JP2012518804A - 双焦点レンズを用いた二視野光学撮像システム - Google Patents

Abstract

或るシーンの、それぞれ視野の異なる２つの画像を得るために、ニ視野光学撮像システムが提供される。ニ視野光学撮像システムは、第１の焦点面において広視野画像を生成する焦点距離ｆｉの中心ゾーン、及び第２の焦点面において狭視野画像を生成する、ｆｉよりも大きい焦点距離Ｉ２の周辺ゾーンを有する前部双焦点レンズと、広視野画像及び狭視野画像を検出し取得する検出器であって、第１の焦点面又は第２の焦点面に選択的に位置決めされるために光路に沿って移動可能である、検出器とを備える。

Description

本発明は、光学システム分野に関する。特に、本発明は、双焦点レンズ及び可動検出器（moving detector）を用いてニ視野を与える光学撮像システムに関する。

光学撮像システムの主用途は、物体の検出、認識、及び識別（ＤＲＩ）である。

したがって、これらの光学システムに求められることの多い要件として、或るシーンの広視野（ＷＦＯＶ）で低倍率の画像と、そのシーンの狭視野（ＮＦＯＶ）で比較的高倍率の別の画像とを与えることが可能であることがある。

この要件を尊重する光学撮像システムは、多くの部品からなる複雑なシステムを用いることが多い。一般に、１枚のレンズ又は１つのレンズ系を用いてシーンのＷＦＯＶ画像を与え、もう１枚のレンズ又はもう１つのレンズ系を用いてＮＦＯＶ画像を与える。ＷＦＯＶ及びＮＦＯＶの両方の画像取得に共通する１つの基本レンズ群を、特定視野の追加レンズと共に用いて特定視野の画像を取得する光学システムも存在する。このような光学システムでは、追加レンズを選択的に光路に挿入することにより、所望の視野（ＦＯＶ）を選択する。このようなシステムの選択機構は、光学撮像システム全体のサイズをさらに嵩張らせることになる可能性がある。光学システムは、光学部品の数が増えるほど、部品の調整が複雑になり、全体の重量及びサイズが増える傾向がある。

形成された視野の異なる２枚の画像を別々に見るために、光学撮像システムは、画像が合焦する検出器を有する。

従来技術のシステムには、視野の異なる２枚の画像のそれぞれに対し、プリズム又はフィルター等の追加の光学部品を用いて一方又は両方の画像を検出器上に向けるか又はシフトさせ、検出器上の別々の場所を割り当てるものもある。しかし、この画像検出手法では、それぞれの画像に対して検出器の全画素の一部しか実際には用いられていないため、それぞれの画像の品質及び解像度が最適とは言えない。

他の従来技術のシステムでは、レンズ系の素子が光路に沿って或る位置へ移動すると、シーンの一方の画像が固定検出器の全面に合焦し、さらに光路に沿って別の位置へ移動すると、今度は他方の画像が固定検出器の全面に合焦する。２つの異なる検出器を用いて或るシーンを２つの異なる視野で撮像することも知られている。当然ながら、後者の方法は、より高価で嵩張るシステムとなる可能性がある。

したがって、光学部品の数を減らし、検出器の活性表面（active surface）全体を用いて或るシーンのそれぞれ視野の異なる２枚の画像を与える光学撮像システムが必要とされている。

よって、本発明の一態様によれば、或るシーンのそれぞれ視野の異なる２枚の画像を得るニ視野光学撮像システムが提供される。ニ視野光学撮像システムは、
第１の焦点面において広視野画像を生成する焦点距離ｆ_１の中心ゾーン、及び第２の焦点面において狭視野画像を生成する、ｆ_１よりも大きい焦点距離ｆ_２の周辺ゾーンを有する前部双焦点レンズと、
広視野画像及び狭視野画像を検出し取得する検出器であって、第１の焦点面又は第２の焦点面に選択的に位置決めされるために光路に沿って移動可能である、検出器と、
を備える。

前部双焦点レンズは好ましくは、定位置に固定され、単一構造である、すなわち、一体成形レンズである。

ニ視野光学撮像システムは、視野収差を補正する写野補正系であって、前部双焦点レンズと検出器との間の光路に沿って位置付けられる写野補正系をさらに備えることができる。写野補正系は、好ましくは、広視野及び狭視野の両方の収差を補正する１枚のレンズを含み、該１枚のレンズからなる写野補正系は、検出器と並行して移動する。別の実施の形態によれば、写野補正系は、２枚以上のレンズを含むこともでき、各レンズは、特定の視野収差を補正するように作られており、相応に位置付けられる。

スクリーン、例えばフード又は可動バッフルを用いて、寄生光を遮断することができる。

本発明の別の態様によれば、或るシーンの、それぞれ視野の異なる２枚の画像を取得する方法が提供される。本方法は、上述したようなニ視野撮像光学システムを準備すること、検出器を第１の焦点面１８へ移動させてＷＦＯＶ画像を取得すること、及び検出器を第２の焦点面２０へ移動させてＮＦＯＶ画像を取得することを含む。本方法はまた、スクリーンを設け、これらのスクリーンを用いて寄生光を遮断することを含むこともできる。本方法はまた、空間ノイズのずれ補正を行うことを含むこともできる。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面を参照して以下の説明を読むことで、より良く理解される。

本発明の一実施形態による前部双焦点レンズの概略図であり、焦点距離ｆ_１の中心ゾーン及び焦点距離ｆ_２の周辺ゾーンを示す。 本発明の一実施形態によるニ視野光学撮像システムの概略光線追跡図である。 本発明の別の実施形態によるニ視野光学撮像システムの概略光線追跡図である。 本発明の別の実施形態によるニ視野光学撮像システムの概略光線追跡図であり、寄生光を遮断するバッフル及びフードの使用を示す。 本発明のさらに別の実施形態によるニ視野光学撮像システムの概略光線追跡図である。

以下、本発明の各態様を、添付図面の図１〜図５を参照してより詳細に説明する。

本発明は、観測しているシーンの２枚の画像を得るために用いることができるニ視野光学撮像システム１０を提供することを目的とする。このうち、１枚はシーンの広視野（ＷＦＯＶ）の画像であり、もう１枚はシーンの、比較的高倍率の狭視野（ＮＦＯＶ）の画像である。

これら２枚の画像を生成するために、ニ視野光学撮像システム１０は、図２に示すように、前部双焦点レンズ（frontal dual focus lens）及び検出器を備える。

前部双焦点レンズ１２の一実施形態を図１に示す。図２〜図５を参照すると、観測しているシーンから到来する光は、光学撮像システム１０の前部に入射し、双焦点レンズ１２に当たる。双焦点レンズ１２は、シーンの広視野画像を第１の焦点面１８に生成する焦点距離ｆ_１の中心ゾーン１４と、シーンの狭視野画像を、第１の焦点面１８の後部にある第２の焦点面２０に生成する、ｆ_１よりも大きい焦点距離ｆ_２の周辺ゾーン１６とを有する正の収束レンズである。

１つの光学素子を用いて一方の視野の画像を得ると共に別の光学素子を用いて他方の視野の画像を得る従来技術のシステムとは異なり、本発明の光学撮像システム１０の双焦点レンズ１２の利点は、単一構造であることである。好ましくは、双焦点レンズ１２は、例えば、成形又はコンピューター制御の旋盤を用いた回転によって作製される一体成形レンズ（single piece lens）であり、前者のほうが安価であるが、後者のほうが高性能である。あるいは、双焦点レンズ１２は、好ましくは漏れない構成で結合されて双焦点レンズ１２を形成する２つの適切なレンズ部から作製することもできる。例えば、中心ゾーン１４を形成するために用いられる第１のレンズ部を、周辺ゾーン１６を形成するために用いられる第２のレンズ部の切り抜いた中心に挿入し融合させることができる。別の実施形態によれば、第１のレンズ部を第２のレンズ部の中心に重ねて融合させることもできる。その場合、中心のレンズパワーの合計が双焦点レンズ１２のＷＦＯＶの中心ゾーン１４となり、外側の領域が双焦点レンズ１２のＮＦＯＶの周辺ゾーン１６となる。

当然ながら、双焦点レンズ１２は、上述した実施形態に限定されず、あらゆる適切な手段を用いて作製することができる。

双焦点レンズ１２の外面２２Ａは、レンズの双焦点の性質に一致する２つの曲率半径を示すか又は非球面とすることもできるし、レンズの双焦点の性質に反する単一の曲率半径を示す平滑面とすることもできる。前者は、設計及び製造が容易であるという利点がある。外面２２Ａが単一の曲率半径を示す場合、内面２２Ｂは、双焦点レンズ１２の双焦点の特徴を与えるように作られた輪郭をすることができる。有利には、内面２２Ｂは、光学収差、例えば球面収差又は色収差を補正するように作られた輪郭を有することができる。外面２２Ａ及び／又は内面２２Ｂはさらに、反射防止コーティングを備えることができる。中心ゾーン１４と周辺ゾーン１６との間の遷移は、例えば図５に見られる界面３４において急激に生じることもできるし、例えば図４に最も良く見られる遷移ゾーン３２に亘って徐々に生じることもできる。中心ゾーンと周辺ゾーンとの間の境界は、肉眼では区別できない場合があり、図１に示す描写は、２つのゾーンを示すために入れてあることに留意されたい。

また、双焦点レンズ１２は、観察しているシーンから到来する光に対して透明な任意の適切な材料から作製することができる。当然ながら、材料の選択は、撮像する光の波長に依存する。双焦点レンズ１２は、結晶材料から作製することも、非晶質材料から作製することもできる。例えば、双焦点レンズは、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、サファイア、シリカガラス等から作製することができる。双焦点レンズは、電磁スペクトルの可視域から短波長赤外域（ＳＷＩＲ）（例えば０．５μｍ〜３μｍ）の光を結像するためにシリカガラスから作製することもでき、電磁スペクトルの中波長赤外域（ＭＷＩＲ）及び長波長赤外域（ＬＷＩＲ）（例えば３μｍ〜１４μｍ）の光を結像するためにゲルマニウムから作製することもできる。

上記のように、２つの視野の画像を検出し取得する検出器２４が、ニ視野光学撮像システム１０に設けられる。検出器２４の選択は、用途、観測している電磁スペクトルの範囲、及びコストによって異なり得る。例えば、光子検出に基づく検出器（例えばＣＣＤ（電荷結合素子）、光伝導体、若しくは光起電力検出器）又は熱検出に基づく検出器（例えば温度による電気抵抗の変化を測定するボロメーター）を用ることができる。光子検出器により生成される画像は、熱検出器により生成される画像に比べて高画質である傾向がある。さらに高画質の画像を得るために、光子検出器を低温冷却することによって検出器の感度を高めることもできる。しかし、冷却検出器は一般に、より嵩張り、購入するにも運用するにも高価である。

図２〜図５を参照すると、検出器２４は、共通の光軸に沿って双焦点レンズ１２と整列している。しかし、前部双焦点レンズ１２と異なり、検出器２４は、光学撮像システム１０の光軸に沿って選択的に移動可能である。検出器２４は、第１の焦点面１８の位置又はその近くへ移動されてＷＦＯＶ画像を取得し、第２の焦点面２０の位置又はその近くへ移動されてＮＦＯＶ画像を取得する。（図２〜図５はそれぞれ、検出器の２つの可能な位置を示すものであり、２つの検出器の使用を示唆するものではないことに留意されたい。）有利な点として、検出器２２を移動させるために用いられる機構は、画像の細かい焦点調節を行うために用いられる機構と同じである。一実施形態によれば、この機構は、検出器を軸方向に移動させる単一の一条ねじ機構である。

双焦点レンズ１２の視野収差（例えば、非球面収差又は色収差）を補正して画像の歪みを制限するために、システムの光軸に沿って前部双焦点レンズ１２と検出器２４との間に写野補正系（field corrector）２６を設けることもできる。

写野補正系２６は好ましくは、図５に示すシステムの実施形態に見られるように、広視野及び狭視野の両方の収差を補正するために用いることができる１枚のレンズを含む。これにより、１枚のレンズからなる写野補正系２６を検出器２４と並行して動かすことができる。図３及び図４に示すシステムの別の実施形態によれば、写野補正系２６は、２枚以上のレンズを含むこともでき、その場合、各レンズ２６Ａ及び２６Ｂは、特定の視野収差を補正するように作られ、検出器２４と並行して動くように相応に位置付けられる。この後者の実施形態では、写野補正系のレンズは、ＷＦＯＶモードにおいて、検出器２４が写野補正系のレンズを見通すように設計される。前部双焦点レンズ１２はゲルマニウムから作製されるが、写野補正系のレンズ（単数又は複数）は通常、より小さく、比較的安価な非晶質材料から作製することもできる。

ＷＦＯＶ画像及びＮＦＯＶ画像の２枚の画像を取得する際には、寄生光が問題となり得る。双焦点レンズのゾーンから到来する、当該画像の生成に関与しない寄生光は、無関係の不要なゴースト像を形成し得る。例えば、双焦点レンズ１２の周辺ゾーン１６を用いてＮＦＯＶ画像を取得しようとしている時に双焦点レンズ１２の中心ゾーン１４から到来する寄生迷光は、画質に影響を及ぼし得る過渡的なゴースト像となり得る。スクリーン、例えばフード又は可動バッフルを戦略的に用いて、寄生迷光を遮断し、ゴースト像の形成を防止することができる。

図４に示す光学撮像システムの実施形態から分かるように、１つの選択肢は、前部双焦点レンズ１２にバッフル２８及びフード３０を追加することである。バッフルは、遷移ゾーン３２を覆い／遮蔽し、遷移ゾーンから到来する寄生光が結像されることを防止することができる。当然ながら、任意の適切なスクリーン又はスクリーンの組み合わせを用いて、寄生光の影響を最小化することができる。

本発明の光学撮像システムは、双焦点が必要なあらゆる用途で用いることができ、必要な光学素子の数を最小化すると共に２つの視野の画像の取得を簡略化するという利点を有する。

双焦点レンズの適切な設計及び検出器の適切な選択により、本発明の光学撮像システムは、例えば、熱撮像すなわち赤外線（ＩＲ）撮像に用いることができる。ＩＲ撮像は、電磁スペクトラムのうち７００ｎｍ（０．７μｍ）〜１４０００ｎｍ（１４μｍ）の範囲にある部分である赤外線を検出するために用いられる。ＩＲ線は黒体放射の原理により全ての物体が発するため、ＩＲ撮像は、物体が発するＩＲ線により物体を検出するために用いられる。ＩＲ撮像、好ましくは８μｍ〜１４μｍの長波長ＩＲ域に用いられる光学撮像システムの例示的で非限定的な一実施形態によれば、双焦点レンズは、焦点距離が４９ｍｍのＷＦＯＶの中心ゾーン１４、焦点距離が１４８ｍｍのＮＦＯＶの周辺ゾーン１６、及び１１２ｍｍの直径（すなわち全開口）を有することができる。１０ｍの近さにある物体の高画質のＮＦＯＶ画像及びＷＦＯＶ画像を得ることが可能である（すなわちＮＦＯＶ及びＷＦＯＶの両方で１０ｍの近焦点が可能である）。

本発明の別の実施形態では、或るシーンの、それぞれ視野の異なる２枚の画像（ＮＦＯＶ画像及びＷＦＯＶ画像）を取得する方法が提供される。本方法は、上述したような、第１の焦点面において広視野の画像を生成する焦点距離ｆ_１の中心ゾーン、及び第２の焦点面において狭視野画像を生成する、ｆ_１よりも大きい焦点距離ｆ_２の周辺ゾーンを有する前部双焦点レンズ１２と、検出器２４と、写野補正系とを備えるニ視野撮像光学システムを準備すること、検出器を第１の焦点面１８へ移動させてＷＦＯＶ画像を取得すること、並びに検出器を第２の焦点面２０へ移動させてＮＦＯＶ画像を取得することを含む。検出器は、ねじ回し機構を用いて一方の焦点面から他方の焦点面へ移動させることができる。検出器の位置は、画像を合焦するように微調整される。有利には、検出器の位置の微調整は、同一のねじ回し機構を用いて行うことができる。画像の品質を上げゴースト像を制限するために、本方法はまた、スクリーンを設け、これらのスクリーンを用いて寄生光を遮断することを含むこともできる。本方法は、画像内の空間ノイズを補正するために、ずれ補正を行うことをさらに含むこともできる。空間ノイズは、検出器の各画素が通常は同じように応答しないことに起因する。空間ノイズは、原画像に粒子の粗さを生じることがある。有利には、本方法は、各画素を「ゼロ化する」ことによって角画素の異なる応答を補正することを含むことができる。これは、光学システムを大きくぼかすこと、参照画像を得ること、及び原画像から参照画像を減算することによって検出器を均一に照らすことによって行うことができる。

したがって、本発明の光学撮像システムは、光学素子（すなわちレンズ）の数に関して光学系の簡略化をもたらす一方で、両方の視野において低歪みを与える。

上述した実施形態のいずれに対しても、本発明の範囲を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。

Claims (12)

1. 焦点距離ｆ１の中心ゾーン及び焦点距離ｆ２の周辺ゾーンを有する双焦点レンズであって、ｆ２はｆ１よりも大きく、該中心ゾーンは広視野画像を生成するようになっており、該周辺ゾーンは狭視野画像を生成するようになっており、該レンズは支持体に装着される、双焦点レンズと、
   前記支持体に移動可能に装着され、２つの視野の画像を検出し取得する検出器であって、前記レンズと共通の光軸に沿って整列され、前記焦点距離ｆ１に対応する第１の位置と前記焦点距離ｆ２に対応する第２の位置との間で軸方向に移動可能である、検出器と、
   前記レンズによって生成される広視野画像及び狭視野画像を撮影するコントローラーと
   を備える、ニ視野光学撮像システム。
2. 前記レンズは一体成形レンズである請求項１に記載の撮像システム。
3. 前記レンズは結合された２つのレンズ部から作製される請求項１に記載の撮像システム。
4. 前記レンズは２つの曲率半径を有する外面を有する請求項１に記載の撮像システム。
5. 前記レンズは非球面の外面を有する請求項１に記載の撮像システム。
6. 前記レンズは光学収差を補正するように作られた内面を有する請求項１に記載の撮像システム。
7. 前記レンズは外面及び内面を有し、該内面若しくは該外面又はその両方は反射防止コーティングを備える請求項１に記載の撮像システム。
8. 前記レンズは観測しているシーンの光の波長範囲に対して透明な材料から作製される、請求項１に記載の撮像システム。
9. 前記検出器は光子検出器又は熱検出器である請求項１に記載の撮像システム。
10. 前記レンズと前記検出器との間に配置される写野補正系をさらに備える請求項１に記載の撮像システム。
11. 寄生光を遮断するスクリーンをさらに備える請求項１に記載の撮像システム。
12. シーンの２つの画像を取得する方法であって、第１の画像が広視野を有し、第２の画像が狭視野を有し、該方法は、
    （ａ）第１の焦点面において広視野画像を生成する焦点距離ｆ１の中心ゾーン及び第２の焦点面において狭視野画像を生成する焦点距離ｆ２の周辺ゾーンを有するニ視野レンズを設けるステップと、
    （ｂ）前記ニ視野レンズと共通の光軸により整列している可動検出器を設けることであって、該検出器は、前記焦点距離ｆ１と前記焦点距離ｆ２との間で移動可能である、検出器を設けるステップと、
    （ｃ）前記焦点距離ｆ１及び前記焦点距離ｆ２において得られる前記２つの画像を検出し取得するコントローラーと
    を含む方法。

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