KR20040032816A - 반사 및 반사굴절 영상장치 - Google Patents

반사 및 반사굴절 영상장치 Download PDF

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KR20040032816A
KR20040032816A KR10-2003-7008500A KR20037008500A KR20040032816A KR 20040032816 A KR20040032816 A KR 20040032816A KR 20037008500 A KR20037008500 A KR 20037008500A KR 20040032816 A KR20040032816 A KR 20040032816A
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Abstract

본 발명은 영상점(562)에 대상점(560)을 비추기 위한 영상장치(500)를 특징으로 한다. 본 장치는 대상점(560)으로부터 나온 광선들을 수용하고 투과부와 반사부로 각 광선을 분리시키기 위해 배치된 빔 스플리터(550)로서, 상기 투과부는 제1광선세트로 정의되고 상기 반사부는 제2광선세트로 정의되는 빔 스플리터; 및 상기 빔 스플리터로부터 나오는 광선의 세트 중 하나를 수용하고 상기 빔 스플리터를 통해 영상점(562)으로 상기 광선세트를 초점 맞추기 위해 배치된 반사면(532, 542)을 포함한다. 간섭법적 기술은 장치의 빛처리량을 증가시키기 위해서 적용될 수 있다.

Description

반사 및 반사굴절 영상장치{CATOPTRIC AND CATADIOPTRIC IMAGING SYSTEMS}
지난 수천년 동안 다양한 종류의 영상장치가 존재해 왔다. 이러한 오랜 세월의 발전에도 불구하고, 현대 영상장치는 여전히 고대의 영상장치와 유사한 목적을 가지고 있다. 영상장치는 대상점(object point) 및 그 주변으로부터 빛을 모아서, 그 빛을 영상점(image point) 또는 그 주변에서 영상으로 촛점을 맞추어 준다. 빛은 굴절을 이용해서 초점을 맞출 수 있는데, 이러한 광학분야는 굴절광학으로 알려져 있다. 빛은 또한 반사를 이용해서 초점을 맞출 수 있는데, 이러한 광학분야는 반사광학으로 알려져 있다. 사용된 초점장치(focusing system)에 상관없이, 전형적인 영상장치는 몇 개의 중요한 변수들을 최적화하기 위해 고안된다. 예를 들어, 많은 영상장치는 해상도, 개구수(numerical aperture) 및 영상평면의 모양을 최적화하도록 설계된다. 영상장치의 해상도는 영상평면에서 구별될 수 있는 실제공간(object space)에 있는 형체들 사이의 최단거리이다. 따라서 해상도는 영상으로부터 얻어질 수 있는 정밀정도(level-of-detail)를 결정한다. 개구수는 영상장치가 대상(object)으로부터 모을 수 있는 이용가능한 빛의 양과 관련된다. 사진필름, 전하결합소자 또는 심지어 사람의 눈과 같은, 대부분 유형의탐지기(detector)에 있어서 더 큰 개구수는 빛의 강도를 증가시키고, 일반적으로 더 좋은 영상을 생산해 낸다. 마지막으로, 영상평면의 모양은 꽤 중요할 수 있다. 편평한 평면이 일반적으로 사진필름이나 전하결합소자(CCD)와 같은 탐지장치에 대해서 매우 유용하다. 불행하게도, 모든 이러한 변수들은 많은 수차(aberration)들에 의해 저하될 수 있다.
본 발명은 광학, 특히 반사영상장치에 관한 것이다.
도 1은 반사면과 빔 스플리터를 포함하는 반사영상장치의 개략도이다.
도 2는 반사면과 빔 스플리터를 포함하는 또 다른 반사영상장치의 개략도이다.
도 3은 반사면, 빔 스플리터 및 두개의 굴절면을 포함하는 반사굴절영상장치의 개략도이다.
도 4는 간섭법적 효과가 영상점에서 빛강도(light intensity)를 증가시키도록 설계되고 배치된 두 개의 반사면을 포함하는 반사영상장치의 개략도이다.
도 5는 수차를 감소시키는 굴절면을 포함하는 도 4의 영상장치와 유사한 반사굴절영상장치의 개략도이다.
도 6은 광축이 동연적인(coextensive) 것을 제외하고 도 5의 영상장치와 유사한 반사굴절영상장치의 개략도이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 영상장치와 유사한 영상장치를 포함하는 혼합반사굴절영상장치의 개략도이다.
도 8은 도 5의 영상장치와 유사한 영상장치를 포함하는 혼합반사굴절영상장치의 개략도이다.
도 9는 도 5의 영상장치와 유사한 영상장치를 포함하는 혼합반사굴절영상장치의 개략도이다.
다양한 도면에서의 참조기호는 요소들(elements)을 의미한다.
본 발명은 빔 스플리터면(beam splitter surface)과 반사면을 이용하는 반사광학장치를 특징으로 한다. 제1초점은 반사면으로 이루어질 수 있고, 이로서 축상색수차(longitudinal chromatic aberrations)가 감소된다. 빔 스플리터는, 영상점에 초점이 맞춰진 대상점으로부터 광선들이 빔 스플리터면을 통해 반사되고 투과되도록, 대상점, 영상점 및 반사면에 따라 배치된다. 초점이 맞춰진 빔들의 각 광선에 대한 반사와 투과의 조합은 중심설계각(central design angle)으로부터 벗어난 수용각에 대한, 빔 스플리터의 반사적이고 투과적인 특성에서의 결함으로 인한 빔강도에서의 1차 편차를 정확하게 제거한다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 빛의 투과는 빔 스플리터에 의해 반사되고 투과된 빛의 간섭법 재조합의 사용에 의해 향상될 수 있다. 나아가 장치의 일부 실시예는 수차를 줄이기 위해 굴절적 요소들을 포함할 수 있다.
일반적으로, 한가지 면에서, 본 발명은 영상점에 대상점을 비추기 위한 영상장치를 특징으로 한다. 본 장치는 ⅰ)대상점으로부터 광선을 수용시키고, 제1광선세트를 정의하는 투과부와 제2광선세트를 정의하는 반사부로 각 광선을 분리시키기위해 배치된 빔 스플리터; 및 ⅱ)빔 스플리터로부터 광선세트 중 하나를 수용시키고 빔 스플리터를 통해 영상점에서 그 광선세트의 초점을 맞추기 위해 배치된 반사면을 포함한다.
영상장치의 실시예는 다음 특성들 중의 어느하나를 포함할 수 있다.
반사면은 제1광선세트를 수용시키고 빔 스플리터로 다시 반사시키기 위해 배치될 수 있는데, 그런 경우에 빔 스플리터는 반사면으로부터 영상점까지 수용된 각 광선의 적어도 일부분을 반사시키기 위해 배치된다. 나아가, 반사면은 대상점과 정확하게 동심(concentric)일 수 있다. 반사면의 중심은 대상점으로 대상의 광축(object optical axis)을 정의할 수 있으며, 빔 스플리터는 대상의 광축에 정확하게 수직으로 또는 대상의 광축에 예각으로(예를 들어 정확하게 45도 각도로) 배치될 수 있다.
대안적으로, 반사면은 제2광선세트를 수용시켜 빔 스플리터로 재반사하도록 배치될 수 있는데, 이러한 경우 빔 스플리터는 반사면으로부터 수용된 각 광선의 적어도 어느 일부분을 영상점까지 투과시키기 위해 배치된다. 나아가 반사면은 영상점과 정확하게 동심일 수 있다. 반사면의 중심은 영상점으로, 영상의 광축을 정의할 수 있고, 빔 스플리터는 영상의 광축에 정확하게 수직하거나 영상의 광축에 예각으로 (예를 들어 정확하게 45도 각도로) 배치될 수 있다.
영상장치는 나아가 반사면을 정의하는 내부표면을 가지는 제1렌즈(first optic)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1렌즈의 내부표면은 곡면일 수 있다. 제1렌즈는 내부표면에 대향하여 평면일 수 있는데, 빔 스플리터는 평면에 인접해서 배치될 수 있다. 나아가 장치는 대상점과 영상점 중 하나에 인접한 플라노면(plano surface)을 가지는 평볼록렌즈(plano-convex optic)와 제1렌즈에 접촉해있는 볼록면(convex surface)을 포함할 수 있는데, 여기서 평볼록렌즈와 제1렌즈 사이의 인터페이스는 굴절면(refracting surface)을 정의한다.
좀 더 일반적으로, 영상장치는 대상점으로부터 광선을 수용시키기 위해 대상점과 빔 스플리터 사이에 배치한 굴절면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 굴절면은 대상점과 정확하게 동심일 수 있다. 대안적으로 또는 이에 부가하여 장치는 반사면에 의해 촛점이 맞춰진 광선을 수용시키기 위해 빔 스플리터와 영상점 사이에 배치된 굴절면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 굴절면은 영상점에 정확하게 동심 일 수 있다.
장치는 또한 제1렌즈에 인접한 제2렌즈를 포함할 수 있는데, 여기서 빔 스플리터는 제1 및 제2 반사렌즈들 사이의 인터페이스에 배치된다. 나아가, 장치는 대상점과 영상점 중 어느 하나에 인접한 플라노면을 가지는 평볼록렌즈와 제2렌즈에 접촉해 있는 볼록면을 포함할 수 있는데, 여기서 평볼록레즈와 제2렌즈 사이의 인터페이스는 굴절면을 한정한다. 더구나, 장치는 대상점과 영상점 중 다른 하나에 인접한 플라노면과 제1렌즈에 접촉해있는 볼록표면을 포함할 수 있는데, 여기서 평볼록렌즈와 제1렌즈 사이의 인터페이스는 또 다른 굴절면을 정의한다.
제2렌즈는 광학적 평면일 수 있다. 대안적으로, 제2렌즈는 제2반사면을 정의하는 내부표면을 가질 수 있는데, 여기서 제1반사면은 제1광선세트를 수용시키고 제2반사면은 제2광선세트를 수용시켜 빔 스플리터를 통해 영상점에서 촛점이 맞춰지도록 배치된다. 나아가, 빔 스플리터는 제1반사면으로부터 수용된 제1광선세트와 제2반사면으로부터 수용된 제2광선세트를 간섭법으로 재조합하기 위해 배치될 수 있다. 제1반사면은 대상점에 동심일 수 있고 제2반사면은 영상점에 동심일 수 있다.
일반적으로, 또 다른 측면에서, 본 발명은 대상점을 제1영상점으로 영상화하는 제1영상부장치(first imaging subsystem); 및 제1영상점을 제2영상점으로 영상화하는 제2영상부장치(second imaging subsystem)를 포함하는 영상장치를 특징으로 한다. 제1영상부장치는 ⅰ)대상점으로부터 나오는 광선을 수용시키고 각 광선을 제1광선세트를 정의하는 투과부와 제2광선세트를 정의하는 반사부로 분리시키기 위해 배치된 제1 빔 스플리터(first beam splitter); 및 ⅱ)제1빔 스플리터로부터 광선세트 중의 어느 하나를 수용시켜 그 광선세트를 제1 빔 스플리터를 통해 제1영상점으로 촛점을 맞추는 제1반사면을 포함한다. 제2영상부장치는 ⅰ) 제1영상점으로부터 나오는 광선을 수용시켜 각 광선을 제1광선세트를 정의하는 투과부와 제2광선세트를 정의하는 반사부로 나누는 제2 빔 스플리터와; ⅱ)제2 빔 스플리터로부터 광선세트 중의 어느 하나를 수용시켜 그 광선세트를 제2 빔 스플리터를 통해서 제2영상점으로 촛점을 맞추는 제2반사면을 포함한다.
일반적으로, 또 다른 측면에서, 본 발명은 대상점을 영상점으로 영상화하는 영상화방법을 특징으로 한다. 그 방법은 대상점으로부터 광선을 수용시켜 제1광선세트를 정의하는 투과부와 제2광선세트를 정의하는 반사부로 나누는 단계; 및 빔 스플리터로부터 광선세트 중의 어느 하나를 수용시켜 빔 스플리터를 통해 영상점에서 촛점을 맞추기 위해 그 광선세트를 반사시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예는 다음의 장점들 중의 어느 하나를 포함할 수 있다. 본 발명은 실물공간에서 큰 개구수를 가질 수 있다. 본 발명은 실질적으로 축상색수차를 갖지 않는다. 본 발명은 영상형성에 사용되는 파장영역에 실질적으로 독립하는 영상평면을 가질 수 있다. 본 발명은 영상형성을 위해서 큰 파장영역을 이용할 수 있다. 본 발명은 편평한 영상평면을 가질 수 있다. 본 발명은 감소된 수차세트 (reduced set of optical aberration)를 가질 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 구체적인 사항은 첨부된 도면과 아래의 설명에 서술되어 있다. 본 발명의 다른 특성들, 목적 및 장점은 상세한 설명 및 도면으로부터 그리고 청구범위로부터 명맥하다.
도 1에서, 반사영상장치(100)는 대상점(160), 영상점(162), 빔 스플리터(150), 곡면반사면(132) 및 광선투과요소(130 및 140)를 포함한다. 대상점(160)으로부터 나오는 빛은 빛투과요소(130)를 통과하여 빔 스플리터(150)에 수용된다. 빔 스플리터(150)는 입사선속(incident light bean)의 부분들을 반사하고 투과시킨다. 상기 기술된 실시예에서, 처음 투과되는 빛의 부분은 무시되고, 도 1에서 생략되었다. 반사부분은 도 1에 도시된 바와 같이 반사면(132)에 수용된다. 빔 스플리터(150)로부터 반사되고 표면(132)에 수용되는 대상점(160)으로부터 나오는 각 광선이 빔 스플리터(150)에 의해 투과된 후 영상점(162)으로 반사되도록 표면(132)이 배치된다. 즉, 대상점(160)으로부터 나오는 빛은 다음의 경로를 통해 영상점(162)에서 촛점이 맞춰진다 : ⅰ)빛이 대상점(160)으로부터 나온다; ⅱ)빔 스플리터(150)에 의해 반사된다; ⅲ)반사면(132)에 의해 반사된다; ⅳ)빔 스플리터(150)에 의해 투과된다; ⅴ)영상점 (162)으로 수렴한다.
반사면(132)은 광선을 영상점에 촛점을 맞추고, 매체(130 및 140)에 의해 굴절되지 않기 때문에, 영상평면은 영상형성(매체(130 및 140)가 정확하게 지수(index)에서 다르지 않다고 한다면)에서 사용되는 파장영역에 의존하지 않는다. 즉 축상색수차가 없게 된다. 따라서 큰 파장영역이 영상형성을 위해 사용될 수 있다.
매체(130)의 굴절지수는 장치의 개구수에 영향을 미친다. 특히, 장치(100)의 개구수는 매체(130)의 굴절지수와 선형으로 비례한다. 비록 결코 제한적인 것은 아니지만, 본 발명의 나머지 부분에서는 요소들(130 및 140 : 다른 실시예에서도 동일하다)의 굴절지수는 정확하게 동일한 것으로 가정한다.
한 실시예에서 장치(100)의 특징은 다음과 같은 설계에 의해 달성될 수 있다. 대상점(160)과 영상점(162)이 주어진 경우, 빔 스플리터(150)는 대상점 및 영상점으로부터 동일한 거리에 있는 점들에 의해 정의된 평면에 놓이도록 배치하게 된다. 나아가 반사평면(132)은 영상점(162)과 동심이 되도록 설계된다. 이 구조의 결과로서 각 φ로 대상점으로부터 나오는 광선은 빔 스플리터에서 수용각 φ로 일정지점 P에 수용된다.설계에 의해 빛은 일반적인 수용각으로 표면(132)에 수용되고, 따라서 이러한 광선은 180도로 반사된다. 나아가 표면(132)으로부터 반사된 후, 빛은 빔 스플리터에서 수용각 φ로 동일지점 P에 수용된다. 빔 스플리터(150)에 의해 투과된 후 광선은 수용각 φ로 영상점에 수용된다.
위에서 상술한 바와 같이, 영상점에 수용된 빛은 빔 스플리터면에 의해 반사되고 투과된다. 따라서, 영상점(162)에 수용된 빛은에 비례하게 되고, 여기서 R 과는 T 각각 빔 스플리터(150)의 반사 및 투과 계수이다. 이들 계수는 일반적으로 수용각에 따라 달라진다. 현행 기술을 이용해서, 임의의 각에 대하여 빔 스플리터(150)가 이상적이 되도록 빔 스플리터(150)가 설계된다. 즉, 임의의 각에 대하여,이다. 수용각이과 다르기 때문에, 계수는 종종 비이상적인 빔 스플리터의 행태를 보여줄 것이다. 특히 행태는,그리고에 의해 이상적인 상태로부터 벗어난다(여기서). 영상점(162)에 수용된 광선은 도 1에서 보여주는 것처럼, 반사되고 투과되는데, 그리고나서가 된다. 따라서 비록 빔 스플리터가 일부 편차로 인해 이상적인 빔 스플리터로부터 벗어날 수 있다 하더라도, 비이상적인 행태가 단지에서 2차로 빛강도에 영향을 미칠 것이다.
나아가, 이 실시예는 회절이 제한된 대상점의 영상을 갖는다. 대상평면에 있는 다른 지점들은 회절이 제한되지 않을 수 있다 하더라도, 대상점에 동심인 평면원반이 존재하게 되고, 그 영상이 또한 같은 반경을 갖는 평면원반인 빔 스플리터(150)와 평행하게 된다.
요소(130)와 평면(132)은 많은 방법으로 만들어질 수 있다. 투과요소(130)와 반사평면(132)은 고체의 빛투과매체(예를 들어 용융실리카)로 만들어질 수 있다. 이 경우, 고체 빛투과매체는 한면은 빔 스플리터(150)의 형상에 매치되고, 다른 한면의 형상은 반사면(132)을 위한 바람직한 형상에 매치되는, 두개의 면을 가지도록 형성된다. 반사필름을 곡면에 알맞게 놓아둠으로써, 반사면(132)이 형성된다. 이것은 반사필름을 제조하는 종래 공지기술 중의 어느 하나를 이용함으로써 달성될 수 있다. 반사필름은 대상점(160)의 주변에까지 적용되지 않는다. 대신에 대상점 근처에 있는 표면이 광선으로 하여금 영상장치로 수용되도록 설계되어야 할 것이다. 예를 들어, 방사방지코팅이 대상점(160) 부근에 있는 표면(132)에 적용될 수 있다. 이러한 조리개는 대상점으로부터 광선이 영상장치로 수용되도록 허용한다.
또 다른 실시예에서 빛투과요소(130)는 진공일 수도 있고 빛을 투과시키는 가스나 액체로 채워질 수도 있다. 이러한 실시예에서, 반사면(132)은 기계적인 지지기질(mechanically supporting substrate) 위에 형성될 수 있으며, 그 외부표면은 내재적으로 반사적이든가(예를 들어 광택이 있는 금속표면) 아니면 반사필름을 이용하여 반사적으로 만들 수 있다. 나아가, 조리개는 빛이 영상장치에 수용될 수 있도록 대상점(160)의 주변에 형성된다.
다른 실시예에서, 반사면(132)은 비평활원(non-smooth) 및/또는 비연속면일 수 있다. 예를 들어, 반사면은 도 1의 표면(132)과 동일한 광학적 기능을 제공하기 위해 영상점(162)에 정확하게 동심이 되도록 배치된 죽 늘어선 편평한 반사면에 의해 형성될 수 있다. 나아가, 반사면(132)은 동심원형상(예를 들면 타원형이나 포물선)으로부터 편차를 가질 수 있다. 이러한 편차는 더 높은 차수의 수차를 수정하는데 유용할 수 있다.
장치(100)의 실시예에서, 요소(130)는 높은지수 물질(high-index material)이고 요소(130)와 빔 스플리터(150)는 영상장치의 개구수를 최대화하기 위하여 요소(130)가 대상점(160)과 접촉하도록 배치된다. 그러나 이것은 비제한적인 경우이고, 다른 실시예에서 대상점은 요소(130)와 접촉할 필요는 없다. 유사하게, 요소(140)는 영상점(160)과 접촉할 필요가 없다. 더구나, 다음에 언급될 실시예에서, 비록 실시예에 따라서는 개구수를 최대화하기 위해 이것이 더 바람직할 수 있지만, 대상점 및/또는 영상점은 영상장치의 요소와 접촉할 필요가 없다.
비록 어떠한 방식으로든지 발명에 제한을 가하려하지 않는다 하더라도, 이론상으로 영상장치(100)는 각각 굴절에 대한 반대 지수값을 가지는 한쌍의 평면요소들(예를 들어 한 요소는 양의 값 +n을 갖는 반면, 다른 요소는 음의 값 -n을 갖는다)에게 동일하게 기능을 한다는 것을 지적할 필요가 있다. 특히, 이와 같은 두 요소 사이의 인터페이스에서의 굴절은 대상점으로부터 발산되는 광선이 휘어지고 영상점에서 촛점을 맞추도록 한다. 이것은 스넬의 굴절에 관한 법칙(Snell's law of refraction)의 적용에 의해 보여질 수 있다. 이러한 굴곡과 촛점조절은 빔 스플리터(150)로부터의 초기반사와 반사면(132)에 의한 연이은 반사에 의해 장치(100)에서 효율적으로 이루어질 수 있다. 유사한 효과는 다음의 실시예에서도 나타난다.
영상장치장치(100)의 설계로부터, 초기에 빔 스플리터에 의해 투과된 빛들은 무시되고, 반사된 요소만이 이용된다는 것은 명확하다. 다른 영상장치는 최초에 투과된 요소가 이용되고 반사된 요소는 버려지도록 설계될 수 있다. 도 2를 참조하면, 반사영상분석장치(200)는 대상점(260), 영상점(262), 빔 스플리터(250), 곡반사면(242) 그리고 빛투과매체(230 및 240)를 포함한다. 도 2의 실시예에서는 반사면(242)이 빔 스플리터면에 의해 투과된 빛을 수용하도록 배치되는 반면, 도 1의 반사면은 빔 스플리터에 의해 반사된 빛을 수용한다는 것을 제외하면, 도 2의 실시예는 도 1의 그것과 유사하다. 장치(200)의 바람직한 실시예에서, 반사면(242)은 대상점(160)에 동심이 된다. 도 1의 실시예에 따른 경우처럼, 영상점(262)에 영상화된 입사광선의 강도는에 비례한다. 따라서 영상점의 빛강도 (image point light intensity)는 비이상적인 빔 스플리터의 행태로 인한 제1편차를 갖지 않는다. 나아가, 도 1에서 서술된 바와 같이, 표면(242)의 투명창 (transparent window)이나 조리개는 대상점(132)으로부터 나오는 빛이 영상점(262)으로 접근하는 것을 허용한다.
도 1 및 도 2의 실시예에서, 비록 대상점에서 굴절이 제한적이라 하더라도 , 대상점 주변의 점들은 그렇지 않을 수 있다. 이러한 점들은 일정한 수차를 겪을 수 있다. 이러한 수차는 굴절면을 도입함으로서 대상 평면의 대부분에 대해 바로잡아 질 수 있다. 도 3을 참조하면, 굴절영상장치(300)는 대상점(360), 영상점(362), 빔 스플리터(350), 곡반사면(332), 평오목볼록요소(330), 평오목요소(340) 및 평볼록렌즈(320 및 380)를 포함한다. 요소(320)의 표면(322)에 대한 공통의 곡률중심은 대상점(360)이다. 표면(344), 요소(330)의 표면(332), 및 요소(380)의 표면(382)에 대한 공통의 곡률중심은 영상점(362)이다. 요소(320) 및 요소(330)는 요소(320)의표면(322)의 곡률반경이 요소(330)의 표면(334)의 곡률반경과 정확하게 같도록 제조된다. 요소(340)와 요소(380)는 요소(340)의 표면(344)의 곡률반경이 요소(380)의 표면(382)의 곡률반경과 정확하게 같도록 제조된다.
표면들(322 및 344)은 바람직하게는 방사방지코팅으로 코팅된다.
장치(300)의 굴절면은 영상면(image field)에서의 수차를 줄이기 위해서 사용되는 추가적인 자유도(degree of freedom)를 제공한다. 특히 요소들(320,380, 340)의 굴절지수와 표면요소들(334,344,332)의 곡률반경 중 어느 하나는 그러한 수차를 줄이기 위해 다양화될 수 있다. 예를 들어, 광선추적방법(optical ray tracing method)은 그러한 변수들의 함수로 다양한 수차의 진폭을 계산하는데 이용될 수 있으며, 이러한 방식으로 수차를 최소화시키는 변수들의 특정값들이 발견될 수 있는 것이다.
이러한 최적화를 위해 배율, 영상면의 평면성, 개구수, 광흡수 및 다른 물질적인 한계와 같은 설계 기준들을 고려해 넣을 수 있다. 그 중에서도, 예를 들면, 장치(300)의 개구수는 요소(320)의 굴절지수와 비례한다. 따라서, 높은 지수물질의 사용으로 개구수는 향상될 수 있다.
더구나, 특정물질들이 이들 요소들을 위해 사용되어지기 때문에, 최적화는 요소들(320,330,340 및 380)에 대한 굴절지수를 고정시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 요소(380)나 요소(320)는 제외될 수 있다. 요소들(380 또는 320)은 가스, 액체 또는 진공으로 채우기 위해, 보이드(void)로 대체될 수 있다. 일부 실시예에서는 단지 하나의 굴절면이 사용될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 요소(380 또는 320)의 굴절지수는 인터페이스(322/334 또는 344/382)가 더 이상 굴절면이 되지 않도록 요소(330 및 340)의 지수에 매치된다. 보이드의 사용은 영상점이나 대상점으로의 접근을 가능하게 한다. 이러한 접근은, 예를 들면, 영상점 근처의 탐지기를 배치하는데 유용할 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 영상장치(100,200 및 300)에 대한 영상점에서의 빛강도는에 비례한다. 이성적인 상태에서 조차,일때, 가용 빛의 25%만이 영상점에 도달하게 된다. 도 4를 참조하면, 반사영상장치(400)는 대상점(460), 영상점(462), 빔 스플리터(450), 곡반사면(432), 곡반사면(442) 및 평볼록요소들(430 및 440)을 포함한다. 대상점(460)으로부터 나오는 광선이 다음과 같은 경로를 통해, 영상점(462)에 초점이 맞추어지도록 반사면(442)은 설계된다 : ⅰ)빛이 대상점으로부터 나온다; ⅱ)빔 스플리터에 의해 투과된다; ⅲ)표면(432)에 의해 반사된다; ⅳ)빔 스플리터(450)에 의해 반사된다; ⅴ)영상점(462)으로 수용된다. 바람직한 실시예에서, 이것은 곡표면(442)이 대상점(460)에 동심이 되도록 설계함으로써 달성된다. 유사하게 반사면(432)은 대상점으로부터 나오는 광선이 다음 경로에 의해 영상점(462)에서 초점이 맞춰지도록 설계된다: ⅰ)빛이 대상점으로부터 나온다; ⅱ)빔 스플리터에 의해 반사된다; ⅲ)표면(432)에 의해 반사된다; ⅳ)빔 스플리터(450)에 의해 투과된다; ⅴ)영상점(462)으로 수용된다. 바람직한 실시예에서, 이것은 곡표면(432)이 영상점(462)과 동심이 되도록 설계함으로써 달성될 수 있다.
도 4에 서술된 실시예에서는, 빔 스플리터로부터 최초로 반사되고 최초로 투과된 빔들(beam)이 사용된다. 빔은 빔 스플리터(450)에 의해 두개의 부분으로나누어 지는데, 표면(432 및 442)에 의해 각각 빔 스플리터의 같은 지점으로 재반사된다. 일반적으로, 상기 두개의 부분은 간섭법적으로 두개의 새로운 빔을 생산하기 위해 재조합된다. 하나의 빔은 영상점(462)으로 향하고, 다른 빔은 대상점(460)으로 향한다. 각각의 빔의 밀도는 표면(432 및 442)으로부터 반사되는 빔부분에 대한 광행로길이(optical path length)에서의 차이에 따라 다르다. 도 4는 두개의 광행로를 OPL1과 OPL2로 식별한다. 바람직한 실시예에서, 각 광선에 대응하는 부분에 대한 광행로길이는 두개의 빔이 구조적으로 모든 광에너지를 영상점으로 향하게 간섭하도록 매치된다. 따라서, 동심원곡표면(442 및 432)은 파장의 작은 부분내에서 일치하도록 배치되고 형성된다. 그럼에도 불구하고, 광행로길이가 정확하게 모든 광선에 매치되지 않는 경우에서 조차, 투과가 25%로 제한되는 초기 실시예에 대응하여 영상점까지의 투과는 강화될 수 있다.
매치되는 동심원곡면들(442 및 432)은 정밀한 표면을 가공하는 공지의 기술을 이용하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 반사면(432 및 442)의 마스터세트(master set)는 고도의 정확한 계측기술과 더불어 구표면(spherical surfaces)을 연마하는 고도의 정확한 기술을 이용하여 제작된다. 마스터세트로부터, 표면 복제(copies of surface)를 대량생산해 내기 위해 복제기술이 사용된다. 이러한 방법들은 공통적으로 회절격자를 생산해내기 위해 사용된다. 나아가, 그 결과구조에 불확실한 것이 있다면, 투과성이 강화된 복제들만을 유지하기 위해 시험이 행해질 것이다. 이러한 시험은 빛의 투과성(light transmission properties)측정 및 표면프로필측정(surface profile measurement)을 포함할 수 있다.
영상장치(300)에 대한 설명과 유사하게, 영상장치(400)의 대상점은 회절이 제한되지만, 대상점 주변의 점들은 수차에 의해 부정확하게 재생될 수 있다. 굴절면에 의해 대상점으로부터 바꾸어진 대상평면의 점들에 대하여, 이들의 수차를 정확하게 0으로 만드는 것이 가능하다. 도 5를 참조하면, 반사굴절영상장치(500)는 대상점(560), 영상점(562), 빔 스플리터(550), 곡반사면(532 및 542), 평오목볼록빛투과요소(plano-concave-convex light transmitting elements)(530 및 540) 및 평볼록요소들(520 및 580)을 포함한다. 요소(520)와 요소(530)는 요소(520) 표면(522)의 곡률반경이 정확하게 요소(530) 표면(534)의 곡률반경과 같도록 설계된다. 요소(540)와 요소(580)는 요소(540) 표면(544)의 곡률반경이 요소(580) 표면(582)의 곡률반경과 정확하게 같아지도록 설계된다. 바람직한 실시예에서, 요소(520) 표면(522), 요소(530) 표면(534), 및 요소(540) 표면(542)에 대한 공통 곡률중심은 대상점(560)이다. 나아가 바람직한 실시예에서, 요소(540)표면(544), 요소(530)표면(532) 및 요소(580) 표면(582)에 대한 공통 곡률중심은 영상점(562)이다. 표면들(522 및 544)은 바람직하게는 반사방지코팅에 의해 코팅된다. 나아가, 도 4의 영상장치(400)와 유사하게, 표면들(542 및 532)은 빔 스플리터(550)에 의해 갈라진 광선들이 빔 스플리터(550) 위의 공통점에서 재조합되고, 영상점(562)에 대한 빛투과가 구조적으로 강화되도록 제조된다.
어떤 실시예에서, 요소(580)는 공기(air)로 구성된다. 이것은 CCD의 것과 같이 광감지장치가 영상점 근처에 쉽게 배치되도록 허용한다. 굴절면(522,534 및544)의 곡률반경(r522, r534및 r544)은 어느 정도의 수차를 최소화하기 위해 선택된다. 곡률반경에 제한이 가해지지 않은 예는, r532와 r542가 각각 평면들(532 및 542)의 곡률반경일 때, r532= r542= 50㎜인 굴절물질의 각기 다른 조합에 대하여 표1에서 보여지고 있다. 여기서는 요소(580)가 공기로 채워진 것으로 가정한다. 표1에 열거된 굴절물질의 조합을 사용하는 장치를 통하여, 기하학적인 광선 추적의 결과는 제1실시예에 의해서 형성된 영상이 요소(520)의 굴절지수의 0.77배와 같은 대상공간의 개구수를 가지고서 0.5㎜대상필드(object filed)에 대하여, 회절이 제한된다는 것을 보여준다.
표 1
렌즈 520 요소530, 540 n520(633㎚) n530,n540(633㎚) r522, r534(㎜) r544(㎜)
GaPa 용융실리카 3.3079 1.4570 8.467 17.500
BSOb 용융실리카 2.5500 1.4570 5.551 12.270
YSZc 용융실리카 2.1517 1.4570 3.000 6.720
YAGd 용융실리카 1.8328 1.4570 2.997 16.303
aGaP : 인화칼륨(Gallium phosphide)
bBSO : 비스무트 규소 산화물(Bismuth silicon oxide), Bi12SiO20
cYSZ : 이테르븀 고체 지르코니아(Ytterbium stabilized zirconia),
ZrO2:12%Y2O3
dYAG : 이트륨 알루미늄 가닛 (Yttrium aluminum garnet), Y3Al5O12
여기서 n520, n530, n540은 각각 요소들(520, 530 및 540)의 굴절지수이다.
도 6을 참조하면, 반사굴절영상장치(600)는 대상점(660), 영상점(662), 빔 스플리터(650), 곡반사면(632 및 642), 평오목볼록빛투과요소들(630 및 640), 평볼록요소들(620 및 680) 및 광축들(603 및 605)을 포함한다. 광축(603)은 대상점(660)과 구표면중심(642) 사이의 축이다. 광축(605)은 영상점(662)과 곡반사면중심(632) 사이의 축이다. 이 실시예는 영상장치(500)의 실시예와 유사하다. 주된 차이점은 도 5에서의 대응되는 광축이 동연적(coextensive)이라는 것이다. 영상장치(600)에 있어서, 광축들은 0도가 아닌 각도에서 교차한다. (도 6은 광축이 거의 직각인 것을 보여주지만 이것이 제한된 예는 아니다; 다른 교차각도 가능하다.) 축 사이의 교차각이 0보다 큰 경우, 이 실시예의 상세한 설명은 영상장치(500)의 상세한 설명에서 각 요소들의 숫자에 100을 더한다는 것을 제외하고는 동일하다. 비록 영상장치(600)가 영상장치(500)와 유사하다 하더라도, 영상장치(600)의 비동연적인 광축(non coextensive optical axes)은 유사한 경향으로 영상장치들(100, 200, 300 및 400)에 적용될 수도 있다.
영상사스템(600)은 더 이상 평행하지 않은 대상평면과 영상평면을 가지고 있다. 그것들은 광축들(603 및 605) 사이의 각과 동일한 각이다. 일부 실시예에서 이것은 장점일 수 있다. 나아가, 중심광선(광축들에 동시에 입사되는 광선)의 입사각은 더 이상 90도가 아니다(장치 100-500에서 처럼). 도 6에서 보여지는 바와 같이, 중심광선의 입사각은 약 45도이다. 앞서 언급된 바와 같이, 빔 스플리터에 대한 입사각은 빔 스플리터의 작동에 영행을 준다. 따라서, 광축들 사이의 각은 전반적인 영상장치의 작동에 영향을 미치게 되고, 이러한 광축들 사이의 각은 설계 및 빔 스플리터의 최적화에 영향을 미치는 설계요소가 된다. 나아가, 영상장치(600)에서 중심광선은 굴절요소들(620 또는 680)에 의해 모호하게 되지 않는다.
위에서 언급된 영상장치들 중 어느 것이라도 합성영상장치을 형성하기 위해 연계될 수 있다. 도 7을 참조하면. 합성반사굴절영상장치(700)는 영상점(762), 대상점(760), 반사굴절영상부장치들(catadioptric imaging subsystems)(720 및 740)을 포함한다. 부장치(720)의 영상점은 부장치(740)의 대상점과 일치하도록 세팅된다. 반사굴절영상부장치(720)는 반사굴절영상장치(500)와 유사하고, 반사굴절부장치(740)는 반사굴절영상장치(600)와 유사하다. 추가적인 실시예는 다른 치환을 포함한다. 예를 들어, 도 8을 참조하면, 합성반사굴절영상장치(800)는 영상점(862), 대상점(860)과 반사굴절영상부장치들(820 및 840)을 포함한다. 두개의 영상부장치들은 영상장치(500)와 유사하다. 도 9를 참조하면, 합성반사굴절영상장치(900)는 영상점(962), 대상점(960) 및 반사굴절영상부장치(920 및 940)를 포함한다. 두개의 영상부장치들은 영상장치(500)와 유사하데, 여기서 첫번째 부장치의 유사한 요소(580)는 두번째 장치의 요소(520)와 동일하다. 영상장치(900)의 배율은 첫번째 부장치의 요소(580)의 굴절지수에 의존하는 값이다. 게다가, 영상점(962)과대상점(960)은 모두 접근이 가능하다. 예를 들어, 시험단계에서 대상점(960)에 접근하는 것을 허용하거나 광탐지기가 영상점(962)에 접근하는 것을 허용하게 하는 것은 유용할 수 있다. 다른 실시예들은 두 개 이상의 영상장치(100 에서 900)들이 상호 연계되도록 치환되는 것을 포함한다.
본 발명의 많은 실시예가 언급되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정들이 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않고서도 이루어질 수 있다. 따라서, 다른 실시예들이 다음 청구항에서 서술된다.

Claims (28)

  1. 영상점(image point)에 대상점(object point)을 비추기 위한 영상장치로서,
    상기 대상점으로부터 나온 광선들을 수용하고 투과부와 반사부로 각 광선을 분리시키기 위해 배치된 빔 스플리터(beam splitter)로서, 상기 투과부는 제1광선세트로 정의되고 상기 반사부는 제2광선세트로 정의되는 빔 스플리터; 및
    상기 빔 스플리터로부터 나오는 광선세트 중 하나를 수용하고 상기 빔 스플리터를 통해 상기 영상점으로 상기 광선세트를 초점 맞추기 위해 배치된 반사면을 포함하는 영상장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 제1광선세트를 수용하고 상기 빔 스플리터로 다시 반사시키기 위해 배치되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사면으로부터 수용된 각 광선의 적어도 일부분을 상기 영상점으로 반사시키기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 대상점과 정확하게 동심(concentric)인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 제2광선세트를 수용하고 상기 빔 스플리터로 다시 반사시키기 위해 배치되며, 상기 빔 스플리터는 상기 반사면으로부터 수용된 각 광선의 적어도 어느 일부분을 상기 영상점까지 투과시키기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반사면은 상기 영상점과 정확하게 동심인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사면을 한정하는 내부표면을 갖는 제1렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1렌즈의 내부표면은 곡면인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1렌즈는 상기 내부표면에 대향하여 편평한 평면을 갖고, 상기 빔 스플리터는 상기 편평한 평면에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 대상점과 상기 영상점 중 하나에 인접해 있는 플라노(plano)면을 가진 평볼록렌즈(plano-convex optic) 및 상기 제1렌즈에 접촉해 있는 볼록면을 포함하며, 상기 평볼록렌즈와 상기 제1렌즈 사이의 인터페이스(interface)는 굴절면을 한정하는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 제1렌즈에 인접해 있는 제2렌즈를 더 포함하며, 상기 빔 스플리터는 상기 제1 및 상기 제2 반사렌즈 사이의 인터페이스에 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 대상점과 상기 영상점 중 하나에 인접해 있는 플라노면을 가진 평볼록렌즈 및 상기 제2렌즈에 접촉해 있는 볼록면을 포함하며, 상기 평볼록렌즈와 상기 제2렌즈 사이의 인터페이스는 굴절면을 한정하는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 대상점과 상기 영상점 중 다른 하나에 인접해 있는 플라노면을 구비한 또 다른 평볼록렌즈 및 상기 제1렌즈에 접촉해 있는 볼록면을 더 포함하며, 상기평볼록렌즈와 상기 제1렌즈 사이의 인터페이스는 또 다른 굴절면을 한정하는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2렌즈는 광학적 평면인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2렌즈는 제2 반사면을 한정하는 내부표면을 갖고, 상기 제1반사면은 상기 제1광선세트를 수용하도록 배치되고 상기 제2반사면은 상기 제2광선세트를 수용하고 상기 빔 스플리터를 통해 상기 영상점으로 상기 제2광선세트를 초점 맞추기 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 빔 스플리터는 상기 제1반사면으로부터 수용된 상기 제1광선세트 및 상기 제2반사면으로부터 수용된 상기 제2광선세트를 간섭법으로 (interfero-metrically) 재조합하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제1반사면은 상기 대상점과 동심이고 상기 제2반사면은 상기 영상점과 동심인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 대상점으로부터 나오는 광선을 수용하기 위해서 상기 대상점과 상기 빔 스플리터 사이에 배치된 굴절면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 굴절면은 상기 대상점과 정확하게 동심인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 반사면에 의해 초점이 맞춰진 광선을 수용하기 위해서 상기 빔 스플리터와 상기 영상점 사이에 배치된 굴절면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 굴절면은 상기 영상점과 정확하게 동심인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  21. 제2항에 있어서,
    상기 반사면의 중심은 상기 대상점으로서 대상의 광축을 한정하고, 상기 빔스플리터는 상기 대상의 광축과 정확하게 직각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  22. 제2항에 있어서,
    상기 반사면의 중심은 상기 대상점으로서 대상의 광축을 한정하고, 상기 빔 스플리터는 상기 대상의 광축에 예각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 예각은 정확하게 45도와 같은 각인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  24. 제4항에 있어서,
    상기 반사면의 중심은 상기 영상점으로 영상의 광축을 한정하고, 상기 빔 스플리터는 상기 영상의 광축과 정확하게 직각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  25. 제4항에 있어서,
    상기 반사면의 중심은 상기 영상점으로 영상의 광축을 한정하고, 상기 빔 스플리터는 상기 영상의 광축에 예각으로 배치되는 것을 특징으로 하는 영상장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 예각은 정확하게 45도와 같은 각인 것을 특징으로 하는 영상장치.
  27. 영상장치로서,
    제1영상점에 대상점을 비추기 위한 제1항의 영상장치; 및
    제2영상점에 상기 제1영상점을 비추기 위한 제2영상장치로서,
    상기 제1영상점으로부터 나오는 광선들을 수용하고 제1광선세트로 정의되는 투과부와 제2광선세트로 정의되는 반사부로 상기 광선들을 분리하기 위해 배치되는 제2 빔 스플리터, 및
    상기 제2 빔 스플리터로부터 광선세트들 중의 하나를 수용하고 상기 제2 빔 스플리터를 경유하여 상기 제2 영상점으로 상기 광선세트를 초점 맞추기 위해 배치되는 제2반사면을 포함하는 제2영상장치를 포함하는 영상장치.
  28. 영상점에 대상점을 비추기 위한 영상방법으로서,
    상기 대상점으로부터 광선을 수용하고 투과부와 반사부로 상기 각 광선을 분리하는 단계로서, 상기 투과부는 제1광선세트로 정의되고 상기 반사부는 제2광선세트로 정의되는 단계; 및
    상기 빔 스플리터로부터 광선세트들 중의 하나를 수용하고 상기 빔 스플리터를 통해 상기 영상점에 상기 광선세트들을 초점 맞추기 위해 상기 광선 세트를 반사하는 단계를 포함하는 영상방법.
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