JP2524612B2 - 赤外アフォ―カルズ―ム式テレスコ―プ - Google Patents

赤外アフォ―カルズ―ム式テレスコ―プ

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JP2524612B2
JP2524612B2 JP62502511A JP50251187A JP2524612B2 JP 2524612 B2 JP2524612 B2 JP 2524612B2 JP 62502511 A JP62502511 A JP 62502511A JP 50251187 A JP50251187 A JP 50251187A JP 2524612 B2 JP2524612 B2 JP 2524612B2
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zoom lens
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 1.技術分野 この発明は、アフォーカルなズームレンズシステムに
関し、特に赤外スペクトルにおいて作動可能なレンズシ
ステムに関する。
2.関連技術の説明 赤外スペクトルにおいて作動可能な光学レンズシステ
ムの応用は数多い。この発明において、“赤外”という
術語は、可視光線より長くマイクロ波放射線よりも短い
波長を持つ電磁放射を意味するものとする。前記赤外ス
ペクトルの波長域を数値でいうと、通常、可視領域にお
ける最長波長である0.7ミクロンからほぼ100ミクロンに
及ぶものと考えられている。赤外レンズシステムは、よ
く知られている赤外線レーダ及び赤外線結像システムは
もちろん夜間監視装置及び全天候型の夜間飛行能力を提
供するのに使用される航空機操縦装置の一部として使用
される。前記システムの一つは“forward looking in
frared"の言葉に由来する頭字語“FLIR"の名で一般によ
ばれている。このシステムは、望ましくはスペクトルの
２から20ミクロンの波長領域で作動し、より詳細には８
から12ミクロンの範囲で作動する。
赤外スペクトルにおいて作動可能なズームレンズシス
テムを提供することがしばしば望まれる。そのようなズ
ームレンズシステムは、従来のFLIRシステムにおいて見
受けられるように、主結像システムに“ボルト止め”さ
れたアタッチメントとして使用される。概して、ズーム
システムはアフォーカルでなければならず、ズームの出
力が無限遠で集束する平行ビームである。望ましい設計
パラメータとしては、アフォーカルな赤外ズームが高い
像品質を提供すると同時に透過損が小であることであ
る。透過損は赤外領域のスペクトルを持つレンズにおい
て特に大きい。したがって、コスト及び性能の両方を考
慮して、レンズの数は最小にしなければならない。さら
に、コンパクトな設計が強く望まれる。
従来の多くのズームシステムは、可視領域の波長にお
いても、有限焦点タイプ又は結像出力タイプでありアフ
ォーカルタイプ又は第１集束レンズとともに使用される
アタッチメントタイプではない。可視領域の波長で結像
タイプの米国特許としては、米国特許第3,377,119号（T
akano）、米国特許第3,433,559号（Vockenhuberその
他）、米国特許第3,454,321号（Klein）、さらに米国特
許第3,597,048号（Bertele）がある。赤外波長で使用さ
れる集束レンズシステムは米国特許第3,439,969号（Kir
kpatrick）及び米国特許第3,825,315号（Altmanその
他）である。
より最近になって、遠赤外（８から12ミクロン）の走
査システムの使用の増加が変倍機構を有するアフォーカ
ルな赤外テレスコープすなわちズームレズシステムの発
展をもたらした。変倍式又はズーム式テレスコープが設
計され製造されたが、たいていはより大きな物理的サイ
ズのためその使用が限定されていた。そのようなレンズ
の使用を制限する要素として、機械的複雑さ及び光学設
計を理論的に行う能力と機械的信頼度とを得ることの難
しさがあった。
赤外ズームレンズの発展についてのすぐれた吟味が、
Nealの“サーマル赤外線用ズームレンズ”（光学的シス
テム設計、解析そして製造の第339号、1983年４月）に
おいてなされている。その中で、著者は米国特許no.3,9
47,084（Noyes）に開示された設計について議論してい
るが、これは６対１のズーム比を有するが残念なことに
全長が特に短いものではなかった。このズームシステム
は機械的に補償されたズーム対物レンズシステムと２つ
のエレメントからなる接眼レンズシステムとを使用して
おり前記接眼レンズシステムと前記対物レンズシステム
との間に内部実像が形成される。前記ズーム対物レンズ
システムは２つの分離した非線形ズーミングコンポーネ
ントを含み、このズーミングコンポーネントは前記実像
に隣接するので前記ズーミングコンポーネントを前記実
像に接近して移動しなければならない欠点を有する。こ
の特許に開示されたズーム構成は、実像がレンズシステ
ムの内部に形成されないガリレオ式のものと比べて、再
度結像するアフォーカルズーム構成を有する。
後になって、４対１のズーム比を持つよりコンパクト
な設計のテレスコープが、Robertsの“コンパクトな赤
外連続ズームテレスコープ”（オプティカルエンジニア
リング23号のNo.2、1984年3/4月）の中に記載された。
その中では、機械的に補償されたズーム対物レンズと３
枚の接眼レンズとによって形成されたテレスコープが開
示された。この設計はそれ以前のズームテレスコープよ
りも改善されたが、全長をもっと短くすることが要求さ
れ、さらにズーム範囲は中ぐらいだが倍率が低いので特
に広い視野を提供することが出来なかった。赤外ズーム
の技術分野について記載した他の出版物として、Jamies
onの“8uから13uの周波帯におけるズームレンズ”（Opt
ica Actaの18号のNo.1、1971年）がある。
前述した設計条件の他に、連続的な無焦点光景を提供
する赤外ズームレンズシステムすなわちアフォーカルタ
イプであることが必要とされ、前記ズームレンズは少な
くとも8:1の比較的大きな倍率を提供すると同時に、単
位倍率（1.0x）の作動モードをも提供する能力を持ち、
同時にコンパクトな構造をも提供することが必要とされ
る。単位倍率のズーム位置を提供する能力は、表示され
た風景がパイロットが直視する実際の風景と完全に一致
することが要求される操縦上の応用に対して重要であ
る。前記単位倍率のズーム位置は航空機を操縦するのに
必要な正確な視界をパイロットに提供する。これらの能
力を有するアフォーカルな赤外ズームレンズシステムの
他の応用は、当業者に明らかになる。
発明の摘要 本発明によるコンパクトな赤外ズームレンズシステム
は単位倍率（1.0x）の作動モードを含み少なくとも8:1
の倍率を有する。ズームテレスコープは、最高倍率位置
においてガリレイ式に配置されかつ最小倍率位置におい
て逆望遠ガリレイ式に配置され、さらに赤外スペクトル
の帯域を有する光学エレメントからなる。
好ましい実施例において、前記ズームシステムは前記
システムを形成すべく光軸に沿って配置された光学的に
共動する４つのレンズ群を提供することによって達成さ
れる。前記レンズ群のそれぞれは、少なくとも１つのレ
ンズを具備する。第１群は固定焦点の前方対物レンズエ
レメントを含み、第２群は負のズームエレメントであ
り、第３群は正の固定レンズ、第４群は負の後方ズーム
エレメントである。前記第２及び第４レンズ群を可動自
在に取付けて前記システムの倍率を最大限と最小限との
間で連続して変化させる手段が供給されている。最小倍
率において前記レンズ群は、前記負の前方ズームエレメ
ントと前記正の第３群とが広く分離されて逆望遠対物レ
ンズを形成するように互いに配置されている。最大倍率
においては前記負の前方ズームエレメントと前記第３群
の正の固定エレメントとが結合してガリレオ式の弱い負
のダブレットを形成する。前記後方ズームエレメントと
開口絞りとが共に移動して出力ビームのコリメートを維
持し軸上の射出ビームの直径を一定値に保持する。
図面の簡単な説明 次の詳細な説明を読むことによって及び図面を参照す
ることによって本発明の多くの利点が当業者に明らかに
なる。
第１図は、最高倍率と最小倍率との間の様々な位置に
ある前記システムのレンズエレメントを示し、かつこれ
らの２つの位置の間で可動なレンズの軌跡又はズーム跡
を示す8:1の比率のズームレンズシステムの光学的略図
である。
第２図は、12:1の倍率を持つ本発明の第２の実施例で
あり第１図に類似する図である。
好ましい実施例の説明 第１図に赤外スペクトルにおいて使用される8:1の比
率のアフォーカルズームテレスコープの光学的略図を示
す。本発明は特に８から12ミクロンの範囲の波長におい
て使用される。ズームテレスコープは概して数字20で示
され、機械的に補償されたズームシステムを形成すべく
光軸に沿って配置された４つの光学的に共動するレンズ
群Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを具備する。第１レンズ群Ａは、シン
グレット形固定対物レンズを形成する正の単レンズか又
は集光ゲルマニウムレンズA1からなり表面１及び表面２
を有する。第２群Ｂは第１軌跡L1に沿って動き表面３及
び表面４を有する負の単レンズか又は発散形ゲルマニウ
ムレンズを具備する。この光学エレメントはここでは時
として前方ズームエレメントと呼ばれる。
レンズ群Ｃは表面５及び表面６を有するゲルマニウム
からなる正のメニスカスレンズC1と表面７及び表面８を
有するセレン化亜鉛の負のメニスカスレンズC2とからな
るダブレットである。前記セレン化亜鉛レンズC2は色収
差を補正するのに使用され、その焦点距離は前記レンズ
C1に関して約マイナス10倍であり、これによって前記C1
と前記C2との組合わせがＣ群に集光作用又は正の作用を
提供する。前記レンズ群Ｄは負のゲルマニウムレンズに
よって形成され表面９及び表面10を有する。前記レンズ
群Ｄは軌跡L2に沿って移動し、ここでは時として後方ズ
ームエレメントと呼ばれる。
前記２つの可動レンズ群Ｂ及びＤのズーミング作用は
通常のカム装置によって制御され、前記両群は各軌跡に
沿って常に同じ倍率値点にある。前記点の間の前記Ｂ及
び前記Ｄの移動によって前記システムの倍率が最小1.0x
から最大8.0xまで連続的に変化する。物空間の視野は、
同様に最小倍率位置における14.6゜x19.5゜から最大倍
率位置における1.9゜x2.5゜まで変化する。軸上の射出
ビーム（参照番号12）の直径は、射出視野が全てのズー
ム位置に対して15゜x20゜で一定であるように、一定の
ままである。アフォーカルテレスコープと主結像システ
ムとの間の境界面は数字11で示される。最初の３つのレ
ンズ群Ａ、Ｂ、Ｃは、テレスコープの合成対物レンズシ
ステムを形成すべく共動するが後者のレンズ群Ｄは再度
コリメートするためのレンズとして使用される。第１図
の最上図に示されるような小さい倍率位置では前記レン
ズ群Ｂは、前記主対物レンズＡに近接して設けられる。
すなわち、レンズ群Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ逆望遠
ガリレイ方式を形成する位置に設けられる。前記逆望遠
ガリレイ方式においては、正の逆望遠合成対物レンズが
負の再度コリメート用レンズに結合されてガリレオ式テ
レスコープ又は非再結像式テレスコープを形成する。こ
れは第１図の倍率1.0xの略図で形成されるが、なぜなら
前記レンズ群Ａ、Ｂ、Ｃが合成対物レンズを形成しその
焦点距離が1.89インチでズームレンズシステムの全長す
なわち前記表面１から前記表面10までの距離よりも小さ
いためである。この全長は、本実施例では、10.554イン
チほどである。
第１図の実施例において、前記前方ズームエレメント
の前記レンズ群Ｂは軌跡L1に沿う線形路を移動し前記後
方ズームエレメントの前記レンズ群Ｄは軌跡L2に沿って
非線形的に移動する。最大倍率位置（第１図の8x）にお
いて、前記負の前方ズーム群Ｂと前記正の固定レンズC1
とが結合して弱い負のダブレットを形成する。前記レン
ズ群Ｂと前記正のレンズC1とからこの弱い負のダブレッ
トを形成するためには、前記群Ｂの焦点距離はより小さ
く前記正のレンズＣの符号に関して反対の符号でなけれ
ばならない。前記群Ｂのレンズと前記レンズC1との合成
焦点距離の逆数は で表わされｄ＝THK ４は前記レンズ群Ｂと前記レンズ
群C1との間の空気間隔を表わす。したがって、前記レン
ズ群Ｂと前記正のレンズC1との合成焦点距離に対する前
記空気間隔THK ４の影響を減らすべく、前記レンズ群
Ｂを前記群Ｃの正のレンズC1から最小の距離に設けなけ
ればならない。この実施例では、前記レンズ群Ｂの焦点
距離は−2.205インチであり、前記正のレンズC1の焦点
距離は2.545であり前記空気間隔THK ４は0.098インチ
である。すなわち、前記レンズ群Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはガ
リレオ方式に配置され前記レンズ群Ａ、Ｂ及びＣによっ
て定義された合成焦点距離は前記テレスコープのレンズ
システムの長さよりも長くなる。いいかえれば最大倍率
位置では、結像焦平面は第１図の前記レンズ群Ｄの右側
に存在する。前記後方ズームエレメントＤと開口絞りＳ
とは共に移動して射出ビームのコリメートを維持し軸上
の射出ビームの直径を一定値、本実施例では約１インチ
に保持する。前記開口絞りＳを前記後方ズームエレメン
トＤから一定距離を置いて配置することによって対物レ
ンズの所定の直径に対するビームワンダが最小になる。
前記レンズ群Ｄの前記表面９からの前記開口絞りＳの距
離は、前記レンズ群Ｃの前記表面８と前記開口絞りＳ間
に必要とされる最小間隙に基づいて決定される。本実施
例において、前記表面８と前記絞りＳ間の空気間隔は最
小倍率1.0xの位置で0.1インチの最小値を有する。本実
施例においては前記レンズ群Ｄの前記表面９からの前記
絞りＳの距離は1.7659インチである。
第１図のシステムは下記の表１で与えられた構造デー
タによって製造される。この表において、本実施例の前
記レンズ群Ａは表面１及び表面２を有する単レンズA1の
みを具備する。前記レンズ群Ｂは前記表面３及び前記表
面４を有するレンズB1を具備する。同様な表記が前記表
全体において使用される。半径の数字及び全ての他の大
きさはインチで与えられる。前記半径は慣例によって特
定される特定表面の曲率半径に関連する。厚さは前記厚
さが言及される表面からその次に大きい番号の表面まで
の光軸Ｏに沿う距離に関連する。すなわち、前記レンズ
A1の前記表面１から前記表面２までの厚さは1.0インチ
である。前記レンズA1の表面２と前記レンズB1の表面３
間の空気を介した様々な厚さは、前記表２のTHK ２と
書かれた列の下に列挙された数字によって与えられる。
前記厚さ２の様々な寸法は前記レンズ群Ｂの移動の軌跡
L1に沿ったレンズシステムの異なる倍率位置に相応す
る。同様な表記が他の固定及び可変距離についても使用
される。屈折率が2.407でセレン化亜鉛のレンズC2以外
は全てのレンズは4.003の屈折率を持ちゲルマニウムか
らなる。マイナス0.085256の円錐定数を持つ惰円面を持
つ前記表面２以外はすべてのレンズ面は球面である。慣
例によってClear Apertと書かれた列は、前記開口絞り
の直径を定義するパラメータである最小空隙の開口に関
連し、特定視野内の全ての放射が口径食なしに前記面を
通じて通過可能にするものである。
第２図の実施例は0.5xから6.0xのズーム又は変倍範囲
を提供することを意図しており、12:1の比を提供し所望
の単位倍率（1.0x）を含む。このシステムは前記した実
施例と同じレンズ群構成及びレンズ設計方法を有するが
レンズの処方が異なり両方の前記ズームエレメントの軌
跡は非線形である。他の特性上の違いとして、本実施例
のズームテレスコープは、最高倍率位置で1.67゜x2.22
゜及び最小倍率位置で20.5゜x27.3゜のより広い視野範
囲を提供する。6xの位置における入射瞳の直径は5.3イ
ンチであり0.5x以下の倍率位置における入射瞳の直径は
0.44インチである。この実施例において、射出瞳は0.88
インチであり射出視野は10.2゜x13.6゜である。
前の実施例と同様に、この実施例はＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの
参照符号を持つ４つのレンズ群を有する。レンズ群Ｆ及
びＨはそれぞれ軌跡L3、L4に沿って移動するズームエレ
メントである。前の実施例の構成がここでは望ましい
が、この実施例においても、開口絞りS1を後方ズーミン
グエレメントに近接して設けることによって許容できる
結果を得ることができる。処方及び相対的ズーム間隔は
次の表IIIおよびIVにそれぞれ示されている。これらの
表は、詳細に前述した前記表Ｉ及びIIと同じ約束に従う
ものとする。この実施例においては、表面102はマイナ
ス .13882の円錐定数を持つ惰円面である。
前記両者の実施例が赤外スペクトルにおいて使用され
るズームテレスコープを提供しており、特に外側倍率限
界で程よい像品質を提供し、同時に少数枚のレンズで単
位倍率（1.0x）設定を達成している。単位倍率設定は、
航空機操縦への応用のように、実際の風景に正確に一致
する風景を表示することが望まれる応用におけるズーム
テレスコープの使用を可能にする。本発明のテレスコー
プの設計は、第１及び２図のボックス13によって示され
た固定焦点距離の主結像レンズと共に使用するのに適し
たズームレンズアタッチメントとしても使用され、特
に、前記FLRIシステム及び他の赤外サーマル結像走査装
置によって通常使用される８から12ミクロンのスペクト
ル領域における赤外放射線を使用するシステムに適して
いる。これらの所望の特徴は、ズームレンズシステムの
全長を最小の長さ、前記第２の実施例においては上述し
たように6.784インチの長さに保持することによって達
成される。当業者は他の利点を認識するようになり、そ
の場合、ある種の変更が図面付き明細書及び次の請求の
範囲の検討後になされる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−23111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−110347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−55314（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−141315（ＪＰ，Ｕ) 英国特許2131973（ＧＢ，Ａ) ***国公開3342002（ＤＥ，Ａ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】赤外アフォーカルズームテレスコープにお
    いて、 正の第１固定レンズ群と、 前記第１レンズ固定群から一定距離をおいて配置され、
    ゲルマニウムからなる正のメニスカスレンズとセレン化
    亜鉛からなるメニスカスレンズとを有するダブレットを
    具備する正の第２固定レンズ群と、 前記第１と第２固定レンズ群間に配置された負の前方ズ
    ームレンズと、 前記第２固定レンズ群の対向側に設けられた負の後方ズ
    ームレンズと、 前記前方ズームレンズが弱い負のレンズ群を形成すべく
    前記第２固定レンズ群の正のメニスカスレンズに隣接し
    て配置され、少なくとも6Xの倍率を規定する第１位置
    と、前記前方ズームレンズが前記第２固定レンズ群の正
    のメニスカスレンズから一定距離をおいて配置され、少
    なくとも１以下の倍率を規定する第２位置との間で、前
    記前方ズームレンズを移動させて前記テレスコープを機
    械的に補償する手段とを具備し、 前記前方ズームレンズが前記第１レンズ群と前記負の後
    方ズームレンズとの間の画像形成を防止すべく選択され
    かつ配置された赤外アフォーカルズームテレスコープ
  2. 【請求項２】前記第１レンズ群が楕円状後面を有するレ
    ンズを含む特許請求の範囲第１項に記載のテレスコー
    プ。
  3. 【請求項３】前記後方ズームレンズと共に移動すべく取
    り付けられた開口絞りをさらに具備する特許請求の範囲
    第１項に記載のテレスコープ。
  4. 【請求項４】前記第２位置が0.5Xの倍率を提供し、前記
    第１位置が6.0Xの倍率を提供する特許請求の範囲第１項
    に記載のテレスコープ。
  5. 【請求項５】固定焦点距離の主結像レンズと共に使用さ
    れるアフォーカルズームレンズアタッチメントにおい
    て、 非再結像方式のズームレンズシステムを形成すべく光軸
    に沿って連続に配置された４つの光学的に共働するレン
    ズ群であり、このレンズ群のそれぞれが少なくとも１つ
    のレンズを具備し、この少なくとも１つのレンズのそれ
    ぞれが赤外波長領域の有効スペクトル帯域を有し、固定
    焦点の前方対物エレメントを含む正の第１レンズ群と、
    第１軌跡を移動する前方ズーミングエレメントを含む負
    の第２レンズ群と、固定されたダブレットを含む正の第
    ３レンズ群と、第２軌跡を移動する後方ズーミングエレ
    メントを含む負の第４レンズ群とを具備するレンズ群
    と、 前記第２および第４レンズ群のズーミングエレメント
    を、互いに所定の関係を有し少なくとも１つが非線形で
    ある所定の軌跡を通って同時に移動して機械的に補償す
    べく、前記ズームレンズシステムの倍率を最大倍率位置
    と最小倍率位置との間で連続的に変化させる手段とを具
    備し、 前記４つのレンズ群が、前記ズームレンズシステムの前
    記最小倍率位置にある時に逆望遠ガリレイ方式を形成す
    るように互いに配置され、かつ、前記４つのレンズ群が
    前記最大倍率位置にある時に弱い負のレンズ群を形成す
    べく前記第２レンズ群の前方ズーミングエレメントが前
    記第３レンズ群の正のレンズに隣接して配置されたアフ
    ォーカルズームレンズアタッチメント。
  6. 【請求項６】前記４つのレンズ群が、単位倍率（1.0X）
    を提供するように配置された特許請求の範囲第５項に記
    載のズームレンズアタッチメント。
  7. 【請求項７】システム用出力ビームのコリメートを維持
    し、軸上の射出ビームの直径を一定値に保持すべく、前
    記第４レンズ群の後方ズーミングエレメントと共に移動
    するように取り付けられた開口絞りをさらに具備する特
    許請求の範囲第６項に記載のズームレンズアタッチメン
    ト。
  8. 【請求項８】前記第１レンズ群が固定された位置をもつ
    単一で正の前方対物レンズであり、前記第２レンズ群が
    負のズーミングシングレットであり、前記第３レンズ群
    がダブレットであり、前記ダブレットの１つのレンズが
    前記ズームレンズシステムに対して色収差補正を提供
    し、さらに前記第４レンズ群が負のズーミングシングレ
    ットである特許請求の範囲第７項に記載のズームレンズ
    アタッチメント。
  9. 【請求項９】前記レンズのそれぞれが８〜12ミクロンの
    間の波長領域のエネルギに対して有効なスペクトル帯域
    を有する特許請求の範囲第８項に記載のズームレンズア
    タッチメント。
  10. 【請求項１０】前記４つのレンズ群が図面の第１図に示
    されたＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの群を具備し、前記レンズが次の
    処方表Ｉ及びIIに従って製造されて取り付けられ、前記
    処方表の“半径”が対応番号によって示されたレンズ表
    面の曲率半径に関連し、前記処方表の“厚さ”が指示さ
    れた表面から次に大きい番号の表面までの光軸○に沿っ
    た距離に関連し、材料及びレンズの外径が前記処方表に
    よって特定された通りであり、後面が楕円でかつ、−0.
    085256の円錐定数をもつ対物レンズ以外は全表面が球面
    であり、測定量がインチによって前記処方表のように特
    定された特許請求の範囲第９項に記載のズームレンズア
    タッチメント。
  11. 【請求項１１】前記４つのレンズ群が、図面の第２図に
    おいて示されたＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈの群を具備し、前記レン
    ズが次の処方表III及びIVに従って製造されて取り付け
    られ、前記処方表の“半径”が対応番号によって示され
    たレンズ表面の曲率半径に関連し、前記処方表の“厚
    さ”が指示された表面からその次に高い番号の表面まで
    の光軸○に沿った距離に関連し、材料及びレンズの外径
    が前記処方表に特定された通りであり、後面が楕円でか
    つ、−0.13882の円錐定数をもつ対物レンズ以外は全表
    面が球面であり、測定量がインチによって前記処方表の
    ように特定された特許請求の範囲第９項に記載のズーム
    レンズアタッチメント。
  12. 【請求項１２】前記４つのレンズ群がゲルマニウム及び
    セレン化亜鉛の群から選択された特許請求の範囲第９項
    に記載のズームレンズアタッチメント。
  13. 【請求項１３】航空機操縦システムに取り付けるのに適
    し、パイロットが前記単位倍率を使用することによって
    直視した場合と同じ風景を見ることが可能な特許請求の
    範囲第６項に記載のズームレンズアタッチメント。
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