JP2691226B2 - Infrared imaging optics - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、赤外線撮像光学装置に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an infrared imaging optical device.
［従来の技術］ 従来のこの種装置は、第９図に示す様な構造であっ
た。図において、対物レンズ102によって中間結像面に
結像された撮像対象の像はリレーレンズ103によって赤
外線検知器104の受光面に結像される。一般に赤外線用
の光電素子は禁制帯幅が狭く暗電流が流れやすいため、
検知器104はリレーレンズ103からの有効光束を通過させ
るための開口部を有し周囲の物体からの放射光（熱輻
射）を遮蔽するコールドシールド105によって囲まれ、8
0K程度の温度に冷却されている。このような構成の赤外
線撮像光学装置において、リレーレンズ103からの光束
の光路を遮らず、かつ撮像対象以外の物体から検知器10
4に入射する熱輻射を低減するには、コールドシールド1
05開口部と撮像光学系の射出瞳を合致させることが提案
されている。[Prior Art] A conventional device of this type has a structure as shown in FIG. In the figure, the image of the imaging target formed on the intermediate image forming surface by the objective lens 102 is formed on the light receiving surface of the infrared detector 104 by the relay lens 103. In general, photoelectric devices for infrared rays have a narrow forbidden band and dark current easily flows.
The detector 104 is surrounded by a cold shield 105 which has an opening for passing an effective light flux from the relay lens 103 and shields radiation (thermal radiation) from surrounding objects.
It has been cooled to a temperature of approximately 0K. In the infrared imaging optical device having such a configuration, the detector 10 is provided from an object other than the imaging target without blocking the optical path of the light flux from the relay lens 103.
Cold shield 1 to reduce thermal radiation incident on 4
05 It has been proposed to match the aperture with the exit pupil of the imaging optics.
［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記の如き従来技術においては、以下のよう
な問題点があった。[Problems to be Solved by the Invention] However, the above-described conventional techniques have the following problems.
まず、コールドシールド開口部の検知器受光面からの
高さは射出瞳の位置に対応させなければならないため、
コールドシールドの小型化を図ることができず冷却負荷
を軽減することができないという問題がある。特に検知
器の光電素子が二次元に多数配列されていて受光面積が
大きい場合には、射出瞳と結像面（受光面）との距離が
長くなるため、それに応じてコールドシールドも大型化
し冷却負荷が大きなものとなってしまう。First, since the height of the cold shield opening from the light receiving surface of the detector must correspond to the position of the exit pupil,
There is a problem that the cold shield cannot be downsized and the cooling load cannot be reduced. Especially when many photoelectric elements of the detector are arranged in two dimensions and the light receiving area is large, the distance between the exit pupil and the image forming surface (light receiving surface) becomes long, so the cold shield becomes larger and cools accordingly. The load will be large.
また、コールドシールドの開口部の大きさは固定され
たものであるので、撮像光学系の開口絞りの大きさを変
えると射出瞳とコールドシールド開口部の大きさが一致
しなくなるという問題点がある。即ち、開口絞りを絞っ
た場合、コールドシールド開口部より射出瞳の大きさが
小さくなり撮像対象以外の物体からの熱輻射が検知器に
入射してしまい、検知器の感度が低下してしまう。Further, since the size of the opening of the cold shield is fixed, changing the size of the aperture stop of the imaging optical system causes a problem that the exit pupil and the size of the cold shield opening do not match. . That is, when the aperture stop is narrowed, the size of the exit pupil is smaller than that of the cold shield opening, and thermal radiation from an object other than the imaging target is incident on the detector, which lowers the sensitivity of the detector.
更に、赤外線用の検知器は水分が受光面上に結露する
と感度が損なわれてしまう為、一般に検知器受光部を真
空中に保てる様に光学窓部材によって検知器の周囲（コ
ールドシールドの外側）を密閉することが多いが、断熱
効果の点から真空層はある程度厚くする必要があり、装
置が更に大型化してしまうという問題がある。Furthermore, the sensitivity of infrared detectors is impaired if water condenses on the light-receiving surface. Therefore, in general, the optical window member surrounds the detector (outside the cold shield) so that the detector light-receiving part can be kept in vacuum. In many cases, the vacuum layer needs to be made thick to some extent from the viewpoint of the heat insulating effect, and there is a problem that the apparatus becomes larger.
加えて、前述したようにコールドシールド開口部の位
置及び形状は固定されたものにさぜるを得ない為、対物
レンズの倍率を変えると射出瞳とコールドシールド開口
部が合致しなくなり、検知器の感度が低下してしまうと
いう問題点もある。In addition, as described above, the position and shape of the cold shield opening must be fixed, so if the magnification of the objective lens is changed, the exit pupil and cold shield opening will not match, and the detector There is also a problem that the sensitivity of is reduced.
本願発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであ
り、第１の発明（請求項１）は検知器の冷却効率の向上
を図ることができるとともに、検知器の感度を低下させ
ずに開口絞りの大きさを変えることができる赤外線撮像
光学装置を提供することを目的としたものである。The invention of the present application has been made in view of the above problems, and the first invention (Claim 1) can improve the cooling efficiency of the detector, and the opening of the detector can be performed without lowering the sensitivity of the detector. An object is to provide an infrared imaging optical device capable of changing the size of a diaphragm.
また、第２の発明（請求項３）は検知器の感度を低下
させずに装置の小型化を図ることができる赤外線撮像光
学装置を提供することを目的としたものである。A second aspect of the present invention (claim 3) is to provide an infrared imaging optical device capable of reducing the size of the device without lowering the sensitivity of the detector.
さらに、第３の発明（請求項４）は対物レンズの倍率
を変えた場合でも高い冷却効率や感度を維持することが
できる赤外線撮像光学装置を提供することを目的とした
ものである。Further, the third invention (claim 4) is intended to provide an infrared imaging optical device capable of maintaining high cooling efficiency and sensitivity even when the magnification of the objective lens is changed.
［課題を解決するための手段］ 第１の発明の赤外線撮像光学装置は、対物レンズとリ
レーレンズを有する撮像光学系と、該撮像光学系の最終
結像面の位置に受光面が一致するように配置された赤外
線検知器と、前記撮像光学系からの光束が通過する開口
部を有して前記検知器を囲むように配置され、前記検知
器周囲からの熱輻射を遮蔽するコールドシールドとを備
えた赤外線撮像光学装置であって、前述した課題を達成
するために前記コールドシールドの開口部が前記撮像光
学系の射出瞳あるいは射出瞳と共役な位置に合致すると
ともに、前記撮像光学系の開口絞りの像側の面が鏡面で
構成されたことを特徴とする赤外線撮像光学装置であ
る。[Means for Solving the Problems] In the infrared imaging optical device of the first invention, an imaging optical system having an objective lens and a relay lens and a light receiving surface are aligned with a position of a final image forming surface of the imaging optical system. And an infrared detector disposed in, and a cold shield that is arranged so as to surround the detector with an opening through which the light flux from the imaging optical system passes and that shields thermal radiation from the surroundings of the detector. In order to achieve the above-mentioned object, the infrared imaging optical device comprises an opening of the cold shield that matches an exit pupil of the imaging optical system or a position conjugate with the exit pupil, and the opening of the imaging optical system. The infrared imaging optical device is characterized in that the image-side surface of the diaphragm is a mirror surface.
第２の発明の赤外線撮像光学装置は、対物レンズとリ
レーレンズを有する撮像光学系と、該撮像光学系の最終
結像面の位置に受光面が一致するように配置された赤外
線検知器と、該検知器の周囲を密閉する光学窓部材と、
該光学窓部材を支持する支持部材を有する赤外線撮像光
学装置であって、前述した課題を達成するために前記光
学窓部材が前記撮像光学系の射出瞳あるいは射出瞳と共
役な位置に合致するとともに、前記支持部材の検知器側
の面が鏡面で構成されたことを特徴とする赤外線撮像光
学装置である。An infrared imaging optical device according to a second aspect of the present invention includes an imaging optical system having an objective lens and a relay lens, and an infrared detector arranged so that a light receiving surface thereof coincides with a position of a final image forming surface of the imaging optical system. An optical window member for sealing the periphery of the detector,
An infrared imaging optical device having a support member for supporting the optical window member, wherein the optical window member is aligned with an exit pupil of the imaging optical system or a position conjugate with the exit pupil of the imaging optical system in order to achieve the above-mentioned object. In the infrared imaging optical device, the detector-side surface of the support member is a mirror surface.
第３の発明の撮像光学装置は、対物レンズとリレーレ
ンズを有する撮像光学系と、該撮像光学系の最終結像面
の位置に受光面が一致するように配置された赤外線検知
器と、前記撮像光学系からの光束が通過する開口部を有
して前記検知器を囲むように配置され、前記検知器周囲
からの熱輻射を遮蔽するコールドシールドとを備えた赤
外線撮像光学装置であって、前述した課題の達成のため
に前記撮像光学系が、前記対物レンズを変倍した場合に
あっても、射出瞳あるいは射出瞳と共役な位置が常に前
記コールドシールドの開口部に合致する変倍光学系で構
成されたことを特徴とする赤外線撮像光学装置である。An image pickup optical device according to a third aspect of the present invention includes an image pickup optical system having an objective lens and a relay lens, an infrared detector arranged so that a light receiving surface thereof coincides with a position of a final image forming surface of the image pickup optical system, An infrared imaging optical device comprising: a cold shield that has an opening through which a light flux from an imaging optical system passes and surrounds the detector, and that shields thermal radiation from the periphery of the detector. In order to achieve the above-mentioned object, even when the imaging optical system zooms the objective lens, the zooming optics whose exit pupil or a position conjugate with the exit pupil always matches the opening of the cold shield. It is an infrared imaging optical device characterized by comprising a system.
なお、本明細書において「射出瞳とコールドシールド
開口部（又は光学窓部材）が合致する」とは、「射出瞳
と開口部（又は光学窓部材）の位置が一致し、かつ大き
さも等しい」ことを言い、以下「開口整合する」とも表
現する。In the present specification, "the exit pupil and the cold shield opening (or the optical window member) are matched" means "the exit pupil and the opening (or the optical window member) are in the same position and have the same size". This is also referred to as “aperture matching” hereinafter.
［作 用］ 第１の発明においては、射出瞳とコールドシールドの
開口部が合致している（一般に光学設計において射出瞳
の位置及び大きさは所望の値とすることが可能であり、
対物レンズの設計によってコールドシールド開口部と光
学系全体の射出瞳を合致させることができる）とともに
開口絞りの像側の面が鏡面で構成されているので、コー
ルドシールドの開口部形成面からの放射光は開口絞りの
鏡面で正反射され、コールドシールド開口部形成面に戻
る。束ち、周囲の常温物体からコールドシールド及び検
知器に入射する熱輻射が大幅に低減され、冷却されたコ
ールドシールド及び検知器自体の放射光が入射すること
になる（ナルシサス現象）ので冷却負荷が低減される。[Operation] In the first invention, the exit pupil and the opening of the cold shield are matched (generally, the position and size of the exit pupil can be set to desired values in optical design,
The cold shield opening can be matched with the exit pupil of the entire optical system by designing the objective lens), and the image-side surface of the aperture stop is a mirror surface, so radiation from the cold shield opening forming surface The light is specularly reflected by the mirror surface of the aperture stop and returns to the cold shield aperture forming surface. The heat radiation that enters the cold shield and the detector from surrounding ambient temperature objects is significantly reduced, and the radiant light of the cooled cold shield and the detector itself enters (narcissus phenomenon), so the cooling load is reduced. Will be reduced.
また、射出瞳とコールドシールド開口部が合致してい
る状態から開口絞りを絞ると射出瞳の大きさが開口部よ
り小さくなるが、その場合でも撮像対象以外から検知器
に入射する放射光は冷却された検知器（及び支持基板）
自体からの放射光であるので、実質的にコールドシール
ド開口部が絞られたことと等価になる。If the aperture stop is stopped while the exit pupil is aligned with the cold shield aperture, the size of the exit pupil will be smaller than the aperture, but even in that case, the radiation that enters the detector from outside the imaging target is cooled. Detector (and supporting substrate)
Since the light is emitted from itself, it is substantially equivalent to the cold shield opening being narrowed.
第２の発明においては、射出瞳と合致する位置に光学
窓部材が配置されており、コールドシールドはこの光学
窓部材の内側に配置されることになる。即ち、コールド
シールド開口部は射出瞳と合致しないが、光学窓部材の
支持部材の検知器側の面が鏡面で構成されているので、
リレーレンズからの有効光束以外に検知器に入射するの
は冷却されたコールドシールドからの放射光だけとな
る。即ち、検知器の感度を低下させずにコールドシール
ド及び光学窓部材を従来より小型化することができる。In the second invention, the optical window member is arranged at a position that matches the exit pupil, and the cold shield is arranged inside this optical window member. That is, although the cold shield opening does not match the exit pupil, the detector side surface of the support member of the optical window member is configured as a mirror surface,
In addition to the effective luminous flux from the relay lens, only the emitted light from the cooled cold shield enters the detector. That is, the cold shield and the optical window member can be made smaller than before without lowering the sensitivity of the detector.
また、第３の発明については対物レンズの倍率を変え
ると、それに伴って射出瞳の位置及び大きさが変わって
しまうが、後述する条件を満たすように開口絞りの位置
及び大きさを調整することによって変倍後においても開
口整合が実現できる。Further, in the third invention, when the magnification of the objective lens is changed, the position and size of the exit pupil are changed accordingly. However, the position and size of the aperture stop should be adjusted so as to satisfy the conditions described later. Therefore, aperture matching can be realized even after zooming.
［実施例］ 第１図は第１発明の実施例を示す光路図である。かか
る撮像光学装置の光学系は、対物レンズ２と、対物レン
ズ２によって中間結像面に結像された像を赤外線検知器
４の受光面（図中点Ａ′〜点Ａ″の領域）に結像するリ
レーレンズ３を備えており、検知器４はリレーレンズ３
からの有効光束を通過させるための開口部を有するとと
もに周囲の物体からの熱輻射を遮蔽するコールドシール
ド５で囲まれて80K程度の温度に冷却されている。そし
て、撮像光学系の開口絞り１とコールドシールド５開口
部は共役な関係（即ち射出瞳と開口部が合致）となって
おり、開口絞り１の検知器４側の面は鏡面で構成されて
いる。[Embodiment] FIG. 1 is an optical path diagram showing an embodiment of the first invention. The optical system of such an imaging optical device has the objective lens 2 and the image formed on the intermediate image forming surface by the objective lens 2 on the light receiving surface of the infrared detector 4 (the area from point A'to point A "in the figure). The relay lens 3 for forming an image is provided, and the detector 4 is the relay lens 3
It is surrounded by a cold shield 5 that has an opening for passing an effective light flux from the same and shields heat radiation from surrounding objects, and is cooled to a temperature of about 80K. The aperture stop 1 of the imaging optical system and the aperture of the cold shield 5 have a conjugate relationship (that is, the exit pupil and the aperture match), and the surface of the aperture stop 1 on the detector 4 side is a mirror surface. There is.
このような構成の撮像光学装置において、コールドシ
ールド５開口部の端点Ａから角α内に放射される光（検
知器４受光面点Ａ′〜点Ａ″からの放射光）はすべて開
口絞り１の開口部端点Ｂで正反射されて点Ａに戻ってく
る。同様にして、コールドシールド５の開口部形成面
（受光面からの高さｈ）からの放射光はすべてコールド
シールド５に戻る。即ち、第１図に示された構成をとれ
ば、冷却された検知器４及びコールドシールド５自体の
放射光が開口絞り１の鏡面で反射されて検知器４及びコ
ールドシールド５に入射することになり、周囲の常温物
体から検知器に入射する熱輻射が低減される。このた
め、検知器４の比検出感度Ｄ＊（Ｄ＊＝Ａ1/2（Δｆ）
1/2／（NPE）［cm・Hz1/2・-1］；ここにNEPは雑音等価
電力＝Ｊ・A/（S/N）［Ｗ］,Jは入射光束の単位面積当
りのエネルギー［W/cm2］,Sは信号出力電圧［Ｖ］,Nは
雑音電圧［Ｖ］,Aは素子の有効面積［cm2］，Δｆは測
定する赤外線の帯域幅［Hz］）が向上する。In the imaging optical device having such a configuration, all the light emitted from the end point A of the opening of the cold shield 5 within the angle α (light emitted from the light receiving surface points A ′ to A ″ of the detector 4) is the aperture stop 1. The light is specularly reflected at the end point B of the opening and returns to the point A. Similarly, all the emitted light from the opening forming surface (the height h from the light receiving surface) of the cold shield 5 returns to the cold shield 5. That is, with the configuration shown in FIG. 1, the cooled radiation of the detector 4 and the cold shield 5 itself is reflected by the mirror surface of the aperture stop 1 and enters the detector 4 and the cold shield 5. As a result, the thermal radiation incident on the detector from the surrounding room temperature object is reduced, so that the specific detection sensitivity of the detector 4 D * (D * = A 1/2 (Δf)
1/2 / (NPE) [cm ・ Hz 1/2・-1 ]; where NEP is the noise equivalent power = JA ・ (S / N) [W], J is the energy per unit area of the incident light flux [W / cm 2 ], S is signal output voltage [V], N is noise voltage [V], A is element effective area [cm 2 ], Δf is infrared bandwidth to be measured [Hz]) .
また、本実施例では中間結像面に視野絞り６を設けて
視野絞り６の検知器側の面も鏡面で構成しているので、
検知器４の非受光面の端点Ｃ（Ａ″）と視野絞り６の
開口部端点Ｄも共役関係にあり、点Ｃから放射された光
も視野絞り６の鏡面で反射され点Ｃに戻ることになる。
即ち、検知器４非受光面からの放射光も検知器４（非受
光面）に戻ることになるので、冷却効率の向上を図るこ
とができる。この際、撮像光学系がテレセントリック系
であれば、検知器４からの放射光がより効率良く開口絞
り１及び視野絞り６の鏡面で反射されることになる。Further, in this embodiment, since the field stop 6 is provided on the intermediate image forming surface and the surface of the field stop 6 on the detector side is also configured as a mirror surface,
The end point C (A ″) of the non-light-receiving surface of the detector 4 and the end point D of the aperture of the field stop 6 also have a conjugate relationship, and the light emitted from the point C is also reflected by the mirror surface of the field stop 6 and returns to the point C. become.
That is, since the emitted light from the non-light receiving surface of the detector 4 also returns to the detector 4 (non-light receiving surface), the cooling efficiency can be improved. At this time, if the imaging optical system is a telecentric system, the emitted light from the detector 4 will be more efficiently reflected by the mirror surfaces of the aperture stop 1 and the field stop 6.
次に第２図は、第１発明の別の実施例を示す光路図で
ある。本実施例の撮像光学装置は、基本的な構成は第１
図に示された実施例と同様であるが、中間結像面に視野
絞りが設けられておらず、開口絞り21の開口部の大きさ
が可変になっている。かかる撮像光学装置において、開
口絞り21を図の様に絞った場合、射出瞳の大きさは図中
点Ｅ〜点Ｆで示される大きさとなる。このとき射出瞳の
大きさはコールドシールド５開口部の大きさはより小さ
くなるが、角γ及び角γ′内の光束は開口絞り21の鏡面
で反射されて、同じ光路を通って検知器４受光面の光軸
上の点に戻る。Next, FIG. 2 is an optical path diagram showing another embodiment of the first invention. The image pickup optical device of the present embodiment has the first basic configuration.
Similar to the embodiment shown in the figure, a field stop is not provided on the intermediate image plane, and the size of the aperture of the aperture stop 21 is variable. In such an imaging optical device, when the aperture stop 21 is narrowed down as shown in the figure, the size of the exit pupil becomes the size shown by points E to F in the figure. At this time, the size of the exit pupil is smaller than the size of the opening of the cold shield 5, but the light fluxes within the angles γ and γ ′ are reflected by the mirror surface of the aperture stop 21 and pass through the same optical path to the detector 4 Return to the point on the optical axis of the light receiving surface.
また、射出瞳の端点Ｅから角β内に発せられる光束
（検知器の受光面と周辺と非受光部を含む点Ｅ′〜点
Ｅ″内から発せられた光束）は開口絞り21の端点Ｂ′で
反射されてそのまま検知器４の点Ｅ′〜点Ｅ″内に戻っ
てくる。コールドシールド５開口部の端点Ａについても
同様に開口絞り21の鏡面で反射され、点Ａ′〜点Ａ″の
領域に戻る。A light beam emitted from the end point E of the exit pupil within the angle β (a light beam emitted from the point E ′ to the point E ″ including the light receiving surface of the detector, the periphery and the non-light receiving portion) is the end point B of the aperture stop 21. The light is reflected by ′ and returns to the points E ′ to E ″ of the detector 4 as it is. Similarly, the end point A of the opening of the cold shield 5 is also reflected by the mirror surface of the aperture stop 21 and returns to the area of points A ′ to A ″.
即ち、第２図に示されたような構成をとれば、開口絞
り21を絞ることによってコールドシールド５開口部の大
きさより射出瞳が小さくなっても撮像対象以外から検出
器４に入射するのは冷却された検知器４及びコールドシ
ールド５自体からの放射光であるので、実質的にコール
ドシールド５の開口部が絞られたのと等価である。That is, with the configuration as shown in FIG. 2, even if the exit pupil is smaller than the size of the opening of the cold shield 5 by narrowing the aperture stop 21, the light is not incident on the detector 4 from other than the imaging target. Since the emitted light is from the cooled detector 4 and the cold shield 5 itself, it is substantially equivalent to the aperture of the cold shield 5 being narrowed.
次に、第２の発明の実施例を第３図を用いて説明す
る。本実施例による撮像光学装置の光学系は対物レンズ
32と、対物レンズ32によって中間結像面32aに結像され
た像を赤外線検知器34の受光面にする結像するリレーレ
ンズ33を備えており、検知器34はリレーレンズ33からの
有効光束を通過させるための開口部を有するとともに周
囲の物体からの熱輻射を遮蔽するコールドシールド35で
囲まれて80K程度の温度に冷却されている。コールドシ
ールド35の外側は赤外線を透過する光学窓部材7aとこの
窓部材の支持部材7bで密閉されており、検知器34は真空
中に配置されている。Next, an embodiment of the second invention will be described with reference to FIG. The optical system of the image pickup optical device according to the present embodiment is an objective lens.
32 and a relay lens 33 for forming an image formed on the intermediate image forming surface 32a by the objective lens 32 on the light receiving surface of the infrared detector 34, and the detector 34 is an effective light beam from the relay lens 33. It is cooled to a temperature of about 80K by being surrounded by a cold shield 35 that has an opening for passing through and shields heat radiation from surrounding objects. The outside of the cold shield 35 is sealed by an optical window member 7a that transmits infrared rays and a support member 7b for this window member, and the detector 34 is placed in a vacuum.
また、支持部材7bの検知器34側の面は鏡面で構成され
ており、光学窓部材7aの端部（支持部材7bとの接続部
分）は耐圧性の点からテーパ加工されている。そして、
光学窓部材7aの検知器34側の面と撮像光学系の開口絞り
31が共役な関係（即ち射出瞳と光学窓部材7aが合致）と
なっている。検知器34とともに真空中に配置されている
コールドシールド35の開口部形成面の高さは射出瞳の位
置より低くなっており、開口部口径はリレーレンズ33か
らの有効光束の光路を遮らないように射出瞳より大きく
なっている。また、本実施例ではコールドシールド35の
外表面は黒体（反射率零，放射率100％）で構成さ
れている。The surface of the support member 7b on the detector 34 side is a mirror surface, and the end portion of the optical window member 7a (the connection portion with the support member 7b) is tapered in terms of pressure resistance. And
The surface of the optical window member 7a on the detector 34 side and the aperture stop of the imaging optical system.
31 has a conjugate relationship (that is, the exit pupil and the optical window member 7a match). The height of the aperture forming surface of the cold shield 35, which is arranged in a vacuum together with the detector 34, is lower than the position of the exit pupil, and the aperture diameter does not block the optical path of the effective light beam from the relay lens 33. Is larger than the exit pupil. In addition, in this embodiment, the outer surface of the cold shield 35 is formed of a black body (reflectance zero, emissivity 100%).
このような構成の撮像光学装置の光軸を含む断面にお
いて、光軸上の受光点G,射出瞳の端点H,コールドシール
ド35開口部の端点Ｉで規定される角δ内から点Ｇに入射
する熱輻射は、全て冷却器（図示せず）によって冷却さ
れた検知器34受光部及びコールドシールド35から発せら
れることになる。例えば、コールドシールド35の外表面
の点Ｊからの放射光は図に示される如く光学窓部材7aの
鏡面で反射されて検知器34受光面上の点Ｇに入射する。
また、受光部の端点Ｋに関しても３点H,K,Iで規定され
る角ε内から入射する熱輻射について同様の状況が成立
し、コールドシールド35からの放射光が入射することに
なる。光軸を含まない断面についても同様である。この
ため、光学窓部材7aによって規定されるＦ値（Ｆ＝f/D;
fは光学系の焦点距離,Dは入射瞳の直径）と、コールド
シールド35によって規定されるＦ値が実質的に一致する
ことになる。In the cross section including the optical axis of the imaging optical device having such a configuration, the light is incident on the point G from within the angle δ defined by the light receiving point G on the optical axis, the exit pupil end point H, and the cold shield 35 opening end point I. The generated heat radiation is emitted from the detector 34 light receiving part and the cold shield 35 which are all cooled by the cooler (not shown). For example, the emitted light from the point J on the outer surface of the cold shield 35 is reflected by the mirror surface of the optical window member 7a and enters the point G on the light receiving surface of the detector 34 as shown in the figure.
Further, regarding the end point K of the light receiving portion, a similar situation is established for thermal radiation that enters from the angle ε defined by the three points H, K, and I, and the radiation light from the cold shield 35 enters. The same applies to a cross section that does not include the optical axis. Therefore, the F value (F = f / D; defined by the optical window member 7a).
f is the focal length of the optical system, D is the diameter of the entrance pupil, and the F value defined by the cold shield 35 substantially matches.
即ち、第３図に示される撮像光学系においては、射出
瞳と合致するように配置された光学窓部材7aの支持部7b
の検知器側の面を鏡面で構成されているので、射出瞳と
開口部とが合致するように配置されたコールドシールド
の代替としての機能を支持部7bの内面（鏡面）が果たし
ていることになり、従来に比較してコールドシールド35
及び光学窓部材7a,支持部材7bを小型化することがで
き、それによって冷却負荷が低減することもできる。更
に、光学窓部材7a及びその支持部材7bを小型化できるこ
とは機械的強度（耐圧）の点でも有利である。That is, in the imaging optical system shown in FIG. 3, the supporting portion 7b of the optical window member 7a arranged so as to match the exit pupil.
Since the surface of the detector on the detector side is configured as a mirror surface, the inner surface (mirror surface) of the support portion 7b functions as a substitute for the cold shield arranged so that the exit pupil and the opening match. It becomes cold shield 35 in comparison with conventional
Also, the optical window member 7a and the supporting member 7b can be downsized, and the cooling load can be reduced accordingly. Further, the downsizing of the optical window member 7a and its supporting member 7b is also advantageous in terms of mechanical strength (pressure resistance).
なお、コールドシールド35の外表面は冷却されたコー
ルドシールド35自体の放射光を検知器34に入射させる上
では本実施例のように黒体で構成することが好ましい
が、コールドシールド35外表面と放射率，反射率につい
ては特に限定されるものではない。コールドシールド35
外表面が鏡面である場合には、検知器34の支持基板８
（第３図では基板８はコールドシールド35内に配置され
ているが、支持部材7aの底部が基板８によって閉止され
た構造をとることもある）等からの放射光がコールドシ
ールド35の外表面及び支持部材7bの鏡面で反射されて検
知器34に入射する。The outer surface of the cold shield 35 is preferably formed of a black body as in this embodiment in order to make the radiated light of the cooled cold shield 35 itself incident on the detector 34, but the outer surface of the cold shield 35 is The emissivity and reflectance are not particularly limited. Cold shield 35
When the outer surface is a mirror surface, the supporting substrate 8 of the detector 34
(In FIG. 3, the substrate 8 is arranged in the cold shield 35, but the bottom of the supporting member 7a may be closed by the substrate 8). Also, the light is reflected by the mirror surface of the support member 7b and enters the detector 34.
また、上記の実施例では検知器34及びコールドシール
ド35が真空中に配置されているが、不活性ガス等を封入
する場合でも同様に適応できることは言うまでもない。Further, although the detector 34 and the cold shield 35 are arranged in a vacuum in the above-mentioned embodiment, it goes without saying that the same can be applied to the case where an inert gas or the like is sealed.
更に、第３図に示された実施例では光学窓部材7aの内
側（検知器側）の面と射出瞳を合致させたが、外側の面
と射出瞳を合致させ、光学窓部材7aの外表面の位置に検
知器34側の面を鏡面で構成した絞りを配置すれば、この
絞りによって第２図で説明した実施例と同様に検知器の
感度を低下させることなく光学系のＦ値を変化させるこ
とができる。Further, in the embodiment shown in FIG. 3, the inner surface (detector side) of the optical window member 7a is matched with the exit pupil, but the outer surface is matched with the exit pupil, and the outside of the optical window member 7a is matched. By arranging a diaphragm whose surface on the detector 34 side is a mirror surface at the surface position, the F value of the optical system can be changed by this diaphragm without lowering the sensitivity of the detector as in the embodiment described in FIG. Can be changed.
次に、第３の発明の実施例について第４図及び第５図
を用いて説明する。Next, an embodiment of the third invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
まず、第４図を参照して射出瞳とコールドシールド開
口部を合致させるための条件について説明する。第４図
に示された撮像光学装置の構成は第１図に示した実施例
の構成と基本的に同様である。図において、対物レンズ
２を単レンズとして主点から開口絞り１までの距離をs,
対物レンズ２の焦点距離をf1,リレーレンズ３主点から
中間結像面までの距離をa,最終結像面（検知器４受光
面）までの距離をb,リレーレンズ３の焦点距離をf2,コ
ールドシールド５開口部の高さをh,射出瞳位置（リレー
レンズ主点からの距離）をx,射出瞳の径をφ，開口絞り
径をＤとする。First, the conditions for matching the exit pupil and the cold shield opening will be described with reference to FIG. The structure of the image pickup optical device shown in FIG. 4 is basically the same as the structure of the embodiment shown in FIG. In the figure, assuming that the objective lens 2 is a single lens, the distance from the principal point to the aperture stop 1 is s,
The focal length of the objective lens 2 is f 1 , the distance from the principal point of the relay lens 3 to the intermediate image plane is a, the distance to the final image plane (light receiving surface of the detector 4) is b, and the focal length of the relay lens 3 is Let f 2 be the height of the opening of the cold shield 5, h be the exit pupil position (distance from the relay lens principal point) be x, the exit pupil diameter be φ, and the aperture stop diameter be D.
そして、入射瞳と共役な位置をｘ′，入射瞳の径を
Ｄ′とすると、光軸方向には ｘ＝ｂ−ｈ （４） が成立し、光軸と直角方向には Ｄ′＝Dx′/s （５） φ＝Ｄ′x/（f1＋ａ−ｘ′） （６） が成立する。Then, if the position conjugate with the entrance pupil is x ′ and the diameter of the entrance pupil is D ′, then in the optical axis direction x = b−h (4) holds, and D ′ = Dx ′ / s (5) φ = D′ x / (f 1 + a−x ′) (6) holds in the direction perpendicular to the optical axis.
（１）〜（４）を解くと ｓ＝f1 ＋［（ｂ−f2）｛ｈ−（ｂ−f2）｝／（hf2 2）］f
1 2 （７） 更に（５），（６）を解くと、 f1/D＝（h/φ）×f2/b−f2＝（ｈ−φ）×（a/b）
（８） 従って、リレーレンズ３が固定で、対物レンズ２を交
換することによって画角を変える場合、（７）式で決定
される位置に開口絞り１を置くと同時に、（８）式で決
定される開口の大きさを設定すれば（即ち、一定のＦ値
を決定すれば）、常に射出瞳とコールドシールド５開口
部が合致することになる。Solving (1) to (4), s = f 1 + [(b−f 2 ) {h− (b−f 2 )} / (hf 2 2 )] f
1 2 (7) Further solving (5) and (6) gives f 1 / D = (h / φ) × f 2 / b−f 2 = (h−φ) × (a / b)
(8) Therefore, when the relay lens 3 is fixed and the angle of view is changed by exchanging the objective lens 2, the aperture stop 1 is placed at the position determined by the equation (7) and determined by the equation (8). If the size of the aperture to be set is set (that is, if a constant F value is determined), the exit pupil and the cold shield 5 aperture always match.
第５図は、第４図の撮像光学装置において対物レンズ
の焦点距離を変えた場合を示す光路図である。FIG. 5 is an optical path diagram showing a case where the focal length of the objective lens is changed in the image pickup optical apparatus of FIG.
このとき、開口絞り51の中間結像面からの距離ｌは ｌ＝ｓ′＋f1′ ＝［（ｂ−f2）｛（ｈ−（ｂ−f2）｝／（hf2 2）］f1 2
＋2f1 （９） となり、 （９）式を、f1をｔと書きなおし、Ｆ（ｔ）とする
と、 Ｆ（ｔ）＝pt2＋2t＝ｐ（ｔ＋1/p）２−1/p （10） 但し、 ｐ＝（ｂ−f2）｛ｈ−（ｂ−f2）｝／（hf2） となる。At this time, the distance l from the intermediate image plane of the aperture stop 51 is l = s ′ + f 1 ′ = [(b−f 2 ) {(h− (b−f 2 )} / (hf 2 2 )] f 1 2
+ 2f 1 (9) is obtained, and in the equation (9), if f 1 is rewritten as t and F (t), then F (t) = pt 2 + 2t = p (t + 1 / p) 2 −1 / p (10 ) where, p = (b-f 2 ) a {h- (b-f 2) } / (hf 2).
従って、対物レンズの倍率を変えた場合の開口絞り51
の移動量を対物レンズ52の焦点距離に比例した値とする
ための条件は Ｆ″（ｔ）＝0,即ち、ｐ＝０を解いて、 ｈ＝ｂ−f2（ｓ＝f1） （11） となる。Therefore, the aperture stop 51 when the magnification of the objective lens is changed
The condition for making the amount of movement of F to be a value proportional to the focal length of the objective lens 52 is F ″ (t) = 0, that is, p = 0 is solved, and h = b−f 2 (s = f 1 ) ( 11)
即ち、開口絞り51の位置を対物レンズ52の前側焦点位
置に一致させ対物レンズ52を射出側テレセントリックと
すれば射出瞳をコールドシールド５の開口部に合致させ
ることができる。That is, if the position of the aperture stop 51 is aligned with the front focus position of the objective lens 52 and the objective lens 52 is telecentric on the exit side, the exit pupil can be aligned with the opening of the cold shield 5.
また、対物レンズの倍率を２段階に変倍（ｔ＝f3,
f4）する場合には、 を満たせば、Ｆ（f3）＝Ｆ（f4）＝2f3f4/（f3＋f4）が
成立し、変倍しても射出瞳位置が等しくなる。In addition, the magnification of the objective lens is changed in two steps (t = f 3 ,
f 4 ) If F is satisfied, F (f 3 ) = F (f 4 ) = 2f 3 f 4 / (f 3 + f 4 ) holds, and the exit pupil positions become equal even if the magnification is changed.
と置き、（12）式をｈについて解くと ｈ＝（ｂ−f2）2/｛（ｂ−f2）＋f2 2/f′ （13） となる。 Then, solving equation (12) for h gives h = (b−f 2 ) 2 / {(b−f 2 ) + f 2 2 / f ′ (13).
即ち、コールドシールド５開口部をこの位置に配せ
ば、２段階に変倍する場合に入射瞳の大きさを変えるだ
けで射出瞳とコールドシールド開口部を合致させること
ができる。That is, by arranging the cold shield 5 opening at this position, the exit pupil and the cold shield opening can be matched only by changing the size of the entrance pupil when the magnification is changed in two steps.
更に、この条件は、対物レンズの焦点距離をf3〜f4に
連続的に変えた場合の、開口絞り位置Ｆ（ｔ）の変化量
が最少の場合でもある。また、２段階変倍時に対物レン
ズ主点からの入射瞳位置を等しくする場合もＦ（ｔ）＝
pt2＋ｔに関して同様に考えれば良い。Further, this condition is also the case where the amount of change in the aperture stop position F (t) when the focal length of the objective lens is continuously changed from f 3 to f 4 is the minimum. Further, when the positions of the entrance pupils from the principal point of the objective lens are made equal at the time of the two-step magnification change, F (t) =
The same applies to pt 2 + t.
なお、上記の説明では射出瞳とコールドシールド開口
部を合致させることについて述べたが、上述した条件は
第２の発明において射出瞳と光学窓部材を合致させる場
合にも適応されることは言うまでもない。また、上記の
説明では対物レンズを単レンズとしたが２段レンズ,3段
レンズ等多段レンズについても同様に開口整合のための
解が存在する。In the above description, the exit pupil and the cold shield opening are made to match, but it goes without saying that the above-described conditions are also applied when the exit pupil and the optical window member are made to match. . Further, although the objective lens is a single lens in the above description, there are similar solutions for aperture matching for multi-stage lenses such as two-stage lenses and three-stage lenses.
更に、第４図に示された構成の撮像光学装置において
第６図に示されるように中間結像面に焦点鏡９を挿入す
る場合、焦点鏡９のマスク部分10を鏡面で構成すれば、
ナルシサス現象を利用して（マスク部分10の鏡面で検知
器からの放射光が反射され検知器に戻る）焦点鏡を得る
ことができる。また、鏡面（マスク部分10）以外での反
射光が検知器に入射することが問題となる場合には、第
７図のようにくさび型の部材を２枚貼りあわせて平行平
面板11とし、貼り合せ面に焦点鏡９を形成して焦点鏡９
が中間結像面に位置するように平行平面板11を光軸AXに
対して傾けて挿入すればよい。このようにすれば、マス
ク10以外での反射光が検知器に入射するのを回避でき
る。Further, when the focusing mirror 9 is inserted into the intermediate image plane as shown in FIG. 6 in the image pickup optical apparatus having the configuration shown in FIG. 4, if the mask portion 10 of the focusing mirror 9 is configured as a mirror surface,
A focusing mirror can be obtained by utilizing the narcissus phenomenon (the light emitted from the detector is reflected by the mirror surface of the mask portion 10 and returned to the detector). Further, when it becomes a problem that the reflected light other than the mirror surface (mask portion 10) is incident on the detector, as shown in FIG. 7, two wedge-shaped members are bonded together to form the plane parallel plate 11. The focusing mirror 9 is formed on the bonding surface, and the focusing mirror 9 is formed.
The parallel plane plate 11 may be inserted with an inclination with respect to the optical axis AX so that is positioned at the intermediate image plane. By doing so, it is possible to prevent reflected light other than the mask 10 from entering the detector.
また、第８図に示された様に平行平面板12を光軸AXに
対して傾けて挿入し、平行平面板12を光軸を回転軸とし
て回転させれば等価的に検知器の画素の数あるいは一画
素の大きさを増すことができるが、平行平面板12を中間
結像面2aの位置に配置することによって光学系の収差を
最少とすることができる。Further, as shown in FIG. 8, if the plane-parallel plate 12 is inserted while being inclined with respect to the optical axis AX and the plane-parallel plate 12 is rotated about the optical axis as a rotation axis, the pixel of the detector is equivalently Although the number or the size of one pixel can be increased, the aberration of the optical system can be minimized by disposing the plane-parallel plate 12 at the position of the intermediate image plane 2a.
［発明の効果］ 以上のように、第１の発明においては射出瞳とコール
ドシールド開口部が合致し、かつ開口絞りの像側が鏡面
で構成されているので、ナルシサス現象を利用して等価
的にコールドシールド開口部の大きさを変えることが可
能となる。このため、開口絞りを絞って光学系のＦ値を
大きくさせるとともにコールドシールドによって規定さ
れるＦ値と光学系のＦ値と合致させて、検知器の感度
（Ｄ＊）を高めることができる。[Effects of the Invention] As described above, in the first invention, the exit pupil and the cold shield aperture are aligned, and the image side of the aperture stop is configured as a mirror surface. It is possible to change the size of the cold shield opening. Therefore, it is possible to increase the F value of the optical system by narrowing the aperture stop and to match the F value defined by the cold shield with the F value of the optical system to enhance the sensitivity (D *) of the detector.
また、第２の発明においては射出瞳と光学窓部材が合
致し、かつ光学窓部材の支持部が鏡面で構成されている
ので、検知器の感度を低下させることなく検知器の周囲
に配置される光学窓部材及びその支持部材とコールドシ
ールドの大きさを従来に比較して小型化することができ
る。Further, in the second invention, since the exit pupil and the optical window member are coincident with each other and the supporting portion of the optical window member is constituted by the mirror surface, the detector is arranged around the detector without lowering the sensitivity of the detector. The size of the optical window member and its supporting member and the cold shield can be made smaller than the conventional size.
更に、第３の発明においては対物レンズの倍率が変わ
る場合にも常に射出瞳とコールドシールド開口部が合致
するので、冷却効率及び検出感度を維持しながら画角を
変えることができる。Further, in the third aspect, the exit pupil and the cold shield aperture are always matched even when the magnification of the objective lens is changed, so that the angle of view can be changed while maintaining cooling efficiency and detection sensitivity.
第１図は第１発明の実施例を説明するための光路図、第
２図は第１発明の別の実施例を説明するための光路図、
第３図は第２発明の実施例を説明するための光路図、第
４図及び第５図は第３発明を説明するための光路図、第
６図及び第７図は焦点鏡の挿入例説明する光路図、第８
図は平行平面板の挿入例を説明する光路図、第９図は従
来例を説明するための光路図である。 ［主要部分の符号の説明］ 1.21,31……開口絞り 2,32……対物レンズ 3,33……リレーレンズ 4,34……検知器 5,35……コールドシールド ６……視野絞り 7a……光学窓部材 7b……支持部材1 is an optical path diagram for explaining an embodiment of the first invention, FIG. 2 is an optical path diagram for explaining another embodiment of the first invention,
FIG. 3 is an optical path diagram for explaining an embodiment of the second invention, FIGS. 4 and 5 are optical path diagrams for explaining the third invention, and FIGS. 6 and 7 are examples of insertion of a focusing mirror. Optical path diagram to explain, No. 8
FIG. 9 is an optical path diagram for explaining an insertion example of a plane parallel plate, and FIG. 9 is an optical path diagram for explaining a conventional example. [Explanation of symbols for main parts] 1.21,31 …… Aperture stop 2,32 …… Objective lens 3,33 …… Relay lens 4,34 …… Detector 5,35 …… Cold shield 6 …… Field stop 7a… … Optical window member 7b …… Supporting member
Claims (5)
学系と、該撮像光学系の最終結像面の位置に受光面が一
致するように配置された赤外線検知器と、前記撮像光学
系からの光束が通過する開口部を有して前記検知器を囲
むように配置され、前記検知器周囲からの熱輻射を遮蔽
するコールドシールドとを備えた赤外線撮像装置におい
て、 前記コールドシールドの開口部が前記撮像光学系の射出
瞳あるいは射出瞳と共役な位置に合致するとともに、前
記撮像光学系の開口絞りの像側の面が鏡面で構成された
ことを特徴とする赤外線撮像光学装置。1. An image pickup optical system having an objective lens and a relay lens, an infrared detector arranged such that a light receiving surface thereof coincides with a position of a final image forming surface of the image pickup optical system, and an image pickup optical system from the image pickup optical system. In an infrared imaging device that is arranged to surround the detector with an opening through which a light beam passes, and a cold shield that shields thermal radiation from the periphery of the detector, wherein the opening of the cold shield is the An infrared imaging optical device, characterized in that it is aligned with the exit pupil of the imaging optical system or a position conjugate with the exit pupil, and the image-side surface of the aperture stop of the imaging optical system is a mirror surface.
結像面に配置された視野絞りを有し、かつ該視野絞りの
像側の面が鏡面で構成されたことを特徴とする請求項１
記載の赤外線撮像光学装置。2. A field stop disposed on an intermediate image plane on which an image is formed by said objective lens, and an image side surface of said field stop is a mirror surface. Item 1
Infrared imaging optical device described.
学系と、該撮像光学系の最終結像面の位置に受光面が一
致するように配置された赤外線検知器と、該検知器の周
囲を密閉する光学窓部材と、該光学窓部材を支持する支
持部材を有する赤外線撮像光学装置において、 前記光学窓部材が前記撮像光学系の射出瞳あるいは射出
瞳と共役な位置に合致するとともに、前記支持部材の検
知器側の面が鏡面で構成されたことを特徴とする赤外線
撮像光学装置。3. An image pickup optical system having an objective lens and a relay lens, an infrared detector arranged so that a light receiving surface thereof coincides with a position of a final image forming surface of the image pickup optical system, and a periphery of the detector. In an infrared imaging optical device having an optical window member for sealing and a support member for supporting the optical window member, the optical window member is aligned with an exit pupil of the imaging optical system or a position conjugate with the exit pupil, and the support is provided. An infrared imaging optical device characterized in that the surface of the member on the detector side is configured as a mirror surface.
学系と、該撮像光学系の最終結像面の位置に受光面が一
致するように配置された赤外線検知器と、前記撮像光学
系からの光束が通過する開口部を有して前記検知器を囲
むように配置され、前記検知器周囲からの熱輻射を遮蔽
するコールドシールドとを備えた赤外線撮像光学装置に
おいて、 前記撮像光学系が、前記対物レンズを変倍した場合にあ
っても、射出瞳あるいは射出瞳と共役な位置が常に前記
コールドシールドの開口部に合致する変倍光学系である
ことを特徴とする赤外線撮像光学装置。4. An image pickup optical system having an objective lens and a relay lens, an infrared detector arranged so that a light receiving surface thereof coincides with a position of a final image forming surface of the image pickup optical system, and an image pickup optical system from the image pickup optical system. In an infrared imaging optical device having a cold shield that has an opening through which a light flux passes and that surrounds the detector, and that shields thermal radiation from around the detector, the imaging optical system includes: An infrared imaging optical device characterized in that, even when the objective lens is zoomed, the exit pupil or a position conjugate with the exit pupil is a zooming optical system which always matches the aperture of the cold shield.
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線撮像光学装置。5. The infrared imaging optical device according to claim 4, wherein the objective lens is telecentric.
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