JPH03146830A - 赤外検出器の低温遮蔽 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、一般に赤外線（ＩＲ）検出装置に関し、特
にその用途から非軸対称な光学系を使用する必要のある
赤外線検出装置に関する。

発明の背景 現行の赤外線（ＩＲ）検出装置は、極低温で作動するセ
ンサ素子を焦点面に配列した構成で、したがってその配
列体をデユワ−または同様の冷却エンクロージャ内に装
着する必要がある。また、検出素子配列体の低温遮蔽（
シールド）を行ない、検出素子の視野に極低温より高い
温度にある光学装置の構迭部材が含まれる場合に生ずる
、ＳＮ比の劣化を避ける必要もある。現在、低温遮蔽は
普通、以下の基本的方法の１つ以上を用いて行なってい
る。

１）黒点合わせ素子のすべてまたは一部を黒点面検出器
を囲む低温領域の内側に配置する。

２）デユワ−窓を焦点面の前に延ばし、それにより低温
シールドの開口をできるだけ検出器から遠くに離す。

３）反射鏡（リフレクタ）を用いて視野全体に「ナルシ
ッソス」効果を生成する。

４）黒点系をその射出ひとみを低温シールド開口に位置
させるように設計する。

上述した技術のうち最後の方法の起源は、リオ（Ｂ、Ｌ
ｙｏｔ）が太陽のコロナを観察する目的で数十年前に開
発したいわゆる「太陽コロナグラフＪ　（Ｓｏｌａｒ　
Ｃｏｒｏｎａｇｒａｐｈ）にある。この計器は、明滅デ
ィスクを第１像の平面内に配置し、絞りを第２像の平面
に隣接する射出ひとみに配置した再結像用光学系であっ
た。その後、同様の光学配置が、望遠鏡や視野外の放射
線を取り除くことが臨界的に重要な他の用途に利用され
てきた。このような用途では、普通、リオの明滅ディス
クを省き、その代わりに視野絞りを用いるが、射出ひと
み絞り（ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ　５ｔｏｐ）！！その当
初の同曲の役目を果たし、「リオ絞り」として知られる
ようになった。

リオ絞りは赤外画像処理装置に用いられている。

そのような装置でリオ絞りは、リオ絞りがない場合には
ＩＲセセン素子の視野に入ってくる恐れのある、装置の
冷却されていない壁から放出される放射線の作用を軽減
するのに、また装置の信号対雑音（ＳＮ）比を低下する
恐れのある放射線を軽減するのに特に有用である。赤外
検出装置にリオ絞りを低温遮蔽目的で実際に使用するこ
とに、それに伴なう問題がないわけではない。そのうち
主要な問題は、リオ絞りの有効性が射出ひとみの質に鴫
界的に依存することで、そして後述するように、これは
制御が極めて困難である。

ＩＲ検出装置の性能を最良にするためには、装置のパワ
ー素子を検出器配列体の表面での像の品質について補正
する必要がある。同時に、射出ひとみ点にできる開口絞
り像に対する非点収差の影響について光学系を十分に補
正することはできず、その結果、この収差の未補正の影
響により射出ひとみ形式が著しく劣化する。そうすると
、リオ絞りの性能は正確に形成された射出ひとみに依存
するので、射出ひとみでのこのような未補正の収差の結
果として、低温遮蔽効率が低下する。

効率が低いことは、全ての鏡、レンズ及びその他の要素
が装置の光学軸に対して対称であるＩＲ検出装置であっ
ても、重大な問題となる。これらの要素が非軸対称であ
る装置の場合、主としてこのような装置の特徴として光
学的収差が大きいという理由から、この問題ははなはだ
しく困難になる。したがって、射出ひとみの異常による
低温遮蔽効率の低下は、軸外れの光学系が存在するため
収差が比較的大きい装置では特にやっかいである。

非軸対称な光学要素形状に必要なのは、多数の相異なる
検出装置の必要条件の折り合いをつける、もっとも−膜
内には回転または章動にューテーション）鏡のような走
査装置を直接軸線上に配置しなくてはならないという条
件を満たすことである。このような装置は、たとえば米
国特許第４゜５５８．２２２号に開示されており、これ
は絞りを低温遮蔽開口と一致するひとみに配置した再結
像用光学装置を含む点でも注目される。

この発明は、この汎用形式の赤外センサ装置、特に、非
点収差の問題が非軸対称な光学要素の導入により複雑に
なっている装置における未補正の収差の問題を解決しよ
うとするものである。この発明の主要な目的は、光学系
の非対称により低下せざるを得ない射出ひとみの質にか
かわりなく、低温遮蔽効率を高めることができ、そして
このような改良を装置をさらに複雑にしたりコストを上
昇することなく達成する、この種の装置を提供すること
にある。

発明の要旨 この発明の好適な実施態様によるＩＲ検出装置は、ＩＲ
感応性センサ素子をセンサ索子と心合わせした開口を有
する低温遮蔽（シールド）構造内に収容した構成である
。再結像用光学装置は開口絞りを含み、その開口絞りは
低温シールド構造の外側に位置し、光学軸線に関して非
対称に配置されている。光学系は、第２視野像をセンサ
素子の平面に焦点合わせするとともに、低温シールド開
口に射出ひとみ（ｅｘｉｔ　ｐｕｐｉｌ）を形成する形
状となっている。このような系の射出ひとみにできる開
門絞りの像点について最良の射出ひとみ形成平面は、開
口絞りが非軸対称であり、その結果射出ひとみ点のサジ
タル平面とメリジオナル平面との間でのように非点収差
の影響に差があるので、開口絞“りの半径方向に延在す
る端縁についてと、円周方向に延在する端縁についてと
て同じではない。

射出ひとみ形成におけるこれらの欠陥を補償するために
、射出ひとみ点に近接して互いに非共通平面関係で配置
された２つの絞り部材の形態の射出ひとみ絞り手段を設
ける。一方の絞り部材の開口（アパーチャ〉は、その半
径方向に延在する端縁が開口絞りの半径方向延在端縁に
対応する形状とされ、サジタル平面内の開口絞り像点に
ついての最良の射出ひとみ形成平面内に配置されている
。

他方の絞り部材の開口は、その円周方向に延在する端縁
が開門絞りの円周方向延在端縁に対応する形状とされ、
メリジオナル平面内の開口絞り像点についての最良の射
出ひとみ形成平面内に配置されている。

２つの射出ひとみ絞り部材の平面を光学軸線に関して適
正に配向することにより、これらの絞り部材の開口の半
径方向および円周方向端縁を、射出ひとみにおけるサジ
タル平面およびメリジオナル平面に結像されるとした、
開口絞りの対応する端縁上のすべての点について良好な
焦点面に置くことができる。このようにして、良好に形
成した射出ひとみを２つの絞り部材に与え、系の視野を
せばめたりあるいは放射線を検出素子」二に焦点合わせ
することのできる受は入れ立体角をせばめたりすること
なく、２つの絞り部利が光学系の壁その他の構造体から
の放射線を排除することができるようにし、こうして低
温遮蔽効率を著しく改良する。

リオ絞りは当初、視野外の放射線が焦点面に散乱するの
を防止するためのものであった。この発明は、これと同
じ効果を達成し、その上、光学系の壁その他の要素から
放出される放射線を抑制する機能も果たす。こうして低
温遮蔽効率を高くして、センザ素子を光学的構造体に入
（づく放射や太陽のような明るい近視野光源から保護す
る。

具体的な構成 この発明の要旨は特許請求の範囲に記載の通りであるが
、上述したまた他の目的、特徴および利点を史に簡単に
理解できるように、以下にこの発明を添付の図面を参照
しながら説明する。

赤外検出装置の低温遮蔽（シールド）は、低温シールド
開口により範囲を定められた検出素子が「見る」立体角
に対する、焦点系開口からのエネルギーすべてを受は取
るのに必要な立体角の比として定義される効率Ｅによっ
て特徴付けられる。

第１図は、このパラメータを、ＩＲ感応性検出素子また
はアレー１１、開口絞り（アパーチャストップ）１３お
よび射出ひとみ点またはその近くに位置する開口（アパ
ーチャ）１５を有する低温シルトエンクロージャを備え
る系で、略図として表示する。検出素子から見る開口絞
り１３は角度ΩＡＳを規定し、低温シールド開口１５は
角度ΩＣＳを規定する。これらの角度の比、ΩＡＳ／Ω
ＣＳは低温遮蔽効率の尺度であり、代表的には１ ５０％より著しく小さい。

従来技術の教えるところによれば、射出ひとみ点の開口
絞り像とだいたい一致する形状とされた射出ひとみ絞り
を設けることにより、漂遊放射を制御することができ、
この射出ひとみ絞りは低温シールド開口自身または低温
シールドのすぐ内側に配置された別個の絞り部材いずれ
かにより画定される。このような射出ひとみ絞りは上述
した通りのリオ絞りの態様で機能する。

上述したように、このような絞りの有効性は、絞りを配
置した射出ひとみ点の質に臨界的に依存する。光学的列
は検出素子の表面に最良の質の像を得るように補正する
必要があるので、非点収差のような光学的収差を射出ひ
とみ点で完全に補正することはできず、したがって従来
の赤外装置の効率には射出ひとみの質の低さによる限度
があった。具体的な例としては、小型の３および４鏡ア
ナスチグマート望遠鏡がある。

射出ひとみの質の問題は、軸外れ（オフアクシス）また
は非軸対称な光学要素を含む検出装置で２ は、光学的収差の大きさが大きく、したがって軸外れ装
置でそれらを補正するのは一層困難であるので、更に悪
化する。この発明は特にこのような系に関し、その代表
的な実施例を第２図に線図的に示す。

第２図に、赤外検出系を４つの第１表面鏡２１゜２２．
２３および２４を有する再結像用鏡望遠鏡とともに示す
。４つの鏡はそれぞれ回転面の環形成部分のセクタ（扇
形）から構成すればよく、これらの回転面４つすべてが
鏡２３の表面に形成される第１像の面に直交する共通軸
線２６を有する。

軸線２６は装置の光学的軸線とみなすことができ、検出
素子３０の表面に形成される最終像の焦点面と交差する
第２の焦点軸線または焦点線２８と一致しない。

図示の鏡望遠鏡では、参照符号で示される開口絞りが第
１鏡２１で構成され、そして前述したように、この鏡は
環のセクタであるので、開口絞りは第３Ａ図に３１で示
すように単なるセクタの形状をとる。後述するように、
他の絞り形状、例えば第３Ｂ図および第３Ｃ図に示した
形状も可能である。

開口絞りは射出ひとみ点３４に結像される。この射出ひ
とみ点３４は、低温シールド出に収容された検出素子３
０に隣接して低温シールドハウジング部材３８の端壁の
開口３６のすぐ内側に位置する。したがって、検出索子
３０に形成される第２像が挟む視野は、開口絞りと、低
温シールド開口または３６のような隣接する射出ひとみ
絞りにより範囲を定められる。

次に第４図に移ると、この図は非点収差が軸外れ結像点
についての射出ひとみの質に与える悪影響を具体的に示
すための図である。簡単にするため、鏡の代わりにレン
ズ要素４０を示す。軸外れ点４２から出る光線が、焦点
からの光線をサジタル平面（第４図の水平面）で追跡す
るかメリジオナル平面（垂直面）で追跡するかに応じて
、２つの異なる点４４および４５に焦点を合わせること
がわかる。点４２の像についての最良焦点面を見いだす
ことができるが、この焦点は射出ひとみ点では非点収差
が補正されていないので劣っている。

この発明によれば、このような非点収差から生じる射出
ひとみの質の欠陥に対処するため、第５図に参照符号５
０で総称した新規な１１出ひとみ絞り組立体を用いる。

この組立体は、射出ひとみ点５５に隣接して配置された
第１および第２絞り部材５１および５３を含む。絞り部
材５１は低温シルト包囲体５７の一部として形成するの
が好都合であり、その絞り開口５９は低温シールド人口
開口も構成する。第２絞り部材５３は低温シールド５７
内に配置され、これを図示の配置にて絞り部材５１と低
温シールドの壁部材６０との間に連結することにより所
定の位置に保持することができる。

検出素子６１は低温シールド包囲体５７内に収容された
低温フィンガ構造６２に、焦点線６３に沿って開口５９
と心合わせ関係で装着されている。

なお、関連する焦点系が軸対称でないので、この焦点線
６３は検１１１素子６１の表面に直（（＋でない。

検出素子表面は、系の非対称面において、焦点線５ ６３と焦点系の光学軸線との間の角度に相補的な角度だ
け傾斜している。

２つの絞り部材５１および５３それぞれは平坦な表向を
含み、そこに１対の相補的射出ひとみ絞り開口６５およ
び６７がそれぞれ形成される。焦点系の開口絞りが第３
Ａ図に示したような単純なセクタの形状である場合、射
出ひとみ絞り開口をそれぞれ第６Ａ図および第６１？ｌ
に６９および７１で示すような形状にする。

第６Ａ図の絞り開口６９の半径方向に延７Ｅする端縁７
３は、射出ひとみに結ばれる開口絞り像の半径方向に延
在する端縁と一致するように配置され、視野を円周方向
にのみ包囲する。開口６９の円周方向に延在する端縁７
５は、視野の十分外側に配置して、視野を半径方向に包
囲しないようにするのが好ましい。ｍ６Ｂ図に示す他方
の絞り開ロア１は相補形状になっており、その円周方向
に延在する端縁７７が対応する開口絞り像端縁と−致す
るように配置され、１１′径ｈ゛向に延／−二する端縁
７９が視野の外にくる。両方の絞り部材の視野色６ 囲端縁を８１で示すように面取りして、前面端縁だけが
有効な射出ひとみ絞り開口の周縁を画定する作用をなす
ようにする。

絞り開口６９および７１の作用端縁と射出ひとみ点にで
きる開口絞り像の対応する端縁とを一致させるには、周
知の光線追跡技術および公式を用いて、直交関係にある
平面、すなわちサジタル平面およびメリジオナル平面内
での光！Ｉ追跡を行なう。開口絞りの円周方向延在端縁
上の十分な点をサジタル平面内で追跡してこれらの端縁
についての最良の射出ひとみ形成平面の方位を求め、ま
たこの平面内で、射出ひとみ絞り開口の円周方向延在端
縁上の対応する点を確定する。同様に、開口絞りの半径
方向延在端縁」二の多数の点をメリジオナル平面内で追
跡してこれらの半径方向延在端縁についての最良の射出
ひとみ形成平面を確定すると共に、それらに対応する射
出ひとみ絞り開目端縁の一致形状を画定する。

光学系が非軸対称であるので、２つの射出ひとみ絞り部
材の前面を含む平面それぞれが一致しないことがわかる
。たとえば、第２図に示した全体的な構成の装置では、
これらの平面間の発散角が４０度程度である。なお、垂
直面（第５図の紙面）では、絞り部材５１および５３の
いずれも検出素子での焦点線６３に直交する平坦な前面
を持たない。この実施例での絞り部月５１は焦点線と約
３度の角度をなし、絞り部材５３は約３７度の角度をな
す。第５図の水平面において、２つの絞り部材の前面は
通常焦点線に直角である。光学系がこの面内では軸対称
であり、したがって絞り部材の傾斜が不要だからである
。

射出ひとみ絞り部材を上述したように形成することによ
り、ひどい非点収差にもかかわらずよく結像する形状が
可能になり、したがって低温遮蔽は、射出ひとみ収差の
影響を考慮することなく成形されていた開口で達成でき
た低温遮蔽より改良される。この技術には、すべての端
縁が光学軸線に関して半径方向または円周方向いずれか
に配置された線と一致する開口形状が最良の開口形状で
あるという思想が内在している。第３Ａ図に示したｔｉ
ｔ純なセクタのほかに、この設計規則に適合する他の開
口形状は第３Ｂ図および第３Ｃ図に示したものである。

１ｉ８７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ図はこの設計規［１１を満
たさない開口形状を示す。第７Ａ図の円弧８１は光学軸
線に関しての円周ではない。第７Ｂ図の直線線分８３お
よび８５は半径方向ではない。そして第７Ｃ図の円形開
口８７は光学軸線と同心ではなく、それに関しての円周
でもない。したがって、これらの開口形状はこの発明の
技術にしたがって低温遮蔽に用いるのに有効ではない。

開口周縁を最小にすべきであると規定した望遠鏡設計上
の性能最適化規則が周知である。しかし、この規則は、
像平面スポットサイズの減少について成り立つ。大抵の
ＩＲ系では、射出ひとみはスポットサイズに比べて極め
て大きいので、長い開口周縁に起因する回折は低温遮蔽
性能の定量に比較的小さな影響しか持たない。これは、
回折領域が代表的には、射出ひとみ面積に比べて小さい
黒点面スボッ］・サイズの大きさであるからである。

　５ したがって、第３Ｂ図および第３Ｃ図に示した開口のよ
うな比較的長い開口周縁でさえ、一般に単純なセクタ形
状の開目と比べて幾分か効率が悪いけれども、使用可能
である。

以上の説明では、射出ひとみ絞り開口を平坦な表面に形
成するものとして説明し、図示し、全体にわたって最良
の射出ひとみ形成「平面」に言及してきた。しかし、こ
のような「平面」は必ずしも完全に平坦ではないことを
理解すべきである。

通常、絞りを平坦な表面で形成するのが簡１１ｔさと経
済性の観点から好ましいが、場合によっては、絞り表面
を湾曲させてその表面上の各点を開口絞り上の対応する
点の最良結像位置に正確に位置させることにより、絞り
表面上の射出ひとみの質をさらに改良することができる
。しかし、実際には、焦点系からの散乱により漂遊放射
抑制の限界が設定される場合、平坦でない絞りの使用に
より低温遮蔽をさらに改良することに余り利点はない。

【図面の簡単な説明】

第１図は赤外検出系の低温遮蔽効率の尺度を説０ 明する図、 第２図はこの発明を適用する形式の赤外検出装置の側面
図、 第３Ａ、３Ｂおよび３０図は第２図に示すような非軸対
称な光学装置に用いる代表的な開口絞りの形状を示す略
図、 第４図は第２図の装置における非点収差の問題を説明す
る略図、 第５図はこの発明による形状としたサジタルおよびメリ
ジオナル射出ひとみ絞りを有する赤外検出装置の低温遮
蔽構造の一部を示す断面図、禎６Ａおよび６Ｂ図は第３
　Ａ図に示すような単純なセクタ開門絞りとともに用い
るのに適当な形状としたサジタルおよびメリジオナル絞
りの平面図、そして 第７Ａ、７Ｂおよび７Ｃ図はこの発明に用いるのに適切
でない開門絞り形状を示す略図である。 主な符号の説明 １１・・・検出素子、１３・・・開口絞り、１５・・・
開口、２１．２２，２３．２４・・・鏡、２６・・・共
通軸線、２８・・・焦点面、３０・・・検出素子、３１
・・・セクタ、３４・・・射出ひとみ点、３６・・・開
口、３８・・・低温シルトハウジング部材、５０・・・
射出ひとみ絞りアセンブリ、５１．５３・・・絞り部月
、５５・・・射出ひとみ点、５７・・・低温シールドエ
ンクロージャ、５９・・・絞り開口、６１・・・検出素
子、６２・・・低温フィンガ構造、６３・・・焦点線、
６５．　６９．　６７、　７１・・・射出ひとみ絞り開
口、７３．７９・・・半径方向延在端縁、７５．７７・
・・円周方向延在端縁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、赤外感応性検出素子と、この検出素子を装着し、検
   出素子上の像面と心合わせされた低温シールド開口を通
   して赤外線が進入することのできる低温シールド包囲体
   とを含む赤外検出系と組み合わされ、上記検出素子の像
   面と交差するとともに直交関係にあるサジタル平面およ
   びメリジオナル平面内にある焦点線を有する光学装置に
   おいて、ａ）光学列が上記低温シールドの外部に配列さ
   れ、遠視野赤外線を集め、それを上記検出素子の像面に
   焦点合わせする作用をなし、 ｂ）上記低温シールドの外側に位置する開口絞りを画定
   する手段が設けられ、この開口絞りは上記光学列により
   上記低温シールド開口に隣接して配置された射出ひとみ
   点に結像され、上記開口絞りはその一部が上記焦点線に
   関して半径方向に延在する端縁により、また他の部分が
   上記焦点線に関して円周方向に延在する端縁により画定
   され、ｃ）第１射出ひとみ絞り手段が開口を画定し、そ
   の開口の半径方向に延在する端縁が上記開口絞りの半径
   方向延在端縁に対応する形状とされ、かつ上記サジタル
   平面内の開口絞り像点についての最良の射出ひとみ形成
   平面内に配置され、 ｄ）第２射出ひとみ絞り手段が開口を画定し、その開口
   の円周方向に延在する端縁が上記開口絞りの円周方向延
   在端縁に対応する形状とされ、かつ上記メリジオナル平
   面内の開口絞り像点についての最良の射出ひとみ形成平
   面内に配置され、上記第１および第２射出ひとみ絞り手
   段が一緒に、射出ひとみ点に形成される開口絞りの像と
   最適に一致する射出ひとみを、上記像に光学的収差が存
   在するにもかかわらず、画定することを特徴とする光学
   装置。 ２、赤外感応性検出素子と、この検出素子を装着し、検
   出素子上の像面と心合わせされた低温シールド開口を通
   して赤外線が進入することのできる低温シールド包囲体
   とを含む赤外検出系と組み合わされ、上記検出素子の像
   面と交差するとともに直交関係にあるサジタル平面およ
   びメリジオナル平面内にある焦点線を有する光学装置に
   おいて、ａ）光学列が上記低温シールドの外部に配置さ
   れた少なくとも１個の非軸対称な素子を含み、遠視野赤
   外線を集め、それを第１および第２焦点面に結像する作
   用をなし、上記第２焦点面は上記検出素子の像面と合致
   し、上記光学列の素子は上記低温シールドの外側に位置
   する非軸対称な開口絞りを画定し、上記開口絞りは上記
   低温シールド開口に隣接する射出ひとみ点に結像され、
   上記開口しぼりはその一部が上記光学列の軸線に関して
   半径方向に延在する端縁により、また他の部分が上記光
   学列の軸線に関して円周方向に延在する端縁により画定
   された光学列と、 ｂ）第１射出ひとみ絞り手段が開口を画定し、その開口
   の半径方向に延在する端縁が射出ひとみにおける上記開
   口絞りの像の半径方向に延在端縁に一致する形状とされ
   、かつ上記サジタル平面内の開口絞りの像の半径方向端
   縁についての最良の射出ひとみ形成平面内に配置され、
   上記第１射出ひとみ絞り手段の円周方向延在端縁が開口
   絞りの像の外側に配置され、 ｃ）第２射出ひとみ絞り手段が開口を画定し、その開口
   の円周方向に延在する端縁が射出ひとみにおける上記開
   口絞りの像の円周方向延在端縁に一致する形状とされ、
   かつ上記メリジオナル平面内の開口絞りの像の円周方向
   端縁についての最良の射出ひとみ形成平面内に配置され
   、この第２射出ひとみ絞り手段の半径方向端縁が開口絞
   りの像の外側に配置され、 上記第１および第２射出ひとみ絞り手段が一緒に、射出
   ひとみ点に形成される開口絞りの像と最適に一致する射
   出ひとみを、上記像に光学的収差が存在するにもかかわ
   らず、画定することを特徴とする光学装置。 ３、上記第１および第２射出ひとみ絞り手段が平坦であ
   り、互いに非共通平面関係に配置され、それぞれが上記
   光学列の非軸対称平面に関して傾斜してそれぞれの絞り
   手段についての最良の射出ひとみ形成平面内に入ってい
   る請求項第２に記載の赤外検出装置。