JP2001509301A - 赤外線カメラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 対象物を描写するための本発明による赤外線カメラは、対象物によって放出または反射された赤外線領域の光子を、それぞれその光子の放出または反射の位置の関数として荷電粒子に変換するための変換手段が設けられた焦点面の上に対象物を投影するための対物レンズと、荷電粒子の放出位置を検出するための位置検出手段とを備える。光子パルスを吸収して荷電粒子を放出するために、前記変換手段は例えばリュードベリ状態などの励起電子状態にするための粒子を含むガス媒体を備え、また本赤外線カメラには粒子をその励起電子状態にさせるための例えばレーザー光源などの励起手段が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 赤外線カメラ 本発明は、例えば赤外線カメラなどカメラ類の、赤外線領域における放射線を 放出または反射する対象物を描写するための装置に関する。この装置は、対象物 によって放出または反射された赤外線領域の光子を、それぞれその光子の放出位 置または反射位置の関数として（放出位置または反射位置に応じて）荷電粒子に 変換するための変換手段が設けられた焦点面（focal plane）の上に前記対象物 を投影する対物レンズ（objective）と、前記荷電粒子の放出位置を検出するた めの位置検出手段と、を備える。 赤外線感光材から成る固体層が与えられた投影面の上に、赤外線を放出または 反射する対象物が投影される赤外線カメラが、これまでに知られている。この投 影面は、スペクトルの可視部分において元の対象物の像を構成するために、赤外 線領域における物質光子（material photon）を位置の関数として、検出され得 る電子流に変換する。 周知の赤外線のカメラは、赤外線領域におけるスペクトル範囲が制限されてお り、検出感度が低いという欠点を有する。それによって、検出可能な信号を生成 するためのフォトン数が比較的高いことが必要とされ、設定すべきシャッター時 間、すなわち時間分解能、の自由度が制限され、そのことは、赤外線領域におけ る波長の選択性が小さいことを意味する。 そこで、本発明の目的は、大きなスペクトル範囲を有する赤外線カメラを提供 することにある。 本発明のもう一つの目的は、高い検出感度を有し、それによって非常に短いシ ャッター時間が実現可能となる、赤外線カメラを提供することにある。 本発明のさらにもう一つの目的は、描写すべき対象物によって放出または反射 された赤外放射線の波長に対する高い検出感度を備えた赤外線カメラを提供する ことにある。 これらの目的と他の利点は、最初に述べられたタイプの、本発明による装置に よって実現される。その装置に設けられた変換手段は、検出すべき光子パルスを 吸収し、荷電粒子を放出するためのガス媒体を備える。 荷電粒子は例えば電子あるいはイオンである。 本発明による装置において、そのパルス変換手段はガス媒体を備え、検出する ための光子パルスのスペクトル域は赤外線領域に限定されないが、そのスペクト ル域は必要ならば遠赤外線の波長域まで拡張可能である。 本発明による装置の一実施態様において、その装置は粒子を励起電子状態にす るための励起手段が設けられ、前記ガス媒体にはこの状態において光子パルスを 吸収し、荷電粒子を放出するために、この励起電子状態にするための粒子が含ま れる。 前記励起電子状態は、例えばリュードベリ状態である。例えば原子などの粒子 をリュードベリ状態等の励起電子状態にすることによって、パルス変換手段は、 赤外線領域または遠赤外線領域の放射線、つまり低エネルギー光子を荷電粒子流 に変換する。よって、以下リュードベリ原子と呼ばれるリュードベリ状態の原子 は、高い値の主量子数ｎ、従って比較的低い結合エネルギーＥ（Ｅ＝−１３．６ ／ｎ²ｅＶ）を有する。その結果、遠赤外線光子のその比較的低いエネルギーは 、リュードベリ状態にある原子の光イオン化を誘起して、その原子から弱く結合 した電子を引き離して自由にするには十分に高い。さらに、光イオン化の有効断 面積はリュードベリ原子を含むガスにとっては大きく、その結果、比較的少数の 光子がこの過程において必要とされる。 励起状態にするための粒子を含むガス媒体は、例えば、ガス供給ラインを介し て装置に送り込まれる。 ある一つの実施形態において、本発明による装置は、励起状態にするための粒 子をガス状態にするための蒸発オーブンが備えられている。 本発明による装置において使用するのに適する励起電子状態にするための原子 は、例えば、アルカリ原子、特にＲｂ（ルビジウム）またはＣｓ（セシウム）元 素である。 原子は、例えばレーザー光源を使用する励起によって励起電子状態に持ち込ま れる。 本発明による装置で使用されるレーザー光源は、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオ ジウム：ヤグ(イットリウム−アルミニウム・ガーネット)）レーザーでポンプさ れる色素レーザー（dye laser）である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光の第２高調波 は特にこのような装置において色素レーザーをポンプするのに適する。 もう１つの実施形態では、装置はダイオードレーザーを備える。 レーザー光源の光は、それ自体では周知の方法に従って、例えば円筒状レンズ を使って描写すべき対象物の焦点面に投射される。但し、その際、励起電子状態 に持ち込まれるべき粒子が存在する平面が、ガス媒体内の前記焦点面の場所にく ると共に、その平面外の粒子は励起電子状態には持ち込まれない。 本発明の１つの有利な実施形態において、その装置はリュードベリ状態に持ち 込まれた励起電子を有する粒子のイオン化を引き起こすために、電場（電界）を 生成するための電場生成手段を備える。 このような電場生成手段が設けられた装置では、光励起（photo-excitation） または光逆励起（photo-de-excitation）を使って、リュードベリ状態に持ち込 まれている粒子の電界イオン化を引き起こすことが可能である。リュードベリ状 態にある電子の結合エネルギーが、入射してくる赤外線領域にある光子のエネル ギーよりも大きい場合、光励起は一切発生し得ないが、電子は赤外線光子によっ て より高いエネルギーレベルにあるリュードベリ状態に置かれ、そのとき光励起が 存在すると言われる。今、初期のリュードベリ状態にある電子を有する粒子はイ オン化しないが、特定のリュードベリ状態にあるより高いエネルギーを有する電 子を有する粒子がイオン化するような電界に、その特定のリュードベリ状態にあ る電子を晒すことによって、特定の粒子は電界イオン化のメカニズムに従って正 イオンと電子へとイオン化する。これは、この好ましい実施形態における変換手 段が、リュードベリ粒子の光イオン化を引き起こす波長を有する赤外線放射にの み感知することを意味する。さらに、励起状態は、生成すべき静電場において陽 イオンと電子の形成を引き起こすのに十分なくらいに高いエネルギーを有するべ きである。この好ましい実施形態における電場は、変換手段が赤外線領域におけ る特定の波長のみ感知し、それ故に、その特定の波長を有する光を放出または反 射する対象物のみ感知するように選択することが可能である。 赤外線領域における入射光子が、電界イオン化が生じ得る初期のリュードベリ 状態にある電子を、より大きな結合エネルギーを有する、より低いエネルギーを 持つ別のリュードベリ状態に送り込むときに、光逆励起（photo-de-excitation ）が存在すると言われる。この好ましい実施形態において、変換手段がその変換 手段の粒子を逆励起リュードベリ状態に送り込む赤外線領域における特定の波長 だけに敏感に反応し、光子を吸収しなかった逆励起状態にある粒子が電界イオン 化によって正イオンと電子の生成を引き起こしたりしないように、電場を選択す ることが可能である。この好ましい実施形態での電場は、変換手段が赤外線領域 におけるある特定の波長に反応しないように選択することが可能で、その結果、 負の像（negative image）が生成される。 さらにもう１つの実施形態において、その装置はリュードベリ状態にある電子 のエネルギー準位を調整するために磁場を生成するための磁場生成手段を備える 。 リュードベリ状態での電子のエネルギー準位は（電場を使った場合のように） 磁場を使って調整可能であるので、電子のこの状態への遷移では、その遷移に対 応するエネルギーを有する光子のみが吸収され、かつ装置が異なるエネルギーを 有する光子に反応しないように、光子が赤外線領域において吸収されるのを選択 的にすることが可能である。 本発明による赤外線領域のためのカメラを使用すれば、例えば最高約１００マ イクロメータの波長の放射線を放出または反射する対象物が、例えば１０マイク ロメータの高解像度と、例えば１ナノ秒の非常に短いシャッター時間で、観測可 能である。 以下、本発明の実施態様を添付図面を参照して説明する。 図１は本発明による赤外線カメラの一実施形態を示した略図である。 図１に示された赤外線カメラは、光学素子７を使って、赤外放射線を放出また は反射する対象物６の写真を撮るための装置で、気密筐体２を備え、その中に、 電圧グリッド３、４（接続と電源は図示されていない）と、貫通接続１６，１７ をそれぞれ備えた高電圧チャネルプレート８，９と、蛍光体スクリーン９、オー ブン１０とウインドウ１１が設けられている。赤外線カメラ１はさらにコンピュ ータ１３に接続されたＣＣＤカメラ１４と、ダイオードレーザー１５を備える。 赤外線カメラ１が動作中のとき、赤外線を放射または反射している対象物６は光 学素子７によって平面２１上に投影される。赤外線はグリッド３を通過して、筐 体２内に存在するガスに吸収される。そのガスは、ダイオードレーザー１５から ウィンドウ１１を通過したレーザー光線（矢印２２）によって励起され、リュー ドベリ状態にある。光電子放出のために、ガス粒子は電子と正イオンに崩壊する 。コネクタ（図示されていない）を介して印加されたグリッド３，４の電圧の差 は、イオンまたは電子のどちらかを（電圧差の符号に応じて）チャネルプレート ８，９の方向に加速させる。チャネルプレート８，９上の入射荷電粒子一個によ って、蛍光体スクリーン１９を叩く１０⁷個もの電子が生み出され、それらの電 子は１０ の増幅率で光子に変換される。増倍率１０⁷は、チャンネルプレート８、９のお 互いに離れて向き合った側の上の電圧の差が十分に高い（一般的に２ｋＶ）なら ば、そのときにのみ達成される。この電圧差は、貫通接続１６，１７を使って印 加される。こうして、対象物６の像２０が、蛍光体スクリーン１９上に作られる 。この像２０はＣＣＤカメラ１４を使って読み取られ、コンピュータ１３を使っ て処理される。荷電粒子の通り道の距離１８内において、出来る限り鮮鋭に第１ のチャネルプレート８上に荷電粒子の像が結ばれるために、光学機器を焦点面２ １と第１のチャネルプレート８との間に配置することができる。 赤外線カメラ１は、ダイオード１５がガス粒子をリュードベリ状態に励起させ る以前では、赤外放射線に敏感に反応しない。この励起過程は、従来技術カメラ におけるシャッターの開口（opening）に相当する。貫通接続１６，１７の間の 電圧差がある臨界値（例えば１５００Ｖ）より下に低下した途端に、入射イオン または電子はもはや見出されないであろう。その場合、カメラは、感光性焦点面 ２１と正面のチャネルプレート８からの電子またはイオンの通過時間を考慮して 、貫通接続１６，１７の間の電圧差が下がった後にイオン化されたリュードベリ 粒子には反応しない。この過程は従来技術カメラにおけるシャッターの閉口（cl osing）に相当する。 ダイオードレーザーは１０^-9秒の時間内にオンになること、チャネルプレート ８，９に渡る電圧は類似の時間内で降下すること、さらに、シャッター時間は１ ナノ秒より短かくなること、が可能であるので、その結果、本発明による赤外線 カメラのいわゆる暗電流はごくわずかである。 貫通接続１６、１７に渡る切替電圧の差だけをシャッターとして使用すること は可能である。休止状況では、貫通接続１６，１７に渡る電圧は例えば１５００ Ｖであり、入射荷電粒子は検出され得ない。次に電圧差が例えば５００Ｖの電圧 パルスを使って２０００Ｖまで増大させられたときには、荷電粒子は蛍光体スク リーン１９に到達することになる。これは、カメラ１が後者のパルスの間にのみ 敏感に反応し、シャッター時間が切替パルスのパルス幅、例えば１ナノ秒のパル ス幅と一致することを意味する。 特定の状態の下で、波長選択的な赤外線カメラを適用することが可能である。 もしリュードベリ粒子が赤外線領域にある入射光子の影響の下でイオン化せず、 むしろ初期のリュードベリ状態から、より高い又はより低いエネルギー準位に存 在する異なるリュードベリ状態に送り込まれるならば、こうした機会が生じる。 赤外放射線をリュードベリ粒子に照射した後、グリッド３，４に渡る電圧差を限 られた程度にまで上昇させることによって、前記の異なった（初期のものでない ）リュードベリ状態の粒子だけがイオン化することになる。グリッド３，４に渡 る電圧差の極性に応じて、電子またはイオンがチャネルプレート８，９に到達し 、対象物６の検出可能な像が生み出される。この使い方においては、赤外線カメ ラ１は、その波長が初期のリュードベリ状態から他のリュードベリ状態への遷移 に一致する赤外放射線にのみ敏感に反応し、時間及び位置の解像能の他に、波長 選択性の問題も存在する。 上述された実施形態は、本発明を説明するだけの役割を果たすもので、本発明 の範囲を限定するものではない。例えば上の説明では光学素子７が登場するが、 これは、陸上の対象物の像を結ぶための本来知られた赤外線カメラの対物レンズ の他に、天文学的な目的のための複雑な望遠鏡系がそこに含まれるなど、広く解 されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｊ 47/00 Ｈ０１Ｊ 47/00 Ｈ０４Ｎ 5/33 Ｈ０４Ｎ 5/33 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (71)出願人 スティックティング・フォール・デ・テク ニッシェ・ウェーテンシャッペン オランダ国、エヌエル―3502 ヘーアー ユトレヒト、ポストブス 3021 (72)発明者 ノールダム，ランベルトゥス・ドミニクス オランダ国、エヌエル―2051 エルヘー オーフェル フェーン、マウリシアラーン 12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 赤外線カメラ類において、赤外線領域にある放射線を放出または反射す る対象物を描写するための装置であって、 前記対象物によって放出または反射された赤外線領域の光子を、それぞれ該光 子の放出または反射の位置の関数として荷電粒子に変換するための変換手段が設 けられた焦点面の上に前記対象物を投影するための対物レンズと、 前記荷電粒子の放出位置を検出するための位置検出手段と、を備えると共に、 前記変換手段が、検出されるべき光子パルスを吸収して前記荷電粒子を放出す るためのガス媒体を備えていることを特徴とする装置。 ２． 前記装置には粒子を励起電子状態にするための励起手段が設けられ、前 記ガス媒体は、前記光子パルスを吸収して前記荷電粒子を放出するために、前記 励起電子状態にするための粒子を含んでいることを特徴とする請求項１に記載さ れた装置。 ３． 前記電子励起状態は、リュードベリ状態であることを特徴とする請求項 ２に記載された装置。 ４． 励起電子状態にする前記粒子をガス状態にするための蒸発オーブンが備 えられていることを特徴とする請求項２または３に記載された装置。 ５． 前記粒子は、アルカリ金属原子であることを特徴とする請求項２〜４の いずれか１項に記載された装置。 ６． 前記アルカリ金属原子は、Ｒｂ（ルビジウム）元素またはＣｓ（セシウ ム）元素のいずれか一つの元素から成ることを特徴とする請求項５に記載された 装置。 ７． 前記励起手段として、レーザー光源を備えていることを特徴とする請求 項２〜６のいずれか１項に記載された装置。 ８． 前記レーザー光源は、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：ヤグ）レーザーでポ ンプされる色素レーザーであることを特徴とする請求項７に記載された装置。 ９． 前記レーザー光源は、ダイオードレーザーであることを特徴とする請求 項７に記載された装置。 １０． 前記レーザー光源の光を前記描写されるべき対象物の前記焦点面に投 射するための投射手段を備えていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１ 項に記載された装置。 １１． 励起電子状態にさせられた粒子のイオン化を引き起こすために電場を 生成するための電場生成手段をさらに備えていることを特徴とする請求項２〜１ ０のいずれか１項に記載された装置。 １２． 前記リュードベリ状態にある電子のエネルギー準位を調整するために 電場を生成するための電場生成手段をさらに備えていることを特徴とする請求項 ３〜１０のいずれか１項に記載された装置。 １３． 前記リュードベリ状態にある電子のエネルギー準位を調整するために 磁場を生成するための磁場生成手段をさらに備えていることを特徴とする請求項 ３〜１０のいずれか１項に記載された装置。 １４． 前記電場生成手段は少なくと２つのグリッドを設けており、該グリッ ドには前記荷電粒子を加速するために電位が印加されることになっていることを 特徴とする請求項１１または１２に記載された装置。 １５． 前記位置検出手段は、前記荷電粒子のそれへの衝突に応じて電子流を 生成して該電子流を加速するするための少なくとも一つのチャネルプレートを備 え、そしてパルス型電位が該チャネルプレートに印加されることになっているこ とを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載された装置。