JP2008216131A - Infrared imaging/laser range finder - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、赤外線撮像装置とレーザ測距装置を有する赤外線撮像・レーザ測距装置の光学系に関するものである。 The present invention relates to an optical system of an infrared imaging / laser ranging device having an infrared imaging device and a laser ranging device.
目標探知用の撮像装置と、測距用のレーザ測距装置を有する赤外線撮像・レーザ測距装置においては、撮像用光学系と、レーザ測距用の送信光学系と受信光学系が使用される(例えば、特許文献1参照)。 In an infrared imaging / laser ranging device having an imaging device for target detection and a laser ranging device for ranging, an imaging optical system, a transmission optical system for laser ranging, and a receiving optical system are used. (For example, refer to Patent Document 1).
撮像装置の光学系と、レーザ測距装置の送信光学系と受信光学系は、必要な視野、使用される波長帯、使用する発信器、検知器等の違いから、それぞれ別の光学系で構成される場合が多い。 The optical system of the imaging device and the transmission optical system and the reception optical system of the laser distance measuring device are configured with different optical systems depending on the required field of view, wavelength band used, transmitter used, detector, etc. Often done.
撮像装置とレーザ測距装置を有する赤外線撮像・レーザ測距装置において、探知距離、測距距離を長く取るためには、撮像装置の撮像用光学系及びレーザ測距装置の受信光学系の二つの光学系に、それぞれ大口径の対物レンズを使用する必要がある。しかし、二つの対物レンズが大口径化することで、装置全体が大型化し、赤外線撮像・レーザ測距装置を搭載できる機器や使用条件に制限が生じていた。 In an infrared imaging / laser distance measuring device having an imaging device and a laser distance measuring device, in order to increase the detection distance and the distance measuring distance, the imaging optical system of the imaging device and the receiving optical system of the laser distance measuring device are It is necessary to use an objective lens having a large aperture for each optical system. However, the increase in the diameter of the two objective lenses increases the size of the entire apparatus, which limits the equipment and operating conditions on which the infrared imaging / laser ranging device can be mounted.
これに対し、撮像装置とレーザ測距装置を有する赤外線撮像・レーザ測距装置の小型化を図る手段として、撮像光学系と受信光学系の対物レンズを共用とし、その後ダイクロイックミラー等の波長分離手段において撮像用と測距用の2つの波長の光をそれぞれの光学系に導く方法がある(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, as means for reducing the size of an infrared imaging / laser ranging apparatus having an imaging apparatus and a laser distance measuring apparatus, the objective lens of the imaging optical system and the receiving optical system is shared, and then wavelength separation means such as a dichroic mirror is used. There is a method of guiding light of two wavelengths for imaging and ranging to respective optical systems (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、撮像装置に赤外線撮像器を使用し、撮像用光学系とレーザ測距用の受信光学系の対物レンズを共用化する場合、両方の波長を透過するレンズ材料を使用する必要があり、使用できるレンズ材料が限られることになる。使用できるレンズ材料が限られることで、広い範囲の波長を使用する撮像用光学系においては、複数のレンズ材料を使用することで行う色収差の補正ができなくなり、結果として、撮像光学系が集光する光のスポット径が大きくなる等の結像性能の低下が発生する。 However, when using an infrared imaging device for the imaging device and sharing the objective lens of the imaging optical system and the receiving optical system for laser distance measurement, it is necessary to use a lens material that transmits both wavelengths. The lens materials that can be produced are limited. Due to the limited use of lens materials, imaging optical systems that use a wide range of wavelengths cannot correct chromatic aberration by using multiple lens materials. As a result, the imaging optical system collects light. Degradation of imaging performance, such as an increase in the spot diameter of the generated light, occurs.
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、赤外線撮像用光学系及びレーザ測距用受信光学系の二つの光学系の対物レンズを共用化しても、収差が発生しなく、結像性能が低下することのない赤外線撮像・レーザ測距装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described points. Even if the objective lens of the two optical systems, that is, the infrared imaging optical system and the laser distance receiving optical system is shared, no aberration occurs, and the imaging performance is improved. An object of the present invention is to obtain an infrared imaging / laser distance measuring device that does not deteriorate.
この発明に係る赤外線撮像・レーザ測距装置は、赤外線撮像用光学系及びレーザ測距用受信光学系の二つの光学系の対物レンズを共用する赤外線撮像・レーザ測距装置であって、前記対物レンズとして、片面または両面に回折面を有する対物回折レンズを用いると共に、前記対物回折レンズの後方に配置され、撮像用の赤外線を反射し、測距用のレーザ光を透過するダイクロイックミラーを備えたことを特徴とする。 An infrared imaging / laser distance measuring device according to the present invention is an infrared imaging / laser ranging device sharing an objective lens of two optical systems of an infrared imaging optical system and a laser distance receiving optical system, As the lens, an objective diffractive lens having a diffractive surface on one side or both sides is used, and a dichroic mirror that is disposed behind the objective diffractive lens and reflects infrared rays for imaging and transmits laser beams for distance measurement is provided. It is characterized by that.
この発明によれば、収差が発生しなく、結像性能が低下することのない赤外線撮像・レーザ測距装置を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain an infrared imaging / laser distance measuring device in which aberration does not occur and imaging performance does not deteriorate.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る赤外線撮像・レーザ測距装置の光学系の構成を示すブロック図である。赤外線撮像・レーザ測距装置には、赤外線受光素子、レーザ受信素子で電気信号に変換出力した後の信号処理回路や、レーザ発信部の制御回路、各光学系のフォーカス調整用の駆動機構・駆動制御回路などが設けられるが、図1に示す構成では、発明の要旨とする光学系の部分のみを示して説明する。
Embodiment 1 FIG.
1 is a block diagram showing a configuration of an optical system of an infrared imaging / laser distance measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. Infrared imaging / laser distance measuring devices include infrared light receiving elements, signal processing circuits that have been converted and output to electrical signals by laser receiving elements, laser transmitter control circuits, and drive mechanisms and drives for adjusting the focus of each optical system. Although a control circuit and the like are provided, the configuration shown in FIG.
図1において、レーザ発信器1から射出されたレーザ光3は、送信光学系2を経て目標に対し射出される。レーザ光3は、目標で反射した後、対物回折レンズ5、ウェッジ付きダイクロイックミラー6、受信光学系7を透過し、レーザ受信素子8に結像する。また、目標及びその周辺から発せられた赤外線光4は、対物回折レンズ5を透過しウェッジ付きダイクロイックミラー6の表面で反射し、撮像光学系9を透過後に、赤外線受光素子10上に結像する。ここで、レーザ光3と赤外線光4の波長は、異なる波長であり、また、赤外線光4は、広い波長範囲を持つ。例として、ここでは、レーザ光3の波長を1.5μm、赤外線光4の波長を3〜5μmとする。
In FIG. 1, a
ここで、まず、対物回折レンズ5について説明する。図1において、目標から来たレーザ光3と赤外線光4は、対物回折レンズ5に共に入射する。対物回折レンズ5は、片面または両面に回折面を有するレンズである。赤外線光4は、3〜5μmの波長範囲を持つため、回折面をもたない通常の単レンズの場合、レンズ材料の波長による屈折率の違いにより短い波長ほど大きく屈折することになり、その結果、色収差が発生し結像性能が低下する。
Here, first, the
一般には、色収差を補正するために、正レンズに分散の異なる材料の負レンズを組み合わせることで色収差の補正を行う。3〜5μmの赤外線光学系の場合、正レンズにSi、負レンズにGeの組み合わせが良く用いられるが、Geは1.5μmの波長の光を透過しないため、1.5μmのレーザ光3を透過させる対物レンズの場合、SiとGeレンズの組み合わせによる色収差の補正は不可能である。
In general, in order to correct chromatic aberration, chromatic aberration is corrected by combining a positive lens with a negative lens made of a material having different dispersion. In the case of an infrared optical system of 3 to 5 μm, a combination of Si for the positive lens and Ge for the negative lens is often used. However, since Ge does not transmit light having a wavelength of 1.5 μm, it transmits
色収差を補正する手段として、本実施の形態1では、対物レンズに回折面を有する対物回折レンズを使用する。回折面を通過した光は、長い波長ほど大きく屈折されるため、レンズに回折面を設けることで、1枚のレンズでの色収差の補正が可能となり、高い結像性能を得ることができる。なお、レーザ光3については、単波長の光であるため、色収差は発生しない。
As means for correcting chromatic aberration, in the first embodiment, an objective diffractive lens having a diffractive surface is used. Since light that has passed through the diffractive surface is refracted as the wavelength increases, providing the lens with a diffractive surface makes it possible to correct chromatic aberration with a single lens and obtain high imaging performance. Since the
また、回折面、回折効率により透過する光量が波長により変化する。回折効率と透過する波長λの関係は、η=sinc2(λ0/λ−k)で表される。ここで、sincはシンク関数、ηは回折効率、λ0は回折面の光路差を示す光の波長、λは透過する光の波長、kは回折光の次数(0、1、2、・・・)である。 Further, the amount of light that is transmitted varies depending on the wavelength depending on the diffraction surface and diffraction efficiency. The relationship between the diffraction efficiency and the transmitted wavelength λ is expressed by η = sinc 2 (λ 0 / λ−k). Here, sinc is the sink function, η is the diffraction efficiency, λ 0 is the wavelength of light indicating the optical path difference of the diffraction surface, λ is the wavelength of the transmitted light, k is the order of the diffracted light (0, 1, 2,...・)
異なる波長の赤外線光4とレーザ光3を透過する際、共に高い回折効率を得るため、対物回折レンズ5は、回折面の光路差を示す光の波長λ0と回折光の次数kが、|λ0/λL−k2|≦|λmin−k1|または|λ0/λL−k2|≦|λmax−k1|を満足し、加えてλ0/λmax−k1≦0≦λmin−k1の関係を満足するように設定される。ここで、k1・k2は回折光の次数、λLはレーザ光3の波長、λminとλmaxは赤外線光4の最小の波長と最大の波長である。λLが1.5μm、λminが3.0μm、λmaxが5.0μmにおいて、λ0を3.3μm、k1を1、k2を2とした場合の対物回折レンズ5の回折効率の設計例を図2に示す。
In order to obtain high diffraction efficiency when transmitting
次に、ウェッジ付きダイクロイックミラー6について説明する。ダイクロイックミラーは、特定の波長を反射、透過させることで、波長により光の光路を分離させる光学部品である。対物回折レンズ5を通過した光は、集光する光線としてウェッジ付きダイクロイックミラー6に入射する。集光する光路に斜めに置かれた平行形状の媒質を通過した光は、非点収差が発生するため結像性能の低下が発生する。また、斜めに置かれた媒質を透過する際に発生する非点収差の量は、対物回折レンズ5に入射する光の入射角度により異なる。
Next, the dichroic mirror 6 with a wedge will be described. A dichroic mirror is an optical component that separates an optical path of light according to a wavelength by reflecting and transmitting a specific wavelength. The light that has passed through the
撮像を目的とする赤外線光4については、目標物を含むその周辺の広い視野からの光を赤外線受光素子10に結像させる必要があるが、一方、レーザ光3については、目標で反射した光のみを受光素子に導けば良く狭い視野のみレーザ受光素子8に結像させれば良い。
For
このため、広い視野の赤外線光4については、ウェッジ付きダイクロイックミラー6の表面で反射させることで、広い視野全体で非点収差の発生を防止する。狭い視野のレーザ光3については、ダイクロイックミラーを平行平板ではなく、ウェッジをつけることでダイクロイックミラーを通過する際、入射面で発生する非点収差を射出面で発生する非点収差で打ち消すことで補正し結像性能を維持する。
Therefore, the
ウェッジは、レーザ光3が入射される表面の法線とレーザ光の主光線を含む面に垂直な軸周りに傾け、主光線11に対するウェッジ付きダイクロイックミラー6の入射面の角度12をθi、射出面の角度13をθoとすると、θi>θoの関係が成り立ち、その角度は、ウェッジ付きダイクロイックミラー6の材質、厚さ、入射する光線の角度、対物回折レンズ5との距離から収差が補正されるよう最適化される。
The wedge is tilted about an axis perpendicular to the surface normal to the surface on which the
従って、実施の形態1によれば、赤外線撮像用光学系及びレーザ測距用受信光学系の二つの光学系の対物レンズを共用する赤外線撮像・レーザ測距装置において、対物レンズとして、片面または両面に回折面を有する対物回折レンズを用いると共に、対物回折レンズの後方に配置され、撮像用の赤外線を反射し、測距用のレーザ光を透過するダイクロイックミラーを備えたので、収差が発生しなく、結像性能が低下することのない赤外線撮像・レーザ測距装置を得ることができる。 Therefore, according to the first embodiment, in the infrared imaging / laser distance measuring apparatus that shares the objective lenses of the two optical systems, that is, the infrared imaging optical system and the laser ranging reception optical system, one or both surfaces are used as the objective lens. In addition, an objective diffractive lens having a diffractive surface is used, and a dichroic mirror that is disposed behind the objective diffractive lens, reflects infrared rays for imaging, and transmits laser light for distance measurement, so that no aberration occurs. Thus, it is possible to obtain an infrared imaging / laser ranging device in which the imaging performance does not deteriorate.
1 レーザ発信器、2 送信光学系、3 レーザ光、4 赤外線光、5 対物回折レンズ、6 ウェッジ付きダイクロイックミラー、7 受信光学系、8 レーザ受信素子、9 撮像光学系、10 赤外線受光素子、11 主光線、12 主光線に対するダイクロイックミラーの入射面の角度θi、13 主光線に対するダイクロイックミラーの射出面の角度θo。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser transmitter, 2 Transmission optical system, 3 Laser light, 4 Infrared light, 5 Objective diffraction lens, 6 Dichroic mirror with a wedge, 7 Reception optical system, 8 Laser receiving element, 9 Imaging optical system, 10 Infrared light receiving element, 11 Chief ray, 12 angle 慮i of incident surface of dichroic mirror with respect to chief ray, 13 angle 慮o of exit surface of dichroic mirror with respect to chief ray.
Claims (3)
前記対物レンズとして、片面または両面に回折面を有する対物回折レンズを用いると共に、
前記対物回折レンズの後方に配置され、撮像用の赤外線を反射し、測距用のレーザ光を透過するダイクロイックミラーを備えた
ことを特徴とする赤外線撮像・レーザ測距装置。 An infrared imaging / laser distance measuring apparatus that shares the objective lens of two optical systems, an infrared imaging optical system and a laser ranging reception optical system,
As the objective lens, while using an objective diffractive lens having a diffractive surface on one side or both sides,
An infrared imaging / laser ranging apparatus, comprising a dichroic mirror disposed behind the objective diffractive lens and reflecting infrared rays for imaging and transmitting laser beams for ranging.
前記対物回折レンズは、回折の光路差を示す波長λ0と回折の次数k1、k2が、
|λ0/λL−k2|≦|λmin−k1|または
|λ0/λL−k2|≦|λmax−k1|を満たし、かつ
λ0/λmax−k1≦0≦λmin−k1
ここで、λ0は回折の光路差を示す波長
λLはレーザ光の波長
λminは赤外線光の最小の波長
λmaxは赤外線光の最大の波長
k1、k2は回折の次数
の関係を満足するように設定される
ことを特徴とする赤外線撮像・レーザ測距装置。 In the infrared imaging / laser ranging device according to claim 1,
The objective diffractive lens has a wavelength λ 0 indicating diffraction optical path difference and diffraction orders k 1 and k 2 .
| Λ 0 / λ L −k 2 | ≦ | λ min −k 1 | or | λ 0 / λ L −k 2 | ≦ | λ max −k1 | and λ 0 / λ max −k 1 ≦ 0 ≦ λ min −k 1
Where λ 0 is the wavelength indicating the optical path difference of diffraction
λ L is the wavelength of the laser beam
λ min is the minimum wavelength of infrared light
λ max is the maximum wavelength of infrared light
Infrared imaging / laser ranging apparatus characterized in that k 1 and k 2 are set so as to satisfy the relationship of diffraction orders.
前記ダイクロイックミラーは、レーザ光が入射される表面の法線とレーザ光の主光線を含む面に垂直な軸周りに傾け、主光線と入射面のなす角に対し主光線と射出面のなす角を小としたウェッジ形状とする
ことを特徴とする赤外線撮像・レーザ測距装置。 The infrared imaging / laser distance measuring device according to claim 1 or 2,
The dichroic mirror is tilted about an axis perpendicular to the surface normal to the surface on which the laser beam is incident and the plane containing the principal ray of the laser beam, and the angle between the principal ray and the exit surface with respect to the angle between the principal ray and the incident surface. An infrared imaging / laser ranging device characterized by having a wedge shape with a small diameter.
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