JP3866352B2

JP3866352B2 - 結像光学系

Info

Publication number: JP3866352B2
Application number: JP03119497A
Authority: JP
Inventors: 文男渡部; 誠鴨沢; 寿治大石
Original assignee: Fujinon Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Fujinon Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2017-01-29
Also published as: JPH10213741A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機や飛翔体等の機体の一部に配される、ドーム状透明体が先端に配されたポッドの中で使用される結像光学系に関し、特に、光軸がドーム状透明体表面の曲率中心からずれた位置に配される結像光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
航空機や飛翔体等の機体の一部には光学的な各種センサが収納されるポッドと称される部位が形成されている。このポッドの前面は外部に凸のドーム形状をなすガラス等よりなる透明窓によりカバーされており、その内部には、この透明窓を透過した外部からの光束をセンサの結像面上に結像させるための結像レンズが配されている。
【０００３】
ところで、図４に示す如く従来のこのような結像レンズ１０１は、その光軸Ｘ上に窓２の曲率中心Ｏが位置するように配することにより、このポッド１０３内でこのような結像レンズ１０１を被検体方向に向ける場合においても、この結像レンズ１０１のみを上記曲率中心（ジンバル中心）Ｏを中心として回転、旋回させることで、その結像性能の劣化を抑制し得るように構成されていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近上述したポッド１０３内に視野角、倍率あるいは波長域の異なる２系列の光学系を並列配置しようとする試みがなされており、例えば図６に示す如き可視光センサ用の結像レンズ１０１と、例えば図５に示す如き赤外線センサ用の結像レンズ１１１を並列配置する場合には、これら２つの結像レンズ１０１、１１１が、窓の曲率中心Ｏを通過する中心軸Ｗを挟んで上下に並列配置されたり、あるいは一方の結像レンズ１０１、１１１の光軸Ｘ1、Ｘ2のみが窓の曲率中心Ｏを通過することになる。したがって、少なくとも一方の結像レンズ１０１、１１１の光軸Ｘ1、Ｘ2は上記曲率中心（ジンバル中心）Ｏを通過せず、結局、結像性能の劣化を招くことになる。特に窓１０２に高屈折率の材質を使用する場合や、結像レンズ１０１、１１１として開口の大きい明るいレンズを使用する場合などは大きな問題となる。
【０００５】
なお、上記２つの結像光学系１０１、１１１の対物レンズを共通化し、上記窓２の中心軸Ｗとこの対物レンズの光軸とを同軸とし、対物レンズと結像位置との間でハーフミラーや切換ミラー等により入射光束を２系に分離し、入射光束を各撮像面に導く方法が考えられているが、このような技術においては対物レンズを共通化しなければならないことから、２系列の光学系の組合せの自由度が著しく狭められ、また、双方の光学系の結像性能を共に良好とすることは困難であった。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、航空機等のポッド内に複数系列の光学系を並列配置する場合において、これら光学系の組合せの自由度を狭めることなく、いずれの光学系の結像性能をも良好なものとすることが可能な結像光学系を提供することを目的とするものである。
【０００７】
ところで、上述したようなポッド内に配されたセンサは、検出感度を高めるために結像光学系を被検体方向に向ける操作が必要となる場合があるが、従来、結像光学系がその光軸が窓の曲率中心を通過しない状態で配された場合には、このような結像光学系の回転、旋回操作によってその結像性能の劣化が生じることとなるため、必ずしも期待通りの検出感度を得ることができなかった。
【０００８】
そこで本発明の他の目的は、結像光学系がその光軸が窓の曲率中心を通過しない状態で配された場合であっても、結像光学系の回動操作によってその結像性能の劣化が生じない結像光学系を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の結像光学系は、前後の面の曲率中心が一致する、外方に凸のドーム状透明体からなる窓を有する室内に、前記窓の曲率中心を含まない軸をそれぞれ光軸とする複数の結像レンズ系が並列配置されてなる結像光学系において、
前記複数の結像レンズ系は、口径が互いに異なる大きさに構成されるとともに、結像レンズとその結像位置との間に、くさび状プリズムペアがそれぞれ配置されており、
前記くさび状プリズムペアは、略同一の頂角を有する２つのくさび状プリズムを、その上下左右を互いに反転させた状態で略平行なエアギャップを介して互いに対向させ、かつこの対向する２つの面が前記光軸と前記曲率中心を含む面に対して垂直となるように配置されてなり、
前記くさび状プリズムペアのうち結像側のくさび状プリズムはその頂角を前記光軸の前記曲率中心側に向けるように配置されてなり、
前記複数の結像レンズ系のうち前記口径が比較的大きい結像レンズ系に配置された前記くさび状プリズムペアは、前記口径が比較的小さい結像レンズ系に配置された前記くさび状プリズムペアに比べて、屈折力が大きく、かつ前記エアギャップの量が小さく設定されている、ことを特徴とするものである。
【００１０】
また、前記口径が比較的大きい結像レンズ系に配置されたくさび状プリズムペアは、前記口径が比較的小さい結像レンズ系に配置されたくさび状プリズムペアに比べて、屈折率が大きい材料で形成することが望ましい。
また、前記結像レンズ系は２つであり、これら２つの結像レンズ系の光軸が互いに前記窓の中心軸を挟んで略対向する位置に配されていることが望ましい。
【００１１】
さらに、本発明のものでは、前記結像レンズ系が、前記窓の曲率中心をジンバル中心として回動可能に構成したような場合により効果的である。
【００１２】
ここで、上記波面収差とは、結像性能を悪化させる種々の収差全般を含む概念であり、非点隔差も含まれる（ただし、後述する記載において非点隔差と対応させて用いる場合には非点隔差以外の諸収差を示すものである）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる結像光学系をポッド内に収納した状態を示す側面図である。
【００１４】
すなわち、このポッド３内には可視光センサ用の結像レンズ１と赤外線センサ用の結像レンズ１１が並列配置されており、２つの結像レンズ１、１１の光軸Ｘ1、Ｘ2がドーム状の窓２の、曲率中心Ｏを含む中心軸Ｗを挟んで略対向する位置に配される。
【００１５】
上記可視光センサ用の結像レンズ１は、窓２を透過した可視光をＣＣＤ撮像面４上に結像するためのもので、５枚のレンズと開口絞り６からなる。一方、赤外線センサ用の結像レンズ１１は、窓２を透過した赤外線を赤外線撮像面１４上に結像するためのもので３枚のレンズからなる。なお、この赤外線撮像面１４は赤外線センサ内に設けられたものであり、赤外線はセンサの窓部１６からセンサ内に入射するようになっており、さらに、この窓部１６には赤外線透過フィルタ１７が配されている。
【００１６】
また、上記ドーム状の窓２は、外周面および内周面がともに窓２の曲率中心Ｏを中心とした球面上に位置するように形成されており、可視光から赤外線に亘る波長領域を透過せしめるＺｎＳ（硫化亜鉛）等の材料で形成されている。
【００１７】
ところで、一般に、結像光学系１、１１の光軸Ｘ1、Ｘ2上にドーム状の窓２の曲率中心Ｏが位置しない場合には、次のような問題が発生する。
【００１８】
すなわち、無限遠からの光は平面波と考えられるが、この光が窓２を透過した後は光軸に対して非回転対称な発散する波面を有することとなるため、上述した如き回転対称な結像光学系１、１１では波面収差の補正が困難となり結像性能の劣化につながる（波面収差）。そして、上記光軸Ｘ1、Ｘ2と曲率中心Ｏとのずれ量が大きいほど、透過波面は理想的な球面波からのずれが大きくなって結像性能の劣化が深刻なものとなる。
【００１９】
また、ドーム状の窓２に入射する光束に対し、サジタル方向とタンジェンシャル方向とで屈折作用が異なるために非点隔差となって結像性能を劣化させる（非点隔差）。
そこで、本実施形態においては、図１に示す如く各結像光学系１、１１とそれに対応する撮像面４、１４の間にくさび状プリズムペア５、１５を配設している。
【００２０】
このくさび状プリズムペア５、１５は、略同一の頂角を有する２つのくさび状プリズム５ａ,５ｂ、１５ａ,１５ｂを、その上下左右を互いに反転させた状態で略平行なエアギャップを介して互いに対向させ、かつこれらの対向する面が上記光軸Ｘ1、Ｘ2と上記曲率中心Ｏを含む面に対して垂直となるように配置されており、また、上記くさび状プリズムペア５、１５のうち結像側のくさび状プリズム５ｂ、１５ｂはその頂角を上記光軸Ｘ1、Ｘ2の上記曲率中心Ｏ側に向けるように配置されている。
【００２１】
また、上記各くさび状プリズムペア５、１５を構成する、２つのくさび状プリズム５ａ,５ｂ、１５ａ,１５ｂの頂角と上記エアギャップの量は、上記曲率中心Ｏが上記結像光学系１、１１の光軸Ｘ1、Ｘ2からずれた位置に配されることにより生じる波面収差および非点隔差を補正し得るように調整されている。
【００２２】
さらに、上記くさび状プリズムペア５、１５の入射出面の、上記光軸Ｘ1、Ｘ2に対する傾きが、上記波面収差および非点隔差の補正が良好となるように微調整されている。これは主に、実際に光学系を組み立てた段階で不可避的に生じる設計値との誤差を補正するためになされるものである。
【００２３】
このように本実施形態においては、くさび状プリズムペア５、１５を上述した如き条件で設定しているため、上述した波面の補正と非点隔差の補正を同時に行うことが可能となる。
【００２４】
なお、上記光軸Ｘ1、Ｘ2と窓２の曲率中心Ｏのずれが大きい場合、窓２の形成材料の屈折率が大きい場合、結像レンズ１、１１に大口径のレンズを使用している場合等は、窓２の透過波面が理想的な球面波から大きくずれてしまうので、くさび状プリズム５ａ,５ｂ、１５ａ,１５ｂの頂角を比較的大きくし、その一方、これら２つのプリズム５ａ,５ｂ、１５ａ,１５ｂの間のエアギャップ量を比較的小さく設定するのが効果的である。
【００２５】
なお、非回転対称な波面のずれに対しては、わずかなくさび角（頂角）を持った１つのくさび状プリズムでもある程度は補正が可能であるが、非点隔差や像面の傾きなどの点で補正が不十分となり、好ましくない。
【００２６】
また、本実施形態の結像光学系においては、被検体情報の検出感度を高めるために上記２つの結像光学系（結像レンズ１とくさび状プリズムペア５、および結像レンズ１１とくさび状プリズムペア１５）の各々が窓２の曲率中心Ｏをジンバル中心として回動可能となるように構成されている。そして、このような回動操作によっても、窓２が曲率中心Ｏを中心とした球面形状をなしているため、入射光束に対する、窓２とこれら各結像光学系との光学的な位置関係は実質的に変化せず、常に結像性能を良好な状態に維持することが可能である。
【００２７】
以下、各条件について具体的な数値を設定した実施例について説明する。
〈実施例〉
まず、可視光センサ用の結像光学系（結像レンズ１とくさび状プリズムペア５；以下同じ）の具体的実施例について表１を用いて説明する。なお、下記に示すデータ値に付された正負の符号は、光の進行方向を正としている。
【００２８】
【表１】

【００２９】
この場合の結像光学系のＭＴＦは、図２のグラフに示すようになっている。この場合、結像レンズ１のレンズ口径は比較的小さいので、一般的な波面収差の劣化は小さいが、ドーム状の窓２に入射する光束に対し、サジタル方向とタンジェンシャル方向とで屈折作用が異なるために大きな非点隔差が生じ、図５の従来技術に示すようにくさび状プリズムペア５を挿入しない状態では、そのＭＴＦは図７（従来技術）に示す如く上記２方向で互いに大きくずれた曲線形状となる。
【００３０】
ここでは結像レンズ１の射出瞳位置がプリズム５から比較的遠くにあるため、各くさび状プリズム５ａ,５ｂの入射出面を光軸に垂直にした状態では広い画角において非点隔差の補正バランスを採ることが困難であり、図１に示すようにプリズムペア１５全体を傾けて配置することにより解決している。
【００３１】
次に、赤外線センサ用の結像光学系（結像レンズ１１およびくさび状プリズムペア１５；以下同じ）の具体的実施例について表２を用いて説明する。なお、下記表２に示すデータ値に付された正負の符号は、光の進行方向を正としている。
【００３２】
【表２】

【００３３】
この場合の結像光学系１１のＭＴＦは、図３のグラフに示すようになっている。この場合、結像光学系１５のレンズは大口径であり、また窓２の形成材料の屈折率が大きいので、図６の従来技術に示すようにくさび状プリズムペア１５を挿入しない状態では図８のＭＴＦグラフに示すように性能の劣化が著しい。
【００３４】
ここでは、屈折力の大きいくさび状プリズムペア１５の各くさび状プリズム１５ａ,１５ｂを狭いエアギャップを介して配置している。なお、各くさび状プリズム１５ａ,１５ｂの頂角は比較的大きくないが、くさび状プリズムペア１５を形成するＳｉの屈折率が大きいので屈折力としては大きいものとなっている。
【００３５】
なお、本発明の結像光学系としては上記実施形態のものに限られるものではなく、例えば上記各実施例で示した補正プリズムの頂角、エアギャップ量、光軸に対する傾き等は、補正プリズムや窓の形成材料（屈折率）、各光学要素の口径や厚み、窓の曲率中心と結像光学系の光軸のずれ量、入射瞳位置、射出瞳位置、結像光学系のＦno等の各条件により、その最適な数値が異なってくるから、これら各条件の設定数値を勘案して光学性能が良好な状態となるように、その値を設定すればよい。
【００３６】
また、上記実施例では、互いに異なる波長帯域において用いられる２つのセンサ用結像光学系をポッド内に収納配設する場合を示しているが、これに代えて倍率が互いに異なる２つの結像光学系を並列配置する場合に同様に適用することができる。
さらに、ポッド内において、窓の中心軸からずれた位置に光軸を有する１つの結像光学系を配設する場合にも本発明を適用することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の結像光学系によれば、航空機や飛翔体等の外壁部に設けられた、ドーム状の透明体からなる窓を有するポッド内にセンサ用の結像光学系を配設する際に、この結像光学系とその結像位置との間に、２つのくさび状プリズムが所定のエアギャップを介して対向してなるくさび状プリズムペアを配置しており、上記ドーム状窓の曲率中心を含まない軸を光軸とする結像光学系をこのポッド内に配置するような場合にも、ドーム状窓の曲率中心と結像光学系の光軸とのずれにより生じる非点収差やそれ以外の波面収差を良好に防止することが可能である。
【００３８】
これにより、ドーム状の窓を有する一つのポッド内に視野や波長域の異なる２系列の光学系を並列配置する場合に、他方の光学系によって設計上の制約をうけることなく個々の光学的な性能（ＭＴＦ性能、透過率等）の最適化が可能となり、従来技術に比べその組合せの自由度を飛躍的に増やすことが可能となる。
【００３９】
また、本発明の結像光学系において、結像光学系を窓の曲率中心をジンバル中心として回動可能となるように構成すれば、窓が曲率中心を中心とした球面形状をなしているため、被検体情報の検出感度を高めるためにこの結像光学系を被検体方向に回動させる場合にも、入射光束に対する、窓と結像光学系との光学的な位置関係は実質的に変化せず、常に結像性能を良好な状態に維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる結像光学系を示す概略図
【図２】図１に示す可視光センサ用結像光学系のＭＴＦを示すグラフ
【図３】図１に示す赤外線センサ用結像光学系のＭＴＦを示すグラフ
【図４】従来技術にかかる結像光学系を示す概略図
【図５】従来技術にかかる結像光学系を示す概略図
【図６】従来技術にかかる結像光学系を示す概略図
【図７】図５に示す可視光センサ用結像光学系のＭＴＦを示すグラフ
【図８】図６に示す赤外線センサ用結像光学系のＭＴＦを示すグラフ
【符号の説明】
１、１１、１０１結像レンズ
２、１０２窓
３、１０３ポッド
４、１４撮像面
５、１５くさび状プリズムペア
５ａ,５ｂ、１５ａ,１５ｂくさび状プリズム
６、１６開口絞り
Ｏ窓の曲率中心
Ｗ中心軸
Ｘ、Ｘ1、Ｘ2 光軸

Claims

外方に凸のドーム状透明体からなる窓を有する室内に、前記窓の曲率中心を含まない軸をそれぞれ光軸とする複数の結像レンズ系が並列配置されてなる結像光学系において、
前記複数の結像レンズ系は、口径が互いに異なる大きさに構成されるとともに、結像レンズとその結像位置との間に、くさび状プリズムペアがそれぞれ配置されており、
前記くさび状プリズムペアは、略同一の頂角を有する２つのくさび状プリズムを、その上下左右を互いに反転させた状態で略平行なエアギャップを介して互いに対向させ、かつこの対向する２つの面が前記光軸と前記曲率中心を含む面に対して垂直となるように配置されてなり、
前記くさび状プリズムペアのうち結像側のくさび状プリズムはその頂角を前記光軸の前記曲率中心側に向けるように配置されてなり、
前記複数の結像レンズ系のうち前記口径が比較的大きい結像レンズ系に配置された前記くさび状プリズムペアは、前記口径が比較的小さい結像レンズ系に配置された前記くさび状プリズムペアに比べて、屈折力が大きく、かつ前記エアギャップの量が小さく設定されている、ことを特徴とする結像光学系。
前記口径が比較的大きい結像レンズ系に配置されたくさび状プリズムペアは、前記口径が比較的小さい結像レンズ系に配置されたくさび状プリズムペアに比べて、屈折率が大きい材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の結像光学系。
前記結像レンズ系が２つであり、これら２つの結像レンズ系の光軸が互いに前記窓の中心軸を挟んで略対向する位置に配されることを特徴とする請求項１または２記載の結像光学系。
前記結像レンズ系が、前記窓の曲率中心をジンバル中心として回動可能に構成されてなることを特徴とする請求項１〜３までのいずれか１項記載の結像光学系。