JP2001512586A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学装置は一対の視野のうちの選択された一つの視野を有する。光学装置は、第１の反射鏡と、第２の反射鏡と、屈折式光学装置と、駆動装置とを備えている。駆動装置は第２の反射鏡を第１の反射鏡と光学的に整合した第１の領域に向けて、前記光学装置に前記一対の視野の内の一つの視野を与え、そして、前記第２の反射鏡を前記第１の反射鏡と光学的に整合していない第２の領域に向け直しかつ前記屈折式光学装置を前記第１の領域に向けることにより、前記屈折式光学装置に前記一対の視野の内の第２の視野を与えるようにする。光学装置は検出器と、前記第１の領域及び検出器の間に配設された第２の屈折式光学装置とを備えている。検出器は検出要素のアレイを備えている。プロセッサーが設けられていて、エネルギーが前記第１の屈折式光学装置により指向されるのではなく第２の反射鏡により指向されるとき、小さい領域を有する複数の検出要素により形成された画素からのエネルギーを処理する。前記第２の反射鏡と前記屈折式光学装置とが共通の支持部に装着され、駆動装置が前記支持部を回転させて前記第２の反射鏡と前記屈折式光学装置とを一定方向に向けかつ他の方向に向け直す。

Description

【発明の詳細な説明】 光学装置 発明の背景 本発明は、米国陸軍省により認定された契約番号ＤＡＡＨ０１−９４−Ｃ−Ｒ １６６に基づいて米国政府の支持によりなされたものである。米国政府はこの発 明についての一定の権利を有する。 本発明は光学装置に関し、特定すれば、比較的小さい収容容積（例えば、１６ ３９立方センチ（１００立方インチ）程度の容積）内に設けられていて、比較的 広い視野又は比較的狭い視野を与えるようにされた光学装置に関する。 従来技術において公知のように、光学装置はカメラからミサイルの目標検知追 尾装置まで広範囲の用途に使用されている。この光学装置は、目標からの赤外線 エネルギーを検知器に集光させるため、赤外線検知器の如き検知器の前方に配置 されている。幾つかの装置では、光学装置はミサイルの飛行の異なったフェーズ において異なった視野を有することが要求される。更に、ミサイル内に設けられ た空間が比較的小さいため、収納上の制約により多くの光学装置の達成できる解 像度及び視野が制限される。大きな視野と高い解像度を結合するには大きな口径 と大きな焦点距離とが要求され、このことは小さい収納上の制限と矛盾する。 例えば、一つの用途において、４対１の視野の変化が要求される。図１を参照 すると、検出器１２にエネルギーを向けるための従来型の高解像度の屈折式光学 装置１０（ここではプロセッサー１３により処理するための検出器要素の焦平面 アレイ）が示されている。この場合、図１に示された光学装置１０の焦点距離は ２００ｍｍである。図１に示された屈折式光学装置１０は間の領域１３に２組の 屈折レンズ１４ａ，１４ｂを有する。 次に図２を参照すると、レンズの組１４ｂをレンズの組１４ａに近づけること により短縮化された装置１０が示されている。この場合、焦点距離は５０ｍｍで ありかつ大きい視野の光学的装置１０’が設けられている。最初に、この装置１ ０’は光学装置１０（図１）の解像度より低い解像度を有することに留意するべ きである。また、光学装置１０’(図２)の領域１３’において、光線の角度は鋭 くかつ焦点距離が４対１で減少していることにより領域１３（図１）における より大きい幅であることにも留意するべきである。更に、赤外線画像装置に独特 の付加的な制約は、本質的でない背景放射を減少させそれにより目標検知追尾の 感度を改善するため、冷却ジュアー（ｄｅｗａｒ）容積室内に光学的アパーチャ ストップ（ａｐｅｒｔｕｒｅ ｓｔｏｐ）を配置することである。この制約を考 慮すると、極めて大きい光学的アパーチャの必要性を回避するため、画像再形成 する光学的形態を利用することが極めて望ましい。 図３を参照すると、従来型の高解像度を有する反射屈折式光学装置１０”が示 されている。装置１０”は第１の反射鏡２０と第２の反射鏡２２とを有するカセ グレン式光学機器を備えている。光学装置１０”は屈折式光学装置２４と検出器 １２とを備えており、この検出器は検出要素の焦平面アレイ（ｆｏｃａｌ ｐｌ ａｎｅ ａｒｒａｙ）である。第１の反射鏡２０、第２の反射鏡２２及び屈折式 光学装置２４は検出器１２にエネルギーを配向するように配置されている。この ように、装置１０”は図１に示された光学装置１０の焦点距離の半分の圧縮され た機械的距離を有する高解像度の反射屈折式光学装置である。次に図４を参照す ると、屈折式光学装置２４に接近して後方に移動される第２の反射鏡２２を有す る光学装置１０”（図３）が示されている。複合式の光学装置１０"’は理論的 には５０ｍｍの焦点距離を有しかつ光学装置１０”（図３）の焦点距離と比較し て１／４の長さである。しかしながら、光線の障害が増加し、それにより反射鏡 間の局所的なｆナンバー（ｆ＃）が減少して実用的でない構成となる。 要約すると、光学装置の焦点距離より小さい収容長さが要求される装置におい て、屈折式高解像度光学装置（図１）は実用的ではないが、反射屈折式装置（図 ３）は有用である。１／４の焦点距離が要求される場合は、反射屈折式装置の屈 折式光学装置の部分を第２の反射鏡に向けて動かすことは非実用的な構成(図４) となる。それは、入射光の障害が大きく増加しかつ第１の反射鏡の要求される直 径が極めて大きくなるからである。更に、複合式光学装置（図４）は有効なｆナ ンバーに大きな変化を及ぼすであろう。それは、増加した障害により検出器で遮 断される（即ち、検出器に衝突する）エネルギー量が大きく変化するからである 。 発明の概要 本発明によれば、光学装置は一対の視野の内で選択された一つの視野を有する ようにされている。この光学装置は第１の反射鏡、第２の反射鏡、屈折式光学装 置及び駆動機構を備えている。この駆動機構は、第２の反射鏡を第１の反射鏡に 光学的に整合した第１の領域に向けて、光学装置に一対の視野の内の一つの視野 を与え、また、第２の反射鏡を第１の反射鏡に光学的に整合していない第２の領 域に向け直し、前記第１の領域に屈折式光学装置を向けて、屈折式光学装置に前 記一対の視野の内のもう一つの視野を与えるものである。 本発明の他の特徴において、光学装置は検出器と、第１の領域及び検出器の間 に配設された第２の屈折式光学装置とを備えている。 本発明の更に別の特徴において、検出器は検出要素のアレイを備えている。プ ロセッサが、第２の反射鏡か又は第１の屈折式光学装置を介して複数の検出要素 の上に指向されたエネルギーを処理するように設けられている。エネルギーが第 １の屈折式光学装置を通してプロセッサーに指向された時ではなく、エネルギー が第２の反射鏡を通して指向された時に、プロセッサは、より小さい面積を有す る複数の検出要素により形成された画素からのエネルギーを処理する。 本発明の好ましい実施形態において、第２の反射鏡及び第１の屈折式光学装置 は共通の支持部に装着され、かつモータが第１の反射鏡の周りで支持部をジンバ ル式に支持し、第２の反射鏡を方向づけし更にそれを他の方向に向け直す。 図面の簡単な説明 本発明の他の特徴及び発明そのものは、添付図面を参照して以下の詳細説明か ら容易に明確になるであろう。 図１は、高解像度を有する比較的狭い視野を与えるようにされた従来の屈折式 光学装置を図解的に示した図である。 図２は、低解像度を有する比較的広い視野与えるように構成された従来技術に おける、図１に示されたものと同様な、屈折式光学装置を図解的に示した図であ る。 図３は、図１の光学装置の長さの１／２の長さを有する従来技術における反射 屈折式の光学装置であって、図１の光学装置により与えられた解像度と同じく高 解像度を有し比較的狭い視野を与えるようにされた光学装置を図解的に示した図 である。 図４は、低解像度の比較的広い視野を有するようにされた、図３に示されたよ うな、従来技術による反射屈折式の光学装置を図解した図である。 図５Ａは、狭い視野を有するように構成された本発明による光学装置を簡単化 して示す正面図である。 図５Ｂは、広い視野を有するように構成された本発明による光学装置を簡単化 して示す正面図である。 図６Ａは、図５Ａの６Ａ−６Ａ線に沿って切り取った、図５Ａの光学装置の簡 単化された側部断面図である。 図６Ｂは、図５Ｂの６Ｂ−６Ｂ線に沿って切り取った、図５Ａの光学装置の簡 単化された側部断面図である。 図７Ａは、高解像度の比較的狭い視野を有するべく、図５Ａ及び図６Ａに示す ように構成された場合の、本発明による反射屈折式光学装置を図解した図である 。 図７Ｂは、図７Ａに示すような光学装置で提供されるものと同じｆナンバーを 有する比較的広い視野を与えるべく、図５Ｂ及び図６Ｂに示すように構成された 場合の、本発明による屈折式光学装置を図解した図である。 図８Ａは、本発明による光学装置に使用される検出要素の焦平面アレイの簡単 化された平面図であって、光学装置が図７Ｂに示すように構成されて比較的広い 視野と低解像度を提供する場合に、プロセッサーに出力信号を供給するべく配置 された検出要素を図解的に示す図である。 図８Ｂは、本発明による光学装置に使用される検出要素の焦平面アレイの簡単 化された平面図であって、光学装置が図７Ａに示すように構成されて比較的狭い 視野と高解像度を提供する場合に、プロセッサーに出力信号を供給するべく配置 された検出要素を図解的に示す図である。 好ましい実施形態の説明 図５Ａ及び図６Ａを参照すると、比較的狭い視野と高解像度を提供するように 反射屈折式光学装置として構成された場合の光学装置３０が示されている。図７ Ａを参照すると、図５Ａ及び図６Ａに示されたような、反射屈折式装置として構 成された場合の、光学装置３０が図解的に示されており、これは高解像度の比較 的狭い視野を提供する。図５Ｂ及び図６Ｂを参照すると、比較的広い視野と低解 像度を提供するように屈折式光学装置として構成された場合の光学装置３０が示 されている。図７Ｂを参照すると、図５Ａ，図６Ａ及び図７Ａに示すような光学 装置で提供されるものと同じｆナンバーを有しかつ低解像度と比較的広い視野と を与えるべく屈折式装置として構成された場合の、光学装置３０が図解的に示さ れている。それ故、光学装置３０は図５Ａ，図６Ａ及び図７Ａに示すような反射 屈折式光学装置から、図５Ｂ，図６Ｂ及び図７Ｂに示すような屈折式光学装置ま で光学装置を切り換えることにより、一対の視野のうち選択された一つの視野を 有するようにされている。 より特定すると、光学装置３０は、中央部の孔３３を有する第１の反射鏡３２ と、中央部の孔３３を通過するエネルギーが供給される第２の反射鏡３４と、第 １の屈折式光学装置３６と、第２の屈折式装置３８（図６Ａ）と、検出器４０と 、プロセッサー４２と、駆動機構４４とを備えている。第２の屈折式装置３８及 び検出器は第１の反射鏡３２に対して固定されていることが注目される。より特 定すれば、第２の屈折式装置３８及び検出器は中央部の孔３３と固定状態で整合 している。従って、モータ４６は、第２の屈折式光学装置３８及び検出器４０用 の、第１の反射鏡３２を支持するハウジング３９に固定されている。駆動機構４ ４はモータ４６と、第２の反射鏡３４及び第１の屈折式装置３６に固定された支 持構造体４８とを備えていて、第２の反射鏡３４を第１の反射鏡３２に光学的に 整合した第１の領域５０の方に向ける。従って、そのように向けられた場合、カ セグレイン式に配置された反射装置が形成され、これは第２の屈折式装置３８と 共に、図５Ａ，図６Ａ、及び図７Ａに示すように、反射屈折式光学装置３０に狭 い視野を提供する。モーター４６が図６Ａに示された矢印５１で表示される方向 （即ち時計方向）に軸線４９の周りに構造体４８を回転させたとき、駆動機構４ ４は、第２の反射鏡３４を、第１の反射鏡３２との光学的整合状態から逸れた第 ２の領域５４（図５Ｂ及び図６Ｂ）に向け直し、かつ屈折式光学装置３６を第１ の領域５０に向けて、図７Ｂに図解的に示すように、第２の屈折式装置３８と共 に屈折式光学装置３０に広い視野を提供する。逆に切り換えることにより、モー タは図６Ｂに矢印５３で示された方向（即ち、反時計方向）に逆転して、第２の 反射鏡３４を、第１の反射鏡３２及び第２の屈折式光学装置に整合した状態に再 び向け る一方、第１の屈折式光学装置３６を、第２の屈折式光学装置３８と光学的整合 した状態から退去させる。 図５Ａ、図６Ａ、図５Ｂ及び図６Ｂを参照すると、第２の反射鏡３４及び第１ の屈折式光学装置３６は共通の支持部４８に装着され、支持部４８はモータ４６ により第１の反射鏡３２の周りにジンバル的に支持されている。従って、駆動機 構４４は、上述の通り、支持部４８を回転させて第２の反射鏡３４及び第１の屈 折式光学装置３６を方向づけしかつそれらをもとの状態に向けなおす。 図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、第２の屈折式光学装置３８ は第１の領域５０と検出器４０の間に配設されている。検出器４０は検出要素６ ０のアレイ（ここでは図８Ａ及び図８Ｂに示すように、検出要素６０₁、₁から６ ０₅₁₂、₅₁₂までの５１２×５１２の行列のアレイ）で配置されている。 光学装置３０はプロセッサー４２（図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂ）を備 えている。このプロセッサー４２は、反射屈折式光学装置（即ち、図５Ａ、図６ Ａ、及び図７Ａに示すように、第１の反射鏡３２、第２の反射鏡３４、及び第２ の屈折式光学装置３８）又は屈折式光学装置（即ち、図５Ｂ、図６Ｂ、及び図７ Ｂに示すように、第１及び第２の屈折式光学装置３６、３８）を介して複数の検 出要素６０₁、₁ないし６０₅₁₂、₅₁₂上に向けられたエネルギー（矢印４３で示さ れている）を処理する。反射屈折式光学装置において、図５Ａ、図６Ａ、及び図 ７Ａに示すように、エネルギー４３は第１の反射鏡３２の凹面により第２の反射 鏡３４の凸面に反射され、次に、エネルギー４３は中央部の孔３３を通って第２ の屈折式光学装置３８を通り、検出器４０に達することが注目される。屈折式光 学装置において、図５Ｂ、図６Ｂ、及び図７Ｂに示すように、エネルギー４３は 第１の光学装置３６、３８を通り、次に、第１の反射鏡３２の中央部の孔３３を 通って第２の屈折式光学装置３８を通り、検出器４０に達することが注目される 。プロセッサー４２は、上述の態様の複数の検出要素６０₁、₁ないし６０₅₁₂、_{5 12} で形成される画素６４（即ち、図８Ａの画素６４₁、₁ないし６４₅₁₂、₅₁₂及び 図８Ｂの６４₁₂₈、₁₂₈ないし６４₃₈₄、₃₈₄）からのエネルギーを処理する。エネ ルギーが反射屈折式光学装置（図５Ａ、図６Ａ、及び図７Ａ）により配向された とき、プロッセサー４２により処理される各画素６４の領域は図８Ｂに示すよう に 比較的小さい。エネルギーが屈折式光学装置（図５Ｂ、図６Ｂ、及び図７Ｂ）に より配向されたとき、プロッセサー４２により処理される各画素６４の領域は図 ８Ａに示すように比較的大きい。更に特定すれば、エネルギーが屈折式光学装置 （図５Ｂ、図６Ｂ、及び図７Ｂ）により配向されたとき、検出要素６０₁、₁及び ６０₅₁₂、₅₁₂の４個の隣接する検出要素のエネルギーは図８Ａに示すように一つ の画素を形成するように平均化される(即ち、スーパーピクセル化される)。例え ば、検出要素６０₁、₁、６０₁、₂、６０₂、₁及び６０₂、₂は画素６４₁、₁を形成 するように共に平均化される。次に、エネルギーが図５Ｂ、図６Ｂ、及び図７Ｂ に示される屈折式光学装置により配向されたとき、画素６４₁、₁ないし６４₂₅₆ 、₂₅₆の２５６×２５６のアレイはプロセッサー４２により処理される。 他方において、エネルギーが反射屈折式光学装置（図５Ａ、図６Ａ、及び図７ Ａ）により配向されたとき、プロセッサー４２で処理される各画素６４は検出要 素６０₁₂₈、₁₂₈、６０₃₈₄、₃₈₄の一つに対応する。其れゆえ、中央部に配設され た２５６×２５６の検出器要素のアレイから構成される２５６×２５６の画素６ ４₁、₁ないし６４₂₅₆、₂₅₆のアレイ（図８Ｂ）(即ち、列１２８の検出要素６０_{1 28} 、₁₂₈−６０₃₈₄、₁₂₈ないし列３８４の６０₁₂₈、₃₈₄−６０₃₈₄、₃₈₄)がプロセ ッサー４２で処理される。更に特定すれば、エネルギーが反射屈折式光学装置（ 図５Ａ、図６Ａ、及び図７Ａ）により配向されるとき、検出要素６０₁₂₈、₁₂₈− ６０₃₈₄、₃₈₄の各一つの要素のエネルギーが図８Ｂに示されているように画素６ ４₁₂₈、₁₂₈−６４₃₈₄、₃₈₄の一つの画素を提供する。 このようにして、検出要素６０₁、₁ないし６０₅₁₂、₅₁₂のアレイ及びプロセッ サー４２を有する光学装置３０は反射屈折式光学装置（図５Ａ、図６Ａ、及び図 ７Ａ）及び屈折式光学装置（図５Ｂ、図６Ｂ、及び図７Ｂ）の間を切り換えて、 各々２５６×２５６画素を使用して、視野を４対１に変化させる。 他の実施形態も添付請求の範囲の精神及び範囲に含まれる。例えば、反射屈折 式光学装置における平均化されない（即ち、スーパーピクセル化されない）２５ ６×２５６の焦平面アレイ領域から、平均化された（即ち、スーパーピクセル化 された）５１２×５１２の焦平面アレイ領域までの領域変化に関連して２対１の 比の光学的変化（即ち、２００ｍｍの反射屈折式光学装置から１００ｍｍの屈折 式光学装置までの変化）により、視野を４対１の比に変化させることについて説 明したが、その他の比率の変化を使用してもよい。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 光学装置とを一定方向に向けかつ他の方向に向け直す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 一対の視野の内の選択された一つの視野を有する光学装置であって、 第１の反射鏡と、 第２の反射鏡と、 屈折式光学装置と、 前記第２の反射鏡を前記第１の反射鏡と光学的に整合した第１の領域に向ける ことにより前記光学装置に前記一対の視野の内の一つの視野を与え、そして、前 記第２の反射鏡を前記第１の反射鏡と光学的に整合していない第２の領域に向け 直しかつ前記屈折式光学装置を前記第１の領域に向けることにより、前記屈折式 光学装置に前記一対の視野の内の第２の視野を与えるようにする駆動装置と、 を備えていることを特徴とする光学装置。 ２． 請求項１に記載の光学装置において、検出器と、前記第１の領域と前記検 出器との間に配設された第２の屈折式光学装置とを備えていることを特徴とする 光学装置。 ３． 請求項１に記載の光学装置において、検出要素のアレイを有する検出器を 備え、エネルギーが前記屈折式光学装置により指向されるのではなく第２の反射 鏡により指向されるとき、小さい領域を有する複数の検出要素により形成された 画素からのエネルギーを処理するプロセッサーを備えていることを特徴とする光 学装置。 ４． 請求項３に記載の光学装置において、前記第１の領域と前記検出器の間に 配設された第２の屈折式光学装置を備えていることを特徴とする光学装置。 ５． 請求項１に記載の光学装置において、前記第２の反射鏡と前記屈折式光学 装置とが共通の支持部に装着され、前記駆動装置が前記支持部を回転させて前記 第２の反射鏡と前記屈折式光学装置とを一定方向に向けかつ他の方向に向け直す ようにしたことを特徴とする光学装置。 ６． 請求項３に記載の光学装置において、前記第２の反射鏡及び前記屈折式光 学装置が共通の支持部に装着され、前記駆動装置が前記支持部を回転させて前記 第２の反射鏡と前記屈折式光学装置とを一定方向に向けかつ他の方向に向け直す ようにしたことを特徴とする光学装置。 ７． 一対の視野の内の選択された一つの視野を有する光学装置であって、 第１の反射鏡と、 第２の反射鏡と、 屈折式光学装置と、 検出器と、 前記第２の反射鏡を前記第１の反射鏡及び前記検出器に光学的に整合した位置 に配置して前記一対の視野の内の第１の視野を有する反射屈折式光学装置を提供 し、そして、前記第２の反射鏡を前記第１の反射鏡と整合していない位置に配置 し直しかつ前記屈折式光学装置を前記検出器に光学的に整合した位置に配置して 前記一対の視野の内の第２の視野を有する屈折式光学装置を提供するようにした 駆動装置と、 を備えていることを特徴とする光学装置。 ８． 請求項７に記載の光学装置において、前記検出器の前方に配設された第２ の屈折式光学装置を備え、 前記駆動装置が前記第２の反射鏡を前記第１の反射鏡と光学的に整合した位置 に配置して第１の視野を与えるようにしたとき、前記第２の屈折式光学装置が前 記第２の反射鏡と前記検出器の間に配設され、前記第１の反射鏡、第２の反射鏡 及び第２の屈折式光学装置が検出器用の反射屈折式光学装置を提供することを特 徴とする光学装置。 ９． 請求項８に記載の光学装置において、検出要素のアレイを有する検出器を 備え、エネルギーが前記屈折式光学装置により指向されるのではなく第２の反射 鏡により指向されるとき、小さい領域を有する複数の検出要素により形成された 画素からのエネルギーを処理するプロセッサーを備えていることを特徴とする光 学装置。 １０． 請求項９に記載の光学装置において、前記第２の反射鏡と前記屈折式光 学装置とが共通の支持部に装着され、前記駆動装置が前記支持部を回転させて前 記第２の反射鏡と前記屈折式光学装置とを一定方向に向けかつ他の方向に向け直 すようにしたことを特徴とする光学装置。