JP2966228B2 - コールドシールド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば赤外線撮像装置の
遮蔽に関わるものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来のコールドシールドの使用例
を示す赤外線撮像装置の一部を示す断面図である。本コ
ールドシールドは”Determining Background for Testi
ng Infrared Detectors”，John David Vincent，LASER
S & OPTRONICS P64-65，JUNE 1991 に示された従来例で
ある。図６において、２は赤外線検出器（以下検出器と
呼ぶ）、４はバッフル付きコールドシールド、５ａはフ
ロントバッフル、５ｂは第１センターバッフル、５ｃは
第２センターバッフル、６は視野外から入射する赤外
線、１０はコールドヘッド、１３は光学系の光軸、１４
は冷却器、１５は光学系、１６は目標とする物体から放
出される赤外線である。

【０００３】赤外線撮像装置は目標とする物体から放出
される赤外線１６を光学系１５により集光し、検出器２
により光電変換するものである。検出器２に入射した赤
外線が光電変換される時、ショット雑音と呼ばれる入射
光強度の平方根に比例した雑音が発生する。特に低雑音
化された回路を持つ赤外線撮像装置ではショット雑音が
支配的となる。よって、検出器２が受光する赤外線とし
て、可能なかぎり目標物から放出される赤外線１６のみ
に限定すると、装置雑音の低減ができる。この雑音低減
のためにコールドシールドが用いられる。コールドシー
ルド４は検出器２の視野を制限し、赤外線撮像装置内部
等より放出される赤外線から検出器２を遮蔽する遮蔽筒
である。コールドシールド４はそれ自体からの赤外線放
射を抑制するため冷却されている。冷却のためにコール
ドシールド４は冷却器１４により冷却されたコールドヘ
ッド１０に取り付けられている。またコールドシールド
４内壁は視野外から入射する赤外線６がコールドシール
ド４内壁で反射・散乱し検出器２に入射するのを防ぐた
め、赤外吸収率の高いコーティングが施されている。

【０００４】図７はバッフルの効果を示す断面図であ
る。図７において６ａ、６ｂ、６ｃは視野外から入射す
る赤外線である。図７に示すように、コールドシールド
４内部のフロントバッフル５ａはコールドシールド４内
壁への赤外線６ａの入射を防ぐ役割を持つ。バッフル５
ａが無い場合、図６の破線で示すように赤外線６ａがコ
ールドシールド内壁で反射・散乱し、その一部が検出器
に入射する。しかしバッフル５ａがある場合、上記赤外
線が直接コールドシールド４内壁に入射することを妨
げ、検出器２への赤外線入射量を抑制できる。第１セン
ターバッフル５ｂは内壁で反射・散乱する赤外線６ｂが
検出器２に入射するのを遮蔽する効果を持つ。また、フ
ロントバッフル５ａ同様、第１センターバッフル５ｂは
赤外線６ｃのコールドシールド４内壁への入射を防ぐ役
割を持つ。第２センターバッフル５ｃは第１センターバ
ッフル５ｂと同様の役割をする。以上の説明から分かる
ように、コールドシールド４の内壁から光軸方向へのバ
ッフル突出量が大きいほどコールドシールド４内壁で反
射・散乱し検出器２に入射する赤外線の遮蔽量が大き
い。また、バッフルの枚数が多いほど効果が大きいこと
も明らかである。

【０００５】また、従来カメラ等のレンズ鏡筒内壁には
鏡筒内での光の反射・散乱を抑えるために細かな溝を切
っているものがある。図８はカメラのレンズ鏡筒に設け
られた溝を拡大した断面図で、１７は鏡筒内に刻まれた
溝、１８は溝に入射する光である。この溝１７は以下に
示す効果を持つ。

【０００６】溝１７に入射した光１８は溝１７内部で図
８のように反射・散乱し溝１７の外部に出るものや溝１
７内部で多重反射するものがある。ここで溝１７を構成
する面での反射のみを考慮すると、光１８は１回の反射
につきコーティングの吸収率分減衰し、多重反射するこ
とで反射回数に応じた減衰が起こる。そのため、溝を持
たない面に比べて多重反射が生じる分、溝構造を用いる
ことで光を多く吸収することになる。また溝構造にする
ことで、バッフルのように内部への突出部分を必要とし
なくなるため鏡筒を小形化できる利点がある。

【０００７】しかし、溝構造によっては赤外線吸収効果
が十分得られない場合もある。図９は先の場合を示す断
面図である。図９において、２０は溝を構成する面、２
１は面２０に入射する赤外線、２２は溝外部に反射・散
乱する赤外線２１の範囲である。

【０００８】面に入射した赤外線は面の法線方向の半空
間内に反射・散乱する。図９に示す溝構造の場合、検出
器２の一部は面２０に入射する赤外線２１の反射・散乱
範囲２２内に存在するため、赤外線２１の一部が検出器
に入射する。従来は溝を構成する面での反射・散乱光の
振る舞いを考慮せず溝の構造を決定していたため、溝に
よる赤外線吸収効果が十分得られていなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】バッフルを持つ従来の
コールドシールドはバッフルの効果を十分得るためにコ
ールドシールドの内壁から光軸方向へのバッフル突出量
を大きくとる必要があった。そのためコールドシールド
が大型になり冷却するコールドヘッドも大型化し、冷却
器の負荷が増大するという課題があった。また、コール
ドシールド内壁に溝を刻むことによりコールドシールド
を小形化できるが、溝構造によっては溝で反射・散乱し
た赤外線が検出器に入射して赤外線吸収効果が十分得ら
れないという課題があった。

【００１０】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、熱負荷が小さく、かつ検出器に入
射するコールドシールド内壁での赤外線の反射・散乱光
を低減するコールドシールドを得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】コールドシールドへの入
射光に対する物体側開口の最大有効径端とコールドシー
ルドに対して物体側開口とは反対側に置かれた受光面の
最大有効径端とを結ぶ円錐台の側面より外側に、コール
ドシールドの内側へ凸の山を有する溝を設けた内側の面
を有するとともに、溝がコールドシールドが設けられる
光学系の光軸を含む面内で、光軸方向に対して物体側開
口の最大有効径端と山とを結ぶ線がなす角度以上の角度
で形成された物体側開口の側の傾斜線を有し、かつ、コ
ールドシールドが設けられる光学系の光軸を含む面内
で、光軸方向に対して受光面の最大有効径端と山を結ぶ
線がなす角度以上の角度で形成された受光面の側の傾斜
線を有するＶ字状断面をもつ溝を内側の面に備えた。 ま
たはコールドシールドへの入射光に対する物体側開口の
最大有効径端とコールドシールドに対して物体側開口と
は反対側に置かれた受光面の最大有効径端とを結ぶ円錐
台の側面より外側に、コールドシールドの内側へ凸の山
を有する溝を設けた内側の面を有するとともに、溝がコ
ールドシールドが設けられる光学系の光軸を含む面内
で、光軸方向に対して物体側開口の最大有効径端と山と
を結ぶ線がなす角度以上の角度で形成された物体側開口
の側の傾斜線よりコールドシールドの外側へ湾曲または
屈曲した線を有し、かつ、コールドシールドが設けられ
る光学系の光軸を含む面内で、光軸方向に対して受光面
の最大有効径端と山を結ぶ線がなす角度以上の角度で形
成された受光面の側の傾斜線よりコールドシールドの外
側へ湾曲または屈曲した線を有する断面をもつ溝を内側
の面に備えたことを特徴とするコールドシールド。 また
更に基本構成のコールドシールドにおいて、溝を螺旋状
に形成した。

【００１２】更に請求項４の発明のコールドシールド
は、受光レンズの最大有効直径端と受光面の最大有効直
径端とを結ぶ円錐台面を設定し、この円錐台面より外側
に外縁を有する複数の同心状バッフルを設け、同心状バ
ッフルのうち、受光面側のバッフルの直径を物体側であ
る受光レンズ側のバッフルの直径より小さくした。また
更に、受光レンズの最大有効直径端と受光面の最大有効
直径端とを結ぶ円錐台面を設定し、コールドシールドは
レンズ面側の直径より受光面側の直径を小さくした。

【００１３】

【作用】この発明によるコールドシールドでは、物体ま
たは受光レンズ側からの入射光は、コールドシールドに
照射される光は１度は遮蔽される。また冷却部分が小さ
くなり、冷却が有効に作用する。

【００１４】

【実施例】

実施例１．図１は本発明の一実施例を示す断面図であ
る。図１において図６〜８と同一符号は同一または相当
部分を示す。図１において１は本実施例のコールドシー
ルドである。コールドシールド１は光軸１３に対して回
転対称な内壁形状を持つ。また溝は、本実施例では、同
一間隔で刻まれている。以下、内壁形状は光軸１３に対
し回転対称なので溝形状の説明は光軸１３より左半分に
ついて行う。図１においてコールドシールド１内部、つ
まり光軸側に突出した先端部分を山と呼び（図１では
ｃ，ｄで表される）、外部方向に突出した先端部分、つ
まり光軸より遠い先端を谷と呼ぶ。１つの溝とは隣り合
った２つの山（ｃとｄ）に挟まれた部分を指す。また谷
を挟んで溝を２つの部分に分け、開口面７側を上方の
面、検出器２側を下方の面と呼ぶ。８はコールドシール
ド１内の任意の溝、９は溝８の下方の面、１１は溝８の
上方の面である。本実施例では、溝の数Ｎは８であり、
図の高さ方向、つまり開口面７と受光検出面２間でコー
ルドシールドの直径は同じにしてある。このコールドシ
ールドの形状に関しては、光学系の受光レンンズの最大
有効直径端と受光検出面の最大有効直径端とを結ぶ円錐
台の面より、コールドシールドの突き出した山が外側に
ある構造であればよい。

【００１５】具体的にコールドシールドの構造を確定す
るやり方を説明する。上記のように製作を容易にするた
めに図１の構造にし、その際のコールドシールドの直径
は、有効な入射赤外光の検出面への到達を妨げない大き
さであったとする。まず、開口面７の最外端ｂと１つの
溝の山の頂点ｄとを結ぶ線を、光軸１３との交点を中心
に回転した面を作る。後に述べるようにこれが図１の溝
の上方の面１１を形成する。同様に、検出面２の最外端
ａと上記の溝を形成する他の山の頂点ｃとを結ぶ線を、
光軸１３との交点を中心に回転した面を作る。これらの
面が形成する溝が図１の溝８である。そして、後者のな
す面が溝８の下方の面９である。以下、同様に、８つの
溝が形成できる。最上方の溝と、最下方の溝は１つの面
だけが設定できればよいことは明らかであろう。

【００１６】ここで図２に示すように開口面７内の任意
の点Ｐ、上方の面１１上の任意の点Ｑおよび検出器２上
の任意の点Ｒを考える。この場合線分ＰＱはコールドシ
ールド１内壁との交点Ｓを有するため、点Ｐを通り点Ｑ
方向に入射する赤外線はコールドシールド１内壁に遮ら
れる。よって赤外線は点Ｐ〜点Ｑ〜点Ｒという経路で検
出器２に入射しない。また、開口面７内の任意の点ｐ、
下方の面９上の任意の点ｑおよび検出器２上の任意の点
ｒを考える。この場合線分ｑｒはコールドシールド１内
壁との交点ｔを有するため、点ｐを通り点ｑに入射する
赤外線の反射・散乱光はコールドシールド１内壁に遮ら
れて点ｒに到達しない。よって赤外線は点ｐ〜点ｑ〜点
ｒという経路で検出器２に入射しない。つまり、コール
ドシールド開口面７内の任意の点Ｐを通過する直線とコ
ールドシールド１内壁の溝を構成する面との交点をＱと
し、検出器２上の任意の点をＲとするとき、線分ＰＱま
たは線分ＱＲとコールドシールド１内壁との交点が点Ｑ
以外に１つ以上存在する溝構造となる。従って、コール
ドシールド開口面７内から上記構造を持つ溝８に入射し
た赤外線の反射・散乱光が直接検出器２に入射すること
がない。

【００１７】よって上記溝構造を持った本実施例のコー
ルドシールドは検出器に入射するコールドシールド１内
壁での赤外線の反射・散乱光をが極めて少なく、検出器
２で生じるショット雑音を低減できる。またバッフルが
不要なためコールドシールド１の外径は開口面７の径に
近くでき、コールドシールド及びコールドヘッドを小型
化できるため、冷却器の熱負荷を低減できる。なお、上
記説明において山の頂点に部分点Ｑがあった場合を考え
ると、コールドシールド１内壁との交点は点Ｑのみとな
る。つまり点Ｑに入射した赤外線は反射・散乱し、その
一部は検出器２に入射する。しかし山の部分の面積は溝
を構成する面積に比べ十分小さいため、上記経路で検出
器２に入射する赤外線は無視できる。

【００１８】実施例２．実施例１では、溝の断面は直線
であったが、図２の詳細拡大図に示すように、山と谷と
を結ぶ面より内側にあれば同様の効果を生じる。

【００１９】実施例３．上記実施例では、開口面間方向
の各溝の間隔を同一としたが、同一でなくてもよい。更
に、上記実施例では、すべての溝が上方の開口面７内の
任意の点からの入射光に対して溝に遮られる構造とした
が、一部の溝がこの構造から外れていても、全体として
上記実施例の構造が採用できれば、実用的な遮蔽効果が
得られる。

【００２０】実施例４．本実施例は、上記実施例１にお
いてはコールドシールド内壁にリング状の溝を作ったの
に対し、螺旋状の連続のねじ溝としたものである。機械
工作でコールドシールドを作成する場合、溝１つ１つが
分かれた環状の溝を刻むことに比べ、連続螺旋状とする
ことにより大幅に製作が容易になる。

【００２１】実施例５．連続螺旋溝は、複数であっても
よい。なお、ねじ状の溝を交差させて網目状に刻んでも
同様の効果が得られる。

【００２２】実施例６．図３はこの発明によるコールド
シールドの他の実施例を示す断面図で、図３において前
出の図と同一符号は同一または相当部分を示す。図３に
おいて３は本実施例のコールドシールドである。

【００２３】図４は従来のコールドシールド４と本実施
例のコールドシールド３の寸法比較を行うための断面図
である。本発明のコールドシールド３は、開口面付近の
内壁間隔に比べ検出器面での内壁間隔が狭い形状にした
ため、コールドシールド３とコールドヘッド１０を小さ
くでき冷却機の熱負荷が低減できる。コールドシールド
３に取り付けたバッフルはフロントバッフルを除き従来
のバッフルに比べ光軸方向への突き出し量が小さいた
め、従来より枚数を増す必要がある。しかし一枚当たり
のバッフル寸法は従来のものに比べ小さいため、枚数の
増加で生じる熱負荷の増加は従来のバッフルを追加する
場合に比べ少ない。またコールドシールド３やコールド
ヘッド１０の小形化による熱負荷の低減量に比べればバ
ッフル枚数の増加による熱負荷の増加は十分小さい。な
お、内側寸法１６の決め方は、実施例１で説明した円錐
台に接する形状とする。

【００２４】実施例７．図５はこの発明によるコールド
シールドの他の実施例を示す断面図で、図５において前
出の図と同一符号は同一または相当部分を示す。図５に
おいて１９は本実施例のコールドシールドである。本実
施例では内壁に実施例１に示される構造の溝を有する。
この場合、図６に示すようにバッフルが不要となり目標
とする物体から放出される赤外線１６が通過する領域に
極めて近接してコールドシールドを設置できる。よって
最も小形のコールドシールドが実現でき、冷却器の熱負
荷を低減できる。また実施例１に示されるようにコール
ドシールド内壁で反射・散乱し検出器に入射する赤外線
を低減できる。

【００２５】実施例８． 上記実施例では、検出面を円形、光学系である受光レン
ズも円形とし、従って有効入射光は、円錐台形状で入射
してくる例を説明した。本実施例では検出面が四角又は
長方形としてもよい。この場合は検出面の四隅と受光レ
ンズの最大有効端とを結ぶ角円錐形状で入射するとすれ
ばよい。このように、上記実施例のコールドシールドは
光軸に垂直な断面が円として説明したが、これに限らず
上記断面の形状が楕円、矩形および多角形等の形状でも
よい。なお、実施例７ではコールドシールド内壁に実施
例１に示される構造の溝を設けているが、溝構造はこれ
に限る必要はない。なお、上記実施例のコールドシール
ドにはバッフルと溝を両方設けてもよい。

【００２６】また、上記実施例ではコールドシールド内
部に溝を設けたものについて説明したが、溝に限らずコ
ールドシールド内壁に凹凸を設けることにより赤外線の
吸収効果を高めることができる。例えばコールドシール
ド内壁に半球状の窪みを多数刻むことにより部分的に溝
と同様の効果を持たせることができる。窪みの形状は半
球状に限らず、円錐状、角錐状等の形状でも効果が得ら
れる。また、コールドシールド内壁に例えば円錐状の突
起物を取り付けることにより部分的に溝と同様の効果を
持たせることができる。突起物の形状は円錐状に限ら
ず、角錐状、半球状等の形状でも効果が得られる。ま
た、実施例１、２、４は内壁に溝を刻んだ構造としてい
るが、コールドシールド側面を薄い材質で作り、これを
折り曲げて溝を構成しても良い。

【００２７】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を有する。
コールドシールド内壁に規定のルールで刻んだ溝は検出
器に入射するコールドシールド内壁での赤外線の反射・
散乱光を低減し、かつコールドシールドおよびコールド
ヘッドを小型にする。また、開口面付近の内壁間隔に比
べ赤外線検出器面での内壁間隔が狭いコールドシールド
は、コールドシールドを小型にし、検出器で発生する雑
音を低減でき、かつ、冷却機の熱負荷を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１を示す断面図である。

【図２】この発明の実施例１および実施例２のコールド
シールド内壁の溝形状を説明する断面図である。

【図３】この発明の実施例６を示す断面図である。

【図４】この発明の実施例６と従来例のコールドシール
ドの寸法を比較する断面図である。

【図５】この発明の実施例７を示す断面図である。

【図６】従来の赤外線撮像装置を示す断面図である。

【図７】従来のコールドシールドに設けられたバッフル
の効果を説明する断面図である。

【図８】光学系の鏡筒に用いられる溝の効果を説明する
断面図である。

【図９】コールドシールド内壁に設けた溝の効果が十分
得られない場合を説明する断面図である。

【符号の説明】

１ コールドシールド ２ 検出器 ３ コールドシールド ６ 視野外から入射する赤外線 ７ コールドシールド開口面 ８ コールドシールド内壁の溝 ９ 溝８の下方の面 １１ 溝８の上方の面 １３ 光軸 １６ 目標とする物体から放出される赤外線 １９ コールドシールド

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 1/00 - 1/46 G01J 5/00 - 5/62

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コールドシールドへの入射光に対する物
   体側開口の最大有効径端と上記コールドシールドに対し
   て上記物体側開口とは反対側に置かれた受光面の最大有
   効径端とを結ぶ円錐台の側面より外側に、上記コールド
   シールドの内側へ凸の山を有する溝を設けた内側の面を
   有するとともに、上記溝が上記コールドシールドが設け
   られる光学系の光軸を含む面内で、上記光軸方向に対し
   て上記物体側開口の最大有効径端と上記山とを結ぶ線が
   なす角度以上の角度で形成された上記物体側開口の側の
   傾斜線を有し、かつ、上記コールドシールドが設けられ
   る光学系の光軸を含む面内で、上記光軸方向に対して上
   記受光面の最大有効径端と上記山を結ぶ線がなす角度以
   上の角度で形成された上記受光面の側の傾斜線を有する
   Ｖ字状断面をもつ溝を上記内側の面に備えたことを特徴
   とするコールドシールド。
2. 【請求項２】 コールドシールドへの入射光に対する物
   体側開口の最大有効径端と上記コールドシールドに対し
   て上記物体側開口とは反対側に置かれた受光面の最大有
   効径端とを結ぶ円錐台の側面より外側に、上記コールド
   シールドの内側へ凸の山を有する溝を設けた内側の面を
   有するとともに、上記溝が上記コールドシールドが設け
   られる光学系の光軸を含む面内で、上記光軸方向に対し
   て上記物体側開口の最大有効径端と上記山とを結ぶ線が
   なす角度以上の角度で形成された上記物体側開口の側の
   傾斜線より上記コールドシールドの外側へ湾曲または屈
   曲した線を有し、かつ、上記コールドシールドが設けら
   れる光学系の光軸を含む面内で、上記光軸方向に対して
   上記受光面の最大有効径端と上記山を結ぶ線がなす角度
   以上の角度で形成された上記受光面の側の傾斜線より上
   記コールドシールドの外側へ湾曲または屈曲した線を有
   する断面をもつ溝を上記内側の面に備えたことを特徴と
   するコールドシールド。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のコールド
   シールドにおいて、上記溝が螺旋状に形成された上記内
   側の面を有することを特徴とするコールドシールド。
4. 【請求項４】 受光レンズの最大有効直径端と受光面の
   最大直径端とを結ぶ円錐台面を設定し、上記円錐台面よ
   り外側に外縁を有する複数の同心状バッフルを設け、上記複数の同心状バッフルのうち、受光面側のバッフル
   の直径を物体側である受光レンズ側のバッフルの直径よ
   り小さくした コールドシールド。
5. 【請求項５】 受光レンズの最大有効直径端と受光面の
   最大有効直径端とを結ぶ円錐台面を設定し、上記コール
   ドシールドは上記レンズ面側の直径より上記受光面側の
   直径を小さくしたことを特徴とする請求項１項または請
   求項２項記載のコールドシールド。