JPH0629778B2 - 赤外線光学装置 - Google Patents

赤外線光学装置

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JPH0629778B2
JPH0629778B2 JP63314694A JP31469488A JPH0629778B2 JP H0629778 B2 JPH0629778 B2 JP H0629778B2 JP 63314694 A JP63314694 A JP 63314694A JP 31469488 A JP31469488 A JP 31469488A JP H0629778 B2 JPH0629778 B2 JP H0629778B2
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匡 松下
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/06Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/061Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、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2図は、例えばR.D.Hudson,Jr.“InfraredSystem Eng
ineering”,John Wily &Sons,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、図におい
て、1は赤外線を結像する赤外光学系、2は上記赤外光
学系1に入射する赤外線、3は上記赤外光学系1を保持
する鏡筒、4は真空,低温状態を得るためのデュア(Dew
ar)瓶、5は上記デュア瓶4の赤外光学系側開口に設け
られたデュア窓、6はデュア瓶4の凸状底面に設けられ
た,例えば微小な素子を2次元アレイ状に並べた赤外固
体撮像素子などの赤外線検出素子、7は上記赤外線検出
素子6への雑音光の入射を遮るためのコールドシール
ド、8は上記デュア瓶4を覆うとともに鏡筒3を保持す
る筐体、9は筐体8に取り付けられ冷却部がデュア瓶4
の凹部に挿入された冷却装置である。
次に動作について説明する。
赤外光学系1に入射した赤外線2は、デュア窓5及びコ
ールドシールド7の開口7aを通って赤外線検出素子6
上に結像する。赤外線検出素子6は、感度を得るために
冷却装置9によって冷却される。デュア瓶4とデュア窓
5で囲まれた空間は、効率良く赤外線検出素子6を冷却
するために真空にしてある。コールドシールド7はデュ
ア瓶4に取付けられ、赤外線検出素子6と同程度に冷却
されており、コールドシールド7から放射される赤外線
は検出すべき赤外線2に比べ無視できる程小さい。コー
ルドシールド7の開口7aは、赤外線検出素子6の下端
6aに結像する赤外線2a及び赤外線検出素子6の上端
6bに結像する赤外線2bがそれぞれコールドシールド
7に妨げられることなく赤外線検出素子6に到達するた
めに必要な径である。従って、コールドシールド7を設
置することにより、赤外光学系1を透過した赤外線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6に入射する不要な雑音光を極力少なくする構成とな
っている。コールドシールド7の雑音光低域の効率η
は、第1式に示すように、赤外線検出素子6からコール
ドシールド7の開口7aを見込む立体角Ωと、赤外線
検出素子6に結像する赤外線2の光束の立体角Ωの比 η=Ω/Ω (1) で表される。η<1,すなわちΩ<Ωでは、第2図
に斜線で示した立体角内で鏡筒3から放射された雑音光
が赤外線検出素子6の下端6aに入射する。赤外線検出
素子6の他の点においても同様に雑音光が入射する。従
ってη<1では、検出信号のS/Nの低下だけでなく、
赤外線光学装置の環境温度が変化して鏡筒3の温度が上
昇したときには、最悪の場合、赤外線検出素子6の出力
が雑音光で飽和してしまい信号が検出できなくなる恐れ
がある。
一方、η>1,すなわちΩ>Ωのときは、鏡筒3か
ら放射される雑音光が直接赤外線検出素子6に入射する
ことはないが、赤外光学系1を透過して赤外線検出素子
6に結像する赤外線2がコールドシールド7の開口7a
で制限され、信号光が減少する。従って、信号光を減少
させることなく最も雑音光を低減できるのは、コールド
シールド7の効率η=1,すなわちΩ=Ωのときで
ある。
η=1である赤外線光学装置は、コールドシールド7の
開口7aを赤外光学系1の開口絞りと一致させることに
より得られる。第3図は、例えばR.E.Fischer,Photoni
cs Spectra,p.53〜60(1986)に示されたコールドシール
ド7の効率η=1である従来の赤外線光学装置を示す断
面図であり、図において、1〜9は第2図に示した従来
例と同様なものである。10は赤外光学系1の開口絞
り、11は赤外光学系1の光軸である。
第3図に示した赤外線光学装置において、赤外線検出素
子6の中心から見込むコールドシールド7の開口7aの
立体角Ωは、赤外光学系1のF数で決まり、 である。これにより、赤外線検出素子6に入射する雑音
光は、赤外光学系1自身の放射光と、冷却されたコール
ドシールド7から放射される微かな放射光に低減され
る。
[発明が解決しようとする課題] 第3図に示した従来の赤外線光学装置において、赤外線
検出素子6の中心に対する上端6bでの赤外線2の相対
的な照度Sは、赤外光学系1に歪曲がなければ、第3式 S=cos4θ (3) で与えられる。第3式においてθは、赤外線検出素子6
の上端6bと開口絞り10の中心を結ぶ直線と、赤外光
学系1の光軸11とが成す角度である。
第3式から、赤外線検出素子6上の赤外線2の照度分布
は、θが小,すなわち開口絞り10と赤外線検出素子6
間の距離が赤外線検出素子6の寸法に比して大である
程、一様となることがわかる。
鏡筒3から放射される雑音光が赤外線検出素子6に入射
しない低雑音な赤外線光学装置とするためには、上記で
説明したようにコールドシールド7の開口7aを赤外光
学系1の開口絞り10と一致させる必要がある。従っ
て、赤外線検出素子6上の赤外線2の照度を一様に近く
するためには、コールドシールド7の開口7aと赤外線
検出素子6間の距離(以下コールドシールドの高さと呼
ぶ)が大きくとらねばならず、コールドシールド7が長
くなる。また、赤外線2が制限されることなく赤外線検
出素子6に入射するために必要なコールドシールド7の
開口7aを見込む立体角は、第2式で示したように赤外
光学系1のF数で決まるので、コールドシールドの高さ
が増大するにつれ開口も増大し、大形のコールドシール
ド7が必要となる。
特に、赤外線画像を得るために赤外線検出素子6として
微小な素子を2次元アレイ状に並べた赤外固体撮像素子
を用いる場合、広視野,高分解能な画像を得るために多
数の素子を用いた大形の赤外固体撮像素子が開発されつ
つあり、かなり大形のコールドシールド7が必要とな
る。
このようにコールドシールド7が大形化すると、コール
ドシールド7はデュア瓶4に取付けられ赤外線検出素子
6とともに冷却されるので、冷却装置9は、大形の赤外
線検出素子6に加えて大形のコールドシールド7を冷却
しなければならず、熱負荷が増大するという課題があっ
た。
更に、冷却装置9の熱負荷が増大すると、赤外線検出素
子6を所定の温度,例えば液体窒素温度まで冷却するの
に要する時間が増し、赤外線光学装置が動作するまでに
時間を要す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になされた
もので、コールドシールドを大形化することなく低雑音
化が図れる赤外線光学装置を得ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明に係る赤外線光学装置は、赤外線検出素子とコ
ールドシールドを冷却する冷却装置とは別の第2の冷却
装置により冷却される冷却絞りを赤外光学系とコールド
シールドの間に設置して、赤外線検出素子からコールド
シールドの開口を見込む立体角と赤外光学系の開口絞り
を見込む立体角間を覆うようにしたものである。
[作用] この発明における冷却絞りは、第2の冷却装置によって
冷却され、赤外光学系とコールドシールド間の背景から
赤外線検出素子へ入射する雑音光を低減するので、雑音
光を低減するためにコールドシールドの開口を赤外光学
系の開口絞りと一致させる必要がなく、小形のコールド
シールドを用いることにより、赤外線検出素子及びコー
ルドシールドを冷却する冷却装置の熱負荷を増大させる
ことなく,赤外線検出素子の周辺光量の低下の少ない,
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図は、この発明の一実施例を示す断面図であり、図
において、1〜11は上記従来例と同様のものである。
12は赤外光学系1の開口絞り10の位置にその赤外光
学系側開口12aが一致するように設置した冷却絞り、
13は上記冷却絞り12に取付けられた第2の冷却装置
であり、上記冷却絞り12は冷却装置13を介して筐体
8の内壁に取付けられ、この筐体8に断熱材14を介し
て鏡筒3が取付けられている。
冷却絞り12は、第1図に斜線で示したように、赤外線
検出素子6上の点からコールドシールド7の開口7aを
見込む立体角Ωと赤外光学系1の開口絞り10を見込
む立体角Ωの差であるΩ−Ωの立体角内の部分を
覆うように設置する。冷却絞り12の内壁はベルベット
コーティング等を塗布して反射率を低減することによ
り、赤外光学系1及び鏡筒3から放射された不要な赤外
線が冷却絞り12の内壁で反射して赤外線検出素子6に
入射するのを防ぐ。
このように冷却絞り12が設置されているので、検出す
べき信号光である赤外線2以外に赤外線検出素子6に入
射する不要な雑音光は、赤外光学系1自身,冷却絞り1
2及びコールドシールド7からの放射光に限られる。
絶対温度Tである黒体の分光放射輝度W(λ,T)は、
第4式 で与えられる。ここで、λは放射光の波長,hはプラン
ク定数,kはボルツマン定数,cは光速度である。第4
式から、例えば放射光の波長λを4μmとした場合、2
0℃のときの放射輝度は60℃のときの放射輝度の1/
4以下となることがわかる。従って、冷却絞り12は必
ずしも赤外線検出素子6と同程度の温度まで冷却される
必要はなく、第2の冷却装置13を例えばペルチェ素子
などで構成し、冷却絞り12を常温以下に保つことで鏡
筒3の温度が上昇しても雑音光の増大を防ぐことができ
る。
第2の冷却装置13としてペルチェ素子を用いた場合、
冷却絞り12の冷却に伴う放熱は筐体8を介して行うこ
とができる。この場合、第2の冷却装置13の放熱によ
り鏡筒3及び赤外光学系1の温度が上昇するのを防ぐた
めに、鏡筒3は断熱材14を介して筐体8に取付けられ
る。
また、鏡筒3,デュア瓶4及び筐体8で囲まれた空間に
窒素ガス等の乾燥ガスを封入しておくことにより、冷却
絞り12を常温以下の低温に冷却しても結露を防ぐこと
ができる。
以上のように、この赤外線光学装置によれば、コールド
シールド7の開口7aは赤外光学系1の開口絞り10と
一致する必要がないので、赤外線検出素子6上における
赤外線2の照度分布を一様にするために開口絞り10を
赤外線検出素子6から離した構成としても、コールドシ
ールド7の高さを高くして大形にする必要がなく、赤外
線検出素子6及びコールドシールド7を冷却する冷却装
置9の負荷が増大することはない。
なお、上記実施例では、赤外光学系1とコールドシール
ド7の間に開口絞り10があり、開口絞り10と冷却絞
り12の赤外光学系側開口12aが一致している場合につ
いて説明したが、開口絞り10が赤外光学系1の内部に
ある場合についても、冷却絞り12を赤外光学系1とコ
ールドシールド7の間に設置することにより、鏡筒3か
ら放射され赤外線検出素子6に入射する雑音光を低減で
き、同様の効果が得られる。
[発明の効果] 以上のように、この発明によれば、赤外光学系とコール
ドシールドとの間に、赤外線検出素子からコールドシー
ルドの開口を見込む立体角と赤外光学系の開口絞りを見
込む立体角間を覆い第2の冷却装置によって冷却される
冷却絞りを備え、赤外光学系とコールドシールド間の背
景から赤外線検出素子へ入射する雑音光を低減する構成
としたので、背景温度が上昇しても低雑音の赤外線光学
装置が得られ、また、赤外線検出素子とともに冷却され
るコールドシールドを小形なもので構成できるので、赤
外線検出素子の冷却装置の熱負荷を軽減し、冷却に要す
る時間を短縮す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を示す断面図、第2図は従
来の赤外線光学装置を示す断面図、第3図は低雑音化さ
れた従来の赤外線光学装置を示す断面図である。 1は赤外光学系、2は赤外線、3は鏡筒、4はデュア
瓶、5はデュア窓、6は赤外線検出素子、7はコールド
シールド、7aはコールドシールドの開口、8は筐体、
9は冷却装置、10は開口絞り、11は光軸、12は冷
却絞り、13は第2の冷却装置、14は断熱材。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】赤外線を結像する赤外光学系と、冷却装置
    によってそれぞれ冷却され,上記赤外光学系の結像位置
    に設けられた赤外線検出素子及び上記赤外光学系側に面
    して開口を有し赤外線検出素子への雑音光を遮蔽するコ
    ールドシールドとを備えた赤外線光学装置において、 上記赤外光学系とコールドシールドとの間に、赤外線検
    出素子からコールドシールドの開口を見込む立体角と赤
    外光学系の開口絞りを見込む立体角間を覆い上記冷却装
    置とは異なる第2の冷却装置によって冷却される冷却絞
    りを備えたことを特徴とする赤外線光学装置。
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CN111238659B (zh) * 2020-01-20 2021-09-07 武汉高芯科技有限公司 一种具有抑制杂散光功能的冷屏及制冷型红外探测器

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