JP6609331B2 - Ｓｗｉｒを目に見えるものへとアップコンバージョンする光学系 - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、フォトンアップコンバージョン装置の分野に基づく。特に、本発明は、短波赤外線光で検出された画像を可視波長範囲の画像へと変換するためのアップコンバージョン装置の分野に基づく。
発明の背景
多くの分野において、フォトンアップコンバージョン装置に大きな関心がある。特に、ヒトがほぼ真っ暗闇である風景の画像を見ることを許容することが可能な装置の分野では。この点で特に重要なのは、短波赤外線（ＳＷＩＲ）画像を目に見えるものへと変換することが可能な装置である。
ＳＷＩＲの波長範囲の重要性は、夜光（大気光としても知られる）のような自然光源の分光放射照度が、近赤外線（ＮＩＲ）の範囲におけるものより、ＳＷＩＲの範囲において数倍強いことである。また、霧および塵を通した透視度は、目に見えるものおよびＮＩＲにおけるものと比べて、ＳＷＩＲの範囲で非常に高い。したがって、可視光では日中でさえ見ることのできない風景および物体を、ＳＷＩＲの自然光を用いて見ることができる。さらに、この波長範囲では、装置は冷却を必要としない。
一般に、今日の進歩したＳＷＩＲを目に見えるものへとアップコンバージョン（上方変換）する装置は、高額であること、サイズや重量が相対的に大きいことを含むいくつかの欠陥を有し、かつ、液体窒素を用いた冷却を必要とする場合がある。さらに、提案されている他のアップコンバージョン装置は、低いＳＷＩＲ光子吸収および変換工程の低効率による低い量子効率に悩まされる。
液晶空間光変調器は、確立した技術である［１］。空間光変調器（ＳＬＭ）を用いることにより、光線の位相および／または振幅が変調され得る。液晶（ＬＣ）装置を用いる２つの標準的なタイプの光変調がある。第１のタイプは、いわゆる電気アドレス指定ＳＬＭ（ＥＡＳＬＭ）であり、ここでは、電気信号がＬＣ分子の配向を操作し、該配向が順に、装置を通して伝達された／反射した光線の位相および／または振幅の変調を引き起こす。第２のタイプは、いわゆる光アドレス指定ＳＬＭ（ＯＡＳＬＭ）であり、ここでは、波長λ１を有する光信号がＬＣ分子の配向を操作し、該配向が順に、波長λ２を有する第２の光線の位相および／または振幅の変調を引き起こす。操作信号は通常、書込光線と呼ばれ、伝達された／反射した光線は通常、読取光線と呼ばれ；この書込光線は通常、光伝導層により吸収され、かつ、液晶は、読取光線上で変調器［２］の役割を果たす。
本発明の目的は、ＳＷＩＲ画像を可視画像へと変換するための、小型で低額のアップコンバージョン装置を提供することである。
本発明のさらなる目的および利点は、明細書が進むにつれて現れるであろう。
本明細書で言及される公報および他の参照材料は、以下の文章において数字で参照され、かつ、請求の範囲の直前に位置する添付の参考文献目録においてそれぞれグループ分けされる。
本発明は、短波赤外線（ＳＷＩＲ）を可視波長（ＶＩＳ）へとアップコンバージョンする光学系である。当該系は：
ａ．第１のグラディウムレンズ４４を有し、該第１のグラディウムレンズ４４は、ＳＷＩＲ画像を光学系に投影し；
ｂ．ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０を有し、該ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０は、第１のグラディウムレンズ４４からＳＷＩＲ画像を受け入れ；
ｃ．ＶＩＳ光源５４を有し；
ｄ．第２のグラディウムレンズ５０を有し、該第２のグラディウムレンズ５０は、ＶＩＳ源５４からのＶＩＳ光をＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０上に焦点集中（ｆｏｃｕｓ）させ、かつ、ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０からのＶＩＳ画像を無限遠に向かって投影し；
ｅ．ショートパスフィルター４６を有し、該ショートパスフィルター４６は、ＳＷＩＲ光をＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０上に反射させ、かつ、ＶＩＳ源からのＶＩＳ光をＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０に伝達し、かつ、ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０から第２のグラディウムレンズ５０に戻し；かつ、
ｆ．偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）５２を有し；
ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０は：
Ａ．第１の光学基板１２を有し、該第１の光学基板１２は：
ｉ．ＳＷＩＲ高反射塗膜１４を有し；
ｉｉ．第１のガラス基板１６を有し；；
ｉｉｉ．ＩＴＯ層１８を有し；
ｉｖ．ＳＷＩＲ感光層２０を有し；かつ、
ｖ．第１のＬＣ配向層（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｌａｙｅｒ；配列層）２２を有し；
Ｂ．ＬＣ層２４を有し；
Ｃ．第２の光学基板２６を有し、該第２の光学基板２６は：
ｉ．第２のＬＣ配向層２８を有し；
ｉｉ．ＩＴＯ層３０を有し；
ｉｉｉ．第２のガラス基板３２を有し；かつ、
ｉｖ．ＳＷＩＲ反射防止層３４を有する。
本発明の光学系の実施形態では、ショートパスフィルター４６は、凹形状を有し得る。
本発明の光学系の実施形態では、ショートパスフィルター４６は、凸形状を有し得る。
本発明の光学系の実施形態では、感光層２０は、フォトダイオードまたはフォトダイオードのアレイと置換され、第１の光学基板１２が：
ｉ．ＳＷＩＲ高反射塗膜と；
ｉｉ．ＩＴＯ層と
ｉｉｉ．フォトダイオードまたはフォトダイオードのアレイと；
ｉｖ．第１のＬＣ配向層とを有するようになっている。
本発明の光学系の実施形態では、ＬＣ層２４は、ＳＷＩＲ光を集めることによりＶＩＳにおいて光を発する有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のアレイ（膜）と置換される。これらの実施形態では、緑色ＬＥＤ５４と偏光ビームスプリッター５２とを有する読取ユニットと、光学基板１２および光学基板２６上の配向層２２および配向層２８とは、当該系から除去される。
本発明の光学系の実施形態では、ＬＣ層２４は、ＳＷＩＲの範囲において感度を有する蛍光層と置換される。これらの実施形態では、緑色ＬＥＤ５４と偏光ビームスプリッター５２とを有する読取ユニットと、光学基板１２および光学基板２６上の配向層２２および配向層２８とは、当該系から除去される。
本願発明の上述のすべておよび他の特徴と利点は、以下の実例的かつ非限定的なその実施形態の説明を通して、添付の図面を参照して、さらに理解されるであろう。
図１は、液晶の光アドレス指定空間光変調器を概略的に示す。 図２は、本発明のＳＷＩＲを目に見えるものへとアップコンバージョンする系を概略的に示す。
発明の実施形態の詳細な説明
本発明は、ＳＷＩＲ画像を可視画像へとアップコンバージョンするための光学系である。本発明の光学系は、光学弁（ｏｐｔｉｃａｌ ｖａｌｖｅ）の役割を果たす液晶光アドレス指定空間光変調器（ＬＣ−ＯＡＳＬＭ）と、光学装置のサイズおよび複雑性を軽減するための２つの任意的なグラディウムレンズとを有する。本発明の実施形態では、液晶層は、ＳＷＩＲ光を集めることによりＶＩＳにおいて光を発する有機発光ダイオードのアレイ（膜）またはＳＷＩＲの範囲において感度を有する蛍光層と置換される。
図１には、液晶光アドレス指定空間光変調器（ＬＣ−ＯＡＳＬＭ）が描かれている。このＬＣ−ＯＡＳＬＭ１０は、光学弁の役割を果たし、第１の光学基板１２と、第２の光学基板２６と、液晶（ＬＣ）層２４とを有する。第１の光学基板は、第１の光学ガラス基板１６を有し、該第１の光学ガラス基板１６は、その左端面に配置されたＳＷＩＲ高反射（ＨＲ）塗膜１４と、その右端面に配置された酸化インジウム錫（ＩＴＯ）層１８および薄膜感光材料２０（フォトセンサー）とで被覆されている。この複合ガラスは、ＬＣ−ＯＡＳＬＭの構造において基板のうちの１つとして用いられ；ＬＣ材料は、第１の光学基板１２上にある第１の配向層２２と第２の光学基板２６上にある第２の配向層２８との間に積み重ねられる。ＬＣ装置の調製・構築手順についての包括的な概観は、［３］において見出すことができる。第２の光学基板２６は、その左端面をＩＴＯ膜３０で被覆された第２のガラス基板３２を有し、該ＩＴＯ膜３０は、感光膜２０とともにＬＣセル１０全体に電界を分配する透明電極として用いられる。ＩＴＯ被覆ガラスの右端面には、ＬＣ−ＯＡＳＬＭからのＳＷＩＲ光の推移性を改善するために、反射防止被覆層３４が配置される。
ＳＷＩＲ光線が感光層２０上に投影されるとき、局所的な電子−正孔電荷分離が生じ、ＬＣセル１０全体にわたって局所電圧レベルに影響を与える。結果として、この領域内のＬＣ分子はそれらの配向を変更し、このことは、複屈折分散または有効屈折率の局所変調の原因となる；この手順は通常、「書込」と呼ばれる［４］。可視光線がＯＡＳＬＭ１０に入射するとき、反射光線は、局所電圧変化が起きた領域においてのみ変調される；この手順は通常、「読取」と呼ばれる［５、６］。
図２は、本発明のＳＷＩＲを目に見えるものへとアップコンバージョンする系４０を概略的に示す。当該光学装置は、ミロー（Ｍｉｒａｕ）対物レンズと同様に機能する第１のグラディウムレンズ４４を有する。図１において詳述したＬＣ−ＯＡＳＬＭは、対物レンズ４４の中央に配置され、かつ、第１のグラディウムレンズ４４のための環状開口部としての役割も果たす。第１のグラディウムレンズ４４の右側には、ＳＷＩＲ波長４２を反射し、かつ、可視光４８を伝達するショートパスフィルター４６がある。ショートパスフィルター４６は、そこからそれが第１のグラディウムレンズ４４の焦点面においてＬＣ−ＯＡＳＬＭ１０に向けて書込光線を反射させ、かつ、第２のグラディウムレンズ５０の後焦点面に読取光線を伝達するであろう位置に配置される。ショートパスフィルター４６は、図２に描かれるように平坦であり得、また、湾曲（凹形または凸形）であり得、最小の部品点数をもってフォトセンサー上で正像が取得されるようになっている。第２のグラディウムレンズｂと偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）５２とは、ショートパスフィルターｂの後に配置される。ＰＢＳ５２の上には、読取光線として機能する緑色ＬＥＤ５４がある。第１のグラディウムレンズ４４は、ＳＷＩＲ光の伝達を最大化するためにその表面全体に配置されたＳＷＩＲ反射防止コーティング５８を有する。第２のグラディウムレンズ５０は、可視光の伝達を最大化するためにその表面全体に堆積（ｄｅｐｏｓｉｔ）された可視反射防止コーティング６０を有する。図２に示される光学変換系全体は、第１のグラディウムレンズ４４により集められたＳＷＩＲ画像と同一の可視画像をヒトの目５６に投影する。
左側から入ってくるＳＷＩＲ光４２は、第１のグラディウムレンズ４４によりショートパスフィルター４６上に回折され、これがＬＣ−ＯＡＳＬＭ層１０に向けてＳＷＩＲ光を反射させ、書込手順を起こす。同時に、可視読取光は、緑色ＬＥＤ５４からＰＢＳ５２上に投影され、該ＰＢＳ５２は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを、誘電ビームスプリッターコーティングにおいて第２のグラディウムレンズに向けてＳ成分を反射させる一方で、Ｐ成分の通過を許容することにより分離する。偏光読取光線は、ＬＣ−ＯＡＳＬＭ１０に焦点集中し、該ＬＣ−ＯＡＳＬＭ１０は、反射において作用する光学ＬＣ弁の役割を果たす。可視光は、ＳＷＩＲ画像を読み取り、かつ、液晶によって引き起こされる複屈折性の変調による偏光を変化させる。目に見えるＰ偏光は、第２のグラディウムレンズ５０を通ってＬＣ−ＯＡＳＬＭ１０からＰＢＳ５２に向かって戻るように反射し、かつ、ヒトの目５６まで進み続ける。図２に示される光学配置を用いると、看者の見る可視画像はＳＷＩＲ画像に対して逆さまであるが、最終画像を反転させるための本技術分野で公知のいくつかの異なる選択肢がある。
本発明の別の実施形態では、ＬＣ層は、ＳＷＩＲ光により生成されるフォトセンサーからの光電流を受け取る際に可視光を発する有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のアレイ（膜）と置換される。この場合、緑色ＬＥＤ５４と偏光ビームスプリッター５２とを有する読取ユニットは、除去され得る。また、ＯＬＥＤアレイが用いられるとき、光学基板１２および光学基板２６上にある配向層２２および配向層２８は不要である。
本発明の別の実施形態では、ＬＣ層は、ＳＷＩＲの範囲において感度を有する蛍光層と置換される。この場合、緑色ＬＥＤ５４と偏光ビームスプリッター５２とを有する読取ユニットならびに光学基板１２および光学基板２６上にある配向層２２および配向層２８は、当該系から除去され得る。
本発明の別の実施形態では、フォトセンサーは、ＳＷＩＲ光に対して敏感であるフォトダイオード構造またはフォトダイオードのアレイでできていてもよい。
本発明の実施形態が図面を介して説明されてきたが、本発明が、請求の範囲を超えることなく、多くの変形、修正および改造を用いて実行されてもよいことは理解されるであろう。
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Claims (8)

  1. 短波赤外線（ＳＷＩＲ）を可視波長（ＶＩＳ）へとアップコンバージョンする光学系であって、当該光学系は：
    ａ．第１のグラディウムレンズ４４を有し、該第１のグラディウムレンズ４４は、前記光学系にＳＷＩＲ画像を投影し；
    ｂ．ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０を有し、該ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０は、前記第１のグラディウムレンズ４４からのＳＷＩＲ画像を受け入れ；
    ｃ．ＶＩＳ光源５４を有し；
    ｄ．第２のグラディウムレンズ５０を有し、該第２のグラディウムレンズ５０は、前記ＶＩＳ源５４からのＶＩＳ光を前記ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０に焦点集中させ、かつ、前記ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０からのＶＩＳ画像を無限遠に向かって投影し；
    ｅ．ショートパスフィルター４６を有し、該ショートパスフィルター４６は、ＳＷＩＲ光を前記ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０上に反射させ、かつ、前記ＶＩＳ源からのＶＩＳ光をＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０に伝達し、かつ、ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０から前記第２のグラディウムレンズ５０に戻し；かつ、
    ｆ．偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）５２を有し；
    前記ＬＣ−ＯＡＳＬＭユニット１０は：
    Ａ．第１の光学基板１２を有し、該光学基板１２は：
    ｉ．ＳＷＩＲ高反射塗膜１４を有し；
    ｉｉ．第１のガラス基板１６を有し；；
    ｉｉｉ．ＩＴＯ層１８を有し；
    ｉｖ．ＳＷＩＲ感光層２０を有し；かつ、
    ｖ．第１のＬＣ配向層２２を有し；
    Ｂ．ＬＣ層２４を有し；
    Ｃ．第２の光学基板２６を有し、該第２の光学基板２６は：
    ｉ．第２のＬＣ配向層２８を有し；
    ｉｉ．ＩＴＯ層３０を有し；
    ｉｉｉ．第２のガラス基板３２を有し；かつ、
    ｉｖ．ＳＷＩＲ反射防止層３４を有する、
    前記光学系。
  2. 前記ショートパスフィルター４６が凹形状を有する、請求項１に記載の光学系。
  3. 前記ショートパスフィルター４６が凸形状を有する、請求項１に記載の光学系。
  4. 前記感光層２０がフォトダイオードまたはフォトダイオードのアレイと置換され、前記第１の光学基板１２が：
    ｉ．ＳＷＩＲ高反射塗膜と；
    ｉｉ．ＩＴＯ層と
    ｉｉｉ．フォトダイオードまたはフォトダイオードのアレイと；
    ｉｖ．第１のＬＣ配向層とを有するようになっている、
    請求項１に記載の光学系。
  5. 前記ＬＣ層２４が、ＳＷＩＲ光を集めることにより前記ＶＩＳにおいて光を発する有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）のアレイ（膜）と置換されている、請求項１に記載の光学系。
  6. 前記ＶＩＳ源５４としての緑色ＬＥＤと偏光ビームスプリッター５２とを有する読取ユニット、ならびに、前記光学基板１２および前記光学基板２６上の前記配向層２２および前記配向層２８が、当該系から除去されている、請求項５に記載の光学系。
  7. 前記ＬＣ層２４が、ＳＷＩＲの範囲において感度を有する蛍光層と置換されている、請求項１に記載の光学系。
  8. 前記ＶＩＳ光源５４としての緑色ＬＥＤと偏光ビームスプリッター５２とを有する読取ユニット、ならびに、前記光学基板１２および前記光学基板２６上の前記配向層２２および前記配向層２８が、当該系から除去されている、請求項７に記載の光学系。
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