JPH036511A - 赤外線用可変濃度フィルタ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えば赤外線カメラ等のように赤外線を扱う
撮影光学系において光量を調整するために用いられる可
変濃度フィルタに関するものである。

［従来の技術］ 赤外線を扱う撮影光学系においては可視光領域で用いら
れるフィルタをそのまま用いることができないため（例
えば可視光領域でフィルタを構成する材料として通常使
用されるインコネルは赤外線のような長波長領域では透
過率が変わってしまう）、従来は撮影光学系に開口絞り
を設けてその大きさを変えることによって光量調整を行
なうのが一般的であった。

［発明が解決しようとする課題］ 、しかしながら、上記のような従来の方法では、高温物
体を撮影対象とする場合には検知器に照射される赤外線
の光量が大きくなりすぎる（検知器の出力が飽和してし
まう）ため、開口絞りをかなり小さくせざるを得す、回
折の影響が避けられなかった。

また、開口絞りの大きさを変えることによって光量を調
整する方法以外にも、分光選択吸収を示さないＮＤフィ
ルタを挿入する手段も採られているが、赤外線の波長領
域は可視光に比べて非常に広く撮影対象の温度範囲に依
存してＮＤフィルタを交換しなければならないという煩
雑さを免れなかった。加えて、個々のＮＤフィルタの濃
度は調節することができないため、フィルタ毎の濃度の
ばらつきを補正する必要もあった。

この他、固体撮像素子を使用した赤外線カメラの場合は
シャッタ機能を使用することにより光量調整を行なうこ
とも考えられるが、撮像素子として例えばＣＣＤ　（電
荷結合素子）を用いた場合には素子数が増加する程対処
できる光量レベルの変化率が小さくなる上、高温目標に
対しては素子自身の温度上昇が避けられないという問題
がある。

更に、従来のスキャン型の撮影光学系ではシャッタ機能
によって光量調整することはできない。

本発明は上記のような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、赤外線を扱う撮影光学系において広い範囲で光量
を連続的に変えることができる赤外線用可変濃度フィル
タ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］ 本発明の可変濃度フィルタは、中心から半径方向に濃度
が均一でかつ円周方向に濃度が変化した１対のフィルタ
であって、円周方向の濃度変化の向きが逆向きとなるよ
うに対向した状態で撮影光学系の光路中に挿入される１
対のフィルタと、該１対のフィルタを、前記撮影光学系
の光路から外れた軸を回転軸として逆方向に相対回転さ
せる回転駆動系とを有する可変濃度フィルタであり、前
記課題の達成のために、前記１対のフィルタがゲルマニ
ウム（Ｇｅ）基板上に中心から半径方向に厚さが等しく
かつ円周方向に厚さが変化したアンチモン（ｓｂ）の薄
膜が形成されたフィルタで構成された赤外線用可変濃度
フィルタである。

［作　用］ 第３図を用いて本考案のフィルタにおける濃度変化の様
子を模式的に説明する。

第３図（ａ）　に示されたフィルタは濃度の異なる領域
が１２区分（１区分２２．５°）設けられており、濃度
が淡から濃へ段階的に変化（即ち、ｓｂの膜厚が段階的
に増加）しており、最も濃度の低い区分と最も濃度の高
い区分の間にはｓｂを成膜していない部分（４区分（・
９０°））が存在している。

本発明においては第３図（ａ）に示されたようなフィル
タ２枚（第１フイルタ、第２フイルタ）が円周方向の濃
度変化が逆向きとなるように対向した状態に配置され、
撮影光学系の有効光束４ａがフィルタのｓｂ成膜部分を
通過するように（好ましくは光軸がｓｂ成膜部分の半径
方向及び円周方向の中間位置を通るように）光路中に挿
入される。

第２図（ｂ）のＡ、Ｂは、このように配置された第１及
び第２フイルタの円周方向の角度に対する濃度変化を示
したもので（ｓｂ非成服部分Ｏ〜９Ｇ”　、　Ｓ　ｂ成
膜部分９０〜３６０°）、本発明における１対のフィル
タは円周方向の濃度の傾斜がほぼ等しくなっている。フ
ィルタを相対回転させる前は２つのフィルタの最淡区分
と最淡区分が対応しており、２つのフィルタの濃度の和
は成膜部分全体にわたってほぼ一定の濃度となっている
。

この状態から、第１フイルタをθ方向に一４５°、第２
フイルタはθ方向に＋４５＠回転させると（第３図（ｅ
）に示される如く撮影光学系の光軸４から外れた軸を回
転軸３として回転させる）、２つのフィルタは相対的に
は９０°　（４区分）ずれることなり、２つのフィルタ
の濃度の和は第３図（Ｃ）の太線で示される濃度となる
。このとき撮影光学系の有効光束４ａの直径は第３図（
Ｃ）の矢印の範囲となるから、光束は濃度が均一な領域
（イ）（図中（ロ）、（八）の領域は片方のフィルタが
非成膜部分となっているので濃度傾斜がある）を通過す
ることになる。

次に、２つのフィルタをそれぞれ第３図（Ｃ）の状態か
ら１区分２２，５°の１／４回転だけ逆方向に戻した場
合（即ち、　１θ１＝４５°−２２，５°／４）が第３
図（ｄ）図の状態であり、濃度の和の段差を平均すれば
第３図（Ｃ）の状態より濃度が１７２ステップ高くなっ
ていることがわかる。この様に、本発明においてはフィ
ルタの回転角に比例して、２つのフィルタの濃度の和も
連続的に変化していくので、フィルタを相対的に逆回転
させることによりてフィルタを透過する赤外線の量を連
続的に変化させることができる。

なお、第３図においては説明を容易にするためにそれぞ
れのフィルタの円周方向の濃度が段階的に変化している
場合を示したが、本発明におけるフィルタの円周方向の
濃度は第３図のように区分毎に変化している必要はない
。ｓｂの膜厚を円周方向に連続的に変化させれば円周方
向に連続的に濃度が変化したフィルタを作製することが
できる。

また、２つのフィルタの濃度傾斜及び回転角（回転速度
）は必ずしも厳密に同じである必要はない。濃度傾斜が
異なる場合には２つのフィルタの濃度の和が完全に一定
にならず濃度むらを生じるが、フィルタを撮影光学系の
瞳又は瞳と共役な位置に挿入すればフィルタの濃度むら
の像への影習を回避できる。

［実施例］ 第１図及び第２図を用いて本発明の第１実施例を説明す
る。図において１対のフィルタ（第１フィルタ１．第２
フイルタ２）は第２図の断面図に示されるようにゲルマ
ニウム（Ｇｅ）基板１ａ上に蒸着によってアンチモン（
ｓｂ）の１ｌｌｉｌｄが形成されており、更にその上に
硫化亜鉛（ＺｎＳ）の反射防止膜１ｃ（第１図ではｓｂ
薄膜と反射防止膜の層を合せてＩｂ、２ｂとして示す）
が形成されている。ｓｂ薄膜の厚さはフィルタ１．２の
半径方向には均一で、円周方向には連続的に変化するよ
うに形成（フィルタ１．２の下方９０°分の領域はｓｂ
非成膜領域）、されている。

第１表は第２図に示した積層構造のフィルタにおいて、
ＺｎＳからなる反射防止膜ＩＣの厚さを１．２　μｍと
し、ｓｂ膜１ｄの膜厚をＯ〜１．８μｍまで変化させた
場合のフィルタの透過率を波長毎に示したものである。

表に示されるように、Ｓｂ薄膜１ｄを形成しない場合は
赤外線の透過率は９０零以上と高い値を示し、Ｓｂ薄膜
１ｄの膜厚が増すに従って透過率が低下し膜厚１．７〜
１．８μｍ程度で透過率はほぼ事に近い値となる。即ち
、第１表に示されたデータはＧｅ基板ｌａ上に形成した
Ｓｂ薄膜１ｄの膜厚を０〜１．８μｍ程度の範囲で変化
させれば赤外線に対するフィルタの濃度を広い範囲で変
化させることができることを裏づけるものである。

前述したような構造の第１及び第２フイルタ１２は、ｓ
ｂ薄膜１ｄの円周方向の厚さの変化の向きが逆向きとな
るように薄膜形成面１ｂ、２ｂを向きあわせて配置され
ており、第１図（ｂ）　、　（ｃ）に示されるように第
２フイルタ２側から見たそれぞれのフィルタの濃度は、
第１フイルタ１が左下端から右同りに濃から淡へ、第２
フイルタ２が右下端から左回りに濃から淡へ変化してい
る。そして、これら１対のフィルタ１．２はフィルタの
中心を回転軸として回転駆動手段（図示せず）によって
逆方向に相対回転可能になっており、相対回転の角度を
調節することによって第１及び第２フィルタ１．２の濃
度の和（赤外線の透過量）を連続的に変化させることが
できるようになっている。

このように構成された可変濃度フィルタは、撮影光学系
の光路中に光軸４と回転軸３が一致しないように挿入さ
れるが、本実施例ではいわゆるナルシサスの影響を回避
するために光軸３に対して所定の角度をなすように傾け
て挿入されている。

即ち、金属薄膜を設けたフィルタの透過率の変化は本質
的に反射率の変化によるため、検知器自体からの熱輻射
がフィルタによって反射されて検知器に受光されるとい
う現象（ナルシサス現象）が起こるが、第１図に示され
た実施例のようにフィルタを傾けてフィルタでの反射光
が検知器に受光されないようにすればこのナルシサスの
影響を除去で診る。

次に、第４図はナルシサス現象を積極的に利用した実施
例を示す光路図である。この実施例の撮影光学系は、対
物レンズ６と、この対物レンズ６による像を赤外線検知
器９の受光面に結像するリレーレンズ７を備えている。

検知器９はリレーレンズ７からの光束が通過する開口部
を有し周囲からの熱輻射を遮蔽するコールドシールド８
によって囲まれており、検知器９及びコールドシールド
８は検知器出力の熱雑音の増加を避けるために８０に程
度に冷却されている。

そして、かかる撮影光学系では、開口絞り５とコールド
シールド８の開口部が共役な関係となっており（即ち、
光学系の射出瞳とコールドシールド８の開口部が合致）
、第１図及び第２図で説明したと同様な構造の可変濃度
フィルタ（第１フィルタ１．第２フイルタ２）が開口絞
り５を挟持するようにして光軸に対して垂直に挿入され
ている。

このような撮影光学系においては、射出瞳から物体側に
出される赤外線は冷却された検知器９自身の輻射のみと
なり、その輻射は可変濃度フィルタを構成する第１及び
第２フィルタ１，２で反射され検知器９受光面上の光軸
に対して線対称な位置に戻る。この為、撮影対象以外の
常温部分から検知器に入射する熱輻射が無くなり、その
分だけ検知器９のダイナミックレンジを大きくすること
ができる。即ち、撮影対象からの光束の強度が高くフィ
ルタを最大濃度としても更に検知器が飽和してしまうよ
うな場合に、ナルシサス現象を利用することによって検
知器９の出力信号のレベルを減じることができる。

また、第４図に示された撮影光学系においては、光軸３
に対して第１及び第２フイルタが垂直に挿入されて、常
に冷却された検知器９から輻射が検知器９に戻るように
なっているが、必要に応じてフィルタ１．２の光軸３に
対する角度を変えることができる構成としておけば、フ
ィルタ１゜２の角度を変えることによって検知器９のダ
イナミックレンジを変化させることができる。即ち、フ
ィルタ１．２を光軸に対して垂直にして約８０にの検知
器９自体の輻射だけを検知器に戻す場合と、フィルタ１
．２を傾けて撮影対象以外の常温物体く約３００Ｋ）か
らの輻射が検知器９に入射するようにした場合では、３
０（１−８０Ｋに対応する分だけ検知器９のダイナミッ
クレンジが変わることになる。

更に、上記の実施例では赤外線の光量調整を可変濃度フ
ィルタだけで行なう場合について説明したが、本発明の
可変濃度フィルタと電子シャッタを組合せて用いれば検
知器のダイナミックレンジをより大きくすることができ
る。

［発明の効果］ 以上のように本発明においては、ゲルマニウム基板上に
円周方向に厚さが変化したアンチモン薄膜を形成した１
対のフィルタを用いて可変濃度フィルタを構成したこと
によって、フィルタを透過する赤外線量を広い範囲で連
続的に変化させることができる。

本発明の可変濃度フィルタを用いれば、撮影対象の温度
によってフィルタを交換する必要がなく、゛また個々の
フィルタ毎にｓｂ薄膜の厚さのばらつきがあっても２つ
のフィルタの回転角を調節することによって所望の濃度
に調整することができるので、フィルタ毎の濃度のばら
つきを補正する必要もない。

更に、かかる可変濃度フィルタは反射型のフィルタであ
るので、必要に応じてナルシサス現象を利用することに
よって赤外線検知器のダイナミックレンジをより広くす
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明第１実施例の構成を示す断面図、
第１図（ｂ）　、　（ｃ）は第１実施例におけるフィル
タの正面図、第２図は第１実施例におけるフィルタの断
面図、第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）　、　（
ｄ）　、　（ｅ）は本発明における光量調整の原理を模
式的に示した説明図、第４図は本発明の第２実施例の構
成を示した光路図である。 ［主要部分の符号の説明］ １・・・第１フイルタ １ａ・・・ゲルマニウム基板 ＩＣ・・・反射防止膜 １ｄ・・・アンチモン薄膜 ２・・・第２フイルタ ３・・・回転軸 ４・・・光軸 ５・・・開口絞り ８・・・コールドシールド ９・・・検知器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）中心から半径方向に濃度が均一でかつ円周方向に
   濃度が変化した１対のフィルタであって、円周方向の濃
   度変化の向きが逆向きとなるように対向した状態で撮影
   光学系の光路中に挿入される１対のフィルタと、該１対
   のフィルタを、前記撮影光学系の光路から外れた軸を回
   転軸として逆方向に相対回転させる回転駆動系とを有す
   る可変濃度フィルタにおいて、 前記１対のフィルタが、ゲルマニウム基板上に中心から
   半径方向に厚さが等しくかつ円周方向に厚さが変化した
   アンチモンの薄膜が形成されたフィルタであることを特
   徴とした赤外線用可変濃度フィルタ。
2. （２）前記１対のフィルタが、前記撮影光学系の瞳ある
   いは瞳と共役な位置に挿入されたことを特徴とする前記
   請求項１記載の赤外線用可変濃度フィルタ。
3. （３）前記１対のフィルタが、前記撮影光学系の光軸と
   所定の角度をなすように挿入されたことを特徴とする前
   記請求項１記載の赤外線用可変濃度フィルタ。
4. （４）前記１対のフィルタが、前記撮影光学系による像
   が受光面に結像される赤外線検知器の周囲を囲むように
   配置されたコールドシールドの開口部と共役な位置に、
   前記撮影光学系の光軸に対して垂直に挿入されたことを
   特徴とする前記請求項１記載の赤外線用可変濃度フィル
   タ。