JP2000511280A - 赤外光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 赤外光学系（１００）にはコールドシールド（１１４）内の検出器（１１２）上に遠隔のシーンを結像するレンズ（１１８）が組み込まれている。検出器（１１２）に入射する迷光放射は、負のルミネセンスを生成する発光ダイオード（ＬＥＤ）（１２６）の形のオプティカルストップにより低減される。ＬＥＤ（１２６）はバックグラウンドよりも少ない放射を発し、負のルミネセンスを示さないオプティカルストップに比べて検出器光子ノイズが少ない。

Description

【発明の詳細な説明】 赤外光学系 本発明は赤外光学系に関し、とくにバックグラウンド制限型検出器を組み込ん だ系におけるノイズ低減に関する。 赤外線検出器は、検出器に到達する光子の割合の変動が検出器ノイズの主な原 因となるとき「バックグラウンド制限型」という。赤外光学系におけるこの検出 器は、結像したシーンすなわち情景（scene）と、シーン情報を含まない迷光放 射の放射源との両方から光子を受ける。迷光放射を減少するか、あるいは無くす ることができれば、検出器ノイズはシーンからの光子に影響することなく減少し 、したがって系の信号対ノイズ比が改善される。 冷却された検出器要素のアレイを使用する赤外光学系において迷光放射を少な くするには、検出器冷却装置によって冷却されるシールドを用いることが知られ ている。このシールドを冷却することによりシールド自体からの熱放射の検出器 アレイへの到達を減少する。しかしながら、実際には効率的なコールドシールド を用意することは難しい。問題は検出器アレイのサイ ズが有限であることから生じる。アレイ縁辺の要素の口径食を回避するためには 、コールドシールド開口を大きくせねばならず、そのために効率が悪くなる。こ の問題は一段と大きなコールドシールドを検出器アレイから一段と遠くで使用す ることによって低減されるが、それによって冷却上の困難が生じる。コールドシ ールドが大きいと、冷却装置の要件および冷却時間が増加し、コールドシールド が小さいと迷光放射の排除効率が悪い。この問題は、Ｆナンバーの大きい赤外光 学系および／または検出器要素を長い線形アレイもしくは二次元アレイ等とする 大きな検出器を組み込んだ系においてとくに過酷である。 迷光を低減する一つのアプローチは、検出器上にシーンを結像させる赤外光学 系のレンズの周囲に冷却しない凹面鏡を置くことである。この鏡の中央の穴にレ ンズを収容する。この鏡の曲面の半径は鏡と検出器との間隔に等しく、そのため に検出器はその画像に一致する。この鏡の放射率は必然的に低く、光子の生成は 比較的に少ない。しかし、この鏡は迷光放射を検出器に反射する可能性があり、 鏡からの残存放射による難点があり、かつ鏡の調整の問題がある。 本発明の目的は、これに代わる形式の赤外光学系を提供する ことにある。 本発明により、検出手段と、この検出手段への迷光放射の到達を排除するよう に配置したオプティカルストップ(optical stop)とを含み、このオプティカルス トップが負のルミネセンスを示して検出手段に入射する放射を減ずるように配置 されることを特徴とする赤外光学系が提供される。 本発明の長所は、オプティカルストップによって検出手段への迷光放射が遮断 され、他の性質は同等であって負のルミネセンス特性がないストップからと同じ だけの放射を受けるという短所がない点にある。 オプティカルストップには系の光学軸と同軸に配した穴を備えることが好まし い。 この系には、検出手段に赤外放射を指し向ける単一の対物レンズと、検出手段 のためのコールドシールドとを備え、オプティカルストップをレンズとコールド シールドとの間に置くことができる。 あるいはまたこの系では、検出手段上にシーンを結像するために組み合せて配 置した集束要素を複数備え、オプティカルストップを集束要素と系の検出手段と の間に置くこともできる。 オプティカルストップは検出手段とこれに最も近い集束要素との間、もしくは複 数の集束要素内の中間集束面に置くことができる。この系には、検出手段上のシ ーンを走査する手段を含めることができる。 この系には検出手段上のシーンを走査するために配置された走査手段を組み込 み、オプティカルストップを検出手段とこれに最も近い光学要素との間に配する こともできる。 オプティカルストップは少なくともその一部を、電気的にバイアス可能で負の ルミネセンスを与えることができる半導体物質により構成することができる。好 適な実施形態においては、半導体物質はテルル化カドミウム水銀もしくはアンチ モン化インジウムをベースとする物質がよい。あるいはこれを負のルミネセンス を示す他の三元系ＩＩ−ＩＶ族化合物（テルル化水銀亜鉛、テルル化水銀マンガ ン、テルル化水銀マグネシウム等）に代えることもできる。 さらには、本発明は赤外線検出器を外部放射から遮蔽する方法を提供するもの であり、その方法は、 （ａ）入射ひとみを組み込み、少なくとも一部を負のルミネセンス物質により構 成するオプティカルストップを検出器に与え るステップと、 （ｂ）負のルミネセンス物質を電気的に制御することにより、その赤外発光を周 囲レベルより低くするステップと、 （ｃ）シーンからの放射を負のルミネセンスオプティカルストップの入射ひとみ を介して検出器に集束するステップと、 により構成する。 この方法には、結像器の他の作用的特長を甚だしく犠牲にすることなく熱結像 の質を向上する長所がある。 本発明の理解をさらに深めるため、以下にその実施形態を添付図面を参照して 説明する。 第１図は従来の赤外光学系の概略図である。 第２図は本発明による赤外光学系の概略図である。 第１図は、従来技術の、結像しているコールドシールドされた赤外光学系を符 号１０により示す。光学系１０にはコールドシールド１４内に位置し冷却サポー ト１６に搭載された赤外線検出器１２が組み込まれている。検出器１２は検出器 要素アレイでも単体の検出器要素でもよい。検出器要素は対物レンズ１８の集束 面にあり、レンズによって遠隔のシーン（図示せず）の像が光線２０および２２ によって示されるように検出器要素 上に作られる。 コールドシールド１４は、遠隔のシーンから放射されてレンズ１８により検出 器１２上に集束する検出器１２に入射する放射を制限するためにある。しかし、 コールドシールド１４があっても、遠隔のシーンから直接に受けたものでない迷 光光線が検出器１２に到達する可能性がある。それを示すのが光線２４であり、 この光線は光線２２によって境界をつけられた光線の円錐の外側方向から発し、 検出器１２にレンズ１８から入射する。その結果、入射する光子による検出器ノ イズが、光線２２によって境界をつけられた光線の円錐に限定された入射光の場 合よりも大きくなる。 この問題はコールドシールド１４のサイズを大きくし、その上面とレンズ１８ との間の分離を狭めれば改善することができよう。しかし、そうすると熱質量、 冷却時間および冷却能力に関する要件を高くしなければならないので、その策は 適切とはいえない。 第２図は、本発明によるコールドシールド赤外光学系を符号１００により示す 。先述の部品と等価な部品には１００番台の同様な符号を付して示す。 光学系１００には赤外線検出器１１２がコールドシールド１１４内に組み込まれ 、検出器およびシールドはともに冷却したサポート１１６上に同サポートと熱平 衡状態で搭載される。対物レンズ１１８は遠隔のシーンからの平行な光線１２０ を集束光線１２２が示すように検出器１１２に集束し、検出器はレンズの集束面 にある。 入射ひとみを設けた発光ダイオード（ＬＥＤ）１２６をコールドシールド１１ ４とレンズ１１８との中間にレンズの光学軸１２８と同軸に置く。ＬＥＤ１２６ は、適切な極性のバイアス信号に反応して負のルミネセンスを与える種類のもの とする。ＬＥＤ１２６と入射ひとみの形状は光学系１００で使用する検出器１１ ２の形状によって決める。検出器要素が二次元の実質的に方形のアレイである場 合もしくは単体の検出器要素である場合には、ＬＥＤ１２６は環状とすべきであ る。検出器アレイが実質的に一次元である場合には、ＬＥＤ１２６および入射ひ とみを楕円形としかつ検出器の軸に沿って細長とすれば最適に機能する。 ＬＥＤ１２６により示される負のルミネセンスの現象は周知である。これは放 射がバックグラウンドレベルより少ない発光 に関する文献Bolgov他，Semiconductors27(1)，January 1993に記載されている 。また、Berdahl他，Infrared Physics Vol 29,No 2-4，pp 667-672，1989にも 記載されている。負のルミネセンスデバイス製造に適する物質としては、テルル 化カドミウム水銀、アンチモン化インジウム、および他の三元系ＩＩ−ＩＶ族半 導体系の物質等がある。 ＬＥＤ１２６は負のルミネセンスとなる活性の下面１３２を有する。したがっ て面１３２は周囲環境と熱平衡状態にある面よりも少ない光子を発する。検出器 １１２からの光線１３４等によって示される光子は面１３２に吸収され、この面 と同温度の従来の光学シールドよりも強度の低いフォトン束がこの面から返され る。したがって面１３２は、検出器１１２に達する迷光を防ぎながら、それ自体 から通常のオプティカルストップより弱い放射を行うオプティカルストップとし て作用する。したがって第１図の光線２４と同等の迷光放射は大部分が排除され て検出器１１２に達せず、検出器が受ける放射は、負のルミネセンスを示さない 以外には構造および特性が同等の冷却されない面から達する放射ほど多くはない 。ＬＥＤ１２６は冷却することを要しないので迅速に始動することができ、大型 のコール ドシールドにつきものの長時間冷却の必要を回避できる。 さらには、ＬＥＤ１２６の負のルミネセンスが十分に大きければ、検出器１１ ２のための更なる冷却を提供する。その基準は検出器１１２から発してＬＥＤ１ ２６に入射する放射が、ＬＥＤ１２６から発して検出器１１２に吸収される放射 より大となることである。その利点は、サポート１１６に必要な冷却能力が他の 場合に適切とされる能力より少なくて済むことである。 光学系１００は遠隔のシーンを検出器１１２に結像する単一の対物レンズ１１ ８とともに示されている。複合レンズおよび／または複合ミラーを用いる一層複 雑な結像系によりシーンを結像することがすでに知られている。それらの結像系 では、ＬＥＤ１２６を検出器とそれに最も近い最後の集束要素（レンズまたはミ ラー）との間に置くと迷光放射が最もよく排除される。ＬＥＤと検出器間のレン ズまたはミラーを増やせば、迷光が検出器に到達する範囲が大きくなる。しかし 、設計上の制約により一段と小さいＬＥＤ１２６を使用するのがよい場合もある 。ＬＥＤデバイスのサイズは、複合レンズおよび／またはミラーの配置内の中間 集束面にデバイスを置くことにすれば最小限に とどめることができる。したがって、ＬＥＤの排除性能の損失とより小さいデバ イスを作る利点との釣合をとる必要がある。 本発明のさらなる実施形態では負のルミネセンスＬＥＤ１２６を走査式の熱結 像器に組み込む。一般に、そのような結像器には検出器上で面積の大きいシーン を走査するように配置した機械的走査機構がさらに含まれる。その場合にも、Ｌ ＥＤ１２６を検出器と組合わされた集束／走査システムの最後（至近）の要素と の間に置いてＬＥＤの排除性能を極限まで大きくすることと、ほぼ中間集束点に 置かれるより小さいデバイスを使用することによって得られる利点との間の釣合 を追求しなければならない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリオツト，チヤールズ・トーマス イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・３・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イフエンス・リサーチ・エージエンシー （番地なし) (72)発明者 ゴードン，ニール・トムソン イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・３・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イフエンス・リサーチ・エージエンシー （番地なし) (72)発明者 ホール，ラルフ・ステイーブン イギリス国、ウスターシヤー・ダブリユ・ アール・14・３・ピー・エス、モールバー ン、セント・アンドリユーズ・ロード、デ イフエンス・リサーチ・エージエンシー （番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．検出手段（１１２）と、この検出手段（１１２）への迷光放射の到達を排除 するために配置したオプティカルストップ（１２６）とを含み、検出手段（１１ ２）への放射の入射を減ずるために負のルミネセンスを示すようにオプティカル ストップ（１２６）が配置されていることを特徴とする赤外光学系。 ２．前記オプティカルストップが系（１００）の光学軸（１２８）に同軸に配し た穴を組み込むこと特徴とする請求の範囲第１項に記載の系。 ３．赤外放射を検出手段に指し向ける単一の対物レンズ（１１８）と検出手段の コールドシールド（１１４）とを有し、オプティカルストップ（１２６）をレン ズ（１１８）とコールドシールド（１１４）との間に置くことを特徴とする請求 の範囲第１項または第２項に記載の系。 ４．検出手段上にシーンを結像するために組合せて配置された複数の集束要素を 有し、オプティカルストップ（１２６）を系の集束要素と検出手段との間に置く ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の系。 ５．オプティカルストップ（１２６）を検出手段（１１２）と検出手段に最も近 い集束要素との間に配することを特徴とする請求の範囲第４項に記載の系。 ６．オプティカルストップ（１２６）を複数の集束要素内の中間集束面に置くこ とを特徴とする請求の範囲第４項に記載の系。 ７．検出手段上のシーンを走査する手段を含むことを特徴とする請求の範囲第４ 、請求の範囲第５または第６項に記載の系。 ８．検出手段上のシーンを走査するように配置され、オプティカルストップ（１ ２６）を検出手段とこれに最も近い光学要素との間に配することを特徴とする請 求の範囲第１項または第２項に記載の系。 ９．オプティカルストップ（１２６）が少なくとも部分的に、負のルミネセンス を与えるように電気的にバイアス可能である半導体物質を含むことを特徴とする 請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項に記載の結像系。 １０．半導体物質がテルル化カドミウム水銀、アンチモン化インジウムをベース とする物質、または負のルミネセンスを示す他の三元系ＩＩ−ＩＶ族化合物であ ることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の結像系。 １１．赤外線検出器（１１２）を外部放射（１３４）から遮蔽する方法であって 、 （ａ）入射ひとみを組み込み、少なくとも一部を負のルミネセンス物質により構 成するオプティカルストップ（１２６）を検出器に設けるステップと、 （ｂ）前記負のルミネセンス物質を電気的に制御することによりその赤外発光を 周囲環境レベルより低くするステップと、 （ｃ）シーンからの放射を、負のルミネセンスオプティカルストップ（１２６） の入射ひとみを介して検出器（１１２）に集束するステップと を含む遮蔽方法。