(57)【要約】  バックスキャン及び時間遅延積分（ＴＤＩ）撮像に関して非常に高コントラストの画像を提供する最適フィールドマッピングが与えられる。このマッピングは、バックスキャン撮像に関して、焦点面アレイ上での像ぶらつきを制御するようにアフォーカル光学系の歪み特性を調整するよう、物体空間と像空間との間の非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成されたアナモルフィックなフィールド補正アセンブリを含むアフォーカル光学系を用いて実装され得る。アナモルフィックなフィールド補正アセンブリは、非回転対称非球面逸脱を有する１つ以上のミラー又はレンズを含み得る。最適なＴＤＩ撮像のため、アナモルフィック光学系も使用される。
2019514063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バックスキャン撮像用に構成された光学撮像システムであって、
撮像センサと、
前記撮像センサ上に電磁放射線をフォーカシングするように構成されたイメージャであり、前記撮像センサは前記電磁放射線から画像を形成するように構成されている、イメージャと、
アフォーカル光学系であり、当該アフォーカル光学系は、前記電磁放射線を受け、当該アフォーカル光学系の射出瞳を介して前記電磁放射線を前記イメージャに導くように構成され、当該アフォーカル光学系は、バックスキャン動作中のオフアクシス像点に関する前記撮像センサ上での像ぶらつきを制御するように当該アフォーカル光学系の歪み特性を設定するよう、物体空間と像空間との間の非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成された少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、アフォーカル光学系と、
前記アフォーカル光学系と前記イメージャとの間で前記アフォーカル光学系の前記射出瞳に近接して位置付けられたバックスキャンミラーであり、前記撮像センサ上の像を安定化させるように前記バックスキャン動作を実行するように構成されたバックスキャンミラーと、
を有する光学撮像システム。
【請求項２】
前記アフォーカル光学系は、前記アフォーカル光学系の入射瞳と前記射出瞳との間に延びる主光軸に沿って配置された複数の光学素子を含む、請求項１に記載の光学撮像システム。
【請求項３】
前記アフォーカル光学系は、オンアクシス無限焦点望遠鏡と瞳リレーとを含み、前記無限焦点望遠鏡は、前記入射瞳を介して前記電磁放射線を受け、且つ前記電磁放射線を前記瞳リレーに導くように構成され、前記瞳リレーは、前記射出瞳を介して前記電磁放射線を前記バックスキャンミラー上に再結像させるように構成される、請求項２に記載の光学撮像システム。
【請求項４】
前記瞳リレーが、前記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、請求項３に記載の光学撮像システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子は、第１及び第２のレンズを含み、前記アフォーカル光学系は、前記第１及び第２のレンズに近接する中間像を形成するように構成される、請求項４に記載の光学撮像システム。
【請求項６】
前記第１及び第２のレンズの各々が、非回転対称な非球面逸脱を有する前面及び後面を含む、請求項５に記載の光学撮像システム。
【請求項７】
前記無限焦点望遠鏡は、注視野上で前記無限焦点望遠鏡の視野を走査するように構成されたヘッドミラーを含み、当該光学撮像システムは更に、前記無限焦点望遠鏡と前記瞳リレーとの間に位置付けられたデローテーション素子を有する、請求項４に記載の光学撮像システム。
【請求項８】
前記複数の光学素子は、複数のレンズを含む、請求項２に記載の光学撮像システム。
【請求項９】
前記撮像センサは、撮像ピクセルの２次元アレイを有する焦点面アレイである、請求項１に記載の光学撮像システム。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子は、非回転対称な非球面逸脱を有する前面及び後面を各々が有する第１及び第２のフィールド補正レンズを含み、前記アフォーカル光学系は、前記第１及び第２のフィールド補正レンズに近接する中間像を形成するように構成される、請求項１に記載の光学撮像システム。
【請求項１１】
前記非回転対称フィールドマッピングは、θｉ＝Ａｍａｇθｏ及びφｉ＝Ａｍａｇφｏによって規定され、ここで、θｉ及びφｉは像空間における光線角度であり、θｏ及びφｏは物体空間における光線角度であり、Ａｍａｇは前記アフォーカル光学系の倍率である、請求項１に記載の光学撮像システム。
【請求項１２】
時間遅延積分撮像を実行するように構成された撮像センサと、
眺望シーンから電磁放射線を受け、前記撮像センサ上に前記電磁放射線をフォーカシングするように構成された光学サブシステムであり、前記撮像センサは前記電磁放射線から画像を形成するように構成されており、当該光学サブシステムは、前記撮像センサの積分期間中のオフアクシス像点に関する前記撮像センサ上での像ぶらつきを制御するように当該光学サブシステムの歪み特性を設定するよう、非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成された少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、光学サブシステムと、
を有する光学撮像システム。
【請求項１３】
前記非回転対称フィールドマッピングは、物体空間における角度θｘ及びφの前記撮像センサ上の点ｘ及びｙへのマッピングを記述する関係であるｘ＝ｆθｘ及びｙ＝ｆφによって規定される、請求項１２に記載の光学撮像システム。
【請求項１４】
光学サブシステムを用いて電磁放射線を撮像センサに導くことと、
オフアクシス像点に関する像ぶらつきを制御するよう、フィールド補正アセンブリを用いて前記光学サブシステムの歪み特性を調整することであり、前記フィールド補正アセンブリは、前記光学サブシステムの前記歪み特性を設定するよう、非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成された少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、調整することと、
を有する撮像方法。
【請求項１５】
当該撮像方法は更に、前記撮像センサで時間遅延積分撮像を実行することを有し、前記光学サブシステムの前記歪み特性を調整することは、前記撮像センサの積分期間中の前記オフアクシス像点に関する前記像ぶらつきを制御することを含む、請求項１４に記載の撮像方法。
【請求項１６】
前記光学サブシステムは、アフォーカル光学系及びイメージャを含み、
前記電磁放射線を導くことは、
前記アフォーカル光学系で眺望シーンから電磁放射線を受け、
前記アフォーカル光学系から前記イメージャに前記電磁放射線を導いて像を形成し、該像は、前記アフォーカル光学系の射出瞳を通り抜けて前記イメージャに至る前記アフォーカル光学系の光軸を中心とし、且つ
前記イメージャで前記電磁放射線を前記撮像センサ上にフォーカシングする
ことを含む、
請求項１４に記載の撮像方法。
【請求項１７】
前記撮像センサ上の像を安定化させるよう、前記アフォーカル光学系に光学的に結合され、且つ前記アフォーカル光学系の前記射出瞳に近接して位置付けられたバックスキャンミラーで、前記電磁放射線をバックスキャンすること、
を更に有する請求項１６に記載の撮像方法。
【請求項１８】
前記光学サブシステムの前記歪み特性を調整することは、前記バックスキャン動作中の前記オフアクシス像点に関する像ぶらつきを制御するよう、前記フィールド補正アセンブリを用いて、前記アフォーカル光学系の前記歪み特性を調整することを含み、前記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子は、前記アフォーカル光学系の前記歪み特性を調整するために像空間と物体空間との間の非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成される、請求項１７に記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
例えば赤外線探査追跡（infrared  search  and  track；ＩＲＳＴ）のような特定のイメージング用途では、撮像センサが高速に且つ回折限界性能で大きい注視野（fields  of  regard）を走査することが望ましい。これらの目標を達成するためのアプローチは、大きい視野を持つバックスキャン式センサ又はラインスキャンイメージャを使用することを含む。スキャン式２次元（２Ｄ）撮像センサの積分時間を増加させるために、しばしば、バックスキャンする技術を使用してステップ／ステア（ｓｔｅｐ／ｓｔａｒｅ）カバレッジが提供される。図１Ａ−１Ｂは、この概念を示している。
【０００２】
図１Ａは、無限焦点望遠鏡（アフォーカルテレスコープ）１１０が、入来する電磁放射線１２０を受け、該放射線を、結像光学系１３０を介して、焦点面（フォーカルプレーン）アレイ（ＦＰＡ）であることが多い撮像センサ１４０に導くように構成された、センサシステムの公称ケースを示している。無限焦点望遠鏡１１０の背後のミラー１５０を用いるバックスキャンは、センサシステムの動きを少なくとも部分的に補償することによって、ＦＰＡ１４０の積分時間を増加させる機敏な方法を提供する。具体的には、図１Ｂを参照するに、システムが物体空間内で走査を行うとき、バックスキャンミラー１５０が傾いて、像を積分時間の間ＦＰＡ１４０上に固定したままにしようとする。故に、より小さいバックスキャンミラー１５０が高速動作を提供してステップ／ステア機能を実行する間に、より大きいセンサシステム又はその一部が公称速度で走査され得る。これを、図２Ａ−２Ｂに更に示す。
【０００３】
図２Ａを参照するに、無限焦点望遠鏡１１０の視野２１０内のバックスキャン式センサの視野（すなわち、センサ１４０の視野）を概略的に表すものが示されている。矢印２２０によって表されるように、センサの視野が、無限焦点望遠鏡の視野２１０全体で走査される。ボックス２３０ａは、対応する標的点位置２３５ａを持つ第１の時点又はより前の時点におけるセンサの視野を表し、ボックス２３０ｂは、対応する標的点位置２３５ｂを持つ第２の時点又はより後の時点におけるセンサの視野を表している。標的点２３５は、バックスキャン動作中に望遠鏡の視野２１０全体を効果的にスイープする。図２Ｂは、物体空間内での対応するバックスキャン式センサ視野２３０を示している。図２Ｂでは、矢印２４０によって表されるように、無限焦点望遠鏡の視野２１０が右に走査され、その間、積分時間（露光時間としても参照される）の間ＦＰＡの視野２３０を固定したまま保つようにバックスキャンミラー１５０が動く。バックスキャンは、無限焦点望遠鏡視野２１０が走査されるときに、センサ視野２３０を物体空間内で固定して保持する。
【発明の概要】
【０００４】
バックスキャンは、例えば標的点２３５といった１つのフィールド点を焦点面アレイ（ＦＰＡ）上で比較的安定に保持することができるが、無限焦点望遠鏡の結像歪み特性に起因して、全ての他のフィールド点が露光中に動き回り（ぶらつき）得る。態様及び実施形態は、このフィールド点のぶらつき及びそれに伴う画像ぼけを抑制する、バックスキャン式及びラインスキャン式イメージャ用の、制御された歪み特性を持つ光学構成にて実装されることが可能な最適フィールドマッピングに関する。以下、高忠実度のフィールドマッピングを達成するための多様なシステムアーキテクチャを、光場マッピングの例を光学的に実装する方法及びシステムとともに説明する。
【０００５】
一実施形態によれば、バックスキャン撮像用に構成された光学撮像システムは、撮像センサと、撮像センサ上に電磁放射線をフォーカシングするように構成されたイメージャであり、撮像センサは電磁放射線から画像を形成するように構成されている、イメージャと、アフォーカル光学系であり、当該アフォーカル光学系は、電磁放射線を受け、当該アフォーカル光学系の射出瞳を介して電磁放射線をイメージャに導くように構成され、当該アフォーカル光学系は、バックスキャン動作中のオフアクシス像点に関する撮像センサ上での像ぶらつきを制御するように当該アフォーカル光学系の歪み特性を設定するよう、物体空間と像空間との間の非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成された少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、アフォーカル光学系と、アフォーカル光学系とイメージャとの間でアフォーカル光学系の射出瞳に近接して位置付けられたバックスキャンミラーであり、撮像センサ上の像を安定化させるようにバックスキャン動作を実行するように構成されたバックスキャンミラーとを有する。
【０００６】
一例において、アフォーカル光学系は、当該アフォーカル光学系の入射瞳と射出瞳との間に延びる主光軸に沿って配置された複数の光学素子を含む。他の一例において、アフォーカル光学系は、オンアクシス無限焦点望遠鏡と瞳リレーとを含み、無限焦点望遠鏡は、入射瞳を介して電磁放射線を受け、且つ電磁放射線を瞳リレーに導くように構成され、瞳リレーは、射出瞳を介して電磁放射線をバックスキャンミラー上に再結像させるように構成される。一例において、瞳リレーが、上記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む。他の一例において、上記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子は、第１及び第２のレンズを含み、アフォーカル光学系は、第１のレンズと第２のレンズとの間に中間像を形成するように構成される。第１及び第２のレンズの各々が、非回転対称な非球面逸脱を有する前面及び後面を含み得る。一例において、無限焦点望遠鏡は、注視野上で当該無限焦点望遠鏡の視野を走査するように構成されたヘッドミラーを含み、システムは更に、無限焦点望遠鏡と瞳リレーとの間に位置付けられたデローテーション素子を有する。上記複数の光学素子は、複数のレンズを含み得る。
【０００７】
一例において、撮像センサは、撮像ピクセルの２次元アレイを有する焦点面アレイである。
【０００８】
一例において、上記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子は、非回転対称な非球面逸脱を有する前面及び後面を各々が有する第１及び第２のフィールド補正レンズを含み、アフォーカル光学系は、第１のフィールド補正レンズと第２のフィールド補正レンズとの間に中間像を形成するように構成される。
【０００９】
一例において、非回転対称フィールドマッピングは、θｉ＝Ａｍａｇθｏ及びφｉ＝Ａｍａｇφｏによって規定され、ここで、θｉ及びφｉは像空間における光線角度であり、θｏ及びφｏは物体空間における光線角度であり、Ａｍａｇはアフォーカル光学系の倍率である。
【００１０】
他の一実施形態によれば、光学撮像システムは、時間遅延積分撮像を実行するように構成された撮像センサと、眺望シーンから電磁放射線を受け、撮像センサ上に電磁放射線をフォーカシングするように構成された光学サブシステムであり、撮像センサは該電磁放射線から画像を形成するように構成されており、当該光学サブシステムは、撮像センサの積分期間中のオフアクシス像点に関する撮像センサ上での像ぶらつきを制御するように当該光学サブシステムの歪み特性を設定するよう、非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成された少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、光学サブシステムとを有する。
【００１１】
一例において、非回転対称フィールドマッピングは、物体空間における角度θｘ及びφの撮像センサ上の点ｘ及びｙへのマッピングを記述する関係であるｘ＝ｆθｘ及びｙ＝ｆφによって規定される。
【００１２】
他の一実施形態は、光学サブシステムを用いて電磁放射線を撮像センサに導くアクトと、オフアクシス像点に関する像ぶらつきを制御するよう、フィールド補正アセンブリを用いて光学サブシステムの歪み特性を調整するアクトであり、フィールド補正アセンブリは、光学サブシステムの歪み特性を設定するよう、非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成された少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子を含む、調整するアクトとを有する撮像方法に向けられる。
【００１３】
撮像方法は更に、撮像センサで時間遅延積分撮像を実行することを有することができ、光学サブシステムの歪み特性を調整することは、撮像センサの積分期間中のオフアクシス像点に関する像ぶらつきを制御することを含む。
【００１４】
一例において、光学サブシステムは、アフォーカル光学系及びイメージャを含み、電磁放射線を導くことは、アフォーカル光学系で眺望シーンから電磁放射線を受け、アフォーカル光学系からイメージャに電磁放射線を導いて像を形成し、該像は、アフォーカル光学系の射出瞳を通り抜けてイメージャに至るアフォーカル光学系の光軸を中心とし、且つイメージャで電磁放射線を撮像センサ上にフォーカシングすることを含む。撮像方法は更に、撮像センサ上の像を安定化させるよう、アフォーカル光学系に光学的に結合され、且つアフォーカル光学系の射出瞳に近接して位置付けられたバックスキャンミラーで、電磁放射線をバックスキャンすることを有し得る。一例において、光学サブシステムの歪み特性を調整することは、バックスキャン動作中のオフアクシス像点に関する像ぶらつきを制御するよう、フィールド補正アセンブリを用いて、アフォーカル光学系の歪み特性を調整することを含み、上記少なくとも１つのアナモルフィックなフィールド補正光学素子は、アフォーカル光学系の歪み特性を調整するために像空間と物体空間との間の非回転対称フィールドマッピングを実行するように構成される。
【００１５】
これら例示的な態様及び実施形態の更なる他の態様、実施形態、及び利点が、以下にて詳細に説明される。ここに開示される実施形態は、ここに開示される原理のうちの少なくとも１つと一貫したやり方で他の実施形態と組み合わされることができ、“実施形態”、“一部の実施形態”、“代替実施形態”、“様々な実施形態”、“一実施形態”、又はこれらに類するものへの言及は、必ずしも相互に排他的なものではなく、記載される特定の特徴、構造、又は特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれ得ることを指し示すことを意図したものである。ここにこれらの用語が複数現れることは、必ずしも全てが同じ実施形態に言及しているわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
以下、縮尺通りに描くことは意図していない添付の図面を参照して、少なくとも１つの実施形態の様々な態様を説明する。図面は、様々な態様及び実施形態の例示及び更なる理解を提供するために含められており、本明細書に組み込まれてその一部を構成するが、本発明の限定を規定するものとして意図したものではない。図面において、様々な図に示される同じ又は略同じ構成要素は各々、似通った参照符号によって表される。明瞭さの目的のため、全ての図で全ての構成要素にラベルを付すことはしていない場合がある。
【図１Ａ】無限焦点望遠鏡及びバックスキャンミラーを含むステップ／ステアセンサ構成の一例の概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムに適用されるバックスキャンの技術を示す概略図である。
【図２Ａ】無限焦点望遠鏡の視野内のセンサの視野の一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに対応する物体空間におけるバックスキャン式センサ視野を示す図である。
【図３】物体空間におけるセンサの視野の一例を示す図であり、複数のフィールド点を示している。
【図４Ａ】式（１）の従来フィールドマッピングに従って最適化された無限焦点望遠鏡の一例について、図３のフィールド点に関してシミュレーションした像点ぶらつきを示すグラフである。
【図４Ｂ】式（２）の従来フィールドマッピングに従って最適化された無限焦点望遠鏡の一例について、図３のフィールド点に関してシミュレーションした像点ぶらつきを示すグラフである。
【図５】図４Ａ及び４Ｂに提示した結果をシミュレーションするために使用した望遠鏡の図解及び部分的な光線トレースである。
【図６Ａ】図６Ａ及び６Ｂは、光学設計に関する従来の座標系を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａ及び６Ｂは、光学設計に関する従来の座標系を示す図である。
【図７】本発明の態様に従った極座標系を示す図である。
【図８】本発明の態様に従った、式（５）及び（６）のフィールドマッピングに従って最適化された無限焦点望遠鏡の一例について、図３のフィールド点に関してシミュレーションした像点ぶらつきを示すグラフである。
【図９】本発明の態様に従った、図８に提示した結果をシミュレーションするために使用した望遠鏡の図解及び部分的な光線トレースである。
【図１０】本発明の態様に従った、式（５）及び（６）のフィールドマッピングを実行するように構成されたフィールド補正アセンブリの一例の図解及び部分的な光線トレースである。
【図１１】無限焦点望遠鏡の前後の光線及びその方向余弦（Ｌ、Ｍ、Ｎ）を示すブロック図である。
【図１２Ａ】本発明の態様に従った最適フィールドマッピングに関連する歪み特性と、式（２）の従来フィールドマッピングに関連する歪み特性との間の比較を示す図である。
【図１２Ｂ】本発明の態様に従った最適フィールドマッピングに関連する歪み特性と、式（１）の従来フィールドマッピングに関連する歪み特性との間の比較を示す図である。
【図１３】バックスキャン式撮像システムの一例のブロック図である。
【図１４】複数のアフォーカルステージを含むバックスキャン式撮像システムの一例のブロック図である。
【図１５】本発明の態様に従ったＩＲＳＴ撮像システムの一例の光線トレースである。
【図１６】図１５に示した撮像システムの例のアフォーカル光学系について、図３のフィールド点に関する像点ぶらつきを示すグラフである。
【図１７】本発明の態様に従ったＩＲＳＴ撮像システムの一例の光線トレースである。
【図１８】本発明の態様に従った、図１７に示した撮像システムの例のアフォーカル光学系について、図３のフィールド点に関する像点ぶらつきを示すグラフである。
【図１９】上面視にて示したラインスキャン式システムのブロック図であり、方位角フィールドスキャンを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
上述のように、大きい視野を有するバックスキャン式イメージャ又はラインスキャン式イメージャを使用することで、大きい注視野にわたるセンサ視野の走査を、高速に且つ回折限界性能で達成することができる。しかしながら、標準的な光学設計形態は、露光／積分時間中にオフアクシス（軸外）のフィールド点に関して画像ぼけを導入し、これが標的信号の信号対雑音比を低下させてしまう。
【００１８】
像ぶらつきの問題を更に例証するために、以下の例は、赤外線探査追跡（ＩＲＳＴ）センサのケースを検討する。図３は、物体空間における例示的なＩＲＳＴセンサの公称センサフレーム視野（ＦＯＶ）３１０の一例を概略的に示しており、複数のフィールド点３２１−３３５の位置を示している。これらのフィールド点は、左上（ｔｏｐ  ｌｅｆｔ）３２１、上（ｔｏｐ）３２２、右上（ｔｏｐ  ｒｉｇｈｔ）３２３、左やや上（ｌｅｆｔ  ｔｏｐ  ｍｉｄｄｌｅ）３２４、やや上（ｔｏｐ  ｍｉｄｄｌｅ）３２５、右やや上（ｒｉｇｈｔ  ｔｏｐ  ｍｉｄｄｌｅ）３２６、左（ｌｅｆｔ）３２７、軸上（中心（ｃｅｎｔｅｒ））３２８、右（ｒｉｇｈｔ）３２９、左やや下（ｌｅｆｔ  ｂｏｔｔｏｍ  ｍｉｄｄｌｅ）３３０、やや下（ｂｏｔｔｏｍ  ｍｉｄｄｌｅ）３３１、右やや下（ｒｉｇｈｔ  ｂｏｔｔｏｍ  ｍｉｄｄｌｅ）３３２、左下（ｂｏｔｔｏｍ  ｌｅｆｔ）３３３、下（ｂｏｔｔｏｍ）３３４、及び右下（ｂｏｔｔｏｍ  ｒｉｇｈｔ）３３５を含んでいる。バックスキャンミラーは、焦点面アレイ（ＦＰＡ）上で比較的安定している１つのフィールド点、典型的には中心又は軸上（オンアクシス）のフィールド点３２８、を保持することができるが、無限焦点望遠鏡の結像歪み特性に起因して、全ての他のフィールド点が露光中にぶらつき得る。
【００１９】
１次元（１Ｄ）走査（例えば、レーザスポットビームの水平走査）のための最適フィールドマッピングはよく知られている。アフォーカルシステムでは、１次元光学フィールドマッピングは、望遠鏡に入る光線（θｉ）と望遠鏡を立ち去る光線（θｏ）との間の角度関係に基づいて規定され、次式：
θｉ＝Ａｍａｇθｏ          （１）
によって与えられる。式（１）中、Ａｍａｇは無限焦点望遠鏡の角倍率である。Ａｍａｇをシステムの焦点距離Ｆに置き換えることで、同様の関係がフォーカルシステムに適用される。最適１Ｄフィールドマッピングは、２次元（２Ｄ）撮像システムにとっては理想的でない。式（１）のフィールドマッピングは、単一の軸に沿ったフィールド点に関する像ぶらつきを最小化する。従って、ラインスキャンシステムは、このマッピングを使用して十分な結果を達成することができる。しかしながら、従来の光学設計形態を有する２次元撮像センサ（例えば、ＦＰＡなど）を含むバックスキャン式システムは、かなりのぼけ及び低下した信号対雑音比に悩まされる。ぼけの量及び深刻さは、無限焦点望遠鏡の倍率、角度的な視野、視野全体の（ＦＰＡ上の）ピクセルの数に依存する。
【００２０】
式（１）のフィールドマッピングを使用することはできるが、２Ｄ撮像システムにおける無限焦点望遠鏡は、一般に、望遠鏡に入る光線（θｉ）と望遠鏡を立ち去る光線（θｏ）の間の、次式：
ｔａｎ（θｉ）＝Ａｍａｇｔａｎ（θｏ）          （２）
を満足する角度関係に基づいて、ゼロ歪みを持つように最適化される。式（２）の関係は、歪みのない像（例えば、直線が直線に結像される）を保証する。しかしながら、式（１）に従って設計される構成と同様に、無限焦点望遠鏡の後ろにバックスキャンミラーが置かれるとき、この関係は、露光中にオフアクシスのフィールド点に関して、像ぶらつき又はぼけを導入する。ぼけの量及び深刻さは、無限焦点望遠鏡の倍率、角度的な視野、視野全体の（ＦＰＡ上の）ピクセルの数に依存する。
【００２１】
結像歪み収差も、追加的な画像ぼけを導入し得る。理解されるべきことには、バックスキャンを実装しないシステムでは、無限焦点望遠鏡の結像歪みは、典型的に、画質とは別の問題である。例えば、画像は鮮明ではあるが歪んでいるように見えることがある。例えば、オンアクシスで回転対称なレンズ系は、典型的には、対称的なピンクッション歪み又はバレル歪みを見せる。オフアクシス瞳を有して又は角度的にオフセットされた視野を有して設計された無限焦点望遠鏡は、もっと複雑な歪み関数を有し得る。
【００２２】
図４Ａ及び４Ｂは、それぞれ式（１）及び（２）のフィールドマッピングに従って設計された無限焦点望遠鏡の例についてシミュレーションしたバックスキャン中の像点ぶらつきを示している。各々のケースで、フレームＦＯＶは２．８８７°×１．６２４°であり、センサは１２８０×７２０ピクセルを有する２次元ＦＰＡであり、無限焦点望遠鏡の倍率（Ａｍａｇ）は４Ｘであり、そして、ピクセル瞬時視野（ＩＦＯＶ）は３９．４μｒａｄ（マイクロラジアン）である。双方の例において、バックスキャンは物体空間内で±０．６°にわたる。これらのシミュレーションで使用したその他のシステムパラメータは以下のとおりである。各例において、入射瞳の直径は５インチであり、イメージャの焦点距離は５インチであり（２０インチのシステム実効焦点距離に対して）、そして、スペクトル帯域は８μｍ−９．５μｍ（遠赤外）である。
【００２３】
図５は、図４Ａに示したシミュレーション結果を生成するのに使用した望遠鏡の例を示す図解及び部分的な光線トレースである。望遠鏡５００は、入射瞳５３０から電磁放射線５２０を受ける第１の対のレンズ５１０、５１５と、第２の対のレンズ５４０、５４５と、これら二対のレンズ間に位置付けられたフィールド補正器５５０と、当該望遠鏡の射出瞳５７０の位置に置かれたバックスキャンミラー５６０とを含んでいる。望遠鏡５００の例は、良好な結像性能及び低い瞳収差を有するように最適化されることができる。図４Ａ及び４Ｂに対応する例では、第１レンズは非球面であり、第１レンズ５１０の材料はゲルマニウム（Ｇｅ）であり、第２レンズ及び第４レンズ５１５、５４５の材料はセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）であり、第３レンズ５４０の材料はＧｅであり、そして、フィールド補正器５５０は非球面であって、その材料はＧｅである。
【００２４】
図４Ａに示したシミュレーション結果を生成するために、式（１）のフィールドマッピングを有するように望遠鏡５００（すなわち、様々なレンズの形状及び位置取り）を設計した。結果として得られたシステムは、物体空間において僅かな負の（バレル）フィールド歪みを有する。図４Ａを参照するに、これらのカーブは、無限焦点望遠鏡の視野を通して像がバックスキャンされるときの、バックスキャン中の、フィールド点３２１−３３５の、センサフレームＦＯＶ３１０上でのそれらの公称位置の周りでの（ピクセルＩＦＯＶの単位）ぶらつき又は動きを示している。矢印は動きの向きを指し示している。これらのカーブは、見る助けとなるよう、互いにオフセットされている。これら様々なカーブの長さが、各フィールド点についての像点ぶらつきの量を指し示す。上述のように、式（１）のフィールドマッピングは、図４Ａに示した結果によって例証されるように、単一の軸に沿ったフィールド点に関する像ぶらつきを最小化する。走査方向に対応するｙ＝０の水平線に沿ったフィールド点では、非常に小さい像ぶらつきが存在するのみであるが、｜ｙ｜が増加するにつれて、かなりのぶらつきが存在する。この例での最大ぼけ長さはおよそ２．０ピクセルである。
【００２５】
図４Ｂに示したシミュレーション結果を生成するために、式（２）のフィールドマッピングを有するように望遠鏡５００を設計した。結果として得られたシステムは、バックスキャンを用いないレクチリニアイメージングでは、ほぼゼロ歪みを有する。図４Ｂを参照するに、これらのカーブもやはり、バックスキャン中のフィールド点３２１−３３５の、センサフレームＦＯＶ３１０上でのそれらの公称位置の周りでのぶらつき又は動き（ピクセルＩＦＯＶの単位）を示している。矢印は動きの向きを指し示している。これらのカーブは、見る助けとなるよう、互いにオフセットされている。これら様々なカーブの長さが、各フィールド点についての像点ぶらつきの量を指し示す。上述のように、一般に、バックスキャンミラー５６０は、視野３１０の中心点３２８を露光中に固定して保持するように構成される。結果として、画像の隅で歪みが最大である。この例では、バックスキャン中の最大ぼけ長さは約３．３ピクセルである。
【００２６】
これらのシミュレーション結果は、たとえ、望遠鏡５００が高性能撮像のために設計されて、動きがないときに歪み殆ど乃至全く有しないことができるとしても、バックスキャン中には、特にオフアクシスのフィールド点に関して、かなりのぶらつき及びその結果の画像ぼけが存在することを示している。上述のどちらの例も、複数ピクセル分の最大ぼけを生成している。ＩＲＳＴ及びその他の用途では、高精細ＦＰＡは結像歪みについての厳密な制御を必要とし、単一ピクセル分のシフトであっても、許容可能なシステム性能にとって過大なぼけを生じさせ得る。ステップ／ステア及びＩＲＳＴシステムは幅広く使用されているが、このオフアクシスフィールド点ぶらつき（ここでは、像ぶらつきとして参照する）に起因する画像ぼけの問題は十分に認識されていない。更に詳細に後述するように、態様及び実施形態は、結像されるフィールド点が積分時間中に動かないように、そして、画像ぼけが軽減され得るように、バックスキャン式及びラインスキャン式のセンサに最適なフィールドマッピングを実装する光学設計形態に関する。
【００２７】
ここに開示して、最適フィールドマッピングとして参照する新たなフィールドマッピングの実施形態は、従来の光学設計で使用されている標準座標系とは異なるものである極座標系に基づく。図６Ａ及び６Ｂは、従来、ｘ−ｙ−ｚ座標系に基づいて、光線が光学系に対してどのように規定されるかを示している。図６Ａは、ｘ−ｚ平面上への光線６１０の投影を、６２０に指し示されるように示しており、図６Ｂは、ｙ−ｚ平面上へのこの光線の投影を、６３０に指し示されるように示している。角度θｘ及びθｙは、それぞれ、ｘｚ平面及びｙｚ平面内の投影された光線６２０、６３０までｚ軸（光軸）から測定される。この従来の座標系では、以下：
ｔａｎθｘ＝Ｌ／Ｎ          （３）
ｔａｎθｙ＝Ｍ／Ｎ          （４）
が当てはまる。式（３）及び（４）において、Ｌ、Ｍ、及びＮは、それぞれ、ｘ、ｙ、及びｚ軸に対する光線６１０の方向余弦である。なお、式（１）−（４）の従来のフィールドマッピングは、光軸の方向に関連付けられている。光学スキャン中に光軸の方向を変えることは、ＦＰＡ上の像点のマッピングに変化をもたらす。
【００２８】
対照的に、上述のように、態様及び実施形態は、極座標系に基づく最適フィールドマッピングを提供する。極座標系の一例を図７に示す。遠方の物体への／からの光線を、方位角（Ａｚ）と仰角（Ｅｌ）とによって規定することができる。この座標系において、ここではθと表記する方位角は、従来の座標系におけるθｘと同じである。しかしながら、ここではφと表記する仰角は、従来の座標系におけるθｙと同じではない。ここで、φは、ｙ−ｚ平面上に投影された光線７２０までのｚ軸からの角度ではなく、ｘ−ｙ平面から測定される光線７１０の角度である。説明の目的で、以下の議論は、スキャンすることが方位角方向においてであると仮定する。しかしながら、当業者は、この開示の恩恵を所与として、代わりに仰角方向にスキャンするようにする変更を容易に理解することになる。
【００２９】
物体空間から無限焦点望遠鏡の像空間への最適フィールドマッピングは、次式：
θｉ＝Ａｍａｇθｏ          （５）
φｉ＝Ａｍａｇφｏ          （６）
によって与えられる。当業者は、この開示の恩恵を所与として、Ａｍａｇ＝１は、式（５）及び（６）のマッピングと式（１）及び式（２）の従来マッピングとの間に差異がない縮退ケースであることを理解することになる。しかしながら、一般的に、そして多種多様な用途において、１ではない倍率が望まれる。式（１）及び式（２）の従来フィールドマッピングとは異なり、式（５）及び（６）に従った最適フィールドマッピングは回転対称でない。それは、アナモフィック性を持つ。以下にて更に例証及び説明するように、本発明の態様に従ったこの光学フィールドマッピングは、バックスキャン中のフィールド点の動きを除去する。式（５）及び（６）は、無限焦点望遠鏡の近軸スケーリング方程式と一致する。故に、この最適フィールドマッピングは、２つの直交方向での無限焦点望遠鏡の角倍率を使用する。換言すれば、θｏにおける角度シフト（これは、方位回転であり、システムの動作中に望ましく実行されるスキャン運動である）は、像空間内の全ての光線に対して、単純であるが、倍率Ａｍａｇによりスケーリングされた、θｉのシフトをもたらす。θｏにおける角度シフトは、像空間における光線仰角（φｉ）の変化は生じさせない。
【００３０】
図８は、図５に示したものと同様であるが式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングに従って設計された望遠鏡の一例についてシミュレーションした、（図３のフィールド点３２１−３３５の）公称位置の周りでの像ぶらつきを示している。その望遠鏡を図９に示す。この例において、望遠鏡９００は、入射瞳９１０を介して電磁放射線９２０を受け、該電磁放射線を射出瞳９６０へと導く複数のレンズ９３２、９３４、９３６、及び９３８を含んでいる。射出瞳９６０の位置に、バックスキャンミラー９５０が位置付けられている。望遠鏡９００は更に、第２レンズ９３４と第３レンズ９３６との間に位置付けられた２つのフィールド補正器９４２、９４４を含んだフィールド補正アセンブリを含んでいる。これら２つのフィールド補正器９４２、９４４の間に中間像が形成される。一例において、望遠鏡９００は、良好な結像性能、低い瞳収差、低い結像歪み、並びに、式（５）及び（６）に記載されるようなバックスキャン動作用の最適フィールドマッピング、を有するように最適化される。図８に示したシミュレーション結果に対応する例において、第１レンズ９３２からなる非球面であり、第２レンズ９３４はＺｎＳｅからなり、第３レンズ９３６はＧｅからなり、そして、第４レンズ９３８はＺｎＳｅからなる。２つのフィールド補正器９４２、９４４は、Ｇｅからなる“フリーフォーム”の非回転対称レンズである。更に詳細に後述するように、フィールド補正器９４２、９４４は、最適フィールドマッピングを実装するように、そして、良好な瞳結像を維持するように構成される。図８に示した例において、フレームＦＯＶは２．８８７°×１．６２４°であり、センサは１２８０×７２０ピクセルを有する２次元ＦＰＡであり、無限焦点望遠鏡の倍率（Ａｍａｇ）は４Ｘであり、そして、ピクセル瞬時視野（ＩＦＯＶ）は３９．４μｒａｄである。バックスキャンは物体空間内で±０．６°にわたる。入射瞳９１０は５インチの直径を持ち、イメージャの焦点距離は５インチであり（２０インチのシステム実効焦点距離に対して）、そして、電磁放射線９２０のスペクトル帯域は８μｍ−９．５μｍ（遠赤外）である。
【００３１】
図８を参照するに、見てとれることには、像ぶらつきは、全てのフィールド点３２１−３３５に関してゼロ又は非常に小さく、オフアクシスのフィールド点について、図４Ａ及び４Ｂに示した従来設計例のいずれよりも大きく減少されている。図８中のカーブは、バックスキャン動作中の様々なフィールド点における主光線の動き（ピクセルＩＦＯＶの単位）を示している。矢印は、動きの向きを指し示している。バックスキャン中の最大の像ぼけはおよそ０．０２５ピクセルである。
【００３２】
故に、図４Ａ、４Ｂ、及び８に提示したシミュレーション結果が例証することには、式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングを実装するように構成されたフィールド補正器を組み入れた望遠鏡は、オンアクシスであるフィールド点又は走査方向に沿ったフィールド点のみに限らず、センサにわたる全フィールド点についての、バックスキャン中の像ぶらつきにおける大幅な改善と、それに伴う大幅に抑制された画像ぼけとを達成することができる。
【００３３】
一実施形態によれば、フィールド補正器は、前面及び後面に非回転対称な非球面逸脱を有するフィールド補正レンズとして構成される。２つのこのようなフィールド補正レンズを含むフィールド補正アセンブリの一例を図１０に示す。図示した例において、フィールド補正アセンブリは、第１のフィールド補正レンズ１０１０及び第２のフィールド補正レンズ１０２０を含んでおり、これら２つのレンズの間に中間像１０３０が位置する。レンズ１０１０、１０２０は、フィールドマッピングを実装するためにｘ方向及びｙ方向において主光線の小さいオフセットを導入しながら、同時に、ｘ方向及びｙ方向において主光線の傾きを制御することによって瞳結像を維持する。一例において、非球面矢状逸脱は、ｘ及びｙの偶数乗の形態にある。一例において、２つのレンズ１０１０、１０２０は、６次までの項を有する：
Δｚ＝ａ１ｘ２＋ａ２ｙ２＋ａ３ｘ４＋ａ４ｘ２ｙ２＋ａ５ｙ４＋ａ６ｘ６＋ａ７ｘ４ｙ２＋ａ８ｘ２ｙ４＋ａ９ｙ６
特定の実施形態によれば、式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングを光学設計に適用して、例えば、図９に示したもの、及びバックスキャン中に大幅に抑制された像ぶらつきを有するように構成された望遠鏡のその他の例などの、望遠鏡を構築する方法が提供される。図１１は、無限焦点望遠鏡１１２０に入る及びそれを出る光線１１１０及び１１１５を示す概略図である。ベクトル［Ｌ１，Ｍ１，Ｎ１］及び［Ｌ２，Ｍ２，Ｎ２］は、それぞれ、無限焦点望遠鏡１１２０の入力側及び出力側の主光線の方向余弦を記述している。Ｌ２及びＭ２の値をＬ１及びＭ１の値に関連付ける手法で最適フィールドマッピングを規定することが好ましい。何故なら、これらの方向余弦は業界標準のレイトレーシングコードを用いて容易に得られるからである。故に、以下である。
【数１】
2019514063.tif 000003
物体空間における光線１１１０についての方向余弦Ｌ１及びＭ１を所与として、式（７）及び（１１）を用いて、像空間における光線１１１５についての所望の方向余弦値Ｌ２及びＭ２を決定することができる。これらの式は、設計者が所望の歪みマッピングのために無限焦点望遠鏡１１２０を最適化することを可能にする。
【００３４】
式（７）−（１１）を書き直すことで、次式：
【数２】
2019514063.tif 000004
が示される。
【００３５】
式（１３）は、項の相互結合が存在することを示しており、これは、上述のように、本発明の態様に従った最適フィールドマッピングが、回転対称でなく、アナモフィック性を有することを指し示すものである。
【００３６】
ここに開示される最適フィールドマッピングを用いて望遠鏡を設計することで、バックスキャン中の像ぶらつきを大いに抑制しながら、良好な歪み特性も保持することができる。図１２Ａは、式（２）の標準フィールドマッピングに従って設計された無限焦点望遠鏡の歪み特性と、式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングに従って設計された同様の無限焦点望遠鏡の歪み特性との間の比較を示している。図１２Ａは、式（５）及び（６）の非回転対称な最適フィールドマッピングと式（２）の標準的な回転対称なフィールドマッピングとの間のベクトル差のプロットである。図示した例において、物体空間におけるＦＯＶは３°四方であり、角倍率（Ａｍａｇ）は４Ｘである。注目に値することには、誤差ベクトルの向き（例えば、１２１０での）が放射状でない。図１２Ｂは、式（１）の標準フィールドマッピングに従って設計された無限焦点望遠鏡の歪み特性と、式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングに従って設計された同様の無限焦点望遠鏡の歪み特性との間の比較を提供している。式（１）に従った標準フィールドマッピングでは、ｘ方向及びｙ方向における光線角度の正接を規定する式は、ｚ軸からの光線角度をスケーリングし、ｚ軸周りの回転を導入しない。図１２Ｂは、式（５）及び（６）の非回転対称な最適フィールドマッピングと式（１）の標準的な回転対称なフィールドマッピングとの間のベクトル差のプロットである。図示した例において、物体空間におけるＦＯＶは３°四方であり、角倍率（Ａｍａｇ）は４Ｘである。図１２Ｂに示されるように、これらのフィールドマッピングは、ｘ軸及びｙ軸に沿って非常に類似した歪み特性（誤差ベクトルに殆ど長さがない）を生成するが、その他のところでは異なる。最適フィールドマッピングによって生成される歪み特性は、式（１）の標準フィールドマッピングの歪み特性によく類似しており、それらは、式（２）の標準的なフィールドマッピングに対してである。最適フィールドマッピングについてのべき級数展開（５次まで）は、次式：
【数３】
2019514063.tif 000005
によって与えられる。上述のように、Ａｍａｇ＝１の場合、このマッピングは単純な縮退ケースへと単純化する。
【００３７】
上述のように、本発明の態様に従った最適マッピングは、多様な用途のために実際の光学撮像システムの設計に適用されることができる。図１３は、無限焦点望遠鏡１３１０と、イメージャ１３２０と、これら無限焦点望遠鏡とイメージャとの間に位置付けられたバックスキャンミラーとを含んだ、バックスキャン式撮像システムの一例のブロック図である。無限焦点望遠鏡が、眺望シーンから電磁放射線１３４０を受けて、その放射線をイメージャ１３２０へと導き、イメージャ１３２０が、その放射線を、撮像センサ１３５０（例えば、ＦＰＡ）上にフォーカシングする（焦点を合わせる）。例えば図１３に示したものなどのバックスキャン式システムでは、本発明の態様に従った最適フィールドマッピングが、イメージャ１３２０ではなく、無限焦点望遠鏡１３１０のみに適用される。最適フィールドマッピングは、イメージャ１３２０からの主光線がバックスキャン動作中に（無限焦点望遠鏡１３１０によって）物体空間内で逸れないことを確保する。イメージャ１３２０の歪みマッピングは独立である。上述のように、最適フィールドマッピングは回転対称でないので、フィールド補正は、例えば図１０に示したものなどのフィールド補正レンズを用いるなど、例えば円筒形の光学系や概して多項式の非球面などの、非回転対称な光学素子で実装されなければならない。さらに、最適フィールドマッピングは回転対称ではないので、補正された無限焦点望遠鏡に対してバックスキャン方向を正確に方向付けなければならない。上述のように、提示した式は、バックスキャンが方位角方向にあると仮定しており、この開示の恩恵を所与として当業者によって容易に理解されることになるように、代わりに仰角方向に走査するように補正面を設計するには、調整が行わなければならない。
【００３８】
例えばＩＲＳＴ用途などの特定の例において、望遠鏡システムは、バックスキャンミラー１３３０の物体空間側に複数のアフォーカルステージを含む。そのようなケースでは、最適フィールドマッピングを実装するための補正が、アフォーカルシステム全体を集合体として補正すべきである。補正を実装するために使用されるアナモルフィック素子（すなわち、フィールド補正器）は、それらのアフォーカルステージのうちの何れに配置されてもよい。しかしながら、最適フィールドマッピングは回転対称でないので、システム内で像回転が生じる場合には、バックスキャン動作とフィールド補正器との所望の相対的向きを維持することが重要である。
【００３９】
図１４は、ＩＲＳＴシステムの機能レイアウトの一例を示すブロック図である。この例では、ヘッドミラー１４１０がアフォーカル光学系１４２０の物体空間側に位置付けられ、アフォーカル光学系１４２０は、無限焦点望遠鏡１４３０、瞳再結像器（瞳リイメージャ）１４４０（瞳リレーとしても参照する）、及び無限焦点望遠鏡１４３０と瞳再結像器１４４０との間に位置付けられたデローテーション素子１４５０を含んでいる。ヘッドミラー１４１０は、システムＦＯＶの公称走査を実装する。このケースでは、ヘッドミラー１４１０が入射面外に回転する場合に、望遠鏡１４３０を通じて像が回転することになる。デローテーション素子１４５０は、バックスキャン動作のために像の向きを復元する。デローテーション素子１４５０は、例えばデローテーションプリズムとし得る。特定の例において、デローテーション素子を可能な限り小さく保つために、無限焦点望遠鏡１４３０の射出瞳がデローテーション素子１４５０の近くに置かれる。瞳リレー１４４０は、瞳を、上述のステップ・ステア機能を実行するものであるバックスキャンミラー１３３０に再結像させる。最適な性能を有するために、アフォーカル光学系１４２０は最適フィールドマッピングを実装する。
【００４０】
特定の例において、無限焦点望遠鏡１４３０は、像がその視野を通して回転するので、回転対称な歪みマッピング（オンアクシス望遠鏡設計に典型的）を有することが望ましい。従って、付随するアナモルフィックなフィールド補正としての、式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングは、瞳リレー１４４０内の１つ以上の光学素子によって実装されることができる。何故なら、それに先行するデローテーション素子が像の向きを補正するからである。しかしながら、多様なその他の構成が実装されてもよい。例えば、光学素子が対称的に歪み場に寄与するようにアフォーカル光学系１４２０が設計される構成（例えば、回転対称な光学系を有するオンアクシス設計）では、最適フィールドマッピングを実装するアナモルフィックなフィールド補正素子を、ヘッドミラー１４１０によって生じる像回転と一致するように光軸周りで回転させることができる。他の一例において、（フィールド又はアパーチャにおいて）オフアクシスな無限焦点望遠鏡１４３０（例えば、３ミラー又は４ミラーのアナスティグマート）を使用することができ、それを、回転対称なフィールドマッピングを実効的に有するように補正することができる。このケースでは、瞳リレー１４４０は、アフォーカル光学系１４２０全体に関して所望のフィールドマッピングを与えるように、無限焦点望遠鏡１４３０を補償するように構成され得る。他の一例において、アフォーカル光学系１４２０が全体として、式（５）及び（６）の所望の最適フィールドマッピングを有するように、（フィールド又はアパーチャにおいて）オフアクシスな無限焦点望遠鏡１４３０を、回転するフィールド補正器とともに、又は、望遠鏡のフィールド依存マッピングを補正するように構成された適応光学系とともに使用することができる。
【００４１】
一実施形態によれば、フィールド補正器は、調整可能ミラー又は変形可能ミラーを含むことができる。当業者に知られているように、変形可能なミラーの形状は、ミラーの特性を変更するためにコンピュータ制御下で調整され得る。従って、光学システムは、ここでは概してプロセッサとして参照するコンピューティング装置を含むか、又はそれに結合されることができる。コンピューティング装置は、変形可能ミラーとインタフェースをとってそれを制御することが可能な如何なるタイプのプロセッサ、コンピュータ、又はその他のコンピューティング／プロセッシングデバイスであってもよい。プロセッサは、無限焦点望遠鏡の歪み特性を変更し、そして、上述のように、バックスキャン動作中のオフアクシスフィールド点に関する像ぶらつきを制御するために、変形可能ミラーの形状を調整するように制御され得る。フィールド補正ミラーに変形可能ミラーを使用することは、様々な条件下で無限焦点望遠鏡の歪み特性を様々に調整するために、及び／又は像ぶらつきのいっそう精緻な制御を提供するために、プロセッサによってミラーの形状を制御することができる点で有利であり得る。
【００４２】
図１５を参照するに、一実施形態に従った式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングを有するように構成されたＩＲＳＴ撮像システムの一例の光線トレースが示されている。この例において、フィールド補正アセンブリは、瞳リレー１４４０内に実装されている。無限焦点望遠鏡１４３０はオンアクシスであるとともに、回転対称性を有している。最適フィールドマッピングを実装するフィールド補正アセンブリ１５１０は、非球面から概して多項式逸脱を有する一対のアナモルフィックレンズを含んでいる。
【００４３】
図１６は、図１５に示したアフォーカル光学系（無限焦点望遠鏡１４３０とフィールド補正アセンブリ１５１０を含む瞳リレー１４４０との組み合わせ）の例についてシミュレーションした、（図３のフィールド点３２１−３３５に関する）公称位置周りの像ぶらつきを示している。この例において、フレームＦＯＶは２．９３°×１．６５°であり、センサは２次元ＦＰＡであり、アフォーカル光学系の倍率（Ａｍａｇ）は５．５Ｘであり、そして、ピクセルＩＦＯＶはおよそ２８．４μｒａｄである。バックスキャンは物体空間内で±０．６°にわたる。図１６中のカーブは、バックスキャン動作中の様々なフィールド点における主光線の動き（ピクセルＩＦＯＶの単位）を示している。矢印は動きの向きを指し示している。バックスキャン中の最大の像ぼけはおよそ０．２５ピクセルである。
【００４４】
図１７は、ＩＲＳＴ撮像システムの他の一例の光線トレースを示している。この例において、無限焦点望遠鏡１４３０は、式（２）の標準的な歪みフリーのフィールドマッピングを実装するように構成された４Ｘオンアクシス望遠鏡である。故に、無限焦点望遠鏡１４３０の歪み特性は回転対称であり、像回転に依存しない。この例において、デローテーション素子１４５０は、瞳像の位置に置かれたデローテーションプリズムである。瞳リレー１４４０は１．２５Ｘの倍率を有しており、それ故に、トータルのアフォーカル倍率（無限焦点望遠鏡と瞳リレーとの組合せ）は５Ｘである。フィールド補正アセンブリ１５１０は、瞳リレー１４４０内に実装されており、式（５）及び（６）の最適フィールドマッピングを実装するように、及び瞳収差を制御するように構成されている。フィールド補正アセンブリは、例えば図１０に示した形態を有する一対のレンズを含むことができる。図１７に示したシステムは、回折限界撮像を提供することができる。
【００４５】
図１８は、図１７に示したアフォーカル光学系（無限焦点望遠鏡１４３０とフィールド補正アセンブリ１５１０を含む瞳リレー１４４０との組み合わせ）の例についてシミュレーションした、（図３のフィールド点３２１−３３５に関する）公称位置周りの像ぶらつきを示している。バックスキャンは物体空間内で±０．６°にわたる。図１８中のカーブは、バックスキャン動作中の様々なフィールド点における主光線の動き（ピクセルＩＦＯＶの単位）を示している。矢印は動きの向きを指し示している。バックスキャン中の最大の像ぼけはおよそ０．０２５ピクセルである。
【００４６】
以上の例は、バックスキャン式撮像システムにおける最適フィールドマッピングの使用及び実装を例証している。上述のように、時間遅延積分（ＴＤＩ）を使用するラインスキャン式撮像においても、同様の最適フィールドマッピングを適用することができる。図１９は、ラインスキャン式センサ１９１０に関する方位角フィールド走査を示す上面ブロック図である。光学系が概略的に１９２０にて表されており、方位角走査は角度θにわたる。この走査は、図２Ａに示したようなフレームＦＯＶの移動をもたらす。ＴＤＩを使用するラインスキャン式センサは、一般に、光学系１９２０の結像歪みに対して厳しい許容範囲を要求し、さもなければ、積分時間中に像がぼけることになる。
【００４７】
一般に、撮像システムでは、物体空間と像空間との間のマッピングは、次式：
ｘ＝ｆｘ（θｘ，θｙ）      ｙ＝ｆｙ（θｘ，θｙ）
によって与えられる。
【００４８】
上でのように、以下の導出は、スキャンすることが方位角方向においてであると仮定しているが、当業者は、代わりに仰角方向にスキャンするために為され得る変更を理解することになる。ＴＤＩ処理中に像がぼけないようにするため、方位角における回転に対して、撮像はシフト不変でなければならない。これは、バックスキャンのケースで上述したように、図７に示した極（球）座標系に基づくマッピングを使用することで達成されることができる。ＴＤＩラインスキャン式システムでは、最適フィールドマッピングは、次式：
ｘ＝ｆθｘ      ｙ＝ｆφ          （１４）
によって与えられる。式（１４）において、φは、図７に示した光線７１０までｘ−ｚ平面から測定される。
【００４９】
上述のバックスキャン式撮像システムは無限焦点望遠鏡を含んでおり、その無限焦点望遠鏡に式（５）及び（６）が適用されている。しかしながら、特定のＴＤＩシステムは、無限焦点望遠鏡を含んでいなくてもよい。従って、ＴＤＩラインスキャン式システムでは、式（１４）のフィールドマッピングは、システム全体の撮像に適用され、物体空間内の角度が撮像検出器上の点にどのようにマッピングされるかを記述する。
【００５０】
比較のため、式（１）のアフォーカルマッピングに似たフォーカルマッピングの式は、次式：
【数４】
2019514063.tif 000006
2019514063.tif 000007
の通りであり、“Ｆ−θ”として参照する。式（１５）及び（１６）は回転対称である。式（１４）によって与えられる最適フィールドマッピングは、次式：
【数５】
2019514063.tif 000008
のように、光学設計に便利な形式で書かれ得る。
【００５１】
式（１８）のべき級数展開（５次まで）は、次式：
【数６】
2019514063.tif 000009
のように書かれ得る。当業者が認識することには、これは、ｘ方向及びｙ方向に関する相互結合項を含む補正項を有した式（１）の従来マッピングと同様である。式（１７）及び（１８）の非対称性は、上述のバックスキャン式システムのケースと同様に、非回転対称なフィールド補正が必要であることを指し示す。このような補正は、上述のように、アナモルフィックなフィールド補正器を用いてオフアクシス設計又はオンアクシス設計で提供され得る。
【００５２】
故に、ここに開示された態様及び実施形態によれば、複数のフィールド点での及び複数の構成にわたっての像ぶらつきの影響を最小化するように光学系の結像歪みを最適化することによって、バックスキャン中又はＴＤＩを用いたラインスキャン中の像ぶらつきの問題が軽減され得る。これは、上述のように、アナモルフィックなフィールド補正素子を使用して達成され得る。上述の例は、主として屈折型の光学システムを記載しているが、このアプローチは、反射型又は屈折型の無限焦点望遠鏡を含む任意のアフォーカル設計に対して実装され得る。
【００５３】
少なくとも１つの実施形態の幾つかの態様を上述したが、理解されるべきことには、当業者には様々な改変、変更、及び改良が容易に浮かぶであろう。そのような改変、変更、及び改良は、この開示の一部であることが意図され、また、本発明の範囲内であることが意図される。従って、以上の説明及び図面は単に例によるものであり、理解されるべきことには、ここに説明される方法及び装置の実施形態は、適用において、以上の記載に説明され又は添付図面に図示された構成の詳細及び構成要素の配置に限定されるものではない。これらの方法及び装置は、他の実施形態での実装が可能であり、また、様々なやり方で実施あるいは実行されることが可能である。具体的な実装の例が、単に例示の目的でここに提供されるが、限定することを意図したものではない。また、ここで使用される言葉遣い及び用語は、記述目的でのものであり、限定するものとして見なされるべきでない。“含む”、“有する”、“持つ”、“含有する”、“伴う”及びこれらの変形のここでの使用は、その後に挙げられる品目及びそれらの均等物並びに更なる品目を含む意味である。“又は”への言及は、“又は”を用いて記載される項目が、記載される項目のうちの、単一の、１つよりも多くの、及び全ての、の何れかを指し示し得るように、包含的なものとして解釈され得る。本発明の範囲は、添付の請求項の適正な解釈及びそれらに均等なものから決定されるべきである。
【図１Ａ】
2019514063.tif 000010
【図１Ｂ】
2019514063.tif 000011
【図２Ａ】
2019514063.tif 000012
【図２Ｂ】
2019514063.tif 000013
【図３】
2019514063.tif 000014
【図４Ａ】
2019514063.tif 000015
【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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