(57)【要約】【課題】本発明は、検知器容器内の真空環境維持に影響を与えず、かつスペース上の影響が小さく、Ｆ値の異なる２つの波長の画像を同時に得ることができる赤外線検知器を提供することを目的とする。【解決手段】コールド・アパーチャ内に配置され極低温に冷却して動作し、長波長側の第１の赤外線と短波長側の第２の赤外線を検知する２波長赤外線検知素子を用いて前記コールド・アパーチャの開口部を通って入射する赤外線を検知する赤外線検知器であって、前記コールド・アパーチャの赤外線入射側に設けられた開口に、前記コールド・アパーチャの開口部の視野角より小さい視野角となる開口部を持つ円環状で、第１の赤外線を透過し、かつ、第２の赤外線を透過しないフィルタ手段を設けてなり、  前記円環状のフィルタ手段は第１の赤外線を透過し、前記開口部は第１の赤外線及び第２の赤外線を透過するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールド・アパーチャ内に配置され極低温に冷却して動作し、長波長側の第１の赤外線と短波長側の第２の赤外線を検知する２波長赤外線検知素子を用いて前記コールド・アパーチャの開口部を通って入射する赤外線を検知する赤外線検知器であって、
前記コールド・アパーチャの赤外線入射側に設けられた開口に、前記コールド・アパーチャの開口部の視野角より小さい視野角となる開口部を持つ円環状で、第１の赤外線を透過し、かつ、第２の赤外線を透過しないフィルタ手段を設けてなり、
前記円環状のフィルタ手段は第１の赤外線を透過し、前記開口部は第１の赤外線及び第２の赤外線を透過するようにしたことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項２】
コールド・アパーチャ内に配置され極低温に冷却して動作し、長波長側の第１の赤外線と短波長側の第２の赤外線を検知する２波長赤外線検知素子を用いて前記コールド・アパーチャの開口部を通って入射する赤外線を検知する赤外線検知器であって、
前記コールド・アパーチャに、前記コールド・アパーチャの開口部の視野角より小さい視野角となる開口部を持つ円環状で、第１の赤外線を透過し、かつ、第２の赤外線を透過しないフィルタ手段を設けてなり、
前記円環状のフィルタ手段は第１の赤外線を透過し、前記開口部は第１の赤外線及び第２の赤外線を透過するようにしたことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項３】
請求項１記載の赤外線検知器であって、
前記フィルタ手段は、第２の赤外線を反射することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項４】
請求項２記載の赤外線検知器であって、
前記フィルタ手段は、第２の赤外線を反射又は吸収することを特徴とする赤外線検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検知器に関し、２波長赤外線検知素子を用いた赤外線検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検知器は、赤外線を検知する。赤外線は、あらゆる物体がその温度に応じて発しているものである。赤外線を赤外線検知器に導くためには、赤外線用の光学系が必要になる。一般に、光学系には、視野を制限するための絞りが存在する。可視光用の光学系であれば、制限する絞りが発光及び反射などをしないよう黒化処理されていれば、撮像結果には何ら影響しないが、赤外線の場合は、制限した物体（光学系の筐体等）の赤外線を検知してしまい、撮像結果に影響を及ぼす。
【０００３】
このため、赤外線光学系の開口絞り（アパーチャ・ストップ）は極低温物体で形成するか、極低温領域を反射している鏡面で形成する必要がある。赤外線検知器の中の赤外線検知素子自体は、極低温に保たれた領域に配置されているので、その領域に開口絞りを配置するコールド・アパーチャ（極低温開口絞り）が用いられる。このコールド・アパーチャは唯一つの開口径を規定するので、当該赤外線検知器のＦ値（開口絞り径に反比例）は唯一つに決まる。
【０００４】
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の赤外線検知器の一例の側面図と断面図を示す。同図中、検知器容器１０は例えば円筒である。検知器容器１０の赤外線入射側の一端には赤外ウィンドウ１１が設けられている。検知器容器１０内の他端には内筒１２が固定され、内筒１２の内部にはクライオクーラ（極低温冷却器）が収納されている。
【０００５】
内筒１２の先端にはステム１３によって略円筒状のコールド・アパーチャ１４が固定されている。コールド・アパーチャ１４内はクライオクーラによって極低温に冷却される。コールド・アパーチャ１４の赤外ウィンドウ１１と対向する面も極低温に冷却されている。また、コールド・アパーチャ１４を保持しているステム１３上には赤外線検知素子アレイ（単波長赤外線検知素子）１６が固定されている。
【０００６】
近年、同一焦点面上で２つの波長帯を検知できる２波長赤外線検知素子が開発されるようになって来た。なお、同一焦点面とは言っても実際には光軸方向に重ねて形成するので数１０ｎｍの位置ずれがあるが充分に小さく、同一焦点面とみなすことができる。
【０００７】
特に、中波長赤外線（ＭＷＩＲ：Ｍｉｄ  Ｗａｖｅ  Ｉｎｆｒａ−Ｒｅｄ）と、長波長赤外線（ＬＷＩＲ：Ｌｏｎｇ  Ｗａｖｅ  Ｉｎｆｒａ−Ｒｅｄ）を組合せた２波長赤外線検知素子では、波長に依存する結像特性の違いから、同一光学開口径に対し、中波長赤外線を長焦点にして分解能を高め目標識別に用い、常温シーンに対して高いコントラストが得られる長波長赤外線を短焦点にして広画角化し目標捜索・探知に用いることが強く要望されている。
【０００８】
このため、２つの異なる波長、ここでは中波長赤外線と長波長赤外線に対して異なるＦ値の光学構成を実現することが望まれている。
【０００９】
なお、特許文献１には、第１の開口を持つ真空容器と、真空容器に収納され第２の開口を持つバッフルを有し、第１の開口に波長帯域フィルタを取付けることが記載されている。
【００１０】
また、特許文献２には、絞り近傍のレンズの光軸中心部に近赤外光カットフィルタ機能と光の透過率を減少させるＮＤフィルタ機能を一体的に形成することが記載されている。
【特許文献１】特開平０７−２５３３５８号公報
【特許文献２】特開平０５−１１０９３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
異なる２つのＦ値（デュアルＦ値）を実現する手法として、第１に、コールド・アパーチャの開口径を機械的に可変させられる可動機構として製作する方法、第２に、検知器ウィンドウの直前に、コールド・アパーチャの開口より内径の小さな円環状の凹面鏡を置き、その領域については検知素子に検知器内部の極低温部分を見させ赤外線が入射しないようにする方法などが考えられる。
【００１２】
第１の方法については、極低温に保つために内部が真空に引かれている赤外線検知器容器内に可動部分を持つ開口絞り可変機構を設けるのは、アウトガスや部品の褶動に伴う研削屑といったコンタミネーション（汚染物質発生）の観点から好ましくない。
【００１３】
第２の方法については、検知器容器の外、光学系の結像側にかなり大きなスペースを消費する光学機構を置かなければならないという問題がある。
【００１４】
また、第１及び第２の方法のいずれも、Ｆ値の切替えに時間がかかり、中波長赤外線と長波長赤外線それぞれの画像を同時に、かつ、個別のＦ値で得ることはできないという問題がある。
【００１５】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、検知器容器内の真空環境維持に影響を与えず、かつスペース上の影響が小さく、Ｆ値の異なる２つの波長の画像を同時に得ることができる赤外線検知器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の一実施態様による赤外線検知器は、コールド・アパーチャ内に配置され極低温に冷却して動作し、長波長側の第１の赤外線と短波長側の第２の赤外線を検知する２波長赤外線検知素子を用いて前記コールド・アパーチャの開口部を通って入射する赤外線を検知する赤外線検知器であって、
前記コールド・アパーチャの赤外線入射側に設けられた開口に、前記コールド・アパーチャの開口部の視野角より小さい視野角となる開口部を持つ円環状で、第１の赤外線を透過し、かつ、第２の赤外線を透過しないフィルタ手段を設けてなり、
前記円環状のフィルタ手段は第１の赤外線を透過し、前記開口部は第１の赤外線及び第２の赤外線を透過するようにしたことにより、検知器容器内の真空環境維持に影響を与えず、かつスペース上の影響が小さく、Ｆ値の異なる２つの波長の画像を同時に得ることができる。
【００１７】
本発明の他の実施態様による赤外線検知器は、コールド・アパーチャ内に配置され極低温に冷却して動作し、長波長側の第１の赤外線と短波長側の第２の赤外線を検知する２波長赤外線検知素子を用いて前記コールド・アパーチャの開口部を通って入射する赤外線を検知する赤外線検知器であって、
前記コールド・アパーチャに、前記コールド・アパーチャの開口部の視野角より小さい視野角となる開口部を持つ円環状で、第１の赤外線を透過し、かつ、第２の赤外線を透過しないフィルタ手段を設けてなり、
前記円環状のフィルタ手段は第１の赤外線を透過し、前記開口部は第１の赤外線及び第２の赤外線を透過するようにしたことにより、検知器容器内の真空環境維持に影響を与えず、かつスペース上の影響が小さく、Ｆ値の異なる２つの波長の画像を同時に得ることができる。
【００１８】
前記赤外線検知器であって、
前記フィルタ手段は、第２の赤外線を反射する構成とすることができる。
【００１９】
前記赤外線検知器であって、
前記フィルタ手段は、第２の赤外線を反射又は吸収する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、検知器容器内の真空環境維持に影響を与えず、かつスペース上の影響が小さく、Ｆ値の異なる２つの波長の画像を同時に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態について説明する。
【００２２】
<第１実施形態>
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明の赤外線検知器の第１実施形態の側面図と断面図を示す。図２（Ａ），（Ｂ）において、検知器容器２０は例えば円筒であり、極低温に保つために内部が真空に引かれている。検知器容器２０の外周には取付けフランジ２１が設けられている。
【００２３】
検知器容器２０の赤外線入射側の一端には赤外線を透過する円板状の赤外ウィンドウ（開口）２２が設けられている。赤外ウィンドウ２２の検知器容器２０内部側外周には、円環状のフィルタ層２３が形成されている。図３に、赤外ウィンドウ２２及びフィルタ層２３の平面図を示す。フィルタ層２３は内径ｒ１から外径ｒ２までの領域に形成され、光軸Ｏから内径ｒ１までの領域は開口部２３ａとされている。
【００２４】
フィルタ層２３は、例えば波長６〜７μｍの中波長赤外線（ＭＷＩＲ）を反射して透過せず、例えば波長８〜１２μｍの長波長赤外線（ＬＷＩＲ）を透過する特性を有するダイクロイック・ミラーにより実現する。フィルタ層２３の開口部２３ａは例えば波長６〜７μｍの中波長赤外線（ＭＷＩＲ）及び、波長８〜１２μｍの長波長赤外線（ＬＷＩＲ）の両波長を透過する。
【００２５】
検知器容器２０内の他端には内筒２５が固定され、内筒２５の内部にはクライオクーラ（極低温冷却器）が収納されている。内筒２５の先端にはステム２６によって略円筒状のコールド・アパーチャ２７が固定されている。
【００２６】
コールド・アパーチャ２７はクライオクーラによって極低温に冷却される。コールド・アパーチャ２７の赤外ウィンドウ２２と対向する面も極低温に冷却されている。コールド・アパーチャ２７の開口部２８の半径ｒは、フィルタ層２３の内径ｒ１，ｒ２に対し、ｒ１<ｒ<ｒ２の関係とされ、フィルタ層２３の開口部２３ａの視野角はコールド・アパーチャ２７の開口部２８の視野角より小さくなる。
【００２７】
また、コールド・アパーチャ２７を固定しているステム２６上には２波長赤外線検知素子である赤外線検知素子アレイ２９が固定されている。
【００２８】
デュアルＦ値において、大きなＦ値の需要が高いのは波長の短い方の中波長赤外線（第２の赤外線）である。波長の長い方の長波長赤外線（第１の赤外線）は、同じ開口径に対し回折限界相当の分解能が出せるＦ値である回折限界Ｆ値が小さく、明るい光学系にせざるを得ない。
【００２９】
波長の短い方の中波長赤外線は、同じ開口径に対する回折限界Ｆ値が大きいので、装置に許された開口径に対して、長波長側より大きなＦ値、すなわち長焦点にして、より高い分解能を得ることが望まれることが多い。そこで、長波長赤外線については、従来通り検知器容器内のコールド・アパーチャ２７の開口部２８の半径ｒでＦ値を決める。中波長赤外線については、フィルタ層２３の内径ｒ１でＦ値を決める。内径ｒ１は中波長赤外線に所望のＦ値を与える値に設定する。
【００３０】
<第２実施形態>
図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の赤外線検知器の第２実施形態の側面図と断面図を示す。図４において図２と同一部分には同一符号を付す。図４（Ａ），（Ｂ）において、検知器容器２０は例えば円筒であり、極低温に保つために内部が真空に引かれている。検知器容器２０の外周には取付けフランジ２１が設けられている。
【００３１】
検知器容器２０の赤外線入射側の一端には円板状の赤外ウィンドウ２２が設けられている。検知器容器２０内の他端には内筒２５が固定され、内筒２５の内部にはクライオクーラ（極低温冷却器）が収納されている。内筒２５の先端にはステム２６によって略円筒状のコールド・アパーチャ２７が固定されている。
【００３２】
コールド・アパーチャ２７内はクライオクーラによって極低温に冷却される。コールド・アパーチャ２７の赤外ウィンドウ２２と対向する面も極低温に冷却されている。
【００３３】
コールド・アパーチャ２７の開口部２８には、コールド・フィルタ３０が装着されている。コールド・フィルタ３０は、中波長赤外線と長波長赤外線を透過する円板の表面に円環状のフィルタ層３１を形成したものである。図５に、コールド・フィルタ３０の平面図を示す。フィルタ層３１は内径ｒ３（<ｒ１）から外径ｒ４（<ｒ２）までの領域に形成され、光軸Ｏから内径ｒ１までの領域は開口部３１ａとされている。
【００３４】
フィルタ層３１は、例えば波長６〜７μｍの中波長赤外線（ＭＷＩＲ）を反射して透過せず、例えば波長８〜１２μｍの長波長赤外線（ＬＷＩＲ）を透過する特性を有するダイクロイック・ミラーにより実現する。なお、フィルタ層３１は、中波長赤外線（ＭＷＩＲ）を反射する代りに、吸収する材料を用いても良い。
【００３５】
なお、コールド・アパーチャ２７の開口部２８の半径ｒは、フィルタ層３１の内径ｒ３，ｒ４に対し、ｒ３<ｒ<ｒ４の関係とされ、フィルタ層３１の開口部３１ａの視野角はコールド・アパーチャ２７の開口部２８の視野角より小さくなる。
【００３６】
また、コールド・アパーチャ２７を固定しているステム２６上には２波長赤外線検知素子である赤外線検知素子アレイ２９が固定されている。
【００３７】
この実施形態においても、長波長赤外線については、従来通り検知器容器内のコールド・アパーチャ２７の開口部２８の半径ｒでＦ値を決める。中波長赤外線については、フィルタ層３１の内径ｒ１でＦ値を決める。内径ｒ１は中波長赤外線に所望のＦ値を与える値に設定する。
【００３８】
なお、コールド・フィルタ３０については、従来も赤外線検知装置としての検知波長域を、検知器自体が持っている検知波長域より絞り込みたい場合などに使われており、実績のある技術である。
【００３９】
<赤外線撮像装置>
図６は、本発明の赤外線検知器を適用した赤外線撮像装置の一実施形態のブロック図を示す。同図中、赤外線撮像装置は、センサ部５０と画像処理部６０より大略構成されている。
【００４０】
センサ部５０内の赤外光学系５１は、ズーム機構又は視野切換機構，感度補正機構，基準板等を含んでおり、これらは光学制御部５２により制御される。赤外光学系５１を通った赤外線は赤外線検知器５３に入射する。赤外線検知器５３は図２又は図４に示すものであり、冷却器（クライオクーラ）５４で冷却されている。
【００４１】
赤外線検知器５３内の赤外線検知素子アレイ２９は２次元アレイ構造の赤外線センサであり、この赤外線検知素子２９が出力する中波長赤外線（ＭＷＩＲ）及び長波長赤外線（ＬＷＩＲ）の画像信号は、駆動信号生成回路やバッファアンプを含む周辺回路５５を経てＡ／Ｄ変換器５６に供給され、ここでデジタル化されて画像処理部６０に供給される。
【００４２】
なお、センサ部５０内の視軸指向機構５７は、画像処理部６０内の視軸指向機構制御部６５から制御信号を供給されて視軸の指向を制御されている。
【００４３】
画像処理部６０において、中波長赤外線及び長波長赤外線のデジタル画像信号は感度補正／欠陥置換部６１及び感度補正パラメータ部６２に供給される。感度補正パラメータ部６２は予め記憶されている赤外線検知素子アレイ２９の各検知素子の感度補正パラメータを読み出して感度補正／欠陥置換部６１に供給し、感度補正／欠陥置換部６１において感度補正及び欠陥置換が行われる。
【００４４】
画像信号処理部６３は補正された中波長赤外線及び長波長赤外線のデジタル画像信号の画像信号処理を行って出力する。ここでは長波長赤外線のデジタル画像信号を用いた目標捜索、中波長赤外線のデジタル画像信号を用いた目標識別を行い、得られた目標情報も出力される。
【００４５】
システム制御処理部６４は、外部の上位装置から画像制御指令及び指向制御指令を供給され、また、画像信号処理部６３から目標情報を供給されており、画像制御指令に応じてセンサ部５０内の光学制御部５２の制御を行う。また、指向制御指令に応じて視軸指向機構制御部６５を制御し制御回路６６を介してセンサ部５０内の視軸指向機構５７を制御する。視軸指向機構５７は搭載プラットフォーム７０を基準として視軸を上下左右に回動させる。
【００４６】
このように、上記実施形態によれば、検知器内部の真空環境維持に影響を与えることなく、赤外線検知器の外部に余計なスペースを必要とすることなく、長波長赤外線に対してＦ値が小さく明るくなり、中波長赤外線に対してＦ値が大きく暗くなるデュアルＦ値の光学構成を実現することができる。
【００４７】
これによって、同じ装置開口径に対して、図７に示すように、中波長赤外線は一点鎖線Ｉａで示すように長焦点の望遠画像Ｉｂを、長波長赤外線は一点鎖線IIａで示すように短焦点の広角画像IIｂを同時に取得できるように構成することができる。波長特性上も中波長赤外線の方が分解能を高くでき、長波長赤外線の方が広域捜索に適しているケースが多いので、長波長赤外線によって得た広角画像IIｂで捜索・探知した目標を、同じ距離で接近することなく、より高分解能の中波長赤外線によって得た望遠画像Ｉｂで識別することができる。
【００４８】
なお、図１に示す単波長赤外線検知器を用いた従来装置では、中波長赤外線は短焦点の広角探知において感度が低く距離も伸びず、長波長赤外線は回折限界のためにそれ程長焦点にできず識別距離が伸びない。
【００４９】
また、本実施形態では、広域捜索画面と識別画面が同時に表示されるので、注視目標とその周囲の別の目標候補との相対位置関係の変化を見逃すことも無く、的確に次の目標候補を識別するために視軸を指向させることができる。
【００５０】
また、極低温に冷却されているコールド・アパーチャ２７の開口部２８に装着されるコールド・フィルタ３０に長波長赤外線透過面を形成する手法を採ることにより、フィルタ層３１は、中波長赤外線を反射する材料と吸収する材料のいずれでも利用できる。
【００５１】
なお、上記実施形態では、フィルタ手段の一例として赤外ウィンドウ２２に設けたフィルタ層２３とコールド・アパーチャ２７に装着するコールド・フィルタ３０に設けたフィルタ層３１を用いたものを示している。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来の赤外線検知器の一例の側面図と断面図である。
【図２】本発明の赤外線検知器の第１実施形態の側面図と断面図である。
【図３】赤外ウィンドウ及びフィルタ層の平面図である。
【図４】本発明の赤外線検知器の第２実施形態の側面図と断面図である。
【図５】コールド・フィルタの平面図である。
【図６】本発明の赤外線検知器を適用した赤外線撮像装置の一実施形態のブロック図である。
【図７】中波長赤外線による望遠画像と長波長赤外線による広角画像の同時取得を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５３】
２０  検知器容器
２１  取付けフランジ
２２  赤外ウィンドウ
２３，３１  フィルタ層
２５  内筒
２６  ステム
２７  コールド・アパーチャ
２８  コールド・アパーチャの開口部
２９  赤外線検知素子アレイ
３０  コールド・フィルタ
５０  センサ部
５１  赤外光学系
５２  光学制御部
５３  赤外線検知器
５４  冷却器
５５  周辺回路
５６  Ａ／Ｄ変換器
５７  視軸指向機構
６０  画像処理部
６１  感度補正／欠陥置換部
６２  感度補正パラメータ部
６３  画像信号処理部
６４  システム制御処理部
６５  視軸指向機構制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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