JP2691226B2

JP2691226B2 - 赤外線撮像光学装置

Info

Publication number: JP2691226B2
Application number: JP1175691A
Authority: JP
Inventors: 元市川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-07-10
Filing date: 1989-07-10
Publication date: 1997-12-17
Anticipated expiration: 2012-12-17
Also published as: JPH0341328A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、赤外線撮像光学装置に関するものである。

［従来の技術］従来のこの種装置は、第９図に示す様な構造であっ
た。図において、対物レンズ102によって中間結像面に
結像された撮像対象の像はリレーレンズ103によって赤
外線検知器104の受光面に結像される。一般に赤外線用
の光電素子は禁制帯幅が狭く暗電流が流れやすいため、
検知器104はリレーレンズ103からの有効光束を通過させ
るための開口部を有し周囲の物体からの放射光（熱輻
射）を遮蔽するコールドシールド105によって囲まれ、8
0K程度の温度に冷却されている。このような構成の赤外
線撮像光学装置において、リレーレンズ103からの光束
の光路を遮らず、かつ撮像対象以外の物体から検知器10
4に入射する熱輻射を低減するには、コールドシールド1
05開口部と撮像光学系の射出瞳を合致させることが提案
されている。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記の如き従来技術においては、以下のよう
な問題点があった。

まず、コールドシールド開口部の検知器受光面からの
高さは射出瞳の位置に対応させなければならないため、
コールドシールドの小型化を図ることができず冷却負荷
を軽減することができないという問題がある。特に検知
器の光電素子が二次元に多数配列されていて受光面積が
大きい場合には、射出瞳と結像面（受光面）との距離が
長くなるため、それに応じてコールドシールドも大型化
し冷却負荷が大きなものとなってしまう。

また、コールドシールドの開口部の大きさは固定され
たものであるので、撮像光学系の開口絞りの大きさを変
えると射出瞳とコールドシールド開口部の大きさが一致
しなくなるという問題点がある。即ち、開口絞りを絞っ
た場合、コールドシールド開口部より射出瞳の大きさが
小さくなり撮像対象以外の物体からの熱輻射が検知器に
入射してしまい、検知器の感度が低下してしまう。

更に、赤外線用の検知器は水分が受光面上に結露する
と感度が損なわれてしまう為、一般に検知器受光部を真
空中に保てる様に光学窓部材によって検知器の周囲（コ
ールドシールドの外側）を密閉することが多いが、断熱
効果の点から真空層はある程度厚くする必要があり、装
置が更に大型化してしまうという問題がある。

加えて、前述したようにコールドシールド開口部の位
置及び形状は固定されたものにさぜるを得ない為、対物
レンズの倍率を変えると射出瞳とコールドシールド開口
部が合致しなくなり、検知器の感度が低下してしまうと
いう問題点もある。

本願発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであ
り、第１の発明（請求項１）は検知器の冷却効率の向上
を図ることができるとともに、検知器の感度を低下させ
ずに開口絞りの大きさを変えることができる赤外線撮像
光学装置を提供することを目的としたものである。

また、第２の発明（請求項３）は検知器の感度を低下
させずに装置の小型化を図ることができる赤外線撮像光
学装置を提供することを目的としたものである。

さらに、第３の発明（請求項４）は対物レンズの倍率
を変えた場合でも高い冷却効率や感度を維持することが
できる赤外線撮像光学装置を提供することを目的とした
ものである。

［課題を解決するための手段］第１の発明の赤外線撮像光学装置は、対物レンズとリ
レーレンズを有する撮像光学系と、該撮像光学系の最終
結像面の位置に受光面が一致するように配置された赤外
線検知器と、前記撮像光学系からの光束が通過する開口
部を有して前記検知器を囲むように配置され、前記検知
器周囲からの熱輻射を遮蔽するコールドシールドとを備
えた赤外線撮像光学装置であって、前述した課題を達成
するために前記コールドシールドの開口部が前記撮像光
学系の射出瞳あるいは射出瞳と共役な位置に合致すると
ともに、前記撮像光学系の開口絞りの像側の面が鏡面で
構成されたことを特徴とする赤外線撮像光学装置であ
る。

第２の発明の赤外線撮像光学装置は、対物レンズとリ
レーレンズを有する撮像光学系と、該撮像光学系の最終
結像面の位置に受光面が一致するように配置された赤外
線検知器と、該検知器の周囲を密閉する光学窓部材と、
該光学窓部材を支持する支持部材を有する赤外線撮像光
学装置であって、前述した課題を達成するために前記光
学窓部材が前記撮像光学系の射出瞳あるいは射出瞳と共
役な位置に合致するとともに、前記支持部材の検知器側
の面が鏡面で構成されたことを特徴とする赤外線撮像光
学装置である。

第３の発明の撮像光学装置は、対物レンズとリレーレ
ンズを有する撮像光学系と、該撮像光学系の最終結像面
の位置に受光面が一致するように配置された赤外線検知
器と、前記撮像光学系からの光束が通過する開口部を有
して前記検知器を囲むように配置され、前記検知器周囲
からの熱輻射を遮蔽するコールドシールドとを備えた赤
外線撮像光学装置であって、前述した課題の達成のため
に前記撮像光学系が、前記対物レンズを変倍した場合に
あっても、射出瞳あるいは射出瞳と共役な位置が常に前
記コールドシールドの開口部に合致する変倍光学系で構
成されたことを特徴とする赤外線撮像光学装置である。

なお、本明細書において「射出瞳とコールドシールド
開口部（又は光学窓部材）が合致する」とは、「射出瞳
と開口部（又は光学窓部材）の位置が一致し、かつ大き
さも等しい」ことを言い、以下「開口整合する」とも表
現する。

［作用］第１の発明においては、射出瞳とコールドシールドの
開口部が合致している（一般に光学設計において射出瞳
の位置及び大きさは所望の値とすることが可能であり、
対物レンズの設計によってコールドシールド開口部と光
学系全体の射出瞳を合致させることができる）とともに
開口絞りの像側の面が鏡面で構成されているので、コー
ルドシールドの開口部形成面からの放射光は開口絞りの
鏡面で正反射され、コールドシールド開口部形成面に戻
る。束ち、周囲の常温物体からコールドシールド及び検
知器に入射する熱輻射が大幅に低減され、冷却されたコ
ールドシールド及び検知器自体の放射光が入射すること
になる（ナルシサス現象）ので冷却負荷が低減される。

また、射出瞳とコールドシールド開口部が合致してい
る状態から開口絞りを絞ると射出瞳の大きさが開口部よ
り小さくなるが、その場合でも撮像対象以外から検知器
に入射する放射光は冷却された検知器（及び支持基板）
自体からの放射光であるので、実質的にコールドシール
ド開口部が絞られたことと等価になる。

第２の発明においては、射出瞳と合致する位置に光学
窓部材が配置されており、コールドシールドはこの光学
窓部材の内側に配置されることになる。即ち、コールド
シールド開口部は射出瞳と合致しないが、光学窓部材の
支持部材の検知器側の面が鏡面で構成されているので、
リレーレンズからの有効光束以外に検知器に入射するの
は冷却されたコールドシールドからの放射光だけとな
る。即ち、検知器の感度を低下させずにコールドシール
ド及び光学窓部材を従来より小型化することができる。

また、第３の発明については対物レンズの倍率を変え
ると、それに伴って射出瞳の位置及び大きさが変わって
しまうが、後述する条件を満たすように開口絞りの位置
及び大きさを調整することによって変倍後においても開
口整合が実現できる。

［実施例］第１図は第１発明の実施例を示す光路図である。かか
る撮像光学装置の光学系は、対物レンズ２と、対物レン
ズ２によって中間結像面に結像された像を赤外線検知器
４の受光面（図中点Ａ′〜点Ａ″の領域）に結像するリ
レーレンズ３を備えており、検知器４はリレーレンズ３
からの有効光束を通過させるための開口部を有するとと
もに周囲の物体からの熱輻射を遮蔽するコールドシール
ド５で囲まれて80K程度の温度に冷却されている。そし
て、撮像光学系の開口絞り１とコールドシールド５開口
部は共役な関係（即ち射出瞳と開口部が合致）となって
おり、開口絞り１の検知器４側の面は鏡面で構成されて
いる。

このような構成の撮像光学装置において、コールドシ
ールド５開口部の端点Ａから角α内に放射される光（検
知器４受光面点Ａ′〜点Ａ″からの放射光）はすべて開
口絞り１の開口部端点Ｂで正反射されて点Ａに戻ってく
る。同様にして、コールドシールド５の開口部形成面
（受光面からの高さｈ）からの放射光はすべてコールド
シールド５に戻る。即ち、第１図に示された構成をとれ
ば、冷却された検知器４及びコールドシールド５自体の
放射光が開口絞り１の鏡面で反射されて検知器４及びコ
ールドシールド５に入射することになり、周囲の常温物
体から検知器に入射する熱輻射が低減される。このた
め、検知器４の比検出感度Ｄ^＊（Ｄ^＊＝Ａ^1/2（Δｆ）
^1/2／（NPE）［cm・Hz^1/2・^-1］；ここにNEPは雑音等価
電力＝Ｊ・A/（S/N）［Ｗ］,Jは入射光束の単位面積当
りのエネルギー［W/cm²］,Sは信号出力電圧［Ｖ］,Nは
雑音電圧［Ｖ］,Aは素子の有効面積［cm²］，Δｆは測
定する赤外線の帯域幅［Hz］）が向上する。

また、本実施例では中間結像面に視野絞り６を設けて
視野絞り６の検知器側の面も鏡面で構成しているので、
検知器４の非受光面の端点Ｃ（Ａ″）と視野絞り６の
開口部端点Ｄも共役関係にあり、点Ｃから放射された光
も視野絞り６の鏡面で反射され点Ｃに戻ることになる。
即ち、検知器４非受光面からの放射光も検知器４（非受
光面）に戻ることになるので、冷却効率の向上を図るこ
とができる。この際、撮像光学系がテレセントリック系
であれば、検知器４からの放射光がより効率良く開口絞
り１及び視野絞り６の鏡面で反射されることになる。

次に第２図は、第１発明の別の実施例を示す光路図で
ある。本実施例の撮像光学装置は、基本的な構成は第１
図に示された実施例と同様であるが、中間結像面に視野
絞りが設けられておらず、開口絞り21の開口部の大きさ
が可変になっている。かかる撮像光学装置において、開
口絞り21を図の様に絞った場合、射出瞳の大きさは図中
点Ｅ〜点Ｆで示される大きさとなる。このとき射出瞳の
大きさはコールドシールド５開口部の大きさはより小さ
くなるが、角γ及び角γ′内の光束は開口絞り21の鏡面
で反射されて、同じ光路を通って検知器４受光面の光軸
上の点に戻る。

また、射出瞳の端点Ｅから角β内に発せられる光束
（検知器の受光面と周辺と非受光部を含む点Ｅ′〜点
Ｅ″内から発せられた光束）は開口絞り21の端点Ｂ′で
反射されてそのまま検知器４の点Ｅ′〜点Ｅ″内に戻っ
てくる。コールドシールド５開口部の端点Ａについても
同様に開口絞り21の鏡面で反射され、点Ａ′〜点Ａ″の
領域に戻る。

即ち、第２図に示されたような構成をとれば、開口絞
り21を絞ることによってコールドシールド５開口部の大
きさより射出瞳が小さくなっても撮像対象以外から検出
器４に入射するのは冷却された検知器４及びコールドシ
ールド５自体からの放射光であるので、実質的にコール
ドシールド５の開口部が絞られたのと等価である。

次に、第２の発明の実施例を第３図を用いて説明す
る。本実施例による撮像光学装置の光学系は対物レンズ
32と、対物レンズ32によって中間結像面32aに結像され
た像を赤外線検知器34の受光面にする結像するリレーレ
ンズ33を備えており、検知器34はリレーレンズ33からの
有効光束を通過させるための開口部を有するとともに周
囲の物体からの熱輻射を遮蔽するコールドシールド35で
囲まれて80K程度の温度に冷却されている。コールドシ
ールド35の外側は赤外線を透過する光学窓部材7aとこの
窓部材の支持部材7bで密閉されており、検知器34は真空
中に配置されている。

また、支持部材7bの検知器34側の面は鏡面で構成され
ており、光学窓部材7aの端部（支持部材7bとの接続部
分）は耐圧性の点からテーパ加工されている。そして、
光学窓部材7aの検知器34側の面と撮像光学系の開口絞り
31が共役な関係（即ち射出瞳と光学窓部材7aが合致）と
なっている。検知器34とともに真空中に配置されている
コールドシールド35の開口部形成面の高さは射出瞳の位
置より低くなっており、開口部口径はリレーレンズ33か
らの有効光束の光路を遮らないように射出瞳より大きく
なっている。また、本実施例ではコールドシールド35の
外表面は黒体（反射率零，放射率100％）で構成さ
れている。

このような構成の撮像光学装置の光軸を含む断面にお
いて、光軸上の受光点G,射出瞳の端点H,コールドシール
ド35開口部の端点Ｉで規定される角δ内から点Ｇに入射
する熱輻射は、全て冷却器（図示せず）によって冷却さ
れた検知器34受光部及びコールドシールド35から発せら
れることになる。例えば、コールドシールド35の外表面
の点Ｊからの放射光は図に示される如く光学窓部材7aの
鏡面で反射されて検知器34受光面上の点Ｇに入射する。
また、受光部の端点Ｋに関しても３点H,K,Iで規定され
る角ε内から入射する熱輻射について同様の状況が成立
し、コールドシールド35からの放射光が入射することに
なる。光軸を含まない断面についても同様である。この
ため、光学窓部材7aによって規定されるＦ値（Ｆ＝f/D;
fは光学系の焦点距離,Dは入射瞳の直径）と、コールド
シールド35によって規定されるＦ値が実質的に一致する
ことになる。

即ち、第３図に示される撮像光学系においては、射出
瞳と合致するように配置された光学窓部材7aの支持部7b
の検知器側の面を鏡面で構成されているので、射出瞳と
開口部とが合致するように配置されたコールドシールド
の代替としての機能を支持部7bの内面（鏡面）が果たし
ていることになり、従来に比較してコールドシールド35
及び光学窓部材7a,支持部材7bを小型化することがで
き、それによって冷却負荷が低減することもできる。更
に、光学窓部材7a及びその支持部材7bを小型化できるこ
とは機械的強度（耐圧）の点でも有利である。

なお、コールドシールド35の外表面は冷却されたコー
ルドシールド35自体の放射光を検知器34に入射させる上
では本実施例のように黒体で構成することが好ましい
が、コールドシールド35外表面と放射率，反射率につい
ては特に限定されるものではない。コールドシールド35
外表面が鏡面である場合には、検知器34の支持基板８
（第３図では基板８はコールドシールド35内に配置され
ているが、支持部材7aの底部が基板８によって閉止され
た構造をとることもある）等からの放射光がコールドシ
ールド35の外表面及び支持部材7bの鏡面で反射されて検
知器34に入射する。

また、上記の実施例では検知器34及びコールドシール
ド35が真空中に配置されているが、不活性ガス等を封入
する場合でも同様に適応できることは言うまでもない。

更に、第３図に示された実施例では光学窓部材7aの内
側（検知器側）の面と射出瞳を合致させたが、外側の面
と射出瞳を合致させ、光学窓部材7aの外表面の位置に検
知器34側の面を鏡面で構成した絞りを配置すれば、この
絞りによって第２図で説明した実施例と同様に検知器の
感度を低下させることなく光学系のＦ値を変化させるこ
とができる。

次に、第３の発明の実施例について第４図及び第５図
を用いて説明する。

まず、第４図を参照して射出瞳とコールドシールド開
口部を合致させるための条件について説明する。第４図
に示された撮像光学装置の構成は第１図に示した実施例
の構成と基本的に同様である。図において、対物レンズ
２を単レンズとして主点から開口絞り１までの距離をs,
対物レンズ２の焦点距離をf₁,リレーレンズ３主点から
中間結像面までの距離をa,最終結像面（検知器４受光
面）までの距離をb,リレーレンズ３の焦点距離をf₂,コ
ールドシールド５開口部の高さをh,射出瞳位置（リレー
レンズ主点からの距離）をx,射出瞳の径をφ，開口絞り
径をＤとする。

そして、入射瞳と共役な位置をｘ′，入射瞳の径を
Ｄ′とすると、光軸方向にはｘ＝ｂ−ｈ（４）が成立し、光軸と直角方向にはＤ′＝Dx′/s （５） φ＝Ｄ′x/（f₁＋ａ−ｘ′）（６）が成立する。

（１）〜（４）を解くとｓ＝f₁ ＋［（ｂ−f₂）｛ｈ−（ｂ−f₂）｝／（hf₂ ²）］f
₁ ² （７）更に（５），（６）を解くと、 f₁/D＝（h/φ）×f₂/b−f₂＝（ｈ−φ）×（a/b）
（８）従って、リレーレンズ３が固定で、対物レンズ２を交
換することによって画角を変える場合、（７）式で決定
される位置に開口絞り１を置くと同時に、（８）式で決
定される開口の大きさを設定すれば（即ち、一定のＦ値
を決定すれば）、常に射出瞳とコールドシールド５開口
部が合致することになる。

第５図は、第４図の撮像光学装置において対物レンズ
の焦点距離を変えた場合を示す光路図である。

このとき、開口絞り51の中間結像面からの距離ｌはｌ＝ｓ′＋f₁′ ＝［（ｂ−f₂）｛（ｈ−（ｂ−f₂）｝／（hf₂ ²）］f₁ ²
＋2f₁ （９）となり、（９）式を、f₁をｔと書きなおし、Ｆ（ｔ）とする
と、Ｆ（ｔ）＝pt²＋2t＝ｐ（ｔ＋1/p）^２−1/p （10）但し、ｐ＝（ｂ−f₂）｛ｈ−（ｂ−f₂）｝／（hf₂）となる。

従って、対物レンズの倍率を変えた場合の開口絞り51
の移動量を対物レンズ52の焦点距離に比例した値とする
ための条件はＦ″（ｔ）＝0,即ち、ｐ＝０を解いて、ｈ＝ｂ−f₂（ｓ＝f₁）（11）となる。

即ち、開口絞り51の位置を対物レンズ52の前側焦点位
置に一致させ対物レンズ52を射出側テレセントリックと
すれば射出瞳をコールドシールド５の開口部に合致させ
ることができる。

また、対物レンズの倍率を２段階に変倍（ｔ＝f₃,
f₄）する場合には、を満たせば、Ｆ（f₃）＝Ｆ（f₄）＝2f₃f₄/（f₃＋f₄）が
成立し、変倍しても射出瞳位置が等しくなる。

と置き、（12）式をｈについて解くとｈ＝（ｂ−f₂）²/｛（ｂ−f₂）＋f₂ ²/f′ （13）となる。

即ち、コールドシールド５開口部をこの位置に配せ
ば、２段階に変倍する場合に入射瞳の大きさを変えるだ
けで射出瞳とコールドシールド開口部を合致させること
ができる。

更に、この条件は、対物レンズの焦点距離をf₃〜f₄に
連続的に変えた場合の、開口絞り位置Ｆ（ｔ）の変化量
が最少の場合でもある。また、２段階変倍時に対物レン
ズ主点からの入射瞳位置を等しくする場合もＦ（ｔ）＝
pt²＋ｔに関して同様に考えれば良い。

なお、上記の説明では射出瞳とコールドシールド開口
部を合致させることについて述べたが、上述した条件は
第２の発明において射出瞳と光学窓部材を合致させる場
合にも適応されることは言うまでもない。また、上記の
説明では対物レンズを単レンズとしたが２段レンズ,3段
レンズ等多段レンズについても同様に開口整合のための
解が存在する。

更に、第４図に示された構成の撮像光学装置において
第６図に示されるように中間結像面に焦点鏡９を挿入す
る場合、焦点鏡９のマスク部分10を鏡面で構成すれば、
ナルシサス現象を利用して（マスク部分10の鏡面で検知
器からの放射光が反射され検知器に戻る）焦点鏡を得る
ことができる。また、鏡面（マスク部分10）以外での反
射光が検知器に入射することが問題となる場合には、第
７図のようにくさび型の部材を２枚貼りあわせて平行平
面板11とし、貼り合せ面に焦点鏡９を形成して焦点鏡９
が中間結像面に位置するように平行平面板11を光軸AXに
対して傾けて挿入すればよい。このようにすれば、マス
ク10以外での反射光が検知器に入射するのを回避でき
る。

また、第８図に示された様に平行平面板12を光軸AXに
対して傾けて挿入し、平行平面板12を光軸を回転軸とし
て回転させれば等価的に検知器の画素の数あるいは一画
素の大きさを増すことができるが、平行平面板12を中間
結像面2aの位置に配置することによって光学系の収差を
最少とすることができる。

［発明の効果］以上のように、第１の発明においては射出瞳とコール
ドシールド開口部が合致し、かつ開口絞りの像側が鏡面
で構成されているので、ナルシサス現象を利用して等価
的にコールドシールド開口部の大きさを変えることが可
能となる。このため、開口絞りを絞って光学系のＦ値を
大きくさせるとともにコールドシールドによって規定さ
れるＦ値と光学系のＦ値と合致させて、検知器の感度
（Ｄ＊）を高めることができる。

また、第２の発明においては射出瞳と光学窓部材が合
致し、かつ光学窓部材の支持部が鏡面で構成されている
ので、検知器の感度を低下させることなく検知器の周囲
に配置される光学窓部材及びその支持部材とコールドシ
ールドの大きさを従来に比較して小型化することができ
る。

更に、第３の発明においては対物レンズの倍率が変わ
る場合にも常に射出瞳とコールドシールド開口部が合致
するので、冷却効率及び検出感度を維持しながら画角を
変えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１発明の実施例を説明するための光路図、第
２図は第１発明の別の実施例を説明するための光路図、
第３図は第２発明の実施例を説明するための光路図、第
４図及び第５図は第３発明を説明するための光路図、第
６図及び第７図は焦点鏡の挿入例説明する光路図、第８
図は平行平面板の挿入例を説明する光路図、第９図は従
来例を説明するための光路図である。［主要部分の符号の説明］ 1.21,31……開口絞り 2,32……対物レンズ 3,33……リレーレンズ 4,34……検知器 5,35……コールドシールド６……視野絞り 7a……光学窓部材 7b……支持部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】対物レンズとリレーレンズを有する撮像光
学系と、該撮像光学系の最終結像面の位置に受光面が一
致するように配置された赤外線検知器と、前記撮像光学
系からの光束が通過する開口部を有して前記検知器を囲
むように配置され、前記検知器周囲からの熱輻射を遮蔽
するコールドシールドとを備えた赤外線撮像装置におい
て、前記コールドシールドの開口部が前記撮像光学系の射出
瞳あるいは射出瞳と共役な位置に合致するとともに、前
記撮像光学系の開口絞りの像側の面が鏡面で構成された
ことを特徴とする赤外線撮像光学装置。
【請求項２】前記対物レンズによる像が結像される中間
結像面に配置された視野絞りを有し、かつ該視野絞りの
像側の面が鏡面で構成されたことを特徴とする請求項１
記載の赤外線撮像光学装置。
【請求項３】対物レンズとリレーレンズを有する撮像光
学系と、該撮像光学系の最終結像面の位置に受光面が一
致するように配置された赤外線検知器と、該検知器の周
囲を密閉する光学窓部材と、該光学窓部材を支持する支
持部材を有する赤外線撮像光学装置において、前記光学窓部材が前記撮像光学系の射出瞳あるいは射出
瞳と共役な位置に合致するとともに、前記支持部材の検
知器側の面が鏡面で構成されたことを特徴とする赤外線
撮像光学装置。
【請求項４】対物レンズとリレーレンズを有する撮像光
学系と、該撮像光学系の最終結像面の位置に受光面が一
致するように配置された赤外線検知器と、前記撮像光学
系からの光束が通過する開口部を有して前記検知器を囲
むように配置され、前記検知器周囲からの熱輻射を遮蔽
するコールドシールドとを備えた赤外線撮像光学装置に
おいて、前記撮像光学系が、前記対物レンズを変倍した場合にあ
っても、射出瞳あるいは射出瞳と共役な位置が常に前記
コールドシールドの開口部に合致する変倍光学系である
ことを特徴とする赤外線撮像光学装置。
【請求項５】前記対物レンズがテレセントリックである
ことを特徴とする請求項４記載の赤外線撮像光学装置。