JPH02187632A - 赤外線光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は１例えば赤外線画像を得る赤外線光学装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

第３図は０例えばＲ，Ｄ　、　Ｈｕｄｓｏｎ　、Ｊｒ　
、’　ＩｎｆｒａｒｅｄＳｙｓｔｅｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅ
ｒｉｎｇ　”、Ｊｏｈ　Ｗｉ　Ｉｅｙ　＆　５ｏｎｓ　
。

１９６９年、ｐ、３５４　　に示された従来の赤外線光
学装置を示す断面図であり１図に卦＾で、（１）は赤外
光学系、（２）は撮像あるいは検出しようとする目標物
体から放射され、上記赤外光学系（１１に入射する信号
光、（３）は赤外光学系（１）を保持する鏡筒、（４）
は内部を真空にしたデユア、（５）はデユア（４）に取
付けられた冷却器、（６（はデユア（４）に取付けられ
、信号光（２）を透過するデユア窓、（７）は冷却器（
５）によって冷却された赤外線検出素子、（８）は冷却
器（５）によって冷却されたコールドシールド、ｆ９１
ｉｄコールドシールド（８）に取付けられ、赤外線検出
素子（７）で受光される信号光（２）の波長範囲を選択
するだめのコ−ルドフィルタである。

次に動作について説明する。赤外光学系（１）に入射し
た信号光（２）は、デユア窓、コールドシールド及びコ
ールドフィルタを透過して赤外線検出素子（７）上に結
像される。赤外線検出素子（７）は感度を得るために冷
却器（５）によって冷却される。デユア（４）の内部は
効率良く赤外線検出素子（７）全冷却するために真空に
しである。コールドシールド（８）及びコールドフィル
タ（９）は、赤外線検出素子（７）と同程度に冷却され
ておシ、これらから放射される雑音光は検出すべき信号
光（２）に比べ無視できる程小さい。

コールドシールド（８）の開口は、赤外光学系（１）の
開口絞シとなっておシ、赤外光学系（１）を透過した信
号光（２）以外に鏡筒（３）等の常温の背景から放射さ
れ赤外線検出素子（７）に入射する不要な雑音光を極力
低減する構成としている。

上記構成では、鏡筒（３）から放射されデユア窓（６）
を透過し、コールドシールド（８）の開口を通過後コー
ルドフィルタ（９）を透過して赤外線検出素子（７）に
直接入射することはない。しかしながら、常温である赤
外光学系（１）自身及びデユア窓（６）のうち信号光の
光路中の部分から放射される雑音光と、鏡筒（３）から
放射され、赤外光学系＋１１及びデユア窓（６）で反射
された雑音光がコールドシールド（８）の開口を通過し
、コールドフィルタ（９）を透過して赤外線検出素子（
７）に入射することは避けられない２赤外線検出素子（
７）で受光された雑音光による赤外線検出素子（７）の
出力Ｉｎ　Ｊｄ、次式で与えられる。

Ｉｎ＝ΩｅＡｄｊ’：（εイλ）＋γ４λ））・ｆｉλ
）−Ｎ（λ、Ｔｈ）Ｒ，ｌｄλΩｃ　４ｄｒ（１”ｄλ
））・τメλ）・Ｎ（λ、Ｔｈ）Ｒλｄλｉｌ ここで　　ΩＣ：赤外線検出素子ｆＲ１から見込むコー
ルドシールド（８）の開口の 立体角 Ａｄ：赤外線検出素子（７）の受光面積ε−λ）：赤外
光学系＋１）の分光放射率γ０（λ）：赤外光学系（１
）の分光反射率τシλ）：赤外光学系ｆｌ）の分光透過
率τＦ（λ）：コールドフィルタ（９）の分光透過率 Ｎ（λ、Ｔｈ）：絶対温度Ｔｈ　の黒体の分光放射輝度 Ｔｈ：赤外光学系（１）及び鏡筒（３）の温度 Ｒλ：赤外線検出素子（７）の分光感度λ：波長 である。

次ニ、コールドフィルタ（８）ヲ使用する効果を説明す
る。フィルタが赤外光学系（１）等に設置されておシ、
冷却されていないとき（以下非冷却フィルタと呼ぶ）、
すなわちフィルタも赤外光学系（１）及び鏡筒（３）と
同じ温度Ｔｈ　であるときには、フィルタから放射ある
いは反射される雑音光が加わる。

式（１）において赤外光学系（１）の透過率τ０（λ）
　を、赤外光学系（１１の透過率とフィルタの透過率の
積に置き換えて、雑音光による赤外線検出素子（７）の
出力Ｉｎ′は と表される。

ここで、見通しをよくするため、フィルタの分光透過率
τＦ（λ）を波長範囲λ１〜λ２で一定値τＦ。

それ以外の波長でゼロであるノく７ドノ（スフイルタを
考える。赤外光学系の分光透過率τ０（λ）も波長範囲
λ１〜λ２で一定値τ０　とすると式１１１と式（２）
はそれぞれ Ｉｎ−Ωｃ４ｄ（１−τＯ）・τＦＬ、・Ｎ（λ、　Ｔ
ｈ）Ｉ’ｕｄλ　　　（３）となる。

従って、非冷却フィルタの場合は、コールドフィルタに
比べて Ｉｎ’−Ｉｎ ＝紡［「Ｎ（λ、Ｔｈ）町λ−τＰポ２Ｎ（λ、Ｔｈ）
部判ΩｃＭ［ｇｌＮ（λ、Ｔｈ）ｌ’ｕｄλ十ｆ′：Ｎ
（λ、Ｔｈ）Ｒλｄλ］＋ΩｃＡｄ　Ｂ１−τｐ）、／
；１２Ｎ（λ、Ｔｈ）Ｒ２ｄ、］たけ雑音光が増大する
。式（５）から１例えばフィル夕が理想的、すなわち透
過波長域λ１〜λ２の透過率τＦ＝１　　であっても、
非冷却フィルタではコールドフィルタに比べ透過波長域
以外の波長成分の雑音光がフィルタで反射あるいは放射
されて増大することがわかる。実際のフィルタではτＦ
＜７であり、非冷却フィルタでは透過波長域成分の雑音
光も増大するので、コールドフィルタの効果はさらに大
きい。

第４図に、コールドフィルタの効果を示す一例として、
鏡筒温度Ｔｈ　による雑音光の変化を、信号光（２）と
のレベル比で示す。第４図は信号光（２）を放射する目
標物体の温度を２０Ｃ１赤外光学系（１）のＦ数を１２
．透過率τｏ＝０．８５．フィルタの透過率τＦ＝０．
９５．透逼波長域３〜５６μｍ　として計算したもので
ある。

環筒温度が上昇するにつれて雑音光は急激に増加し、非
冷却フィルタでは５（ｌＣを越えると２０Ｃの目標物体
から得られる信号光（２）よりも雑音光の方が多くなる
。特に赤外線検出素子（力として固体撮像素子を用いた
場合などではこのように雑音光が増大すると、雑音光と
信号光（２）の両方を受光する赤外線検出素子（７）が
飽和してしまうおそれがある。環境温度の変動などによ
り鏡筒温度が非常に上昇した最悪の場合には雑音光のみ
で赤外線検出素子（７）が飽和してしまい、信号光（２
）を検出できなくなる可能性もある。コールドフィルタ
使用時には、雑音光のレベルはほぼ半減される。鏡筒温
度が高くなるほどフィルタを冷却する効果は大きく１例
えば雑音光レベルが２ＤＣの目標物体から得られる信号
光レベル以下であるための鏡筒温度範囲は、非冷却フィ
ルタに比べてコールドフィルタの方が約ＺＯＣ昼い範囲
まで許容される。

［発明が解決しようとする課題〕 以上のように、従来の赤外線光学装置は、常温の鏡筒等
から放射される雑音光の影響を低減するために、検出す
る信号光の波長範囲を選択するフィルタを冷却しなけれ
ばならず、赤外線検出素子。

コールドシールド及びフィルタを冷却する冷却器の熱負
荷が増大するという課題があった。また。

フィルタは赤外線検出素子と同様、液体窒素温度程度の
低温になるまで冷却されるので、フィルタを構成する薄
膜に剥離等の損傷が生じないためには使用できる膜材料
が限られるという課題があった。

この発明は上記のような課題を解消するため罠なされた
もので、フィルタを冷却することなく赤外線検出素子が
受光する雑音光を低減できる赤外線光学装置を得ること
を目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

この発明に係る赤外線光学装置は、検出する信号光の波
長域全選択する非冷却フィルタを、コールドシールドの
開口径及び外径、コールドシールド開口と赤外線検出素
子間の距離及び赤外線検出素子の寸法で決まる範囲内で
コールドシールドの開口例近接させて設置したものであ
る。

〔作用〕

この発明における非冷却フィルタは、コールドシールド
の開口付近に設置されるので、鏡筒等の常温の物体から
放射された雑音光が非冷却フィルタで反射されて赤外線
検出素子に入射することを防ぎ、低雑音な赤外線光学装
置を構成することができる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図において、ａ〔はコールドシールド（８）の開口
付近に設置された非冷却フィルタであシ、この実施例に
おいてはデユア窓（６）を兼ねている。以下この発明に
おける非冷却フィルタ１１１を、コールドシールド（８
１に近接さ亡て設置するという意味で非冷却近接フィル
タと呼ぶ。

非冷却近接フィルタ６１は所要の赤外線を透過し吸収の
少ない光学材料１例えばＳｉ、Ｇｅ等の基板と０例えば
ＺｎＳ、Ｓｉ、Ｇｅ等の多層膜で構成され。

不要な波長域の赤外線の透過率金低くしたものである。

鏡筒（３）等から放射される雑音光の影響を少なくする
ためには、非冷却近接フィルタｎｏの設置位置は制限さ
れる。以下、非冷却近接フィルタｆｌｌ）の設置位置に
ついて説明する。

第２図において、コールドシールド（８）の開口径をＤ
ｌ、外径をＤ２．赤外線検出素子（７）の寸法をｘ、コ
ールドシールド（８）の開口と赤外線検出素子（７）間
の距離をり、コールドシールド（８１の開口と非冷却フ
ィルタ１１１間の距離をｄとする。雑音光が赤外線検出
素子（７）に入射しないということは、言い換えれば赤
外線検出素子（７）が鏡筒（３）等の雑音光源を見ない
ということである。赤外線検出素子（７）の端の点Ｐか
らコールドシールド（８）の開口を通して非冷却近接フ
ィルタ（１１の反射によって見ることのできる範囲は、
非冷却近接フィルタａａによる赤外線検出素子（７）の
鏡ｆＨ＋ｎ上の点Ｖから、非冷却近接フィルタＱＧＩＣ
よるコールドシールド１８１の開口の鏡ｒｔ’ａａｔ通
して見ることのできる範囲と一致する。

従って Ｄ２≧０１＋　２　　（ＤＩ　＋ｘ）　　　　　　　　
（６１であれば１点Ｐから見ることのできる範囲は、コ
ールドシールド（８）、赤外線検出素子（７）自身及び
コールドシールド（８）と赤外線検出素子（７）で囲ま
れた部分に限られる。これらは全て冷却器（５）によっ
て液体窒素温度程度に冷却されているため、放射される
雑音光は無視できる程小さい。式（６）から非冷却近接
フィルタ（ＩＧの設置条件としてを得る。

以上のように非冷却近接フィルタ＋ＩＱ’ｉ配置したと
＠、赤外線検出素子（７）で受光される雑音光は。

赤外光学系（１）自身から放射され非冷却近接フィルタ
帥を透過する雑音光、鏡筒（３）から放射され赤外光学
系（１）で反射し非冷却近接フィルタ１ｌｌｊｉ透過す
る雑音光、及び非冷却近接フィルタαＧ自身が放射する
雑音光である。雑音光による赤外線検出素子（７）の出
力１ｎＩＩは Ｉｎ“＝Ωｃ４ｄｆ：（ｇｏ（λ）＋ｒｏ（λ））τ〆
λ）Ｎ（λ、Ｔｈ）Ｒλｄλ＋Ωｃ−ＡｄＱｙ（λ）Ｎ
（ｊ、ｒｈ）Ｒλｄλ　　　（８１となる。ただし、ε
Ｆ（λ）は非冷却近接フィルタ□αの分光放射率であシ
、他の記号はすでに述べたものと同一である。

式１８＋と式（１）’ｉ比較すると１以上のように配置
しく１２） た非冷却近接フィルタａａ使用時とコールドフィルタ（
９）使用時の雑音光による出力の差はＩｎ２−■ｎ−Ω
ＣＡｄ「εＦ（λ）Ｎ（λ、Ｔｈ）Ｒλｄλ　　（９）
すなわち非冷却近接フィルタＱ［ｌ自身の放射によるも
のである。

非冷却近接フィルタσＧの放射率εＦ（λ）は、フィル
タの吸収率ａｙ（λ）に一致する。フィルタ基板は例え
ばＳｉ（吸収係数α＝０．０１ｃｍ−’）、　Ｇｅ　（
α＝ｏ、ｏｏ５ｃｍ−１）等吸収の少ない光学材料を用
い、厚さも一般に数羽以下であシ、また。フィルタ膜の
厚さも数μｍ以下と薄いので、フィルタの吸収率は小さ
い。

透過率及び放射率（吸収率）の分光特性を均一としたモ
デルを考えると、コールドフィルタ（９）使用時と比べ
た非冷却近接フィルタｕｔｉ使用時の雑音光出力の増分
は 舖 となる。式（１［１（７）第１項は、　　ｇｐ”’０．
００３〜０．００５゜Ｔｏ　＞　０．８５．　　γＦ　
〜０．９５　　であるからｏ、　０３５　　程度にすぎ
ない。式ａαの第２項は、波長域による雑音光受光レベ
ル比である。一般に赤外線検出素子（７）には検出可能
な波長の上限であるカットオフ波長が存在するので、第
２項の比は主としてフィルタの透過波長域よシも短波長
側の雑音光に依存する。分光放射輝度Ｎ（λ、Ｔ）１）
は常温ではλ＝１０μｍ付近で最大となるので１例えば
、３〜５μｍ波長帯を使用する装置では、第２項は１．
０８程度にすぎない。

従ってコールドフィルタ（９）使用時に比べて比冷却近
接フィルタＩＩ［ｌ使用時における雑音光出力の増分は
数チにすぎず、非冷却近接フィルタαＧを用いることに
よシコールドフィルタ（９）Ｋ匹敵する雑音低域効果が
得られる。

なお、上記実施例では非冷却近接フィルタαＧをデユア
（４１に取付はデユア窓（６）を兼ねる構成を示したが
１式／７）に示した条件を満足する位置に設置するので
あれば非冷却近接フィルタＩＩ（ｌとデユア窓（６）は
別々のものであってもよく、また非冷却近接フィルタｑ
（１は、デユア（４）の内部にあってもよく、デユア（
４）の外部にあってもよい。

非冷却近接フィルタｆｌｌｌをデユア（４）の外部に設
置したときには、コールドシールド（８）と非冷却近接
フィルタ＋ｌｔｊ間の距離ｄ（は、近軸的な光学距離と
し。

デユア窓（６）の厚さについては、窓材料の屈折率で割
った。厚さとして換算した距離であり、この近軸的光学
距離ｄが式（７）全満足する位置であれば上記実施例と
同様の効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれは非冷却近接フィルタを
コールドシールドの開口に近接させて設置したので、非
冷却近接フィルタで反射して赤外線検出素子に入射する
雑音光が除去され、冷却を必要とするコールドフィルタ
のように冷却器の熱負荷を増大させることなく、低雑音
な赤外線光学装置が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による赤外線光学装置を示
す図、第２図は非冷却近接フィルタの設置位置条件を示
す説明図、第３図は従来の赤外線光学装置を示す図、第
４図は従来の装置におけるコールドフィルタの雑音低減
効果例を示す図である。 図において、（１）は赤外光学系、（２）は信号光、（
３）は鏡筒、（４）はデユア、（５）は冷却器、（６）
はデユア窓。 （７）は赤外線検出素子、（８）はコールドシールド、
　ｆｌｌ）は非冷却近接フィルタである。 なお１図中、同一符号は同一、または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 鏡筒に保持された赤外光学系と、鏡筒内に設けられ、検
   出すべき信号光を透過するデユア窓を備え内部を真空に
   したデユアと、このデユア内に設置された赤外線検出素
   子と、同じくデユア内に設けられ、この赤外線検出素子
   をコールドシールするコールドシールドと、上記赤外線
   検出素子及びコールドシールドを冷却する冷却器と、所
   要の波長域の信号光を選択するフィルタとを備えた赤外
   線光学装置において、コールドシールドの開口径をＤ＿
   １、外径をＤ＿２、赤外線検出素子の寸法をｘ、コール
   ドシールドの開口とフィルタ間の距離をｄ、コールドシ
   ールドの開口と赤外線検出素子間の距離をｈとするとき
   。 ｄ≦（ｈ／２）・（Ｄ＿２−Ｄ＿１）／（ｘ＋Ｄ＿１）
   を満足する位置に上記フィルタを設置したことを特徴と
   する赤外線光学装置。