KR20060005393A

KR20060005393A - 모놀리식 렌즈/반사경 광학 부품

Info

Publication number: KR20060005393A
Application number: KR1020057020167A
Authority: KR
Inventors: 조지프 에프. 보챠드
Original assignee: 레이던 컴퍼니
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2006-01-17
Also published as: IL168914A; EP1618424A1; WO2004097490A1; DE602004008054T2; US8254018B2; DE602004008054D1; JP4589309B2; US20040212877A1; EP1618424B1; JP2006524842A

Abstract

모노리식 본체(31)는 적외선(IR) 등의 관심 대상 파장을 갖는 빛에 대해 투과성인 중심 배치 렌즈 요소(31B)와, 렌즈 요소 둘레에 배치되는 빛에 반사성인 반사경(3B)을 형성하는 복합 광학 표면을 갖는다. 모노리식 본체는 굴절 렌즈 요소를 제조하는데 선택된 재료로 구성된다. 복합 광학 표면은 반사경을 형성하는 반사성 코팅을 갖는 일반적으로 만곡된 표면에 의해 둘러싸인 렌즈 요소를 형성하는 중심 배치부를 갖는다. 중심 배치부는 내반사성 코팅으로 코팅될 수 있다. 복합 광학 표면은 양호하게는 다이아몬드 포인트 선삭 작업 등의 하나의 작업으로 제조된다.

모노리식 본체, 화상 형성 장치, 적외선 화상, 복합 광학 표면, 다이아몬드 포인트 선삭 작업

Description

모놀리식 렌즈/반사경 광학 부품 {MONOLITHIC LENS/REFLECTOR OPTICAL COMPONENT}

본 발명은 대체로 적외선을 검출하는데 사용되는 광학 요소 조립체에 관한 것이며, 더 상세히는 광각(wide-angle), 소형 광학 조립체에서 사용 적합한 광학 요소 조립체에 관한 것이다.

적외선 검출기계(detector-based) 감시 센서는 이상적으로는 매우 넓은 각도 유효 범위와, 초소형 크기와, 높은 민감도 및 전체 시계(field-of-view, FOV)에 걸친 높은 화상 품질을 갖는다. 통상적으로, 이 센서는 미사일 경보 시스템(missile warning systems, MWS)과 적외선 탐색 및 추적(infrared search and track, IRST) 시스템에 적용된다. 다른 관심 대상의 적용으로는, 기계적 주사와는 반대로 소형화 및 견고함(ruggedness)을 위한 광학계 광각(wide-angle) 유효 범위를 사용하는 주/야 구역 감시 카메라가 있다.

종래 광각 렌즈 장치는 통상적으로 듀어(dewar)와 냉간 실드 기술을 사용한다. 적외선 센서 장치 자체의 크기의 소형화가 종종 요구되기 때문에, 재화상 형성 광학계(re-imaging optics)의 사용은 일반적으로 많은 적용에서 제외되므로, 전체 광학 장치에 대해 단일 구멍 스톱 또는 프필(pupil)만 존재하게 된다. 실제로 는, 구멍 스톱은 적외선 민감도를 유지하는 듀어 내에 배치된 "냉간 스톱(coldstop)"이다. 그러나, 결과로 생긴 광학적 비대칭은 렌즈 구조를 복잡하게 하여, 화상 품질과 화상 조명도를 제한한다. 또한, 높은 화상 품질이 유지된다면 작은 물리적 크기로 얻는 것은 어렵다. 또한, 수차 보정이 필요하여, 비용을 증가시키는 보다 엄격한 제조 공차를 야기한다.

종래 광각 적외선 센서(1)의 일례가 도1에 도시되어 있다. 센서(1)는 화상면(2A)에 위치된 적외선 검출기(2)를 포함한다. 적외선 검출기(2)는 냉간 스톱(3A)을 형성하는 개구를 갖는 냉간 실드(3) 내에 배치된다. 본 명세서에서 간단히 듀어(4A)로도 지칭되는 듀어 하우징(4A)의 듀어 창(4)은, 렌즈 요소(6, 7, 8, 9)들로 구성된 다중-요소 렌즈(이 예에서는 4개 요소)를 포함하는 비냉각 광학 부품(5)으로부터 냉간 스톱(3A)을 분리한다. 보호 센서 돔(10) 또는 창(11)이 적외선 센서(1)로의 입구를 형성한다. f:5.1 cm (2.0 인치), 150°에 대한 대각선 시계 유효범위의 대표적인 치수는 x = 4.8 cm (1.9 인치), y = 4.8 cm (1.9 인치), z = 6.6 cm (2.6 인치)이다. 현장으로부터 도착된 적외선이 검출기(2)의 복사-응답성 표면을 가로질러 주사되지 않는 경우, 적외선 검출기(2)는 "스테어링(staring)"형 검출기라고 할 수 있다.

이 예에서는, 냉간 스톱(3A)이 듀어(3) 내에 놓인 참 냉간 실드(3)에 배치된다. 소형화되도록 설계되었기 때문에, 초점면(3A)으로부터 표면 외부의 돔(10)까지의 거리가 단지 4.8 cm (1.9 인치)이다. 냉간 스톱(3A)으로부터의 거리로 화상 광선의 외측 스프레드(spread)를 수용하기 위해 센서 개구를 6.6 cm (2.6 인치)로 늘리면, 그리고 센서 깊이를 늘리면, 창(11)이 사용될 것이다.

이러한 종래 구조는 광학적으로 비대칭이라고 할 수 있다. 구멍 스톱(냉간 스톱(3A))을 화상면(2A)의 일 단부와 타 단부에 센서 돔(10)의 전방면을 갖는 비임의 받침점 또는 피봇점으로 유추하여 생각되는 경우, 이와 같이 비대칭으로 생각될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 광학 장치가 대칭이라면, 구멍 스톱은 렌즈 요소(8,7)들 사이에, 즉, 화상면(2A)과 센서 돔(10)의 전방면 사이의 중간-방면에 배치될 것이다.

제2 종래 센서(1')가 도2에 도시되어 있다. 렌즈는 유사한 소형 크기이며, 또한 냉간 실드(3)에 단일 스톱(3A)을 사용한다. 편평 창(11)을 사용하도록 설계되었지만, 센서 하우징의 구멍 크기를 줄이기 위해 (도1에서의 센서로서) 저동력 돔(10)이 대신 사용될 수 있다. 약 120˚ 시계에 대한 대표적인 치수는 x = 4.3 cm (1.7 인치), y = 6.1 cm (2.4 인치)이다. 이 렌즈는 광범위한 전기 보상이 필요한 매우 왜곡된 화상 매핑을 생성한다. 그 외에는, 성능과 크기가 도1 렌즈와 동일하다.

제3 종래 구조가 도3a에 도시되어 있으며, 윌리엄 에이치. 웰만에 의해 현재 일반 양도된, 제목이 "극저온-냉각 복사 검출기용 비냉각 반사 실드"인 미국 특허 제4,820,923호에 개시된 센서를 나타낸다. 실제 냉간 실드 또는 "온난 실드"는 종래 구조(도3b)의 냉간 실드(3)의 대형 크기를 회피하는데 사용된다. 미국 특허 제4,820,923호에 개시된 발명에 의해 해결된 한 가지 문제는 종래 냉간 실드(3)의 외팔보식 중량 및 큰 열적 질량(thermal mass)의 존재이다. 이 문제는 냉간 실드 질 량과 길이를 줄일 수 있는 다중 원환 반사경을 사용하여 해결되었다. 도3a의 온난 실드 구조의 한 가지 중요한 이점은, 극저온으로 냉각된 냉간 실드(3)가 도3b의 종래 냉간 실드(3) 구조보다 더 소형으로 만들어질 수 있어서 적은 냉각을 요구할 수 있다는 것이다.

미국 특허 제4,820,923호(6 칼럼, 31 내지 57행 참조)의 도4에 광학 요소(30)가 원환 세그먼트(26b, 26c) 사이에 배치된 것으로 도시되어 있음을 알 수 있다. 미국 특허 제4,820,923호에 의해 대표되는 종래 접근법에서는 광학 요소(30)와 반사경 세그먼트(26b, 26c)가 모두 각각 화상 형성 장치 내에 장착 및 정렬될 것이 요구되는 분리된 부품들이다. 예측할 수 있듯이, 이것은 비용을 가중시키고 신뢰성을 저하시킨다. 따라서, 광학 요소/반사경 세그먼트 조립체를 개선할 필요가 있다. 본 발명 이전에는, 이러한 필요성이 적절하게 해결되지 않았다.

이러한 사상(teaching)의 후술하는 바람직한 실시예에 따르면, 전술한 문제 및 다른 문제가 극복되며, 다른 장점이 실현된다.

모노리식 본체(monolithic body)는 적외선(IR) 등의 관심 대상 파장을 갖는 빛에 투과성인 중심 배치된 렌즈 요소를 형성하는 복합 광학 표면과, 상기 렌즈 요소 둘레에 배치된 빛에 대해 반사성인 반사경을 포함한다. 모노리식 본체는 굴절성 렌즈 요소를 제조하는데 선택된 재료로 구성된다. 복합 광학 표면은 반사경을 형성하는 반사성 코팅을 갖는 보통 만곡된 표면에 의해 둘러싸인 렌즈 요소를 형성하는 중심 배치부를 갖는다. 중심 배치부는 내반사성 코팅으로 코팅될 수 있다. 복합 광학 표면은 양호하게는 다이아몬드 포인트 선삭 작업을 사용하는 작업과 같은 하나의 작업으로 형성된다.

제한적인 것은 아니지만 예시적인 실시예에서, 모노리식 본체가 현장으로부터의 적외선을 유입시키기 위한 입구 구멍을 갖는 적외선 화상 형성 장치 내에 장착된다. 화상 형성 장치는 화상면에 배치된 냉각된 적외선 검출기를 둘러싸는 냉간 실드를 내장하는 듀어를 포함한다. 듀어는 듀어 창과, 듀어 창과 화상면을 관통하는 적외선 화상 형성 장치의 광학 축을 갖는다. 복수의 비냉각 광학 요소가 입구 구멍과 듀어 창 사이에 광학 축을 따라 배치되며, 대체로 환형인 복수의 반사경 세그먼트가 듀어 창과 입구 구멍 사이의 광학 축 둘레에 배치된다. 각각의 반사경 세그먼트는 듀어 창과 마주보는 반사면을 갖는다. 듀어 창으로부터 가장 먼 최외측 반사경 세그먼트를 관통하는 개구는 적외선 화상 형성 장치의 유효 냉각 구멍 스톱을 형성한다.

적외선 투과성인 렌즈 요소와, 렌즈 요소 둘레에 배치되는 반사경을 형성하는 복합 표면을 갖는 모노리식 본체는 유효 냉각 구멍 스톱과 듀어 창 사이에 배치되도록 장착된다.

광학 요소를 제조하는 방법도 개시된다. 제조 방법은 (a) 관심 대상의 파장을 갖는 빛에 대해 투과성인 재료로 구성된 블랭크를 제공하는 단계와, (b) 블랭크를 처리하여, 빛에 투과성인 중심 배치 렌즈 요소과, 렌즈 요소 둘레에 배치되며 빛에 반사성인 반사경을 형성하는 복합 광학 표면을 갖는 모노리식 본체를 형성하는 단계를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 블랭크를 처리하는 단계는 복합 광학 표면을 형성하기 위해 다이아몬드 포인트 선삭 작업을 사용하는 단계를 포함하며, 또 렌즈 요소를 둘러싸는 재료 상에 반사성 코팅을 적층하는 단계를 포함한다. 내반사성 코팅이 렌즈 요소 위에 적용될 수도 있다.

이러한 사상의 전술한 및 그 외 태양이 첨부된 도면과 함께 읽혀진다면 이후 실시예에서 더 명백해질 것이다.

도1은 종래 광각 적외선 센서의 제1 구체예의 단면도이며,

도2는 종래 광각 적외선 센서의 제2 구체예의 단면도이며,

도3a는 복수의 온난 실드를 포함하는 종래 적외선 센서의 단면도이며, 도3b는 도3a의 적외선 센서에 대해 선행 기술인 종래 냉간 실드 구조를 도시하며,

도4는 개선된 광각 적외선 센서의 단면도이며,

도5는 도4의 온간 실드의 초점면으로부터의 광선 반사를 나타낸 도면이며,

도6a는 종래 금속 온난 실드와 굴절 렌즈 조합의 단면도이며,

도6b는 본 발명의 실시예에 따르는 통합된 모노리식 온난 실드/렌즈 조립체의 단면도이며,

도7은 도6b의 온난 실드/렌즈 조립체의 전형적인 사시도, 측면도 및 정면도이다.

위에서 참조된 미국 특허 제4,820,923호에서 도시된 것들에 의해 대표되는 종래 반사성 온난 실드 반사경은 통상 금속으로 제조된다. 도6a는 종래 온난 실드 반사경(30)을 도시한다. 온난 실드 반사경(30)의 광학적으로 반사성 부분은 연마 슬러리로 종래처럼 또는 다이아몬드 포인트 선삭(Diamond Point Turning, DPT)작업에 의해 연마된다. 그 다음, 고반사성 증발 코팅(30A)이 표면에 적용되어 적외선 파장 대역에서 높은 반사성을 제공한다. 온난 실드 반사경(30)은 반사성 렌즈 요소(32)와 유사한 방식으로 광학 장치에 장착된다.

도6b는 본 발명의 실시예에 따르는 통합된 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)의 단면도이며, 도7은 렌즈/반사경 요소(31)의 전형적인 사시도, 측면도 및 정면도이다. 본 실시예에서 종래 분리식 렌즈(32)와 온난 실드 반사경(30) 자체는 통합된 그리고 모노리식 온난 실드 반사경 및 렌즈 요소(31)로 구성된 단일 광학 요소로 결합된다. 렌즈/반사경 요소(31)는 도6a의 굴절 렌즈(32) 기능을 하는 중심 굴절 영역(31B)을 포함하며, 바람직하게는 동일한 광학 표면 곡률과 중심 두께를 사용한다. 또한, 렌즈/반사경 요소(31)는 도6a의 금속 온난 실드(30)의 기능을 하는 반사면을 갖는 외측 영역(31A)을 포함한다. 굴절성 영역 및 반사성 영역(31B, 31A)의 바람직한 표면 곡률은 단일 복합 광학 표면으로 결합된다.

도4에 도시되고 후술되는 바와 같이, 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)가 비록 다른 실시예에서는 다른 위치에서 사용될 수 있을 뿐 아니라 광학 시스템의 다른 유형에서도 사용될 수 있지만, 온난 실드 세그먼트(18A) 및 렌즈(22) 대신 사용될 수 있다.

제한하는 것은 아니나, 본 발명의 양호한 실시예에서, 복합 광학 표면을 구 성하는 재료는 렌즈 구조(31B)의 굴절부의 렌즈 규정(lens prescription)에서 사용되는 규소이다. 그러나, 렌즈 장치의 굴절부에 적합한 임의의 광학 재료가 사용될 수 있으며, DPT 및 코팅 등에 의해 처리되어 평활 반사면(31A)을 얻을 수 있다.

알 수 있는 바와 같이, 다이아몬드 포인트 선삭(DPT)은 복합 광학 표면을 제조하기에 바람직한 방법이다. 규소 등의 소정 광학 재료로 된 블랭크를 제공한 후에, 굴절 및 반사 영역(31B, 31A)이 양호하게는 하나의 작업으로 제조되는데, 이것은 도6a에 도시된 종래 구조의 2개의 분리된 요소(30, 32)의 제조에 비해 비용을 절감한다.

또한, 본 실시예는 온난 실드의 위치에 대한 구조의 소형화 덕분에 상당한 비용 절감을 얻는다. 제한된 공간이 허용되기 때문에, 온난 실드 반사경(30)은 통상 얇아야 하므로 제조하기 어렵다. 도6a에 도시된 종래 구조의 분리된 2개의 요소(30, 32)에 비해, 1개의 모노리식 렌즈/반사경(31)만을 장착해야 됨으로써 부가적인 비용이 절감된다.

렌즈/반사경 요소(31)의 복합 표면이 동일한 작업에서 다이아몬드 포인트 선삭 가공될 수 있기 때문에, 중심 결정, 경사 결정(tilt), 굴절면(31B)에 대한 반사면(31A)의 위치 결정이 상당히 정확해진다는 점에 또 다른 장점이 있다. 이와는 대조적으로, 도6a의 2-요소 종래 구조는 개별 요소들의 별도 제조, 하우징으로의 별도의 장착면 및 조립하는 동안의 2개의 장착 단계에 의해 야기되는 오차의 축적이 생길 수 있다.

양호한 실시예에서, 내반사성(antireflection, AR) 코팅이 광학 진공 챔버에 서의 증착을 사용하여 적어도 렌즈 부분(31B)의 양 측면들에 적층된다. 그 다음, 금, 은, 알루미늄 또는 임의의 적합한 코팅 재료와 같은 반사성 코팅이 복합 표면의 반사경 부분(31A)에 적층된다. 렌즈의 굴절성 중심 영역(31B)은 양호하게는 반사성 코팅의 적층 동안 마스킹 처리(mask)된다. 포토-마스크와 후속되는 리프트-오프(lift-off) 방법이 굴절 영역(31B)을 마스킹 처리하는 현재 선호되는 방법이다.

종래 온난 실드(30)에 비해 반사부(31A)는 반사경의 구멍으로부터 덜 산란된다는 것(scatter)을 알아야 한다. 종래 온난 실드(30)의 금속의 구멍의 얇은 에지(edge)에서, 기계적 안정성을 보장하기 위한 어느 정도의 최소 두께를 가져야만 한다. 그러나, 그 결과로 얻은 금속 에지는 탈선 복사(stray radiation)를 유발하는 산란원(source of scatter)이다. 본 발명에서는, 온난 실드가 렌즈의 굴절성 재료 상의 반사성 얇은 필름이어서, 반사 구멍의 에지로부터의 산란이 매우 작다. 일부 탈선 복사가 (도7의 화살표 31C로 나타낸 부분인) 복합 표면의 천이점(transition point)에 대한 반사 코팅 구멍 에지의 오정렬로 유발될 수 있겠지만, 종래 온난 실드(30)의 나이프-에지 금속 반사경을 형성하는 것에 비해, 현 시점에서의 기술 수준의 포토마스킹 기술과 DPT로 정확한 정렬을 얻는 것이 더 간단하다.

렌즈부(31B)는 임의의 적합한 형상일 수 있으며, 오목형 또는 볼록형일 수 있다. 또한, 반사경 부분(31A)은 임의의 소정 형상, 일반적으로 만곡 형상일 수 있고, 단지 세 가지 예로서 후술하는 원환 표면 또는 구형 표면 또는 타원 표면으로 형성될 수 있다.

모노리식 렌즈/반사경 요소(31)는 가시 광선, 자외선 및 적외선을 포함하여 임의의 소정 파장을 갖는 빛으로 사용될 수 있다. 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)가 제조되는 재료는 렌즈부(31B)를 관통할 빛의 파장과 호환 가능하게 선택된다. 예를 들어, 재료는 유리, 규소, 또는 게르마늄 또는 임의의 적합한 자외선-투과성 재료일 수 있다.

모노리식 렌즈/반사경 요소(31)는 렌즈를 장착하는데 사용되는, 링형 스페이서 및/또는 레지스터드 단차부(registered step) 또는 광학 조립체를 둘러싸는 동안 형성된 렛지를 사용함으로써와 같은 임의의 적합한 기술에 의해 장착될 수 있다.

이제, 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)의 현재 바람직한 실시예를 설명하며, 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)를 사용할 수 있는 적합한 한 간지 유형의 광학 장치의 예가 설명될 것이다. 그러나, 이 예는 본 발명의 사용 또는 실시에 대한 제한의 의도로 예측되지는 않는다.

광학 장치의 예시적인 실시예를 설명하기 전에, 광학 스톱에 대한 일반적인 간단한 설명 및 특히 적외선 화상 형성 장치에서의 광학 스톱에 대한 간단한 설명이 있을 것이다. 이러한 설명은 독자가 본 발명이 제공하는 이익을 더 잘 이해할 수 있도록 할 것이다.

각 렌즈에는 화상으로의 에너지 통로를 제한하는 물리적 구멍이 있다. 각 렌즈 요소는 렌즈에서 그리고 센서의 다른 구조에서 형성하기 어려운(baffles) 한정된 결점 없는 구멍을 갖는다. 이런 구멍들 중 하나는 렌즈가 화상으로 통과시키 는 에너지의 원추의 직경을 가장 많이 제한할 것이다. 이 구멍은 "구멍 스톱(aperture stop)"이라 지칭되며, 그 크기는 화상에서의 복사조도(irradiance)를 결정한다. 다른 구멍은 통상적으로 화상의 각도 범위를 제한하며, "필드 스톱(field stop)"이라 지칭된다. 또한, 구멍은 화상으로의 렌즈 마운트 및 구조의 반사로부터의 탈선 복사를 차단하는데 사용되며, 이것은 일반적으로 "배플(baffles)"이라 지칭된다.

광학 스톱의 배치는 장치 성능에 중요하다. 적외선 센서는 감지되는 것이 열 에너지이므로 스톱이 "냉간(cold)"일 것을 요구한다. 이는 가시 광선 센서와는 달리, 스톱이 "블랙(black)", 즉 가시 광선 스펙트럼에서 비투과성, 비반사성 및 비복사성일 것만을 요구한다. 적외선 스톱은 적외선 검출기와 같이 극저온 온도로 냉각되어야 한다. 이것은 스톱이 냉간 초점면 정상에 검출기와 함께 장착되는 "냉간 실드" 구조에 의해 형성됨을 의미한다. 이들 냉간 요소들은 대류 열전달로 인한 가열을 줄이기 위해서 뿐만 아니라 습도로 인한 응결이나 결빙을 차단하기 위해 대기로부터 밀봉되어야 한다. 통상, 진공 "듀어"가 기체 액화와 물 결빙이 발생되는 극저온으로 냉각될 수 있게 하는데 사용된다.

극저온 검출기 패키지 또는 듀어 내에 적외선 장치의 렌즈 요소들을 수납하는 것은 실용적이지 않다. 냉간 구조에 장착되면, 렌즈의 부가된 질량이 냉각 시간을 방해하여 센서 준비를 지연한다. 또한, 부가된 질량은 단열을 제공하는 목적과는 모순되게도 듀어 내의 지지 구조에 강성을 부여할 필요가 있게 할 것이다. 공차를 만드는 것은, 일부는 듀어의 내부에 그리고 일부는 듀어의 외부에 장착되지 않으며 하나의 장착 조립체에 수용될 렌즈 요소들을 요구한다. 전체 렌즈 조립체를 듀어에 장착하는 것은 접근 불가능하게 하며 초점 조정을 어렵게 하며, 또한 완전 진공을 훼손한다.

임의의 광학 장치에 대해, 구멍 스톱의 배치는 화상 형성 성능에 영향을 미친다. 광학 스톱 둘레의 대칭성은 광각 광학 장치에서 매우 중요한 큰 오프-축(off-axis) 각에서의 화상 품질을 유지하도록 돕는다. 센서의 물리적 크기가 허용되는 한, 대칭성은 렌즈 둘레에 스톱을 다소 대칭적으로 재배치함으로써 도입될 수 있다. 예를 들어, 화상면 부근에 배치된 참 스톱(true stop)은 광학 장치가 현장을 화상면에 화상 형성하는 시각과 동일한 시점에 센서의 전면 창 상에 (프필로서) 화상 형성될 수 있다. 그러나, 초소형 센서는 이런 광학 장치의 물리적 크기를 수용할 수 없으므로, 구멍 스톱만을 갖는다. 스톱으로서 참 냉간 실드를 사용하는 종래 광학계에서는, 스톱이 광학 장치 내에 상당히 비대칭적으로 배치되었다. 또한, 듀어 창과 필수적인 조립체 공차들을 수용할 정도로 요소들 사이의 충분한 공간을 가지면서 스톱이 마지막 렌즈 요소보다 화상면에 더 가까워야 한다.

도4는 관심 대상의 현장으로부터의 적외선을 유입시키기 위한 입구 구멍(40)을 갖는 개선된 적외선 화상 장치(1A)를, 그러나 반드시 광각 적외선 화상 장치는 아닌 적외선 화상 장치를 도시한다. 적외선 센서(1A)에서, 구멍 스톱은 여전히 적절한 냉간 실드 동작을 제공하면서 광학 조립체 또는 하우징(20) 내에 수납된 렌즈(22, 24, 26, 28)들로 구성된 다중-요소 렌즈 내에 배치된다. 센서 돔(30) 또는 편평 창(32)은 센서(1A)로의 입구(입구 구멍)에 배치된다. 센서 요소(22, 24, 26, 28)와 돔(30) 또는 편평 창(32)은 게르마늄 또는 규소와 같이 적합한 적외선 투과성 재료로 구성된다.

필요한 광학 효과를 위해 요구되는 냉간 실드는 물리적으로가 아닌 광학적으로 형성되며, 바람직하게는 원환형 또는 실질적으로 원환형인 거울 요소 또는 반사경(18A, 18B)이다. 그 다음, 각각의 반사경 세그먼트(18A, 18B)는 듀어 창(4)과 대향하는 대체로 환형의 반사성 표면을 갖는데, 이 반사성 표면은 반사경 세그먼트를 관통하는 적외선 투과 경로 영역을 둘러싼다. 적외선 투과 경로 영역은 반사경 세그먼트를 관통하여 형성된 개구일 수 있으며, 또는 도6b와 도7에 도시된 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)의 본 바람직한 실시예에 따르는 투과성 광학 요소를 포함할 수 있다.

센서(1A)의 설계에서는, 소정의 초점면(2A) 위치에서의 현장의 화상 형성을 조심스럽게 설계해야 하는 것처럼, 소정 구멍 스톱 위치에서의 광학 냉간 실드의 정확한 화상 형성에 주의를 기울여야 한다. 이러한 광학 냉간 실드 또는 "온간 실드"는 적외선 검출기(2)가 그 자체 상에 재 화상 형성되는 것을 회피함으로써 불필요한 "고스트(ghost)" 화상의 형성을 회피하는 원환 반사경(18A, 18B)으로 가장 잘 형성된다.

온난 실드는 냉간 초점면(2A)과 대향하는 형성화된 거울 요소(18A, 18B)로 구성된다. 도5에 잘 도시된 바와 같이, 거울 요소(18A, 18B)는 냉간 실드(3)의 냉간 표면을 화상 형성함으로써 등가 냉간 실드를 형성한다. 냉간 스톱 또는 온간 스톱(20A)은 다중-요소 렌즈 내에 배치되며, 반사경 요소(18A, 18B)의 작용에 의해 냉간을 나타내도록 제조된다. 온간 스톱(20A)은 최내측 거울 요소(18A)를 관통하는 구멍보다 작은 (화상면(2A)에 대하여) 최외측 거울 요소(18B)를 관통하는 구멍에 의해 정의되므로, 전술한 바와 같이 센서(1A)의 구멍 스톱을 형성한다.

도5도 참조하면서, 도4의 실시예에서, 듀어(4A) 내의 물리적 냉간 실드(3)가 화상면(2A)에 근접하게 놓여지며, 반사경(18A, 18B)에 의해 형성되는 가상 냉간 실드를 "채우는(fills)" 어두어진(darkened) 전방면(3B)을 갖는다. 적어도 2개의 반사경(18A, 18B)들이 광학계를 상당히 대형화시키지 않으면서 물리적 냉간 실드(3)를 통과하는 화상 형성되지 않은 모든 광선을 포획하도록 사용된다. 하나 또는 둘 이상의 반사경이 본 발명에서 사용될 수 있다. 도4의 실시예에서, 최내측 반사경(18A)과 냉간 실드(3)의 외측면(3B) 내의 냉간 실드 개구가 임의의 화상 광선을 비네팅(vignetting)하는 것을 피하기에 충분히 크게 제조되는 반면, 최외측 반사경(18B)은 구멍 스톱(20A)을 형성한다. 또한, 냉간 실드(3)의 전방면(3B) 내의 개구는 가능한 많은 현장외의(out-of-field) 광선들을 차단하도록 설계된다. 이 실시예에서, 현장외의 광선은 참 냉간 실드(3)에 의해 (보통은) 직접적으로 또는 반사에 의해 간접적으로 포획된다. 이런 원리는 도5에 더 명쾌하게 도시되어 있는데, 이 도면에서 다중 원환형 반사경(18A, 18B)은 온난 실드의 크기를 줄이는 기능을 함을 알 수 있다. 광학 축을 통과한 반사는 세그멘트화된 반사경 구조에 의한 자가-차단을 방지하며, 최내측 반사경 세그먼트(18A)로부터의 하향 반사는 창 광선 각도를 줄이므로, 투과성을 향상시킨다. 반사경(18A, 18B) 사이에는 광학 장치의 렌즈 요소들 중 하나(이 경우엔 22)이다. 본 발명은 반사경들 내에 단일 렌즈 요 소만을 또는 배치하는 것으로 또는 2개의 반사경만의 사용으로 한정되는 것은 아님을 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 반사경(18A)과 렌즈 요소(22)는 도6b와 도7에 도시된 단일 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)로 합체된다.

반사경(18A 및 18B 또는 31A 및 18B)의 반사면은 바람직하게는 일반적으로 원환 형상을 가지며, 검출기 어레이(2A)를 둘러싸는 냉간 표면 상의 검출기 어레이(2)의 각 지점을 화상 형성하는데 사용된다. 이 냉간 표면은 듀어(4A) 내의 물리적 냉간 실드(3)의 외측면(3B)이다. 그러나, 온난 실드-반사 광선들이 냉간 실드(3)의 내부 등의 어떤 기타 냉간 또는 흡수성 표면에 의해 인터셉트되는 경우 이러한 형상부는 생략될 수 있다. 냉간 실드(3)의 외측면(3B)은 양호하게는 광학적으로는 "블랙(black)", 즉, 관심 대상 스펙트럼 영역에서 흡수성으로 제조된다. 원환형 반사경(18A, 18B)은 검출기 어레이(2)로부터의 반사가 검출기 어레이(2) 상에 역 매핑(mapping back)되는 것을 방지하여, 고스트 화상의 발생을 줄일 수 있도록 설계된다. 검출기 어레이(2)로부터의 반사가 검출기 어레이 상에 역 매핑될 수 있기 때문에, 이러한 간단한 이유로 구면 반사경의 사용은 피한다. 대신, 적절한 원환 구조는 화상에 제공되는 모든 광각에 대해 검출기 어레이(2)를 냉간 실드 표면(3B) 상에 매핑한다. 광선들은 냉간 실드(3) 자체 내의 냉간 물체로부터만 근원이 되므로, 도4에 도시된 모든 광선의 원추 외측의, 가장 최대의 각도에서의 광선이 검출기 어레이(2) 상에 안전하게 매핑될 수 있다.

본 명세서에 전체로서 참조로 포함되는, 윌리엄 에이치. 웰만에 의해 위에서 참조한 일반 양도된 제목이 "극저온-냉각 복사 검출기용 비냉각 반사 실드"인 미국 특허 제4,820,923호에서 논의된 바와 같이, 원환형은 광선들을 반경으로 초점 조정한 냉간 실드 크기를 줄인다. 그러나, 원환형은 광선들을 원주 방향으로 분산시키기도 하여, 온난 실드 광학 트레인의 불완전성에 대한 민감도를 줄인다. 이와 같은 디포커싱(defocusing) 효과는, 심지어 참 냉간 실드가 창(4) 부근에 놓여 있는 경우에도, 듀어 창(4)의 표면 상의 먼지에 대한 민감도, 창(4)과 냉간 실드(3) 표면 코팅의 불완전성에 대한 민감도 및 냉간 실드(3)의 열적 구배에 대한 민감도를 줄인다. 원주 방향 디포커싱이 없으면, 센서(1A)가 초점면(2A) 상의 외부 패턴에 대해 약점이 있어서, 이러한 인공물의 "고스트" 화상을 유발할 수 있다.

본 명세서에서 적용된 바와 같이, 광각 또는 넓은 시계 적외선 센서는 약 30도 이상의 시계를 갖는다. 예로서, 적외선 센서(1A)는 150도의 시계를 갖도록 설계될 수 있다.

도5에 도시된 바와 같이, 반사경(18)들 중 하나는, 특히 실시예의 양호한 모노리식 렌즈/반사경 요소(31)를 사용하는 반사경(18A 또는 31A)은, 광선들이 냉간 실드 외부면(3B) 상에서 반사될 광학 축을 교차하지 않도록, 지향된다. 모든 반사된 광선들을 광각 센서의 광학 축과 교차시키는 것은 듀어 창(4) 투과성과 냉간 실드(3) 흡수성을 손상시킬 수 있는 큰 투사각을 유발할 것이며, 또한 냉간 실드(3) 반경 방향 폭을 줄여서 더 엄격한 화상 형성 요구 조건으로 반사경 광학 구조를 더 복잡하게 할 수 있기 때문에, 이렇게 지향되는 것은 바람직하다. 또한, 렌즈 직경이 종래 망원 렌즈 장치용보다 덜 중요하도록, 구멍 크기와 초점 길이는 충분히 작 다. 또한, 오프-축(off-axis) 흡수 및 반사가 망원 렌즈 장치용보다 더 중요하도록 광선 각도는 크다.

앞선 설명은 예시적인 그리고 비제한적인 예로서 본 발명을 수행하기 위해 현재 기대되는 최선의 방법 및 장치의 완전한 그리고 유익한 설명을 제공하였다. 그러나, 앞선 설명의 관점에서 관련 분야의 기술을 가진 자가 첨부된 도면 및 첨부된 청구항과 함께 읽는다면 다양한 변경과 적용이 명백할 것이다. 단지 일부 예에 있어서, 기타 유사한 또는 동등한 렌즈 재료의 사용, 렌즈 규정, 렌즈 크기 및 간격, 파장 범위, 렌즈 요소 및/또는 구형 또는 타원형을 포함하는 여러 형상을 갖는 반사경의 개수는 당업자에 의해 시도될 수 있다. 그러나, 본 발명의 사상의 모든 이러한 및 유사한 변경은 여전히 본 발명의 범위 내에 있을 것이다. 본 명세서에서 설명된 방법과 장치가 일정 수준으로 특정되어 설명되었으나, 본 발명은 사용자의 필요에 따라 더 많은 또는 더 작은 특정성으로 실시될 수 있다. 또한, 본 발명의 특징들 중 일부는 나머지 특징의 대응하는 사용 없이 이익을 얻는데 사용될 수 있다. 따라서, 앞선 설명은 본 발명이 이하 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 원리의 단지 예시적인 것이고 제한적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 할 것이다.

Claims

광 투과성인 중심 배치된 렌즈 요소를 형성하는 복합 광학 표면과, 광 반사성이며 상기 렌즈 요소 둘레에 배치되는 반사경을 갖는 모노리식 본체.
제1항에 있어서, 상기 모노리식 본체는 굴절성 렌즈 요소를 제조하는데 선택된 재료로 구성되며, 상기 복합 광학 표면은 상기 반사경을 형성하는 반사성 코팅을 갖는 만곡면 영역에 의해 둘러싸이는 상기 렌즈 요소를 형성하는 중심 배치부를 포함하는 모노리식 본체.
제2항에 있어서, 상기 중심 배치부는 내반사 코팅으로 코팅되는 모노리식 본체.
제1항에 있어서, 상기 복합 광학 표면은 다이아몬드 포인트 선삭 작업을 사용하여 형성되는 모노리식 본체.
제1항에 있어서, 현장으로부터의 빛을 유입시키기 위한 입구 구멍을 갖는 화상 형성 장치 내에 상기 본체를 장착하기 위한 수단을 더 포함하는 모노리식 본체.
적외선 (IR) 투과성이며 중심 배치된 굴절 렌즈 요소와, 적외선 반사성이며 상기 렌즈 요소의 둘레에 배치되는 반사경을 형성하는 복합 광학 표면을 갖는 모노리식 본체.
제6항에 있어서, 상기 모노리식 본체는 굴절성 렌즈 요소를 제조하는데 선택된 재료로 구성되며, 상기 복합 광학 표면은 상기 반사경을 형성하는 반사 코팅을 갖는 실질적으로 원환형인 표면 영역에 의해 둘러싸이는 상기 렌즈 요소를 형성하는 중심에 배치된 볼록부를 포함하는 모노리식 본체.
제7항에 있어서, 상기 중심 배치된 볼록부는 내반사성 코팅으로 코팅되는 모노리식 본체.
제6항에 있어서, 상기 복합 광학 표면은 다이아몬드 포인트 선삭 작업을 사용하여 형성되는 모노리식 본체.
제6항에 있어서,

현장으로부터의 적외선을 유입시키기 위한 입구 구멍을 갖는 적외선 화상 형성 장치 내에 상기 모노리식 본체를 장착하기 위한 수단을 더 포함하며,

화상 형성 장치는,

듀어 창을 가지며, 화상면에 배치된 냉간 적외선 검출기를 수납하는 냉간 실드를 포함하는 듀어와,

복수의 비냉각 광학 요소와,

일반적으로 환형인 복수의 반사경 세그먼트를 포함하며,

상기 적외선 화상 장치의 광학 축은 상기 듀어 창 및 화상면을 관통하고, 상기 복수의 비냉각 광학 요소는 상기 입구 구멍과 상기 듀어 창 사이의 상기 광학 축을 따라 배치되며, 상기 복수의 반사경 세그먼트는 상기 듀어 창과 상기 입구 구멍 사이의 상기 광학 축 둘레에 배치되며,

각각의 상기 반사경 세그먼트는 상기 듀어 창과 대향하는 반사 표면을 가지며, 상기 듀어 창으로부터 가장 먼 최외측 반사경 세그먼트를 관통하는 개구가 상기 적외선 화상 형성 장치의 유효 냉간 구멍 스톱을 형성하며, 적외선 투과성인 상기 렌즈 요소와 상기 렌즈 요소 둘레에 배치된 상기 반사경은 상기 유효 냉간 구멍 스톱과 상기 듀어 창 사이에 배치되도록 장착되는 모노리식 본체.
광학 요소를 제조하는 방법이며,

관심 대상의 파장을 갖는 빛에 대해 투과성인 재료로 구성된 블랭크를 제공하는 단계와,

광 투과성인 중심 배치된 렌즈 요소를 형성하는 복합 광학 표면과, 광 반사성이며 상기 렌즈 요소 둘레에 배치되는 반사경을 갖는 모노리식 본체를 형성하도록 상기 블랭크를 처리하는 단계를 포함하는 광학 요소의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 블랭크를 처리하는 단계는 상기 렌즈 요소를 둘러싸 는 물질에 반사성 코팅을 적층하는 단계를 포함하는 광학 요소의 제조 방법.
제12항에 있어서, 상기 블랭크는 굴절성 렌즈 요소를 제조하는데 선택된 재료로 구성되며, 상기 복합 광학 표면은 상기 반사경을 형성하는 상기 반사성 코팅을 갖는 만곡된 표면 영역에 의해 둘러싸이는 상기 렌즈 요소를 형성하는 상기 중심 배치된 부분을 포함하는 광학 요소의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 렌즈 요소 위에 내반사성 코팅을 도포하는 단계를 더 포함하는 광학 요소의 제조 방법.
제11항에 있어서, 상기 블랭크를 처리하는 단계는 상기 복합 광학 표면을 형성하기 위해 다이아몬드 포인트 선삭 작업을 사용하는 단계를 포함하는 광학 요소의 제조 방법.