(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像面に入射した光像から光電変換により画像信号を生成する撮像素子と、
前記撮像素子に吸熱面を熱的に接続し予め定められた温度に冷却するペルチェ素子と、
放熱性を有し、前記ペルチェ素子の放熱面側に熱的に接続して、且つ熱放射を助勢する皮膜を有するベース部と、
断熱性を有する部材により形成され、前記撮像面に光像が入射可能に保持する前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を収装し、前記ベース部に気密に取り付けられる枠部と、
を具備し、
前記皮膜は、前記枠部の内側と対向する前記ベース部の一部面領域を除く前記ベース部の表面に被覆されており、
前記撮像素子が発生させた熱を前記ベース部に伝導して放射させ、且つ前記枠部が該ベース部から放射させた熱の前記撮像素子及び前記ペルチェ素子に回り込みを防止することを特徴とする冷却撮像ユニット。
【請求項２】
前記撮像素子と前記ペルチェ素子の吸熱面の間に熱伝導性を有する金属からなる固定部材を介在させることを特徴とする請求項１に記載の冷却撮像ユニット。
【請求項３】
前記ベース部と前記枠部との取り付け部分に介在する弾性部材を有し、
該弾性部材は、外気との気密を確保し、且つ前記撮像素子及び前記ペルチェ素子が一体的に積重された際の寸法誤差を無くすように受容することを特徴とする請求項１または２に記載の冷却撮像ユニット。
【請求項４】
前記ベース部は金属により形成され、前記皮膜は、黒アルマイト処理により形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却撮像ユニット。
【請求項５】
撮像面に入射した光像から光電変換により画像信号を生成する撮像素子、
前記撮像素子に吸熱面を熱的に接続し予め定められた温度に冷却するペルチェ素子、
放熱性を有し前記ペルチェ素子の放熱面に熱的に接続して且つ熱放射を助勢する皮膜を有するベース部及び、
断熱性を有する部材により形成され、前記撮像面に光像が入射可能に保持する前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を収装し、前記ベース部に気密に取り付けられる枠部により構成され、
前記皮膜は、前記枠部の内側と対向する前記ベース部の一部面領域を除く前記ベース部の表面に被覆されている冷却撮像ユニットと、
前記冷却撮像ユニットを収納し、内部に前記撮像素子の取り付け位置を調整可能な機能を有する固定部及び、前記撮像素子に光像が入射させ、観察用ポートに取り付け可能な窓を備える装置筐体と、
を具備することを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体撮像素子を冷却する冷却ユニットを搭載する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体撮像素子からなるイメージセンサ（例えば、電荷結合素子ＣＣＤ：Charge Coupled Device）を搭載する電子撮像装置、所謂デジタルカメラが普及している。このデジタルカメラは、フィルムカメラにおけるフィルム現像や焼き付け処理を必要としていないため、撮影直後に撮影画像を確認したり、パソコン等で画像の加工処理が行え、且つ電気信号として通信ができる等の種々の利点があり、広い分野で使用されている。このデジタルカメラは、撮影レンズ光学系により撮像素子の受光面に光像を結像して、光電変換により電気信号に変えた後、Ａ／Ｄ変換処理を施し、デジタル画像データ（以下、画像データと称する）として得ている。画像出力としては、カメラ本体に設けられた液晶画面に表示、プリンタによる印刷出力又は、パソコン等の外部表示装置に表示している。
【０００３】
この撮像素子は、設計仕様に規定された環境範囲内で最適に駆動して、高画質な画像を得ることができる。しかし、実際には、外部環境による熱（気温等）や駆動時に発生する熱により撮像素子の駆動特性が影響を受けて、撮影画像の画質に悪影響を与えている。
【０００４】
そこで、熱による画質の劣化を防止するためには、撮像素子を適正な動作温度まで冷却する技術が組み込まれている。冷却手段として、例えば、小型で振動、騒音がなく、精度よく温度制御ができるペルチェ素子が撮像素子に取り付けられている。特許文献１において提案される技術がその１つの手法である。この技術は、ヘッド部を構成するパッケージに冷却機構が設けられた撮像素子を搭載するデジタルカメラに関するものである。即ち、撮像素子及びそれを冷却するペルチェ素子が共に、キャップと突起部が設けられているパッケージ（ベース）に収容される構成が開示されている。その構成において、ペルチェ素子が突起部と熱伝導が可能に接続されている。このように構成することによって、ペルチェ素子からの放熱量が急激に増加しても、突起部に増加分を吸収して熱放射を行い、撮像素子に対する温度の急上昇を防止している。
【特許文献１】特開２００３−２５８２２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献１では、ペルチェ素子の放熱面は、銅で形成したベースの突起部と接しており、ペルチェ素子の放熱面からの熱がベースに伝導するように構成されている。  
一般的に銅は熱伝導率が高い反面、熱放射率が低いという特性を有している。従って、ペルチェ素子が駆動した場合、ペルチェ放熱面から発せられる熱をベースに一旦吸収するが、ベース自体の熱の放射性が悪いと、吸収された熱がベースに徐々に溜まりこんでしまう場合がある。
【０００６】
従って、撮像素子を所望する温度まで冷却させる際に温度差があるほどペルチェ素子の放熱面からベースへ伝導される熱量が多くなるため、熱の放射で対処できなくなった時点からベースが昇温していく。この昇温に従い、ベースと接続している金属のキャップの温度も高くなり、その結果、パッケージ全体の温度が上昇する。
【０００７】
従って、このようなパッケージをデジタルカメラに搭載した場合、撮像素子を冷却させた際に、パッケージの温度上昇に伴いカメラ本体の温度を上昇させる可能性がある。このカメラ本体の温度上昇によりカメラ動作に不具合を生じさせる虞がある。このような温度上昇を防ぐためには、画質が低下することが想定されても撮像素子の冷却に対して制限を設ける必要がある。
【０００８】
さらに、放熱能力を超えてパッケージ全体の温度が高くなったことを考慮すると、パッケージ内部を真空断熱状態にすれば、ベース及びキャップにおける熱が撮像素子に回り込まず、撮像素子を効率よく冷却できる。しかし、真空パッケージを作製するには専用設備が必要となり、工数もかかる。さらに、真空状態を維持するための封止構造をパッケージに設ける必要があり、パッケージ単価及びカメラの製造コストが高くなる。
【０００９】
そこで本発明は、撮像素子を効率よく冷却し、且つ撮像素子を冷却する冷却用素子の放熱性が高い構造を有する冷却撮像ユニット及びその撮像冷却ユニットが搭載された撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために、撮像面に入射した光像から光電変換により画像信号を生成する撮像素子と、前記撮像素子に吸熱面を熱的に接続し予め定められた温度に冷却するペルチェ素子と、放熱性を有し、前記ペルチェ素子の放熱面側に熱的に接続して、且つ熱放射を助勢する皮膜を有するベース部と、断熱性を有する部材により形成され、前記撮像面に光像が入射可能に保持する前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を収装し、前記ベース部に気密に取り付けられる枠部と、を具備し、前記皮膜は、前記枠部の内側と対向する前記ベース部の一部面領域を除く前記ベース部の表面に被覆されており、前記撮像素子が発生させた熱を前記ベース部に伝導して放射させ、且つ前記枠部が該ベース部から放射させた熱の前記撮像素子及び前記ペルチェ素子への回り込みを防止する冷却撮像ユニットを提供する。
【００１１】
さらに、撮像面に入射した光像から光電変換により画像信号を生成する撮像素子、前記撮像素子に吸熱面を熱的に接続し予め定められた温度に冷却するペルチェ素子、放熱性を有し、前記ペルチェ素子の放熱面に熱的に接続して、且つ熱放射を助勢する皮膜を有するベース部及び、断熱性を有する部材により形成され、前記撮像面に光像が入射可能に保持する前記撮像素子及び前記ペルチェ素子を収装し、前記ベース部に気密に取り付けられる枠部により構成され、前記皮膜は、前記枠部の内側と対向する前記ベース部の一部面領域を除く前記ベース部の表面に被覆されている冷却撮像ユニットと、前記冷却撮像ユニットを収納し、内部に前記撮像素子の取り付け位置を調整可能な機能を有する固定部と、前記撮像素子に光像が入射させ、観察用ポートに取り付け可能な窓とを備える装置筐体と、を具備する撮像装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、撮像素子を効率よく冷却し、且つ撮像素子を冷却する冷却用素子の放熱性が高い構造を有する冷却撮像ユニット及びその撮像冷却ユニットが搭載された撮像装置を提供することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。  
図１は、本発明による第１の実施形態に係る冷却撮像ユニットの構成例を示す。  
この冷却撮像ユニット１は、平板形状のベース部２と、キャップ形状で鍔部３ａがガスケット４を介してベース部２に固着される枠部３と、枠部３底部に開口された窓３ｂに嵌合する光透過部材５と、枠部３内部の凸部３ｃに固定される撮像回路基板６と、撮像回路基板６に実装されるイメージセンサである撮像素子７と、撮像素子７の底面側に熱的に接続する即ち密着し熱伝導性の高い金属からなる固定部材８と、固定部材８に吸熱面９ａを密着し且つ放熱面９ｂをベース部２に密着するペルチェ素子９と、で構成される。
【００１４】
撮像素子７は、半導体撮像素子であり、例えば、ＣＣＤイメージセンサ、又はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等が好適する。また、撮像素子７、固定部材８及びペルチェ素子９は、一体的に積重されてベース部２に固定されており、撮像素子７が発生した熱を効率よく、ベース部２に熱伝導できるようにそれぞれに密着している。実際の取付けの際には、固定部材８及びペルチェ素子９の各両面に熱伝導性シリコングリス等の密着用材を用いて密着性を高めてもよい。
【００１５】
ベース部２は、アルミニウム等の熱伝導性が高い金属により形成され、表面に取り付けられた枠部３と対向する一部面領域２ａを除き、黒アルマイト処理が施されている。尚、ベース部２の表面処理として、黒アルマイトの例で説明したがアルマイトには限定されず、熱放射率の大きい皮膜処理であればよく、例えばメッキ・クロメート処理等でもよい。
【００１６】
枠部３は、例えばアクリルのような樹脂材料で鍔部３ａ付きのキャップ形状に形成されている。枠部３の底面中央には、撮像素子による撮像のための窓３ｂが開口されている。この窓部３ｂには、光を透過することができる透明材料例えば、ガラス又は、透明樹脂による光透過部材５が嵌め込まれ、接着剤等で気密となるように固定されている。また、枠部３の内部底面には、突出する複数の凸部３ｃが形成される。凸部３ｃは、撮像回路基板６が取り付け位置精度よく取り付けられれば、複数の柱形状であってもよいし、連結した線状又は環状であってもよい。撮像回路基板６の取り付け方法は、ネジ止めでもよいし、それぞれの側に凹凸を形成して嵌め込み固定する構成でもよいし、また接着剤等により接着固定してもよい。ガスケット４は、ゴムや樹脂の弾性材料により形成されたＯリング等である。
【００１７】
撮像素子７は、素子駆動回路や信号処理回路が設けられた撮像回路基板６に実装されて各端子が電気的に接続され、撮像回路基板６が枠部３の凸部３ｃに取り付けられた際に、受光面が窓３ｂと対向し、光透過部材５を透過した光像が受光できる位置に配置されている。固定部材８やベース部２は、熱伝導性が高い金属が好ましく、例えば、アルミニウム、銅、又は鉄等を用いている。
【００１８】
このような構成において、ペルチェ素子９が撮像素子７を冷却する際に、その放熱面９ｂからの熱がベース部２に吸収される。金属材の熱特性データによれば、材料がアルミニウムを用いた場合に、通常の熱放射率が約０．０５であるが、ベース部２の表面に黒アルマイト処理を施すと、熱放射率は０．９５に大きくなる。  
従って、ベース部２は、枠部３の内側と対向する一部面領域２ａを除き、黒アルマイト処理が施されているため、放熱フィンのように熱放射率が高くなり、撮像素子７から吸収した熱を外側に効率的に放射できる。
【００１９】
よって、ベース部２は、ペルチェ素子９の放熱面９ｂ側からの熱を吸収しても、その熱が蓄積されず、温度上昇を低く抑えることができる。また、枠部３は、熱伝導率の低い樹脂材料、例えばアクリル材料により形成されているため外部との断熱効果がある。さらにベース部２と枠部３の間に０リングを配置することによって、撮像素子７、固定部材やペルチェ素子９をお互いに密着させた場合の製造寸法バラツキ（高さ方向の誤差）を吸収し、隙間なく枠部３をベース部２に密着させて固定することができる。これにより、ベース部２から放射された熱が撮像素子７やペルチェ素子９に回り込むことを防ぐことができる。
【００２０】
尚、図１において、撮像素子７とペルチェ素子９との間に固定部材８を介在させた構成を例として示しているが、必ずしも固定部材８を介在させる必要はなく、撮像素子７とペルチェ素子９とを直接、熱的に接続、即ち密着させるように構成してもよい。
【００２１】
以上のことから本実施形態の冷却撮像ユニットによれば、枠部内部と対向する一部面領域を除き、ベース部表面に施された黒アルマイト処理によって、ベース部の放熱性が向上し、その結果、撮像素子の冷却時にベース部及びユニット全体の温度上昇を抑えることができる。さらに、枠部を断熱性のあるアクリル材料を用いて形成し、０リングを用いて枠部を取り付ける構成であるため、ベース部と枠部の間の隙間をなくし、撮像素子やペルチェ素子へのベース部が外部に放熱した熱の回り込みを防ぐことができ、効率よく撮像素子を冷却することができる。
【００２２】
さらに第１の実施形態の変形例について説明する。  
図２に示す変形例は、第１の実施形態の冷却撮像ユニットの構成に加えて、ベース部２の一部面領域２ａ上に密着するように、樹脂板１１を敷設する。この樹脂板１１の断熱性を用いて、撮像素子７から熱伝導された熱により温度が高くなったベース部２の一部面領域２ａから枠部３内に熱が放射されることが抑制でき、効率よく撮像素子を冷却することできる。
【００２３】
次に第２の実施形態について説明する。  
図３は、第２の実施形態に係る冷却撮像ユニットを搭載する撮像装置の構成例を示す。本実施形態の構成において、前述した図１に示した構成と同等の構成部材には同じ参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。本実施形態の撮像装置は、顕微鏡等の観察装置における接眼鏡筒のカメラ用ポートに取り付けるように構成されている。従って、一般的なデジタルカメラの撮影レンズ光学系は備えていない。
【００２４】
この撮像装置は、光像を入射させるための窓２４が設けられた箱形状の装置筐体２１の内部に前述した第１の実施形態の冷却撮像ユニット１が搭載されている。この窓は、観察装置における接眼鏡筒のカメラ用ポートに取り付け可能な構成を有している。例えば、図示しない取り付け用アダプタ等の嵌合用部位が設けられている。装置筐体２１内には、内側に張り出した固定部２１ａが設けられており、複数の固定用ネジ穴２１ｂが開口され、ビス２２等で固定される。
【００２５】
本実施形態においては、前述した冷却撮像ユニット１におけるベース部２を延長させて、複数の固定用穴２ｃを開口する。これらの固定用穴２ｃは、冷却撮像ユニット１を固定部２１ａに載置した際に固定用ネジ穴２１ｂと重なる位置に開口されている。特に、装置筐体２１をカメラ用ポートに取り付けた際に観察装置における観察光学系の光軸（観察視野の中心位置）と冷却撮像ユニット１の撮像素子の受光面の中心位置（撮像した画像の中心位置）とが一致するように芯だし調整を行わなければならない。この芯だし調整のために、冷却撮像ユニット１を光軸と直交する面に対して２次元的に移動可能となるように固定用穴２ｃを位置調整用穴として形成する。さらに、固定部２１ａとベース部２の間にスペーサ２３を介在させることにより、装置筐体２１に対して、光軸方向において冷却撮像ユニット１の前後位置調整及び角度調整も可能である。
【００２６】
このように構成された撮像装置によれば、撮像素子７を駆動した際に発生した熱は、ペルチェ素子９の放熱面９ｂからベース部２に伝導される。ベース部２は効率よく、熱放射するため、ベース部２自体の温度上昇が小さくなり、ベース部２から装置筐体２１に伝導される熱量が少なくなる。また装置筐体２１がある程度の表面積を有しているため、ベース部２より伝導された熱が装置筐体２１を介して外空間に放射される。また、枠部３が樹脂材で形成されているため断熱効果があり、冷却撮像ユニット１の温度が上昇した場合でも、熱がペルチェ素子９に回り込むことがない。
【００２７】
以上のことから本発明の冷却撮像ユニットを搭載する撮像装置は、撮像素子が発生した熱をペルチェ素子を用いてベース部に効率よく伝えることができる。ベース部においても黒アルマイト処理により熱放射性が向上され、撮像素子の冷却時にベース部の温度上昇を抑え、結果的にユニット全体の温度上昇を抑えることができる。さらに、ベース部から撮像装置の装置筐体に熱が伝導されて、ベース部の温度上昇が抑制され、効率よく冷却されて好適な動作条件下で撮像素子が駆動でき、画質のよい撮影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による第１の実施形態に係る冷却撮像ユニットの構成例を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の変形例となる冷却撮像ユニットの構成例を示す断面図である。
【図３】第２の実施形態に係る冷却撮像ユニットを搭載する撮像装置の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…冷却撮像ユニット、２…ベース部、３…枠部、３ａ…鍔部、３ｂ…窓、３ｃ…凸部、４…ガスケット、５…光透過部材、６…撮像回路基板、７…半導体撮像素子（撮像素子）、８…固定部材、９…ペルチェ素子、９ａ…吸熱面、９ｂ…放熱面、１１…樹脂板。
【図１】
0004769055.tif 000002
【図２】
0004769055.tif 000003
【図３】
0004769055.tif 000004