特許 7596530 電気光学システム及びその設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-29

(45)【発行日】2024-12-09

(54)【発明の名称】電気光学システム及びその設計方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 13/18 20060101AFI20241202BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20241202BHJP

【ＦＩ】

G02B13/18

G02B13/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023526362

(86)(22)【出願日】2021-10-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-11-09

(86)【国際出願番号】 EP2021079967

(87)【国際公開番号】W WO2022090385

(87)【国際公開日】2022-05-05

【審査請求日】2023-06-09

(31)【優先権主張番号】2017140.1

(32)【優先日】2020-10-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】306032578

【氏名又は名称】レオナルド・ユーケー・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｌｅｏｎａｒｄｏ ＵＫ Ｌｔｄ

【住所又は居所原語表記】１ Ｅａｇｌｅ Ｐｌａｃｅ，Ｓｔ．Ｊａｍｅｓ’ｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，ＳＷ１Ｙ ６ＡＦ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】エドワーズ、マイケル

【審査官】瀬戸 息吹

(56)【参考文献】

【文献】特表２００４－５０８５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５９１４８２１（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ９／００ － １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ － ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ － ２５／０４

Ｇ０２Ｂ １／００ － １／０８

Ｇ０２Ｂ ３／００ － ３／１４

Ｇ０２Ｂ ２７／００ － ３０／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気光学システムを設計する方法であって、前記電気光学システムは、
非半球面非平面の環境窓と、
透過性の光学補正器と、
光学アセンブリと、
前記環境窓、前記光学補正器、及び前記光学アセンブリを通過した光線を受光するように配設されたセンサと、
動眼視野に対して前記センサの視線をステアリングするように適応されたステアリング手段と、
を備え、
前記方法は、一致した表面サジッタ方程式を使用して前記環境窓の表面幾何学形状及び前記光学補正器の表面幾何学形状を設計することを備え、前記表面サジッタ方程式は、前記動眼視野にわたる実質的に均一な波面誤差及び実質的に均一な倍率を提供するために、
ａ）以下のベース・バイコーニック方程式と、

【数1】

ここで、Ｚは、サジッタであり、ｚ＝０は、表面と光軸の交点に位置し、ｃは、ｘ又はｙにおける曲率であり、ｘ及びｙは、前記光軸に対して直交方向であり、ｋは、ｘ又はｙにおけるコーニック定数であり、ｃ_ｘ＝１／Ｒ_ｘ及びｃ_ｙ＝１／Ｒ_ｙであり、Ｒは、ｘ又はｙにおける曲率半径であり、
ｂ）任意選択的に、前記ベース・バイコーニック方程式からの非球面偏差及び／又は自由形状偏差を定義する１つ又は複数の更なる項と、
を備え、
表面サジッタ方程式は、同じ数及び形式の有意の追加の項を有する場合に一致していると考察され、ここで、追加の項は、表面上の任意の点のサジッタを、前記ベース・バイコーニック方程式から１００ｎｍを超えて変更する場合に有意であると考察される、方法。

【請求項2】

前記光学補正器は静的補正器である、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記光学補正器は均一な屈折率を有する、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

ｃ_ｘ＝ｃ_ｙ及びｋ_ｘ＝ｋ_ｙであり、表面サジッタ方程式は更なる有意の項を備えない、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記光学アセンブリは、前記センサ上に画像を形成するように適応されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

非半球面非平面の環境窓と、
透過性の光学補正器と、
光学アセンブリと、
前記環境窓、前記光学補正器、及び前記光学アセンブリを通過した光線を受光するように配設されたセンサと、
動眼視野に対して前記センサの視線をステアリングするように適応されたステアリング手段と、
を備え、
前記環境窓の表面幾何学形状及び前記光学補正器の表面幾何学形状は、一致した表面サジッタ方程式によって定義され、前記表面サジッタ方程式は、前記動眼視野にわたる実質的に均一な波面誤差及び実質的に均一な倍率を達成するようにするために、
ａ）以下のベース・バイコーニック方程式と、

【数2】

ここで、Ｚは、サジッタであり、ｚ＝０は、表面と光軸の交点に位置し、ｃは、ｘ又はｙにおける曲率であり、ｘ及びｙは、前記光軸に対して直交方向であり、Ｒは、ｘ又はｙにおける曲率半径であり、ｋは、ｘ又はｙにおけるコーニック定数であり、
ｂ）任意選択的に、前記ベース・バイコーニック方程式からの非球面偏差及び／又は自由形状偏差を定義する１つ又は複数の更なる項と、
を備え、
表面サジッタ方程式は、同じ数及び形式の有意の追加の項を有する場合に一致していると考察され、ここで、追加の項は、表面上の任意の点のサジッタを、前記ベース・バイコーニック方程式から１００ｎｍを超えて変更する場合に有意であると考察される、電気光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シーンからの放射された光エネルギーを感知し、それを電気信号に変換するように配置された焦点面アレイを含む電気光学システム、及びそれを設計する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

そのようなシステムが展開される多くの用途において、システムは、焦点面アレイ及び光学アセンブリ(optical train)を環境条件から遮蔽する環境窓（environmental window）を含む。環境窓の必要な特性は、光学システムの動作波長を通すことである。

【0003】

環境窓のための理想的な光学的幾何学形状は、平面又は均一な厚さの球面ドームであり、これは、光が均一に屈折して、そうでない場合に焦点面アレイ上にぼやけた画像を引き起こすコマ収差及び非点収差などの収差を最小限に抑えることを確実にするからである。これは、光学システムがより広い動眼視野（field of regard）にわたる感知を可能にするために焦点面アレイの視線を移動させる手段を含むときに特に重要である。

【0004】

場合によっては、光学的理想から外れている環境窓を、ホストプラットフォームの他の要件に適合するように成形及び／又はサイズ決めすることが必要である。このようにして適応された窓は、コンフォーマルウィンドウとして知られている。

【0005】

例えば、高速で移動するように意図されたプラットフォーム上に光学システムが取り付けられる用途では、平面又は半球の窓は、プラットフォームの空気力学に害をなす可能性がある。

【0006】

システムがプラットフォームのノーズに取り付けられる場合、一般的に採用される解決手段は、半球面の環境窓をノーズのオジーブ形状へと徐々に変化させるものである。所望の空気力学的性能を与えるためにオジーブの必要縦横比を達成することは、多くの場合、環境窓の半径について妥協することを意味する。どの程度小さい半径が必要であるかに依存して、ステアリング機構をシステムに組み込むことが困難又は非実用的である場合が多く、したがって、センサ装置の動眼視野の範囲を損なう。

【0007】

代替の解決手段は、半球よりも空気力学的である共形外側表面幾何学形状を有する窓を、環境窓の理想的でない光学的幾何学形状の結果として生じる収差を補正するように成形された幾何学形状を有する光学補正器素子と共に使用することである。

【0008】

後者の解決手段を使用してシステムを設計するために現在使用されている方法では、環境窓の所望の共形外面幾何学形状は、所望のプラットフォーム機能、例えば空気力学を最適化することによってもたらされる。この幾何学形状は、光学設計ソフトウェアではなくむしろＣＡＤパッケージにおいてモデリングされるが、特定の制約、例えば表面の最大曲率が適用される場合がある。

【0009】

環境窓の所望の共形外面幾何学形状は、メッシュグリッドとしてモデリングされる。次いで、所望の表面幾何学形状のメッシュ上の点に可能な限り正確にフィットする表面を定義するためにベース・バイコーニック方程式（base biconic equation）に更なる項を追加することにより、表面サジッタ方程式（surface sagitta equation）が構築される。

【0010】

構築された方程式は、波面誤差を補正するために補正器素子の表面を制約するために使用される。

【0011】

問題は、バイコーニック方程式が点集合との良好なフィットを提供するときでも、方程式によって定義された表面が、メッシュグリッドの点の間の隙間において、環境窓の製造された外表面から予測不可能に逸脱する場合があることである。その結果、バイコーニック方程式に基づいて製造された補正器表面は、これらの領域における波面誤差を補正することができず、これらの点間の波面誤差の不均一性につながる。

【発明の概要】

【0012】

本発明の第１の態様によれば、電気光学システムを設計する方法が提供され、本電気光学システムは、
非半球面非平面の環境窓と、
透過性光学補正器と、
光学アセンブリと、
窓、光学補正器、及び光学アセンブリを通過した光線を受光するように配設されたセンサと、
動眼視野についてセンサの視線をステアリングするように適応されたステアリング手段と、
を備え、
本方法は、一致した表面サジッタ方程式を使用して環境窓の表面幾何学形状及び光学補正器の表面幾何学形状を設計することを備え、表面サジッタ方程式は、
ａ）以下のベース・バイコーニック方程式と、

【数1】

ここで、Ｚは、サジッタであり、ｚ＝０は、表面と光軸の交点に位置し、ｃは、ｘ又はｙにおける曲率であり、ｘ及びｙは、光軸に対して直交方向であり、ｋは、ｘ又はｙにおけるコーニック定数であり、ｃ_ｘ＝１／Ｒ_ｘ及びｃ_ｙ＝１／Ｒ_ｙであり、Ｒは、ｘ又はｙにおける曲率半径であり、
ｂ）任意選択的に、動眼視野にわたる実質的に均一な波面誤差及び実質的に均一な倍率を提供するためにベース・バイコーニック方程式からの非球面偏差及び／又は自由形状偏差を定義する１つ又は複数の更なる項と、
を備える。

【0013】

本発明の根底には、バイコーニック方程式を予め設計された環境窓の外表面に「フィッティングさせる」という長い標準的な慣行からの離脱がある。

【0014】

これとは対照的に、環境窓の外表面を特定のバイコーニック方程式に合わせて設計することによって、外表面は、バイコーニック方程式によって、近似されるのではなくむしろ定義される。この新規な設計プロセスにおいて、バイコーニック方程式は、形状がホストプラットフォームの他の要件に適合する表面を定義するために、例えば、更なる項を追加することによって展開される。

【0015】

次いで、補正器素子の表面を定義するためにこのバイコーニック方程式に基づく一致した方程式を使用することによって、先行技術の方法と比較して、より均一な波面誤差及び倍率を動眼視野全体にわたって達成することができる。

【0016】

本明細書の目的のために、バイコーニック方程式は、同じ数及び形式の有意の追加の項を有する場合に一致していると考察することができ、ここで、追加の項は、表面上の任意の点のサジッタを、公称のベース・バイコーニック方程式から１００ｎｍを超えて変更する場合に有意であると考察される。

【0017】

１つの一致した方程式のうちの１つの項内の変数の係数は、通常、各表面の曲率の角度がＦＰＡに対する表面の相対位置により異なるので、別の一致した方程式の等価項内の変数の係数とは異なることが理解されるであろう。補正器の表面の場合、これは、環境窓の外側表面の幾何学形状の光学的理想からの偏差から生じる収差を補正する必要があることに起因する。

【0018】

この新しい設計手法を使用して明らかになった発見は、バイコーニック方程式から逸脱しない外表面、すなわち、ｃ_ｘ＝ｃ_ｙ及びｋ_ｘ＝ｋ_ｙであり、かつ１を上回る縦横比を有し、有意の更なる項を有さないバイコーニック方程式によって定義された表面を有する環境窓が、予想外にも良好な空気力学的特性を提供するということであった。そのような表面を使用する利点は、除去する必要がある材料が少なくなるので、製造がより容易になることである。また、例えば、表面幾何学形状が正確に形成されていることを確実にするために測定が容易になる。

【0019】

本方法は更に、環境窓及び光学補正器を製造することを含んでよい。

【0020】

次に、本発明について、図面を参照して例として説明する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】電気光学システム１の簡略化した概略図を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0022】

システム１は、環境窓２と、システム１が動作する波長帯において透過させる静的補正素子３と、光学チェーン４と、焦点面アレイ（ＦＰＡ）センサ５と、動眼視野内でＦＰＡ５の視線を調整するためのステアリング機構６とを備える。光チェーン４は、ＦＰＡ上にシーンの画像を形成するように配置される。環境窓２、光学補正器３、及び光学アセンブリ４はすべて、光学システム１の動作波長を透過させる。

【0023】

採用されるステアリング機構６の特定のタイプは重要ではなく、ジンバル式ステアリング可能ミラーを含む複数の好適な例が当業者に知られている。

【0024】

システム１のホストプラットフォームの光学性能以外の要件を満たす特性、例えば、空気力学の改善を提供するために、環境窓２の外表面２Ａの幾何学形状は、非球面かつ非平面であり、以下の表面サジッタ方程式によって定義される。

【数2】

これは、ベース・バイコーニック方程式としても知られており、Ｚは、サジッタであり、ｚ＝０は、表面と光軸の交点に位置し、ｃは、ｘ又はｙにおける曲率であり、ｘ及びｙは、光軸に対して直交方向であり、ｋは、ｘ又はｙにおけるコーニック定数であり、ｃ_ｘ＝１／Ｒ_ｘ及びｃ_ｙ＝１／Ｒ_ｙであり、Ｒは、ｘ又はｙにおける曲率半径である。

【0025】

任意選択的に、必要な共形特性を提供するために、表面サジッタ方程式は、例えば以下のベース・バイコーニック方程式からの非球面偏差及び／又は自由形状偏差を定義する１つ又は複数の更なる項を備えてよい。

【数3】

ここで、α、βは、それぞれＸ及びＹにおけるｉ番目の非球面係数である。Ａは、光軸からの半径方向距離及び半径方向角度をそれぞれ定義するρ及びφにおけるｉ番目のゼルニケ係数である。

【0026】

【数4】

及び

【数5】

は、それぞれｘ及びｙにおける非球面偏差を定義する更なる項の例である。

【数6】

は、自由形状偏差を定義する更なる項の例である。表面サジッタ方程式は、必要とされる表面特性に依存して所望の表面幾何学形状を提供するために、任意の数の任意のこれらの形式の更なる項を備えてよい。

【0027】

環境窓の内表面２Ｂ、静的補正器素子３の内面３Ａ、及び静的補正器素子の外面３Ｂの幾何学形状の各々は、環境窓の外表面２Ａの幾何学形状を定義する表面サジッタ方程式と厳密に一致する、すなわち、同じ数の各形式の更なる項を有する別個の表面サジッタ方程式によって定義される。

【0028】

ｘ及びｙの両方における曲率の変化率の特定の限度内で、環境窓及び補正器素子の表面幾何学形状を定義するために一致した方程式を使用すると、動眼視野にわたる、非ゼロであり得る実質的に均一な波面誤差をもたらし、動眼視野にわたる倍率の変動が、例えば５％以内に最小限に抑えられる。

【0029】

例示的な用途において、装置は、中波赤外線（ＭＷＩＲ）ＦＰＡを備え、環境窓の外側表面２Ａは、空気力学的性能の改善を提供するために共形である。環境窓２は、第１の材料、例えばサファイア又はサファイア様材料から構成される。静的補正素子３は、第１の材料よりも高い屈折率の第２の材料、例えばシリコンから構成される。第１及び第２の材料は、環境窓及び補正器の両方が均一な屈折率を有するように均質な屈折率を有する。

【0030】

補正素子３のためにより高い屈折率の材料を使用することによって、補正素子３は、共形環境窓の理想的でない幾何学形状から生じる波面誤差を補償するのに必要な屈折力を依然として有しながら、より大きい曲率半径を有することができる。これにより、ステアリング機構のために利用可能な空間が最大になる。

【0031】

動眼視野にわたる均一な波面誤差は、動眼視野内のＦＰＡの視線に関係なく光学チェーンが波面誤差を実質的に補正することを可能にするので特に望ましい。

【0032】

システムを設計する例示的な方法において、設計者、例えば光学技術者は、ホストプラットフォームの１つ又は複数の非光学的要件に適合する表面幾何学形状を定義するために、ｘ及びｙの両方における曲率の変化率の特定の限度内で上述の表面サジッタ方程式を操作する。例えば、要件が、改善された空気力学的表面、すなわち、生じる抗力がより少ない空気力学的表面である場合、所望の適合性を提供することができる異なった表面サジッタ方程式によって定義される外表面幾何学形状を有する１つ又は複数のプロトタイプ環境窓が作られてよい（例えば、物理的及び／又は仮想モデル）。これらのプロトタイプ（物理的又は仮想的）は、環境窓の外表面を定義するために使用すべき方程式を選択するためにどれが最良に機能するかを決定するために、例えば風洞内で、又はコンピュータモデリングを使用して試験される。

【0033】

環境窓の内表面及び静的補正器素子の表面を定義するために、選択された方程式に一致する更なる表面サジッタ方程式が展開される。一致する各表面サジッタ方程式内の変数の値は、動眼視野にわたる倍率の変動を最小限に抑え、動眼視野にわたる実質的に均一な波面誤差を提供するように操作される。

【0034】

次いで、光学アセンブリ４は、均一な波面誤差を補正するように設計され得る。

【0035】

次いで、環境窓２及び光学補正器３が設計に合わせて製造される。

【0036】

例示的な設計では、環境窓２の外表面及び内表面並びに補正素子３の内面及び外面を定義するために使用される一致する表面サジッタ方程式の各々は、ｃ_ｘ＝ｃ_ｙ、ｋ_ｘ＝ｋ_ｙであり、かつ有意の更なる項をいずれも有さない、すなわち、表面上の任意の点におけるサジッタをベース・バイコーニック方程式から１００ｎｍを超えて個々に変える更なる項がない、ベース・バイコーニック方程式に基づく。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 電気光学システムを設計する方法であって、前記電気光学システムは、
非半球面非平面の環境窓と、
透過性の光学補正器と、
光学アセンブリと、
前記環境窓、前記光学補正器、及び前記光学アセンブリを通過した光線を受光するように配設されたセンサと、
動眼視野に対して前記センサの視線をステアリングするように適応されたステアリング手段と、
を備え、
前記方法は、一致した表面サジッタ方程式を使用して前記環境窓の表面幾何学形状及び前記光学補正器の表面幾何学形状を設計することを備え、前記表面サジッタ方程式は、前記動眼視野にわたる実質的に均一な波面誤差及び実質的に均一な倍率を提供するために、
ａ）以下のベース・バイコーニック方程式と、

【数7】

ここで、Ｚは、サジッタであり、ｚ＝０は、表面と光軸の交点に位置し、ｃは、ｘ又はｙにおける曲率であり、ｘ及びｙは、前記光軸に対して直交方向であり、ｋは、ｘ又はｙにおけるコーニック定数であり、ｃ _ｘ ＝１／Ｒ _ｘ 及びｃ _ｙ ＝１／Ｒ _ｙ であり、Ｒは、ｘ又はｙにおける曲率半径であり、
ｂ）任意選択的に、前記ベース・バイコーニック方程式からの非球面偏差及び／又は自由形状偏差を定義する１つ又は複数の更なる項と、
を備える、方法。
［２］ 前記光学補正器は静的補正器である、［１］に記載の方法。
［３］ 前記光学補正器は均一な屈折率を有する、［１］又は［２］に記載の方法。
［４］ ｃ _ｘ ＝ｃ _ｙ 及びｋ _ｘ ＝ｋ _ｙ であり、表面サジッタ方程式は更なる有意の項を備えない、［１］から［３］のいずれか一項に記載の方法。
［５］ 非半球面非平面の環境窓と、
透過性の光学補正器と、
光学アセンブリと、
前記環境窓、前記光学補正器、及び前記光学アセンブリを通過した光線を受光するように配設されたセンサと、
動眼視野に対して前記センサの視線をステアリングするように適応されたステアリング手段と、
を備え、
前記環境窓の表面幾何学形状及び前記光学補正器の表面幾何学形状は、一致した表面サジッタ方程式によって定義され、前記表面サジッタ方程式は、前記動眼視野にわたる実質的に均一な波面誤差及び実質的に均一な倍率を達成するようにするために、
ａ）以下のベース・バイコーニック方程式と、

【数8】

ここで、Ｚは、サジッタであり、ｚ＝０は、表面と光軸の交点に位置し、ｃは、ｘ又はｙにおける曲率であり、ｘ及びｙは、前記光軸に対して直交方向であり、Ｒは、ｘ又はｙにおける曲率半径であり、ｋは、ｘ又はｙにおけるコーニック定数であり、
ｂ）任意選択的に、前記ベース・バイコーニック方程式からの非球面偏差及び／又は自由形状偏差を定義する１つ又は複数の更なる項と、
を備える、
電気光学システム。

【図1】