JP3772904B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線撮像装置に係り、特に、光学系中のアフォーカル第一結像面における赤外線検知素子の投影像の温度変動による大きさの変動、光学系内に設けられる水平走査ミラーを走査する水平スキャナの温度変動を考慮した走査角の縮減、及び、測定対象物体が放射する赤外線の取り込みを行なわない無効走査領域の縮減によって水平スキャナを小型化し、又、基準温度熱源が放射する赤外線を光学系に導入する反射ミラーの調整機構を簡易化し、温度基準熱源を小型化することによって実現される小型の赤外線撮像装置に関する。

赤外線撮像装置は、物体がその温度と一義的な関係を持って放射する赤外線を検知して、検知した赤外線の強度に応じた輝度表示又は色表示を行なう。
つまり、上記輝度表示又は色表示によって当該物体の表面の温度分布を測定する装置である。

そして、最大の特徴は測定対象の物体に直接触れずに温度を測定できるという点にある。

この非接触で温度測定できるという特徴を生かして、ビル管理システム等において火災検知装置として適用されることも多く、又、化学プラントや原子炉のように人が近づくことが困難か、入ること自体が危険な箇所の温度測定には不可欠となっており、その用途は拡大の一途を辿っている。

広がりつつある用途の中で、特に医療分野のように人体の疾患を発見したり、スポーツ医学分野のように身体の生理的或いは物理的な変化を検出するために使われる場合には、非常に高い精度と確度での温度測定が要求される。

かくの如く、近年、赤外線撮像装置には高精細化の要求が強くなっている。

又、セキュリティ管理や警備、防衛のために使われる場合にも、非常に高い精度が要求されると同時に誤認がないことが極めて重要であり、加えて、セキュリティ管理や警備、防衛のためのアクションを短時間で確実に行なうことができる必要がある。

このため、視野角の拡大及び表示の高速化に対する要求も強くなっており、同時に装置の小型化も急務となっている。

特に、視野角を拡大するには水平スキャナの走査角を広げることが必要になるが、走査角の増加のためには水平スキャナの駆動力を増加する必要があるために、視野角の拡大と装置の小型化は相矛盾する要求である。

又、視野角を拡大した上で表示を高速化するためには水平スキャナの走査を高速化する必要があるが、走査の高速化のためにも水平スキャナの駆動力を増加する必要があるために、走査の高速化と装置の小型化も相矛盾する要求である。

本発明は、このように相矛盾する厳しい要請に応える小型の赤外線撮像装置に関するものである。

図１１は、従来の赤外線撮像装置の構成で、従来の赤外線撮像装置の機能を示す目的で主要な構成要素を、機構的な物は模式的に、電気的な物はブロック図で図示したものである。

図１１において、１は赤外線検知器、２ａはイメージ・レンズ系、３ａは水平スキャナ、４ｂ及び４ｃは温度基準熱源、５ａはアフォーカル・レンズ系、６ａは熱源導入光学系、７は画像処理系、８は熱源温度制御系である。

該赤外線検知器１は、主として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＣｄＴｅ）によって代表される赤外線検知素子１１、循環冷却器やジュール・トムソン冷却器などの冷却器１２、真空容器１３、該真空容器１３に設けられたゲルマニウム（Ｇｅ）などによる赤外線を透過する窓１４によって構成される。

尚、赤外線検知素子１１を冷却器１２を備えた真空容器１３中に設置して８０Ｋ（Ｋは絶対零度を基準とする温度の単位で、英国のケルビン卿に因んで“ケルビン”と呼ばれる
温度の単位であるが、“°”は付けずに標記する。）程度の極低温で赤外線検知素子を動作させるが、これは、赤外線が照射されていない状態で赤外線検知素子が生成する電気信号（これを暗電流と呼ぶ。）を抑圧して、赤外線検知素子が赤外線を受けて生成する電気信号の信号対雑音比を向上させるためである。

該イメージ・レンズ系２ａについては、イメージ・レンズ系第三レンズ２６のみを図示している。

該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、水平スキャナ制御用角度検出器３２及び光学式角度検出器３４ａを図示している。

該温度基準熱源４ｂ及び４ｃは、主として、ペルチエ素子によるサーモ・モジュール４１、該サーモ・モジュール４１によって温度を制御される温度基準板４２、該サーモ・モジュール４１が吸熱する熱量と発熱する熱量の和の熱量の放熱効率を高めるために設けられる放熱フィン４３、該放熱フィン４３から効率よく放熱させるために設けられるファン４４によって構成される。

該アフォーカル・レンズ系５ａについては、対物レンズ・ユニット５１とリレー・レンズ系第二レンズ５２２のみを図示している。

該熱源導入光学系６ａについては、熱源導入レンズ系６１と反射ミラー６２を図示している。

該画像処理系７ａは、該赤外線検知器１が検出した赤外線強度に応じて出力する電気信号を増幅する増幅器７１、該増幅器７１の出力を受けて該水平スキャナ制御用角度検出器３２及び該光学式角度検出器３４の出力を参照して信号処理する信号処理回路７２ａ、該信号処理回路が出力する画像信号に対して表示のための処理を加える画像処理回路７３及び画像を表示する陰極線管や液晶ディスプレイなどによるモニタ７４によって構成される。

該熱源温度制御系８は、高温側の温度基準板の温度を算出して対応する電圧を出力する高温側指令電圧生成回路８１、低温側の温度基準板の温度を算出して対応する電圧を出力する低温側指令電圧生成回路８１ａ、該信号処理回路７２で検出した高温側温度基準板の温度を対応する電圧に変換する高温側検出電圧生成回路８２、該信号処理回路７２ａで検出した低温側温度基準板の温度を対応する電圧に変換する低温側検出電圧生成回路８２ａ、該高温側指令電圧生成回路８１の出力から該高温側検出電圧生成回路８２の出力を減算する加算回路８３、該低温側指令電圧生成回路８１ａの出力から該低温側検出電圧生成回路８２ａの出力を減算する加算回路８３ａ、該加算回路８３の出力を電力増幅する電力増幅器８４、該加算回路８３ａの出力を電力増幅する電力増幅器８４ａによって構成される。

図１１の構成は、概ね下記のように動作して測定対象物体が放射する赤外線を画像化して表示する。

まず、被測定物体が放射する赤外線は対物レンズ・ユニット５１を経由してアフォーカル・レンズ系５ａに導かれてアフォーカル第一結像面ａに結像される。

この、被測定物体が放射する赤外線がアフォーカル第一結像面ａに結像される範囲が有効走査領域ｂ（これについては、後で図１４乃至図１６によって詳細に説明する。）である。

アフォーカル第一結像面ａ上に結像された赤外線は、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を経由して水平走査ミラー３１に導かれて反射され、イメージ・レンズ系２ａを経由して赤外線検知器１に導かれ、赤外線検知素子１１上に結像される。

赤外線検知素子１１によって生成された電気信号は増幅器７１を経由して信号処理回路７２ａに導かれ、赤外線検知素子毎のばらつきを補正された後画像処理回路７３において水平走査ミラー３１での走査によって形成された２次元画像からモニタ７４での走査方式に合致する２次元画像に変換され、最後に該モニタ７４において表示される。

一方、温度基準板４２が放射する赤外線は熱源導入光学系６ａを経由してアフォーカル第一結像面上ａの無効走査領域ｃ（これについては、後で図１４乃至図１６によって詳細に説明する。）からアフォーカル・レンズ系５ａに導入され、水平走査ミラー３１によって反射されてイメージ・レンズ系２ａに導かれて、被測定物が放射する赤外線を計測していない時に赤外線検知器１の赤外線検知素子１１上に結像される。

赤外線検知素子１１によって生成された電気信号は増幅器７１に導かれて増幅され、信号処理回路７２ａにおいて赤外線検知素子毎のばらつきを補正され、以降は測定対象物体が放射する赤外線画像と同様に処理されてモニタ７４に表示される。

さて、測定対象の物体が放射する赤外線量に対応する電気信号から、信号処理回路７２はシーン温度平均値を算出し、該シーン温度平均値を基準に２つの温度基準板に設定する温度を算出する。

こうして算出された高温側の温度基準板の温度と低温側の温度基準板の温度情報は、それぞれ、高温側指令電圧生成回路８１と低温側指令電圧生成回路８１ａに供給され、温度基準板に設定する温度に対応する電圧が生成される。

又、該信号処理回路７２ａは、温度基準板が放射する赤外線強度によって温度基準板の温度を無効走査領域において計測する。
こうして計測された高温側の温度基準板の温度と低温側の温度基準板の温度は、それぞれ、高温側検出電圧生成回路８２と低温側検出電圧生成回路８２ａに供給され、検出温度に対応する電圧が生成される。

該高温側指令電圧生成回路８１の出力電圧と該高温側検出電圧生成回路８２の出力電圧の差を該加算回路８３によって求めて、電力増幅器８４を介して高温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。

同様に、該高温側指令電圧生成回路８１ａの出力電圧と該高温側検出電圧生成回路８２ａの出力電圧の差を該加算回路８３ａによって求めて、電力増幅器８４ａを介して低温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。

即ち、該熱源温度制御系８は負帰還によって温度基準板の温度を制御している。

又、水平スキャナ制御用角度検出器３２及び光学式角度検出器３４ａが走査角を検出して出力するパルスを信号処理回路７２に供給して、画像処理及び表示の基準信号とする。

ここまでにおいて従来の赤外線撮像装置の構成と大まかな動作を説明した。

以下においては、図１１に示した従来の赤外線撮像装置の構成の主要構成要素について詳細に説明する。

図１２は、１次元赤外線検知素子の代表的な素子配列を示す図である。

図１２に示しているものが図１１における赤外線検知素子１１であり、基板１１１の上に複数の単位赤外線検知素子１１２が水平走査方向に対して垂直に整列配置されている。
そして、図１２においては、奇数番目の単位赤外線検知素子（図では奇数領域と標記している。）と偶数番目の単位赤外線検知素子（図では偶数領域と標記している。）が異なる位置に整列している例を示している。

尚、図１２においては基板１１１上の配線パターン及び赤外線検知素子から外部に引き出す配線などは図示を省略している。

さて、赤外線検知素子はシリコン（Ｓｉ）のような単結晶半導体ではなく、水銀（Ｈｇ）、カドミウム（Ｃｄ）及びテルル（Ｔｅ）の混合融液から析出して形成されるＨｇＣｄＴｅ合金の平板から切り出して得る素子である。

従って、ＨｇＣｄＴｅ合金の平板の組成は、析出したＨｇＣｄＴｅ合金の平板と混合融液との接触界面における水銀、カドミウム及びテルルの組成によって決まるが、混合融液内の接触界面における水銀、カドミウム及びテルルの組成は析出が進むにつれて水銀、カドミウム及びテルルの組成が変化するのに加えて、接触界面内の位置によっても水銀、カドミウム及びテルルの組成が異なるのが実情である。

従って、混合融液から析出したＨｇＣｄＴｅ合金の平板の組成はミクロには一定ではない。
このために、混合融液から析出したＨｇＣｄＴｅ合金の平板から切り出された単位赤外線検知素子の間には特性のばらつきがあり、各々の単位赤外線検知素子が同じ強度の赤外線を検出しても出力の電気信号にはばらつきが生ずる。

図１３は、赤外線検知素子の出力のばらつきで、２つの赤外線検知素子間（図では、素子Ｎｏ．１、素子Ｎｏ．２と標記している。）の出力のばらつきを説明するものである。

図１３において、横軸はシーン温度、縦軸は赤外線検知素子の電気出力（図では、素子出力と標記している。）である。

赤外線検知素子は、図１３に示す如く、シーン温度に対して非直線な特性を持っている。
そして、赤外線検知素子毎に同一温度における電気出力の絶対値のばらつき（これがオフセットである。）と、同一温度における非直線カーブの傾き（これが感度である。）のばらつきがある。

この感度のばらつきとオフセットを放置して温度測定をすると、当然測定結果には誤差が含まれ、赤外線撮像装置の測定確度の低下の原因になる。

この誤差を抑圧するために、温度測定開始前又は温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子毎の定常偏差を補正する。
これが２点補正である。

即ち、温度をシーン平均温度の上下（図では、Δｔ1 、Δｔ2 と標記されている温度幅である。）に追従制御された２つの温度基準板が出力する赤外線を赤外線検知器に導入して全ての単位赤外線検知素子に同一温度の物体が放射する赤外線を検知させ、赤外線検知素子毎の感度と赤外線検知素子間のオフセットを補正する。

そして、２つの温度基準板の設定温度差が大きいとその内側で誤差が大きくなり、２点の温度差が小さいとその外側で誤差が大きくなる。
高精度の赤外線撮像装置においては、通常上記Δｔ1 、Δｔ2 を数℃に設定する。

又、測定対象物体によってシーン平均温度が大幅に変動すると、赤外線検知素子の非直線特性によってオフセットと感度の定常偏差が変動する。

この変動を抑圧するために、シーン平均温度の変化を含めて温度基準板の温度を制御するようにしている訳である。

ところで、２点補正を温度測定前に行なう方式と、温度測定中に行なう方式がある旨記載したが、温度測定中に赤外線撮像装置を構成する回路の特性や温度基準板の温度等にドリフトが生ずると測定誤差の原因になるので、高精度な赤外線撮像装置においては温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子毎の定常偏差を温度変動の影響も含めて補正する無効走査領域方式が採用されることが多い。

これで、ほぼリアル・タイムで赤外線検知素子毎の感度の偏差とオフセットを補正することができるので、温度測定の精度と確度を高く保つことができるからである。

さて、図１２の如き１次元赤外線検知素子の視野を、水平スキャナによって水平走査ミラーを１次元赤外線検知素子が整列している方向と垂直な方向に一定速度で走査することによって２次元画像を得る。

図１４は、２次元画像を得るための水平スキャナの走査波形である。

１回の走査では一定方向に一定速度で走査するが、必要な視野角の範囲で走査を繰り返すためにフライ・バックさせる必要があるので、走査波形は図１４に示す如く鋸歯状波様になる。

このうち、２次元画像の生成を行なう有効走査領域（図１１でｂと標記している領域である。）は右上がりの傾斜の中で一定速度で走査している直線部に対応する。

一方、全走査領域の中で有効走査領域の外側の領域が無効走査領域（図１１でｃと標記している領域である。）である。

上記の、温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子ごとの定常偏差を補正する無効走査領域方式とは、この無効走査領域において異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に挿入する方式である。

そして、無効走査領域方式によって２点補正が正確に行なわれるためには、無効走査領域において温度基準板４２が出力する基準の赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は有効走査領域を通る測定対象の赤外線を受けてはならない。

一方、有効走査領域を通る測定対象が放射する赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は温度基準板４２が放射する赤外線を受けてはならない。

即ち、無効走査領域と有効走査領域とが干渉しないことが絶対的に必要である。

図１５は、従来の水平走査範囲と反射ミラーの位置を示す図である。

図１５（イ）は、赤外線検知素子の大きさを無視できる場合の有効走査領域である。

赤外線検知素子の大きさを無視することができるとしているから、有効走査領域は視野角の範囲に等しくなる。

図１５（ロ）は、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域である。

尚、図１５（ロ）以降の、長方形をたがいちがいにつないだ形状のものは図１２に示した赤外線検知素子を表し、各々の長方形が図１２に示した赤外線検知素子における奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子の列を表しており、上に出ている方が奇数領域の赤外線検知素子、下に出ている方が偶数領域の赤外線検知素子である。

まず、奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子の境界が図１５（イ）の視野角のところまで走査された状態（正確に表現すると、アフォーカル第一結像面上の赤外線検知素子の投影像が図１５（ロ）の破線で示された位置まで走査された状態）を考えると、奇数領域の赤外線検知素子はまだ視野角の全ての画像の取り込みを完了していないのに対して、偶数領域の赤外線検知素子は既に視野角全ての画像の取り込みを完了している。

従って、視野角から奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮだけ外側まで走査して初めて視野角全ての画像の取り込みが完了する。

即ち、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域は、図１５（ロ）に示す如く、視野角に奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮを加えた領域になる。

図１５（ハ）は、反射ミラーの設置可能位置である。

従来は、赤外線検知素子が有効走査領域の外側に更に赤外線検知素子の大きさＮだけとった領域まで走査されていると考えて、そこから温度変動も含んだ水平スキャナの走査角の誤差Ｚと温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓを見込んで反射ミラーの設置位置としていた。

図１５（ニ）は、温度基準熱源データ取り込み開始位置である。

図１５（ニ）に示す如く、赤外線検知素子の投影像が反射ミラーの領域内に、温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓだけ入ったところから温度基準熱源のデータの取り込みを開始する。

図１５（ホ）は、温度基準熱源データ取り込み終了位置である。

図１５（ホ）に示す如く、所要角度Ｈだけ走査して所要サンプル数のデータを取得して温度基準熱源データの取り込みを終了する。

従って、水平スキャナは有効走査領域に加えて、
Ｎ＋Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈ
で決まる無効走査領域を走査することになる。

図１６は、従来の水平走査ミラーの所要振角で、上記のことを再度表現しなおしたものである。

即ち、従来の水平走査ミラーの振角は
有効走査領域＋Ｎ＋Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈ
である。

しかも、赤外線検知素子の投影像の大きさ自体も温度変動するので、図１５及び図１６における赤外線検知素子の大きさにはそれも考慮する必要がある。

図１７は、赤外線検知素子の投影像の大きさの変動を説明する図で、図１７（イ）は、アフォーカル第一結像面での光束の断面図、図１７（ロ）は、アフォーカル第一結像面での投影像の大きさである。

図１７（イ）において、実線は常温時の光束の断面図、破線は温度変動時の光束の断面図である。

このように、アフォーカル第一結像面での光束の直径が温度によって変動するのは、アフォーカル・レンズ系を構成するレンズの焦点距離が温度変動したり、アフォーカル・レンズ系自体の光路長が温度変動するためである。

ここで、アフォーカル第一結像面での投影像の大きさとは、図１７（イ）においてｄで示した方向から見た投影像の大きさのことであり、図１７（ロ）は、常温時の光束がアフォーカル第一結像面上で大きさＷの像を結ぶのに対して、温度変動時の光束はアフォーカル第一結像面上で大きさＷ’の像を結ぶことを示している。

かくの如く、赤外線検知素子のアフォーカル第一結像面での投影像の大きさは温度変動するので、これを考慮して無効走査領域を設定する必要がある。

次に、図１８は、図１１において符号３４ａを付して示した従来の光学式角度検出器の構成で、水平走査ミラー３１及び該水平走査ミラー３１上に設けられる水平スキャナ制御用角度検出器３２も併せて、概略を図示してある。

尚、図１８は従来の光学式角度検出器を、該光学式角度検出器の光軸中心を含む水平な面で切った時の断面図である。

図１８において、３４０は該光学式角度検出器３４の筐体、３４１は発光ダイオード（通常ＬＥＤと呼ばれる物である。）、３４２は該発光ダイオード３４１の出力光を平行光にするコリメータ・レンズ、３４３は該コリメータ・レンズ３４２の出力光を折り返すために反射させる反射ミラー、３４４はフォト・ダイオード、３４５は該水平走査ミラー３１の角度が該反射ミラー３４３の反射光の光軸に対して４５°の時に反射光を該フォト・ダイオードの受光面に集光する集光レンズ、３４６ａは該発光ダイオード３４１と該フォト・ダイオード３４４にバイアスを供給すると共に、該水平走査ミラーが４５°の時に反射する光を受けて該フォト・ダイオード３４４が出力するパルスを図１１の信号処理回路７２に供給する制御基板である。

又、該水平スキャナ制御用角度検出器３２の出力も図１１の信号処理回路７２ａに供給される。

即ち、図示されていない水平スキャナが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査する時刻に出力されるパルスが信号処理回路７２に供給される。

尚、該筐体３４０への該発光ダイオード３４１、該コリメータ・レンズ３４２、該反射ミラー３４３、該フォト・ダイオード３４４、該集光レンズ３４５の固定手段及び該制御基板３４６の実装手段の説明は必要がないので省略する。

又、水平走査ミラー３１及び水平スキャナ制御用角度検出器３２についても、装着手段の説明は必要ないので省略する。

図１９は、従来の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号を示す図である。

図１９（イ）は、水平スキャナの走査波形を水平スキャナ制御用角度検出器で検出した電気信号の波形である。

実際には鋸歯状波様の波形の最高及び最低付近では丸みを帯びた波形になる（図１４参照）が、図示を簡単にするために、丸みを取り除いて完全な鋸歯状波で図示している。

図１９（イ）において、実線で示した波形が常温での水平スキャナ制御用角度検出器で検出した電気信号の波形で、２点鎖線で示した波形が環境温度変動の影響を受けた水平スキャナ制御用角度検出器で検出した電気信号の波形である。

図１９（ロ）は、光学式角度検出器３４の出力で、図１８におけるフォト・ダイオード３４４が水平走査ミラーの走査角度が４５°であることを検出して出力するパルスである。

図１９（ハ）は、水平スキャナ制御用角度検出器３２の出力で、水平スキャナ制御用角度検出器３２が水平スキャナが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査していることを検出して出力するパルスである。

上記２つの角度検出器が出力する図１９（ロ）と図１９（ハ）のパルスを基準信号として画像データの取り込みと温度基準熱源データの取り込みを行なう。

即ち、光学式角度検出器が水平スキャナの角度が光軸に対して４５°であることを検出して出力するパルスのうち、走査角度が増加中に出力されるパルスＣを基準に、所定の時間ＴＣを経過した時刻に画像データの取り込みを開始する。

この時刻は、水平スキャナが無効走査領域における走査から有効走査領域における走査に入る時刻で、走査速度は設計上判っているので時間ＴＣの設定は可能である。

尚、フライ・バック中にも水平スキャナの角度が光軸に対して４５°になり、光学式角度検出器３４はこの時刻でもパルスＤを出力するが、走査角が減少していることを検出する比較器の出力によってこのパルスＤをマスクすることは容易にできるので、画像データ取り込みタイミングを誤ることはない。

一方、水平スキャナ制御用角度検出器３２が出力するパルスを使って温度基準熱源データの取り込みを制御する。

温度基準熱源は高温側と低温側の２個あるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングは２つ必要である。

これは、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第一の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとし（図では、符号Ｅを付している。）、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第二の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとすれば（図では、符号Ｆを付している。）よい。

尚、水平スキャナ制御用角度検出器３２は上記Ｅ及びＦのパルス以外に、有効走査領域と無効走査領域間を移行するタイミングにパルスを出力するが、上記と同様な原理でマスクすることができるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングを誤ることはない。

図２０は、温度基準熱源と温度基準熱源導入光学系及び反射ミラーの構成を模式的に示す図で、図２０（イ）は温度基準熱源と温度基準熱源導入光学系及び反射ミラーの構造を示す。

尚、図２０（イ）は、温度基準熱源導入光学系の光軸中心を含む水平な平面で温度基準熱源導入光学系及び温度基準熱源を切った断面図である。

又、図２０（ロ）は図２０（イ）においてｅの方向から見た反射ミラー及び反射ミラー固定台のｅ矢視図、更に、図２０（ハ）は図２０（ロ）においてｆの方向から見た反射ミラー及び反射ミラー固定台のｆ矢視図である。

図２０において、４１はサーモ・モジュール、４２は温度基準板、４３は放熱フィン、４４はファンで、温度基準熱源を構成する。

ここで、該サーモ・モジュール４１はペルチエ素子でできており、電流を印加することによって２面あるセラミック面の一方の面から吸熱し、もう一方の面から放熱する。

そして、電流の方向を変えることによってヒータとしても冷却機として使用することができる。

該サーモ・モジュール４１は、自身が発熱する熱量と吸熱する熱量の和の熱量を放熱側から放熱することによってその性能を発揮する。

該放熱フィン４３及びファン４４は該サーモ・モジュール４１からの放熱効果を高めるために使用されている。

又、図２０において、５２３はアフォーカル・レンズ系を構成する鏡筒、６１は熱源導入光学系を構成する熱源導入レンズ系、６２は熱源導入光学系を構成する反射ミラー、６３は該反射ミラーを固定する反射ミラー固定台である。

更に、６３１は該反射ミラー固定台６３を該鏡筒５２３に固定するねじ、６３２は該反射ミラー固定台６３を構成する第一のブロック、６３３は該反射ミラー固定台６３を構成する第二のブロック、６３４は該反射ミラー固定台を構成する第三のブロック、６３５及び６３６はねじである。

まず、該反射ミラー６２は該反射ミラー固定台６３を介して該アフォーカル・レンズ系を構成する鏡筒５２３にねじ止め固定されている。

そして、該反射ミラー６２の温度変動による寸法の変動と、該反射ミラー固定台の取り付け位置の誤差を吸収するために、該第一のブロック６３２と該第二のブロック６３３は図２０（ロ）のｇに示すあり溝で嵌合しており、紙面に垂直な方向に位置調整ができるようになっており、同様な目的で該第二のブロック６３３と該第三のブロック６３４は図２０（ハ）のｈに示すあり溝で嵌合しており、紙面に平行な方向に位置調整ができるようになっている。

尚、該ネジ６３５は熱源導入光学系の光軸に平行な方向での位置調整後に該第二のブロックと該第三のブロックを固定し、該ネジ６３６は熱源導入光学系の光軸に垂直な方向での位置調整後に該第位置ブロックと該第二のブロックを固定する。

反射ミラーの位置を正確に設定するために反射ミラー固定台を位置調整可能にしているため、反射ミラー周辺の機構を大型化させ、ひいては赤外線撮像装置を大型化させる原因になっている上に、アフォーカル・レンズ系の鏡筒の中で位置調整をしなければならないために位置調整が困難であった。

課題を解決するための手段は、反射ミラーを温度基準熱源導入系の鏡筒と一体にする技術である。

課題を解決するための手段によれば、温度基準熱源導入系の光束と反射ミラーの相対位置の調整が簡単な機構で可能になるために、赤外線撮像装置を小型化することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、以下に列挙する効果を奏する赤外線撮像装置を実現することができる。

温度基準熱源導入系の光束と反射ミラーの相対位置の調整機構が簡易になって、赤外線撮像装置を小型化することができる。

図１は、本発明の赤外線撮像装置の構成（その１）で、赤外線撮像装置の構成を一部簡略化しながら実体図的に示す図である。

又、図２は、本発明の赤外線撮像装置の光学系の構成である。

更に、図３は、本発明の赤外線撮像装置の構成（その２）で、本発明の赤外線撮像装置の機能を示す目的で主要な構成要素を、機構的な物は模式的に、電気的な物はブロック図で図示したものである。

まず、図１において、１は赤外線検知器、２はイメージ・レンズ系、３は水平スキャナ、４及び４ａは温度基準熱源、５はアフォーカル・レンズ系である。

該イメージ・レンズ系２については、イメージ・レンズ系第一レンズ２１、垂直走査ミラー２３、折り返しミラー２５、イメージ・レンズ系第三レンズ２６、該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置調整をするモータ２７及び該モータ２７による該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の移動量を計測するポテンショ・メータ２８を図示している。

尚、イメージ・レンズ系第一レンズの位置調整のための制御系は図示を省略している。

該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、水平走査駆動部３３、３点型光学式角度検出器３４を図示している。

アフォーカル・レンズ系５は、対物レンズ・ユニット５１、リレー・レンズ・ユニット５２に分けられる。

該対物レンズ・ユニット５１には、中視野レンズ５１１、広視野レンズ５１２が設けられていて視野切替ができるようになっており、更に、該対物レンズ・ユニット５１の位置を調整するためのモータ５１３及び該対物レンズ・ユニット５１の移動量を計測するポテンショ・メータ５１４が設けられている。

尚、該対物レンズ・ユニットの位置調整のための制御系は図示を省略している。

又、リレー・レンズ・ユニット５２については、リレー・レンズ・ユニット第一レンズ５２１、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２、鏡筒５２３を図示している。

そして、画像処理系も図示を省略している。

本発明の赤外線撮像装置の光学系の構成を示す図２において、１は赤外線検知器、２はイメージ・レンズ系、３は水平スキャナ、４及び４ａは温度基準熱源、５はアフォーカル・レンズ系である。

該赤外線検知器１については赤外線検知素子１１のみを図示している。

該イメージ・レンズ系２については、イメージ・レンズ系第一レンズ２１、遮蔽板２２、垂直走査ミラー２３、イメージ・レンズ系第二レンズ２４、折り返しミラー２５、イメージ・レンズ系第三レンズ２６を図示している。

該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、３点型光学式角度検出器３４を図示している。

アフォーカル・レンズ系５は、対物レンズ・ユニット５１、リレー・レンズ・ユニット５２に分けられる。

該対物レンズ・ユニット５１には、５１１は中視野レンズ、５１２は広視野レンズ５１２が備えられていて視野切替ができるようになっている。

又、リレー・レンズ・ユニット５２については、リレー・レンズ・ユニット第一レンズ５２１、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を図示している。

そして、図１において図示しているモータ５１３によって該対物レンズ・ユニット５１は図２にＡで示した方向に位置調整をされる。

又、図１において図示しているモータ２７によって該イメージ・レンズ系第一レンズ２１は図２にＢで示した方向に位置調整される。

尚、位置調整機構については後に詳述する。

又、図２のＢ方向の寸法に余裕があれば、垂直走査ミラー２３、折り返しミラー２５は不要で、イメージ・レンズ系第三レンズ２６と赤外線検知器をＢ方向の延長線上に配置すればよい。

又、図２のＢ方向と垂直な下方向の寸法に余裕があれば、折り返しミラー２５は不要で、イメージ・レンズ系第三レンズ２６と赤外線検知器をＢ方向に垂直な、紙面の下側に配置すればよい。

即ち、図１又は図２に示す配置にしているのは、光路長は同じでありながら光学系の構成をコンパクトにするためである。

本発明の赤外線撮像装置の機能を示す目的で主要な構成要素を、機構的な物は模式的に、電気的な物はブロック図で図示した図３において、１は赤外線検知器、２はイメージ・レンズ系、３は水平スキャナ、４及び４ａは温度基準熱源、５はアフォーカル・レンズ系、６は熱源導入光学系、７は画像処理系、８は熱源温度制御系、９はレンズ位置制御系である。

該赤外線検知器１は、主として、水銀・カドミウム・テルル（ＨｇＥｄＴｅ）によって代表される赤外線検知素子１１、循環冷却器やジュール・トムソン冷却器などの冷却器１２、真空容器１３、該真空容器１３に設けられたゲルマニウム（Ｇｅ）などによる赤外線を透過する窓１４によって構成される。

尚、赤外線検知素子を冷却器１２を備えた真空容器１３中に設置して８０Ｋ程度の極低温で赤外線検知素子を動作させるが、これは、暗電流を抑圧して、赤外線検知素子が生成する電気信号の信号対雑音比を高めるためである。

該イメージ・レンズ系２については、イメージ・レンズ系第三レンズ２６のみを図示している。

該水平スキャナ３については、水平走査ミラー３１、及び３点式光学式角度検出器３４を図示している。

該温度基準熱源４及び４ａについては、ペルチエ素子によるサーモ・モジュール４１、該サーモ・モジュール４１によって温度を制御される温度基準板４２を図示している。

該アフォーカル・レンズ系５については、対物レンズ・ユニット５１とリレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を図示している。

該熱源導入光学系６については、熱源導入レンズ系６１と反射ミラー６２を図示している。

該画像処理系７は、該赤外線検知器１が検出した赤外線強度に応じて出力する電気信号を増幅する増幅器７１、該増幅器７１の出力を受けて該光学式角度検出器３４の出力を参照して信号処理する信号処理回路７２、該信号処理回路が出力する画像信号に表示するための処理を加える画像処理回路７３及び画像を表示する陰極線管や液晶ディスプレイなどによるモニタ７４によって構成される。

該熱源温度制御系８は、該温度基準板の高温側の温度を算出して対応する電圧を出力する高温側指令電圧生成回路８１、該温度基準板の低温側の温度を算出して対応する電圧を出力する低温側指令電圧生成回路８１ａ、該信号処理回路７２で検出した高温側温度基準板の温度情報を対応する電圧に変換する高温側検出電圧生成回路８２、該信号処理回路７２で検出した低温側温度基準板の温度情報を対応する電圧に変換する低温側検出電圧生成回路８２ａ、該高温側指令電圧生成回路８１の出力から該高温側検出電圧生成回路８２の出力を減算する加算回路８３、該低温側指令電圧生成回路８１ａの出力から該低温側検出電圧生成回路８２ａの出力を減算する加算回路８３ａ、該加算回路８３の出力を電力増幅する電力増幅器８４、該加算回路８３ａの出力を電力増幅する電力増幅器８４ａによって構成される。

最後に、レンズ系位置制御系９は、温度センサ９１及び制御回路９２によって構成される。

図３の構成は、概ね下記のように動作して赤外線画像を表示する。

まず、被測定物が放射する赤外線は対物レンズ・ユニット５１を経由してアフォーカル・レンズ系５に導かれてアフォーカル第一結像面ａに結像される。

この、被測定物が放射する赤外線がアフォーカル第一結像面ａに被測定物が放射する赤外線が結像される範囲が有効走査領域ｂである。

アフォーカル第一結像面ａ上に結像された赤外線は、リレー・レンズ・ユニット第二レンズ５２２を経由して水平走査ミラー３１に導かれて反射され、イメージ・レンズ系２を経由して赤外線検知器１に導かれ、赤外線検知素子１１上に結像される。

そして、赤外線検知素子１１が赤外線強度に対応して生成した電気信号は増幅器７１を経由して信号処理回路７２に導かれ、赤外線検知素子毎のばらつきを補正された後画像処理回路７３において水平走査ミラー３１による走査方式からモニタ７４に合致する走査方式に変換され、最後にモニタ７４において表示される。

一方、温度基準板４２が放射する赤外線は熱源導入光学系６を経由してアフォーカル第一結像面ａ上の無効走査領域ｃからアフォーカル・レンズ系５に導入され、水平走査ミラー３１によって反射されてイメージ・レンズ系２に導かれて、測定対象物体が放射する赤外線を計測していない時に赤外線検知器１の赤外線検知素子１１に結像される。

そして、赤外線検知素子１１によって生成された電気信号は増幅器７１に導かれて増幅され、信号処理回路７２において赤外線検知素子毎のばらつきを補正される。

そして、信号処理回路７２は測定対象物体の温度であるシーン温度の平均値を算出し、該シーン温度平均値の上下に設定する温度基準板の温度を算出する。

こうして算出された高温側の温度基準板の温度情報と低温側の温度基準板の温度情報は、それぞれ、高温側指令電圧生成回路８１と低温側指令電圧生成回路８１ａに供給され、温度基準板に設定する温度に対応した電圧が生成される。

又、該信号処理回路７２は、測定対象物体の温度を測定していない時に温度基準板が放射する赤外線強度に対応する電気信号によって温度基準板の温度を計測している。

計測された高温側の温度基準板の温度情報と低温側の温度基準板の温度情報は、それぞれ、高温側検出電圧生成回路８２と低温側検出電圧生成回路８２ａに供給され、検出温度に対応した電圧が生成される。

該高温側指令電圧生成回路８１の出力電圧と該高温側検出電圧生成回路８２の出力電圧の差を該加算回路８３によって求めて、該電力増幅器８４を介して高温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。

同様に、該低温側指令電圧生成回路８１ａの出力電圧と該低温側検出電圧生成回路８２ａの出力電圧の差を該加算回路８３ａによって求めて、該電力増幅器８４ａを介して低温側の温度基準板の温度を制御するサーモ・モジュールに温度制御信号として供給する。

即ち、該熱源温度制御系８は負帰還によってサーモ・モジュールの温度を制御することによって温度基準板の温度を制御している。

又、３点型光学式角度検出器３３が水平走査ミラーの走査角を検出して出力するパルスを信号処理回路７２に供給して、画像表示の基準信号とする。

最後に、レンズ系位置調整制御系９では、温度センサ９１が温度変動を検出して、検出した温度変動量を該制御回路９２に供給する。

該制御回路９２は受信した温度変動量をアドレスとして読み出し専用メモリから読み出すという手法で、該対物レンズ・ユニット５１及び該イメージ・レンズ系第一レンズ系２１に必要となる位置調整量を求めて該モータ２７及び該モータ５１３を駆動する。

そして、該ポテンショ・メータ２８及び該ポテンショ・メータ５１４の出力を取り込んでサーボ系を構成して該対物レンズ・ユニット５１及び該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置調整を正確に行なう。

ここまでにおいて、図１乃至図３に示した本発明の赤外線撮像装置の構成と大まかな動作を説明した。

以下においては、図１乃至図３に示した本発明の赤外線撮像装置の主要構成要素について詳細に記載して、本発明の赤外線撮像装置について説明する。

ただ、１次元赤外線検知素子の素子配列、単位赤外線検知素子の間の感度特性のばらつき、単位赤外線検知素子の間のオフセット、２点補正による感度とオフセットの補正、及び、シーン平均温度の変化を含めた２点補正の温度基準板の温度制御、高精度な赤外線撮像装置においては温度測定中に機械的に均一な赤外線放射面を有する異なる温度の２つの温度基準板から放射される赤外線を入射光路中に短時間挿入し、各々の赤外線検知素子の電気出力を計測して赤外線検知素子毎の偏差を温度変動の影響も含めて補正する無効走査領域方式が採用されることが多いことについては、従来の赤外線撮像装置の説明において詳細に記載したので、ここでは記載を省略する。

さて、無効走査領域方式によって２点補正が正確に行なわれるためには、無効走査領域において温度基準板が放射する基準の赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は有効走査領域を通る測定対象の赤外線を受けてはならない。

一方、有効走査領域において測定対象物体が放射する赤外線を計測している時には有効走査領域を通る測定対象が放射する赤外線を計測している時には赤外線検知素子１１は温度基準板が放射する赤外線を受けてはならない。

即ち、無効走査領域と有効走査領域とが干渉しないことが必要であるということは、本発明においても同じことである。

ここでは、無効走査領域と有効走査領域が干渉しないということ自体の説明は必要がないにしても、従来の技術とは異なる無効走査領域の設定の考え方について説明しておく。

図４は、従来の水平走査範囲と反射ミラーの位置を示す図である。

図４（イ）は、赤外線検知素子の大きさを無視できる場合の有効走査領域である。

赤外線検知素子の大きさを無視することができるとしているから、有効走査領域は視野角の範囲に等しくなる。

しかし、実際の赤外線検知素子は有限の大きさを持たないと受光する赤外線を、その強度に対応する電気信号に変換することはできない。

従って、現実にある赤外線検知素子の大きさを考慮しないで有効走査領域を設定することは無意味である。

図４（ロ）は、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域である。

尚、図４（ロ）以降の、２つの長方形の一辺をずらして接触させた形状のものは図１２に示した赤外線検知素子を表している。

ここで、各々の長方形が図１２に示した赤外線検知素子における奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子を表しており、上に出ている方が奇数領域の赤外線検知素子、下に出ている方が偶数領域の赤外線検知素子である。

まず、奇数領域の赤外線検知素子と偶数領域の赤外線検知素子の境界が図４（イ）の視野角の範囲まで走査された状態（正確に表現すると、赤外線検知素子の投影像が図４（ロ）の破線で示された位置まで走査された状態）を考えると、奇数領域の赤外線検知素子はまだ視野角の全ての画像の取り込みを完了していないのに対して、偶数領域の赤外線検知素子は既に視野角全ての画像の取り込みを完了している。

従って、視野角から奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮだけ外側まで走査して初めて視野角全ての画像の取り込みが完了する。

即ち、赤外線検知素子の大きさを考慮した場合の有効走査領域は、図４（ロ）に示す如く、視野角の範囲に奇数領域の赤外線検知素子の大きさＮを加えた領域になる。

図４（ハ）は、画像上の走査不要領域である。

図４（ハ）に示す位置まで赤外線検知素子の投影像を走査した時に初めて奇数番目の赤外線検知素子は画像の取り込みを完了するが、この時には既に偶数番目の赤外線検知素子はそれよりＮだけ内側で画像の取り込みを完了している。

従って、図４（ハ）における偶数番目の赤外線検知素子の位置（図４（ハ）においてＮという赤外線検知素子の大きさを示している位置）は画像上は走査しなくてもよい領域（これを走査不要領域と呼ぶことにする。）である。

従って、上記走査不要領域を含んで有効走査領域とし、その外側を無効走査領域とする必要性はない。

この点が本発明における無効走査領域の設定の考え方の特徴である。

図４（ニ）は、反射ミラーの設置位置である。

本発明においては、上記有効走査領域の端から温度変動も含んだ水平スキャナの走査角の誤差Ｚと温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓを見込んだ位置を反射ミラーの設置位置とする。

図４（ホ）は、温度基準熱源データ取り込み開始位置である。

図４（ホ）に示す如く、赤外線検知素子の投影像が反射ミラーの領域内に、温度変動も含んだ反射ミラーの寸法誤差Ｓだけ入ったところから温度基準熱源のデータの取り込みを開始することは本発明においても同じである。

図４（ヘ）は、温度基準熱源データ取り込み終了位置である。

図４（ヘ）に示す如く、所要角度Ｈだけ走査して所要サンプル数のデータを取得して温度基準熱源データの取り込みを終了することは本発明においても同じである。

従って、水平スキャナは有効走査領域に加えて、Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈで決まる無効走査領域を走査すればよいことになる。

図５は、本発明の水平走査ミラーの所要振角で、上記のことを再度表現しなおしたものである。

即ち、本発明の水平走査ミラーの振角は有効走査領域＋Ｚ＋２Ｓ＋ＳＤ＋Ｈである。
ただし、この振角はアフォーカル・レンズ系の光軸から一方に走査した時の振角である。

上記の如く水平走査ミラーの振角を上記Ｎだけ小さくできることは、実際の赤外線撮像装置において水平走査ミラーの振角の縮減率５％に対応する。
これは、限界に近い設計をしている赤外線撮像装置においては大きな効果である。

図６は、水平走査ミラーの振角と水平走査ミラーの大きさの関係を示す図である。

図６（イ）は、振角０（振角は４５°を原点とする。）の場合である。
この時には、光束の直径をＧとすると、水平走査ミラー面上での光束の長径は√２Ｇとなる。

図６（ロ）は、水平走査ミラーを所要の最大振角α°まで振った場合である。

この時には、光束の直径をＧとすると、水平走査ミラー面上での光束の長径は
Ｇ×Sin(４５°＋α°）
となる。
ここで、Sin は三角関数の正弦関数である。

今、現実の所要最大振角α°に対して上記５％程度の振角増だけを考慮して水平走査ミラー面上での光束の長径の増加、即ち、水平走査ミラーの大きさの増加を試算しても、約４％となる。

これも、限界に近い設計をしている赤外線撮像装置においては大きな値である。

即ち、水平走査ミラーの振角を縮減することによって水平走査ミラー自体の大きさを縮減できる。

しかも、図１７によって説明したように、赤外線検知素子の投影像の大きさ自体も温度変動するので、図４及び図５における赤外線検知素子の大きさにはそれも考慮する必要がある。

つまり、実際には振角を大きく設定しなければならない他の要因もあるので、振角を縮減できることは更に大きな効果をもたらす。

この赤外線検知素子の投影像の大きさの変化の主原因は、温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系を構成するレンズの焦点距離の変動及び温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージレンズ系の寸法の変動である。

従って、赤外線検知素子の投影像の大きさの変化を抑圧するには、温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系を構成するレンズの焦点距離の変動及び温度変動に伴うアフォーカル・レンズ系とイメージレンズ系の寸法の変動を抑圧すればよい。

これには、図２に示したように、アフォーカル・レンズ系のレンズの位置をＡの方向に調整し、イメージ・レンズ系のレンズの位置をＢの方向に調整すれば、アフォーカル第一結像面ａの前方の焦点距離の変動とアフォーカル第一結像面ａの後方の焦点距離の変動の双方を補正することができる。

図７は、本発明のレンズ位置調整のための構成を示す図で、構造は模式的に示し、制御系はブロック図で示したものである。

尚、図７では、一応図１におけるイメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置調整を意識して図示しているが、図１における対物レンズ・ユニット５１の位置調整についても同様な構成で可能である。

又、構造的にはイメージ・レンズ系第一レンズ２１と対物レンズ・ユニット５１の位置調整が最も簡単であるが、アフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系の他のレンズの位置調整も技術的には不可能ではない。

又、図７は、イメージ・レンズ系の光軸中心を含む水平な平面でイメージ・レンズ系を切った断面図である。

図７において、２１はイメージ・レンズ系第一レンズ、２９はイメージ・レンズ系の鏡筒である。

又、２１１は該イメージ・レンズ系第一レンズを装着固定するレンズ鏡筒、２１２はレンズ鏡筒回り止めピン、２９１は回転フレーム、２９２は該回転フレーム２９１と該鏡筒２９の間に設けられるねじ機構、２９３はボール・ベアリング、２９４及び２９４ａは歯車、２９５及び２９５ａは該歯車２９４及び２９４ａとかみ合う歯車、５１３は該鏡筒２９を移動させることで該イメージ・レンズ系第一レンズ２１を移動させるモータ、５１４は該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の移動量を計測するポテンショ・メータである。

又、９１は図３におけるレンズ位置制御系９を構成する温度センサ、９２は図３におけるレンズ位置制御系９を構成する制御回路である。

そして、該制御回路９２は、読み出し専用メモリ部９２１、加算回路９２２及び電力増幅器９２３を備えている。

まず、レンズ位置調整のための構造について説明する。

イメージ・レンズ系第一レンズ２１はレンズ鏡筒２１１に装着固定されている。
該レンズ鏡筒２１１は鏡筒２９とレンズ鏡筒回り止めピン２１２の部分で嵌合しており、該レンズ鏡筒回り止めピン２１１によってレンズ鏡筒２１１と鏡筒２９は互いに回転しないように固定されている。

又、該レンズ鏡筒２１１は該ボール・ベアリング２９３の部分で該回転フレーム２９１と結合しており、該レンズ鏡筒２１１と該回転フレーム２９１は互いに回転可能になっている。

該回転フレーム２９１のの周囲には歯車２９５が設けられており、該歯車２９５はモータ５１３に結合された該歯車２９４及び該ポテンショ・メータ５１４に結合された歯車２９４ａと噛み合っており、該歯車２９４の回転を該回転フレームの前進、後退に変換し、該回転フレーム２９１の前進、後退を該歯車２９４ａの回転に変換するようになっている。

次にレンズ位置制御系とレンズ位置調整のための構造とを総合して説明をする。

温度センサ９１は環境温度の変動を検出し、通常アナログ量としての電圧を出力する。

読み出し専用メモリ部９２１は、入力側にアナログ・デジタル変換回路を備えており、該アナログ・デジタル変換回路でデジタル変換された電圧値は読み出し専用メモリ（通常ＲＯＭと標記されるものである。）にアドレスとして供給され、該読み出し専用メモリからデジタル変換された電圧値に対応するレンズ位置の移動量のデジタル値が読み出される。

読み出されたデジタル量の電圧値は、該読み出し専用メモリ部９２１の出力側に備えられているデジタル・アナログ変換回路によってアナログ量としての電圧値に変換されて出力される。

該読み出し専用メモリ部９２１から出力された電圧はレンズ位置指令電圧として該加算回路９２２の一方の端子に供給される。

一方、該回転フレーム２９１の前進、後退は歯車２９５から歯車２９４ａに伝えられて該ポテンショ・メータ５１４を回転させる。

該ポテンショ・メータ５１４は自身の回転角に対応した電圧を出力するが、この電圧出力が該加算回路９２２のもう一方の入力端子に帰還電圧として供給され、上記レンズ位置指令電圧との差が求められる。

該加算回路９２２が出力する上記レンズ位置指令電圧と上記帰還電圧との差の電圧が電力増幅器９２３に供給され、実際に該モータ５１３を駆動して該歯車２９４を回転させ、該歯車２９４の回転が該歯車２９５に伝えられて該回転フレーム２９１の前進、後退に変換される。

即ち、該温度センサ９１、該制御回路９２、該モータ５１３、該歯車２９４、該歯車２９５、該歯車２９４ａ、該歯車２９５ａ、該ポテンショ・メータ５１４によって構成される負帰還ループによって該イメージ・レンズ系第一レンズ２１の位置の調整が行なわれる。

図７の構成の利点は、負帰還ループによってレンズ位置の調整を行なうために、レンズ位置の調整確度が高いことである。

しかし、レンズ位置の調整機構は図７に示したものだけではなく、モータ５１３、ポテンショ・メータ５１４と制御回路９２を取り除いて、モータの代わりに手動の回転機構を取り付け、ポテンショ・メータ５１４の代わりに該回転フレームの移動距離を示す目盛りを付けておくという簡易な構造でもよい。

特に、上記回転機構にはマイクロメータに適用される如き微細ピッチのねじ機構を適用すれば、大きな回転角を小さな移動距離に変換することができるので、移動距離を正確に制御することが可能である。

尚、この場合には、図７の読み出し専用メモリ部９２１の代わりに環境温度の変動に対する回転フレームの移動距離を算出した表を準備しておく必要がある。

そして、上記の如きマニュアルでレンズの位置を調整する機構の利点は、赤外線撮像装置の構造を複雑化しないことと、赤外線撮像装置自体の寸法と重量を軽減できることである。

上記自動制御又はマニュアルのいずれの手段によっても、レンズの位置を調整することによってレンズ系の焦点距離の温度変動を抑圧することができるので、赤外線検知素子の投影像の大きさの増加を抑圧することが可能になり、水平走査ミラーの振角を縮減することができる。

これにより、水平スキャナの駆動力の増加を抑圧することが可能になり、水平スキャナの大きさと重量を縮減することができる。

よって、赤外線撮像装置自体の大きさと重量の縮減が可能になる。

図８は、本発明の３点型光学式角度検出器で、水平走査ミラーも併せて図示している。
尚、図８は、該３点型光学式角度検出器の光軸中心を含む水平な平面で該３点型光学式角度検出器を切った断面図である。

図８において、３１は水平走査ミラーである。
尚、後述する３点型光学式角度検出器によって、水平走査ミラーが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査していることを検出してパルスを出力するので、本発明においては水平スキャナ制御用角度検出器は不要になる。

又、３４０は図１又は図２における３点型光学式角度検出器３４の筐体、３４１は発光ダイオード、３４２は該発光ダイオードの出力光を平行光にするコリメータ・レンズ、３４３は該コリメータ・レンズ３４２の出力光を折り返すために反射させる反射ミラー、３４４、３４４ａ、３４４ｂはフォト・ダイオード、３４５は該水平走査ミラー３１の角度が該反射ミラー３４３の反射光に対して４５°の時と、無効走査領域と有効走査領域の境界における水平走査ミラーの振角をβ°として該水平走査ミラーの角度が該反射ミラー３４３の反射光に対して４５°±β°の時に反射光を該フォト・ダイオード３４４、３４４ａ及び３４４ｂのいずれかの受光面に集光する集光レンズ、３４６は該発光ダイオード３４１と該フォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂにバイアスを供給すると共に、該フォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂが該水平走査ミラーの角度が４５°の時と、４５°±β°の時に反射光を受けて該フォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂが出力するパルスを図３の信号処理回路７２に供給する制御基板である。

ここで、上においては表現をまるめて、該水平走査ミラー３１の角度が４５°に等しい時と、４５°±β°に等しい時に反射光を該フォト・ダイオード３４４、３４４ａ及び３４４ｂのいずれかの受光面に集光すると記載しているが、図８に則して見れば、実際には該水平走査ミラー３１の角度が４５°の時に該フォト・ダイオード３４４が受光し、該水平走査ミラー３１の角度が４５°＋β°の時に該フォト・ダイオード３４４ａが受光し、該水平走査ミラー３１の角度が４５°−β°の時に該フォト・ダイオード３４４ｂが受光することが判る。

尚、筐体への発光ダイオード３４１、コリメータ・レンズ３４２、反射ミラー３４３、フォト・ダイオード３４４、集光レンズ３４５の固定手段及び制御基板３４６の実装手段の説明は必要がないので省略する。

又、水平走査ミラー３１及び水平スキャナ制御用角度検出器３２についても、装着手段の説明は必要ないので省略する。

図９は、本発明の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号を示す図である。

図９（イ）は、水平スキャナの走査波形である。

実際には鋸歯状波様の波形の最高及び最低付近では丸みを帯びた波形になる（図１４参照）が、図示を簡単にするために、丸みを取り除いて完全な鋸歯状波で図示している。

図９（ロ）は、本発明の３点型光学式角度検出器の出力で、図８におけるフォト・ダイオード３４４が水平走査ミラーの角度が４５°であることを検出して出力するパルスである。

これは、水平走査ミラーの角度が走査範囲の中心である時の３点型光学式角度検出器の出力であるので、３点型光学式角度検出器の中心出力と呼ぶことにする。

図９（ハ）は、本発明の３点型光学式角度検出器の出力で、図８におけるフォト・ダイオード３４４ａ及び３４４ｂが水平走査ミラーの角度が４５°±β°であることを検出して出力するパルスである。

これは、水平走査ミラーが有効走査領域と無効走査領域の境界を走査している時の３点型光学式角度検出器の出力であるので、境界出力と呼ぶことにする。

画像データの取り込みは、図９（ロ）の中心出力を基準に行なう。

即ち、中心出力のうち、走査角度が増加中に出力されるパルスＣを基準に、所定の時間ＴＣを経過した時刻に画像データの取り込みを開始する。

この時刻は、水平スキャナが無効走査領域における走査から有効走査領域における走査に入る時刻で、走査速度は設計上判っているので時間ＴＣの設定は可能である。

尚、フライ・バック中にも水平走査ミラーの角度が４５°になる時刻があり、３点型光学式角度検出器はこの時刻でもパルスＤを出力するが、走査角が減少していることを検出する比較器を設けておき、この比較器の出力によって上記パルスＤをマスクすることは容易にできるので、画像データ取り込みタイミングを誤ることはない。

一方、図９（ハ）の境界出力を使って温度基準熱源データの取り込みを制御する。

温度基準熱源は高温側と低温側の２個あるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングは２つ必要である。

これは、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第一の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとし（図９（ニ）に、符号Ｅを付している。
）、有効走査領域から無効走査領域に移行するタイミングで生成されるパルスを第二の温度基準熱源のデータの取り込みパルスとすれば（図９（ニ）に、符号Ｆを付している。）よい。

尚、３点型光学式角度検出器は、図９（ハ）に示す如く、上記Ｅ及びＦのパルス以外にも有効走査領域と無効走査領域間を移行するタイミングにパルスを出力するが、上記と同様な原理で不要なパルスをマスクすることができるので、温度基準熱源データの取り込みタイミングを誤ることはない。

尚、図８におけるフォト・ダイオード３４４乃至３４４ｂの受光面は有限の面積を持っているので、水平走査ミラーの角度が所定の角度になる前に反射光を受光し始め、水平走査ミラーの角度が所定の角度を過ぎても反射光を受光し続けるので、フォト・ダイオードが直接出力するパルスは裾を引いた波形をしている上にパルス幅も広いが、フォト・ダイオードが直接出力するパルスを比較器に入力し、所定の振幅以上の時に比較器から出力させるように設定しておけば、中心出力も境界出力もシャープでパルス幅が小さいパルスとすることができるので、画像データ取込みと温度基準熱源データの取り込みのタイミング・パルスとして問題なく使うことができる。

本発明の３点型光学式角度検出器においては、図８の水平走査ミラーからフォト・ダイオードまでの光路長と集光レンズの焦点距離と水平走査ミラーの角度によって反射光を集光させる位置を正確に決めることができる。

即ち、上記中心出力と境界出力が出力されるタイミングは水平走査ミラーの角度と正確に対応しており、しかも、境界出力が出力されないという事態は決して起こらない。

このため、角度検出の誤差を見込んで水平走査ミラーの振角を大きく設定する必要がないので、水平スキャナの駆動力の増加を抑圧することができ、水平スキャナの小型化と軽量化が可能になる。

その上、正確なタイミングで確実に画像データを取り込むパルスと温度基準熱源のデータを取り込むパルスを生成することができるので、赤外線撮像装置の画像表示の信頼度を高めることができる。

図１０は、本発明の温度基準熱源と熱源導入光学系の構成である。

尚、図１０は、熱源導入光学系の光軸中心を含む水平な平面で温度基準熱源と熱源導入光学系を切った断面図である。

図１０において、４は温度基準熱源、６は熱源導入光学系である。

該温度基準熱源４は、サーモ・モジュール４１、温度基準板４２、放熱フレーム４５、Ｏリング４６、温度基準熱源固定ネジ４７、シム４８及び放熱フレーム固定ねじ４９を備えている。

又、該熱源導入光学系６は、熱源導入レンズ６１、反射ミラー６２及び熱源導入光学系鏡筒６３を備えている。

該温度基準熱源４において、該サーモ・モジュール４１は一方の表面において該放熱フレーム４５に接着固定されており、該サーモ・モジュール４１のもう一方の面は該温度基準板４２と接着固定されている。

該熱源導入光学系６において、該熱源導入レンズ６１は該熱源導入光学系鏡筒６３に装着固定されており、又、反射ミラー６２も該熱源導入光学系 鏡筒６３に装着固定されている。

該温度基準熱源４を構成する該放熱フレーム４３は、熱源導入光学系６を構成する該熱源導入光学系鏡筒６３に該放熱フレーム固定ねじ４９によってねじ止め固定されるが、該放熱フレーム４５の該熱源導入光学系鏡筒６３との取り付け面には該放熱フレーム４５中を周回する溝が形成されており、この溝の中にはＯリングが組み込まれている。
これで、該熱源導入光学系鏡筒６３上の該放熱フレーム４５の取り付け面での密閉性を高く保つことができる。

一方、熱源導入レンズ６１と熱源導入光学系鏡筒６３との間の密閉性も当然高い。

従って、該放熱フレーム４５、該熱源導入光学系鏡筒６３及び該熱源導入レンズ６１によって囲まれる空間を外部の空間から密閉された空間にすることができる。

このため、上記空間に化学的に不活性な窒素などの乾燥気体を封入することによって、該サーモ・モジュール４１と該温度基準板４２の表面が露点以下の温度になっても、該サーモ・モジュール４１と該温度基準板４２の表面に結露が生じないようにすることができる。

又、該シム４８と該熱源導入光学系鏡筒６３に設けた長径穴６４によって、アフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系に対する該反射ミラー６２の位置の調整を行なうことができる。

まず、該シム４８の厚さを調整することによって、イメージ・レンズ系に対する該反射ミラー６２の位置の調整、即ち、図２のＢの方向での位置の調整を行なうことができる。

次に、該温度基準熱源固定ねじ４７を緩めた状態で該熱源導入光学系鏡筒６３に固定されている該放熱フレーム４５を該長径穴６４の長径の方向にずらすことによってアフォーカル・レンズ系に対する該反射ミラー６２の位置の調整、即ち、図２のＡの方向での位置の調整を行なうことができる。

図１０の構成の利点は下記の通りである。

即ち、温度基準熱源４においては、放熱フィンとファンを適用しないで、サーモ・モジュールの発熱エネルギーを直接放熱フレーム４５に逃がす構成をとっているので、温度基準熱源４自体の小型化と構成の簡易化ができる。

又、熱源導入光学系６においては、反射ミラー６２を熱源導入光学系鏡筒６３に直接取り付けることによって熱源導入光学系自体の構成の簡易化ができ、シム４８と長径穴６４による位置調整によって該反射ミラー６２のアフォーカル・レンズ系とイメージ・レンズ系に対する位置調整を正確且つ容易に行なうことができる。

更に、温度基準熱源４と熱源導入光学系６の間の空間に乾燥気体を封入することによってサーモ・モジュール４１と温度基準板４２表面での結露を防止することができる。

本発明の赤外線撮像装置の構成（その１）。 本発明の赤外線撮像装置の光学系の構成。 本発明の赤外線撮像装置の構成（その２）。 本発明の反射ミラーの位置と水平走査範囲。 本発明の水平走査ミラーの所要振角。 水平走査ミラーの振角と水平走査ミラーの大きさの関係。 本発明のレンズ位置調整のための構成。 本発明の３点型光学式角度検出器。 本発明の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号。 本発明の温度基準熱源と熱源導入光学系の構成。 従来の赤外線撮像装置の構成。 １次元赤外線検知素子の代表的な素子配列。 赤外線検知素子の出力のばらつき。 ２次元画像を得るための水平スキャナの走査波形。 従来の水平走査範囲と反射ミラーの位置。 従来の水平走査ミラーの所要振角。 赤外線検知素子の投影像の大きさの変動。 従来の光学式角度検出器の構成。 従来の画像データ取り込み信号と温度基準熱源データ取り込み信号。 温度基準熱源と熱源導入光学系及び反射ミラーの構成。

符号の説明

１ 赤外線検知器
２ イメージ・レンズ系
２ａ イメージ・レンズ系
３ 水平スキャナ
３ａ 水平スキャナ
４ 温度基準熱源
４ａ 温度基準熱源
４ｂ 温度基準熱源
４ｃ 温度基準熱源
５ アフォーカル・レンズ系
５ａ アフォーカル・レンズ系
６ 熱源導入光学系
６ａ 熱源導入光学系
７ 画像処理系
７ａ 画像処理系
８ 温度基準熱源制御系
９ レンズ系位置調整制御系
１１ 赤外線検知素子
１２ 冷却器
１３ 真空容器
１４ 窓
２１ イメージ・レンズ系第一レンズ
２２ 遮蔽板
２３ 垂直走査ミラー
２４ イメージ・レンズ系第二レンズ
２５ 折り返しミラー
２６ イメージ・レンズ系第三レンズ
２７ モータ
２８ ポテンショ・メータ
２９ 鏡筒
３１ 水平走査ミラー
３２ 水平スキャナ制御用角度検出器
３３ 水平走査駆動部
３４ ３点型光学式角度検出器
３４ａ 光学式角度検出器
４１ サーモ・モジュール
４２ 温度基準板
４３ 放熱フィン
４４ ファン
４５ 放熱フレーム
４６ Ｏリング
４７ 温度基準熱源固定ねじ
４８ シム
４９ 放熱フレーム固定ねじ
５１ 対物レンズ・ユニット
５２ リレー・レンズ・ユニット
６１ 温度基準熱源導入レンズ系
６２ 反射ミラー
６３ 熱源導入光学系鏡筒
６４ 長径穴
７１ 増幅器
７２ 信号処理回路
７２ａ 信号処理回路
７３ 画像処理回路
７４ モニタ
８１ 高温側指令電圧生成回路
８１ａ 低温側指令電圧生成回路
８２ 高温側検出電圧生成回路
８２ａ 低温側検出電圧生成回路
８３ 加算回路
８３ａ 加算回路
８４ 電力増幅器
８４ａ 電力増幅器
９１ 温度センサ
９２ 制御回路
１１１ 基板
１１２ 単位赤外線検知素子
２９１ 回転フレーム
２９２ ねじ機構
２９３ ボール・ベアリング
２９４ 歯車
２９４ａ 歯車
２９５ 歯車
２９５ａ 歯車
３４１ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
３４２ コリメータ・レンズ
３４３ 反射鏡
３４４ フォト・ダイオード（ＰＤ）
３４４ａ フォト・ダイオード（ＰＤ）
３４４ｂ フォト・ダイオード（ＰＤ）
３４５ 集光レンズ
３４６ 制御基板
３４６ａ 制御基板
５１１ 中視野レンズ
５１２ 広視野レンズ
５１３ モータ
５１４ ポテンショ・メータ
５２１ リレー・レンズ・ユニット第一レンズ
５２２ リレー・レンズ・ユニット第二レンズ
５２３ 鏡筒
６３１ ねじ
６３２ 第一のブロック
６３３ 第二のブロック
６３４ 第三のブロック
６３５ ねじ
９２１ 読み出し専用メモリ部
９２２ 加算回路
９２３ 電力増幅器

Claims (1)

1. 赤外線検知素子を使用し、測定対象物体が放射する赤外線像を結像するアフォーカル第一結像面上の有効走査領域の外側に設定される無効走査領域において温度基準熱源が放射する赤外線をアフォーカル・レンズ系に取り込んで赤外線検知素子のばらつきを補正して、有効走査領域に結像される赤外線画像を表示する赤外線撮像装置であって、
   温度基準熱源が放射する赤外線をアフォーカル・レンズ系に導入する熱源導入光学系を構成する熱源導入光学系鏡筒に、温度基準熱源が放射する赤外線をアフォーカル・レンズ系に取り込む反射ミラーを固定し、
   熱源導入光学系鏡筒とアフォーカル・レンズ系の鏡筒との間にシムを挟み、該熱源導入光学系鏡筒に設けた長径穴を介して該熱源導入光学系鏡筒をアフォーカル・レンズ系の鏡筒にネジ止め固定する構造を備えることで、
   シムの厚さの調整、長径穴の長径方向へのネジ止め位置の調整がされることにより、反射ミラーの位置がシムの厚さ方向、長径穴の長径方向に変化する構造であることを特徴とする赤外線撮像装置。

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