JP6981747B2 - 飛行時間にもとづく高放射束の光に対する保護のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本開示は、広くには、高放射束を有する光に対して像生成装置を保護するためのシステムおよび方法に関する。本明細書において使用されるとき、用語「高放射束の光」は、以下の測定可能な特性、すなわち高い放射強度（Ｗ／ｓｒ）、高い放射照度（Ｗ／ｍ^２）、および高い放射輝度（Ｗ・ｓｒ^−１・ｍ^−２）のうちの任意の１つ以上を有する光を意味する。そのような高放射束の光は、コヒーレント（例えば、レーザ光）であっても、コヒーレントでなくてもよい。

一般的な課題は、ミッションの成功の高い確率を、容認されうる低いコストで、危険にもかかわらずに達成することである。ますます懸念される危険は、（ａ）ビークルの安全な運転、あるいは（ｂ）農業データまたは軍事偵察データなどのデータの収集に必要とされる光学センサ（以下では、「イメージセンサ」）を損傷させかねない高い放射束の光である。この危険は、通常は、ビークルを狙ったレーザから生じる。しかしながら、アーク溶接設備、異常に大きく、もしくは高温である炎、稲妻、あるいは核爆発からも生じうる。

カメラおよび望遠鏡などの像生成装置は、高放射束の光に対してとくに弱い。設計ゆえに、そのような像生成装置は、レンズおよびミラーを使用し、多数の画素を備えるイメージセンサ（焦点面アレイなど）へと光を集める。これが、像における高放射束の光源の位置に対応する画素において、光の強度を強める。このようにして、構造表面にとって無害な光が、イメージセンサにおいて損傷を引き起こすような放射束を有する可能性がある。高放射束の光は、熱衝撃、溶融、または他の機構によってイメージセンサを損傷させる可能性がある。

この問題を解決するための１つの手法は、像生成装置の視野内の高放射束の光の存在を検出するためのレーザセンサの使用である本明細書において使用されるとき、用語「レーザセンサ」は、（上記定義の）高放射束の光を検出するセンサを意味する（誤解を避けるため、用語「レーザセンサ」が、本明細書において使用されるとき、レーザ光のみを検出するセンサまたはすべてのレーザ光を検出するセンサを意味するわけではないことに、注意すべきである。むしろ、レーザセンサは、高放射束のレーザ光（ただし、これに限らない）などの指定のしきい値を超える放射束を有するあらゆる光を検出する）。レーザセンサは、像生成装置の内部のシャッタへと信号線を介して信号を送信する。シャッタが閉じ、光を遮って像生成装置のイメージセンサに到達しないようにする。この手法は、光の演出に使用されるレーザへの偶発的な暴露など、最も弱い脅威においては充分であるが、軍事の状況において一般的に直面されるより強い光においては、そのようなシステムにおける反応時間の遅延ゆえに、不充分である。

最高の強度の光でさえもイメージセンサを損傷させる前に遮ることができる保護システムを像生成装置に備えることが、好都合であると考えられる。

以下で詳しく開示される主題は、レーザ光または核の閃光などの高放射束の光がカメラまたは望遠鏡などの像生成装置に害を引き起こすことを防止するためのシステムおよび方法に関する。高放射束の光の検出に応答して、提案されるシステムは、像生成装置の焦点面への光源からの光の到達が阻止されるようにシャッタが充分に迅速に閉じられるという共通の特徴を共有する。提案されるシステムの多くは、シャッタが閉じるための許容可能な反応時間を長くするために、折り返された光路を備える。

以下で詳しく開示される主題の一態様は、指定のしきい値よりも大きい放射束を有する光の入射に応答して作動信号を出力するように構成されたレーザセンサと、入射光を電気信号へと変換する複数の素子を備えているイメージセンサと、レーザセンサの近傍の地点からイメージセンサまで延びる光路に沿って配置された第１の経路方向変更用の光学部品と、第１の経路方向変更用の光学部品から前記イメージセンサまで延びる光路の一部分に沿って配置された第１のシャッタと、作動信号をレーザセンサから第１のシャッタへと運ぶように接続された信号線とを備える像生成装置である。レーザセンサ、信号線、および第１のシャッタを、レーザセンサおよび光路の出発点のそれぞれに同時に到達する両方とも指定のしきい値よりも大きい放射束を有している或る光および別の光に応答し、第１のシャッタが、信号線を介したレーザセンサからの作動信号の受信に応答して、前記別の光の第１のシャッタへの入射に先立って不透明になるように、構成することができる。光路は、レーザセンサの近傍から第１のシャッタへと移動する光について飛行時間遅延を生じさせるように構成され、レーザセンサ、信号線、および第１のシャッタは、高放射束のレーザセンサへの到達の時点から第１のシャッタが不透明になる時点までのシャッタ遅延を生じるように構成され、飛行時間遅延は、シャッタ遅延よりも大きい。像生成装置は、第１の経路方向変更用の光学部品から第１のシャッタまで延びる光路の一部分に沿って配置された第２のシャッタをさらに備えることができる。一実施形態によれば、第１のシャッタは、電気光学式のシャッタを備え、第２のシャッタは、機械式のシャッタを備える。

以下で詳しく開示される主題の別の態様は、指定のしきい値よりも大きい放射束を有する光の入射に応答して作動信号を出力するように構成されたレーザセンサを備えている機器であって、レーザセンサの近傍の地点から当該機器の焦点面まで延びる光路に沿って配置された第１の経路方向変更用の光学部品と、第１の経路方向変更用の光学部品から前記焦点面まで延びる光路の一部分に沿って配置されたシャッタと、作動信号をレーザセンサからシャッタへと運ぶように接続された信号線とを備える機器である。機器は、第２、第３、および第４の経路方向変更用の光学部品をさらに備えることができ、第２の経路方向変更用の光学部品は、第１の経路方向変更用の光学部品から前記焦点面まで延びる光路の一部分に沿って配置され、第３の経路方向変更用の光学部品は、第２の経路方向変更用の光学部品から前記焦点面まで延びる光路の一部分に沿って配置され、第４の経路方向変更用の光学部品は、第３の経路方向変更用の光学部品から前記焦点面まで延びる光路の一部分に沿って配置される。

さらなる態様は、指定のしきい値よりも大きい放射束を有する光の入射に応答して作動信号を出力するように構成されたレーザセンサと、入射光を電気信号へと変換する複数の素子を備えているイメージセンサと、レーザセンサの近傍の地点からイメージセンサまで延びる光路に沿った光の飛行時間を増やすための手段と、高い屈折率を有する物質の体積からイメージセンサまで延びる光路の一部分に沿って配置されたシャッタと、作動信号をレーザセンサから第１のシャッタへと運ぶように接続された信号線とを備える像生成装置である。いくつかの実施形態において、光路に沿った光の飛行時間を増やす機能を果たす構造は、高い屈折率を有する物質の体積を備える。他の実施形態において、光路に沿った光の飛行時間を増やす機能を果たす構造は、１つ以上の反射面を備える。

以下で開示される主題のさらに別の態様は、（ａ）光学機器へと進入する指定のしきい値を上回る放射束を検出するステップと、（ｂ）指定のしきい値に達し、あるいは指定のしきい値を超える場合に、光学機器の内部に配置されたシャッタへと信号線を介して作動信号を送信するステップと、
（ｃ）進入光について、光学機器の内部のシャッタへの到達を、飛行時間遅延に等しい時間量だけ遅延させるステップと、（ｄ）作動信号の送信に応答して、シャッタが、ステップ（ａ）が生じた時点よりも総シャッタ遅延だけ後の時点において不透明になるステップとを含んでおり、飛行時間遅延は、総シャッタ遅延よりも大きい、方法である。

像生成装置を高放射束の光から保護するためのシステムおよび方法の他の態様が、下記に開示される。

入射光を焦点面へと集めることによって光の強度を強めている像生成装置を表す図である。 高放射束の光がレーザセンサによって検出されたときに閉じるように作動させることができるシャッタを備えた像生成装置を表す図である。 異なる強度Ｉ_１およびＩ_２の２つのレーザ攻撃について、像生成装置の焦点面における光強度を時間に対して示したグラフである。 図３Ａに示したそれぞれの強度プロフィルを生じると考えられる２つのレーザ攻撃について、像生成装置の焦点面における温度を時間に対して示したグラフである。 第１の実施形態による１つのシャッタを有する保護システムを備えた像生成装置の構造的および機能的な態様を示す図である。 第２の実施形態によるより低速な機械式のシャッタをより高速な電気光学式のシャッタの「上流」に有する保護システムを備えた像生成装置の構造的および機能的な態様を示す図である。 図５に示した像生成装置について、焦点面における温度を時間に対して示したグラフである。 カセグレン反射器を有する望遠鏡であって、第３の実施形態によるシャッタを二次ミラーの近くに有する保護システムをさらに備えている望遠鏡の構造的および機能的な態様を示す図である。 カセグレン反射器を有する望遠鏡であって、第４の実施形態によるシャッタを一次ミラーの背後に有する保護システムをさらに備えている望遠鏡の構造的および機能的な態様を示す図である。 第５の実施形態によるシャッタをレーザセンサの近くに有する保護システムを備えているニュートン式の望遠鏡の構造的および機能的な態様を示す図である。 複数の経路方向変更用の光学部品によってきわめて長い光路を生み出している第６の実施形態によるシャッタを有する保護システムを備えた像生成装置の構造的および機能的な態様を示す図である。 光路が高い屈折率を有する物質によって実質的に延ばされている第７の実施形態によるシャッタを有する保護システムを備えた像生成装置の構造的および機能的な態様を示す図である。 第８の実施形態によるシャッタおよび延ばされた光路を有する保護システムを備えているペリスコープの構造的および機能的な態様を示す図である。

以下で図面を参照するが、図面において、類似の構成要素には、異なる図であっても同じ参照番号が付されている。

保護システムの例示の実施形態が、以下で或る程度詳しく説明される。しかしながら、実際の実施例のすべての特徴が、本明細書において説明されるわけではない。そのような実際の実施形態の開発において、システム関連およびビジネス関連の制約など、実施例ごとにさまざまであると思われる開発者の具体的目標を達成するために、幾多の実施例ごとの決定を行わなければならないことを、当業者であれば理解できるであろう。さらに、そのような開発の努力が、複雑かつ時間のかかるものであるかもしれないが、それでもなお本開示の恩恵を被る当業者にとって日常の仕事にすぎないと考えられることを、理解できるであろう。

設計により、像生成装置は、レンズまたはミラーを使用して光をイメージセンサへと集める。図１が、レンズ１２と、イメージセンサ１４と、ハウジング１６とを有する像生成装置１０ａを示している。ハウジング１６は、入射光が像生成装置１０ａの焦点面への経路において伝播する開口を有している。図１における矢印は、レンズ１２によってイメージセンサ１４の一部分へと集められることによって光の強度を強めているそれぞれの入射光線１８の光路１８を示している（他の光線は、図面が混み合わないようにするために図示されてない）。これが、像における高放射束の光源の位置に対応する画素において、強度を強める。このようにして、構造表面にとって無害な光が、イメージセンサ１４において損傷を引き起こすような強度を有する可能性がある。

この問題を解決するための１つの手法が、図２に示されており、図２は、レンズ１２と、イメージセンサ１４と、レーザセンサ２０と、シャッタ２２とを有しており、これらの構成要素がハウジング１６へと直接的または（図示されていない支持手段によって）間接的に取り付けられていてよい像生成装置１０ｂを示している。レーザセンサ２０が、像生成装置の視野内の高放射束の光の存在を検出する。レーザセンサ２０は、高放射束の光が検出されたとき、信号線２４を介してシャッタ２２へと作動信号を送信する。この作動信号の受信に応答して、シャッタ２２が不透明になることで、入射光の少なくとも一部を像生成装置１０ｂの焦点面に配置されたイメージセンサ１４に達しないように遮る。

図２に示される手法は、軍事の状況において一般的に遭遇される強い光を遮るためには充分でないかもしれない。この不充分さの理由は、以下の３つの遅延、すなわち（１）レーザセンサの応答時間Δｔ_{ｓｅｎｓｏｒ}（いずれのレーザセンサも、高放射束の光の到達を検出して信号を送信するために或る程度の時間を必要とする）、（２）信号の通行時間Δｔ_{ｔｒａｎｓｉｔ}（信号は、レーザセンサ２０からシャッタ２２まで移動しなければならないが、０．３メートル／ナノ秒という光の速度よりも速く移動することはできない）、および（３）シャッタの応答時間Δｔ_{ｒｅｓｐｏｎｓｅ}（いかなるシャッタも、瞬時に閉じることは不可能であり、信号が到着してから不透明になるまでに或る程度の反応時間が必要であり、反応時間の短いシャッタほど高価である）にある。これらの遅延が合計され、高放射束の光がレーザセンサ２０に到達してからシャッタ２２が不透明になるときまでの総シャッタ遅延である単一の値Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ}を生むことができる。

図３Ａは、異なる強度Ｉ_１およびＩ_２の２つのレーザ攻撃について、イメージセンサにおける光強度を時間に対して示したグラフである。図３Ｂは、同じレーザ攻撃について、同じイメージセンサにおける温度を時間に対して示したグラフである。

図３ＡにおいてＩ_１と標記されたプロットは、時刻ｔ_０において始まる比較的低い強度の攻撃を表している。図３ＢにおいてＴ_１（ｔ）と標記されたプロットは、焦点面における対応する温度を表している。時刻ｔ_０において始まって、温度は、初期値Ｔ_０から損傷しきい値Ｔ_{ｄａｍａｇｅ}に向かって上昇する。このしきい値に達する前に、シャッタ２２が時刻ｔ_{ｃｌｏｓｅ}において閉じる。温度の上昇が止み、イメージセンサ１４は生き残る。

図３ＡにおいてＩ_２と標記されたプロットは、より高い強度の攻撃を表している。図３ＢにおいてＴ_２（ｔ）と標記されたプロットは、焦点面における対応する温度を表している。上述のように、温度が初期値Ｔ_０から上昇するが、より高い強度Ｉ_２に鑑みて、温度は弱い攻撃の場合よりも速く上昇する。温度は、ｔ_{ｃｌｏｓｅ}においてシャッタ２２が閉じるよりも前に、損傷しきい値Ｔ_{ｄａｍａｇｅ}を超える。この場合、イメージセンサ１４が損傷し、あるいは破壊される可能性がある。対照的に、下記で詳しく説明される保護システムは、最強の強度の光であっても焦点面を損傷させる前に阻止することができる。

図４が、第１の実施形態による保護システムを備えた像生成装置１０ｃの構造的および機能的な態様を示している。像生成装置１０ｃは、以下の構成要素、すなわちレンズ１２（または、他の像形成用の光学部品）と、イメージセンサ１４（または、他のイメージセンサ）と、ミラー２８（または、他の経路方向変更用の光学部品）と、レーザセンサ２０と、シャッタ２２（電気光学式、機械式、など）と、信号線２４（配線、同軸ケーブル、または光ファイバ）と、開口を有するハウジング１６ａと、バッフル２６とを備えている。図４に示されるとおり、ミラー２８は、レンズ１２からの光をイメージセンサ１４へと反射させる。シャッタ２２は、閉じられたときに、イメージセンサ１４を保護するために光の経路を遮る。レーザセンサ２０の付近の地点からミラー２８を経由するシャッタ２２までの光路長は、レーザセンサ２０からシャッタ２２までの信号線２４の長さよりもはるかに長い。細長いハウジング１６ａが、構成部品および光路を囲んで保護している。バッフル２６が、回折、塵埃、またはレンズ１２上の他の傷によって散乱させられた光が、レーザセンサ２０の付近の地点からミラー２８を経由するシャッタ２２までの光路長よりも短い光路長を有する経路を介してシャッタ２２へと到達することを、阻止する。

図４に示される実施形態によれば、像生成装置１０ｃを入射する高放射束の光から保護するためのプロセスは、以下の主要なステップを含む。
（１）（開口の付近に配置された）レーザセンサ２０が、指定のしきい値を上回る放射束を有する光を検出する。
（２）指定のしきい値に達し、あるいは指定のしきい値を超える場合、レーザセンサ２０は、信号線２４を介してシャッタ２２へと（電気的または光学的な）作動信号を送信する。
（３）一方で、高放射束の光は、ハウジング１６ａを通って長い光路によって移動する。この光路の第１の部分１８ａ（図４において第１の矢印によって示されており、長さΔｓ_１を有している）が、レーザセンサ２０の近傍の地点からミラー２８まで延びており、この光路の第２の部分１８ｂ（図４において第２の矢印によって示されており、長さΔｓ_２を有している）が、ミラー２８からシャッタ２２まで延びている。
（４）レーザセンサ２０からの作動信号の受信に応答して、シャッタ２２が不透明になる。
（５）高放射束の光が（今や不透明な状態である）シャッタ２２に達するとき、入射光を、イメージセンサ１４の損傷を防止するために充分に遮ることができる。
（６）レーザセンサ２０は、光のレベルが指定のしきい値を再び下回ったことを検出すると、シャッタ２２の開放を生じさせる（すなわち、シャッタ２２を透明にする）作動解除信号を送信する。

動作において、光路長Δｓは、飛行時間遅延Δｓ／ｃを強いるように充分に長く、ここでｃは光の速度であり、この飛行時間遅延は、総シャッタ遅延Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ}よりも大きい。すなわち、
Δｓ／ｃ＞Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ} （１）
である。

図４に示されるとおりの２つの行程からなる光路について、Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ}のすべての構成要素を示すと、この式は
（Δｓ_１＋Δｓ_２）／ｃ＞Δｔ_{ｓｅｎｓｏｒ}＋Δｔ_{ｔｒａｎｓｉｔ}＋Δｔ_{ｒｅｓｐｏｎｓｅ} （２）
となり、
ここでΔｓ_１は、レーザセンサ２０の近傍の地点からミラー２８までの光路長であり、Δｓ_２は、ミラー２８からシャッタ２２までの光路長である。

本明細書に開示の種々の像生成装置の共通の構成要素を、以下の個別に表題が付けられた小区分において、より一般的に説明する。

［イメージセンサ］
イメージセンサ１４は、可視または赤外の波長に対して敏感な電荷結合素子（ＣＣＤ）などの入射光を電気信号に変換する多数の素子を含む凝視焦点面アレイを備えることができる。代案においては、１画素カメラ（圧縮撮像システム）、撮像用光電子増倍管、ビジコン管、光化学フィルム、などであってもよい。

［像形成用の光学部品］
像形成用の光学部品は、像を生成するために光をイメージセンサへと集めるレンズ、ミラー、またはこれらの組み合わせであってよい。図４に示されるレンズ１２などの単一の光学要素であってよく、あるいは色収差補正レンズ、ニュートン式（Ｎｅｗｔｏｎｉａｎ）ミラーシステム、またはシュミット−カセグレン（Ｓｃｈｍｉｄｔ−Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ）のレンズ−ミラーの組み合わせであってよい。

［経路方向変更用の光学部品］
経路方向変更用の光学部品は、光の方向を変化させるミラー２８などの光学要素を備えることができる。好ましくは、方向が、少なくとも９０°変化させられる。これは、像を形成する光およびイメージセンサを損傷させかねない光を含む。光の方向を変えることで、光の経路長を、シャッタ信号の経路長よりもはるかに長くすることができる。図４に示されるとおりの単一の平坦なミラー２８の他に、この光学要素は、反射プリズム、複数のミラー、またはこれらの組み合わせであってよい。いくつかの実施形態（後でさらに詳しく説明される）においては、ミラーが湾曲しており、像形成用の光学部品の一部である。

［レーザセンサ］
レーザセンサは、像生成装置とおおむね同じ視野を有する感光電子デバイスである。充分に高放射束の光が自身の視野内に現れると、レーザセンサは、迅速に、典型的にはナノ秒未満で、信号を発する。図４に見られるように、好ましくは、レーザセンサ２０は、レーザセンサ２０からシャッタ２２までの信号線２４が短くなるように、シャッタ２２の近くに配置される。レーザセンサ２０は、典型的には、高放射束の光にだけ反応すればよいため、イメージセンサ１４よりもはるかに感度が低い。また、イメージセンサ１４と比べて、より高い放射エネルギを有する光に曝されても生き残ることができる。典型的なレーザセンサは、しきい値処理の機能を有するプロセッサと、光検出器と、レンズまたは指向性をもたらす他の集光要素とを備える。

［シャッタ］
シャッタ２２は、２つの状態を有する装置である。一方の状態において、シャッタ２２は、光の通過を少なくとも部分的に阻止する。他方の状態において、シャッタ２２は、光の通過を許す。シャッタ２２は、ポッケルス（Ｐｏｃｋｅｌｓ）セル、カー（Ｋｅｒｒ）セル、ファラデー（Ｆａｒａｄａｙ）変調器、または（液晶表示装置において用いられている技術と同様の）アクティブマトリクス液晶格子などの高速動作の磁気光学または電気光学デバイスを囲む交差させた偏光子を備えることができる。シャッタ２２に作動信号の受信および応答のために可能な限り多くの時間を与えるために、シャッタ２２は、典型的にはイメージセンサ１４に隣接し、レーザセンサ２０のできるだけ近くに位置する。

［信号線］
図４に示されるとおり、信号線２４は、レーザセンサ２０からの信号をシャッタ２２へと運ぶ。信号線２４は、レーザセンサ２０からシャッタ２２まで、できる限り直接的な経路をとるように構成される。光信号において、信号線２４は、光ファイバ（信号の速度は〜２ｘ１０^８ｍ／ｓ）であってよく、あるいは信号が３ｘ１０^８ｍ／ｓで移動する自由空間経路（おそらくは、中空管で遮蔽される）であってよい。電気信号において、信号線２４は、できる限り高い信号速度を達成するために、単位長さ当たりのインダクタンスおよびキャパシタンスが最小となるように構成される。

［ハウジング］
レーザセンサ２０からの作動信号を受信して状態を変化させるための時間を、シャッタ２２に与えなければならない。光がイメージセンサ１４に到達するまでに要する経路を長くすることで、これが可能にされる。使用可能ないくつかのハウジングの設計が存在する。重要な要素は、光が移動しなければならない距離と、信号が移動しなければならない距離との対比である。０．３メートル／ナノ秒において、２メートルの経路が、６ナノ秒の遅延をもたらす。図４に示されるハウジング１６ａを、ミラー２８をレーザセンサ２０およびシャッタ２２の各々から１メートルに配置することによって、１メートルの長さで２メートルの経路を実現するように設計することができる。

次に、保護システムを備える像生成装置の別の実施形態を、本明細書に開示される考え方を現実にすることができる種々のやり方を説明する目的で、詳しく説明する。

いくつかの代案の実施形態においては、機械式の第２のシャッタが存在する。機械式のシャッタは、高放射束の光がイメージセンサに到達するよりも前に作動するには低速すぎるが、ひとたび閉じられると、光の１００％を遮断する。手頃な電気光学式のシャッタは、典型的には光の１００％を遮断することがないため、いくつかの代案の実施形態は、両方の種類のシャッタを前後に並べて使用し、すなわち電気光学式のシャッタが、光の大部分を遮るように迅速に動作し、その後に機械式のシャッタが、残りの光を遮る。

図５が、第２の実施形態による保護システムを備えた像生成装置１０ｄの構造的および機能的な態様を示している。この実施形態において、保護システムは、より低速な機械式のシャッタ２２ａを、より高速な電気光学式のシャッタ２２ｂの「上流」に備えている。機械式のシャッタ２２ａは、電気光学式のシャッタ２２ｂよりも頑丈（すなわち、丈夫）であるため、図５に示されるとおり、機械式のシャッタ２２ａが、より弱くかつより高価につく電気光学式のシャッタ２２ｂを高放射束の光への長時間の暴露から保護するように配置される。

図６が、機械式のシャッタ２２ａの追加が、イメージセンサ１４の保護にどのように役立つのかを示している（レーザセンサ２０から機械式のシャッタ２２ａまでの信号線は、図中での混乱を避けるために図示されていない）。電気光学式のシャッタ２２ｂについての総シャッタ遅延がΔｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ＿１}であることから、電気光学式のシャッタ２２ｂは、時刻ｔ_{ｃｌｏｓｅ＿１}において閉じるが、光の１００％を遮るわけではないため、イメージセンサ１４（または、他のイメージセンサ）の温度は、ゆっくりと上昇し続ける。機械式のシャッタ２２ａについての総シャッタ遅延Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ＿２}が、電気光学式のシャッタ２２ｂについての総シャッタ遅延Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ＿１}よりも長いことに鑑み、機械式のシャッタ２２ａは、電気光学式のシャッタ２２ｂが閉じる時刻ｔ_{ｃｌｏｓｅ＿１}よりも遅い時刻ｔ_{ｃｌｏｓｅ＿２}において閉じる。閉じた機械式のシャッタ２２ａが光の１００％を遮るため、イメージセンサ１４（または、他のイメージセンサ）における温度は、それ以上は上昇しない（すなわち、損傷が生じうる温度Ｔ_{ｄａｍａｇｅ}に達しない）。

多くの像生成システムは、カセグレンの光学的構成を使用する。カセグレン反射器は、光学望遠鏡において頻繁に用いられる凹面の一次ミラー３０と凸面の二次ミラー３２との組み合わせである。対称形のカセグレン反射器においては、両方のミラーが、光軸を中心にして整列させられ、一次ミラー３０が、通常は中心に穴を含むことで、光が接眼レンズ、カメラ、または光検出器へと到達できるようにしている。図７が、シャッタ２２を二次ミラー３２の近くに有する保護システムを備えるカセグレン像生成装置１０ｅ（例えば、カセグレン反射器を有する望遠鏡）の構造的および機能的な態様を示している。図７は、経路方向変更用の光学要素および像形成用の光学要素の両方としてのカセグレン一次ミラー３０の使用を示している。入射光線は、ハウジング１６ｂを通過するそれぞれの長い光路によって移動する。２つの光線についてのそれぞれの光路の第１の部分１８ａが、レーザセンサ２０の近傍の地点から一次ミラー３０まで延び、２つの光線についてのそれぞれの光路の第２の部分１８ｂが、一次ミラー３０から二次ミラー３２まで延び、２つの光線についてのそれぞれの光路の第３の部分１８ｃが、二次ミラー３２からイメージセンサ１４まで延びている。

図７に示した実施形態の利点は、光が、イメージセンサ１４までの経路の途中でシャッタ２２を２回通過する点にある。これは、シャッタ２２の有効不透明度を高め、すなわち１回の通過において光の９０％を遮るシャッタ２２は、２回の通過において光の９９％を遮る。これは、安価なシャッタが、より高価なシャッタと同様に働くことを可能にする。

図７に示した実施形態の欠点は、シャッタ２２の周囲のハードウェアが、一部の光を遮り、望遠鏡の性能を低下させることにある。図８が、この欠点を回避する代案を示している。この実施形態においては、カセグレン像生成装置１０ｆが、シャッタ２２を一次ミラー３０の背後かつイメージセンサ１４の前方に配置して有する保護システムを備えている。シャッタ２２を一次ミラー３０の背後に配置することで、余分なシャッタハードウェアが光路の外に置かれる。いくつかの用途において、これは、図７に示した実施形態がもたらす２回通過の利点が失われるにもかかわらず、好ましいかもしれない。

図９が、さらなる実施形態によるシャッタ２２をレーザセンサ２０の近くに有する保護システムを備えているニュートン式の像生成装置１０ｇ（例えば、ニュートン式望遠鏡）の構造的および機能的な態様を示している。入射光は、凹面の一次ミラー３０によって平坦な斜めの二次ミラー３２ａへと反射および集光され、次いで二次ミラー３２ａが、集光されたビームをイメージセンサ１４へと反射させる。この光学的構成は、シャッタ２２をハウジング１６ｃの開口の背後かつレーザセンサ２０のきわめて近くに位置させ、余分なシャッタハードウェアを光路の外に保つ。

図１０が、複数の経路方向変更用の光学部品によってきわめて長い光路を生み出している別の実施形態によるシャッタ２２を有する保護システムを備えた像生成装置１０ｈの構造的および機能的な態様を示している。像生成装置１０ｈは、以下の構成要素、すなわちレンズ１２と、イメージセンサ１４と、ミラー２８ａおよび２８ｂと、レーザセンサ２０と、シャッタ２２と、信号線２４と、開口を有するハウジング１６ｄと、１対のバッフル２６ａおよび２６ｂとを備えている。図４に矢印によって示されるとおり、第１のミラー２８ａが、レンズ１２からの光をミラー２８ｂへと反射させ、ミラー２８ｂが、ミラー２８ａからの光を再びミラー２８ａへと反射させ、ミラー２８ａが、ミラー２８ｂからの光をシャッタ２２に向かって反射させる。シャッタ２２は、不透明であるときに、イメージセンサ１４を保護するために光の経路を少なくとも部分的に遮る。レーザセンサ２０の付近の地点からシャッタ２２までの光路長は、レーザセンサ２０からシャッタ２２までの信号線２４の長さよりもはるかに長い。より具体的には、入射レーザ光は、ハウジング１６ｄを通る長い光路によって移動する。この光路の第１の部分１８ａ（図１０において第１の矢印によって示されている）が、レーザセンサ２０の近傍の地点からミラー２８ａまで延びており、この光路の第２の部分１８ｂ（第２の矢印によって示されている）が、ミラー２８ａからミラー２８ｂまで延びており、この光路の第３の部分１８ｃ（第３の矢印によって示されている）が、ミラー２８ｂからミラー２８ａまで延びており、最後にこの光路の第４の部分１８ｄ（第４の矢印によって示されている）が、ミラー２８ａからシャッタ２２まで延びている。

図４、図５、および図７〜図９に示した実施形態においては、像生成装置が、光路において１つまたは２つの大きな方向の変更を有している。図１０に示される実施形態は、多数の経路方向変更用の光学部品を使用することで、限られた物理的空間においてきわめて長い光路を生み出している。説明を簡単にするために、ここに示されているバージョンは、光路をおおむね単一の平面内に保っており、光路において交差する行程を有していない。より複雑な実施形態は、例えば星形または三次元の網目にて交差する光路の行程を有することにより、装置の体積を最小限にする。反射面が多数であると、かなりの光学誤差が持ち込まれる可能性があるため、いくつかの実施形態は、誤差を補正するためにシャッタとイメージセンサとの間に補償の光学系を使用する。

これまでに述べた実施形態においては、装置が、折り曲げられた光路を備えていた。イメージセンサへの高放射束の光の到達を遅らせる別のやり方は、高い屈折率を有する物質を使用することによって飛行時間を遅延させることである。

図１１が、さらなる代案の実施形態による像生成装置１０ｉの構造的および機能的な態様を示している。この構成においては、光路１８の一部が、高い屈折率ｎを有する透明な物質３４（固体、液体、または気体）で満たされている。すなわち、物質における光の速度が、例えば１．３３（水）〜４．０（遠赤外の撮像装置に用いられるゲルマニウム）またはそれ以上（ボーズ−アインシュタイン（Ｂｏｓｅ−Ｅｉｎｓｔｅｉｎ）凝縮体などの珍しい物質）の係数にて遅くされる。このようにして、光路が、ハウジング１６ｅの内部に配置された高屈折率の物質３４によって実質的に長くされる。信号線２４に沿って伝播する信号は、遅くされることがないため、真空における光の速度と同じ速さで移動することができる。充分な長さの光路を考えると、作動信号は、高放射束の光よりも充分に早くシャッタ２２に到達する。シャッタ２２は、以下の関係
ｎΔｓ／ｃ＞Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ} （３）
が真実であるときは常に、光がシャッタ２２に到達するよりも前に不透明になる（すなわち、閉じる）。

より一般的には、光路は、複数の行程を含むことができ、各々の行程ｉは、長さΔｓ_ｉおよび屈折率ｎ_ｉを有する。この場合、適切な関係は
（Σｎ_ｉΔｓ_ｉ）／ｃ＞Δｔ_{ｓｈｕｔｔｅｒ} （４）
であり、ここでΣは、すべての行程の合計を意味する。

いくつかの実施形態は、折り曲げられた光路および高屈折率の物質で少なくとも部分的に満たされた光路の両方を使用することができる。加えて、経路方向変更用の要素がプリズムである場合、プリズムの屈折率が少なくとも１．３であり、したがってプリズムを通って移動する光は、かなりの遅延を被る。いくつかの実施形態において、プリズムは、大きな内部経路長を有しかつ著しく大きい屈折率を有する材料を取り入れるように設計される。

上述の実施形態の各々は、像形成用の光学部品とイメージセンサとの間にシャッタを有している。いくつかの実施形態、典型的には像形成用の光学部品が短い焦点距離を有する実施形態において、像形成用の光学部品は、シャッタとイメージセンサとの間（すなわち、シャッタの「下流」）に位置してもよい。経路方向変更用の光学部品およびレーザセンサは、シャッタの「上流」のままであると考えられる。

像形成用の光学部品をシャッタの「下流」に置く特別な場合が、人間である観察者を保護する実施形態であり、すなわち像形成用の光学部品およびイメージセンサの両方が、人間の眼の一部である。先行技術が、多数の形態のペリスコープを含んでおり、すなわち潜水艦において用いられ、戦車、要塞、および海軍艦艇の武装した砲塔において用いられ、塹壕戦において用いられ、さらには警察による秘密の監視において用いられるペリスコープを含んでいる。図１２が、シャッタ２２を人間である観察者６の眼の前方に配置して有し、延ばされた光路をさらに有している保護システムを備えるペリスコープ８の構造的および機能的な態様を示す図である。ペリスコープ８を通る延ばされた光路は、高放射束の光が人間である観察者６の眼に到達する前にシャッタ２２が閉じることを可能にする。

図１２に示される実施形態においては、通常のペリスコープの構造が、光路を長くするために観察者の眼の下方に延ばされている（ペリスコープの光学系の他の部品は、分かりやすくするために省略されている。このより長い経路は、高放射束の光がシャッタ２２に達するよりも前にレーザセンサ２０からの信号がシャッタ２２に到達することを可能にする。この光路の第１の部分１８ａ（図１２において第１の矢印によって示されている）は、レーザセンサ２０の近傍の地点からミラー３６まで延びており、この光路の第２の部分１８ｂ（第２の矢印によって示されている）は、ミラー３６からプリズム３８の第１の小平面まで延びており、この光路の第３の部分１８ｃ（第３の矢印によって示されている）は、プリズム３８の第１の小平面からプリズム３８の第２の小平面まで延びており、最後にこの光路の第４の部分１８ｄ（第４の矢印によって示されている）が、ミラー２８ａからシャッタ２２まで延びている。

他の実施形態（図示せず）において、ペリスコープの前面の開口は、人間である観察者と同じ高さに位置することができる。これらの実施形態において、要点は、障害物を越えての観察ではなく、むしろ単に観察者の眼を高放射束のレーザ光または他の高放射束の光から保護することにある。

シャッタの閉鎖に関して、他の基準を採用することができる。作動のしきい値は、放射の強度（例えば、ワット／ステラジアン）、照度（ワット／平方メートル）、または輝度（ワット／ステラジアン／平方メートル）にもとづくことができる。わずかに異なるレーザセンサを、放射輝度または放射照度のいずれが検出されるのかに応じて採用することができる。放射照度を検出するために、レーザセンサは、ただ１つの光検出器を備えることができる。放射輝度を検出するために、レーザセンサは、集光要素と、多数の画素を有する感光チップと、或る１つの画素における光の量がしきい値を超える場合に作動信号を発するプロセッサとを備えなければならない。

対レーザの保護のための手段を有する像生成装置および機器を、種々の実施形態に関連して説明したが、その構成要素について、本明細書における教示から離れることなく、種々の変更および均等物による置き換えが可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。加えて、多数の変更を、本明細書に開示の考え方および具体化を個別の状況に合わせるために行うことができる。したがって、特許請求の範囲によって包含される主題は、開示された実施形態に限定されるものではない。

以下に記載される方法の請求項を、その請求項に記載される各ステップをアルファベットによる順番（請求項におけるアルファベットによる順番付けは、先行して記載されたステップを参照する目的で使用されているにすぎない）または記載のとおりの順番で実行する必要があると解釈してはならない。また、２つ以上のステップのいずれかの部分を同時または交互に実行することを、排除するように解釈してはならない。

６ 観察者
８ ペリスコープ
１０ 像生成装置
１２ レンズ
１４ イメージセンサ
１６ ハウジング
１８ 光路
２０ レーザセンサ
２２ シャッタ
２４ 信号線
２６ バッフル
２８ ミラー
３０ ミラー
３２ ミラー
３４ 高い屈折率を有する物質
３６ ミラー
３８ プリズム
４０ ミラー

Claims (10)

1. 指定のしきい値よりも大きい放射束を有する光の入射に応答して作動信号を出力するように構成されたレーザセンサ（２０）と、
   入射光を電気信号へと変換する複数の素子を備えているイメージセンサ（１４）と、
   前記レーザセンサ（２０）の近傍の地点から前記イメージセンサ（１４）まで延びる光路（１８）に沿って配置された第１の経路方向変更用の光学部品（２８）と、
   前記第１の経路方向変更用の光学部品（２８）から前記イメージセンサ（１４）まで延びる前記光路（１８）の一部分に沿って配置された第１のシャッタ（２２）と、
   前記作動信号を前記レーザセンサ（２０）から前記第１のシャッタ（２２）へと運ぶように接続された信号線（２４）と
   を備え、
   前記第１の経路方向変更用の光学部品（２８／３０）から前記第１のシャッタ（２２）まで延びる前記光路（１８）の一部分に沿って配置された第２のシャッタ（２２）をさらに備え、前記第１のシャッタ（２２）は、電気光学式のシャッタ（２２ｂ）を備え、前記第２のシャッタは、機械式のシャッタ（２２ａ）を備える、像生成装置（１０）。
2. 前記レーザセンサ（２０）、前記信号線（２４）、および前記第１のシャッタ（２２）は、前記レーザセンサ（２０）および前記光路（１８）の出発点のそれぞれに同時に到達する両方とも前記指定のしきい値よりも大きい放射束を有している第１および第２の光ビーム（１８ａ、１８ｂ）に応答し、前記第１のシャッタ（２２）が、前記信号線（２４）を介した前記レーザセンサ（２０）からの前記作動信号の受信に応答して、他方の光の該第１のシャッタ（２２）への入射に先立って不透明になるように構成されている、請求項１に記載の像生成装置（１０）。
3. 前記光路（１８）は、前記レーザセンサ（２０）の近傍から前記第１のシャッタ（２２）へと移動する光について飛行時間遅延を生じさせるように構成され、前記レーザセンサ（２０）、前記信号線（２４）、および前記第１のシャッタ（２２）は、高放射束の前記レーザセンサ（２０）への到達の時点から前記第１のシャッタ（２２）が不透明になる時点までのシャッタ遅延を生じるように構成され、前記飛行時間遅延は、前記シャッタ遅延よりも大きい、請求項１または２に記載の像生成装置（１０）。
4. 前記第１の経路方向変更用の光学部品（２８）は、第１のミラー（２８／３０）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の像生成装置（１０）。
5. 前記光路（１８）に沿って配置された第２のミラー（３２）をさらに備え、前記光路（１８）に沿って移動する光は、前記第１のミラー（２８）の第１の部分、前記第２のミラー（３２）、および前記第１のミラー（２８）の第２の部分に順に入射し、前記第１のシャッタ（２２）は、前記第１のミラー（２８）の前記第２の部分から前記イメージセンサ（１４）まで延びている前記光路（１８）の一部分に沿って配置されている、請求項４に記載の像生成装置（１０）。
6. 前記光路（１８）に沿って配置された第２のミラー（３２）をさらに備え、前記光路（１８）に沿って移動する光は、前記第１のミラー（２８）、次いで前記第２のミラー（３２）に、順に入射し、前記第１のシャッタ（２２）は、前記第１のミラー（２８）から前記第２のミラー（３２）まで延びる前記光路（１８）の第１の部分および前記第２のミラー（３２）から前記イメージセンサ（１４）まで延びる前記光路（１８）の第２の部分と交差している、請求項４に記載の像生成装置（１０）。
7. 前記光路（１８）に沿って配置された第２のミラー（３２）をさらに備え、前記光路（１８）に沿って移動する光は、前記第１のミラー（２８）、次いで前記第２のミラー（３２）に、順に入射し、前記第１のシャッタ（２２）は、前記第２のミラー（３２）から前記イメージセンサ（１４）まで延びる前記光路（１８）の一部分に沿って配置されている、請求項４に記載の像生成装置（１０）。
8. 前記イメージセンサ（１４）は、複数の画素を備える焦点面アレイを備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の像生成装置（１０）。
9. レンズ（１２）によって散乱させられた光の前記第１のシャッタ（２２）への到達を阻止するバッフルをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の像生成装置（１０）。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の像生成装置の保護方法であって、
    （ａ）光学機器へと進入する光であって、指定のしきい値を上回る放射束を有する光を検出するステップと、
    （ｂ）前記指定のしきい値に達し、あるいは前記指定のしきい値を超える場合に、前記光学機器の内部に配置された第１のシャッタ（２２）へと信号線（２４）を介して作動信号を送信するステップと、
    （ｃ）前記進入する光について、前記光学機器の内部の前記第１のシャッタ（２２）への到達を、飛行時間遅延に等しい時間量だけ遅延させるステップと、
    （ｄ）前記作動信号の送信に応答して、前記第１のシャッタ（２２）が、ステップ（ａ）が生じた時点よりも総シャッタ遅延だけ後の時点において不透明になるステップと
    を含んでおり、
    前記飛行時間遅延は、前記総シャッタ遅延よりも大きく、
    第２のシャッタは、前記第１のシャッタ（２２）と並んで使用され、
    前記第１のシャッタ（２２）は、電気光学式のシャッタ（２２ｂ）を備え、前記第２のシャッタは、機械式のシャッタ（２２ａ）を備える、保護方法。

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