JPH03238982A

JPH03238982A - 赤外線撮像装置

Info

Publication number: JPH03238982A
Application number: JP2033937A
Authority: JP
Inventors: Hajime Ichikawa; 元市川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-02-16
Filing date: 1990-02-16
Publication date: 1991-10-24
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: JP2805954B2

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】［産業上の利用分野コ本発明は、赤外線撮像装置に関するものである。

［従来の技術］従来のこの種の装置は、第６図に示すような構造であっ
た。図において、目標物体の像は結像光学系（レンズ２
０５）によって赤外線検知器２０１の受光面に結像され
る。一般に赤外線用の充電素子は禁制帯幅か狭＜ＦＰａ
電流が疏れやすいため、結像光学系からの有効光束以外
の周囲の物体からの放射光を遮蔽するコールドシールド
２０２（開口部２０２ａ）よって囲まれ、８０に程度の
温度に冷却（冷却器２０７）されている。また、コール
ドシールド２０２内には、検知しようとする波長域り外
の赤外線を遮蔽するコールドフィルタ２０６か必要に応
して装着されており、更にコールドシールド２０２の周
囲は冷却効率を高めるために真空チャンバ２０３によっ
て取り囲まれている。

このような赤外線撮像装置において、コールドシールド
２０２は、有効光束を遮蔽しないように（有効光束が蹴
られれば目標物体からの光量が低下してしまう）配置さ
れている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記のような従来の赤外線撮像装置においては
、以下のような問題点があった。

まず、結像光学系からの有効光束が蹴られないようにコ
ールドシールドを配置するためには、特に検知器の光電
素子か二次元に多数配列されていて受光面積が大きい場
合には、どうしてもコールドシールドか大型化してしま
い、冷却負荷を軽減することかてきないという問題があ
る。また、コールドシールドの開口が大きくなれば、そ
れだけ周囲の物体からの迷光が増え、周囲の温度変化に
よる影響も犬きくなり、正確な目標物体の検出がてきな
くなってしまう。

更に、コールドフィルタを装着する場合は、コールドフ
ィルタの受光面積が増大すると、冷却負荷が増大すると
いう問題も生じる。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、周
囲からの迷光のに響を押えて高い検出精度を維持しつつ
、かつ小型化を図ることのできる赤外線撮像装置を提供
することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明の赤外線撮像装置は、赤外線検知器と、この検知
器の受光面に目標物体の像を結像する結像光学系と、前
記検知器周囲からの迷光を遮蔽するコールドシールドと
を備えてなり、上記の課題を達成するために、前記結像
光学系と前記コールドシールドとの間に、結像光学系か
らの光束が通過する所定の大きさの開口を有した凹面鏡
からなるミラーアパーチャーか挿脱自在に配置されたこ
と特徴とするものである。

ミラーアパーチャーとしては、具体的には、検知器受光
面の周縁に到達する結像光学系からの光束のミラーアパ
ーチャー配置位置における通過領域の和集合と積集合に
相当する大きさの開口をそれぞれ有する第１及び第２の
ミラーアパーチャーを設け、これらのミラーアパーチャ
を目標物体や周囲の状況に応じて、適宜挿脱することが
好ましい。

また、コールドフィルタの小型化を図り、冷却効率を向
上させるためには、コールドシールド開口部の大きさを
結像光学系からの光束のコールドシールド上面における
通過領域の積集合に相当する大きさとして、このコール
ドシールドの開口部にコールドフィルタを装着すると良
い。

［作用］本発明の詳細な説明するために、まず、赤外線撮像装置
の検出感度について述へる。

赤外線撮像装置の比検出感度Ｄ゛は、等価雑音パワー（
以下ＮＥＰといつ）の逆数に比例し、ＮＥＰは次のよう
にして計測する。

まず、光源がある場合（状態１：光源からＳ。

背景からＢの放射があるとする）と光源がない場合（状
態２：光源を除いた部分からＢｏ、背景からＢの放射が
あるとする）のそれぞれについて、赤外線検知器で光量
を測定する。この場合の信号は、光源がある場合がＳ、
＝Ｓ＋Ｂ、光源がない場合がＳ、＝Ｂ’　＋Ｂとなり、
両者の信号差はΔ５＝Ｓ−Ｂ’　となる。

また、それぞれの信号Ｓ、、Ｓ２に対するゆらぎ（ＲＭ
Ｓノイズ）をＮｌ、Ｎ２とすると、Ｓ。

＞　５２であるからＮｌ　＞Ｎ２となる。ここにおいて
、ΔＳを極力小さく設定しΔＳ／Ｎ２＝１となるときの
光量差がＮＥＰである。そして、この光量差に相当する
温度差が等価雑音温度差（ＮＥＴＤ）であり、上記の定
義から赤外線撮像装置の感度はＮＥＰ、ＮＥＴＤが小さ
く、Ｄｌが大きい程良いことになる。

ＮＥＴＤの計測は、ＮＥＰと同様に、温度差ΔＴの目標
物体（黒体）と背景（黒体）を撮像し、目標物体と背景
の信号差ΔＳを小さくしていき、ΔＳと背景の信号に対
するゆらぎＮ２がΔＳ／Ｎ２＝１の関係となるときの温
度差ΔＴを求めることによって行なわれる。なお、これ
らのＮＥＰ、ＮＥＴＤの測定においてΔＳを小さく設定
するのは、ΔＳが小さければＮ、：Ｎ２であり、感度の
線形性（光量差と信号差が比例関係にある）の仮定が保
たれるからである。

次に、コールドシールド開口の大きさとＤｌの関係につ
いて説明する。

まず、光源（目標物体）と検知器の間に結像光学系がな
い場合について述べる。コールドシールドの開口端と検
知器受光面の中心を結ぶ線が光軸とのなす角をθとする
と、Ｄ”　　（θ）　＝Ｄ”　（２π）　／ｓｉｎθ（Ｄｌ
（２π）はコールドシールドを設けない場合の比検出感
度）となり、光源の面積に関係なく（背景全体か光源である
としても同し）、θを小さくすればＤ“は向上する。

ところが、目標物体と検知器の間に結像光学系を介装し
、目標物体の像を検知器受光面に結像させる場合は、上
記の場合とは異なる。この場合は、信号差ΔＳに寄与す
るのは検知器受光面と共役な部分からの放射のみである
から、信号差の大きさは結像光学系からの有効光束の光
量に比例することになる。ノイズについては、目標物体
がない場合について考えるから上述したようにｓｉｎθ
に比例する。

しかるに、結像光学系がある場合にはＮＥＴＤωＦ２／Ｄ” が成立する。ここにＦはレンズの明るさを表わすいわゆ
るＦ−ｎｕｍｂｅｒであり、Ｆ＝ｆ／Ｄ　（ｆ　：光学
系の焦点距離、Ｄ＝レンズの有効口径）で定まる。

即ち、コールドシールドの開口端と検知器受光面の中心
を結ぶ線が光軸とのなす角をθ、レンズのＦ−ｎｃ＋ｍ
ｂｅｒから定まる角度をθＪ（ｔａｎθ、＝Ｄ／２ｆ）
とし、θをπ／２〜θｊまで変化させる場合（有効光束
がけられない場合）、ＮＥＴＤｃｏｓｉｎθ／ｌａｎ’
θ、となる。

更に、コールドシールドの開口を絞って、θをθ、〜零
まで変化させると、ノイズの減少によるＤｌの向上に加
えて、有効光束を遮ることにより信号弁の減少が生じる
から、Ｎ　Ｅ　Ｔ　Ｄ　ωｓｉｎθ／１ａｎ２θとなる。

ここで、実際にはコールドシールド自体は固定されたも
のであるので、コールドシールド自体の開口は結像光学
系からの有効光束を遮らない大きさとし、検知器と結像
光学系の間に所定の大きさの開口をもつミラーアパーチ
ャーを挿脱する構成をとると、冷えたコールドシールド
自体からの放射がミラーアパーチャーで反射されて検知
器に入射することにより冷却負荷が軽減されるという利
点がある他、ミラーアパーチャー開口の大きさについて
は次のようなことか言える。

即ち、検知器に入射する目標物体からの光量は、ミラー
アパーチャー開口の大きさが、検知器受光面の周縁に到
達する結像光学系からの光束のミラーアパーチャー配置
位置における通過領域の和集合（以下単に和集合という
）に相当する場合に最も高くなり（これ以上開口を大き
くしても迷光か増すだけであるから和集合以上に広げる
ことはここでは考えない）、開口を狭くしていくと光量
は減少していくが、迷光が減少して周囲の温度変化によ
る熱雑音が少なくなる。そして、開口の大きさを検知器
受光面の周縁に到達する結像光学系からの光束のミラー
アパーチャー配置位置における通過領域の積集合（以下
単に積集合という）に相当する大きさまで絞れば、周囲
の物体からの迷光は完全に遮断されることになる。

この際、よラーアバーチャーを結像光学系の射出瞳位置
に配置することができれば和集合と積集合は一致するわ
けであるから、光量、迷光の遮断の両面で最も望ましわ
けであるが、実際の撮像装置において常に射出瞳位置に
ミラーアパーチャーを配置できるとは限らない。従って
、和集合や禎集合に相当する開口を有した複数のミラー
アパーチャーを設け、周囲温度や目標物体の放射量等の
条件に応して挿脱することは、実用上、非常に意義ある
ことである。更に、ミラーアパーチャーの開口を積集合
に合致させる場合でも、ミラーアパチャーの検知器受光
面（結像面）からの高さを高くすることができれば、そ
れだけ光量を増すことかできるので、ＮＥＴＤが和集合
の場合より良くなる（小さくなる）可能性もある。

第１表は、ミラーアパーチャを挿脱した場合の撮像装置
の特性をまとめて示したものである。表中、積集合と和
集合の比較は結像面からの高さが同じ場合について行な
っている。

第１表＊無と積集合のΔＳ／Ｎの大小関係は、積集合の場合の
ミラーアパーチャーの結像面からの高さによる。

なお、ミラーアパーチャーの開口は必ずしも積集合又は
和集合に合致させる必要はないが、検知器の中心と周辺
部での光量及びＮＥＴＤの一様性（詳細実施例で説明）
の点からは、その中間ではなくどちらかに合致させるこ
とが好ましい。

［実施例］第１図は、本発明の第１実施例による赤外線撮像装置要
部の光路図である。

図において、赤外線検知器１は冷却器７上に載置され、
結像光学系（レンズ５）からの有効光束を遮蔽しない大
きさの開口（和集合に相当）をもつコールドシールド２
によって取り囲まれている。コールドシールド２の周囲
には、上面に光字窓３ａ’ｒ（Ｍえた真空チャンバ３が
配置されている。また、レンズ５から検知器１に至る光
路中（この場合レンズ５と窓部材３ａとの間）には凹面
鏡からなるミラーアパーチャー４ａが検知器１受光面の
中心点Ｏ付近に球面（必ずしも球面である必要はない）
の中心が位置するように配置されている。

このような撮像装置において、点０とコールドシールド
２の開口端とを結ぶ線が光軸となす角をθＣ，レンズ５
のＦ−ｎｕｍｂｅｒから定まる角度をθ」（ｔａｎθ、
＝Ｄ／２ｆ、ｆ　＋焦点路１ｉ、Ｄ：レンズ５の有効口
径）とし、ミラーアパーチャー４ａの開口端と点Ｏを結
ぶ線が光軸となす角θを変化させる（アパーチャ−４ａ
開口の大きさを変える）と、次のようなことが言える。

まず、ＮＥＴＤとθの関係は、先に説明したように、ＮＥＴＤａｏｓｉｎ　θ／ｌａｎ’θｊ　（π／２〜θ
、）ＮＥＴＤＣ／）ｓｉｎ　　θ／１ａｎ２θ　（０４
〜零）であり、これをグラフ化すると第２図のようにな
る。

検知器１がポイントセンサではなく、ｓｉ子（エリアセ
ンサ）であれば、有効光束が蹴られないようにコールド
シールド２を配置すると００〉θ、であるから、ｓｉｎ　　θａ／ｌａｎ’θ、＝ｓｉｎ　　θ、、／１
ａｎ２θ。

となるθ□がＯくθ〈θｊの範囲に存在する。

このθ、に対して、θ、くθくθ、の範囲では図に明ら
かなように、検知器１中心の素子についてのＮＥＴＤは
、コールドシールド２を絞りとした場合（θ＝θＣ）よ
り小さくなり温度分解能が向上する。即ち、θ１くθく
θ、となる開口のミラーアパーチャ４ａを挿入すること
により、温度分解能を犠牲にせずに、迷光を減少させて
周囲の温度変化の影響を低減することができる。

ここで、第３図は検知器１（矩形）の４頂点に到達する
光束のミラーアパーチャー４ａ配置位置における通過領
域を示したものであり、斜線部か４つの光束の通過領域
の枝集合、太線て囲んた領域が和集合である。レンズ５
からの光束をミラーアパーチャー４ａで絞る際に、開口
を枝集合（斜線部）に相当する大きさとすれは、検知器
ｌ全体に均一な光量が入射することになる。即ち、ミラ
ーアパーチャー４ａの開口を第１図太矢印で示される大
きさとすれば、温度分解能の劣化や検知器の周辺部と中
心の感度ムラという不都合を生ずることなく、周囲の物
体からの熱雑音を押えることができる。

また、第１図の４ａのミラーアパーチャーを配置する程
スペースに余裕がないが、目標物体からの光量の確保よ
り熱雑音の低減を優先したい場合は、ミラーア・パーチ
ャーの結像面からの高さを低くして第１図の４ｂ、４ｃ
のように配置しても良い。

更に、上記においてはミラーアパーチャー開口を枝集合
に合致させる場合について説明したが、和集合に合致さ
せても良いことは言うまでもなく、和集合の場合は周囲
の温度変化による熱雑音は枝集合の場合よりは大きくな
るか、目標物体からの光量の損失を生しないという利点
がある。

なお、上述した実施例では、ミラーアパーチャーをその
中心が検知器受光面の中心にくるように配置しているが
、半球状のミラーアパーチャーをその中心がコールドシ
ールド開口の中心に一致するように配置し、ミラーアパ
ーチャーとコールドシールドの間に設けた窓部材のアラ
イメントマーク（ミラー側につける）と検知器受光面が
兵役となるようにすれば、マークからの反射光がミラー
アパーチャーで反射されて検知器受光面に結像するので
、ミラーアパーチャの位置決めを容易に行なうことがで
きる。

次に、第４図は本発明の第２実施例による赤外線撮像装
置要部の光路図である。

図において、赤外線検知器１０１は結像光学系（簡単の
ため、単レンズ１０５からなり目標物体は無限遠にある
とする）の結像面が受光面（幅をａとする）と一致する
ように配置され、その周囲をコールドシールド１０２に
取り囲まれている。

このコールドシールド１０２の開口（円形）には所定の
波長域の赤外線たけを透過するコールドフィルタ１０６
ａ、１０６ｂ、１０６ｃ　（図では、説明のためコール
ドフィルタの大きさの異なる場合を一緒に示しである）
が装着されている。

ここで、ＮＥＴＤは前述したようにレンズ１０５のＦ−
ｎｕｍｂｅｒ　　（Ｆ　＝　ｆ　／　Ｄ、　ｆ　：焦点
距離Ｄ：有有効径径と検知器１０１の比検出感度Ｄ１と
によって、ＮＥＴＤωＦ’　／Ｄ“ と表わされ、絞り（第４図の場合コールドシールド１０
２）の開口端と検知器１０１受光面の中心を結ぶ線が光
軸となす角をθとすると、Ｄ’　　（θ）　＝　Ｄ”　
（２π）　／ｓｉｎθ（Ｄ”（２π）：コールドシール
ド１０２を設けない場合の比検出感度）の関係がある。

ここで、Ｆ　＝　１　、　　ｆ　＝５０１Ｑｍ、　　Ｄ
　＝５０ｍ＋ｎ、　ａ　＝８■とし、コールドシールド
１０２開口の結像面からの高さをｄとする。そして、図
中■（開口が和集合に合致し、有効光束か蹴られない）
及び■（開口か枝集合に合致し、有効光束か蹴られる）
の場合の高さをｄ　＝　２０ｍｍとすると、■、■それ
ぞれの場合の１７ＮＥＴＤは次のようになる。なお、−
足のコールドシールド１０２開口に対する中心及び周辺
の立体角の差は無視するものとする。

（１／ＮＥＴＤ）、＝０．５２１０．８　４０．４２（
１７ＮＥ丁Ｄａｂ　　＝０．２５２１０．２４２　　＝
０．２６となり、■の場合の方が温度分解能がり、Ｓ倍
優れている。

次に、ｄ　＝　２０ｍｍの■の場合と同じレベルの温度
分解能を有する■の場合（結像面からの高さを高くして
コールドシールド１０２開口を枝集合に合致させる）の
ｄを計算すると、（ｔａｎθｃ）２／ｓｉｎθ、　＝０．４２を解いて、 θＣ４２１，５°、ｄ＝２８ｍｍとなる。

即ち、■と■の場合のＮＥＴＤは同一となり、このとき
のコールドフィルタ＋０６ａ、＋０６ｃの面積はおよそ
２：Ｉとなり、＠の場合は■に比へて吸収される熱量か
減少する。従って、コールドシールド１０２の高さを高
くするスペースの余裕があれは、■の構成をとることで
塩度分解能を低下させずに、冷却負荷を軽減することが
できる。

この際、コールドシールド１０２の開口を絞っていくと
、第５図（ａ）　に示されるようにθかθ。

（ｔａｎθ、＝Ｄ／２ｆ）に至るまでは、検知器１０１
周辺に入射する光束たけが蹴られて中心に到達する光束
は遮られないので、第５図（ｂ）　に示される如く光量
、１／ＮＥＴＤの変化のし方は検知器の中心と周辺で異
なり、θ＝θ、のとき差が最も大きくなる。θをθ、を
越えて小さくすると検知器１０１中心に至る光束も減少
し、開口が枝集合に合致したところで周辺と中心の際が
無くなる。即ち、検知器１０１受光面の位置による感度
ムラを回避するには、コールドシールド１０２を和集合
か枝集合に合致させる必要がある。

なお、■の状態と■の状態（コールドシールド１０２開
口は結像面からの高さか＠と等しい位置で和集合に合致
し、開口にはコールドフィルタが装着されていない）を
比較すると、（１／ＮＥＴＤ）、＝　０．５２／　０．５３富０．４
７（１／ＮＥＴＤ）Ｃ＝　（１／ＮＥＴＤ）、　＝０．
４２となり、はとんど差がなく、■の場合より温度分解
能は優れている。従って、場合によっては■の状態を選
択することも考えられる。

［発明の効果コ以上のように、本発明の赤外線撮像装置においては、結
像光学系とコールドシールドとの間に、結像光学系から
の光束が通過する所定の大きさの開口を有した凹面鏡か
らなるミラーアパーチャーが挿脱自在に配置されている
ので、目標物体からの放射量や周囲の温度等の撮像条件
に応じて、所望の特性（熱雑音の低減、目標物体からの
光量の確保、温度分解能）を向上させることができ、必
要な特性を維持しつつ、装置の小型化及び冷却効率の向
上を図ることが可能である。この際、ミラーアパーチャ
ー開口を有効光束の和集合又は枝集合に合致させれば、
ミラーアパーチャーの挿入によって検知器受光面の位置
による感度ムラか生しることかない。

また、コールドフィルタを用いるにあたっては、コール
ドシールド自体の開口を有効光束の枝集合に合致させて
この開口にコールドフィルタを装着することによって、
温度分解能を犠牲にせずにコールドフィルタの小型化を
図り、冷却負荷を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による赤外線撮像装置を説
明するための光路図、第２図は絞りの開口内とＮＥＴＤ
との関係を示すグラフ、第３図は第１図におけるミラー
アパーチャー開口位置での光束の通過領域を示す概念図
、第４図は本発明の第２実施例による赤外線撮像装置を
説明するための光路図、第５図（ａ）　、　（ｂ）は検
知器受光面の位置による感度ムラを説明するための概念
図、′ｓ６図は従来例を示す光路図である。［主要部分の符号の説明］

Claims

【特許請求の範囲】

（１）赤外線検知器と、該検知器の受光面に目標物体の
像を結像する結像光学系と、前記検知器周囲からの迷光
を遮蔽するコールドシールドとを備えた赤外線撮像装置
において、前記結像光学系と前記コールドシールドとの
間に、結像光学系からの光束が通過する所定の大きさの
開口を有した凹面鏡からなるミラーアパーチャーが挿脱
自在に配置されたことを特徴とする赤外線撮像装置。
（２）前記ミラーアパーチャーとして、前記検知器受光
面の周縁に到達する前記結像光学系からの光束のミラー
アパーチャー配置位置における通過領域の和集合と積集
合に相当する大きさの開口をそれぞれ有する第１及び第
２のミラーアパーチャーを備えたことを特徴とする請求
項１記載の赤外線撮像装置。
（３）赤外線検知器と、該検知器の受光面に目標物体の
像を結像する結像光学系と、前記検知器周囲からの迷光
を遮蔽するコールドシールドと、前記結像光学系からの
光束を分光するコールドフィルタとを備えた赤外線撮像
装置において、前記コールドシールドが前記検知器受光面の周縁に到達
する前記結像光学系からの光束のコールドシールド上面
における通過領域の積集合に相当する大きさの開口を有
し、該コールドシールドの開口に前記コールドフィルタ
が装着されたことを特徴とする赤外線撮像装置。