JP2721095B2 - 屈折および回折の光学素子を使用する画像再形成光学システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は画像再形成光学システ
ム、特に収差を最小限にする屈折光学素子と回折光学素
子の組合わせを備えた画像再形成光学システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光学的収差を補正する必要性は広範囲の
光学的システムで普及している。レンズ、ミラ−、プリ
ズムのような屈折および反射部品は回避できない多種の
光学的収差を生じる。例えば、これらは横および軸上収
差、色収差、コマ、球面の異常変色、色コマ、非点収
差、フィールド（Petzval ）湾曲等を含む。

【０００３】光学的システムが複雑になる程、システム
の要する屈折素子は多くなる。このことはこれらの屈折
素子により誘起される収差を増加させる結果となる。結
果として、付加的な屈折装置はこれらの収差を補正する
ことが必要になる。

【０００４】例えば、多くの光学システムは典型的に画
像再形成光学構造の使用を必要とする光学センサを用い
る。光学センサシステムの画像再形成光学構造は軸を外
れた放射線の排除、検出器モジュ−ルの次のコ−ルドス
トップを有する100 ％コ−ルドシ−ルディング、アクセ
ス可能な入射瞳孔のような多くの利点を提供する。通
常、画像再形成光学システムは２つのモジュ−ルを有す
る。即ち入射する光ビ−ムを中間画像面に焦点を結ばせ
る対物レンズグル−プと中間画像面に続く中継レンズグ
ル−プである。中継レンズグル−プは光を検出器に送信
する。焦点型画像再形成システムでは、中継レンズグル
−プは検出器における第２の画像面で再び焦点を結ぶ。
一方、非焦点型システムでは中継レンズグル−プは望遠
鏡システムで通常行われている観測するため光の照準を
行う。

【０００５】画像再形成光学システムの付加的な光学素
子のため、複数の光学収差が起こる。例えば、画像再形
成光学システムで高品質画像を得るために対物レンズグ
ル−プと中継レンズグル−プの両者の軸上の色はそれぞ
れ補正されなければならない。対物レンズグル−プの軸
上の色は原則的に中継レンズグル−プにより除去される
一方、後のグル−プで要する付加的な負の倍率は３次の
収差の平衡を乱し、さらに高次の収差を生成する。その
上、対物レンズグル−プと中継レンズグル−プの両者の
球面収差およびコマは各グル−プ内で部分的に補正され
る必要がある。そうでなければ、非点収差を導く「スト
ップ」シフト（最高長がゼロでない）は平衡することに
より除去することができない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような要因のため
に屈折画像再形成光学システムは通常、複雑で複数の光
学素子を要する。ある場合には非球面表面を有するレン
ズが使用される。このことは多くの欠点を生じる。例え
ば余分な装置がシステムの価格に加わる。特に、あるタ
イプの収差の防止用の非球体表面は比較的高価である。
さらに、これらの余分な光学素子はシステム全体の大き
さと重量をかなり増加させる。その上、付加的な光学素
子は画像品質に影響を及ぼし、伝送の損失を招く。

【０００７】このような理由で必要な光学素子全体の数
を減少する画像再形成光学システムを提供することが望
ましい。このため重大な収差を招かず、最小限の数の素
子で収差を補正できる光学装置が望ましい。さらに比較
的安価で高品質の画像と低い伝送損失を与えられる高性
能の画像再形成光学システムを有することが望ましい。
そして軽くて小さな空間に収納できる画像再形成光学シ
ステムが望まれる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によると屈折およ
び回折光学素子の組合わせを使用する画像再形成光学シ
ステムが提供される。このシステムは入射する光ビ−ム
を第１の画像面に焦点を結ばせる対物レンズグル−プを
含む。中継レンズグル−プは光ビ−ムが第１の画像平面
を通過した後、第２の画像平面に再び焦点を合わせる。
中継レンズグル−プは対物レンズグル−プと中継レンズ
グル−プにより誘起される収差の補正用の回折光学素子
を含む。

【０００９】回折光学素子は収差補正が必要な各光学素
子の数を減少させ、その結果、システムの光学素子の全
体数を減少させる。それによって、よりよい画像品質が
得られ、適切な生産性、軽く、かさばらない画像再形成
光学システムが得られる。本発明の種々の有益性は図面
を伴って後述の説明を参照することにより当業者に明白
である。

【００１０】

【実施例】図１を参照すると、従来技術の画像再形成光
学システム10が示されている。このような画像再形成シ
ステムは広い範囲の応用に使用されており、特に検出器
と共に用いられている。図１に示されている画像再形成
光学システム10は暗視のシステムに使用されるような赤
外線画像システムである。従来技術の画像再形成光学シ
ステム10はコリメ−トされた光12を受信し、この光12は
入射光の境界14を限定する入射瞳孔（図示せず）を通過
する。この光12は最初にシリコンレンズ16に達し、その
後、隣接するゲルマニウムレンズ18に到達し、これら２
つのレンズを合わせて対物レンズグル−プ20を形成す
る。対物レンズグル−プの目的は中間画像面22で入射光
の焦点を結ぶことである。中継レンズグル−プ24は光12
が中間画像面22を通過後、この光を受信し、検出器26へ
再び焦点を結ぶ。この中継レンズグル−プは中間画像22
を中継するために使用される両面凸面タイプのシリコン
レンズ28からなる。そして中継レンズグル−プ24は色収
差補正用の両面凹面のゲルマニウムレンズからなる。最
後に別のシリコンレンズ32が使用され、それはゲルマニ
ウムレンズ30を通過後の光の焦点を結ぶことに使用され
る片面が凸面で他面が凹面タイプのレンズである。

【００１１】画像再形成光システム10で高品質の画像を
得るために対物レンズグル−プ20と中継レンズグル−プ
24の両者の軸上の色はそれぞれ充分に補正されなければ
ならないことがわかる。例えば、対物レンズグル−プ20
により導入された軸上の色が中継レンズグル−プ24によ
り除去されると、中継レンズグル−プ中のゲルマニウム
（フリントガラス）に要される付加的な負の倍率は３次
の収差平衡を乱し、付加的により高次の収差を生成す
る。このために対物レンズグル−プ20と中継レンズグル
−プ24が対物レンズとゲルマニウムレンズの対を具備
し、これらのレンズが一体となって色消しレンズを生成
する。さらに、対物レンズグル−プ20と中継レンズグル
−プ24の両者の球面収差およびコマ収差は各グル−プ内
で部分的に補正されなければならない。そうでなければ
非点収差を導く「ストップシフト」（最大長がゼロでな
い）が平衡を保つことができないためである。結果とし
て、従来技術による画像再形成光学システム10は比較的
複雑で多数の光学素子を必要とする。

【００１２】さらに、従来技術の画像再形成光学システ
ム10は赤外線画像の背景雑音を減少させる孔のような役
目をするコ−ルドストップ34を含む。典型的にコ−ルド
ストップ34は検出器冷却室（図示せず）の窓に配置され
ている。赤外線検出器26はコ−ルドストップを通過する
光を受信する。

【００１３】図２を参照すると、本発明による画像再形
成光学システム36が示されている。画像再形成光学シス
テム36は改良された画像品質を有し、非常に簡素化した
形態で従来技術のシステム10機能特性を維持している。
さらに、素子の数の40％削減が実現している。このこと
は重量と価格の面で非常に有益である。

【００１４】画像再形成光学システム36の重要な特徴は
１次の横方向の色収差と２次の横方向の色収差とコマ収
差が「対称原理」によって自己補正されることである。
特に対物レンズグル−プ38と中継レンズグル−プ40は中
間画像面に関して対称的であり、１次の横方向の色収差
と２次の横方向の色収差とコマ収差を平衡する結果とな
る。このことは中間画像面46の前方と後方の非球面シリ
コンレンズ42、44によって生じる。

【００１５】この構造の対称原理を使用する利点はシス
テム全体の軸上色補正用の屈折光学素子を使用する画像
再形成光学システム36によって可能となる。好ましい実
施例では回折光学素子48は二進光学素子からなる。この
回折光学素子48も球面色収差および色コマのような高次
の色収差を補正するために使用可能である。さらに、回
折素子48はシステムの全体の倍率に部分的に貢献する正
の光学倍率を有する。これに対して、典型的なゲルマニ
ウム（フリントガラス）の補正装置はシステムの倍率に
影響しない。色収差補正のための回折光学素子48の結果
として、光学システム36の各素子固有の収差は非常に減
少される。従って、システム全体の収差補正は非常に簡
単化される。

【００１６】当業者は一般的に二進光学素子のような回
折光学素子は屈折光学素子と同様の方法で動作させるこ
とが可能であることを認識している。例えば、拡大倍率
はシステムの要求を満たす効率的な焦点距離の領域プレ
ート構造を有する二進光学素子システムで符号化され
る。プリズム倍率も必要なときに使用されることができ
ることが明らかである。

【００１７】より詳細には、拡大倍率を生成するために
必要な二進光学素子48の領域プレートはフレネル領域プ
レートの形態である。二進光学素子についてさらに明確
なことは文献（G. SwansonW とW. Veldcamp の“Infrar
ed Application of Diffractive Optical Elements”SP
IE議事録の885 巻22号1988年およびD. Shafer とT. McH
ugh の“Binary Optics Design Surprises for the 199
0s”フロリダ州オ−ランドのSPIE議事録、1989年３月）
に説明されている。これらの論文で示されているように
100 ％の効率を得るために必要なフレネルの表面外形は
２πの高さまたは位相深度を有する湾曲したくさび型構
造を必要とする。

【００１８】この位相深度は波長に比例することがわか
る。赤外線波長ではダイヤモンドタ−ンド光学技術は連
続的な曲線の位相外形を生成するために使用される。可
視波長では連続的な曲線の位相外形を生成する技術は存
在しない。従って、この所望の位相外形近似するものと
して、理想的な連続的フレネル領域プレートの位相外形
は個別の位相レベルに量子化することによって近似され
ることができる。回折効率は位相レベルの数の関数であ
る。90％を超過する回折効率は例えば高解像度のリソグ
ラフ、マスク合せ、反応性イオンエッチングのような集
積回路製造技術の使用により達成できる。

【００１９】二進光学素子48の領域プレート構造は通
常、二進光学素子22が収差減少と歪み補正として機能す
ることを可能にする。領域プレート構造は対称または対
称でない多項式形態により示される。実際的な制限は二
進光学素子48の最小の特徴サイズであり、これは最近の
技術では約１ミクロン（１μｍ）である。このような補
正を二進光学素子48に提供する能力を備えると、二進光
学素子48だけを使用しても、システムで高質画像が得ら
れる。フレネル領域プレートを使用する二進光学素子48
は回折光学素子であり、屈折レンズ装置であるフレネル
レンズと混合してはならないことが明らかである。

【００２０】本発明に従って使用された二進光学素子の
好ましい光学特性は通常のレンズ設計技術、または良く
知られたレンズ設計プログラムの使用から導かれること
ができる。さらに、Swanson とVeldkampによる前述の論
文は二進光学素子の回折位相形態でパラメ−タを最適に
するためのレンズ設計プログラムの使用についての詳細
な説明を与える。商業上の二進光学素子製造工場は導か
れた公式から二進光学素子を構築するために使用されて
いる。例えば、ダンバリ−にあるヒュ−ズエアクラフト
社のヒュ−ズダンバリ−光学システム部はこれらの設計
公式を二進光学素子の製造に変換する能力のある製造会
社の一例である。

【００２１】対物レンズグル−プ38と中継レンズグル−
プ40の両者の球面収差とコマ収差はレンズ42,44 の非球
面の使用により補正される。非点収差はレンズ素子を適
切な倍率分布を有する適切な位置に配置することにより
補正される。回折光学素子48の使用とガラスの賢明な選
択の結果として、フィ−ルド湾曲またはペッツバル湾曲
は相当する従来技術のシステム10と比較して非常に減少
される。

【００２２】このことに関しては、ゲルマニウムレンズ
50が最終的な屈折光学素子としてシステム36に使用され
ていることが明らかである。。これはフィ−ルド湾曲の
減少に使用する片面凸面で他面凹面のタイプのレンズで
ある。システム36のレンズ50のようなゲルマニアレンズ
は従来技術システム10で最終的な素子として使用される
と、重大な色収差が生じる。ゲルマニウムを使用する理
由はペッツバル湾曲を減少する高屈折率を有するためで
あるが、色収差を生じる。しかし、本発明の画像再形成
光学システム36ではゲルマニウムレンズ50は回折光学素
子48と結合して用いられ、結果としてペッツバル湾曲は
減少し、色収差は回折光学素子48により補正される。好
ましい実施例に従って二進光学素子48はレンズ50の後部
表面に取付けられている。

【００２３】図３を参照すると、図１のような典型的に
従来技術の画像再形成光学システムの性能を示すＨ−ｔ
ａｎＵ曲線が示されている。Ｈ−ｔａｎＵ曲線は光学シ
ステムの性能を評価する重要な手段であることが理解で
きる。特に、連続した光線を図１のような入射瞳孔14か
ら画像面まで描くことによって各光線に好ましい焦点か
らの偏差が描ける。従って、「接線曲線」はｘ軸に沿っ
て入射瞳孔を横切るｙ位置と、ｙ軸の理想の画像点から
の偏差（ｄｙ）が描かれる。同様に、「サジタル」曲線
54はｘ軸上の入射瞳孔に沿って入射する光のｘ位置と、
ｙ軸上の理想の画像点からのエラ−（ｄｘ）を描く。従
って、理想の光学システムではゼロエラ−が存在し、全
ての曲線は接線曲線52のｄｙ＝０線56とサジタル曲線54
のｄｘ＝０線58に沿っている。３つの接線曲線と３つの
サジタル曲線が存在する。第１の接線曲線60は９度の入
射におけるＨ−ｔａｎＵ曲線を示す。同様に、サジタル
曲線62の最上部の曲線は９度の入射における光を示して
いる。従って、中間位置の接線曲線64と中間位置のサジ
タル曲線の曲線66は6.3265度の入射で入る光を示してい
る。最下部の接線曲線68とサジタル曲線70は０度の角度
の入射する入力光を表している。このような各種類の曲
線には３つの線、１、２、３が表示されており、これら
は３つの異なった波長の入射光を意味している。例え
ば、図３の特定のデ−タで曲線１は3.8 μｍの波長の光
について測定されており、曲線２は3.6μｍの波長、曲
線３は4.2 μｍの波長を有する。

【００２４】従って、総合すると、接線曲線52とサジタ
ル曲線54は画像の幾何学的収差の測定を表している。さ
らに、３つの各波長曲線１、２、３の間の相違は光学シ
ステムの色収差を示していることが明らかである。。一
般的に、幾何学的収差と色収差は入射瞳孔の端部の方向
へ増加し、中心的光線に対して最小であることが明白で
ある。

【００２５】図４を参照すると、Ｈ−ｔａｎＵ曲線は本
発明に従って画像再形成光学システム36に対して示され
ている。図４は図３の曲線と同一の入射角と同一の波長
で接線曲線72とサジタル曲線74を示している。各場合に
おいて、ｄｙの値とｄｘの値は図３に示されている従来
技術の画像再形成光学システム曲線よりかなり低いこと
が認められる。このことは幾何学的収差および色収差が
少ない優れた性能であることを表している。

【００２６】光学システムの性能に関する別の測定は変
調伝達関数曲線である。図５では図１の従来技術のシス
テム変調伝達関数曲線が示されている。空間周波数はｘ
軸に沿って、変調はｙ軸に沿って記されている。通常は
変調伝達関数曲線は空間周波数が増加するとき画像の明
暗領域のコントラスト減少を測定する。空間周波数はｘ
軸に沿って１ミリメ−トル当りのサイクル数で示されて
いる。これは１ミリメ−トルにつき光にどのくらいの数
の明暗のグリッドが生じるかを示す。ｙ軸に示された変
調は明るい領域またはバ−の強度から暗いバ−の強度を
引き算し、明るいバ−の強度プラス暗いバ−の高強度で
割算することによって計算される。

【００２７】図５の変調伝達関数曲線76は５つの異なっ
た上昇角とタ−ゲット方向で測定された５つの異なった
曲線を示している。すなわち、図５の上部の記号78で示
されているように実線曲線80は垂直方向を有する軸光線
を表している。即ち、明るいバ−および暗いバ−は垂直
方向に方向づけられている。実鎖と破線82の第２の曲線
は垂直に方向づけられているタ−ゲットと6.3 度の上昇
角とゼロ度の方位角で測定されたものである。長い破線
の第３の曲線84は水平に方向づけられているタ−ゲット
と6.3 度の上昇角における入射ビ−ムで測定される。点
線と長い破線の第４の曲線86は8.1 度の上昇角の入射ビ
−ムと垂直に方向づけられているタ−ゲットについて測
定される。最後に短い破線の最終の曲線88は8.1 度の上
昇角の入射ビ−ムと水平方向のタ−ゲットについて測定
される。これらの測定に使用される光波長の特性は図５
の上部の記号90で示されており、それは異なった波長の
非均一の重み係数がＭＴＦ計算に用いられていることを
示している。通常、従来技術の画像再形成システム10が
変調伝達関数曲線を生成することを認められ、この曲線
では変調はゼロの空間的周波数における1.0 から約40の
空間的周波数の約0.5 へ落ちる。

【００２８】本発明による画像再形成光学システム36の
変調伝達関数曲線90は図６に示されている。これらの測
定は同じ条件で行われ、光曲線は記号92,94 で示されて
いるように図５に示されたのと同一の軸から外れた角度
を示している。ここでわかるように変調伝達関数曲線90
の全ての曲線は最大の空間周波数40に達する範囲でより
高い変調を示す。総じて、これらの曲線は画像再形成光
学システム36が特に１ミリメ−トル当り40サイクルに達
する空間周波数を有するような細部のより高質画像を生
成することを示している。

【００２９】前述したように、画像再形成光学システム
に二進光学素子48を使用することは収差補正と同様に収
差を生じることなく光学倍率を提供することによりシス
テム設計の柔軟性を改良することがわかる。また、この
システムは光学素子の全体的な数がより少ない画像再形
成光学システムをもたらす。このことは収差の減少、伝
送損失の減少、画像品質の高度化を導く。さらに、シス
テムはより少ない価格と重量で組立てられ、空間を取ら
ない。その上、システムは好ましい実施例で示されてい
る焦点システムまたはある種々の望遠鏡システムのよう
な非焦点のシステムで使用されることができることが認
識される。加えて、システムはスペクトル範囲が究超紫
外線から赤外線までの広範囲におよんで使用されること
ができる。

【００３０】当業者はその他の利点が本発明の実施によ
り得られることと、明細書、図面、請求の範囲を研究す
ることにより本発明の技術的範囲から逸脱することなく
種々の変形を行うことができることを認識すべきであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による画像再形成光学システム図。

【図２】本発明による回折光学素子を使用する画像再形
成光学システム図。

【図３】図１に示されている従来技術の画像再形成光学
システムの性能を示したＨ−ｔａｎＵ曲線図。

【図４】図２に示されている本発明の光学システムの性
能を示したＨ−ｔａｎＵ曲線図。

【図５】図１に示されている従来技術の画像再形成光学
システムの変調伝達関数曲線図。

【図６】図２に示されている本発明の画像再形成光学シ
ステムの変調伝達関数曲線図。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光の入力ビームの焦点を画像面に結ぶ第
   １のレンズ手段と、 前記ビームが前記画像面を通過後、光ビームを受け、屈
   折させる第２のレンズ手段とを具備し、 前記第１のレンズ手段と第２のレンズ手段は、対称原理
   に従い、共に部分的に収差を自己補正し、前記第１のレ
   ンズ手段および第２のレンズ手段の収差が互いに平衡し
   て除去され、 さらに、前記第１のレンズ手段と第２のレンズ手段によ
   り補正されない光収差部分を補正する、前記光ビーム路
   に配置され第２のレンズ手段における屈折により生ずる
   拡大作用に関し追加の拡大作用を有する二進光学素子を
   具備していることを特徴とする光学システム。
2. 【請求項２】 前記光ビームが前記第２のレンズ手段に
   より屈析された後、 光ビームを受信する検出器を備えている請求項１記載の
   光学システム。
3. 【請求項３】 前記第２のレンズ手段が前記光ビームの
   焦点を再び結ばせる請求項１記載の光学システム。
4. 【請求項４】 前記第１、第２のレンズ手段が共にシリ
   コンレンズから構成されている請求項１記載のシステ
   ム．
5. 【請求項５】 前記第１、第２のレンズ手段が共に非球
   面レンズからなる請求項１記載の光学システム。
6. 【請求項６】 前記第２の光学システムがシリコンレン
   ズとゲルマニウムレンズからなる請求項５記載の光学シ
   ステム。
7. 【請求項７】 入射する赤外線ビームの焦点を第１の画
   像面に結ぶ対物レンズ手段と、 前記光ビームが前記第１の画像面を通過後、ビームの焦
   点を第２の画像面に結ぶ中継レンズ手段とを具備し、 前記対物レンズ手段と中継レンズ手段は、対称原理に従
   ってそれぞれの収差を平衡させる非球面のシリコン屈折
   レンズを含み、 前記中継レンズ手段は、中継レンズ手段の屈折により生
   ずる拡大作用に関し追加の拡大作用を有しかつそのレン
   ズに取付けられているフレネル領域プレートを含む二進
   光学素子を有し、 前記二進光学素子は色収差補正を行い、 前記光ビームが前記中継レンズ手段により屈析された
   後、光ビームを受信する検出器を備えていることを特徴
   とする画像再形成光学システム。