JP2012008594A

JP2012008594A - コンパクトな広視野映像光学システム

Info

Publication number: JP2012008594A
Application number: JP2011186009A
Authority: JP
Inventors: Tae W Cheng Jung; チュンテ・ダブリュ．・チェン; j anderson Steven; ジェイ．・スティーブン・アンダーソン
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-01-12
Also published as: WO2004099841A3; US7042656B2; US20040218284A1; EP1618423B1; IL168515A; EP1618423A2; WO2004099841A2; JP2006525555A; DE602004030101D1

Abstract

【課題】大きい開口で、広視野でコンパクトな形態で製造されることのできる映像光学システムを提供する。
【解決手段】映像光学システム22は光軸34と、光軸34に沿って位置するレンズ40、42または44を含んでいる屈折レンズグループ38を有する。光軸34に位置する屈折レンズグループ38の少なくとも１つのレンズ40、42または44は非球面の前面と非球面の後面を有する。イメージ表面28は光軸34上に位置し、屈折レンズグループ38はイメージ表面28にイメージを形成する。イメージ表面28は好ましくは実質的に平面である。焦点面アレイ検出器30のような検出器30はレンズ40、42または44を通過する光線が検出器30に入射するように光軸34上に位置する。光軸34上に２つのレンズが存在し、それぞれ非球面の前面と非球面の後面を有することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は光学システム、特に広視野にわたってイメージを形成する屈折光学システムに関する。

映像センサシステムは外部の情景からの光線を集め、それらの焦点を結び、イメージ表面でイメージを形成するために映像光学システムを使用する。検出器は通常、イメージ表面に位置される。低い光条件下でイメージを形成するために、映像光学システムは大きい開口であることが望ましい。また幾つかの応用では映像光学システムは広視野を有することが望ましい。映像光学システムは好ましくはその大きい開口、広視野のイメージ表面全体を横切って平面イメージを形成し、それによって焦点面アレイ検出器のような平面検出器はイメージ表面で使用されることができる。

これらの能力は通常、全長が少なくとも２倍、多くの場合、３倍以上の実効焦点距離である長さの映像光学システムで実現される。このような映像光学システムは動作可能であるが、長くてかさばっている。非冷却の赤外線映像センサシステムのような幾つかの応用では、映像光学システムは映像光学システムの寸法および重量を減少させるために比較的短く、コンパクトであり、２よりも小さい好ましくは約１．５以下の全長対実効焦点距離比を有することが必要である。

大きい開口と広視野の要求を満たす通常の光学システムがこの方法で短くされるとき、イメージ表面は湾曲する。湾曲した検出器が使用され、イメージ表面の形状に適合するならば、この方法は適切である。しかしながら、ほとんどのケースでは、焦点面アレイ（ＦＰＡ）検出器のような平面検出器を使用することが望ましい。現在、一般的に湾曲された焦点面アレイ検出器は利用されていない。

単一の装置において大きい開口サイズと、広視野と、コンパクトな長さを与えるために映像光学システムに対して改良された方法が必要とされている。本発明はこの必要性を満たし、さらに関連する利点を与える。

本発明は大きい開口で、広視野でコンパクトな形態で製造されることのできる映像光学システムを提供する。映像光学システムは光線を外部の情景から集め、それらの焦点を結び、イメージ表面でイメージを形成する。重要なことは、このような光学システムは平坦なイメージ表面を有することができることである。それ故、本発明の光学システムはイメージ表面に置かれた焦点平面アレイ（ＦＰＡ）のような平面検出器を使用する映像センサシステムでの使用によく適している。

本発明によれば、映像光学システムは光軸を有し、光軸上に位置するレンズを含んでいる屈折レンズグループを具備している。（ここで説明するレンズは全て倍率を有するレンズである。）光軸上に位置するレンズグループの少なくとも１つのレンズは非球面の前面と非球面の後面を有している。光軸上にはイメージ表面が位置し、屈折レンズグループはこのイメージ表面にイメージを形成する。イメージ表面は実質的に平面であることが好ましい。

通常の実施では、レンズを通過する光線が検出器に入射するように位置されているイメージ表面における光軸上に検出器も位置している。イメージが実質的に平面である場合には、検出器は平面の焦点面アレイ検出器であることができる。検出器は可視光検出器、赤外線検出器、特定の波長範囲に感度がある赤外線検出器のような任意の波長または関係する波長範囲で動作可能である。

レンズの前面および後面は非球面である。前面および後面は同一の非球面形状であってもよく、あるいは異なる非球面形であってもよい。前面および後面は一般的な形態の非球面の表面であってもよい。これらは代わりに円錐またはスプライン表面のような特別な形態の非球面表面であってもよい。

さらに好ましくは、屈折レンズグループは光軸に沿って配置された２つのレンズを有している。各レンズは非球面の前面と非球面の後面を有する。２つのレンズはそれぞれ二重の凹面レンズであってもよく、各レンズの前面と後面はそれぞれイメージ表面に関して凹面である。好ましくはこの実施形態では、第１のレンズと第２のレンズはそれぞれイメージ表面に関して凹面的に湾曲されている二重凹面レンズである。さらに第３のレンズの前面と第３のレンズの後面を有している屈折レンズグループの第３のレンズが存在してもよく、これらの表面はそれぞれイメージ表面に関して凸面的に湾曲されていることが好ましい。特定の好ましい設計では、映像光学システムは約Ｆ／１．５よりも小さいＦ数を有する大きい開口と、約４５度を超える視野と、約２．０よりも小さい望遠比とを有している。望遠比は映像光学システムの全長対実効焦点距離との比である。望遠比は小さいことが望ましく、それによって映像光学システムはコンパクトである。

２（以上の）レンズを有する実施形態では、第１のレンズと第２のレンズは好ましくは視野を横切る点対点ベースで適用される関係式ψ_ｔ＝ψ_１＋ψ_２−（ｄψ_１ψ_２）にしたがって規定されることが好ましく、ψ_ｔは全体の局部的な光倍率であり、ψ_１は第１のレンズの局部的な光倍率であり、ψ_２は第２のレンズの局部的な光倍率であり、ｄは第１のレンズと第２のレンズとの間の局部的な間隔である。この実施形態は平坦なイメージ表面を生成する。

本発明の映像光学システムは二重の非球面レンズを使用する。屈折レンズグループの各レンズの表面形状は表面上の位置の関数として調節され、それによってその位置を通る光線は所望のイメージング特性を有する。好ましいイメージング特性はイメージされた情景からの全ての光線に対して、特定された許容度内で単一の平面のイメージング平面上で実質的に焦点を結ぶことである。視野の増加と、開口の寸法の増加と（Ｆ数の減少）、望遠比の減少とによって、この平坦なイメージング平面の実現はさらに困難になる。各表面の形状を決定するために有効な計算技術を使用して、レンズの最適な形状の表面が計算されることができる。非球面表面と十分な数のレンズの使用は、大きい視野と、大きい開口寸法と、約２．０よりも低い望遠比に対して、通常の光学的な限度内で平坦なイメージ表面での焦点の形成を実現するために十分多くの変数を提供する。

本発明のその他の特徴および利点は、本発明の原理を例示的に説明している添付図面を伴った好ましい実施形態の以下のさらに詳細な説明から明白になるであろう。しかしながら本発明の技術的範囲はこの好ましい実施形態に限定されない。

映像光学システムを使用している映像センサシステムの概略図である。光路が示されている図１の映像光学システムとイメージング検出器の好ましい形態の概略断面図である。ここで使用されている映像光学システムの２つのレンズと設計方法を示している概略図である。図２の映像光学システムを設計し、製造するための好ましい方法のブロック図である。設計パラメータを示している図２の好ましい３つのレンズの映像光学システムの光学的処方を示している図である。（通常の形態の非球面式にしたがって）図５に規定された４つの値を設定している図２の好ましい３つのレンズの映像光学システムの光学的処方を示している図である。

図１は映像センサシステム20を示している。映像センサシステム20は情景26から好ましくは平坦なイメージ表面28へ光線24によりイメージを形成するために映像光学システム22を使用する。検出器30は典型的にイメージ表面28に位置されている。検出器30は好ましくは焦点面アレイ（ＦＰＡ）検出器である。ＦＰＡ検出器とそれらの製造技術は可視および赤外線波長の両者では他の応用において従来技術で知られており、映像センサシステム20で使用されることができる。光線24は映像光学システム22に入る前に随意選択的なウィンドウ32を通過させてもよい。光軸34は映像センサシステム20に対する角度基準線を提供する。映像光学システム22、イメージ表面28、検出器30は全て光軸34上に存在する。

多くの場合、光軸34は映像光学システム22の回転対称軸である。光軸34は曲げられてもよく、または他の方法で意図的に非線形であってもよい。映像センサシステム20は映像光学システム22の光素子に加えて、例えばミラー、映像増幅器、色彩処理素子等の他の光素子を含むことができる。光学システム22の視野（ＦＯＶ）は光軸から外方向に測定されたイメージされる光線24の最大の角度である。ＦＯＶは通常、光軸34を中心に対称である。検出器30は入射光線24を電気信号へ変換し、これは電子システム36により解析される。適切な電子システム36は各タイプの検出器30と共に従来技術で知られている。

図２は映像光学システム22の好ましい実施形態とその検出器30との関係をさらに詳細に示している。映像光学システム22は光軸34に沿って位置する屈折レンズグループ38を含んでおり、それによって光線24は屈折レンズグループ38を通過する。屈折レンズグループ38は光軸34上に位置する少なくとも１つの倍率レンズ40、好ましくは光軸34上に位置する少なくとも２つの倍率レンズ40、42、最も好ましくは光軸34上に位置する丁度３つの倍率レンズ40、42、44を有する（“丁度”はここでは多かれ少なかれ特定されたレンズ数を意味する）。最も好ましい３つのレンズの実施形態が示されている。さらに、開口46は屈折レンズグループ38の２つのレンズ間で屈折レンズグループ38の前方の位置に（即ち屈折レンズグループ38よりもイメージ表面28から遠くに離れて）、または屈折レンズグループ38の後方に（即ち屈折レンズグループ38よりもイメージ表面28の近くに）典型的に存在する。図２では、開口46は２つのレンズ、ここではレンズ40、42間に示されている。屈折レンズグループ38は３個よりも多数のレンズ40、42、44を含むことができる。しかしながら、レンズは光軸34に沿って間隔を隔てられなければならないので、より多くのレンズの付加は映像光学システム22を長くする効果を有し、これは多くの応用で非常に望ましくないことである。

第１のレンズ40（即ち情景26から光線24が最初に入り、イメージ表面28から最も遠い位置にあるレンズ）は第１のレンズの前面48と第１のレンズの後面50とを有する（ここで使用されるように“前面”は情景26の方向に面し、イメージ表面28から遠く離れたレンズの表面を指し、“後面”は情景26から離れ、イメージ表面28の方向に面するレンズの表面を指している）。第２のレンズ42は第２のレンズの前面52と第２のレンズの後面54とを有する。イメージ表面28に最も近いレンズである第３のレンズ44は、第２のレンズ42が第１のレンズ40と第３のレンズ44との間に位置するように位置されており、第３のレンズの前面56と第３のレンズの後面58とを有する。レンズ40、42、44の少なくとも１つの前面と後面の両者は非球面である。好ましくは、レンズ40、42、44の少なくとも２つの前面と後面は非球面である。最も好ましくは、３つのレンズ40、42、44の全ての前面と後面が非球面である。各レンズ40、42、44の前面と後面は同一の非球面形状であってもよいが、これらは異なる非球面形状であることがより一般的であり、好ましい。

ここで使用されているように、“非球面”表面形状ｚは以下の式により数学的に記述される。
ｚ＝ｃｈ^２／｛１＋［１−（１＋ｋ）ｃ^２ｈ^２］^１／２｝＋Ａｈ^４＋Ｂｈ^６＋Ｃｈ^８＋Ｄｈ^１０＋…
適切であるならば、形態（定数）ｈ^２ｎの連続するさらに高次の項のシリーズを付加される。値ｚはｚ軸に平行な表面のたるみであり、ｈ^２＝ｘ^２＋ｙ^２であり、ｘとｙはｚ軸（光軸34と一致する）に垂直な平面のガウス座標であり、ｃは表面の極の曲率であり、ｋは円錐係数であり、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは定数である。各表面48、50、52、54、56は好ましいケースの非球面の場合、通常の形態の非球面表面であるか、円錐表面またはスプライン表面のような特別な形態の非球面表面であってもよい。

図２に示されている実施形態では、第１のレンズ40と第２のレンズ42のそれぞれは二重の凹面レンズである。即ち、第１のレンズの前面48と第１のレンズの後面50と第２のレンズの前面52と第２のレンズの後面54は全て非球面であり、イメージ表面28に関して凹面状に湾曲されている。即ち、これらは示されているようにイメージ表面28から離れるように突出している。第３のレンズの前面56と第３のレンズの後面はそれぞれ非球面であり、イメージ表面28に関して凸面的に湾曲されている。即ちこれらはイメージング表面28方向に突出している。

本発明の方法はイメージの性質、特にイメージ表面28の形状に関して、特別な設計の対物レンズを実現するために非球面レンズの非球面形状の選択において大きなフレキシビル性を与える。最も好ましくは、イメージ表面28は平面であり、光軸34に垂直に位置し、それによってイメージ表面34に位置する検出器30は平面であり、特に焦点面アレイ検出器であってもよい。

レンズ40、42、44の表面48、50、52、54、56、58の形状を設計するために、図３に示されている原理は表面を決定するために隣接レンズの隣接表面に関して各レンズの各表面を横切って点対点方法で適用される。図３は例示を示している。この説明では、第１のレンズ70は第１のレンズの前面72と第１のレンズの後面74を有する。第２のレンズ76は第２のレンズの前面78と第２のレンズの後面80を有する。光線82は実効焦点距離ＥＦＬと後部焦点距離ＢＦＬによりイメージ表面84で焦点を結ばれる。第１のレンズ70は局部的（即ち第１のレンズの後面74上の第１の点86の）光焦点倍率ψ_１を有し、第２のレンズ72は局部的（即ち第２のレンズの前面78上の第２の点88の）光焦点倍率ψ_２を有する。第１のレンズの後面74上の第１の点86と第２のレンズの前面78上の第２の点88は局部距離ｄだけ離されている。

この解析では、２つのレンズ70と76の総局部光倍率ψ_１と実効焦点距離および後部焦点距離は次式に示すとおりであり、即ち、
ψ_ｔ＝ψ_１＋ψ_２−（ｄψ_１ψ_２）＋１／ＥＦＬ
ＢＦＬ＝（１−ψ_１ｄ）／ψ_ｔ
この関係は多角度および多数の光線において、視野全体を横切って点対点ベースで情景から来る光線に適用されることができる。ほとんどの場合、全てのレンズは光軸90を中心にして軸的に対称であり、それ故、各表面の形状は光軸90からの距離のみの関数である。イメージ表面84に対する全体的な光倍率と後部焦点距離は平坦なイメージ表面84を生成するため点対点ベースで選択される。表面72、74、78、80の非球面形状と距離ｄは通常の許容度内で平坦なイメージ表面84を得るため十分な変数を提供する。

図３は２つのレンズに適用される原理を示している。２つのレンズの使用がイメージ表面84が平面であることを許容するのに十分ではないならば、第３のレンズが図２のように付加されることができる。次に説明する計算方法は３つのレンズの構造が最も関係する所望の光パラメータのセットを実現するのに好ましいことを立証した。第４のレンズが図２の構造に付加されるならば、イメージ表面84は平面により近くされることができる。しかしながら、第４のレンズは全体の長さに対して非常に大きい長さを付加する。

図４は本発明の方法にしたがった映像光学システムを設計するための好ましい技術を示している。映像光学システムの試用レンズと開口構造がステップ100で最初に選択される。即ち、レンズの数、一般的な形状、間隔、開口の位置および寸法が第１の試用映像光学システムで最初に選択される。ステップ102で、レンズの表面を横切るフィールド点のアレイ（即ち軸対称の場合では光軸からの半径の関数として）が選択され、光線の入射角度のアレイが選択され、光路のアレイが選択される。レンズ表面の最適な形状と間隔がステップ104で、減衰された最小二乗法のような既知の光学レンズの最適な計算方法を使用して計算される。任意の動作可能な光学設計ソフトウェアがこの解析プロセスで使用されることができる。

結果が必要な許容度内で平坦なイメージ表面（または他の所望な形態）を実現しないならば、ステップ100、102、104は必要であるように反復されることができ、新しい映像光学システムのパラメータのセットがステップ100で選択される。新しい映像光学システムのパラメータのセットは通常、先の反復のパラメータに基づくことができ、結果として最適化された設計に到達する。

必要とされる形態が必要とされる許容誤差内で実現されるとき、そのレンズおよび開口構造と、計算された表面形状はステップ108で選択される。レンズおよび開口と任意の他の必要とされる光学素子を含むコンポーネントはステップ110で製造され、組立てられる。レンズの表面は数値制御されたブランクのダイヤモンドポイント旋盤成形または場合によっては成形鋳造するような技術により製造されることができる。

大きい開口、大きい視野、小さい望遠比の映像光学システムは通常の方法では可能ではない。望遠比は映像光学システムの全長対実効焦点距離の比であり、これは映像光学システムがコンパクトであるように小さい大きさであることが望ましい。特に、通常の方法を使用して、約Ｆ／１．５よりも小さいＦ数と、約４５度を超える視野と、約２．０よりも小さい望遠比を有する映像光学システムを処理することは可能ではない。このような映像光学システムは本発明の方法を使用して設計され製造されることができる。本発明の方法は需要の少ない光学システムを設計し製造するために使用されることができるが、多くの場合、非球面レンズの製造は複雑であるので需要の少ない光学システムではもっと簡単な形状のレンズの使用が要求される。

図５は図２で一般的に示されているように３個のレンズの映像光学システムの設計パラメータを示しており、図４の方法で計算して、Ｆ／１．４のＦ数、５０度の視野、１．５０２インチの全長、１．０インチの実効焦点距離ＥＦＬ、１．５０３の望遠比を有している。非球面パラメータの値が前述の非球面式に関して、図６で示されている。図５では、正の半径は曲率中心が右であることを示しており、負の半径は曲率中心が左であることを示している。寸法はインチで与えられている。“厚さ”は次の表面までの軸方向の距離である。イメージ直径は光線のトレーシングにより決定されない近軸値である。レンズで使用されるガラスは１２マイクロメートルの波長では屈折率４．００３１を有し、計算は赤外線で８−１２マイクロメートルのスペクトル範囲で行われる。

本発明の特別な実施形態を例示目的で詳細に説明したが、種々の変形および強化が本発明の技術的範囲を逸脱せずに行われることができる。したがって、本発明は特許請求の範囲の記載によってのみ限定される。

Claims

光軸（34）を有している映像光学システム（22）において、
光軸（34）上に位置するレンズ（40、42および／または44）を含んでいる屈折レンズグループ（38）と、
光軸（34）上に位置するイメージ表面（28）とを具備し、
光軸（34）上に位置する前記レンズの少なくとも１つ（40、42および／または44）は非球面の前面および非球面の後面を有し、
屈折レンズグループ（38）はイメージ表面（28）にイメージを形成する映像光学システム。
イメージ表面（28）は実質的に平面である請求項１記載の映像光学システム。
レンズ（40、42および／または44）の前面および後面はそれぞれ円錐表面である請求項１記載の映像光学システム。
レンズ（40、42および／または44）の前面および後面はそれぞれスプライン表面である請求項１記載の映像光学システム。
レンズ（40、42および／または44）を通過する光線（24）が検出器（30）に入射するようにイメージ表面（28）の光軸（34）上に位置する検出器（30）を含んでいる請求項１記載の映像光学システム。
検出器（30）は焦点面アレイ検出器である請求項５記載の映像光学システム。
検出器（30）は赤外線検出器である請求項５記載の映像光学システム。
屈折レンズグループ（38）は光軸（34）に沿って配置された２つのレンズ（40、42）を具備し、各レンズ（40、42）は非球面の前面および非球面の後面を有している請求項１記載の映像光学システム。
２つのレンズ（40、42）はそれぞれ二重の凹面レンズである請求項８記載の映像光学システム。
第１のレンズ（40）と第２のレンズ（42）はそれぞれイメージ表面（28）に関して凹面的に湾曲されている二重凹面レンズである請求項８記載の映像光学システム。
映像光学システム（22）は約Ｆ／１．５よりも小さいＦ数と、約４５度を超える視野と、約２．０よりも小さい望遠比とを有している請求項１記載の映像光学システム。
光軸（34）を有している映像光学システム（22）において、
屈折レンズグループ（38）と、
光軸（34）上に位置する実質的に平坦なイメージ表面（28）とを具備し、
屈折レンズグループ（38）は、
光軸（34）上に位置し、非球面の第１のレンズの前面（48）と、非球面の第１のレンズの後面（50）とを有する第１のレンズ（40）と、
光軸（34）上に位置し、非球面の第２のレンズの前面（52）と、非球面の第２のレンズの後面（54）とを有する第２のレンズ（42）とを具備し、
屈折レンズグループ（38）はイメージ表面（28）においてイメージを形成する映像光学システム。
第１のレンズ（40）と第２のレンズ（42）は視野を横切る点対点ベースで適用される以下の関係式、即ち、
ψ_ｔ＝ψ_１＋ψ_２−（ｄψ_１ψ_２）
にしたがって規定され、ψ_ｔは全体の局部的な光倍率であり、ψ_１は第１のレンズ（40）の局部的な光倍率であり、ψ_２は第２のレンズ（42）の局部的な光倍率であり、ｄは第１のレンズ（40）と第２のレンズ（42）との間の局部的な間隔である請求項１２記載の映像光学システム。
さらに、イメージ表面（28）において光軸（34）上に位置する検出器（30）を含んでいる請求項１２記載の映像光学システム。
検出器（30）は赤外線焦点面検出器である請求項１４記載の映像光学システム。
第１のレンズ（40）と第２のレンズ（42）はそれぞれ二重の凹面レンズである請求項１２記載の映像光学システム。
さらに、光軸（34）上に位置する第３のレンズ（44）を具備し、第２のレンズ（42）は光軸（34）に沿って第１のレンズ（40）と第３のレンズ（44）との間に位置している請求項１２記載の映像光学システム。
映像光学システム（22）は丁度３個の倍率レンズを具備し、
それぞれイメージ表面（28）に関して凹面的に湾曲されている第１のレンズの前面（48）と、第１のレンズの後面（50）とを有する第１のレンズ（40）と、
それぞれイメージ表面（28）に関して凹面的に湾曲されている第２のレンズの前面（52）と、第２のレンズの後面（54）とを有する第２のレンズ（42）と、
それぞれイメージ表面（28）に関して凸面的に湾曲されている第３のレンズの前面（56）と、第２のレンズの後面（58）とを有する第３のレンズ（44）とを具備している請求項１２記載の映像光学システム。
映像光学システム（22）は約Ｆ／１．５よりも小さいＦ数と、約４５度を超える視野と、約２．０よりも小さい望遠比とを有している請求項１２記載の映像光学システム。
光軸（34）と実質的に平坦なイメージ表面（28）とを有する映像光学システム（22）において、
実質的に平坦なイメージ表面（28）において実質的に平面のイメージを形成する丁度３つの倍角レンズ（40、42、44）を有する屈折レンズグループ（38）と、
実質的に平坦なイメージ表面（28）において光軸（34）上に位置する赤外線焦点面検出器（30）とを具備し、屈折レンズグループ（38）は、
それぞれイメージ表面（28）に関して凹面的に湾曲されている第１のレンズの前面（48）と、第１のレンズの後面（50）とを有する二重凹面で非球面の第１のレンズ（40）と、
それぞれイメージ表面（28）に関して凹面的に湾曲されている第２のレンズの前面（52）と、第２のレンズの後面（54）とを有する二重凹面で非球面の第２のレンズ（42）と、
それぞれイメージ表面（28）に関して凸面的に湾曲されている第３のレンズの前面（56）と、第２のレンズの後面（58）とを有する二重凸面の第３のレンズ（44）とを具備している映像光学システム。
映像光学システム（22）は約Ｆ／１．５よりも小さいＦ数と、約４５度を超える視野と、約２．０よりも小さい望遠比を有している請求項２０記載の映像光学システム。