JP2006527866A - 回折光学系のみを使用して画像を形成する方法および装置 - Google Patents

Abstract

方法は、光学的屈折力を有する構造を備えず、光学的回折特性を有するレンズを備えるように画像化レンズセクションを構成し、情景からの放射線をこの画像化レンズセクションを通過させるステップを含んでおり、この画像化レンズセクションは放射線に画像平面において画像を形成させる。装置は、情景からの放射線に応答してこの放射線に画像平面において画像を形成させる画像化レンズセクションを備えており、この画像化レンズセクションは光学的屈折力を有する構造を備えず、光学的回折特性を有するレンズを備えている。

Description

本発明は、一般に、光学系に関し、とくに、入射した放射線に応答して画像を形成する光学系に関する。

入射した放射線に応答して画像を形成することのできる種々の光学系が存在する。これらの光学系のいくつかは、とくに、赤外線を画像化するように構成される。近年、赤外線を画像化する光学系の費用は減少してきている。しかしながら、現在の赤外線画像化光学構造体の費用は依然として非常に高価であるため、競争価格の圧力の強い自動車工業のような大量生産の廉価なマーケットにおいてこれらの構造体を広く使用することは行われていない。

近年赤外線画像化レンズ構造体の費用を減少するために使用されている技術のいくつかには、費用を要する屈折レンズを除去するためにいくつかの（しかし、全てではない）屈折レンズを回折レンズにより置換することが含まれている。さらに、適切な赤外ガラスの使用のようないくつかの素子に対する適切な材料の選択は、塑造または鋳造のようないくつかの大量生産プロセスを使用してレンズを形成することを可能にし、それによって製造費用が減少されている。その結果、赤外線画像化レンズ構造体は屈折光学系と回折光学系とを組合せたものを備えている。このタイプのシステムは一般にそれらの意図された目的に対して適合したものであるが、それらは全ての点において満足できるものではない。

上記の説明から、放射線を画像化することが可能であり、低コストな大量生産が容易である方法および装置が必要とされていることを認識することができる。

本発明の１つの形態は、情景からの放射線に応答してこの放射線に画像平面において画像を形成させる画像化レンズセクションを備えており、この画像化レンズセクションは光学的屈折力を有する構造を備えておらず、光学的回折特性を有するレンズを備えている装置に関する。

本発明の別の形態は、光学的屈折力を有する構造を備えておらず、光学的回折特性を有するレンズを備えるように画像化レンズセクションを構成し、情景からの放射線がこの画像化レンズセクションを通過するようにするステップを含んでおり、この画像化レンズセクションはこの放射線に画像平面において画像を形成させる方法に関する。

本発明は、以下の詳細な説明および添付図面からさらによく認識されるであろう。
図１は、本発明の特徴を使用するレンズ構造体10の概略図である。以下に説明するように、レンズ構造体10は放射線を屈折させることのできる構造を何等備えておらず、その代りに回折構造だけを使用して放射線の画像化を行う。

レンズ構造体10は、符号12により概略的に示されている情景により放射された赤外線を受取り、この放射線に影響を与えて画像14を画像平面に形成させる。開示されている実施形態は、８乃至１４ミクロンの範囲の波長を有する遠赤外線の画像化を行うように構成されている。しかしながら、本発明はこの特定の波長帯域に制限されず、その代りに、ほぼ３乃至５ミクロンの波長帯域の波長を有する近赤外線、または可視放射線を含む光スペクトルの別の部分における狭帯域放射線の画像化を行うために使用されることが可能であるが、それに限定されない。

レンズ構造体10は、レンズ素子16および17の形態の２個のレンズを備えている。開示されている実施形態において、レンズ素子16および17はそれぞれシリコンから形成されている。しかしながら、それらはその代りに、赤外線ポリマーまたは赤外線ポリマーとシリコンの組合せを含む任意の他の適切な材料から形成されることができるが、それに限定されない。上述したように、開示されている実施形態は、遠赤外線波長帯域内の放射線の画像化を行うように構成されているが、しかし別の波長帯域内での使用に適応可能である。各レンズ素子に対して使用される特定の材料は、その素子が使用されている特定の波長帯域に依存することが認識されるであろう。

情景12に最も近い各レンズ素子16または17の側面はここでは、その第１の表面または前面と呼ばれており、また、各レンズ素子16または17の反対側はここでは、その第２の表面または後面と呼ばれている。レンズ素子16はその後面に回折表面21を備えており、レンズ素子17はその後面に回折表面22を備えている。

上述したように、開示されている実施形態におけるレンズ素子16および17は、シリコンから形成されている。各レンズ素子16または17の後面上の回折表面21または22は、レンズ素子の材料をエッチングするか、あるいはその代りに、レンズ素子の材料をエンボス加工処理することにより形成されている。回折表面21および22を形成するのに適したエッチングおよびエンボス加工技術は技術的に知られており、したがってここでは詳細には説明しない。エッチングおよびエンボス加工技術の使用による回折表面の形成は、レンズ素子16および17がそれぞれ、低コストで大量生産により正確に効率的に製造されることを可能にする。

レンズ素子16の前面には、ダイヤモンド状のカーボン（ＤＬＣ）コーティング41が設けられている。適切なＤＬＣコーティング材料は技術的によく知られている。開示されている実施形態においては、ＤＬＣコーティング41は技術的に知られているタイプの多層コーティングであり、したがってここでは詳細には説明しない。ＤＬＣコーティング41は、レンズ素子16を外部環境によるひっかき傷その他の損傷から保護する硬質コーティングである。コーティング41をレンズ素子16上に設けることにより、レンズ構造体10は、情景12とレンズ素子16との間に配置された別体の保護的な非画像化ウインドウ素子を有する必要がなくなり、それによってレンズ構造体10全体の費用が減少する。

レンズ素子17の前面上には、バンドパスフィルタコーティング43が設けられる。このバンドパスフィルタコーティング43は関心を払われている特定の波長帯域内の放射線以外の放射線を除去する狭帯域通過フィルタとして機能し、開示されている実施形態において特定の波長帯域内の放射線は８乃至１４ミクロンである。バンドパスフィルタコーティング43は実際には多くの個別の層を含んでいるが、しかしこのフィルタコーティング43の構造は技術的に知られているので、それらは別々に示されていない。

回折表面であるレンズ素子16および17のそれぞれの後面21および22上には、既知のタイプの反射防止（ＡＲ）コーティング46および47が設けられている。このＡＲコーティング46および47は、これらの表面が被覆されないままにされた場合に望ましくない反射の結果生じるエネルギ損失を減少させるのを助ける。とくに、ＡＲコーティングはフレネル反射損失を低下させ、レンズ素子16および17の透過率を上昇させる。開示されている実施形態において、ＡＲコーティング46および47はそれぞれ、既知のタイプの単一層コーティングであるが、しかしその代りに、多層ＡＲコーティングを使用することができる。

レンズ構造体10のいくつかの特定の特性を表１に示す。表１においては、長さディメンションとはＤＬＣコーティング41から画像14までの距離のことである。動作の波長範囲内の動作のフラクショナル帯域幅は以下の公式によって規定される：
（λ１−λ２）／（（λ１＋λ２）／２）
たとえば、動作の波長範囲が８ミクロン乃至１４ミクロンである場合、この公式中のλ１が１４ミクロンであり、λ２が８ミクロンである。
表 １
特 性
視野 ２５度
実効焦点距離 ２３ｍｍ
Ｆ／数 Ｆ／１
素子の総数 ２
平坦な表面 ４
回折表面 ２
非球面 ０
基板材料 シリコン
長さ １．７５インチ
フラクショナル帯域幅 ０．２ミクロン
動作波長範囲 ８乃至１４ミクロン

表２にはレンズ素子16および17のいくつかの基本的なパラメータが示されており、ここでＲ１はレンズに到達した放射線により照射される第１の面または前面をさし、Ｒ２は放射線により照射される第２の面または後面を意味する。

表３には、開示されている実施形態のレンズ素子16および17に対する正確なレンズパラメータが示されており、これには半径、中心の厚さ、エアギャップ、非球面係数および回折表面パラメータが含まれている。表３中の情報は、カリフォルニア州パサデナのオプティカルリサーチアソシエイツ社から登録商標名ＣｏｄｅＶとして販売されているプログラムのような光学設計ソフトウェアプログラムに対する入力として適切なフォーマットで示されている。

図１の実施形態において、レンズ16の回折表面46の主要な目的は、その一例が球面収差である瞳孔収差の補正である。レンズ17上の回折表面47について、その主要な機能は、赤外線エネルギが画像14を画像平面に形成するようにこのエネルギの焦点を結ばせることであり、補助的な機能はフィールド収差の補正である。しかしながら、その代り、回折構造がもっと多くの、あるいはもっと少ない機能を集合的に行い、それら機能が１以上の回折表面の間で異なって割当てられることが可能である。図１の構成は、特定の波長に対する非常に高い変調伝達関数（ＭＴＦ）と共に高度に補正された良好な品質の画像を提供し、ここでＭＴＦは、フラクショナル帯域幅が増加するにしたがって減少する。

これに関して、図２は、図１のレンズ構造体に対する公称的な変調伝達関数（ＭＴＦ）をフラクショナル帯域幅の関数として示すグラフである。一般に、たとえば、バンドパスフィルタコーティング43の帯域幅により決定されるレンズ構造体10により画像化される放射線の帯域幅が広くなると、それだけ一層ＭＴＦは低くなり、これはレンズ構造体のコントラストの尺度である。

上述したように、開示されている実施形態のレンズ素子16および17はシリコンから形成されているが、しかしその代わりに、技術的に知られているタイプの赤外線用のポリマーから形成されることができる。ポリマーレンズ素子は、上述したタイプのＡＲコーティングを有することが可能である。しかしながら、ポリマーレンズ素子は、ＡＲコーティングなしでさえ比較的低い反射率および比較的高い透過率を有しており、したがってＡＲコーティングは随意に省略されることが可能である。ポリマーレンズ素子は随意に比較的薄く、たとえば、ほぼ０．００２インチ程度に形成されることができる。その場合、レンズ素子を保護するために情景とレンス素子との間に非画像化ウインドウを設けることができる。このウインドウは、たとえば、シリコンまたはゲルマニウムであり、その前面または外面上にＤＬＣコーティングを有し、その後面または内面上にＡＲコーティングを有することができる。さらに別のウインドウは、レンズ素子の反対側に、たとえば、画像平面の領域中に設けられることが可能であり、それはバンドパスフィルタコーティングを有することができる。その代り、ＡＲコーティングは省略されることが可能であり、バンドパスフィルタコーティングが外側ウインドウの後面または内面上に設けられることができる。

本発明は多くの利点を提供する。このような利点の１つは、レンズ材料、スペクトル帯域、回折表面および性能要求を注意深く選択し、組合せることによって、倍率を有する屈折光学表面を使用せずに回折光学素子だけを使用して画像を生成することのできる画像化レンズ構造体が提供されることである。関連した利点としては、ほぼ平坦である回折表面だけを使用することにより、回折表面はエッチングまたはエンボス加工のような伝統的な低コストの大量生産プロセスを使用して製造されることが可能になる。その結果、画像化レンズ構造体は非常に低いコストで製造されることができる。実際に、非常に廉価な材料およびプロセスを使用することにより、製造コストを既存のレンズ系に関して１０倍以上減少させながら、適切な性能が達成できる。

本発明は、赤外線放射を画像化するために使用されることを意図された画像化レンズ構造体を構成するために使用されるときに有効である。その結果、本発明を使用した画像化レンズ構造体は、競争価格の圧力のために大量生産および低コストが重要である市場において非常に有効なものとなることができ、このような市場の一例は、車両における夜間使用を意図された赤外線画像化システムである。本発明はまた、妥当なレベルの性能が比較的低いコストで要求される監視用を含む別の軍用または民間使用に対して有効である。

１つの実施形態を図示し、詳細に説明してきたが、添付された特許請求の範囲によって規定される本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の置換および変更が可能であることが認識されるであろう。

回折光学系だけを使用して赤外線放射を画像化し、本発明の特徴を使用するレンズ構造体の概略図。 図１のレンズ構造体に対する公称的な変調伝達関数をフラクショナル帯域幅の関数として示すグラフ。

Claims (29)

1. 情景からの放射線に応答して前記放射線により画像平面において画像を形成させる画像化レンズセクションを備えており、前記画像化レンズセクションは光学的屈折力を有する構造を備えず、光学的回折特性を有するレンズを備えている装置。
2. 前記画像化レンズセクションは、比較的狭い波長帯域内の放射線を使用して前記画像を形成するように構成されている請求項１記載の装置。
3. 前記画像化レンズセクションは、赤外線を使用して前記画像を形成するように構成されている請求項１記載の装置。
4. 前記画像化レンズセクションは、光学的回折特性を有する別のレンズを備えている請求項１記載の装置。
5. 前記各レンズはそれぞれ、その一側に回折表面を備えている請求項４記載の装置。
6. 前記回折表面の少なくとも１つは、エッチングされた表面およびエンボス加工された表面の一つである請求項５記載の装置。
7. 前記回折表面はそれぞれ、エッチングされた表面およびエンボス加工された表面の一つである請求項５記載の装置。
8. 前記レンズの１つのものの前記回折特性は瞳孔収差の補正を行い、前記レンズの別のものの前記回折特性は前記放射線に焦点を結ばせ、フィールド収差の補正を行う請求項４記載の装置。
9. 前記レンズはそれぞれ、ほぼ３乃至５ミクロンの範囲の波長を有する赤外線に透過性の材料から形成されている請求項４記載の装置。
10. 前記レンズはそれぞれ、ほぼ８乃至１４ミクロンの範囲の波長を有する赤外線に透過性の材料から形成されている請求項４記載の装置。
11. 前記レンズの少なくとも１つは、シリコンから形成されている請求項４記載の装置。
12. 前記レンズの少なくとも１つは、赤外線ポリマーから形成されている請求項４記載の装置。
13. 前記レンズの少なくとも１つは、シリコンと赤外線ポリマーとの組合せから形成されている請求項４記載の装置。
14. 前記レンズは、少なくとも１つのその側面上に前記放射線のバンドパス濾波を行うコーティングを有している請求項１記載の装置。
15. 前記画像平面の領域に配置された冷却されていない赤外線検出器を備えている請求項１記載の装置。
16. 光学的屈折力を有する構造を備えず、光学的回折特性を有するレンズを備えるように画像化レンズセクションを構成し、
    情景からの放射線を前記画像化レンズセクションを通過させるステップを含んでおり、前記画像化レンズセクションは前記放射線に画像平面において画像を形成させている方法。
17. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、比較的狭い波長帯域内の放射線を使用して前記画像化を行うように前記画像化レンズセクションを構成するステップを含んでいる請求項１６記載の方法。
18. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、赤外線を使用して画像の形成を行うように前記画像化レンズセクションを構成するステップを含んでいる請求項１６記載の方法。
19. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、光学的回折特性を有する別のレンズを備えるように前記画像化レンズセクションを構成するステップを含んでいる請求項１６記載の方法。
20. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、回折表面をその一側上に有するように前記レンズのそれぞれを構成するステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
21. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、エッチング処理およびエンボス加工処理の一方を行うことにより前記回折表面の少なくとも１つを形成するステップを含んでいる請求項２０記載の方法。
22. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、エッチング処理およびエンボス加工処理の一方を行うことにより前記各回折表面を形成するステップを含んでいる請求項２０記載の方法。
23. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、瞳孔収差の補正を行うように前記レンズの１つの前記回折特性を選択し、また、前記放射線の焦点を結ばせ、フィールド収差の補正を行うように前記レンズの別のものの前記回折特性を選択するステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
24. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、ほぼ３乃至５ミクロンの範囲の波長を有する赤外線に対して透過性である材料から前記レンズのそれぞれを形成するステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
25. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、ほぼ８乃至１４ミクロンの範囲の波長を有する赤外線に対して透過性である材料から前記レンズのそれぞれを形成するステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
26. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、前記レンズの少なくとも1つをシリコンから形成するステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
27. 前記画像化レンズセクションを構成する前記ステップは、前記レンズの少なくとも1つを赤外線ポリマーから形成するステップを含んでいる請求項１９記載の方法。
28. 前記画像化レンズ構造体を構成する前記ステップは、前記レンズの少なくとも1つの側面に前記放射線のバンドパス濾波を行う材料によるコーティングを有するステップを含んでいる請求項１６記載の方法。
29. 前記画像平面の領域に配置された冷却されていない赤外線検出器を使用することにより前記画像を検出するステップを含んでいる請求項１６記載の方法。

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