JP2780604B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

赤外線撮像装置

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JP2780604B2
JP2780604B2 JP5202076A JP20207693A JP2780604B2 JP 2780604 B2 JP2780604 B2 JP 2780604B2 JP 5202076 A JP5202076 A JP 5202076A JP 20207693 A JP20207693 A JP 20207693A JP 2780604 B2 JP2780604 B2 JP 2780604B2
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升 安田
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  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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  • Radiation Pyrometers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は赤外線撮像装置に係り、
特にリニア状の受光領域を有する赤外線撮像装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】赤外線撮像装置は種々の分野で利用され
ている。例えば衛星に搭載して地球表面の温度分布を表
す画像を取り込み、その画像信号を地球局へ送信してデ
ィスプレイに表示させる観測システムにも用いられてい
る。
【0003】この赤外線撮像装置の赤外線検知器として
は、エリア状に配列された量子型赤外線検知素子が用い
られている。量子型赤外線検知素子は、例えばInSb
(3〜5μm光)やHgCdTe(8〜12μm光)な
どの特殊な化合物半導体を用いて製造され、転送CCD
と組み合わせて形成されるものもある。
【0004】また、赤外線検出器は77K(絶対温度)
程度の極低温で使用する必要があるために、通常、液体
窒素等の冷媒を用いて冷却を行っている。
【0005】更に、被写体からの赤外線だけを取り込み
余分な背景光を排除するために、赤外線検知器の直前に
シールドを設けることも必要である(特開昭60−87
19号公報)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外線
検知素子がリニア状に1000個以上配列された大規模
リニアアレイ構造の光電変換部になると、製造あるいは
実際に使用するに当たって、次のような困難が生じる。
【0007】赤外線検知素子は、上述したように、Hg
CdTeなどの特殊な化合物半導体を材料としているた
めに、大口径で均一な結晶を形成することは困難であ
り、欠陥のない結晶を得ようとすれば歩留りが極端に低
下してしまう。
【0008】この問題点を解決するために、小規模リニ
アアレイの光電変換チップを複数設け、それらをリニア
状に並べたマルチチップ構成が考えられる。しかしなが
ら、複数の小規模チップを平坦に且つ隙間なく並べるこ
とは技術的に非常に困難であり、歩留まりの低下、ひい
てはコストの向上を招く。
【0009】大規模リニアアレイ構造の光電変換部を実
際に動作させる上で更に問題となるのは、冷却対策であ
る。例えば、大規模なリニアアレー構造として、400
0〜10000個の赤外線検知素子を直線上に並べる
と、そのデバイスの長手方向のサイズは、約100〜5
00mmとなる。
【0010】このようなサイズの光電変換部を冷却する
ためには、大型の冷却デュワーが必要になり、冷却効率
の低下、コストの増大を招来する。また有効な冷却シー
ルドの実現も困難になる。
【0011】そこで、本発明の目的は、リニア状受光領
域の画素数が増大しても容易に実用化できる赤外線撮像
装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明による赤外線撮像
装置は、被写体からの赤外線を結像させる第1の結像光
学系と、入射端面及び出射端面を有する複数の赤外線導
波路からなり、前記入射端面がリニア状に配列され、前
記出射端面がエリア状に配列され、且つ前記リニア状入
射端面が前記第1の結像光学系の結像面に配置された赤
外線導波手段と、前記出射端面から出射した赤外線を結
像させる第2の結像光学系と、前記第2結像光学系の結
像面に配置され、複数の光電変換素子がエリア状に配列
された赤外線検知器と、からなることを特徴とする。
【0013】
【作用】複数の赤外線導波路の入射側の端をリニア状
(1次元)に配列し、出射側の端をエリア状(2次元)
に配列する。このエリア状出射端面からの出射光をエリ
ア赤外線検知器で光電変換する。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例を
説明する。
【0015】図1は、本発明による赤外線撮像装置の一
実施例を示す全体的構成図である。
【0016】同図において、赤外線結像光学系1は、赤
外線レンズなどで構成され、被写体の各部から放射され
る赤外線を集光し、赤外線ファイバ束2の入射端面2a
上に結像する。
【0017】赤外線ファイバ束2は、画素数に応じた本
数(例えば4000〜10000本)の赤外線ファイバ
からなる。赤外線ファイバー束2の入射端面2aでは、
各赤外線ファイバの端面が直線状に配列されリニア状受
光面を形成している。この入射端面2aは、赤外線結像
光学系1の結像位置(焦点位置)に配置される。リニア
状の入射端面2aから入射した赤外線は、赤外線ファイ
バ束2の各ファイバを透過して、エリア状の出射端面2
bから出射する。入射端面2a及び出射端面2bの配列
については後述する。
【0018】赤外線リレー光学系3も結像光学系であ
り、赤外線ファイバー束2の出射端面2bから出射した
赤外線を入射して、赤外線検知器4上に結像させる。
【0019】赤外線検知器4は画素がエリア状に配列
(例えば100×100)されたエリアセンサである。
各画素はHgCdTe等を光電変換部の材料とする赤外
線検知素子からなり、更に転送CCD素子(後述する)
を有している。赤外線リレー光学系3から出射された赤
外線は赤外線検知器4上に結像し、光量に応じた電気信
号に変換される。
【0020】また、赤外線検知器4は、円筒形の冷却デ
ュワー5内に設置されて所定の冷却が行われる。更に、
赤外線検知器4の上には、赤外線リレー光学系3から入
射する赤外線以外の背景光の入射を防ぐために、コール
ドシールド6が設けられている。なお、冷却デュワー5
は液体窒素を用いて冷却される。
【0021】次に、図2に、赤外線ファイバ束2の入射
端面2aおよび出射端面2bの配列例を示す。
【0022】図2(a)は赤外線ファイバ束2の入射端
面2aを例示する。ここでは10000本の赤外線ファ
イバの各端面がリニア状に配列されている。なお、図面
では、符号2a−1〜2a−10000が各赤外線ファ
イバに対応する番号である。
【0023】このように構成された赤外線ファイバ束2
の入射端面2aへ入射した赤外線は、各赤外線ファイバ
を透過して、赤外線ファイバ束2の出射端面2bから出
射される。
【0024】図2(b)は赤外線ファイバ束2の出射端
面2bを例示する。上記の例に合わせれば、10000
本の赤外線ファイバの出射端面が正方形状に配列されて
いる。すなわち、入射端面2aにおいて2a−1〜2a
−100で示される赤外線ファイバが出射端面2bの第
1列目(符号2b−1〜2b−100)として配置さ
れ、2a−101〜2a−200で示される赤外線ファ
イバが2列目(2b−101〜2b−200)として配
置されている。以下同様である。こうして、全体で10
0×100の正方形配列となっている。勿論、このよう
な正方形配列に限定されるものではなく、ファイバの本
数及び赤外線検知器の画素配列に従って適宜決定すれば
良い。
【0025】図3は、赤外線検知器4の構成例である。
【0026】同図において、赤外線検知器4は、上記例
に合わせれば、10000個の赤外線検知素子と100
個の転送CCD素子からなる。各赤外線検知素子の配列
は、赤外線ファイバ束2の出射端面2bにおける赤外線
ファイバの配列と同じであり、ここでは100×100
で構成されている。即ち、赤外線検知素子4−1〜4−
100が第1列目に配置され、以下同様に100個ごと
に1列を構成し、4−9901〜4−10000が第1
00列目に配置される。
【0027】こうして、赤外線ファイバの出射端面2b
の各ファイバから出射した赤外線は、赤外線リレー光学
系3を中継して、対応する赤外線検知素子4−1〜4−
10000にそれぞれ入射し、電気信号に変換される。
【0028】転送CCD素子は赤外線検知素子の各列ご
とに設けられる。すなわち、赤外線検知素子4−1〜4
−100に対して1本の転送CCD4−1aを設け、以
下同様に、赤外線検知素子4−9901〜4−1000
0に対して転送CCD4−100aを設ける。
【0029】CCD4−1aは、赤外線検知素子4−1
〜4−100が光電変換した各電気信号を並列に読み込
み、所定のタイミングで直列に出力する。このように、
CCD4−1a〜CCD4−100aが各列の光電変換
信号を読み込んで、所定のタイミングで順番に出力する
ようにすれば、赤外線ファイバ束2の入射端面2a−1
に入射した赤外線に対応した電気信号を先頭に、以下入
射端面2a−2〜2a−10000に入射した赤外線を
順番に出力することができる。即ち、この例では100
00画素のラインセンサによって光電変換された信号と
同じ画像信号を得ることができる。
【0030】このように赤外線検知器4としては赤外線
検知素子が2次元的に配列されたものが利用できる。2
次元赤外線検知器は、かなり大規模なものが製品化され
ており、また、小型化されている。たとえば、赤外線検
知素子の配列が、128×128(約16000素子)
〜256×256(約65000素子)である赤外線検
知器のデバイスサイズは、10〜20mmの略正方形で
実現されている。
【0031】したがって、リニアアレイの画素数が増大
しても、赤外線検知器4を冷却するための冷却デュワー
5は小型のものを用いることができる。冷却デュワー5
は小型であるほど冷却効率が良く、コスト削減にも大き
く寄与できる。また、小さい領域に対しては有効なコー
ルドシールドを行えるので、背景光のゆらぎが原因とな
る雑音が少なくなり、赤外線検知器4の感度が向上す
る。
【0032】赤外線ファイバ束を構成するファイバの本
数は、本実施例に限定されるものではない。また、赤外
線ファイバ束の出射端面における配列も正方形状に限定
されるものではなく、たとえば近似した長方形状に配列
させてもよい。
【0033】さらに、赤外線ファイバ束を構成するファ
イバの本数と赤外線検知器上の赤外線検知素子数とを等
しくする必要はない。すなわち、赤外線検知素子数を上
記ファイバの本数よりも多く構成してもよい。このよう
な構成とすると、赤外線検知器に欠陥検知素子が含まれ
ている場合に、赤外線ファイバ束の出射端面における配
置を変更することによって、正常な赤外線検知素子のみ
で赤外線検知を行わせることができる。
【0034】また、赤外線ファイバ束の出射端面を、そ
れぞれ任意の本数の赤外線ファイバからなる複数のグル
ープに分割し、その各々を複数の赤外線検知器で検知さ
せるようにしてもよい。
【0035】さらに、本発明において、赤外線検知の感
度を高めるために時間遅延動作(TDI)を行うことも
可能である。
【0036】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による赤外
線撮像装置は、複数の赤外線導波路の入射側の端をリニ
ア状に、出射側の端をエリア状にそれぞれ配列し、エリ
ア状出射端面からの出射光をエリア赤外線検知器で光電
変換する。
【0037】これにより、製造が容易なエリア赤外線検
知器を用いてリニア状の受光領域を実現できる。リニア
状受光領域の画素数が増加してもエリア赤外線検知器の
サイズには大きな変更が生じないために、装置構成及び
その変更が容易となる。更にエリア赤外線検知器の冷却
も容易となり、コスト的にも有利となる。また、赤外線
検知器がエリア状であるから、背景光のゆらぎを原因と
する雑音を低下させるコールドシールドが有効にはたら
き、赤外線検知感度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による赤外線撮像装置の一実施例を示す
全体構成図である。
【図2】本実施例における赤外線ファイバ束の入射端面
(a)及び出射端面(b)のファイバ配列を説明する模
式図である。
【図3】図1に示す赤外線撮像装置の赤外線検知器の画
素配列を示す構成図である。
【符号の説明】
1 赤外線結像光学系 2 赤外線ファイバ束 2a 赤外線ファイバ束の入射端面 2b 赤外線ファイバ束の出射端面 3 赤外線リレー光学系 4 赤外線検知器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01J 1/02 G01J 5/48 G02B 6/04 H04N 5/33

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被写体からの赤外線を結像させる第1の
    結像光学系と、 入射端面及び出射端面を有する複数の赤外線導波路から
    なり、前記入射端面がリニア状に配列され、前記出射端
    面がエリア状に配列され、且つ前記リニア状入射端面が
    前記第1の結像光学系の結像面に配置された赤外線導波
    手段と、 前記出射端面から出射した赤外線を結像させる第2の結
    像光学系と、 エリア状に配列された複数の光電変換素子が前記第2結
    像光学系の結像面に配置され冷媒冷却された赤外線検知
    器と、 前記第2の結像光学系の前記出射端面と前記赤外線検知
    器のエリア状光電変換面との間に配置され、前記出射端
    面から出射した赤外線以外の背景光の入射を低減させる
    開口部を有するコールドシールドと、 からなることを特徴とする赤外線撮像装置。
  2. 【請求項2】 前記赤外線導波手段は、複数の赤外線フ
    ァイバの束であることを特徴とする請求項1記載の赤外
    線撮像装置。
  3. 【請求項3】 前記赤外線検知器は、液体窒素冷却の量
    子型赤外線検知器であることを特徴とする請求項1又は
    2記載の赤外線撮像装置。
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