JPH04251205A - 合焦判定用補助光学装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、合焦判定用補助光学装
置に関し、更に詳しく言えば、光学撮像装置、例えば光
学要素の温度による屈折率の変化が大きく、環境温度の
変化に応じてピントの再調整が必要になる赤外撮像装置
に用いられるものである。

【０００２】特に本発明は、温度によりレンズの屈折率
が変化し、無限遠光源にピントが合うための焦点調節用
レンズの位置（以下「合焦点」と称する）が変化する赤
外撮像装置の内、レンズ温度を検出してそれを基に合焦
点を算出し、焦点調節用レンズに装着した位置制御系の
指令値とすることにより、温度が変化しても常に無限遠
にピントが合った画像が取得できる様にする焦点自動温
度補償機能を備えたものにおいて、合焦点を算出する式
の定数を定めるためのデータ取得に用いる合焦判定用補
助光学装置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】図３〜図６は、従来例を示した図であり
、図３は赤外撮像装置の説明図、図４は位置制御部のブ
ロック図、図５、図６は、合焦点判定処理の説明図であ
る。

【０００４】図中、１は光学ウインドウ、２は対物光学
要素、３はリレー光学要素及び走査光学要素、４は結像
光学要素、５は検知器、６は検知器出力処理回路及び装
置運用周辺回路、７は対物光学要素温度センサ、８は結
像光学要素温度センサ、９はピント調整光学要素、１０
はピント調整光学要素移動機構、１１は装置筐体、１２
は位置制御部を示す。

【０００５】また、１４，１５は電流−電圧変換器、１
６は定電圧発生器、１７は外部端子、１８，１９はアン
プ、２０は切換スイッチ、２１，２２，２３は加算器、
２４はサーボ制御計算機、２５は速度センサ、２６は位
置センサ、２７はパワーアンプ、２８はモータを示す。

【０００６】更に、３０は赤外撮像装置、３１はコリメ
ータ、３２は凹面鏡、３３は熱源（赤外線発生源）、３
４はターゲットパターン、３５は副鏡、３６は温度槽、
３７はモニタを示す。

【０００７】従来、焦点自動温度補償機能を備えた光学
撮像装置として、例えば図３に示したような赤外撮像装
置が知られていた。以下、この装置の概要を説明する。

【０００８】撮像装置の光学ウインド１は、装置筐体１
１と共に装置内環境を維持し、各光学要素を保護するた
めのものである。対物光学要素２は、目標の発するパワ
ーを集光するためのものである。リレー光学要素及び走
査光学要素３は、対物光学要素２で集光した光学的パワ
ーの光束形状を変化させて、短距離で所要の径、入射角
の光束にして結像光学要素に導入するためのものであり
、前記走査光学要素は、非２次元検知器使用時のみ必要
なものである。

【０００９】結像光学要素４は、対物光学要素２で集光
した光学的パワーを、最終的に検知器上に結像させるた
めのものである。検知器５は、結像された光学的パワー
に応答して電気信号を出力するものである。

【００１０】検知器出力処理回路及び装置運用周辺回路
６は、検知器５の出力を所要のフォーマットの装置出力
信号に変換する処理と、装置の運用に係るズーミング（
または視野切り換え）、焦点調節、走査制御、各種温度
／位置センサ電源出力等の機能を有する回路から成る。

【００１１】対物光学要素温度センサ７は、対物光学要
素２の温度情報を、上記回路６に受け渡すためのもので
ある。結像光学要素温度センサ８は、結像光学要素４の
温度情報を上記回路６に受け渡すためのものである。

【００１２】ピント調整光学要素９は、これが移動する
と、目標からの光学的パワーの結像する位置が変化する
。ピント調整光学要素移動機構１０は、ピント調整光学
要素９の位置を変えるためのものである。

【００１３】位置制御部１２は、温度センサ７，８の検
出データを基に、ピント調整光学要素９の適正位置を算
出したり、この算出結果を指令値として、ピント調整光
学要素移動機構１０を制御したりするものである。なお
、この位置制御部１２は、上記の装置運用周辺回路内に
設けられている。

【００１４】上記のように構成した赤外撮像装置におい
て、ピントに影響を与える光学要素は、一般的に複数存
在する。その内、最も単純なもので、対物光学要素２と
、結像光学要素４の２つを考慮する必要がある。

【００１５】複数の光学要素に起因するピントのずれの
補正は、通常の場合、対物光学要素２が移動困難である
ことから、目標の遠近に対するピント調整のための光学
要素に兼任させる。

【００１６】各光学要素の温度に対してピントが合うた
めのピント調整光学要素９の位置は、既知の材料の屈折
率を基に、机上計算で求めるのが普通である。しかし、
実装置に適用した時、ピントの合う位置とは、若干の差
異が認められ、実験的に、光学要素の温度と、ピント調
整光学要素９の位置との関係を求める必要がある。

【００１７】前記の関係を求めるために、温度試験が実
施され、装置の周囲温度を変化させながら、ピントに大
きな影響を与える光学要素の温度及び、ピント調整光学
要素９の位置を計測し、両者の関係を帰納して温度補償
を行う。

【００１８】上記位置制御部は、例えば図４のように構
成されている。図示のように、対物光学要素温度センサ
７と結像光学要素温度センサ８の出力は、それぞれ、電
流−電圧変換器１４，１５により電圧信号に変換された
後、アンプ１８，１９で増幅され、加算器２１で加算さ
れる。

【００１９】前記加算器２１の出力に、加算器２２にお
いて、定電圧発生器１６からのオフセット電圧、または
外部端子１７から入力した電圧信号とを加算し、指令電
圧とする。

【００２０】この指令電圧は、加算器２３において、位
置センサ２６からの信号と加算され（負の値で加算）、
サーボ制御計算機２４に入力される。ここで、速度セン
サ２５からの信号等を用いてサーボ制御を行い、パワー
アンプ２７を介してモータ２８に駆動電流を流す。

【００２１】モータ２８の駆動により、ピント調整光学
要素移動機構１０が動作し、ピント調整光学要素９を動
かしてピント調整を行う。なお、ピントの再調整を行う
際（テスト時）は、スイッチ２０を外部端子１７側に切
り換え、この端子から制御電圧を入力してピント調整を
行うものである。

【００２２】ところで一般的に、合焦点はレンズ材料の
屈折率温度変化データを基に机上計算をすることができ
るが、実際の装置に適用した場合には誤差が大きく、装
置を温度試験してレンズ温度と合焦点の関係を実測し、
合焦点算出式の定数を定めて合焦点算出回路定数を設定
する手法が採られることが多い。

【００２３】合焦点に主要な影響を与えるレンズ群がｎ
個あった場合、Ｘを合焦点位置、Ｋｉを第ｉ番目のレン
ズ群の温度の寄与を表す係数、Ｔｉを第ｉ盤目のレンズ
群の温度、Ｃを定数（全レンズ群の温度が０の時の合焦
点位置）とすると、合焦点位置Ｘは、次式で与えられる
。

【００２４】

【数１】

【００２５】そこで、装置を温度試験にかけてＴｉ（ｉ
＝１〜ｎ）の様々な組合せに対する合焦点位置Ｘのデー
タを取得してＫｉ（ｉ＝１〜ｎ）を決定する。この温度
試験において、ピントが合っている（以下「合焦」とも
いう）点か否かを判定するために、無限遠光源を用意す
る必要がある。

【００２６】そこで従来、合焦点判定処理（温度試験）
を行う際、図５、あるいは図６のようにして行っていた
。

【００２７】図５では、焦点に熱源（赤外光源）３３を
置いたコリメータ３１を温度槽３６内に設置するもので
ある。すなわち、赤外線撮像装置３０の光学ウインドウ
１の前面にコリーメータ３１を置き、これらをすべて温
度槽３６の内部に設置する。

【００２８】コリーメータ３１の外部には、ターゲット
パターン３４と、熱源３３を設ける。この凹面鏡３２は
、熱源３３からの光を反射して平行光線とし、この平行
光線を赤外撮像装置３０に入射させるものである（∞に
焦点を合わせるため）。

【００２９】上記の平行光線を入射した赤外撮像装置３
０では、温度槽３６内の温度を所定値に設定し、温度槽
３６の外部に設置したモニタ３７の画面を見ながらピン
ト調整を行う。

【００３０】また、図６では、赤外撮像装置３０のみを
温度槽３６内に設置し、コリメータ３１を温度槽３６の
外部に設置して試験を行う。この場合、温度槽３６の一
部に窓３９を設けると共に、この窓の部分に、扉３８を
開閉自在に設ける。

【００３１】先ず扉３８を閉じた状態で、温度槽３６内
を所定の温度にし、測定温度に達したところで扉３８を
開け、温度槽３６の外部に設置してあるコリメータ３１
を、赤外撮像装置３０で覗き込むことにより試験を行う
ものである。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のにおいては、次のような欠点があった。

【００３３】（１）図５に示した合焦点判定処理では、
コリメータが温度槽内に設置してあるため、温度の変化
によって、コリメータの特性が変動する。このため、赤
外撮像装置３０に入射する光線（赤外光）は、平行光線
となるように設定してあっても、コリメータの特性変動
により、平行光線とならないことがある。従って、その
分誤差が増える。

【００３４】（２）図６に示した合焦点判定処理では、
前記（１）のような問題はなくなるが、測定時には、扉
を開く必要があり、これによって、赤外撮像装置３０に
霜が付いたり、あるいは、温度槽３６内に、濃い霧が発
生したりして測定に支障を来すことがある。

【００３５】従って、温度槽３６の外部との温度差が、
測定に支障を来さない範囲（狭い範囲）での測定しかで
きない。この範囲外で焦点温度補償をするには、外挿（
測定範囲外においても測定範囲内と同じ関係〔直線の傾
き等〕が維持されると仮定して、測定によって帰納され
た実験式の適用範囲を拡張する）による方法しかない。 しかし、この方法では、実運用時に、かなりの誤差が生
じる。

【００３６】本発明は、上記のような従来の欠点を解消
し、広い温度範囲に渡って、高精度の合焦判定が行える
ようにすると共に、実運用時にも良好な合焦が得られる
ようにすることを目的とする。

【００３７】

【課題を解決するための手段】第１図は、本発明の原理
図であり、図中、図３、図５、図６と同符号は同一のも
のを示す。また、４０は光源、４１はターゲットパター
ン、４２はビームスプリッタ、４３はビームスプリッタ
、４４は反射鏡を示す。

【００３８】本発明は、上記の目的を達成するため、次
のように構成したものである。すなわち、光学撮像装置
のピントに主要な影響を与える光学要素の温度を変化さ
せながら、該光学要素の温度を測定し、それを基に、無
限遠光源にピントが合うためのピント調整用レンズの位
置（合焦点）を算出し、算出結果を、ピント調整用レン
ズの位置制御系の指令値とすることにより、温度変化に
対し、常にピントが合った画像が取得できるようにする
焦点自動温度補償機能を備えた光学撮像装置で、ピント
が合っているか否かの判定（合焦の判定）を行う際に使
用する、合焦判定用補助光学装置を、通常の光路中に挿
入するビームスプリッタ３５と、前記通常の光路から分
岐した位置で、しかも、無限遠からの光が焦点を結ぶべ
き位置にある検知器５とビームスプリッタ４２を介して
対物レンズ２からの光学的な距離が等しい位置に設置す
るターゲットパターン４１と、ターゲットパターン４１
の背面（光路と反対側）に設ける光源４０と、対物レン
ズ２と対向するように、光学撮像装置の外部に設置する
反射鏡４４とで構成した。

【００３９】

【作用】本発明は上記のように構成したので、次のよう
な作用がある。

【００４０】図１のごとく検知器５（無限遠からの赤外
光が焦点を結ぶべき位置）とビームスプリッタ４２を介
して対物レンズ２からの光学的な距離が等しい位置にあ
るターゲットパターン４１で焦点を結ぶ光源４０からの
光がビームスプリッタ４２で反射され、装置の光学系を
逆にたどって対物レンズ２から出射される。

【００４１】光学系の中にある焦点調節用レンズの位置
が適切で、無限遠に焦点が合っている状態ならば出射光
は平行光になっており、光学ウィンドウ１を通って反射
鏡４４で反射され、元来た光路を戻ってビームスプリッ
タ４２に至る。ここで一部の光は反射されて光源４０へ
と戻って行くが、一部の光は透過して検知器５上で結像
される。

【００４２】従って、合焦状態であればピントの合った
（周縁がシャープな）ターゲットパターン４１の像を観
測することができる。すなわち、装置の画像出力を観測
しながら合焦か否かを判定することができる。

【００４３】本発明において装置以外の要素で温度の影
響を受ける虞のあるのは、反射鏡４４とビームスプリッ
タ４２の平面度およびビームスプリッタ４２とターゲッ
トパターン４１の位置であるが、これらは固定方法と部
品・材料を考慮すれば問題にならないレベルに抑えるこ
とが充分可能である。

【００４４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図２は、本発明の１実施例を示した図であり、図
中、図１、図３、図５と同符号は同一のものを示す。ま
た、４０Ａは熱源を示す。

【００４５】この実施例は、図３に示したような赤外撮
像装置に適用したものであり、位置制御部１２による制
御で、焦点自動温度補償を行う。光学系は、図３と同じ
であるが、図２では一部の光学系のみを図示してある。

【００４６】また、位置制御部１２は、図４と同じ構成
であり、光源としては、赤外光を放射する熱源４０Ａを
用いる。

【００４７】補助光学装置は、ビームスプリッタ４２、
ターゲットパターン４１、熱源４０Ａ、反射鏡４４とそ
の取付治具４３とで構成する。この補助光学装置は、温
度試験の実施時のみ図示の位置に設置され、それ以外の
時は、赤外撮像装置から取り外しておく。

【００４８】従って、上記の温度試験実施時には、取付
治具４３、反射鏡４４、ビームスプリッタ４２、ターゲ
ットパターン４１、熱源４０Ａを用意する。

【００４９】そして、反射鏡４４は装置の光軸に垂直と
なるように固定し、ビームスプリッタ４２と、ターゲッ
トパターン４１は、対物レンズ２から、ターゲットパタ
ーン４１までの光学的距離が、検知器５までの光学的距
離と等しくなるように設置する。また、熱源４０Ａは、
例えば、抵抗に電流を流すことにより実現できる。

【００５０】図示のように補助光学装置を設置した状態
で合焦判定を行う際は、次のようになる。ターゲットパ
ターン３４で焦点を結ぶ熱源４０Ａからの赤外光は、ビ
ームスプリッタ４２で反射された後、対物レンズ２から
装置外に出射される。

【００５１】光学系の中にある焦点調節用レンズの位置
が適切で、無限遠に焦点が合っていれば、出射光は平行
光になっている。従って、光学ウインドウ１を通って反
射鏡４４で反射された赤外光は、元の光路を通ってビー
ムスプリッタ４２に至る。

【００５２】ここで、一部の赤外光は反射されて熱源３
３へ戻るが、一部はビームスプリッタ４２を透過して検
知器５上で結像する。この検知器５上の像は、装置の外
部に設置したモニタ３７で観測される。

【００５３】もし、合焦状態であれば、ピントの合った
シャープな像（ターゲットパターンの像）を観測できる
から、これにより、合焦か否かを判定することができる
。

【００５４】なお、本発明は、赤外撮像装置に限らず、
これと同等な機能を有する他の光学撮像装置にも適用可
能である。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。

【００５６】（１）広い温度範囲にわたって、理想的な
無限遠光源（熱源）が得られる。

【００５７】（２）合焦位置からの光学系のずれの影響
が２乗されて（往路と復路があるため）現われる。従っ
て、より精度の高い測定が可能となり、装置の実運用時
における合焦点精度の向上ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の１実施例における赤外撮像装置の説明
図である。

【図３】従来の赤外撮像装置の説明図である。

【図４】従来の位置制御部のブロック図である。

【図５】従来の合焦判定処理の説明図である。

【図６】従来の合焦判定処理の説明図である。

【符号の説明】

１　　光学ウインドウ ２　　対物レンズ ５　　検知器 ４０　　光源 ４１　　ターゲットパターン ４２　　ビームスプリッタ ４３　　取付治具 ４４　　反射鏡

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光学撮像装置のピントに主要な影響を
   与える光学要素の温度を変化させながら、該光学要素の
   温度を測定し、それを基に、無限遠光源にピントが合う
   ためのピント調整用レンズの位置（合焦点）を算出し、
   算出結果を、ピント調整用レンズの位置制御系の指令値
   とすることにより、温度変化に対し、常にピントが合っ
   た画像が取得できるようにする焦点自動温度補償機能を
   備えた光学撮像装置で、ピントが合っているか否かの判
   定（合焦の判定）を行う際に使用する、合焦判定用補助
   光学装置を、通常の光路中に挿入するビームスプリッタ
   （４２）と、前記通常の光路から分岐した位置で、しか
   も、無限遠からの光が焦点を結ぶべき位置にある検知器
   （５）とビームスプリッタ（４２）を介して対物レンズ
   （２）からの光学的な距離が等しい位置に設置するター
   ゲットパターン（４１）と、ターゲットパターン（４１
   ）の背面（光路と反対側）に設ける光源（４０）と、対
   物レンズ（２）と対向するように、光学撮像装置の外部
   に設置する反射鏡（４４）とで構成したことを特徴とす
   る合焦判定用補助光学装置。