JP5970129B2 - 全反射性の実の瞳のテレセントリックなイメージャ - Google Patents

Description

背景
電磁放射、特に可視の及び赤外の放射に対応する放射スペクトルの一部分、のための結像系は、例えば、望遠鏡によって長い距離における物体を結像させるために、幅広く使用される。結像系が球面収差、コマ、非点収差、及び像面湾曲を補正することが必要なものである最小の数のパラメーターを提供するために最小でも三つの光学素子を要求することは、一般に認識されることである。三つの光学素子で構成される望遠鏡又は結像系は、一般にトリプレットとして知られる。一つの一般的なタイプのトリプレットは、反射性の光学素子を使用することで構築されると共に、典型的には二つの正のパワーのミラーの間に挟まれた負のパワーのミラーで構成される。従来の反射性のトリプレットにおいては遠方の物体から系に入る光は、最初に一次のミラーに当たると共に、二次のミラーへと反射させられると共に、次に、三次のミラーへさらに反射させられると共に、最後に、遠方の物体の像が形成される像平面へ集束させられる。

Ｗｅｔｈｅｒｅｌｌ等への米国特許第４４２０７０７号は、正の凹面の一次のミラー及び正の凹面の三次のミラーの間に位置決めされた負の凸面の二次のミラーからなる反射性のトリプレットで構成されると共に光軸上に開口絞りを有する全反射する偏心の視野の非リレーの光学系であって、開口絞りが二次のミラーに物理的に位置させられるものを記載する。この光学系の入射瞳は、虚のものである、すなわち、それは、光学系の後方に大きい距離で位置させられる。虚の入射瞳を有することの不利益は、顕著な量のビームの迷い込みが光学系の前方で起こることになるということである。そのようなビームの迷い込みは、小さい孔又は窓を通じた物体の目視を要求する状況において像の品質に有害に影響を及ぼす。しかしながら、二次のミラーにおける開口絞りの場所の自然の帰結として、結像するｆの円錐の全ては、実質的に垂直に像平面に入射するものである（テレセントリックな条件）。

Ｃｏｏｋへの米国特許第７７３３９５５号は、正の凹面の一次のミラー、負の凸面の二次のミラー、及び正の凹面の三次のミラーを含む反射性のトリプレットであって、それらによって形成された系が開口及び視野の角度の両方において軸外で使用されるようにミラーが配置されるものを記載する。一次のミラーの前方に位置決めされるものは、光学系へと結像される放射を入れるための入射瞳である。この瞳の場所では、この点で本質的にビームの迷い込みが無いものであると共に、これは、小さい孔又は窓を通じて物体を目視する際の利点である。しかしながら、前方の開口絞りの場所の自然の帰結として、結像するｆの円錐は、像平面における入射の角度の変動（テレセントリックな条件からの逸脱）を呈示することになると共に、これは、ある一定の事情又は用途において不利益なものであることができる。

米国特許第４，４２０，７０７号 米国特許第７，７３３，９５５号

発明の概要

態様及び実施形態は、テレセントリックな像及び実の入射瞳の両方を有する反射性の光学的な形態に向けられると共に、それによって従来の反射性のトリプレットを超えた数多くの利点を提示する。例えば、テレセントリックな像を有することは、結像の検出器（例．焦点面アレイ）の前方にすぐ近くに位置させられた多層の誘電体のスペクトルフィルターのコーティングの設計における利点を提示することがある。

一つの実施形態に従って、非リレーの光学的な結像系は、電磁放射のビームを入れるように構成された実の入射瞳、像平面、及び、負の一次のミラー、一次のミラーへ光学的に結合させられた正の二次のミラー、二次のミラーへ光学的に結合させられた負の三次のミラーを含む反射性のトリプレットを具備すると共に、反射性のトリプレットが実の入射瞳から電磁放射のビームを受けるように及び像平面にテレセントリックな像を形成するために像平面へと電磁放射のビームを集束させるように構成されたものである。

一つの例において、非リレーの光学的な結像系は、さらに、像平面に位置させられた結像の検出器を具備する。一つの例において、負の一次のミラーは、入射瞳から電磁放射のビームを受けるように及び正の二次のミラーへと電磁放射のビームを反射させるように配置されると共に、正の二次のミラーは、負の一次のミラーから電磁放射のビームを受けるように及び負の三次のミラーへと電磁放射のビームを反射させるように配置されると共に、負の三次のミラーは、正の二次のミラーから電磁放射のビームを受けるように及び像平面へと電磁放射のビームを反射させるように配置される。一つの例において、光学的な結像系のクロススキャンの視野は、おおよそ１５度である。別の例において、反射性のトリプレットの実効焦点距離に対する反射性のトリプレットの物理的な長さの比は、おおよそ０．４４倍である。別の例において、光学的な結像系の明るさは、おおよそＦ／６．４である。非リレーの光学的な結像系は、さらに、実の入射瞳及び一次のミラーの間に位置させられた非球面の補正器ミラーを具備することがある。一つの例において、非球面の補正器ミラーは、ゼロパワーのミラーである。別の例において、光学的な結像系のクロススキャンの視野は、おおよそ１０度である。別の例において、光学的な結像系の明るさは、おおよそＦ／４である。

これらの例示的な態様及び実施形態のまだ他の態様、実施形態、及び利点は、以下に詳細に議論される。ここに開示された実施形態は、ここに開示された原理の少なくとも一つのものと整合するいずれの様式でも他の実施形態と組み合わせられることがあると共に、“ある実施形態”、“いくつかの実施形態”、“代替の実施形態”、“様々な実施形態”、“一つの実施形態”、又は同様のものへの参照は、必ずしも相互に排他的ではないものであると共に、記載された特定の特徴、構造、又は特性が、少なくとも一つの実施形態に含まれることがあることを指し示すことが意図される。ここにおけるそのような用語の出現は、必ずしも全てのものが同じ実施形態を参照するものではない。

図１は、本発明の態様に従った全反射する三つのミラーの非リレーの光学系の一つの例を図示する側面図の概略図である。 図２は、図１の光学系の平面図である。 図３は、図１の光学系の等角図である。 図４は、本発明の態様に従った反射性の非リレーの光学系の別の例を図示する側面図の概略図である。 図５は、図４の光学系の平面図である。 図６は、図４の光学系の等角図である。

図面の手短な記載
少なくとも一つの実施形態の様々な態様は、一定の縮尺で描かれることが意図されるものではない付随する図を参照して以下に議論される。図は、様々な態様及び実施形態の図示及びさらなる理解を提供するために含まれると共に、この明細書の一部分に組み込まれると共にそれを構成するが、しかし、発明の限定の定義として意図されるものではない。図において、様々な図に図示される各々の同一の又はほぼ同一の構成要素は、同様の数字によって表される。明りょうさの目的のために、必ずしもあらゆる構成要素が、あらゆる図においてラベルを付けられるものではないことがある。図において、
図１は、本発明の態様に従った全反射する三つのミラーの非リレーの光学系の一つの例を図示する側面図の概略図であると共に、
図２は、図１の光学系の平面図であると共に、
図３は、図１の光学系の等角図であると共に、
図４は、本発明の態様に従った反射性の非リレーの光学系の別の例を図示する側面図の概略図であると共に、
図５は、図４の光学系の平面図であると共に、
図６は、図４の光学系の等角図である。

詳述された記載
態様及び実施形態は、従来の系とは違って、テレセントリックであると共に実の入射瞳を提供することの両方である、いくつかの例における反射性のトリプレットのような、反射性の光学系に向けられる。実の入射瞳は、いくつかの用途において、目視する窓及び／又はポインティングミラーのサイズを最小にすること、及び、便利な較正器のインターフェースを提供することが望まれる。上で議論されたように、虚の入射瞳は、数多くの用途に虚の入射瞳を備えた系を不適当なものとする、大きいビームの迷い込みに帰着する。テレセントリックな像（平行な主光線）は、それが結像の検出器上の狭帯域のスペクトルフィルターの設計及び製作を単純化することがあるという点で、好都合なものであることがある。従来の反射性のトリプレットは、テレセントリックな像及び実の入射瞳の両方を提供するものではない。例えば、上で議論された米国特許第４，２４０，７０７号は、テレセントリックなものであるが、しかし、虚の入射瞳を有する、光学系を記載する。上で議論された米国特許第４，７３３，９５５は、実の入射瞳を有するが、しかし、テレセントリックなものから遠いものである。態様及び実施形態は、テレセントリックな像及び実の入射瞳の両方を有する反射性の光学的な形態を提供すると共に、それによって従来の反射性のトリプレットを超える数多くの利点を提示する。

ここで議論された方法及び装置の実施形態が、後に続く記載に述べられた又は付随する図面に図示された構成要素の構築及び配置の詳細へ応用において限定されるものではないことは、認識されることである。方法及び装置は、他の実施形態における実施の及び様々な方式で実践されることの又は実行されることの可能なものである。特定の実施の例は、図示の目的のためにのみここに提供されると共に限定することが意図されるものではない。また、ここで使用された語句及び述語は、記載の目的のためであると共に限定するものとみなされるべきものではない。“を含む”、“具備する”、“有する”、“含有する”、“伴う”、及びそれらの語尾変化のここでの使用は、追加的なアイテムのみならず、その後に列挙されたアイテム及びそれらの均等物を包含することが意味される。“又は”への参照は、
“又は”を使用することで記載されたいずれの用語も、記載された用語の単一のもの、一つよりも多いもの、及び全てのいずれのものをも指し示すことがあるように、包括的なものとして解されることがある。

図１、２、及び３への参照をすると、図示されるものは、一つの実施形態に従った実の及びアクセス可能な入射瞳１１０を有する全反射性の非リレーの光学系１００の一つの例である。光学系は、光軸１２０を有すると共に三つの軸外のミラー及び像平面１３０を含む。ミラーは、一次のミラー１４０、二次のミラー１５０、及び三次のミラー１６０を含む。像平面１３０のところで又はそれの上に配されるものは、典型的は、結像の検出器１３５である。実の入射瞳１１０は、軸外に位置させられると共に（示されない）遠方の源を起源とする電磁放射のビーム１１５を入れる。図１に図示されたように、ビーム１１５は、初期に一次のミラー１４０に当たると共に、三次のミラー１６０へとビームを反射させる二次のミラー１５０へと反射させられると共に、そして、像平面１３０に位置させられた結像の検出器１３５に当たるために三次のミラーによって反射させられる。実の入射瞳１１０は、定義によって、虚の入射瞳の存在を予め除外する。

一つの実施形態に従って、一次のミラー１４０は、負の凸面のミラーであると共に、二次のミラー１５０は、正の凹面のミラーであると共に、三次のミラー１６０は、負の凸面のミラーである。一つの実施形態において、これらのミラーの各々は、一般には、円錐の断面であるが、しかしながら、各々は、また、表面の記述においてより高い次数の非球面の項を含有することがある。このように、一次の、二次の、及び三次のミラーによって形成された反射性のトリプレットのパワーの分配は、−、＋、−である。上で議論したように、反対に、古典的な反射性のトリプレットのパワーの分配は、＋、−、＋である。一つの例において、二つの負のパワーのミラー（１４０，１６０）は、おおよそ等しいパワー及び正のパワーのミラー（１５０）のパワーの約半分を有すると共に、このようにゼロのペッツバール（Ｐｅｔｚｖａｌ）和又は平坦な視野の条件を満足する。ある一定の例に従って、図１−３の三つのミラーの光学系は、約０．４４倍の焦点距離に対する物理的な長さの比を有する、非常に小型のものである。

表１は、図１−３に図示された光学系の例についての光学的な処方箋を提供する。光学系のこの例についての光学的な処方箋は、業界標準であると共に当業者に知られたものであると思われる等式を使用することで発生させられることがある。しかしながら、表１に与えられた処方箋が単に例示的なものであること、及び、光学系１００の様々な実施形態の処方箋が、光学系によって行われる意図された結像の課題によって決定されることは、認識されることである。表１における単位は、インチである。

表１に与えられた処方箋に対応する例において、光学系の後に続くパラメーターは、当てはまる。光軸１２０からの開口絞りのオフセットは、−４．２６９インチであると共に、絞りの直径は、２．５インチである。光軸からの視野のオフセットは、−１４．８８１度である。クロススキャンの視野（ＦＯＶ）は、１５度である。視野平均の焦点距離は、１６．１インチである。公称の明るさは、Ｆ／６．４である。実効焦点距離に対する物理的な長さの比は、０．４４であると共に、視野平均の二乗平均平方根の（ＲＭＳ）波面誤差（ＷＦＥ）は、０．０２７マイクロメートルである。

別の実施形態に従って、上に記載された光学系の三つのミラーの形態は、入射瞳及び第一のパワーのあるミラーの間におけるゼロパワーの非球面の補正器ミラーが、より明るい光学的な明るさでのより良好なイメージャの品質のために増やされることがある。図４−６は、ゼロパワーの非球面の補正器ミラーとの組み合わせで反射性のトリプレットを含む非リレーの光学系の一つの例を図示する。上に議論した光学系１００に類似の光学系２００は、（系の光軸２２０に対する）軸外に位置させられた並びに（示されない）遠方の源を起源とする電磁放射のビーム２１５を入れるように構成された実の及びアクセス可能な入射瞳２１０を含む。光学系２００は、負のパワーの二次のミラー２３０、正のパワーの三次のミラー２４０、像平面２６０へ電磁放射のビーム２１５を向けると共に集束させる、負のパワーの四次のミラー２５０で形成された反射性のトリプレットを含む。上で議論されたように、例えば、焦点面アレイのような、結像の検出器２６５は、像平面２６０に位置させられることがある。一次のミラーともまた称された、ゼロパワーの非球面のビーム補正器ミラー２７０は、実の入射瞳２１００及び二次のミラー２３０の間に位置させられる。このように、四つのミラーの光学系２００のパワーの分配は、０、−、＋、−である。

動作において、電磁放射のビーム２１５は、入射瞳２１０を通じて入ると共に、一次のミラー２７０に当たると共に、二次のミラー２３０へと反射させられる。ビームは、三次のミラー２４０へと二次のミラー２３０によって反射させられると共に、四次のミラー２５０へと三次のミラーから反射させられると共に、像平面２６０に位置させられた結像の検出器２６５へと四次のミラーから反射させられる。一つの例において、二次のミラー２３０は、負の凸面のミラーであると共に、三次のミラー２４０は、正の凹面のミラーであると共に、四次のミラー２５０は、負の凸面のミラーである。一つの実施形態において、パワーのあるミラーの各々は、一般には、円錐の断面であるが、しかしながら、各々は、また、表面の記述においてより高い次数の非球面の項を含有することがある。ゼロパワーの補正器ミラー２７０は、一般には、表面の記述においてより高い次数の非球面の項のみを有することがある。一つの例において、二つの負のパワーのミラーは、おおよそ等しいパワー及び正のパワーのミラーのパワーの約半分を有すると共に、このようにゼロのペッツバール和又は平坦な視野の条件を満足する。一次の、二次の、三次の、及び四次のミラーの各々は、図４に図示されたように、軸外のものであることがある。

表２は、図４−６に図示された光学系の例についての光学的な処方箋を提供する。光学系のこの例についての光学的な処方箋は、業界標準であると共に当業者に知られたものであると思われる等式を使用することで発生させられることがある。しかしながら、表２に与えられた処方箋が単に例示的なものであること、及び、光学系２００の様々な実施形態の処方箋が光学系によって行われる意図された結像の課題によって決定されることは、認識されることである。表２における単位は、インチである。

表２に与えられた処方箋に対応する例において、光学系の後に続くパラメーターは、当てはまる。光軸２２０からの開口絞りのオフセットは、−７．０２３インチであると共に、絞りの直径は、４インチである。光軸からの視野のオフセットは、−１４．１４５度である。クロススキャンの視野（ＦＯＶ）は、１０度である。視野平均の焦点距離は、１５．９７インチである。公称の明るさは、Ｆ／４である。実効焦点距離に対する物理的な長さの比は、０．４４倍である。

表１及び２において、列に指定されたＲｄは、特定のミラーの表面の線形の寸法の単位、例．インチ又はセンチメートル、での半径である。マイナスの符号は、曲率の中心がミラーの表面の左側にあることを指し示す。列に指定されたＣＣは、円錐の断面（二重のシートにされた円錐の表面を通じた平面の切断）の離心率の負の平方の値に等しいものである円錐の定数である。列に指定されたＡｄ、Ａｅ、Ａｆ、及びＡｇは、特定のミラーの表面の非球面の定数である。ｘｙｚ座標系に対して、接平面にとられたｙ軸及びサジタル平面にとられたｘ軸と共にｚ軸としての光軸を考える。列に指定されたＹ偏心は、偏心の距離である。偏心は、ｙ軸に沿った線形の測定値の単位で測定されると共に、座標系の原点からの表面の頂点の変位を表す。列に指定されたＹ傾斜は、傾斜を記載する。ミラーの表面の各々は、回転の表面として形成されることがあると共に、これは軸のまわりに円錐の断面を回転させることによってなされる。Ｙ傾斜の列は、ｙｚ平面におけるこの軸の傾斜を与える。正の数の度数の傾斜は、ｘｙｚ座標系を参照した反時計回りの方向における傾斜を表す。

このように、態様及び実施形態は、実の入射瞳及びテレセントリックな最終的な像の両方を有する反射性の偏心の（即ち、光学系は、開口及び視野の両方において軸外で使用されることがある）平坦な視野の非リレーのイメージャを提供する。上で議論されたように、実の入射瞳を有することは、入射瞳が小さいものに作られると共に従って目視する窓が要求される結像の用途とそれを両立するものにすることがあるという事実に追加して、（虚の入射瞳を備えた系に対して比較された）低減されたビームの迷い込み及び改善された像の品質のような、数多くの利点を提示する。実の及びアクセス可能な入射瞳が好都合なものであるさらなる結像の用途は、物体空間スキャニング又はポインティングミラーが小さいサイズのものに保たれるものを含む。追加として、実の入射瞳は、全開口の全視野の較正器用の優れたインターフェースを提供する。さらには、テレセントリックな最終的な像を有することは、スペクトルフィルターが結像の検出器の前方に望まれる結像の用途において好都合なことであることがある。

上に少なくとも一つの実施形態の数個の態様を記載してきたが、様々な変形、変更、及び改良が容易に起こることになることは、当業者に認識されることである。そのような変形、変更、及び改良は、この開示の一部分であることが意図されると共に発明の範囲内にあるものであることが意図される。それに応じて、先行する記載及び図面は、例のみの方式によるものであると共に、発明の範囲は、添付された請求項及びそれらの均等物の適切な構築から決定されるべきである。

クレーム
１． 非リレーの光学的な結像系であって、
電磁放射のビームを入れるように構成された実の入射瞳、
像平面、及び
負の一次のミラー、前記一次のミラーへ光学的に結合させられた正の二次のミラー、前記二次のミラーへ光学的に結合させられた負の三次のミラーを含む反射性のトリプレットを具備すると共に、
前記反射性のトリプレットが前記実の入射瞳から前記電磁放射のビームを受光するように及び前記像平面にテレセントリックな像を形成するために前記像平面へと前記電磁放射のビームを集束させるように構成された、非リレーの光学的な結像系。
２． クレーム１の非リレーの光学的な結像系であって、さらに、
前記像平面に位置させられた結像検出器
を具備する、非リレーの光学的な結像系。

３． クレーム１の非リレーの光学的な結像系において、
前記負の一次のミラーは、前記入射瞳から前記電磁放射のビームを受光するように及び前記正の二次のミラーへと前記電磁放射のビームを反射させるように配置されたものであると共に、
前記正の二次のミラーは、前記負の一次のミラーから前記電磁放射のビームを受光するように及び前記負の三次のミラーへと前記電磁放射のビームを反射させるように配置されたものであると共に、
前記負の三次のミラーは、前記正の二次のミラーから前記電磁放射のビームを受光するように及び前記像平面へと前記電磁放射のビームを反射させるように配置されたものである、
非リレーの光学的な結像系。

４． クレーム１の非リレーの光学的な結像系において、
前記非リレーの光学的な結像系のクロススキャンの視野は、おおよそ１５度である、非リレーの光学的な結像系。

５． クレーム１の非リレーの光学的な結像系において、
前記反射性のトリプレットの実効焦点距離に対する前記反射性のトリプレットの物理的な長さの比は、おおよぞ０．４４倍である、非リレーの光学的な結像系。

６． クレーム１の非リレーの光学的な結像系において、
前記非リレーの光学的な結像系の明るさは、おおよそＦ／６．４である、非リレーの光学的な結像系。

７． クレーム１の非リレーの光学的な結像系であって、さらに、
前記実の入射瞳及び前記一次のミラーの間に位置させられた非球面の補正器ミラー
を具備する、非リレーの光学的な結像系。

８． クレーム７の非リレーの光学的な結像系において、
前記非球面の補正器ミラーは、ゼロパワーのミラーである、非リレーの光学的な結像系。

９． クレーム７の非リレーの光学的な結像系において、
前記非リレーの光学的な結像系のクロススキャンの視野は、おおよそ１０度である、非リレーの光学的な結像系。

１０． クレーム７の非リレーの光学的な結像系において、
前記非リレーの光学的な結像系の明るさは、おおよそＦ／４である、非リレーの光学的な結像系。

Claims (9)

1. 非リレーの光学的な結像系であって、
   電磁放射のビームを入れるように構成された実の入射瞳、
   像平面、及び
   負の一次のミラー、前記一次のミラーへ光学的に結合させられた正の二次のミラー、前記二次のミラーへ光学的に結合させられた負の三次のミラーを含む反射性のトリプレットを具備すると共に、
   前記反射性のトリプレットが前記実の入射瞳から前記電磁放射のビームを受光するように及び前記像平面にテレセントリックな像を形成するために前記像平面へと前記電磁放射のビームを集束させるように構成された、非リレーの光学的な結像系。
2. 請求項１の非リレーの光学的な結像系であって、さらに、
   前記像平面に位置させられた結像検出器
   を具備する、非リレーの光学的な結像系。
3. 請求項１の非リレーの光学的な結像系において、
   前記負の一次のミラーは、前記入射瞳から前記電磁放射のビームを受光するように及び前記正の二次のミラーへと前記電磁放射のビームを反射させるように配置されたものであると共に、
   前記正の二次のミラーは、前記負の一次のミラーから前記電磁放射のビームを受光するように及び前記負の三次のミラーへと前記電磁放射のビームを反射させるように配置されたものであると共に、
   前記負の三次のミラーは、前記正の二次のミラーから前記電磁放射のビームを受光するように及び前記像平面へと前記電磁放射のビームを反射させるように配置されたものである、
   非リレーの光学的な結像系。
4. 請求項１の非リレーの光学的な結像系において、
   前記非リレーの光学的な結像系のクロススキャンの視野は１５度である、非リレーの光学的な結像系。
5. 請求項１の非リレーの光学的な結像系において、
   前記非リレーの光学的な結像系の明るさはＦ／６．４である、非リレーの光学的な結像系。
6. 請求項１の非リレーの光学的な結像系であって、さらに、
   前記実の入射瞳及び前記一次のミラーの間に位置させられた非球面の補正器ミラー
   を具備する、非リレーの光学的な結像系。
7. 請求項６の非リレーの光学的な結像系において、
   前記非球面の補正器ミラーは、ゼロパワーのミラーである、非リレーの光学的な結像系。
8. 請求項６の非リレーの光学的な結像系において、
   前記非リレーの光学的な結像系のクロススキャンの視野は１０度である、非リレーの光学的な結像系。
9. 請求項６の非リレーの光学的な結像系において、
   前記非リレーの光学的な結像系の明るさはＦ／４である、非リレーの光学的な結像系。

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