JPH10123422A

JPH10123422A - パノラマシーンを観察するための光学アセンブリ

Info

Publication number: JPH10123422A
Application number: JP26976996A
Authority: JP
Inventors: E Davis John; ジョン・イー・デイビス; N Todd Marion; マリオン・エヌ・トッド; Ruda Michael; ミッチェル・ルダ; W Stouringer Touruman; トゥルマン・ダブリュ・ストゥーリンガー; R Castle Kenneth; ケネス・アール・キャッスル
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-05-15
Anticipated expiration: 2016-10-11
Also published as: JP3916703B2

Abstract

(57)【要約】【課題】パノラマシーンを観察するための光学アセン
ブリを提供する。【解決手段】光学アセンブリは複数個の光学素子を含
む。第１の素子はパノラマシーンからの光を再び方向づ
ける。第１の素子の光学的パワーは想像上の瞳孔を形成
する。第１の素子からのエネルギは約９０°に再び方向
づけられ、環状経路を形成する。第２の素子は再び方向
づけられた光を受け、想像上の瞳孔を再イメージして本
物の瞳孔を形成する。エネルギのこの部分は環状の形態
をとり続ける。第３の素子は一群の再イメージ光学部品
を有する光学リレーシステムを含む。第３の素子は第２
の素子からの光を受ける一方で、本物の瞳孔を再イメー
ジ光学部品へリレーする。光学アセンブリはパノラマシ
ーン上の光学アセンブリの出力光軸に対しほぼ垂直な視
野角において小さいＦ−数を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光学系に関し、よ
り特定的には平坦な焦点面上にパノラマシーンの画像を
生成するための光学系に関する。

【０００２】

【関連技術の説明】既存の広視野センサは、大きい開口
数、３６０°に至る方位角能力を備えるパノラマフォー
マット、および水平線を上回るものと下回るものとの双
方の仰角カバレージを提供する効率的な光学系を、単一
の正方形または長方形の焦点面をサポートすることので
きる焦点面フォーマットと組合せたものではない。魚眼
レンズおよびそこから派生したものは、視野角が増大す
るにつれて大きく歪まされた瞳孔を有することとなる。
魚眼レンズの視野角がより大きいと、中央系における瞳
孔領域の１０％未満を提供する瞳孔を有することができ
る。これにより、著しい歪みおよび感度の低減がもたら
される。結果として得られる、同様な性能を提供するシ
ステムは、したがって比較的大きく費用のかかるもので
ある。

【０００３】エム・ノーブル（M. Noble）らに発行され
た米国特許第４，９９４，６７０号は、ディザ走査され
た多孔パノラマセンサを記載する。

【０００４】デー・リーズ（D. Rees ）に発行されたカ
ナダ特許第８７８，１６２号は、テレビジョンシステム
を用いたパノラマビューイングシステムを記載する。

【０００５】ジー・ローゼンダール（G. Rosendahl）ら
に発行された米国特許第４，３９５，０９３号は、屈折
素子の複雑な配列の上に画像を生成して色補正および視
野補正を行なうのに用いられる１対の双曲反射表面を記
載する。

【０００６】ジー・ローゼンダールらに発行された米国
特許第４，０１２，１２６号は、屈折素子の複雑な配列
上に画像を生成して色補正および視野補正を行なうのに
用いられる、１対の双曲反射表面を備えたパノラマ光学
系を開示する。

【０００７】エイチ・ブリュッゲマン（H. Brueggeman
n）に発行された米国特許第３，２０３，３２８号は、
光学経路が双曲反射表面とそれに続く球面とを含む、装
置を開示する。この光学経路が必要とする焦点面の構成
には、環状焦点面が要求される。１次光学部品から球状
の２次光学部品へ移動するエネルギは、焦点面の中央を
通過する。これにより、このコンセプトが従来の焦点面
とともに用いられることが回避される。

【０００８】イー・クーパー（E. Cooper ）らに発行さ
れた米国特許第３，７８１，５５９号は、さまざまな視
野でフィールドを走査するための手順を開示する。

【０００９】エイ・アール・トカルチェウスキー（A.
R. Tokarzewski ）に発行された米国特許第３，２８
３，６５３号は、円錐形のセクションを含む多くの複雑
な環状のレンズ形状を備えた全屈折設計を開示する。

【００１０】ディー・アール・ブシェル（D. R. Buchel
e ）に発行された米国特許第２，６３８，０３３号は、
光線が最初の光学部品の主軸を横切って通過する屈折コ
ンセプトを記載する。この発明は射出瞳を有する。画像
を生成するための重要な光学的に動力を与えられる表面
は１つだけである。

【００１１】エイチ・ブラハフォーゲル（H. Brachvoge
l ）に発行された米国特許第３，５５２，８２０号は、
セットされている屈折した第１の素子を記載しており、
これはこの場合再イメージグループにエネルギを方向づ
けるものである。

【００１２】ジェイ・シー・カーンズ（J. C. Karnes）
に発行された米国特許第１，７９７，８６７号は、第１
の素子として凹凸素子を含むパノラマまたはオムニスコ
ープ光学部品を開示する。このアプローチには、分解さ
れた画像および瞳孔をもたらすという重大な問題があ
る。焦点面領域の実現例は、経済的な焦点面配列をサポ
ートしない分散されたトロイド状のセクションである。

【００１３】ダブリュー・エイ・アイルズ（W. A. Ayre
s ）に発行された米国特許第２，２４４，２３５号は、
反射する球状の第１素子を記載する。このアプローチは
受け入れられないほどの歪みをもたらすものである。よ
り大きい仰角は、焦点面上で奥行きを非常に縮められ、
一方でより小さい仰角は方位角の解像度において厳しく
制限される。

【００１４】エイ・バウワーズ（A. Bouwers）に発行さ
れた米国特許第２，９２３，２２０号および第３，１５
１，５２４号は、広角カメラレンズを有する発明を開示
する。

【００１５】イー・エフ・ポンスレット（E. F. Poncel
et）に発行された米国特許第３，５１４，１８６号に
は、ダブリュー・エイ・アイルズ（第２，２４４，２３
５号）の発明と同様な欠点がある。ポンスレットの第１
の素子は、それを介して画像が屈折させられる球体であ
る。一方で、アイルズにおける第１の素子は、反射する
球体である。

【００１６】ジェイ・ウルフ（J. Wolfe）に発行された
米国特許第３，８９４，７９８号は、走査するための発
明を開示する。

【００１７】ダブリュー・ダイクス（W. Dykes）に発行
された米国特許第３，９９８，５３２号は、フィルムと
ともに用いるための投写装置を開示する。

【００１８】ピー・グレグス（P. Greguss）に発行され
た米国特許第４，５６６，７６３号は、ブシェル（第
２，６３８，０３３号）と同様なイメージングブロック
を開示する。

【００１９】ジェイ・フォイロイ（J. Fouilloy ）に発
行された米国特許第５，４０２，１６８号は、光学機械
的プロジェクタおよび走査システムを必然的に伴う、カ
メラのコンセプトを開示する。

【００２０】ピー・トロッタ（P. Trotta ）に発行され
た米国特許第３，９７７，７９３号は、走査放射エネル
ギレシーバを開示する。

【００２１】ワイ・タマガワ（Y. Tamagawa ）に発行さ
れた特公昭６３−１７２２０９号は、軸からずれた放射
を赤外検出器に制限するための手順を記載する。

【００２２】エム・ガーニー（M. Gurnee ）に発行され
た米国特許第４，４４６，３７２号は、検出器の冷シー
ルドを開示する。

【００２３】

【発明の概要】本発明はパノラマシーンを観測するため
の光学アセンブリである。光学アセンブリは、複数個の
光学素子を含む。第１の素子はパノラマシーンからの光
を再び方向づけるものである。第１の素子の光学的なパ
ワーで、想像上の瞳孔が形成される。第１の素子からの
エネルギは、約９０°に再び方向づけられ、環状の経路
を形成する。第２の素子は、再び方向づけられた光を受
け、想像上の瞳孔を再イメージして本物の瞳孔を形成す
る。エネルギのこの部分は、環状の形態をとり続ける。
第３の素子は、一群の再イメージ光学部品を有する光学
リレーシステムを含む。第３の素子は、第２の素子から
の光を受ける一方で、本物の瞳孔を再イメージ光学部品
にリレーする。これはまた、光学アセンブリの焦点距離
を確立し、本物の瞳孔において生成された瞳孔収差を補
正し、視野の収差を補正して、平坦な焦点面上に環状の
画像を生成する。光学リレーシステムは、本物の瞳孔を
用いることを通じて第２の素子とインタフェースする。
本物の瞳孔は、第３の素子における冷絞りおよびフィル
ム位置に形成される。この瞳孔はシステムを介して元に
もどるようにリレーされ、第１の本物の瞳孔と一致す
る。光学アセンブリは、パノラマシーン上の光学アセン
ブリの出力光軸に対しほぼ垂直な視野角において小さい
Ｆ−数を生成する。

【００２４】第１の素子は好ましくは凸状表面を含み、
第２の素子は好ましくは凹状表面を含む。これらの第１
および第２の素子は、最も好ましくはマーセン（Mersen
ne）光学部品を含む。

【００２５】本発明は、仰角の関数としてほぼ一定な瞳
孔のサイズを提供する。これにより、効率の高いエネル
ギ収集が、３６０°に至る視野仰角およびパノラマ性に
おける低い幾何学的歪みで可能となる。その結果小さい
Ｆ−数が提供される。ここで用いられる「Ｆ−数」とい
う語は、焦点長さを有効な開口で除算したものをいう。
「小さい」とは１．５未満のＦ−数のことをいう。

【００２６】本発明は高電位空間解像度を備えるコンパ
クトな光学的フォーマットを提供する。これはパノラマ
シーン全体を読出す単一ユニットとしても、各々がその
シーンの１区分を読出す複数の焦点面を用いるものとし
ても、従来の焦点面の使用を可能とする一方で、それら
焦点面が緊密に当接したり、複数の開口を必要とした
り、対象となる視野をカバーするための走査システムを
提供すべく機械的または光学的素子を動かす必要があっ
たりすることはない。スターリングパノラマセンサを用
いることで、光学部品により受取られる情報を処理する
方法において著しい改善が可能となる。標的からのフォ
トンの収集は、フルタイムに非常に近くすることがで
き、システムの効率が非常に高くなる。焦点面アセンブ
リのピクセルにおける有効なドウェル時間は、オンチッ
プおよびオフチップの集積化を用いることで、例外的に
長くすることができる。

【００２７】この発明におけるすべての実施形態は、画
像の光学的歪みを補正するための複数の表面を含む。こ
れらの表面は焦点面において改善された解像度および視
野の平坦化をもたらすものである。

【００２８】米国特許第４，９９４，６７０号で開示さ
れる装置とは違い、本発明は走査される画像を生成する
ためのディザシステムを必要とはしない。本発明は、フ
レームの区別ならびに背景および固定パターンのノイズ
排除と、ランダムなノイズ低減のための複数フレームの
統合のため、優秀なフレーム間表示を伴う真のスターリ
ングセンサとなり得る。本発明はパノラマシーンをカバ
ーする複数の開口を必要とはしない。これは総合的な画
像を生成するための焦点面アレイと関連するスリットを
必要としない。本発明は可視および／または赤外の双方
において用いることができる。これは光学経路全体を通
じて環状のエネルギ束を有する。単一の焦点面が、対象
とする視野全体を表示するのに用いられてもよい。

【００２９】カナダ特許第８７８，１６２号に開示され
る装置とは違い、本発明は最初のパノラマ素子において
屈折素子を有してはいない。本発明は単一の屈折素子の
内部に複数の反射を必要としない。このカナダ特許はテ
レビカメラまたは可視ビューイングスクリーンとともに
用いることを開示しているが、この発明は可視スペクト
ルに加えて赤外スペクトルに対しても応用を有してい
る。

【００３０】米国特許第４，３９５，０９３号に開示さ
れる装置とは違って、本発明はプロジェクタではなく、
まず第１にセンサとして意図されている。本発明は双曲
線表示を必要としない。さらに、本発明は可視波長だけ
でなく赤外波長においても動作させられてよい。

【００３１】米国特許第３，２０３，３２８号に開示さ
れる装置とは違って、本発明は冷却された検出器ととも
に動作可能である。本発明は従来の設計による単一の平
坦な検出器アレイを利用することができる。

【００３２】米国特許第３，２８３，６５３号に開示さ
れる装置とは違って、本発明は可視および赤外の双方の
波長において用いるための広帯域かつ色補償された装置
として実施することができる。これは冷却された焦点面
で実現させることができる。

【００３３】米国特許第２，６３８，０３３号に開示さ
れる装置とは違って、本発明は瞳孔の後で平坦な画像面
を提供することに特有の問題に対処するものである。本
発明は第２，６３８，０３３号の特許における屈折素子
の代わりにパノラマ素子用の反射光学素子を利用する。
第２，６３８，０３３号の特許は、分光補償のために示
されている補正はないので、赤外センサに必要とされる
熱分離または広い分光帯域を観測するのに必要とされる
分光補償に対処するものではない。

【００３４】米国特許３，５５２，８２０号に開示され
る装置とは違って、本発明は材料の屈折率に頼って透過
性の表面を反射性に変えるものではない。本発明はパノ
ラマ素子のための反射素子を利用する。

【００３５】マーセン光学対の使用は、光学素子が個々
にテスト可能であり、かつこの対により優れた解像度が
もたらされるので、特に有利である。加えて、このマー
セン対は、内部のおよび軸からずれた放射に対する感度
を最小限にすることによって、赤外感度を高めるべく良
好に動作する射出瞳絞りを提示するものである。

【００３６】反射表面のみを有する光学部品を利用する
ことで、広帯域分光計または広帯域放射計で用いるのに
極めて広い分光能力がもたらされる。

【００３７】本発明の光学アセンブリは、可視または赤
外スペクトルから集められたパノラマシーンからのエネ
ルギを収集し、分析もしくは標的または脅威に抗する行
動のために画像生成されたデータを提示するものであっ
てもよい。このセンサはスターリングシステムであっ
て、高度なドウェル時間を伴う非常に効率的な一時的収
集モードを結果としてもたらす。

【００３８】本発明の他の目的、利点および新規な特徴
は、次に述べるこの発明の詳細な説明を添付の図面との
関連で考慮すれば、明らかとなるであろう。

【００３９】

【好ましい実施形態の詳細な説明】図面における同一の
要素または部分は、一貫して同一の参照符号により示さ
れる。

【００４０】ここで図面および図面に記載される参照符
号を参照すると、図１および２は包括的に１０として示
される本発明におけるこの光学アセンブリの好ましい実
施形態を示す。光学アセンブリ１０は、包括的に１２と
表示されている支持構造アセンブリによって支持され
る。光学アセンブリ１０は、包括的に１４と表示されて
いる焦点面アセンブリを支持している。

【００４１】支持構造アセンブリ１２は、光学アセンブ
リ１０と、ジンバル、乗物、船舶構造、航空機構造、固
定ポールまたはその他の装着取付具との間のインタフェ
ースとして働く。支持構造アセンブリ１２は、支持構造
１６を含む。支持構造１６は、包括的に１８と表示され
ている真空ポートアセンブリに接続される。そのような
真空ポートアセンブリ１８は当該技術分野において周知
であり、商業的に入手可能である。クーラーアセンブリ
２０が、支持構造１６の真空ハウジングを閉鎖するため
にＯ−リングおよびボルト（図示せず）を備えるインタ
フェースによって支持構造１６に取付けられる。オプシ
ョンのイオンポンプ（図示せず）が、支持構造１６に接
続されて、支持構造１６内の真空を維持してもよい。ク
ーラーアセンブリ２０の一部であるクーラー冷フィンガ
２１が、冷ストラップ２２によって焦点面アセンブリ１
４に接続される。冷ストラップ２２の終端は、焦点面ホ
ルダ２４に接続される。焦点面ホルダ２４は、焦点面装
着部２６を支持する。焦点面装着部２６は、焦点面２８
を支持する。焦点面２８は、たとえば可視または赤外の
ものであってもよい。可視の場合、前述した冷却および
真空化は必要ではない。ワイヤ（図示せず）が、焦点面
２８を焦点面装着部２６内の関連のパッド（やはり図示
せず）に接続する。ワイヤ３０はその一端においてパッ
ドに接続されており、他端において電気フィードスルー
コネクタアセンブリ３２に接続されている。電気フィー
ドスルーコネクタアセンブリ３２は、係止リング３４と
コネクタ３６とを含む。電気フィードスルーコネクタア
センブリ３２はしたがって、高真空空間３８から外部環
境に、電気的バイアス、クロック、出力および接地のフ
ィードスルーを提供する。

【００４２】上の議論により、支持構造アセンブリ１２
と焦点面アセンブリ１４との説明がなされてきた。これ
より、本発明において強調される光学アセンブリの説明
に入る。

【００４３】光学アセンブリ１０は、包括的に４０と表
示される冷却された光学サブアセンブリを含む。冷却さ
れた光学サブアセンブリ４０は、焦点面２８と光学リレ
ーシステムの光学リレーアセンブリサブ素子との間に機
械的表示および整列をもたらす。光学的リレーシステム
は、後に詳述するように、４２、４４、４６、４８、５
０および５２と表示される一連の光学サブ素子を含む。
これらのサブ素子の正確な数は、特定のデザインにより
変動する。冷却された光学サブアセンブリ４０は、焦点
面２８、最後の光学リレーサブ素子５２、最後から２番
目の光学リレーサブ素子５０、ならびに冷絞りおよびバ
ンドパスフィルタ光学リレー素子４８間に整列を確立す
る。光学リレーサブ素子４８、５０、５２は、冷却され
た光学サブアセンブリ４０の冷却されたハウジング５４
を介しての伝達によって冷却された状態に保たれる。ハ
ウジング５４は、光学素子の外側の外観全体を冷たく発
光性が低くかつ反射性の表面で囲み、かつ冷キャビティ
への入口に冷瞳孔絞りを位置づけることによって、焦点
面２８から観察される軸からずれた放射を制限する。ハ
ウジング５４は、ボルト５６によって焦点面ホルダ２４
に接続される。

【００４４】ボルト５８は、ハウジング５４を熱分離器
６０に接続する。熱分離器６０は、冷却された光学サブ
アセンブリ４０の光学リレーサブ素子４８、５０、５２
の機械的な位置を、光学リレーシステムにおける残りの
サブ素子４２、４４および４６と静的に相対するように
維持する。真空閉鎖器６２が、ボルト６４によって熱分
離器６０に取付けられる。真空閉鎖器６２の外周は、Ｏ
−リング６６およびボルト６８を介して支持構造１６に
接続される。支持構造１６と真空閉鎖器６２との間の接
続により、光学アセンブリ１０の光学部品のために周囲
の熱経路が提供される。

【００４５】真空閉鎖器６２は、焦点面２８に関して光
学リレーサブ素子４４および４６の機械的整列および間
隔づけを提供する。シール７０は、光学サブ素子４６と
真空閉鎖器６２の上部との間に設けられて、全体的な真
空エンクロージャを完成させる。スペーサ７２が、光学
サブ素子４４および４６の間に挿入され、ねじ保持器７
４が、所望の固定され整列された位置に光学的サブ素子
４４および４６を保持する。凹状表面７８を備える光学
素子７６が、真空閉鎖器６２にボルト８０を介して接続
される。真空閉鎖器６２は、光学リレーサブ素子４４、
４６、５０、５２と第２の光学素子７６への焦点面２８
との間に光学的整列をもたらす。

【００４６】円筒形光学支持部８２が、真空閉鎖器６２
の下部周囲端にスペーサ８４およびねじ山８６を介して
接続される。光学支持部８２は、光学アセンブリ１０の
下部を光学アセンブリ１０の上部に関して整列させる。
センタリング装置８８が光学支持部８２の上部端に設け
られて、光学アセンブリ１０の下部光学サブ素子に対し
上部光学サブ素子のセンタリングを提供する。センタリ
ング装置８８は、先細にされたリングであって、底部光
学素子７８ならびにサブ素子４４および４６によって発
生される光軸に対して頂部光学素子１０２および４２に
おいて所望のオフセットに至るように切断されている。
先細にされたリングの回転軸は、オフセットの所望の軸
に整列される。このセンタリング装置８８と光学支持素
子９４とは、ねじ切りされたフィッティング９５によっ
て適所に保持される。

【００４７】支持ウィンドウ９４は、光学支持部８２と
上部光学支持部９６との間の光学経路に閉鎖をもたら
す。上部光学支持部９６は、ねじ切りされたフィッティ
ングおよびリングナット９８によって支持ウィンドウ９
４に接続される。上部光学支持部９６は、凸状表面１０
２を備える光学素子１００を取付けるための外部のねじ
切りされた上部９９を有する。

【００４８】光学リレー素子４２は、調節可能なスペー
サ１０４によって光学素子１００に接続される。光学リ
レー素子４２は、クランプリング１０６によって光学素
子１００に捕捉され、クランプリング１０６はねじ山１
０１によって光学素子１００に対しねじ切りされてい
る。

【００４９】動作中、数字による表示では１０８と表わ
される約−１５°から約＋１５°の仰角を伴うパノラマ
シーンから入来するエネルギは開口１１０に入り、第１
の素子すなわち光学素子１０２によって反射され、光学
素子１０２の光学的パワーはセンサの縦軸１０３上にお
ける反射素子１０２の背後の想像上の瞳孔１１３を形成
する。素子１０２はウィンドウ９４を介してエネルギを
下方に反射させる。このエネルギは次に第２の光学素子
すなわち光学素子７６における凹状ミラー７８によって
第３の素子におけるサブ素子４２の３次的表面すなわち
下方表面１４７へ反射される。第３の素子は、サブ素子
４２と一群の再イメージ光学素子４４、４６、４８、５
０、５２とを含む。第２の素子７６は想像上の瞳孔１１
３を再イメージする。ウィンドウ９４を通過する際、エ
ネルギは上部光学支持部９６における内側に放射状に延
びる突出部によってそのフィールドを限定される。エネ
ルギは２次的７６および３次的４２間を移動するにつ
れ、視野絞り１１２および想像上の瞳孔１１３を通過す
る。内部支持表面はすべて好ましくは内部反射を最小限
にするため光学的に黒色の表面を設けられる。エネルギ
はリレーされた想像上の瞳孔１１３を通過し、これは本
物の瞳孔１４６の位置である。本物の瞳孔１４６はフィ
ルタの第２の表面１４８と冷絞り４８とにリレーされ
る。リレーされた画像は１４８と表記される。視野絞り
１１２はまた、素子４２から素子４４へ下降する経路に
対するエネルギ視野角を制限する。エネルギが素子７６
から素子４２に通過するにつれ、これはねじ切りされた
バッフル７４も通過する。バッフル７４は通常光学素子
４４の第１の表面に当たるであろう軸からずれた入来す
る放射を制限する。これもまた、光学系における内部反
射を最低限にするため黒色である。冷装着部５４の内部
表面は、内部反射を最低限にし、かつ焦点面における軸
からずれた眺めのために低放射面を提供するために、冷
たくかつ黒色である。

【００５０】冷光学アセンブリ４０の外側は、温構造６
２からの放射吸収を最低限にするためゴールドフラッシ
ュで覆われており、温構造６２は放射性の移動を最低限
にするためやはりゴールドフラッシュで覆われている。

【００５１】３次的表面４２からのエネルギは、近接し
て間隔をあけられたダブレットを形成する光学素子４４
および４６へ、次に冷光学部品への入口において冷規定
瞳孔絞り、リオットストップへ、移動する。これらの部
分の整列は、真空閉鎖器６２、熱分離器６０、および冷
光学ハウジング５４を通る機械的経路によって、冷光学
素子５０および５２と厳密に整列された状態に保持され
る。エネルギは光学素子５０および５２を含む冷ダブレ
ットにより焦点面２６上に合焦される。

【００５２】図３では、明確にする目的で図１に示され
るあるいくつかの要素が削除されていることに注意され
たい。これらの要素はセンタリング装置８８、スペーサ
８４、ねじ６８、ねじ８０、真空ポートアセンブリ１
８、スペーサ１０４、ねじ６４、ワイヤ３０、係止リン
グ３４、電気フィードスルーコネクタアセンブリ３２、
およびコネクタ３６を含む。一方で図２は、焦点面を駆
動し、焦点面の出力をバッファ処理するための電子部品
３１０を示す。図２はまた、イオンポンプ３１４のため
の駆動電子部品３１２、電子部品３１０から焦点面エリ
アへの放射を防止する冷シールド３１６、およびクリオ
エンジン３１８を示す。クリオエンジン３１８は、たと
えばブリティッシュ・エアロスペース・カンパニー（Br
itish Aerospace Company ）から商業的に入手可能であ
る。

【００５３】図３は、全反射再出現光学部品配列を備え
る本発明の光学アセンブリの一実施形態を示す。素子４
４、４６、４８、５０および５２は、軸からずれた反射
素子１１４で置換えられている。この素子はホールドミ
ラー素子１１６への焦点合わせビームを提供する。素子
１１６からのエネルギは、図１における焦点面２６上に
エネルギが合焦されるのと同じ態様で焦点面１１８に合
焦される。

【００５４】このアプローチにおける特定的な利点と
は、横方向の色または画像のぶれなしで広い分光領域が
対処され得ることである。

【００５５】これ以降の図面は２５６×２５６の４０ミ
クロンピクセルアレイを有する低解像度センサおよび１
０２４×１０２４の１８ミクロンピクセルアレイを有す
る高解像度センサの予想される性能を説明するものであ
る。センサの物理的サイズ、透過性素子および開口の数
は、後に説明する各アレイの構成について最適化され
る。

【００５６】図４は、予想される画像の高さ対商業的に
入手可能なコンピュータ光学設計プログラムであるＺＭ
ＡＸにより予想された視野角を示す。水平線について２
５°の視野に対する全視野の半径の関数としての画像高
さの変動は、パノラマシーンをカバーすべく設計された
従来の魚眼レンズよりも著しく優れている。画像は焦点
面２６において規定される。この改良で、対象となる２
５°の視野にわたり活性ピクセルの数が著しく大きくな
り、かつ対象となる視野にわたりより大きい均一性と瞬
間的な視野がもたらされる。

【００５７】図５は、画像の図芯からの半径の関数とし
て＋１５°、０°および−１５°での観測についての取
囲まれたエネルギの予想された関数を示すものである。
これらの多色性の取囲まれたエネルギのプロット図は、
２５６ピクセル幅の視野についてＺＭＡＸコンピュータ
ソフトウェアを用いて計算されたものである。この図
は、特徴的なエアリディスクが直径１０ミクロンよりも
小さいものとなるであろうことを示す。これは８２％の
取囲まれたエネルギレベルにおいて確立されている。点
は、典型的なピクセルエリアの約１６分の１を埋めるだ
ろう。

【００５８】次に示す表は、本発明の原理に従い設計さ
れた光学アセンブリの実現例を示すものである。

【００５９】

【表１】

【００６０】ここで説明される発明的コンセプトは、広
い範囲のサイズおよびＩＦＯＶ（瞬間的視野またはピク
セル解像度）にわたって応用可能であることが理解され
る。Ｆ／♯が一定に保たれたならば、収集光学部品のサ
イズは焦点面アレイ（ＦＰＡ）の物理的サイズによって
規定される。光学系のＩＦＯＶ解像度は環状面における
ピクセルの数によって決定される。便宜を図るため、エ
リア−焦点面間によって規定される直径に等価なものが
用いられる。２５６²のＦＰＡが８ミリラジアンの公称
ＩＦＯＶを有している場合、１０２４²のＦＰＡは２５
６／１０２４のＩＦＯＶ、または２５６の場合の４分の
１、換言するならば２ミリラジアンのＩＦＯＶを有する
であろう。

【００６１】サイズはＦＰＡ幅に直接比例しており、解
像度は規定された直径におけるピクセル数に反比例す
る。リレーの複雑性（すなわちピクセルの数）もまた、
解像度に反比例するが、ただし段階的である。

【００６２】８ミリラジアンのＩＦＯＶから２ミリラジ
アンのＩＦＯＶまでいくには、新しい解像度の要求を下
回るところまで収差を補正するのに４つのレンズではな
く６つのレンズを必要とする。レンズ上に２つまたはそ
れ以上の非球面を加えることで同じ機能を達成すること
ができるだろう。６つのレンズのリレーは、１ミリラジ
アンを下回るＦＯＶについては十分である。量的には、
より高解像度のシステムについてさえ、いくつかの非球
面素子を備える６つのレンズからなるリレーは実現可能
である。１０２４²および２５６²の収集光学部品のサ
イズの差は、１．８５対１であって、１０２４²の方が
大きい。リレー光学部品のサイズは、所望の形態のファ
クタ（すなわち付加的なメカニズムに対処するための長
い、または短い背面焦点距離）に依存して、またはパッ
ケージングの制約に適合させるために、変動させられ得
る。

【００６３】明らかに、上述の教示に照らして本発明に
は多くの修正および変形が可能である。したがって、こ
の発明は前掲の特許請求の範囲内において、特定的に説
明されているもの以外の態様で実施されてもよいことが
理解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をとり入れた光学アセンブリの第１の実
施形態における配列および素子の関連性を、その光学的
機能との関連で示した概略断面図である。

【図２】図１の実施形態が組立てられた状態を示す斜視
図である。

【図３】すべての光学表面が反射性である、本発明にお
ける第２の実施形態のための光学配列を示す概略図であ
る。

【図４】２５６×２５６センサについてＺＭＡＸコンピ
ュータプログラムにより予想される画像高さ（インチ）
対視野角（°）のグラフ図である。

【図５】多色性および幾何学的な取囲まれたエネルギを
示す、取囲まれたエネルギの屈折対図芯からの半径（ミ
クロン）を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１０光学アセンブリ４０光学サブアセンブリ４２光学サブ素子４４光学サブ素子４６光学サブ素子４８光学サブ素子５０光学サブ素子５２光学サブ素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マリオン・エヌ・トッドアメリカ合衆国、カリフォルニア州、モンロビア、オークグレイド・ドライブ、776 (72)発明者ミッチェル・ルダアメリカ合衆国、85749 アリゾナ州、トゥーソン、イー・ヘムロック・レーン、 12480 (72)発明者トゥルマン・ダブリュ・ストゥーリンガーアメリカ合衆国、85715 アリゾナ州、トゥーソン、エヌ・スカイセット・ループ、 5541 (72)発明者ケネス・アール・キャッスルアメリカ合衆国、85749 アリゾナ州、トゥーソン、イー・ニッタニー・ウェイ、 9720

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パノラマシーンを観察するための光学ア
センブリであって、複数個の光学素子を備え、前記複数個の光学素子は、前記パノラマシーンから環状のジオメトリにおいて光を
再び方向づけるための第１の素子を含み、前記第１の素
子の光学的パワーは想像上の瞳孔を形成し、さらに、前記環状に再び方向づけられた光を受け、かつ前記想像
上の瞳孔を再イメージして本物の瞳孔を形成するための
第２の素子と、第３の素子とを含み、前記第３の素子はａ）湾曲した反射表面を上に有する前記第２の素子か
らの光を受けるためのサブ素子と、ｂ）前記サブ素子から反射された光を受けるための光
学リレーシステムとを含み、前記光学リレーシステムは
一群の再イメージ光学部品を含み、前記第３の素子はｉ）前記本物の瞳孔を前記再イメージ光学部品にリレ
ーし、ｉｉ）光学アセンブリの焦点距離を確立し、ｉｉｉ）前記本物の瞳孔において生成された瞳孔収差
を補正し、ｉｖ）視野収差を補正し、かつｖ）環状画像を平坦な焦点面上に生成するためのもの
であって、前記光学アセンブリは、パノラマシーン上において光学
アセンブリの出力光軸に対しほぼ垂直な視野角において
小さいＦ−数を生成する、光学アセンブリ。
【請求項２】パノラマシーンを観察するための光学ア
センブリであって、複数個の光学素子を備え、前記複数個の光学素子は、前記パノラマシーンから環状のジオメトリにおいて光を
再び方向づけるための第１の素子を含み、前記第１の素
子の光学的パワーは想像上の瞳孔を形成し、さらに、前記環状に再び方向づけられた光を受け、かつ前記想像
上の瞳孔を再イメージして本物の瞳孔を形成するための
第２の素子と、一群の再イメージ光学部品を含む光学リレーシステムを
含む第３の素子とを含み、前記第３の素子は、ｉ）前記第２の素子からの光を受ける一方で前記本物
の瞳孔を前記再イメージ光学部品にリレーし、ｉｉ）光学アセンブリの焦点距離を確立し、ｉｉｉ）前記本物の瞳孔において生成された瞳孔収差
を補正し、ｉｖ）視野収差を補正し、かつｖ）平坦な焦点面上に環状画像を生成するためのもの
であり、前記光学リレーシステムは屈折性および反射性素子の組
合せを含み、前記光学アセンブリは、パノラマシーン上で光学アセン
ブリの出力光軸にほぼ垂直な視野角において小さいＦ−
数を生成する、光学アセンブリ。
【請求項３】パノラマシーンを観察するための光学ア
センブリであって、複数個の光学素子を備え、前記複数個の光学素子は、前記パノラマシーンから環状ジオメトリにおいて光を再
び方向づけるための第１の素子を含み、前記第１の素子
の光学的パワーは想像上の瞳孔を形成し、さらに、前記環状に再び方向づけられた光を受け、かつ前記想像
上の瞳孔を再イメージして本物の瞳孔を形成するための
第２の素子と、一群の再イメージ光学部品を含む光学リレーシステムを
含む第３の素子とを含み、前記第３の素子は、ｉ）前記第２の素子からの光を受ける一方で前記本物
の瞳孔を前記再イメージ光学部品にリレーし、ｉｉ）光学アセンブリの焦点距離を確立し、ｉｉｉ）前記本物の瞳孔で生成された瞳孔収差を補正
し、ｉｖ）視野収差を補正し、かつｖ）平坦な焦点面上に環状画像を生成するためのもの
であって、前記一群の再イメージ光学部品は、前記リレーされた本
物の瞳孔を受け取るための冷絞りおよびバンドパスフィ
ルタを含み、前記光学アセンブリは、パノラマシーン上で光学アセン
ブリの出力光軸にほぼ垂直な視野角において小さいＦ−
数を生成する、光学アセンブリ。
【請求項４】パノラマシーンを観察するための光学ア
センブリであって、複数個の光学素子を備え、前記複数個の光学素子は、前記パノラマシーンから環状ジオメトリにおいて光を再
び方向づけるための第１の素子を含み、前記第１の素子
の光学的パワーは想像上の瞳孔を形成し、前記環状に再び方向づけられた光を受け、かつ前記想像
上の瞳孔を再イメージして本物の瞳孔を形成するための
第２の素子と、一群の再イメージ光学部品を含む光学リレーシステムを
含む第３の素子とを含み、前記第３の素子は、ｉ）前記第２の素子からの光を受ける一方で前記本物
の瞳孔を前記再イメージ光学部品にリレーし、ｉｉ）光学アセンブリの焦点距離を確立し、ｉｉｉ）前記本物の瞳孔において生成された瞳孔収差
を補正し、ｉｖ）視野収差を補正し、かつｖ）平坦な焦点面上に環状画像を生成するためのもの
であって、前記光学リレーシステムは反射性素子のみを含み、かつ前記光学アセンブリは、パノラマシーン上において光学
アセンブリの出力光軸に対しほぼ垂直な視野角において
小さいＦ−数を生成する、光学アセンブリ。