JP2011142575A - 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、密閉室１００内に、撮像素子１５と、撮像素子１５の撮像面とは反対側の裏面を冷却するペルチェ素子１７と、ペルチェ素子１７の放熱面に接続配置される放熱突起部１８と、撮像素子１５の撮像面側の表面に接触する一端部と放熱突起部１８に接触する他端部とを有する伝熱部材３０とを備え、伝熱部材３０によって放熱突起部１８の熱を撮像面へ伝達する。
【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、密閉室に内蔵された撮像素子と、前記密閉室に内蔵され、前記撮像素子の裏面側に接触して前記撮像素子を冷却する冷却手段と、前記冷却手段の放熱側に接続配置される放熱部材と、前記密閉室内に内蔵され、前記撮像素子の撮像面側の表面に接触する一端部と前記放熱部材に接触する他端部とを有する伝熱性材料からなる伝熱部材と、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伝熱部材によって放熱部材からの熱を撮像素子の撮像面側の表面へ伝えるので、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。

本発明の実施の形態に係る冷却型撮像装置の縦断面図。 図１に示す伝熱部材と撮像素子との位置関係を示した平面図。 撮像素子の裏面と撮像面における温度変化を示したグラフ図。

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、本発明の実施の形態による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とは、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を介して上部底壁４に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、上部底壁４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、下部底壁３に一体的に突設された放熱突起部１８に密接、又は密着している。放熱突起部１８は、ペルチェ素子１７の放熱面の熱を吸収して下部底壁３に放熱するヒートシンクとして働く。また、放熱突起部１８は、ペルチェ素子１７の放熱面の熱を吸収して下部底壁３を介して側壁２に伝える。
従って、本実施の形態にあっては、放熱突起部１８と下部底壁３と側壁２などが全体として、ペルチェ素子１７の放熱面の熱を放熱する放熱部材を構成する。換言すると、筐体１１０がペルチェ素子１７の放熱面の熱を放熱する放熱部材を構成する。

本実施の形態では、放熱突起部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、放熱突起部１８と下部底壁３と側壁２とが熱伝導性の良い同一の材料で構成される。
また、ペルチェ素子１７と放熱突起部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、放熱突起部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放熱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の放熱部材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。

下部底壁３には、伝熱部材３０が立設されている。この伝熱部材３０は、Ｌ字形状の伝熱部３１と、伝熱部３１の下端と下部底壁３との間に配置された冷却部３２とを有する。
Ｌ字形状の伝熱部３１は、下部底壁３に冷却部３２を介して立設された垂直支柱部と、この垂直支柱部の上端から水平に延在した平板部１３１とから構成される。この平板部１３１は、撮像素子１５の撮像面に密接、又は密着されている。こうして、伝熱部材３０は、その一端部が撮像素子１５の撮像面の表面に接触しており、他端部が下部底壁３に接触している。

図２は、伝熱部３１の平板部１３１と撮像素子１５との位置関係を示した平面図であって、同図において平板部１３１には、他の部材と区別するために、ハッチングが施されている。
平板部１３１は、この外形状が撮像素子１５を収容するパッケージ１５ｂにほぼ一致しており、撮像素子１５の撮像面に接触、又は密着している。具体的には、平板部１３１は、撮像素子１５の撮像面に設けられた不図示のカバーガラスに密着している。
また、平板部１３１の中央部に開口部１３１ａが穿設され、この開口部１３１ａの大きさは、撮像素子１５の撮像領域１５ａが露出するように、撮像領域１５ａの大きさよりも大きく定められている。
このように、開口部１３１ａの大きさ及びその配置位置は、上部底壁４の開口４ａを通って撮像領域１５ａに入射する光束を遮光しないように定められている。なお、撮像領域１５ａ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。

冷却部３２は、伝熱部３１と下部底壁３との間に配設された、例えばペルチェ素子で構成され、この冷却部３２は、ペルチェ素子１７に連動して動作し、ペルチェ素子１７の冷却動作時には、伝熱部３１を冷却し、放熱突起部１８からの熱が下部底壁３を介して伝熱部３１へ伝熱することを阻止する。
他方、冷却部３２は、ペルチェ素子１７の冷却動作の停止時には自身の冷却動作を停止する。これによって、下部底壁３からの熱が冷却部３２を介して伝熱部３１に伝熱される。

また、冷却部３２の冷却能力は、ペルチェ素子１７の冷却動作時に、放熱突起部１８からの熱が下部底壁３を介して伝熱部３１へ伝熱することを阻止することができる程度で、十分であり、従って、ペルチェ素子１７の冷却能力よりも遙かに小さく定められている。
冷却部３２は伝熱部３１と下部底壁３との間に配設されると説明したが、伝熱部３１を直接に下部底壁３に立設して、冷却部３２を伝熱部３１の側面に貼り付けてもよい。

次に、この実施の形態に係る冷却型撮像装置１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をその裏面から冷却すると、この撮像素子１５は、裏面側が先ず冷却され、その後に撮像面側が冷却される。
こうして、パルチェ素子１７の冷却面とそれに接触している撮像素子の裏面、正確には撮像素子１５のパッケージとが最初に低温化するので、この部分に結露が発生する。

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温度曲線Ａで、撮像素子１５の撮像面の温度変化を温度曲線Ｂ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、ペルチェ素子１７の冷却動作時には、撮像素子１５の裏面温度Ｔ１が撮像素子１５の撮像面温度Ｔ２よりも低いので、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の裏面の近傍には、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（時刻ｔ１）には、不図示のコントローラからの指令によって、ペルチェ素子１７と冷却部３２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、放熱突起部１８からの熱が、ペルチェ素子１７を通って撮像素子１５に伝わる。
こうして、冷却動作の停止によって、図３の温度曲線Ａに示したように、放熱突起部１８からの熱伝導によって撮像素子１５の裏面温度が上昇する。
他方、ペルチェ素子１７の冷却動作の停止に同期した冷却部３２の冷却動作の停止によって、下部底壁３からの熱が伝熱部材３０に伝熱し、伝熱部３１の平板部１３１を介して撮像素子１５の撮像面に伝わる。従って、撮像素子１５の撮像面は冷却動作の停止後、速やかに高温化する。
図３の温度曲線Ｂはこの様子を表したグラフであって、ペルチェ素子１７の冷却動作の停止後、撮像素子１５の撮像面の温度は、撮像素子１５の裏面温度（温度曲線Ｂ）よりも高温状態を保ったまま、上昇する。

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、上述のように上昇すると、冷却動作時に撮像素子１５の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全体に拡散するが、撮像素子１５の撮像面温度の方が撮像素子１５の裏面温度よりも常に高いため、撮像素子１５の撮像面に結露が生ずることはない。

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。

撮像素子１５の裏面温度と撮像素子１５の撮像面温度が温度Ｔ３の状態から上述の冷却動作を時刻ｔ２で再開した場合は、撮像素子１５の裏面温度は、温度曲線Ａで示すように低下して温度Ｔ１に保持され、撮像素子１５の撮像面温度は、温度曲線Ｂで示すように低下して温度Ｔ２に保持される。
このように、撮像素子１５の冷却時、冷却停止時を問わず、常に撮像素子１５の撮像面温度の方が撮像素子１５の裏面温度よりも高温側に保たれる。
なお、撮像素子１５がパッケージに収容されていると、ペルチェ素子１７は、そのパッケージの裏面から冷却し、その後に、撮像素子１５の裏面側から撮像面側を冷却することになる。従って、撮像素子１５がパッケージに収容されている場合には、ペルチェ素子の冷却面とパッケージ裏面との温度がほぼ等しくなり、撮像素子１５の裏面温度がそれに次いで低温となり、撮像素子１５の撮像面温度が相対的に最も高温になる。

以下に本発明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）ペルチェ素子の冷却動作の停止時には、伝熱部材によって下部底壁からの熱を撮像素子の撮像面へ伝えて温めるので、撮像面の結露発生を防止することができ、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）放熱突起部からの熱を利用して撮像面を温めるので、加温用の装置を設ける必要もなく、エネルギーコストもかからない。
（４）ペルチェ素子１７の冷却動作時には、伝熱部材に設けられた冷却部が下部底壁からの熱が撮像面に伝熱することを阻止するので、撮像素子の撮像面を十分に冷却することができる。

本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。
伝熱部材３０は、本実施の形態では下部底壁３に接続したが、その代わりに、側壁２に接続し、冷却動作の停止時に側壁２の熱を撮像素子の撮像面に伝熱することもできる。
伝熱部材３０を伝熱部３１と冷却部３２とに分け、冷却部３２を伝熱部３１と下部底壁３との間に配設する構成としたが、例えば、伝熱部３１を下部底壁３に直接固定し、冷却部３２を管状として伝熱部３１の支柱部分を取り囲むように配設した構成にしてもよい。
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。

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：撮像領域 １５ｂ：パッケージ
１７：ペルチェ素子 １８：放熱突起部
３０：伝熱部材 ３１：伝熱部
３２：冷却部 １００：密閉室
１１０：筐体

Claims (4)

1. 密閉室に内蔵された撮像素子と、
   前記密閉室に内蔵され、前記撮像素子の裏面側に接触して前記撮像素子を冷却する冷却手段と、
   前記冷却手段の放熱側に接続配置される放熱部材と、
   前記密閉室内に内蔵され、前記撮像素子の撮像面側の表面に接触する一端部と前記放熱部材に接触する他端部とを有する伝熱性材料からなる伝熱部材と、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、
   前記放熱部材は、前記密閉室の一部を形成することを特徴とする冷却型撮像装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却型撮像装置において、
   前記伝熱部材は、前記放熱部材からの熱が、前記他端部から前記一端部に伝導されることを阻止する為の冷却素子を有し、
   前記冷却素子は、前記冷却手段が冷却動作を開始した時に、自身の冷却動作を開始し、前記冷却手段が冷却動作を停止した時に、自身の冷却動作を停止する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、
   前記冷却素子の冷却能力は、前記冷却手段の冷却能力よりも小さいことを特徴とする冷却型撮像装置。
   

Images