| 【発明の名称】 |
散乱レーザー放射用の光学フィルタを備えたイメージングシステム |
| 【発明者】 |
【氏名】リチャード エイ チョズコ
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| 【要約】 |
【課題】本発明は、散乱レーザー放射線に関連した波長をろ波できる光学フィルタを備えたイメージングシステムを提供する。
【解決手段】目標を監視するイメージングシステムは、目標で発生した赤外線物体光線及びレーザービームを目標に入射した際に発生した赤外線レーザー光線を含むコリメートした赤外線光線を受ける第１の回折格子と、第１の回折格子と整列して第１のレンズと、第１のレンズの焦点面にマスクが配置されたマスクと、マスクのアパーチャを通過してきた赤外線物体光線を受け、赤外線物体光線を像面に集束させる第２のレンズと、第２のレンズの像面に配置された第２の回折格子とを有し、赤外線物体光線を結合して、赤外線レーザー光線を除去した出力イメージを形成することを特徴としている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 各々異なった波長をもちしかも隣接した波長を数波長離間した多数の成分をもつレーザービームで目標を照射しながら目標を監視するイメージングシステムにおいて、監視すべき目標で発生した赤外線物体光線を含みかつ目標に入射した際にレーザービームからの放射線として発生した赤外線レーザー光線を含む入力イメージを受け、各々相応した波長のスペクトル線と唯一関連した異なる角度で放出される上記赤外線物体光線及び赤外線レーザー光線の波長をスペクトル範囲に沿って分配する第１の回折格子と、上記第１の回折格子と整列して設けられ、上記赤外線物体光線及び赤外線レーザー光線を分配した波長を第１の焦点面に合焦させる第１のレンズと、上記第１のレンズと整列して設けられかつ上記第１の焦点面に配置され、各々上記赤外線物体光線及び赤外線レーザー光線の一つの波長のスペクトル線に唯一相応する多数のセグメントに分割され、阻止領域とアパーチャを備え、上記阻止領域が上記赤外線レーザー光線の上記スペクトル線と関連したセグメントに沿ってのび、上記アパーチャが上記阻止領域間に位置したセグメントにわたってのび、上記赤外線レーザー光線を阻止し上記赤外線物体光線を通過させるように構成したマスクと、上記マスクと整列して設けられ、上記マスクのアパーチャを通過してきた赤外線物体光線を受け、上記赤外線物体光線を第２の像面に集束させる第２のレンズと、上記第２の像面に配置され、上記赤外線物体光線を結合して、上記赤外線レーザー光線を除去した出力イメージを形成させる第２の回折格子とを有することを特徴とするイメージングシステム。
【請求項２】 上記第１のレンズと上記第１の回折格子との距離が、上記第１のレンズの対物面に上記第１の回折格子を配置するように上記第１のレンズの焦点距離に等しい請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項３】 上記第１のレンズと上記マスクとの距離が、上記第２の像面に上記マスクを配置するように上記第１のレンズの焦点距離に等しい請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項４】 上記第２のレンズと上記マスクとの距離が、上記第２のレンズの対物面に上記マスクを配置するように上記第２のレンズの焦点距離に等しい請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項５】 上記第２のレンズと上記第２の回折格子との距離が、上記第２の像面に上記第２の回折格子を配置するように上記第２のレンズの焦点距離に等しい請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項６】 上記赤外線レーザー光線が、目標と接触した際にフッ化ジュウテリウムレーザービームから放出された散乱放射線の波長を含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項７】 上記赤外線レーザー光線が、目標と接触した際にフッ化水素レーザービームから放出された散乱放射線の波長を含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項８】 上記赤外線レーザー光線が、目標と接触した際に一酸化炭素レーザービームから放出された散乱放射線の波長を含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項９】 上記赤外線レーザー光線が、目標と接触した際に二酸化炭素レーザービームから放出された散乱放射線の波長を含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１０】 上記赤外線レーザー光線が、多数のスペクトル線で互いに分離したスペクトル線をもつ少なくとも二つの波長を含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１１】 上記赤外線レーザー光線が、少なくとも１０の波長を含み、上記赤外線レーザー光線の隣接した波長が、赤外線物体光線の波長と関連した多数のスペクトル線で互いに分離したスペクトル線をもつ請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１２】 上記マスクが、１０個またはそれ以上の阻止領域を備え、各阻止領域が一本のスペクトルレーザー線に相応している請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１３】 少なくとも一つのアパーチャが上記赤外線物体光線の多スペクトル線に相応し、上記マスクが上記第１の回折格子で受けた上記赤外線物体光線の少なくとも９７％を伝送するようにした請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１４】 上記第１、第２の回折格子の各々がほぼ単位ｍｍ当たりほぼ４５０本の発散線を有している請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１５】 上記第１、第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離がほぼ２０ｃｍである請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１６】 上記マスクがほぼ０．０５ｃｍ-1原子の実質的に等しい幅をもつスペクトル線に分割される請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１７】 上記阻止領域が少なくとも５ｍｍ分離され、また各阻止領域の幅がほぼ０．１５ｍｍに等しい請求項１に記載のイメージングシステム。
【請求項１８】 上記赤外線レーザー光線が、それぞれほぼ3.6798μｍ及び3.7153μｍの少なくとも第１、第２の波長を含んでいる請求項１に記載のイメージングシステム。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザービームターゲット装置と共に使用するイメージングシステムに関するものである。一層特に、本発明は、レーザーで照射しながら目標を監視できるように監視すべきイメージからのレーザー放射をフィルタするイメージングシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】過去、レーザー目標装置と共に目標のような物体を監視し追跡する種々のイメージングシステムが提案されてきた。典型的には、イメージングシステムは初めに目標の位置を決めそして目標の軌道を追跡する。イメージング技術の進歩で、目標で発生され、目標から放出される赤外線波長光線または赤外線識別特性を監視して目標を追跡するのが望ましくなってきた。赤外線波長光線を監視することにより、イメージングシステムは、ロケットの排気のような目標内の熱源を追跡することができる。イメージングシステムが一度目標の軌道を得ると、レーザービームは目標を破壊するような種々の理由で目標に指向され得る。単に例として、レーザービームは、連続発振フッ化ジュウテリウムレーザー、フッ化水素レーザーなどのような化学レーザーであり得る。しばしば、レーザーを目標に入射しながら、イメージングシステムを通して目標の赤外線識別特性を監視し続けることが望ましい。
【０００３】しかしながら、あるレーザービームは照射中に目標を監視し難くさせる。目標によって発生した赤外線識別特性は、イメージングシステムの同調されるスペクトル範囲にわたる種々の波長の光線から成っている。またレーザービームはイメージングシステムの赤外線スペクトル範囲内の波長の光線から成っている。例えば、目標で発生した光線の赤外線波長は、3.6 μ〜4.0 μの範囲であり得る。フッ化ジュウテリウムレーザービームは、3.6798μ及び3.7153μの波長をもつ光線を含み得る。各波長はスペクトル範囲における唯一のスペクトル線と組合される。ほとんどの化学レーザービームを形成する個々の波長は、赤外線スペクトル範囲に沿って互いに相当な距離離れたスペクトル線と組合される。目標によって生じる赤外線識別特性と組合されるスペクトル線は、典型的には、レーザービームを形成する波長と関連したスペクトル線間にある。
【０００４】レーザービームが目標に接触すると、レーザービームから赤外光線は散乱し、そこから生じた放射線はイメージングシステムに入射する。この放射線は、レーザービームを初期に形成し従ってイメージングシステムの同調される赤外線スペクトル範囲におけるスペクトル線をもつ波長から成っている。従って、イメージングシステムは、目標で発生した赤外線波長と共に、レーザービームが目標に接触した時に散乱した放射線波長を検出する。イメージングシステムに入射する散乱レーザー放射線の強度は、目標で発生した赤外線波長の強度に実質的に関連し得る。従って、散乱レーザー放射線は目標で発生した赤外線波長をオーバーシャドウし得る。散乱レーザー放射線はイメージングシステムによってノイズとして検出される。散乱レーザー放射線と関連したノイズの大きさは、対象としている領域の監視を妨げるように大きくなり得る。
【０００５】別の興味ある応用は、材料の処理すなわちレーザービームによる金属の切断、溶着及び熱処理である。散乱レーザー放射線は、イメージングシステムによる材料の監視を妨げるノイズ源である。フィルタを用いることにより、切断や溶着領域を詳細に監視して、操作の精度を改善することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来、イメージングシステムで検出した累積赤外線光線からの散乱レーザー放射線に関連した波長を適切にろ波するシステムは提案されてない。本発明の目的はそのようなシステムを提供することにある。本発明の目的は、散乱レーザー放射線に関連した波長をろ波できる光学フィルタを備えたイメージングシステムを提供することにある。本発明の別の目的は、目標信号対レーザーノイズの比を増大するイメージングシステムを提供することにある。本発明の別の目的は、簡単でしかも容易に製作できるレーザーフィルタを備えたイメージングシステムを提供することにある。
【０００７】本発明の帰結的な目的は、目標で発生した赤外線光線の高割合の伝導率を維持するレーザーフィルタを備えたイメージングシステムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】これら及びその他の目的は、レーザービームで照射される目標を監視する本発明の好ましい実施例によるイメージングシステムによって達成される。本イメージングシステム は、監視すべき目標で発生した赤外線物体光線を含むコリメートした赤外線光線を受ける第１の回折格子を備えている。コリメートした赤外線光線はさらに、目標に入射した際にレーザービームで発生した雑音赤外線波長を含んでいる。第１の回折格子は、赤外線物体光線及び赤外線レーザー光線を予め画定したスペクトル範囲に沿って分配する。第１の回折格子と整列して第１のレンズが設けられ、分配した波長を各波長に対する空間的に分離した強度ピークに集束させる。第１のレンズの下流には、集束光線を受けるマスクが設けられる。このマスクは多数のセグメントに分割され、各セグメントは、赤外線物体光線または赤外線レーザー光線の波長のスペクトル線に唯一関連される。マスクのセグメントは、相応したスペクトル線に沿ってのびる阻止領域かまたはアパーチャを備えている。各阻止領域はレーザー光線のスペクトル線に配置されている。アパーチャは阻止領域間にのび、赤外線物体光線の多数のスペクトル線に跨がっている。マスクは、赤外線レーザー光線を阻止し、そして赤外線物体光線を通過させる。マスクのアパーチャを通過してきた赤外線物体光線の通路に沿ってマスクの下流には、第２のレンズが設けられる。この第２のレンズは赤外線物体光線を像面に集束させる。第２のレンズの像面には、第１の回折格子と同じ周期の第２の回折格子が位置決めされる。この第２の回折格子は赤外線物体光線を、上記赤外線レーザー光線を除去した単一の出力イメージに再結合する。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下添付図面に示す実施例に基き本発明の実施の形態について説明する。図１には、本発明の好ましい実施例によるイメージングシステム１０を示す。このイメージングシステム１０はイメージングカメラ１２と光学フィルタ１４を備えている。イメージングシステム１０は、レーザービーム１６が目標１８に入射する前及び入射中に目標１８の動きを追跡する。レーザービーム１６は分子または原子レーザービームのような幾つかのレーザービーム形式の一つであることができる。レーザービーム１６が目標１８に接触すると、レーザービーム１６の一部は散乱されて、レーザービーム１６を形成する赤外線光線の波長に等しい波長をもつ赤外線レーザー光線成分２２から成る放射線２０を発生する。単に例として、フッ化ジュウテリウムレーザービームは１０個またはそれ以上の波長を有し得る。従って、放射線２０も同様に多数の赤外線レーザー光線成分２２を有し得る。又、目標は、熱放射線またはロケットの排気からのような赤外線物体光線成分２３を発生する。
【００１０】光学フィルタ１４は、レーザービーム１６から生じた放射線２０を阻止またはろ波する。放射線２０をろ波することにより、光学フィルタ１４は、イメージングカメラ１２が赤外線物体光線成分２３により目標１８の軌道に沿って目標１８を追跡し続けさせるようにする。
【００１１】次に、図２に関して光学フィルタ１４を詳細に説明する。光学フィルタ１４は第１の回折格子２４を有し、この第１の回折格子２４は入射光線２６を受けるように位置決めされている。入射光線２６は平行に受けられ、そして赤外線レーザー光線成分２２と赤外線物体光線成分２３を含む多波長をもっている。回折格子２４は異なった波長の光線を異なった角度曲げることにより入射光線２６を多数の分離光線に分離する。回折格子２４は、光学フィルタ１４のスペクトル範囲に関連した分散角ΔΘにわたって光線を曲げる。光学フィルタ１４の分散角ΔΘはレーザービーム１６の最高波長と最低波長との成す角度３０に相当する。分散角ΔΘは、回折格子２４の角度分散が光学フィルタ１４を作動できるように波長２８を十分に分離する限り、変化し得る。波長２８はレンズ３２に入射し、このレンズ３２は回折格子２４から距離３４に配置されている。この距離３４はレンズ３２の焦点距離に相当するので、回折格子２４はレンズ３２の対物面に位置している。従って、イメージは、レンズ３２の反対側におけるレンズ３２から距離３６の焦点面３８にレンズ３２によって集束される。距離３６はレンズ３２の焦点距離Ｆに等しい。またレンズ３２の代わりに、凹面鏡を設けてもよい。レンズ３２は、そこに入射する光線の分散が無視できると見做され得るので、そのような無視できる分散は凹面鏡を用いることによりさらに除去され得る。
【００１２】各波長２８は別個のスペクトル線に相当する。レンズ３２は、各波長成分２８をレンズ３２の焦点面３８における別個の個々の焦点に集束させる。マスク５４は焦点面３８に沿ってのびている。このマスク５４は赤外線レーザー光線成分２２を阻止し、赤外線物体光線成分２３を通過させる。マスク５４の下流には第２のレンズ６２が設けられている。この第２のレンズ６２は、マスク５４から第２のレンズ６２の焦点距離Ｆに相当する距離６４に配置され、マスク５４が第２のレンズ６２の対物面に位置するようにしている。第２のレンズ６２の下流における、第２のレンズ６２の焦点距離Ｆに相当する距離６８には、第２の回折格子６６が配置されている。この第２の回折格子６６は第２のレンズ６２の焦点面に配置される。
【００１３】図３は回折格子２４とレンズ３２との共動関係を詳細に示す。図３において、二つの平行な入射光線２７、２９は、回折格子２４で分散される多数の波長をもっている。入射光線２７の最低波長４０及び最高波長４２は分散角ΔΘで分散され得る。入射光線２９の最低波長４４及び最高波長４６は分散角ΔΘで分散され得る。最低波長４０、４４は、レンズ３２から距離３６において焦点面３８上の点４１に、レンズ３２によって集束される。同様に、最高波長４２、４６は、焦点面３８上の点４３に、レンズ３２によって集束される。回折格子２４とレンズ３２は共動して入射光線２７、２９の各波長を、光線の波長に基づく焦点面３８の異なる位置に集束させる。例示していないが、回折格子２４とレンズ３２は、赤外線レーザー光線成分２２及び赤外線物体光線成分２３の各波長に関して同様な集束動作を行う。図３の実施例において、レーザービーム１６は五つの波長線分を含むことができる。レンズ３２はレーザー波長を五つの別個の位置（図面では位置点４１、４３のみを示す）に集束させる。
【００１４】マスク５４は多数のセグメントに分割され、各セグメントはスペクトル線に相応している。マスク５４は、赤外線レーザー光線成分２２のスペクトル線に相応したセグメントに阻止領域４８〜５２を備えている。またマスク５４は、赤外線物体光線成分２３のスペクトル線に相応したセグメント（阻止領域間）の各々にアパーチャ５６〜５９を備えている。赤外線レーザー光線成分２２の隣接したスペクトル線は、赤外線物体光線成分２３の幾つかのスペクトル線によって分離され得る。従って、アパーチャ５６〜５９は各々多数のセグメントに跨がっている。アパーチャ５６〜５９に集束した波長は、光線６０で示すようにマスク５４を通過するようにされる。マスク５４を通過する光線６０は第２のレンズ６２（図２）に接触するまで進み続ける。例示していないが、一本のスペクトル線に一本づつ多数の光線がアパーチャ５６〜５９を通過する。第２のレンズ６２は、発散する入力光線を受け、そして第２の回折格子６６上に集束させて、阻止された赤外線レーザー光線成分２２を除いて入射光線２６の波長をもつ多波長出力光線７０を発生する。第２の回折格子６６は多波長出力光線７０をコリメートし、光学リンク７２を介してイメージングカメラ１２（図１）へ通す。第２の回折格子６６は非剪断平行出力ビームを発生する。
【００１５】次に、図２及び図３を参照して好ましい実施例の動作について説明する。多数の平行光線２６から成る多線入力ビームは回折格子２４に入射する。適当には、回折格子は単位ｍｍ当たり４５０本の分散線を備えることができる。最初のオーダーの回折された波長２８は、焦点距離Ｆのレンズ３２（または凹面鏡）を通って互いに平行に放出されることになる。レーザービーム１６の波長４０、４２、４４、４６（図３）はマスク５４上の個々の位置４１、４３に集束される。光線６０のような赤外線物体光線に関連した波長は、マスク５４のアパーチャに相応した位置に集束される。従って、レーザービーム１６の全ての波長は阻止され、そして残りの波長は第２のレンズ６２を介して伝達される。
【００１６】好ましくは、レーザービーム１６のスペクトル線は単一波長に関連した線幅と比較して互いに十分に分離される。別の仕方で説明すると、アパーチャ５６〜５９がレーザービーム１６の波長以外の波長をもつ入射光線を大部分通過させるのに十分な幅をもつことができるようにするために、隣接した阻止領域４８〜５２の間を実質的な距離あけている。例として、分子及びある原子レーザービームは上述の所望の波長分布をもつ。分子または原子レーザービームを利用するのが望ましく、マスク５４のスループットを最大にするために波長間に大きな分布が存在する。また、スループットを最大にするためには、効率の高い回折格子２４が必要となる。また、利用者が第２のレンズ６２を通過したろ波光線のスペクトルの内容にのみ関心がある場合には、第２の回折格子６６を省くことができる。
【００１７】光学系の幾何学的な光学光線マトリックス分析によれば、各レンズ３２、６２の焦点は、回折格子の分散のため光軸（図３に７４で示す）から距離ＦΔΘ変位される。図２に示すように、第２のレンズ６２の入射面に伝達されたビームはスペクトル剪断をもち、このスペクトル剪断は第２のレンズ６２から距離６８に第２の回折格子６６を設けることによって除去され得、この場合、距離６８は回折格子２４における対物面の像面に相応している。第２の回折格子６６は非剪断平行出力ビームを発生でき、全ての波長は重なり、またレーザースペクトル線は除去される。上記のプロセスによれば、目標１８は、レーザービーム１６によって生じたノイズを除去または大きく低減して、レーザービーム１６に関連したスペクトル範囲内で監視され得る。
【００１８】例として、レーザービームはフッ化ジュウテリウムレーザー、フッ化水素レーザーなどでよい。マスク５４は写真平版で構成され得る。回折格子２４、６６は、単位ｍｍ当たり４５０本のスペクトル線を有し得る。レンズ３２、６２の焦点距離は２０ｃｍであり得る。均質な線幅は０．０５ｃｍ-1原子であり得る。本実施例では、フッ化ジュウテリウムレーザーの二つの波長は3.6798μｍ及び3.715μｍであり得る。フィルターマスクは、大気圧であると仮定して3.6798μｍ波長間の５ｃｍの開放した領域をもって０．１５ｍｍの幅の二つの阻止領域を備えることができる。この例では、フッ化ジュウテリウムレーザーのスペクトル範囲内で光線をほぼ９７％伝達する。また、５及び１０μｍのスペクトル領域のＣＯ、ＣＯ2 レーザーなどのような他の型式の原子及び分子レーザーを利用することもできる。
【００１９】本発明の特定の要素、実施例及び応用について図示し説明してきたが、当然、本発明はそれに限定されるものではなく、当業者にとって特に上記の説明に関連して種々の変更がなされ得ることは理解されよう。従って、特許請求の範囲は、本発明の精神及び範囲内の特徴と共にそのような変更を包含するものである。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９０００２５２９
【氏名又は名称】ティアールダブリュー インコーポレイテッド
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）７月２７日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 稔 （外６名）
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１５９９９９ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）６月１５日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２１１０２５ |
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