JP5539028B2 - 赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、被写体で反射し、または被写体から放射された赤外線を検出して、被写体の赤外線画像を撮像する赤外線撮像装置に関する。

従来から、被写体で反射し、または被写体から放射されて入射した光線を、反射型の光学系を用いて量子型の赤外線検出器上に結像し、赤外線検出器で被写体からの赤外線を検出して、被写体の赤外線画像を撮像する赤外線撮像装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の赤外線撮像装置において、量子型の赤外線検出器は、入射した光線のエネルギー量に比例して発生する光電子を用いて、被写体からの赤外線を電気信号に光電変換し、被写体の赤外線画像を撮像している。

米国特許第４５９８９８１号明細書

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の赤外線撮像装置では、所望の光線以外の光線、いわゆる迷光が赤外線撮像装置に入射すると、赤外線検出器で撮像される被写体の赤外線画像上に迷光のパターンが現われるとともに、入射した光線のエネルギー量の増加により、画素値が飽和したり、ショット雑音が増加したりして、赤外線画像の画質が低下するという問題がある。

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あり、量子型の赤外線検出器および反射型の光学系を備えた赤外線撮像装置であって、迷光の入射を抑制して、高画質な赤外線画像を撮像することができる赤外線撮像装置を得ることを目的とする。

この発明に係る赤外線撮像装置は、被写体で反射し、または被写体から放射された赤外線を検出して、被写体の赤外線画像を撮像する赤外線撮像装置であって、被写体側から順に、開口絞りと、反射型の光学系と、コールドシールドと、量子型の赤外線検出器と、を備え、開口絞りは、被写体から入射する光線の径を決定し、光学系は、共通な対称軸に対して回転対称な形状の一部をそれぞれ切り出した形状を有する複数の反射鏡で構成され、内部に中間結像点を有するとともに、開口絞りを通過した光線を赤外線検出器上に結像し、コールドシールドは、光学系からの光線を入射する開口部を有するとともに、壁面が冷却されて、内部に格納された赤外線検出器を冷却し、赤外線検出器は、光学系によって結像された被写体の像を電気信号に変換して、被写体の赤外線画像を撮像し、コールドシールド上に結像した開口絞りの共役像の開口径と、開口部の開口径とを互いに一致させ、光学系は、対称軸に対して、赤外線撮像装置に入射する光線がなす角をαとし、光学系のＦナンバをＦとすると、０．５≦２αＦ≦２．５を満たすように構成されているものである。

この発明に係る赤外線撮像装置によれば、光学系は、内部に中間結像点を有するとともに、開口絞りを通過した光線を赤外線検出器上に結像し、コールドシールド上に結像した開口絞りの共役像の開口径と、コールドシールドの開口部の開口径とが互いに一致している。
そのため、量子型の赤外線検出器および反射型の光学系を備えた赤外線撮像装置において、迷光の入射を抑制して、高画質な赤外線画像を撮像することができる。

この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置における開口絞りの共役像とコールドシールド上の共役像との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置において、光学系を様々な条件で設計した結果得られた光学系の結像性能を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置において、光学系の１番目の反射鏡の形状をコーニック面とし、コーニック係数を変化させた結果得られた光学系の結像性能を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る赤外線撮像装置を示す構成図である。

以下、この発明の赤外線撮像装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置を示す構成図である。
図１において、この赤外線撮像装置は、外部の被写体（図示せず）で反射し、または被写体から放射された赤外線を検出して、被写体の赤外線画像を撮像する赤外線撮像装置であって、被写体側から順に、開口絞り１と、反射型の光学系２と、コールドシールド３と、量子型の赤外線検出器４と、を備えている。

開口絞り１は、被写体から入射する光線の径を決定するとともに、赤外線撮像装置への被写体以外からくる不要光である迷光の入射を制限する。
光学系２は、共通な対称軸５に対して回転対称な形状の一部をそれぞれ切り出した形状を有する３枚の反射鏡（第１反射鏡２ａ〜第３反射鏡２ｃ）で構成され、内部に中間結像点６を有し、開口絞り１を通過した光線を赤外線検出器４上に結像する。なお、光学系は、内部に中間結像点を有するものであれば、２枚、または４枚以上の反射鏡で構成されてもよい。

コールドシールド３は、光学系２からの光線を入射する開口部を有し、壁面が低温に冷却されており、赤外線をほとんど放射しない。
赤外線検出器４は、光学系２によって結像された被写体の像を電気信号に変換して、被写体の赤外線画像を撮像する。

この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置では、光学系２の前段に開口絞り１が配置され、光学系２の内部および赤外線検出器４上にそれぞれ中間結像点および結像点が存在する。中間結像点および結像点に結像される像は、光学系２が形成した物点（被写体）の共役像になっているが、このとき、同様に開口絞り１にも共役像が存在し、物点の共役像と開口絞り１の共役像とは、常に交互に現れる。

すなわち、開口絞り１の共役像は、中間結像点と赤外線検出器４上の結像点との間に現れる。したがって、開口絞り１の共役像を、コールドシールド３近傍に配置することができる。
ここで、図２に示されるように、開口絞り１の共役像がコールドシールド３上にある場合、コールドシールド３の開口部の開口径を開口絞り１の共役像の開口径と一致させることにより、迷光の赤外線検出器４への入射を抑制することができる。

具体的には、コールドシールド３の開口部の内側を通過する光線は、開口絞り１を通過した光線であり、所望の赤外線（被写体からの赤外線）である。一方、コールドシールド３の開口部の外側から来る光線は、迷光であるが、コールドシールド３の壁面で遮断される。また、コールドシールド３の壁面は冷却されているので、赤外線の放射はほぼ皆無であり、迷光の赤外線検出器４への入射を除去することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、光学系は、内部に中間結像点を有するとともに、開口絞りを通過した光線を赤外線検出器上に結像し、コールドシールド上に結像した開口絞りの共役像の開口径と、コールドシールドの開口部の開口径とが互いに一致している。
そのため、量子型の赤外線検出器および反射型の光学系を備えた赤外線撮像装置において、迷光の入射を抑制して、高画質な赤外線画像を撮像することができる。

また、この発明の実施の形態１に係る赤外線撮像装置では、上述したように、光学系２を構成する第１反射鏡２ａ〜第３反射鏡２ｃは、共通な対称軸５に対して回転対称な形状の一部をそれぞれ切り出した形状を有している。
このように、光学系２を完全に回転対称な構造とすることにより、対称性から外れることによって発生する光学系の収差、いわゆる偏心収差がなく、結像性能の高い光学系２を得ることができる。

また、反射鏡により構成された光学系２は、対称軸５上の光線を結像に用いることができないので、対称軸５に対して傾いて入射した光線（入射光線）を用いる必要がある。なお、光学系の収差は、対称軸５に対して入射光線がなす角（傾き角）に依存する。図３に、光学系２を様々な条件で設計した結果得られた光学系２の結像性能を示す。

図３において、横軸は入射光線の傾き角αと光学系２のＦナンバＦとから得られるパラメータ２αＦを示し、縦軸は光学系２の性能指標を示しており、縦軸の値が小さいほど収差が小さく、高画質な赤外線画像を得ることができる。なお、光学系２のＦナンバＦは、焦点距離を開口径で割った値であり、図１中のＦで表される。図３より、０．５≦２αＦ≦２．５の範囲において、縦軸の値が小さくなり、収差が小さくなることが分かる。

すなわち、実施の形態１によれば、光学系は、対称軸に対して、赤外線撮像装置に入射する光線がなす角をαとし、光学系のＦナンバをＦとしたときに、０．５≦２αＦ≦２．５を満たすように構成されている。
そのため、結像性能の高い赤外線撮像装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態１において、光学系２を構成する反射鏡の形状として、コーニック面等の非球面を用いることにより、球面収差等の収差の発生を抑制し、結像性能の高い光学系２を得ることができる。図４に、光学系２の１番目の反射鏡（第１反射鏡２ａ）の形状をコーニック面とし、コーニック係数Ｋを変化させた結果得られた光学系２の結像性能を示す。

図４において、横軸は第１反射鏡２ａのコーニック係数Ｋを示し、縦軸は光学系２の性能指標を示しており、図３と同様に、縦軸の値が小さいほど収差が小さく、高画質な赤外線画像を得ることができる。図４より、−１≦Ｋ≦０の範囲において、結像性能の高い赤外線撮像装置を得られることが分かる。なお、コーニック係数Ｋが−１≦Ｋ≦０となるコーニック面は、一般に楕円面（Ｋ＝−１は放物面）と呼ばれる。

また、上記実施の形態１において、光学系２を構成する反射鏡として、３枚以上の反射鏡を用いることにより、結像性能の高い光学系２を得ることができる。対称構造を有する光学系に現れる低次の収差は、ザイデル収差と呼ばれ、５つの収差からなる。ここで、例えばコーニック面を反射鏡の形状とする３枚以上の反射鏡を光学系２として用いることにより、５つの収差、すなわちザイデル収差を除去した光学系を設計することができる。

また、上記実施の形態１において、光学系２の最後の２枚の反射鏡（第２反射鏡２ｂ、第３反射鏡２ｃ）を凸面、凹面の順で配置することにより、Ｆナンバの小さな光学系を、コンパクトに設計することができる。すなわち、赤外線検出器４に入射する光線の広がり角は、光学系２のＦナンバで決定され、Ｆナンバの小さな光学系ほど光線の広がり角が大きくなる。

しかしながら、広がり角の大きな光線を伝搬させるためには広い空間が必要となり、光学系が大型化するという問題がある。そこで、光学系の最後の２枚の反射鏡を凸面、凹面の順で配置し、赤外線検出器４に光線が入射する直前で、光線の広がり角を大きくする構成とすることにより、光学系を小型化することができる。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２に係る赤外線撮像装置を示す構成図である。
図５において、この赤外線撮像装置は、図１に示した赤外線撮像装置に加えて、光軸が光学系２への入射光線と平行になるように配置されたアフォーカル光学系７を備えている。なお、その他の構成は、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

この発明の実施の形態２に係る赤外線撮像装置では、開口絞り１の前段にアフォーカル光学系７を配置することにより、光学系２に入射する光線の量を、アフォーカル光学系７の有するアフォーカル倍率（アフォーカル光学系７の入射開口と射出開口との比）の二乗倍に増加させることができる。すなわち、例えばアフォーカル倍率が３倍のアフォーカル光学系７を開口絞り１の前段に配置すれば、光学系２の大きさを変えずに９倍の光線を入射させることができる。

また、この発明の実施の形態２に係る赤外線撮像装置では、上述したように、アフォーカル光学系７の光軸を、光学系２への入射光線と平行になるように配置している。一般に、アフォーカル光学系７の構造は、光軸に対して回転対称になっているので、光軸と平行な光線について、収差が最小となる。したがって、アフォーカル光学系７の光軸を光学系２の対称軸５と一致させて全体を回転対称な構造とするよりも、入射光線に合わせてアフォーカル光学系７を偏心（例えば、図５中のα）させた方が低収差となり、結像性能の高い赤外線撮像装置を得ることができる。

なお、アフォーカル光学系７において、収差が最小となる方向が光軸と異なる場合には、その方向を光学系２の入射光線に合わせて、アフォーカル光学系７を配置すればよい。
また、上記実施の形態２では、光学系２に入射する光線の量を増加させるためにアフォーカル光学系７を用いたが、これに限定されず、撮像領域を拡大または望遠化するために、アフォーカル光学系７を用いてもよい。

１ 開口絞り、２ 光学系、２ａ〜２ｃ 反射鏡、３ コールドシールド、４ 赤外線検出器、５ 対称軸、６ 中間結像点、７ アフォーカル光学系。

Claims (5)

1. 被写体で反射し、または前記被写体から放射された赤外線を検出して、前記被写体の赤外線画像を撮像する赤外線撮像装置であって、
   前記被写体側から順に、開口絞りと、反射型の光学系と、コールドシールドと、量子型の赤外線検出器と、を備え、
   前記開口絞りは、前記被写体から入射する光線の径を決定し、
   前記光学系は、共通な対称軸に対して回転対称な形状の一部をそれぞれ切り出した形状を有する複数の反射鏡で構成され、内部に中間結像点を有するとともに、前記開口絞りを通過した前記光線を前記赤外線検出器上に結像し、
   前記コールドシールドは、前記光学系からの前記光線を入射する開口部を有するとともに、壁面が冷却され、
   前記赤外線検出器は、前記光学系によって結像された前記被写体の像を電気信号に変換して、前記被写体の赤外線画像を撮像し、
   前記コールドシールド上に結像した前記開口絞りの共役像の開口径と、前記開口部の開口径とを互いに一致させ、
   前記光学系は、前記対称軸に対して、前記赤外線撮像装置に入射する光線がなす角をαとし、前記光学系のＦナンバをＦとすると、
   ０．５≦２αＦ≦２．５
   を満たすように構成されている
   ことを特徴とする赤外線撮像装置。
2. 前記光学系の最も前記被写体側の反射鏡の形状を、コーニック係数が−１から０までの範囲にある楕円面もしくは放物面としたことを特徴とする請求項１に記載の赤外線撮像装置。
3. 前記光学系は、少なくとも３枚の反射鏡で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の赤外線撮像装置。
4. 前記光学系の前記赤外線検出器側の最後の２枚の反射鏡を、凸面、凹面の順で配置したことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の赤外線撮像装置。
5. 前記開口絞りの前段に配置されたアフォーカル光学系をさらに備え、
   前記アフォーカル光学系の光軸と前記対称軸とのなす角が、上記角αである
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の赤外線撮像装置。

Images