JP2008541190A

JP2008541190A - ダイクロイックビームスプリッタと関連する装置および方法

Info

Publication number: JP2008541190A
Application number: JP2008512287A
Authority: JP
Inventors: ヨージェンワン
Original assignee: ノースロップグルーマンコーポレーション
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2008-11-20
Also published as: GB2440486B; CN101180564B; US7616378B2; GB0722594D0; GB2440486A; US20060262406A1; WO2006124181A1; CN101180564A

Abstract

平行ではない入口面と出口面とを有し、これらの面の間の距離を小さくしたダイクロイックビームスプリッタであり、効果的な構成として、非球面の出口面を２重チャンネル光システムに用いることができ、その際、特に、一方のチャンネルは赤外光専用とし、他方のチャンネルは可視または近赤外光専用とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般的にはダイクロイックビームスプリッタに関し、具体的には２重チャンネル光システムの中で用いられるダイクロイックビームスプリッタに関し、さらに具体的には、１つのチャンネルが赤外チャンネルであり、もう１つのチャンネルが可視または近赤外チャンネルである、という２重チャンネル光システムの中で用いられるダイクロイックビームスプリッタに関する。

数多くの光システムが、当該光システムの視界の内部の１以上の目標対象物から発せられる光および／または反射される光で構成される光景を観察する、という用途で用いられている。こうした光システムは、典型的な構成として、システムに入る光の方向を変えて、１つまたは複数の点において像を形成し、その点で形成された像は、目で見ること、または電荷結合装置（ＣＣＤ）などのセンサで感知することが可能である。

米国特許４，２４０，７０７号公報には、古典的なCookeのトリプレットに基づいた３鏡全反射光システムが記述されている。´７０７号公報の装置は、良好な性能を保ちながら、中程度の視界（約８〜１０度）を持つことができる。´７０７号公報の明瞭化した（un-obscured）全反射光システムは、単一のスペクトル帯に関する軸外れ（off-axis）の迷光の除去や高い透過率という点で優れている。

場合によっては、目標対象物を２つのスペクトル帯を利用して観察するのが望ましいこともある。２つのスペクトル帯の使用を実現する手法については様々なものが知られている。こうした２重チャンネルの手法には、（１）同じ光システムを２つ用いるもの、（２）像面の後に２つのリレーを実装するもの、（３）像面の前にダイクロイックビームスプリッタを配置するもの、が含まれる。

ダイクロイックビームスプリッタはしばしば、入射光を別々の２つのスペクトル帯に分割するのに用いられ、それら２つとは、ビームスプリッタを透過させられる「通過帯」、そして、ビームスプリッタによって反射される「阻止帯」である。光システムの画像面の前にダイクロイックビームスプリッタを配置することで、面に当たるか通過することになる光は、先ずビームスプリッタに遭遇する。ビームスプリッタは、その光の一部分を通過／透過させ、その光の他の部分を反射する。反射された部分は第１のパス、反射チャンネルに沿った方向に向けられ、透過させられた部分は第２のパス、透過チャンネルに沿った方向に向けられる。反射チャンネルを通って進む光は、第１のスペクトル帯（ビームスプリッタの阻止帯に対応するもの）の光を含み、透過チャンネルを通って進む光は、第１のスペクトル帯と重複しない第２のスペクトル帯（ビームスプリッタの通過帯に対応するもの）の光を含む。

反射鏡の設計に関する情報は、J. Michael Rodgersによる「Un-obscured Mirror Designs」というタイトルの文書（２００２年、ＳＰＩＥＶｏｌ．４８３２のＰ．３３）に見られる。その内容の全体がここでの言及によって本文書に取り込まれるものとする。

本発明は、平行でない入口面および出口面を両面の間の距離を小さくした形で有し、さらに非球面の出口面を有する、というダイクロイックビームスプリッタと、それに関連する方法およびそうしたビームスプリッタを利用する光システムとを目的とする。

そこで、本発明の例示的な実施の形態における光システムが有するダイクロイックビームスプリッタは、対向する第１の面と第２の面とを、第１の面の光軸と第２の面の光軸とが非同軸となる形で有している。

また、本発明の別の例示的な実施の形態では、ダイクロイックビームスプリッタは非球面の入口面と、当該入口面に対向する平面の出口面とを有する。非球面の入口面は、対向する平面の出口面に対して傾斜している。
また、本発明のさらに別の例示的な実施の形態として、ダイクロイックビームスプリッタを形成する方法であって、（ａ）最初に、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光に対する非点収差効果が最小となる傾斜角を求めるステップと、（ｂ）ビームスプリッタが有する入口面と出口面とが先に求められた傾斜角を成す場合に、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光に対する非点収差効果が最小となる非球面係数を求めるステップと、そして、（ｃ）先に求められた傾斜角および非球面係数と実質的に等しい傾斜角および非球面係数を有する形にダイクロイックビームスプリッタを形成するステップと、を有する方法がある。

本発明の本質ならびに、その目的および効果については、添付図面と共に明細書のこれ以降の内容を熟読することで容易に明らかになるであろう。図面全体を通じて、同様の参照番号は同様の部品を指している。
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。これら実施の形態は、添付図面にその例を示してある。本発明については、好適な実施の形態に関連付けて説明することになるが、これら実施の形態に本発明を限定する意図がないことを理解して欲しい。むしろ反対に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の思想および範囲に含まれるものであれば、代替物、変形例、均等物までも包含することを意図している。

以下の詳細な説明では、本発明を充分に理解してもらうために、数多くの特定の詳細部分について説明している。しかしながら、当業者であれば理解できる通り、本発明はこれら特定の詳細部分なしに実現できる場合もある。また、その他に、公知の方法、手順、構成要素そして回路については詳細な説明は行っていない。本発明の重要な側面を不必要に曖昧にしないためである。

図１では、窓３を通って光システム１に入る光ビーム１３は、主鏡５によって反射されてビーム１５となり、さらに、システムの光ストップとして機能する副鏡７によってビーム１７となった後、第３鏡９によって反射されてビーム１９となる。ビーム１９はその後、像面２３への途中でダイクロイックビームスプリッタ１１によって成分ビーム２１Ａ、２１Ｂに分割され、それぞれ像面２３Ａ、２３Ｂに向けられる。図に示す実施の形態では、ビーム２１Ａは可視の近赤外光で成り、これ以降ＶＮＩＲ（Visible and Near Infrared）チャンネルの名で呼ぶ場合もある。また、ビーム２１Ｂは赤外光で成り、これ以降は赤外チャンネルの名で呼ぶ場合もある。像面２３ＡにはＶＮＩＲ画像が形成され、像面２３Ｂには赤外画像が形成される。

図２には、ダイクロイックビームスプリッタ１１をさらに詳細に示しており、スプリッタは入口／反射面２５および出口面２７を有する。面２７は、軸Ｎ１に関して径方向に対称であり、点２６がその頂点／中心点となっている。また、面２５は、軸Ｎ２に関して径方向に対称であり、点２４がその中心点となっている。出口面２７は非球面であり、以下の式Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５によって規定される面に実質的に合致する形に形成されている。

式Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３において、ｚは面のサグ（面の頂点位置において光軸Ｎ１に垂直な位置にある平面に関する偏り）であり、ｒ_ｍａｘはレンズの径方向（radial）の口径の最大値であり、面に関する半径（semi-diameter）の値によって規定される。式Ｅ１において、非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃはそれぞれ、最大径方向口径ｒ_ｍａｘにおけるレンズユニットでの、非球面の収差、非点収差、コマ収差の量を表している。非点収差およびコマ収差は、ｙ軸に関して角度θの角を成す線に沿った向きとなっている。式Ｅ１〜Ｅ５のｘ座標およびｙ座標は、偏心（decentered）および傾斜した座標系にあり、当該座標系は偏心（decenter）ｘ、偏心ｙ、ｘに対する傾斜、ｙに対する傾斜の値によって規定される。実施の形態のダイクロイックビームスプリッタ１１に関する非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃは通常、本技術分野で公知の光学設計ソフトウェアを、ここで説明するダイクロイックビームスプリッタに関する標準と組み合わせて用いることで得られるだろう。

すでに知られたこととして、入口面２５および出口面２７が平らで平行になっている場合、反射／赤外チャンネルは良好な性能を有するが、ビームスプリッタ１１を通過するビームには、関連して画像の質に大きな劣化が生じ、それは少なくとも部分的には、平らで平行な有限の厚みのプレートを通過する集束ビームによって生じる収差に起因する。こうした収差は主に非点収差によるが、それに加えて、量はより小さいが、コマ収差および球面収差にもよる。

ＶＮＩＲ画像品質を向上させるために、面２７は面２５に対して傾斜しており、面２７は非球面になっている。そして、ビームスプリッタの厚みを小さくし、ビームスプリッタ基板として分散能を下げた素材を用いることにより、色収差は小さくなる。
式Ｅ１の特別な高次の非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃが「０」に設定されれば、面２７は実質的に平面になるであろう。それが効果的であると考えられるのは、面２５に対する面２７の傾斜の状態が、「面２７が平らで平面Ｐ１上にあり、面２５が平面Ｐ２上にある際に、平面Ｐ１、Ｐ２が交差する線において面傾斜角Ａ１が形成される」という形になっている場合である。また、面２７が光軸Ｎ１に関して径方向に対称であり、面２５が光軸Ｎ２に関して光学的に対称であれば、角Ａ１は、Ｎ１をＮ２と同軸の状態になるまで回転させる必要のある最小限の角度となる。

ビームスプリッタを楔形に作ること（面２７を面２５に対して傾斜させること）で、集束ビーム１９のＶＮＩＲ部分がビームスプリッタ１１を通過する間の非点収差の相当部分を補償することができる。さらに、ビームスプリッタを楔形に作ると、面２５、２７が互いと平行であった場合に生じるゴースト反射やエタロン効果を軽減することもできる。
面２５を面２７に対して傾斜させることで、画像の質を向上させることに加えて、像面の位置決め／方向付けにも影響が生じる。ここで図１を参照する。像面２３が示すのは、ビームスプリッタ１１がなかった場合に存在していたはずの像面の向きであり、一方、画像面２３ＡはＶＮＩＲ画像面を示している。見ての通り、面２３Ａは面２３に対して傾斜している。これは、３鏡の傾斜および偏心した光システムの性能を「精密調節」するために機構を実現する。

面２７を面２５に対して傾斜させることに加え、面２７を非球面とすることも効果的である。面２７を、式Ｅ１によって規定される面に実質的に合致させることで、非点収差およびコマ収差の影響はさらに無効化される。場合によっては、非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃの値を異なるものにすることも考えられるが、それは、窓３および／または鏡５、７、９など上流にある光学部品から下ってくる収差による。

角Ａ１および非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃは、収差（aberration）、非点収差（astigmatism）、コマ収差（coma）への非球面係数および角Ａ１の効果を取り込んだメリット関数を最適化することによって得られる。前記の最適化を容易にするには、メリット関数を光学設計ソフトウェアに組み入れて、異なる角Ａ１と非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃとの組み合わせが収差、非点収差、コマ収差に及ぼす影響を判定するプロセスを自動化する。非球面係数Ｚ_ｓ、Ｚ_ａ、Ｚ_ｃを決定するには、角Ａ１が求められた後の残余収差を最小化し、コマ収差および球面収差を小さくすることを主な目的として、光学設計ソフトウェアにおいてメリット関数を最適化すればよい。

面２７を傾斜させ、これを非球面とすることに加えて、ビームスプリッタ１１の厚みを小さくすること（すなわち、Ｔ１およびＴ２を小さすること）、そしてビームスプリッタにより低い分散能を持たせること（その手段としては、ビームスプリッタ１１の形成に用いる素材または素材の組み合わせを選択することが考えられる）によって、色収差の影響が軽減される、と考えられる。

厚みＴ１は機械的強度の要件によって決められる。通常、ビームスプリッタの長さおよび幅と厚みとの比率は、６または１０よりも大きくすべきである。Ｔ１とＴ２との差が、先に述べた楔角Ａ１を形成する。
対象となる所定の広いスペクトル幅に関しては、ビームスプリッタの素材として低分散ガラスを選択することで、色収差を最小化する。いくつかの可視光の用途では、素材はSchott Glass BK7とする。分散の一例は、楔形プリズムを持って太陽を覗いた場合に見られる。そうすると虹が形成される。より分散しにくい素材をプリズムに用いた場合、楔形プリズムを通っての回折の後、各色の回折角の差は、より分散しやすい素材をプリズムに用いた場合に比べて小さくなる。

全反射画像光学（ＩＲを含む）２重チャンネルシステムは、ビームスプリッタ１１に関して以上に記述したようなダイクロイックビームスプリッタを使用することで、利益を受けるであろう。こうしたビームスプリッタの使用が一般に効果的なのは、「複雑でない」および／または「サイズの小さい」ビームスプリッタが可能になるからであり、性能の向上が実現されるからである。こうしたシステムの例を図３乃至５に示す。

図３に示すのは、３鏡反射（ＴＭＲ）光システム１０１であり、遠隔計測、監視での使用に適したものである。図３では、窓１０３を通って光システム１０１に入る光ビーム１１３は、主鏡１０５によって反射されてビーム１１５となり、さらに、副鏡１０６によってビーム１１６となった後、第３鏡１０７によって反射されてビーム１１７となり、さらにミラー１０９によってビーム１１９となる。ビーム１１９は、フィルタ１２３への途中でダイクロイックビームスプリッタ１１１によって成分ビーム１２１Ａ、１２１Ｂに分割され、これらはそれぞれフィルタ１２３Ａ、１２３Ｂに向けられる。図に示す実施の形態では、ビーム１２１Ａは可視の近赤外光で成り、これ以降ＶＮＩＲチャンネルの名で呼ぶ場合もある。また、ビーム１２１Ｂは赤外光で成り、これ以降はＳＷＩＲ（Short Wave Infrared）チャンネルの名で呼ぶ場合もある。ＶＮＩＲフィルタ１２３ＡにはＶＮＩＲ画像が形成され、フィルタ１２３Ｂには赤外画像が形成される。システム１０１は、スプリッタ１１１として、図１、２のスプリッタ１１に関連してここに記述したようなダイクロイックビームスプリッタを用いるのが効果的であろう。こうしたビームスプリッタを持たない場合、システム１０１には、ビームスプリッタによって導入される非点収差の一部を補償するＳＷＩＲ補償器１２５を持たせる必要が生じるかもしれない。

システム１０１は副鏡１０６の位置にストップを有し、さらに、傾きを有すると共に、各鏡１０５、１０６、１０７において偏心の高次非球面係数を有し、それによって収差を最小化し均衡を取ることで、単一チャンネルにおいて良好な画像性能を達成する。この種類の明瞭化した光システムは、明瞭化していないもの（宇宙望遠鏡で使用されるようなリッチー＝クレティアン（ＲＣ）光システムなど）よりも多くの光子（photon）を供給し、さらに視野も広い。

図４に示す別の光システム２０１は、図３のＴＲＭシステム１０１よりも視界が小さい、３鏡アナスティグマット（ＴＭＡ：Three Mirror Anastigmat）システムである。図４では、窓２０３を通って光システム２０１に入る光ビーム２１３は、主鏡２０５によって反射されてビーム２１５となり、さらに、副鏡２０６によってビーム２１６とされた後、第３鏡２０７によって反射されてビーム２１７となる。ビーム２１７は、その後ダイクロイックビームスプリッタ２１１によって分割される。

ＴＭＡシステム２０１は、３つの鏡２０５、２０６、２０７の内側に中間焦点面２０８を形成しており、ＴＲＭシステムよりも視界のカバー範囲（coverage）が小さい。よって、システム２０１のようなシステムは、ＴＲＭシステムよりも優れた迷光制御を提供する。それに対し、システム１０１のようなＴＲＭシステムは、中間焦点面は持たないものの、視野がより広くなる。システム２０１では、図１、２のスプリッタ１１に関連してここに記述したようなダイクロイックビームスプリッタを、スプリッタ２１１として用いるのも効果的であろう。

図５に示す別の光システム３０１は屈折望遠鏡である。屈折望遠鏡３０１はＴＲＭシステムに類似しているが、反射ではなく屈折／透過を利用している。全反射望遠鏡は色収差に対する感度がなく、屈折望遠鏡よりも、温度のより高い／低い環境における画像の質は優れている。しかし、屈折望遠鏡の方がコンパクトであり、回転対称システムであり、コマ収差や非点収差といった軸外れ（off-axis）の収差はより小さい。システム３０１は、スプリッタ３１１として、図１、２のスプリッタ１１に関連してここに記述したようなダイクロイックビームスプリッタを用いるのも効果的であろう。図５では、窓３０３を通って光システム３０１に入る光ビーム３１３は、主鏡３０５によって屈折／透過されてビーム３１５となり、さらに、レンズ３０６によってビーム３１６とされた後、レンズ３０７によって反射されてビーム３１７となる。その後、ビーム３１９は、ダイクロイックビームスプリッタ３１１によって成分ビームに分割される。

これまでの内容から明らかであろうが、ダイクロイックビームスプリッタを形成する方法には以下のステップが含まれる。すなわち、（ａ）最初に、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光に対する非点収差効果が最小となる傾斜角を求めるステップと、（ｂ）ビームスプリッタが有する入口面と出口面とが先に求められた傾斜角を成す場合に、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光に対する非点収差効果が最小となる非球面係数を求めるステップと、そして、（ｃ）先に求められた傾斜角および非球面係数と実質的に等しい傾斜角および非球面係数を有する形にダイクロイックビームスプリッタを形成するステップと、である。

こうした方法は、ビームスプリッタ形成に用いる素材の特性を獲得し、その特性を用いて上述の決定をなす、という自動プロセスの一部とすることができるであろう。また、その他の場合、傾斜角度や非球面係数と共にダイクロイックビームスプリッタの素材および／または寸法を選択するために、所望の画像特性を用いることもできるであろう。

本発明の例示的な実施の形態による光システムを示す概略図である。本発明の例示的な実施の形態によるダイクロイックビームスプリッタを示す概略図である。本発明の例示的な実施の形態による３鏡反射光システムを示す概略図である。本発明の例示的な実施の形態による３鏡反射光システムを示す概略図である。本発明の例示的な実施の形態による３鏡反射光システムを示す概略図である。

Claims

ダイクロイックビームスプリッタを有する光システムであって、前記スプリッタは対向する第１の面と第２の面とを、第１の面の光軸が第２の面の光軸と非同軸の状態となる形で有すること、
を特徴とする光システム。
第１の面は非球面であること、
を特徴とする請求項１に記載の光システム。
第２の面は実質的に平面であること、
を特徴とする請求項２に記載の光システム。
光システムは３鏡反射光システムであること、
を特徴とする請求項１に記載の光システム。
ダイクロイックビームスプリッタは、入口ウィンドウと光センサとの間の光路において、第１の鏡、第２の鏡、そして第３の鏡の後に配置されていること、
を特徴とする請求項４に記載の光システム。
ダイクロイックビームスプリッタは、通過する光を２つの成分に分離し、そのうち、第１の成分については基本的に可視の近赤外光から成るものとし、第２の成分については基本的に短波長の赤外光から成るものとすること、
を特徴とする請求項５に記載の光システム。
光システムは３鏡アナスティグマットシステムであること、
を特徴とする請求項１に記載の光システム。
ダイクロイックビームスプリッタは、入口ウィンドウと光センサとの間の光路において、第１の鏡、第２の鏡、そして第３の鏡の後に配置されていること、
を特徴とする請求項７に記載の光システム。
ダイクロイックビームスプリッタは、通過する光を２つの成分に分離し、そのうち、第１の成分については基本的に可視の近赤外光から成るものとし、第２の成分については基本的に短波長の赤外光から成るものとすること、
を特徴とする請求項８に記載の光システム。
光システムは３鏡の屈折システムであること、
を特徴とする請求項１に記載の光システム。
ダイクロイックビームスプリッタは、入口ウィンドウと光センサとの間の光路において、第１の鏡、第２の鏡、そして第３の鏡の後に配置されていること、
を特徴とする請求項１０に記載の光システム。
ダイクロイックビームスプリッタは、通過する光を２つの成分に分離し、そのうち、第１の成分については基本的に可視の近赤外光から成るものとし、第２の成分については基本的に短波長の赤外光から成るものとすること、
を特徴とする請求項１１に記載の光システム。
第１の面は、非球面の入口面であり、対向する平らな出口面である第２の面に対して傾斜していること、
を特徴とする請求項１に記載の光システム。
非球面の入口面と、そして、
入口面に対向する平らな出口面と、を有し、
非球面の入口面は、対向する平らな出口面に対して傾斜していること、
を特徴とするダイクロイックビームスプリッタ。
ダイクロイックビームスプリッタを形成する方法であって、
最初に、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光に対する非点収差効果が最小となる傾斜角を求めるステップと、
ビームスプリッタが有する入口面と出口面とが先に求められた傾斜角を成す場合に、ダイクロイックビームスプリッタを通過する光に対する非点収差効果が最小となる非球面係数を求めるステップと、そして、
先に求められた傾斜角および非球面係数と実質的に等しい傾斜角および非球面係数を有する形にダイクロイックビームスプリッタを形成するステップと、
を有することを特徴とする方法。
傾斜角および非球面係数は、収差、非点収差、コマ収差への傾斜角および非球面係数の影響を取り込んだメリット関数を最適化することによって求められること、
を特徴とする請求項１５に記載の方法。
傾斜角は、光学設計ソフトウェアを用いたメリット関数の最適化によって非点収差を最小化する、という形で求められること、
を特徴とする請求項１６に記載の方法。
非球面係数は、光学設計ソフトウェアを用いたメリット関数の最適化によって、傾斜角が求められた後の残収差(residual)を最小化する、および、コマ収差および球面収差を最小化する、という形で求められること、
を特徴とする請求項１７に記載の方法。