JPH05312638A

JPH05312638A - 赤外線光学装置

Info

Publication number: JPH05312638A
Application number: JP4122994A
Authority: JP
Inventors: Naoko Kodama; 直子兒玉
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】冷却手段の小型化を図ると共に、検出器の感度
ムラを低減し、効率良く赤外光を検出できる赤外線光学
装置を提供すること。【構成】赤外像を形成する赤外光学系（２０，２１）と
赤外像を検出する赤外像検出器（２）との間に配置され
た開口絞り（１）又は開口絞りの近傍に前側焦点が位置
する補助レンズ（２２）を配置し、冷却手段（３〜５）
によって赤外像検出器を所定の温度で冷却し、この所定
の温度よりも高い温度で補助レンズの周縁部及びその近
傍を冷却する補助冷却手段を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線を検出する赤外
線光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、赤外像を検出する赤外線光学装置
としては、赤外線光学装置を構成する光学部材等から放
射される不要な赤外線が検出器にて受光されて、赤外線
検出の能率が低下するため、この赤外線光学装置の光学
部材の一部を冷却している。例えば、図７に示すよう
に、従来の赤外線光学装置は、赤外像を形成する対物レ
ンズ１２０と、この対物レンズ１２０により形成された
赤外像を光電変換する赤外像検出器１０２と、不要な赤
外光を遮光するコールドシールド１０１と、赤外像検出
器１０２とコールドシールド１０１とを保持する保持部
１３０と、赤外像検出器１０２とコールドシールド１０
１とを保持部１３０を介して冷却する冷却部１０５と、
対物レンズ１２０を通過した赤外線を透過させるデュワ
窓１０３と、このデュワ窓１０３との間に真空状態をつ
くることで赤外像検出器１０２とコールドシールド５と
を冷却された状態に保つデュワ瓶４と、対物レンズ１２
０を保持する鏡筒１０９とで構成されている。ここで、
図示なき物体から放射された赤外光は、対物レンズ１２
０、デュワ窓１０３、を順次通過して、赤外像検出器１
０２上で結像する。また、鏡筒１０９から放射される赤
外光１００は、冷却されたコールドシールド１０１によ
って遮られる。

【０００３】

【発明が解説しようとする課題】ところが、従来の赤外
線光学装置においては、開口絞りが赤外像検出器を冷却
する冷却手段によって冷却される構成となっているた
め、冷却手段が巨大化し、冷却手段の熱負荷が増大する
という問題点があった。また、赤外像検出器の周辺部に
達する光束の主光線が光軸に対して傾いているため、赤
外像検出器に入射する光量がｃｏｓ⁴θ則に従い、赤外
像検出器上の周辺部の照度が落ちるという問題点があ
る。そして、赤外像検出器は、光の入射角によって検出
効率が異なる特性を有している。従来の赤外線光学装置
は、赤外像検出器上の周辺部における入射光束が赤外像
検出器の検出面に対して垂直でないため、赤外像検出器
の検出効率が悪くなる。このように、赤外像検出器上の
周辺部においては、入射する光の照度が落ち、赤外像検
出器の検出効率も低下するため、赤外像検出器の感度ム
ラが発生する。

【０００４】そこで、本発明は、上述の問題点を解決す
るためになされたものであり、冷却手段の小型化を図る
と共に、赤外像検出器の感度ムラを低減し、効率良く赤
外光を検出できる赤外線光学装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明による赤外線光学装置は、以下に示す構成を
有する。例えば図１に示す如く、赤外像を形成する赤外
光学系（２０，２１）と、赤外光学系による赤外像を検
出する赤外像検出器（２）と、赤外像検出器を所定の温
度で冷却する冷却手段（３，４，５）と、赤外光学系と
赤外像検出器との間に配置された開口絞り（１）と有す
る赤外線光学装置は、開口絞り若しくはその近傍に前側
焦点が位置するような補助レンズ（２２）を赤外光学系
と赤外像検出器との間に配置し、補助レンズの周縁部及
びその近傍を冷却手段による所定の温度よりも高い温度
で冷却する補助冷却手段（６）を設けるように構成され
る。

【０００６】

【作用】本発明における赤外線光学装置は、開口絞り若
しくはその近傍に前側焦点が位置するように補助レンズ
を配置し、赤外像検出器を冷却する冷却手段とは独立な
補助冷却手段によって、補助レンズの周縁部近傍を冷却
手段よりも相対的に高い温度で冷却する構成となってい
る。一般的に、赤外像検出器は、液体窒素温度（−２０
０°Ｃ程度）に冷却されることが望ましいとされるが、
本発明によれば、赤外像検出器のみを−２００°Ｃ程度
で冷却しつつ、補助レンズの周縁部近傍を常温よりも低
い温度で冷却することによって、不要な赤外光を充分に
除去できる。従って、冷却手段の熱負荷を低減させるこ
とができるため、その小型化を図ることができる。しか
も、補助冷却手段は、常温よりも低い温度で冷却すれば
良いので、この熱負荷の低減と小型化とが達成できる。

【０００７】また、補助レンズから射出する主光線の傾
きが光軸に対して小さくなるので、赤外像検出器の感度
の入射角依存性による感度ムラの影響を低下させること
ができる。

【０００８】

【実施例】以下、図１を参照して本発明による実施例を
説明する。図１において、赤外線光学装置の光学系は、
物体側から順に、対物レンズ２０と、対物レンズ２１
と、開口絞り１と、補助レンズ２２とで構成されてい
る。ここで、これらの対物レンズ２０、対物レンズ２
１、及び開口絞り１は、鏡筒９によって保持されてお
り、補助レンズ２２は、補助レンズ２２の周縁部を囲む
ように形成されている冷却枠７によって保持される構成
となっている。

【０００９】そして、図示なき物体からの赤外光は、対
物レンズ２０，２１、開口絞り１、補助レンズ２２を通
過した後に、赤外光を透過させるデュワ窓３を経て、Ｃ
ＣＤ等で構成されている赤外線検出素子２上で結像して
光電変換される。ここで、赤外線検出素子２は、保持部
３０によって保持されており、液体窒素等が内部に充填
された冷却部５によって、保持部３０を介して−２００
°Ｃ程度まで冷却される。そして、赤外線検出素子２
は、その冷却状態を保つために、内部が真空状態となっ
ているデュワ瓶４内に配置されている。

【００１０】一方、補助レンズ２２を保持している冷却
枠７は、冷却素子６を介して、鏡筒８に取り付けられて
いる。この冷却素子６は、例えば、ｎ型半導体とｐ型半
導体とを金属接点で接合したペルチェ素子で構成されて
いる。ここで、ｎ型半導体からｐ型半導体へ向けた方向
に電流を流すと、金属接点で吸熱が行われる。このと
き、ｐ型及びｎ型半導体における金属接点と反対側の端
面では、放熱が行われる。そして、この冷却素子６は、
吸熱を行なう金属接点を冷却枠７に向けて設け、放熱を
行なう側を鏡筒８に向けて設けるように構成されてい
る。すなわち、冷却素子６は、冷却枠７と補助レンズ２
２とを冷却し、鏡筒８へ放熱する。この冷却素子６から
の熱を鏡筒９に伝達させないため、鏡筒８と鏡筒９と
は、断熱部１０を挟んで固定されている。そして、冷却
素子６により冷却される冷却枠７と補助レンズ２２と
は、常温よりも低い温度、例えば０度以下の温度に冷却
される。

【００１１】もし、冷却枠７と補助レンズ２２とが０度
以上の温度になると、これらの冷却枠７と補助レンズ２
２とから放射される不要な赤外光が赤外像検出素子２に
入射するために好ましくない。また、冷却素子６による
冷却によって、補助レンズ２２と冷却枠７とが結露する
が、本実施例では、対物レンズ２１と補助レンズ２２と
で囲まれる空間と、補助レンズ２２とデュワ窓３とで囲
まれる空間内に不活性ガスを封入している。従って、冷
却素子６による冷却枠７と補助レンズ２２との結露が生
じない。

【００１２】また、鏡筒９に固定されている開口絞り１
の物体側の面１ａにより、鏡筒９の内側から放射される
赤外光ＩＲ₁が遮光される。冷却枠７が冷却されている
ため、ここからは赤外光が放射されない。従って、対物
レンズ２０，２１を通過して開口絞り１の最周縁部を通
過する赤外光が赤外像検出素子２に入射する角度ωより
も大きな角度の赤外光ＩＲ₂は、赤外像検出素子２に入
射しない。そして、開口絞り１の像側の面１ｂが像側に
対して凹面を向けるような曲率を持った鏡面で構成され
ているため、赤外線検知素子２から像側の面１ｂを見る
と、この面１ｂでの反射によって、赤外像検出素子２、
冷却枠７、補助レンズ２２を見ることになる。この赤外
像検出素子２、冷却枠７、補助レンズ２２からは赤外光
が放射されないため、開口絞り１の像側の面からは、ノ
イズとなる赤外光が放射されない。従って、開口絞り１
の像側の面１ｂを介した赤外光ＩＲ₃は、赤外像検出素
子２に入射しない。

【００１３】このように、本実施例による赤外線光学装
置においては、開口絞り１の最周縁部を通過する光線が
赤外像検出器２に入射する角度ωよりも大きな角度で入
射する不要な赤外光が存在しないため、図示なき物体か
らの赤外光を有効に検出することができる。また、図１
に示した実施例では、開口絞り１を冷却していないが、
この開口絞り１を冷却して不要な赤外光を除去すること
もできる。以下に開口絞り１を冷却したときの実施例を
図２を参照して説明する。図２は、本実施例における赤
外線光学装置を模式的に示したものであり、図１に示し
た実施例と同じ機能を有する部材には、同じ符号を付し
てある。

【００１４】図２において、図１に示した実施例と異な
る点は、補助レンズ２２を保持する冷却枠７によって、
開口絞り１と補助レンズ２２とが一体に保持されている
点である。このため、冷却素子６によって、開口絞り
１、冷却枠７、及び補助レンズ２２の冷却が行われる。
従って、開口絞り１の最周縁部を通過して赤外像検出素
子２に入射する角度ωよりも大きな角度では、不要な赤
外光の放射がなく、不図示の物体からの赤外光を有効に
検出できる。

【００１５】ところで、図３に示すように、補助レンズ
２２の前側主平面Ｈ₁と開口絞り１との距離をｄ₁、後
側主平面Ｈ₂と赤外線検出素子２との距離をｄ₂、補助
レンズ２２の焦点距離をｆ、開口絞り１と赤外線検出素
子２との距離をＬ、補助レンズ２２の後側主平面Ｈ₂と
開口絞り１の補助レンズ２２による像（開口絞り位置で
光軸と交わった光線が補助レンズ２２を通過した後に再
び光軸と交わる位置）との距離をｂとすると、１／ｂ＝１／ｆ−１／ｄ₁ ‥‥（１）となる。

【００１６】そして、補助レンズ２２から射出する主光
線の光軸に対する傾きを低減させるために、補助レンズ
２２は、｜ｄ₂−ｂ｜＞Ｌ ‥‥（２）を満足することが好ましい。この（２）式に上述の
（１）式を代入すると、｜ｄ₂−｛ｆ・ｄ₁／（ｄ₁−ｆ）｝＞Ｌ ‥‥（３）となる。この（３）式は、補助レンズ２２から射出する
主光線の傾きを低減させるために規定するものである。
補助レンズ２２の各バラメーター（ｄ₁，ｄ₂，ｆ）が
この（３）式の範囲を外れると、補助レンズ２２から射
出する主光線の傾きが補助レンズ２２が光路中にないと
きよりも増大するため、望ましくない。

【００１７】また、補助レンズ２２の射影方式をｆｓｉ
ｎθとすると、赤外線検出素子２の中心部と周辺部とに
おける補助レンズ２２の開口数をほぼ同一にできる。こ
のときの光線の状態を図４に示す。図４において、補助
レンズ２２は、ｆｓｉｎθレンズであり、開口絞り１が
補助レンズ２２の前側焦点位置に、赤外線検出素子３が
後側焦点位置に夫々配置されている。この場合、図４に
示す光軸上の角度ω₀と光軸外の角度ω₁とが等しくな
るので、中心部での開口数と周辺部での開口数とが等し
くなり、中心部と周辺部で光量が同じになる。従って、
赤外線検出素子の全面でほぼ均一な光量が得られる。な
お、補助レンズ２２は、ｆｓｉｎθレンズとであること
が望ましいが、補助レンズ２２の歪曲収差を負にして、
赤外線検出素子の全面でほぼ均一な光量を得ることもで
きる。

【００１８】ここで、開口絞り１が補助レンズ２２の前
側焦点位置から外れて配置された場合でも、補助レンズ
２２の開口数は、その像高によらず一定となる。開口絞
り１が補助レンズ２２の前側焦点から外れた場合を示す
図５において、補助レンズ２２から射出する光線の傾き
は、２ｓｉｎω₀＝ｓｉｎω₁−ｓｉｎω₂ ‥‥（４）の関係を満足するので、補助レンズ２２の開口数は、赤
外像検出素子２上の像高によらず一定となる。従って、
赤外像検出素子２に達する光束の光量が一定になる。

【００１９】また、赤外線検出素子２が補助レンズ２２
の後側焦点に位置しない場合である図６に示すように、
このときは、補助レンズ２２に入射する各光束が平行光
束に成らないが、赤外線検出素子２における像高によら
ず、開口ωが一定となる。従って、赤外像検出素子２で
は、ここに達する光束の光量が一定となる。さらに、補
助レンズ２２の前側焦点に開口絞り１が位置せず、補助
レンズ２２の後側焦点に赤外線検出素子２が位置しない
場合には、厳密には、補助レンズ２２の開口数が一定に
はならないが、開口絞り１と赤外線検出素子２とか補助
レンズ２２の前側及び後側焦点位置から大きくずれなけ
れば、赤外像検出素子２上に達する光束の光量がほぼ一
定になる。

【００２０】

【発明の効果】上述のように、本発明においては、赤外
像検出器を冷却する冷却手段の巨大化、及び熱負荷の増
大を招くことなく、不要な赤外光を効率良く除去するこ
とができる。そして、開口絞りと赤外像検出器との間に
補助レンズを配置したことで、補助レンズから射出する
主光線の傾きを小さくできる。さらに、補助レンズの射
影方式をｆｓｉｎθとすることで、赤外像検出器上にお
ける光量を一定にすることができる。従って、赤外像検
出器の感度ムラを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例の構成を示す断面図。

【図２】本発明による実施例の構成を示す断面図。

【図３】本発明による実施例における補助レンズの好適
な配置を説明する概略図。

【図４】補助レンズの射影方式をｆｓｉｎθとしたとき
の光線の状態を示す概略図。

【図５】補助レンズの射影方式をｆｓｉｎθとしたとき
の光線の状態を示す概略図。

【図６】補助レンズの射影方式をｆｓｉｎθとしたとき
の光線の状態を示す概略図。

【図７】従来の赤外線光学装置の構成を示す断面図。

【主な部分の符号の説明】

１ ‥‥ 開口絞り２ ‥‥ 赤外線検出素子４ ‥‥ デュワ瓶５ ‥‥ 冷却部６ ‥‥ 冷却素子７ ‥‥ 冷却枠８，９ ‥‥ 鏡筒２０，２１ ‥‥ 対物レンズ２２ ‥‥ 補助レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外像を形成する赤外光学系と、該赤外光
学系による赤外像を検出する赤外像検出器と、該赤外像
検出器を所定の温度で冷却する冷却手段と、前記赤外光
学系と前記赤外像検出器との間に配置された開口絞りと
を有する赤外線光学装置において、前記開口絞り若しくはその近傍に前側焦点が位置するよ
うな補助レンズを前記赤外光学系と前記赤外像検出器と
の間に配置し、前記補助レンズの周縁部及びその近傍を前記冷却手段に
よる所定の温度よりも高い温度で冷却する補助冷却手段
を設けることを特徴とする赤外線光学装置。