JPS6127723B2 - - Google Patents

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JPS6127723B2
JPS6127723B2 JP51020206A JP2020676A JPS6127723B2 JP S6127723 B2 JPS6127723 B2 JP S6127723B2 JP 51020206 A JP51020206 A JP 51020206A JP 2020676 A JP2020676 A JP 2020676A JP S6127723 B2 JPS6127723 B2 JP S6127723B2
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JP
Japan
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lens
group
groups
zoom
zooming
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Expired
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JP51020206A
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JPS51110347A (ja
Inventor
Aaru Noizu Garii
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Raytheon Co
Original Assignee
Hughes Aircraft Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Hughes Aircraft Co filed Critical Hughes Aircraft Co
Publication of JPS51110347A publication Critical patent/JPS51110347A/ja
Publication of JPS6127723B2 publication Critical patent/JPS6127723B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/14—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use with infrared or ultraviolet radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
    • G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
    • G02B15/143—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having three groups only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Telescopes (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は全天候性および夜間監視能力を有する
赤外線レーダー装置および映像装置に使用される
好適なレンズシステムの性能向上および開発に関
する。このようなシステムの１型式としては、赤
外線前方監視（Forward looking infrared）の頭
文字をとつた“FLIR”が知られている。このよ
うなシステムは、好適にはスペクトルが２から20
ミクロンの波長領域で使用される。このようなシ
ステムは、特にズームシステムにおいては、可視
領域における通常の実施例にみられるように収差
補正のための多数のレンズを使用すると、スペク
トル通常帯域が赤外線を妨害するように作用し
て、比較的大きなレンズの伝送損失を生ずるた
め、一般に最小数のレンズ要素によつて構成され
る。このように大きな問題となる伝送損失限界
は、ズームレンズ能をFLIRシステムに適用する
場合は、可視領域におけるよりも大きな問題とな
る。これは、特に無限遠に合焦され、コリメート
されたエネルギービームを出力とする照射形また
は無限焦点形であり、そして小さな伝送損失を望
むばかりでなく主レンズと共に使用する場合に有
用な高解像度を与えることができるズームシステ
ムにおいて著るしい。 よく知られているズームシステムの大部分は、
可視波長領域においては、主焦点レンズと共に使
用するために適する無限焦点または付属形よりは
むしろ有限焦点または像形成出力形である。可視
波長におけるこの像形成システムの典型的米国特
許は、Takanoによる第3377119号、Vockenhuber
他による第3433559号、Kleinによる第3454321
号、およびBerteleによる第3597048号等がある。
赤外線波長に使用される焦点レンズシステムは、
Kirkpatrickによる米国特許第3439969号および
Altman他による米国特許第3825315号に見られ
る。 さらに、形式において、像形成形または無限焦
点形のいずれかに分類され、ズームレンズシステ
ムが光学的補償形かまたは機械的補償形のいずれ
かに分類され、そしてさらにガリレオ式または非
ガリレオ式に分類される。このような区別は、公
知の文献、たとえば1966年McGraWHill社刊行の
WarrenJ.SmithによるModern Optical
Engineeringと題する著作に見ることができる。
上記文献の著者は、243ページにおいて、ズーム
システムの“機械的補償法”は、焦点外れ（可動
レンズ要素の１つの動きの特質によつて本質的に
生ずる現象）が、非直線性を有するカム配列の効
果による動きから、システムの他の隣接レンズ要
素の１つに非直線性補償運動を与えることによつ
て除去される方法である。同書244ページにおい
て、可変システムにおける焦点変位を減少させる
ための他の技術として、２つまたはそれ以上の、
可動（より近接した）レンズが結合され、そして
それらの間の固定レンズに対して互いに運動する
方式のいわゆる光学的補償法が記載されている。 天体用（または倒立形）、地上用（または正立
形）またはガリレオ式のような望遠鏡システムの
型式の他の分類は同書の著者は最初に209ページ
において議論している。210ページにおいて著者
は、ガリレオ式においてはシステムの内部像は決
して本質的には形成されないと指摘している。ガ
〓〓〓〓
リレオ式における対眼レンズ（アイレンズ）の対
象である目的物は、虚の目的物であつて倒立は生
じない。したがつて、眼に現出する最終像には反
転は生じないで正立する。ガリレオ式望遠鏡にお
いては実像が形成されないことから交差細線また
は十字線を設けることはできない。そこで、この
明細書の目的のために、非ガリレオ式レンズシス
テムが、内部実像がシステム内、すなわち、シス
テムの光学軸に沿つた最初と最後のレンズの間に
形成されることによつて限定される。 このような区別を考慮すると、従来技術の無限
焦点形可視波長ズームシステムに関しては、最初
は実像でない中間像を有するガリレオ式システム
の使用によつたことが知られる。このようなシス
テムはMacherによる米国特許第3320014号および
Motoakiによる米国特許第3679292号に解説され
ている。中間実像を有する非ガリレオシステムを
使用する努力が行なわれ、Wehrによる米国特許
第3438689号のような光学的補償方式が必然的に
用いられている。 本発明の１つの目的は、固定焦点長の主結像レ
ンズの使用が可能であるようないくつかのレンズ
を有する可変倍率の機械的補償形非ガリレオ式無
限焦点（アフオーカル）ズームレンズ装置を提供
するものである。 本発明のさらに特定の目的は、赤外線波長にお
いて使用するための光学システムの設計において
上述の問題および限定内容を解決したシステムで
かつ無限焦点システムのズーム範囲を通じて高結
像特性を生ずることのできるような、かつスペク
トルの赤外波長領域において使用するための好適
なレンズシステムを提供することである。 これは、各々のレンズが赤外線スペクトル（一
般的に0.7ミクロンから1000ミクロンの範囲の領
域でそして特に好ましくは２から20ミクロンの範
囲）の前もつて定められた領域においてエネルギ
ーの有用なスペクトル通過帯域を有し、そして全
レンズシステムを通過するエネルギーが吸収され
ることによるエネルギーの全伝送損失が入力エネ
ルギーの60％よりも少ないような型式の非ガリレ
オ式可変倍率機械的補償形無限焦点ズームシステ
ムを提供することによつて達成される。高結像特
性を保持する少なくとも５対１の比を越えるるズ
ーミング作用は、システムを形成するために光学
軸に沿つて配列された４つの光学的コーテイング
レンズ群を配設することによつて達成される。各
レンズ群は少なくとも１つのレンズによつて構成
される。第１群は、固定焦点前面対物要素であ
り、第２群は、好ましくは非直線的な第１軌跡で
動くズーミング要素であり、第３群は、好ましく
は実質上直線的な第２軌跡で動くズーミング要素
であり、そして、第４群は固定焦点の接眼要素で
ある。手段は可動状態に装着された第２レンズ群
および第３レンズ群がシステム倍率の最小限界と
最大限界の間を連続的に変化することによつて達
成される。第４レンズ群の最小倍率は、第１群、
第２群および第３群の各レンズ群が、第４群の固
定接眼部と第３群のズーミング要素との間に位置
する第１結像面において、中間実空間像を生成す
るようなお互いの関係に配列されている。この像
は好ましくはダブレツトレンズである接眼レンズ
群によつて再コリメートされる。このように無限
焦点形装置として構成されたシステムは、主結像
装置に装着し、接眼部は外部射出瞳にコリメート
されたエネルギー出力ビームを与える目的で使用
される。 １具体例においては、４つのレンズ群の位置の
動きまたは軌跡の経路は第２群および第３群ズー
ミング要素のズーミング動作の間お互いに関連を
有し、第３群ズーミング要素は最小倍率よりも大
きな倍率を生ずる前もつて選定された位置にあつ
て実空間結像面を通過し、それによつてズーム要
素の最高倍率設定のために空間結像面が移動す
る。高倍率において空間結像面が移動すること
は、より高倍率で良好な結像品位を維持するため
の、この種装置の収差補正にとつて有利であるこ
とが見出された。このシステムは好ましい具体例
において、６対１のズーム比を達成する3.33倍か
ら20倍の倍率の範囲で良好な結像特性を得ること
ができる。 本発明の他の目的および特長は、各部品に関す
る性質を示した添付図に関連した詳細な説明から
より完全に把握することができよう。 第１図には、長波長赤外線スペクトルそして特
に８および12ミクロンの間の波長範囲で使用する
ための機械的補償形ズーム比６対１の無限焦点形
非ガリレオ式ズーム望遠鏡の光学的機構ダイヤグ
ラムが示されている。第１図の付加された光学的
〓〓〓〓
機構図は、非ガリレオ式機械的補償形ズームシス
テムを形成するために光学軸Ｏに沿つて配列され
た４つの共動レンズ群Ａ，Ｂ，ＣおよびＤから構
成されるズーム望遠鏡の第１の具体例が示され
る。第１群Ａは単一対物レンズを形成するための
レンズ面１および２を有する単一ゲルマニウムレ
ンズA1から構成される。第１図に示す２位置間
を第１軌跡L1に沿つて動く第２群Ｂは、レンズ
面３および４を有するゲルマニウムレンズB1と
レンズ面５および６を有する亜鉛セレン化物レン
ズB2とから構成されるダブレツトレンズであ
る。このズーム群は軌跡L1に沿つて望遠鏡倍率
に従つて非直線的に運動する。レンズB2はシス
テムにおける色補正要素を与えるために亜鉛セレ
ン化物で形成される。レンズB2は軌跡L1に沿つ
てレンズB1に調和して運動する。第３群Ｃは、
単一視野レンズのような倍率の関数で直線的軌跡
L2に沿つて運動する単一ゲルマニウムレンズC1
から構成される。レンズC1はレンズ面７および
８を有する。第４群Ｄはそれぞれレンズ面９およ
び１０とそして１１および１２を有する２枚のゲ
ルマニウムレンズから構成される。この第４群Ｄ
は固定ダブレツト接眼レンズを形成する。 ２つの可動レンズ群ＢおよびＣのズーミング運
動は、両群がそれぞれの軌跡に沿つて常に正しい
倍率値の位置におかれるように通常のカム機構に
よつて制御される。このように各位置間の運動に
よりシステム倍率は最小3.33倍から最大20.0倍ま
で連続的に変化する。目的空間における視野は対
応して9.0゜×12.75゜から1.5゜×2125゜に変化す
る。視野の射出角は30゜×42.5゜でズーム範囲を
通じて一定に保たれる。射出瞳の面１３の位置も
またズーム範囲を通じて一定に保たれる。また、
入射瞳径はズーム範囲を通じて射出瞳径が一定に
保たれるようなズームシステムの倍率の変化の関
数のように変化する。 レンズの最初の３群Ａ，ＢおよびＣは射出瞳を
通してコリメートされたエネルギー出力ビームを
与えるための固定接眼レンズ群Ｄによつて像が再
コリメートされる低倍率位置における面Ｒにおい
て実中間像を形成する。レンズ群Ｃがズーミング
範囲にわたつて運動する際に、レンズC1は実の
中間結像の面Ｒを通過する。この結像面は、レン
ズC1の引続く運動によつて、より高い倍率範囲
における収差補正に有利であるようにその後移動
する。この実像の運動は、ここに特定するシステ
ムでは中間実像が接眼レンズによつて再びコリメ
ートされることから許容される。この接眼レンズ
は、本発明にかかる装置と共に使用される赤外線
スキヤナの照準レンズに対する出力として外部射
出瞳に対しての再コリメートを行なうものであ
る。もちろん、自動照準望遠鏡は、固定している
実像出力を生ずるように設計される。本発明にか
かる装置における、このような実結像面の運動は
許容可能であるばかりでなく、収差補正上はむし
ろ望ましいものである。 好適な具体例である第１図のシステムは、以下
の第１表で与えられる構成データに従つて構成さ
れる。この表において、本具体例におけるレンズ
群Ａがレンズ面１および２を有する只１枚の単一
レンズA1によつて構成されることがわかる。レ
ンズ群Ｂはそれぞれレンズ面３および４とそして
５および６を有する２枚のレンズB1およびB2か
ら構成される。同様の表記が全体にわたつてい
る。各半径およびその他の大きさの寸法はインチ
で与えられる。もちろん半径は特に表面特性の曲
率半径に比例する。厚みは、次の次数のレンズ表
面に対して特定レンズ表面からの光学軸Ｏに沿つ
た距離で表示する。レンズA1の表面１から表面
２の厚さは、0.850インチである。レンズA1の表
面２とレンズB1の表面３との間の可変空間距離
は、レンズ群Ｂの運動の軌跡L1に沿つたレンズ
システムの異なつた代表的倍率設定に対応する第
１表の厚み欄第２で記されるように以下の第表
によつて与えられる。同様の表記がその他の固定
および可変距離にも行なわれている。これらのレ
ンズは、2.41の屈折率を有する亜鉛セレン化物レ
ンズであるレンズB2を除き、他は全て4.00の屈折
率を有するゲルマニウムレンズである。
【表】 〓〓〓〓
【表】
【表】 ３から５ミクロンのスペクトル領域での21倍か
ら118倍のズーム範囲または可変倍率を与える第
２具体例に対する構成部材および配列は第２図に
示す通りであり、そして第表および第表に示
す通りである。5.6対１よりも良好なズーム比を
得る目的のこのシステムは、基本的レンズ群配列
および設計原理は同一であるが、しかし、レンズ
材質およびレンズ製法は異なりそしてこのシステ
ムは中間実像の面Ｒの移動する現像が生じない。
４つのレンズ群の対応は固定対物レンズＥ、軌跡
L11に沿つた非直線運動をするダブレツトレンズ
群Ｆ、軌跡L12に沿つた実質上直線運動をするズ
ーミング単一レンズ群Ｇ、および面Ｒに形成され
る実像を再コリメートさせるための固定ダブレツ
ト接眼レンズ群Ｈとから構成されることが示され
る。この具体例においては、面Ｒが軌跡L12と交
差しないように形成されることがわかる。 レンズ群Ｅは、シリコンの成分を有する単一対
物レンズから構成されそして第表に表わすよう
な構造を有する。レンズ群Ｆは、シリコンの成分
を有するレンズF1と色補正のために硫化亜鉛の
成分を有するレンズF2から構成される。レンズ
群Ｇはシリコンの成分を有するズーミング単一レ
ンズから構成される。レンズ群Ｈはダブレツト接
眼レンズから構成される。これらのレンズH1お
よびH2は両方ともゲルマニウムの成分を有す
る。ゲルマニウムのための屈折率は4.02、シリコ
ンでは3.42そして硫化亜鉛のそれは2.25である。
この具体例のためのレンズ処法は前述と全く相似
する表記法による第表によつて示されそして、
ズーミング要素の運動から生ずるレンズ表面間距
離がそれぞれの倍率に応じて第表に示される。
【表】
【表】 両具体例において、ズーム範囲を通して近似的
回折限界値である値を有する結像特性が達成さ
れ、そしてこれらはシステムを入射エネルギーが
通過する場合の60％よりも小さい伝送損失を有す
るシステムである４群にして単に６つの個有のレ
ンズ配列を有するレンズシステムを使用すること
によつて達成される。すなわち、目的物からの入
射エネルギーの40％よりも多くが接眼レンズより
外部に出る。結像特性のより明確な数字による表
示にあつては、第１図のシステムは、20倍におい
て少なくとも0.083ミリラジアンの結像特性を、
〓〓〓〓
そして3.33倍において少なくとも0.5ミリラジア
ンの結像特性を生ずる。第２図に示す第２の具体
例は、118倍において0.043ミリラジアンの結像特
性を、そして21倍において0.235ミリラジアンの
結像特性を生ずる。 第３図ａ〜ｅは、本発明の第１具体例にかかる
ズームレンズの、倍率20×，15×，10×，５×，
３1/3×の各ズーム位置における幾何学的収差曲
線を示すものである。このデータは瞳径0.32イン
チの射出瞳間隔に対応するものである。プロツト
された視野はそれぞれ21.25゜軸外、15.25゜軸外
および軸上に関するものである。入射ビーム径お
よび視野はズーム比に応じて変化する。収差は全
プロツトの目盛がミリラジアンで示され、±５ミ
リラジアンで表わされている。 一方第４図ａ〜ｅは、本発明の第２具体例にか
かるズームレンズの倍率20×，15×，10×，５
×，３1/3×の各ズーム位置における第３図と同
様の収差曲線を示すものである。なお、視野、波
長２については前述例とは異なる数値によつて示
されている。固定焦点長の結像レンズと共に使用
し、そして通常FLIRシステムおよびその他の赤
外線熱像および走査装置に使用されるところの２
ミクロンから20ミクロンのスペクトル領域の赤外
線放射を使用するための特に好適な、可変倍率を
有する無限焦点形ズームレンズ部材が達成される
ことがわかる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明における装置のレンズ要素を
示すズームレンズ光学説明図で、最小および最大
倍率における配列を示しそして、これら２つの位
置の間の可動レンズの軌跡またはズーム線を示
す。第２図は、本発明の第２の具体例のための第
１図と同様の関係を示す説明図である。第３図ａ
〜ｅは本発明にかかる第１の装置の収差曲線を示
す。第４図ａ〜ｅは本発明にかかる第２の装置の
収差曲線を示す。なお、添付図中の主な記号の対
応は次の通りである。 Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：レンズ群、Ｒ：中間実像面、
Ｏ：光軸、１〜１２：レンズ表面、１３：射出
瞳、Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈ：レンズ群、１０１〜１１
２：レンズ表面、１１３：射出瞳。 〓〓〓〓

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 固定焦点距離の主結像レンズと共に使用する
    ための可変倍率の無限焦点形ズームレンズ装置で
    あつて、 (a) それぞれのレンズ群が、赤外波長領域の有効
    スペクトル通過帯域を有しかつ球面のみからな
    る少なくとも１枚のレンズから構成され、第１
    群Ａ，Ｅは固定焦点前方対物用単一レンズであ
    り、第２群B.Fは第１軌跡L1，L11に従つて非
    直線運動をするズーミング用ダブレツトレンズ
    であり、第３群Ｃ，Ｇは第２軌跡L2，L12に従
    つて実質上直線運動をするズーミング要素であ
    り、そして、第４群Ｄ，Ｈは固定焦点接眼レン
    ズ要素であつて外部射出瞳に対してコリメート
    された出力ビームを与えるように形成されてい
    る。非ガリレオ式機械的補償ズームシステムを
    形成するために１つの光学軸に沿つて順次配列
    された４組の光学的共動レンズ群であり、 (b) 前記第２群B.Fおよび第３群Ｃ，Ｇズーミン
    グ要素は、１方が実質的に直線的であり他方が
    非直線的であるそれぞれの軌跡に従う前もつて
    定められた関係で同時に運動させることによつ
    て生ずる最小限界と最大限界との間において、
    前記ズームシステムの倍率を連続的に変化させ
    るための手段を有し、 (c) 前記４組のレンズ群のそれぞれは、前記第２
    群Ｂ，Ｆおよび第３群Ｃ，Ｇのズーミング要素
    が前記ズームシステムの最小倍率を形成するよ
    うに位置づけられた際に、前記第１、第２およ
    び第３レンズ群が前記第３レンズ群Ｃおよび第
    ４レンズ群Ｇの間の第４レンズ群に近い位置に
    形成された第１の中間結像面Ｒにおいて１つの
    空間実像を形成する相互関係に配設され、該像
    が前記第４レンズ群の接眼要素Ｄ，Ｈによつて
    前記コリメートされかつ射出瞳径がズーム範囲
    を通じて一定に保持されるように配設されてお
    り、さらに、 (d) 前記４つのレンズ群が入射瞳側からＡ，Ｂ，
    ＣおよびＤの順に配列され、そして該各々のレ
    ンズ群は、対応番号によつて示されるレンズ表
    〓〓〓〓
    面の曲率半径に関しては、“半径”で、そして
    隣り合うレンズ表面との間の光学軸Ｏに沿つた
    距離に関しては、“厚み（間隔）”で示されるよ
    うにそれぞれ次表およびのように製作およ
    び構成され、そして、レンズ材質およびインチ
    で測定されたレンズ外径が以下に表記するよう
    な表および表によつて特徴づけられるよう
    に構成されている無限焦点形ズームレンズ装
    置。 【表】 【表】 ２ 固定焦点距離の主結像レンズと共に使用する
    ための可変倍率の無限焦点形ズームレンズ装置で
    あつて、 (a) それぞれのレンズ群が、赤外波長領域の有効
    スペクトル通過帯域を有しかつ球面のみからな
    る少なくとも１枚のレンズから構成され、第１
    群Ａ，Ｅは、固定焦点前方対物要素であり、第
    ２群Ｂ，Ｆは第１軌跡L1，L11に従つて運動す
    るズーミング要素であり、第３群Ｃ，Ｇは第２
    軌跡L2，L12に従つて運動するズーミング要素
    であり、そして、第４群Ｄ，Ｈは固定焦点接眼
    レンズ要素として形成されている、非ガリレオ
    式機械的補償形ズームシステムを形成するため
    に１つの光学軸に沿つて順次配列された４組の
    光学的共動レンズ群であり、 (b) 前記第２群Ｂ，Ｆおよび第３群Ｃ，Ｇズーミ
    ング要素は、一方が実質的に直線的であり他方
    が非直線的であるそれぞれの軌跡に従う前もつ
    て定められた関係で同時に運動させることによ
    つて生ずる最小限界と最大限界との間におい
    て、前記ズームシステムの倍率を連続的に変化
    させるための手段を有し、 (c) 前記４組のレンズ群のそれぞれは、前記第２
    群Ｂ，Ｆおよび第３群Ｃ，Ｇのズーミング要素
    が前記ズームシステムの最小倍率を形成するよ
    うに位置づけられた際に、前記第１、第２およ
    び第３レンズ群が前記第３および第４レンズ群
    の間の第１の中間結像面Ｒにおいて１つの空間
    実像を形成する相互関係に配設され、該像が前
    記第４群の接眼要素Ｄ，Ｈによつて再コリメー
    トされるように配設されており、 (d) 前記レンズの各々が波長領域２から20ミクロ
    ンであるエネルギーのための有効なスペクトル
    通過帯域を有し、エネルギーが全レンズシステ
    ムを通過する場合に吸収によつて生ずる前記波
    長領域のエネルギーの全伝送損失が60％よりも
    小さく、そそして少なくとも５対１のズーム比
    を有し、さらに、 (e) 前記４つのレンズ群が入射瞳側からＥ，Ｆ，
    ＧおよびＨのように配列され、そして該各々の
    レンズ群は対応番号によつて示されるレンズ表
    面の曲率半径に関しては“半径”で、そして隣
    り合うレンズ表面間の光学軸Ｏに沿つた距離に
    関しては“厚み（間隔）”で示されるように、
    それぞれ次表およびのように製作および構
    成され、そしてレンズ材質およびレンズ外径が
    下表およびによつて特徴づけられるように
    構成されている無限焦点形ズームレンズ装置。 〓〓〓〓
    【表】 【表】
JP51020206A 1975-02-28 1976-02-27 Expired JPS6127723B2 (ja)

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GB (1) GB1488472A (ja)
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