JPH08271342A - 赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線検出素子に機械的冷却を施す赤外線検
出装置での機械的振動及び温度リップルを除去する。 【構成】 赤外線検出素子１６Ａ近傍に配設した振動検
出用素子１６Ｂの両検出素子出力を減算回路２２に供給
して赤外線検出素子１６Ａの検出出力から振動検出用素
子１６Ｂの検出出力を差し引いて振動変動分及び温度ド
リフト分をキャンセルさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外線検出装置の改良に
係わり、特に赤外線検出器の冷却に機械的冷却方式を用
いた場合の振動ノイズを除去可能な赤外線検出装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線検出器として従来から広く利用さ
れているものとしては焦電素子の様に赤外線の熱エネル
ギーを受け、その温度変化から出力を得る熱型と、入射
フオトンのエネルギーが検出器固有のエネルギーギャッ
プを上回るとキャリヤが生じて導電率が上がり出力電圧
変化として検出される量子型があり、この量子型赤外線
検出器としては例えばＨＧ，Ｇｄ，Ｔｅ，ＩｎＳｂ等が
用いられている。

【０００３】上述の量子型では液体窒素温度（７７°
Ｋ）まで冷却すると高感度となるために冷却は不可欠で
あった。

【０００４】従来の、この量子型赤外検出器の最も一般
的な方法は魔法瓶構造の容器に液体窒素を入れ赤外検出
器を冷却するものである。更にアルゴンガスを小口径の
ノズルから噴射させた時の断熱膨張を利用して冷却する
ジュールトムソンクーラ等も利用されている。然し、こ
れらの冷却方法は液体窒素やアルゴンガスを消耗する欠
点があり、最近ではヘリウムガスを循環させて使用する
スターリング・クーラ型赤外線検出器が用いられる様に
なっている。

【０００５】このスターリングクーラは古くから利用さ
れているスターリング（Robert.Stirling)機関に逆に動
力を入れて冷凍を得る様に成したものである。

【０００６】図６にこの様なスターリングクーラのうち
のスプリット・スターリングクーラを説明する。図で１
は全体としてスプリット・スターリングクーラ形赤外線
検出装置を示すものであり、圧縮部２及び冷却部３並び
に真空容器４より構成されている。

【０００７】圧縮部２と冷却部３間は細い金属パイプ５
で連結され、パイプ５内にはヘリウムガス６が流れる様
に成されている。

【０００８】圧縮部２は電気モータ等の駆動部７と、シ
リンダ８内にはリンク１０を介して駆動部７の回転力を
往復運動に変えるピストン９を有し、ピストン９で圧縮
空間１１に圧縮されたヘリウムガス６は金属パイプ５を
介して冷却部３に供給される。

【０００９】円筒状に形成された真空容器４は断熱のた
めに真空に成されている。この真空容器４内には圧縮空
間と膨張空間１４とでヘリウムガス６を行き来させるた
めのディスプレーサ１２が配設されている。

【００１０】このディスプレーサ１２は冷却部３内に配
設されたコールドフィンガと呼ばれるシリンダ内に置か
れ、ディスプレーサ１２内には蓄冷器１３が配設されて
いる。

【００１１】ディスプレーサ１２の前面には膨張空間１
４が形成され、この膨張空間１４内に防振部材１５が設
けられ、この防振部材１５上に赤外線検出器１６が載置
されている。

【００１２】尚、真空容器４の前面部はウインドウ１７
と成され、赤外光１８を入射させて、赤外線検出器１６
に赤外光１８を照射することで赤外線温度測定が行なわ
れる。

【００１３】上述の構成でのスプリット・スターリング
クーラでの動作は圧縮部２のシリンダ８内でのピストン
９の上昇によって圧縮空間１１内のヘリウムガス６は圧
縮され、次にディスプレーサ１２が膨張空間１４側に移
動することで、ディスプレーサ１２の膨張空間１４は圧
縮されやや冷える。反対の左側空間は上昇するが、その
熱は放熱される。

【００１４】更に、スピンドル８が降下するとディスプ
レーサ１２が膨張空間１４と反対側に移動することでデ
ィスプレーサ１２の前面の膨張空間１４は冷やされ、
又、冷えたヘリウムガスは蓄冷器１３及びディスプレー
サ１２と真空容器４間を通ってコールドフィンガ側に帰
還する。以上の工程を繰り返すことで膨張空間１４内に
置かれた赤外線検出器１６は次第に冷却されることにな
る。

【００１５】この様なスターリングクーラ型赤外線検出
装置では液体窒素やアルゴンガス等の消耗がなく、連続
運転が出来て、魔法瓶型の冷却方法に比べれば、全方向
に赤外線カメラを向けることが出来るものが得られる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上述のスターリングク
ーラ型赤外線検出装置では真空容器４内でディスプレー
サ１２が圧縮、膨張を繰り返すために膨張空間１４のコ
ールドヘッド領域に置かれた赤外線検出器１６に機械的
振動を与えると共に微小の温度リップルを発生させ、こ
れが赤外線検出器１６の出力にノイズを付加する原因と
なっていた。この為、従来では赤外線検出器１６を保持
する保持部材に緩衝部材やダンピング用金属等の防振部
材１５が用いられていた。この防振部材１５がコールド
ヘッド領域を遮断した状態で赤外線検出器１６が配設さ
れるために、熱容量が大きくなって、冷却時間が長くな
る問題があった。

【００１７】この様な機械的振動を除去するために、従
来、機械的振動ノイズ帯域をカットするためにＬＰＦを
用いていたが、この様なＬＰＦのみでは使用帯域に制限
等があって完全に除去出来ない問題があった。

【００１８】更に、コールドヘッド、即ち、赤外線検出
器１６の配設されている膨張空間１４内の冷却温度を一
定に保つ様にコントローラすることが難しく、微小温度
リップルを生ずる原因となっていた。

【００１９】本発明は叙上の問題点を解消した赤外線検
出装置を提供しようとするもので、その目的とするとこ
ろは機械的振動や微小温度リップルによる赤外線検出器
出力ノイズをキャンセル回路を用いて完全に低減又は除
去する様に成した赤外線検出装置を得るにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の赤外線検出装置
はその例が図１に示されている様に赤外線検出器１６の
冷却用に機械的冷却手段を有する赤外線検出装置に於い
て、赤外線検出素子１６Ａ近傍に配された振動検出素子
１６Ｂを有し、赤外線検出素子１６Ａの検出出力から振
動検出素子１６Ｂの検出出力を減算する減算手段２２を
具備して成るものである。

【００２１】

【作用】本発明の赤外線検出装置によればスターリング
クーラによる機械的振動によって生ずる赤外線検出出力
に重畳されるノイズ成分及び温度リップルをキャンセル
回路によって完全にキャンセルすることが出来るものが
得られる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の赤外線温度検出装置の一実施
例を図１乃至図４によって詳述する。

【００２３】図１は本例のキャンセル用の回路図、図２
は図６で示したスターリングクーラの赤外線検出器の要
部拡大図、図３はウインドウ側から視た赤外線検出器の
平面図、図４は図３のサブストレート部分の拡大平面図
である。

【００２４】先ず、図１の回路図を説明する前に図２乃
至図４によって、本例の赤外線検出部分の構成を詳記す
る。

【００２５】図２乃至図４に於いて、従来の図６との対
応部分には同一符号を付して重複説明を省略するも、デ
ィスプレーサ１２の前面に形成されたコールドヘッド領
域、即ち膨張空間１４内に配設された赤外線検出器１６
は、防振部材１５を介さずに直接的に真空容器４の筒内
に接着剤等の所定固定方法で係止される。

【００２６】赤外線検出器１６は図３及び図４に示す様
に、略円盤状のセラミックス等の基板２５上に信号取り
出し用のコモン電極２７Ａと、受光素子としての赤外線
検出素子１６Ａ及び振動検出用の振動検出素子１６Ｂ用
の信号取り出し電極２７Ｂ及び２７Ｃがパターニングさ
れ、この基板２５の中央部にサブストレート２６が配設
されている。サブストレート２６上には受光部の赤外線
検出素子１６Ａ及び振動検出素子１６Ｂを囲む様に電極
２８，２９，３０が略コ字状に設けられている。これら
電極２８，２９，３０と基板２５上にパターニングされ
た電極２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ａ間はボンディングワイヤ
２８Ａ，２９Ａ，３０Ａで接続されている。

【００２７】本例の赤外線検出素子１６Ａ及び振動検出
素子１６Ｂは共にＭＣＴ（Ｈｇ，Ｇｄ，Ｔｅ）或はＩｎ
Ｓｂ等の量子型赤外線検出素子が用いられ、８〜１０μ
ｍ又は３〜５μｍの赤外線を検出する。

【００２８】本例では一方の赤外線検出素子１６Ｂは振
動、温度リップル検出用の素子である。上述の構成では
２個の赤外線検出素子１６Ａ及び１６Ｂの場合を説明し
たが多点温度検出のためにｎ個の赤外線検出素子１６Ａ
が並設される場合はｎ＋１個の赤外線検出素子を配設す
ることになる。

【００２９】又、一方の振動、温度リップル検出用の赤
外線検出素子１６Ｂは他の赤外線検出素子１６Ａの近傍
位置に配置して、振動や温度の影響を略同じ様に受ける
位置に配設するを可とする。

【００３０】更に、本例では図４に示す様に振動検出素
子１６Ｂ側を赤外線に対して感度が零となる様に遮蔽を
施すための遮光部材１６Ｃで赤外線検出素子１６Ｂ上を
覆う。実際にはこの遮光部材１６Ｃとしては赤外線を遮
断する様に成したエポキシ樹脂接着剤を赤外線検出素子
１６Ｂ上に滴下して封止する様に成される。これによ
り、この赤外線検出素子１６Ｂを振動検出または温度リ
ップルの検出素子として使用する。

【００３１】上述の様に構成された赤外線検出装置の振
動及び温度リップルのキャンセル回路の構成を図１で説
明する。

【００３２】図１で赤外線検出器１６を構成する赤外線
検出素子１６Ａ及び振動検出用赤外線素子１６Ｂは夫々
端子２０Ａ及び２０Ｂに接続されたバイアス電流源１９
Ａ及び１９Ｂで駆動される。

【００３３】これら各素子１６Ａ及び１６Ｂとバイアス
電流源１９Ａ及び１９Ｂ間から取り出された各素子出力
はプリアンプ２１Ａ及び２１Ｂに供給される。

【００３４】プリアンプ２１Ａの出力はキャンセル回路
を構成する減算回路（差分回路）２２に供給される。プ
リアンプ２１Ｂの出力はキャンセル量可変調整回路を構
成する可変抵抗器２３でキャンセル量を調整後に減算回
路２２に供給され、減算回路２２の出力は出力端子２４
に出力される。

【００３５】上述の構成の赤外線検出装置のキャンセル
回路の動作を説明する。先ず２つの赤外線検出素子及び
振動検出素子１６Ａ及び１６Ｂの出力はプリアンプ２１
Ａ及び２１Ｂで所定電圧に前置増幅される。赤外線素子
１６Ａからは赤外光１８に対応した電気出力が取り出さ
れその信号が前置増幅されて減算回路に供給される。

【００３６】一方、振動検出素子１６Ｂ側の赤外線検出
素子は赤外光１８は遮光部材１６Ｃで遮断されているの
で振動変動による抵抗変化分並びに冷却温度変動による
温度リップルによる変化量のみが電気出力として取り出
されて前置増幅され、可変抵抗器２３でキャンセル量が
適宜調整されて減算回路に供給される。

【００３７】従って、減算回路２２では、振動及び温度
変動に基く電気量が赤外線検出素子１６Ａの出力より差
し引かれるため振動及び温度リップルによるノイズ成分
は完全に低減或はキャンセルすることが出来る。

【００３８】上述の実施例では振動検出素子として赤外
線検出素子を用いた例を説明したが、図５に示す様に振
動検出器１６Ｂ′をストレンゲージ、ピエゾ圧電降下を
用いた水晶センサ等を用いてもよい。図１との対応部分
には同一符号を付して重複説明を省略するも、本例では
プリアンプ２１Ｂの後段に必要に応じてＢＰＦ（帯域通
過披瀝器）２９を介在させ除去しようとする振動ノイズ
成分のみを通過させる様に成している。

【００３９】この様な構成でも振動ノイズ及び温度リッ
プル分は除去可能な赤外線検出装置のキャンセル回路が
得られる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の赤外線検出装置によれば振動検
出素子は受光素子としての機能を有していなくてもよい
のでローコストのものが付加出来、又、赤外線検出素子
を利用出来るのでＩＣ化された素子に簡単な遮蔽加工を
施すだけで近接配置されたキャンセル用の振動検出素子
が得られる。又、振動、温度リップルを完全に遮断又は
低減可能な赤外線検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す赤外線検出装置の検出
回路図である。

【図２】本発明の赤外線検出器の要部側面図である。

【図３】図２のウインドウ側から視た赤外線検出器の平
面図である。

【図４】赤外線検出器の要部拡大図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す赤外線検出装置の検
出回路図である。

【図６】従来のスターリングクーラ形赤外線検出器の構
成図である。

【符号の説明】

１ スプリットスターリングクーラ形赤外線検出装置 ４ 真空容器 １２ ディスプレーサ １４ 膨張空間 １６ 赤外線検出器 １６Ａ 赤外線検出素子 １６Ｂ，１６Ｂ′ 抵抗検出素子 ２２ 減算回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線検出素子の冷却用に機械的冷却手
   段を有する赤外線検出装置に於いて、 上記赤外線検出素子近傍に配された振動検出素子を有
   し、 上記赤外線検出素子の検出出力から上記振動検出素子の
   検出出力を減算する減算手段を具備して成ることを特徴
   とする赤外線検出装置。
2. 【請求項２】 前記振動検出素子が赤外線検出素子に赤
   外線に応答しない様に遮断して赤外線感度を零としてな
   ることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置。
3. 【請求項３】 前記振動検出素子がストレーンゲージで
   あることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出装置。