JP2007285962A

JP2007285962A - 赤外撮像装置

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Publication number: JP2007285962A
Application number: JP2006115467A
Authority: JP
Inventors: Taketoshi Negishi; 武利根岸
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP4877584B2

Abstract

【課題】冷却された赤外撮像素子からの赤外線の放射がドーム状の窓部材で反射されて撮像素子に戻ることにより生じるナルシサス現象を抑制する。
【解決手段】物体側の面および像側の面が球面の一部からなる形状で、物体側に凸面を向けたドーム状の窓部材１と、コールドアパーチャ３ａが形成されたコールドシールド３と、その内部に配設された赤外撮像素子４と、結像光学系２とを有して赤外撮像装置が構成される。そして、窓部材の内面の曲率半径をＲ、光軸上の厚さをｄ、撮像に使用する赤外線の主波長に対する屈折率をｎとし、コールドアパーチャ径をＤca、赤外線光学系全系の入射瞳径をＤin、結像光学系の前記主波長に対する焦点距離をｆとして、窓部材の内側面から結像光学系の前側主点までの距離Ｌが、次式を満足するように構成される。
Ｌ≧ｔ・（１＋Ｄca／Ｄin）
但し、ｔ＝｛ｎＲ²＋ｄ(ｎ−２)Ｒ｝／［２｛ｎＲ＋ｄ(ｎ−１)｝］
ｆ≧Ｌ−ｔ
【選択図】図１

Description

本発明は、暗闇などにおいて肉眼では見えない被写体を、赤外線を利用して可視像に変換する赤外撮像装置に関する。

赤外撮像装置は、例えば、前面側にコールドアパーチャが形成された冷却空間を有するコールドシールドと、このコールドシールド内に配設された赤外撮像素子と、前方の物体の像を赤外撮像素子に結像させる結像光学系とを有して構成されるが、最も前面側（最も物体側）に保護のためのドーム状の窓部材等を設けることもよく行われている。このように構成された赤外撮像装置では、前方の物体から放射される熱、すなわち赤外線を窓部材を通過させて入射させ、結像光学系により集光して赤外撮像素子に結像させ、物体の赤外線画像（熱画像）を得るようになっている。

赤外撮像装置では、撮像対象以外の物体から放射される不要な赤外線（例えば、装置を構成する鏡筒の自己放射）の影響を取り除くため、結像光学系の後に上記コールドシールドを配設し、コールドシールドに設けたコールドアパーチャにより、結像光学系によって集光される赤外線のみを赤外撮像素子に入力させ、不要光を遮断除去するように構成されている。また、コールドシールドの内部空間およびその内部に配設された赤外撮像素子を低温（例えば、液体窒素温度程度）に冷却して、これら自身からの赤外線放射を極力除去する構成となっている。また、コールドシールドに形成されたコールドアパーチャは、結像光学系の出射瞳の位置と大きさが一致するように、すなわち、開口整合がとれるように設計されている。このように開口整合を取ることにより、対象物体以外からの不要な赤外線のコールドシールド内への入射を効率よく抑えることができ、対象物体の赤外線画像を良好に得ることができるという利点がある。

また、赤外撮像装置においては、コールドシールド内で冷却された撮像素子からの放射エネルギーが結像光学系を構成するレンズ面等において反射されてコールドアパーチャの開口部を通って撮像素子に入射し、撮像素子により冷却部が存在するような画像が検出されるという現象（ナルシサス現象と称される）が発生することが従来から知られていおり、このナルシサス現象を抑えるため、従来から種々の提案が行われている。例えば、特許文献１には、物体側に凹面を向けた凸メニスカスレンズを最も物体側に配置することでナルシサス現象を軽減することが提案され、特許文献２には、同心球面形状の窓によって生じるナルシサス現象を窓に続く光学系の間に偏心を与えて抑制することが提案され、特許文献３には、温度一定の平面黒体を見て得られるナルシサス像を撮像装置で記憶し、得られた画像分布を打ち消すようにすることが提案され、特許文献４には、光学系の光路中にフィルタを斜めに配置し、検出器（撮像素子）からの放射が検出器に戻らないようにすることが提案され、特許文献５には、光学系中に中間結像を設け、そこにスリットを配置して外界像の形成に寄与する光以外を軽減するということが提案され、特許文献６には、窓にパワーを持たせて倍率を調整してナルシサス現象を抑制することが提案されている。

特開平１１−２３９６２号公報特開平１０−２４６６６８号公報特開平１０−３８６９７号公報特開平９−８３８６９号公報特開平８−３１３３５８号公報特開平６−７０２４１号公報

ところで、上述のように、赤外撮像装置において最も前面側（最も物体側）に保護のためのドーム状の窓部材等を設けることがある。また一般に、開口整合が行われて結像光学系の出射瞳とコールドアパーチャとが一致するようになっている。このため、コールドシールド内に配置されて冷却された撮像素子の検出面からコールドアパーチャを通って放射される放射エネルギーは、ドーム状の窓部材に対して結像光学系の入射瞳Ｄinの光束で当たり、ここで反射される。このように反射されたとき、窓部材の内面から所定距離の位置にその像を結び、さらにこれと同一所定距離だけ戻った位置において光束径が上記入射瞳の径Ｄinと同一となるようにして結像光学系に進む。このように進む戻り光（窓部材で反射された放射エネルギーを有する赤外線）が結像光学系を通った後にコールドアパーチャの位置（結像光学系の出射瞳の位置）で収束する光となると、撮像素子の検出面に収束された光束径の冷却像が移り、周囲の像との温度差が生じてナルシサス現象が生じるおそれがあるという問題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、コールドシールド内で冷却された撮像素子の検出面からの放射エネルギーがドーム状の窓部材で反射されて撮像素子に戻ることにより生じるナルシサス現象を効率的に抑制できるような赤外撮像装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る赤外撮像装置は、物体側の面および像側の面が球面の一部からなる形状で、物体側に凸面を向けたドーム状の窓部材と、前面側にコールドアパーチャが形成されたコールドシールドと、前記コールドシールド内に配設された赤外撮像素子と、前記窓部材と前記コールドアパーチャとの間に配設されて前記窓部材の前方の物体の像を前記赤外撮像素子に結像させる結像光学系とを有して構成される。そして、前記ドーム状窓部材の内面の曲率半径をＲ、光軸上の厚さをｄ、撮像に使用する赤外線の主波長に対する屈折率をｎとし、前記コールドアパーチャの直径をＤca、赤外線光学系全系の入射瞳直径をＤin、前記結像光学系の前記主波長に対する焦点距離をｆとして、前記窓部材の内側面から前記結像光学系の前側主点までの距離Ｌが、次式（１）および（２）を満足するように構成される。

Ｌ≧ｔ・（１＋Ｄca／Ｄin）・・・（１）
但し、ｔ＝｛ｎＲ²＋ｄ(ｎ−２)Ｒ｝／［２｛ｎＲ＋ｄ(ｎ−１)｝］
ｆ≧Ｌ−ｔ・・・（２）

また、上記赤外撮像装置において、前記結像光学系が広角光学系であり、前記赤外撮像素子の撮像領域における撮像円形領域（イメージサークル）が前記コールドアパーチャより大きい場合には、前記窓部材の前方の物体からの赤外線放射照度をＭ、前記赤外撮像素子にバックグラウンドとして許容される照度差をΔＭとして、前記式（１）に変えて、次式（３）を満足するように構成するのが好ましい。

Ｌ≧ｔ・｛１＋Ｄca／Ｄin（Ｍ／ΔＭ）^1/2｝・・・（３）

なお、前記窓部材の厚さｄ＝０として前記式を用いて演算して得られた前記距離Ｌの値と、前記窓部材の厚さｄを実際の厚さの値として前記式を用いて演算して得られた前記距離Ｌの値とを比較し、大きい方の前記距離Ｌを用いるのが好ましい。

もう一つの本発明に係る赤外撮像装置は、物体側の面および像側の面が球面の一部からなる形状で、物体側に凸面を向けたドーム状の窓部材と、前面側にコールドアパーチャが形成されたコールドシールドと、前記コールドシールド内に配設された赤外撮像素子と、前記窓部材と前記コールドアパーチャとの間に配設され、前記窓部材の前方の物体の像を中間結像させた上で前記赤外撮像素子に再結像させる結像光学系とを有して構成され、前記結像光学系が前記ドーム状窓部材の前方の物体の中間像を形成する第１結像光学系と、前記中間結像を前記撮像素子に再結像させる第２結像光学系とから構成される。そして、前記ドーム状窓部材の内面の曲率半径をＲ、光軸上の厚さをｄ、撮像に使用する赤外線の主波長に対する屈折率をｎとし、前記ドーム状窓部材の内面から前記第１結像光学系の前側主点までの距離をＬ、前記第１結像光学系の焦点距離をｆ₁、前記赤外撮像素子の検出面から放射され前記ドーム状の窓部材により反射される赤外光が前記第１結像光学系により結像される位置から前記第２結像光学系の前側主点までの距離をａ₀、前記第２結像光学系の焦点距離をｆ₀、前記ドーム状の窓部材の内面から、前記赤外撮像素子の検出面から放射され前記ドーム状の窓部材により反射される赤外光が最初に結像する位置までの距離をｔ、前記第１結像光学系の前側主点と前記第２結像光学系の後側主点との距離をＷ、前記コールドアパーチャの直径をＤca、赤外線光学系全系の入射瞳直径をＤin、前記結像光学系の前記主波長に対する焦点距離をｆとして、前記窓部材の内側面から前記結像光学系の前側主点までの距離Ｌが、次式（４）〜（６）を満足するように構成される。

ａ₀ ≧ｔｆ₁ ／（Ｌ−ｔ−ｆ₁）・Ｄca／Ｄin （４）
ｆ₀ ≧ ａ₀ （５）
ｆ₀ ＝（ｆ₁−Ｗ）／（ｆ₁−ｆ）・ｆ（６）
但し、Ｗ ≧ｆ₁（Ｌ−ｔ）／（Ｌ−ｔ−ｆ₁）・［１＋ｔ／（Ｌ−ｔ）・Ｄca／Ｄin］
を満足するように構成したことを特徴とする赤外撮像装置。

以上のような構成の本発明に係る赤外撮像装置によれば、上記式（１）および（２）を満足する構成とすることにより、コールドシールド内で冷却された撮像素子の検出面からの放射エネルギーがドーム状の窓部材で反射されて撮像素子に戻るときに、戻り光（窓部材で反射された検出面からの放射エネルギー）がコールドアパーチャの位置で平行光もしくは発散光となるので、これらの光は撮像素子の検出領域より広い範囲に照射されることとなり、撮像素子に冷却された検出面自体の像が生じることがないので、いわゆるナルシサス現象の発生を抑えることができる。

上記赤外撮像装置において、例えば、光学系が広角であり、前記赤外撮像素子の撮像円形領域が前記コールドアパーチャより大きい場合には、上記式（１）に変えて上記式（３）を満足する構成とすることにより、赤外撮像素子に照射される戻り光の照度が、バックグラウンドとして許容される照度差ΔＭ以下となるまでドーム状窓部材の位置を離す構成となり、ナルシサス現象を許容できるレベルまで低下させてその影響を除去することができる。

なお、コールドシールド内で冷却された撮像素子の検出面からの放射がドーム状の窓部材で反射されるときに、この反射は窓部材の外面（物体側の面）および内面（像側の面）の両方で反射される。このため、前記窓部材の厚さｄ＝０として前記式を用いて演算して得られた前記距離Ｌの値（内面で反射された場合の距離Ｌ）と、前記窓部材の厚さｄを実際の厚さの値として前記式を用いて演算して得られた前記距離Ｌの値（外面で反射された場合の距離Ｌ）とを比較し、大きい方の前記距離Ｌを用いるのが好ましく、これにより、いずれの面の反射による戻り光に対してもナルシサス現象が生じることを抑えることができる。

窓部材の前方の物体の像を中間結像させた上で赤外撮像素子に再結像させる結像光学系（第１および第２結像光学系から構成される）からなる場合には、上記式（４）〜（６）を満足する構成とすることにより、コールドシールド内で冷却された撮像素子の検出面からの放射エネルギーがドーム状の窓部材で反射されて撮像素子に戻るときに、戻り光（窓部材で反射された検出面からの放射エネルギー）がコールドアパーチャの位置で平行光もしくは発散光となるので、これらの光は撮像素子の検出領域より広い範囲に照射されることとなり、撮像素子に冷却された検出面自体の像が生じることがないので、いわゆるナルシサス現象の発生を抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に本発明の第１実施形態に係る赤外撮像装置を模式的に示しており、この装置は、最も物体側の位置に、少なくとも赤外線が透過可能な撮像に使用する赤外線の主波長に対して屈折率ｎの材料から作られ、物体側に凸となる球面の一部からなる厚さｄのドーム状の窓部材１が配設され、その後側（像側）に前側主点までの距離Ｌをおいて結像光学系２が配置され、さらにその後側に円形の開口からなるコールドアパーチャ３ａが対向して形成されたコールドシールド３が配置されており、コールドシールド３内に赤外線画像撮像素子（赤外線検出器）４が設けられている。なお、コールドアパーチャ３ａは径がＤcaの円形開口である。

この赤外撮像装置では、窓部材１の前方の対象物体から放射される熱（赤外線）を窓部材１を通過させて入射させ、結像光学系２により集光してコールドアパーチャ３ａを通過させて赤外線画像撮像素子４に結像させ、対象物体の熱画像（赤外線画像）を得ることができる。なお、コールドシールド３内は冷却されて低温状態に保持されており、内部での自己熱放射が抑えられている。また、結像光学系２の出射瞳とコールドアパーチャ３ａの位置を合わせる開口整合が取られており、窓部材１からコールドアパーチャ３ａに至る部分において内部発生した赤外線等がコールドシールド３内に入射することを効率よく抑えている。

このように開口整合が取られているため、冷却された赤外撮像素子４からの低温エネルギーの放射は、光線追跡の可逆性から分かるように、外界の無限遠の距離にある物体から追跡した光線の光路を逆進する。したがって、赤外撮像素子４からコールドアパーチャ３ａを通る検出面からの放射エネルギーは、各画角において窓部材１に対して結像光学系２の入射瞳径Ｄinの光束で当たる。このように窓部材１に当たった検出面からの赤外線放射エネルギーは窓部材１の外面１ａおよび内面１ｂにおいて反射されて収束して結像する。なお、このように反射されて像側に戻る赤外線を戻り光と称する。以下においては、外面１ａで反射した戻り光により生じるナルシサス現象について説明するが、後述するように、内面１ｂでの反射については、窓部材１の厚さｄ＝０とすれば、外面１ａでの反射の式をそのまま用いることができる。

上記のようにして、窓部材１に当たって外面１ａにおいて反射された戻り光は、光軸上において窓部材１の内面１ｂから距離ｔの位置に収束して結像し、さらに像側に距離Ｓだけ進んで結像光学系２の前側主点に到達する。この前側主点の位置での光束の径が結像光学系２の入射瞳径Ｄinと等しいもしくはこれより大きいと、この光束はコールドアパーチャ３ａの大きさと等しいかこれより大きくなり、赤外撮像素子４にこの光束の像が生じることがない、すなわち、ナルシサス現象が発生しない。よって、ナルシサス現象を抑えるに必要な条件は、下記式（４）で表すことができる。

Ｓ≧ｔ・Ｄca／Ｄin ・・・（４）

上記式（４）を満足するように距離Ｓを設定すれば、ナルシサス現象の発生を抑制できるのであるが、上記距離ｔの算出について、以下に説明する。

上述した赤外撮像素子４からコールドアパーチャ３ａを通る撮像素子４の検出面からの放射は、図３に示すように、窓部材１の内面１ｂにおいて屈折して窓部材１内に入射した後、外面１ａにおいて反射され、さらに内面１ｂにおいて屈折されて出射し、距離ｔの位置に収束して結像する。このような屈折および反射による光束の変化を図３の点Ａ，Ｂ，Ｃにおける光束の方向変化を例にして説明する。

この光束変化を求めるベースとなる式は、屈折面のガウスの式であ。この式は、例えば、図２に示すように、屈折率ｎ，ｎ′の材料が曲率半径ｒの曲面１０を有して接合した状態で、点ｐから出射した光が曲面１０において屈折して点ｑに結像する場合には、点ｐ，ｑから曲面１０までの光軸上の距離ｓ，ｓ′に対して、下記式（５）の関係となる。

ｎ′／ｓ′＝ｎ／ｓ−（ｎ′−ｎ）／ｒ・・・（５）

上記ガウスの式（５）を、窓部材１の内面１ｂにおける点Ａでの屈折に適用すると、図４に示すように、入射光は平行光束で無限遠の点からの光束と考えられ、屈折後の光束は内面１ｂから光軸上で距離Ｓ(1) 離れた位置に収束点を有するので、次式（６）で表す関係となる。なお、以下の式において、窓部材１の屈折率がｎ、厚さがｄで、内面１ｂの曲率半径がＲとしている。

１／Ｓ(1) ＝１／（−∞）＋（ｎ−１）／Ｒ・・・（６）

このように屈折した光束が、外面１ａにおける点Ｂで反射される場合に、上記ガウスの式（５）を適用すると、図５に示すように、反射前の光束（点Ａで屈折した光束）の収束点は外面１ａから光軸上での距離（Ｓ(1)＋ｄ）のところに位置し、反射後の光束の収束点は外面１ａから光軸上での距離Ｓ(2)のところに位置するので、次式（７）で表す関係となる。

−ｎ／Ｓ(2) ＝ｎ／（Ｓ(1)＋ｄ）＋（−ｎ−ｎ）／（Ｒ＋ｄ）・・・（７）

このように点Ｂで反射した光束が、内面１ｂにおける点Ｃで屈折する場合に、上記ガウスの式（５）を適用すると、図６に示すように、屈折前の光束（点Ｂで反射した光束）の収束点は内面１ｂから光軸上での距離（Ｓ(2)−ｄ）のところに位置し、屈折後の光束の収束点は内面１ｂから光軸上での距離Ｓ(3)のところに位置するので、次式（８）で表す関係となる。

−１／Ｓ(3) ＝−ｎ／（Ｓ(2)−ｄ）＋（１＋ｎ）／Ｒ・・・（８）

ここで、上述したナルシサス現象が発生しないための条件式（４）において、距離ｔは上記式（８）における距離Ｓ(3) に該当する。そこで、式（６）〜（８）を解いて距離Ｓ(3) を求めると、距離ｔ＝Ｓ(3) は、下記式（９）で表すことができる。

ｔ＝｛ｎＲ²＋ｄ(ｎ−２)Ｒ｝／［２｛ｎＲ＋ｄ(ｎ−１)｝］・・・（９）

さらに、図１において、結像光学系２の焦点距離ｆを、下記式（１０）の関係となるように設定すれば、結像光学系２によって戻り光束は集光することなく平行光あるいは発散光となるので、赤外撮像素子４の上に戻り光が結像することはない。

ｆ≧Ｓ・・・（１０）

すなわち、式（１０）においてｆ＝Ｓの関係となれば、赤外撮像素子４の検出面に対して戻り光はコールドシールド３で遮光されることなく各画角の光束についてほぼ一様に戻るため、検出面での光度分布はほぼ一様となり、ナルシサス現象が抑制できる。さらに、ｆ＞ｓとすると戻り光が拡散して検出面に戻る割合が小さくなるため、信号光に対して戻り光の強度割合が下がるので、戻り光による検出むらが目立たなくなる。

以上整理すると、上述の式（４）、（９）および（１０）を満足するように設定すれば、ナルシサス現象を効果的に抑えることができ、且つ戻り光による検出むらを抑えることができる。但し、実際の装置設計に際しては、図１に示す距離ｔおよびＳよりも、これらの合計距離Ｌ、すなわち、窓部材１の内面１ｂから結像光学系２の前側主点までの光軸上での距離を用いるのが便利である。そこで、Ｌ＝ｔ＋Ｓという関係に基づいて、上述の式（４）、（９）および（１０）を整理すると、前述の式（１）および（２）となる。すなわち、前述の式（１）および（２）を満足するように設計すれば、ナルシサス現象を効果的に抑えることができ、且つ戻り光による検出むらを抑えることができる。

なお、前述のように、以上においては窓部材１の外面１ａで反射して発生する戻り光によるナルシサス現象を抑える条件式（１），（２）を説明したが、この条件式（１），（２）において窓部材１の厚さｄ＝０とすれば、その内面１ｂで反射して発生する戻り光によるナルシサス現象を抑えるに必要な値が算出できる。よって実際には、厚さｄの値として、窓部材１の実際の厚さを用いて条件式（１），（２）により求めた距離Ｌと、ｄ＝０として条件式（１），（２）により求めた距離Ｌとを比較して、大きい方の距離Ｌを用いるのが好ましい。これにより、外面１ａおよび内面１ｂのどちらで反射した光束に対してもナルシサス現象を効果的に抑えることができる。

次に、結像光学系２が広角光学系であり、赤外撮像素子４におけるイメージサークル（撮像円形領域）がコールドアパーチャ３ａより大きくなる場合には、上記式（１０）の不等号の関係を設定する方策しか採り得ないが、このときにはナルシサス像と周囲との照度差が許容値ΔＭ以下となるまで窓部材１を離す設計により対応すればよい。そこで、冷却部と非冷却部との温度差から発生し得る最大の照度差をＭとすると、これが割合ＲＲだけ減衰して赤外撮像素子４の検出面での照度差が許容値ΔＭ以下になれば良い。すなわち、下記式（１１）を満足すれば良い。

ＲＲ・Ｍ≦ΔＭ・・・（１１）

この減衰率ＲＲは、図７に示すように、窓部材１で反射した光束が結像光学系２に入射する際の光束径をＤ＊とすると、コールドアパーチャ３ａを通過して赤外撮像素子４の検出面に到達する光量は面積比であるため、下記式（１２）の関係となる。また、光束径Ｄ＊は、図７の関係から入射瞳の径Ｄinによって表すと下記式（１３）の関係となる。

ＲＲ≦（Ｄca／Ｄ＊）² ・・・（１２）
Ｄ＊＝（Ｌ−ｔ）／ｔ・Ｄin ・・・（１３）

上記式（１２）および（１３）を整理すると、減衰率ＲＲは下記式（１４）のように表すことができる。

ＲＲ≦｛ｔ／（Ｌ−ｔ）・Ｄca／Ｄin｝² ・・・（１４）

ここで、窓部材１を離す距離Ｌは、減衰率ＲＲが下記式（１４）において等号式として成り立つ場合でも、式（１１）の関係を満足する値に設定すれば良い。そこで、式（１４）を等号式として用いて式（１１）に代入してこれを解くと、式（１５）となる。

Ｌ≧ｔ・｛１＋Ｄca／Ｄin・（Ｍ／ΔＭ）^1/2｝・・・（１５）

以上の説明から分かるように、式（１５）を満足するように距離Ｌを設定すると、赤外撮像素子４により撮像されるナルシサス像と周囲像との照度差が許容値ΔＭ以下となるので、ナルシサスによる影響を抑えることができる。なお、この場合にも、厚さｄの値として、窓部材１の実際の厚さを用いて条件式（１５）により求めた距離Ｌと、ｄ＝０として条件式（１５）により求めた距離Ｌとを比較して、大きい方の距離Ｌを用いるのが好ましい。これにより、外面１ａおよび内面１ｂのどちらで反射した光束に対してもナルシサス現象を効果的に抑えることができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る赤外撮像装置について、図８を参照して説明する。例えば、広角の場合のようにドーム窓と結像系の間の距離Lを大きくとらなければいけない場合、結像光学系の有効径は大きくなるため実際の光学系が設計できない場合が考えられる。この場合、光学系中に中間結像Pを設けて光学系の瞳位置を窓側に近付けることで解決する方法が考えられる。

このため、この実施形態においては、結像光学系を、一度中間像を結ぶための第１結像系５と、その後に設けた第２結像光学系６とから構成している。この第１結像光学系５の焦点距離をf₁、検出器に近い第２結像光学系６の焦点距離をf₀とし、第１結像光学系５の後側主点から、前記赤外撮像素子の検出面から放射され前記ドーム状窓部材により反射される赤外光が前記第1結像光学系により結像される点Ｐまでの距離をｂ₁、点Ｐから第２結像光学系６の前側主点までの距離をａ₀とし、第１結像光学系５の後側主点と第２結像光学系６の前側主点との間隔をＷとすると、結像光学系全体の焦点距離ｆとの間に次の関係式（１６）が成り立つ。

この連立方程式（１６）の一番上の式をｆ₀について解くと、式（１７）となる。

この第２実施形態についても満足するべき条件は、
マスター結像系0を透過後に光束が平行光ないし拡散光である
光束がコールドアパーチャを通過する際にアパーチャいっぱいで通過すること
が必要条件となる。上記の２条件は次の連立方程式（１８）で表現できる。

Ｄ₁は図８から分かる相似関係から下記式（１９）の関係が成り立つ。

そこで、の関係が成り立つので連立方程式（１８）の下の式に代入し、ａ₀について整理すると式（２０）となる。

ところでｂ₁は前述の連立方程式中の関係式から式（２１）と表せる。そこで、これを代入すると、式（２２）として光束がコールドアパーチャをいっぱいに通過するための条件は表せる。

この条件をＷで表現し直すと、Ｗ＝ｂ₁+ａ₀ であるから式（２１）と（２２）とから式（２３）となる。

以上を整理すると、光学系中に中間結像Pを設けるような場合には、検出器に近いマスターレンズ系となる結像系の焦点距離f₀は、式

を満足しつつ、

の条件を満足するa₀に対して

の条件を満足することとなる。

本発明の第１実施形態に係る赤外撮像装置の構成を示す模式図である。屈折面のガウスの式を説明するモデルを示す模式図である。窓部材での戻り光の屈曲および反射状態を示す模式図である。窓部材の点Ａでの戻り光の屈曲状態を示す模式図である。窓部材の点Ｂでの戻り光の反射状態を示す模式図である。窓部材の点Ｃでの戻り光の屈曲状態を示す模式図である。本発明に係る赤外撮像装置における戻り光の経路を示す模式図である。本発明の第２実施形態に係る赤外撮像装置の構成を示す模式図である。

符号の説明

１窓部材２結像光学系
３コールドシールド３ａコールドアパーチャ
４赤外撮像素子５第１結像光学系
６第２結像光学系

Claims

物体側の面および像側の面が球面の一部からなる形状で、物体側に凸面を向けたドーム状の窓部材と、
前面側にコールドアパーチャが形成されたコールドシールドと、
前記コールドシールド内に配設された赤外撮像素子と、
前記窓部材と前記コールドアパーチャとの間に配設されて前記窓部材の前方の物体の像を前記赤外撮像素子に結像させる結像光学系とを有してなる赤外撮像装置において、
前記ドーム状窓部材の内面の曲率半径をＲ、光軸上の厚さをｄ、撮像に使用する赤外線の主波長に対する屈折率をｎとし、前記コールドアパーチャの直径をＤca、赤外線光学系全系の入射瞳直径をＤin、前記結像光学系の前記主波長に対する焦点距離をｆとして、前記窓部材の内側面から前記結像光学系の前側主点までの距離Ｌが、次式
Ｌ≧ｔ・（１＋Ｄca／Ｄin）
但し、ｔ＝｛ｎＲ²＋ｄ(ｎ−２)Ｒ｝／［２｛ｎＲ＋ｄ(ｎ−１)｝］
ｆ≧Ｌ−ｔ
を満足するように構成したことを特徴とする赤外撮像装置。
前記結像光学系が広角光学系であり、前記赤外撮像素子における撮像領域が前記コールドアパーチャより大きくなる場合には、
前記窓部材の前方の物体からの赤外線放射照度をＭ、前記赤外撮像素子にバックグラウンドとして許容される照度差をΔＭとして、前記式（１）に変えて、次式
Ｌ≧ｔ・｛１＋Ｄca／Ｄin（Ｍ／ΔＭ）^1/2｝
を満足するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の赤外撮像装置。
前記窓部材の厚さｄ＝０として前記式を用いて演算して得られた前記距離Ｌの値と、前記窓部材の厚さｄを実際の厚さの値として前記式を用いて演算して得られた前記距離Ｌの値とを比較し、大きい方の前記距離Ｌを用いることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の赤外撮像装置。
物体側の面および像側の面が球面の一部からなる形状で、物体側に凸面を向けたドーム状の窓部材と、
前面側にコールドアパーチャが形成されたコールドシールドと、
前記コールドシールド内に配設された赤外撮像素子と、
前記ドーム状の窓部材と前記コールドアパーチャとの間に配設され、前記窓部材の前方の物体の像を中間結像させた上で前記赤外撮像素子に再結像させる結像光学系とを有してなる赤外撮像装置において、
前記結像光学系が前記ドーム状窓部材の前方の物体の中間像を形成する第１結像光学系と、前記中間結像を前記赤外撮像素子に再結像させる第２結像光学系とから構成され、
前記ドーム状窓部材の内面の曲率半径をＲ、光軸上の厚さをｄ、撮像に使用する赤外線の主波長に対する屈折率をｎとし、前記ドーム状窓部材の内面から前記第１結像光学系の前側主点までの距離をＬ、前記第１結像光学系の焦点距離をｆ₁、前記赤外撮像素子の検出面から放射され前記ドーム状の窓部材により反射される赤外光が前記第１結像光学系により結像される位置から前記第２結像光学系の前側主点までの距離をａ₀、前記第２結像光学系の焦点距離をｆ₀、前記ドーム状の窓部材の内面から、前記赤外撮像素子の検出面から放射され前記ドーム状の窓部材により反射される赤外光が最初に結像する位置までの距離をｔ、前記第１結像光学系の後側主点と前記第２結像光学系の前側主点との距離をＷ、前記コールドアパーチャの直径をＤca、赤外線光学系全系の入射瞳直径をＤin、前記結像光学系の前記主波長に対する焦点距離をｆとして、前記窓部材の内側面から前記結像光学系の前側主点までの距離Ｌが、次式
ａ₀ ≧ｔｆ₁ ／（Ｌ−ｔ−ｆ₁）・Ｄca／Ｄin
ｆ₀ ≧ ａ₀
ｆ₀ ＝（ｆ₁−Ｗ）／（ｆ₁−ｆ）・ｆ
但し、Ｗ ≧ｆ₁（Ｌ−ｔ）／（Ｌ−ｔ−ｆ₁）・［１＋ｔ／（Ｌ−ｔ）・Ｄca／Ｄin］
を満足するように構成したことを特徴とする赤外撮像装置。