JPH0727616A - 統合された熱的な結像システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】 完全に統合された熱的な結像システム１０
は、結像光学系、走査鏡１６および湾曲した検出器アレ
イ２０を収容するジュワーハウジング１２を有してい
る。結像光学系は、メニスカスレンズ１４および球面状
の焦点合わせ鏡１８を有している。走査鏡が像を走査
し、球面鏡が前記走査された像を検出器アレイ上の焦点
に集める。メニスカスレンズが収差を補正する。検出器
支持部材２６が検出器の極低温の冷却に対するアクセス
を可能とし、検出素子の個々の冷却シールドが、光学の
テレセントリシティによって可能とされる。その少なく
とも一部が検出器支持部材上に配置され得る、処理エレ
クトロニクス回路が検出信号を処理し、像をディスプレ
イする。 【効果】 独立なスキャナモジュール、結像器モジュー
ル、検出器ジュワーモジュールおよびエレクトロニクス
モジュールの必要性をなくす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は、熱的に結像させること、並び
に対象物の温度および熱放射率によって、その対象から
放射される輻射線に基づいて表示可能な像を生成するシ
ステムに関するものである。特に、本発明は、いくつか
のモジュールが、コンパクトな単一のユニットに統合さ
れた、統合された熱的な結像システムに関する。

【０００２】

【背景技術】初期の熱的な結像装置は、シリアルスキャ
ン装置であった。シリアルスキャン装置においては、単
一の検出素子が、情景における各画像素子またはピクセ
ルからの輻射線をシーケンシャルに受けるように、光学
的に走査される。このタイプのシリアルスキャン装置
は、アンダーソン(Anderson, R. F.) の「テレビジョン
コンパチブル フォーワード ルッキング インフラレ
ッド (TV CompatibleForward Looking Infrared) 」、
オプティカル エンジニアリング(Optical Engineerin
g) 、第１３巻、第４号、１９７４年７／８月に記載さ
れている。このタイプのシステムにおいては、一旦、検
出器が放射を始めると、検出器の出力信号が増幅され、
処理されて情景または対象物のテレビ画像を生成する。
シリアルスキャン熱的結像システムの主要な欠点は、
「ＦＬＩＲ」（forward-looking-infrared) と呼ばれ
る、単一の検出素子によってもたらされる感度の制限で
ある。シリアルスキャンにおいて感度の増大は、列状に
配置された複数の素子を付加し、時間遅延の後、各素子
の出力を集積し、検出器の出力においてより高いシグナ
ル／ノイズ比を得ることによって達成される。感度は、
複数の検出器からなる列を付加することによってさらに
増大する。このとき、各検出器は、平行に走査され、出
力信号は処理エレクトロニクス回路による表示のために
シリアルフォーマットに変換される。このタイプのシス
テムの全素子数は、２０個〜５０個の範囲にある。

【０００３】熱的な結像システムに対する別のアプロー
チにおいては、平行走査が用いられる。このタイプの装
置は、従来、平行スキャンＦＬＩＲと呼ばれている。こ
の装置において、検出素子の直線状アレイが、画像の垂
直方向の大きさがアレイの長さに及ぶように、画像上を
走査される。通常約６０Hzの振動数で振動するフレーミ
ングまたは走査鏡、および結像レンズが、情景からの光
線を直線状の検出器アレイ上へ向ける。検出器アレイは
固定されており、一方、画像はアレイを横切って水平に
動く。走査が終了したとき、鏡がその初期位置にすばや
く復帰すべく駆動され、走査サイクルが繰り返される。
このプロセスは、２つの交錯するフィールドに生じる非
常に能率的な一定方向の直線的なスキャンを与える。ス
キャンコンバータが、データをテレビジョンディスプレ
イに適したシリアルフォーマットに変換するために使用
される。典型的には、１２０個の検出素子が直線状アレ
イにおいて使用されることにより、シリアルスキャンタ
イプの装置よりも高い感度が与えられる。

【０００４】これまでに知られたシリアルおよび平行走
査タイプの熱的な結像システムにおいては、共通のモジ
ュールによるアプローチが採用されている。共通のモジ
ュールシステムにおいて、結像システムの種々の素子の
各々は、組み立てられ、完全なシステムをなすように互
いに作動する、独立なモジュール式コンポーネントとし
て形成されている。これらのモジュールは、典型的に
は、独立の望遠鏡モジュール、スキャナモジュール、結
像器モジュール、検出器／ジュワーモジュール、冷却器
モジュールおよびエレクトロニクス回路モジュールを有
している。熱的な結像装置の設計に対するこのアプロー
チは、一般に、「プリリミナリー コモンモジュール
デザイナース ハンドブック (Preliminary Common Mod
ule Designers Handbook) 」、アメリカ合衆国 ナイト
ビジョン ラボラトリー (U.S.Night Vision Laborat
ory) 、フォート ベルボア (Ft. Belvoir)、バージニ
ア州（契約番号：DAAG53-75-C-0718 公開認可) に記載
されている。

【０００５】例えば、図１は、共通モジュールによるア
プローチによって構成された熱的な結像装置の種々のモ
ジュール式コンポーネントを示したものである。図１に
おいて、モジュール式コンポーネントは、望遠鏡モジュ
ール、スキャナモジュール、結像器モジュール、関係す
る冷却源を備えた検出器／ジュワーモジュール、および
検出器信号を増幅し処理するためのエレクトロニクス回
路モジュールからなっている。望遠鏡は、無限焦点式で
あり、一般に、像を拡大するガリレオ式望遠鏡からなっ
ている。シリアルスキャンＦＬＩＲの場合には、スキャ
ナユニットは、像のピクセルスキャンによってピクセル
を生成するために、垂直および水平スキャンを行う。水
平スキャンＦＬＩＲの場合、スキャナは、像の水平なス
キャンを実行する振動する平坦な鏡である。上記両方の
場合において、結像システムは、３つまたはそれ以上の
レンズ素子、および折り畳み式鏡からなっている。結像
装置は、スキャナの出力を受けとり、検出器上にスキャ
ンされた情景の像を形成する。検出器／ジュワーモジュ
ールは、ジュワー、真空状態にある内容物を有するシー
ルされたフラスコ、およびジュワー内に配置された検出
器からなっている。検出器は平坦なジュワーウィンドウ
を有しており、結像装置は、このジュワーウィンドウを
通じて像を検出器上に結像させる。検出器／ジュワーモ
ジュールは、極低温冷却システムに結合しており、冷却
源入力を受け、検出器を最適の作動状態とするために極
低温まで冷却する。平行スキャンＦＬＩＲにおいて、検
出器は、典型的に約１２０個の検出素子からなる直線状
アレイおよび各検出素子に対する出力ピンからなってい
る。検出器は像を電気信号に変換し、プリアンプエレク
トロニクス回路、典型的には１２０個の検出器を有する
アレイに対する６個の回路板が、検出器アレイの個々の
素子の電気的な出力を増幅する。システム前部のこの地
点からの信号処理はシステムの特定の配置に依存する。
赤外情景の視覚的な表示は、レンズ、発光ダイオードお
よびタイミング回路からなるより複雑な手段によって達
成され得る。テレビジョン表示においては、スキャンコ
ンバータエレクトロニクス回路よって、平行チャンネル
出力が標準的なテレビジョンフォーマットにおける表示
のためのシリアルフォーマットに変換されなければなら
ない。

【０００６】技術が発展するにつれて、感度を増大され
ることに大きな関心が払われるようになってきている。
さらに感度を増大させるための１つの方法として、凝視
アレイとして知られる、フルフレーム２次元アレイを用
いる方法がある。このタイプのアレイにおいて、走査は
使用されず、アレイの各検出素子は、情景内の画像素子
に対応している。このようなシステムにおいて、レンズ
は焦点面上にあるフィルムに代わるアレイを備えた通常
のカメラに類似の方法で、アレイ上に像を形成するため
に使用される。しかしながら、製造技術の限界から、こ
れまで、許容し得るコストで適当な性能を達成し得る十
分大きなあれいを製造することが妨げられている。

【０００７】さらに感度を上げるという要請、および２
次元的なアレイに対する現存の製造技術の限界は、従来
より数倍多い検出素子を使用する新たな平行スキャンシ
ステムの開発をもたらした。新たなアレイは、１コラム
あたり約１０００個の検出素子を有する、１〜１６個の
コラムからなっている。このようなマルチコラムアレイ
に対し、時間遅延および統合操作が、各コラムを横切っ
て、各コラムの対応する検出素子に対して実行される。
このようなアレイは、桁外れに多数の導線を検出器／ジ
ュワーから引き出すことを避けるために、焦点面上で直
接、検出器信号を前置増幅し、多重送信し、処理を行う
ことを必要とする。もちろん、検出素子は、依然として
冷却、典型的には７７°Ｋまで冷却されねばならない。
基本的な共通のモジュールによるアプローチは、これら
のより感度の高い次世代のシステムにおいて、かなりの
程度まで達成されている。特に、独立なスキャナ、結像
装置および検出器／ジュワーが必要とされる。これらの
コンポーネントのすべてが、システム全体の大きさ、重
量および構造の複雑さを増大させる。

【０００８】すなわち、より高い感度を有する一方で、
システムの大きさ、重量およびコストを減じることが可
能な改良された熱的な結像システムが必要とされる。

【０００９】

【発明の目的】したがって、本発明の目的は、より小さ
く、よりコンパクトで、かつより軽量な熱的な結像シス
テムを提供することである。

【００１０】本発明の別の目的は、改善されたシステム
感度を有する熱的な結像システムを提供することであ
る。

【００１１】本発明のさらに別の目的は、共通のモジュ
ールによるアプローチを達成可能な、従来技術よりも簡
単な構造を有する熱的な結像システムを提供することで
ある。

【００１２】本発明のさらに別の目的は、改良された結
像光学系を有する熱的な結像システムを提供することで
ある。

【００１３】本発明のさらに別の目的は、従来より少な
い構成要素からなる熱的な結像システムを提供し、シス
テムの複雑さを減じることである。

【００１４】これらおよび他の目的、並びに効果が、高
度に改良された輻射の伝播、すなわちシステム感度を有
する、非常にコンパクトかつ軽量の統合された結像シス
テムを構成することによって達成される。本発明による
非常にコンパクトな熱的な結像システムによれば、すぐ
れた画像を提供し、それと同時に、熱的な結像システム
のコストを減じることができる。

【００１５】

【発明の要約】本発明による熱的な結像システムは、従
来の熱的な結像システムの構造、すなわち共通のモジュ
ールによるアプローチとは根本的に異なっており、実
際、これを否定するものである。ジュワーハウジング
が、冷却のために検出器を単に収容する従来のシステム
と異なり、本発明による熱的な結像システムは、システ
ムの主要なコンポーネント、すなわち、スキャナ、結像
システムおよび検出器が、すべてジュワーの一部中に収
容され、あるいはジュワーの一部を構成し、完全にジュ
ワー内の真空状態において作動する、非常にコンパクト
な統合された熱手いな結像システムを提供する。加え
て、電子コンポーネントのうちの少なくともいくつか
が、またジュワー内に組み込み可能であり、検出器支持
部材、超小型の箱形ビーム、またはジュワーハウジング
内の別のタイプの構成要素に取付けられる。ビームが、
検出器アレイが像の焦点に配置されるように、像面と整
合する。容易に理解されるように、単一の、コンパクト
かつ軽量のユニットが提供され、従来の熱的な結像シス
テムのスキャナモジュール、結像モジュール、検出器／
ジュワーモジュールおよびいくつかのエレクトロニクス
回路モジュールのすべてに置き代わり得ることは、実際
注目に値する。

【００１６】本発明による熱的な結像システムの好まし
い実施例において、ジュワーは、通常の平坦なジュワー
ウィンドウの代わりに同心円状のメニスカスレンズを有
している。熱的な結像システムはジュワーウィンドウを
必要とするため、平坦なウィンドウからレンズへの構成
の変更は、事実上、独立した専用のレンズを組み込むこ
となしに、結像光学系を形成する手段となる。球面状の
主結像鏡がジュワーハウジング内に取付けられ、スキャ
ニング鏡が、走査鏡バーテックスに調整された、メニス
カスウィンドウレンズおよび球面鏡とともに、ジュワー
内に配置される。光学的配置、すなわちバウワース−マ
クストフ (Bouwers-Maksutov) 配置が、光学的な単純性
に関しては究極のものであり、視野の広さ、およびアパ
ーチャの大きさまたは像の質においていかなる妥協もな
く採用される。光学系は、基本的に２つのコンポーネン
ト、すなわちメニスカスレンズおよび主結像鏡のみから
なっている。特に、メニスカスレンズおよび球面鏡は全
結像光学系を構成し、独立したレンズハウジング内に配
置された独立な結像モジュールおよび対応する多数のレ
ンズ素子、スペーサー、並びに保持リングは必要ではな
い。独立な専用のレンズおよび／または鏡を取り除いた
ことにより、システム中の光学的表面の数が減少し、よ
って、熱輻射の伝送およびシステム感度が改善される。
また、この光学的配置は、非常に大きな相対アパーチャ
および視野を実現する。特に、このようなアパーチャお
よび視野が、視野を横切って均一かつ高品質の像を維持
しつつ実現される。

【００１７】走査鏡は、大きさおよびデザインにおい
て、アメリカ合衆国政府モジュール走査鏡 (U.S. Gover
nment Module scanning mirror) より小さい、ジュワー
内の光路におけるメニスカスウィンドウおよび主球面鏡
の間に配置された平坦な鏡である。走査鏡は、光学系の
開口絞りを表しており、視線を、メニスカスレンズを通
じて入射する輻射線に対して約９０°屈曲させ、輻射線
を球面鏡へ向けるように方向選定される。走査鏡は、い
かなる種類のシールをも使用することなく、鏡が振動せ
しめられることを可能にするねじり管を介して外部モー
タによって駆動され得る。あるいは、真空に適したフェ
ロ流動タイプのロータリーシールが、通常の軸受ととも
に使用され得る。あるいは、ハウジング壁面を貫通する
外部駆動モータおよび内部鏡軸の間の磁気的結合を使用
する駆動系が、使用され得る。

【００１８】球面鏡は走査鏡から輻射線を受け、大きな
相対開口および広い視野において球面状の像を形成す
る。球面状の像は、近似的に、走査鏡のバーテックスお
よび球面鏡の中間に位置し、本発明による統合された結
像システムにおいて使用されるバウワース−マクストフ
光学配置による収差に対して補正される。都合のよいこ
とに、この光学的配置は、視野を横切るテレセントリッ
ク結像を与える。テレセントリック結像は、検出素子の
個々の冷却シーリング、さらにはシステム感度の増大に
貢献する。システム感度は、約１００個というより数千
個の検出素子を有する検出器アレイを用いることによっ
てさらに改善される。

【００１９】本発明のさらに別の効果として、光学系
が、反転望遠鏡、すなわちその外部に射出ひとみを有す
る望遠鏡とともに使用される。射出ひとみは、光線束エ
ンベロープが最も小さくなる点であって、走査鏡上にお
とされ、その結果、非常に小さい走査鏡を使用すること
が可能となり、さらにシステムの大きさ、重量および複
雑さを減じることが可能となる。

【００２０】球面鏡の赤道スライバが、像の曲率に一致
する薄い湾曲した支持構造上に取付けられた実質上直線
状の検出器アレイによって妨げられる。支持構造は、検
出器アレイ基板としてだけでなく、多重化、時間遅延お
よび集積機能のための前置増幅器および回路等の、焦点
面上の処理エレクトロニクス回路に対する基板としても
機能する。支持構造は、付加的に、検出器に対する極低
温冷却インターフェイスを与え、好ましい中空の箱形ビ
ーム検出器支持部材内において、ジュール トムソンタ
イプの冷却のためのクライオスタットを実現する。ジュ
ール トムソンタイプの冷却においては、高圧ガスが検
出器支持部材の背後に接触状態に導かれ、支持部材、検
出器基板、検出器および関係する冷却シーリングを冷却
する。好ましい箱形ビーム検出器支持部材は、焦点面上
の処理回路に対する取付け場所を提供するとともに、数
千個の検出素子を有する好ましいアレイからの検出器信
号を処理するために必要な、前置増幅、統合および時間
遅延回路を収容するのに非常に適している。ジュワーに
対するビームインターフェイスは、また、必要な導線を
収容するのに適している。また、検出器支持部材は、そ
の一側または両側に接触して配置されたクローズドサイ
クル冷却器、あるいは熱電冷却器からのコールドフィン
ガーを受容し得る構造を有しており、よって、検出器ア
レイに熱的に接触して配置される。ペデスタルコールド
フィンガーが、また使用され得る。また、検出器支持部
材は、ジュワーハウジングおよび外部の電気的処理装置
を電気的にかつ冷却された状態で接続する。

【００２１】作動時において、情景からの赤外線が、メ
ニスカスウィンドウを通じてシステム内に導かれ、走査
鏡によって反射され、球面鏡によって湾曲した検出器ア
レイ上の焦点に集められる。ある瞬間に、検出器は情景
における薄い垂直なストリップに対応する輻射線を受け
ている。次の瞬間に、走査鏡が少し前進し、情景の隣接
する垂直なストリップが検出器上に結像する。走査鏡は
全情景が走査されるまで回転し、走査の終了した時点
で、その初期位置にすばやく復帰するように駆動され、
像の次のフレームのスキャンを実行すべく準備される。
検出器からの電気信号が、焦点面上の回路において、例
えば、増幅され、多重化され、時間遅延されそして統合
されることによって処理された後、さらなる処理のため
に出力され、テレビジョンモニタ上に表示される。少数
の光学面および広い視野を有し、かつ視野を横切る収差
がほとんどない、システムの独創的な光学的配置によっ
て、すぐれた表示画像を得ることが可能となる。

【００２２】明らかに、本発明の目的は、ジュワーハウ
ジングが、望遠鏡以外のすべての光学素子を組み込み、
あるいは収容する完全に統合された熱的な結像システム
を提供することによって達成される。ジュワーハウジン
グは、情景を受け、スキャンし、湾曲した像のスライバ
を妨げるべく配置された冷却された直線状の検出器アレ
イ上に結像させる。本発明による改良された光学的配置
は少数の光学素子および光学面しか有しておらず、その
結果、伝送能力および感度が従来より増している。本発
明による熱的な結像システムは非常にコンパクトであ
り、その独創的な光学的配置により、独立なスキャナコ
ンポーネント、結像コンポーネント検出器／ジュワーコ
ンポーネントを必要とせず、よって、システム全体とし
ての大きさ、重量および各構成要素の数、並びに複雑さ
を減じることができる。また、より少数のかつより簡単
な構造の構成要素を用いたことにより、コストの低減が
図られ、これにより、熱的な結像システムのより広範囲
な種々の分野への応用を制限してきた重要な考慮すべき
事項が減じられることとなった。さらに、本発明による
熱的な結像システムは、焦点面上での処理に非常に適し
ており、しかも、少なくともいくつかの従来の独立した
エレクトロニクス回路モジュールを取り除く。これらの
非常に望ましい効果が、これまでに知られ、認められて
きた共通のモジュールによるアプローチを直接破棄し、
主要な光学素子のすべてをジュワー内に配置し、あるい
はジュワーの一部として組み込むことによって達成され
得ることは、全く予期しない驚くべきことであることが
わかる。

【００２３】これらのそして別の効果が当業者によって
実現され、あるいは本発明の実施例から理解されるだろ
う。本発明に関するこれまでの一般的な説明、並びに以
下の詳細な説明は、本発明の例示にすぎず、本発明はこ
れらの記述に限定されるものではない。

【００２４】

【好ましい実施例の詳細な説明】添付図面において、本
発明による統合された熱的な結像システム１０は、真空
環境を保持するジュワータイプのフラスコハウジング１
２を含んでいる。このフラスコハウジング１２は、メニ
スカスレンズ１４、回転可能な走査鏡１６、焦点合わせ
鏡１８および検出器アレイ２０を有している。メニスカ
スレンズはシステムのウィンドウとして機能し、赤外線
が走査鏡上にあたるようにする。走査鏡は、像の直線的
な走査を実行し、焦点合わせ鏡は輻射線を検出器アレイ
上に結像させる。ハウジングの内側と外側との結合は、
すべて気密になされており走査鏡を駆動させる機構は、
システムハウジング内部の真空状態を維持するように構
成されている。例えば、走査鏡駆動モータ２２は、シス
テムハウジング１２の外壁に取付けられる。駆動モータ
は、ハイドロダイナミック真空軸受シールを介して取付
けられた駆動シャフト２４を回転させる。このハイドロ
ダイナミック真空軸受シールは、走査モータの一体部品
を形成し、ハウジング内部の真空環境を損なうことな
く、駆動シャフトに回転運動を与えることを可能にす
る。走査鏡は、駆動シャフトに取付けられ、これととも
に回転する。または、駆動シャフトは、ねじり管内に取
付けられることによって、システムハウジングの内部か
らシールされ得る。このような構成において、駆動シャ
フトは、駆動シャフトがハウジングの真空環境と直接連
絡することなく、ねじり管に回転運動を与える。この構
成において、走査鏡はねじり管に、これとともに回転可
能に取付けられる。ねじり管とした場合の利点は、シー
ル手段が簡単になるということである。

【００２５】好ましい実施例において、検出器アレイが
焦点合わせ鏡像に位置する湾曲した検出器支持アーク２
６上に取付けられる。その結果、検出器は、好ましい球
面状の焦点合わせ鏡によって形成された球面像の薄いス
ライバを受ける。加えて、検出器支持アーク２６は、真
空ハウジング内にのびる中空な箱形ビーム２８の一部と
して形成される。中空な箱形ビーム２８は、検出器アレ
イを冷却し、支持するために必要な、極低温冷却剤用導
管および導線３２に対する検出器支持アークに対するア
クセスを可能とする。都合のよいことに、検出器支持手
段は、ハウジング壁面を貫通する静的なシールのみを必
要とする。好ましくは、前置増幅、時間遅延、統合化お
よび多重化のためのエレクトロニクス回路が、検出器支
持アークに組み込まれまたは取付けられる。

【００２６】メニスカスレンズ１４および焦点合わせ鏡
１８は、組み合わされてバウワース−マクストフ共中心
系を形成する。この系において、メニスカスレンズは、
補正レンズとしての特徴を有し、収束鏡は主鏡としての
特徴を有している。本発明による熱的な結像システム
は、メニスカスレンズをジュワーウィンドウとしてジュ
ワーハウジングに組み込み、焦点合わせ鏡をジュワーハ
ウジング壁面に隣接させて取付けることによって、非常
にコンパクトに形成される。すなわち、メニスカスレン
ズおよび焦点合わせ鏡は、従来の熱的な結像システムの
結像モジュールとしての全機能を実行する（図１参
照）。従来の走査モジュールは、走査鏡１６、駆動モー
タ２２および駆動シャフト２４からなるより小さい組立
体によっておきかえられる。都合のよいことに、より小
さい走査鏡が使用可能である。なぜならば、本発明は、
従来技術において使用される通常のガリレオ式望遠鏡の
代わりに、反転望遠鏡とともに作動するように設計され
ているからである。すなわち、ガリレオ式望遠鏡を含む
従来の熱的な結像システムにおいて、光束は望遠鏡後面
の後方に射出ひとみを形成しない。したがって、像を受
けるために相対的に大きなスキャナおよび走査鏡を使用
する必要がある。これに対して、本発明において反転望
遠鏡が使用された場合には、射出ひとみ、すなわち光線
束の直径が最小となる位置は、望遠鏡後面の外側にあ
り、走査鏡上におとされる。光線束の直径は走査鏡上で
最小となるから、より小さい走査鏡を使用することが可
能となる。これは、鏡およびハウジングの大きさおよび
重量を減少させるだけでなく、駆動モータ、駆動シャフ
トおよび関係する軸受およびシールの必要性を減じ、さ
らに、システム全体としての大きさ、重量およびエネル
ギー消費量を減少させる。

【００２７】好ましい実施例において、近年発展した微
小回路技術が、前置増幅、時間遅延、統合化、および不
均一な検出器応答の補正、並びにシリアルな出力の多重
化等のためのエレクトロニクス回路を、外部回路基板の
代わりに検出器支持部材上、および／またはその内部に
取付けるために使用される。これは、ハウジング壁面を
貫通して検出器に導かれる導線の数を減少させ、収容可
能な数の導線よりも多くの導線を要求することなく多数
の検出器を備えることを可能とする。

【００２８】図２は本発明による熱的な結像システムの
断面図である。図２において、耐蝕合金鋼からなるジュ
ワーハウジング１２が、重量および表面積を最小にする
ような外形および大きさを有している。耐蝕合金鋼は漏
洩度が低く、良好な真空維持能力を有しており、しか
も、内部ハウジング壁面および検出器アレイ間に低い熱
電導性を与える。好ましくは、内部ハウジング壁面は非
常に反射性がよく、ハウジングの放射率および検出器ア
レイに対する輻射伝導性を最小とする。ハウジング１２
は、走査モータ支持用管接続口３４、（破線で示した）
ウィンドウ開口３５、検出器支持用管接続口３６および
主鏡取付用管接続口３８を有している。走査モータ支持
用管接続口３４は、走査モータ２２の軸受シール２５
を、モータボルト４０および金属性真空シール４１によ
ってハウジングに気密状態に取付けられた走査モータ２
２とともに収容する。走査モータ２２は、ハウジング１
２に対する熱伝導率が最小となり、かつ周囲の外気に対
する熱伝導率が最大となるように選択された揺動形アク
チュエータである。モータは、また電磁的な妨害に対し
てシールドされている。都合のよいことに、光学的配置
は、そうていてきに小さい走査鏡の使用を可能とし、よ
って、相対的に低電力の走査モータが、走査鏡を駆動さ
せるために使用され得る。駆動シャフト２４は、駆動モ
ータ軸受シール２５を貫通して、ハウジング１２内にの
びている。また、駆動シャフトには走査鏡１６が取付け
られている。走査鏡１６は、赤外線をよく反射させる強
靭かつ軽量の材料から形成された、慣性の小さい鏡であ
る。好ましい走査鏡材料はベリリウムである。図２にお
いて、走査鏡は部分的に断面を示してあり、走査鏡反射
面４２および走査鏡支持リブ４４が、走査鏡１６の駆動
シャフト２４上への取付けを可能とするような形状およ
び大きさを有する走査鏡取付支持部材４６からのびてい
る状態を示してある。走査鏡１６は、図２の破線で示し
たように、メニスカスウィンドウ開口３５に同心的に配
置される。

【００２９】焦点合わせ鏡１８は、ハウジングカバーに
取付けられた焦点合わせ鏡支持部材４８に取付けられ
る。焦点合わせ鏡支持部材は、１個またはそれ以上の鏡
支持ボルト５２によってハウジングカバーに固定され、
焦点合わせ鏡は、接着剤によって鏡支持部材に取付けら
れる。ハウジングカバー５０は、例えばハウジングカバ
ーボルト５４によって、ハウジング１２に固定される。
好ましくは、ハウジングカバー５０は、例えば並列ピン
とスロット係合する等して、ハウジング１２に関係する
ガイドサポートと係合し、カバーの満足のいく配置、す
なわちハウジング内の焦点合わせ鏡の位置決めを保証す
る。図２に示した構成は製造するのに都合がよい。なぜ
ならは、鏡および鏡支持部材は、高度の位置正確性をも
ってハウジングカバーに取付け可能であり、ハウジング
カバーおよびハウジングの間の案内された支持係合が、
焦点合わせ鏡が走査鏡１６および検出器２０に整合する
ことを保証するからである。しかしながら、焦点合わせ
鏡および焦点合わせ鏡支持部材は、ハウジングカバーと
は独立にハウジング内に取付けられ得ることが理解され
る。このような構成は、確かにシステムの大きさをわず
かに増大させる一方で、（図示はしない）位置調節設定
ネジ等による、ハウジングに対する鏡支持部材の位置調
節を可能とする。

【００３０】検出器支持用管接続口３６は、検出器およ
び関係する支持構造を受け入れ可能な形状および大きさ
を有している。ジュワー内部軸５６は、検出器支持用管
接続口３６に配置されている。中空のビーム２８が、内
部軸５６からハウジングの内部を横切ってのびている。
以下でより詳細に説明するように、中空の箱形ビーム２
８は、中央に配置された湾曲した検出器支持アーク２６
の両側に脚２７、２９を有している。軸５６および中空
な箱形ビーム２８は、低熱伝導率を有する材料から一体
形成される。適当な材料の１つとして、合金に溶融され
たＫ−６５０ガラス（キンブル グラス ディビジョ
ン、 オーウェンス−イリノイ グラスカンパニー (Ki
mble Glass Division, Owens-Illinois Glass Compan
y)) がある。このような合金の１つとして、ペンシルバ
ニア州、リーディングにあるカーペンター テクノロジ
ー コーポレイション (Carpenter Technology Corp.)
から入手可能なＫＯＶＡＲという商品名の２８％のニッ
ケル、１８％のコバルトおよび５３％の鉄を含有する合
金がある。内部軸５６は、例えば溶融接合によって、内
部軸マウント５８に取付けられる。内部軸マウント５８
は、例えば軸取付ボルト６０によってハウジング１２に
固定される。金属製の真空シールリング６２が、内部軸
マウント５８およびハウジング１２の間の気密シールを
形成する。絶縁された気密性を有する導線支持部材６４
が、内部軸を貫通してのび、導線３２のハウジング内へ
のアクセスを可能とする。導線は、約０．００１インチ
（０．００２５４cm）のオーダーの直径を有する極細の
ワイヤからなっており、検出器への熱伝導が最少となる
ようにしてある。例えば、導線支持部材はガラス／金属
合金からなっており、溶融接続によって内部軸マウント
５８に取付けられる。中空のビーム２８は、焦点合わせ
鏡１８の像面に配置された湾曲した検出器支持アーク部
分２６とともに、ハウジング１２の内部を横切ってのび
ている。ビームの脚２９の末端は絶縁された軸座６６内
に配置される。軸座６６は、また低熱伝導率を有する材
料から形成され、好ましくは、上述のガラス／金属合金
から形成される。軸は、例えば金属合金をハウジングに
ブレイズ溶接することによって、所定位置に永久的に取
付けられる。また、ビームの脚２９の末端の先端は、内
部軸の確実な位置整合をなし、検出器支持アークの適切
な位置決めを保証するような形状を有している。

【００３１】図示したように、軸５６の内部は、ジュー
ル−トムソン式クライオスタットアッセンブリーとして
図１に示した、冷却アッセンブリーを受け入れ可能な形
状および大きさを有している。クライオスタットヘッド
６８は、内部軸内に配置され、内部軸内にのびる冷却剤
輸送導管３０のコイル状部分を支持する。冷却剤輸送導
管３０の末端は、中空ビーム２８の湾曲した検出器支持
アーク部２６に隣接する小さなオリフィス７２で終わっ
ている。冷却剤入口用管接続口７４は、クライオスタッ
トヘッド６８を介して冷却剤輸送導管に連絡し、例えば
高圧の窒素ガス等の冷却剤を、冷却剤輸送導管を通じて
オリフィス７２に供給するための手段を提供する。よく
知られた冷却剤を用いた冷却法によって、高圧ガスがオ
リフィス７２を通じて膨張し、中空ビーム、特にアーク
状の検出器支持部材２６を、約７７°Ｋの極低温まで冷
却する。冷却剤輸送導管のコイル状部分７０を貫通する
（図示はしない）出口用管接続口が、使用済の冷却剤の
排出路を与える。電磁的シールド７６が、内部軸および
冷却剤輸送系をおおうように配置され、ケーブル７８
が、必要な場合に、例えば走査モータ２２を駆動させる
ために駆動力を与える。

【００３２】好ましい実施例において、焦点合わせ鏡１
８は、球面状の凹面となる反射面を有しており、走査鏡
１６は、その中心が球面鏡の半径に位置するように配置
される。この光学的配置は、球面鏡の曲率半径の約１／
２の大きさの湾曲した像面に結像する像を与える。検出
器支持アーク２６は、湾曲した像面に一致している。こ
うして、図１から明らかなように、走査鏡１６によって
走査された輻射線が球面鏡１８に向けられ、球面鏡は、
像を検出器支持アーク２６上に配置された検出器アレイ
２０上に生成する。

【００３３】図３は、図２の３−３線に沿った断面図で
ある。図３において、ハウジング１２は、システムを、
ボルト等によって所定位置に取付けるためのシステム取
付け面８０を有している。また、ハウジングは、ハウジ
ング内部を真空にするための真空吸引用管接続口８２を
有している。熱的な結像に対しては、約１０^-6mmHgのオ
ーダーの真空が適当である。もちろん、真空吸引用管接
続口８２は、一旦真空に引かれると、接続口が閉鎖され
密閉され得るように、バルブによって開閉可能とされな
ければならない。ゲッター８４が、よく知られたやり方
法で、それたガスを吸収するために備えられる。メニス
カスレンズ１４が、例えば金属性真空シールとともにハ
ウジングに溶融接合することによって、走査鏡１６に対
向して位置するウィンドウ入口アパーチャ３５を横切る
ように取付けられる。メニスカスレンズは、検出される
べき輻射線に対して実質上透明な材料から形成される必
要がある。赤外線に対して透明となる適当な材料の１つ
は、ゲルマニウムである。

【００３４】図３に示したように、メニスカスレンズ１
４は、共心の凹面８６、８８を有している。共心面８
６、８８は、走査鏡上、特に走査鏡バーテックス上に中
心を位置させている。焦点合わせ鏡１８は、メニスカス
レンズ１４を通じて入る入射線に対して９０°方向に、
走査鏡１６に対向して取付けられる。検出器支持アーク
２６は、ハウジング１２の中心に配置され、検出器アレ
イを焦点合わせ鏡の焦点面に支持する。走査鏡１６は、
駆動シャフト２４によって、回転走査パターンにおいて
駆動され、駆動シャフト２４の軸のまわりに約±１０°
だけ回転する。

【００３５】図４および図５に示した別の実施例では、
前述の実施例と同様の構成要素については共通の番号が
付してある。図４に示したように、メニスカスレンズ１
４、走査鏡１６および焦点合わせ鏡１８が、図３に示し
たのと同じ配置で取付けられている。検出器支持アーク
２６が、また走査鏡１６および焦点合わせ鏡１８に対し
て、図３と同様の向きに取付けられる。しかしながら、
この実施例では、検出器支持アーク２６は、アークのほ
ぼ中間位置において、内部軸５６の中空な箱形ビーム２
８に対して垂直に結合している。内部軸５６は、検出器
支持用管接続口３６を貫通してのびており、例えば溶融
接続等によって、内部軸マウント５８に固定されてい
る。内部軸マウントは、ハウジング１２に対して気密状
態に取付けられる。内部軸５６は、低熱伝導率を有する
材料から形成され、例えば、上述のガラス／金属合金か
ら形成され得る。ここで再び、中空の箱形ビームの脚２
７、２９および支持アーク２６は、内部軸５６とともに
一体形成される。図４に示したように、箱形ビームの脚
２９は、検出器支持アーク２６から垂直にのび、脚２９
の末端は絶縁された軸座６６内に位置している。軸座
は、また最低の熱伝導率を備えるべくガラス／金属合金
から形成されている。図２〜図５に示した実施例では、
箱形ビームの脚２９は、さらに、湾曲したアークを支持
し、使用中に生じるおそれのある湾曲したアークのわず
かな動きさえも防止する。前述の実施例の場合と同様
に、冷却剤輸送導管３０のコイル状部分７０が、内部軸
５６内に配置され、クライオスタットヘッド６８内の入
口用管接続口７４を通じて高圧の冷却ガスを受け入れ
る。コイル状の導管部７０は、冷却剤用導管の先端にお
いて冷却剤をオリフィス７２に送り込む。オリフィス７
２は、湾曲した検出器支持アーク２６に近接して配置さ
れ、極低温冷却を与える。極低温冷却の詳細は、以下に
おいて詳細に説明する。導線３２は、検出器から内部軸
５６の表面に沿って、絶縁された静的な真空シール６４
を貫通して導かれる。実施例において、（破線で示し
た）処理エレクトロニクス回路が、少なくともいくつか
の処理を実行するために、外部ハウジング壁面に取付け
られる。

【００３６】図５は、図４の５−５線に沿った断面図で
ある。この実施例によれば、検出器支持アーク２６は、
内部軸５６に垂直に取付けられる。多数の検出器導線３
２が、絶縁された真空シール６４を貫通して取付けられ
ている。導線は、内部軸５６に沿って湾曲した検出器支
持アーク２６までのびており、ここで、適当な方法で検
出器アレイに接続される。以下でより詳細に説明するよ
うに、時間遅延、統合および多重化の機能、並びにおそ
らく他の機能が、好ましくは焦点面上において実行さ
れ、相対的に少数の導線がシリアルに高密度の検出器ア
レイから伝送された大量の情報を取り扱うのに必要とさ
れる。

【００３７】既に説明したように、主、すなわち焦点合
わせ鏡１８は、球面状の凹面鏡である。開口絞りがこの
ような鏡の曲率中心に位置するとき、球面鏡の像特性
は、像が、球面状の空間内の位置に形成される。本発明
において、走査鏡１６は、好ましくは、球面状の焦点合
わせ鏡１８の曲率中心に配置され、あらゆるフィールド
角に対して光束の大きさを制限することによって開口絞
りを近似する。焦点合わせ鏡１８は、近似的に球面鏡の
曲率半径の１／２の大きさの半径を有する球面像を形成
する。また、好ましくは、メニスカスレンズ１４は共心
面を有し、走査鏡はメニスカスレンズ表面の曲率中心に
配置される。さらに好ましくは、メニスカスレンズは、
ジュワーハウジングウィンドウを形成する。しかしなが
ら、メニスカスレンズは、また、走査鏡および主、すな
わち焦点合わせ鏡の間に配置され得るが、かかる配置は
独立なジュワーウィンドウを必要とし、このためまたは
別の理由から、あまり好ましいものとはいえない。メニ
スカスレンズを、走査鏡および球面鏡の間に取付けるこ
との予測可能な１つの効果は、走査鏡および関係する駆
動系がジュワーハウジングの外側に取付けられ得ること
である。好ましくは、検出器アレイは、焦点合わせ鏡に
よって形成される球面像の半径に一致する曲率半径を有
する、湾曲した検出器支持アーク上に取付けられる。そ
の結果、検出器アレイは、像の一部上にあってこれを受
ける。この独創的な光学的配置は、検出器アレイによっ
て受け取られた像部分の視野におけるすべての位置に対
して焦点を合わされた像を生じさせる。残存収差は均一
かつ無視しうる大きさである。

【００３８】使用に際し、ある瞬間において、焦点合わ
せ鏡１８が、（図示はしない）情景のピクセルの垂直な
ストリップに沿ったすべての位置に向けられた走査鏡か
らの光束を受け、そして、この光束を、湾曲した支持ア
ーク上の検出器アレイ上に結像させる。駆動モータ２２
および駆動シャフト２４による走査鏡の小さな回転が、
焦点合わせ鏡による検出器上への結像のために、情景内
のピクセルの隣接する垂直なストリップをセットする。
こうして、全物体視野が、垂直な１部分ごとに順次走査
される。走査がすべて終了したとき、走査鏡が駆動さ
れ、走査鏡はその初期位置に復帰し、像の次のフレーム
の走査の準備がなされる。

【００３９】光学系の特に好ましい実施例は、走査鏡バ
ーテッックス上に中心を位置させた共心面を有するメニ
スカスレンズ、走査鏡上に中心を位置させた焦点合わせ
鏡、および湾曲した像面を含む好ましいシステムの光線
追跡図を示す図６とともに、表１に記載した特徴を有し
ている。

【００４０】 表１ 表面 半径(mm) 厚さ(mm) ガラス／媒体 Ｓ１ ２８．７３１ ６．４６４ ゲルマニウム Ｓ２ ２２．２６６ ２２．２６６ 空気 Ｓ３ 無限大 ６１．６４４ 鏡 Ｓ４ ６１．６７７ ３６．６４２ 鏡 Ｓ５ ２５．０２２ ０ 焦点面

【００４１】上に記載のシステムに対する性能パラメー
タを表２に示した。

【００４２】表２ 射出みとみ ３０ｍｍ 波長バンド ８〜１２ミクロン 焦点距離 ２５ｍｍ Ｆ／ナンバー ０．８３ 視野 ２４°

【００４３】前述のシステムは本発明によって達成され
る性能を示している。しかしながら、１つまたはそれ以
上の別のパラメータに関して性能が対応して低下するに
もかかわらず、ある特定の性能パラメータがさらに高め
られ得る。例えば、ｆ／０．７の非常に高速の相対アパ
ーチャが、より限定された視野に対して達成可能であ
り、あるいは、４０°のオーダーのより広い視野が、よ
り小さい相対アパーチャに対して達成可能である。シス
テムにおける限定因子は走査鏡であり、走査鏡は、桁外
れに大きくなり、ウィンドウおよび光学的望遠鏡との干
渉のために視線が重なることを妨げる。

【００４４】本発明によるシステムの像質は、残存収差
および回折によって決定される。図７は、図６、表１お
よび表２を参照して説明したシステムの残存収差をプロ
ットした図であり、ＣＯＤＥ Ｖ光学デザインプログラ
ムを用いて、ＶＡＸ８３３０コンピュータ上においてモ
デル化したものである。ここに示した３つの曲線の組
は、視野中の３つの点に対する焦点面上における残存横
波光線収差を示している。一番下の曲線の組は視野の中
心、真ん中の曲線の組は視野領域の２／３の位置、一番
上の曲線の組は視野の端縁に対するものをそれぞれ表し
ている。システムの対称性から、これらの曲線は像フォ
ーマットを十分に代表し得るものである。左側および右
側の曲線は、メリジオナル光線ファンおよびサジタル光
線ファンを与える。また、破線および実線は、スペクト
ルバンド内の異なる波長を表している。

【００４５】図７の曲線の分析から以下のことがわか
る。すなわち、 (1) 曲線は同じであり、像質は視野にわたって変化せ
ず、非点収差または他の非軸性収差は存在しないことを
示している。 (2) 曲線は理想的な完全な直線から帯状の球面収差の約
１０ミクロンだけずれており、結像される情景ピクセル
要素を表す検出素子の大きさよりもはるかに小さい。 (3) ３つの波長がすべて一致しており、視野にわたる色
収差から完全に独立であることを示している。 変調伝播関数によって表された像質を、図８に示した。
回折極限参照曲線に対する近似曲線は、システムがほぼ
完全であることを示している。さらに、この高水準の像
質は、非常に大きい相対アパーチャｆ／０．８３におい
て達成される。これは、システムが、同時に輻射線に関
して非常に有効であることを意味している。

【００４６】従来の熱的な結像システムは、平面状に配
置された検出器アレイを使用している。なぜならば、平
面状の検出器アレイの使用は近年の技術水準であり、ま
た従来の光学系は平面上に画像を形成するように設計さ
れるからである。これに対して、本発明は、湾曲した、
好ましくは球面状の像面上に像を形成し、曲面上に形成
された像の各部分を検出するものである。この効果を達
成するために、いくつかの新規な検出装置が構成され
る。

【００４７】図９〜図１１は、本発明による湾曲した検
出器支持アーク上の湾曲した検出器アレイの１つの構成
を詳細に示す拡大図である。図９において、Ｒは球面像
の曲率に近似する、支持アーク２６の検出面の曲率半径
を示している。個々の検出素子９０は、支持アーク２６
上に取付けられ、これによって支持される。そして検出
素子は、湾曲したアーク表面から外側に、焦点合わせ鏡
に面するように配置される。支持アーク半径Ｒは、焦点
合わせ鏡によって形成された湾曲した像、例えば球面像
の曲率半径に近似しているから、検出器は湾曲した像の
各部分上に位置する。図１０は図９に示した検出器アレ
イの配置を示す上面図であり、図１１は図９の１１−１
１線に沿った断面図である。これらの図は、支持アーク
２６上に取付けられた１個の検出素子９０を示してい
る。図１１には、検出器支持アークの中空な箱形ビーム
の構造を示してある。検出器支持部材をアーク状とし、
検出器を湾曲した像面上に位置させることによって、焦
点合わせ鏡からの光円錐が、各検出器対し、光線中にお
ける位置に無関係に各検出素子毎に、真正面から、垂直
にかつ均一にあたるようにすることが可能となる。本発
明のさらに別の特徴による、最新の検出器製造技術が、
所望の湾曲した検出器アレイを近似的に形成しあるいは
正確に形成するために用いられ得る、さらに別の方法を
以下に説明する。

【００４８】別の検出器および支持構造を図１２よび図
１３に示した。この実施例では、図１２の平面図に示さ
れたストリップ鏡９２が使用される。好ましくは、スト
リップ鏡９２は、反射直円錐から切り出されたスライバ
であり、湾曲した像面の曲率半径Ｒに近似する半径を有
している。図１３は、Ｌ字状断面を有する湾曲した検出
器支持アーク２６に取付けられたストリップ鏡９２の拡
大断面図である。図１３において、ストリップ鏡９２が
切り出された直円錐９４が破線で示してある。好ましく
は、このストリップ鏡は、４５°の半角、および走査鏡
バーテックスに一致する軸を有する直円錐から切り出さ
れ、図３および図４の平面に垂直に配置される。ストリ
ップ鏡９２が、焦点合わせ鏡に向かってわずかに移動し
た場合には、焦点合わせ鏡によって生成されたピクセル
像が、ストリップ鏡によって各ピクセルの交差点の上方
に位置する平面上におちる。ピクセルの平面像は湾曲し
ているが、すべての検出器入口面はストリップ鏡上方の
平面内にある。図１３に示したように、ストリップ鏡
は、Ｌ字状断面を有する支持アークによって形成された
長方形の空き領域内に取付けられ、ストリップ鏡の後面
はＬ字状断面の支持部材の一方の脚に取付けられる。ス
トリップ鏡は、Ｌ字状断面の支持アークの他方の脚の張
り出した検出器支持面９６に向かって約９０°の角度で
各ピクセル像を反射する。検出器は、ストリップ鏡の曲
率に対応する曲線に沿って、張り出した検出器支持面上
に配置される。こうして、この実施例では、（図示はし
ない）焦点合わせ鏡からの像円錐９８は、約９０°に曲
げられ、ストリップ鏡９２の真上にある曲面上に焦点を
結ぶ。これは、平面像の曲率に対応する、湾曲してはい
るが、実質上平面状の検出素子のアレイの使用を可能と
する。図１３に示した構成は、平坦な検出面を与える一
方、光線束または光円錐が曲げられる必要がある。本発
明における光学的な折り曲げの原理、並びに像円錐を曲
げることの欠点および制限は、図１４〜図１７を参照す
れば最もよく理解される。これらの図は、幾何学が、曲
げられ得る光円錐または光束の大きさを制限することを
示している。より高速の円錐、すなわちより大きな円錐
角をもつ円錐は、対応してより大きな屈曲用鏡を必要と
する。図１４には、９０°曲げられる平行ビームを示し
てある。図１５には、９０°曲げられる、小さい円錐
角、すなわち３０°の円錐角を有する光束を示してあ
る。図１６には、９０°曲げられる、中間のおおきさの
円錐角、すなわち６０°の円錐角を有する光束を示して
ある。図１７には、９０°曲げられる、大きな円錐角、
すなわち９０°の円錐角を有する光束を示してある。図
１４〜図１７は、光束の収束角が増大するにつれて、必
要な屈曲用鏡の大きさが増大することを示している。さ
らに、９０°に曲げる場合には、９０°の円錐角が理論
的な限界となる。

【００４９】検出器における放射照度は、検出器に入射
する光束の大きさにある程度依存する。高速レンズ系
は、大量の光が焦点目に到達する系である。この場合、
高速系は、検出器毎に、比較的大きな光束円錐角をもっ
た系である。写真技術の用語を採用すれば、本発明の光
学系の速度は、系のｆ／ナンバーとして表される。大き
な光円錐をもつ高速系は、小さいｆ／ナンバーを有して
いる。特に、熱的な結像において、検出器における放射
照度を最大にするために、例えば、ｆ／１．０またはｆ
／０．７５のオーダーの非常に小さいｆ／ナンバーを有
する光学系を形成することが非常に望ましい。

【００５０】一般に、検出器における放射照度Ｈは、 Ｈ＝ＮＴΩ (1) によって定義される。ここで、Ｎは情景の半径を、Ｔは
光学系の透過率を、Ωは検出器における光線の投射立体
角をそれぞれ表す。Ωは、次式によって系のｆ／ナンバ
ーに関係している。すなわち、 Ω＝π／（４（ｆ／ｎｏ．）²) (2)

【００５１】式(2) を式(1) に代入することにより、検
出器における放射照度を次のように表すことができる。 Ｈ＝πＮＴ／（４（ｆ／ｎｏ．）²) (3) 式(3) から、可能な最大の検出器放射照度を達成し、よ
って可能な最大の検出器出力信号を達成するためには、
ｆ／ナンバーを小さくすること、すなわち光束円錐角を
大きくすることが非常に望ましいことがわかる。

【００５２】ストリップ鏡を含む検出器支持部材の実施
例において、ストリップ鏡は屈曲用鏡として機能し、光
円錐を平坦面状の検出器アレイに向かって約９０°曲げ
る。大きい屈曲用鏡、すなわちストリップ鏡は、この系
において使用するに適しない。なぜならば、検出支持部
材、検出器および鏡が、系の光路中において陰りを生じ
させるからである。アパーチャの１０％を超えない陰り
は許容され得るが、これより大きい陰りは、たいていの
場合、光の遮断によって、検出器における放射照度に対
して重大な影響を与え始める。図１８は、メニスカスレ
ンズを通して見たときに陰りが現れる場合の、検出器支
持部材およびストリップ鏡によって生じる陰りを説明し
たものである。図示したように、検出器支持部材および
ストリップ鏡は、陰り１００を生じさせ、周辺領域１０
２内の光が、収束鏡に到達した後、検出器アレイ上に焦
点を結ぶことができるようにする。陰りが最小となるこ
とが望ましい別の理由は、このような陰りが変調伝播関
数（ＭＴＦ）に与える影響である。すなわち、系のＭＴ
Ｆは、陰りの大きさに比例して減少する。言い換えれ
ば、ディスプレイされた像としての情景を再生する場合
に、系のコントラスト表現能力は、陰りが増大するにつ
れて減少する。非常に低いコントラストを有する情景の
場合、情報が全く失われてしまう可能性がある。

【００５３】既に述べたように、ストリップ鏡および検
出器支持部材は共に、像の陰りに影響を与える。この実
施例では、検出器支持部材およびストリップ鏡の相対的
な影響が、図１３を参照することによって理解され得
る。図示したように、ストリップ鏡および検出器支持部
材の全体の厚さＴ₀ は、ストリップ鏡単独に対して必要
な厚さＴ_m より大きい。容易に理解されるように、前述
の実施例では、検出器は、収束鏡に面する検出器支持部
材の曲面上に直接取付けられており、検出器支持部材お
よびストリップ鏡の厚さは、検出器支持部材単独の厚さ
を超えている（図１１参照）。湾曲した検出器の焦点
面、すなわち、湾曲した像によって、より小さいｆ／ナ
ンバーおよびより小さい陰りを伴うべく改良される。ス
トリップ鏡を含む平面状の検出器の配置は、より大きな
陰りを生じさせるが、現在の検出器製造技術を用いるこ
とにより、許容し得るコストでより容易に製作可能であ
る。

【００５４】像の陰りに関して、図４および図５に示し
た実施例の検出器の軸の構成は、図２および図３に示し
た構成よりも好ましい。図２および図３に示した実施例
では、既に図１８を参照して説明したように、中空ビー
ム２８の脚２７、２９が像の陰り１０４に影響を与え
る。これは、ある時刻に、焦点合わせ鏡によって検出器
上に結像する像の直線状ストリップの一部が、脚２７、
２９によってある程度陰りを生ぜしめられるという事実
による。しかしながら、図４および図５に示した実施例
では、ある位置に結像する像の直線状ストリップの各部
分は、アーク状の検出器支持部材２６によってのみ陰り
を生ぜしめられ、中空ビーム２８の垂直な脚２７、２９
は、検出される直線状の像の陰りにいかなる影響も与え
ることがない。

【００５５】本発明のさらに別の実施例は、図１９およ
び図２０に示すように、湾曲した検出面が、多角形表面
に近似している。この実施例では、隣接する辺ごとに曲
げられた、多数の短い平坦な多角形の辺１０４が平坦な
検出器セグメント１０６を支持する。こうして、湾曲し
た検出面は、平面状の検出器に関する技術によって近似
される。好ましい球面状の像面の理想的な曲率に満足の
いくように近似する多角形の辺の数Ｎは、系の光学的考
察から決定される。考察されねばならない主要な事項
は、検出器アレイの平面状の検出器セグメント１０６に
わたって受ける焦点ぼけの量である。すなわち、平面状
の検出器セグメントの長さが長くなればなるほど、少な
くとも検出器セグメントの一部が理想的な湾曲した像面
１０８から次第に離れるようになってくる。これは、図
２１において詳細に示してある。図２１において、１個
の検出器セグメント１０６が理想的な湾曲した像面１０
８上の１点に配置されている。検出器セグメント上のあ
る点での焦点ぼけの量δは、検出器セグメントのその部
分が理想的な曲面からそれた距離によって表される。許
容され得る焦点ぼけの量は、像形成円錐Ｗのｆ／ナンバ
ーおよび像を形成する光のの波長に依存する。焦点ぼけ
は、また、ある特定の応用において許容され得る像のデ
グラデーションの量に依存する。典型的には、波面にお
ける１／４の波の焦点ぼけが一般的な限界を示してい
る。好ましくは、焦点ぼけはこの量の約半分にすぎず、
系の１つの領域において発生した全波長エラーは吸収さ
れない。さらに、１／４波面エラーは、中間周波数領域
における重要な変調伝播関数のデグラデーションを表し
ている。好ましくは、焦点ぼけδは、１／８波長以下に
維持されなければならない。これらをすべて心に留めて
おいて、波面エラーまたは光路差（ＯＰＤ）が、以下の
ように計算され得る。 ＯＰＤ＝（１／２）Ｎδsin²Ｕ (4) ここで、Ｕは像を形成する光円錐の半角を、Ｎは像が形
成される媒体の反射率を、δは焦点ずれ、すなわち焦点
ぼけをそれぞれ表す。

【００５６】ＯＰＤが光の波長の１／８で、Ｎが１．
０、そしてＵが３０°（ｆ／１．０）であるとすれば、
許容し得る焦点ぼけに対する次の解を得る。 δ＝２（ＯＰＤ）／sin²Ｕ＝２（λ／８）／sin²３０＝λ (5) したがって、λ＝１０マイクロメータで、許容され得る
焦点ぼけδは１０マイクロメータである。

【００５７】微小な角度αに対する焦点ぼけに近似する
アークの傾き（図２０参照）は、 δ≒（Ｌ／２）² ／（２Ｒ） (6) となる。ここで、Ｒは像の半径を、Ｌは検出器セグメン
トの長さをそれぞれ表す。

【００５８】したがって、検出器セグメントの最大の長
さＬは、 Ｌ＝（８Ｒδ）^1/2 (7) となる。

【００５９】例えば、理想的な像面の半径Ｒが２５mm、
許容され得る焦点ぼけδおよび波長λが１０マイクロメ
ータ、すなわち０．０１０mm、および多角形角度αが
３．２°、１１２．５に設定された系において、多角形
の面は、円形の像の３６０°全体に近似していなければ
ならない。２５°、７．８の視野に対して、検出器セグ
メントは、２５．６°の視野を与える。

【００６０】支持部材のさらに別の実施例において、検
出器アレイは、必要とされる電気的、機械的および熱的
性質を示す、フレキシブルな基板上の集積回路として形
成される。フレキシブルな基板は、湾曲した検出器支持
アークに接合され、または固定される。

【００６１】本発明による光学系は、テレセントリシテ
ィとして知られた状態を示す。この状態は、焦点面、す
なわち球面像において光円錐によって明らかにされ、視
野内のすべての点に対して焦点面に対して垂直となる。
この原理は、平面状の焦点面に対しては図２２において
説明され、湾曲した焦点面に対しては図２３において説
明される。テレセントリシティは、熱的な結像システム
において望ましいものである。なぜならば、それは、シ
ステムの検出器アレイにおけるすべての検出素子に対し
て均一な検出器放射照度、並びに均一な検出器応答を与
えるからである。均一な検出器放射照度および応答は、
ディスプレイされた像における均一な明るさを生ぜしめ
る。例として、垂直な放射照度からのずれが、角度θと
して表された垂直方向にからのずれとともに図２４に示
してある。このタイプのずれは、典型的に、ある系にお
いてcos²θ、cos³θおよびcos⁴θとなる、放射照度を減
少させる余弦関数を生じさせる。

【００６２】テレセントリシティは、また、熱的な結像
に独特の別の考察すべき事項、すなわち冷却シールドに
対して望ましい。熱的な結像において、冷却シールド
は、周囲の熱的ノイズが検出器に達するのを防止するた
めに必要である。冷却シールドの原理は、図２５および
図２６に示したように、検出器９０の前に配置されたア
パーチャ板１１０を用いて、検出器の視野を最小にし、
検出器が、走査される情景から生じる輻射線のみを検出
し、情景の外側の光源から生じ、または内部ハウジング
面から反射される見せ掛けの輻射線を検出しないように
することである。アパーチャ板１１０は、典型的に、例
えば検出器を約７７°Ｋまで冷却するのに使用されるの
と同じ極低温冷却システムを用いることによって低温ま
で冷却される。図２５〜図２６に示したように、検出器
の視野は、検出器が単一の微小な素子９０であり、視野
のすべての位置に対して光円錐が一致する場合には、像
円錐Ｗの幅にちょうど等しくなる。これらの条件は、単
純な、シリアル走査赤外線結像システムによって近似的
に達成され得るが、通常は、平行走査または熟視アレイ
赤外線結像装置においては達成され得ない。これは、
(1) 検出器アレイの幾何学的配置、すなわち検出器アレ
イの大きさ、(2) 入射光円錐の縦横比、大きさおよび方
向、(3) 冷却シールドの大きさ、形状および位置制限を
含む多くの因子による。図２７および図２８を参照し
て、直線状の検出器アレイを有する平行走査システムに
おいて、冷却シールドアパーチャ板１１２は、所望の像
円錐の直径Ｗより幾何学的に大きい直線状の検出器アレ
イに関係する長方形のアパーチャを形成する。これによ
り、垂直でない光円錐１１４が検出器に達し、検出され
ることが可能となる。

【００６３】本発明による光学系の極めて望ましい技術
のために、本発明は、さらに、各検出器に対する冷却シ
ールドを有する。アレイ中の各検出素子に対する個々の
冷却シールドを備えたことによって、好ましい実施例に
おいて、図２７および図２８に示したタイプの通常の特
大の冷却シールドよりすぐれた性能を達成することが可
能となる。

【００６４】図２９〜図３３は、個々の冷却シールドを
含む本発明による各検出素子の拡大図である。それぞ
れ、個々の検出素子９０および関係する冷却シールド１
１６の拡大部分断面図および平面図である図２９および
図３０に示したように、望ましい構成は、像円錐立体角
ａ₁ を、個々の冷却シールド１１６によって検出器９０
に対する立体角ａ₂ に等しくすることによって達成され
る。図２９および図３０に示したように、各冷却シール
ド壁は、検出器支持面から垂直にのび、かかる冷却シー
ルド角を規定する。このシステムにおける像は、視野内
のすべての点に対してテレセントリックであるため、各
冷却シールドが、アレイ中のすべての検出素子に対し
て、ピクセル円錐立体角を各検出素子から見た円錐角に
一致させるように与えられ得る。この好ましい冷却シー
ルドの構成は、冷却シールド立体角の大きさの２乗の平
方根に反比例する検出器感度の増大をもたらす。すなわ
ち、冷却シールドの立体角（図２９参照）が、通常の冷
却シールド立体角（図２７および図２８参照）の大きさ
の１／２となる場合、検出器感度は、２の２乗の平方根
に等しい大きさだけ改善される。これに対して、図３１
および図３２に示したように、像が、視野内のすべての
点に対してテレセントリックではない場合には、冷却シ
ールドは使用されない。なぜならば、陰りが生じて結像
能力が減じられるからである。図３１には、テレセント
リックな像円錐１１８を、一方、図３２には、像円錐の
一部が冷却シールド１１６によって影になった非テレセ
ントリックな像円錐１２０を示してある。

【００６５】図３３には、本発明によるテレセントリッ
クな結像を示してある。本発明の好ましい実施例におい
て、各検出素子９０は独立な冷却シールド１１６を備え
ている。焦点合わせ鏡１８の望ましいテレセントリック
な結像により、テレセントリックな光円錐１１８の検出
器９０および冷却シールド１１６に対する幾何学的配置
はすべてのフィールド角に対して同等となり、最適の冷
却シールドおよび検出器性能が達成される。

【００６６】入射光子に対する最大の感度を得るため
に、典型的には光導電形のまたは光起電形の水銀、カド
ミウム、テルル化合物からなる検出器が、熱的に隔離さ
れ、約７７°Ｋまで極低温に冷却されなければならな
い。すなわち、検出器は、冷却され、かつハウジング等
の外部の潜在的な熱源から熱的に隔離されなければなら
ない。本発明においては、中空の箱形ビームおよび軸マ
ウントをガラス／金属合金から形成したことによって、
熱的な隔離が効果的に達成される。検出器基板材料は、
高い熱伝導性および低い特別の熱容量を有していなけれ
ばならない。一般に、熱的な結像システムにおいて、検
出器は、使用される冷却システムの形式に応じて、極低
温冷却剤またはコールドフィンガーに接触することによ
って冷却される。

【００６７】極低温冷却に対する１つの通常のアプロー
チは、冷却されたガスを検出器に接触し得るようにする
ことである。図３４および図３５において、中空なビー
ム支持アーク２６（図２および図５参照）は、冷却され
たガスを検出器アレイに送り込むための導管として機能
し得る。このアプローチにおいて、例えば液体ヘリウム
等の高圧ガスが、冷却剤導管３０内を導かれ、小さなオ
リフィス７２を通じて中空な箱形ビーム内に膨張可能と
なっている。そして中空な箱形ビーム内部は、ハウジン
グの真空環境から隔離されている。箱形ビームの内部
は、大気圧に維持されており、よって圧縮されたガスは
オリフィスを通じて急速に膨張する。極低温まで冷却さ
れたガスは、中空の検出器支持部材を貫通し、検出器ア
レイおよび関係する冷却シールドを効果的に冷却する。
図３４および図３５に示した冷却支持部材の実施例にお
いて、冷却ガスが検出器アレイ２０に隣接する冷却チャ
ンネル１２２を貫通して流れ、さらに、流入冷却剤導管
３０、および特に導管のコイル状部分７０の上面領域を
再冷却するために、依然として十分に冷却されている使
用済のガスが、検出器アレイから離れて配置された返送
チャンネル１２４を通じて返送される。この後者のアプ
ローチは、ジュール−トムソン冷却またはＪ−Ｔ冷却と
して知られ、一般に、ハドソン (Hudson) の、「インフ
ラレッド システム エンジニアリング (Infrared Sys
tem Engineering)」、ジョン ウィリー(John Wiley)
Ｎ．Ｙ．Ｃ、１９６９年 第１１章３８０頁に記載され
ている。冷却剤オリフィス７２の位置、大きさおよび方
向は、検出器アレイ２０が均一に冷却されるように選択
されなければならない。

【００６８】上述のＪ−Ｔ法のようなオープンサイクル
冷却は、通常、圧縮された冷却ガス、すなわち液体窒素
の（図示はしない）ボトルまたは容器を必要とする。こ
れはある種の応用分野においては望ましくない。なぜな
らば、典型的にはほんの２、３時間またはそれより短い
時間しか、冷却剤を供給することができないからであ
る。より長時間にわたって極低温冷却を行うためには、
冷却装置を有するクローズドサイクル系を形成すること
が好ましい。一般に、クローズドサイクル系は、シーテ
ィーアイ クリオジェニックス、アプリケーション エ
ンジニアリングノート (CTI Cryogenics Application E
ngineering Note)、「スプリット ステアリング サイ
クル クリオクーラー − ハウ イット ワークス
(Split Stering Cycle Cryocooler- How It Works) 」
に記載されている。同様の熱的な構成に関して考察すべ
き事項、すなわち絶縁が、Ｊ−Ｔアプローチに関し、ク
ローズドサイクルシステムに適用される。オープンサイ
クルシステムと比較して、冷却装置を有するクローズド
サイクルシステムは、より長時間にわたって機能し、と
きには、数百あるいは数千時間にわたって機能する。図
３６に示した、このようなクローズドサイクルアプロー
チの１つにおいて、（図示はしない）統合されたまたは
独立のすぐれた冷却装置が、コールドフィンガー１２６
を極低温まで冷却するために使用される。コールドフィ
ンガー１２６は、検出器アッセンブリー１３０が取付け
られた台座１２８内に挿入され、検出器基板１３２に接
触して検出器アレイ２０を冷却する。この実施例のコー
ルドフィンガーは、典型的には、直径が５〜７mm、長さ
が５０〜６０mmである。コールドフィンガーの構造およ
び使用に関する一般的な記述は、ベリー(Berry) 等の、
「プログレス オン ミニアチュア クリオクーラース
アット ヒューズ エアクラフト カンパニィー(Pro
gress On Miniature Cryocoolers At Hughes Aircraft
Company) 」、ミーティング オブ ＩＲＩＳ スペシ
ャルティ グループ オン インフラレッドイメージン
グ (Meeting of the IRIS Specialty Group on Infrare
d Imaging)、ナーバル トレーニング センター (Nava
l Training Center), オーランドウ、フロリダ州、３月
１０日〜１２日、１９８７年（機密扱いをされていな
い）において議論されている。任意に、（破線で示し
た）側部支持構造１３４が、検出器アレイ２０に接続さ
れた導線の取付けを容易にし、焦点面上へのエレクトロ
ニクス回路の取付けを容易にするために使用され得る。
また、コールドフィンガーが、図３６に示した検出器支
持部材に沿って横に配置され得る。クローズドサイクル
によるアプローチは、コールドフィンガーを中空の箱形
ビーム検出器支持取付け構造の（二股に分かれた形状を
有する）脚２７、２９の一方または両方に挿入すること
よって、図２〜図３に示した実施例に適用され得る。二
股に分かれた形状、すなわち、検出器アレイの両端に１
つづつ、両方の脚２７、２９の内部に配置されたコール
ドフィンガーは、各フィンガー毎に１個づつ配置された
２個の独立な再生器を駆動する特別な冷却装置を必要と
する。

【００６９】図３７には、図４および図５に示した本発
明の実施例がクローズドサイクルコールドフィンガー冷
却構造を有する場合を示した。図３７において、図４お
よび図５を参照して既に説明した実施例の構成要素と同
様の構成要素については同一の番号を付してある。すな
わち、メニスカスウィンドウ１４、走査鏡１６および主
鏡１８を有する真空ハウジング１２の構造は依然として
同様である。同様に、内部軸５６は真空ハウジング内に
のび、図３７の平面に垂直な所定の位置に湾曲した検出
器支持アーク２６を、湾曲した象面上に配置された検出
イアレイとともに支持する（図５参照）。安定化ビーム
１４２が、検出器支持アーク２６から絶縁された台座６
６までのび、検出器アレイの適当な支持および位置決め
をさらに保証する。しかしながら，図３７に示した構造
とは異なり、図４および図５に示したオープンサイクル
極低温冷却アッセンブリーが、クローズドサイクル冷却
アッセンブリー１３６に置き換えられている。この実施
例において、内部軸５６は，検出器支持アーク２６に接
触して、支持アーク、関係する検出器および冷却シール
ドアッセンブリーを冷却するコールドフィンガー１３８
を収容する。コールドフィンガー１３８は、冷却装置接
続手段１４０を通じて（図示はしない）クローズドサイ
クル冷却装置に連絡し、これによって連続的に冷却され
る。

【００７０】図２〜図５および図３７に示した実施例で
は、検出器アレイ２０の加熱が、システムを真空ハウジ
ング１２内に密閉状態に収容することによって著しく減
じられる。焦点合わせ鏡１８およびメニスカスレンズ１
４の光学的な歪みが、コンポーネントに十分な強度をも
たせて、その表面の輪郭が真空中において及ぼされる力
によって物理的に歪められないようにすることによって
防止される。また、真空状態を維持することによって、
検出器の極低温冷却機能を最大とすることができる。こ
れによって、クローズドサイクル冷却装置、またはオー
プンサイクルシステムに対する入力電力が最小なり、供
給される圧縮された冷却剤の使用可能時間が最長とな
る。対流による加熱がこれによって実質上取り除かれ、
検出器支持構造を通じる熱伝導および放射による加熱の
可能性だけが残される。熱伝導による加熱は、検出器支
持部材を絶縁された低熱伝導率を有する支持要素に取付
けることによって取り除かれ、放射による加熱だけが残
される。

【００７１】放射による加熱は、冷却シールド角、すな
わち冷却シールドのアパーチャ内においてのみ可能であ
る。独立な冷却シールドが各検出素子に対して与えられ
るような好ましい実施例に対し、放射による加熱の可能
性のある熱源は、焦点合わせ鏡１８、艘さ鏡１６および
メニスカスウィンドウ１４に限定される。したがって、
鏡１６および１８に対する放射を最小にし、かつ反射を
最大とし、レンズ１４に対して吸収を最小にすることが
望ましい。また、これらのコンポーネントを（ある種の
非常に厳しく要求される応用分野に対しては、それらの
コンポーネントをより広範囲に冷却する）室温に維持
し、それらの表面にわたる熱的勾配を回避することが望
ましい。

【００７２】熱的勾配は、検出器放射照度の変動のため
に、ディスプレイされた像の望ましくない陰りを導く。
これらのコンポーネントから放射される輻射線は、シュ
テファン−ボルツマンの法則によってその放射に比例す
る。すなわち、 Ｗ＝σεＴ⁴ (8) となる。ここで、Ｗは単位面積あたりの全輻射線を、ε
は放射率を、σは定数を、Ｔは絶対温度をそれぞれ表
す。

【００７３】すなわち、ハウジングを貫通するすべての
部分において、例えば、駆動シャフト２４、導線３２等
において、シールの完全な状態が注意深く維持される。
複雑さを減じ、より長時間にわたる作動能力を与えるた
めに、圧力境界を貫通するいかなる運動する部分も有し
ない静的なシールが、スライド運動するシールまたは回
転運動するシールよりも好ましい。

【００７４】図２〜図５に示した本発明の好ましい実施
例は、ハウジングを貫通して駆動シャフト２４に向かっ
て運動する部分の数を最少にし、他のすべてのハウジン
グ貫通部分において静的なシールのみを組み込んでい
る。もちろん、真空に適したフェロ流動タイプの回転シ
ールが、鏡駆動シャフト上の軸受および走査鏡と結合し
て機能し、ハウジングの真空状態を維持すべく使用され
得る。しかしながら、また、鏡の運動は、回転シールを
全く必要とすることなく達成され得ることが理解され
る。

【００７５】図３８に示した１つの考察されるアプロー
チにおいて、ねじれた湾曲するピボットによるアプロー
チが用いられる。この実施例では、ねじれ管１４４が、
ハウジング１２内に一体的に取付けられ、走査鏡１６が
ねじれ管に取付けられる。駆動シャフト２４が、ねじれ
管１４４の内側に結合し、その結果、駆動シャフト２４
を走査鏡２２を経て回転させ、回転運動をねじれ管よっ
て走査鏡に及ぼすことによって、走査鏡１６が前後に、
典型的には、約±１０°のオーダーで回転する。もちろ
ん、走査鏡はねじれ管１４４に、反射面のねじれまたは
他の歪みが生じないように取付けられねばならない。ね
じれ管を使用することの効果は、ねじれ管が静的シール
を用いて、たとえあったとしても、駆動シャフトに対す
るごくわずかの真空シールの使用とともに、ハウジング
に取付けられ得るということである。

【００７６】使用される駆動システムの形式とは無関係
に、走査鏡１６の角度位置ｙが、図３９に示した波形を
表すべきである。この位置決めは、垂直な線１４６によ
って表されたゼロ帰線操作時間を有しており、１００％
の走査能率、したがって妥協されたシステム感度を示し
ている。さらに、走査方向は、各サイクル毎に同一であ
り、よって、信号処理エレクトロニクス回路が簡単化さ
れる。しかしながら、ゼロ帰線操作時間は不可能であ
り、強力な駆動モータおよびより大きな電力源が、この
条件に近似させる場合でさえも必要とされる。

【００７７】図４０には、双方向走査によるスキャンに
対応する波形を示してある。波形のセグメント１４８
は、１方向の走査に対応する走査鏡波形を表しており、
セグメント１５０は反対方向の走査に対応するものを表
している。この形式の駆動システムは、可能な駆動シス
テムの最少の電力供給によって作動する。ひげスプリン
グ質量鏡駆動システムに対して供給される必要のあるエ
ネルギーのみが、この場合、軸受の摩擦およびスプリン
グの加熱の際に消失するエネルギーを補うために必要と
されるものである。しかしながら、双方向アプローチ
は、像データの全フレームが、走査サイクルの間に記憶
された後、エレクトロニクス回路においてフリップさ
れ、前のフレームに結合されることを必要とする。これ
は、処理に先立って、像情報を操作し、合成するため
に、付加的なメモリ回路および電子信号制御回路を必要
とし、システムの複雑さを不適当に増大させる。

【００７８】妥協走査鏡波形を図４１に示した。この妥
協駆動パターンにおいて、１方向の走査が維持され、有
限の帰線操作時間ｔf が、システムを駆動すべき電力が
減少する代わりに許容される。波形１５４の直線走査部
分は、正しい振幅および位相を有するいくつかの正弦波
駆動波形の重ね合わせからなるオープンループ駆動回路
によく近似する。直線からのずれが、また走査鏡フィー
ドバックシステムの位置に基づく望ましい入力波形を決
定する、位置エンコーダによってループを閉じることに
よって十分に取り除かれる。フィードバックループから
の差の信号が、名目上の駆動波形を変更し、要求される
直線度を達成するために用いられる。

【００７９】熱的な結像システムの性能に寄与する最後
の因子は、システム中の検出器の個数である。もし他の
すべての因子が一定に保たれるならば、熱的な結像装置
の感度は、アレイ中の検出素子の数の２乗の平方根の積
として改善される。しかしながら、検出素子の個数の増
大は、また、入出力用導線の物理的な数を増大させる。
大きなアレイにおいて、電気的接続の数は著しく多くな
る。これは、とりわけ、低コスト、高生産性および高信
頼性が望まれる場合には問題となる。さらに、このよう
な多数の導線を収容するための十分な空き領域が検出器
表面上には存在しない。

【００８０】多数の導線に関する問題は、焦点面上にお
いて信号処理を行うことによって解決され得る。こうし
て、すべての検出素子の出力信号は、１つの出力接続の
みを必要とする１つのシリアルフォーマットに結合され
得る。この多重化の操作は、電荷結合素子（ＣＣＤ）技
術、あるいは機能的に同等なより進んだ集積回路技術を
用いることによって実行され得る。ＣＣＤ技術は、図４
２に示してあり、一般には、ウォルフ (Wolfe)等の、
「ザ インフラレッド ハンドブック (The Infrared H
andbook)」、ザ インフラレッド インフォメーション
アンド アナリシス センター (The Infrared Infor
mation and Analysis (IRAI) Center)、エンバイランメ
ンタル リサーチ インスティチュート オブ ミシガ
ン (Environmental Research Institute of Michigan)
、改定版 に記載されている。

【００８１】図４２において、検出素子１５６の直線状
アレイ内に形成された電荷が、移送ゲート１６０を経て
ＣＣＤシフトレジスタ１５８に移送される。移送ゲート
１６０は、パルストレーンに基づいて開放および閉鎖さ
れる。パルストレーンは、特定の時間間隔においてデー
タのフレームを発生するのに必要な振動数を有してい
る。好ましい実施例では、データのフレームは、１／３
０秒間に発生する。ゲート１６０が閉鎖されたとき、デ
ータの別のラインが検出器において発生し、前のデータ
のラインが、ＣＣＤシフトレジスタ１５８を通じて読み
出される。これは、図４２において端子１６２、１６４
および１６６を有する３つの位相クロックとして示し
た、クロックパルスのシーケンシャルな同期された適用
によって達成される。検出器アレイは、図４２に示した
ような簡単な直線状アレイ、あるいは検出器の多数のコ
ラムまたは列を有するより複雑なアレイである。複雑な
アレイは、前のコラムに対して前後にずらして配列され
た素子を有している。このような構造の１例として、図
４３に、２つのコラムからなるアレイを示した。

【００８２】図４３に示した構成において、検出素子の
２つのコラム１６８、１７０が一方の検出素子の幅に等
しい間隔だけずらして配列されており、ディスプレイさ
れた像内に空白が形成されずに像の走査がなされるよう
になっている。１つのコラム中の検出素子１５６を接触
させて配列することは不可能である。なぜならば、素子
を互いに電気的に絶縁する必要があるからである。検出
器１５６の長方形の形状は、ピクセルの大きさに最大の
均一性を与え、そしてこれは、自動標的認識プロセッサ
に対する像の発生に対して望ましい特性である。多数の
コラムからなる検出器アレイにおいて、像内のピクセル
のラインは、異なる回数、検出器の２つのコラムを横切
る。したがって、時間遅延が、ＣＣＤ回路１７２からの
データフローのストリームに導入されなければならな
い。このＣＣＤ回路１７２は、このピクセル像情報が、
ＣＣＤ回路１７４によって処理された第２の検出器コラ
ム１７０からの情報のストリームに結合される前に、検
出器１６８の第１のコラムからの情報を処理している。
バイアス電圧が、光電式検出器の場合に印加されるが、
光電池式検出器の場合には印加されない。交差走査方向
におけるピクセルの大きさおよび解像度が極端に重要で
はない場合には、検出素子１５６の大きさをそれらがほ
とんど接触する位置まで拡張することによって、さらな
る感度の増大を達成することができる。

【００８３】いくつかの検出器ネットワークを平行に配
置することによって、ピクセルの大きさの均一性および
解像度を損なうことなく、さらに感度を上げることがで
きる。このようなアレイの構造の１例として、４つのネ
ットワークを有するものが挙げられる。その場合、像が
第１のネットワークにわたって走査された後、出力信号
が時間遅延を受け、そして、最後のネットワークの出力
に加えられる。時間遅延は像の走査速度によって決定さ
れる。第２のネットワークの出力は、より小さい量だけ
時間遅延された後、加えられ、第３のネットワークの出
力は、さらに小さい量だけ時間遅延された後、加えられ
る。最後のネットワークの出力は、時間遅延を受けな
い。その結果生じる信号／ノイズ比の改善は、時間遅延
および集積（ＴＤＩ）操作の数の２乗の平方根に等し
い。

【００８４】非均一な検出器応答の補正および信号の前
置増幅等の、他の焦点面上での処理が、また、図４４に
示したように、検出器支持構造上において実行され得
る。処理エレクトロニクス回路１７６を冷却することが
要求されない場合には、エレクトロニクス回路を検出器
に接近させて配置すればするほど、検出器アレイの望ま
しい冷却を達成するために必要な冷却能力がより向上す
る。通常の平板状の検出器基板とは異なり、本発明によ
る中空ビーム検出器支持構造は、処理回路１７６を検出
器アレイ２０から分離しかつ熱的に隔離することが可能
である。この隔離によって、冷却剤が検出器およびこれ
に近接して配置された処理エレクトロニクス回路を冷却
するために必要な場合より少ない電力でもって、検出器
の温度を低下させることが可能となる。このようにして
冷却時に要求される電力を最小限にすることにより、同
量の冷却用電力を用いて、より多くの検出素子を冷却す
ることができ、それに伴って、（図示はしない）冷却装
置の大きさ、重量および消費電力を減少させることがで
きる。集積回路が、小型ハイブリッド回路コンポーネン
トとともに、ハイブリッド回路基板１８０を介して支持
部材２６の側部に取付けられ得る。支持部材２６の底面
および内面は、処理エレクトロニクス回路の付加的な取
付面を与える。

【００８５】好ましくは、検出器アレイ２０、および少
量の熱しか発生しない処理エレクトロニクス回路１７６
が、熱伝導性を有しかつ電気的に絶縁されたフレキシブ
ル基板１７８上に、集積されたまたはハイブリッドなＣ
ＣＤ構造において形成される。この基板の物理的な性質
は、エレクトロニクス回路および検出器を備えた基板
が、光学的配置によって規定される曲率をもつ好ましい
検出器支持部材に一致するように、すなわち、球面状の
像面に一致する湾曲面に一致すべく折り曲げられ得るよ
うに選択される。さらに、フレキシブルな検出器基板お
よび支持アーク２６は、構造的に強固なユニットを形成
するべく融着される。アーク状の支持構造２６が熱的に
隔離されていることによって、また、熱が検出器アレイ
から遠ざけられた状態に維持される。

【００８６】上の記述は多くの特徴を含んでいるが、こ
れらは本発明を限定するものではなく、単に例示にすぎ
ない。当業者は、本願の特許請求の範囲に記載された事
項の範囲内で、多くの他の可能な変形例を考え出すこと
が可能であろう。例えば、好ましい実施例において、水
銀−カドミウム−テルル化合物からなる極低温に冷却さ
れた検出器を、８〜１２ミクロンのスペクトルにおいて
作動させることを意図しているが、熱電気検出器技術を
用いた、より低感度の、冷却されない赤外領域のシステ
ムが可能であり、または、非赤外スペクトル領域におい
て使用するための他の検出器として、熱電気的に冷却さ
れる検出器を使用することが可能である。好ましい実施
例のさらに別の変形例においては、共心のメニスカスレ
ンズが、走査鏡バーテックスの反対側に配置され、走査
鏡が、非真空環境中に配置され得る。さらに、もし検出
器アレイの大きさが引続き増大するならば、システムは
凝視アレイの性能を低下させて走査鏡なしで済ませるこ
ともできる。また、ここに記載した検出器および回路
は、これらのコンポーネントの機能を説明するための例
示にすぎず、マイクロ回路設計および製造技術の技術水
準を示したものではない。最新の技術は、非均一な検出
器応答補正回路を含む他のものと同様に、前置増幅、タ
イミング、多重化、および時間遅延−集積の各機能を実
行するための集積された検出器または集積回路を、本発
明に拡張的に導入することを可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱的な結像システムに対する従来の共通のモジ
ュールによるアプローチを示すブロック図である。

【図２】本発明による統合された熱的な結像システムの
好ましい実施例を示す断面図である。

【図３】図２の３−３線に沿った断面図である。

【図４】本発明による統合された熱的な結像システムの
別の実施例を示す断面図である。

【図５】図４の５−５線に沿った断面図である。

【図６】本発明による統合された熱的な結像システムに
おける好ましい統合された光学系の光線図である。

【図７】図６に示した光学系の残存収差および回折をプ
ロットした図である。

【図８】図６に示した光学系の回折変調伝達関数をプロ
ットした図である。

【図９】外側に面した検出素子を有する湾曲した検出器
支持アークの部分拡大平面図である。

【図１０】図９に示した検出器の上面図である。

【図１１】図９の１１−１１線に沿った断面図である。

【図１２】湾曲したストリップ鏡の上面図である。

【図１３】ストリップ鏡を含む別の検出器の拡大断面図
である。

【図１４】９０°曲げられた平行ビームを示す図であ
る。

【図１５】９０°曲げられた微小な光円錐を示す図であ
る。

【図１６】９０°曲げられた中間光円錐を示す図であ
る。

【図１７】９０°曲げられた大きい光円錐を示す図であ
る。

【図１８】検出器支持部材によって生成された像のぼけ
を示す図である。

【図１９】多角形の表面を有する別の検出器の拡大部分
平面図である。

【図２０】多角形の表面を有する別の検出器の拡大部分
平面図である。

【図２１】理想的な湾曲像面に対する、図１９および図
２０に示した検出器による１つの検出器部分を示す拡大
図である。

【図２２】平面に対するテレセントリックな光円錐を示
す図である。

【図２３】曲面に対するテレセントリックな光円錐を示
す図である。

【図２４】平面に対する非テレセントリックな光円錐を
示す図である。

【図２５】単一の検出素子の冷却シールドを示す拡大断
面図である。

【図２６】単一の検出素子の冷却シールドを示す平面図
である。

【図２７】直線状アレイの冷却シールドを示す拡大断面
図である。

【図２８】直線状アレイの冷却シールドを示す拡大平面
図である。

【図２９】本発明による冷却シールドを備えた検出素子
を示す部分断面図である。

【図３０】本発明による冷却シールドを備えた検出素子
を示す部分平面図である。

【図３１】テレセントリックな像円錐および非テレセン
トリックな像円錐、並びに結果として生じる像の陰りを
示す図である。

【図３２】テレセントリックな像円錐および非テレセン
トリックな像円錐、並びに結果として生じる像の陰りを
示す図である。

【図３３】焦束鏡から個々のシールドされた検出素子上
に結像するテレセントリックな像を示す図である。

【図３４】検出器の極低温冷却を示す中空な箱形ビーム
検出器支持部材の部分断面図である。

【図３５】極低温冷却を示す検出器支持アークの拡大部
分断面図である。

【図３６】コールドフィンガー上に取付けられた検出器
支持部材を示す図である。

【図３７】クローズドサイクル冷却システムを含む本発
明のさらに別の実施例を示す断面図である。

【図３８】走査鏡に対するねじれ管取付けシステムを示
す図である。

【図３９】理想的な走査鏡の角度位置波形を示す図であ
る。

【図４０】双方向走査鏡波形を示す図である。

【図４１】別の単方向走査鏡波形を示す図である。

【図４２】電荷結合素子（ＣＣＤ）技術を使用する焦点
面上での処理を示す図である。

【図４３】多数のコラムからなるＣＣＤ検出器アレイを
示す図である。

【図４４】検出器アレイおよびその上に配置された処理
エレクトロニクス回路を示す、検出器支持アークの部分
断面図である。

【符号の説明】

１０ 熱的な結像システム １２ システムハウジング １４ メニスカスレンズ １６ 走査鏡 １８ 焦点合わせ鏡 ２０ 検出器アレイ ２６ 検出器支持アーク ２８ 中空な箱形ビーム ３０ 冷却剤用導管 ３２ ウィンドウ開口

【手続補正書】

【提出日】平成３年８月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (44)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (1)内部に空洞が形成された囲い、および
   像を形成されるべき情景に対応する輻射線を受けるウィ
   ンドウを有するシステムハウジングと、 (2) 前記囲いの内部に配置された、入射輻射線を検出
   し、検出信号を発生する検出手段と、 (3) 前記囲いの内部に配置された、情景の少なくとも一
   部分に対応する輻射線を、前記検出器上の焦点に集める
   焦点合わせ光学素子手段とを有していることを特徴とす
   る熱的な結像システム。
2. 【請求項２】 前記検出器を冷却する手段を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱的な結像システ
   ム。
3. 【請求項３】 前記ウィンドウおよび前記焦点合わせ光
   学素子手段の間の光路中に配置された補正レンズを有し
   ていることを特徴とする請求項１に記載の熱的な結像シ
   ステム。
4. 【請求項４】 前記ハウジングのウィンドウが補正レン
   ズを有していることを特徴とする請求項１に記載の熱的
   な結像システム。
5. 【請求項５】 前記補正レンズが共心面を有しているこ
   とを特徴とする請求項４に記載の熱的な結像システム。
6. 【請求項６】 前記補正レンズがゲルマニウムからなっ
   ていることを特徴とする請求項５に記載の熱的な結像シ
   ステム。
7. 【請求項７】 前記焦点合わせ光学素子手段が凹面鏡を
   有していることを特徴とする請求項１に記載の熱的な結
   像システム。
8. 【請求項８】 前記凹面鏡が球面鏡であることを特徴と
   する請求項７に記載の熱的な結像システム。
9. 【請求項９】 前記ハウジング内部に配置された、前記
   ウィンドウからの輻射線を受け、前記輻射線を走査する
   走査手段と、 前記走査手段を駆動する駆動手段とを有していることを
   特徴とする請求項１に記載の熱的な結像システム。
10. 【請求項１０】 前記焦点合わせ光学素子手段が凹面鏡
    を有し、前記走査手段が走査鏡を有し、前記走査鏡が前
    記凹面鏡の中心に配置されかつ走査される輻射線を前記
    凹面鏡に向け、前記凹面鏡が湾曲面に像を形成すること
    を特徴とする請求項９に記載の熱的な結像システム。
11. 【請求項１１】 前記凹面鏡が球面鏡であることを特徴
    とする請求項１０に記載の熱的な結像システム。
12. 【請求項１２】 前記ハウジングが共心面をもつ補正レ
    ンズを有し、前記走査鏡が前記凹面の中心に配置されて
    いることを特徴とする請求項１０に記載の熱的な結像シ
    ステム。
13. 【請求項１３】 前記ハウジング内に前記検出器を支持
    する検出器支持手段を有していることを特徴とする請求
    項１０に記載の熱的な結像システム。
14. 【請求項１４】 前記検出器支持手段が湾曲したアーク
    状支持部材であることを特徴とする請求項１３に記載の
    熱的な結像システム。
15. 【請求項１５】 前記湾曲したアーク状支持部材が、前
    記検出器を前記湾曲した像面の少なくとも一部上に位置
    するように支持する形状、および大きさを有する湾曲し
    た検出器支持面を有していることを特徴とする請求項１
    ４に記載の熱的な結像システム。
16. 【請求項１６】 前記検出器が検出素子のアレイを有し
    ていることを特徴とする請求項１５に記載の熱的な結像
    システム。
17. 【請求項１７】 前記検出器アレイが湾曲した検出器ア
    レイからなっていることを特徴とする請求項１６に記載
    の熱的な結像システム。
18. 【請求項１８】 前記検出器が検出素子のアレイを有し
    ていることを特徴とする請求項１に記載の熱的な結像シ
    ステム。
19. 【請求項１９】 前記検出器アレイが２次元的なアレイ
    からなっていることを特徴とする請求項１８に記載の熱
    的な結像システム。
20. 【請求項２０】 前記ハウジング内にのびる検出器支持
    部材を有していることを特徴とする請求項１９に記載の
    熱的な結像システム。
21. 【請求項２１】 システム処理エレクトロニクス回路の
    少なくとも一部分が、前記検出器支持部材上に配置され
    ていることを特徴とする請求項２０に記載の熱的な結像
    システム。
22. 【請求項２２】 前記検出素子が水銀−カドミウム−テ
    ルル化合物からなっていることを特徴とする請求項１８
    に記載の熱的な結像システム。
23. 【請求項２３】 前記検出器支持部材が前記ハウジング
    から絶縁されていることを特徴とする請求項２０に記載
    の熱的な結像システム。
24. 【請求項２４】 前記検出器支持部材が冷却剤用導管を
    有していることを特徴とする請求項２３に記載の熱的な
    結像システム。
25. 【請求項２５】 前記検出器支持部材から前記検出素子
    を取り巻いてのびる冷却シールド手段を有していること
    を特徴とする請求項２３に記載の熱的な結像システム。
26. 【請求項２６】 前記冷却シールド手段が各検出素子を
    独立に取り巻いていることを特徴とする請求項２５に記
    載の熱的な結像システム。
27. 【請求項２７】 前記検出器支持アーク上の前記処理エ
    レクトロニクス回路が、前記検出素子の出力信号を結合
    しかつ多重化する電荷結合素子を有していることを特徴
    とする請求項２１に記載の熱的な結像システム。
28. 【請求項２８】 前記検出器アレイが検出器の前後にず
    れた２つの列を有していることを特徴とする請求項１９
    に記載の熱的な結像システム。
29. 【請求項２９】 前記検出器支持部材がコールドフィン
    ガーに接触していることを特徴とする請求項２３に記載
    の熱的な結像システム。
30. 【請求項３０】 前記検出器支持部材が中空なビームか
    らなっていることを特徴とする請求項２４に記載の熱的
    な結像システム。
31. 【請求項３１】 前記冷却剤用導管が冷却剤オリフィス
    を有しており、前記オリフィスを通じて圧縮された冷却
    ガスが膨張し、前記中空ビーム中を流れるようにするこ
    とよって、前記極低温冷却がなされることを特徴とする
    請求項３０に記載の熱的な結像システム。
32. 【請求項３２】 前記検出器支持手段が、多角形表面に
    よって形成された実質上湾曲した検出面を有しており、
    前記検出器が前記多角形表面上に配置された複数の検出
    器セグメントを有していることを特徴とする請求項１３
    に記載の熱的な結像システム。
33. 【請求項３３】 (1) 内部に空洞を有する囲い、および
    像を形成されるべき情景に対応する輻射線を受ける、補
    正レンズからなるウィンドウを有するシステムハウジン
    グと、 (2) 前記囲いの内部に配置された、前記補正レンズから
    受け取った輻射線を走査する走査手段と、 (3) 前記囲いの内部に配置された、前記走査手段によっ
    て走査された輻射線を、像面上の焦点に集める焦点合わ
    せ手段と、 (4) 前記焦点合わせ手段によって焦点を合わせられた前
    記輻射線の少なくとも一部分を検出するための検出器手
    段と、 (5) 前記検出器を冷却する手段とを有していることを特
    徴とする熱的な結像システム。
34. 【請求項３４】 前記輻射線に応答して前記検出器手段
    によって発生せしめられた検出信号から像を形成する処
    理エレクトロニクス回路を有していることを特徴とする
    請求項３３に記載の熱的な結像システム。
35. 【請求項３５】 像を前記補正レンズに向ける望遠鏡を
    有していることを特徴とする請求項３３に記載の熱的な
    結像システム。
36. 【請求項３６】 前記焦点合わせ手段が球面鏡を有し、
    前記球面鏡が湾曲した像面に前記像を形成することを特
    徴とする請求項３３に記載の熱的な結像システム。
37. 【請求項３７】 前記補正レンズが共心面を有してお
    り、前記走査手段が前記凹面および前記球面鏡の中心に
    配置された走査鏡を有していることを特徴とする請求項
    ３６に記載の熱的な結像システム。
38. 【請求項３８】 前記焦点合わせ手段からの輻射線を受
    け、前記輻射線を前記検出器手段に向ける湾曲したスト
    リップ鏡を有していることを特徴とする請求項３３に記
    載の熱的な結像システム。
39. 【請求項３９】 前記ストリップ鏡が直円錐の一部分か
    らなっていることを特徴とする請求項３８に記載の熱的
    な結像システム。
40. 【請求項４０】 前記検出器手段が前記湾曲したストリ
    ップ鏡からの輻射線を受けるに適した形状および大きさ
    をもつ、検出素子の平板上の湾曲したアレイを有してい
    ることを特徴とする請求項３８に記載の熱的な結像シス
    テム。
41. 【請求項４１】 前記検出器手段が検出素子のアレイを
    有していること特徴とする請求項３３に記載の熱的な結
    像システム。
42. 【請求項４２】 検出器支持部材を有しており、前記検
    出器支持部材が、前記検出器アレイを実質上前記湾曲し
    た像面上に支持していることを特徴とする請求項３６に
    記載の熱的な結像システム。
43. 【請求項４３】 前記冷却手段が前記検出器支持部材に
    接触するコールドフィンガーを有していることを特徴と
    する請求項４２に記載の熱的な結像システム。
44. 【請求項４４】 前記検出器支持部材が中空なビームを
    有しており、前記冷却手段が冷却剤を前記ビーム内に送
    り込むための冷却剤オリフィスを備えた冷却剤用導管を
    有していることを特徴とする請求項４２に記載の熱的な
    結像システム。