JP5127083B2 - 後方開口絞り及び長い後部焦点距離を有するゼロ光学パワーの反射・広角光学系 - Google Patents

Description

本発明は全反射型の光学系に関し、より具体的には広い視野角と長い後部焦点距離とを有し外部後方開口絞りを備える全反射型の光学系に関する。

赤外線画像システム又はダブルパス分光計等の「バックエンド」要素を有する光学装置は、通常、「フロントエンド」光学系又は「前置光学系」を用いてバックエンド要素にシーンを結像する。この前置光学系にはバックエンド要素に関連付けられた独特の要件があり、前置光学系のこのような要件が満たされる場合にバックエンド要素が動作可能となり、その動作が円滑に行われる。

視野角が広いことは、航空機搭載型センサや宇宙船搭載型センサ等のスキャニング監視システムにおいて最も重要な要件の１つである。所定のアプリケーションを例にとれば、前置光学系は少なくとも１方向において少なくとも３０度の全方位視野を有しなければならず、４０度の全方位視野を有することが望ましい。バックエンド要素をデューワ等のコンテナに配置するとともに、前置光学系をコンテナ外部に配置してコンテナの壁に設けられた窓を通じてバックエンド要素と光学的に連絡できるようにするため、前置光学系は長い後部焦点距離を有することが望ましい。このようなアプリケーションにおいては、前置光学系が外部後方開口絞りを有することが強く望まれる。つまり、前置光学系の最後の光学要素と像面との間にビームパスに沿って配置された開口絞りが備えられることが望ましい。例えば赤外線へ応用する場合には、外部後方開口絞りをデューワの内部のコールドシールドの１つに配置し、フロントエンド光学要素をそのデューワの外部に配置することができる。最後に、多くのアプリケーションにおいて異なる波長帯を結像することが要請されるため、前置光学系を通過する光の伝播は光の波長に依存しないことが望ましい。

前置光学系として適しており上述した様々な要件を満たす光学系は存在しない。したがって、そのような光学系のニーズがある。本発明はこのニーズに応えさらなる便宜を提供する。

本発明は全反射型で少なくとも３０度の全方位視野を有する画像光学的な形態を提供する。その像面は平面である。後部焦点距離は実効焦点距離と同じかそれ以上であり、外部後方開口絞りを有する。したがって、この光学系はデューワ内の検出器やダブルパス分光計等のアプリケーションの前置光学系として非常に適している。

本発明によれば、画像光学系はビームパス及び像面を有する。この光学系はビームパス上に少なくとも３枚のミラーを有するミラーセットを含む。このビームパス上の最後のミラーのみが正の光学パワーを有し、他のミラーは全て負の光学パワーを有する。このミラーの光学パワーの合計はゼロである。このミラーセットの全方位視野は典型的には１方向において少なくとも３０度であり、１方向において４０度以上であることがより好ましい。ビームパス上の最後のミラーと像面との間に外部後方開口絞りが備えられる。好ましくは、光学系の後部焦点距離は光学系の実効焦点距離と同じかそれ以上である。

一実施形態において、ミラーセットは光学パワーを有する丁度３つのミラーを有する。この実施形態におけるミラーセットはビームパスに沿って順に負、負、正の光学パワーを有する。つまり、正の光学パワーを有するミラーは、ビームパスに沿って計測した場合に（負の光学パワーを有するミラーと比較して）外部後方開口絞り及び像面に対して最も近い位置にある。他の実施形態において、ミラーセットは光学パワーを有する丁度４つのミラーを有する。この実施形態におけるミラーセットはビームパスに沿って負、負、負、正の光学パワーを有する。正の光学パワーを有するミラーは、ビームパスに沿って計測した場合に（負の光学パワーを有するミラーと比較して）外部後方開口絞り及び像面に対して最も近い位置にある。

通常、この光学系を他の光学要素と組み合わせて有用な光学装置を構成することができる。例えば、ビームパス上の最後のミラー（正の光学パワーを有するミラー）と外部後方開口絞りとの間に窓が設けられる。ビームパス上の最後のミラーと外部後方開口絞りとの間に窓を備えるデューワを有するアプリケーションがある。このアプリケーションにおいて、外部後方開口絞りはそのデューワ内、好ましくはデューワ内のコールドシールドに設けられてその外部後方開口絞りを冷却できるようにする。このような構造においては、通常、ビームパス上においてデューワ内の像面位置に検出器が設けられ、窓と検出器との間に外部後方開口絞りが存在するようになされる。

他のアプリケーションにおいては、光学系はダブルパス分光計をさらに含む。前記ミラーセットはこのダブルパス分光計のための前置光学系を含む。

好ましい実施形態において、ビームパスと像面とを有する画像光学系は光学パワーを有する丁度３つ又は丁度４つのミラーをビームパス上に有するミラーセットを含む。ビームパス上において、このミラーセットの最後のミラーのみが正の光学パワーを有し、それ以外のミラーは全て負の光学パワーを有する。ミラーの光学パワーの合計はゼロである。この光学系は最後のミラーと像面との間に外部後方開口絞りを備える。光学系の後部焦点距離は光学系の実効焦点距離と同じかそれ以上である。本明細書において説明される他の組み合わせ可能な特徴をこの実施形態とともに用いることができる。

他の型の前置光学系ではここで述べた要件の全てを満たすことはできない。例えば，広角で大きい反射率を有する明瞭なシステム（ＷＡＬＲＵＳ）型の光学系は、外部後方開口絞りを有しておらず後部焦点距離が短い。シュバルツシルト光学系は平面的な像面を有しておらず、平面的な像面を有するシュバルツシルト光学系の変形は外部後方開口絞りを有していない。

本発明の他の特徴及び効果は、以下に示す好ましい実施形態の詳細な説明及び本発明の原理を例示する図面によって明らかになる。しかし、本発明の範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。

デューワ内の検出器とともに使用される３枚のミラーのセットを用いた光学系の光線パスを概略的に示した図である。

ダブルパス分光計とともに使用される４枚のミラーのセットを用いた光学系の光線パスを概略的に示した図である。

３枚のミラーの画像光学系の正面図である。

図３に示される３枚のミラーの画像光学系の平面図である。

図３及び図４に示されるタイプの典型的な３枚のミラーの画像光学系の光学的規定を示す。

４枚のミラーの画像光学系の正面図である。

図６に示される４枚のミラーの画像光学系の平面図である。

図６及び図７に示されるタイプの典型的な４枚のミラーの画像光学系の光学的規定を示す。

図１及び図２は画像光学系２０の２つの実施形態を示す。それぞれの実施形態はアプリケーションとともに示されている。（画像光学系２０において、他の要素とともに用いられる光学要素を有する追加的な光学系を「アプリケーション」と称する。）光学系２０は、その系を通るビームパス２２と像平面２４とを有する。（つまり、像面は平面状であり湾曲していない。）光学系は少なくとも３枚のミラーをビームパス２２上に有するミラーセット２６を備える。

図１の実施形態は、ミラーセット２６内に光学パワーを有するミラーを丁度３つ備える。（「光学パワーを有するミラー（optically powered mirror）」は正又は負の光学パワーを有するものであり、ゼロの光学パワーを有することはない。正又は負の光学パワーを有するミラーは湾曲しており、光学パワーがゼロのミラーは平らである。）図１のビームパス２２上には、シーンの最も近くに位置し負の光学パワーを有する第１のミラー２８、負の光学パワーを有する第２のミラー３０、及び（ビームパスに沿って計測した場合に）像平面２４の最も近くに位置し正の光学パワーを有する第３のミラー３２が存在する。ビームパス２２上の最後に位置しそれ故に像平面２４に最も近いミラー（ここでは第３のミラー３２）だけが正の光学パワーを有しセット２６における他のミラーは全て負の光学パワーを有するので、画像光学系２０は非常に広い視野角となる。ミラー２８、３０、３２の光学パワーの合計はゼロになる。シーンからの光は第１のミラー２８へ入射し、第１のミラー２８から第２のミラー３０へ反射され、第２のミラー３０から第３のミラー３２へ反射され、さらに第３のミラー３２から外部後方開口絞り３５を通って像平面２４に反射される。

図２の実施形態は、ミラーセット２６内にに光学パワーを有するミラーを丁度４つ備える。ビームパス２２上には、シーンの最も近くに位置し負の（しかしゼロに近い）光学パワーを有する第１のミラー２８、負の光学パワーを有する第２のミラー３０、負の光学パワーを有する第３のミラー３２、及び（ビームパスに沿って計測した場合に）像平面２４の最も近くに位置し正の光学パワーを有する第４のミラー３４が存在する。ビームパス２２上の最後に位置しそれ故に像平面２４に最も近いミラー（ここでは第４のミラー３４）だけが正の光学パワーを有する。ミラー２８、３０、３２、３４の光学パワーの合計はゼロになる。シーンからの光は第１のミラー２８へ入射し、第１のミラー２８から第２のミラー３０へ反射され、第２のミラー３０から第３のミラー３２へ反射され、第３のミラー３２から第４のミラー３４へ反射され、さらに第４のミラー３４から外部後方開口絞り３５を通って像平面２４に反射される。図１及び図２に示される２つの実施形態のミラーが各実施形態において同じ構成、素材、及び形状を有する必要は必ずしもなく、同じ構成、素材、及び形状を有しないことも多い。

ミラーセット２６は、したがって当然に光学系２０も、ビームパス２２上に外部後方開口絞り３５を有することが望ましい。本明細書における「外部後方開口絞り」は光学パワーを有する最後のミラー（図１においては第３のミラー３２、図２においては第４のミラー３４）と像平面２４との間に位置する開口（又は開口が位置する場所）である。ビームパス２２上において最後のミラー（図１においては第３のミラー３２、図２においては第４のミラー３４）の手前に位置する開口又は絞りは外部後方開口絞りではない。本実施形態における光学系は、ビームパス２２上において最後のミラーの手前に位置する開口又は絞りを有していない。

本実施形態のもう１つの重要な特徴は、光学系２０の後部焦点距離が光学系２０の実効焦点距離と同じかそれより長いことである。

図１の実施形態は光学パワーを有する丁度３つのミラー２８、３０、３２を有するミラーセット２６を示す。ミラーセット２６は、デューワ３８内に配置されビームパス２２上に位置する赤外線焦点面アレイ等の画像検出器３６のための前置光学系として働く。ビームパス２２は窓４０を通ってデューワ３８に入る。デューワ３８内では、コールドシールド４２が画像検出器３６を包囲している。コールドシールド４２を貫く開口４４は外部後方開口絞り３５として働く。つまり、外部後方開口絞り３５は窓４０と像平面２４との間に位置する。第３のミラー３２と像平面２４との間に外部後方開口絞り３５を備え、また、長い後部焦点距離を有することは、このアプリケーションにおいて非常に重要である。セット２６の全てのミラーをデューワ３８の外部に配置することができ、外部後方開口絞りを、デューワ３８内部に、画像検出器４２に到達する熱雑音を最小化するためのコールドシールド４２の一部として配置することができる。後部焦点距離が長いことによって、ミラー２８、３０、３２を適当な間隔を空けて配置することができるとともに、ミラーとデューワ３８とを密に配置する必要がなくなる。

図２は光学パワーを有する丁度４つのミラー２８、３０、３２、３４を有するミラーセット２６を示す。ミラー２８、３０、３２、３４のセット２６はダブルパス分光計５０のための前置光学系として働く。ミラーセット２６の像平面２４はスリット５２に配置される。ダブルパス分光計５０において、スリット像は３枚のミラー５４、５６、５８のセットによって反射され、分散要素６０（本実施形態ではプリズムとして描かれている）によって回折される。分光されたビームは３枚のミラー５８、５６、５４のセットによって逆方向に反射され、スリット５２の面に配置された単数又は複数の検出器６２に入射する。本実施形態のミラーセット２６は非常に広い視野角を提供するので、このミラーセット２６を用いることはこのアプリケーションにおいて特に有益である。

図１の実施形態は３枚のミラーで構成される前置光学系を用いて説明され、図２の実施形態は４枚のミラーで構成される前置光学系を用いて説明される。しかし、３枚のミラーで構成される前置光学系を図２のアプリケーションとともに用いることができ、４枚のミラーで構成される前置光学系を図１のアプリケーションとともに用いることもできる。３枚のミラーの構成及び４枚のミラーの構成は他のアプリケーションとともに用いることもできる。

３枚のミラー及び４枚のミラーのセットの詳細な設計が提供される。

図３及び図４は３枚のミラーからなるミラーセット２６（概略は図１に示されている）を分離して示し、図５は３枚のミラーのセットにおいて利用可能な光学的規定の例を提示する。

図６及び図７は４枚のミラーからなるミラーセット２６（概略は図２に示されている）を分離して示し、図８は４枚のミラーのセットにおいて利用可能な光学的規定の例を提示する。

本発明の特定の実施形態が例示のために記述されたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び改善を行うことができる。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲によって限定される場合を除き限定して解釈されるものではない。

Claims (10)

1. ビームパス（２２）及び像面を有する画像光学系（２０）であって、
   前記ビームパス（２２）上に少なくとも３枚のミラーを有するミラーセット（２６）であって、前記ビームパス（２２）上の最後のミラーのみが正の光学パワーを有し他のミラーは全て負の光学パワーを有するとともに前記ミラーの前記光学パワーの合計がゼロであるものと、
   前記ビームパス（２２）上の前記最後のミラーと前記像面（２４）との間に外部後方開口絞り（３５）とを備える光学系。
2. 前記ミラーセット（２６）が光学パワーを有する丁度３つのミラー（２８、３０、３２）を含む請求項１に記載の光学系（２０）。
3. 前記ミラーセット（２６）が光学パワーを有する丁度３つのミラー（２８、３０、３２）を含み、前記ミラーセット（２６）がビームパス（２２）に沿って負、負、及び、正の光学パワーを有する請求項１に記載の光学系（２０）。
4. 前記ミラーセット（２６）が光学パワーを有する丁度４つのミラー（２８、３０、３２、３４）を含む請求項１に記載の光学系（２０）。
5. 前記ミラーセット（２６）が光学パワーを有する丁度４つのミラー（２８、３０、３２、３４）を含み、前記ミラーセット（２６）がビームパス（２２）に沿って負、負、負、及び、正の光学パワーを有する請求項１に記載の光学系（２０）
6. 光学系（２０）の後部焦点距離が光学系（２０）の実効焦点距離と同じかそれ以上である請求項１に記載の光学系（２０）。
7. アプリケーションをさらに含み、前記ミラーセット（２６）が当該アプリケーションのための前置光学系を含む請求項１に記載の光学系（２０）。
8. 前記ビームパス（２２）上の前記最後のミラーと前記外部後方開口絞り（３５）との間に窓を有するデューワ（３８）をさらに含み、前記外部後方開口絞り（３５）が当該デューワ（３８）内にある請求項１に記載の光学系（２０）。
9. ダブルパス分光計（５０）をさらに含み、前記ミラーセット（２６）が当該ダブルパス分光計（５０）のための前置光学系を含む請求項１に記載の光学系（２０）。
10. 前記光学系（２０）が少なくとも１方向において少なくとも３０度の全方位視野を有する請求項１に記載の光学系（２０）。