８とペルチェ素子１７との接触面積よりも小さく定められている。このように定めることにより、冷却動作の停止時に、熱伝導部材１８からの熱は、急速にペルチェ素子１７に伝達するのに対し、撮像素子１５からの熱は、相対的に徐々に結露誘導部材２２に伝達される。

次に、この実施の形態に係る冷却型撮像装置の動作を説明する。
撮像装置１が起動されると、不図示のコントローラからの指令に従い除湿素子２１が駆動され、密閉室１００内の除湿動作を行い、密閉室１００内の水蒸気を一定レベル以下にする。この除湿動作と同時に、ペルチェ素子１７が、不図示のコントローラからの指令に従い撮像素子１５を裏面から冷却すると、この撮像素子１５は、裏面側から撮像面側まで順次冷却され、その後に、撮像素子１５の撮像面に密着された結露誘導部材２２も順次冷却される。
また、ペルチェ素子１７の放熱面の熱は、ヒートシンクとして機能する熱伝導部材１８によって吸熱されて、下部底壁３に伝熱し大きな熱容量の側壁２に吸収される。

図３は、撮像素子１５の冷却時及び冷却停止時、即ち冷却オフ時における撮像素子１５の裏面の温度変化を破線Ｔ１で、撮像素子１５の撮像面の温度変化を二点鎖線Ｔ２で、結露誘導部材２２の温度変化を実線Ｔ３でそれぞれ示したグラフである。なお、撮像素子１５の裏面はペルチェ素子１７に密着しているので、撮像素子１５の裏面温度はペルチェ素子１７の冷却面温度にほぼ等しい。
このグラフから明らかなように、冷却時には、撮像素子１５の裏面温度Ｔ１が相対的に最も低く、撮像素子１５の撮像面温度Ｔ２がその次に低く、結露誘導部材２２の温度Ｔ３が相対的に最も高い。
従って、ペルチェ素子１７による冷却によって、ペルチェ素子１７の冷却面やこの冷却面に密着した撮像素子１５の裏面には、結露が発生する。
しかしながら、撮像素子１５の撮像面の温度は、撮像素子１５の裏面よりも相対的に高いので、撮像素子１５の撮像面には結露が生じない。
こうして、ペルチェ素子１７が撮像素子１５をその裏面側から十分に冷却しても、撮像素子１５の撮像面には結露が発生することはないので、撮像素子１５は、固定パターンノイズの発生を十分に抑制して顕微鏡観察像を撮像することができ、極めて良好な撮像信号を出力することができる。

撮像装置１の動作停止時には、コントローラからの指示によって、ペルチェ素子１７がその冷却動作をオフ、即ち停止する。このペルチェ素子１７の冷却動作の停止によって、熱伝導部材１８からの熱が、ペルチェ素子１７を通って、撮像素子１５及び結露誘導部材２２に順次伝わる。
こうして、冷却動作の停止によって、図３に示したように、撮像素子１５の裏面温度Ｔ１が急上昇して相対的に最も高温になり、その後に、撮像素子１５の撮像面温度Ｔ２が徐々に上昇し、その後に、結露誘導部材２２の温度Ｔ３が更に徐々に上昇する。
こうして、熱伝導部材１８からの熱の伝導によって、撮像素子１５の裏面が相対的に最も高温くなり、次いで撮像素子１５の撮像面の温度が次に高くなり、結露誘導部材２２が相対的に最も低くなる。

ペルチェ素子１７の冷却面や撮像素子１５の裏面の周辺の温度が、上述のように急激に上昇すると、冷却動作時に上記裏面周辺に結露していた水滴が蒸発し水蒸気となる。この水蒸気は、対流などによって密閉室１００全体に拡散して、相対的に最も低温の結露誘導部材２２に結露する。
この時、撮像素子１５の撮像面は、結露誘導部材２２よりも相対的に高温であるので、撮像素子１５の撮像面に結露が生ずることはない。
冷却動作の停止から時間が十分に経過すると、図３に示したように、撮像素子１５の裏面の温度Ｔ１と撮像素子１５の撮像面の温度Ｔ２と結露誘導部材２２の温度Ｔ３は、単一のラインＨで収斂して同一温度になる。この時には結露誘導部材２２に結露していた水滴は、既に蒸発している。
撮像装置１は、上述の撮像動作及び冷却動作の停止後、比較的早期に撮像動作を再開したい場合にも、撮像面に結露が存在しないので、直ちに再開することができる。

以下に本発明の第１の実施の形態の効果を説明する。
（１）撮像素子は、冷却動作時に撮像面などに結露が生じることなく、十分に冷却されるので、固定パターンノイズを十分に低減することができ、良好な画像信号を得ることができる。
（２）冷却動作の停止時には、結露誘導部材に結露させて、撮像素子の撮像面への結露発生を防止するので、冷却動作の停止後、早期に撮像動作を再開することができる。
（３）結露誘導部材２２を撮像素子１７の撮像面に配置するという極めて簡単な構成によって、冷却動作の停止時における撮像面への結露発生を防止することができる。

第１の実施の形態に係る冷却型撮像装置の構成は、上述した通りであるが、次にその変形例を説明する。
冷却動作の停止時に、結露誘導部材２２の内周面に結露した水滴が、内周面を降下して、撮像素子１５の撮像領域１５ｂ内に流入することを確実に防止するために、結露誘導部材２２の内周面に吸水部材を貼付してもよい。吸水部材としては、例えばスポンジのような吸水能力の高い材料が使用される。
本実施の形態にあっては下部の底壁３は、密閉室１００の十分な気密性を確保するために側壁２と一体に構成されているが、上部底壁４と同様に、側壁２とは別部品として、Ｏリングなどを介して側壁２に固着することもできる。
除湿素子２１は、常温時の密閉室１００内の湿度が何らかの原因で比較的高い場合に、
その湿度を所定レベルまで低下させるためのものであるので、高湿度状態が発生しないならば、不要である。
本実施の形態にあっては冷却素子としてペルチェ素子を使用したが、それ以外の冷却素子を使用してもよい。

次に、第２の実施の形態の冷却型撮像装置を説明する。
図４において、結露誘導部材１２２は、螺旋状のワイヤから構成され、撮像領域を取り囲むようにそれの外側に配置されている。この螺旋状ワイヤ１２２は、撮像素子１５の撮像面１５ａのカバーガラスＧに取り付けられる。なお、螺旋状のワイヤの代わりに、金網などを使用することもできる。
この螺旋状のワイヤや金網などからなる結露誘導部材１２２は、第１の実施の形態の平板状の結露誘導部材２２に比べて表面積が大きくなるので、結露を効果的に発生させることができる。

次に、第３の実施の形態の冷却型撮像装置を説明する。
図５において、結露誘導部材２２２は、長方形の枠状体から構成され、撮像素子１５の撮像面のカバーガラスＧの外側に取り付けられる。図５（ａ）では、結露誘導部材２２を明瞭に示すためにハッチングを施してある。この枠状の結露誘導部材２２２は、樹脂製の下段部２２２ａと金属製の上段部２２２ｂとから構成される。下段部２２２ａと上段部２２２ｂとは熱伝導を良くするために互いに密着接合されている。
樹脂製の下段部２２２ａは、金属製の上段部２２２ｂに比べて熱伝導性が低いので、ペルチェ素子の冷却動作の停止時に、熱伝導部材１８からの熱は、金属製の上段部２２２ｂに伝わり難くなり、結露誘導部材２２２は相対的に長時間にわたって相対的に低温状態に保たれる。従って、結露誘導部材２２２は、結露を効果的に発生させることができる。
このように、結露誘導部材２２２を二種の材料の積層体から構成することによって、結露誘導部材２２２の熱伝導特性を容易に最適化することができる。

更に、本実施の形態にあっては冷却型撮像装置は、顕微鏡の観察像を撮像するものであったが、本発明は、この用途に限ることなく、温度上昇に伴う固定パターンノイズの発生を防止することが必要な撮像装置に広く適用することができるものである。

本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。

１：冷却型撮像装置 １５：撮像素子
１５ａ：撮像面 １５ｂ：撮像領域
１７：ペルチェ素子 １８：熱伝導部材
２２、１２２、２２２：結露誘導部材
１００：密閉室

Claims (6)

1. 撮像素子と、
   前記撮像素子の撮像面とは反対側の裏面を冷却する冷却手段と、
   前記撮像素子の撮像面の撮像領域の外側に配設された結露誘導部材と、
   前記撮像素子と前記冷却手段と前記結露誘導部材とを内蔵する密閉室と、
   前記冷却手段に接続され、前記密閉室の外部と前記冷却手段との間で伝熱する熱伝導部材とを備えることを特徴とする冷却型撮像装置。
2. 請求項１に記載の冷却型撮像装置において、
   前記熱伝導部材と前記冷却手段との接触面積は、前記結露誘導部材と前記撮像素子との接触面積よりも広いことを特徴とする冷却型撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載の冷却型撮像装置において、
   前記結露誘導部材は、前記撮像素子の前記撮像領域への入射光束を遮光しないように配設されたことを特徴とする冷却型撮像装置。
4. 請求項３に記載の冷却型撮像装置において、
   前記結露誘導部材は、前記撮像素子の前記撮像領域の外周をほぼ取り囲むような枠形状を有することを特徴とする冷却型撮像装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却型撮像装置において、
   前記結露誘導部材と前記撮像素子の前記撮像領域との間に配置され、前記結露誘導部材に結露した水分を吸収する吸水部材を更に備えることを特徴とする冷却型撮像装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却型撮像装置において、
   前記結露誘導部材は、前記撮像素子に接触する下段部と、前記下段部に接合された上段部とを有し、前記下段部の熱伝導性が前記上段部の熱伝導性よりも低いことを特徴とする冷却型撮像装置。
   

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