JP2805954B2 - Infrared imaging device - 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、赤外線撮像装置に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an infrared imaging device.
[従来の技術] 従来のこの種の装置は、第6図に示すような構造であ
った。図において、目標物体の像は結像光学系(レンズ
205)によって赤外線検知器201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、結像光学系からの有効光束以外の周囲の
物体からの放射光を遮蔽するコールドシールド202(開
口部202a)によって囲まれ、80K程度の温度に冷却(冷
却器207)されている。また、コールドシールド202内に
は、検知しようとする波長域以外の赤外線を遮蔽するコ
ールドフィルタ206が必要に応じて装着されており、更
にコールドシールド202の周囲は冷却効率を高めるため
に真空チャンバ203によって取り囲まれている。[Prior Art] A conventional device of this type has a structure as shown in FIG. In the figure, the image of the target object is represented by an imaging optical system (lens)
By 205), an image is formed on the light receiving surface of the infrared detector 201.
In general, an infrared photoelectric element has a narrow forbidden band and a dark current easily flows. Therefore, the photoelectric element is surrounded by a cold shield 202 (opening 202a) that shields radiated light from surrounding objects other than the effective light flux from the imaging optical system. , About 80K (cooler 207). In the cold shield 202, a cold filter 206 that shields infrared rays other than the wavelength range to be detected is mounted as necessary, and a vacuum chamber 203 is provided around the cold shield 202 in order to increase cooling efficiency. Surrounded by
このような赤外線撮像装置において、コールドシール
ド202は、有効光束を遮蔽しないように(有効光束が蹴
られれば目標物体からの光量が低下してしまう)配置さ
れている。In such an infrared imaging apparatus, the cold shield 202 is arranged so as not to block the effective light beam (the amount of light from the target object is reduced if the effective light beam is kicked).
[発明が解決しようとする課題] しかし、上記のような従来の赤外線撮像装置において
は、以下のような問題点があった。[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional infrared imaging apparatus as described above has the following problems.
まず、結像光学系からの有効光束が蹴られないように
コールドシールドを配置するためには、特に検知器の光
電素子が二次元に多数配列されて受光面積が大きい場合
には、どうしてもコールドシールドが大型化してしま
い、冷却負荷を軽減することができないという問題があ
る。また、コールドシールドの開口が大きくなれば、そ
れだけ周囲の物体からの迷光が増え、周囲の温度変化に
よる影響も大きくなり、正確な目標物体の検出ができな
くなってしまう。First, in order to arrange the cold shield so that the effective light beam from the imaging optical system is not kicked, it is necessary to use the cold shield, especially when the photoelectric elements of the detector are two-dimensionally arranged and the light receiving area is large. However, there is a problem that the cooling load cannot be reduced. Further, as the opening of the cold shield becomes larger, the amount of stray light from surrounding objects increases, the influence of changes in the surrounding temperature increases, and accurate detection of the target object becomes impossible.
更に、コールドフィルタを装着する場合は、コールド
フィルタの受光面積が増大すると、冷却負荷が増大する
という問題も生じる。Further, when the cold filter is mounted, there is a problem that the cooling load increases as the light receiving area of the cold filter increases.
この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、
周囲からの迷光の影響を押えて高い検出精度を維持しつ
つ、かつ小型化を図ることのできる赤外線撮像装置を提
供することを目的とするものである。The present invention has been made in view of such a point,
It is an object of the present invention to provide an infrared imaging device capable of miniaturizing while maintaining high detection accuracy by suppressing the influence of stray light from the surroundings.
[課題を解決するための手段] 本発明の赤外線撮像装置は、赤外線検知器と、この検
知器の受光面に目標物体の像を結像する結像光学系と、
前記検知器周囲からの迷光を遮蔽するコールドシールド
とを備えてなり、上記の課題を達成するために、前記結
像光学系と前記コールドシールドとの間に、結像光学系
からの光束が通過する所定の大きさの開口を有した凹面
鏡からなるミラーアパーチャーが挿脱自在に配置された
ことを特徴とするものである。[Means for Solving the Problems] An infrared imaging apparatus according to the present invention includes an infrared detector, an imaging optical system that forms an image of a target object on a light receiving surface of the detector,
A cold shield that shields stray light from around the detector.In order to achieve the above object, a light flux from the imaging optical system passes between the imaging optical system and the cold shield. A mirror aperture formed of a concave mirror having an opening of a predetermined size.
ミラーアパーチャーとしては、具体的には、検知器受
光面の周縁に到達する結像光学系からの光束のミラーア
パーチャー配置位置における通過領域の和集合と積集合
に相当する大きさの開口をそれぞれ有する第1及び第2
のミラーアパーチャーを設け、これらのミラーアパーチ
ャーを目標物体や周囲の状況に応じて、適宜挿脱するこ
とが好ましい。As the mirror aperture, specifically, each of the apertures has a size corresponding to the union and intersection of the passing areas of the light flux from the imaging optical system that reaches the periphery of the light receiving surface of the detector at the mirror aperture arrangement position. First and second
It is preferable to provide such mirror apertures, and to appropriately insert and remove these mirror apertures according to the target object and surrounding conditions.
また、コールドフィルタの小型化を図り、冷却効率を
向上させるためには、コールドシールド開口部の大きさ
を結像光学系からの光束のコールドシールド上面におけ
る通過領域の積集合に相当する大きさとして、このコー
ルドシールドの開口部にコールドフィルタを装着すると
良い。In addition, in order to reduce the size of the cold filter and improve the cooling efficiency, the size of the cold shield opening is set to a size corresponding to the intersection of the passing areas on the cold shield upper surface of the light flux from the imaging optical system. Preferably, a cold filter is attached to the opening of the cold shield.
[作用] 本発明の作用を説明するために、まず、赤外線撮像装
置の検出感度について述べる。[Operation] In order to explain the operation of the present invention, first, the detection sensitivity of the infrared imaging device will be described.
赤外線撮像装置の比検出感度D*は、等価雑音パワー
(以下NEPという)の逆数に比例し、NEPは次のようにし
て計測する。The ratio detection sensitivity D * of the infrared imaging device is proportional to the reciprocal of equivalent noise power (hereinafter referred to as NEP), and NEP is measured as follows.
まず、光源がある場合(状態1:光源からS,背景からB
の放射があるとする)と光源がない場合(状態2:光源を
除いた部分からB′,背景からBの放射があるとする)
のそれぞれについて、赤外線検知器で光量を測定する。
この場合の信号は、光源がある場合がS1=S+B、光源
がない場合がS2=B′+Bとなり、両者の信号差はΔS
=S−B′となる。First, if there is a light source (state 1: S from light source, B from background)
When there is no light source) (State 2: B 'from the part excluding the light source and B from the background)
For each of the above, the amount of light is measured with an infrared detector.
The signal in this case is S 1 = S + B when there is a light source, and S 2 = B ′ + B when there is no light source, and the signal difference between them is ΔS
= S-B '.
また、それぞれの信号S1,S2に対するゆらぎ(RMSノイ
ズ)をN1,N2とすると、S1>S2であるからN1>N2とな
る。ここにおいて、ΔSを極力小さく設定しΔS/N2=1
となるときの光量差がNEPである。そして、この光量差
に相当する温度差が等価雑音温度差(NETD)であり、上
記の定義から赤外線撮像装置の感度はNEP,NETDが小さ
く、D*が大きい程良いことになる。If the fluctuations (RMS noise) for the respective signals S 1 and S 2 are N 1 and N 2 , N 1 > N 2 because S 1 > S 2 . Here, ΔS is set as small as possible, and ΔS / N 2 = 1
Is the NEP. The temperature difference corresponding to this light amount difference is the equivalent noise temperature difference (NETD). From the above definition, the sensitivity of the infrared imaging device is better when NEP and NETD are smaller and D * is larger.
NETDの計測は、NEPと同様に、温度差ΔTの目標物体
(黒体)と背景(黒体)を撮像し、目標物体と背景の信
号差ΔSを小さくしていき、ΔSと背景の信号に対する
ゆらぎN2がΔS/N2=1の関係となるときの温度差ΔTを
求めることによって行なわれる。なお、これらのNEP,NE
TDの測定においてΔSを小さく設定するのは、ΔSが小
さければN1N2であり、感度の線形性(光量差と信号差
が比例関係にある)の仮定が保たれるからである。The NETD measurement, like the NEP, takes an image of a target object (black body) and a background (black body) with a temperature difference ΔT, reduces the signal difference ΔS between the target object and the background, and calculates ΔS and the background signal. This is performed by obtaining a temperature difference ΔT when the fluctuation N 2 has a relationship of ΔS / N 2 = 1. These NEP, NE
To set a small [Delta] S in the measurement of the TD, [Delta] S is N 1 N 2 Smaller, because the assumption of linearity of sensitivity (the light amount difference and the signal difference is proportional) is maintained.
次に、コールドシールド開口の大きさとD*の関係に
ついて説明する。Next, the relationship between the size of the cold shield opening and D * will be described.
まず、光源(目標物体)と検知器の間に結像光学系が
ない場合について述べる。コールドシールドの開口端と
検知器受光面の中心を結ぶ線が光軸となす角をθとする
と、 D*(θ)=D*(2π)/sin θ (D*(2π)はコールドシールドを設けない場合の
比検出感度) となり、光源の面積に関係なく(背景全体が光源である
としても同じ)、θを小さくすればD*は向上する。First, the case where there is no imaging optical system between the light source (target object) and the detector will be described. Assuming that the angle between the line connecting the open end of the cold shield and the center of the light-receiving surface of the detector to the optical axis is θ, D * (θ) = D * (2π) / sin θ (D * (2π) (The ratio detection sensitivity in the case where no light source is provided), and D * is improved by reducing θ regardless of the area of the light source (even if the entire background is the light source).
ところが、目標物体と検出器の間に結像光学系を介装
し、目標物体の像を検知器受光面に結像させる場合は、
上記の場合とは異なる。この場合は、信号差ΔSに寄与
するのは検知器受光面と共役な部分からの放射のみであ
るから、信号差の大きさは結像光学系からの有効光束の
光量に比例することになる。ノイズについては、目標物
体がない場合について考えるから上述したようにsin θ
に比例する。However, when an imaging optical system is interposed between the target object and the detector to form an image of the target object on the light receiving surface of the detector,
It is different from the above case. In this case, only the radiation from the portion conjugate with the light receiving surface of the detector contributes to the signal difference ΔS, so that the magnitude of the signal difference is proportional to the amount of the effective light beam from the imaging optical system. . As for the noise, assuming that there is no target object, sin θ
Is proportional to
しかるに、結像光学系がある場合には NETD∽F2/D* が成立する。ここにFはレンズの明るさを表わすいわゆ
るF−numberであり、F=f/D(f:光学系の焦点距離,D:
レンズの有効口径)で定まる。However, if there is an imaging optical system, NETD∽F 2 / D * is satisfied. Here, F is a so-called F-number representing the brightness of the lens, and F = f / D (f: focal length of the optical system, D:
Lens effective aperture).
即ち、コールドシールドの開口端と検知器受光面の中
心を結ぶ線が光軸とのなす角をθ,レンズのF−number
から定まる角度をθj(tan θj=D/2f)とし、θをπ
/2〜θjまで変化させる場合(有効光束がけられない場
合)、 NETD∽sin θ/tan2θjとなる。That is, the angle between a line connecting the opening end of the cold shield and the center of the light receiving surface of the detector to the optical axis is θ, and the F-number of the lens is
Is defined as θ j (tan θ j = D / 2f), and θ is π
/ If 2~θ until j varying (if not an effective light beam is eclipsed), the NETD∽sin θ / tan 2 θ j.
更に、コールドシールドの開口を絞って、θをθj〜
零まで変化させると、ノイズの減少によるD*の向上に
加えて、有効光束を遮ることにより信号分の減少が生じ
るから、 NETD∽sin θ/tan2θとなる。Further, by narrowing the opening of the cold shield, θ is set to θ j ~
When it is changed to zero, in addition to the improvement in D * due to the reduction in noise, the reduction of the signal by blocking the effective light flux occurs, so that NETD∽sin θ / tan 2 θ.
ここで、実際にはコールドシールド自体は固定された
ものであるので、コールドシールド自体の開口は結像光
学系からの有効光束を遮らない大きさとし、検知器と結
像光学系の間に所定の大きさの開口をもつミラーアパー
チャーを挿脱する構成をとると、冷えたコールドシール
ド自体からの放射がミラーアパーチャーで反射されて検
知器に入射することにより冷却負荷が軽減されるという
利点がある他、ミラーアパーチャー開口の大きさについ
ては次のようなことが言える。Here, since the cold shield itself is actually fixed, the opening of the cold shield itself has a size that does not block the effective light beam from the imaging optical system, and a predetermined distance is provided between the detector and the imaging optical system. The configuration of inserting and removing a mirror aperture with a large opening has the advantage that radiation from the cold cold shield itself is reflected by the mirror aperture and incident on the detector, thereby reducing the cooling load. Regarding the size of the mirror aperture opening, the following can be said.
即ち、検知器に入射する目標物体からの光量は、ミラ
ーアパーチャー開口の大きさが、検知器受光面の周縁に
到達する結像光学系からの光束のミラーアパーチャー配
置位置における通過領域の和集合(以下単に和集合とい
う)に相当する場合に最も高くなり(これ以上開口を大
きくしても迷光が増すだけであるから和集合以上に広げ
ることはここでは考えない)、開口を狭くしていくと光
量は減少していくが、迷光が減少して周囲の温度変化に
よる熱雑音が少なくなる。そして、開口の大きさを検知
器受光面の周縁に到達する結像光学系からの光束のミラ
ーアパーチャー配置位置における通過領域の積集合(以
下単に積集合という)に相当する大きさまで絞れば、周
囲の物体からの迷光は完全に遮断されることになる。That is, the amount of light from the target object incident on the detector is determined by the sum of the passing areas of the light beams from the imaging optical system reaching the periphery of the light receiving surface of the detector at the mirror aperture arrangement position (the size of the mirror aperture opening). (Hereinafter simply referred to as the union). It becomes the highest (if the aperture is further increased, the stray light only increases, so it is not considered here to expand beyond the union). Although the amount of light decreases, stray light decreases and thermal noise due to a change in ambient temperature decreases. Then, if the size of the aperture is reduced to a size corresponding to a product set (hereinafter simply referred to as a product set) of a passage area of the light beam from the imaging optical system that reaches the periphery of the light receiving surface of the detector at the position where the mirror aperture is arranged, the surrounding area is reduced. Stray light from the object will be completely blocked.
この際、ミラーアパーチャーを結像光学系の射出瞳位
置に配置することができれば和集合と積集合は一致する
わけであるから、光量,迷光の遮断の両面で最も望まし
わけであるが、実際の撮像装置において常に射出瞳位置
にミラーアパーチャーを配置できるとは限らない。従っ
て、和集合や積集合に相当する開口を有した複数のミラ
ーアパーチャーを設け、周囲温度や目標物体の放射量等
の条件に応じて挿脱することは、実用上、非常に意義あ
ることである。更に、ミラーアパーチャーの開口を積集
合に合致させる場合でも、ミラーアパーチャーの検知器
受光面(結像面)からの高さを高くすることができれ
ば、それだけ光量を増すことができるので、NETDが和集
合の場合より良くなる(小さくなる)可能性もある。At this time, if the mirror aperture can be arranged at the exit pupil position of the imaging optical system, the union and the intersection will match, so it is most desirable in terms of both light quantity and stray light blocking. It is not always possible to arrange the mirror aperture at the exit pupil position in the imaging device of the above. Therefore, providing a plurality of mirror apertures having openings corresponding to unions and intersections, and inserting and removing them according to conditions such as the ambient temperature and the radiation amount of the target object is very practically significant. is there. Furthermore, even when the aperture of the mirror aperture matches the intersection, if the height of the mirror aperture from the light receiving surface of the detector (imaging plane) can be increased, the amount of light can be increased accordingly. It may be better (smaller) than the set.
第1表は、ミラーアパーチャーを挿脱した場合の撮像
装置の特性をまとめて示したものである。表中、積集合
と和集合の比較は結像面からの高さが同じ場合について
行なっている。Table 1 summarizes the characteristics of the imaging device when the mirror aperture is inserted and removed. In the table, comparison between the intersection and the union is performed when the height from the imaging plane is the same.
なお、ミラーアパーチャーの開口は必ずしも積集合又
は和集合に合致させる必要はないが、検知器の中心と周
辺部での光量及びNETDの一様性(詳細実施例で説明)の
点からは、その中間ではなくどちらかに合致させること
が好ましい。 The aperture of the mirror aperture does not necessarily have to coincide with the intersection or union, but from the viewpoint of the amount of light at the center and the periphery of the detector and the uniformity of NETD (described in the detailed embodiment), It is preferable to match either but not the middle.
[実施例] 第1図は、本発明の第1実施例による赤外線撮像装置
要部の光路図である。FIG. 1 is an optical path diagram of a main part of an infrared imaging device according to a first embodiment of the present invention.
図において、赤外線検知器1は冷却器7上に載置さ
れ、結像光学系(レンズ5)からの有効光束を遮蔽しな
い大きさの開口(和集合に相当)をもつコールドシール
ド2によって取り囲まれている。コールドシールド2の
周囲には、上面に光学窓3aを備えた真空チャンバ3が配
置されている。また、レンズ5から検知器1に至る光路
中(この場合レンズ5と窓部材3aとの間)には凹面鏡か
らなるミラーアパーチャー4aが検知器1受光面の中心点
O付近に球面(必ずしも球面である必要はない)の中心
が位置するように配置されている。In the figure, an infrared detector 1 is mounted on a cooler 7 and is surrounded by a cold shield 2 having an opening (corresponding to a union) of a size that does not block the effective light beam from the imaging optical system (lens 5). ing. A vacuum chamber 3 having an optical window 3a on the upper surface is arranged around the cold shield 2. In the optical path from the lens 5 to the detector 1 (in this case, between the lens 5 and the window member 3a), a mirror aperture 4a composed of a concave mirror is provided near the center point O of the light receiving surface of the detector 1 (necessarily a spherical surface). (Not necessary).
このような撮像装置において、点Oとコールドシール
ド2の開口端とを結ぶ線が光軸となす角をθc,レンズ5
のF−numberから定まる角度をθj(tan θj=D/2f,s
f:焦点距離,D:レンズ5の有効口径)として、ミラーア
パーチャー4aの開口端と点0を結ぶ線が光軸となす角θ
を変化させる(アパーチャー4a開口の大きさを変える)
と、次のようなことが言える。In such an imaging apparatus, the angle formed by the line connecting the point O and the open end of the cold shield 2 with the optical axis is θ c ,
Is the angle determined from the F-number of θ j (tan θ j = D / 2f, s
f: focal length, D: effective aperture of lens 5), the angle θ between the optical axis and the line connecting the open end of mirror aperture 4a and point 0
(Change the size of aperture 4a opening)
The following can be said.
まず、NETDとθの関係は、先に説明したように、 NETD∽sin θ/tan2θj(π/2〜θj) NETD∽sin θ/tan2θ(θj〜零) であり、これをグラフ化すると第2図のようになる。First, as described above, the relationship between NETD and θ is NETD∽sin θ / tan 2 θ j (π / 2 to θ j ) NETD∽sin θ / tan 2 θ (θ j to zero). FIG. 2 shows this as a graph.
検知器1がポイントセンサではなく、多素子(エリア
センサ)であれば、有効光束が蹴られないようにコール
ドシールド2を配置すると θc>θj であるから、 sin θa/tan2θa=sin θc/tan2θj となるθaが0<θ<θjの範囲に存在する。If the detector 1 is not a point sensor but a multi-element (area sensor), then if the cold shield 2 is arranged so that the effective light beam is not kicked, then θ c > θ j , so sin θ a / tan 2 θ a = sin θ c / tan 2 θ j become theta a is present in the range of 0 <θ <θ j.
このθaに対して、θa<θ<θjの範囲では図に明
らかなように、検知器1中心の素子についてのNETDは、
コールドシールド2を絞りとした場合(θ=θC)より
小さくなり温度分解能が向上する。即ち、θa<θ<θ
jとなる開口のミラーアパーチャー4aを挿入することに
より、温度分解能を犠牲にせずに、迷光を減少させて周
囲の温度変化の影響を低減することができる。For this θ a, θ a <θ <As is apparent in FIG. In the range of theta j, NETD of elements of the detector 1 center,
It becomes smaller than the case where the cold shield 2 is an aperture (θ = θ C ), and the temperature resolution is improved. That is, θ a <θ <θ
By inserting the mirror aperture 4a having an opening of j , stray light can be reduced and the effect of a change in ambient temperature can be reduced without sacrificing temperature resolution.
ここで、第3図は検知器1(矩形)の4頂点に到達す
る光束のミラーアパーチャー4a配置位置における通過領
域を示したものであり、斜線部が4つの光束の通過領域
の積集合、太線で囲んだ領域が和集合である。レンズ5
からの光束をミラーアパーチャー4aで絞る際に、開口を
積集合(斜線部)に相当する大きさとすれば、検知器1
全体に均一な光量が入射することになる。即ち、ミラー
アパーチャー4aの開口を第1図太矢印で示される大きさ
とすれば、温度分解能の劣化や検知器の周辺部と中心の
感度ムラという不都合を生じることなく、周囲の物体か
らの熱雑音を押えることができる。Here, FIG. 3 shows the passing area of the light beam reaching the four vertices of the detector 1 (rectangle) at the position where the mirror aperture 4a is arranged. The area surrounded by is the union. Lens 5
When the aperture is made to have a size corresponding to the intersection (hatched portion) when the light beam from the lens is narrowed by the mirror aperture 4a, the detector 1
A uniform light amount is incident on the whole. That is, if the opening of the mirror aperture 4a is made to have the size indicated by the thick arrow in FIG. 1, thermal noise from surrounding objects will not occur without inconvenience such as deterioration of the temperature resolution and sensitivity unevenness between the periphery and the center of the detector. Can be held down.
また、第1図の4aのミラーアパーチャーを配置する程
スペースに余裕がないが、目標物体からの光量の確保よ
り熱雑音の低減を優先したい場合は、ミラーアパーチャ
ーの結像面からの高さを低くして第1図の4b,4cのよう
に配置しても良い。Further, there is not enough space to arrange the mirror aperture of 4a in FIG. 1, but if it is desired to prioritize reduction of thermal noise over securing of the amount of light from the target object, the height of the mirror aperture from the imaging plane should be increased. It may be lowered and arranged like 4b, 4c in FIG.
更に、上記においてはミラーアパーチャー開口を積集
合に合致させる場合について説明したが、和集合に合致
させても良いことは言うまでもなく、和集合の場合は周
囲の温度変化による熱雑音は積集合の場合よりは大きく
なるが、目標物体からの光量の損失を生じないという利
点がある。Furthermore, in the above description, the case where the mirror aperture opening is matched with the intersection is described. However, it is needless to say that the mirror may be matched with the union. However, there is an advantage that no light amount is lost from the target object.
なお、上述した実施例では、ミラーアパーチャーをそ
の中心が検知器受光面の中心にくるように配置している
が、半球状のミラーアパーチャーをその中心がコールド
シールド開口の中心に一致するように配置し、ミラーア
パーチャーとコールドシールドの間に設けた窓部材のア
ライメントマーク(ミラー側につける)と検知器受光面
が共役となるようにすれば、マークからの反射光がミラ
ーアパーチャーで反射されて検知器受光面に結像するの
で、ミラーアパーチャの位置決めを容易に行なうことが
できる。In the above-described embodiment, the mirror aperture is arranged so that its center is located at the center of the light receiving surface of the detector, but the hemispherical mirror aperture is arranged so that its center coincides with the center of the cold shield opening. If the alignment mark (attached to the mirror side) of the window member provided between the mirror aperture and the cold shield is made conjugate with the light receiving surface of the detector, the reflected light from the mark is reflected by the mirror aperture and detected. Since an image is formed on the light receiving surface of the device, the mirror aperture can be easily positioned.
次に、第4図は本発明の第2の実施例による赤外線撮
像装置要部の光路図である。Next, FIG. 4 is an optical path diagram of a main part of an infrared imaging device according to a second embodiment of the present invention.
図において、赤外線検知器101は結像光学系(簡単の
ため、単レンズ105からなり目標物体は無限遠にあると
する)の結像面が受光面(幅をaとする)と一致するよ
うに配置され、その周囲をコールドシールド102に取り
囲まれている。このコールドシールド102の開口(円
形)には所定の波長域の赤外線だけを透過するコールド
フィルタ106a,106b,106c(図では、説明のためコールド
フィルタの大きさの異なる場合を一緒に示してある)が
装着されている。In the figure, the infrared detector 101 has an image forming surface of an image forming optical system (for simplicity, a single lens 105 is assumed to be at infinity) so that an image forming surface coincides with a light receiving surface (width is a). And the periphery thereof is surrounded by the cold shield 102. In the opening (circle) of the cold shield 102, cold filters 106a, 106b, and 106c that transmit only infrared light in a predetermined wavelength range (for the sake of explanation, cases where the sizes of the cold filters are different are shown together). Is installed.
ここで、NETDは前述したようにレンズ105のF−numbe
r(F=f/D,f:焦点距離,D:有効口径)と検知器101の比
検出感度D*とによって、 NETD∽F2/D* と表わされ、絞り(第4図の場合コールドシールド10
2)の開口端と検知器101受光面の中心を結ぶ線が光軸と
なす角をθとすると、 D*(θ)=D*(2π)/sin θ (D*(2π):コールドシールド102を設けない場合
の比検出感度)の関係がある。Here, NETD is the F-numbe of the lens 105 as described above.
NETD∽F 2 / D * is given by r (F = f / D, f: focal length, D: effective aperture) and the specific detection sensitivity D * of the detector 101, and the aperture (in the case of FIG. 4) Cold shield 10
Assuming that the angle between the line connecting the opening end of 2) and the center of the light receiving surface of the detector 101 to the optical axis is θ, D * (θ) = D * (2π) / sin θ (D * (2π): cold shield) (The ratio detection sensitivity when no 102 is provided).
ここで、F=1,f=50mm,D=50mm,a=8mmとし、コール
ドシールド102開口の結像面からの高さをdとする。そ
して、図中(開口が和集合に合致し、有効光束が蹴ら
れない)及び(開口が積集合に合致し、有効光束が蹴
られる)の場合の高さをd=20mmとすると、,それ
ぞれの場合の1/NETDは次のようになる。なお、一定のコ
ールドシールド102開口に対する中心及び周辺の立体角
の差は無視するものとする。Here, F = 1, f = 50 mm, D = 50 mm, a = 8 mm, and the height of the aperture of the cold shield 102 from the imaging plane is d. If the heights in the figures (the aperture matches the union and the effective light beam is not kicked) and the (the aperture matches the intersection and the effective light beam is kicked) are d = 20 mm, then In this case, 1 / NETD is as follows. The difference between the solid angle at the center and the solid angle at the periphery with respect to the opening of the cold shield 102 is ignored.
(1/NETD)a=0.52/0.5≒0.42 (1/NETD)b=0.252/0.242=0.26 となり、の場合の方が温度分解能が1.6倍優れてい
る。(1 / NETD) a = 0.5 2 /0.5 ≒ 0.42 (1 / NETD) b = 0.25 2 /0.242 = 0.26, where the temperature resolution is 1.6 times better.
次に、d=20mmのの場合と同じレベルの温度分解能
を有するの場合(結像面からの高さを高くしてコール
ドシールド102開口を積集合に合致させる)のdを計算
すると、 (tan θc)2/sin θc=0.42 を解いて、 θc≒21.5゜,d=28mm となる。Next, when d has the same level of temperature resolution as in the case of d = 20 mm (the height from the imaging plane is increased to match the cold shield 102 opening with the intersection), d is calculated as follows. Solving θ c ) 2 / sin θ c = 0.42 gives θ c {21.5}, d = 28 mm.
即ち、,との場合のNETDは同一となり、このとき
のコールドフィルタ106a,106cの面積はおよそ2:1とな
り、の場合はに比べて吸収される熱量が減少する、
従って、コールドシールド102の高さを高くするスペー
スの余裕があれば、の構成をとることで温度分解能を
低下させずに、冷却負荷を軽減することができる。That is, NETD is the same in the case of, and the area of the cold filters 106a and 106c at this time is approximately 2: 1, and the amount of heat absorbed is smaller than in the case of
Therefore, if there is enough space to increase the height of the cold shield 102, the configuration described above can reduce the cooling load without lowering the temperature resolution.
この際、コールドシールド102の開口を絞っていく
と、第5図(a)に示されるようにθがθj(tan θj
=D/2f)に至るまでは、検知器101周辺に入射する光束
だけが蹴られて中心に到達する光束は遮られないので、
第5図(b)に示される如く光量,1/NETDの変化のし方
は検知器の中心と周辺で異なり、θ=θjのとき差が最
も大きくなる。θをθjを越えて小さくすると検知器10
1中心に至る光束も減少し、開口が積集合に合致したと
ころで周辺と中心の際が無くなる。即ち、検知器101受
光面の位置による感度ムラを回避するには、コールドシ
ールド102を和集合か積集合に合致させる必要がある。At this time, as the opening of the cold shield 102 is narrowed, θ becomes θ j (tan θ j ) as shown in FIG.
= D / 2f), only the light beam incident around the detector 101 is kicked and the light beam reaching the center is not blocked.
As shown in FIG. 5 (b), the way of changing the light amount and 1 / NETD differs between the center and the periphery of the detector, and the difference becomes maximum when θ = θ j . detector 10 and the theta reduced beyond theta j
(1) The luminous flux reaching the center is also reduced, and when the aperture coincides with the intersection, there is no border between the periphery and the center. That is, in order to avoid sensitivity unevenness due to the position of the light receiving surface of the detector 101, it is necessary to match the cold shield 102 with the union or intersection.
なお、の状態との状態(コールドシールド102開
口は結像面からの高さがと等しい位置で和集合に合致
し、開口にはコールドフィルタが装着されていない)を
比較すると、 (1/NETD)d=0.52/0.53≒0.47 (1/NETD)c=(1/NETD)a=0.42 となり、ほとんど差がなく、の場合より温度分解能は
優れている。従って、場合によってはの状態を選択す
ることも考えられる。In addition, when comparing the state with the state (where the cold shield 102 aperture matches the union at a position equal to the height from the image plane and the aperture is not equipped with a cold filter), (1 / NETD D = 0.5 2 /0.53≒0.47 (1 / NETD) c = (1 / NETD) a = 0.42, there is almost no difference, and the temperature resolution is superior to the case of Therefore, depending on the case, it is conceivable to select the state.
[発明の効果] 以上のように、本発明の赤外線撮像装置においては、
結像光学系とコールドシールドとの間に、結像光学系か
らの光束が通過する所定の大きさの開口を有した凹面鏡
からなるミラーアパーチャーが挿脱自在に配置されてい
るので、目標物体からの放射量や周囲の温度等の撮像条
件に応じて、所望の特性(熱雑音の低減,目標物体から
の光量の確保,温度分解能)を向上させることができ、
必要な特性を維持しつつ、装置の小型化及び冷却効率の
向上を図ることが可能である。この際、ミラーアパーチ
ャー開口を有効光束の和集合又は積集合に合致させれ
ば、ミラーアパーチャーの挿入によって検知器受光面の
位置による感度ムラが生じることがない。[Effects of the Invention] As described above, in the infrared imaging apparatus of the present invention,
Between the imaging optical system and the cold shield, since a mirror aperture composed of a concave mirror having an opening of a predetermined size through which a light beam from the imaging optical system passes is disposed so as to be freely inserted and removed, the target object can be moved away from the target object. The desired characteristics (reduction of thermal noise, securing of light quantity from the target object, temperature resolution) can be improved according to the imaging conditions such as the radiation amount of the light and the ambient temperature.
It is possible to reduce the size of the device and improve the cooling efficiency while maintaining the required characteristics. At this time, if the mirror aperture is made to coincide with the union or intersection of the effective light fluxes, the insertion of the mirror aperture does not cause sensitivity unevenness due to the position of the light receiving surface of the detector.
また、コールドフィルタを用いるにあっては、コール
ドシールド自体の開口を有効光束の積集合に合致させて
この開口にコールドフィルタを装着することによって、
温度分解能を犠牲にせずにコールドフィルタの小型化を
図り、冷却負荷を軽減することができる。In addition, when using a cold filter, the cold filter itself is made to match the intersection of the effective luminous flux by attaching the cold filter to this opening,
The size of the cold filter can be reduced without sacrificing the temperature resolution, and the cooling load can be reduced.
第1図は本発明の第1実施例による赤外線撮像装置を説
明するための光路図、第2図は絞りの開口角とNETDとの
関係を示すグラフ、第3図は第1図におけるミラーアパ
ーチャー開口位置での光束の通過領域を示す概念図、第
4図は本発明の第2実施例による赤外線撮像装置を説明
するための光路図、第5図(a),(b)は検知器受光
面の位置による感度ムラを説明するための概念図、第6
図は従来例を示す光路図である。 [主要部分の符号の説明] 1,101……赤外線検知器 2,102……コールドシールド 3……真空チャンバ 4a,4b,4c……ミラーアパーチャー 5,105……レンズ(結像光学系) 106a,106b,106c……コールドフィルタ 7……冷却器FIG. 1 is an optical path diagram for explaining an infrared imaging apparatus according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing a relationship between an aperture angle of a stop and NETD, and FIG. 3 is a mirror aperture in FIG. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a light beam passage area at an opening position, FIG. 4 is an optical path diagram for explaining an infrared imaging device according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 6 is a conceptual diagram for explaining sensitivity unevenness due to a surface position, FIG.
The figure is an optical path diagram showing a conventional example. [Description of Signs of Main Parts] 1,101… Infrared detector 2,102… Cold shield 3… Vacuum chamber 4a, 4b, 4c… Mirror aperture 5,105… Lens (imaging optical system) 106a, 106b, 106c… Cold filter 7 ... Cooler
Claims (3)
物体の像を結像する結像光学系と、前記検知器周囲から
の迷光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、 前記結像光学系と前記コールドシールドとの間に、結像
光学系からの光束が通過する所定の大きさの開口を有し
た凹面鏡からなるミラーアパーチャーが挿脱自在に配置
されたことを特徴とする赤外線撮像装置。An infrared imaging apparatus comprising: an infrared detector; an imaging optical system that forms an image of a target object on a light receiving surface of the detector; and a cold shield that shields stray light from around the detector. In the above, between the imaging optical system and the cold shield, a mirror aperture consisting of a concave mirror having an opening of a predetermined size through which a light beam from the imaging optical system passes is arranged so that it can be inserted and removed. An infrared imaging device characterized by the following.
器受光面の周縁に到達する前記結像光学系からの光束の
ミラーアパーチャー配置位置における通過領域の和集合
と積集合に相当する大きさの開口をそれぞれ有する第1
及び第2のミラーアパーチャーを備えたことを特徴とす
る請求項1記載の赤外線撮像装置。2. An aperture having a size corresponding to the union and intersection of passing areas of the light beam from the imaging optical system reaching the periphery of the light receiving surface of the detector at the mirror aperture arrangement position, as the mirror aperture. The first that each has
The infrared imaging device according to claim 1, further comprising a second mirror aperture.
物体の像を結像する結像光学系と、前記検知器周囲から
の迷光を遮蔽するコールドシールドと、前記結像光学系
からの光束を分光するコールドフィルタとを備えた赤外
線撮像装置において、 前記コールドシールドが前記検知器受光面の周縁に到達
する前記結像光学系からの光束のコールドシールド上面
における通過領域の積集合に相当する大きさの開口を有
し、該コールドシールドの開口に前記コールドフィルタ
が装着されたことを特徴とする赤外線撮像装置。3. An infrared detector, an imaging optical system for forming an image of a target object on a light receiving surface of the detector, a cold shield for blocking stray light from around the detector, and the imaging optical system A cold filter that disperses the light flux from the infrared light imaging device, wherein the cold shield is a set of light passing from the imaging optical system reaching the periphery of the light receiving surface of the detector on a cold shield upper surface. An infrared imaging apparatus having an opening of a corresponding size, wherein the cold filter is mounted in an opening of the cold shield.
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JPH03238982A JPH03238982A (en) | 1991-10-24 |
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