JPH0760118B2 - 赤外線検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、特にコンパクトな寸法と軽い重量だけでなく
急速な冷却特性を有するハウジングをそなえた赤外線検
出器に関するものである。

出願公開された英国特許出願第2147739号には、ハウジ
ングを有する赤外線検出器が記載されている。冷却素子
はハウジングの第２部分に入れられて検出器の動作中検
出器素子を冷却する。ハウジングの正面の赤外線透過装
置が赤外線を検出器素子に通す。冷却素子が収められた
第２部分は低い熱伝導率と熱容量を有し、この場合、検
出器素子と赤外線透過窓とが取付けられた第１部分の後
方に位置される。このような装置は普通実際的なもので
ある。けれども、ケーシングは次のように設計される、
すなわち、検出器素子は極めて急速に例えば２〜３秒以
内に冷却可能で、検出器は、冷却された動作状態が余り
長い時間例えば最大でも５分以上維持される必要のない
状態で使用されるように設計される。このため検外線検
出器が所望するよりもかさばって重く、更にまた理論上
得られる光学的効率にくらべてその光学的効率が悪いと
いう欠点がある。

本発明は、寸法及び重量を軽減し、光学的効率を改良す
ることを目的としたものである。

本発明は、赤外線検出器を次のような構成にすることに
より前記の目的を達成したものである。すなわち、赤外
線検出器素子とハウジングと冷却素子とを有し、前記の
ハウジングは、前記の検出器素子が取付けられた第１部
分と、この第１部分からハウジング正面に向かって延在
する、第２部分とこの第２部分の内側に取付けられた中
空の第３部分とを有し、この中空の第３部分は、赤外線
を該第３部分を経て検出器素子に通すハウジング正面の
赤外線透過窓を有し、前記の冷却素子は前記の第２部分
と第３部分の間に位置される。

本発明は、冷却素子と、検出器素子とからハウジングの
正面に向って延在するハウジングの中空の第３部分との
配置によって、スペースの節約および重量の軽減だけで
なく急速冷却および検出器の光効率に対して幾つかの重
要な利点を供するコンパクトなハウジングを得ることが
できるという認識に基いたものである。この場合ハウジ
ングの第３部分は、中空で、第１部分および赤外線透過
窓と共に囲いの一部を形成し、入射赤外線を検出器素子
の方に向ける働きをし、検出器の電気接続部を支持し
（例えば赤外線を指向させる反射パターンの一部とし
て）、第２および第３部分の間に入れられた冷却素子に
よって動作中にやはり冷却可能なレンズおよび／または
窓および／またはフィルタを支持することができる。

以下本発明を図面を参照して更に詳しく説明する。

図面は模型的なもので寸法比は無視してある。図面の便
宜上また見易くするために、寸法および割合は誇張もし
くは縮小してある。なお図の実施例中対応する部分には
同一符号を用いてある。

第１図の赤外線検出器はハウジング１を有し、このハウ
ジング内に赤外線検出器素子２と冷却素子３が入れられ
ている。検出さるべき赤外線50は、ハウジング１の正面
例えばゲルマニウムの赤外線透過性の窓15を経て検出器
素子２に入射する。本発明によれば、冷却素子３は、検
出器素子２が取付けられた第１部分11からハウジング１
の正面に向って延在する第２部分12と第３部分13との間
に入れられる。ハウジング１の第３部分13は検出器素子
２の正面で中空の形を有し、ここを経て赤外線を窓15よ
り検出器素子２に通す。冷却素子３が入れられる第２部
分12は中空の第３部分の周りに同心的に位置する。

第１図の検出器では、検出器素子２で検出される赤外線
50の波長において、中空の第３部分13の全内面の少なく
とも大部分が高い反射性を有する反射部分18と19で、し
たがって入射した赤外線50を検出器素子２に向ける光パ
イプとして働く。この目的に対しては、第３部分13の反
射性中空部がハウジングの第１部分から正面に向って広
がるのが有利である。したがって、ハウジング１の中空
の第３部分13と第２部分の対向面とは第１図に示すよう
に一般に円錐形を有する。

冷却素子３は検出器の設計に適した任意の公知の形のも
のでよい。第１図に示すように、ハウジング１の中空の
第３部分13は、ジュール・トムソン冷却器の金属配管31
のらせんコイルが巻かれた截頭円錐状の心として働く。
圧縮流体（例えばアルゴンまたは乾燥空気）のボトル30
が電気的に作動されるガス流弁34を経てコイル状の配管
31の一端と連結される。この配管31の反対の端にはオリ
フィス32があり、このオリフィスから、圧縮流体が、検
出器素子２の取付けられたハウジングの第１部分11に隣
接したスペース20内に膨張する。この圧縮流体のオリフ
ィス32よりの膨張は、ジュール・トムソン効果によって
流体の急激な冷却（すなわち検出器素子２の冷却）をも
たらす。

スペース20内に膨張した後、冷却された流体はハウジン
グの第２部分12と第３部分13の間で配管31の外側を流れ
て戻り、オリフィス32の上流の配管内の圧縮流体を予冷
する。この再生冷却効果は冷却剤の温度を急速に下げる
ので、例えばアルゴンまたは空気のような冷却剤はオリ
フィス32からの膨張に先だってコイル状の配管31内で液
化される。配管31と流通冷却剤間の熱交換を増すため
に、配管31の外面は金属ひれを有するのが普通である。
再生冷却効果をよくするために、超絶縁材料（例えばポ
リイミドや酸化アルミニウム）の積層箔35が存してもよ
い。

このようにして検出器素子２はその動作温度例えば100
゜Ｋ以下または少なくとも120゜Ｋ以下に急速に冷却さ
れる。検出器は、１秒より短かい冷却時間と例えば１〜
５分の最大動作時間を有するように設計することができ
る。

ハウジングの正面には、膨張した冷却剤の少なくとも幾
らかを窓15の正面上に通すための通気穴36を該窓15の近
くで設け、凝縮により窓が曇るのを防ぐようにするのが
好ましい。前記の通気穴36は、ハウジングの第２部分12
と正面と結合され且つ冷却素子３と第３部分13をハウジ
ング１内にクランプするクリップ装置の一部を形成する
保持板61に形成することができる。

第１図に示すように、ハウジング１の第３部分13は、冷
却素子３のコイル状金属配管31の心となるだけでなく、
第１部分11および正面の窓15と共に囲いを形成する。第
１図の検出器素子２はこの囲いの中に設けられている。
ハウジングの第３部分13がこのように複数の機能を果す
結果、検出器のハウジング１の正面とボトル30間の距離
を著しく減少できまた検出器の重量も軽減できるコンパ
クトな場所を取らない装置が得られる。したがって検出
器のハウジング１を第１図に示すようにボトル30上に直
接取付けることもできる。更に、冷却素子により冷却さ
れるに必要な熱容量は、極めて急速な冷却時間を得るよ
うに減少することができる。第１図では、検出器素子２
と冷却素子３の両方のハウジングは、第２部分12と第１
部分11と正面の窓15を有する第３部分だけより成る。

前記の部分12,11および13は成形プラスチック材料で形
成することができる。もっとも、第２部分12はその周囲
に発泡ポリウレタンまたはその他の熱絶縁のよい材料の
ジャケットを有するのが好ましい。検出器素子２が取付
けられる第１部分11は、検出器素子２に対する接続部を
有する回路基板として形成するのが好ましい。

検出器素子２は、例えば出願公開された英国特許出願第
1559474号に記載されたと同様な技術を用いて、公知の
方法で第１部分（基板）11上に取付けることができる。
このようにして、例えば金電極を有する不活性化カドミ
ウム水銀テルル化物より成るものでもよい検出器素子２
を絶縁性エポキシ接着剤の層によって第１部分に固定す
ることができる。検出器素子２の縁にデポジットされた
金属接続部は、電極を第１部分11上の導体と接続するこ
とができる。この第１部分11は接着剤によって中空の第
３部分の一端に固定することができる。中空の第３部分
13の内面の少なくとも反射部分18と19は、導電層パター
ン（例えば金）によってこの内面に形成され、検出器素
子２に対して別々の電気接続部をつくる。前記の部分18
と19は、導電層パターンにあるギャップ17によって互に
絶縁されている。第１部分11上の導体は、はんだまたは
導電性エポキシ樹脂によって中空の第３部分の導電層パ
ターンより成る反射部分18と19に接続することができ
る。ハウジングの第２部分の外側の外部接続28と29は、
第３部分の突起上の反射部分18と19の印刷リード延長部
として形成することができるが、第１図にはその一方の
29だけが示されている。

冷却素子３の心を形成する中空の第３部分13はまたコー
ルドフィルタ25を支持するためにも用いられる。このよ
うなフィルタは、赤外線波長を選択的に例えば10.6＋0.
3μｍの範囲の波長を検出器に通すのに用いられる。前
記のフィルタ25は中空の第３部分13内に（例えばエポキ
シにより）取付けられ、これによってこの部分に熱的に
結合され、検出器の動作時冷却素子によりフィルタ25の
冷却を可能にする。第１図に示すように、窓15はこのフ
ィルタの正面で中空の第３部分13に取付けられている。

第１図において、ひれを設けた配管31のらせん状コイル
は、第２部分12の外側の或る長さのひれのない配管38に
よってガス流弁34と連結されている。けれどもこの配管
38は第２部分12の溝の中に入れてもよく、場合によって
は第２部分12と第３部分13の間のスペースに入れてもよ
い。

多くの変形が可能である。第１図において検出器素子２
を第１部分の反対側（すなわち冷却素子側）に設け、冷
却剤がオリフィス32より膨張するスペース20内に位置す
るようにしてもよい。このような配置では検出器素子２
の直接な冷却が可能なので、更に急速な冷却が可能とな
る。第２図は、検出器素子２の取付けられた第１部分11
を形成する回路基板がハウジング１の第２部分12のくぼ
み内に取付けられた変形を示す。本発明者は、カドミウ
ム水銀テルル化物の検出器素子２（前述の英国特許出願
15594474号および同じく第1568985号に記載されたよう
な）に与えられた通常の不活性化は、最大動作時間の短
かい（例えば最大３分）検出器の冷却スペース20内に位
置された検出器素子に適当な周囲に対する保護を与える
ことを見出した。けれども、例えばプラスチック材料よ
り成る透明な保護膜を検出器素子２上場合によっては第
１部分11上の導体にも付け加えることもできる。

第２図の検出器において、第２部分12の本体部60は、例
えばプラスチック材料の壁部62,63および64の中に入れ
られた発泡ポリウレタンより成るものでもよい。この場
合、外部接続部28と29は、壁部64と本体部60を通って延
在して第１部分11上の導体とはんだまたはエポキシ樹脂
によって直接に接続される絶縁リードまたはピンとして
形成することができる。第２図に示すように、前記の導
体は、外部接続部28と29への接続が第１部分11の背面に
あるように、第１部分を貫通して導かれてもよい。若し
所望ならば、第１部分11の背面の大部分を、これ等部分
が放射線50の波長において高い反射性となるように被覆
し、反射光線が検出器素子２に集中するうように凹面と
することもできる。

正面の窓15だけでなく、ジュール・トムソン冷却素子３
の心を形成する中空の第３部分の内側の端面に追加的な
窓65がある。中空の第３部分の空洞の全内面は、特定の
用途に応じて高い反射性または高い吸収性とすることが
できる。冷却素子３と第３部分13は、ばね力を受けた把
持板61によって第２部分に確りと固定され、この把持板
は、壁部64の前面のフランジにクランプされる。これ等
の部材は第２図には離して示してある。

ジュール・トムソン冷却素子３は、ひれを付けた金属配
管31を用いる代りに、ハウジング１の第２部分12と第３
部分13の相対する面間に溝付中間部材46を設けることに
より形成することもできる。第３図はこのような実施例
を示す。前記の部材46は、配管38、ねじを切った取付部
48、ひれを有する配管31の孔に相当する狭い溝43、この
狭い溝43の端でオリフィス32から冷却剤が膨張するスペ
ース20および膨張した冷却剤を通す広い溝42によって冷
却剤ボトルと連結されることかできる。前記の広い溝42
と狭い溝43は、再生冷却のためにその間に良好な熱交換
を有するように配設される。狭い溝43は、溝付中間部材
46と結合された中空の第３部分13によってシールされて
いる。広い溝は、同様に、第２部分12の内面を形成して
もよい円錐板41によって密閉される。このようにして第
３部分13と円錐板41は冷却素子３の一部を形成する。図
面を見やすくするために第３図の種々の部分は離して示
してある。

ハウジングの第２部分の本体部は、ハウジングの外部と
検出器素子２および冷却素子３の両者との間に良好な熱
絶縁を与えるために、１つまたはそれ以上の熱絶縁体40
（例えば発泡ポリウレタン）で形成することもできる。
超熱絶縁材料の積層箔35が円錐板41と熱絶縁体40との間
にあってもよい。ハウジング１の中空の第３部分にシー
ルされたこの溝付部材46の配置は、第３部分の極めて効
率のよい冷却を可能にする。このことは、若し中空の第
３部分13の内面が検出器素子２で検出される波長におい
てそれ程反射性でなくまたは更に吸収性でもなければ、
フィルタ25の冷却および前記の内面の放射率の低減に対
して特に有利である。けれども、第３図の検出器の中空
の第３部分13の内面が高い反射性で放射線50に対する光
パイプを形成するのが時に有利である。

図面には円錐形を示したが、抛物その他の３次元湾曲或
はまた例えば円筒状も可能であることは云うまでもな
い。ハウジングの赤外線透過性の第３部分を中空部材と
して形成するのが特に都合がよい。けれども、或る用途
に対しては、熱伝導の低い赤外線透過材料例えば特別な
プラスチック材料またはゲルマニウムの中実の第３部分
を有するものでもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の赤外線検出器の一部の断面図、 第２図は別の実施例の同様断面図 第３図は更に別の実施例の同様断面図である。 １……ハウジング、２……検出器素子 ３……冷却素子、11……第１部分 12……第２部分、13……第３部分 15,65……窓、17……ギャップ 18,19……反射部分、20……スペース 25……フィルタ、28,29……外部接続部 30……冷却剤ボトル、31,38……配管 32……オリフィス、35……積層箔 36……通気穴、40……熱絶縁体 41……円錐板、42,43……溝 46……溝付中間部材、60……本体部 61……保持板、63,64……壁部

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】赤外線検出器素子とハウジングと冷却素子
   とを有し、前記のハウジングは、前記の検出器素子が取
   付けられた第１部分と、この第１部分からハウジング正
   面に向かって延在する、第２部分とこの第２部分の内側
   に取付けられた中空の第３部分とを有し、この中空の第
   ３部分は、赤外線を該第３部分を経て検出器素子に通す
   ハウジング正面の赤外線透過窓を有し、前記の冷却素子
   は前記の第２部分と第３部分の間に位置されたことを特
   徴とする赤外線検出器。
2. 【請求項２】検出器素子で検出される赤外線の波長にお
   いて、ハウジングの中空の第３部分の全内面の少なくと
   も大部分が入射赤外線を検出器素子に向けるように反射
   性である特許請求の範囲第１項記載の赤外線検出器。
3. 【請求項３】第３部分の反射性の中空部は、ハウジング
   の第１部分から正面に向って広がる特許請求の範囲第２
   項記載の赤外線検出器。
4. 【請求項４】ハウジングの中空の第３部分と第２部分の
   対向面は共に円錐形である特許請求の範囲第３項記載の
   赤外線検出器。
5. 【請求項５】ハウジングの第３部分は、ハウジングの第
   １部分および赤外線透過装置と囲いを形成する中空の形
   を有し、検出器素子がこの囲いの中に位置する特許請求
   の範囲第１項から第４項の何れか１項記載の赤外線検出
   器。
6. 【請求項６】検出器素子の電気接続がハウジングの第３
   部分によって行われる特許請求の範囲第１項から第５項
   の何れか１項記載の赤外線検出器。
7. 【請求項７】検出器素子に体する電気接続部は、ハウジ
   ングの中空の第３部分の内面の電導層パターンより成る
   特許請求の範囲第６項記載の赤外線検出器。
8. 【請求項８】導電層パターンは、前記の内面の反射性部
   分の少なくとも一部を形成する特許請求の範囲第７項記
   載の赤外線検出器。
9. 【請求項９】選択的に赤外線を透過するフィルタは、検
   出器の動作中冷却器素子による該フィルタの冷却を可能
   にするように、前記のハウジングの中空の第３部分の内
   側に熱的に連続された特許請求の範囲第１項から第８項
   の何れか１項記載の赤外線検出器。
10. 【請求項１０】ハウジングの赤外線透過窓は、ハウジン
    グの正面で第３部分に取付けられた特許請求の範囲第１
    項から第９項の何れか１項記載の赤外線検出器。
11. 【請求項１１】冷却素子は、冷却剤をハウジングの第１
    部分の近くのスペース内に膨張させるようにしたジュー
    ル・トムソンタイプであり、通気穴が、冷却剤を赤外線
    透過窓上に出すために、赤外線透過窓に隣接してハウジ
    ングの正面にある特許請求の範囲第１項から第10項の何
    れか１項記載の赤外線検出器。
12. 【請求項１２】冷却素子は、ジュール・トムソンタイプ
    であり、ジュール・トムソン冷却素子の溝を形成するた
    めに、ハウジングの第２部分と第３部分の対向面の間に
    溝付中間部材が設けられた特許請求の範囲第１項から第
    11項のいずれか１項記載の赤外線検出器。
13. 【請求項１３】少なくともハウジングの第３部分は、溝
    付中空部材の溝をシールすることにより、ジュール・ト
    ムソン冷却素子の一部を形成する特許請求の範囲第12項
    記載の赤外線検出器。
14. 【請求項１４】ハウジングの第２部分は、ハウジングの
    外側と検出器素子および冷却素子の両者との間を熱絶縁
    する１つまたはそれ以上の熱絶縁体を有する特許請求の
    範囲第１項から第13項の何れか１項記載の赤外線検出
    器。