JP4149265B2 - 低コストの赤外線カメラ - Google Patents

Description

本発明は、一般的には赤外線カメラに関し、具体的には、赤外線カメラを低コストにするための改良型レンズ構造に関する。

低価格な赤外線カメラについては、家屋での侵入者や火災の検知など、多くの用途において有用であると考えられており、需要がある。こうしたカメラを考案する試みはいくつかなされている。その一例は、米国特許：５，７６３，８８２号（発明名称「低コスト暗視カメラ」）の公報に開示されている。この従来技術のカメラにおいては、多くの部品を含む反射レンズシステムが開示されている。また、もう一つ別の例が、米国特許：５，６７５，１４９号（発明名称「小型サーマルカメラ」）の公報に開示されている。この従来技術のカメラは、屈折レンズシステムを有し、やはり多くの部品を含む。

そのため、製造が簡単で構造が単純、それによって低コスト製品を実現する、という赤外線カメラが必要とされている。本発明の構造は、こうした問題を新規かつ固有な形で解決する。

そのために、本発明は、製造が容易でコストの低い赤外線カメラを提供する。

また、本発明は、最低でも９０％、平均で９５%の透過率を有するレンズシステムを備えた赤外線カメラを提供する。

また、本発明は、簡略化された反射レンズシステムを実現する点を特徴とする。

また、本発明は、組み立てが容易なレンズシステムを実現する点を特徴とする。

さらに、本発明は、コストが低く、組み立て工程で容易にスナップ留めができ、一対の成形プラスチック製反射レンズ、封止された（encapsulated）焦点面アレーアセンブリ、そしてレンズカバーを有する、という赤外線カメラを実現することを特徴とする。

本発明に関する上記以外の特徴については、当業者が以下の詳細な説明を読めば容易に明らかになるであろう。その説明では、本発明の好適な実施の形態についてのみ示し、説明しているが、これは単に、本発明の実施について考えうるベストモードの説明として示している。理解されるであろうが、本発明に関しては、他の異なる実施の形態も可能であると共に、そのいくつかの詳細部分については、各種の明らかな点で変形が可能であり、それらは全て、本発明の範囲から逸脱するものではない。従って、図面及び説明の内容は、本質的に例示的なものと見なすべきであり、これに限定されると考えるべきではない。特許証書による保護の対象と意図している内容は、添付の特許請求の範囲によって示される。本発明については、以下の説明及び添付の図面を参照しながら考えれば明らかになるであろう。なお、図面において、同一の文字列は同じ部品を示す。また、これら図面は本明細書の一部を成す。

本発明の広い意味での目的、並びに、好適な使用様態、その効果を最もよく理解するには、添付の図面を参照しながら、例として示す実施の形態に関する以下の詳細な説明を読めばよい。なお、添付図面において、同一の参照番号は、全ての図を通じて、同一の部品を示す。

以下の説明は、あらゆる当業者が本発明を製造及び使用することが可能となるように提供されるもので、発明者の考える本発明の実施におけるベストモードを示す。ただし、様々な変形の余地があることは、当業者の目から見れば明らかなことであろう。これは、本明細書における本発明の一般原理の定義が、特に、構造が簡単で製造が容易な、低コストの赤外線カメラを提供することを目的にしているからである。

ここで先ず、図１と図２とを一緒に参照する。ここには、本発明のカメラの例示的な実施の形態の組み立てられた状態、分解された状態がそれぞれ、斜視図と展開図とで示されている。カメラ１０が有するのは、レンズカバー１１、副鏡１２、副鏡ハウジング１３、副鏡支持ウェブ１４、主鏡１５、主鏡ハウジング１６、焦点面アレー１７、そして、基板１８上に設置された焦点面アレー用エレクトロニクスである。そして、バックプレート１９が、ハウジング１６のうち、主鏡１５と反対の側を覆っている。基板１８には開口部２３が形成されていて、これは、焦点面１７用のウィンドウを形成している。また、ハウジング１６に付けられたフランジ２５は、カメラ１０を取り付けるためのものである。

留意すべき点として、本発明の低コストレンズ構成は、１ミクロンを超える波長に対して効果を有する。さらに、レンズカバー１１については、真性（intrinsic）シリコン又はその他の適当な素材で製造すればよい。カバー１１に用いるのに最適の素材は波長によって変わる。波長１〜３μｍのカメラであれば、溶融シリカ、シリコン、そしてサファイアが選択肢となり、波長３〜５μｍのカメラであれば、シリコン及びサファイアがレンズ素材として選択できる。また、波長８〜１２μｍのカメラでは、ZnS系ガラスそしてシリコン（ある程度まで）が選択肢となる。２つある鏡１２、１５はそれぞれ、金属加工した成形プラスチックで製造するのが好ましク、図１に示すようにスナップ留めで一体化することができる。高品質の鏡の反射損失は、屈折光学素子や回折光学素子の透過損失に比べるとはるかに小さい。また、反射型であるため、鏡の構成要素の光学特性は重要でない。そのため、適当な素材（プラスチックレンズの製造に現在使用されているものなど）であればどんなものからでも製造することができる。鏡要素に金属加工した成形プラスチックを用いることで、非常な低コストでの大量生産という結果を得られる。

図３は、本発明のカメラを組み立て後の状態で示す断面図である。本図は、組み立てられて、焦点面アレー１７と光学的に一直線上に並ぶ部品全てを図示している。アレー１７は、レンズ（すなわち、鏡１２、１５）の焦点位置に位置づけられることとし、電子機器市場で入手できる何らかの半導体フォトアレーで構成できる。同様に、基板１８上に設置されるアレー関連のエレクトロニクスについても、市場で入手可能の適当なエレクトロニクスで成ることとすればよい。こうしたアレー及び関連エレクトロニクスの１つが、Litton Systems, Inc. のElectro - Optical Systems Dicision から入手可能であり、これは、ほとんどの半導体製造業者からも入手可能な半導体画像アレーまたは画像装置に分類される。また、指摘すべき点としては、増幅器を用いてアレー１７からの出力信号を増幅できる、ということがある。カメラ１０の組み立てが終わると、適当なシーラントなどの封止材２０をアレー１７及びエレクトロニクス１８とバックプレート１９との間に挿入する。

また、図３は、副鏡１２と主鏡１５との直線上配列を示しており、これは、カセグレン式レンズシステムを形成している。一般的に、カセグレン式レンズシステムは、小型の凸鏡を用いて光を反射させ、反射された光は主鏡の小さな穴を通って、主要レンズの背後に位置する焦点に達する、というものである。このレンズシステムを選んだのは、損失が非常に小さいためであるが、損失が小さい理由は、結像が完全に反射を介して達成されることによる。本発明の最も簡単な実施の形態では、焦点は無限遠に設定される。それは、カメラ１０の最も簡単な型では、焦点の調節を行う余地がないということである。しかしながら、副鏡ハウジング１３と主鏡ハウジング１６との間にスレッドを追加して、焦点距離を変更できるようにするのは容易なことであろう。

さらに、図３の断面図に示すように、焦点面アレー１７とシステムエレクトロニクス（基板１８上に設置されている）との間には電気接続２１がある。基板１８はまた、柔軟なケーブルハーネス２２を有する。ハーネス２２は、基板１８上のエレクトロニクスから他の回路（焦点面アレー１７によって検出された像に対応するもの、図示せず）までの電気接続を実現する。

これまで、本発明については、好適な実施の形態を挙げて図示及び説明してきたが、当業者には理解できるように、本発明の思想や範囲から逸脱しない形で、その形態や詳細に関して様々な変更を施すことも可能である。例えば、カメラ１０は、赤外線の範囲外の光に関しても良好に働く。

また、当業者には理解できると思われるが、上述した好適な実施の形態に対しては、本発明の思想や範囲から逸脱しない形で、様々な調整や変形を行うことができる。よって、本発明については、添付の特許請求によって規定される範囲の内で、本明細書において特に述べたのとは異なる形で実施できる、ということを理解すべきである。

本発明の教示に基づいて構成された赤外線カメラを示す図である。 本発明に基づく赤外線カメラの展開図である。 本発明の教示に基づいて構成された赤外線カメラの概略断面図である。

Claims (7)

1. 第１の成形プラスチック製ハウジング内に形成され、外部の光源からの光エネルギーを受け取る主鏡アセンブリと、
   第２の成形プラスチック製ハウジング内に、支持ウェブによって支持される形で形成されて、主鏡アセンブリによって反射された光エネルギーを受け、当該光エネルギーを集中させる副鏡アセンブリであって、前記主鏡アセンブリと光学的に一直線上にあり、第１及び第２の成形プラスチック製ハウジングが組み立てられて一体化された時点では、前記の第１及び第２のハウジングは同軸的に一直線上にあり、入射側の焦点が無限遠に設定されるように作られ、出射側の焦点が第１の形成プラスチック製ハウジングの後面側の基板設置予定位置に存在するように作られている、という前記副鏡アセンブリと、
   エレクトロニクスを支持するための基板であって、第１の形成プラスチック製ハウジングの後面側に挿入可能で、中心に焦点面用ウインドウとしての開口部を備えた前記基板と、そして、
   焦点面アレーであって、基板が第１の形成プラスチック製ハウジングの後面側に挿入された時点では、主鏡および副鏡と光学的に一直線上に位置する状態で且つ前記開口部の焦点面に位置づけられた状態で設置される前記焦点面アレーと、
   を有することを特徴とする赤外線カメラ。
2. 前記主鏡は、金属加工した成形プラスチックで形成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のカメラ。
3. 前記副鏡は、金属加工した成形プラスチックで形成されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のカメラ。
4. 前記第１及び第２のハウジングは、お互いに対して位置調節が可能であり、それによって前記カメラの焦点が変更可能となること、
   を特徴とする請求項１に記載のカメラ。
5. 前記基板は前記第１のハウジングの内側にシーラントで封止されていること、
   を特徴とする請求項１に記載のカメラ。
6. 透過性シリコンのレンズが前記第２の成形プラスチック製ハウジングの中に配置されており、その位置は副鏡の後面側であること、
   を特徴とする請求項１に記載のカメラ。
7. 前記第２の成形プラスチック製ハウジングは、カメラの取り付けのためにフランジを有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の装置。

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