JP5534490B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外線撮像装置に関するものである。
暗闇などにおいて肉眼では見えない被写体を、赤外線を利用して可視像に変換する赤外線撮像装置では、赤外光学系の射出瞳を開口絞りであるコールドアパチャーに一致(開口整合)させて、S/N(信号雑音比)の良い画像が得られるように構成されている。赤外光学系として、例えば、中心部に開口を有する主鏡と、主鏡で反射された赤外線を主鏡の開口に向かわせる副鏡とからなるカセグレン型の光学系を用いた場合、被検物体からの赤外線は主鏡で反射されると、主鏡の開口に倣った輪帯光束(いわゆる中抜けの状態)となるため、上記のように開口整合を取っていても、開口の中心部に撮像に不要な赤外線が混入すれば、S/Nを劣化させるおそれがある。そこで、このような問題を解決するため、種々の赤外線撮像装置が開示されている(例えば、特許文献1及び2を参照)。
特開平10−206986号公報 特開平9−113797号公報
特許文献1に記載の赤外線撮像装置は、検出雑音となる被検物体以外からの赤外線を、コールドアパチャーの開口部に設けた中心遮蔽部で遮蔽する構成となっている。この場合、当然のことながら、コールドアパチャーとともに中心遮蔽部も、液体窒素程度の温度に冷却する必要がある。しかしながら、中心遮蔽部は細い腕部を介してコールドアパチャーの開口部に取り付けられている特殊な構造であるため、中心遮蔽部をその周辺部と同じ温度に均一に冷却することは困難であり、得られる画像のS/Nの劣化が発生するおそれがあった。
特許文献2に記載の赤外線撮像装置は、中間像を形成する対物光学系と、中間像より像側に位置する再結像光学系とを互いに偏芯して配置することにより、検出雑音となる不要な赤外線が開口中心部に混入して検出器に到達することを防いでいる。しかしながら、このような構成の場合、対物光学系には軸外しの光学設計が必要となるため、設計の際の収差補正が難しくなったり、入射瞳径に対してレンズやミラーの有効径が大幅に大きくなり装置の大型化を招いたりするおそれがある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、開口整合の取れた状態で、光軸付近に被検物体からの光が通過しない不通過部分を有する対物光学系を備えながらも、装置を大型化することなく、特殊な形状ではない単純な円形開口のコールドアパチャーを用いて、被検物体以外からの撮像に不要な赤外線が赤外線検出器へと混入することを防止できる赤外線撮像装置を提供することを目的とする。
このような目的を達成するため、本発明を例示する態様に従えば、被検物体からの赤外線を集光する赤外光学系と、前記赤外光学系からの赤外線を受光する赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子へ前記被検物体以外からの撮像に不要な赤外線が入射することを防ぐコールドアパチャーとを有し、前記赤外光学系は、光軸に沿って対向配置された主鏡と副鏡とを含み、前記被検物体からの赤外線を前記主鏡及び前記副鏡で順次反射し前記被検物体の中間像を形成する対物光学系と、前記対物光学系により形成された前記中間像を前記赤外線撮像素子上に再形成する再結像光学系とを有し、前記副鏡の中心部には前記被検物体からの赤外線が通過しない不通過部分が存在する赤外線撮像装置において、前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部は、以下の条件式を満足する凹面状に形成されていることを特徴とする赤外線撮像装置が提供される。
L/1.2 < R < 1.5L
但し、
R:前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部の曲率半径の絶対値、
L:前記中間像形成位置から前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部までの距離。
本発明によれば、開口整合の取れた状態で、光軸付近に被検物体からの光が通過しない不通過部分を有する対物光学系を備えながらも、装置を大型化することなく、特殊な形状ではない単純な円形開口のコールドアパチャーを用いて、被検物体以外からの撮像に不要な赤外線が赤外線検出器へと混入することを防止できる赤外線撮像装置を提供することができる。
本実施形態に係る(カセグレン型の対物光学系を有する)赤外線撮像装置を説明する図であり、その断面構成と、主鏡の開口に倣って輪帯状になった光束の光路図を示す。 上記の実施形態に係る赤外線撮像装置における、副鏡の形状と、副鏡の中心部にある被検物体からの赤外線の不通過部分にて軸上光束が反射する様子を示す。 上記の実施形態に係る赤外線撮像装置を説明する図であり、開口中心部における光束の光路図を示す。 第2の実施形態に係る(グレゴリー型の対物光学系を有する)赤外線撮像装置を説明する図であり、その断面構成と、主鏡の開口に倣って輪帯状になった光束の光路図を示す。 第2の実施形態に係る赤外線撮像装置における、副鏡の形状と、副鏡の中心部にある被検物体からの赤外線の不通過部分にて軸上光束が反射する様子を示す。 第2の実施形態に係る赤外線撮像装置を説明する図であり、開口中心部の光束の光路図を示す。 第3の実施形態に係る赤外線撮像装置を説明する図であり、スパイダーに遮蔽されない光束の光路図を示す。 第3の実施形態に係る赤外線撮像装置を説明する図であり、被検物体側から見た鏡筒の開口の断面図を示す。 第3の実施形態に係る赤外線撮像装置を説明する図であり、この装置内でのスパイダーに遮蔽される光束の光路図を示す。 開口整合が取れていて副鏡の中心部に被検物体からの赤外線の不通過部分が存在する比較例の赤外線撮像装置において、主鏡の開口に倣って輪帯状になった光束の光路図を示す。 開口整合が取れていて副鏡の中心部に被検物体からの赤外線の不通過部分が存在する比較例の赤外線撮像装置において、開口中心部の光束の光路図を示す。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。説明を分かりやすくするため、図中の副鏡12の曲率半径はいずれも誇張して描かれている。
本実施形態に係る赤外線撮像装置は、図1に示すように、赤外光学系10と、赤外線検出器20とを有して構成されている。
赤外光学系10は、被検物体(不図示)から放射される熱、すなわち赤外線を集光するためのものであり、光軸AXに沿って対向配置された主鏡11と副鏡12とを有し、被検物体からの赤外線を主鏡11及び副鏡12で順次反射し被検物体の中間像を形成する対物光学系13と、対物光学系13により形成された前記中間像を(赤外線検出器20内の)赤外線撮像素子21上に再形成する再結像光学系14とを有する。
赤外線検出器20は、赤外光学系10により被検物体からの赤外線が集光される位置に配置され、赤外光学系10からの赤外線を受光する赤外線撮像素子21と、赤外光学系10と赤外線撮像素子21との間に配置され、赤外線撮像素子21の撮像面の周囲(側方や斜方)からの不要な赤外線が入射することを防ぐコールドアパチャー22と、赤外線検出器20の内部や赤外線撮像素子21を低温(例えば、液体窒素温度程度)に冷却し、これら自身から自己放射される赤外線を極力除去する冷却装置(不図示)とを有する。
コールドアパチャー22は、中心部に単純な円形開口を有するものであり、その位置と開口径の大きさが、赤外光学系10(再結像光学系14)の射出瞳の位置とその大きさ(射出瞳の径)と一致するように、すなわち開口整合が取れるように設計されている。このように開口整合を取ることにより、被検物体以外の撮像に不要な赤外光が赤外線検出器20内に入射することを効率良く抑え、被検物体からの赤外線画像を良好に得ることができるようにしている。
上記構成を有する赤外線撮像装置では、被検物体から放射される熱(赤外線)を対物光学系13を構成する主鏡11および副鏡12で順次反射して前記被検物体の中間像を形成し、この中間像からの光を再結像光学系14により(コールドアパチャー22を介して)赤外線撮像素子21上に再び集光し結像させることで、被検物体の熱画像(赤外線画像)が得られるようになっている。
対物光学系13は、中心部に開口11aを有する(副鏡12に凹面を向けた)凹面反射鏡である主鏡11と、(主鏡11に凸面を向けた)凸面反射鏡である副鏡12とから構成される、いわゆるカセグレン型の光学系となっている。この場合、主鏡11から副鏡12へと向かう光束は主鏡11の開口11aに倣って輪帯光束15となるため、光軸AX付近には被検物体からの光束が存在しない部分が存在する。すなわち、副鏡12の中心部には、上記のような輪帯光束15となった被検物体からの赤外線が通過しない不通過部分12fが存在する。
そこで、本実施形態では、この副鏡12の中心部に存在する不通過部分12fを、以下の条件式(1)を満足するような凹面状に形成する。すなわち、副鏡12の反射面は、この凹面状の反射面12fと、凸面状の反射面12Aとからなる異なる2つの形状を有することになる。
L/1.2 < R < 1.5L …(1)
但し、
R:不通過部分12fに対応する副鏡12の中心部の曲率半径の絶対値、
L:中間像の形成位置Mから不通過部分12fに対応する副鏡12の中心部までの距離。
なお、条件式(1)を満足させることによる効果を、より良好に発揮させるためには下限値をL/1.1とすることが好ましい。また、条件式(1)を満足させることによる効果を、より良好に発揮させるためには上限値を1.2Lとすることが好ましい。
また、副鏡12の中心部に存在する不通過部分12fは、図2に示すように、光軸AX上の対物光学系13(不図示)による中間像の形成位置Mを曲率中心とする(言い換えれば、副鏡12の光軸中心Moから対物光学系13による中間像の形成位置Mまでの距離Lを曲率半径とする(∴R=L))凹面状に形成するのが最も好ましい。本実施形態においては、R=L=600mmである。
そして、このような副鏡12の凹面状の不通過部分12fを、赤外光学系10(再結像光学系14)の射出瞳と共役となる位置に配置する。上述したように赤外光学系10(再結像光学系14)の射出瞳の位置はコールドアパチャー22の位置に一致しているため、この副鏡12fの凹面状の不通過部分12fは、コールドアパチャー22に対しても共役となる。
凸面鏡である副鏡12の中心部がこのような特殊な形状となっているため、主鏡11の開口11aの中心部を通る光束(軸上光束)16は、副鏡12の凹面状の不通過部分12fで反射して、そのまま開口11aの中心部に戻ることになる。よって、開口11aの中心部の光束の光路図は図3のようになり、赤外線撮像素子21の撮像面の中心点Oから発した光線は副鏡12の凹面状の不通過部分12fで反射して点Oに戻り、前記撮像面の点Aから発した光線は副鏡12の凹面状の不通過部分12fで反射して光軸対称である点A´に戻ることになる。つまり、開口11aの中心部に存在する光束は副鏡12の凹面状の不通過部分12fでの反射により、赤外線撮像素子21の撮像面自身を結像することになる。
したがって、開口11aの中心部の光束は、後述の図11に示すような比較例の光学系とは異なり(すなわち主鏡11やその周辺の鏡筒部から放射されたものではなく)、全て赤外線検出器20の内部から生じたものとなる。しかしながら、赤外線検出器20の内部は、上記のように冷却装置(不図示)により極低温に冷却されているため、開口11aの中心部の不要な赤外線は検出されないことになる。
なお、副鏡12の凹面状の不通過部分12fの径の大きさは、これをd1とし(図2参照)、主鏡11の開口11aの開口径をD1とし、主鏡11の有効径D2とし、副鏡12の有効径をd2としたとき、d1=d2×(D1/D2)で導くことができる。本実施形態のように、副鏡12の不通過部分12fとコールドアパチャー22とが共役となるように配置すれば、前記不通過部分12fの径d1の大きさは最小となり、副鏡12の反射面全体に占める不通過部分12fの割合を最小限に抑えることが可能となる。
以上のような本実施形態に係る赤外線撮像装置によれば、副鏡12の中心部の被検物体からの赤外線が通過しない不通過部分12fを凹面状に形成することによって、前記不通過部分12fからの不要な赤外線が赤外線撮像素子21へと混入することを防ぎ、被検物体からの赤外線のみを赤外線撮像素子21に入射させことができる。その結果、赤外線検出器20に入射するノイズを抑え、赤外線検出器20における検出感度を向上させることができる。
なお、本発明は、第1の実施形態に限定されず、様々な展開が可能である。以下、第1の実施形態の赤外線撮像装置で用いた部材と同じもの、もしくは同等の機能を有するものについては、同じ記号を付してその説明を省略する。
ここで、図4〜図6を用いて、第2の実施形態に係る赤外線撮像装置について説明する。例えば、上述の実施形態では対物光学系13として副鏡12が凸面鏡であるカセグレン型の光学系を用いているが、図4に示すように、本実施形態に係る赤外線撮像装置では、対物光学系13として副鏡12´が凹面鏡であるグレゴリー型の光学系を用いることも可能である。この場合、第1の実施形態と本質的に同等な赤外線撮像装置を得ることができる。
グレゴリー型の光学系を用いる場合も、主鏡11から副鏡12へと向かう光束は主鏡11の開口11aに倣って輪帯光束15となるため、光軸AX付近には被検物体からの光束が存在しない部分が存在する。すなわち、副鏡12´の中心部には、上記のような輪帯光束15となった被検物体からの赤外線が通過しない不通過部分12f´が存在する。
ここで、副鏡12´の中心部に存在する不通過部分12f´を、上述の実施形態と同様に、以下の条件式(1)´を満足するような凹面状に形成する。すなわち、副鏡12´の反射面は、曲率半径の異なる2つの凹面状の反射面12f´と12Bとを有することになる。
L´/1.2 < R´ < 1.5L´ …(1)´
但し、
R´:不通過部分12f´に対応する副鏡12´の中心部の曲率半径の絶対値、
L´:中間像の形成位置Mから不通過部分12f´に対応する副鏡12´の中心部までの距離。
なお、条件式(1)´を満足させることによる効果を、より良好に発揮させるためには下限値をL′/1.1とすることが好ましい。また、条件式(1)´を満足させることによる効果を、より良好に発揮させるためには上限値を1.2L′とすることが好ましい。
また、副鏡12´の中心部に存在する不通過部分12f´を、図5に示すように、光軸AX上の対物光学系13(不図示)による中間像の形成位置Mを曲率中心とする(言い換えれば、副鏡12´の光軸中心Mo´から対物光学系13による中間像の形成位置Mまでの距離L´を曲率半径とする(∴R´=L´))凹面状に形成するのが最も好ましい。本実施形態においては、R´=L´=600mmである。
そして、副鏡12´の凹面状の不通過部分12f´を、赤外光学系10(再結像光学系14)の射出瞳と共役となる位置に配置する。赤外光学系10(再結像光学系14)の射出瞳の位置はコールドアパチャー22の位置に一致しているため、この副鏡12f´の凹面状の不通過部分12f´は、コールドアパチャー22に対しても共役となる。
副鏡12´の中心部がこのような特殊な形状となっているため、主鏡11の開口11aの中心部を通る光束(軸上光束)16は、副鏡12´の凹面状の不通過部分12f´で反射して、そのまま開口11aの中心部に戻ることになる。よって、開口11aの中心部の光束の光路図は図6のようになり、赤外線撮像素子21の撮像面の中心点Oから発した光線は副鏡12´の凹面状の不通過部分12f´で反射して点Oに戻り、前記撮像面の点Aから発した光線は副鏡12´の凹面状の不通過部分12f´で反射して光軸対称である点A´に戻ることになる。つまり、開口11aの中心部に存在する光束は副鏡12´の凹面状の不通過部分12f´での反射により、赤外線撮像素子21の撮像面自身を結像することになる。
したがって、開口11aの中心部の光束は、全て赤外線検出器20の内部から生じたものとなるが、赤外線検出器20の内部は冷却装置(不図示)により極低温に冷却されているため、開口11aの中心部の不要な赤外線は検出されない。よって、上記実施形態の赤外線撮像装置と同様の効果を得ることができる。
続いて、図7〜図9を用いて、第3の実施形態に係る赤外線撮像装置について説明する。この実施形態に係る赤外線撮像装置は、図7及び図8で示すように、一端に被検物体(不図示)からの赤外線を赤外光学系10へと導くための開口30aが形成された鏡筒30内に収納されている。副鏡12は、鏡筒30内に、副鏡12を固定する台座31から放射状に延びたスパイダー32によって支持されている。
赤外線撮像装置1では、上述したように副鏡12の中心部に凹面状の不通過部分12fを有することによって、開口11aの中心部の不要な赤外線が赤外検出器20に混入することはない。しかしながら、図8に示すように、スパイダー32も光束を遮蔽するため、スパイダー32からの不要な赤外線の混入が問題となる。
こうした問題を解決するため、スパイダー32は、主鏡11側の外面32aが、光軸AXに対して垂直な平面であり、且つ、赤外線に対して反射率の高い鏡面で構成されていることが望ましい。本実施形態においては、スパイダー32は、各面が主鏡11の光軸AXに対して直交する向きで配置された平行平板であり、主鏡11側の外面32aが赤外線に対して反射率の高い鏡面となっている。この構成によれば、スパイダー32により遮蔽される光束の光路図は、図9に示すようになり、赤外線撮像素子21の撮像面の中心点Oから発した光線は、副鏡12、主鏡11を順に経てスパイダー32の主鏡11側の鏡面32aで反射した後、主鏡11、副鏡12を順に経て点Oに戻る。また、前記撮像面の点Aから発した光線も、同様に、副鏡12、主鏡11を順に経てスパイダー32の主鏡11側の鏡面32aで反射した後、主鏡11、副鏡12を順に経て光軸対称である点A´に戻る。つまり、スパイダー32に遮蔽される光束は、スパイダー32の主鏡11側の鏡面32aでの反射により、赤外線撮像素子21の撮像面自身を結像することになる。
したがって、上述の開口11aの中心部の光束と同様に、スパイダー32に遮蔽される光束は、全て赤外線検出器20の内部から生じたものとなる。しかしながら、赤外線検出器20の内部は、上記のように冷却装置(不図示)により極低温に冷却されているため、スパイダー32による不要な赤外線は検出されない。
以上のように、本発明によれば、開口整合の取れた状態で、光軸付近に被検物体からの光が通過しない不通過部分を有する対物光学系を備えながらも、装置を大型化することなく、特殊な形状ではない単純な円形開口のコールドアパチャーを用いて、前記不通過部分に対応する副鏡の中心部を凹面状に形成することにより、前記不通過部分からの撮像に不要な赤外線が赤外線検出器へ混入することがなく、検出感度が良好な赤外線撮像装置を提供することができる。
ここで、比較のため、比較例の赤外線撮像装置について説明する。比較例の赤外線撮像装置は、図10に示すように、主に、赤外光学系10と、赤外線検出器20とから構成されている。赤外光学系10は、対物光学系13と再結像光学系14とを有し、被検物体(不図示)から放射される熱、すなわち赤外線を集光し、赤外線検出器20の撮像素子面21上に結像させている。赤外線検出器20は、赤外光学系10により被検物体からの赤外線が集光される位置に配置され、撮像素子面21上に複数の受光素子を有している。
そして、このような赤外線撮像装置では、赤外線検出器10にて、被検物以外から放射される撮像に不要な赤外線(例えば、鏡筒の自己放射)の影響を取り除くため、赤外光学系10と赤外線撮像素子21との間に、赤外光学系10によって集光された赤外線を通過させる開口部を備えたコールドアパチャー22を配置して、撮像素子面21の周囲(側方や斜方)からの不要光を遮断するとともに、このコールドアパチャー22と赤外線検出器20を低温(ほぼ液体窒素温度)に冷却し、これら自体から放射する赤外線を極力除去する構成となっている。
また、コールドアパチャー22が備えている開口部は、赤外光学系10の射出瞳の位置と大きさ(射出瞳の径)が一致するように設計されており、このような状態は一般に「開口整合の取れた状態」と呼ばれている。このように、コールドアパチャー22が赤外光学系10の射出瞳と開口整合を取ることにより、赤外線検出器20において、赤外光学系10の被検物体以外の撮像に不要な赤外光を効率良く抑えることができ、被検物体の赤外光のみを取り入れることができるようになっている。
しかしながら、前記赤外光学系10を構成する際に、例えば、中心部に開口11aを有する主鏡11と、主鏡11で反射された赤外線を主鏡11の開口11aに向かわせる副鏡12とから構成されたカセグレン型の対物光学系13を用いた場合、被検物体からの赤外線は主鏡11で反射されると、この主鏡11の開口11aに倣った輪帯光束15となり、中抜けの状態となる。つまり、図11に示すように、開口11aの中心部の光束(軸上光束)16は、主鏡11の開口11aやその周辺から放射された被検物体以外からの撮像に不要な赤外線である。このように開口整合を取っていても、開口11aの中心部に撮像に不要な赤外線の混入が発生すれば、混入した赤外線はそのまま雑音として検出され、得られる画像のS/N(信号雑音比)を悪化させる。
また、こうした検出雑音は、光束の画角に依存してその量が異なる。光軸上の検出雑音は、その源が赤外線検出器10の内部である割合が多いが、赤外線撮像装置では上述のように赤外線検出器10を冷却し不要な赤外光を極力除去する構成となっているため、光軸外の画角を有する光束と比較して小さくなる傾向がある。その結果、赤外線検出器20の中心部と周辺部とでは検出雑音に勾配が生じ、撮像素子面21の中心部にコールドアパチャー22の像のようなものが見える、いわゆるナルシサス現象を生じることがある。
これに対して、上述したように本実施形態に係る赤外線撮像装置では、開口整合の取れた状態で、不通過部分を有する対物光学系を備えながらも、副鏡の中心部を凹面状に形成することによって、前記不通過部分からの不要な赤外線が赤外線検出器へと混入するのを防ぎ、S/Nの良好な画像が得られるようになっている。
1 赤外線撮像装置
10 赤外光学系
11 主鏡
11a 主鏡の開口
12 副鏡
12f 副鏡中心部の不通過部分
13 対物光学系
14 再結像光学系
20 赤外線検出器
21 赤外線撮像素子
22 コールドアパチャー
30 鏡筒
30a 鏡筒の開口
31 台座
32 スパイダー
AX 光軸

Claims (5)

  1. 被検物体からの赤外線を集光する赤外光学系と、前記赤外光学系からの赤外線を受光する赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子へ前記被検物体以外からの撮像に不要な赤外線が入射することを防ぐコールドアパチャーとを有し、
    前記赤外光学系は、光軸に沿って対向配置された主鏡と副鏡とを含み、前記被検物体からの赤外線を前記主鏡及び前記副鏡で順次反射し前記被検物体の中間像を形成する対物光学系と、前記対物光学系により形成された前記中間像を前記赤外線撮像素子上に再形成する再結像光学系とを有し、
    前記副鏡の中心部には前記被検物体からの赤外線が通過しない不通過部分が存在する赤外線撮像装置において、
    前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部は、以下の条件式を満足する凹面状に形成されていることを特徴とする赤外線撮像装置。
    L/1.2 < R < 1.5L
    但し、
    R:前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部の曲率半径の絶対値、
    L:前記中間像形成位置から前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部までの距離。
  2. 前記不通過部分に対応する前記副鏡の中心部は、前記対物光学系による前記光軸上の前記中間像形成位置を曲率中心とする凹面状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の赤外線撮像装置。
  3. 前記副鏡の前記不通過部分は、前記赤外光学系の射出瞳と共役関係にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の赤外線撮像装置。
  4. 前記赤外光学系の射出瞳の位置は、前記コールドアパチャーの位置と一致していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の赤外線撮像装置。
  5. 前記赤外線撮像装置は、一端に前記被検物体からの赤外線を前記赤外光学系へと導くための開口が形成された鏡筒内に収納されており、
    前記鏡筒は前記開口に前記副鏡を固定保持するスパイダーを有し、
    前記スパイダーは、前記主鏡側の外面が、前記光軸に対して垂直な平面であり、且つ、赤外線に対して反射率の高い鏡面で構成されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の赤外線撮像装置。
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