JP4695072B2 - 改良された光学対称性を有する広い視野の凝視赤外線センサ用の光学系 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、赤外線（ＩＲ）を検出するために使用される光学装置に関し、とくに、デュワー内に、すなわち、焦点面および関連したＩＲ検出器装置の極低温を維持するのを助ける熱絶縁格納容器内に配置された極低温に冷却されたＩＲ焦点面の前方に配置されたウォームシールドとコールドシールドの組合せを備えたコンパクトな広角光学装置に関する。

赤外線検出器ベースの監視センサは、非常に広い角度のカバレージ、超小型のサイズ、ならびに視野（ＦＯＶ）全体にわたる高い感度および高い画像品質を示すことが理想的である。典型的な適用には、ミサイル警戒システム（ＭＷＳ）および赤外線探索および追跡（ＩＲＳＴ）システムが含まれるが、それらに限定されない。重要な別の適用には、機械的走査とは対照的な光学ベースの広角カバレージを小型化および耐久性のために使用する昼／夜エリア監視カメラが含まれている。

通常の広角レンズ系は典型的に、デュワーおよびコールドシールド技術により使用される。ＩＲセンサ装置自身のしばしば要求される小型サイズのために、再画像化光学系の使用は一般に多くの適用について排除され、その結果光学系全体に対して１つの開口絞りまたはひとみしか存在しない。実際に、開口絞りは、赤外線感度を維持するためにデュワー内に配置された“コールド絞り”である。しかしながら、結果的に得られた光学的非対称性はレンズ設計を複雑化し、それによって画像品質および画像照度を制限する。さらに、高い画像品質が維持される場合、小さい物理的寸法を実現することは困難である。さらに、収差補正が必要とされる結果、製造許容誤差が厳しいものとなり、それによって費用が増加する。

図１には、通常の広角ＩＲセンサの一例が示されている。センサ1は、画像平面2Aに配置されたＩＲ検出器2を備えている。このＩＲ検出器2は、コールド絞り3Aを規定する開口を有するコールドシールド3内に配置されている。ここでは単にデュワー4Aとも呼ばれるデュワーハウジング4Aのデュワーウインドウ4は、レンズ素子6、7、8および9から構成された多素子（この場合は４素子）レンズを含む冷却されていない光学コンポーネント5からコールド絞り3Aを分離する。保護センサドーム10またはウインドウ11は、ＩＲセンサ1の入口を規定する。１５０°の対角線視野カバレージを有するｆ：２．０レンズに対する典型的な大きさ（インチ）は、ｘ＝１．９、ｙ＝１．９およびｚ＝２．６である。ＩＲ検出器2は、情景から到達したＩＲが検出器2の放射線応答表面を横切って走査されないので、“凝視（ｓｔａｒｉｎｇ）”タイプの検出器であるということができる。

この実施形態において、コールド絞り3Aは、デュワー3内に位置する真のコールドシールド3に配置されている。小型に設計されているため、焦点面3Aからドーム10の外面までの距離は１．９インチに過ぎない。センサの深さが増加された場合、および画像形成光線の外部方向への拡散をコールド絞り3Aからの距離と適合させるようにセンサ開口が２．６インチに増加された場合には、ウインドウ11が使用されてもよい。

この通常の設計は、光学的に非対称であると言うことができる。これは、開口絞り（コールド絞り3A）を、一方の端部が画像平面2Aを有し、他方の端部がセンサドーム10の前面を有するビームの支点またはピボット点であると考えた場合に認識することができる。認識されるように、光学系が対称であったなら、開口絞りはレンズ素子7と8との間、すなわち、画像平面2Aとセンサドーム10の前面との中間に位置される。

第２の従来技術のセンサは図２に示されている。レンズは類似した小さいサイズを達成し、またコールドシールド3内の単一の絞り3Aを使用する。平坦なウインドウ11による使用向けに設計されているが、その代りに、センサハウジングの開口サイズを減少させるために低パワードーム10を使用することができる（図１のセンサにおけるように）。ほぼ１２０°の視野に対する典型的な大きさ（インチ）は、ｘ＝１．７およびｙ＝２．４である。このレンズは、広範囲にわたる電子的補償を必要とする大きい歪を与えられた画像マッピングを生じさせる。そうでなければ、性能および寸法は図１のレンズのものに類似したものになる。

第３の従来技術の設計は図３のａに示されており、現時点で一般的に譲渡されたWilliam H.Wellman氏による米国特許第 4,820,923号明細書（“Uncooled Reflective Shield for Cryogenically-Cooled Radiation Detectors”）に示されたセンサを反映している。通常の設計（図３）のコールドシールドの大きい寸法を避けるために仮想コールドシールド、または“ウォームシールド”が使用される。米国特許第 4,820,923号明細書に開示されている発明により解決された１つの問題は、通常のコールドシールド3の大きい熱質量および片持ち梁で支持される重量の存在であった。この問題は、コールドシールドの質量および長さが減少されることを可能にする多数の環状反射器の使用によって解決される。図３のａのウォームシールド設計の１つの重要な利点は、極低温に冷却されたコールドシールド3がさらに小さく形成されることが可能であり、また、必要とされる冷却が図３のｂの通常のコールドシールド3の設計より少ないことが可能なことである。

米国特許第 4,820,923号明細書の図４において、環状セグメント26bと26cとの間に配置された光学素子30が示されている（コラム６の３１〜５７行）ことが認められる。しかしながら、広角光学系において重要であるレンズの対称性の利点は考慮されていない。この特許出願明細書の図３のａは、この望遠光学系の幾何学が広角光学系のものとは全く異なっていることを示している。

小さい寸法を有することを意図された広いＦＯＶ ＩＲ画像化システムを設計しているときに発生する問題には、広い視野にわたる感度の不均一性、ゴースト画像が発生する頻度の増加およびスペクトル帯域幅の制限が含まれる。

したがって、形状がコンパクトであり、光学対称性がその達成を助けることのできる改善された光学特性を有する広いＦＯＶ ＩＲ画像化システムを提供することが必要とされている。本発明の以前には、この必要性は十分には対処されなかった。

本発明の好ましい実施形態によると、上述されたおよびその他の問題は克服され、別の利点が実現される。

従来技術の光学系に対して改善された広い視野にわたる感度の均一性、改善されたゴースト画像の排除、広くなったスペクトル帯域幅および小さくなった物理的寸法を示すＩＲ画像化光学系が開示されている。

本発明の１つの特徴は統合されたレンズおよびデュワーを使用し、レンズ絞り（開口絞り）を、デュワー内とは対照的に、レンズ内に配置する。開口絞りをデュワーから移動させてレンズ光学系内に位置させることにより、この方法は光学的対称性を著しく改善し、それによってレンズ寸法が減少され、レンズ性能もまた改善される。本発明は、米国特許第 4,820,923号明細書におけるように、赤外線観察装置およびミサイル検知追随装置用の望遠光学系により使用される従来技術の冷却されない放射線シールド技術にまさる著しい進歩を示している。従来技術の望遠光学系ではコールドシールド寸法の減少が重要な進歩であったのに対して、改良された光学対称性の結果、広角光学系を実現する能力が得られる。

レンズ絞りに関する光パワーのバランスの改善を行うことにより、光学性能が、とくに、広い軸を外れた角度について改良される。レンズ絞りを画像平面からさらに離して配置することにより照度ロールオフが減少し、それによって絞りを通る光線角度が減少する。さらに対称的な設計により可能にされるポジショニングおよびその他の許容誤差要求の緩和によって価格の適切性が増加する。さらに、光線角度が減少することにより、レンズコーティングの価格の適切性および性能が増加する。別の利点は、レンズ絞りは物理的にデュワーの外部に位置されるため、大型の赤外線カメラにおいて使用されるような均一性較正のための熱基準 “フラッグ”または“パドル”にアクセスできることである。絞り付近の熱基準が好ましい。これは、全ての検出器が基準表面の同じ領域を同時に監視し、それによって、その基準表面上における温度勾配および不完全さにかかわらず、全ての検出器に対して同じ放射束密度が与えられるためである。

この明細書において、情景からのＩＲを通過させる入口開口と、画像平面に配置された冷却されたＩＲ検出器を格納するコールドシールドを含むデュワーとを有するＩＲ画像化システムが開示されている。デュワーはデュワーウインドウを備えており、ＩＲ画像化システムの光軸はこのデュワーウインドウと画像平面とを通過する。ＩＲ画像化システムはさらに、入口開口とデュワーウインドウとの間において光軸に沿って配置された複数の冷却されない光学素子と、デュワーウインドウと入口開口との間において光軸の周囲に配置された複数のほぼ環状の反射器セグメントとを備えている。各反射器セグメントは、デュワーウインドウのほうを向いた反射表面を有している。デュワーウインドウから最も遠い最も外側の反射器セグメントを通った１つの穴がＩＲ画像化システムの実効的な冷却された開口絞りを規定し、この実効的な冷却された開口絞りとデュワーウインドウのもっと近くに配置された反射器セグメントの別の１つとの間に光学素子の少なくとも１つが配置されている。

好ましい実施形態において、各反射器セグメントは、複合光学表面を有する単一のモノリシック体としてレンズ素子の周囲上に形成される。このモノリシック体は、屈折レンズ素子を製造するために選択された材料から構成され、複合光学表面は、反射器セグメントを規定する反射コーティングを有するほぼ環状の表面領域より取囲まれたレンズ素子を規定する中心に配置された凸状部分を示す。単一の素子上での面の組合せにより、反射器と光学系との正確な整列が確実になり、付加的なレンズ取付け構造の必要性が避けられる。全ての反射器素子がレンズ素子とそのように組合せられることが好ましいが、このタイプの構成は本発明の動作に対して不可欠なものではない。したがって、反射器のいくつかまたは全ては、光学系の個別の素子として設けられ、標準的な光学取付け技術を使用してレンズ素子と共に組立てられることができる。

本発明はさらに、放射計較正用の黒体較正装置のポジショニングを可能にする。これは、絞りがレンズ素子の間のクリアなスペースにおいて物理的にアクセス可能なためである。

これらの教示の上述およびその他の特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明および添付された図面において明らかにされる。
本発明を詳細に説明する前に、光学絞り、とくに、ＩＲ画像化システムの光学絞りを一般的に簡単に説明する。この説明から、読者は本発明により与えられる利点をさらによく認識するであろう。

あらゆるレンズには、画像へのエネルギの通過を制限する物理的な開口が存在する。各レンズ素子は、センサ内のレンズおよびその他の構造においてバフル動作を行う１つの制限されたクリア開口を有している。これらの開口の１つは、レンズが画像に送ることのできるエネルギのコーンの直径を最も制限する。この開口は“開口絞り”と呼ばれ、その寸法は画像における放射束密度を決定する。別の開口は典型的に、画像の角度的範囲を制限し、この開口は“フィールド絞り”と呼ばれる。開口はまた、迷放射がレンズのマウントおよびその構造から画像上に反射することを阻止するために使用され、これらは一般に“バフル”と呼ばれている。

光学絞りの位置は、システム性能にとって重要である。赤外線センサは絞りが“コールド”であることを必要とする。これは、検出されているのが熱エネルギだからである。これが、絞りが“黒い”、すなわち、可視スペクトルにおいて非透過性、非反射性および非放射性であることだけを必要とする可視センサと異なる点である。赤外線絞りは赤外線検出器のように極低温に冷却されなければならない。これは、その絞りが検出器と共にコールド焦点面に取付けられた“コールドシールド”構造によって形成されることを意味する。これらのコールド素子は、湿気による凝結および結霜を防止すると共に伝熱による加温を減らすために大気から密封されなければならない。典型的に、極低温への冷却を可能にするために真空の“デュワー”が使用され、ここにおいて気体の液化および水の結霜が発生する。

赤外線システムのレンズ素子を極低温検出器パッケージまたはデュワー内に格納することは実際的ではない。コールド構造上に取付けられた場合、レンズ素子の質量の追加はクールダウン時間を妨げ、そのためにセンサの準備が整う時間が遅れる。また、追加質量のために、デュワー中の支持構造を補強することが必要であるが、これは断熱を行うそれらの目的と矛盾する。製造許容誤差のために、レンズ素子は、一部はデュワーの内部におよび一部は外部に部分的に取付けられるのではなく１つのマウント構造体で保持されることが必要になる。レンズ構造体全体をデュワー内に取付けることにより、焦点を結ぶことが困難になり、また、真空の完全性が損なわれる可能性がある。

任意の光学系について、開口絞りの位置は画像化性能に影響を与える。光学絞りを中心とした対称性は、大きい軸外れ角度で画像品質を維持することを助け、これは広角光学系において非常に重要である。センサの物理的寸法が許す限り、レンズを中心として絞りをやや対称的にリレーすることによって対称性を導入することが可能である。たとえば、画像平面の近くに配置された真の絞りは、光学系が情景を画像平面上に画像化すると同時に、センサの前方ウインドウ上に画像化される（ひとみとして）ことができる。しかしながら、超小型センサはこのような光学系の物理的寸法を許容できず、したがって開口絞りだけを有する。真のコールドシールドを絞りとして使用する従来技術の光学系では、絞りは光学系内にきわめて非対称的に配置される。実際に、それは最後のレンズ素子より画像平面のほうに近く、デュワーウインドウおよび必要な構造体許容誤差に適合するようにその素子との間のスペースが十分にとられなければならない。

以下に説明するように、本発明は、開口絞りがレンズ内にさらに対称的に配置されることを可能にし、それによって性能が改善される。本発明の技術は上記において参考文献とされた米国特許第 4,820,923明細書にある程度従っているが、重大な相違がある。たとえば、米国特許第 4,820,923明細書においては、熱慣性のような物理的性質、コールド構造上の物理的質量ならびに関連した熱および構造上の事柄の利点が主として考慮されている。この米国特許明細書には、レンズを開口絞りと画像平面との間に配置することが開示されているが、レンズおよびウォームシールドはデュワー内に位置していることを仮定している。本発明はとくに、広角レンズ構造体内において開口絞りをデュワーの外側に再配置することにより光学性能を改善しようとするものである。本発明は、熱負荷および熱質量のようなデュワーの特徴をとくに処理するのではなく、コンパクトなパッケージに構成されることが所望される赤外線システムの光学性能を改善する。本発明は広角光学系を使用し、小型の広角センサ設計の特有の設計問題を解決する。本発明の１つの特徴は、熱力学および構造の申し分のない物理的属性を確保するために上述の米国特許第 4,820,923明細書の教示に依存しながら、開口絞りをさらに対称的な場所に再配置することによって達成される性能改善を提供する。

図４は、広角ＩＲ画像化システムとして構成されることが好ましいがそれが不可欠ではないＩＲ画像化システム1Aとも呼ばれる本発明による改良された広角ＩＲセンサ1Aを示している。

このＩＲ画像化システム1Aは、関心を払われている情景からのＩＲを通す入口開口40を有している。ＩＲセンサ1Aにおいて、開口絞りは、依然として適切なコールドシールド動作を提供すると同時に、光学構造体またはハウジング20内に収容されたレンズ22、24、26および28から成る多素子レンズ内に配置されている。センサドーム30または平坦なウインドウ32は、センサ1Aへの入口（入口開口）に配置されている。レンズ素子22、24、26および28ならびにドーム30または平坦なウインドウ32は、ゲルマニウムまたはシリコンのような適切なＩＲ透過材料から構成されている。

所望される光学効果のために必要とされるコールドシールドは、好ましくは環状にまたはほぼ環状に成形されたミラーまたは反射器18Aおよび18Bを使用することにより物理的にではなく光学的に生成される。したがって、反射器セグメント18A、18Bはそれぞれ、デュワーウインドウ4のほうを向いたほぼ環状の反射表面を備え、ここにおいて反射表面は反射器セグメントを通ってＩＲ透過路領域を取囲んでいる。このＩＲ透過路領域は、反射器セグメントを通って形成された穴であってもよいし、あるいはそれは図１１のｂおよび１２に示されている実施形態による透過性光学素子を含むことができる。

センサ1Aの設計において、情景の画像形成が所望の焦点面2Aの場所において注意深く設計されなければならないまさにその所望の開口絞り位置における光学コールドシールドの精密な画像形成に注意が払われている。このような光学コールドシールド、または“ウォームシールド”は、ＩＲ検出器2をそれ自身の上に再画像化することを回避する環状反射器18Aおよび18Bにより最も良好に生成され、それによって望ましくない“ゴースト”画像の形成が回避される。

本発明によると、ウォームシールドは、コールド焦点面2Aのほうを向いた成形されたミラー素子18Aおよび18Bにより構成される。図５に最もよく示されているように、ミラー素子18Aおよび18Bは、コールドシールド3のコールド面を画像化することにより等価なコールドシールドを生成する。コールド絞りまたはウォーム絞り20Aは多素子レンズ内に配置され、反射器素子18Aおよび18Bの動作によってコールドであるように見えるようになる。ウォーム絞り20Aは、最も外側の（画像平面2Aに対して）ミラー素子18Bを通る開口によって規定され、この開口は最も内側のミラー素子18Aを通る開口より小さく、したがって上述したようにセンサ1Aの開口絞りを規定する。

図４の実施形態において、また、図５を参照すると、デュワー4A内の物理的コールドシールド3は画像平面2Aに近接して位置し、反射器18Aおよび18Bにより形成される仮想コールドシールドを“充填”する暗くされた前面3Bを有している。光学系をそれ程拡張することなく物理的コールドシールド3を通過した全ての非画像化光線を捕捉するために、少なくとも２つの反射器18Aおよび18Bが使用される。本発明において、１、２またはそれ以上の反射器が使用されることができる。図４の実施形態において、最も外側の反射器18Bは開口絞り20Aを規定し、一方最も内側の反射器18Aおよびコールドシールド3の外面3B内のコールドシールド開口は画像化光線がぼかされるのを避けるように十分に大きくされる。コールドシールド3の前面3B内の穴はまた、可能な限り多くのフィールドを外れた光線を遮断するように設計される。この実施形態において、フィールドを外れた光線は、直接的に（通常そうであるように）、あるいは反射により間接的に真のコールドシールド3によって捕捉される。これらの原理は、多数の環状反射器18Aおよび18Bがウォームシールドの寸法を減少させるように機能することを見ることのできる図５にさらに明瞭に示されている。光軸を横切った反射は、セグメント化された反射器構造により自己遮断を回避し、最も内側の反射器セグメント18Aからの下方への反射はウインドウ光線角度を減少させ、それによって透過率が改善する。反射器18Aおよび18Bの間には、光学系のレンズ素子の１つ（この場合はレンズ素子22）が位置している。本発明は、反射器内にレンズ素子を１つだけ配置することに制限されず、また反射器を２つだけ使用することにも制限されないことを認識すべきである。

反射器18Aおよび18Bの反射表面は、ほぼ環状の形状を有していることが好ましく、また、検出器アレイ2上の各ポイントを、検出器アレイ2Aを取囲むコールド表面上に画像化するために使用される。このコールド表面は、デュワー4A内の物理的コールドシールド3の外面3Bである。しかしながら、この特徴は、コールドシールド3の内部のようなある別のコールドまたは吸光面によってウォームシールド反射光線が受取られる場合は除去されてもよい。コールドシールド3の外面3Bは光学的に“黒く”、すなわち、関心を払われているスペクトル領域において吸光性にされることが好ましい。環状反射器18Aおよび18Bは、検出器アレイ2からの反射が検出器アレイ2に再びマップすることを阻止するように設計され、それによってゴースト画像の発生が減少する。球面反射器の使用は回避される。これは、検出器アレイ2からの反射が検出器アレイ上に再びマップされるため、それらにおいてゴースト画像問題が生じるためである。その代りに、適切な環状設計は、画像の一因となる全ての光線角度に対して検出アレイ2をコールドシールド表面3Bにマップする。図４に示されている全ての光線のコーンの外側のさらに大きい最大の角度の光線は、それらがコールドシールド3自身内のコールドオブジェクトだけから生じたものであるため、検出器アレイ2に安全にマップされることができる。

上記において参照され、この明細書においてその全体が参考文献とされているWilliam H.Wellman氏による米国特許第 4,820,923号明細書（“Uncooled Reflective Shield for Cryogenically-Cooled Radiation Detectors”）において説明されているように、トロイドは光線の焦点を半径方向に結ばせ、これによってコールドシールドの寸法が減少する。しかしながら、トロイドはまた光線を周辺に散乱させ、それによってウォームシールド光学トレーンにおける不完全さに対する感度が低下する。このデフォーカス効果は、真のコールドシールドがウインドウ4の付近に配置されている場合でも、デュワーウインドウ4の表面上の粉塵、このウインドウ4における不完全さおよびコールドシールド3における温度勾配に対する感度を低下させる。周辺方向の焦点はずれが生じない場合、センサ1Aは焦点面2A上の無関係なパターンの影響を受けやすく、これらのアーティファクトの“ゴースト”画像を生じさせる可能性がある。

本発明は、米国特許第 4,820,923号明細書に開示されている上述のWellman氏の発明の環状反射器の使用を利用し、一方においてコンパクトな広角レンズがコールドシールドの質量および寸法を減少させるより多くの利点を光パワーのバランスから得ることができることもまた認識している。光パワーのバランスはまた、とくに広角ＩＲセンサ1Aのコンパクトレンズを構成するために必要とされる短い焦点距離により達成することが困難である画像面2Aに近接したレンズの外側のコールド絞りを突出させる困難な問題をなくす。

ここで使用されているように、広角または広い視野のＩＲセンサは、約３０度以上のＦＯＶを有するものである。例示すると、ＩＲセンサ1Aは１５０度のＦＯＶを有するように設計されることができる。

寸法制限が許せば、上述した問題は絞り画像をレンズのそれぞれの側上に生成するリレー光学系を使用することにより解決されることができることを認識すべきである。これによってバランスを保たれた構成が得られるが、コンパクトな広いＦＯＶ ＩＲセンサに関して可能なものよりはるかに大きいレンズにおいてのみそのような構成は可能である。

図５に示されたように、本発明の好ましい実施形態による広角ＩＲセンサ1Aに対して、反射器18の１つ、とくに反射器18Aは、光線がコールドシールド外面3Bから反射されたときに光軸を横切らないように方位付けられる。広角ＩＲセンサにおいて全ての反射された光線が光軸を横切ると、デュワーウインドウ4の透過率およびコールドシールド3の吸光度を減少させる大きい入射角が生じ、また、コールドシールド3の半径方向の幅を短くし、それによってさらに厳しい画像化要求により反射器の光学設計が複雑になるため、これは望ましい。さらに、開口寸法および焦点距離は著しく小さいため、レンズの直径は通常の望遠レンズシステムに対するものよりクリティカルではない。さらに、光線角度は非常に大きいため、軸外れ吸光度および反射率効果は望遠レンズシステムに対するものより重要な問題になる。

コールドステージ上の熱負荷は、反射によって極低温であるように見えるウォームシールド反射器18Aおよび18Bにより減少される。これは、従来技術では認識されなかった重要な利点である。熱負荷は、反射器18Aおよび18Bの帯域内反射率を最大化することにより低く維持される。量産方式で生成された反射器によってさえ９９．５％の反射率が達成可能であり、したがって典型的なコールドシールドの金めっきされた外部よりもさらに効率的に熱を除去する。

熱負荷はまた、デュワーウインドウ4における高い帯域内透過率および低い帯域内放射力を維持することにより減少される。これは、コールドシールド3の前方外面3Bが赤外線を吸収するウォームシールドシステムにおいて重要である。その理由は、この追加された表面がウォームセンサ部品に面しており、そうでなければ、望ましくない熱負荷の増加が発生するためである。低い放射力を達成する１つの技術は、デュワーウインドウ4に対してゲルマニウムの代りにシリコンを使用することである。低い反射率は、低い帯域内反射を維持する一方で帯域外熱エネルギがコールド内部に到達することを阻止するスペクトル反射器によりデュワーウインドウ4を被覆することにより達成されることができる。２つのこのようなフィルタの特性が図６に示されている。さらに、太陽からの強く短い波長のエネルギは、ウインドウまたはレンズ素子の任意のものの上のスペクトルフィルタにより阻止されることが可能である。

熱負荷は、コールドシールドの外面3Bを信号パスバンド内の波長で選択的に吸光性にすると共に帯域外のフラックスに対しては低い吸光性にすることによりさらに減少されることができる。通常の黒色塗料の代りに、いわゆる“ブラックミラー”コーティングがセンサ1Aのスペクトルパスバンドで強く吸光し、一方その他の波長では強く反射するように使用されることが可能である。これらの反射の鏡面反射により発生するゴースト画像の形成を阻止するために、ゴースト画像を形成する可能性のある鏡面反射を阻止するためにブラックミラーコーティングの前に適度の粗面仕上げが適用されることができる。蒸気噴射は制御された表面の粗さを得るための１つの適切な方法である。

本発明による改良されたＩＲセンサ1Aの寸法の減少は、各センサのＦＯＶが同じである図７のａの従来技術の設計と図７のｂの改良された設計とを比較することにより明らかになる。代表的な大きさ（インチ）はＸ１＝１．８、Ｘ２＝１．４、Ｚ１＝２．６、Ｚ２＝１．４である。Ｘ１およびＸ２の大きさは外側ウインドウ11の表面から画像平面2Aまでの全体的な距離、および１５０°の視野を得るために必要とされるウインドウの透明な開口の対角線の寸法を示している。

改良された小型化にはさらに、図４および７のｂのＩＲセンサ1Aの光学バランスにおける改善が１０％大きい収集開口（ｆ／１．９対ｆ／２．０）の使用を可能にし、それによってＩＲセンサ1Aが検出する離れたオブジェクト（小さいオブジェクト）から得られる信号がほぼ１０％増加するという利点がある。

改良されたＩＲセンサ1Aが平坦なウインドウ32またはドーム30のどちらも使用できることは重要である。平坦なウインドウ32は、その製造費用がドーム30より廉価であり、それはまたフィールドでの交換が容易であるため、いくつかの用途に対して好ましい。

対照的に、通常のＩＲセンサ設計は典型的にドーム10の使用を必要とする。これは、レンズのかなり外側に、すなわち、コールドシールド3内に配置された開口絞りからの光線束の発散により平坦なウインドウ11が非実用的に大きくなるためである。

したがって、本発明を使用することにより、ひとみの再画像化に対して小さ過ぎるこれらの広角センサに関する問題が解決される。このようなシステムにおいては、光線は絞りからオブジェクト空間に外向きに容易に発散する。絞りが画像平面のもっと近くに配置されたとき、光線が絞りからオブジェクト空間に向って発散するので、レンズ素子は全て大きくなり、それによってウインドウは非常に大きくなる。本発明によれば、絞りはレンズの内側に配置され、それ故距離が減少するので、素子およびウインドウは著しく小さくなる。

ドーム30またはウインドウ32に隣接したレンズ28は小さい（図４のように）ので、曲率の増加が可能である。これは、このレンズ面から後方に反射した望ましくないゴーストをデフォーカスし、その後ドーム30またはウインドウ32から画像平面に向って前方に反射するのを助ける。デフォーカスはゴースト画像の強度を減少させる基本的な技術であり、それは、レンズ素子が曲率の変化が少ないときに厳しく制約される。本発明により、レンズはさらに小さくすることができて、曲率の変化に富んだものとなり、したがってゴースト画像を減少させる助けとなることが可能である。

改良されたＩＲセンサ1Aはまた、放射計較正手段に適合するという利点があり、これは従来の設計では不可能である。とくに、黒体パドルが放射計較正のために挿入されることができる。これは、レンズ素子の間の透明な空間において絞りが物理的にアクセス可能なためである。図１３は、画像平面2Aにおけるあらゆる検出器がパドル50のほぼ同じ領域を見るように光学絞りのすぐ隣に配置されたこのようなパドル50を示している。基準または較正パドル50における温度勾配は絞りの位置においてあまり重要ではない。これは、ＩＲアレイ2の全ての検出器素子が同時に同じ勾配を見るためである。その結果、ＩＲアレイ2は均一の放射束密度を受取る。対照的に、図１および２の従来技術の設計においては、開口絞りがコールドシールド3内に存在し、レンズとデュワーウインドウ4との間の空間が小さいために、このような較正パドルがアクセス可能な場所が存在しない。広角レンズの非常に短い焦点距離のためにレンズ素子を越えて絞りを非常に遠くに突出することは困難なので、この空間は制限されている。上述したように、要求されるレンズの小型化は絞りの再画像化を阻止するので、ひとみの位置は１つしかない。

図１３に示されている較正パドル50は較正時に示されている位置に挿入され、正常なセンサ動作期間中に引出される。このパドル50は、較正パドル50への機械的リンク機構42Aを有するブロック42として図１３において全体的に示されているいくつかのよく知られているメカニズムによってレンズの内外に移動されることが可能である。たとえば、リニア付勢装置はパドル50をレンズの内外に単にスライドさせるために使用されることが可能である。その代り、これはレンズ外部に回転ソレノイド駆動装置とピボット点とを備えた回転メカニズムにより行われることが可能であり、それによってパドル50を保持しているピボットアームの端部はレンズの内外にスイングすることができる。

上記の利点に加えて、視野を横切る応答特性は改良されたＩＲセンサ1Aに対してさらに均一である。これは、ウォーム絞り20Aが画像平面2Aからさらに離れて配置されているためである。絞りを画像平面から遠ざかるように移動することにより、画像化光線の角度は、とくに、大きいフィールド角度で減少し、図８における照射ロールオフ図により示されているように、さらに均一な応答特性をブロードソース（ｂｒｏａｄ ｓｏｕｒｃｅ）オブジェクトに提供する。従来技術のコールドシールドレンズ1、1’および本発明の改良されたウォームシールドレンズ1Aに関する図９のポイントソース相対照射図で示されているように、小さいオブジェクトに対する応答特性もまた改良されたＩＲセンサ1Aに対して強化される。

図９のグラフは全エネルギ捕捉が１００％に正規化されたものであり、改良されたＩＲセンサ1Aがその大きい収集開口のためにほぼ１１０％のエネルギ捕捉を行うことが可能なことを無視していることに注意すべきである。同じ仕様を満足させる生成可能なレンズ構成において達成可能な最大の開口寸法により、改良されたＩＲセンサ1Aはｆ／１．９で全性能を達成し、一方図１および２の従来技術の設計はｆ／２．０に制限されている。

改良されたＩＲセンサ1Aの対称性により画像品質もまた改善される。これは、光パワーをウォーム絞り20Aの両側（すなわち、レンズ24および22）に配置した結果可能となる。改善された光学的対称性により、光学収差はバランスが保たれ、画像応答特性の品質が改善される。対照的に、図１および２に示されている従来技術の設計は非常に非対称的である。これは、全ての光学素子がコールド絞りの一側に配置され、それによって光学設計がさらに困難なものになり、画像化性能が低下するためである。

製造可能性よび再生可能性に関しても、改良されたＩＲセンサ1Aのほうが従来技術の光学系設計より優れている。改良されたＩＲセンサ1Aの光学的対称性は、従来技術の設計が光学素子の厳密な面修正および配置により除去しなければならない収差を自然に消去する。さらに、製造許容誤差は、表１に示されているように、従来技術の設計のバランスの悪さによって厳しいものとなっている。これらの厳しい許容誤差のために、製造プロセスは複雑になり、費用が増加する。

表１．例示的な製造許容誤差
パラメータ 改良された設計 従来技術の設計
素子の軸位置 ±0.0020”乃至±0.0030” ±0.0005”
素子のセンタリング ±0.0005”乃至±0.0010” ±0.0003”

改良されたＩＲセンサ1Aはレンズ素子28における強い曲率の使用を許し、これはドーム30またはウインドウ32を備えたレンズ素子28から生じたゴースト画像をデフォーカスする傾向があるため、ゴースト画像の発生もまた減少し、したがってそれらの強度を低下させる。さらに、制約の少ない設計はレンズ素子22、24、26および28の素子形状の変更が行い易く、それによってゴースト画像化がさらに減少する。図１０は、センサ1および1’（コールドシールドレンズ）により代表される従来技術の設計と改良されたＩＲセンサ1A（ウォームシールドレンズ）との性能を比較し、最も厄介な大きいゴーストの４倍の減少を示している。図１０のグラフは、内部素子内の同じ反射率に対する＋５０度の太陽角での迷光解析からのデータを示している。太陽とその付近のゴーストを図面から除去し、その代りに視野の主要な部分にわたって生じた面倒なゴーストに焦点を当てていることに注意されたい。図１０の環境的条件は、コールドシールドおよびウォームシールドの両レンズについて同じである。両者は、湾曲したドームと比較してゴースト強度を減少させるように機能する平坦なウインドウ11および32に関してそれぞれ示されている。両者はまた、オキシ窒化アルミニウムのウインドウ11、32の被覆されていない外面からの強い反射を含む同じ表面反射率に関して示されている。両者は、表面反射率が示されている１％値から減少され、また、改善された反射防止（ＡＲ）被覆が利用可能である場合、とくに、ＡＲ被覆が狭いスペキュラー帯域幅に対して最適化された場合にゴースト強度を減少される。

改良されたＩＲセンサ1Aは、その使用により可能になる広いスペクトル帯域幅により“２色”適用において使用されることが可能になる、すなわち、これらのセンサ中のＩＲ検出器アレイ2は２つのスペクトル帯域中の波長に感応する。

さらに、小型であるが広いＦＯＶのＩＲセンサ1Aは、機械的な回転を必要としない代りにオペレータに表示するためにＩＲ検出器センサ2のサブエリアの電子選択およびその指示を行うと共に高い解像度を有する固定された広角カメラを使用する小型赤外線監視カメラを構成するときに使用されることができる。この場合、機械的走査動作とは対照的な電子的走査動作がその視野を変更するために機械的に駆動されることを必要としないカメラにより行われることができる。

上述したように、本発明のここで好ましい実施形態において、デュワー4内の物理的コールドシールド3は画像平面2Aに近接して位置しており、反射器18A、18Bによって形成された仮想コールドシールドを“充填”する暗くされた前面3Bを有している。反射器は、物理的コールドシールド3を通過した全ての非画像化光線を捕捉する。外側の反射器18Bの開口はレンズ絞り（ウォーム絞り20A）を規定し、一方内側の反射器18Aの開口は画像化光線をぼけさせるのを避けるのに十分な大きさにされている。コールドシールド3の開口は、画像化光線をぼけさせるのを避けると共に可能な限り多くのフィールドを外れた光線を阻止するように十分に大きい寸法にされる。このシステムにおいて、フィールドを外れた光線は、直接的に（通常そうであるように）、あるいは反射により間接的に真のコールドシールド3によって捕捉される。

上記において参考文献とされた米国特許第 4,820,923号明細書に示されているものにより代表される従来技術の反射ウォームシールド反射器は典型的に金属から生成される。図１１のａは、従来技術のウォームシールド反射器30を示している。このウォームシールド反射器30の光学的に反射する部分は、伝統的に研磨スラリーにより、あるいはダイヤモンドポイントターニング（ＤＰＴ）動作によって研磨される。その後、非常によく反射する蒸着被覆30AがＩＲ波長帯域において高い反射率を提供する表面に設けられる。ウォームシールド反射器30は屈折レンズ素子32に類似した方法で光学系中に取付けられる。

図１１のｂは、統合されたモノリシックウォームシールド／レンズ構造体31の断面図であり、一方図１２は図１１のｂのウォームシールド／レンズ構造体31の１つの例示的な斜視図、側面図および正面図を示している。この実施形態において、通常の別々のレンズ32とウォームシールド30自身が一体化されたモノリシックウォームシールド／レンズ構造体31からなる１つの素子に組合せられる。ウォームシールド／レンズ構造体31は、好ましくは同じ光学表面の曲率と中央の厚さを使用して図１１のａの屈折レンズ32と同様に動作する中央屈折領域31Bを含んでいる。ウォームシールド／レンズ構造体31はまた、図１１のａの金属ウォームシールド30として機能する反射表面を備えた外側領域31Aを含んでいる。屈折および反射領域31B、31Aのそれぞれの所望の表面の曲率が組合せられて単一の複合光学表面にされる。

したがって、単一のウォームシールド／レンズ構造体31は、図４のウォームシールドセグメント18Aおよびレンズ22の代りに使用されることができる。もっとも、別の実施形態において、それは別の位置でおよび別のタイプの光学系において使用されてもよい。

好ましい１つの非制限的な実施形態において、複合光学表面を形成する材料はシリコンであり、これはレンズ設計の屈折部分31Bのレンズ規定において使用される。しかしながら、レンズ系の屈折部分に適しており、ＤＰＴおよびコーティング等によって処理されて滑らかな反射部分31Aを提供することのできる任意の光学材料が使用されることができる。

上述したように、ダイヤモンドポイントターニング（ＤＰＴ）は、複合光学表面の好ましい製造方法である。屈折および反射領域31B、31Aは１つの動作で製造され、それによって図１１のａに示されている従来の設計の２つの別々の素子30および32の製造と比較して費用が減少させることが好ましい。

さらにこの実施形態においては、ウォームシールドの位置における設計の小型化によりさらに大きい費用節約が行われる。限られたスペースしか許されていないために、ウォームシールド反射器30は典型的に薄いことが要求され、その製造は困難である。図１１のａに示されている従来の設計における２つの素子30および32と比較して、１つの素子31だけを取付ければよいので、費用をさらに節約できる。

別の利点は、ウォームシールド／レンズ構造体31の複合面が同じ動作でダイヤモンドポイントターニング処理されることができるため、屈折面31Bに対する反射表面31Aのセンタリング、傾斜および位置決めが非常に正確であることにより得られる。対照的に、図１１のａの従来技術の２素子設計は、個々の素子の別々の製造、ハウジング中の別々の取付け表面、および組立て中の２つの取付けステップによって生じたエラーが集積する可能性が高い。

好ましい実施形態において、反射防止（ＡＲ）被覆は、光学真空室による蒸着を使用して複合光学素子31の両面に付着される。その後、金、銀、アルミニウムまたは任意の適切な被覆材料のような反射コーティングは複合表面31のウォームシールド部分31A上に付着される。反射コーティングの付着中、レンズの屈折中央部分31Bはマスクされていることが好ましい。フォトマスクおよびこれに続くリフトオフ方法は、ここにおいて好ましい屈折中央部分31Bのマスク方法である。

反射ウォームシールド部分31Aは、反射器の開口からの散乱が従来技術のウォームシールド30と比較して少ないことを示す。従来技術のウォームシールド30中の金属の開口の薄いエッジには、機械的な安定性を確保する最小限の厚さがなければならない。しかしながら、結果的に得られた金属エッジは、迷放射を発生させることのできる散乱のソースである。本発明において、ウォームシールドは実際にはレンズの屈折材料上の反射薄膜であるため、反射開口のエッジからの散乱はごく少量である。複合表面の転移地点に対する反射コーティング開口エッジ（図１２において矢印31Cにより示されている）の誤整列により若干の迷放射が生じる可能性があることは確かだが、従来技術のウォームシールド30においてナイフエッジ金属反射器を形成するより、最新式のフォトマスク技術およびＤＰＴにより精確な整列を行うほうがはるかに簡単である。

以上、本発明を行うために現在考えられる最良の方法および装置の完全で有益な説明を非制限的な例示によって示してきた。しかしながら、当業者は、添付された図面および特許請求の範囲と共に上記の説明を参照することによって種々の修正および適応を認識することができる。別の類似したあるいは等価なレンズ材料、レンズ規定、レンズ寸法と中心間間隔、波長範囲、レンズ素子の数および、または球形および楕円形を含む種々の形状を有する反射器の使用が当業者により試みられることができる。しかしながら、本発明の教示のこのようなおよび類似した修正は全て依然として本発明の技術的範囲内のものであろう。さらに、この明細書に記載されている方法および装置はある程度特定された実施形態により与えられているが、ユーザのニーズに応じて、本発明はさらに特定的にあるいは一般的に構成されることができる。さらに、本発明の特徴のいくつかは、別の特徴の対応的な使用なしに有利に使用されることができる。したがって、本発明は添付された特許請求の範囲により規定されているため、上記の説明は本発明の原理の単なる例示に過ぎず、それに限定されるものではないと考えるべきである。

従来技術の広角ＩＲセンサの第１の実施形態の断面図。 従来技術の広角ＩＲセンサの第２の実施形態の断面図。 複数のウォームシールドを含む従来技術の広角ＩＲセンサおよびこのＩＲセンサに対する従来技術の通常のコールドシールド設計をそれぞれ示す断面図。 セグメント化されたウォームシールド構造と、ウォーム開口絞りを形成する２つのウォームシールドセグメントの間に配置された多レンズ光学構造体のレンズ素子とを有する本発明による改良された広角ＩＲセンサの断面図。 焦点面から図４のウォームシールドへの光線反射を示す概略図。 反射率対波長を表し、また、選択的に反射するデュワーウインドウコーティングを示すグラフ。 通常の広角ＩＲセンサの断面図およびこれと対照的な必要とされる寸法の著しい減少を示すここにおいて好ましい広角ＩＲセンサの断面図。 相対的な照度対フィールド角度を表し、また、図４のＩＲセンサによって形成された画像を横切る改善されたブロードソース均一性を示すグラフ。 ポイントソースの相対的な照度対フィールド角度を表し、また、図４のＩＲセンサによって形成された画像を横切る改善されたポイントソース均一性を示すグラフ。 ゴースト画像減衰対フィールド角度を表し、また、図４のＩＲセンサによるゴースト画像の改善された抑制を示すグラフ。 従来技術の金属ウォームシールドおよび屈折レンズの組合せと、統合されたモノリシックウォームシールド／レンズ構造体とをそれぞれ示す断面図。 図１１のｂのウォームシールド／レンズ構造体の１つの例示的な斜視図、側面図および正面図。 放射計較正のためのパドル構造を備えている統合されたウォームシールドおよびレンズ構造体の断面図。

Claims (9)

1. 情景からの赤外線（ＩＲ）を通過させる入口開口を有する赤外線画像化システムにおいて、
   画像平面に配置された冷却された赤外線検出器を格納するコールドシールドと、デュワーウインドウとを備えており、前記赤外線画像化システムの光軸が前記デュワーウインドウおよび前記画像平面を通過するデュワーと、
   前記入口開口と前記デュワーウインドウとの間において前記光軸に沿って配置された複数の冷却されないレンズ素子と、
   前記デュワーウインドウと前記入口開口との間において光軸を囲んでその周囲に配置された複数の環状の反射器セグメントとを備えており、前記複数の環状の反射器セグメントはそれぞれ前記デュワーウインドウのほうを向いた反射表面を有しており、前記デュワーウインドウから最も遠い最も外側の環状の反射器セグメントの中央部の開口が前記赤外線画像化システムの実効的に冷却された開口絞りを規定しており、
   前記実効的に冷却された開口絞りは前記デュワーの外側に配置され、
   前記実効的に冷却された開口絞りと、この実効的に冷却された開口絞りよりも前記デュワーウインドウに近い位置に配置された前記複数の環状の反射器セグメントの別の１つとの間に前記レンズ素子の少なくとも１つが配置され、
   さらに、前記複数の冷却されないレンズ素子の別の少なくとも１つが前記入口開口と前記実効的に冷却された開口絞りとの間に配置されている赤外線画像化システム。
2. 前記赤外線画像化システムは、３０度より大きい視野を有している請求項１記載の赤外線画像化システム。
3. 前記赤外線画像化システムは、１００度より大きい視野を有している請求項１記載の赤外線画像化システム。
4. 前記反射器セグメントはそれぞれ、前記赤外線検出器上の各地点を１つの冷却された表面上に画像化するように成形された反射表面を有している請求項１記載の赤外線画像化システム。
5. 前記冷却された表面は前記コールドシールドの外面を含んでおり、前記外面は前記デュワーウインドウのほうを向いている請求項４記載の赤外線画像化システム。
6. 前記表面の形状は、ほぼ環状の表面形状を規定している請求項４記載の赤外線画像化システム。
7. 前記複数の反射器セグメントは、前記コールドシールドを通過する実質的に全ての非画像化光線を捕捉し、デュワーウインドウに最も近い最も内側の反射器セグメントを通る穴と前記コールドシールドを通る穴とは画増化光線がぼかされることを避ける大きさにされている請求項１記載の赤外線画像化システム。
8. 前記少なくとも１つのレンズ素子および反射器セグメントは、１つの複合光学表面を有する単一のモノリシック体で構成されている請求項１記載の赤外線画像化システム。
9. 前記モノリシック体は屈折レンズ素子を製造するために選択された材料から構成されており、前記複合光学表面は前記レンズ素子を規定する中央に配置された凸状部分を含んでおり、前記レンズ素子は前記反射器セグメントを規定する反射コーティングを有するほぼ環状の表面領域によって取囲まれている請求項８記載の赤外線画像化システム。

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