JP4422216B2 - 屈折回折性赤外線画像装置と光学機構 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、赤外線画像レンズシステム、特に、色収差又は視野収差を修正する回折面を使用するＩＲ画像装置に関する。
背景技術
異なる振動数の光は、レンズを通過した後は、同一の位置に集束しないことは知られている。この理由で、色補正が、従来技術のレンズ系では構築されていた。これは、可視光を焦点させるレンズ系だけでなく、赤外線レンズ系でも当てはまる。典型的な赤外線（ＩＲ）系は、適度の波長バンド、例えば、おおよそ３〜５ミクロン、あるいは８〜１２ミクロンにわたって動作する。さらに、たいていのレンズ、特に球面レンズは、非点収差及びコマ収差を含む視野収差を生じる。
図１は、従来の単一視界（field of view, FOV）画像装置を示す。これは、対物レンズ１０、色補正レンズ１２及び視野レンズの３つの屈折素子を含む。対物レンズ１０は、主要な焦点素子であり、最も倍率が高く、収束レンズである。対物レンズは、画像にされるべき所望の対象物からの光を集め、このエネルギーを検出器上に焦点させる。対物レンズは、通常は、ゲルマニウムの高い屈折率と低い分散により、ゲルマニウムから作られる。分散は、波長に伴う屈折率の変化であり、各波長をわずかに異なる位置に焦点させる。８〜１２ミクロンの波長について、多重の焦点が生じると、画像がぼやける。こうして、色補正レンズが必要となる。色補正レンズは、負の倍率で高い分散性の材料であり、共通の焦点に所望の全ての波長の光を収束させるのに使用される。色補正レンズは、通常は、セレン化亜鉛から作られる。視野レンズ１４は、正の倍率のレンズで、視界又は画像の収差、例えば、非点収差やコマ収差を補正するものである。視野レンズは、通常は、ゲルマニウムから作られている。
発明の概要
回折光学部品又は回折光学素子の用語は、その動作が光の波動性の利用に基づいた光学素子を指している。この広い概念は、いくつかの小概念に区分できる。回折レンズは、従来の屈折レンズと同様の機能、例えば、画像形成する機能を果たす素子である。キノフォルムは回折素子で、その位相変調が表面のレリーフパターンにより導入される。二進数光学系（binary optics）は、写真リトグラフ技術によって作られたキノフォルムであり、所望の形状の「一段（a stair-step）」近似である。リトグラフの各段は、２倍だけ表面でレベルの数を増加させ、ここから二進数光学系の用語が来ている。
この光学部品の２つの文献が、Verdkampらの「二進数光学機構（binary optics）」Scientific American, May 1992, pp. 92-97及び、Swansonら「赤外線系に利用のための回折光学素子」Optical Engineering Vol. 28. No. 6, Jun., 1989, pp.605-608.がある。最近、Verdkampは、キノフォーム表面画像に近似した写真リトグラフを使用している。極く最近では、われわれは、ダイヤモンド点回転を使用して長い波長（１０ミクロン）ＩＲ光学装置のための適当なキノフォームを作って、２進数近似を避けている。
その分散性により、回折素子は、色補正のために使用される。回折光学素子は、白色光をスペクトルの一端で赤から他端で青に分解する点で高度に分散的である。この分散は、たいていのガラスのそれとは符号において反対であり、従来のレンズの分散性を相殺するであろう。それゆえ、狭い波長バンドでは、従来の光学部品と組み合わせて、ガラスの分散特性から生じる着色収差が軽減する。
通常は、ガラスレンズに関して、回折面は、ダイヤモンド点回転で作られ、パターン化され、エッチングされるなどで形成される。キノフォームは、回折素子であり、その位相変調が表面の凹凸パターンにより生じる。回折光学表面は、ステップ関数であり、その表面は、その厚みが増加するたびに、対象の光振動数１波長分（好ましくは８ないし１２ミクロン範囲での動作で、好ましくは１０ミクロン）に正確に切り下げられている。ホログラム素子を製造するに必要なパターンは、移相を生じさせる非球面方程式の追加の項を付加することにより提供される。
図２は、従来の設計を単純化する１つの方法を示している。この改善した設計は、色補正レンズを対物レンズ上の回折面１６と置き換えた点以外は、従来の設計と似ている。回折面１６は、通常は、ダイヤモンド点回転により、対物レンズの第２の面に形成されている。図２の設計において、回折面１６は、色補正だけのために使用されている。
赤外線画像装置は、開示されている。画像装置は、赤外線透過ガラスレンズなどの表面に色補正回折パターンを有する屈折対物レンズと、実質的に平坦な表面に第１の視野補正回折パターンを有する赤外線透過ポリマー視野レンズと、から成り、第１の視野補正回折パターンが画像の収差を軽減するように動作する。いくつかの実施例では、画像装置は、視野レンズ上に第２の視野補正回折パターンをさらに含み、第１と第２の視野補正回折パターンが、画像の収差を軽減するように協動に作用する。好ましくは、対物レンズは、Ｓｅ、カルコゲニド、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ、及びＴＩ−１１７３ガラスから成る群から選ばれたガラスを有するガラスレンズである。
別の赤外線写像装置を説明する。この写像装置は、赤外線透過型色消しレンズグループから構成される。この色消しレンズグループは、赤外線透過型のガラスレンズのような屈折型対物レンズを有する。第２の赤外線透過型レンズは、表面回折パターンを有する実質的に平坦な表面を有し、この表面回折パターンは、屈折レンズと協働して色収差を低減する。写像装置はさらに、赤外線透過型のポリマー製のフィールドレンズを備えている。フィールドレンズは、第１のフィールド補正回折パターンに対して、実質的に平坦な表面を有し、このとき、第１のフィールド補正回折パターン写像収差を低減するように機能する。いくつかの実施例において、フィールドレンズはさらに、第２のフィールド補正回折パターンを有し、第１および第２のフィールド補正回折パターンは、協働して写像収差を低減する。
いくつかの実施例においては、いずれの写像装置も、１つまたはそれ以上の鏡、ウィンドウ、および／またはフィルターを備えている。いくつかの実施例では、写像装置はさらに、フィールドレンズと写像平面との間にチョッパを備えている。このチョッパにより、光エネルギを遮蔽、あるいは反射したり、または写像を害したり、その焦点をぼかしたりすることができる。いくつかの実施例において、回折表面を有さない平坦表面が、非反射型のサブ波長構造を備えている。
赤外線透過型の色消しレンズグループの一例を説明する。色消しレンズグループは、赤外線透過型のガラスレンズのような赤外線透過型の屈折型対物レンズと、表面回折パターンを含む実質的に平坦な表面を有する第２の赤外線透過型レンズと、を備え、この表面回折パターンは、反射レンズと協働して色収差を低減する。第２の赤外線透過型レンズは、ポリマー製のシートレンズであることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
図１は、従来の単一フィールド・ビュー（ＦＯＶ：field-of-view）式の写像装置の簡略図である。
図２は、対物レンズ上に回折表面を有する写像装置の簡略図である。
図３は、対物レンズおよびポリマー製のフィールドレンズの上に回折表面を有する写像装置の簡略図である。
図４は、対物レンズ上に回折表面を有する１２°水平方向のＦＯＶ写像装置を示す。
図５は、本発明の一実施例による１２°水平方向のＦＯＶ写像装置を示す。
図６は、本発明の一実施例による３°水平方向のＦＯＶ写像装置を示す。
図７は、本発明の一実施例による１２°水平方向のＦＯＶ写像装置を示す。
図８は、本発明の一実施例による１２°水平方向のＦＯＶ写像装置を示す。
図９は、本発明の一実施例による写像装置の光路上に挿入されたチョッパを示す。
図１０は、本発明の一実施例による写像装置の曲折した写像装置を示す。
図１１は、図７の写像装置の色補正屈折表面に関する位相および曲率をプロットしたものである。
図１２は、図７の写像装置の第１のフィールド補正回折表面に関する位相および曲率をプロットしたものである。
図１３は、図７の写像装置の第２のフィールド補正回折表面に関する位相および曲率をプロットしたものである。
図１４は、図４の１２°水平方向のＦＯＶ写像装置の理論的なＭＴＦを示す。
図１５は、図５の１２°水平方向のＦＯＶ写像装置の理論的なＭＴＦを示す。
図１６は、図７の１２°水平方向のＦＯＶ写像装置の理論的なＭＴＦを示す。
図１７は、図８の１２°水平方向のＦＯＶ写像装置の理論的なＭＴＦを示す。
図１８は、いくつかの種類の回折色消しレンズグループを示す。
図１９は、別の材料を用いた色補正回折レンズを有する回折色補正レンズを示す。
発明の詳細な説明
赤外線写像装置を設計する際、いくつかのパラメータが頻繁に検討される。その中には、変調変換関数（ＭＴＦ：modulation transfer function）、軸上および軸外の両方、光学的透過率、コスト、大きさ、重量、耐久性、およびリスクがある。近年設計された８ないし１２ミクロン赤外領域光の１２°水平方向のフィールド・ビュー（ＨＦＯＶ）写像装置によれば、対物レンズ上に色補正回折表面を有する従来式写像装置は、特性（ＭＴＦおよび透過率）が良好で、耐久性が高く、しかもリスクの少ないものであることが立証されてきた。図４はこの初期の設計を示すもので、図１４はこの初期設計の理論的なＭＴＦを示すものである。しかし公知技術を用いる限り、特性を維持しながら、コストおよび重量を相当に低減することは困難であった。この問題を解決すべく、本発明者は、いくつかの新しい設計手法を調査した。対物レンズおよびフィールドレンズの両方をポリマー製のレンズと置換する、または対物レンズをポリマー製の回折レンズと置換する、といった２つのアプローチは現実的ではないということが分かった。しかし、１つの設計手法は、図３で簡略した形状を示すように、有望であることが解った。この手法によれば、色補正回折表面を含むガラス製対物レンズを備えているが、非点収差補正およびコマのようなフィールド収差を補正するためにポリマー製回折レンズが使用されている。ポリマー製の回折レンズは、赤外線透過型のポリマー製シートを利用している。これは、同時継続出願の「耐久性のあるポリマー製光学システム」と題した米国特許出願第08／289404号で開示されている。このシートは、レンズの片面または両面に回折パターンを形成することにより製造される。一般に、回折パターンは埋め込まれるが、エッチングなどのような他のパターン形成方法も用いることができる。ＩＲ透過型ポリマー製シートを埋め込ム際、まずシートを柔らかくすることが望ましい。ＩＲ透過型ポリマー製シートを熱すると、柔らかくなる。１５０℃程度の温度で良好な結果が得られるが、回折パターンは冷却時に収縮するので、大きめに形成する必要がある。埋め込み型の回折パターンは、２次元近似としてもよい。しかし、埋め込みツールを純粋なキノフォームにダイヤモンドポイント転換（ＤＰＴ）することが好ましい。
この検討は、図４のデザインのＭＴＦの性能に適合するデザインを製造するのには失敗した。しかし、それより僅かに低い性能のデザインには適合可能である。図５に示す、このデザインは、また、１２度ＨＦＯＶデザインであるが、図４のデザインのものより、軽く低コストである。図１５に示すように、軸外ＭＴＦは図４のデザインのＭＴＦより、かなり性能が劣る。図５の画像装置は、色補正用回折表面１６を有する対物レンズ１０と、赤外線透過ポリマーから形成され、第１の表面回折パターン２０と第２の表面回折パターン２２とを有する実質的に平らな回折視野レンズとからなる。図５には、また、絞り２６、検出窓２４、画面３６が示されているが、赤外線装置のいくつかのタイプに通常用いられているチョッパーや走査ミラーは示されていない。図６は、３度のＨＦＯＶを有する類似のが画像装置を示している。この実施例においては、絞り２６は、対物レンズ１０の取付け面の近くに配置されている。表１には、異なるフィギュアエレメントをまとめて示している。

この特別のデザインは、第１の表面回折パターン２０と第２の表面回折パターンとを有する回折視野レンズ１８を用いている。このデザインのもう一つの実施例では、この二重パターンデザインと同じ収差を補正するために単一の回折パターンしか用いていない。第１のパターン２０と第２のパターン２２のそれぞれが、同じ収差が補正された単一パターンよりも簡単であるという理由により、二重パターンデザインはが選ばれた。１個の回折パターンを有する回折視野レンズ２０は、第１の表面回折パターン２０か第２の表面回折パターン２２のいずれかを単一の回折パターンとして用いることもできる。単一の回折パターンを有する視野レンズの利点は、レンズの一方の面を非反射のサブ波長構造（傾斜インデックスタイプ）とすることができ、フレスネル反射損失を減少させることができる。フィジカル・オプティクス社は、光学部品の平面上に非反射のサブ波長構造を形成するのに好適なエンボス用工具を製造することができる。
別の実施例によれば、対物レンズ１０から色補正回折表面が除かれている。その代り、図７に示すように、回折色補正レンズ２８の上に色補正回折表面１６が形成されている。この実施例では、ガラスの対物レンズ１０と回折色補正レンズ２８とで、回折色消しレンズ３０を形成している。この回折色消しレンズは、２個の回折レンズを用いる標準的な色補正型よりも低コストで軽量である。いつくかの応用においては、低コストのポリマー回折レンズを用いることにより、この回折色消しレンズが、対物レンズ上の回折表面より好ましいものとなる。回折色消しレンズを低性能のレンズと組み合わせると、例えば球表面を持った低コストの対物レンズ１０のような別の利点が生まれる。色補正回折表面１６を一部変えることにより、球状収差のような非理想対物レンズに起因する収差もまた補正することができる。また、単一の回折表面より単純な２個の回折表面に分け、回折レンズ２８のそれぞれの面の上にその２個の回折表面を形成しても良い。もし、回折レンズ２８の一方の面にしか回折表面がない場合には、以下に述べるように、非反射サブ波長構造を他方の面に形成することが好ましい。
表２は、この態様における仕様を示しており、図１６は、そのＭＴＦ特性を示している。図１１、図１２及び図１３は、各々、色補正回折表面１６、第1のフィールド補正回折表面、及び第２のフィールド補正回折表面２２に関する位相対半径プロットを示す。尚、これらの内容は例示に過ぎず、本発明を限定するものではない点に留意されたい。

非球面式：

ここで、ＣＣ＝１／ＲＤ、Ｙは、半径である。
回折式：

ここで、Ｎ₁＝１．５０、Ｎ₂＝１、Ｌａｍｂｄａ＝１０．２μｍ、Ｈｏｒ＝−１、Ｙは半径である。
図８は、本発明の別の態様を示す。この態様においては、従来の屈折型フィールドレンズ１４を、図７に示した回折型色消しレンズ３０と共に用いる。図１７から、この型が、図７に示した型よりも優れた軸外ＭＴＦ特性を示すことがわかる。図９は、図７と同様の構成であるが、ウィンドウ２４の前にチョッパ３２を備えた赤外撮像装置を示す。このチョッパは、ある型のステアリング赤外システム（staring IR system）において必要とされる、像面３６への入射光のエネルギの変調を行う。多くの型のチョッパが知られている。ある型のチョッパは、光学的に透明な窓であって、その窓の一部が不透明なパターンとなっている。動作時には、チョッパ３２は回転する。チョッパの不透明な部分が光束にかかると、その不透明な部分が（少なくとも画面の一部分の）光エネルギーを遮り、像面に配置された検出器に到達させないようにする。他のチョッパでは、この不透明な領域を光学素子で置きかえる。ある例では、光拡散板や、マイクロレンズアレイ等の光学素子を用いて、像面における像の焦点をぼかしたり、乱したりする。これらのチョッパにおいては、光学パワーを有する素子を用いるが、そうした素子を結像させるために用いるのではなく、像を乱すために用いる。チョッパ３２は、光線束が小さな位置に配置するのが一般的である。例えば、フィールドレンズ１８とウィンドウ２４の間などである。しかし、チョッパを他の位置に置くようにしても良い。
図１０は、図７と同様の構成であるが、回折型色消しレンズ３０と回折型フィールドレンズ１８の間に折り返しミラー３４を備えた赤外撮像装置を示す。１以上の折り返しミラーやウィンドウのような、光学パワーを持たない素子を用いることは、一般的な技術である。スキャニングＩＲシステムだけではないが、これを含めていくつかのシステムにおいては、折り返しミラーはピボット上に取りつけても良い。これによりミラーが回転可能になり、像面３６における画面位置をずらすことができる。
本発明は、ここに述べた特定の例に限定されるものではない。これらの例は、例示的なものであって、発明を限定するものではないからである。本発明には、本発明の思想と技術範囲に入る全ての方法および構造が含まれる。例えば、回折型色消しレンズ３０について言えば、回折型色補正レンズ２８は、対物レンズ１０のフィアット（fiat）表面に配置することが好ましいが、対物レンズと離して設置しても許容できる特性を示す。さらに、前述の回折型色消しレンズ３０の例では、正のメニスカスレンズが示されているが、図１８には、回折型色消しレンズの様々な構成を示す。回折型色消しレンズは、例えば両凸レンズやメニスカスレンズ等の、正の屈折型レンズのグループ３８を備える。また、回折型色消しレンズは、両凹レンズやメニスカスレンズ等の、負の屈折型レンズのグループ４０を備えても良い。本発明は、高分子製の色補正回折型レンズに重点を置いているが、これに代えて、色補正回折表面を備えた他の透明材料を用いても良い。図１９には、厚い回折レンズを備えた回折型色消しレンズを示す。
本発明は、表面にキノフォームパターンを有する回折型光学系を用いる。しかし、バイナリ回折型（binary diffractive）や、ホログラフィーベースの回折型素子などの、他の型の回折素子を用いて、本発明における光学的な補正を行っても良い。
本発明においては、赤外透過光学系を例に説明したが、ここに述べる全ての手法と原理は可視光の光学系にも適用できる。赤外透過性の屈折又は回折素子に代えて、可視光透過性の素子を用いることができる。可視光に用いるのに好ましい回折素子は、キノフォーム回折素子ではないかも知れない。しかし、可視域の波長に用いる回折型光学素子を形成する技術は、バイナリ及びホログラフィーを含めて、これまでに数多く知られている。

Claims (21)

1. 物体側に配置されたガラスレンズと、該ガラスレンズの像側に接続され一対の平面を備える回折色補正レンズと、を有し、色収差を減少させるため上記回折色補正レンズに色補正回折表面が形成された赤外線透過対物レンズグループと、
   イメージのフィールド収差を減少させるための第１フィールド補正回折パターンを備えた実質的に平坦な表面を有する赤外線透過重合体フィールドレンズと、を備えた赤外線画像装置。
2. 上記フィールドレンズ上に第２フィールド補正回折パターンをさらに含み、上記第１及び第２フィールド補正回折パターンが上記イメージのフィールド収差を減少させるために動作する請求項１記載の画像装置。
3. 上記ガラスレンズが、Ｇｅ、カルコゲナイドガラス、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ及びＴＩ−１１７３ガラスからなる群から選択された請求項１記載の画像装置。
4. 物体側に配置された赤外線透過ガラス対物レンズと、該ガラス対物レンズの像側に接続され、上記ガラス対物レンズと協働して色収差を減少させる表面回折パターンを備えた、実質的に平坦な表面を有する赤外線透過レンズと、を具備する赤外線透過色消しレンズグループと、
   イメージのフィールド収差を減少させるために動作する第１フィールド補正回折パターンを備えた、実質的に平坦な表面を有する赤外線透過重合体フィールドレンズと、を備えた赤外線画像装置。
5. 上記フィールドレンズ上に第２フィールド補正回折パターンをさらに含み、上記第１及び第２フィールド補正回折パターンが上記イメージのフィールド収差を減少させるために動作する請求項４記載の画像装置。
6. 上記ガラス対物レンズが、Ｇｅ、カルコゲナイドガラス、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＧａＡｓ及びＴＩ−１１７３ガラスからなる群から選択されたガラスからなる請求項４記載の画像装置。
7. 折り返しミラーをさらに含む請求項４記載の画像装置。
8. 上記フィールドレンズと上記イメージの間にさらにチョッパーを含む請求項４記載の画像装置。
9. 上記対物レンズがメニスカスレンズである請求項４記載の画像装置。
10. （１）第１表面と第２表面を有する赤外線透過、反射対物レンズ及び、（２）物体側に配置された赤外線透過、反射レンズと、該透過、反射レンズの像側に接続され、上記透過、反射レンズと協働して色収差を減少させるための表面回折パターンを有する、実質的に平坦な表面を備えた赤外線透過回折レンズとを含んでいる赤外線透過色消しレンズグループからなる群から選択された対物光学構成部と、
    第３表面と第４表面とを有し、該表面のうちの１つがイメージのフィールド収差を減少させる回折パターンを含んでいる赤外線透過フィールドレンズと、を備えた画像装置であって、
    その画像装置が、光学的な能力を有していない要素を除いて、像を形成するための別のいかなる要素も使用していない赤外線画像装置。
11. 折り返しミラー、ウィンドウ及びフィルターからなる群から選択された光学要素をさらに含む請求項１０記載の画像装置。
12. 上記フィールドレンズと像平面との間にチョッパーをさらに備えている請求項１０記載の画像装置。
13. 上記チョッパーが光学エネルギーを阻止するための不透明な表面を有している請求項１２記載の画像装置。
14. 上記チョッパーが像の焦点をぼかすためのディホーカッシング光学要素を含んでいる請求項１２記載の画像装置。
15. 上記対物光学構成部が、第１および第２表面を有する反射レンズを含み、上記反射レンズの第１および第２表面のうちの１つが色補正回折パターンをさらに含む請求項１０記載の画像装置。
16. 上記フィールドレンズの上記第３及び第４表面が回折パターンを含み、その第３及び第４表面回折パターンが協働して上記像のフィールド収差を減少させる請求項１０記載の画像装置。
17. 上記フィールドレンズが重合体を含む請求項１０記載の画像装置。
18. 上記フィールドレンズの、上記回折パターンを有する表面以外の表面が、非反射サブ波長構造を有する請求項１７記載の画像装置。
19. 上記フィールドレンズが重合体を含み、上記回折パターンが浮き彫りされた請求項１０記載の画像装置。
20. 上記フィールドレンズがガラス材料を含む請求項１０記載の画像装置。
21. 上記対物光学構成部が、赤外線透過色消しレンズグループを含み、
    上記赤外線透過回折レンズの上記表面回折パターンがさらに、上記反射レンズと協働して単色収差についても減少させる請求項１０記載の画像装置。

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