(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置のための光学シールドであって、
対向する前端および後端を有するほぼ管状の壁によって規定されたハウジングを含み、前端はハウジング内へ光を入れるための開口を規定し、ハウジングはハウジングの後端に近接して前記光学装置を光学装置の焦点面をフィールド内の光を受けるために開口に向けて収容するようになっており、前記光学シールドはさらに、
ハウジング内に軸方向に間隔をあけて置かれかつ開口に隣接する最前部の隔壁を含む複数の円錐状の隔壁を含み、各隔壁はハウジングの壁に取付けられた円錐状の壁によって形成され、そこからほぼ内側かつ前側に延び、また前向きの面および後向きの面を有し、隔壁の円錐状の壁の仮想的延長部は開口と最前部の隔壁との間でハウジング壁と交差し、隔壁の円錐状の壁およびハウジング壁が鋭角の角部を形成して光を閉じ込めかつ各隔壁の前向きの面からその前方に隣接する隔壁の後向きの面へ光が反射するのを防ぐようにされ、それによって隔壁の後向きの面のすべてが直接光および反射光から遮蔽される、
光学シールド。
【請求項２】
各隔壁に対して前方に隣接するハウジング壁の部分が開口を通り抜ける光によって直接照明可能であり、各隔壁の円錐状の壁がハウジング壁の前記直接照明可能な部分によって反射または散乱される光から焦点面を遮蔽するのに十分な長さを有する、請求項１に記載の光学シールド。
【請求項３】
ハウジングが後方に向けて大きくなる直径を有する、請求項２に記載の光学シールド。
【請求項４】
ハウジング壁が円錐状であり、焦点面がハウジング壁の最大直径の位置に配置される、請求項３に記載の光学シールド。
【請求項５】
ハウジングがその後端で、円錐形のハウジング壁に最大直径場所で接合されてそこから後方向に延びるカップ形状の端部キャップによって閉じられる、請求項４に記載の光学シールド。
【請求項６】
隔壁が後方に向けて長さを増す、請求項１に記載の光学シールド。
【請求項７】
光学装置のための光学シールドであって、
対向する前端および後端を有するほぼ管状の壁によって規定されたハウジングを含み、前端は光をハウジング内に入れるための開口を規定し、ハウジングは、ハウジングの後端に近接して前記光学装置を、光学装置の焦点面を、開口を通り抜けかつハウジングの長さ方向の軸にほぼ平行に後方に沿ったフィールド内の光を受けるために開口に向けて、収容するようになっており、管状の壁は円錐状でかつ前端に近接する最小直径と後端に近接する最大直径とを有し、前記光学シールドはさらに、
ハウジング内で軸方向に間隔をあけられた複数の円錐状の隔壁を有し、隔壁はハウジングの壁に取り付けられた円錐状の壁によって形成され、そこからほぼ内側および前側に延び、また前向きの面および後向きの面を有し、隔壁の円錐状の壁は、開口を通り抜けて隔壁の前向きの面に当るいずれの方向からの光もハウジング壁上で反射されるように、かつ隔壁の後向きの面が開口を通り抜ける光に直接照明されないように、前方向に角度をつけられる、光学シールド。
【請求項８】
隔壁の円錐状の壁が実質上互いに平行である、請求項７に記載の光学シールド。
【請求項９】
隔壁の円錐状の壁が種々の角度で方向づけられる、請求項７に記載の光学シールド。
【請求項１０】
全隔壁の円錐状の壁の仮想的延長部が、開口と隔壁の最前部のものとの間でハウジング壁と交差する、請求項７に記載の光学シールド。
【請求項１１】
少なくとも１つの隔壁の前方に隣接するハウジング壁の一部が開口を通り抜ける光によって直接照明可能であり、前記少なくとも１つの隔壁の円錐状の壁がハウジング壁の前記前方に隣接する部分から焦点面を遮蔽するのに十分な長さを有する、請求項７に記載の光学シールド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は、米国陸軍によって授与された契約番号ＤＡＳＧ６０−９０−Ｃ−０１６５の下で、米国政府の支援によりなされた。米国政府はこの発明において特定の権利を有する。
【０００２】
この発明は、光学装置またはセンサの焦点面に不要な光が到達するのを減じるためのシールドに関する。より具体的には、この発明は、不要なフィールド外の光線を遮断し、そのような光線が焦点面に到達しないように、内部に隔壁を有する管状形態の光学シールドに関する。
【０００３】
【発明の背景】
さまざまなタイプの光学器具において、器具の軸にほぼ平行な予め定められた方向のある範囲から器具に入射する光線を、光学装置または検出器の焦点面に到達させることが望まれる。しかしながら、より極端な角度から器具に入射する光線が焦点面に到達可能であることは望ましくない。なぜなら、そのようなフィールド外の光線は所望のフィールド内の像を劣化させるからである。所望の像は信号として考えられ、焦点面に到達するフィールド外の光線はノイズとして考えられ得る。したがって、光学器具の性能は信号対ノイズ比を増すことにより向上する。
【０００４】
信号対ノイズ比を増すための方法の１つは、焦点面の前に光学シールドを配置することである。光学シールドは、フィールド外の光を偏向させてまたは遮断して、それが焦点面に容易に到達できないように設計される。通常、光学シールドは、その内面に取付けられかつ管の長さに沿って間隔をあけられた複数の環状の隔壁を有する、管として形成される。管の一方端から開口を通して光が入り、焦点面は管の他方端に位置付けられる。隔壁は開口と焦点面との間に位置付けられる。隔壁は管の中心軸の方へ内側に延びる。しばしば、隔壁は、フィールド外の光の不要な放射をさらに減じるために、黒い塗料などの吸収性材料で被覆される。これに代えて、隔壁はそれらの表面の一方または両方が反射性であってもよく、よってフィールド外の光が焦点面から離れる方向に反射されるように構成されてもよい。
【０００５】
多くの場合、フィールド外の光が光学シールドの内面に当ることによりランダムな方向に散乱する光に対しては、十分な注意が払われていない。完全に吸収性または完全に反射性の物体はあり得ないので、光が光学シールドの内面に当ると必ずいくらかの量の光がランダムな方向に散乱する。フィールド外の光が当った面が焦点面の視野内にあれば、いくらかの量の光がその面から焦点面へと散乱するのは避けられないであろう。この要因は、いくつかの既存の光学シールドの設計には考慮されていない。たとえば、いくつかの既存の光学シールドにおいて、図１に示すように、光はある隔壁から反射して、それに先行する、焦点面の視野にある隔壁の背面（すなわち焦点面を向いている面）に当り得る。たとえこの反射光が焦点面に対して正反射されないとしても、この光のうちいくらかは焦点面に散乱するであろう。
【０００６】
【発明の概要】
光学装置の焦点面に到達するフィールド外の光の量は、この発明に従った光学シールドによって減じられる。この発明の光学シールドは、隔壁の背面（すなわち焦点面を向いている面）がシールドに入射する光によって直接照明されず、隣接する隔壁から反射する光によっても照明されないように構成された、隔壁を有する。その代りに、隔壁の前面（焦点面に背を向けている面）に当る光は、隔壁と隔壁が取付けられた管状の壁との間の角部に閉じ込められるので、前の隔壁に再び反射することはできない。さらに、隔壁は、各隔壁の前にありかつシールドの開口を通る光に直接照明される、管状の壁の部分によって反射されたまたは散乱された光から、各隔壁が焦点面を遮蔽するように構成される。このように、隔壁は、光が管状の壁または隔壁の表面から焦点面へ反射または散乱するのを実質上防ぐ。
【０００７】
この発明の好ましい実施例に従うと、光学シールドは、対向する前端および後端を有するほぼ管状の壁によって規定されるハウジングを含み、前端は光をハウジング内に入れる開口を規定し、後端はハウジングの長さ方向の軸にほぼ平行な方向に沿って開口を通って入射する光を受ける焦点面を規定する。複数の円錐状の隔壁がハウジング内に軸方向に間隔をあけて置かれ、開口の近傍に最前部の隔壁を含み、各隔壁はハウジングの壁に取付けられた円錐状の壁によって形成されており、そこからほぼ内側および前側に延びており、さらに前向きの面と後向きの面とを有する。各隔壁の円錐状の壁は、その仮想的延長部が開口と最前部の隔壁との間のある場所でハウジングの壁と交差するように照準を合わせられている。したがって、隔壁は「段階的な構造（graduated）」になっており、焦点面に向けて後方に連続する各隔壁の円錐角は、先行の隔壁の円錐角より小さい。各隔壁の円錐状の壁およびハウジング壁は鋭角の角部を形成して光を閉じ込め、隔壁の前向きの面からその前方に隣接する隔壁の後向きの面への光の反射を防ぐ。したがって、すべての隔壁の後向きの面は、直接光および反射光から遮蔽される。
【０００８】
有利なことに、各隔壁の円錐状の壁は、その隔壁の前方に隣接し、かつ開口を通る光により直接照明され得るハウジング壁の部分によって反射または散乱された光から、焦点面を遮蔽するのに十分な長さを有する。
【０００９】
隔壁とハウジング壁との間の角部に光線を閉じ込めやすくするために、ハウジングは後方に向かって大きくなる直径を有するのが好ましい。この発明の好ましい実施例では、ハウジング壁は円錐状であり、焦点面を含む後端に最大の直径を有する。ハウジング壁が円錐形状であることにより、隔壁とハウジング壁との間の角度がより急な鋭角になるので、隔壁に当ってハウジング壁へと反射する光線またはその逆の光線は、角部から逃げにくくなる。
【００１０】
この発明の好ましい実施例では、ハウジングは最大直径場所で円錐状のハウジング壁に接合されてそこから後方に延びるカップ形状の端部キャップによって、後端で閉じられる。この端部キャップは端部壁に接合された円錐状の部分から形成される。この端部壁は好ましくは焦点面に対して平行である。端部キャップは光が後端からシールドに入射するのを防ぎ、また光学装置を取付けることができる取付構造としての役割も果たす。
【００１１】
ハウジング内側のある場所に照準を合わせられる段階的な構造の隔壁を有する光学シールドによって、フィールド外の光の吸収を増すための何らかの特殊な光学被覆を施さなくても、高い信号対ノイズ比が実現可能になる。さらに、従来の真っ直ぐなまたは円錐形の隔壁を有する光学シールドと比べて比較的少ない隔壁しか必要とされず、したがって光学シールドは同様の従来の光学シールドより、軽量かつ低コストで製造され得る。
【００１２】
【詳細な説明】
ここでこの発明をその特定の好ましい実施例を参照して説明する。しかしながら、当然この発明はこれらの実施例に限定されることはない。
【００１３】
図１を参照して、従来の光学シールド１０が側面断面図で示される。シールド１０は一方端にハウジング内に光を入れるための開口１４を有する管状ハウジング１２を含む。光学装置１６はハウジング１２の他方端に取付けられる。光学装置１６は開口１４を通る光を受けるための焦点面１８を規定する。シールド１０はまたハウジング１２の内面に付着されて開口１４と焦点面１８との間に間隔をあけて置かれる複数の環状の隔壁２２も含む。隔壁２２は、開口１４に入った後、焦点面１８に到達するフィールド外の光の量を減じるように意図される。隔壁２２がなければ、フィールド外の光線はハウジング１２の壁から焦点面１８へ自由に正反射するであろう。隔壁２２はこれらのフィールド外の光線の多くを、ハウジングの壁に到達する前におよび／またはハウジングの壁から反射された後に遮断する。
【００１４】
しかしながら、不要なフィールド外の光はなおも、焦点面の視野にある隔壁２２の後向きの面から散乱されて焦点面１８に到達し得る。図１に示すように、たとえば、最後部の隔壁２２の前向きの面２４に当るフィールド外の光線Ｒ0はその前方の隔壁２２の後向きの面２６上に反射される。この後向きの面２６は破線で示されるように焦点面１８の視野にあり、したがって、いくらかの光は面２６から焦点面へと散乱するであろう。
【００１５】
この発明の目的としては、フィールド外の光が焦点面へ正反射するのを実質上防ぐことと、また、光学シールドの内面によって焦点面に散乱するフィールド外の光の量を著しく減じることとがある。図２は、この発明に従った光学シールド３０の好ましい実施例の１つを表わす。このシールド３０は、ハウジングの前端にハウジングへ光を入れる開口３４を有する管状ハウジング３２を含む。ハウジング３２の対向する後端には、焦点面３８を有する、光学検出器などの光学装置３６が取付けられる。したがって、ハウジング３２の長さ方向軸にほぼ平行な方向で開口３４を通る光（すなわちフィールド内の光）は、遮断されずにシールドを通り抜け、焦点面３８に当る。フィールドの外側の境界は一点鎖線４１で示される。
【００１６】
より極端な角度で開口３４に入る光が反射するまたは焦点面３８に散乱するのを防ぐために、シールド３０はハウジング３２の壁に付着されて開口３４と焦点面３８との間に軸方向に間隔をあけて置かれる複数のほぼ円錐状の隔壁４２を含む。隔壁４２はすべて、点線４４で示すように、開口３４と開口に最も近い最前部の隔壁との間のある場所Ｐに照準を合わされる。したがって、隔壁４２は、焦点面３８に向けて後方に連続する各隔壁の円錐角が前方の隔壁の円錐角より小さい、「段階的な構造」になっている。隔壁４２は場所Ｐに照準を合わされるので、隔壁４２の後向きの面（すなわち焦点面３８に向いている面）は、たとえば（開口から後方へ数えて）第３の隔壁に向かう極端な光線Ｒ1で例示される、開口３４を通る光によって直接照らされることはできず、この光線は第３の隔壁の後向きの面を外れてハウジング３２の管状の壁４６に当り、そこから第４の隔壁の前向きの面上に反射される。
【００１７】
さらに、隔壁４２はハウジング３２のすぐ内側の場所Ｐに照準を合わされるので、各隔壁は、光がある隔壁の前向きの面からそれに先行する隔壁の後向きの面へと反射されるのを防ぐのに十分なほど大きい角度で、前方向に角度を付けられる。たとえば、第３の隔壁の前向きの面に当る、わずかにフィールド外の光線Ｒ2はハウジング３２の管状壁４６上に反射され、そこから第３の隔壁の前向きの面に再び反射される、といった具合である。同様に、極端な光線Ｒ1からの光は、ハウジング壁４６から反射された後、前より緩い角度で第４の隔壁の前向きの面に当たり、さらに管状の壁４６上に再び反射され、その後再び隔壁へ反射され、というように、これが隔壁４２とハウジング壁４６との間の角部４８まで続く。隔壁４２とハウジング壁４６との間の鋭角の接合または角部４８はこのように、光を「閉じ込め」やすくなっており、光が焦点面３８へ到達するのを防ぐ。
【００１８】
さらに注目されることは、隣接する隔壁４２間の軸方向の間隔および隔壁４２の長さは、各隔壁が隔壁のすぐ前で、かつ開口３４を通る光に直接照明され得るハウジング壁４６の部分から遮蔽するようになっているという点である。これは図２に、第３の隔壁に対して極端な光線Ｒ1で例示されており、この光線は第３の隔壁のすぐ後のハウジング壁４６に当る。第４の隔壁は第３の隔壁から距離ｄ分後方に間隔をあけられ、長さｌを有する。距離ｄおよび長さｌは、光が直接照明可能なハウジング壁４６の部分５０が焦点面３８の視野にないように選択される。他の隔壁４２の長さおよび前の隔壁からの間隔も同様に、壁４６の直接照明され得る部分が焦点面から遮蔽されるように選択される。
【００１９】
隔壁４２はハウジング壁４６から焦点面を遮蔽し、これらの隔壁はそれらの後向きの面が影になるようにハウジングのすぐ内側の場所Ｐに照準を合わされるので、光学シールド３０は、光がハウジング壁４６または隔壁４２から焦点面３８へと反射または散乱するのを実質上防ぐ。また、図１のシールド１０のような従来の真っ直ぐな隔壁のシールドと比べて隔壁の数も減じることができ、よって光学シールド３０をより低い製造コストでより軽量にできるという利点が生じる可能性があるということもわかるであろう。
【００２０】
図３はこの発明の別の好ましい実施例を表わす。図３の光学シールド６０は、主にハウジングの構成においてシールド３０と異なる。シールド６０の管状ハウジング６２はほぼ円錐形であり、その直径は開口６４の最小直径から焦点面６８が位置付けられる後端の最大直径まで、後方に向かって増大する。好ましくは、最後部の隔壁８０は、焦点面６８に対して、最後部の隔壁と焦点面との間のハウジング壁８２の部分が開口６４を通る光に直接照明されることのないように、位置付けられる。ハウジング６２の後端は、円錐部分７２と焦点面６８にほぼ平行な端部壁７４とを含むカップ形状の端部キャップ７０によって、閉じられる。端部キャップ７０は、光が後端からハウジングに入るのを防ぎ、また光学装置を取付けることのできる取付構造としての役割も果たす。
【００２１】
シールド３０と同様、シールド６０は、隔壁８０およびハウジング壁８２が前端から後端の方向へと徐々に小さくなる鋭角を規定するように、開口６４と最前部の隔壁との間の点Ｐの方向にすべて向けられた隔壁８０を有する。ハウジング６２が円錐形状であるため、隔壁８０と管状のハウジング壁８２との間により鋭角の角部７８が生じ、よって光線は角部７８にさらに閉じ込められやすくなる。さらに、円錐のハウジング形状により、隣接する隔壁間の軸方向の間隔を円筒状のシールドに対応させて大きくすることが可能になる。結果として、シールド６０は、図２のシールド３０の４つの隔壁に対して、３つの隔壁８０しか必要としない。
【００２２】
シールド３０および６０の両方に関して、隔壁間の軸方向の間隔は一定である必要はなく、隔壁の長さが後端に向けて対応するように長くなって各隔壁の前方の管状のハウジング壁の直接照明され得る部分から焦点面を遮蔽する限り、焦点面に向けて後方に大きくできるということがわかるであろう。
【００２３】
この発明に従った光学シールドの数学モデルは、真っ直ぐな隔壁または等しい円錐角の円錐状の隔壁を有する従来の光学シールドに対して、著しく効率が向上すると予測する。たとえば、図４は、実質上図３に示す光学シールドについて予測された効率と、実質上図１に示す従来のシールドについて予測された効率とを、開口を通る光の入射角の関数として表わす。光学シールドは両者ともそれらの内面に黒い塗料などの吸収性被覆を有するようにしてモデリングされた。図示されたパラメータ「ＰＳＴ」は、焦点面に到達するエネルギをフィールド外の利用可能な全エネルギで除したものとして規定される「点光源透過率」である。たとえば１５°から７０°の広範囲のフィールド外入射角について、この発明に従った段階的な構造の隔壁を有する光学シールドは、従来の基礎のシールドと比べて、実質上、よりわずかな量の迷光しか焦点面へと通さない。入射角の全範囲にわたって積分すると、段階的な構造の隔壁を有するシールドは、フィールド外の光を従来のシールドの約５分の１の量しか通さない。基礎のシールドが０．９９９８０の効率であるのに対し、この新規な設計は０．９９９９６の予測効率を有する。これは、不要な光が８０％減少することを示す。
【００２４】
数学モデルはさらに、段階的な構造の隔壁を有するシールドにエバノールＣ（Ebanol C）などの正反射被覆がその隔壁およびハウジング壁に施され、また従来のシールドにはネクステル（Nextel）などの拡散被覆がその隔壁およびハウジング壁に施されている場合でさえ、段階的な構造の隔壁を有するシールドはなおも、従来のシールドより著しく優れた効率を有するということを、予測する。このように、この発明に従って、シールドの内面に特殊な光学コーティングを施す必要なしに、効率の高い光学シールドを製造することができる。したがって、シールドは、特殊な光学コーティングを採用する従来のシールドと比べてより簡単に製造でき、かつ低コストで製造できる可能性もあり、さらに、シールドの被覆面を塗り直すことによって発生する維持コストが回避できる。
【００２５】
図５は、この発明のさらに別の好ましい実施例を表わす。図５の光学シールド９０は、開口９４を規定する前端に最小直径を有し、かつ焦点面９８が位置付けられる後端に最大直径を有する円錐状のハウジング９２と、隔壁１００の後向きの面が直接の照明から遮蔽されるようにハウジング９２の内側のさまざまな場所に照準を合わされまたは段階的な構造にされた複数の円錐状の隔壁１００とを含む。隔壁がすべてハウジングのすぐ内側のある一点に照準を合わされたシールド３０および６０とは異なり、シールド９０はハウジング内の種々の点に照準を合わされる隔壁１００を有し、それらの点の大部分は、隔壁１００の円錐状の壁が互いに実質上平行になるように、開口９４と最前部の隔壁との間にはない。ハウジング壁９６が円錐形状であることにより、焦点面９８を隔壁１００によって壁９６から遮蔽することが容易になる。第１の隔壁１００と第２の隔壁１００との間の円錐状の壁部分１０２は、たとえば光線Ｒ3で示されるように、光で直接照明されることができ、第２の隔壁は、第１の隔壁と十分近くなるように間隔をあけられ、また焦点面９８が照明された部分１０２から遮蔽されるのに十分なほど長い。隔壁１００は十分急な角度で前側に角度を付けられるので、第２および第３の隔壁に向かうそれぞれ極端な光線Ｒ4およびＲ5で示されるように、光は、ある隔壁からその前方の隔壁の後向きの面へと反射することはできない。図２および図３の実施例は、全体の大きさを図５のシールドより小さく製造することを容易にし、したがってこれらはシールドの大きさを最小にしなければならないような特定の場合に適用されるのが好ましい。しかしながら、図５のシールドは、図２および図３のシールドに対してさらに効率を向上させることができ、よって、大きさが重要な問題でない場合には好ましい。
【００２６】
この発明は発明の特定の好ましい実施例を参照して述べられており、これらの実施例はかなり詳細に述べられている。それにもかかわらず、この発明はこれらの実施例に限定されることはなく、当業者には、種々の修正および等価物の代用も容易に理解されるであろう。これらの修正例および代替例は、前掲の請求項に述べる発明の範囲内に包含されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は真っ直ぐな隔壁を有する従来の光学シールドの断面側面図である。
【図２】  この発明の好ましい一実施例に従った光学シールドの断面側面図である。
【図３】  図２と同様の、円錐状のハウジングを有するこの発明の別の好ましい実施例に従った図である。
【図４】  図３に実質上示す３つの段階的な構造の隔壁を有する光学シールドの予測された性能をグラフで比較する図である。
【図５】  この発明のさらに別の好ましい実施例の断面側面図である。
【符号の説明】
３２  ハウジング、３６  光学装置、３８  焦点面、４２  隔壁、４６  ハウジング壁、Ｒ1  極端な光線、Ｐ  照準場所。
【図１】
0004378000.tif 000002
【図２】
0004378000.tif 000003
【図３】
0004378000.tif 000004
【図４】
0004378000.tif 000005
【図５】
0004378000.tif 000006