KR20050044548A - 경량 레이저 조준기 레인저 ｆｌｉｒ 광학 장치 - Google Patents

경량 레이저 조준기 레인저 ｆｌｉｒ 광학 장치 Download PDF

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Abstract

중간 제품 FLIR 영상 광학 장치(100)는 좁은 시야 및 넓은 시야 모두를 가진다. 영상 광학 장치(100)는 레이저 조준기 스폿 이미지가 좁은 시야의 FLIR 이미지 상에 중첩되는 시 스폿 작동 모드를 가진다. 레이저 레인지 파인더(108) 수용 경로가 또한 제공된다. 공유되는 구경(112)은 입사 방사선(110)을 수집하고, 복수의 광학 유효면(116)에 의한 조정 후, 방사선을 검출기(118)로 투영시킨다. 영상 광학 시스템(100)은 경량의 소형이며 FLIR 에너지 및 좁은 대역의 레이저 에너지를 효과적으로 투과시켜서 관심 가는 통과 대역 외측 소스에 기인한 신호는 영상 광학 장치(100)의 작동에 악영향을 미치지 않게 한다.

Description

경량 레이저 조준기 레인저 ＦＬＩＲ 광학 장치 {LIGHTWEIGHT LASER DESIGNATOR RANGER FLIR OPTICS}
본 발명은 일반적으로 상(imagery)을 모으기 위한 광학 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 상기 장치는 다중 광학 시스템을 갖는 전방 감시 적외선(FLIR) 장치에 관한 것이다.
전방 감시 적외선(FLIR) 영상 시스템은 공지되어 있다. 이러한 시스템은 그 개시 내용이 그대로 본원에 참조로서 관련되어 있는 미국 특허 제5,155,096호에 개시된 바와 같은, 추적(tracking)을 향상하기 위해 레이저 빔으로 표적(target)을 조사하는 레이저 조준기로 사용될 수 있다. 더욱이, FLIR 영상 시스템은 그 개시 내용이 그대로 본원에 참조로서 관련되어 있는 미국 특허 제5,900,620호 및 제5,918,305호에 개시된 바와 같은, 표적 제거(target kill) 가능성을 향상시키기 위해 표적의 소정 영역 상의 특정 "명중점(hit spot)"을 조사하여 검출하기 위한 레이저 및 관련 검출 체계를 채용할 수 있다. 통상적으로, 군용 항공기의 FLIR 영상 시스템은, 그 개시 내용이 그대로 본원에 참조로서 관련되어 있는 미국 특허 제5,418,364호, 제5,005,083호, 제5,049,740호, 제5,933,272호 및 제5,936,771호에 개시된 바와 같은, 조종을 위한 넓은 시야(wide field of view: WFOV)를 제공하기 위한 광학 장치 및 표적화를 위한 좁은 시야(narrow field of view: NFOV)를 제공하기 위한 광학 장치를 포함한다.
일반적으로, FLIR 시스템 및 레이저 조준기는, FLIR 광학 장치가 통상적으로 레이저 조준기의 파장을 투과시키지 않고 또는 FLIR 검출기가 레이저 조준기의 파장에 응답하지 않기 때문에 개별 모듈이다. 이러한 시스템에서, FLIR 시스템 및 레이저 조준기 시스템은 레이저 조준기가 표적을 정확하게 조사하는 것을 보장하도록 영점 조정(boresighted)되어야 한다. 영점 조정은 통상적으로, 레이저 조준기로부터의 방사(emission)의 일부가 2개의 시스템을 정렬하기 위해 FLIR 시스템에 의해 영상화될 수 있는 열 에너지로 변환되도록 레이저 조준기와 FLIR 시스템의 구경(aperture)을 가교하는 광학 장치(영점 조정 도구)를 사용하여 성취된다.
그러나, 개별 모듈로서 설계된 FLIR 및 레이저 조준기 시스템의 상대 정렬(가시선)은 진동, 온도 변화 및 다른 환경 조건에 기인하여 통상적으로 변화될 수 있다. 따라서, 이러한 시스템에서의 반복적인 영점 조정이 필요하다. 이러한 영점 조정이 토마스 등에 허여된 미국 특허 제4,155,096호에 설명된 바와 같이 수동 또는 자동으로 성취되던 간에, 영점 조정 도구는 전체 FLIR/레이저-조준기 시스템의 복잡성, 중량 및 비용을 증가시킨다.
미국 특허 제5,900,620호는 표적으로부터의 방사선을 수용하고 표적 상으로 입사하는 반사된 레이저 빔을 수용하는 광학 장치가 개시되어 있다. 상기 특허에 기재된 시스템은 부분 공통 광축을 따라 소정의 광학 부품을 부분적으로 공유한다. 그러나, 상기 특허의 시스템은 또한 편광을 변화시키고 표적 방사선 및 반사된 레이저 방사선을 개별 검출기로 지향시키기 위해 상이한 광축을 따라 배치된 개별 광학 부품을 포함한다. 따라서, 미국 특허 제5,900,620호에 개시된 시스템은 상술한 바와 유사한 정확한 영점 조정을 필요로 하는 정렬 문제점으로 어려움을 겪을 가능성을 갖는다. 더욱이, 상기 특허의 시스템은 상술한 기능을 위한 개별 검출기를 이용함으로써, 상술한 기능을 위한 단일 검출기를 이용하는 시스템과 비교할 때 더 높은 동력 요구 및 부가의 복잡성을 갖는다.
도1은 영상 광학 장치의 제1 실시예의 에너지의 선 자취(line trace)의 개략도이다.
도2는 좁은 시야 광학 조립체의 실시예의 에너지의 선 자취의 개략도이다.
도3은 시 스폿(See Spot) 광학 조립체의 실시예의 에너지의 선 자취의 개략도이다.
도4는 레인지 파인더(range finder) 광학 조립체의 실시예의 에너지의 선 자취의 개략도이다.
도5는 넓은 시야 광학 조립체의 실시예의 에너지의 선 자취의 개략도이다.
본 발명은 FLIR 및 레이저 조준기 광학 시스템을 조합하는 영상 광학 장치에 관한 것이다. 예시적인 실시예는 중량, 시스템 복잡성 및 비용을 감소시키도록, 검출기를 포함하는 부품의 수를 최소화한다. 본 발명은 이들 및 다른 목적을 성취하는 광학 상을 모으기 위한 영상 광학 장치 및 방법을 제공한다.
예시적인 실시예에서, 영상 광학 장치는 제1 검출기와, 표적으로부터 방사된 입사 방사선의 적어도 제1 부분을 제1 검출기 상에 투영하기 위한 제1 시야를 갖는 제1 광학 시스템과, 입사 방사선의 적어도 제2 부분을 제1 검출기 상에 투영하기 위한, 제1 시야보다 좁은 제2 시야를 갖는 제2 광학 시스템과, 표적으로부터 반사된 방사선을 수용하도록 구성되고, 반사된 방사선을 제1 검출기 상에 투영하도록 제2 광학 시스템과 함께 작동 가능한 제3 광학 시스템을 갖는다. 제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경 및 광축을 공유하고, 입사 방사선의 제1 부분 및 제2 부분은 제1 검출기에 위치된 일치 초점면을 갖는다. 제1 및 제2 구경과 제1 검출기 사이의 제1 및 제2 광학 시스템의 광로에 위치된 절첩 미러(fold mirror)는 입사 방사선의 제1 부분 또는 입사 방사선 및 반사 방사선의 제2 부분을 제1 검출기로 선택적으로 지향시킨다.
부가의 예시적인 실시예는 표적을 향해 사정 레이저(ranging laser)에 의해 방사되어 표적으로부터 반사된 제3 파장 범위의 방사선을 수용하도록 구성된 제4 광학 시스템을 더 포함한다. 제4 광학 시스템은 제2 및 제3 광학 시스템과 입구 구경을 공유한다.
부가의 예시적인 실시예는 제2 검출기를 더 포함하고, 제2 검출기는 제4 광학 시스템으로부터의 방사선만을 수용한다.
영상 광학 장치의 예시적인 실시예는 굴절 및 반사 광학 유효면(significant surface) 모두를 이용하는 반사 굴절(catadioptric) 광학 시스템이다. 부가적으로, 제2 광학 시스템은 협대역 필터를 갖는 하나 이상의 반사 굴절 광학 유효면을 포함하는 좁은 시야(NFOV) 광학 시스템이다.
표적으로부터 상을 모으는 예시적인 방법에서, 제1 파장 범위에서 표적으로부터 방사된 방사선은 넓은 시야(WFOV) 이미지를 제1 검출기에 투영하는 WFOV를 갖는 제1 광학 시스템과 좁은 시야(NFOV) 이미지를 제1 검출기에 투영하는 NFOV를 갖는 제2 광학 시스템을 사용하여 수용된다. 제2 파장 범위 내의 방사선은 제3 광학 시스템을 사용하여 수용되어 제1 레이저 이미지로서 제1 검출기 상으로 투영된다. 제2 파장 범위의 방사선은 제1 레이저로부터 표적을 향해 방사되고 표적에 의해 반사된다. 제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경을 공유하고, NFOV 이미지 및 제1 레이저 이미지는 제1 검출기 상에 동시에 투영될 수 있다.
상을 모으는 부가의 예시적인 방법은 제4 광학 시스템을 사용하여 제3 파장 범위의 방사선을 수용하는 단계를 더 포함한다. 제3 파장 범위는 제2 레이저로부터 표적을 향해 방사되고 표적에 의해 반사된다. 제4 광학 시스템은 제2 레이저 이미지를 제2 검출기 상에 투영한다.
영상 광학 장치를 구성하는 예시적인 방법에서, 제1 검출기, 제1 광학 시스템, 제2 광학 시스템 및 제3 광학 시스템이 제공된다. 제1 광학 시스템은 넓은 시야(WFOV)를 갖고, 제1 파장 범위에서 표적으로부터 방사된 방사선을 수용하도록 구성되고, WFOV 이미지를 제1 검출기 상에 투영하도록 선택 가능하다. 제2 광학 시스템은 좁은 시야(WFOV)를 갖고, 제1 파장 범위에서 표적으로부터 방사된 방사선을 수용하도록 구성되고, NFOV 이미지를 제1 검출기 상에 투영하도록 선택 가능하다. 제3 광학 시스템은 제2 파장 범위에서 방사선을 수용하도록 구성되고 제1 레이저 이미지를 제1 검출기 상에 투영하도록 제2 광학 시스템과 함께 작동 가능하다. 제2 파장 범위는 표적을 향해 제1 레이저에 의해 방사되어 표적으로부터 반사된다. 제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경을 공유하고, NFOV 이미지 및 조준기 이미지는 제1 검출기 상에 동시에 투영될 수 있다.
표적으로부터 상을 모으는 부가의 예시적인 방법은 제4 광학 시스템을 사용하여 제3 파장 범위에서 방사선을 수용하는 단계를 더 포함한다. 제3 파장 범위는 제2 레이저로부터 표적을 향해 방사되고 표적에 의해 반사된다. 제4 광학 시스템은 제2 레이저 이미지를 제2 검출기 상에 투영한다.
본 발명의 목적 및 장점은 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 나타내는 첨부 도면과 관련하여 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도1은 4개의 조립체를 갖는 영상 광학 장치(100)의 제1 실시예의 에너지의 조합된 선 자취의 개략도이다. NFOV FLIR 광학 조립체(102) 및 WFOV FLIR 광학 조립체(104)는 물체의 열 기호(thermal signature)를 영상화한다. 시 스폿 광학 조립체(106)는 NFOV FLIR 이미지 상에 레이저 스폿 이미지를 중첩하고 영상화된 물체 상의 명중점을 선택하는데 사용될 수 있다. "시 스폿"은 동일한 초점면 상에 레이저 스폿을 이미지(예를 들면, 3-5 마이크로미터의 이미지)로 영상화하고 양 이미지를 조작자에게 동시에 표시하는 능력을 설명하기 위해 고안된 용어이다. 레인지 파인더 광학 조립체(108)는 레이저 에너지를 수집하고 레인지 수신기 모듈에 에너지를 영상화한다.
도시된 영상 장치에서, 입사 에너지(110)는 복수의 광학 유효면(116)에 의해 조작된 제1 구경(112) 및 제2 구경(114) 모두에서 수집되고, 4개의 조립체 중 3개로부터의 이미지는 하나의 검출기(118) 상에 투영된다. 본원에 사용될 때, 광학 유효면은 에너지의 소정의 파장 및 에너지의 파면(wavefront)의 형상을 투과하고, 반사하고, 또는 조작하는 임의의 표면 프로파일이다. 광학 유효면의 예는 편평면, 구면, 비구면, 표면 릴리프 홀로그래픽 회절 격자(holographic grating) [키노폼(kinoform)] 및 코팅 또는 미코팅 표면을 포함한다.
도1의 예시적인 실시예에서, 입사 에너지(110)는 제1 구경(112)에 의해 수집되고, 입사 방사선(110)의 적어도 일부를 제1 검출기(118) 상에 투영하도록 시 스폿 광학 조립체(106) 및 좁은 시야(NFOV) 광학 조립체(102)의 복수의 광학 유효면(116)에 의해 조작된다. 제1 구경(112)에 의해 수집된 입사 에너지(110)의 적어도 일부는 입사 방사선(110)의 적어도 일부를 제2 검출기(118) 상에 투영하도록 레인지 파인더 광학 조립체(108)의 복수의 광학 유효면(116)에 의해 조작된다. 부가적으로, 제2 구경(114)에 의해 수집된 입사 에너지(110)는 입사 방사선(110)의 적어도 일부를 제1 검출기(118) 상에 투영하도록 넓은 시야(WFOV) 광학 조립체(104)의 복수의 광학 유효면(116)에 의해 조작된다.
도1에 도시된 예시적인 실시예에서, 4개의 조립체 중 3개는 공통 구경을 공유한다. 구체적으로, NFOV FLIR, 시 스폿 및 레인지 파인더 구경은 제1 구경(112)으로 조합되어 있다. WFOV FLIR 조립체는 개별의 제2 구경(114)을 갖는다. 영상 광학 장치(100)의 WFOV FLIR 시야는 NFOV 경로 내로 절첩 미러를 삽입함으로써 선택된다.
도2는 에너지의 선 자취의 개략도를 도시하는 좁은 시야(NFOV) 광학 조립체(200)의 예시적인 실시예이다. 입사 방사선(202)은 1차 미러(204)에 이어서 2차 미러(206)와 순차적으로 상호 작용한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 1차 미러(204)는 비구면이고 2차 미러(206)는 비구면이다. 입사 열 방사선은 소정의 FLIR 파장을 반사하는 코팅(212)에 의해 1차 미러(204)의 제1 표면(208) 및 2차 미러(206)의 제1 표면(210)에서 반사된다. 부가적으로, 코팅은 소정의 FLIR 범위 내에 있지 않은 파장을 투과시킬 수 있다.
광로의 제2 미러(206)에 이어서, 입사 방사선(202)은 릴레이 광학 부조립체(214)로 진입하고, 입사 방사선을 조작하고 초점 거리에서 에너지의 파면을 제1 검출기(218) 상에 투영하는 일련의 광학 유효면(216)과 상호 작용한다. 도2에 도시된 예시적인 실시예에서, 릴레이 광학 부조립체(214)는 일련의 5개의 광학 유효면을 갖는다. 제1 릴레이 렌즈(220) 및 제2 릴레이 렌즈(222)는 제2 미러(206)로부터 입사 방사선(202)을 순차적으로 수용하고 이를 제1 릴레이 비구면 렌즈(224) 및 제2 릴레이 비구면 렌즈(226)에 이어서 릴레이 출구 렌즈(228)를 통해 투과한다. 제1 릴레이 렌즈(220)는 제1 표면(23) 상에 코팅되어, 소정의 FLIR 및 시 스폿 파장이 투과될 수 있게 한다. 입사 방사선(202)은 고온 필터(warm filter)(232) 및 저온 필터(234)를 통과하고 초점 거리에 위치된 제1 검출기(218) 상에 투영된다. 고온 필터(232) 및 저온 필터(234) 모두는 시스템 내의 노이즈 감소를 지원하고, 저온 필터(234)는 그의 위치로부터 장치의 저온 공간의 내부에 있고, 고온 필터(232)는 그의 위치로부터 저온 공간의 외부에 있다.
작동시에, NFOV 조립체(200)는, 이후에 릴레이 광학 부조립체(214)에 의해 제1 검출기(218)로 릴레이되는 수용된 입사 FLIR 에너지로부터 중간 이미지를 형성한다. 예시적인 실시예에서, FLIR 에너지는 시야(FOV) 내의 물체의 열 기호로부터 3.5 내지 5㎛ 정도 수동적으로 수용된다. FLIR 에너지는 1차 미러(204)의 제1 표면(208) 및 2차 미러(206)의 제1 표면(210)에서 순차적으로 반사되어 중간 이미지를 형성한다. 2차 미러(206)에 의해 발생된 암흑화(obscuration)는 2차 미러(206) 상에 구경 조리개(aperture stop)를 영상화하기 위해 릴레이 광학 부조립체(214)를 배치함으로써 최소화된다.
예시적인 실시예에 따르면, 시스템 시야 내의 임의의 위치에서의 고에너지원의 중간 이미지는 임의의 코팅 또는 렌즈 기질(substrate)을 손상시키지 않을 것이다.
도3은 에너지의 선 자취의 개략도를 도시하는 시 스폿 광학 조립체(300)의 예시적인 실시예이다. 입사 에너지(302)는 영상 광학 장치의 제1 구경을 통해 진입하고, 1차 미러(304)에 의해 파장에 따라 반사 및/또는 굴절되고, 2개의 요소, 즉 제1 요소(308) 및 제2 요소(310)를 갖는 2차 미러(306)에 의해 파장에 따라 반사 및/또는 굴절된다.
예시적인 실시예에서, 후방면에 적층된 주름형 필터(rugate filter)를 갖는 단일의 1차 미러가 1차 미러에 입사되는 에너지 내에 포함된 레이저 에너지만을 반사하도록 사용될 수 있다. 대안적으로, 1차 미러는 분할형 1차 미러일 수 있다. 예를 들면, 1차 미러는, 예를 들어 협대역 코팅이 내부 또는 접합면 상에 적층되고 단일의 반사기가 후방면에 적층된 상태로 함께 연결된(예를 들어, 접합제로 접합된) 2개의 요소로 분할될 수 있다.
예시적인 실시예의 분할형 1차 미러(304) 및 2차 미러(306)는 맨진 미러(Mangin mirror)이다. 일반적으로, 맨진 미러는 소정 파장 이외의 파장을 차단하면서 소정 파장(λ)의 에너지가 광학 요소의 후방면을 통해 투과되어 반사될 수 있게 한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 1차 미러(304) 및 2차 미러(306) 모두는, 다른 파장 중에서도 시 스폿 파장(즉, 도시된 예에서, 1.064㎛)의 투과를 허용하면서 FLIR 열 에너지 및 레인지 파인더 파장(즉, 도시된 예에서, 각각 3.5 내지 5.1㎛ 및 1.58㎛)을 반사하는 각각의 제1 표면(316, 318) 상의 코팅(312, 314)을 갖는다. 투과된 시 스폿 파장은 코팅(312, 314)에 의해 투과되고, 1차 미러(304)의 제2 표면(320) 및 2차 미러(306)의 제2 요소(310)에서 반사된다. 예를 들면, 단지 시 스폿 파장만이 2차 미러의 2개의 요소를 통해 재반사되어, 릴레이 광학 부조립체(324)로 진입하는 중간 이미지를 생성한다. 여기서, 2-요소 2차 미러는, 이미지가 축으로부터 벗어남에 따라 영점 조정 가능한 범위 내에서 각각의 조립체의 이미지의 크기가 화소마다 정합되도록 FLIR 및 시 스폿 광학 조립체의 초점 길이를 정합하는데 사용된다. 2차 미러(306)의 2개의 요소(308, 310)는 반경 방향 중심선에 실질적으로 위치된 구경(326)을 갖는다.
부가적으로, 1차 미러(304)는 협대역 필터(328)가 접합면(330)에 배치된 상태로 접합된 2중 렌즈(cemented doublet)로 분할된다. 협대역 필터(328)는 시 스폿 광학 조립체와 관련된 소정 파장으로 선택되고 코팅(312)에 의해 투과된 입사 방사선이 레이저 파장으로 제한될 수 있게 한다. 예시적인 실시예에서, 소정 시 스폿 파장은 1.064㎛이고, 대역 통과 필터는 15nm의 대역폭이다. 부가적으로, 1차 미러(304)의 매립면 상의 곡선은 매립면으로부터 반사된 임의의 에너지가 제1 검출기(332)에 도달하지 않도록 선택된다. 1차 미러(304)의 제2 표면(320)으로 투과된 방사선은 은 도금 표면에서 반사되고 협대역 필터(328)를 통해 2회 통과된다. 이 프로세스는 시 스폿 파장의 2중 필터링을 유도한다. 대안적인 실시예에서, 협대역 반사 코팅(주름형 필터라 칭함)이 접합면 대신에 맨진 1차 미러의 후방면 상에 사용될 수 있다.
릴레이 광학 부조립체(324)는 NFOV 광학 조립체 및 시 스폿 광학 조립체 (300) 모두에 공통된다. 릴레이 광학 부조립체(324)의 5개의 광학 유효면(334)에 의해 투과된 후에, 입사 에너지(302)는 고온 필터(336) 및 저온 필터(338)를 통해 투과되고 초점 거리에서 제1 검출기(332) 상에 투영된다.
도4는 에너지의 선 자취의 개략도를 도시한 레인지 광학 조립체(400)의 예시적인 실시예이다. 제1 구경에 의해 수집된 입사 방사선(402)은 1차 미러(406)의 제1 표면(404) 및 2차 미러(410)의 제1 표면(408)에서 순차적으로 반사되어 중간 이미지를 형성한다. 릴레이 광학 부조립체(414)의 제1 표면(412)은 시 스폿 조립체의 레이저 파장 및 NFOV 조립체의 FLIR 파장도 투과시키면서 레인지 파인더 광합 조립체(400)에 의해 처리된 소정 레인지 파인더 파장을 반사시키도록 코팅된다. 릴레이 광학 부조립체(414)의 제1 표면(412)은 제3 미러처럼 작동하여, 중간 이미지를 제2 미러(410)의 반경 방향 중심에서 개구 내부에 위치된 미러(416)로 반사시킨다. 미러(416)는 광로를 렌즈(418)가 입사 에너지(402)를 조준시키는 측으로 절첩시키는 반사면이고 두 개의 절첩 미러(422, 424)는 광로를 영상 렌즈(426) 및 제2 검출기(428)로 순차적으로 절첩시킨다. 도4에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 레인지 파인더 광학 조립체(400)는 1.57㎛ 파장에서 입사 방사선(402)을 조정한다.
도5는 에너지의 선 자취의 개략도를 도시한 넓은 시야(WFOV) 광학 조립체(500)의 예시적인 실시예이다. 제2 구경에서 수집된 입사 방사선(502)은 이미지를 초점면에서 제1 검출기(506) 상에 투영시키도록 일련의 광학 유효면(504)에 의해 조작된다. 제1 렌즈(508)는 입사 방사선(502)을 직접적으로 수용하여 제2 렌즈(510)로 투과시킨다. 제2 렌즈(510)는 제3 렌즈(512)로, 이어서 순차적으로 절첩 미러(514) 및 WFOV 릴레이 광학 부조립체(516)에 의해 에너지를 투과시키는 비구면이다.
WFOV 릴레이 광학 부조립체(516)는 NFOV 조립체의 릴레이 광학 부조립체 요소의 적어도 일부분과 공유한다. 제1 비구형 렌즈(518) 및 제2 비구형 렌즈(520)는 제2 렌즈 이전의 릴레이 광학 조립체의 광로 내에 위치 설정된 절첩 미러(522)에 의해 릴레이 광학 부조립체 내부로 입사 방사선(502)을 절첩시키고 입사 방사선(502)을 지향시키도록 입사 방사선(502)을 조정한다. 이후 입사 방사선 (502)은 FLIR NFOV 및 시 스폿 광로와 공통의 광로를 따른다.
표1은 4개의 조립체에 대한 정보를 포함하는, 도1의 예시적인 실시예의 영상 광학 장치에 대한 작동 특성을 나타낸다.
표1 : 4개의 광학 조립체의 일반적인 작동 특성
FLIR 광학 장치는 회절 한계에서 작동하고, 이는 렌즈의 벗어남이 광학적 성능을 제한하지 않고, 장치의 물리적 제한만이 해상도를 제한함을 의미한다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 소정 회절 한계 성능은 4개의 비구면을 이용함으로써 달성된다. 특히, 도1에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 4개의 비구면은 분할 1차 미러(124), 제2 미러(126), 릴레이 광학 부조립체(130)의 제1 NFOV 릴레이 렌즈(128) 및 릴레이 광합 부조립체(130)의 제2 NFOV 릴레이 렌즈(132)이다.
비구면은 다음과 같이 수학적으로 정의될 수 있다.
식 1
여기서, r = 곡률 반경, k = 원추 계수 및 ai = 비구형 계수
식 1의 원추 계수와 기아학적 표면 프로파일 사이의 대응 관계가 존재한다. 표2는 이러한 대응 관계를 도시한다.
표2 : k 와 프로파일 형태 사이의 대응 관계
실제, 기술 분야의 숙련자들은 비구형 계수를 포함하는 식 1의 계수에 대한 적절한 값을 얻기 위한 상용 가능한 렌즈 설계 소프트웨어를 이용한다. 이러한 렌즈 설계 소프트웨어 패키지의 일예로는 캘리포니아주 파사데나 소재의 광학 연구 협회로부터 입수 가능한 이다. 기술 분야의 숙련자는 예를 들면 이미지 크기, 초점 거리 및 검출기를 가로지르는 에너지의 분포를 포함하는 정보를 입력시키고, 식 1의 계수에 대한 최적값을 결정할 수 있다.
광학 영상 장치는 조작자 부분 상에서의 임의의 작동 없이 현저하게 넓은 작동 온도 범위에서 초점을 유지할 수 있다. 이는 수동식 비열화(passive athermalization)라고 한다. 예시적인 실시예에 있어서, 광학 영상 장치의 4개의 조립체에 대한 수동식 비열화는 -37 내지 +49℃에서 발생하거나, 4개의 조립체는 원하는 작동 범위에 걸쳐 초점을 유지하도록 구성될 수 있다.
수동식 비열화는 장착부 및 광학 요소용으로 사용되는 재료의 적절한 선택에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 도1에 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 분할형 1차 미러(124)는 칼슘 플루오르화물(CaF2)이고 제2 미러(126)는 비소 3황화물 (As2S3)이다. WFOV 조립체(104)에 있어서, 제1 렌즈는 칼슘 플루오르화물 (CaF2 )이고, 제1 비구형 렌즈(136)는 비소 3황화물(As2S3)이며, 제2 렌즈(138)는 칼슘 플루오르화물(CaF2)이다.
CaF2 및 As2S3 모두는 높은 열팽창 계수(CTE)를 가지고 FLIR 시스템에 대해 원하는 파장의 에너지를 투과시킨다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 이 파장은 1.064㎛이다. CaF2 및 As2S3의 부가 장점은 다이아몬드를 정확한 광학적 유효면으로 변환시키는 능력이다. 최종적으로, CaF2 및 As2S3 재료는 NFOV, 시 스폿 및 WFOV 광로를 수동식 비열화시키도록 알루미늄(Al) 하우징과 조합된다.
재료의 선택은 릴레이 광학 부조립체(130) 및 WFOV 릴레이 광합 부조립체(140)의 광학 유효면에 대해서도 수행된다. 릴레이 광학 조립체(130)에 있어서, 제1 렌즈(142) 및 릴레이 출구 렌즈(144)는 CaF2이다. 제2 렌즈(146), 제1 비구형 렌즈(128) 및 제2 비구면(148)은 아연 셀렌화물(ZnSe)이다. 제2 비구면(148) 및 릴레이 출구 렌즈(144) 모두는 릴레이 광학 부조립체(130) 및 WFOV 릴레이 광합 부조립체(140) 모두와 공유한다. WFOV 릴레이 광학 부조립체(140)용 부가 재료는 실리콘(Si)으로 제조된 제1 렌즈 및 ZnSe로 제조된 비구면이다. 고온 필터(156)는 칼코게나이드(chalcogenide) 유리이다. 칼코게나이드 유리의 예로서는 비소 셀렌화물, 비소 셀렌화 텔루르화물 및 텍사스주 리차드슨 소재의 아모퍼스 재료 인크로부터 상용으로 입수 가능한 "AMTIR-1"을 포함한다.
시 스폿 광학 조립체의 적어도 일부분에서의 입사 방사선의 경로는 NFOV 광학 조립체 부품과 공유한다. 적절한 재료의 선택에 의해, 소정의 제1 레이저 에너지, 예를 들면 시 스폿 조립체의 레이저 에너지는 소정의 레이저 에너지를 위한 부분적으로 독립된 경로를 생성시키는 제1 및 제2 미러를 통해 투과되는 것이 허용된다. 부분적으로 독립된 경로는 제1 레이저 이미지, 예를 들면 시 스폿 이미지를 FLIR 이미지에 대해 초점을 맞추고 영점 조정하는데 사용될 수 있다.
광학 영상 장치는 관심에 따라 다양한 파장을 수집하고, 조절하고 그리고 검출한다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 광학 영상 장치는 1.064 ㎛(조준기 파장), 1.57 ㎛(사정 파장) 및 3.5 내지 5.1 ㎛(NFOV 및 WFOV FLIR)를 포함하는 관심에 따른 다양한 파장을 가진다. 파장 또는 관심은 원하는 대역폭을 생성시키도록 독립적으로 필터링될 수 있다. 예를 들면, 1.064 ㎛의 파장은 15 nm FWHM(예를 들면, 1.064 ㎛ ±7.5 nm)을 가진다.
도1을 참조하면, 제1 검출기(118)는 광학 영상 장치(100)에 의해 조절되고 투과되는 적어도 2개의 파장과 일치하는 초점면에서, 릴레이 출구 렌즈(144)로부터 초점 거리에서 축(X-X') 중심으로 광학 영상 장치(100)의 NFOV, 시 스폿 및 WFOV 부품과 정렬되어 위치 설정된다. WFOV FLIR 조립체(104)에 의해 이용되는 릴레이 광학 부조립체(130)의 요소들도 공통 축(X-X') 중심으로 제1 검출기(118)와 정렬되어 위치된다. 2개 이상의 별개 파장의 에너지를 조정할 수 있는 광학 유효면에 대한 설계예는 그 개시 내용이 본 명세서에서 참조되는 동일자로 출원된 "멀티 밴드, 단일 요소 넓은 시야의 적외선 영상 시스템"으로 명명된 미국 특허 출원 번호 제09/988,660호(변리사 일람 번호 제017750507호)에 개시되어 있다.
제1 검출기(118)는 1 내지 6 ㎛와 같은 관심 가는 원하는 스펙트럼에서 2개 이상, 또는 임의 개수 파장의 입사 에너지에 반응하고 구별할 수 있다. 제1 검출기(118)는 단일 검출기 내에 다중 파장대 검출 능력을 생성시키도록 파장을 처리한다. 일 실시예에 있어서, 검출기(118)는 다중의 인접하는 스펙트럼 방사대로부터 동시에 방사선을 수집한다. 이러한 검출기의 일예는 클래이본 등에게 허여된 공유의 미국 특허 제6,180,990 B1호에 개시된 바와 같은 "하이퍼스펙트럼 영상"에 사용되는 검출기이다. 도1의 실시예에서 사용하기에 적절한 제2 예는 InSb 검출기이다. InSb는 시스템의 사용 가능한 해상도 및 화소 크기를 결정한다.
본 발명은 이에 제한되지는 않지만 듀얼 밴드 네비게이션, 미사일 감지 유도 장치 및 화학제 검출을 포함하는 다른 넓은 시야 다중 밴드 용도로 직접적으로 사용 가능하다.
일 태양에 있어서, 예시적인 영상 광학 장치(100)는 다음의 표3 내지 표35에 규칙을 가지고 표면 식별이 개별 구경으로부터 개별 검출기로 진행함에 따라 각각의 광학 조립체에 대한 대응하는 파장에서 입사 방사선에 의해 마주쳐지는 표면과 상호 연관되는 4개의 광학 조립체(NFOV FLIR, WFOV FLIR, 시 스폿 및 레인지 파인더)를 가질 수도 있다.
표3 : NFOV FLIR
표4 : NFOV FLIR에 대한 원추 계수 및 비구형 데이터
표5 : NFOV FLIR에 대한 굴절률
표6 : NFOV FLIR에 대한 파장수
표7 : NFOV FLIR에 대한 기준 물체
표8 : NFOV FLIR의 표면 19에서의 구경 조리개
표9 : NFOV FLIR에 대한 표준의 불린(Boolean) 구경 데이터
표10 : 시 스폿
표11 : 시 스폿의 원추 계수 및 비구형 데이터
표12 : 시 스폿에 대한 굴절률
표13 : 시 스폿에 대한 파장수
표14 : 시 스폿에 대한 기준 물체
표15 : 시 스폿의 표면 5에서의 구경 조리개
표16 : 시 스폿에 대한 표준의 불린 구경 데이터
표17 : 시 스폿에 대한 정보
표18 : WFOV FLIR
표19 :WFOV FLIR에 대한 원추 계수 및 비구형 데이터
표20 : WFOV FLIR에 대한 굴절률
표21 : WFOV FLIR에 대한 파장수
표22 : WFOV FLIR에 대한 기준 물체
표23 : WFOV FLIR의 표면 25에서의 구경 조리개
표24 : WFOV FLIR에 대한 틸트(tilt) 및 Dec 데이터
표25 : WFOV FLIR에 대한 표준의 불린 구경 데이터
표26 : 레이지 파인더
표27 : 레이지 파인더에 대한 원추 계수 및 비구형 데이터
표28 : 레이지 파인더에 대한 굴절률
표29 : 레이지 파인더에 대한 파장수
표30 : 레이지 파인더에 대한 기준 물체
표31 : 레이지 파인더에 대한 표면 3에서의 구경 조리개
표32 : 레이지 파인더에 대한 틸트 및 Dec 데이터
표33 : 레이지 파인더에 대한 표준의 불린 구경 데이터
본 발명이 그 양호한 실시예와 연계되어 설명되었지만, 기술 분야의 숙련자에게 있어 구체적으로 기술되지는 않았지만 첨부된 청구 범위에서 정의된 바와 같은 본 발명의 정신 및 범위 내에서의 추가, 삭제, 변형 및 대체가 이루어질 수도 있음은 명백할 것이다.
본 발명에 의하면, 중량, 시스템 복잡성 및 비용을 감소시키도록, 검출기를 포함하는 부품의 수를 최소화시킨 영상 광학 장치가 제공된다.

Claims (27)

  1. 제1 검출기와,
    제1 파장 범위의 적어도 제1 부분을 제1 검출기 상에 투영하기 위한 제1 시야를 가지고 제1 입구 구경을 갖춘 제1 광학 시스템과,
    제1 파장 범위의 적어도 제2 부분을 제1 검출기 상에 투영하기 위한 제1 시야보다 좁은 제2 시야를 가지는 제2 광학 시스템과,
    제2 파장 범위 내의 방사선을 수용하도록 구성되고, 제2 파장 내의 방사선을 제1 검출기 상에 투영하도록 제2 광학 시스템과 함께 작동 가능한 제3 광학 시스템을 포함하고,
    제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경을 공유하고, 제1 파장 범위의 제1 부분 및 제2 부분은 제1 검출기에 위치된 일치 초점면을 가지는 영상 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제1 파장 범위는 표적으로부터 방사된 파장인 영상 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서, 제2 파장 범위는 제1 레이저로부터 방사되고 물체로부터 반사된 파장인 영상 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서, 표적을 향해 제2 레이저에 의해 방사되고 표적으로부터 반사된 제3 파장 범위 내의 방사선을 수용하도록 구성된 제4 광학 시스템을 더 포함하고, 제4 광학 시스템은 제2 및 제3 광학 시스템과 입구 구경을 공유하는 영상 광학 장치.
  5. 제4항에 있어서, 제2 검출기를 더 포함하고, 제2 검출기는 제4 광학 시스템으로부터 방사선을 수용하기만 하는 영상 광학 장치.
  6. 제1항에 있어서, 제1 입구 구경과 제2 입구 구경 사이의 광로에 배치되는 절첩 미러를 더 포함하고 검출기는 제1 파장 범위의 제1 부분 또는 제1 파장 범위의 제2 부분 및 제2 파장 범위 내의 방사선을 제1 검출기로 지향시키는 영상 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서, 입사 방사선의 제2 부분은 입사 방사선의 제1 부분 내부에 적어도 부분적으로 포함되는 영상 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서, 제3 광학 시스템은 표적을 향해 조준기 레이저에 의해 방사되고 표적으로부터 반사된 제2 파장 범위 내의 방사선을 수용하도록 구성되고, 제3 광학 시스템은 조준기 이미지를 검출기 상에 투영시키도록 선택 가능한 영상 광학 장치.
  9. 제1항에 있어서, 영상 광학 장치는 반사 굴절 광학 시스템인 영상 광학 장치.
  10. 제1항에 있어서, 좁은 시야(NFOV) 광학 시스템은 협대역 필터를 갖는 하나 이상의 반사 굴절 광학 유효면을 포함하는 영상 광학 장치.
  11. 제1항에 있어서, 제2 광학 시스템 및 제3 광학 시스템은 광축을 공유하는 영상 광학 장치.
  12. 제1항에 있어서, 검출기는 단일 초점면 어레이인 영상 광학 장치.
  13. 제1항에 있어서, 검출기 하이퍼스펙트럼 검출기인 영상 광학 장치.
  14. 제1항에 있어서, 하나 이상의 광학 유효면은 접합된 이중 렌즈 및 협대역 필터를 갖춘 분할형 맨진 미러이고, 광학 유효면은 적어도 제1 소정 파장을 반사시키고 제2 소정 파장을 투과시키는 제1 표면 상에 배치된 코팅을 가지는 영상 광학 장치.
  15. 제14항에 있어서, 제2 소정 파장은 제2 표면에서 반사되는 영상 광학 장치.
  16. 제14항에 있어서, 제2 소정 파장은 단일 협대역 필터에 의해 두 번 필터링되는 영상 광학 장치.
  17. 제1항에 있어서, 하나 이상의 유효면은 제1 요소 및 제2 요소를 포함하는 맨진 미러이고, 제1 요소는 적어도 제1 소정 파장을 반사시키고 제2 소정 파장을 투과시키는 제1 표면 상에 배치된 코팅을 가지는 영상 광학 장치.
  18. 제17항에 있어서, 제2 요소는 제2 소정 파장만을 반사시키는 제2 표면을 가지는 영상 광학 장치.
  19. 표적으로부터 방사된 입사 방사선의 적어도 제1 부분을 제1 초점면으로 투영시키기 위한 제1 시야를 가지는 제1 광학 시스템과,
    입사 방사선의 적어도 제2 부분을 제2 초점면으로 투영시키기 위한 제1 시야보다 좁은 제2 시야를 가지는 제2 광학 시스템과,
    표적으로부터 반사된 방사선을 수용하도록 구성되고, 반사된 방사선을 제2 초점면으로 투영시키도록 선택 가능한 제3 광학 시스템을 포함하고,
    제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경을 공유하고 제1 초점면 및 제2 초점면이 일치하는 영상 광학 장치.
  20. 제19항에 있어서, 표적을 향해 사정 레이저에 의해 방사되고 표적으로부터 반사된 제3 파장 범위 내의 방사선을 수용하도록 구성된 제4 광학 시스템을 더 포함하고, 제4 광학 시스템은 제2 및 제3 광학 시스템과 입구 구경을 공유하는 영상 광학 장치.
  21. 제19항에 있어서, 제2 부분은 제1 부분 내부에 적어도 부분적으로 포함되는 영상 광학 장치.
  22. 제19항에 있어서, 제3 광학 시스템은 표적을 향해 조준기 레이저에 의해 방사되고 표적으로부터 반사된 제2 파장 범위 내의 방사선을 수용하도록 구성되고, 제3 광학 시스템은 조준기 이미지를 검출기 상에 투영시키도록 선택 가능한 영상 광학 장치.
  23. 표적으로부터 상을 모으는 방법이며,
    넓은 시야(WFOV)를 가지는 제1 광학 시스템을 사용하여 제1 파장 범위 내의 표적으로부터 방사된 방사선을 수용하는 단계와,
    좁은 시야(NFOV)를 가지는 제2 광학 시스템을 사용하여 제1 파장 범위 내의 표적으로부터 방사된 방사선을 수용하는 단계와,
    제3 광학 시스템을 사용하여 제2 파장 범위 내의 방사선을 수용하는 단계를 포함하고,
    제1 광학 시스템은 WFOV 이미지를 제1 검출기 상으로 투영하고, 제2 광학 시스템은 NFOV 이미지를 제1 검출기 상으로 투영하고, 제2 파장 범위 내의 상기 방사선은 표적을 향해 제1 조준기 레이저로부터 방사되고 표적으로부터 반사되고, 제3 광학 시스템은 조준기 이미지를 제1 검출기 상으로 투영하며, 제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경을 공유하고 NFOV 이미지 및 조준기 이미지는 제1 검출기 상으로 동시에 투영될 수 있는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 좁은 시야와 넓은 시야 사이를 전환하는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 제4 광학 시스템을 사용하여 제3 파장 범위 내의 방사선을 수용하는 단계를 더 포함하고, 제3 파장 범위 내의 상기 방사선은 제2 조준기 레이저로부터 표적을 향해 방사되고 표적에 의해 반사되며, 제4 광학 시스템은 조준기 이미지를 제2 검출기 상에 투영하는 방법.
  26. 영상 광학 장치를 구성하는 방법이며,
    제1 검출기를 제공하는 단계와,
    넓은 시야(WFOV)를 가지고, 제1 파장 범위 내의 표적으로부터 방사된 방사선을 수용하도록 구성되고, WFOV 이미지를 제1 검출기 상으로 투영하도록 선택 가능한 제1 광학 시스템을 제공하는 단계와,
    좁은 시야(WFOV)를 가지고, 제1 파장 범위 내의 표적으로부터 방사된 방사선을 수용하도록 구성되고, NFOV 이미지를 제1 검출기 상으로 투영하도록 선택 가능한 제2 광학 시스템을 제공하는 단계와,
    제1 조준기 레이저에 의해 표적을 향해 방사되고 표적으로부터 반사되는 제2 파장 범위 내의 방사선을 수용하도록 구성되고, 조준기 이미지를 제1 검출기 상으로 투영하도록 선택 가능한 제3 광학 시스템을 제공하는 단계를 포함하고,
    제2 및 제3 광학 시스템은 입구 구경을 공유하고, NFOV 이미지 및 조준기 이미지는 제1 검출기 상으로 동시에 투영될 수 있는 방법.
  27. 제26항에 있어서, 제4 광학 시스템을 사용하여 제3 파장 범위 내의 방사선을 수용하는 단계를 더 포함하고, 제3 파장 범위 내의 상기 방사선은 제2 조준기 레이저로부터 표적을 향해 방사되고 표적에 의해 반사되고, 제4 광학 시스템은 조준기 이미지를 제2 검출기 상으로 투영하는 방법.
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