冷却型撮像装置
【課題】 撮像素子およびペルチェ素子の配置空間に外気の水分が侵入しづらくした冷却型撮像装置を提供すること。
【解決手段】冷却型撮像装置１００は、Ｏリング１０ｃによって外気に対して密閉された第１の密閉室Ｂを形成する外部筐体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。第２の密閉室Ａは外気に対して２重密閉構造であり、その内部に外気の水分が侵入することが抑制される。
【解決手段】冷却型撮像装置１００は、Ｏリング１０ｃによって外気に対して密閉された第１の密閉室Ｂを形成する外部筐体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。第２の密閉室Ａは外気に対して２重密閉構造であり、その内部に外気の水分が侵入することが抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１６２３７９号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（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。
【発明の効果】
【０００６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
〈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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係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】図１(ａ)を拡大して示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３７】
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
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１６２３７９号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（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。
【発明の効果】
【０００６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
〈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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係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】図１(ａ)を拡大して示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係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。
【図４】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。
【符号の説明】
【００３７】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却型撮像装置において、
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。
【請求項３】
請求項１に記載の冷却型撮像装置において、
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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却型撮像装置において、
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。
【請求項１】
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、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。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却型撮像装置において、
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。
【請求項３】
請求項１に記載の冷却型撮像装置において、
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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却型撮像装置において、
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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２２２５４６（Ｐ２００６−２２２５４６Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１９４２（Ｐ２００５−３１９４２）
【出願日】平成１７年２月８日（２００５．２．８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月８日（２００５．２．８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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