KR20030003231A

KR20030003231A - 의사-무작위화된 적외선 블러링 어레이

Info

Publication number: KR20030003231A
Application number: KR1020027011280A
Authority: KR
Inventors: 헤윗앤써니빅터; 삭케티니콜라스버트
Original assignee: 레이던 컴퍼니
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-01-09
Also published as: DE60106259T2; JP2004518158A; DE60106259D1; WO2002056064A2; AU2002249873B1; WO2002056064A3; IL151461A; EP1299754B1; KR20080081055A; AU2002249873C1; US6469304B2; KR100910671B1; JP4278380B2; ATE278974T1; US20020084418A1; IL151461A0; EP1299754A2

Abstract

적외선 블러링 어레이는 의사 무작위이지만 한정적 방법으로 변하는, 공칭 초점면 위치(26)로부터 원거리에 있는 초점(52) 및/또는 공칭 초점면 위치(26)에 있는 광학 위상을 갖는 블러렛(38)의 표면 어레이를 그 위에 구비한 기판(42)으로 형성된다. 기판(42)은 입사 적외선 에너지의 파장대역을 투과하는 재료로 제작될 수 있고, 블러렛(38)은 기판(42)에서 굴절 렌즈렛(39)이거나 블러렛(38)은 반사 기판(42)에서 미러렛(54)일 수 있다. 블러렛(38)은 공칭 초점면 위치(26)로부터의 곡률 및 축방향 옵셋에 의해 각각 한정되는 기판이다. 블러렛(38) 각각의 곡률 및 축방향 옵셋 중 적어도 하나, 양호하게는 모두는 각각의 분포, 양호하게는 절두된 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택된 값이다.

Description

의사-무작위화된 적외선 블러링 어레이 {Pseudo-Randomized Infrared Blurring Array}

일반적 구성에서, 화상 형성 적외선(IR;imaging infrared) 광학 센서(예컨대, 초점면 에레이 또는 FPA 감지기)는 광학 시스템의 초점면에 위치된 많은 개수의, 전형적으로 수천 또는 수만의 개별 전자광학 감지 요소로 구성된다. 감지 요소는 적절한 광로를 통해 화면을 감지하고 그 화면에 응답하는 전기적 출력을 낳는다. 감지 요소의 재료 및/또는 구조는 예컨대 적외선 에너지를 포함하는 전자기 방사선의 상이한 파장 범위(파장대역)에 감응하도록 선택된다. 감지 요소는 평면 어레이로 배열되는데, 각각의 감지 요소는 화상의 하나의 화소를 제공한다. 감지 요소의 출력은 디지털 처리되어, 차후 분석되는 화상의 전자 재생을 형성한다.

이상적으로, 모든 감지 요소는 입사 에너지에 동일하게 반응하여, 감지 요소의 신호 출력이 입사 에너지에 동일하게 비례한다. 그러나, 실제로 현재 기술의 한계에서, 각각의 상이한 감지 요소는 약간 다르게 반응할 것으로 예상된다. 화소 반응 변화는 시간, 냉각 변동 또는 사용으로 인해 감지기 어레이에서 발현될 수도 있다. 이들 차이는 이득 또는 영점 옵셋, 비선형, 또는 다른 형식의 이상적으로 동일한 응답으로부터의 이탈로서 명백할 수 있다. 이러한 이탈의 결과로서, 완전히 균일한 적외선 입력 화면이 FPA 감지기에 주어진다면, 감지기 출력은 완전히 균일하지 못할 것이다.

대량 생산되는 감지기 요소의 생산 중에 이상적인 것에서의 이탈을 감소시키고 서비스 중에 발현되는 비이상 응답을 보상하는 다양한 기술이 공지되어 있다. 캘리브레이션 및 실시간 서비스 기술은 감지 요소에서 비균일성을 보상하기 위해 발전되어 왔다. 이러한 기술 중 몇몇은 임의의 기간 중에 블러링되지 않는 화상이 감지기에 의해 감지되고 다른 기간 중에 블러링된 화상이 감지기에 의해 감지되도록, 화상의 제어 가능한 블러링을 요구한다. 유효 시스템 성능은 블러링된 화상이 불충분하게 매끈해진 화면 형상 또는 간섭 효과에 의해 생성되는 인공물로 인한 중요한 구조가 없을 것을 요한다. 감지기에 이르는 평균 입사 에너지의 실질적인 감소는 역효과를 가지므로, 블러링은 상당한 에너지를 감지기의 감응 영역 외부로 이탈시킬만큼 크지 않아야 하고, 큰 각도의 분산은 제어되어야 한다.

화면의 제어된 블러링은 해결과제를 제시하고, 다양한 기술이 사용되어 왔다. 예컨대, 공지된 해결책으로서, 화면은 상이한 광로 길이(두께 및/또는 굴절율)를 갖는 2개의 광학 투과성 요소를 통해 감지기 어레이에 의해 감지된다. 한 요소는 화상이 감지기 어레이의 초점 평면 상으로 초점이 맞춰지도록 선택되고, 다른 요소는 초점이 감지기 어레이의 초점 평면으로부터 종방향으로 옮겨지도록 선택된다. 작동 가능하지만, 실제는 블러링이 불충분하고 화면의 비교적 높은 공간 주파수 특성이 여전히 식별된다는 것이 적외선 센서에 대해 발견되었다.

미국 특허 제5,867,307호에 기술된 다른 해결책은 종래 기술을 개선하고 많은 적용예에서 적절한 블러링 성능을 제공한다. 그러나, 간섭 효과가 블러링된 화상에 존재하거나 너무 많은 블러링이 있는 몇몇 상황에서, 화면 에너지의 용인될 수 없는 손실을 낳는다.

따라서, 적외선 미사일 추적기와 같은 제한된 공간 제약성을 갖는 특정 시스템에서 적외선 감지기에 대해 의도되고 제어된 화상 블러링에 대한 개선된 해결책의 필요성이 있다. 본 발명은 이러한 필요성을 충족하고 관련된 장점을 또한 제공한다.

본 발명은 해공군 시스템 사령부(Naval Air System Command)에 의해 주어진 계약 번호 제N00019-97-C-0027호에 의해 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 일정한 권리를 갖는다.

본 발명은 광학 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 광학 비임을 제어된 방법으로 초점을 흐리게 하고 그 초점이 흐려진 비임에서 간섭 효과를 피하는 블러링 어레이(blurring array)에 관한 것이다.

도1은 적외선 센서 시스템의 개략도이다.

도2는 절반의 원형 휠을 수반하는 블러링 어레이의 정면도이다.

도3은 블러링 어레이 일부의 평면도이다.

도4는 도3의 선 4-4를 따라 취한 굴절 블러링 어레이의 2개의 렌스렛의 개략 단면도이다.

도5는 곡률 반경 및 옵셋의 정의를 설명하는 단일 렌즈렛의 확대 개략도이다.

도6은 블러링 어레이의 설계 및 제조에 대한 해결책의 블록선도이다.

도7은 블러링 어레이의 설계에 대한 상세한 해결책의 블록선도이다.

도8은 일 실시예에 대한 블러렛의 곡률 반경(Rc) 값들의 선택된 세트의 반경 매트릭스 부분의 표이다.

도9는 도8에서와 같은 동일한 샘플에 대한 블러렛 축방향 옵셋(δ) 값들의 선택된 값들의 세트의 옵셋 매트릭스 부분의 표이다.

도10은 2개의 미러렛의 개략 단면도이다.

본 발명의 해결책은 블러링 어레이를 갖는 광학 시스템을 제공한다. 제어된 블러링 해결책은 광범위한 파장의 광학 시스템에 적용 가능하지만, 적외선 시스템에 특히 유익하다. 블러링 어레이는 제어 가능한 정도의 블러링을 제공한다. 또한, 이것은 감지기에 의해 감지되는 잘못된 화상으로 될 수도 있는 블러링된 화상에서 간섭 효과를 피한다. 결과적으로 화면의 입력 화상은 캘리브레이션 및 서비스 요구 조건 모두를 위해 제어 가능하게 블러링될 수 있다. 블러링 어레이는 가용한 제조 기술과 양립하도록 설계된다.

본 발명에 따르면, 광학 시스템은 의사 무작위이지만 한정된 방법으로 변하는, 공칭 초점면 위치로부터 원거리에 있는 광학 초점 및/또는 공칭 초점면 위치 상의 광학 위상을 갖는 블러렛(blurlet)의 표면 어레이를 구비한 기판을 포함하는 블러링 어레이를 포함한다. 블러렛은 화상에 제어된 블러링을 도입하는 광학 요소다. 블러렛은 약 3 내지 5 마이크로미터 파장의 중간 파장 적외선 범위에 대한 실리콘과 같은, 입사 적외선 에너지 파장대역을 투과하는 기판 재료 내의 렌즈렛(lenslet)일 수 있다. 그 대신에 블러렛은 광학 에너지를 반사하는 미러렛(mirrorlet)일 수 있다. 일 적용예에서, 적외선 시스템은 공칭 초점면 위치 근처에 놓인 감지기와 화면으로부터 감지기 상으로 적외선 에너지의 초점을 맞추는 광학 시스템을 포함한다.

동일한 또는 거의 동일한 블러렛 어레이가 감지기의 것과는 약간 다르게 블러렛 초점면으로 입사 비임의 초점을 맞출 수 있다. 블러링이 있을 수 있지만, 발명자는 간섭 효과가 전형적으로 블러렛들의 이러한 규칙적인 어레이로부터 기인한다는 것을 발견하였다. 이러한 해결책은 의사 무작위 방식으로 개별 블러렛을 통과하는 에너지의 초점 및/또는 위상을 변화시킨다. 즉, 설계 공정에 부과된 제한 내의 무작위 변동이 있다.

전형적인 경우에, 블러렛의 초점 및/또는 그들의 축방향 옵셋은 분포, 보다 양호하게는 값들의 광범위한 확산을 방지하는 절두된 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택된 공칭 초점면의 위치에 대한 상대 위치에 있다. 예컨대, 분포는 평균의 양측에 +/- 일 표준 편차(또는 다른 고정값)에서 절두될 수 있는데, 이는 화상의 과대한 블러링을 방지한다. 노멀, 플랫 및 다른 분포와 같은 다양한 분포가 사용될 수 있다. 노멀 분포는 양호한 실시예에서 사용되기에 편리하지만, 본 발명의 실시는 거기에 제한되지 않는다. 블러렛은 공칭 초점면 위치로부터의 곡률 및 축방향 옵셋에 의해 각각 한정되는 표면일 수 있는데, 각각의 블러렛의 축방향 옵셋 및 곡률 중 적어도 하나는 각각의 분포 또는 각각의 절두 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택된 값이다.

따라서, 본 발명은 감지기에 도달하는 화면 에너지를 과도하게 감소시키지 않고, 제어 가능한 양의 블러링을 성취하고 블러링된 화상에서 간섭 효과를 피하는 블러링 어레이를 제공한다. 본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면과 함께 본 발명의 원리를 예로서 설명하는 양호한 실시예의 후속하는 보다 상세한 기술로부터 명백할 것이다. 그러나, 본 발명의 범주는 이러한 양호한 실시예에 한정되지 않는다.

도1은 화면을 보고 그 화면의 전자 표상를 생성하는 양호한 적외선 센서 광학 시스템(20)의 설명도이다. (이러한 논의는 다른 파장에서 작동하는 센서 시스템에도 적용 가능하다.) 적외선 센서 광학 시스템(20)은 여기서 단일 렌즈로서 개략적으로 나타나 있지만 통상적으로 복수개의 렌즈 및/또는 미러와 가능하다면 다른 광학 요소를 포함하는 광 시스템(22)을 포함한다. 광학 시스템(22)은 화면으로부터 초점면 어레이와 같은 적외선 감지기(28)의 공칭 초점면 위치(26)로 초점 비임(24)의 초점을 맞춘다. (공칭 초점면 위치(26)는 감지기(28)의 공칭 초점면이지만, 후속하여 논의되는 블러링 어레이의 초점면은 이러한 공칭 초점면과는 약간 다르다.) 감지기(28)는 입사 초점 비임(24)을 감지기 전자장치(30)에 의해 처리되도록 전기 신호로 전환시킨다. 적외선 에너지의 다양한 파장대역에 작동 가능한 감지기(28)와 감지기 전자장치(30)는 본 분야에서 공지되어 있다.

초점 비임(24)은 감지기(28)에 도달하기 전에 블러링 어레이(32)을 통과(또는 어레이에 의해 반사)한다. 도2에서 도시된 일 실시예에서 특히 흥미로운 것은 블러링 어레이(32)가 회전 휠(34) 상에서 지지된다는 것이다. 블러링 어레이(32)는 회전 휠(34)의 일부, 여기서는 그 주위의 180°를 차지한다. 회전 휠(34)의 나머지는 블러링되지 않는 부분(36)이다. 초점 비임(24)이 통과하는 휠(34)의 회전은 감지기(28) 상에 블러링된 또는 블러링되지 않는 화상의 교대 패턴을 생성한다. 결과적인 전기 신호는 달리 얻어질 수 없는 화면의 본질에 대한 정보를 획득하기 위해 감지기 전자장치(30)에 의해 처리될 수 있다. 이러한 신호 처리는 본 기술 분야에서 공지되어 있으며, 적외선 시스템의 블러링 어레이(32)의 구조 및 다른 물리적 요소를 다루는 본 발명의 범주에는 들지 않는다.

도3은 블러링 어레이 일부의 평면도이다. 블러링 어레이(32)는 양호하게는 밀집 묶음된 형태로 함께 묶인 복수개의 블러렛(38)으로 제작된다. 블러렛(38)은 제어된 블러링을 화상으로 도입하는 광학 요소이다. 블러렛(38)은 "렌즈렛"으로 명명된 투과성 굴절 요소 또는 "미러렛"으로 명명된 반사 요소일 수 있다. 굴절 렌즈렛은 관심 파장대역을 투과하는 재료로 제작되어야 하는 한편, 반사 미러렛은 투과 재료로 형성될 필요는 없다. 렌즈렛을 수반하는 실시예는 현재 가장 양호하며 도1 내지 도5와 관련하여 상세히 논의될 것이고, 미러렛은 도10과 관련하여 논의될 것이다.

블러렛(38)의 양호한 배열은 도3에 도시된 바와 같이 육각 밀집 묶음된 어레이지만, 사각 어레이 또는 삼각 어레이와 같은 다른 밀집 묶음된 어레이가 대신 사용될 수 있다. 블러렛은 밀집 묶음된 어레이와는 달리 배열될 수도 있지만, 이러한 배열은 광학적으로 덜 효율적이다. 도3의 블러링 어레이(32)의 개별 셀(40)은 다음 참조를 위해 번호가 매겨졌다.

도4에서 나타난 바와 같이, 굴절 렌즈렛(39)를 사용하는 블러링 어레이(32)는 입사 적외선 에너지 광선의 파장대역을 투과하는 재료로 제조된 기판(42)을 포함한다. 이러한 투과성 재료(42)는 다양한 적외선 파장대역에 대해 본 분야에서 공지되어 있다. 약 3 내지 5 마이크로미터의 중간 적외선(mid-infrared) 파장대역에 대해 기판(42) 구조의 양호한 재료는 실리콘이다. 8 내지 12 마이크론의 장적외선(long-infrared) 파장대역에 대해 게르마늄, 1 내지 3 마이크로미터의 근적외선(near-infrared) 파장대역에 대해 용융 실리카, 또는 가시 파장대역에 대해 플라스틱과 같은 다른 재료도 사용될 수 있다.

기판(42)는 블러렛(38)이 그 위에 있는 표면 어레이를 가지며, 2개의 이러한 블러렛(38', 38")이 도4에 도시된다. 굴절 렌즈렛(39) 형태의 블러렛(38)은 후속하여 논의되는 방식으로 상호 상이하게 제어 가능하도록 제작된 개별 소형 렌즈이다. 통상적으로, 블러렛(38)의 초점은 의사 무작위지만 한정적 방법으로 공칭 초점 표면 위치(26)와는 다르고, 그리고/또는 초점 비임(24)의 광학 위상은 실선(44', 44")에 의해 개략적으로 지시된 바와 같이 공칭 초점 표면 위치(26)에서 변한다. 참조를 위해, 점선은 블러링 조립체(32)가 없는 경우(즉, 회전 휠(34)의 블러링되지 않는 부분(36)이 화면과 감지기(28) 사이에 있을 때)의 초점 비임(24)의 초점을 맞추는 것을 도시한다.

도5는 블러렛(38)에 대해 사용된 기하학적 형상과 관련 용어를 보다 상세히 도시한다. 도시된 블러렛(38)은 양호한 구형 굴곡 블러렛(38)의 경우에, 기판(42)에 대해 상대적으로 곡률 반경(Rc)으로 오목하게 굴곡된다. 블러렛(38)은 비구형(예컨대, 포물형) 곡률로 보다 복잡하게 굴곡될 수도 있다. 어레이의 블러렛(38)도 볼록하게 굴곡되거나, 단일 어레이에서 볼록하게 굴곡된 어레이와 오목하게 굴곡된 어레이가 모두 있을 수 있다.

정점(48)은 감지기(28)의 공칭 초점면 위치(26)에 가장 가까운, 렌즈렛(39)의 표면 부분이다. 정점(48)의 위치는 (블러렛의 임의의 기계가공 또는 형성 전의) 초기 기판(42)의 표면으로부터의 평균 거리(D)에 (화면과 감지기(28) 사이에서 축방향(50)으로 통상 평행하게 측정된) 축방향 옵셋(δ)을 더한 것으로 기술될 수 있다. 블러렛(38) 어레이의 옵셋(δ) 값이 평균(D) 근처의 그들의 개별 변동에 의해 통계적으로 기술되기 때문에 이러한 용어가 사용된다.

도6은 적외선 시스템(20)의 제작 및 사용의 양호한 해결책을 묘사한다. 양호한 적외선 시스템 파라미터 세트가 선택(60)된다. 이러한 시스템 파라미터 세트는 블러링 어레이를 설계(62)하기 위해, 블러링 어레이(32) 제작 상의 제조 제한 요소(64)와 함께 사용된다. 결과적인 설계 파라미터에 블러링 어레이(32)가 제작(66)된다. 단계(60)로부터의 시스템 파라미터는 광학 시스템(22) 및 적외선 감지기(28)와 같은 적외선 시스템(20)의 다른 요소를 제작(68)하기 위해서도 사용된다. 다른 요소 및 블러링 어레이(32)가 적외선 시스템(20)을 만들기 위해 함께 조립(70)되고, 적외선 시스템(20)이 작동(72)된다.

도7은 도6의 블러링 어레이(32) 설계에 대한 단계들(60, 62, 64)의 설계 공정의 양호한 형태를 보다 상세히 도시한다. 통상, 설계 해결책은 축방향 옵셋(δ)과 블러렛(38)의 초점들(52)(과 그에 따른 곡률 반경(Rc)) 중 적어도 하나(양호하게는 모두)가 의사 무작위이지만 한정적 방법으로 변하는 본 발명의 중요한 특징을 구현한다. 다양한 블러렛(38)의 초점들(52)(과 그에 따른 곡률 반경(Rc))의 (방향(50)에 평행하게 측정된) 축방향 위치는 동일하지 않을 수 있고, 그리고/또는 다양한 블러렛(38)의 축방향 옵셋(δ)은 동일하지 않을 수 있다. 양호하게는, 다양한 블러렛(38)의 다양한 초점들(52)(및 그에 따른 곡률 반경(Rc)) 축방향 위치와, 다양한 블러렛(38)의 축방향 옵셋(δ)은 모두 동일하지 않을 수 있다.

초점들(52)의 축방향 위치의 변동, 즉 곡률 반경(Rc)과 축방향 옵셋(δ)은 무한 범위에서 선택된 무작위 값을 갖지 않는다. 그것들이 광범위한 범위에서 무작위이면, 몇몇 값들은 효과적인 블러링를 위해 너무 크거나 너무 작을 것이다. 즉, 블러링이 너무 작으면, 화면으로부터의 윤곽이 감지기(28)의 화상에서 명백할 수 있고, 블러링 어레이(32)의 값은 소실된다. 블러링이 너무 크면, 감지기 어레이 상의 화면 조사는 블러링된 프레임으로부터 블러링되지 않은 프레임까지 과도하게 다르고, 어레이의 균일성 보정은 각각의 화소 단일 수준에 따르므로 효과적이지 않다. 과도한 블러링은 감소된 화면 조사(강도)를 유발한다.

따라서, 초점들(52), 곡률 반경(Rc) 및 축방향 옵셋(δ)의 값은 의사 무작위 방법으로 한정되는데, 그 무작위 값은 무한 범위로부터의 무작위 수가 아니라, 시스템의 광학 설계와 부합하는 파라미터의 한정된 통계적 변동으로부터 선택된다.양호한 해결책에서, 각각의 파라미터의 통계적 분포는 값들이 과도하게 크거나 작지 않은 것을 보장하기 위해 절두 분포 형태이다. 다음으로, 파라미터의 무작위 값이 이러한 분포 내에서 선택된다. 따라서, 이러한 설계 공정은 값들을 획득하기 위한 의사 무작위적, 한정적 방법이며, 값들의 무작위 분포와는 다르다.

관련 적외선 시스템 파라미터(60)는 블러렛에 대한 파라미터, 즉 블러렛 묶음의 기하학적 형상(80)(예컨대, 육각 밀집 묶음이 양호함)와, 블러렛의 중심 대 중심 간격(82)(블러링 어레이(32)의 셀(40) 중심 사이의 거리)와, 블러렛 굴곡 프로파일(84)(양호하게는 단일 구형 굴곡, 또는 포물선 굴곡에서와 같은 비구형 굴곡)을 포함한다. 블러렛 묶음의 기하학적 형상은 최대 광 투과와 효율을 위해 선택되는데, 육각 밀집 묶음 구조가 양호하다. 블러렛의 중심 대 중심 간격은 점광원에 대한 블러링 직경, 감지기 화소 크기 및 비임 직경에 따라 선택된다. 실제로는, 최대 중심 대 중심 간격은 양호한 통계적 블러링을 얻기 위해 비임에 의해 차단되는 적어도 약 50 이상의 블러렛을 갖을 필요성에 의해 한정된다. 최소 중심 대 중심 간격은 광의 파장보다 작은 블러렛 간격이 재생 가능하게 제조하기가 어려운 제조 상의 고려 사항에 의해 한정된다. 블레렛 굴곡 프로파일은 개별 블러렛 능력과 초점 균일성에 맞추며 제조성을 위해 선택되고, 구형 표면이 양호하다.

보다 통상적인 광학 파라미터는 시스템의 광학 요구 조건 및 하드웨어 요소의 가용성에 따라 선택된다. 이것은 감지기(28)의 화소 크기(86), 공칭 설계 광학 해상도(88), 광학 시스템 F-수(90), 광학 비임 풋프린트(92)(점광원에 대한 감지기 어레이 상의 비임의 크기)를 포함한다.

블러링 어레이(32) 제작 상의 제조 제한 요소(64)가 제공된다. 블러링 어레이의 제조는 기판(42) 표면에 정확히 한정된 블러렛의 형성을 요한다. 가용한 제조 공정은 실제 제작되는 것에 기하학적 제한 요소를 부과한다. 본 해결책의 장점은 설계된 블러링 어레이(32)가 실제로 제조되는 것을 보장하기 위해 제조 제한 요소가 설계 공정에 고려된다는 것이다. 제조 제한 요소는 또한 재료가 관심 파장대역에서 적외선 투과성인 요구 조건을 충족하는 가용한 재료의 굴절율(94)을 포함한다. 제조 제한 요소는 또한 선택된 기계가공 방법에 의해 제작될 수 있는 블러렛(38) 표면의 최대 크기 및 깊이(96)를 포함한다. 양호한 해결책은 블러렛(38)의 반응 이온 에칭이다.

적외선 시스템 파라미터(60)와 제조 제한 요소(64)가 설계 단계(62)에 제공된다. 설계 단계(62)에서, 광학 전파 시뮬레이션 모델(98)이 초기에 사용된다. 작동 가능한 모델은 애리조나주 턱슨시의 브리얼트 연구 협회로부터 가용한 진보된 시스템 분석 패키지와 광학 연구회로부터 가용한 코드 브이 광학 설계 패키지를 포함한다. 회절 작용을 포함하는 임의의 다른 작동 가능한 모델이 사용될 수 있다. 통상, 광학 전파 시뮬레이션 모델은 감지기(28)에서의 블러링 시뮬레이션을 생산하기 위해, 화면으로부터 입력 파라미터(60, 62)를 갖는 블러링 어레이(32)를 위한 다양한 선택 사항 및 광학 시스템(22)을 통과한 광선/파면의 경로를 계산한다.

가용한 광학 전파 시뮬레이션 모델은 모든 효과를 수학적으로 고려하기에 충분치 않다. 따라서, 시뮬레이션의 결과는 렌즈렛 에지 분산 효과(102)와 표면 마감 분산 효과(104)를 포함하는 경험적 파라미터와, 특정 광학 파면 오차(100)에 대한 고려를 사용하여 경험적으로 조절된다. 결과적으로 블러렛 배율 범위(106)가 결정된다. 이러한 범위의 정보로부터, 다른 제어 가능한 파라미터의 분포와 제한(108)이 달성된다. 무작위 선택이 표준 무작위 선택 방법을 사용하여 이러한 파라미터로부터 이루어진다. 이러한 경험적 공정에 조력하기 위해, 프로토타입이 시뮬레이션의 예상에 기초하여 형성되고 시험된다. 이러한 프로토타입은 블러렛의 중심 대 중심 간격, 깊이 및 반경 범위를 갖는다. 계산된 블러와 균일성이 시험을 통해 관찰된 분산 효과와 균형을 이룬다.

도6 및 도7에서 기술된 방법은 다른 종래 적외선 시스템(20)에 대한 렌즈렛의 프로토타입 블러링 어레이(32)를 설계하고 제작하기 위해 사용된다. 어레이는 약 3 내지 5 마이크로미터 파장의 중간 적외선 파장대역에 대해 설계되었고, 실리콘 기판이 사용된다. 도3의 육각 밀집 묶음 어레이가 사용된다. 대표적인 경우로, 셀(40)의 중심 대 중심 간격은 583 마이크로미터이고, 셀의 코너 대 코너 직경은 674 마이크로미터이다. 평균 거리(D)는 16 마이크로미터이다. 설계는 렌즈렛의 구형에 기초하는데, 그 모양은 반응 이온 에칭에 의해 제조하기에 가장 유리하고, 블러링을 보장하기 위해 평균으로부터 +/- 일 표준 편차에서 절두 컷오프를 갖는 곡률 반경(Rc)과 축방향 옵셋(δ)의 정상(가우스) 분포는 과도하게 크거나 작지 않다. 곡률 반경(Rc)의 결과적인 평균 및 표준 편차는 각각 17308 마이크로미터 및 11355 마이크로미터이다. (16 마이크로미터의 거리(D)에 상대적으로 계산된) 축방향 옵셋(δ)의 결과적인 평균 및 표준 편차는 각각 0 마이크로미터 및 3 마이크로미터이다.

이러한 분포로부터, 무작위 값이 블러링 어레이(32)를 한정하는 셀(40)의 어레이에 대해 선택된다. 도8 및 도9는 각각의 곡률 반경(Rc)과 축방향 옵셋(δ)에 있어서, 도3에서와 같이 번호가 매겨진 렌즈렛 어레이에 대해 이러한 방법에 의해 선택된 값들의 어레이로부터 예시적으로 발췌한 것이다. 이러한 예에서는 전체 어레이에 대한 파라미터의 일부만이 도시되었지만, 전체 어레이는 더 크다.

이러한 분포를 사용하여, 프로토타입 블러링 어레이(32)는 포토리소그래피 및 반응 이온 에칭에 의해 제작된다.

프로토타입 블러링 어레이(32)의 성질이 측정된다. 인공물 및 가시적인 간섭 효과 없이 부드러운 블러링이 성취된다. 비교를 위해, 미국 특허 제5,867,307호에 기술된 블러 필름 조립체가 준비된다. 블러링의 비교 수준에서, 감지기(28)에 도달하는 화상에서 손실된 화면 에너지는 상기 특허에 의해 제작된 블러 필름 제작체에 대한 화면 에너지의 약 18 ％인 반면, 본 발명의 블러링 어레이(32)에 있어서 감지기(28)에 도달하는 화상에서 손실된 화면 에너지는 약 5 ％이다. 즉, 본 해결책에 있어서 에너지 손실은 상기 특허의 해결책의 손실의 1/3보다 작다. 이러한 결과는 본 발명의 블러링 어레이(32)가 화상 강도를 과도하게 변경하지 않으며, 본 발명의 해결책이 희미한 화상을 주어진 광학 시스템 및 감지기에 대해 분석되도록 하기 때문에 매우 중요하다.

앞선 논의는 블러렛(38)이 굴절 렌즈렛(39)인 양호한 실시예에 대해 주로 다뤄졌었다. 블러렛(38)은 블러링 광 비임이 감지기에 반사되는 광학 시스템에서 사용되는 반사 미러렛 또는 또는 다른 적용예일 수도 있다. 도10은 2개의 이러한 미러렛(54)을 묘사한다. 미러렛(54)은 그 표면이 반사되게, 또는 투과성 기판 재료가 초점 비임(24)의 반사를 달성하는 전체 내부 반사를 제공하도록 제작된다. 순수 반사 미러렛의 경우에, 구성 재료는 특정 파장대역에 대해 선택될 필요는 없다. 블러렛, 특히 렌즈렛에 대해 상기 논의된 특유의 원리는 굴절 성질 대신 반사 성질과 관련해 개조된 미러렛에 대해서 동등하게 적용될 수 있으며, 여기서 참조로 합체된다.

본 발명의 특정 실시예가 예시 목적을 위해 상세히 기술되었지만, 다양한 개조예 및 개선예가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 제작될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위를 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims

블러렛(38)의 표면 어레이를 그 위에 갖는 기판(42)을 구성하는 블러링 어레이를 포함하는 광학 시스템이며,

블러렛(38)의 초점(52)과, 공칭 초점면 위치(26)에서 블러렛(38)의 광학 위상 중 적어도 하나는 의사 무작위이지만 한정적 방법으로 변하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 블러렛(38)의 초점(52)과, 공칭 초점면 위치(26)에서 블러렛(38)의 광학 위상 모두는 의사 무작위이지만 한정적 방법으로 변하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 기판(42)은 입사 광학 에너지의 파장대역을 투과하는 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 블러렛(38)은 입사 광학 에너지를 굴절시키는 렌즈렛(39)인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 블러렛(38)은 입사 광학 에너지를 반사시키는 미러렛(54)인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 광학 시스템은 공칭 초점면 위치(26) 근처에 놓인 감지기(28)와 화면으로부터 감지기(28) 상으로 광학 에너지의 초점을 맞추는 광학 시스템(22)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제6항에 있어서, 감지기(28)는 적외선 감지기(28)인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 블러렛(38)의 초점(52)은 절두 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택된 공칭 초점면 위치(26)에 대한 상대 위치에 있는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 블러렛(38)은 곡률 및 축방향 옵셋에 의해 각기 한정된 표면이고, 블러렛(38) 각각의 곡률 및 축방향 옵셋 중 적어도 하나는 각각의 절두 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택된 값인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 블러렛(38)은 곡률 및 축방향 옵셋에 의해 각기 한정된 표면이고, 블러렛(38) 각각의 곡률 및 축방향 옵셋 모두는 각각의 절두 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택된 값인 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
제1항에 있어서, 공칭 초점면 위치(26)의 블러렛(38)의 광학 위상은 절두 분포에 의해 한정된 값들의 세트로부터 무작위로 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.