JP5700803B2 - 赤外線カメラの光学配置 - Google Patents

Description

本件発明は、赤外線を検知して画像信号に変換処理する赤外線カメラにおける光学配置に関する。

遠赤外、赤外あるいは近赤外線等の放射エネルギーを検出して映像に変換する赤外線カメラは、例えば、警備上の監視、自動車走行時や災害時における暗所での人や動物の感知等に用いられる。赤外線カメラの撮像方法として、例えば、特許文献１に開示されているように、赤外線を熱的に検知する熱型赤外線撮像素子が受光部として用いられる。特許文献１に開示の熱型赤外線カメラは、温度に応じて物理的特性が変化する温度検知部と入射した赤外線量に応じて発熱する赤外線吸収層とが熱的に結合して構成された受光部を備える。そして、赤外線の入射により赤外線吸収層が発熱し、この熱が温度検知部に温度変化を生じさせると、温度検知部の物理的特性に生じる変化を電流又は電圧の変化として読み出すことで赤外線を電気信号として出力する。

さらに、従来、赤外線カメラは、防犯カメラ等の定点観察用途、自動車のナイトビジョン等の用途において、人や動物の有無が判別可能である程度であり、広角撮像は可能であるが、解像度が不十分であった。しかし、近年、赤外線カメラ用のレンズにおいても、高い解像度のものが求められ、且つ、広角、高倍率といった目的に応じて、可視光カメラのように、望遠や広角等、用途に応じて用いられる交換レンズへの期待が高まっている。

例えば、特許文献２には、広角にすべく設計された複数のレンズからなる遠赤外線カメラ用レンズを用いたレンズユニットと、赤外センサとを備えた撮像装置が開示されている。この赤外線カメラ用のレンズは、赤外光を透過させることが可能なゲルマニウムからなるものが用いられている。これらの赤外線カメラ用のレンズは、温度とレンズの屈折率との相関が高く、僅かな温度変化でもレンズの屈折率が変化し焦点がずれやすい。また、赤外センサは周囲の温度変化の影響を受けるので、赤外線カメラでは、特許文献３に開示の赤外線撮像システムのように、レンズとセンサ（二次元センサ）との間にシャッタを介挿させて所定の間隔で開閉させ、シャッタを閉じた状態で温度補正を行い、シャッタが開いた直後に二次元センサからの出力を得て、センサ周囲の温度変化による撮像精度の低下を防いでいる。

特開平１０−２８１８６４号公報 特開２００９−６３９４２号公報 特開２０１０−２６１８０１号公報

車載用や携帯用の赤外線カメラにおいて、撮像精度の向上と、小型化が求められている。しかし、上述の通り、赤外線量を熱で検知する赤外線カメラの場合、温度管理のために、赤外センサを真空容器内に配置したり、シャッタを配置する必要があり、撮像精度を向上させるためには、必然的に装置が大きくなるという課題があった。

そこで、本件発明は、撮像精度の向上と、装置の小型化を兼ね備える赤外線カメラを提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下の赤外線カメラの光学配置を採用することで上記目的を達成するに到った。

本件発明に係る赤外線カメラの光学配置は、枠体にレンズが支持されたレンズユニットと、レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサが窓部を有するハウジング内に封入された赤外センサモジュールと、当該レンズと赤外センサモジュールとの間に配置されるシャッタとを備え、当該赤外センサのセンサ面の端部と、窓部の端部と、シャッタの最大開口の縁部と、シャッタに最も近いレンズのレンズ有効面の端部とを結ぶ仮想線の光軸に対する傾斜角度が２５°〜３５°となるように、赤外センサのセンサ面と窓部、シャッタ及びレンズを配置したことを特徴とする。

本件発明に係る赤外線カメラでは、前記レンズユニットは、レンズマウントをカメラ本体に備えるカメラマウントと係合させる交換レンズユニットであり、当該交換レンズユニットのレンズマウント及びカメラ本体のカメラマウントの開口が、前記仮想線上に位置するものとすることがより好ましい。

本件発明に係る赤外線カメラの光学配置では、カメラマウント及びレンズマウントとの接合面と、前記赤外センサのセンサ面との光軸方向における離間距離が１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることがより好ましい。

本件発明に係る赤外線カメラの光学配置は、赤外センサのセンサ面の端部、窓部の端部、シャッタの最大開口の縁部及び像面側のレンズのレンズ有効面の端部それぞれを結ぶ仮想線の光軸に対する傾斜角度が２５°〜３５°となるように、赤外センサのセンサ面と窓部、シャッタ及びレンズを配置したことにより、撮像精度を高めながら小型化を図ることができる。

本件発明に係る赤外線カメラの光学配置を示す断面図である。

以下、本発明に係る赤外線カメラの光学配置の好ましい実施の形態を説明する。図１は、本件発明に係る赤外線カメラの光学配置の一実施の形態を示す断面図である。赤外線カメラ１は、特に、中赤外、遠赤外の撮像に用いられ、レンズユニット２と、赤外センサモジュール３と、シャッタユニット５とを備える。そして、本件発明に係る赤外線カメラの光学配置は、当該赤外センサのセンサ面の端部と、窓部の端部と、シャッタの最大開口の縁部と、シャッタに最も近いレンズのレンズ有効面の端部とを結ぶ仮想線の光軸に対する傾斜角度が２５°〜３５°となるように、赤外センサのセンサ面と窓部、シャッタ及びレンズを配置したことを特徴とする。まず、レンズユニット２、赤外センサモジュール３、シャッタユニット５について説明する。

レンズユニット２は、枠体２１に複数のレンズ１４が光軸Ｌに沿って支持され、そのレンズ１４のうち、ズームレンズ、フォーカスレンズ等が光軸方向に移動可能に設けられる。また、レンズユニット２の像面側の端部にはレンズマウント２２を備え、カメラ本体１０に備えるカメラマウント１６と係合してカメラ本体１０に取り付けられる。本実施の形態では、バヨネットマウントとした。本実施の形態では、レンズユニット２は、赤外センサモジュール３を備えるカメラ本体１０に着脱可能な交換レンズとしたが、本件発明は、レンズユニットをカメラ本体に固定する赤外線カメラにおいても効果を奏する。

赤外センサモジュール３は、カメラ本体１０に設けられ、レンズ１４を透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサ３１を有する。赤外センサモジュール３は、赤外センサ３１と、この赤外センサ３１を収容するハウジング３２とを備える。

赤外センサ３１は、撮像性能、設置環境の観点から、ボロメータ、サーモパイル、サーミスタ等を用いることが好ましい。この赤外センサ３１は、第１ハウジング３２１内に配置され、赤外光を検知するセンサ面３１ａを有する。具体的には、第１ハウジング３２１の開口３２ａに面した位置にセンサ面３１ａを配置し、この開口３２ａにゲルマニウム製の窓部３２ｂを嵌合して接着し、減圧処理することにより、第１ハウジング３２１内に赤外センサ３１を真空密封する。ボロメータ（赤外センサ３１）のセンサ面３１ａは、シリコン、ゲルマニウム等の半導体、白金、ニッケル等の金属、ニオブ、錫などの超伝導体、カルコゲナイドガラスなどの誘電体からなる薄膜を用いることができる。

そして、赤外センサ３１は、赤外線量を熱により検知するものであり、感度、信号雑音比を大きくするために、所望の温度に保持する。そのため、赤外センサモジュール３には、調温手段３３を有する。調温手段３３は、赤外センサ３１の検知面３１ａにおいて、熱検知により生じた熱を所定温度に調整する調温素子３３ａと、調温素子３３ａで吸収した熱をハウジング３２外に放熱する放熱部３３ｂとを備える。本実施の形態では、調温素子３３ａは、ペルチェ素子を用いた。放熱部３３ｂは、調温素子３３ａに接続された熱伝導部材であり、調温素子３３ａが赤外センサ３１の検知面３１ａの温度を調整することにより生じた熱を第１ハウジング３２１の外部に放熱する。本実施の形態では、第１ハウジング３２１のうち、窓部３２ｂを有する面（シャッタ５１と対向する面）を除く面をアルミニウム製とし、第１ハウジング３２１のアルミニウム製の部分を放熱部３３ｂとした。

ここで、赤外センサモジュール３のハウジング３２は、赤外センサ３を密封する第１ハウジング３２１と、少なくとも放熱部３３ｂを含む第１ハウジング３２１の外周部を囲む第２ハウジング３２２とからなる。第２ハウジング３２２は、放熱部３３ｂからの熱がカメラ本体１０の外部に伝わらないように設けられる。なお、本実施の形態では、第１ハウジング３２１は、側面及び像面側は断熱性を考慮してセラミック製とし、開口３２ａを有する面は金属製とした。また、第２ハウジング３２２は、アルミニウム製とすることにより、外部に放熱しやすい構成とした。

シャッタユニット５は、シャッタ５１が開閉可能な状態で枠体５２に取り付けられたユニットである。レンズユニット２と赤外センサモジュール３との間に配置され、所定の間隔でシャッタ５１が開閉する。赤外線量を熱で検知する赤外線カメラでは、被写体側の温度変化量を赤外センサ３１で検知するため、撮像性能を高めるためには、赤外センサ３１を基準温度に保つ必要がある。そこで、基準温度に設定されたシャッタ５１をレンズ１４と赤外センサ３１との間に設け、シャッタ５１を逐次閉じて、赤外センサ３１の検知温度を基準温度に補正する。

赤外線カメラは、被写体側から入射する赤外光をレンズユニット２の複数のレンズ１４を透過させ、赤外センサモジュール３のセンサ面３１ａで結像させる。センサ面３１ａでは、結像させた赤外線量を温度変化量として検知し、これを検知信号を画像処理手段（不図示）に伝達して画像処理を行う。ここで、シャッタ５１は、逐次開閉し、赤外センサ３１を基準温度に補正する。

次に、光学配置について説明する。本件発明に係る赤外線カメラの光学配置では、図１に示すように、赤外センサ３１のセンサ面３１ａの端部と、窓部３２ｂの端部と、シャッタ５１の最大開口の縁部と、レンズ１４ａのレンズ有効面の端部とを結ぶ線を仮想線Ｍとする。この仮想線Ｍが、光軸Ｌに対する傾斜角度θが２５°〜３５°となるように、センサ面３１ａ、窓部３２ｂ、シャッタ５１及びレンズ１４ａをこの順に配置する。つまり、図１に示す断面図では、赤外センサ３１のセンサ面３１ａの外周端部と、像面側のレンズ１４ａのレンズ有効面の外周端部とを結ぶ仮想線Ｍが、光軸Ｌに対する傾斜角度θが２５°〜３５°であり、この仮想線Ｍ上に、センサ面３１ａの端部と、窓部３２ｂの端部と、シャッタ５１の最大開口の縁部と、レンズ１４ａのレンズ有効面の端部とが位置するように配置する。

この仮想線Ｍの光軸Ｌに対する傾斜角度θが２５°より小さいと、これらの配置の光軸方向における長さを小さくすることができず、赤外線カメラの小型化を図ることができない、あるいは、望まれるＦ値を維持することができず、小型化と撮像精度の向上という両方を実現できない。一方、仮想線Ｍの光軸Ｌに対する傾斜角度θが３５°よりも大きくすると、センサ面３１ａ、窓部３２ｂ、シャッタ５１及びレンズ１４ａのレンズ有効面のそれぞれの面積が大きくなり、小型化に反するとともに赤外線カメラが重くなるので好ましくない。なお、仮想線Ｍの光軸Ｌに対する傾斜角度θは２６°〜３２°の範囲とすると、より好ましい。

また、レンズユニット２として、交換レンズユニットを用いる場合、レンズマウント２２をカメラ本体１０に備えるカメラマウント１６と係合させるが、この交換レンズユニットのレンズマウント２２及びカメラ本体１０のカメラマウント１６の開口が、仮想線Ｍ上に位置するようにすると、レンズユニット２内に存在する赤外線等、不要な赤外線の入射を防ぐことができる。

さらに、本件発明に係る赤外線カメラの光学配置１では、図１に符号Ｓで示すように、レンズマウント２２とカメラマウント１６との接合面と、赤外センサ３１のセンサ面３１ａとの離間距離Ｓが、光軸方向において１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることも特徴の一つである。レンズマウント２２とカメラマウント１６との接合面とは、レンズマウント２２とカメラマウント１６とが接合した状態で、各マウントにおいて光軸Ｌと垂直な面同士が当接する面をいう。赤外線カメラでは、シャッタユニット５が必須である。また、レンズ１４及び赤外センサ３１は、それぞれ温度管理が重要であるため、互いの熱による温度変化を防ぐため、密接配置が出来ない。そのため、機構的に光軸方向の長さを抑えることができない。しかし、本件発明に係る赤外線カメラの光学配置では、レンズマウント２２とカメラマウント１６との接合面と、赤外センサ３１のセンサ面３１ａとの離間距離Ｓが１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下という極めて小さく抑えられるようにした。これと併せて、レンズ１４、シャッタ５１、窓部３２ｂ、赤外センサ３１のセンサ面３１ａを仮想線Ｍの角度に揃えることにより、Ｆ値を１．０に保ち、且つ、光軸方向の長さ及びレンズ径方向の大きさを抑えた光学配置とすることができる。

本件発明に係る赤外線カメラの光学配置は、交換レンズ式のレンズユニットや、固定式のレンズユニットを備える赤外線カメラに利用可能である。そして、本件発明に係る赤外線カメラの光学配置は、撮像精度の向上と小型化を兼ね備える赤外線カメラを実現でき、軽量化も同時に実現できる。そのため、車載用、携帯用の赤外線カメラの他、防犯等の監視用カメラとしても、小型高性能化に貢献できる。

１・・・光学配置
２・・・レンズユニット
３・・・赤外センサモジュール
１４・・・レンズ
３２ｂ・・・窓部
５１・・シャッタ
２２・・・レンズマウント
１６・・・カメラマウント

Claims (3)

1. 枠体にレンズが支持されたレンズユニットと、レンズを透過した赤外線を熱で検知して画像信号に変換する赤外センサが窓部を有するハウジング内に封入された赤外センサモジュールと、当該レンズと赤外センサモジュールとの間に配置されるシャッタとを備え、
   当該赤外センサのセンサ面の端部と、窓部の端部と、シャッタの最大開口の縁部と、シャッタに最も近いレンズのレンズ有効面の端部とを結ぶ仮想線の光軸に対する傾斜角度が２５°〜３５°となるように、赤外センサのセンサ面と窓部、シャッタ及びレンズを配置したことを特徴とする赤外線カメラの光学配置。
2. 前記レンズユニットは、レンズマウントをカメラ本体に備えるカメラマウントと係合させる交換レンズユニットであり、
   当該交換レンズユニットのレンズマウント及びカメラ本体のカメラマウントの開口が、前記仮想線上に位置する請求項１に記載の赤外線カメラの光学配置。
3. カメラマウント及びレンズマウントとの接合面と、前記赤外センサのセンサ面との光軸方向における離間距離が１０ｍｍ以上１５ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の赤外線カメラの光学配置。

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