JP5092159B2 - Optical apparatus and optical design method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical system for condensing light captured by a telescope having a wide visual field and a large opening size at a detector having a small effective diameter where noise influence can be ignored. <P>SOLUTION: Light that enters a primary image formation optical system and generates a primary image formation surface passes through a secondary optical system comprising a lens array with a plurality of small-diameter lenses. The secondary optical system is a relay optical system and enlarges at least the lateral magnification of the primary image formation surface to a prescribed value, so that each visual field of the small-diameter lens is expanded, becomes emitted light having a small inclination angle, and generates a secondary image formation surface. Light emitted from the secondary image formation surface is condensed at a detector arranged so that it becomes a common emission pupil of each small-diameter lens for forming the lens array, thus converting the visual field of the entire opening size of the primary image formation optical system to a visual field of a number of discrete small-diameter lenses, and hence essentially securing the large opening size of the primary image formation optical system and reducing the influence of background light, and realizing an optical system suitable for long-distance laser radar without any noise. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、望遠鏡、すなわち光学装置とその望遠鏡の光学設計方法に関し、特に、レーザ距離計をはじめとして光量検出に使用する光学システムにおける視野走査に係る技術である。   The present invention relates to a telescope, that is, an optical device and an optical design method for the telescope, and more particularly to a technique related to visual field scanning in an optical system used for light amount detection including a laser rangefinder.

物体からの光を受光部でとらえて検出器に導く場合、受光部の開口直径が大きいことが望ましいが、検出器の感度(S/N比)を大きくするには有効直径の小さな検出器の方が有利である。有効直径の小さな検出器への集光という条件は、光束の光軸に対する傾角へ大きな制約となってあらわれる。これを、従来の視野走査を伴う光学システムで用いられるレーザレーダの場合で説明する。   When the light from the object is captured by the light receiving unit and guided to the detector, it is desirable that the aperture diameter of the light receiving unit is large. However, in order to increase the sensitivity (S / N ratio) of the detector, Is more advantageous. The condition of condensing light on a detector having a small effective diameter is a significant restriction on the tilt angle of the light beam with respect to the optical axis. This will be described in the case of a laser radar used in a conventional optical system with visual field scanning.

図9は、レーザレーダの基本構成を示すブロック図の一例である。レーザレーダは、大別すると、レーザ送信部100と、受信部110と、信号処理部とから構成され、レーザ送信部100がレーザを発射すると、そのレーザ光(送信光)が照射対象の表面で散乱されて送信方向に戻ってくるので、受信部110は口径の大きなカセグレンアンテナを用いて受信し、検出器に集光させて検出する。信号処理部は、送信光のパルスを検出した時点でデジタルカウンターをスタートし、そして受信光のパルスを検出した時点でそのデジタルカウンターのカウントアップをストップして往復時間を測定し、照射対象までの距離を計測する。ところで、測定対象の表面で散乱する光の強さは、レーザ送信部100からの距離の2乗に反比例して減衰していくことが知られている。そのため、長距離測定を行う場合は、レーザの送信出力を上げるとともに受信望遠鏡の開口面積を大きくして、検出器に集光される受信光の光量を一定程度以上に維持する必要がある。
一方で、背景光(余分な光)をできるだけ取り込まないようにすることがノイズの低減につながる。そこで、受信望遠鏡の視野は、送信レーザのスポットが入るのに十分な視野のみを確保するだけに留めて、不必要に広げないようにしておくことが望ましく、受信望遠鏡の視野を適正に絞っておく必要がある。
FIG. 9 is an example of a block diagram showing the basic configuration of the laser radar. The laser radar is roughly divided into a laser transmission unit 100, a reception unit 110, and a signal processing unit. When the laser transmission unit 100 emits a laser, the laser light (transmission light) is irradiated on the surface to be irradiated. Since it is scattered and returns in the transmission direction, the receiving unit 110 receives using a Cassegrain antenna having a large aperture, and collects it on a detector and detects it. The signal processing unit starts a digital counter when a transmitted light pulse is detected, and stops counting up the digital counter when a received light pulse is detected, measures a round trip time, Measure distance. By the way, it is known that the intensity of light scattered on the surface of the measurement object attenuates in inverse proportion to the square of the distance from the laser transmitter 100. Therefore, when performing long-distance measurement, it is necessary to increase the laser transmission output and increase the aperture area of the reception telescope so that the amount of received light collected on the detector is maintained above a certain level.
On the other hand, reducing background light (excess light) as much as possible leads to noise reduction. Therefore, it is desirable that the field of view of the receiving telescope is limited only to a field that is sufficient for the spot of the transmitting laser to enter, so that it is not unnecessarily widened. It is necessary to keep.

次に、このような特徴をもつレーザレーダを用いた走査光学系がどのような機構になっているのかを説明する。コピー機などで使用されている光走査機構には、回転式のポリゴンミラーや振動型ミラーのガルバノミラーなどがあるが、それらの摺動箇所は経時的な性能の低下や寿命の短縮化を引き起こす可能性がある。また、2次元走査を考えた場合、従来の光走査機構では少なくとも2つのデバイスが必要となるため、重量・体積ともに増大してしまうという問題があった。さらに、走査速度に関しても、いわゆるマイクロマシンと称される、電気回路と機械的構造が一体化したMEMS(Micro Electro Mechanical System)を用いた走査機構に比べ遅くなってしまう問題もあった。   Next, the mechanism of the scanning optical system using the laser radar having such characteristics will be described. Optical scanning mechanisms used in photocopiers include rotating polygon mirrors and oscillating mirror galvanometer mirrors, but these sliding parts cause deterioration in performance over time and shortening of service life. there is a possibility. Further, when considering two-dimensional scanning, there is a problem that both the weight and the volume increase because the conventional optical scanning mechanism requires at least two devices. Further, the scanning speed is also slower than a scanning mechanism using a so-called micromachine, which is a MEMS (Micro Electro Mechanical System) in which an electric circuit and a mechanical structure are integrated.

そこで、MEMS技術を用いて走査機構を実現すれば、小型化が可能であることはもちろん、バネ構造による支持のために素材の変形抵抗のみで摩擦を発生させず、しかも小型なことから軽量化が可能であって走査速度を向上することができる。また、1つのデバイスで2次元走査が可能なために、デバイス増加に伴う重量・体積の増大がない。さらに、機械的特性(バネ定数、比重)や熱特性に優れているシリコンが主な材料であることからために宇宙空間のような厳しい環境にも適する。
このような多くの有利性をもつMEMS技術ではあるが、レーザ距離計の2次元走査機構としてMEMSミラーを使用した場合は光の減衰を補うための受光(開口)面が小さいという点が大きなネックとなる。つまり、上述したようにレーザ距離計では、光の大きさが距離の2乗に反比例して減衰してしまう特性があるので、発射したレーザが照射対象で散乱した僅かな光を検出しなければならないが、MEMSミラーならではの小さな開口面積では受光面積が十分に確保できず、測定距離を長くとることができない。例えば、日本信号社の距離画像センサーは5mm角程度のMEMSミラーを使用しており、レーザ出力が低いこともあって測定距離は十m程度に過ぎない。
Therefore, if the scanning mechanism is realized using MEMS technology, it is possible to reduce the size, and of course, because it is supported by the spring structure, it does not generate friction only by the deformation resistance of the material, and it is also lightweight because of its small size. The scanning speed can be improved. Further, since two-dimensional scanning is possible with one device, there is no increase in weight and volume due to an increase in devices. Furthermore, since silicon, which has excellent mechanical properties (spring constant, specific gravity) and thermal properties, is the main material, it is suitable for harsh environments such as outer space.
Although this MEMS technology has many advantages, when a MEMS mirror is used as the two-dimensional scanning mechanism of a laser rangefinder, the major drawback is that the light receiving (aperture) surface is small to compensate for light attenuation. It becomes. In other words, as described above, the laser rangefinder has a characteristic that the magnitude of light attenuates in inverse proportion to the square of the distance. Therefore, the emitted laser must detect a small amount of light scattered by the irradiation target. However, with a small aperture area unique to MEMS mirrors, a sufficient light receiving area cannot be secured, and the measurement distance cannot be increased. For example, the distance image sensor of Nippon Signal Co., Ltd. uses a MEMS mirror of about 5 mm square, and the measurement distance is only about 10 m due to low laser output.

したがって、従来、レーザレーダを用いた走査光学系において、長距離の測定を行う場合は、距離に伴う信号の大幅減衰の影響を可及的に避けるために受光面積すなわち、受信望遠鏡の開口面積を増やし、大きなミラーを受信望遠鏡の前に取り付けて視野走査を行うのが一般的なアプローチであった。例えば、Jena-Optronik GmbHのランデブーセンサーは長距離スキャン型のレーザレーダであるが、2方向の大きなミラーを回転させて視野走査を行っている。   Therefore, conventionally, when measuring long distances in a scanning optical system using a laser radar, the light receiving area, that is, the aperture area of the receiving telescope is set in order to avoid the influence of significant signal attenuation due to the distance as much as possible. A common approach is to perform field scans with a larger mirror and a larger mirror in front of the receiving telescope. For example, the rendezvous sensor of Jena-Optronik GmbH is a long-distance scanning type laser radar, but it scans the field of view by rotating a large mirror in two directions.

従来技術に対する問題点をあらためて要約すれば次のようになる。
(1)ミラーの使用について:
長距離走査型のレーザレーダを実現しようとすると受信望遠鏡の開口径をできるだけ大きくさせなければならない。そのため、大きなミラーをこの受信望遠鏡の前に取り付けて視野走査を行っているのが従来の手法であったが、ミラーを使用すると上述したような様々な不都合を考慮しなければならず、測定距離を短くして小さなミラーで対応していた。このため、ミラーを使わないレーザレーダの実現が望まれていた。
The following summarizes the problems with the prior art.
(1) Use of mirror:
In order to realize a long-distance scanning laser radar, the aperture diameter of the receiving telescope must be made as large as possible. For this reason, the conventional method has been to scan the field of view by attaching a large mirror in front of this receiving telescope. However, when the mirror is used, various disadvantages as described above must be taken into account. It was shortened with a small mirror. For this reason, realization of a laser radar that does not use a mirror has been desired.

(2)有効直径の小さな検出器への集光について:
受信望遠鏡が大きな開口直径の場合、小さな有効直径の検出器上に集光させようとすると実際には難しくなることは計算上から明白である。入射角θenと入射瞳径Den、出射角θexと出射瞳径Dexは式(1)の関係にある。
θen・Den = θex・Dex (1)
したがって、単純に、開口径Den=100mmの望遠鏡に、入射角θen=5°で入った光を有効直径Den=1.5mmの検出器に集光させようとすると出射角θex=80°となって、検出器のほぼ真上・真下(又は真横)に光を導かなければならない計算となり、現実にはこのような大開口径の望遠鏡からの光を小さな検出器で捉えることが極めて困難である。したがって、大開口径の受信望遠鏡の場合でも、現実的な光の傾角で有効直径の小さな検出器への集光を図りたいという要望があった。
(2) Condensing light to a detector with a small effective diameter:
If the receiving telescope has a large aperture diameter, it is clear from calculations that it is actually difficult to focus on a detector with a small effective diameter. The incident angle θen and the entrance pupil diameter Den, and the exit angle θex and the exit pupil diameter Dex are in the relationship of Expression (1).
θen ・ Den = θex ・ Dex (1)
Therefore, simply concentrating light entering the telescope with an aperture diameter Den = 100 mm at an incident angle θen = 5 ° onto a detector having an effective diameter Den = 1.5 mm results in an output angle θex = 80 °. In this calculation, light must be guided almost directly above or below (or just beside) the detector. In reality, it is extremely difficult to capture light from such a large aperture telescope with a small detector. Therefore, even in the case of a receiving telescope having a large aperture diameter, there has been a demand for focusing on a detector having a small effective diameter with a realistic light tilt angle.

(3)視野範囲の増大に伴うノイズの増加について:
大開口径の望遠鏡に対応するために視野の広い光学系を構成し、例えば走査しようとする視野を全て含む光学系にすることも考えられるが、視野が広くなるほど多くの背景光が取り込まれ、受信回路の信号対ノイズ比が悪化する。このため従来は、ノイズを許容できる視野の大きさから定まる近距離用として使用するか、長距離用に対応したければレーザスポット径に近い絞った小さな視野を大きな開口径に対してスキャン動作して対応せざるをえなかった。しかし、小型・軽量化の観点や走査速度を考慮すれば、大きな開口径の望遠鏡で走査しなくても長距離レーザレーダを構成できるのが望ましい。つまり、大開口径でありながら小さな視野の望遠鏡をミラー等を用いた視野走査を伴わずに構成したいという要望があった。
(3) Regarding the increase in noise accompanying the increase in the visual field range:
An optical system with a wide field of view can be constructed to accommodate a telescope with a large aperture diameter. For example, an optical system that includes the entire field of view to be scanned can be considered, but as the field of view widens, more background light is captured and received. The signal-to-noise ratio of the circuit is degraded. For this reason, conventionally, a small field of view close to the laser spot diameter is scanned for a large aperture diameter if it is used for short distances determined from the size of the field of view that can tolerate noise, or if it is compatible with long distances. I had to deal with it. However, in consideration of the reduction in size and weight and the scanning speed, it is desirable that a long-range laser radar can be configured without scanning with a telescope having a large aperture diameter. In other words, there has been a demand to construct a telescope having a small aperture and a small field of view without scanning a field of view using a mirror or the like.

そこで本発明は、広い視野の物体(特に、暗い物体)を見ようとすれば受光部を大きくすることが要求され、一方で大きな受光部で受信した光を有効直径の小さな検出器で集めようとすれば検出器に向かう光の光軸に対する傾角が極端に大きくなって集光できないという問題を克服する光学系を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention requires that the light receiving unit be enlarged if an object with a wide field of view (especially a dark object) is to be viewed, while collecting light received by a large light receiving unit with a detector having a small effective diameter. Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical system that overcomes the problem that the inclination angle of the light toward the detector with respect to the optical axis becomes extremely large and cannot be collected.

前記目的を達成するために本発明は、一次結像光学系とリレー光学系と射出瞳生成光学系とを備えた光学装置において、一次結像光学系によってリレー光学系の物点を形成するように一次結像面を生成し、次に、一次結像光学系の全体視野を離散的な部分視野の集合にする複数のレンズを有した複数のレンズアレイからなるリレー光学系によって前記一次結像面を1倍よりも大きな任意の横倍率で二次結像面に転写し、次に、射出瞳生成光学系によって前記二次結像面からの光を受光して前記各レンズからの射出光に正の屈折力を与えて共通の射出瞳を形成するように構成することを特徴とする。
この場合、レンズアレイ内の複数のレンズを通った光が射出瞳生成光学系に入射することで複数の射出瞳を形成するようにしてもよい。また、射出瞳生成光学系により生成される共通の射出瞳が光検出器の有効径に対応するように光検出器を射出瞳生成光学系の後方に配置して、前記一次結像光学系に入射した光を検出してもよい。
In order to achieve the above object, according to the present invention, in an optical device including a primary imaging optical system, a relay optical system, and an exit pupil generation optical system, an object point of the relay optical system is formed by the primary imaging optical system. A primary imaging plane, and then the primary imaging by a relay optical system comprising a plurality of lens arrays having a plurality of lenses that make the entire field of the primary imaging optical system a set of discrete partial fields. The surface is transferred to the secondary image forming surface at an arbitrary lateral magnification larger than 1 ×, and then the light from the secondary image forming surface is received by the exit pupil generating optical system to emit light from each lens. A positive refracting power is applied to form a common exit pupil.
In this case, light passing through a plurality of lenses in the lens array may enter the exit pupil generating optical system to form a plurality of exit pupils. Further, a photodetector is arranged behind the exit pupil generating optical system so that the common exit pupil generated by the exit pupil generating optical system corresponds to the effective diameter of the photodetector, and the primary imaging optical system is arranged. Incident light may be detected.

また、レンズアレイ内の隣接するレンズを通過する光の行路が互いに分離し重なり合わない領域に、複数のレンズの全部又は一部に対するシャッター系を設け、当該シャッター系の開閉動作により前記一次結像光学系を通過し前記射出瞳に到達する光路を選択的に遮断するように構成してもよい。これにより、任意の部分視野からの光束のみを選択可能となる。また、一次結像光学系をテレセントリック光学系として構成してもよい。   In addition, a shutter system for all or part of the plurality of lenses is provided in a region where the paths of light passing through adjacent lenses in the lens array are separated from each other and do not overlap, and the primary imaging is performed by opening and closing the shutter system. An optical path that passes through the optical system and reaches the exit pupil may be selectively blocked. Thereby, it is possible to select only a light beam from an arbitrary partial field of view. Further, the primary imaging optical system may be configured as a telecentric optical system.

また、前記目的を達成するために本発明は、一次結像光学系へ入射する平行光束をコリメート光学系から平行光束で出射するアフォーカル光学系を備えた光学装置において、一次結像光学系によって入射された平行光束を一次結像面で物点として形成させ、コリメート光学系によって受光した光の進行方向を所定範囲内の正の屈折角で曲げて平行光束として射出瞳を形成し、更に、一次結像光学系とコリメート光学系の間に配置したリレー光学系によって前記一次結像光学系により形成された一次結像面からの光が、コリメート光学系に対する入射光になることを特徴とする。また、本構成のリレー光学系は、一次結像光学系の全体視野を離散的な部分視野の集合にする複数のレンズを有した複数のレンズアレイからなり、前記一次結像面を1倍よりも大きな任意の横倍率で二次結像面に転写することを特徴とする。この場合、コリメート光学系により形成された射出瞳位置に光検出器を配置してもよい。   In order to achieve the above object, the present invention provides an optical apparatus including an afocal optical system that emits a parallel light beam incident on a primary imaging optical system as a parallel light beam from a collimating optical system. The incident parallel light beam is formed as an object point on the primary imaging plane, the traveling direction of the light received by the collimating optical system is bent at a positive refraction angle within a predetermined range to form an exit pupil as a parallel light beam, The light from the primary imaging surface formed by the primary imaging optical system by the relay optical system disposed between the primary imaging optical system and the collimating optical system becomes incident light to the collimating optical system. . In addition, the relay optical system of this configuration includes a plurality of lens arrays having a plurality of lenses that make the entire field of view of the primary imaging optical system a set of discrete partial fields of view, and the primary imaging plane is more than 1 ×. Is transferred to the secondary imaging surface at a large arbitrary lateral magnification. In this case, a photodetector may be arranged at the exit pupil position formed by the collimating optical system.

本発明によれば、一次結像光学系の開口径全体で受信した光を、複数の小径レンズをもつレンズアレイからなる二次光学系に通過させ、前記二次光学系はリレー光学系であって前記一次結像光学系により生成される一次結像面の少なくとも横倍率を所定の値になるように拡大することから前記小径レンズのそれぞれの視野が拡がるとともに小さな傾角の射出光となって二次結像面を生成し、この二次結像面から出る光が前記レンズアレイを形成する各小径レンズの共通の射出瞳となるように配置された検出器に集光される構成にしたので、前記一次結像光学系の開口径全体の視野を少なくとも物体の認識を可能にする多数の離散的な小径レンズの小さな視野に分散し、それぞれの小視野を通過した光を再び集めることが可能となる。これにより、前記一次結像光学系の大開口径を実質的に確保しながら、背景光の影響を軽減させ、ノイズの無い長距離レーザレーダに適した光学系を実現することができる。   According to the present invention, light received through the entire aperture diameter of the primary imaging optical system is passed through a secondary optical system comprising a lens array having a plurality of small-diameter lenses, and the secondary optical system is a relay optical system. Thus, at least the lateral magnification of the primary imaging surface generated by the primary imaging optical system is enlarged so as to be a predetermined value, so that each field of view of the small-diameter lens is expanded and the emitted light becomes a small inclination angle. Since the secondary imaging plane is generated, the light emitted from the secondary imaging plane is focused on a detector arranged so as to be a common exit pupil of each small-diameter lens forming the lens array. The field of view of the entire aperture diameter of the primary imaging optical system can be dispersed into at least the small fields of many discrete small-diameter lenses that allow object recognition, and light passing through each of the small fields can be collected again. It becomes. As a result, it is possible to reduce the influence of background light while substantially securing the large aperture diameter of the primary imaging optical system, and to realize an optical system suitable for a long-distance laser radar without noise.

以下に図面を参照しながら、本発明の光学装置の一実施形態について説明する。本発明は、従来のミラーによる視野走査という発想を捨て去り、大きな開口径全体から得られる各光束を複数の離散的な小径レンズを用いて構成したリレー光学系に通すことで光の傾角及び視野範囲を変化させ、有効径の小さな検出器で受光するという手法に基づいている。なお、本実施形態では、レンズの焦点に小さな絞り(テレセントリック絞り)を置き、光軸と主光線が平行とみなせるテレセントリック光学系によって一次結像光学系を構成する例を示す。
図1は、本発明の光学装置を説明するための基本概念図である。なお、実際の光学装置を構成するには、光発信部、ゲインコントロール、全体制御部等の他の様々な機構を含むことになるが本発明の特徴とは直接関係しないのでここでは省略する。
An embodiment of an optical device of the present invention will be described below with reference to the drawings. The present invention abandons the conventional concept of field scanning by a mirror, and allows each light beam obtained from the entire large aperture diameter to pass through a relay optical system configured by using a plurality of discrete small-diameter lenses, thereby tilting the light and viewing field range. This is based on the technique of changing the light intensity and receiving light with a detector having a small effective diameter. In the present embodiment, an example is shown in which the primary imaging optical system is configured by a telecentric optical system in which a small stop (telecentric stop) is placed at the focal point of the lens and the optical axis and the principal ray can be regarded as parallel.
FIG. 1 is a basic conceptual diagram for explaining an optical device of the present invention. An actual optical device includes various other mechanisms such as a light transmission unit, a gain control, and an overall control unit, but is omitted here because they are not directly related to the features of the present invention.

図1に、左側に物体が存在し、光発信部から発射された光が物体に照射され検出器6へ入射するまでの光路を示す。図中の線矢印によって光の進行方向が理解されるように、物体側からの光は、まず、一次結像光学系であるテレセントリック光学系3に入射して一次結像面を生成した後、小径のレンズ(本実施形態では、「マイクロレンズ」と称する。)が複数配置されたレンズアレイ1,2から成るリレー光学系4を通過し、集光レンズ5を通って最終的には検出器6で検出される。以下に本光学装置の光学構成を詳述する。   FIG. 1 shows an optical path from when an object is present on the left side until light emitted from the light transmitting unit is irradiated onto the object and enters the detector 6. As understood by the line arrows in the figure, the light from the object side first enters the telecentric optical system 3 that is a primary imaging optical system to generate a primary imaging surface, The small diameter lens (referred to as “microlens” in this embodiment) passes through a relay optical system 4 composed of a plurality of lens arrays 1 and 2, passes through a condenser lens 5, and finally a detector. 6 is detected. The optical configuration of this optical apparatus will be described in detail below.

物体側からある入射角度θでテレセントリック光学系3に入ってきた光束は、図1に示すように(位置)像高dに変換される。入射角度と像高の変換式は式(2)で示される。
d=f・tanθ (2)
具体的には、図1において、テレセントリックレンズ(焦点距離f)に対してある入射角(θ°)で入ってきた光(実線表示)は、a点で焦点を結ぶのに対して、正面(θ=0°)から入ってきた光(破線表示)は光軸上にあるb点が焦点となる。いずれにしても、テレセントリック光学系3からのすべての光は、テレセントリック像側主面から距離fで一次結像面を生成する。これは、テレセントリック光学系3によって、受信望遠鏡の視野角度が距離fでは位置(像高)に変換されることを意味している。
A light beam entering the telecentric optical system 3 at an incident angle θ from the object side is converted into a (position) image height d as shown in FIG. The conversion formula between the incident angle and the image height is expressed by Expression (2).
d = f · tanθ (2)
Specifically, in FIG. 1, light (indicated by a solid line) that enters at a certain incident angle (θ °) with respect to the telecentric lens (focal length f) is focused at the point a, whereas the front ( The light that enters from (θ = 0 °) (shown by a broken line) is focused on the point b on the optical axis. In any case, all the light from the telecentric optical system 3 generates a primary imaging plane at a distance f from the telecentric image side main surface. This means that the telecentric optical system 3 converts the viewing angle of the receiving telescope into a position (image height) at a distance f.

テレセントリック光学系3の後方にはレンズアレイ1及びレンズアレイ2によって構成されたリレー光学系4を配置する。レンズアレイ1は複数のマイクロレンズ1を含み、各マイクロレンズ1が所定のピッチ間隔で離散的に配置される。レンズアレイ2も同様の構成である。図1に示すように、ある入傾角でテレセントリック光学系3に入った各光束は、一次結像面上において各々その入傾角に対して決まる位置(像高)に集光してからレンズアレイ1におけるマイクロレンズ1に入射し得る。つまり、大口径のテレセントリック光学系3からの射出光が、レンズアレイ1への入射光になる。ここで、レンズアレイ1の各マイクロレンズ1は所定のピッチ間隔で離散的に配列されているので、必ずしもテレセントリック光学系3に入った光のすべてが必ずマイクロレンズ1の何れかに入射するとは限らないが、ピッチ間隔を充分に小さくしたレンズアレイ1であれば、テレセントリック光学系3からの実質的にすべての光がレンズアレイ1側を通ることになることは明らかである。つまり、対象物の大きさよりもピッチ間隔が小さければ、原理的にはそのようなレンズアレイ1を通過した光によって対象物を認識できる。例えば、本光学装置によって人間を認識しようとする場合、人の幅よりも狭い幅のピッチ間隔で配置されたレンズアレイ1を使用すれば人の存在を検出することができる。視野の観点からみれば、レンズアレイ1に複数のマイクロレンズ1を配置することで、テレセントリック光学系側の広い口径における視野の全体が小さなマイクロレンズの視野の集合に置き換わったことを意味する。   A relay optical system 4 including a lens array 1 and a lens array 2 is disposed behind the telecentric optical system 3. The lens array 1 includes a plurality of microlenses 1, and each microlens 1 is discretely arranged at a predetermined pitch interval. The lens array 2 has the same configuration. As shown in FIG. 1, each light beam entering the telecentric optical system 3 at a certain angle of incidence is condensed on a position (image height) determined with respect to the angle of incidence on the primary imaging plane and then the lens array 1. Can enter the microlens 1. That is, the light emitted from the telecentric optical system 3 having a large diameter becomes light incident on the lens array 1. Here, since the microlenses 1 of the lens array 1 are discretely arranged at a predetermined pitch interval, all of the light entering the telecentric optical system 3 is not necessarily incident on any of the microlenses 1. However, if the lens array 1 has a sufficiently small pitch interval, it is obvious that substantially all the light from the telecentric optical system 3 passes through the lens array 1 side. That is, if the pitch interval is smaller than the size of the object, in principle, the object can be recognized by the light that has passed through the lens array 1. For example, when trying to recognize a person with this optical apparatus, the presence of a person can be detected by using the lens array 1 arranged with a pitch interval narrower than the width of the person. From the viewpoint of the field of view, the arrangement of the plurality of microlenses 1 in the lens array 1 means that the entire field of view with a wide aperture on the telecentric optical system side is replaced with a set of fields of small microlenses.

なお、上述したように、各マイクロレンズ1のピッチ間隔領域に入射する光は検出器6で最終的に集光されない光となり、ピッチ間隔が大きくなるほどレンズアレイ1全体での視野、即ち、各マイクロレンズ1の視野の総計は小さくなり、テレセントリック光学系3の大開口径全体としての視野に対応しなくなる。一方、マイクロレンズ1の径が大きすぎると大開口径の全体視野が分割されたことにならず、小さなマイクロレンズによる小さな視野分割という本発明の原理が充分に生かされない。したがって、小径のマイクロレンズ1をピッチ間隔を充分に小さくして配置したレンズアレイ1が、本発明の効果を大きく奏することになろう。
また、本実施形態では、リレー光学系4を2つのレンズアレイ1,2によって構成した場合を示したが必ずしもこれに限定するものではなく、3以上のレンズアレイを用いてもよい。また、各レンズアレイにおける各マイクロレンズが必ずしも同一のサイズ、同一の焦点距離、同一のピッチ間隔である必要はなく、本実施形態の光学装置が視野に入れる対象に応じてマイクロレンズの大きさや焦点距離が異なったり、ピッチ間隔に広狭が生じるなどレンズ属性が異なっていてもよい。レンズアレイ2のマイクロレンズ2についても同様である。
また、テレセントリック光学系3を出射した光束のうちマイクロレンズ1に入射する光束を明確に制限するために、テレセントリック光学系3が生成する1次結像面上にマイクロレンズ1の各々と対になり、かつマイクロレンズ1よりも小さな開口を有したマスクを配置してもよい。この場合には、マイクロレンズアレイは連続的に配置されていてもよい。
As described above, light incident on the pitch interval region of each microlens 1 becomes light that is not finally collected by the detector 6, and as the pitch interval increases, the field of view of the entire lens array 1, that is, each microlens. The total field of view of the lens 1 becomes small and does not correspond to the field of view of the entire large aperture diameter of the telecentric optical system 3. On the other hand, if the diameter of the microlens 1 is too large, the entire field of view with a large aperture is not divided, and the principle of the present invention of small field division by a small microlens cannot be fully utilized. Therefore, the lens array 1 in which the small-diameter microlenses 1 are arranged with a sufficiently small pitch interval will greatly enhance the effects of the present invention.
Further, in the present embodiment, the case where the relay optical system 4 is configured by the two lens arrays 1 and 2 is shown, but the present invention is not necessarily limited thereto, and three or more lens arrays may be used. In addition, each microlens in each lens array does not necessarily have the same size, the same focal length, and the same pitch interval. The lens attributes may be different such that the distance is different or the pitch interval is wide or narrow. The same applies to the microlenses 2 of the lens array 2.
Further, in order to clearly limit the light beam incident on the microlens 1 out of the light beam emitted from the telecentric optical system 3, it is paired with each of the microlenses 1 on the primary imaging plane generated by the telecentric optical system 3. In addition, a mask having an opening smaller than that of the microlens 1 may be disposed. In this case, the microlens array may be continuously arranged.

図1に戻れば、ここでは各レンズアレイ1,2上の4つのマイクロレンズの断面、及びそのうち2つのマイクロレンズに対する光の進行(実線と破線)を示している。テレセントリック光学系3の視野と、マイクロレンズアレイ1の視野の関係を示したのが図2(a)で、リレー光学系4を構成するレンズアレイ1とレンズアレイ2間の視野の関係を示したのが図2(b)である。図2(a)に示すように、マイクロレンズ1のピッチ間隔で離散的に並ぶ格子の網掛け部分がマイクロレンズ1の1つ当たりの視野とすると、格子外側の寸法がテレセントリック光学系3の口径全体としての視野に相当する。なお、便宜上、図2において、テレセントリック光学系3の視野の総和が9つの視野の集合とし、これに対するマイクロレンズの各視野の関係を示したものだが、この数に限定されないことは言うまでもない。   Returning to FIG. 1, here, the cross-sections of the four microlenses on each of the lens arrays 1 and 2 and the progression of light (solid line and broken line) among the two microlenses are shown. FIG. 2A shows the relationship between the field of view of the telecentric optical system 3 and the field of view of the microlens array 1, and the relationship between the lens array 1 and the lens array 2 constituting the relay optical system 4 is shown. This is shown in FIG. As shown in FIG. 2A, assuming that the shaded portion of the lattice that is discretely arranged at the pitch interval of the microlens 1 is the field of view per one of the microlenses 1, the dimension outside the lattice is the aperture of the telecentric optical system 3. It corresponds to the field of view as a whole. For the sake of convenience, in FIG. 2, the sum of the fields of view of the telecentric optical system 3 is a set of nine fields of view, and the relationship of each field of view of the microlens to this is shown, but it goes without saying that the number is not limited to this.

すなわち、テレセントリック光学系3の視野全てがリレー光学系4に入るのではなく、テレセントリック光学系3の視野の総和からみると各マイクロレンズ1の視野以外の領域をかなり含んでいる。上述したように、ピッチ間隔が大きくなるほどその割合は増加し、点在するマイクロレンズ1つ1つの視野は微小な(狭い)範囲にすぎない。そこで、本発明は、リレー光学系4の各マイクロレンズ1の視野を、図2(b)に示すように分割された格子枠いっぱいにまで拡げて各マイクロレンズ2の視野にする。マイクロレンズ1及びマイクロレンズ2というリレー光学系4によって、マイクロレンズ1上の小さな像を検出器6の有効直径等との関係で決定される分割格子枠という所定の範囲にまで拡大するには、マイクロレンズ2の焦点距離をマイクロレンズ1の焦点距離よりも長くしてFNO(Fナンバー)を暗く変換させればよい。これは、同時に、レンズアレイ2の各マイクロレンズ2から出て行く光の射出角を小さくさせることでもあるのは上記式(2)から明らかである。   That is, the entire field of view of the telecentric optical system 3 does not enter the relay optical system 4, but the region other than the field of view of each microlens 1 is considerably included when viewed from the sum of the fields of view of the telecentric optical system 3. As described above, the ratio increases as the pitch interval increases, and the field of view of each scattered microlens is only a minute (narrow) range. Therefore, in the present invention, the field of view of each microlens 1 of the relay optical system 4 is expanded to the full lattice frame divided as shown in FIG. In order to enlarge a small image on the microlens 1 to a predetermined range of a divided grating frame determined by the relationship with the effective diameter of the detector 6 by the relay optical system 4 of the microlens 1 and the microlens 2, The focal length of the microlens 2 may be made longer than the focal length of the microlens 1 to convert FNO (F number) darker. It is clear from the above equation (2) that this is also reducing the exit angle of the light exiting from each microlens 2 of the lens array 2 at the same time.

今、マイクロレンズ1の焦点距離をfm1、マイクロレンズ2の焦点距離をfm2とすると、リレー光学系4での倍率mは、
m=fm2/fm1 (3)
である。上記式(3)は、微小領域(マイクロレンズ1つ当たりの視野)ごとに合成焦点距離を長くして、FNO(Fナンバー)を1/mに暗く変換していることになる。このようにして、FNO変換によって、式(1)における出射角度θexの、瞳倍率から生じる拘束を緩和することができる。
If the focal length of the microlens 1 is fm1 and the focal length of the microlens 2 is fm2, the magnification m in the relay optical system 4 is
m = fm2 / fm1 (3)
It is. In the above formula (3), the FNO (F number) is darkly converted to 1 / m by increasing the combined focal length for each minute region (field of view per microlens). In this way, the restriction caused by the pupil magnification of the emission angle θex in the equation (1) can be relaxed by FNO conversion.

最後に、リレー光学系4から出ていく光を有効直径の小さな検出器6へ集光させる。図1に示すように、リレー光学系4によって小さな射出角に変換された各マイクロレンズ2からの光は二次結像面を生成するが、次に、光束は集光レンズ5に向かう。集光レンズ5はテレセントリック光学系3の入射瞳(開口絞り)の実像に対応する射出瞳を形成する光学系であり、受光した光を屈折させて検出器6に導く。つまり、射出瞳位置に検出器6を配置することによって、レンズアレイ2の各マイクロレンズ2から出た光が検出器6で共通の射出瞳として形成され、検出器6は入射瞳を通った光を受光する。なお、本光学系全体は、アフォーカル光学系として構成されているので、平行光束が検出器6に到達するようになっているが、検出器6が本光学系全体の射出瞳に配置されている限り、検出器6に到達する光束が発散性または収束性を呈していてもかまわない。 なお、集光レンズ5によって特許請求の範囲の「射出瞳生成光学系」が構成される。   Finally, the light exiting from the relay optical system 4 is condensed on the detector 6 having a small effective diameter. As shown in FIG. 1, the light from each microlens 2 converted to a small emission angle by the relay optical system 4 generates a secondary imaging plane, but the light beam then travels toward the condenser lens 5. The condenser lens 5 is an optical system that forms an exit pupil corresponding to a real image of the entrance pupil (aperture stop) of the telecentric optical system 3, and refracts the received light and guides it to the detector 6. That is, by disposing the detector 6 at the exit pupil position, the light emitted from each microlens 2 of the lens array 2 is formed as a common exit pupil in the detector 6, and the detector 6 passes through the entrance pupil. Is received. Since the entire optical system is configured as an afocal optical system, the parallel light beam reaches the detector 6, but the detector 6 is arranged at the exit pupil of the entire optical system. As long as the light beam reaches the detector 6, it may be divergent or convergent. The condensing lens 5 constitutes the “exit pupil generation optical system” recited in the claims.

以上説明してきたように、本実施形態の光学装置によれば、テレセントリック光学系3の大きな開口径に対して大きな入射角で入った光を、多数のマイクロレンズ1,2を有する複数のレンズアレイ1,2で構成されたリレー光学系4で受光する。これは、離散的に存在する多数の微小(狭い)視野の集合をもって大きな開口径に対応させるという本発明独特の発想であり、厳密な意味ではテレセントリック光学系3の開口径全体における視野の総和と完全に一致するものではない。しかしながら、視野の一部が欠けていても物体の検出に支障がない程度の欠落である限り、完全な開口径に代わってこのような離散的な視野の集合で置き換えたことの不都合は生じない。それどころか、マイクロレンズ1,2による離散視野によって、視野走査を伴わずに小さな視野で大開口径のテレセントリック光学系3と実質的に同一の開口径に対応するという従来では成し得なかった効果を生じさせるものである。言い換えれば、本発明は、受信望遠鏡の開口径における視野の一部を放棄することで、広い視野全体を完全無欠にとらえることを追求すれば有効直径の小さな検出器に集光できないというこれまでの長距離レーザレーダが抱えていた問題を解決できるのである。   As described above, according to the optical device of the present embodiment, a plurality of lens arrays having a large number of microlenses 1 and 2 are used for entering light having a large incident angle with respect to the large aperture diameter of the telecentric optical system 3. Light is received by the relay optical system 4 constituted by 1 and 2. This is a unique idea of the present invention that a set of a large number of minute (narrow) fields that exist discretely corresponds to a large aperture diameter. In a strict sense, the total field of view of the entire aperture diameter of the telecentric optical system 3 is It is not an exact match. However, there is no inconvenience of replacing with a set of such discrete fields of view instead of a complete aperture diameter as long as the missing part of the field of view does not interfere with object detection. . On the contrary, the discrete field of view by the microlenses 1 and 2 produces an effect that could not be achieved in the past, corresponding to the aperture diameter substantially the same as the telecentric optical system 3 having a large aperture diameter with a small field of view without scanning the field of view. It is something to be made. In other words, the present invention does not allow focusing on a detector having a small effective diameter by pursuing to completely capture the entire wide field of view by giving up part of the field of view at the aperture diameter of the receiving telescope. This solves the problems that long-range laser radars have.

次に、上述した本実施形態において、マイクロレンズ1,2からの光が検出器6に入射しないようにするためのシャッター機構(シャッター系)を設定する例を説明する。図3は、図1においてテレセントリック像側主面から距離fの一次結像面にシャッター機構を配置したときを示している。なお、シャッターの開閉を制御するためのモータ駆動系については省略している。シャッターは各マイクロレンズ1,2の一部又は全部に対応して存在するので、本実施形態では「シャッターアレイ7」と称する。例えば、背景光を取り込み過ぎてノイズ比が大きいときは、多くのマイクロレンズ1に対応するシャッターを閉じることができるシャッターアレイ7にすればよい。これに対して、例えば、各マイクロレンズ1,2のピッチ間隔及びレンズ径との関係で背景光が十分にカットされている場合は、これ以上に光を遮る必要はない。このようなときはすべてのシャッターを開けて、実質的にはシャッター機構の無い図1と同じ光進路にすればよい。   Next, an example of setting a shutter mechanism (shutter system) for preventing light from the microlenses 1 and 2 from entering the detector 6 in the above-described embodiment will be described. FIG. 3 shows a state in which the shutter mechanism is arranged on the primary imaging plane at a distance f from the telecentric image side main surface in FIG. Note that a motor drive system for controlling opening and closing of the shutter is omitted. Since the shutter exists corresponding to a part or all of each of the microlenses 1 and 2, it is referred to as “shutter array 7” in the present embodiment. For example, when the background light is excessively captured and the noise ratio is large, the shutter array 7 that can close the shutters corresponding to many microlenses 1 may be used. On the other hand, for example, when the background light is sufficiently cut in relation to the pitch interval between the microlenses 1 and 2 and the lens diameter, it is not necessary to block the light further. In such a case, all the shutters may be opened so that the light path is substantially the same as in FIG. 1 without the shutter mechanism.

図3はテレセントリック光学系3によって生成される一次結像面にシャッターアレイ7を配置した例で、つまりリレー光学系4の前方で光を遮断する構成であるが、シャッターアレイ7の位置は必ずしもこれに限定されない。例えば、図4は、レンズアレイ1とレンズアレイ2の間にシャッターアレイ7を配置し、レンズアレイ1には光を通すがレンズアレイ2の前方で遮光するときの例を示している。これらの例に限らず、テレセントリック光学系3から出た光が検出器6に入るまでの間で、レンズアレイ1,2上のそれぞれに隣合うマイクロレンズ1,2への又はマイクロレンズ1,2からの光が重ならない任意の位置にシャッターアレイ7があればよく、任意のマイクロレンズに対するシャッターを選択的に開閉させて光を遮断できることが望ましい。
なお、上記シャッターアレイ7はMEMS機構によるものに限定されない。例えば液晶シャッターのようにアレイ状に光遮蔽機能を有するものであればどんなであってもよい。また、透過型のシャッタ構造に限定されるものではなく、DMD素子のようにアレイ状の反射デバイスであっても良い。それらシャッタデバイス制御は、電気的、機械的又はその他のあらゆる方式を含むものである。
FIG. 3 shows an example in which the shutter array 7 is arranged on the primary imaging plane generated by the telecentric optical system 3, that is, a configuration in which light is blocked in front of the relay optical system 4. However, the position of the shutter array 7 is not necessarily limited to this. It is not limited to. For example, FIG. 4 shows an example in which a shutter array 7 is disposed between the lens array 1 and the lens array 2 and light is allowed to pass through the lens array 1 but is shielded in front of the lens array 2. Not limited to these examples, until the light emitted from the telecentric optical system 3 enters the detector 6, the microlenses 1, 2 on the lens arrays 1, 2 are respectively adjacent to the microlenses 1, 2 or the microlenses 1, 2. It is sufficient that the shutter array 7 is located at an arbitrary position where the light from the light does not overlap, and it is desirable that the light can be blocked by selectively opening and closing the shutter with respect to an arbitrary microlens.
The shutter array 7 is not limited to the one using the MEMS mechanism. For example, any liquid crystal shutter that has a light shielding function in an array shape may be used. Further, the present invention is not limited to the transmissive shutter structure, and may be an arrayed reflection device such as a DMD element. These shutter device controls include electrical, mechanical, or any other method.

次に、図5は、多数の微小なマイクロレンズの視野で大きな開口径をカバーする配列の一例を、画角180mrad(象面での実寸法が15mm)での5°の円形視野(θen=5°)の場合で示した実施例である。各黒丸は各マイクロレンズの視野(1.5mrad)である。また、1200μm角のシャッターが各マイクロレンズに対応して1.3mmの周期で配置される場合の例を示している。   Next, FIG. 5 shows an example of an array that covers a large aperture diameter in the field of view of a large number of microlenses, and a circular field of view of 5 ° (θen = θen = 180 mrad). This is an example shown in the case of 5 °). Each black circle is the field of view (1.5 mrad) of each microlens. Further, an example in which a 1200 μm square shutter is arranged with a period of 1.3 mm corresponding to each microlens is shown.

なお、本実施形態では、一次結像光学系をテレセントリック光学系で構成される場合を説明してきた。その理由は、テレセントリック光学系では光軸と主光線が平行になることから一次結像面の各点が光軸上に存在するかのように扱うことができ、光軸に対する傾斜角分の像高のズレを考慮する必要がなくなるからである。したがって、本発明は、テレセントリック光学系によらずに一次結像光学系が構成される場合を含むものであり、その際は上記像高のズレを補正する処理を加えればよい。
さらに、上述した本実施形態とは異なりリレー光学系を構成せずに、積分球などの拡散光を扱う光学系を用いて本発明を実施することも可能である。拡散光を扱う光学系の場合、リレー光学系に較べて時間分解能は多少劣るものの、リレー光学系において離散的に表される視野が連続的になるというメリットがある。ただし、この場合の視野はシャッター寸法によって形成されることになる。
In the present embodiment, the case where the primary imaging optical system is configured by a telecentric optical system has been described. The reason for this is that in a telecentric optical system, the optical axis and principal ray are parallel, so that each point on the primary imaging plane can be treated as if it exists on the optical axis, and an image corresponding to an inclination angle with respect to the optical axis. This is because it is not necessary to consider a high deviation. Therefore, the present invention includes the case where the primary image-forming optical system is configured without using the telecentric optical system. In this case, a process for correcting the image height deviation may be added.
Furthermore, unlike the above-described embodiment, the present invention can be implemented using an optical system that handles diffused light, such as an integrating sphere, without configuring a relay optical system. In the case of an optical system that handles diffused light, although the time resolution is somewhat inferior to that of a relay optical system, there is an advantage that the field of view expressed discretely in the relay optical system becomes continuous. However, the visual field in this case is formed by the shutter size.

本実施形態で説明した光学装置(光学系)の技術はレーザ距離計等に応用可能で、自動車や航空機等の各種製品に組み込むことで広範囲な実現が期待されるものである。
また、本実施形態の光学装置によれば、大きな開口径を有する受信望遠鏡の視野全体を微小な視野の集合としてとらえるので、受信望遠鏡の開口面積を維持しつつ且つ背景光に起因する信号ノイズの発生を格段に抑えることができるようになる。また、従来の長距離の走査型レーザ距離計が大きなミラーを望遠鏡の前に取り付けて視野走査しなければならなかったのとは異なり、本実施形態の光学系構成はミラー機構を使用することなく光を検出することができるので摺動箇所を含まず、経時に伴う各種部品の性能・寿命の低下に起因した故障原因をもたらすこともない。また、光学装置の小型化・軽従量を図ることができる。
さらに、リレー光学系のマイクロレンズに対応したシャッターを設けて選択的に開閉できる構成にしているため、物体に応じて、或いはノイズ比との関係で視野範囲を適切に調整しながら光検出できる。
したがって、光学装置の信頼性を向上させることにつながり、一般の機械部品は勿論のこと、例えば衛星搭載機器のような高信頼性が要求される環境で使用する場合に本発明の優位性が顕著になるであろう。
The technology of the optical device (optical system) described in this embodiment can be applied to a laser distance meter and the like, and is expected to be realized in a wide range by being incorporated in various products such as automobiles and aircrafts.
Further, according to the optical device of the present embodiment, the entire field of view of the reception telescope having a large aperture diameter is regarded as a collection of minute fields of view, so that the signal noise caused by background light is maintained while maintaining the aperture area of the reception telescope. Occurrence can be remarkably suppressed. Unlike the conventional long-distance scanning laser rangefinder, which had to mount a large mirror in front of the telescope to scan the field of view, the optical system configuration of this embodiment does not use a mirror mechanism. Since light can be detected, it does not include sliding parts, and does not cause a cause of failure due to a decrease in performance and life of various parts over time. In addition, the optical device can be miniaturized and lightly slaved.
Further, since the shutter corresponding to the micro lens of the relay optical system is provided so as to be selectively opened and closed, light detection can be performed while appropriately adjusting the field of view according to the object or in relation to the noise ratio.
Accordingly, the reliability of the optical apparatus is improved, and the superiority of the present invention is remarkable when used in an environment where high reliability is required, such as satellite equipment, as well as general mechanical parts. It will be.

最後に、本発明を具体的に実施する際の詳細設計例を以下に示す。
・波長 :1064nm
・視野直径 :10°円周視野(または7°矩形視野)
・瞬時視野直径:5.3分 (1.5mrad)
・瞬時視野間隔:50分角 (50arcmin , 14.54mrad)
・集光光学系について
有効径 :φ100mm (入射瞳径に相当)
焦点距離:82mm
口径比 :F0.82
・リレー光学系について
リレー倍率 :7倍
射出主光線傾角:60°
射出瞳径 :φ1mm (検出器径)
Finally, a detailed design example when concretely implementing the present invention is shown below.
・ Wavelength: 1064nm
-Field diameter: 10 ° circumferential field (or 7 ° rectangular field)
-Instantaneous visual field diameter: 5.3 minutes (1.5mrad)
-Instantaneous visual field interval: 50 arc minutes (50 arcmin, 14.54 mrad)
-Condensing optics Effective diameter: φ100mm (equivalent to entrance pupil diameter)
Focal length: 82mm
Aperture ratio: F0.82
・ Relay optical system Relay magnification: 7 times Emission chief ray tilt angle: 60 °
Exit pupil diameter: φ1mm (detector diameter)

本光学装置は、全体としてアフォーカル光学系として構成される。つまり、平行束として入射する光束を平行束として出射する光学系である。本光学系は、(1)集光光学系、(2)リレー光学系、(3)射出瞳生成レンズとからなる。
(1)集光光学系(一次光学系)を、非球面を多用した4群4枚の出射側テレセントリック光学系として構成する。集光光学系の入射側レンズ位置に開口絞りを配置する。したがって、開口絞りがそのまま入射瞳となる。つまり、「開口絞りの位置と径」は、「入射瞳の位置と径」に一致する。
(2)リレー光学系は集光光学系の像面から離散的に切り出した微小領域の像を拡大転写し、離散ピッチと同サイズまで拡大する機能を持つ。
(3)射出瞳生成レンズはリレー光学系の像面を物体面とする光学系であり、このレンズの後方に射出瞳を生成する。この射出瞳が集光光学系の開口絞りの実像に相当する。したがって、この位置に光検出器を配置すれば、入射瞳(開口絞り)を通過したすべての光束が検出器に到達することになる。
This optical apparatus is configured as an afocal optical system as a whole. That is, the optical system emits a light beam incident as a parallel bundle as a parallel bundle. This optical system includes (1) a condensing optical system, (2) a relay optical system, and (3) an exit pupil generating lens.
(1) The condensing optical system (primary optical system) is configured as an exit side telecentric optical system with four groups and four aspherical surfaces. An aperture stop is disposed at the incident side lens position of the condensing optical system. Therefore, the aperture stop becomes the entrance pupil as it is. That is, “the position and the diameter of the aperture stop” coincides with “the position and the diameter of the entrance pupil”.
(2) The relay optical system has a function of enlarging and transferring an image of a minute area discretely cut out from the image plane of the condensing optical system and enlarging it to the same size as the discrete pitch.
(3) The exit pupil generation lens is an optical system having the image plane of the relay optical system as an object plane, and generates an exit pupil behind this lens. This exit pupil corresponds to a real image of the aperture stop of the condensing optical system. Therefore, if the photodetector is arranged at this position, all the light beams that have passed through the entrance pupil (aperture stop) reach the detector.

集光光学系は、所望の受光エネルギを得るために入射瞳径を100mmに設定する。また、射出瞳径(検出器径)をφ1mmに設定したので、本光学装置全体(以下、単に「本光学系」と称する。)の瞳倍率Mp(pupil magnification)は、1/100になる。
本光学系の瞳倍率と、角倍率(入射主光線傾角と射出主光線傾角の比に相当する)Ma(angular magnification)と、瞳倍率Mpの間には、Ma×Mp=1の保存則がある(Helmholtz-Lagrange の法則)。したがって、本レンズの場合、Ma=1/Mp=100となる。
したがって、視野(半角)が5°であれば、射出主光線傾角はMp×5°=100×5°=500°となり、つまり全角で1000°となる。しかしながら、実際にはこのような配置は存在し得ない。
The condensing optical system sets the entrance pupil diameter to 100 mm in order to obtain a desired received light energy. Since the exit pupil diameter (detector diameter) is set to φ1 mm, the pupil magnification Mp (pupil magnification) of the entire optical apparatus (hereinafter simply referred to as “the present optical system”) is 1/100.
A conservative law of Ma × Mp = 1 exists between the pupil magnification, the angular magnification (corresponding to the ratio of the incident chief ray tilt angle and the exit chief ray tilt angle) of this optical system, and Ma (angular magnification). Yes (Helmholtz-Lagrange's law). Therefore, in the case of this lens, Ma = 1 / Mp = 100.
Therefore, if the field of view (half angle) is 5 °, the exit chief ray inclination angle is Mp × 5 ° = 100 × 5 ° = 500 °, that is, 1000 ° in all angles. In practice, however, such an arrangement cannot exist.

そこで、本光学系を射出して検出器に向かう光束の光軸に対する傾角の最大値を60°と規定すると、実現可能な視野は、高々60°/Ma=60°/100=0.6°にしかすぎないことが分かる。そこで、半角5°の範囲に合計0.6°の領域を離散的に配置することとすれば、各離散領域(瞬時視野)の直径を5.3分角(0.088°, 1.5mrad)と定めれば、6.88となり、視野半角あたり6〜7個の離散領域を確保できる。いま、集光光学系の入射瞳径を100mm,視野半角θを5°とし、これに対応する像サイズyを7.2mmとすると、本光学系が有するべき焦点距離fをy=f×tanθの関係から求めると、7.2mm=f×tan(5°)より、f=82mmとなる。このとき集光光学系の口径比率Fは、0.82である。
(シャッターの有効径:矩形形状の内接円は、7.2mm×2=φ14.4mm相当)
上記像サイズは、MEMSシャッタの全有効領域サイズに相当する。
(シャッタの有効径:矩形形状の内接円のサイズに換算して、7.2mm×2=φ14.4mm相当)
Therefore, if the maximum value of the tilt angle with respect to the optical axis of the light beam emitted from the optical system toward the detector is defined as 60 °, the realizable field of view is only 60 ° / Ma = 60 ° / 100 = 0.6 ° at most. I understand that it is not too much. Therefore, assuming that a region of a total of 0.6 ° is discretely arranged in the range of 5 ° half-width, if the diameter of each discrete region (instant visual field) is set to 5.3 arcmin (0.088 °, 1.5mrad), 6.88 Thus, 6 to 7 discrete regions can be secured per half field of view. Now, assuming that the entrance pupil diameter of the condensing optical system is 100 mm, the field half angle θ is 5 °, and the corresponding image size y is 7.2 mm, the focal length f that the present optical system should have is y = f × tan θ. From the relationship, 7.2 mm = f × tan (5 °), so that f = 82 mm. At this time, the aperture ratio F of the condensing optical system is 0.82.
(Effective shutter diameter: Rectangular inscribed circle is equivalent to 7.2mm x 2 = φ14.4mm)
The image size corresponds to the total effective area size of the MEMS shutter.
(Effective shutter diameter: Converted to the size of a rectangular inscribed circle, 7.2mm x 2 = φ14.4mm equivalent)

図5と同様にして視野及びシャッターを配列する。また、集光光学系の像面には、各瞬時視野に対応するマスクを配置する。マスクの後方には、横倍率Mを7倍にしたリレー系を配置すると、各瞬時視野サイズは7倍に拡大される。つまり集光光学系とリレー系とからなる合成光学系の焦点距離が7倍に拡大されることになる。したがって、合成光学系の焦点距離が574mmに拡大される。このことは、合成口径比がF5.74まで暗くなることを意味する。また、リレーレンズは、非球面レンズアレイを2枚対向配置することにより構成する。上記仕様をすべての瞬時視野に全く同等に適用するために、集光光学系を射出側テレセントリックとして設計する。   The field of view and the shutter are arranged in the same manner as in FIG. Further, a mask corresponding to each instantaneous visual field is arranged on the image plane of the condensing optical system. If a relay system having a lateral magnification M of 7 times is arranged behind the mask, each instantaneous visual field size is enlarged 7 times. In other words, the focal length of the combining optical system composed of the condensing optical system and the relay system is enlarged seven times. Therefore, the focal length of the composite optical system is expanded to 574 mm. This means that the composite aperture ratio becomes dark up to F5.74. Further, the relay lens is configured by arranging two aspheric lens arrays facing each other. In order to apply the above specifications to all instantaneous visual fields exactly equally, the condensing optical system is designed as an exit side telecentric.

上述したとおり、MEMSシャッタは、離散的に配置した各瞬時視野に対するそれぞれのリレー系の内部に1開口ずつ配置する。リレー系が作る像面からはF5.74相当の広がり角で光線が出射する。これをφ1mmの射出瞳径をもつ平行光束として出射させるには、焦点距離5.74mmの瞳生成レンズを配置すればよい。なお、瞳生成レンズは、フレネルレンズを想定しているが必ずしもこれに限定することはない。
以上の原理を使い、実光線追跡をベースに実装設計した結果、すなわち、レンズデータを図6、その断面図を図7及び図8に示す。
As described above, the MEMS shutter is arranged with one opening inside each relay system for each instantaneous visual field arranged discretely. Light rays are emitted from the image plane created by the relay system at a divergence angle equivalent to F5.74. In order to emit this as a parallel light beam having an exit pupil diameter of φ1 mm, a pupil generating lens having a focal length of 5.74 mm may be disposed. The pupil generating lens is assumed to be a Fresnel lens, but is not necessarily limited to this.
FIG. 6 shows the result of the mounting design based on the actual ray tracing based on the above principle, that is, the lens data, and FIGS.

なお、レンズデータ中の非球面係数Kは円錐係数であり、A,B,C,D,Eはそれぞれ、4から12次の偶数次非球面係数であって、各面の頂点(レンズ面と光軸の交点)における接する平面からの面深さ(いわゆるサグ量)Zに対して、次式のように定義されている。 ただし、rは面頂点における曲率半径、hは光軸からの面高さである。

Figure 0005092159
The aspheric coefficient K in the lens data is a conical coefficient, and A, B, C, D, and E are 4th to 12th even-order aspheric coefficients, respectively, and the apex of each surface (the lens surface and With respect to the surface depth (so-called sag amount) Z from the contact plane at the intersection of the optical axes), the following equation is defined. Here, r is the radius of curvature at the surface vertex, and h is the surface height from the optical axis.
Figure 0005092159

本発明の光学装置の基本概念を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the basic concept of the optical apparatus of this invention. テレセントリック光学系と、リレー光学系と、マイクロレンズのそれぞれの視野の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of each visual field of a telecentric optical system, a relay optical system, and a micro lens. 本発明の光学装置にシャッター機構を配置したときの例を示す図である。It is a figure which shows an example when the shutter mechanism has been arrange | positioned to the optical apparatus of this invention. 図3の例と異なる位置にシャッター機構を配置したときの例を示す図である。It is a figure which shows the example when the shutter mechanism is arrange | positioned in the position different from the example of FIG. 多数の微小なマイクロレンズの視野で大きな開口径をカバーする配列の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the arrangement | sequence which covers a big aperture diameter in the visual field of many microlenses. 本発明の具体的な実施例におけて使用されるレンズデータである。It is the lens data used in the specific Example of this invention. 本発明の具体的な実施例において使用される光学系構成図である。It is an optical system block diagram used in the specific Example of this invention. 本発明の具体的な実施例において使用される光学系構成図である。It is an optical system block diagram used in the specific Example of this invention. 従来の視野走査を伴う光学システムで用いられているレーザレーダの基本構成図である。It is a basic block diagram of the laser radar used with the optical system with the conventional visual field scanning.

Claims (6)

一次結像光学系とリレー光学系と射出瞳生成光学系とを備えた光学装置であって、前記一次結像光学系へ入射した光を前記リレー光学系及び前記射出瞳生成光学系へと通すために、
前記一次結像光学系は前記リレー光学系の物点を形成するように一次結像面を生成し、 前記リレー光学系は前記一次結像光学系の全体視野を離散的な部分視野の集合にする複数のレンズを有した複数のレンズアレイからなり、前記一次結像面を1倍よりも大きな任意の横倍率で二次結像面に転写し、
前記射出瞳生成光学系は前記二次結像面からの光を受光して前記各レンズからの射出光に正の屈折力を与えて共通の射出瞳を形成する、光学装置。
An optical device including a primary imaging optical system, a relay optical system, and an exit pupil generation optical system, and passes light incident on the primary imaging optical system to the relay optical system and the exit pupil generation optical system for,
The primary imaging optical system generates a primary imaging plane so as to form an object point of the relay optical system, and the relay optical system converts the entire field of the primary imaging optical system into a set of discrete partial fields. A plurality of lens arrays having a plurality of lenses, wherein the primary imaging surface is transferred to a secondary imaging surface at an arbitrary lateral magnification greater than 1x,
The optical apparatus, wherein the exit pupil generation optical system receives light from the secondary imaging plane and gives a positive refractive power to the exit light from each lens to form a common exit pupil.
前記射出瞳生成光学系により生成される共通の射出瞳が光検出器の有効径に対応するように当該光検出器を前記射出瞳生成光学系の後方に配置して、前記一次結像光学系に入射した光を検出する請求項1に記載の光学装置。   The primary imaging optical system is arranged by arranging the photodetector behind the exit pupil generating optical system so that a common exit pupil generated by the exit pupil generating optical system corresponds to an effective diameter of the photodetector. The optical device according to claim 1, wherein the optical device detects light incident on the light source. 前記レンズアレイ内の隣接するレンズを通過する光の行路が互いに分離し重なり合わない領域に、前記複数のレンズの全部又は一部に対するシャッター系を設け、当該シャッター系の開閉動作により前記一次結像光学系を通過し前記射出瞳に到達する光路を選択的に遮断することを特徴とする請求項1又は2に記載の光学装置。 A shutter system for all or part of the plurality of lenses is provided in a region where the paths of light passing through adjacent lenses in the lens array are separated from each other and do not overlap, and the primary imaging is performed by opening and closing the shutter system. the optical device according to claim 1 or 2, characterized in that blocks the optical path reaching the exit pupil passes through the optical system selectively. 前記一次結像光学系がテレセントリック光学系であることを特徴とする請求項1〜の何れか1項に記載の光学装置。 The optical device according to any one of claim 1 to 3, wherein the primary image-forming optical system is telecentric optical system. 一次結像光学系へ入射する平行光束をコリメート光学系から平行光束で出射するアフォーカル光学系の光学装置であって、
入射された平行光束を一次結像面で物点として形成させる一次結像光学系と、
受光した光の進行方向を所定範囲内の正の屈折角で曲げて平行光束として射出瞳を形成するコリメート光学系と、
前記一次結像光学系により形成された一次結像面からの光が、前記コリメート光学系に対する入射光になるように橋渡しをするリレー光学系とを含み、
前記リレー光学系は、前記一次結像光学系の全体視野を離散的な部分視野の集合にする複数のレンズを有した複数のレンズアレイからなり、前記一次結像面を1倍よりも大きな任意の横倍率で二次結像面に転写することを特徴とする光学装置。
An optical device of an afocal optical system that emits a parallel light beam incident on a primary imaging optical system as a parallel light beam from a collimating optical system,
A primary imaging optical system for forming an incident parallel light beam as an object point on the primary imaging surface;
A collimating optical system that forms the exit pupil as a parallel beam by bending the traveling direction of the received light at a positive refraction angle within a predetermined range;
A relay optical system that bridges so that light from the primary imaging surface formed by the primary imaging optical system becomes incident light to the collimating optical system,
The relay optical system includes a plurality of lens arrays having a plurality of lenses that make the entire field of view of the primary imaging optical system a set of discrete partial fields of view, and the primary imaging surface is arbitrarily larger than 1 time. An optical apparatus for transferring to a secondary imaging plane at a lateral magnification of.
前記コリメート光学系により形成された射出瞳位置に光検出器を配置した請求項に記載の光学装置。 The optical device according to claim 5 , wherein a photodetector is disposed at an exit pupil position formed by the collimating optical system.
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