(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光に対して透過性である中央に位置されたレンズ素子と、前記レンズ素子の周囲に配置され、光に対して反射性である反射器とを規定する複合光学表面を有しているモノリシック体において、
前記モノリシック体は情景からの赤外線（ＩＲ）を通過させる入口開口を有する画像化システム内に設置され、
前記画像化システムは画像平面に配置された赤外線検出器を収容しているデュワーを具備し、そのデュワーはデュワーウインドウを有し、
前記モノリシック体は前記画像化システムの開口絞りと前記デュワーウインドウとの間に取付けられているモノリシック体。
【請求項２】
前記モノリシック体は、屈折レンズ素子を製造するために選択された材料から構成されており、前記複合光学表面は、湾曲した表面領域によって囲まれた前記レンズ素子を規定する中央に位置された部分を有しており、この湾曲した表面領域は前記反射器を規定する反射被覆を有している請求項１記載のモノリシック体。
【請求項３】
前記中央に位置された部分は、反射防止被覆で被覆されている請求項２記載のモノリシック体。
【請求項４】
前記複合光学表面は、ダイヤモンドポイントターニング処理を使用して形成されている請求項１記載のモノリシック体。
【請求項５】
さらに、情景からの光を通過させる入口開口を有する画像化システム内に前記モノリシック体を取付ける手段を備えている請求項１記載のモノリシック体。
【請求項６】
赤外線（ＩＲ）に対して透過性である中央に位置された屈折レンズ素子と、前記レンズ素子の周囲に配置され、赤外線に対して反射性である反射器とを規定する複合光学表面を有しているモノリシック体において、
さらに、情景からの赤外線を通過させる入口開口を有する赤外線画像化システム内に前記モノリシック体を取付ける手段を備えており、前記赤外線画像化システムは画像平面に配置された冷却された赤外線検出器を格納するコールドシールドとデュワーウインドウとを備えたデュワーを有しており、赤外線画像化システムの光軸は前記デュワーウインドウおよび前記画像平面を通過し、１以上の冷却されていない光学素子が前記入口開口と前記デュワーウインドウとの間において前記光軸に沿って配置され、複数のほぼ環状の反射器セグメントが前記デュワーウインドウと前記入口開口との間において前記光軸を囲んで配置され、前記反射器セグメントのそれぞれが前記デュワーウインドウに対面した反射表面を有しており、前記デュワーウインドウから最も遠い最も外側の反射器セグメントを通った１つの開口が前記赤外線画像化システムの実効冷却開口絞りを規定しており、また、赤外線に対して透過性である前記レンズ素子と前記レンズ素子の周囲に位置された前記反射器は、前記実効冷却開口絞りと前記デュワーウインドウとの間に位置されるように取付けられているモノリシック体。
【請求項７】
前記モノリシック体は、屈折レンズ素子を製造するために選択された材料から構成されており、前記複合光学表面は、ほぼ環状の表面領域によって囲まれた前記レンズ素子を規定する中央に位置された凸状部分を有しており、この環状の表面領域が前記反射器を規定する反射被覆を有している請求項６記載のモノリシック体。
【請求項８】
前記中央に位置された凸状部分は、反射防止被覆によって被覆されている請求項７記載のモノリシック体。
【請求項９】
前記複合光学表面は、ダイヤモンドポイントターニング処理を使用して形成されている請求項６記載のモノリシック体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、赤外線（ＩＲ）を検出するために使用される光学素子構造体に関し、とくに、小型の広角光学構造体中での使用に適した光学素子構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線検出器ベースの監視センサは、非常に広い角度のカバレージ、超小型のサイズ、ならびに視野（ＦＯＶ）全体にわたる高い感度および高い画像品質を示すことが理想的である。典型的な適用には、ミサイル警戒システム（ＭＷＳ）および赤外線探索および追跡（ＩＲＳＴ）システムが含まれるが、それらに限定されない。関心を払われている別の適用には、機械的走査とは対照的な光学ベースの広角カバレージを小型化および堅牢性のために使用する昼／夜エリア監視カメラが含まれている。
【０００３】
通常の広角レンズ系は典型的に、デュワーおよびコールドシールド技術により使用される。しばしば要求されるＩＲセンサ装置自身のサイズの小型化のために、再画像化光学系の使用は一般に多くの適用について排除され、その結果光学系全体に対して１つの開口絞りまたはひとみしか存在しない。実際に、開口絞りは、赤外線感度を維持するためにデュワー内に配置された“コールド絞り”である。しかしながら、結果的に得られた光学的非対称性はレンズ設計を複雑化し、それによって画像品質および画像照度が制限される。さらに、高い画像品質が維持される場合、小さい物理的寸法を達成することは困難である。さらに、収差補正が必要とされる結果、製造許容誤差が厳しいものとなり、それによって費用が増加する。
【０００４】
図１には、通常の広角ＩＲセンサの一例が示されている。センサ1は、画像平面2Aに配置されたＩＲ検出器2を備えている。このＩＲ検出器2は、コールド絞り3Aを規定する開口を有するコールドシールド3内に配置されている。ここでは単にデュワー4Aとも呼ばれるデュワーハウジング4Aのデュワーウインドウ4は、レンズ素子6、7、8および9から構成された多素子（この場合は４つの素子）レンズを含む冷却されていない光学コンポーネント5からコールド絞り3Aを分離する。保護センサドーム10またはウインドウ11は、ＩＲセンサ1の入口を規定する。１５０°の対角線視野カバレージを有するｆ：２．０レンズに対する典型的な大きさ（インチ）は、ｘ＝１．９、ｙ＝１．９およびｚ＝２．６である。ＩＲ検出器2は、情景から到達したＩＲが検出器2の放射線応答表面を横切って走査されないので、“凝視（ｓｔａｒｉｎｇ）”タイプの検出器であるということができる。
【０００５】
この実施形態において、コールド絞り3Aは、デュワー3内に位置する真のコールドシールド3に配置されている。小型に設計されているため、焦点面3Aからドーム10の外面までの距離は、１．９インチに過ぎない。センサの深さが増加された場合、および画像形成光線の外部方向への拡散をコールド絞り3Aからの距離と適合させるためにセンサ開口が２．６インチ（透明な開口対角線）に増加された場合には、ウインドウ11が使用されてもよい。
【０００６】
この通常の設計は、光学的に非対称であると言うことができる。これは、開口絞り（コールド絞り3A）を、一方の端部が画像平面2Aを有し、他方の端部がセンサドーム10の前面を有するビームの支点またはピボット点であると考えた場合に理解することができる。認識されるように、光学系が対称であった場合、開口絞りはレンズ素子7と8との間、すなわち、画像平面2Aとセンサドーム10の前面との中間に位置される。
【０００７】
図２には、第２の従来技術のセンサ1’が示されている。レンズは類似した小さいサイズを達成し、またコールドシールド3内の単一の絞り3Aを使用する。平坦なウインドウ11を使用するように設計されているが、その代りに、センサハウジングの開口サイズを減少させるために低パワードーム10を使用することができる（図１のセンサにおけるように）。ほぼ１２０°の視野に対する典型的な大きさ（インチ）は、ｘ＝１．７およびｙ＝２．４である。このレンズは、広範囲にわたる電子的補償を必要とする著しい歪を与えられた画像マッピングを生じさせる。そうでなければ、性能および寸法は図１のレンズのものに類似したものになる。
【０００８】
第３の従来技術の設計は図３のａに示されており、現時点で一般的に譲渡されたWilliam H.Wellman氏による米国特許第 4,820,923号明細書（“Uncooled Reflective Shield for Cryogenically-Cooled Radiation Detectors”）に示されたセンサを反映している。通常の設計（図３のｂ）のコールドシールド3の大きい寸法を避けるために仮想コールドシールド、または“ウォームシールド”が使用される。米国特許第 4,820,923号明細書に開示されている本発明により解決された１つの問題は、通常のコールドシールド3の大きい熱質量および片持ち梁で支持される重量の存在であった。この問題は、コールドシールドの質量および長さが減少されることを可能にする多数の環状反射器の使用によって解決される。図３のａのウォームシールド設計の１つの重要な利点は、極低温に冷却されたコールドシールド3がさらに小さくされることが可能であり、また、必要とされる冷却が図３のｂに示された通常のコールドシールド3の設計より少ないことが可能なことである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
米国特許第 4,820,923号明細書の図４において、環状セグメント26bと26cとの間に配置された光学素子30が示されている（コラム６の３１行乃至５７行参照）ことが注目される。この米国特許第 4,820,923号明細書によって代表される通常の方法においては、光学素子30ならびに反射器セグメント26bおよび26cは全て、各々が画像化システム内に取付けられ、整列される必要のある個別のコンポーネントである。認識できるように、これは費用を増加させ、信頼性を低下させる。したがって、改良された光学素子／反射器セグメント構造体を提供する必要がある。本発明以前には、この必要性に対する十分な対処はなされていなかった。
【００１０】
上述されたおよびその他の問題は、本発明の教示による現在好ましい実施形態にしたがって克服され、別の利点が実現される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のモノリシック体は、赤外線（ＩＲ）のような関心を払われている波長を有する光に対して透過性である中央に配置されたレンズ素子を規定する１つの複合光学表面と、前記レンズ素子の周囲に配置され、光に対して反射性である１つの反射器とを有している。このモノリシック体は、屈折レンズ素子を製造するために選択された材料から構成されている。複合光学表面は、１つの全体的に湾曲した面領域によって囲まれたレンズ素子を規定する中央に位置された部分を有しており、この全体的に湾曲した面領域は反射器を規定する反射被覆を有している。中央に位置された部分は、反射防止被覆によって被覆されてもよい。複合光学表面は、ダイヤモンドポイントターニング工程を使用するもののような１つの工程で形成されることが好ましい。
【００１２】
１つの例示的な、技術的範囲を制限するものではない実施形態において、モノリシック体は、情景からのＩＲを通過させる入口開口を有するＩＲ画像化システム内に取付けられる。この画像化システムは、画像平面に配置された冷却されたＩＲ検出器を格納するコールドシールドを備えたデュワーを有している。このデュワーは１つのデュワーウインドウと、このデュワーウインドウおよび画像平面を通過するＩＲ画像化システムの１つの光軸とを有している。複数の冷却されていない光学素子は、入口開口とデュワーウインドウとの間においてこの光軸に沿って配置され、また、複数のほぼ環状の反射器セグメントは、デュワーウインドウと入口開口との間において光軸の周囲に配置されている。反射器セグメントはそれぞれ、デュワーウインドウに対面した反射表面を有している。デュワーウインドウから最も遠い最も外側の反射器セグメントを通る１つの開口がＩＲ画像化システムの実効的に冷却された開口絞りを規定している。
【００１３】
ＩＲに対して透過性のレンズ素子と、そのレンズ素子の周囲に配置された反射器とを規定する複合表面を有するモノリシック体は、実効的に冷却された開口絞りと前記デュワーウインドウとの間に配置されるように取付けられる。
【００１４】
光学素子の製造方法もまた開示されている。この方法は、（ａ）関心を払われている波長を有する光に対して透過性である材料からなるブランクを提供し、（ｂ）前記光に対して透過性である中央に位置されたレンズ素子と、前記レンズ素子の周囲に配置され、前記光に対して反射性の反射器とを規定する複合光学表面を有するモノリシック体を形成するためにそのブランクを処理するステップを含んでいる。
【００１５】
好ましい実施形態において、ブランクを処理するステップは、複合光学表面を形成するためにダイヤモンドポイントターニング処理を使用するステップを含み、また、レンズ素子を囲む材料上に反射被覆を配置するステップを含んでいる。反射防止被覆もまたレンズ素子上に形成されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
これらの教示の上述およびその他の特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な説明および添付された図面を参照することによりさらに明らかになる。  
上記において参考文献とされた米国特許第 4,820,923号明細書に示されているものにより代表される従来技術の反射ウォームシールド反射器は、典型的に金属から形成されている。図６のａは、従来技術のウォームシールド反射器30を示している。このウォームシールド反射器30の光学的な反射部分は、通常は研磨スラリーにより、あるいはダイヤモンドポイントターニング（ＤＰＴ）処理動作により研磨される。その後、非常によく反射する蒸着被覆30AがＩＲ波長帯域において高い反射率を与える表面に形成される。ウォームシールド反射器30は、屈折レンズ素子32に類似した方法で光学系中に取付けられる。
【００１７】
図６のｂは、本発明の１実施形態による統合されたモノリシックレンズ／反射器素子31の断面図であり、一方図７はこのレンズ／反射器素子31の１つの例示的な斜視図、側面図および前面図を示している。この実施形態において、通常の別々のレンズ32とウォームシールド反射器30自身が統合されたモノリシックウォームシールド反射器およびレンズ素子31からなる１つの光学素子に組合せられる。このレンズ／反射器素子31は、好ましくは同じ光学表面の曲率と中央の厚さを使用して図６のａの屈折レンズ32のように動作する中央屈折領域31Bを含んでいる。レンズ／反射器素子31はまた、図６のａの金属ウォームシールド30として機能する反射表面を備えた外側領域31Aを含んでいる。屈折および反射領域31B、31Aのそれぞれの所望の表面曲率が組合せられて単一の複合光学表面にされる。
【００１８】
図４に示されているように、また、以下説明するように、モノリシックなレンズ／反射器31は、ウォームシールドセグメント18Aおよびレンズ22の代りに使用されることが可能である。もっとも、別の実施形態において、それは別の位置でおよび別のタイプの光学系において使用されることもできる。
【００１９】
本発明の好ましい１つの非制限的な実施形態において、複合光学表面を形成する材料はシリコンであり、これはレンズ設計の屈折部分31Bのレンズ処方において使用される。しかしながら、レンズ系の屈折部分に適しており、ＤＰＴおよび被覆等によって処理されて滑らかな反射部分31Aを提供することのできる任意の光学材料が使用可能である。
【００２０】
上述したように、ダイヤモンドポイントターニング（ＤＰＴ）は、複合光学表面の好ましい製造方法である。シリコンのような所望の光学材料のブランクを提供した後、屈折および反射領域31B、31Aは１つの処理動作で製造され、それによって図６のａに示されている従来技術の設計の２つの別々の素子30および32の製造と比較して費用を減少させることが好ましい。
【００２１】
さらに、この実施形態においては、ウォームシールドの位置における設計の小型化によりさらに大きい費用節約が行われる。限られたスペースしか許されないために、ウォームシールド反射器30は典型的に薄いことが要求され、その製造は困難である。図６のａに示されている従来技術の設計における２つの別々の素子30および32と比較して、ただ１つのモノリシックレンズ／反射器31だけを取付ければよいので、費用がさらに節約される。
【００２２】
別の利点は、レンズ／反射器素子31の複合表面が同じ処理動作でダイヤモンドポイントターニング処理されることができるため、屈折表面31Bに対する反射表面31Aのセンタリング、傾斜および位置決めが非常に正確であることから得られる。それと対照的に、図６のａの従来技術の２素子設計は、個々の素子の別々の製造、ハウジング中の別々の取付け面、および組立て中の２つの取付けステップにより生じたエラーが累積する可能性が高い。
【００２３】
好ましい実施形態において、反射防止（ＡＲ）被覆は、光学真空室による蒸着を使用して少なくともレンズ部分31Bの両面上に付着される。その後、金、銀、アルミニウムまたはその他の任意の適切な被覆材料のような反射被覆は複合表面の反射器部分31A上に付着される。レンズの屈折中央部分31Bは反射被覆の付着中はマスクされることが好ましい。フォトマスクおよびこれに続くリフトオフ方法は、ここにおいて好ましい屈折領域31Bのマスク方法である。
【００２４】
反射部分31Aは、反射器の開口からの散乱が従来技術のウォームシールド30と比較して少ないことを示すことに注目すべきである。従来技術のウォームシールド30中の金属の開口の薄いエッジには、機械的な安定性を確保するために最小限の厚さがなければならない。しかしながら、結果的に得られた金属エッジは、迷放射を発生させる可能性のある散乱のソースである。本発明においては、ウォームシールドは実際にはレンズの屈折材料上の反射薄膜であるため、反射開口のエッジからの散乱はごく少量である。複合表面の転移点に対する反射被覆の開口エッジ（図７において矢印31Cにより示された）の誤整列により若干の迷放射が生じる可能性があることは確かだが、従来技術のウォームシールド30においてナイフエッジ金属反射器を形成するより、最新式のフォトマスク技術およびＤＰＴにより精確な整列を行うほうが簡単である。
【００２５】
レンズ部分31Bは任意の適切な形状を有することが可能でリ、また、凹面または凸面であることができる。反射器部分31Aもまた任意の適切な形状を与えられることが可能であり、それは一般的には湾曲した形状であり、また、反射器部分31Aは、３つの例として、以下に説明される環状表面、球面または楕円面を規定することができる。
【００２６】
モノリシックレンズ／反射器素子31は、可視光線、紫外線およびＩＲを含む任意の所望の波長の光で使用されることができる。モノリシックレンズ／反射器素子31が製造される材料は、レンズ部分31Bを通過する光の波長と適合するように選択される。たとえば、材料はガラスまたはシリコンあるいはゲルマニウムもしくは任意の適切なＵＶ透過材料であることができる。
【００２７】
モノリシックレンズ／反射器素子31の取付けは、リング型スペーサおよび、または周囲の光学構造体中に形成された位置の合った段または棚を使用する等の、レンズを取付けるために使用される任意の適切な技術によって行われることが可能である。
【００２８】
以上モノリシックレンズ／反射器素子31のここで好ましい実施形態を説明してきたが、以下においてモノリシックレンズ／反射器素子31を使用することのできる適切なタイプの光学系の一例を説明する。しかしながら、この例は本発明の使用または実施を制限するものとして解釈されてはならない。
【００２９】
光学系の例示的な実施形態を説明する前に、一般的な光学絞り、とくに、ＩＲ画像化システムの光学絞りを簡単に説明する。この説明から、本発明により提供される利点がさらによく認識されるであろう。
【００３０】
あらゆるレンズには、画像へのエネルギの通過を制限する物理的な開口が存在する。各レンズ素子は、センサ内のレンズおよびその他の構造においてバフル動作を行う１つの制限されたクリア開口を有している。これらの開口の１つは、レンズが画像に送ることのできるエネルギのコーンの直径を最も制限する。この開口は“開口絞り”と呼ばれ、その寸法は画像における放射束密度を決定する。別の開口は典型的に、画像の角度的範囲を制限し、この開口は“フィールド絞り”と呼ばれている。開口はまた、迷放射がレンズマウントおよび構造から画像上に反射することを阻止するために使用されるので、これらは一般に“バフル”と呼ばれている。
【００３１】
光学絞りの配置は、システム性能にとって重要である。赤外線センサは、絞りが“コールド”であることを必要とする。これは、検出されているのが熱エネルギだからである。これが、絞りが“黒い”だけでよい、すなわち、可視スペクトルにおいて非透過性、非反射性および非放射性であればよい可視センサとは異なる点である。赤外線絞りは赤外線検出器のように極低温に冷却されなければならない。これは、その絞りが検出器と共にコールド焦点面に取付けられた“コールドシールド”構造によって形成されることを意味する。これらのコールド素子は、湿気による凝結および結霜を防止すると共に熱伝導による加温を減らすために大気から密封されなければならない。典型的に、極低温への冷却を可能にするために真空の“デュワー”が使用されるが、この冷却時に気体の液化および水の結霜が発生する。
【００３２】
赤外線システムのレンズ素子を極低温検出器パッケージまたはデュワー内に格納することは実際的ではない。コールド構造上に取付けられた場合、レンズ素子の質量の追加はクールダウンを妨げ、そのためにセンサの準備が整う時間が遅れる。また、追加質量のために、デュワー中の支持構造を補強することが必要であるが、これは断熱を行うそれらの目的と矛盾する。製造許容誤差のために、レンズ素子は、デュワーの内部および外部に部分的に取付けられるのではなく、１つのマウント構造体で保持される必要がある。レンズ構造体全体をデュワー内に取付けることにより、焦点を結ぶためにアクセスすることが不可能になり、焦点を結ぶことが困難になり、また、真空の完全性が損なわれる。
【００３３】
任意の光学系について、開口絞りの位置は画像化性能に影響を与える。光学絞りを中心とした対称性は、大きい軸外れ角度における画像品質を維持するのを助け、これは広角の光学系において非常に重要である。センサの物理的寸法が許す限り、レンズを中心として絞りを対称的に若干リレーすることによって対称性を導入することが可能である。たとえば、画像平面の近くに配置された真の絞りは、光学系が情景を画像平面上に画像化すると同時に、センサの前方ウインドウ上に画像化される（ひとみとして）ことができる。しかしながら、超小型センサはこのような光学系の物理的寸法を許容できず、したがって開口絞りだけを有する。真のコールドシールドを絞りとして使用する従来技術の光学系では、絞りは光学系内にきわめて非対称的に配置される。実際に、それは、デュワーウインドウおよび必要な構造体許容誤差に適合するようにその素子との間のスペースを十分にとった状態で、最後のレンズ素子より画像平面のほうに近い位置に配置されなければならない。  図４は、広角ＩＲ画像化システムであることが好ましいがそうである必要はない改良されたＩＲ画像化システム1Aを示しており、それは、関心を払われている情景からのＩＲを通す入口開口40を有している。ＩＲセンサ1Aにおいて、開口絞りは光学構造体またはハウジング20内に収容されたレンズ22、24、26および28から成る多素子レンズ内に配置され、一方で適切なコールドシールド動作を依然として提供する。センサドーム30または平坦なウインドウ32は、センサ1Aへの入口（入口開口）に配置されている。レンズ素子22、24、26および28ならびにドーム30または平坦なウインドウ32は、ゲルマニウムまたはシリコンのような適切なＩＲ透過材料から構成されている。
【００３４】
所望される光学効果のために必要とされるコールドシールドは、好ましくは環状または実質的に環状に形成されたミラーまたは反射器18Aおよび18Bを使用することにより物理的にではなく光学的に生成される。したがって、反射器セグメント18A、18Bはそれぞれ、デュワーウインドウ4のほうを向いたほぼ環状の反射表面を備え、ここにおいて反射表面は反射器セグメントを通ってＩＲ透過路領域を取囲んでいる。このＩＲ透過路領域は、反射器セグメントを通って形成された穴であってもよいし、あるいはそれは図６のｂおよび図７に示されているモノリシックレンズ／反射器素子31のここにおいて好ましい実施形態による透過性光学素子を含むことができる。
【００３５】
センサ1Aの設計において、情景の画像形成が所望の焦点面2Aの位置で注意深く設計されなければならないまさにその所望の開口絞りの位置における光学コールドシールドの正確な画像形成に注意が払われている。このような光学コールドシールド、または“ウォームシールド”は、ＩＲ検出器2をそれ自身の上に再画像化することを回避する環状反射器18Aおよび18Bにより最も良好に生成され、それによって望ましくない“ゴースト”画像の形成が回避される。
【００３６】
ウォームシールドは、コールド焦点面2Aのほうを向いた成形されたミラー素子18Aおよび18Bを有して構成される。図５に最もよく示されているように、ミラー素子18Aおよび18Bは、コールドシールド3のコールド表面を画像化することにより等価なコールドシールドを生成する。コールド絞りまたはウォーム絞り20Aは多素子レンズ内に配置され、反射器素子18Aおよび18Bの動作によってコールドに見えるようにされる。ウォーム絞り20Aは、最も外側の（画像平面2Aに対して）ミラー素子18Bを通る開口によって規定され、この開口は最も内側のミラー素子18Aを通る開口より小さく、したがって上述したようにセンサ1Aの開口絞りを規定する。
【００３７】
図４の実施形態において、また、図５を参照すると、デュワー4A内の物理的コールドシールド3は画像平面2Aに近接して位置し、反射器18Aおよび18Bにより形成される仮想コールドシールドを“充填”する暗くされた前面3Bを有している。光学系をあまり拡張せずに、物理的コールドシールド3を通過した全ての非画像化光線を捕捉するために少なくとも２つの反射器18Aおよび18Bが使用される。本発明では、１、２またはそれ以上の反射器が使用可能である。図４の実施形態において、最も外側の反射器18Bは開口絞り20Aを規定し、一方最も内側の反射器18Aおよびコールドシールド3の外面3B内のコールドシールド開口は画像化光線がぼかされるのを回避するように十分に大きくされる。コールドシールド3の前面3B内の穴はまた、可能な限り多くのフィールドを外れた光線を阻止するように設計される。この実施形態において、フィールドを外れた光線は、直接的に（通常そうであるように）、あるいは反射により間接的に真のコールドシールド3によって捕捉される。これらの原理は、多数の環状反射器18Aおよび18Bがウォームシールドの寸法を減少させるように機能することを見ることのできる図５にさらに明白に示されている。光軸を横切った反射は、セグメント化された反射器構造により自己遮断を回避し、最も内側の反射器セグメント18Aからの下流方向への反射はウインドウの光線角度を減少させ、それによって透過率が改善する。反射器18Aおよび18Bの間には、光学系のレンズ素子の１つ（この場合はレンズ素子22）が位置している。本発明は、反射器内にレンズ素子を１つだけ配置することに限定されず、また２つの反射器だけを使用することにも限定されないことを認識すべきである。
【００３８】
本発明によると、反射器18Aおよびレンズ素子22は組合せられて、図６のｂおよび７に示されている単一のモノリシックレンズ／反射器素子31にされる。
【００３９】
反射器18Aおよび18Bまたは31Aおよび18Bの反射表面は、ほぼ環状の形状を有していることが好ましく、また、検出器アレイ2上の各ポイントを、検出器アレイ2Aを取囲むコールド表面上に画像化するために使用される。このコールド表面は、デュワー4A内の物理的コールドシールド3の外面3Bである。しかしながら、この特徴は、コールドシールド3の内部のようなある別のコールドまたは吸光面によってウォームシールド反射光線が遮断される場合には除去されてもよい。コールドシールド3の外面3Bは光学的に“黒く”される、すなわち、関心を払われているスペクトル領域において吸光性にされることが好ましい。環状反射器18Aおよび18Bは、検出器アレイ2からの反射が検出器アレイ2上に再び戻ってマップすることを阻止するように設計され、それによってゴースト画像の発生が減少する。球面反射器の使用は回避される。これは、検出器アレイ2からの反射が検出器アレイ上に再びマップされるため、それらにおいてゴースト画像問題が生じるためである。その代りに、適切な環状設計は、画像に影響する全ての光線角度に対して検出アレイ2をコールドシールド面3B上にマップする。図４に示されている全ての光線のコーンの外側のさらに大きい最大の角度範囲の光線は、それらがコールドシールド3自身内のコールドオブジェクトだけから生じたものであるため、検出器アレイ2に安全にマップされることができる。
【００４０】
上記において参照された一般的に譲渡され、この明細書においてその全体が参考文献とされているWilliam H.Wellman氏による米国特許第 4,820,923号明細書（“Uncooled Reflective Shield for Cryogenically-Cooled Radiation Detectors”）において説明されているように、トロイドは光線の焦点を半径方向に集束させ、これによってコールドシールドの寸法が減少する。しかしながら、トロイドはまた光線を周辺に散乱させ、それによってウォームシールド光学トレーンにおける不完全さに対する感度が低下する。このデフォーカス効果は、真のコールドシールドがウインドウ4の付近に配置されている場合でも、デュワーウインドウ4の表面上の粉塵、このウインドウ4およびコールドシールド3の表面被覆の不完全さ、ならびにコールドシールド3における温度勾配に対する感度を低下させる。周辺方向のデフォーカスが生じない場合、センサ1Aは焦点面2A上の無関係なパターンの影響を受けやすく、これらのアーティファクトの“ゴースト”画像を生じさせる可能性がある。
【００４１】
ここで使用されているように、広角または広い視野のＩＲセンサは、約３０度以上のＦＯＶを有するものである。例示すると、ＩＲセンサ1Aは１５０度のＦＯＶを有するように設計されることができる。
【００４２】
図５に示されたように、反射器18の１つ、とくに反射器18A、または好ましいモノリシックレンズ／反射器素子31を使用する実施形態における反射器31Aは、光線がコールドシールド外面3B上で反射されたときに光軸を横切らないように方位付けられる。広角ＩＲセンサにおいて全ての反射された光線が光軸を横切ると、デュワーウインドウ4の透過率およびコールドシールド3の吸光度を減少させる大きい入射角が生じ、また、コールドシールド3の半径方向の幅を短くし、それによってさらに厳しい画像化要求により反射器の光学設計が複雑になるため、これは望ましい。さらに、開口寸法および焦点距離は十分に小さいため、レンズ直径は通常の望遠システムに対するものよりクリティカルではない。さらに、光線角度は非常に大きいため、軸外れ吸光度および反射率効果は望遠システムに対するものよりも大きくなる。
【００４３】
以上、本発明を行うために現在考えられる最良の方法および装置の完全で有益な説明を非制限的な例示によって示してきた。しかしながら、当業者は、添付された図面および特許請求の範囲と共に上記の説明を参照することによって種々の修正および適応を認識することができる。しかし、いくつかの例のように、別の類似したあるいは等価なレンズの材料、レンズの処方、レンズの寸法および中心間間隔、波長範囲、レンズ素子の数および、または球形および楕円形を含む種々の形状を有する反射器の使用が当業者により試みられることができる。しかしながら、本発明の教示のこのようなおよび類似した修正は全て依然として本発明の技術的範囲内のものであろう。さらに、この明細書に記載されている方法および装置はある程度特定の実施形態により与えられているが、ユーザのニーズに応じて、本発明はさらに特定的にあるいは一般的に構成されることができる。さらに、本発明の特徴のいくつかは、別の特徴の対応的な使用なしに有効に使用されることができる。したがって、本発明は添付された特許請求の範囲により規定されているものであり、上記の説明は本発明の原理の単なる例示に過ぎず、それに限定されるものではないと考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来技術の広角ＩＲセンサの第１の実施形態の断面図。
【図２】従来技術の広角ＩＲセンサの第２の実施形態の断面図。
【図３】複数のウォームシールドを含む従来技術の広角ＩＲセンサおよびこのＩＲセンサに対する従来技術の通常のコールドシールド設計をそれぞれ示す断面図。
【図４】改良された広角ＩＲセンサの断面図。
【図５】焦点面から図４のウォームシールドへの光線の反射を示す概略図。
【図６】従来技術の金属ウォームシールドおよび屈折レンズの組合せと、本発明の１実施形態による統合されたモノリシックなウォームシールド／レンズ構造体とをそれぞれ示す断面図。
【図７】図６の（ｂ）のウォームシールド／レンズ構造体の１つの例示的な斜視図、側面図および正面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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