KR20230117442A - 3 개의 미러를 포함하는 이미징 광학 시스템 - Google Patents

3 개의 미러를 포함하는 이미징 광학 시스템 Download PDF

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KR20230117442A
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ray
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KR1020237023915A
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루이스 듀보
기욤 드뤼아르
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오피스 내셔널 드뚜드데 에 드 르셰세 에어로스페시알르
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Abstract

3 개의 미러(M1, M2, M3)를 포함하는 이미징 광학 시스템(1)은 큰 필드, 높은 개구수, 및 우수한 시스템 콤팩트성을 가능하게 하면서 시스템의 이미지 센서(2)에 도달할 수 있는 미광을 차단하도록 맞춰진 구성을 갖는다. 이 시스템은 또한 상기 시스템의 광학 입사구의 양측에 하나씩 배치된 2 개의 입사 배플(11, 12)을 포함할 수 있다. 상기 2 개의 입사 배플의 기능은 각각의 캡처된 이미지에 유용한 입사 필드로부터 각도적으로 이격된 필드로부터 유래하는 광선을 차단하는 데 한정될 수 있다. 따라서 2 개의 입사 배플은 상류측 길이를 단축할 수 있고, 따라서 시스템은 작은 크기를 가질 수 있다.

Description

3 개의 미러를 포함하는 이미징 광학 시스템
본 개시는 3 개의 미러를 포함하는 이미징 광학 시스템, 및 이러한 시스템을 포함하는 옵트론 이미징 장치(optronic imaging device)에 관한 것이다.
3 개의 미러를 포함하는 이미징 광학 시스템은 많은 용도에 사용된다. 특히, 이 시스템은 망원경형 시스템일 수 있고, 논문 "Concurrent engineering of a next-generation freeform telescope: optical design"(by A. Bauer et al., Proc. of SPIE, Vol. 10998, May 14, 2019, pp. 109980W-1 to 109980W-8)은 각각 3 개의 자유형 미러로 구성된 여러 가지 새로운 구성의 이미징 광학 시스템을 제안한다. 이미징 광학 시스템에 관한 일반적인 과제는 특히 그 크기, 및 미러에 의해 형성되는 이미지 상에 중첩되는 미광(stray light)의 양을 저감하는 가능성이다. 이러한 이미징 광학 시스템의 이미지 센서에 도달하는 미광의 양을 줄이기 위해 적절한 방식으로 배치된 하나 이상의 배플(baffle)을 사용하는 것이 일반적이지만, 이들 배플 중 일부, 특히 가장 효율적인 배플은 시스템의 크기를 상당히 증가시킨다. 이러한 배플은 그 크기를 증가시키는 것에 더하여 복수의 연속 이미지로 캡처되는 대형 장면(scene)을 스캔하기 위해 적용되는 회전 중에 이미징 광학 시스템의 회전 관성을 증가시킨다. 높은 각가속도를 수반하는 이미징 광학 시스템의 고속 회전을 필요로 하는 이미징 광학 시스템의 용도 중 하나는 항공기, 예를 들면, 헬리콥터나 드론에 탑재되는 감시 및 검출용 옵트론 포드(optronic pod)의 공급이다. 그러므로 캡처된 이미지 중의 미광의 레벨을 낮춤과 동시에 이미징 광학 시스템에 결합되는 배플을 가능한 한 작게 하는 것이 중요하다.
도 1은 위에서 인용된 A. Bauer 등의 논문에 언급되어 있는 구성 중 하나의 다이어그램이다. 전체적으로 참조번호 1로 표시되어 있는 이러한 이미징 광학 시스템은 M1으로 표시된 1차 미러, M2로 표시된 2차 미러, 및 M3으로 표시된 3차 미러를 포함하는 3 개의 미러를 포함하는 유형의 것이다. 이들 미러는 시스템의 입사 필드(entrance field)에 위치한 장면으로부터 유래하는 광선이 먼저 미러 M1에 의해, 다음에 미러 M2에 의해, 다음에 미러 M3에 의해 반사되어, PF로 표시된 시스템의 초점면에 장면의 이미지를 형성하도록 조정 및 배치된다. 따라서, 장면으로부터 유래하여 이미지를 형성하는 데 기여하는 모든 광선은 미러 M1의 상류의 초기 세그먼트, 미러 M1과 미러 M2 사이의 중간 광선 세그먼트, 미러 M2와 미러 M3 사이의 제 2 중간 광선 세그먼트, 및 미러 M3과 초점면(PF) 사이의 말단 광선 세그먼트로 분할된다. 2차 미러(M2)는 볼록할 수 있고, 3차 미러(M3)는 오목할 수 있다. 1차 미러(M1)의 곡률 방향은 이 미러의 위치에 따라 달라질 수 있다. 3 개의 미러(M1, M2, M3)는 자유형 반사면을 갖는다. 알려진 방법에서, 자유형 표면은 회전 대칭성을 갖는 어떤 표면에도 포함되지 않는 것이다.
이 설명의 전체를 통해, 상류 및 하류라는 용어는 장면으로부터 유래하고 초점면(PF)에서 이미지를 형성하는 광선의 전파 방향에 대해 정의된다. 또한, 부기저 광선(parabasal ray) 또는 칩 광선(chief ray)이라는 용어는 장면으로부터 유래하고, 시스템(1)의 입사 퓨필(entrance pupil)의 중심을 통과함으로써 초점면(PF)의 이미지에 기여하고, 시스템의 광축에 대해 0의 각도 편차를 갖는 광선을 지칭하기 위해 사용된다. 도 1에서, 부기저 광선은 참조 RP로 표시되고, 그 초기 세그먼트는 참조 RP0로 표시되고, 그 제 1 및 제 2 중간 세그먼트는 각각 참조 RP1 및 RP2로 표시되고, 그 말단 세그먼트는 참조 RP3로 표시된다. 시스템(1)의 입사 필드의 경계에 위치하는 장면의 요소로부터 유래하고, 이 시스템의 입사 퓨필의 에지를 통과하는 광선은 필드 에지 주변 광선이라고 부른다.
도 1의 시스템에서, 미러 M1 및 미러 M2는 부기저 광선(RP)의 제 2 중간 세그먼트(RP2)가 그 초기 세그먼트(RP0)와 교차하도록 배향된다. 미러 M1 및 미러 M2의 이러한 구성을 α 구성이라고 부른다. 또한, 미러 M2 및 미러 M3은 부기저 광선(RP)의 말단 세그먼트(RP3)가 미러 M2에 대한 미러 M1의 횡방향 오프셋과는 반대인 미러 M2의 횡방향 측면을 통과하도록 배향된다. 이러한 방식으로, 부기저 광선(RP)의 말단 세그먼트(RP3)는 그 광선의 제 1 중간 세그먼트(RP1)와 교차하지 않는다. 미러 M2 및 미러 M3의 이러한 구성을 z 구성이라고 부른다. 따라서, 시스템(1)은 α-z 구성이라고 부르는 전체적인 광학 구성을 갖는다.
시스템 1은 이미지 센서의 광감응면(S)이 초점면(PF)에 중첩하도록 배치된 이미지 센서(2)를 더 포함한다. 광감응면(S)은 상류 경계(LAM)로부터 하류 경계(LAV)까지 연장하고, 이미지 센서(2)의 상류 경계(LAM)와 하류 경계(LAV)는 부기저 광선의 초기 세그먼트(RP0) 상으로의 이들 경계의 각각의 투사에 관련하여, 그리고 이 초기 세그먼트 내에서 부기저 광선(RP)의 전파 방향에 관련하여 획정된다.
이와 같은 상황으로부터 본 발명의 목적은 이미지 센서에 도달하는 미광의 양을 저감시킨 새로운 이미징 광학 시스템을 제안하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 이미징 광학 시스템이 작은 크기를 갖도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 추가의 목적은 이미징 광학 시스템이 큰 입사 필드를 가질 수 있고 및/또는 큰 입사 퓨필을 가질 수 있는 것이다.
본 발명의 다른 추가의 목적은 이미징 광학 시스템을 저비용으로 제조할 수 있는 것이다.
이들 목적 및 기타 목적들 중 적어도 하나를 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 양태는 위에서 설명한 유형의 3 개의 미러를 포함하는 이미징 광학 시스템을 제안하며, 여기서 2차 미러 및 3차 미러는 이미지 센서의 광감응면의 상류 경계가 1차 미러의 상류 에지를 2차 미러의 상류 에지에, 또는 2차 미러를 둘러싸는 스크린의 상류 에지에 연결하는 직선에 대해 하류로 오프셋되도록 배향된다. 이러한 방식으로, 2차 미러 또는 이것을 둘러싸고 있는 스크린은 1차 미러로부터 이미지 센서의 광감응면까지 직접 직선으로 전파할 수 있는 광선을 차단한다.
상기 관례에 따르면, 1차 미러 및 2차 미러의 각각의 상류 에지 및 하류 에지는 부기저 광선의 초기 세그먼트 상으로의 각각의 투사와 관련하여, 그리고 이 초기 세그먼트에서 부기저 광선의 전파 방향과 관련하여 획정된다. 마찬가지로, 이미지 센서의 광감응면의 상류 경계의 하류 오프셋은 부기저 광선의 초기 세그먼트에 평행하고, 또한 이 초기 세그먼트에서 부기저 광선의 전파 방향에 따라 배향된다.
따라서, 2차 미러가 이미지 센서와 1차 미러 사이에 위치하는 시스템의 이러한 구성은 1차 미러로부터 직접 이미지 센서에 도달할 수 있는 미광, 특히 시스템의 광학 입사구를 통해 입사되어 1차 미러에 의해 이미지 센서를 향해 반사되는 광선을 차단하는 것이 가능하게 한다.
본 발명의 개선에 따르면, 이 시스템은 3차 미러의 반대측에서 이미지 센서와 동일한 입사 필드의 제 1 측에서 제 1 필드 에지 주변 광선의 초기 세그먼트에 중첩되는 제 1 입사 배플을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 이 제 1 입사 배플은 제 2 필드 에지 주변 광선의 말단 세그먼트에 결합되는 하류 에지를 가질 수 있다. 이들 제 2 필드 에지 주변 광선은 시스템 내로 입사하여 이미지를 형성하는 광선의 빔에서, 특히 시스템이 3 개의 미러에 대해 공통인 대칭면을 갖는 경우에, 제 1 필드 에지 주변 광선에 대향할 수 있다. 이러한 제 1 입사 배플은 이미지 센서를 향해 직접 배향된 그 광학 입사구를 통해 시스템 내로 입사할 수 있는 광의 일부를 차단한다. 또한, 이 제 1 입사 배플은 제 1 입사 배플의 상류 에지가 그 광학 입사구를 통해 3차 미러를 향해 시스템 내로 입사할 수 있고, 이 3차 미러에 의해 이미지 센서를 향해 반사될 수 있는 광선을 차단하도록 그 하류 에지로부터 출발하는 길이를 가질 수 있다.
이미지 센서의 광감응면의 상류 경계가 1차 미러 및 2차 미러의 각각의 상류 에지를 연결하는 직선에 대해 하류로 오프셋되어 있는 본 발명의 특징의 덕분으로, 제 1 입사 배플은 제 1 필드 에지 주변 광선의 초기 세그먼트에 평행한 감소된 길이를 가질 수 있다. 따라서 제 1 입사 배플을 포함하는 시스템의 크기는 축소된다.
본 발명의 상보적 개선에 따르면, 이 시스템은 이미지 센서의 반대측에서 3차 미러와 동일한 입사 필드의 제 2 측에서 제 2 필드 에지 주변 광선의 초기 세그먼트에 중첩되는 제 2 입사 배플을 더 포함할 수 있다. 그리고, 이 제 2 입사 배플은 3차 미러의 상류 에지에 연결되거나, 이 3차 미러를 둘러싸는 스크린에 연결되거나, 3차 미러를 위한 불투명 마운트에 연결되는 하류 에지를 가질 수 있다. 대안적으로, 제 2 입사 배플의 하류 에지는 이미지 센서의 광감응면의 상류 경계를 제 1 입사 배플의 하류 에지에 연결하는 직선의 하류에 위치할 수 있다. 이러한 제 2 입사 배플은 또한 이미지 센서를 향해 직접 지향된 그 광학 입사구를 통해 시스템 내로 입사할 수 있는 광을 감소시킨다.
바람직하게는, 제 2 입사 배플은 제 1 입사 배플의 하류 에지를 이미지 센서의 광감응면의 하류 경계에 연결하는 직선의 상류에 위치하는 상류 에지를 가질 수 있다. 따라서, 제 1 입사 배플 및 제 2 입사 배플은 이미지 센서를 향해 또는 3차 미러를 향해 직접 지향되는 그 광학 입사구를 통해 시스템 내로 입사할 수 있는 모든 광선을 차단하도록 협동한다.
다시 이미지 센서의 광감응면의 상류 경계가 1차 미러 및 2차 미러의 각각의 상류 에지를 연결하는 직선에 대해 하류로 오프셋되어 있는 본 발명의 특징의 덕분으로, 제 2 입사 배플은 제 2 필드 에지 주변 광선의 초기 세그먼트에 평행한 감소된 길이를 가질 수 있다. 따라서 제 2 입사 배플을 포함하는 시스템의 크기도 또한 축소된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에서, 이하의 추가적 특징 중 적어도 하나는 단독으로 또는 복수의 조합으로 선택적으로 재현될 수 있다:
- 1차 미러, 2차 미러, 및 3차 미러 중 적어도 하나는 자유형 반사면을 가질 수 있다;
- 이미지 센서의 길이방향 치수는 시스템의 제 1 시야각을 결정하며, 이 시스템은 이 제 1 시야각이 9° 이상, 바람직하게는 18° 이상이 되도록 조정될 수 있다. 따라서, 시스템의 입사 필드는 커질 수 있고, 바람직하게는 45° 미만일 수 있다;
- 이미지 센서는 매트릭스 배치를 가질 수 있고, 이 경우에 이미지 센서의 길이방향 치수에 수직인 횡방향 치수는 시스템의 제 2 시야각을 결정한다. 이 경우, 시스템은 또한 제 2 시야각이 12° 이상, 바람직하게는 24° 이상, 바람직하게는 60° 미만이 되도록 조정될 수 있다;
- 시스템은 5 미만, 바람직하게는 2 미만의 개구수 값(N)을 가질 수 있고, 개구수(N)는 f/D와 같고, 여기서 f는 시스템의 초점 거리이고, D는 시스템의 입사 퓨필의 치수이다. 따라서, 개구수(N)의 값은 시스템의 입사 퓨필이 커지게 되도록 할 수 있다;
- 초점 거리(f)의 값은 100 mm 이하, 바람직하게는 20 mm 이하, 그리고 2 mm 초과일 수 있다;
- 이미지 센서는 장면으로부터 유래하는 광선의 파장 값에서 360 nm(나노미터) 내지 14 μm(마이크로미터)까지 연장하는 스펙트럼 구간의 적어도 일부에 대해 민감성을 갖는 유형의 것일 수 있다. 특히, 이미지 센서는 볼로미터 또는 마이크로볼로미터 유형의 열 센서일 수 있다;
- 시스템은 퓨필 다이어프램을 더 포함하고, 이 퓨필 다이어프램은 1차 미러에 또는 3차 미러에, 바람직하게는 3차 미러에 위치할 수 있다. 퓨필 다이어프램의 이들 2 개의 위치의 경우, 단순한 형상, 특히 원형, 정사각형 또는 직사각형의 개구를 가질 수 있다. 또한, 그 크기는 3차 미러에 위치하는 경우에는 더 작아진다. 유리하게는, 퓨필 다이어프램은 1차 미러 또는 3차 미러의 주변 에지에 의해 형성될 수 있다;
- 시스템은 3차 미러와 이미지 센서 사이에 배치되는 스펙트럼 분리 장치를 더 포함하고, 시스템의 초점면의 이미지에 배치되는 추가의 이미지 센서를 더 포함하고, 이 이미지는 스펙트럼 분리 장치에 의해 형성된다;
- 1차 미러, 2차 미러, 및 3차 미러는 시스템의 초점 거리(f) 값의 2 배 내지 6 배의 직경을 갖는 구(sphere) 내에 수용될 수 있다;
- 1차 미러, 2차 미러, 및 3차 미러 중 적어도 하나는
사출된 폴리머 기반의 재료로 만들어진 강성 부분, 및 선택적으로 반사 금속층을 포함할 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 제 2 양태는 전술한 제 1 양태에 따른 시스템을 포함하는 옵트론 이미징 장치(optronic imaging device)를 제안한다. 이 장치는 공중 차량 호밍(homing) 장치, 열 카메라, 시각 보조 장치, 및 감시 및 검출용 옵트론 포드(optronic pod)일 수 있으며, 이들에 한정되지 않는다.
본 발명의 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조한 이하의 비제한적인 일부의 실시형태의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명 이전에 알려진 이미징 광학 시스템의 광학도이고;
도 2는 본 발명에 따른 이미징 광학 시스템의 광학도이고;
도 3a는 본 발명의 특징을 예시하는 도 2의 대응도이고;
도 3b는 본 발명의 다른 특징을 예시하기 위한 도 3a의 대응도이고;
도 4는 본 발명의 개선을 위한 도 2의 대응도이고;
도 5는 도 2의 시스템을 포함하는 옵트론 이미징 장치를 도시한다.
명확히 하기 위해, 이들 도면에 도시된 요소들의 치수는 실제 치수 또는 실체 치수 비율에 대응하지 않는다. 또한, 상이한 도면에 표시된 동일한 참조부호는 동일하거나 동일한 기능을 갖는 요소를 나타낸다. 이러한 대칭성은 본 발명에 필수적인 것은 아니지만 도면의 평면은 도시된 이미징 광학 시스템의 대칭면을 구성하고 있다고 가정할 수 있다. 실제로, 각각의 시스템의 3 개의 미러는 부기저 광선의 세그먼트들이 동일평면을 이루지 않도록 각도를 가질 수 있다.
도 1 내지 도 4에서, 직교좌표계 x, y, z에서 x축은 도면의 평면에 수직이고, z축은 부기저 광선(RP)의 초기 세그먼트(RP0)에 평행이고, 또한 이 세그먼트 상의 광선의 전파 방향으로 배향되고, y축은 이들 광선의 전파 방향에 따라 배향된 초점면(PF)에 형성되는 이미지에 기여하는 광선의 말단 세그먼트가 양으로 배향된 y축에 투사를 갖도록 배향된다. 도면의 평면인 y-z 평면은 미러 M1, M2, 및 M3의 각각의 반사면의 대칭면을 포함하는 시스템(1)의 대칭면일 수 있다. 상류 및 하류라는 용어는 이 z축 상의 광학 컴포넌트의 경계 또는 에지의 투사의 각각의 위치를 비교함으로써 z축에 관련하여 정의된다. 특히, 하류 에지 BAV1 및 BAV2는 미러 M1 및 미러 M2 각각의 상류 에지 BAM1 및 BAM2의 반대측에 있다.
도 1에 도시된 직선 D0은 각각 BAM1 및 BAM2로 표시된 미러 M1 및 미러 M2의 상류 에지를 연결한다. 이것은 이미지 센서(2)가 여전히 z축에 관하여 이 직선(D0)의 상류로 적어도 부분적으로 오프셋되는 것을 보여준다. 직선(D0)와 이미지 센서(2)의 이러한 상대적 위치로 인해, 미광은 미러 M1로부터 이미지 센서(2)로 직접 전파될 수 있다. 이 미광은 시스템(1)의 광학 입사구가 마주하고 있는 장면으로부터 유래할 수 있고, 미러 M1에 의해 이미지 센서(2)를 향해 반사될 수 있고, 다음에 미러 M2의 상류측을 통과함으로써 직접 이미지 센서(2)에 도달할 수 있다. 도 1의 참조부호 R1은 이 미광의 광선을 표시한다. 이 미광의 광선(R1)은 미러 M1에 의해 반사되기 전에 시스템(1)의 광학 입사구에서 그 광축에 대해 약간 경사를 이루므로, 즉 z축에 대해 약간 경사를 이루므로 시스템(1)의 광학 입사구에 배치된 필드 에지 마스크에 의해 그 미광을 제거하는 것은 이 마스크가 광학 입사구의 상류 방향으로 큰 길이를 가지는 것을 필요로 한다.
도 2는 도 1과 동일한 유형의 시스템(1)을 도시한 것이지만 본 발명에 의해 변경된 것이다. 본 발명에서는, 이미지 센서(2)의 광감응면(S)이 직선(D0)에 대하여 상류로 완전히 오프셋되도록 미러 M2 및 미러 M3가 배치 및 경사를 이룬다. 다시 말하면, 광감응면(S)의 상류 경계(LAM)는 직선(D0)의 하류측 상에 위치한다. 이러한 방식으로, 미광은 더 이상 미러 M1로부터 이미지 센서(2)로 직접 전파할 수 없고, 광선(R1)에 유사한 광선은 모두 본 발명에 의해 차단된다. 분명히, 미러 M2의 상류 에지는 직선(D0)을 획정하기 위해 상기 미러를 상류로 연장하는 미러 M2의 주변 스크린의 상류 에지에 의해 치환될 수 있다.
도 2의 시스템(1)에서는 미러 M3이 입사 퓨필을 구성한다.
도 2의 본 발명의 실시형태의 경우, 도면의 y-z 평면에 나타나는 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 치수는 관련 시야각이 18°로 되는 정도이다. 이 설명의 일반적인 부분에서, 광감응면(S)의 이 치수는 길이방향 치수라고 부르며, 관련된 시야각은 제 1 시야각이라고 부른다. 이 제 1 시야각은 아래에서 α1으로 표시된다.
이미지 센서(2)는 매트릭스형일 수 있고, 이 경우에 그 광감응면(S)은 x축에 평행한 다른 치수를 갖는다. 이 다른 치수는 본 설명의 일반적인 부분에서 광감응면(S)의 횡방향 치수라고 부른다. 도 2의 실시형태의 경우, 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 이 횡방향 치수는 관련된 시야각(제 2 시야각이라고 부름)이 24°가 되는 정도이다. 따라서, 도 2의 시스템(1)은 큰 합계 필드(total field)를 갖는다: 18°x24°. 그러나, 이미징 광학 시스템의 이러한 구성을 사용하여 더 크거나 더 작은 필드를 얻는 것이 가능하다. 본 명세서에 기술된 실시형태에 따르면, 이미지 센서(2)의 광감응면(S)이 직사각형인 경우, 이 이미지 센서는, 바람직하게는, 그 광감응면의 최대 횡방향 치수가 시스템(1)의 대칭면에 수직이 되도록, 즉 도 2의 평면에 수직이 되도록 배향된다.
일례로서 도시된 도 2의 실시형태의 경우, 이미지 센서(2)는 그 길이방향 치수로 12 μm(마이크로미터)의 240 픽셀을 가지며, 그 횡방향 치수로 320 픽셀을 갖는다. 시스템(1)의 초점 거리(f)의 값은 9 mm(밀리미터)이며, 그 개구수(N)는 6 mm의 입사 퓨필에 대응하는 1.5이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2와 동일한 본 발명의 실시형태를 반복한 것이며, 시스템(1)의 3 개의 미러(M1, M2, M3) 뿐만 아니라 이미지 센서(2)는 SPH로 표시된 40 mm 직경의 구(sphere) 내에 수용되어 있다. 따라서 시스템(1)은 특히 콤팩트하고, 또한 공중 차량 호밍 장치, 열 카메라, 시각 보조 장치, 및 감시 및 검출용 옵트론 포드 등의 옵트론 이미징 장치 내로 통합하기에 적합하다. 도 5는 드론(30)에 탑재되고 시스템(1)에 통합된 참조번호 20으로 지정된 이러한 감시 및 검출용 옵트론 포드를 도시한다.
본 발명의 일부의 가능한 실시형태에서, 시스템(1)의 광학 컴포넌트의 일부 또는 전부는 일반적으로 3D 인쇄라고 부르는 3차원 인쇄에 의해 제조될 수 있다.
다른 가능한 실시형태에서, 시스템(1)의 광학 컴포넌트의 일부 또는 전부는 사출된 폴리머 기반의 재료로 제조될 수 있다. 이러한 다른 실시형태는 특히 저가격을 실현할 수 있다. 또한, 따라서 사출에 의해 형성되는 미러 M1, M2, 및 M3 중 적어도 하나는 미러용 자가 위치결정 시스템을 사용하여 직접 제조될 수 있다.
미러 M1, M2, 및 M3의 각각은 강성의 반사면의 형상을 제공하는 베이스 부분 및 그 표면 상에 퇴적된 반사 금속층으로 구성될 수 있다. 강성의 베이스 부분은 중실(solid)의 3D 인쇄 재료로 제조되거나, 사출된 폴리머에 기초할 수 있다. 미러 M2의 경우, 이 미러의 베이스 부분 및 반사층은 도 2에서 각각 참조부호 M2b 및 M2r로 지정되어 있다.
도 3a 및 도 3b는 이미지 센서(2)에 도달할 수 있는 미광의 양을 더 줄이기 위해 시스템(1)에 추가되는 2 개의 입사 배플을 더 보여준다. 참조번호 11로 지정된 입사 배플은 본 설명의 일반적인 부분에서 제 1 입사 배플이라고 부르고, 참조번호 12로 지정된 것은 제 2 입사 배플이라고 부른다. 시스템(1)의 광학 입사구는 참조부호 O로 지정되어 있다. 입사 배플(11)은 이미지 센서(2)에 가까운 광학 입사구(O)의 에지에 위치하고, 입사 배플(12)은 입사 배플(11)의 대향하는 광학 입사구(O)의 에지에 위치한다. 따라서, 입사 배플(12)은 미러 M3에 근접해 있다. 실제로, 시스템(1)의 α-z 구성으로 인해, 이미지 센서(2)는 광학 입사구(O)에 근접하여 또는 매우 근접하여 위치함과 동시에 미러 M3의 반대 방향으로 이것에 상대적으로 횡방향으로 오프셋되어 있다.
도 3a 및 도 3b의 y-z 평면에서, 시스템(1)의 입사 필드는 참조부호 RM1 및 RM2으로 지정된 2 개의 필드 에지 주변 광선 사이에 위치한다. 따라서 이들 필드 에지 주변 광선( RM1, RM2)의 초기 세그먼트는 이들 사이에 위에서 소개한 시야각(α1)을 형성한다. 입사 배플(11)은 필드 에지 주변 광선 RM1의 초기 세그먼트에 중첩되고, 입사 배플(12)은 필드 에지 주변 광선 RM2의 초기 세그먼트에 중첩된다. 또한, 입사 배플(11)은 필드 에지 주변 광선 RM2의 말단 세그먼트의 하류로 연장할 수 있고, 입사 배플(12)은 미러 M3의 상류 에지(BAM3)의 하류로 연장할 수 있다. 다시 말하면, 입사 배플(11)의 하류 에지(BAV11)는 필드 에지 주변 광선 RM2의 말단 세그먼트에 위치할 수 있고, 입사 배플(12)의 하류 에지(BAV12)는 미러 M3의 상류 에지(BAM3)에 접합할 수 있다. 도 3a 및 도 3b의 y-z 평면의 외측에서, 입사 배플(11, 12)은, 바람직하게는, 필드 에지 주변 광선(RM1, RM2)에 근접해 있는 필드 에지 주변 광선에 중첩된다.
도 3a는 시스템(1) 내부의 필드 에지 주변 광선(RM1, RM2)의 완전한 경로, 및 이미지 센서(2)의 광감응면(S) 상에 형성된 이미지에 대한 이들의 기여를 보여준다. 필드 에지 주변 광선 RM1은 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 하류 경계(LAV)에서 이미지의 형성에 기여하고, 필드 에지 주변 광선(RM2)은 상류 경계(LAM)에서 이미지의 형성에 기여한다.
y-z 평면에서, 도 3b를 참조하면, 참조부호 F0은 시스템(1)의 입사 필드를 나타내고, 참조부호 F1 및 F2는 입사 필드(F0)의 외측에 위치하지만 그것에 각도적으로 근접해 있는 각도 필드(angular field)를 나타내고, 참조부호 F3 및 F4는 입사 필드(F0)에 대하여 각각 필드 F1 및 F2의 반대측 상에 각도적으로 위치하는 각도 필드를 나타낸다. 따라서 필드 F1 및 F2는 입사 필드(F0)에 대한 인접 필드라고 부르며, 필드 F3 및 F4는 입사 필드(F0)에 대한 비인접 필드라고 부른다.
인접 필드(F1, F2)로부터 와서 미러 M1에 의해 반사되고, 다음에 미러 M2에 의해 반사되고, 마지막으로 미러 M3에 의해 반사되는 광선은 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 외측에 도달한다. 원리적으로, 비인접 필드(F3, F4)로부터 유래하는 광선은 3 개의 미러를 순차적으로 경유하여 시스템(1)의 내부의 공칭 경로를 따르지 않고, 이것이 비인접 필드(F4)로부터 유래한 경우에는 이미지 센서(2)를 향해 직접 배향되거나, 이것이 비인접 필드(F3) 또는 미러로부터 유래한 경우에는 미러 M3 상에서의 반사 후에 이미지 센서(2)에 도달한다.
α-z 구성에 의해 제공된 바와 같이 이미지 센서(2)를 시스템(1)의 광학 입사구(O)에 근접하여 배치함으로써 인접 필드(F1)로부터 유래하는 미광 광선이 미러 M3에 의해 이미지 센서(2)를 향해 반사되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 입사 배플(11)의 기능은 미러 M3에 의해 이미지 센서(2)를 향해 반사될 수 있는 비인접 필드(F3)로부터 유래하는 미광 광선의 차단을 포함하지만, 인접 필드(F1)로 유래하는 미러 M3을 향한 미광 광선의 차단을 포함하지 않는다. 이로 인해, 시스템(1)의 상류의 입사 배플(11)의 길이는 단축될 수 있다.
입사 배플(11)은 또한 이미지 센서(2)를 향해 배향된 동안에 비인접 필드(F4)로부터 나오는 광선의 일부, 즉 z축에 대해 덜 기울어진 비인접 필드(F4)로부터의 광선을 차단한다. 이들은 실제로는 입사 배플(11)의 상류 부분에 의해 차단된다.
또한, 비인접 필드(F4)의 광선 중에서 이미지 센서(2)를 향해 배향되어 있음과 동시에 z축에 대해 가장 경사진 광선은 입사 배플(11)에 의해 차단된다. 이들 광선을 차단하기 위해서, 입사 배플(12)은 입사 배플(11)의 하류 에지(BAV11)를 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 하류 경계(LAV)에 연결하는 직선(D1)의 상류에 위치하는 상류 에지(BAM12)를 가질 수 있다. 그러나, 미러 M2가 미러 M1과 이미지 센서(2) 사이에서 직선으로 전파할 수 있는 광선을 차단하는 특징으로 인해, 입사 배플(12)은 미러 M1 상에서 이미지 센서(2)를 향해 반사될 수 있는 인접 필드(F2)로부터의 미광 광선, 및 비인접 필드(F4)로부터의 덜 경사진 광선을 차단할 필요가 없다. 따라서 시스템(1)의 α-z 구성은, 이미지 센서(2)를 광학 입사구(O)에 가까이 배치함으로써, 입사 배플(12)이 인접 필드(F2)로부터의 광선이나 비인접 필드(F4)로부터 덜 경사진 광선을 차단할 필요없이, 비인접 필드(F4)로부터의 가장 경사진 기생 광선만을 입사 배플(11)이 차단할 수 있게 만든다. 따라서, 입사 배플(12)의 상류 에지(BAM12)는 반드시 상류로 연장되지는 않으면서 직선(D1) 상에 위치할 수 있다. 따라서, 입사 배플(12)은 또한 상류 길이, 즉 광학 입사구(O)의 전방으로 짧게 연장하는 길이를 가질 수 있다. 또한, 입사 배플(12)의 하류 에지(BAV12)은 미러 M3의 상류 에지(BAM3)에 접합하는 대신 입사 배플(11)의 하류 에지(BAV11)를 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 상류 경계(LAM)에 연결하는 직선(D2) 상에 위치하는 것으로 충분할 수 있다.
2 개의 입사 배플(11, 12)의 단축된 상류 길이의 덕분에 이들 입사 배플(11, 12)를 포함하는 전체 시스템(1)은 그 결과 작은 크기를 갖는다.
도 4는 다시 도 2의 본 발명의 실시형태에 대응하며, 시스템(1) 내로 추가의 이미지 센서의 가능한 통합을 보여주고 있다. 참조번호 13은 스펙트럼 분리 장치(예를 들면, 이색성 분리장치)를 나타낸다. 장치(13)는 초점면(PF)의 이미지(PF')를 생성한다. 다음에 추가의 이미지 센서(2')는 그 광감응면이 초점면의 이미지(PF')에 중첩되도록 배치될 수 있다. 일례로서, 추가의 이미지 센서(2')는 실리콘(silicon) 기반이며, 가시광 범위에 대해 감도를 가질 수 있다.
본 발명은 위에서 상세히 설명한 실시형태의 2차 양태를 수정하면서 재현될 수 있고, 인용된 이점의 적어도 일부를 여전히 유지할 수 있다는 것이 이해된다. 특히, 본 발명에 따른 이미징 광학 시스템은 언급한 용도 이외의 용도에서 사용될 수 있다. 또한, 언급한 모든 수치는 예시만을 목적으로 하는 것이고, 특정 요도에 따라 변경될 수 있다. 당업자는 어렵지 않게 각각의 용도에 초점 거리, 시야각, 입사 퓨필의 크기 등의 값을 적응시키는 방법을 알고 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 이미징 광학 시스템(1)으로서,
    상기 이미징 광학 시스템(1)은 1차 미러(M1), 2차 미러(M2) 및 3차 미러(M3)를 포함하는 3 개의 미러를 포함하고, 상기 3 개의 미러는 상기 시스템의 입사 필드(entrance field)에 위치하는 장면(scene)으로부터 유래하는 광선이 처음에 상기 1차 미러에 의해 반사되고, 다음에 상기 2차 미러에 의해 반사되고, 다음에 상기 3차 미러에 의해 반사되어 상기 시스템의 초점면(PF)에 상기 장면의 이미지를 형성하도록 조정 및 배치되고,
    따라서 상기 장면으로부터 유래되고, 상기 이미지를 형성하는 데 기여하는 광선은 상기 1차 미러(M1)의 상류의 초기 세그먼트, 상기 1차 미러와 상기 2차 미러(M2) 사이의 제 1 중간 광선 세그먼트, 상기 2차 미러와 상기 3차 미러(M3) 사이의 제 2 중간 광선 세그먼트, 및 상기 3차 미러와 상기 초점면(PF) 사이의 말단 광선 세그먼트로 분할되고,
    상기 1차 미러(M1) 및 상기 2차 미러(M2)는 상기 시스템(1)의 부기저 광선(parabasal ray)의 제 2 중간 세그먼트가 상기 부기저 광선의 초기 세그먼트와 교차하도록 배향되고, 상기 2차 미러 및 상기 3차 미러(M3)는 상기 부기저 광선의 말단 세그먼트가 상기 2차 미러에 대한 상기 1차 미러의 횡방향 오프셋과는 반대인 상기 2차 미러의 횡방향 측면을 통과함으로써 상기 부기저 광선의 말단 세그먼트가 상기 부기저 광선의 제 1 중간 세그먼트와 교차하지 않도록 배향되고,
    상기 시스템(1)은 상기 이미지 센서의 광감응면(S)이 상기 초점면(PF)에 중첩하도록 배치되는 이미지 센서(2)를 더 포함하고, 상기 광감응면은 상류 경계(LAM)로부터 하류 경계(LAV)까지 연장하고, 상기 이미지 센서의 광감응면의 상류 경계 및 하류 경계는, 상기 부기저 광선의 초기 세그먼트 상으로의 상기 상류 경계 및 하류 경계의 각각의 투사와 관련하여, 그리고 상기 부기저 광선의 초기 세그먼트에서 상기 부기저 광선의 전파 방향과 관련하여 획정되고,
    상기 2차 미러(M2) 및 3차 미러(M3)는, 상기 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 상류 경계(LAM)가 상기 1차 미러(M1)의 상류 에지(BAM1)를 상기 2차 미러(M2)의 상류 에지(BAM2)와 연결하거나, 또는 상기 2차 미러를 둘러싸는 스크린의 상류 에지와 연결하는 직선(D0)에 대해 하류로 오프셋되도록, 배향되고, 이로 인해 상기 2차 미러 또는 상기 2차 미러를 둘러싸는 스크린이 상기 1차 미러로부터 상기 이미지 센서의 광감응면으로 직접 직선으로 전파할 수 있는 광선을 차단하고,
    상기 1차 미러(M1) 및 상기 2차 미러(M2)의 각각의 상류 에지(BAM1, BAM2) 및 하류 에지(BAV1, BAV2)는, 상기 부기저 광선의 초기 세그먼트 상으로 상기 1차 미러 및 상기 2차 미러의 각각의 상류 에지 및 하류 에지의 각각의 투사와 관련하여, 그리고 상기 부기저 광선의 상기 초기 세그먼트에서 상기 부기저 광선의 전파 방향과 관련하여 획정되고,
    상기 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 상류 경계(LAM)의 하류 오프셋은 상기 부기저 광선의 초기 세그먼트에 평행하고, 또한 상기 부기저 광선의 초기 세그먼트에서 상기 부기저 광선의 전파 방향에 따라 배향되는, 이미징 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 미러(M1), 상기 2차 미러(M2), 및 상기 3차 미러(M3) 중 적어도 하나는 자유형(freeform) 반사면을 갖는, 이미징 광학 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 3차 미러(M3)의 반대측에, 입사 필드 중 상기 이미지 센서(2)와 동일한 제 1 측에서 제 1 필드 에지 주변 광선의 초기 세그먼트에 중첩되는 제 1 입사 배플(entrance baffle; 11)을 더 포함하고, 상기 제 1 입사 배플은 제 2 필드 에지 주변 광선의 말단 세그먼트에 결합하는 하류 에지(BAV11)를 갖는, 이미징 광학 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 이미지 센서(2)의 반대측에, 상기 입사 필드 중 상기 3차 미러(M3)와 동일한 상기 입사 필드의 제 2 측에서 상기 제 2 필드 에지 주변 광선의 초기 세그먼트에 중첩되는 제 2 입사 배플(12)을 더 포함하고, 상기 제 2 입사 배플은 상기 3차 미러의 상류 에지(BAM3)에 연결되거나, 상기 3차 미러를 둘러싸는 스크린 또는 상기 3차 미러를 위한 불투명 마운트에 연결되는 하류 에지(BAV12)를 가지며, 또는 상기 제 2 입사 배플의 하류 에지는 상기 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 상류 경계(LAM)를 상기 제 1 입사 배플(11)의 하류 에지(BAV11)에 연결하는 직선(D2)의 하류에 위치하는, 이미징 광학 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 입사 배플(12)은 상기 제 1 입사 배플(11)의 하류 에지(BAM1)를 상기 이미지 센서(2)의 광감응면(S)의 하류 경계(LAV)에 연결하는 직선(D1)의 상류에 위치하는 상류 에지(BAM12)를 갖는, 이미징 광학 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이미지 센서(2)의 길이방향 치수는 상기 시스템의 제 1 시야각(α1)을 결정하고,
    상기 시스템(1)은 상기 제 1 시야각(α1)이 9° 이상, 바람직하게는 18° 이상이 되도록 조정되는, 이미징 광학 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이미지 센서 (2)는 매트릭스 배치를 가지며, 상기 길이방향 치수에 수직인 상기 이미지 센서의 횡방향 치수는 상기 시스템의 제 2 시야각을 결정하고,
    상기 시스템(1)은 상기 제 2 시야각이 12° 이상, 바람직하게는 24° 이상이 되도록 더 조정되는, 이미징 광학 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    5 미만, 바람직하게는 2 미만의 개구수 값(N)을 가지며, 상기 개구수는 f/D와 같고, 여기서 f는 상기 시스템의 초점 거리이고, D는 상기 시스템의 입사 퓨필(entrance pupil)의 치수인, 이미징 광학 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    퓨필 다이어프램을 더 포함하고, 상기 퓨필 다이어프램은 상기 1차 미러(M1)에 또는 상기 3차 미러(M3)에, 바람직하게는 상기 3차 미러에 위치하는, 이미징 광학 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차 미러(M3)와 상기 이미지 센서(2) 사이에 배치되는 스펙트럼 분리 장치(13)를 더 포함하고, 상기 시스템의 초점면(PF)의 이미지(PF')에 배치되는 추가의 이미지 센서(2')를 더 포함하고, 상기 이미지는 상기 스펙트럼 분리 장치에 의해 형성된, 이미징 광학 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 미러(M1), 상기 2차 미러(M2), 및 상기 3차 미러(M3)는 상기 시스템의 초점 거리(f)의 값의 2 배 내지 6 배의 직경을 갖는 구(sphere) 내에 수용되는, 이미징 광학 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 미러(M1), 상기 2차 미러(M2), 및 상기 3차 미러(M3) 중 적어도 하나는 사출된 폴리머 기반의 재료로 만들어진 강성 부분(M2b), 및 선택적으로 반사 금속층(M2r)을 포함하는, 이미징 광학 시스템.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 시스템(1)을 포함하는 옵트론 이미징 장치(optronic imaging device; 100)로서,
    상기 장치는 공중 차량 호밍(homing) 장치, 열 카메라, 시각 보조 장치, 및 감시 및 검출용 옵트론 포드(optronic pod) 중에서 선택되는, 옵트론 이미징 장치.
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