JP3967784B2 - パノラマシーンを観察するための光学機器アセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は光学システムに関し、特に、パノラマシーンを平坦な焦点面に撮像するための光学システムに関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
既存の広視野センサは、３６０度への方位性能をパノラマフォーマットに与える効率的な凝視光学システムを、簡単な光学システムと、単一の正方形または長方形の焦点面を支持することのできる焦点面フォーマットとに組合さない。魚眼レンズおよびその派生物はその視界角が増すにつれてひどく歪曲した瞳孔を有し得る。魚眼レンズのより大きな視界角は中央システムの瞳孔区域の１０％未満を規定する瞳孔を有し得る。このために、著しく、主軸のより高い角度でエレベーション解像度が歪曲し、感度が低下する。したがって、結果として生じる、同様の性能を与えるシステムは相対的に大きく、高価である。走査システムは、非常に速い走査時間での感度を与えるために長い再訪時間または大きい光学機器を有する。
【０００３】
ジェイ・フーロイ（J. Fouilloy ）による米国特許第５，４０２，１６８号は、光学機械式映写機および走査システムを必要とするカメラ概念を開示する。
【０００４】
エム・ノーブル（M. Noble）らによる米国特許第４，９９４，６７０号はディザ走査される多数の口径のパノラマセンサを開示する。
【０００５】
ピー・グレガス（P. Greguss）による米国特許第４，５６６，７６３号は、光線が初期の光学機器の主軸を通る撮像ブロックを開示する。この発明は射出瞳を有する。画像を生成するための、重要な光学的に電力を与えられた面が１つだけある。
【０００６】
エム・ガーニ（M. Gurnee ）による米国特許第４，４４６，３７２号は検出器コールドシールドを開示する。
【０００７】
ジー・ローゼンダール（G. Rosendahl）らによる米国特許第４，３９５，０９３号は、屈折素子の複雑な配置に撮像して色補正および視野補正を行なうために用いられる１対の双曲的反射面を説明する。
【０００８】
ジー・ローゼンダール（G. Rosendahl）らによる米国特許第４，０１２，１２６号は、屈折素子の複雑な配置に撮像して色補正および視野補正を行なうために用いられる１対の双曲的反射面を説明する。
【０００９】
ダブリュー・ダイクス（W. Dykes）による米国特許第３，９９８，５３２号はフィルムとともに用いるための映写装置を開示する。最終的な光学素子は凸凸映写機およびウィンドウである。
【００１０】
ピー・トロッタ（P. Trotta ）による米国特許第３，９７７，７９３号は走査放射エネルギ受信機を開示する。
【００１１】
ジェイ・ウルフ（J. Wolfe）による米国特許第３，８９４，７９８号は走査上の発明を開示する。
【００１２】
イー・クーパー（E. Cooper ）らによる米国特許第３，７８１，５５９号はさまざまな視野で視野を走査するための手順を開示する。
【００１３】
エイチ・ブラーチボウゲル（H. Brachvogel ）による米国特許第３，５５２，８２０号は、エネルギを再撮像群に伝える屈折第１素子の組を説明する。
【００１４】
イー・エフ・ポンスレ（E. F. Poncelet）による米国特許第３，５１４，１８６号はダブリュー・エイ・エアズ（W. A. Ayres ）（２，２４４，２３５）の発明のものと類似した欠点を有する。ポンスレの第１素子はそれを通して画像が屈折される球である。一方、エアズの第１素子は反射球である。
【００１５】
エイ・アール・トカーツフスキ（A. R. Tokarzewski ）による米国特許第３，２８３，６５３号は、円錐形区分を含む多くの複雑な環状レンズ形状の屈折設計を開示する。
【００１６】
エイチ・ブリューゲマン（H. Brueggemann）による米国特許第３，２０３，３２８号は、球面に先行する双曲面を光路が含む装置を開示する。この光路によって必要とされる焦点面構成は環状焦点面を必要とする。１次光学機器から球状の２次光学機器へと伝わるエネルギは焦点面の中心を通過する。このために、従来の焦点面でこの概念が用いられることが妨げられる。
【００１７】
エイ・ブーワーズ（A. Bouwers）による米国特許第２，２９３，２２０号および第３，１５１，５２４号は、その第１素子が反射トロイドである広角カメラレンズを有する発明を開示する。
【００１８】
ディー・アール・ビュッシェル（D. R. Buchele ）による米国特許第２，６３８，０３３号は上述の米国特許第４，５６６，７６３号に類似した屈折概念を説明する。
【００１９】
ダブリュー・エイ・エアズ（W. A. Ayres ）による米国特許第２，２４４，２３５号は反射球面第１素子を開示する。このアプローチは容認不可能な歪曲を生じる。エレベーションのより高い角が焦点面上で非常に短縮され、エレベーションのより低い角が方位解像度においてひどく制限される。
【００２０】
ジェイ・シー・カーンズ（J. C. Karnes）による米国特許第１，７９７，８６７号は、第１素子として凸凹反射素子を含むパノラマまたはオムニスコープ光学機器を開示する。このアプローチは解像された画像および瞳孔を生じる重要な問題を有する。焦点面領域の実現は、経済的な焦点面配置を支持しない分散したトロイド区分である。
【００２１】
ディー・リーズ（D. Rees ）によるカナダ特許第８７８，１６２号はテレビジョンシステムを用いるパノラマ観察システムを開示する。この発明はトロイド透過第１素子を教示する。
【００２２】
ワイ・タマガワ（Y. Tamagawa ）による日本特許第６３−１７２２０９号はオフ軸放射を赤外線検出器に制限するための手順を説明する。
【００２３】
【発明の概要】
この発明は、光軸から９０°よりも大きい入射角でパノラマシーンを観察するための光学機器アセンブリである。光学機器アセンブリは複数個の光学素子を含む。第１の素子は好ましくは、複数個の屈折素子を含む再撮像群の主軸に直交して装着されたフラットミラーである。フラットミラーは再撮像群の第１の素子上か、またはその近くに装着される。再撮像群は広角魚眼型レンズまたは他の広視野再撮像器であってもよい。フラットミラーは、光軸から９０°よりも大きい角度で届くパノラマ画像を９０°未満のパノラマ画像に変換するために用いられる。より狭い視野画像への変換がこの発明の基本原理である。撮像されるシーンが局所水平線よりも下である間に撮像群の主光線が上を指すように、フラットミラーは好ましくは再撮像群の光軸に直角に装着される。センサの視界の環状視野には固有の障害がない。光リレーシステムは反射されたシーンから光を受け、光学機器アセンブリの焦点距離を確立し、再撮像群によって形成された実瞳孔で生じた瞳孔収差を補正し、視野収差を補正し、平坦な焦点面アセンブリ上に９０°以上の環状画像を生成する。光学機器アセンブリは、パノラマシーンにわたって光学機器アセンブリの出力光軸にほぼ直角をなす視界角で小さいＦナンバーを生じる。
【００２４】
この発明は、３６０°までのパノラマ性能を保ちながら、エレベーション視界角において屈折魚眼レンズよりも少ない幾何学的歪曲で、光軸から９０°以上の角度での効率のより高いエネルギ収集を可能にする。光学機器アセンブリは、光学機器アセンブリの出力光軸から９０°よりも大きい角度で、パノラマシーンの光からの入射視界角に対する小さいＦナンバーを生じる。ここで用いられるように、用語「Ｆナンバー」は焦点距離を有効口径で割ったものを指す。用語「小さい」は１．５未満のＦナンバーを指す。
【００２５】
この発明は、高い可能性の空間解像度を有する、小型で経済的に製造可能な光学機器を提供する。これが従来の焦点面アレイの使用を可能にするのは、個々のユニットが全パノラマシーンを読出すか、または、各々がシーンの１区分を読出す多数の焦点面を利用し、焦点面が密接に当接されることを必要としないためである。
【００２６】
この発明のあらゆる実施例が画像を補正するための多数の面を含む。これらの面は、向上された解像度と焦点面の視野平坦化とをもたらす。この発明における重要な要素は、同様の視界角の従来の魚眼レンズを超えて性能が改良され、すべて口径より下の電子機器にセンサを装着する際に固有の障害がなく、センサを製造するためのコストが低いと予期されることである。
【００２７】
米国特許第４，９９４，６７０号に開示される装置とは異なり、この発明は走査された画像を生成するためにディザシステムを必要としない。この発明は、フレーム区別のためのフレーム間の優れた位置合わせと、背景および固定したパターンのノイズ除去と、ランダムノイズを減少させるための複数のフレームの統合とを備えた真の凝視センサである。この発明はパノラマシーンをカバーするために多数の口径を必要としない。この発明は全体の画像を生成するために焦点面アレイと関連してスリットを必要としない。この発明は可視および／または赤外線の両方で用いられ得る。これは全光路を通じて環状エネルギ束を有する。単一の焦点面が考慮される全視野を表示するために用いられ得る。
【００２８】
カナダ特許第８７８，１６２号に開示される装置とは異なり、この発明は初期のパノラマ素子に屈折素子を有さない。この発明は単一の屈折素子の内部に多数の反射を必要としない。この発明は赤外線スペクトルと可視スペクトルとの両方に適用されるが、カナダ特許はテレビジョンカメラまたは可視観察スクリーンでの使用を開示する。
【００２９】
米国特許第４，３９５，０９３号に開示される装置とは異なり、この発明は映写機ではなく、主にセンサを意図する。この発明は電力を与えられない面をその第１の光学構成要素として利用するが、第４，３９５，０９３号の特許はそれが始めに瞳孔を作り出すためにいくつかの双曲面を利用する。
【００３０】
米国特許第３，２０３，３２８号に開示される装置とは異なり、この発明は冷却検出器で動作できる。さらに、上述のように、この発明は電力を与えられない面をその第１の光学構成要素として利用する。第３，２０３，３２８号の特許はそれが始めに瞳孔を作り出すためにいくつかの電力を与えられた光学面を利用する。
【００３１】
米国特許第３，２８３，６５３号に開示される装置とは異なり、この発明は標準的な光学形状を用いる。
【００３２】
米国特許第２，６３８，０３３号に開示される装置とは異なり、この発明は単一の光学素子内で多数の内部反射を必要としない。第２，６３８，０３３号の特許は赤外線センサまたは広いスペクトル帯に必要な熱分離に取組まない。なぜなら、スペクトル補償に示される補正がないからである。
【００３３】
米国特許第３，５５２，８２０号に開示される装置とは異なり、この発明は透過面を反射性に変えるために材料の屈折率に頼らない。
【００３４】
この発明の光学機器アセンブリは、可視または赤外線スペクトルの光軸から９０°よりも大きく１４５°よりも小さい角度で、パノラマシーンからエネルギを集め、森林火災、または、マストまたは塔の周りの外辺部の侵入のような脅威に対する分析または処置のために、撮像されたデータを提供できる。このセンサは凝視システムであり、このために、高い休止時間で時間的収集モードが非常に効率的になる。
【００３５】
この発明の他の目的、利点、および新規な特徴は、添付の図面と関連して検討されるとこの発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００３６】
図中の同じ要素または部分は、同じ参照番号によって示される。
【００３７】
【好ましい実施例の詳細な説明】
次に、図面とそこに印をつけられた参照番号とを参照すると、図１および図２は、一般に１００として示される、この発明の光学機器アセンブリの好ましい実施例を示す。光学機器アセンブリ１００は一般に２００として示されるデューアアセンブリによって支持される。デューアアセンブリ２００はまた、焦点面アレイおよび冷却器を支持し、これら２つのアイテムは一般に３００として集合的に示される。一般に５００として示される環境カバーが設けられる。デューアアセンブリ２００は、光学機器アセンブリ１００と、電子機器、センサ台、および、集合的に４００として示される、アンテナ、太陽エネルギパネルなどのような他の補助的な構成要素との間のインタフェースとなる。
【００３８】
外部環境アセンブリは、ルーフ５０２と、光学機器アセンブリ１００、補助的な構成要素４００、およびデューアアセンブリ２００を取囲む物理的ボックスを完成させる環境クローズアウト５０６とを含む。冷却器アセンブリ３０２は、装着プレート４０２に取付けられた支持構造２０２に取付けられる。冷却器３０２はたとえば、多様な製造業者から入手可能な標準的な熱電冷却器であってもよい。デューアシェル２０４は構造２０２およびウィンドウ２０６に密封される。ピンチオフチューブ２０８はデューアアセンブリ２００の排出のために設けられる。電気フィードスルー２１０は構造２０２に設けられる。検出器ハウジング３０４の冷却される部分は冷却器３０２上に装着される。これは業界で標準的な構成要素である。平坦な焦点面アセンブリ３０６は、ロックウェル・インターナショナル（Rockwell International）から入手可能な２５６Ｘ２５６水銀カドミウムテルル化物アレイのような標準的なアレイ焦点面を含む。コールドフィルタ３０８は限られた帯域幅の放射を焦点面アセンブリ３０６に与え、焦点面アセンブリの感度を高める。デューア２０４の内部面と検出器ハウジング３０４の外部面とがコーティングされて、２つの面の間での熱伝導を最小にする。焦点面アセンブリ３０６および温度センサ（図示せず）からフィードスルー２１０への電気ワイヤ３１０は好ましくは、ニッケルから形成された、極めて細かいワイヤ、すなわちConstantin（商標）またはManganin（商標）から作られて、ワイヤで失われる熱エネルギを減少させる。ワイヤ３１２はフィードスルー２１０を電子機器４０４に接続する。
【００３９】
デューアシェル２０４の頂部は光学機器アセンブリ１００の光学機器ハウジング１０２を支持する。光学機器ハウジング１０２は複数個の屈折素子１０４、１０８と光リレーシステム１１２とを支持する。（光リレーシステムは付加的な屈折素子を含んでもよい。）設計の変化には、シーンの画像に必要とされる忠実度の度合に依存して多少の屈折素子が必要とされ得る。屈折素子１０４、１０８は広角魚眼型角度から光をもたらして実瞳孔１１４で結像する。素子１０４、１０８はたとえばシリコンまたはゲルマニウムから形成され得る。素子１０４と素子１０８との間には領域１０６がある。より高い精度をボケの円の大きさに必要とする構成では、１０４、１０６、および１０８を占める領域が、セレン化亜鉛レンズ、ゲルマニウムレンズ、およびセレン化亜鉛レンズを含むレンズトリプレットを含み得る。次に、瞳孔が光リレーシステム１１２によって焦点面アセンブリ３０６に再結像される。光リレーシステム１１２はシリコン構成要素を含んでもよい。１０２４×１０２４の大きさのアレイで見られ得るようにピクセル素子がより小さいためにより高い忠実度がボケの円で必要とされるならば、光リレーシステム１１２の上方の空間１１０はさらなるシリコンレンズで満たされ得る。平坦な反射素子またはプレート１１６が屈折素子１０４の頂部上に装着され、光学システム１００の主軸、すなわち光軸１２０で軸方向に対称的である。
【００４０】
動作中、水平位置から約−５°ないし約−４５°、すなわち光軸から９５°ないし１３５°のエレベーション角で、パノラマシーンからの、参照番号１１９によって示される入ってくるエネルギは口径１２２に入り、平坦な反射素子１１６によって反射される。（光軸１２０の方向はレンズの組において始まり、シーンに向けられると規定される。）エネルギは実瞳孔１１４へ移され、そこから光リレーシステム１１２に移される。光学素子１１６、１０４、１０８、１１２は真空クローズアウト２０６およびコールドフィルタ３０８を介してシーンの広角平坦画像を与える。残りのエネルギは焦点面アセンブリ３０６に焦点合わせされる。
【００４１】
図２は、環境エンクロージャ５００と、装着プレート４０２上に載るフレーム５０６に嵌まる円筒光ウィンドウ５０４とのルーフ５０２を示す。デューアシールド２０４およびウィンドウ２０６は、それ自体電子機器パッケージ４０４の頂部である構造２０２上に装着される。光学機器ハウジング１０２はデューアシェル２０４上に装着され、それに光学的に位置合わせされる。第１の屈折素子１０４と平坦な反射プレート１１６とが示される。
【００４２】
図３の曲線２は、考慮される２１０°の視野のために設計された従来の魚眼レンズにおける実瞳孔の圧縮の効果を示す。この図のデータはカリフォルニア州マリーナ・デル・レイ（Marina Del Rey, California）のミルトン・レイキン（Milton Laikin ）による著作「レンズ設計」（“Lens Design ”）から抽出かつ変更される。魚眼レンズが、天底位置を見るレンズの主光線で、水平線より下方を撮像するために用いられるならば、群の能力が曲線１に示される。曲線１を生じる配置での問題は、支持構造が視界の一部を塞ぐことである。曲線２は最も関心のある角度での感度を明らかに欠いている。この発明の原則が用いられる場合、曲線１の圧縮比は天頂を指す主光線で生じられる。支持構造は視野の部分を塞がない。−５°ないし−４５°での圧縮比の変化は４０°のこの範囲にわたって２の因数未満である。
【００４３】
図４は、画像セントロイドからの半径の関数として−１５°の観察に対するエンサークルドエネルギの予測される関数を示す。これらの多色のエンサークルドエネルギプロットは、２５６ピクセル幅の視野に対してＺＥＭＡＸコンピュータソフトウェアを用いて計算される。この図は、特徴的なスポット直径が３０ミクロンの直径よりも小さいことを示す。これは８２％のエンサークルドエネルギレベルで確立される。
【００４４】
図５は、向上された、または２色の瞬間視野（ＩＦＯＶ）が必要とされるときに多数の焦点面がいかに用いられ得るかを示す。ダイクロイックビームスプリッタまたは共用エネルギビームスプリッタ１３０が複数個の最後の屈折素子１０８（この図には示されない）から光を受取るために位置決めされる。ダイクロイックビームスプリッタは１つの波長体を反射し、別のものを透過する。受取られた光の第１の部分１３２が反射され、第１の再撮像光学群１３４を介して平坦な焦点面アセンブリの第１の平坦な焦点面サブアセンブリ１３６に向けられる。受取られた光の第２の部分１３８が同一の第２の再撮像光学群１４０を介して平坦な焦点面アセンブリの第２の平坦な焦点面サブアセンブリ１４２に透過され、かつ向けられる。共用エネルギビームスプリッタが用いられるとき、多数の焦点面が解像度を高めるために用いられる。第１および第２の焦点面サブアセンブリ１３６、１４２が、各焦点面サブアセンブリの焦点面を光学的に当接させるために互いに関してクロックされる。この実施例の不利点はコストである。より大きな単一の焦点面が、解像度を高める、向上された、コスト面で効果的な方法であると理解される。各群の焦点面は上述のように、２つの焦点面サブアセンブリの焦点面間に小さい重複をもたらすためにクロックされる。ビームスプリッタ１３０は３つの領域を含む区分に分割される。第１の領域は入ってくるエネルギの９０％を単一の焦点面群に送る。エネルギが２つの焦点面間で分割される小さい中間領域がある。この領域は各焦点面に入るエネルギの４５％よりも多くを生じる。第３の領域は入ってくるエネルギの９０％を第２の焦点面群に送る。
【００４５】
図６は、上述の光学機器アセンブリ１００に望遠鏡６００を付加した様子を示す。望遠鏡６００は好ましくは２軸ジンバル狭視野型である。望遠鏡６００は平坦な反射素子１１６上に装着される。望遠鏡６００は増強された光の結像を集め、増強された光の結像を平坦な反射素子１１６に形成された開口部を介して透過する。望遠鏡６００は所望の方向に向けられ得る。増強された光のエネルギは屈折素子１０４、１０８および１１２を介して透過されて、他の状況ではおそらく用いられない、焦点合わせされた画像を平坦な焦点面アセンブリ３０６の中心に形成する。広視野センサによって検出される所望の特定的な物体を識別するための固有の高いＩＦＯＶでの改良点なしに、パノラマ光学機器アセンブリよりも遙に小さい、考慮される視野で、情報を観察するためのエレベーションおよび包囲において望遠鏡が駆動される。望遠鏡６００は、広視野センサからの位置を知ることによって所望の視野に駆動される。この改良点の影響は多大なものである。たとえば、望遠鏡が正確な位置に向けられると、生成された画像は顔の特徴またはナンバープレートの番号を検出することが可能である。
【００４６】
ここに説明されたこの発明の概念は広範囲の大きさおよびＩＦＯＶに適用可能である。Ｆ／♯が一定に保たれるならば、収集光学機器の大きさは焦点面アレイ（ＦＰＡ）の物理的な大きさによって決定される。光学機器システムのＩＦＯＶ解像度は環状平面でのピクセルの数によって決定される。便宜上、面積対焦点面（area-to-focal plane ）印字直径に相当するものが用いられる。２５６² ＦＰＡが８ミリラジアンの名目上のＩＦＯＶを有するならば、１０２４² ＦＰＡは２５６のそれの２５６／１０２４または１／４ＩＦＯＶ、すなわち２ミリラジアンのＩＦＯＶを有する。
【００４７】
光学機器アセンブリの大きさはＦＰＡの幅に比例し、解像度は示される直径におけるピクセルの数と反比例する。センサの解像度が高まる（すなわち、ＩＦＯＶが小さくなる）につれ、光学機器の数が段階的に増加する。
【００４８】
明らかに、この発明の多くの変更および変化が上の教示を考慮して可能である。したがって、前掲の特許請求の範囲の範疇内でこの発明は具体的に説明されたものとは異なって実行され得ることを理解されたい。請求かつ所望される内容は米国の公告状によって保証される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を組入れる光学機器アセンブリの第１の実施例の素子の配置および関連を、その光学機能と関連して示す断面図である。
【図２】わかりやすくするためにいくつかの構成要素が省略された、図１の実施例の展開斜視図である。
【図３】典型的な実施例に対するエレベーション角の関数として、典型的な魚眼レンズとこの発明との圧縮比を比較するグラフ図である。
【図４】多色かつ幾何学的エンサークルドエネルギを示す、セントロイド（ミクロン）からの半径に対するエンサークルドエネルギの割合のグラフ図である。
【図５】多数の焦点面を使用することが２つの異なったスペクトル帯の瞬間視野を生じることを示す光リレー追跡図である。
【図６】他の方法では用いられない焦点面区域を利用して小さい視野解像度を高めるための望遠鏡での、この発明の原則の利用を示す斜視部分断面図である。
【符号の説明】
１００ 光学機器アセンブリ
１０４ 屈折素子
１０８ 屈折素子
１１２ 光リレーシステム
１１４ 実瞳孔
１１６ 反射素子
３０６ 焦点面アセンブリ

Claims (2)

1. パノラマシーンを観察するための光学機器アセンブリであって、
   複数個の光学素子を含み、前記光学素子は、
   パノラマシーンから光を再び方向づけるための平坦な反射素子と、
   継続的に、前記反射素子から前記再び方向づけられた光を受取り、実瞳孔を生じる複数個の屈折素子と、
   最後の前記複数個の屈折素子から光を受取り、光学機器アセンブリの焦点距離を確立し、前記実瞳孔で生じる瞳孔収差を補正し、視野収差を補正し、平坦な焦点面アセンブリ上に環状画像を生成するための光リレーシステムとを含み、
   前記光学機器アセンブリは、前記光学機器アセンブリの光軸に対してほぼ直角である前記パノラマシーンの前記光からの視界角に対して小さいＦナンバーを生じ、
   前記平坦な反射素子はそこに形成された開口部を有し、前記光学機器アセンブリはさらに、
   前記平坦な反射素子上に装着された２軸ジンバル狭視野望遠鏡を含み、前記望遠鏡は増強された光の結像を集め、かつ前記平坦な反射素子に形成された前記開口部を介して前記増強された光の結像を透過するためのものであり、前記望遠鏡は所望の方向に向けられることができ、前記増強された光の結像は前記複数個の屈折素子を透過されて、焦点合わせされた画像を前記平坦な焦点面アセンブリの中心に形成する、光学機器アセンブリ。
2. 前記光リレーシステムは、
   前記最後の前記複数個の屈折素子から光を受取るように位置決めされたビームスプリッタと、
   第１の再撮像光学群を介して前記平坦な焦点面アセンブリの第１の平坦な焦点面サブアセンブリに反射されかつ向けられる、前記受取られた光の第１の部分と、
   第２の再撮像光学群を介して前記平坦な焦点面アセンブリの第２の平坦な焦点面サブアセンブリに透過されかつ向けられる、前記受取られた光の第２の部分とを含み、
   前記第１および第２の平坦な焦点面サブアセンブリは、各面のサブアセンブリの焦点面を光学的に当接させるように互いに対してクロックされる、請求項１に記載の光学機器アセンブリ。

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