KR20220019681A - 필터 요소를 갖는 광학계 - Google Patents

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다니엘 부블리츠
마티아스 힐렌브랜드
마티아스 버크하르트
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칼 짜이스 예나 게엠베하
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Abstract

본 발명은 제1 구경(D1)을 갖는 입사 동공(9), 사출 동공(10), 및 입사 동공(9)으로부터 거리를 두고 이격된 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)를 갖는 광학계에 관한 것으로서, 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)는, 제2 직경(D2)이 빔에 의해 필터 요소(6) 상에 조명되도록 설계 및 배치되며, 빔은 입사 동공(9)을 통과하여 이로부터 발산되게 확산되고, 제2 직경(D2)은 제1 구경(D1)의 n배에 해당하며, n은 1보다 더 큰 수이고, 그 결과로, 필터 요소(6) 상의 각각의 포인트에서의 국부적 각도 스펙트럼은, 입사 동공(9)에 비하여 n배 더 작으며, 필터 요소(6)는, 각각의 포인트에서, 미리 결정된 스펙트럼 범위만을 사출 동공(10)으로 선택적으로 반사시키거나 투과시키고, 필터 요소(6)를 포함하는 광학 이미징 장치(3)가 제공되며, 광학 이미징 장치(3)는, 사출 동공(10) 상에 입사 동공(9)을 이미징한다.

Description

필터 요소를 갖는 광학계
본 발명은 특히, 큰 에텐듀(etendue)를 갖는 카메라 시스템을 위한 협대역폭 스펙트럼 필터로서 적합한 필터 요소(filter element)를 포함하는 광학계에 관한 것이다.
예를 들어, 이러한 카메라 시스템은, 능동 조명을 통해 자동차의 주변 환경에서 물체의 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
이 경우, 전파 시간(time-of-flight) 기술로 알려진 것이 사용될 수 있으며, 광원은 이의 휘도 면에 있어서 10 내지 40 MHz의 범위로 변조되고, 물체에 의해 반사된 광의 위상각은 변조 위상과 비교하여 평가된다. 방법은 포인트-스캐닝(point-scanning) 방식으로 그리고 공간 해상도(spatially resolved) 카메라를 사용하여 구현될 수 있으며, 각각의 개별 픽셀이 이러한 위상 평가를 구현한다. 주변 광도가 너무 높은 경우, 방법을 사용하는 것이 어렵다. 현재, 전자식 DC 광 억제를 사용하는 해당 카메라 센서, 및 약 50 nm의 대역폭을 갖는 이색성 검출 필터는, 약 40 m의 유효 거리를 달성한다. 그러나, 자율 주행 자동차를 위해, 100 내지 200 m의 영역의 거리가 요구된다. 방법의 추가적인 단점은, 다른 자동차의 시스템과의 상호 작용의 결과로 오류에 영향을 받기 쉽다.
또한, 포인트 투영 및 카메라(삼각 측량)를 사용하여 거리 측정을 수행하는 관행이 알려져 있으며, 시준된 레이저 빔이 위상 요소를 사용하여 변환됨으로써, 약 100 x 100 포인트를 갖는 비대칭 2D 포인트 패턴을 검출될 영상 시야(image field) 내로 방사한다. 그 다음, 영상의 포인트의 절대 위치는, 동공(pupil)이 포인트 조명 동공으로부터 특정 거리에 있는 카메라 센서를 통해 평가될 수 있다. 베이스 길이(조명과 검출 동공 사이의 거리)가 알려져 있는 경우, 조명된 물체의 거리는, 이러한 방식으로 모든 포인트에 대해 삼각 측량될 수 있다. 방법의 이점은, 기술적인 관점에서 수행하는 것이 간단하다는 점이다. 또한, 전체 영상 시야를 능동적으로 조명해야 하는 것이 아니라, 그 대신에, 조도가 비교적 적은 포인트 간에만 분할된다. 이에 따라, 전반적인 전력 소비를 크게 감소시킬 수 있다. 그러나, 시간적 신호 필터링이 유효하지 않고, 가능한 최대 조도는 광 한계에 의해 제한되기 때문에(이는 이에 따라 두 방법 모두에서 매우 유사함), 유효 주변 광 억제 및 이에 따른 유효 거리는, 전파 시간 기술의 경우보다 더 적은 경향이 있다. 방법은 근거리 영역(수 m)을 측정하기 위한 목적으로 게임기 및 휴대 전화에서 표준으로 이미 사용되고 있다. 시스템은, 그러한 다른 시스템에 의한 교통의 간섭을 방지하기 위해, 자동차에 사용되는 경우 2개의 카메라를 구비해야 한다. 이 경우, 서로에 대한 2개의 카메라 영상의 포인트의 상대 위치가 평가된다. 따라서, 방법은 소스 동공의 좌표와 무관하며, 다른 자동차 또는 도로 사용자에 의해 투영된 화소를 평가하는 것도 가능하다.
그러나, 이러한 시스템의 경우, 주요한 어려움은 주변 광의 억제가 너무 적다는 것이다. 더 우수한 스펙트럼 필터링이 수행되어야 한다. 그러나, 이는 높은 검출 에텐듀로 인해, 검출 동안 용이하게 가능하지 않다.
예를 들어, 1 nm의 대역폭으로 900 nm 소스를 필터링하도록 의도된 경우, 입사각은, 수직 입사의 경우 ± 2.7°의 영역에 위치되어야 한다.
동공 평면에 이러한 필터가 있는 대물 렌즈를 갖는 카메라를 개조하려고 시도하는 경우, 영상 시야가 약 5°로 감소되거나, 40°의 전형적인 영상 시야의 경우, 50 nm의 필터 폭이 획득되며, 이는 종래기술에 해당한다.
필터가 센서 평면에 가까워지는 경우, 각도 범위는 1/10.6의 최대 f 수에 해당한다. 이러한 적용예를 위해 요구되는 전형적인 f 수는, 약 1/1.5 … 1/2.4의 전형적인 휴대전화 대물 렌즈의 영역에 있다.
이러한 이유로, 1 nm 폭의 스펙트럼 필터링이 구현될 수 있는 40 내지 100°의 영상 시야 및 약 1/1.5의 f 수를 갖는 카메라의 시스템은 시장에 출시되어 있지 않다.
이로부터 진행되는 본 발명의 목적은, 높은 에텐듀로 초협대역폭(very narrow bandwidth) 필터링을 구현하기 위해 사용될 수 있는 광학계를 제공하는 것이다.
본 발명은 청구항 제1항에 한정된다. 바람직한 전개예는 종속 청구항에 명시된다.
특히, n 수는, 2 초과, 5 초과, 10 초과, 20 초과, 30 초과, 그리고 바람직하게는 1000 미만 또는 100 미만인 수일 수 있다.
반사성 또는 투과성 필터 요소는, 하나의 부분(one-part) 또는 다중 부분(multi-part) 실시형태를 가질 수 있다. 반사성 또는 투과성 필터 요소가 다중 부분 실시형태를 갖는 경우, 복수의 부분은, 하나의 광학적 아암(optical arm)으로 또는 예를 들어, 2개의 광학적 아암으로 배치될 수 있다. 이들이 2개의 광학적 아암으로 배치된 경우, 필터 요소의 적어도 하나의 반사성 또는 투과성 부분은, 바람직하게는 각각의 광학적 아암에 배치된다. 2개의 아암의 생성은, 편광 분할 및/또는 강도 분할에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 해당 스플리터 플레이트(splitter plate) 또는 해당 스플리터 큐브(splitter cube)가 이를 위해 제공될 수 있다.
반사성 또는 투과성 필터 요소가 복수의 부분을 포함하는 경우, 개별 부분은 에어 갭에 의해 서로 이격될 수 있다. 또한, 반사성 필터 요소는, 계단형 미러(stepped mirror)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 투과성 필터 요소는, 투과성 패브리-페로(Fabry-Perot) 요소를 포함할 수 있다.
반사성 또는 투과성 필터 요소는, 평면 반사성 면 또는 표면을 포함할 수 있다. 또한, 반사성 또는 투과성 필터 요소는, 곡선형 반사성 면 또는 표면을 가질 수 있다.
이미징 광학 장치는, 반사성 또는 투과성 필터 요소 상에, 실제 중간 영상이 생성되거나 중간 이미징이 구현되도록 설계될 수 있다. 실제 중간 영상은 입사 동공(entrance pupil)과 필터 요소 사이에 생성될 수 있거나, 필터 요소와 사출 동공(exit pupil) 사이에 생성될 수 있다. 바람직하게는, 중간 영상은, 입사 동공 또는 사출 동공보다 필터 요소에 더 가깝다. 예를 들어, 중간 영상과 필터 요소 사이의 거리는, 필터 요소와 입사 동공(중간 영상이 입사 동공과 필터 요소 사이에 생성되는 경우) 또는 사출 동공(중간 영상이 필터 요소와 사출 동공 사이에 생성되는 경우) 사이의 거리의 50%, 40%, 30%, 20%, 10% 또는 5% 미만일 수 있다.
이미징 광학 장치는, 이미징 요소로서 필터 요소만을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이미징 광학 장치는, 편향 미러가 평면형 실시형태를 갖기 때문에, 편향만을 야기하는, 가능한 대로 제공된 편향 미러를 포함할 수 있다. 이러한 편향 미러는 이미징 효과를 갖지 않기 때문에, 이 경우, 이러한 이미징 광학 장치는, (가능한 대로 제공된 편향 미러를 제외하고는) 필터 요소만을 포함하는 이미징 광학 장치인 것으로 여전히 이해된다.
대안적으로, 이러한 이미징 광학 장치는, 적어도 하나의 추가적인 이미징 요소(예를 들어, 렌즈, 곡선형 미러, 이미징 격자)를 포함하는 것이 가능하다.
광학계는, 입사 및 사출 동공이 부분적으로 또는 완전히 중첩되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 완전한 중첩은, 강도 또는 편광 분할에 의한 요청일 수 있다. 예를 들어, 해당 스플리터 플레이트 또는 해당 스플리터 큐브가 이를 위해 제공될 수 있다.
반사성 필터 요소가 역반사기(retroreflector)로서 설계되고, 결과적으로, 발산되게(divergently) 전파되는 빔을 입사 동공으로부터 그들 자신 상으로 다시 반사하도록, 광학계가 설계될 수 있다. 그러나, 반사성 필터 요소 상에 입사하는 빔과 반사성 필터 요소에 의해 반사되는 빔 사이의 특정 각도가 존재하는 것도 가능하다. 각도는 바람직하게는 20°, 15°, 10° 또는 5° 미만이다.
이미징 광학 장치는, 균일화를 야기하도록 설계될 수 있다. 특히, 시야 및/또는 구경(aperture)에 있어서 균일화가 발생될 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 광학계는, 카메라, 분광계, 또는 전환 가능한 광원의 형태일 수 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 광학계는, 카메라, 분광계, 또는 전환 가능한 광원의 해당 기능을 구현하기 위해, 당업자에게 알려진 추가적인 요소를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광학계는, 예를 들어, 적어도 30°, 40° 또는 50°의 영상 시야의 경우, 또는 30° 내지 120° 범위의 영상 시야의 경우, (예를 들어, VIS 또는 NIR 범위의) 미리 결정된 파장에 대해, 예를 들어, 1 nm 이하의 필터 폭이 있도록 설계될 수 있다.
필터 요소를 갖는 본 발명에 따른 광학계의 본질적인 원리는 아래에 설명되는 바와 같이 나타낼 수 있다.
예를 들어, 유전체 층으로 이루어진 통상적인 스펙트럼 필터는, 첫째, 이의 층 설계에 의해, 그리고 둘째, 특정 각도 스펙트럼을 갖는 광학 장치의 사용에 의해, 이의 분광 해상도 면에 있어서 실질적으로 결정된다. 두 설계 요소는 모두 독립적이며, 분광 해상도를 제한하므로, 그것이 매우 정확하게 융제된 다수의 층을 갖는 적합한 층 설계를 포함하는 경우에만, 그리고 둘째, 그것이 광학계에 적절하게 통합된 경우에만, 필터가 초협대역폭 구성을 가질 수 있다.
본 발명은 특히, 광학계의 광학 구조물과의 통합과 조합되는 본 발명에 따른 필터 요소의 새로운 설계에 관한 것으로서, 에에 따라, 분광 해상도 한계(아래에서 통상적인 해상도 한계로 지칭됨)에 도달될 수 있으며, 상기 분광 해상도 한계는, 통상적인 필터 요소의 완벽한 층 설계를 통해서도, 광학계의 통상적인 배치를 갖는 통상적인 필터 요소의 경우에 도달될 수 없다.
이러한 통상적인 해상도 한계를 도출하기 위해, 측방향 구조화 없이 축방향으로 구조화된 필터 요소는, α의 입사각으로 광선에 의해 통과되는 것으로 아래에서 가정된다. 이 경우, 축방향으로 구조화된 필터 요소는, 특히 (의도된 대로 사용된 경우) 그 위에 수직으로 입사하는 광선의 방향으로 구조화된 필터 요소를 의미하는 것으로 이해된다.
통상적인 필터 요소의 층의 수, 및 층의 구체적인 간격은 후속 도출을 위해 무관하다. 시스템의 대칭의 결과로서, 통상적인 필터 요소는, 이의 격자 벡터를 통한 광파의 투영만을 인식한다. 구체적으로, 이는 복합 변수 G=λ/cos(α)만을 인식한다. 따라서, 결과적으로, 축방향으로만 구조화된 통상적인 필터 요소는, 원칙적으로, 입사각(α)의 코사인의 변화와 파장(λ)의 변화 간에 구별할 수 없다. 따라서, 층 설계의 품질과 무관하게, 통상적인 필터 요소는, 넓은 입사각 스펙트럼에 대한 초협대역폭 필터링을 구현할 수 없다. 0°의 평균 입사각에 대한 예를 들어 ± 20°의 입사각 스펙트럼은, 예를 들어, 수직 입사 광선의 경우 800 nm(G(0°) = 800 nm)의 설계 파장에 대해 완전한 투과를 발생시키는 반면에, 20°의 각도로의 주변 광선의 경우 G(0°)cos(20°) = 752 nm가 투과의 위치를 특정한다. 따라서, 이러한 각도 스펙트럼의 경우, 단지 약 50 nm의 폭으로만 필터링을 달성하는 것이 가능하다. 따라서, 종래기술은 협대역 에지 또는 대역 통과 필터를 위한 최대 입사각을 특정하며, 이는 적용 동안 초과되지 않을 수 있다.
종래기술에서, 필터는 입사 동공에서 대략적으로 평면 층으로 구현된다. 20° 미만의 작은 각도(α)의 경우, 코사인 함수에 대한 급수 전개식이 있을 수 있다.
Figure pct00001
본 발명에 따라, 필터 요소는 입사 동공의 외부에 배치되며, 특히 구면 필터 층을 포함할 수 있고, 이의 곡률 중심은 각각의 경우 광학적으로 한정된 입사 동공에 위치된다. 이를 위해, 필터 요소는, (도 16에서처럼) 입사 동공의 상류의 투과성 요소로서 구성될 수 있거나, (도 1 및 도 2에서처럼) 입사 동공의 하류의 역반사성 요소로서 구성될 수 있다. 이러한 배치는, 입사 동공의 중심을 통하여 연장되는 모든 물체 주광선이 정확히 수직 방식으로 필터 층 상에 입사하거나 이에 의해 투과되도록 보장한다. 동공 시야 에지를 통하여 연장되는 물체 광선은 특정 각도로 필터 층을 통과하지만, 이에 따라, 필터 요소의 협대역폭 특성을 제한할 것이다. 이격된 필터 평면으로 에텐듀를 유지시킴으로써, 각도 스펙트럼(ΔαFilter)은, 정확히 n배만큼 광학적 입사 동공에서보다 더 작다. 코사인 함수는 작은 각도의 경우 각도의 제곱에 따라 스케일링되기 때문에, 이격된 새로운 필터 위치에서, n2배만큼 광학적 입사 동공의 부근에서보다 더 좁은 필터링을 달성하는 것이 가능하다. 예시된 의존성은 원거리 시야 근사치인 것으로 이해될 수 있으므로, 이는 약 2의 n-인수 초과에 적용 가능하다. 이들은 4 … 400배의 분광 해상도 증가를 달성할 수 있기 때문에, 2 내지 20 범위의 인수를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 초협대역 분광 적용예의 경우, n 값은 100 이상을 달성할 수도 있다.
필터 요소는, 본 발명에 따른 광학계의 곡선형 필터 층을 포함할 수 있다. 특히, 필터 층은 구면 곡률을 가질 수 있다. 바람직하게는, 구면 곡선형 필터 층의 곡률 중심은 일치한다. 특히 바람직하게는, 구면 곡선형 필터 층의 곡률 중심은, 필터 요소보다 입사 동공에 더 가깝고(예를 들어, 입사 동공으로부터의 각각의 곡률 중심의 거리는, 필터 층과 입사 동공 사이의 거리의 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, 5%, 4%, 3%, 2% 또는 1% 미만일 수 있음), 특히, 구면 곡선형 필터 층의 곡률 중심은 입사 동공에 위치된다.
특히, 필터 층은, 입사 동공으로부터 필터 요소로의 방향으로 연속적으로 배치된다. 따라서, 필터 요소는 입사 동공으로부터 필터 요소로의 방향으로 구조화되는 것으로도 지칭될 수 있거나, 필터 요소는 축방향으로 구조화된 필터 요소로 지칭될 수 있다.
예를 들어, 필터 층은, 투명 스페이서 층을 갖는, 유전체 층, 체적 홀로그램(volume hologram)의 브래그 평면(Bragg plane) 및/또는 반사 층일 수 있다. 필터 층이 체적 홀로그램의 브래그 평면인 경우, 체적 홀로그램의 브래그 평면이 광학 효과를 위해 중요하기 때문에, 체적 홀로그램을 위한 기판은, 실질적으로 임의의 기하학적 형상을 포함할 수 있다.
위에서 명시된 특징 및 아래에 여전히 설명될 특징은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 명시된 조합으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 다른 조합으로도 또는 이들 자체로 사용될 수 있음을 이해한다.
본 발명은, 본 발명에 필수적인 특징을 마찬가지로 개시하는 첨부된 도면을 참조하는 예시적인 실시형태에 기초하여 아래에 훨씬 더 상세히 설명될 것이다. 이러한 예시적인 실시형태는 단지 예시적인 것이며, 제한적인 것으로 해석되어서는 안된다. 예를 들어, 다수의 요소 또는 구성 요소를 갖는 예시적인 실시형태에 대한 설명은, 이러한 모든 요소 또는 구성 요소가 구현을 위해 필요함을 의미하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 다른 예시적인 실시형태는, 대안적인 요소 및 구성 요소, 더 적은 요소 또는 구성 요소, 또는 추가적인 요소 또는 구성 요소를 포함할 수도 있다. 상이한 예시적인 실시형태의 요소 또는 구성 요소는, 달리 상술되지 않는 한, 서로 조합될 수 있다. 예시적인 실시형태 중 하나에 대해 설명된 변형 및 변경은 다른 예시적인 실시형태에도 적용 가능할 수 있다. 반복을 피하기 위해, 상이한 도면의 동일한 요소 또는 대응하는 요소는 동일한 참조 부호로 표시되며, 여러 번 설명되지 않는다. 도면으로서:
도 1은 본 발명에 따른 광학계의 예시적인 제1 실시형태를 도시한다;
도 2는 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 3은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 4는 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 5는 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 6은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 7은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 8은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 9는 도 8의 입사 및 사출 동공의 배치의 평면도를 도시한다;
도 10은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 11은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 12는 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 13은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 14는 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다;
도 15는 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다; 그리고
도 16은 본 발명에 따른 광학계의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다.
도 1에 도시된 예시적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 광학계(1)는 카메라(2)를 포함한다.
카메라(2)는 카메라 광학 장치(8) 및 센서(4)(또는 검출기(4))를 포함하며, 카메라 광학 장치(8)는, 광학계(1)의 이미징 광학 장치(3)와 함께, 물체(G)를 센서(4) 상에 이미징한다.
이미징 광학 장치(3)는, 제1 부분적 광학 장치(5), 반사성 필터 요소(6), 및 편향 미러(7)를 포함한다. 또한, 제2 부분적 광학 장치(8)는 이미징 광학 장치(3)의 일부일 수 있다.
제1 부분적 광학 장치(5)는, 제1 직경(D1)을 갖는 입사 동공(9) 또는 입사 스톱(entrance stop)으로서 작용한다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 40°의 영상 시야의 광선이 입사 동공(9)을 통과한 다음, 필터 요소(6)를 향하는 방향으로 이로부터 발산되게 전파된다. 필터 요소(6)는, 40°의 영상 시야의 광선이 필터 요소(6) 상의 제2 직경(D2)을 갖는 영역을 조명하도록 배치 및 설계되며, 상기 제2 직경은 제1 직경(D1)의 n배에 해당한다. 여기서 가정된 40°의 영상 시야의 경우, 그리고 필터 요소(6)의 ± 2°의 수광각(acceptance angle)의 경우, n은 약 10이다. 결과적으로, 제2 직경(D2)은 제1 직경(D1)의 10배만큼 크다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 필터 요소(6)는 곡선형 형태를 가질 수 있다. 특히, 이는 예를 들어 구면 곡선형일 수 있으며, 곡률 반경은, 제1 부분적 광학 장치(5)로부터의 거리에 해당할 수 있다. 그러나, 필터 요소(6)는, 평면 실시형태 또는 임의의 곡선형 형상을 가질 수도 있다.
필터 요소(6)는 사출 동공(10) 상에 입사 동공(9)의 동공 이미징을 구현하며, 동시에, 좁은 스펙트럼 필터링을 구현한다.
에텐듀(= 입체각 x 단면적)가 유지되기 때문에, 필터 요소(6)의 표면의 각각의 포인트에서의 국부적 각도 스펙트럼은, n배만큼 입사 동공(9)에 비하여 감소된다. 결과적으로, 원하는 좁은 스펙트럼 필터링이 필터 요소(6)에 의해 구현될 수 있다.
스펙트럼 폭과 허용 각도 범위(수광각) 간의 환산 계수는, 필터 요소(6)의 광선의 편향각(구체적으로는, 편향각의 절반의 코사인)에 따라 좌우된다. 편향각이 0°인 경우, 900 nm의 방사선에 대한 1 nm의 원하는 필터 폭이 ± 2.7°의 각도 범위에 해당하도록, 입사 빔이 그 자신 상에 다시 반사된다. 코사인 함수의 급수 전개식으로 인해, 획득 가능한 스펙트럼 폭은, 조명 직경 비(n)의 제곱에 따라 감소된다.
대조적으로, 예를 들어, 20°의 입사각(편향각)이 구현되어야 하는 경우, 900 nm 방사선에 대한 1 nm 필터링을 위해, 허용 각도 스펙트럼(= 수광각)은 20° ± 0.08°이다. 이 경우, 필터 대역폭은, 조명 직경 비(n)에 따라 선형적으로만 감소된다.
이러한 이유로, 도 1에 따른 구조물은 이것이 실질적으로 0°의 편향각을 구현하기 때문에 바람직하다.
특히, 제2 부분적 광학 장치(8)의 제3 직경(D3)은 제1 직경(D1)과 일치할 수 있다.
필터 요소(6)에 의해 반사된 광선을 이미징하는 광학 장치는, 특히 이러한 영역에서 구현될 수 있다.
바람직하게는, 편향 미러(7)는, 제2 부분적 광학 장치(8)에 의한 원치 않는 분할을 방지할 수 있게 된다. 물론, 카메라(2)를 형성하는 기능을 개선하기 위해, 제1 부분적 광학 장치(5)와 필터 요소(6) 사이에 적어도 하나의 편향 요소(도시되지 않음)를 제공하는 것이 가능하다.
필터 요소(6)는, 이색성 층 적층물로서 설계될 수 있다. 이 경우, 모든 광선이 실질적으로 수직 방식으로 필터 구조물 내로 입사하도록, 필터 요소(6)의 곡률 반경은 입사 동공(9)으로부터의 거리와 일치하는 것이 바람직하다.
또한, 필터 요소(6)는, 곡선형 패브리-페로 필터와 유사한 방식으로, 투명 스페이서 층을 갖는 2개의 반사 층/층 적층물로 형성될 수 있다.
예를 들어, 특정된 1 nm 필터링이 900 nm로 수행되는 경우, 약 900개의 부분파가 필터(6)에 개입되어야 하므로, 필터 두께는 약 0.5 mm에 해당한다. 이러한 두께의 필터(6)를 제조하는 것은 복잡하기 때문에, 바람직하게는, 현저하게 더 얇은 2개의 층 적층물 사이에 동일하게 두꺼운 투명 스페이서 층이 기판으로서 제공될 수 있다.
특히 바람직하게는, 반사성 필터 요소(6)는 광학적 체적 홀로그램으로 구현될 수 있다. 이러한 격자의 구조물의 최대 굴절률 급증은, 영역에서 1000개의 유효 서수 격자 수가 획득되도록 선택되어야 한다. 이러한 체적 홀로그램 재료가 사용되는 경우, 필터 요소(6)는 임의의 곡선형 또는 다른 평면 실시형태를 가질 수 있다.
체적 홀로그램을 위해 사용되는 폴리머 재료는, 영역에서 10-5/m의 선형 팽창 계수를 갖는다. 크게 가변되는 주위 온도에서 필터(6)가 사용되는 경우, 필터 파장은 결정론적 방식으로 전환될 수 있다. 이 경우, 특히 바람직하게는, 예를 들어 온도 제어를 통해, 필터 요소(6)의 작용 포인트에 스펙트럼이 맞춰진 레이저 소스가 사용되어야 하거나, 분광법 적용예의 경우, 측정 값이 적절하게 보정되어야 한다.
추가적인 광학적 이미징 요소(예를 들어, 렌즈 또는 이미징 미러)가 입사 동공(9)에 배치되거나, 입사 동공(9)의 상류 또는 하류에 배치되는 경우, 실제 중간 영상이 필터 요소(6) 상에 이미징될 수 있거나, 필터 요소(6)의 부근 내로 이미징될 수 있다. 특히, 필터 요소(6)의 부근은, 필터 요소(6)까지의 이미징된 실제 중간 영상의 거리가 입사 동공(9)까지의 거리 미만임을 의미하는 것으로 이해된다. 이 경우, 필터 요소(6)의 곡률은, 제1 부분적 광학 장치(5) 및 제2 부분적 광학 장치(8)의 시야 곡률에 맞춰지는 것이 바람직하다.
이의 필터 층의 하류에서, 필터 요소(6)는, 필터(6)를 통과하는 산란광 및 투과광을 흡수하기 위해, 그리고 이에 따라 이것이 센서(4)에 의해 검출되는 것을 방지하기 위해, 강한 흡수성 재료로 제조된 굴절률-맞춤형 층을 포함할 수 있다.
제2 부분적 광학 장치(8)는, 종래기술에 따른 카메라 렌즈로 구현될 수 있다. 특히, 제2 부분적 광학 장치(8)는, 선택적인 제1 부분적 광학 장치(5) 및 필터 요소(6)의 이미징 성능과 함께, 가급적 선명하고 평탄한 영상 시야를 구현하는 그러한 방식으로 최적화된다. 필터 요소(6)에 의해 반사되는 초협대역 종방향 파장 범위로 인해, 하이브리드 또는 회절성 광학 장치도 제1 및/또는 제2 부분적 광학 장치(5, 8)에 적합하다.
도 2는 입사 동공(9)에 제1 부분적 광학 장치(5)가 없는 예시적인 실시형태를 도시한다. 제2 부분적 광학 장치(8)는 개략적으로 도시된다.
본 발명에 따른 광학계(1)는, 큰 구경/광도를 통해 넓은 영상 시야를 가능하게 하지만, 그럼에도 불구하고, 필터 요소(6)의 배치의 결과로, 초협대역 검출 및 이에 따른 우수한 주변 광 억제가 달성됨을 확인하는 것이 가능하다.
도 2에 따른 실시형태의 단점은, 동공 이미징을 구현하는 필터 요소(6)의 이미징 효과의 결과로서의 이미징 수차이다. 이러한 이유로, 도 2에 따른 예시적인 실시형태는, 구현하기에 매우 간단하지만 영상 선명도 면에 있어서 한계가 있을 수 있는 설계이다.
개선된 영상 성능을 갖는 도 2의 예시적인 실시형태의 전개예가 도 3에 도시된다. 이러한 예시적인 실시형태에서, 제1 부분적 광학 장치(5)는 비구면으로 형성되며, 제1 부분적 광학 장치(5)와 필터 요소(6) 사이에 (마찬가지로 이미징 광학 장치(3)의 일부인) 제3 부분적 광학 장치(11)가 추가적으로 배치되고, 상기 제3 부분적 광학 장치는, 중간 영상이 필터 요소(6) 상에 이미징되도록 보장한다. 예를 들어, 제3 부분적 광학 장치(11)는 평면볼록 렌즈(11)로서 형성될 수 있다. 제3 부분적 광학 장치(11)는, 이미징 필터 요소(6)로 인해 유발되는 이미징 수차를 방지할 수 있다. 도 3에 도시된 예시적인 실시형태에서, 평면볼록 렌즈(11)는 필터 요소(6)에 대해 외향하는 경로에 대칭적으로 배치되고, 필터 요소(6)로부터의 귀환 경로에 대칭적으로 배치된다. 이는 입사 동공(9)의 약한 비구면 렌즈(5) 및 제2 렌즈(11)(평면볼록 렌즈(11))로 제조된 비교적 간단한 광학 장치를 구현하며, 이에 의해, 예를 들어 40°의 시야 각도 및 영역에서의 20 mm의 동공 치수에 대해, 회절 제한된 성능이 구현될 수 있다. 이미징 필터 요소(6)가 역반사에 사용되기 때문에, 입사 동공(9)과 사출 동공(10) 간의 분할은 동공 분할을 통해 구현될 수 있다. 이를 위해 2개의 편향 미러(12 및 13)가 제공된다.
대안적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 편광 분할이 수행될 수 있다. 원하는 편광 분할은, 편광 스플리터 큐브(14) 및 하류 1/4 파장 플레이트(15)에 의해 구현된다. 물론, 강도 분할을 구현하는 것도 가능하다. 이 경우, 편광 스플리터 큐브(14) 대신에, 적절한 빔 스플리터 큐브가 제공된다. 이 경우, 1/4 파장 플레이트(15)가 생략될 수 있다.
편광 분할 또는 강도 분할이 수행되는 경우, 영상 품질을 최적화하기 위해, 사출 동공(10)이 입사 동공(9) 상에 정확히 이미징되는 것이 바람직하다. 또한, 분할은 스플리터 큐브 대신에, 스플리터 플레이트에 의해 구현될 수 있다. 이미징 광학 장치(3)의 보정을 개선하기 위해, 이미징 광학 장치(3) 내에서 동공 위치를 접근 가능하지 않는 방식으로 구현하는 것이 바람직할 수 있다. 특히 이 경우, 편광 또는 강도 분할이 바람직하며, 이는 예를 들어, 아래에 계속 설명될 도 10 내지 도 13에 따른 예시적인 실시형태에서 그러한 것처럼, 동공에서 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 입사 동공(9)과 필터 요소(6) 사이의 경로 상에서 구현될 수 있기 때문이다.
기술적인 이유로, 필터 요소(6)를 평면 구성 요소로서 설계하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 원하는 시야 평면 평탄화는, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, (마찬가지로, 이미징 광학 장치(3)의 일부인) 추가적인 시야 렌즈(16)를 통해 구현될 수 있다. 이 경우, 도 5에 따른 예시적인 실시형태는 도 3에 따른 예시적인 실시형태의 전개예이다.
대안적으로, 비구면 렌즈(5), 평면볼록 렌즈(11), 및 시야 렌즈(16)는, 원하는 시야 평탄화를 수행하는, 적절하게 설계된 회절성 광학 렌즈(17)로 대체될 수 있다. 예를 들어, 특히 설치 공간이 매우 중요한 적용예에서 구조물이 사용되어야 하는 경우, 이는 바람직할 수 있다. 여기서, 이는 예를 들어, 스마트폰일 수 있으며, 이의 전체 두께는 예를 들어 7 mm 이하이어야 한다. 이 경우, 필터 요소(6) 상의 영상 시야는, 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 추가적인 미러 요소(18, 19)에 의해 폴딩될 수 있다. 필터 요소(6)의 경우, 상이한 반사 영상 시야 구성 요소를 위한 복수의 격자 장치가 이 경우 체적 홀로그램에서 중첩 방식으로 노출될 수 있다. 이 경우, 2개의 편향 미러(12, 13)를 통한 동공 분할 대신에, 편광 스플리터 큐브(14)가 사용된다.
도 7은 도 6에 따른 광학계(1)의 변형예를 도시하며, 회절성 광학 렌즈(17)가 더 이상 제공되지 않고, 그 결과로, 중간 영상이 필터 요소(6) 상에 더 이상 생성되지 않는다. 2개의 미러 요소(18, 19)에 의해 형성된 혼합 막대는, 도 6에 따른 예시적인 실시형태에서와 동일한 방식으로 편심으로 배치되며, 그 결과로, 대칭이 중단되고, 필터 요소(6)로 인해 유발되는 고스트 영상이 방지될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광학계(1)는, 도 8 및 도 9에 개략적으로 도시된 바와 같이, 협대역 소스 필터로 구현될 수 있다. 이 경우, 8개의 소스(Q1 내지 Q8)는, 사출 동공(10)을 둘러싸는 입사 동공(9)에 예시적인 방식으로 배치된다. 이러한 소스(Q1 내지 Q8)로부터의 광은, 반사성 필터 요소(6)에 의해 필터링된 방식으로 반사되어 사출 동공(10) 내로 이미징된다. 도시된 소스(Q1 내지 Q8)는 예를 들어, LED와 같은 실제 소스일 수 있거나, 그러한 소스의 다른 영상일 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 입사 및 사출 동공(9, 10)의 공간 배치는 전적으로 예시적인 것으로 이해되어야 한다. 입사 동공(9)이 사출 동공(10)을 둘러싸야 하는 것이 아니라, 예를 들어 사출 동공(10) 옆에 배치될 수 있다. 본질적인 것은, 사출 동공(10)을 통과하는 광을 통한 초협대역 조명이 이러한 방식으로 가능하게 된다는 점이다. 예를 들어, 개별 소스(Q1 내지 Q8)는 연속적으로 또는 선택적 방식으로 턴 온 및 오프될 수 있다(즉, 협대역 방식으로 스펙트럼 필터링될 수 있을 뿐만 아니라, 기술적으로 간단한 방식으로 함께 미러링될 수 있다).
또한, 본 발명에 따른 광학계(1)는 분광계로서 설계될 수 있다. 예를 들어, 필터 요소(6)로서 홀로그래픽 체적 격자 및 도 3에 따른 광학 구조물이 사용되는 경우, 격자의 브래그 평면은, 입사 주광선에 수직인 구면 표면 상으로 연장된다. 필터 요소가 근적외선의 파장(예를 들어, 900 nm)에 대해 작동되는 경우, 브래그 평면은, 약 450 nm/n1의 간격을 가져야 한다(n1 = 홀로그래픽 체적 격자를 위한 재료의 평균 굴절률, 약 1.52의 값). 그러나, 예를 들어, Akonia Holographics 또는 Covestro로부터 입수 가능한 바와 같은, 전형적인 홀로그래픽 재료는 가시 스펙트럼 범위로만 기록될 수 있다. 예를 들어, 500 nm의 이러한 기록 파장을 통해, 450 nm/n1의 간격으로 구면 브래그 평면을 기록하는 것은 어렵다.
따라서, 보조 홀로그램을 사용하여 홀로그래픽 체적 격자를 기록하는 것이 바람직하며, 이는 노광 구조물을 크게 단순화하고, 유연한 국부적 기록 기하학적 구조를 가능하게 한다.
이 경우, 기록될 구면 곡선형 브래그 평면을 반사성 필터 요소(6)에 적용하면, 하나의 기록 파장을 사용하여 임의의 비교적 긴 사용된 파장으로 격자를 기록하는 것이 가능하다. 또한, 도 3에 따른 광학 구조물의 결과로서, 필터 요소(6) 상에 실제 중간 영상이 존재하기 때문에, 센서(4)의 각각의 카메라 픽셀에 대해, 상이한 사용된 파장이 기록될 수 있고, 이에 따라, 예를 들어, 1D 분광 해상도의 카메라 영상을 구현하는 것이 가능하다.
또한, 초분광(hyperspectral) 이미징을 위해 사용되는 바와 같은, 보다 유연한 구조물을 기록하는 것도 가능하다. 이를 위해, 예를 들어, 상이한 사용된 파장을 갖는 센서(4)의 16개 카메라 픽셀이 상호 연결됨으로써, 16개 스펙트럼 대역을 갖는 영상 센서 요소를 형성하고, 이에 따라, 기계적 빔 편향 장치 없이, 16개 스펙트럼 샘플링 포인트를 통해 2D 해상도의 카메라 영상을 구현하는 것이 가능하다.
또한, 특히 바람직하게는, 보조 홀로그램은 체적 홀로그램으로 구성될 수 있기 때문에, 상이한 브래그 평면 밀도를 갖는 복수의 체적 격자를 각각의 포인트에 기록하는 것도 가능하며, 그 결과로, 반사성 필터 요소(6)가 다중대역 필터로서 구현될 수 있다.
예를 들어, 카메라 영상에서 좁은 스펙트럼 흡수 라인이 검출되는 경우, 각각의 제2 픽셀은 흡수 대역 위 및 아래의 각각의 1 nm 범위로부터의 합을 검출할 수 있으며, 제2 픽셀은 흡수 라인 상의 2 nm 범위를 검출할 수 있다. 이 경우, 이러한 2개의 픽셀로부터의 차 신호는, 백그라운드 흡수가 제거된 스펙트럼 라인 상의 흡수 레벨을 나타낸다.
예를 들어, 다중대역 필터가 특정 카메라 라인 영역에 대해 아다마르(Hadamard) 수열에 따라 기록된 경우, 기술적으로 간단한 방식으로 초고속 아다마르 분광계를 구현하는 것이 가능하다. 즉, 아다마르 마스크의 다양한 전환 상태의 시간 멀티플렉싱은, 다양한 라인별 코드의 동시 포착에 의해 1차원으로 대체된다. 대안적으로, 동적 마스크를 구현하기 위해, 전환 가능한 홀로그램 어레이가 필터 요소(6)의 필터 평면에 사용될 수 있다. 이에 따라, 특히 FLIR 마이크로 볼로미터(microbolometer) 어레이와 조합하여, 저비용의 분광계를 구현할 수 있다. 실리콘 또는 인듐 갈륨 비소 센서와 비교하여, 400 nm 내지 2000 nm의 광을 검출하는 경우 마이크로 볼로미터 어레이의 현저하게 더 낮은 감도는, 아다마르 분광법으로부터의 현저하게 더 높은 광도에 의해 보정될 수 있다.
Covestro의 재료는, 이들이 투과성인 스펙트럼 영역(예를 들어, 400 내지 2000 nm)의 모든 적용예를 위해 적합하다.
또한, 인덱스-변조 가능한(index-modulable) 안경의 전개예에서 가능한 대안이 있다. 이러한 무기 재료는, 더 큰 온도 안정성, 그리고 화학적 및 기계적 안정성을 보장한다. 그러나, 이러한 안경에서 유도될 수 있는 최대 굴절률 차는, 현재 여전히 폴리머 재료보다 더 작다. 그러나, 본원에 설명된 적용예의 경우, 현저하게 더 낮은 굴절률 차로 충분하기 때문에, 그러한 기록 가능한 안경은, 반사성 필터 요소(6)를 구현하기 위한 옵션이다.
아다마르 분광계와 더불어, FTIR 분광계가 본 발명에 따른 예시된 교시에 의해 구현될 수도 있다. 체적 격자가 국부적인 것으로 간주되는 경우, 입사 광원은 브래그 구조물에서 다시 반사된다. 각각의 브래그 평면은, 특정 위상각으로 후방 반사된 전계 강도(field strength) 성분을 발생시킨다. 필터 요소(6)의 하나의 포인트에서 다시 반사된 최대 전계 강도 벡터는, 필터 요소(6)의 모든 깊이에 걸친 이들의 상대 위상각과의 후방 산란된 전계 강도 벡터의 적분인 것으로 판명된다. 이 경우, 후방 산란된 광 성분의 스펙트럼 분포는, 필터 요소의 다양한 깊이에 걸친 굴절률 분포의 푸리에 변환인 것으로 판명된다. 굴절률이 깊이에 걸친 정현파 변조를 받는 경우, 정확히 하나의 파장이 다시 반사된다. 이 경우, 필터 요소(6)의 전체 두께의 수학적 윈도우 함수 또는 변조 주기의 수는, 후방 산란된 방사선의 주파수 대역폭을 결정한다.
분광법에서 푸리에 변환 IR 분광계로 기술적으로 구현되는 바와 같은, 푸리에 수열은 아다마르 수열과 매우 유사한 접근법을 형성한다. 필터 요소(6)의 깊이 함수가 서로 일정한 거리에 있는 2개의 얇은 부분 반사 면에 해당하는 경우, 이는 후방 반사파의 스펙트럼으로서 정현파 변조된 스펙트럼 강도를 갖는 광대역 분포를 산출한다. 이러한 변조의 주기는, 2개의 부분 반사 면 사이의 거리에 비례한다. 결과적으로, 도 10에 따라 구현된 구조물을 통해, 가동부 없이 FTIR 분광법을 구현하는 것이 가능하다.
도 10에 따른 실시형태에서, 필터 요소(6)는, 부분 반사성 곡선형 요소(30) 및 이로부터 거리를 두고 배치된 계단형 미러(31)를 갖는 이중 반사기로서 설계되며, 도 10에서 요소(30 및 31)의 도시는 계단형 미러(31)를 표현할 수 있도록 하기 위해 매우 과장되어 있고, 진정하게 일정한 비율이 아니다. 강도 또는 편광 분할을 위한 빔 스플리터 플레이트(32)는, 입사 동공(9)과 필터 요소(6) 사이의 경로 상에 제공된다. 이 경우, 도 10에 도시된 예시적인 실시형태에서, 제2 부분적 광학 장치(8)는 3개의 렌즈(33, 34 및 35)를 가지며, 사출 동공(10)은 렌즈(34 및 35) 사이에 위치된다.
도 10에 도시된 기본 설계에서, 제1 부분적 광학 장치(5)는, 필터 요소(6) 상에 중간 영상을 생성하기 위해 입사 동공(9)에 배치된다. 그러나, 필터 요소(6) 상의 중간 영상의 생성이 요구되지 않는 경우, 제1 부분적 광학 장치(5)가 생략될 수도 있다. 또한, 공간 해상도 및 분광 해상도의 장치가 요구되는 경우, 필터 요소(6) 상에 중간 영상을 생성하기 위해, 또는 물체 시야를 균일화하기 위해, 예를 들어, 입사 동공(9)의 상류 및/또는 하류의 추가적인 렌즈에 의해, 도 10에 따른 기본 설계가 가변될 수 있다(예를 들어, 이 경우, 제1 부분적 광학 장치(5)가 생략될 수 있다). 하나의 아암을 유발하는, 도 10에 도시된 바와 같은 2개의 요소(30 및 31)의 배치와 더불어, 2개의 요소(30 및 31)는, 도 12 및 도 13에 개략적으로 도시된 바와 같은 2개의 상이한 아암으로 배치될 수 있다.
위상 지연(retardation) 경로가 각각의 검출기 픽셀에 대해 개별적으로 한정될 수 있다. 동시에, 필터 요소(6)의 동공 이미징은, 방해받지 않는 방식으로 유지되어야 한다. 인접한 픽셀의 위상 지연 길이 간에 매우 작은 차만이 구현되어야 하는 경우, 2개의 반사 평면은 서로에 대하여 약간의 기울기로 배치될 수 있으므로, 영상 시야에 걸쳐서 선형으로 위상 지연 경로를 가변시킬 수 있다. 그러나, 위상 지연 경로의 비교적 큰 구배가 구현되어야 하는 경우, 동공 이미징 품질이 동시에 저하될 수 없도록 하기 위해, 2개의 반사 요소 중 적어도 하나가 계단형 방식으로 구현될 필요가 있다. 픽셀에 대해 국부적으로, 2개의 면은, 동공의 중심에 곡률 중심이 있는 구면 곡선형 형상을 갖는다. 두 반사 면이 모두 계단형 방식으로 구현되는 경우, 필터 요소의 거시적인 아치 형상(macroscopic arching)은, 후속 광학 장치의 시야 곡률에 더 잘 맞춰질 수 있다.
도 10에 도시된 분광계에서, 각각의 카메라 픽셀은, 특정 위상 지연 경로에 대한 대략적으로 2광선속 간섭(two-beam interference)을 받는다. 주변 환경의 분광 해상도 영상을 기록하기 위해, 분광계는, 제2 방향으로 공간 해상도(및 분광 해상도 방식으로의 후자)를 또한 달성하도록 제2 방향으로 물체에 걸쳐서 스캔되어야 한다. 예를 들어, 이는 추가적인 기계적 스캐닝 장치(도시되지 않음)에 의해 달성될 수 있다. 공기 매개(airborne) 이미징 분광계의 경우, 스캔은 분광계의 공기 매개 운동에 의해 구현될 수 있다.
이러한 분광계를 사용하여, 수동 태양광 조명으로 비교적 긴 측정 거리에 걸쳐서 스펙트럼 영상을 기록하는 경우, 태양광 기준 스펙트럼이 백색 확산 플레이트(36)(도 11 참조)를 통해 영상 에지에 동시에 기록될 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 필터 요소(6)의 후방 산란 특성은, 2광선속 간섭과 정확히 일치하는 것이 아니라, 오히려 매우 낮은 품질 계수를 갖는 패브리-페로 간섭계의 다중빔 간섭과 정확히 일치한다. 그러나, 평가 동안, 이러한 특성이 고려되어 보정될 수 있다. 또한, 후면 상에 부분적으로 미러링되는 전방 요소(30)(예를 들어, 메니스커스(meniscus) 렌즈(30))는, 전체 스펙트럼 특성에 영향을 주는 전방측 반사를 갖는다. 그러나, 메니스커스 렌즈(30)가 제2 계단형 요소(31)(또는 계단형 미러(31))에 대한 최대 갭 폭보다 현저하게 더 두꺼운 경우, 이로 인해 유발되는 초고속 스펙트럼 변조가 해상될 수 없으므로, 오프셋 감산에 의해 보정될 수 없다.
대안적으로, 도 12에 도시된 바와 같은 구조물의 변형예가 사용될 수도 있다. 이러한 변형예에서, 2개의 분할 간섭계 아암(25, 26)이 생성되도록, 강도 분할 또는 편광 분할을 구현할 수 있는 빔 스플리터 플레이트(32)가 사용된다. 메니스커스 렌즈(30) 대신에, 구면 미러(27)가 제1 간섭계 아암(25)에 배치된다. 계단형 미러(31)(개략적으로 도시됨)는 제2 간섭계 아암(26)에 제공된다. 이 경우에도, 구면 미러(27) 및 계단형 미러(31)는 필터 요소(6)를 형성한다. 물론, 아암(25, 26)은 상호 교환된 방식으로 배치될 수도 있다. 또한, 두 요소(27 및 31) 모두가 각각의 경우 계단형 미러로 구현되는 것이 가능하다.
바람직하게는, 계단형 미러 또는 계단형 요소(31)는 전체 전면에 걸쳐서 미러링됨으로써, 이는 금속, 플라스틱, 또는 유리와 같은 임의의 원하는 재료로 제조될 수 있다. 이는 구면 미러(27)에도 동일하게 적용된다.
편광 분할의 구현을 위해, λ/4의 위상 지연을 갖는 광학적 리타더(retarder) 플레이트 및 편광 빔 스플리터가 필요하다. 최대 16 ㎛의 중간-적외선 범위의 파장까지 초광대역 분광계를 구현하기 위해, 종래기술에서 알려진 바와 같이, 와이어 그리드 코팅을 통한 광대역-편광 코팅을 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 2 ㎛의 파장 초과의 광대역 리타더 플레이트가 없으므로, 특히 분광계 배치를 위해 강도 분할이 바람직하다. 이 경우, 도 12에 도시된 바와 같은 개별 미러링된 아암을 통한 이러한 강도 분할은, 보다 용이하게 평가 가능한 방해받지 않는 2광선속 간섭 및 이중 효율의 이점을 갖는다.
제한된 IR 투과율을 갖는 체적 홀로그램 폴리머가 필터 요소(6)로서 사용되는 것이 아니라, 광학적으로 유효한 에어 갭만이 사용되기 때문에, 나머지 구성 요소의 광학 재료를 적절히 선택하는 경우, 사용 가능한 스펙트럼 범위가 UV 범위(자외선 범위)로부터 MIR(중간 적외선)로 연장될 수 있다.
각각의 센서 요소를 통해 전체 입사 스펙트럼 휘도의 약 절반을 기록할 수 있는, FTIR과 같은 매우 감응성 분광계 원리, 및 동시에, 1.5 미만의 큰 f 수를 갖는 매우 감응성 카메라 광학 장치를 통해 높은 분광 해상도를 구현할 수 있는 기본 원리는, 더 낮은 감도를 갖는 센서 요소를 또한 가능하게 한다. 예를 들어, 마이크로 볼로미터를 검출기로서 사용하는 것이 가능하므로, 투과성 광학 요소가 해당 투과율을 갖는 경우(예를 들어, 아연 셀레나이트로 제조되는 경우), 600 nm 내지 약 16 ㎛의 스펙트럼 범위를 사용하는 것이 가능하다.
영상에 스펙트럼을 기록하는, 공간 해상도가 없는 저비용 IR 분광계가 구현되어야 하는 경우, 도 13에 따른 구조물이 바람직하다. 도 13에 따른 구조물은, 제한된 픽셀 해상도를 갖는 2차원 공간 해상도 센서의 사용을 위해 최적화된다. 말하자면 쾰러(Koehler) 유형으로 제공되고, 도 13에 도시된 바와 같이, "쾰러 렌즈"로 알려진 것으로서 실질적으로 작용하는, (이 경우 물체 공간에서 입사 동공(9)의 상류의) 렌즈(5)에 의한 조명을 통해, 주변 환경으로부터 입사하는 광이 적어도 각도 스펙트럼에 걸쳐서 균일화될 수 있다. 또한, 광학 장치에 의한, (예를 들어, 시야 및 구경에서) 예를 들어 이중 렌즈 어레이(도시되지 않음)에 의한, 임의의 다른 유형의 균일화도 가능하다. 이러한 유형의 균일화는 당업자에게 알려져 있다.
개략적으로 도시된 계단형 미러(31)는, 도면의 상부로부터 하부로의 방향으로 계단형이며, 도면의 평면에 수직인 방향으로 경사지므로, 쐐기 형상의 에어 갭이 이러한 방향으로 발생한다. 바람직하게는, 쐐기 특성이 설정됨으로써, 영상 시야 에지 상의 갭 폭은 제2 방향으로의 계단 높이와 대략적으로 일치하므로, 경로 길이 차가 검출기(4)에 걸쳐서 2차원 방식으로 분포된다.
앞서 설명된 광학계에서, 필터 요소(6)는 항상 반사성 필터 요소(6)이다. 그러나, 필터 요소(6)를 투과성 필터 요소(6)로서 설계하는 것도 동일하게 가능하다.
투과성 필터 요소(6)를 갖는 이러한 광학계(1)의 예시적인 실시형태는 도 14에 도시되며, 이 경우, 입사 동공(9)과 사출 동공(10) 사이에 개략적으로 도시된 수렴 렌즈(37 및 38)를 갖는 제1 부분적 광학 장치(5)가 설계됨으로써, 입사 동공(9)을 통과하는 발산되게 전파되는 빔이 수렴 렌즈(37)에 의해 평행하게 되어 필터 요소(6) 상에 이미징되므로, 공간 해상도 및 분광 해상도의 분광계 배치가 구현될 수 있다. 투과성 필터 요소(6)를 통과한 후에, 빔은 집속되고, 사출 동공(10)을 포함하는 제2 부분적 광학 장치(8)를 통과한 다음, 검출기(4)에 부딪친다.
제1 부분적 광학 장치(5)의 설명된 실시형태로 인해, 패브리-페로 필터 요소(6)의 위상 지연 경로가 각각의 검출기 픽셀에 대해 개별적으로 한정될 수 있다.
따라서, 도 14에 따른 분광계 배치 또는 분광계는, 도 10에 따른 분광계에 대한 투과성 필터 변형예로도 지칭될 수 있다.
도 14에 따른 분광계의 공간 해상도가 요구되지 않거나 바람직하지 않는 경우, 예를 들어, 광학적 균일화 요소(39)가 입사 동공(9)의 영역에 위치될 수 있으며, 그 결과로, 투과성 필터 요소(6)를 통해 투과되는 전적으로 분광 해상도 분광계가 제공된다.
도 16은 투과성 필터 요소(6)가 제공되는 경우, 본 발명에 따른 광학계(1)의 추가적인 예시적인 실시형태를 도시한다. 도 16에 따른 예시적인 실시형태에서, 입사 동공(9) 및 사출 동공(10)의 완전한 중첩이 있으며(이들은 여기에 설명된 예시적인 실시형태에서 일치함), 입사 동공(9)은 가상 입사 동공이다.
투과성 필터 요소(6)는 여기서 (바람직하게는 구면 곡률을 갖는) 곡선형 방식으로 구현되며, 투과율로 필터링한다. 예를 들어, 투과성 필터 요소(6)는 금속 간섭 필터로서 구현될 수 있다. 이를 위해, (예를 들어, 1 ㎛ 이하의 두께를 갖는, 예를 들어 10 내지 200 nm 범위의 두께를 갖는) 얇은 금속 층이 이색성 스페이서 층과 교대하는 방식으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 이러한 투과성 필터가 가시 스펙트럼 범위에 대해 제공되어야 하는 경우, 은 층이 사용될 수 있다. 금 층이 사용되는 경우, 투과성 필터 요소(6)가 적외선 범위 또는 근적외선 스펙트럼 범위에 대해 설계되는 것이 특히 바람직하다.
또한, 금속 간섭 층을 갖는 하이브리드 필터가 제공될 수 있다. 또한, 전적으로 이색성으로 코팅된 필터 요소(6)가 제공될 수 있다.
또한, 투과성 필터 요소(6)는 체적 홀로그램으로 설계될 수 있거나, 적어도 하나의 체적 홀로그램 층을 포함할 수 있다. 이들은 반사성 필터 요소(6)의 체적 홀로그램 실시형태와 동일하거나 유사할 수 있다. 특히, 바람직하게는 입사 동공(9) 및/또는 사출 동공(10)과 관련하여 존재하는, 투과성 필터 요소(6)의 구면 곡률과 상이한 곡률을 투과성 필터 요소(6)에 제공하는 것이 가능하다. 또한, 투과성 필터 요소(6)는 평면형 실시형태를 가질 수 있다.

Claims (22)

  1. 광학계로서,
    제1 개구부 직경(D1)을 갖는 입사 동공(9);
    사출 동공(10); 및
    상기 입사 동공(9)으로부터 이격된 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)를 포함하며,
    상기 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)는, 제2 직경(D2)이 빔에 의해 상기 필터 요소(6) 상에 조명되도록 설계 및 배치되고, 상기 빔은 상기 입사 동공(9)을 통과하여 후자로부터 발산되게 전파되며,
    상기 제2 직경(D2)은 상기 제1 개구부 직경(D1)의 n배에 해당하고, n은 1보다 더 큰 수이며,
    그 결과로, 상기 필터 요소(6)의 각각의 포인트에서의 국부적 각도 스펙트럼은, 상기 입사 동공(9)에 비하여 n배 더 작고,
    각각의 포인트에서의 상기 필터 요소(6)는, 미리 결정된 스펙트럼 범위만을 상기 사출 동공(10)으로 선택적으로 반사시키거나 투과시키며,
    이미징 광학 장치(3)가 제공되고, 상기 이미징 광학 장치(3)는 상기 필터 요소(6)를 포함하며, 상기 사출 동공(10) 상에 상기 입사 동공(9)을 이미징하는,
    광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필터 요소(6)는, 상기 입사 동공(9)으로부터 상기 필터 요소(6)로의 방향으로, 구조화된 실시형태를 갖는, 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터 요소(6)는, 상기 입사 동공(9)으로부터 상기 필터 요소(6)로의 상기 방향으로, 연속적으로 배치된 곡선형 필터 층을 각각의 경우 포함하는, 광학계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터 층은 구면 곡선형이며, 이들의 곡률 중심은, 각각의 경우 상기 필터 요소(6)보다 상기 입사 동공(9)에 더 가깝게 위치되는, 광학계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 필터 층의 상기 곡률 중심은 일치하며 상기 입사 동공(9)에 위치되는, 광학계.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 광학 장치는, 가능한 대로 제공된 편향 미러로부터 이격된 상기 필터 요소(6)만을 포함하는, 광학계.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입사 및 사출 동공(9, 10)은 적어도 부분적으로 중첩되는, 광학계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 부분적인 중첩은 강도 및/또는 편광 스플리터(32)에 의해 구현되는, 광학계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 강도 및/또는 편광 스플리터(32)는, 상기 입사 동공(9) 또는 상기 사출 동공(10)이 상기 강도 및/또는 편광 스플리터(32)를 통하여 연장되지 않도록 배치되는, 광학계.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 요소(6)에 의해 상기 사출 동공(10) 상에 이미징되는 복수의 입사 동공(9)이 제공되는, 광학계.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터 요소(6)는, 투명 스페이서 층을 갖는, 체적 격자, 이색성 층 적층물, 및/또는 반사 층을 포함하는, 광학계.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)는, 상이한 영상 시야 구성 요소가 반사되거나 투과되어, 체적 홀로그램에서 중첩 방식으로 노출되기 위한 복수의 격자 장치를 포함하는, 광학계.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)는, 복수의 구면 곡선형 브래그 평면을 갖는 체적 홀로그램을 포함하는, 광학계.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사성 또는 투과성 필터 요소(6)는 복수의 전환 가능한 홀로그램을 포함하는, 광학계.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    연장된 광원, 또는 연장된 광원의 실제 영상이 상기 입사 동공(9)에 위치되는, 광학계.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 경로를 폴딩하기 위한 적어도 하나의 미러 요소(7)가 입사 및 사출 동공(9, 10) 사이에 배치되는, 광학계.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미징 광학 장치(3)는, 상기 필터 요소(6) 상에 또는 상기 필터 요소(6)의 상류에 물체의 실제 중간 영상을 생성하기 위해, 상기 필터 요소(6)의 상류에 적어도 하나의 추가적인 광학 요소(16)를 포함하는, 광학계.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    시야 및/또는 구경 면에 있어서 완전한 또는 부분적인 균일화를 야기하기 위해, 적어도 하나의 추가적인 광학 요소가 상기 필터 요소(6)의 상류에 배치되는, 광학계.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    카메라의 형태인, 광학계.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 카메라는 초분광 카메라의 형태인, 광학계.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    분광계의 형태인, 광학계.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    전환 가능한 광원의 형태인, 광학계.
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