JP2009008489A - 光学センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学センサ装置において、高い校正精度が維持されるようにすることを目的としている。
【解決手段】 光学センサ装置において、入射した光を集光するセンサ光学系と、前記センサ光学系で集光した光を電気信号に変換する検出器と、前記検出器で変換した電気信号に対する補正用データを求める校正としての信号処理を行う信号処理部と、前記信号処理部による校正で求めた前記補正用データを蓄積するデータ蓄積部と、前記信号処理部による校正時に前記センサ光学系の入射側に配置され、前記センサ光学系に入射する光を複数のピンホールによる回折作用で拡散させるピンホール構造部と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

この発明は、入射光線の光量を測定する光学センサ装置に関するものである。

従来、人工衛星等の飛翔体に搭載し放射光の測定を行う放射計において、光量校正を行うため、入射する太陽光を拡散板片が反射し太陽校正光とするものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開平０９‐２１８０９９号公報

特許文献１に開示された従来の放射計（光学センサ装置）は、入射する太陽光を拡散板が反射し太陽校正光としているので、例えば宇宙線により拡散板の材料の誘電率が経年変化して反射率が変わり、太陽校正光としての反射光量が変化して校正精度が低下してしまうという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、光学センサ装置において、例えば宇宙環境のような厳しい使用条件の場合にも校正精度の低下を抑え、高い校正精度が維持されるようにすることを目的としている。

この発明に係る光学センサ装置は、入射した光を集光するセンサ光学系と、前記センサ光学系で集光した光を電気信号に変換する検出器と、前記検出器で変換した電気信号に対する補正用データを求める校正としての信号処理を行う信号処理部と、前記信号処理部による校正で求めた前記補正用データを蓄積するデータ蓄積部と、前記信号処理部による校正時に前記センサ光学系の入射側に配置され、前記センサ光学系に入射する光を複数のピンホールによる回折作用で拡散させるピンホール構造部と、を備えたものである。

この発明は、光学センサ装置において、高い校正精度が維持されるようにすることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による光学センサ装置は、複数のピンホールによる回折作用で太陽光線を拡散させるピンホール構造部を、校正時にセンサ光学系の入射側に配置するように構成したものである。これにより、例えば宇宙環境のような厳しい使用条件の場合にもピンホールの幾何学的な形状はほとんど変化しないことから、回折作用による拡散光の光量が変化しないため、校正精度の低下を抑え、高い校正精度が維持されるようにすることができる。

入射光線の光量を測定する光学センサ装置は、入射光線をセンサ光学系で検出器に集光し、入射光線の光量に応じて電気信号に変換する。このとき、等しい光量の入射光線が常に等しい電流量の電気信号に変換されることが望ましい。しかし、光学センサ装置の構成部品の特性（例えば、センサ光学系の透過率、検出器の感度、信号処理回路の雑音特性など）は周囲環境や経年劣化などによって変化するため、定期的に検出器の感度やオフセットのデータを補正することが望ましい。この補正を光学センサ装置の「校正」と呼ぶ。

特に衛星に搭載される光学センサ装置は、衛星が打ち上げられた後、地球上と衛星軌道上との環境変化や宇宙環境（放射線、宇宙線など）の影響によって光学センサ装置の構成部品の特性が変化しやすいため、衛星軌道上で定期的に光学センサ装置全体の校正を実施することが望ましい。ここで、光学センサ装置の校正を実施するとき、放射輝度が安定した既知の値の基準光源を用いる。しかし、例えば、校正用光源を衛星に搭載しても光源の放射特性が経年変化するために基準光源の放射輝度が変化し、結果として校正精度が低下する場合がある。そこで、安定した校正用光源の１つとして太陽を用いることができる。太陽は季節による距離や角度変動を補正すれば放射照度がほぼ安定した光源として扱うことができる。

ここで、光学センサ装置の校正を行う際に、基準光源からの光線に空間的な光量ムラがあると光学センサ装置全体を均一に校正することができない。このため、入射した太陽光線を拡散させることにより光量が均一な光線に変換し、この拡散光線を光学センサに導入して校正を実施することが望ましいのである。

図１は、この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図１において、１は入射光線としての太陽光線、２はスクリーン、３はピンホール構造部、４は拡散光線、５は光学センサ、６はセンサ光学系、７は検出器、８は信号処理部、９はデータ蓄積部である。なお、センサ光学系６と検出器７で光学センサ５を構成する。また、入射光線１は太陽光線に限定されるものではなく、他の波長領域の光であっても良い。

次に動作について説明する。図１において、この発明の実施の形態１による光学センサ装置の校正では基準光源として太陽を用いる。校正時には、太陽光線１は、スクリーン２がもつピンホール構造３に照射され、ピンホール構造部３の回折作用によって拡散光線４に変換される。光学センサ５に照射された拡散光線４は、センサ光学系６によって検出器７に集光され、検出器７で光量に応じた電気信号に変換される。この電気信号は信号処理部８で処理され、等しい光量の入射光線からは常に等しい電流量の電気信号に変換されるように検出器７の受光感度やオフセットの変動を補正して抑制するための補正用データとしての補正値が求められる。このように、校正時に求めた補正値はデータ蓄積部９に蓄積される。

一方、入射光線の光量の測定時には、スクリーン２を光学センサ５の前から移動させ、入射光線が光学センサ５に直接に照射される状態で測定を行う。入射光線はセンサ光学系６で集光され、集光された光線は検出器７で電気信号に変換される。そして、変換された電気信号は信号処理部８で測定データとして処理される。このとき、上述の校正時に求めた光学センサ装置の補正値をデータ蓄積部９より読み出し、この補正値を用いて、上述の測定時に得た測定データを補正する。以上の動作により、光学センサ装置の特性の経年変化による出力信号の変動を補正することができ、等しい光量の入射光線が常に等しい電流量の電気信号に変換される光学センサ装置を得ることができる。

次にスクリーン２のピンホール構造部３の構成と動作について詳細に説明する。図２および図３は、この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図である。ここで、図２はピンホール構造部３を示す正面図、図３はピンホール構造部３を示す側面図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図２と図３において、１０はピンホール、１１はピンホール構造部３の太陽光線１の入射面、１２はピンホール構造部３の太陽光線１の出射面である。

図２と図３において、太陽光線１は各ピンホール１０で起こる回折によって広げられる。その結果、光学センサ５にほぼ均一な拡散光線４を導入することができる。また、校正時の基準光源である太陽の大きさをピンホール構造部３の設計条件として考慮することで、より広い範囲で均一な拡散光線４を得ることが可能となる。このとき、太陽光線１の透過光量や回折条件はピンホール径ｗやピンホール間隔ｈの幾何学的な形状によって決定され、誘電率などの材料特性には依存しない。たとえ環境条件が厳しい宇宙空間でもピンホール１０の幾何学的な形状はほとんど変化しないため、校正時の基準光量は変化せず、校正精度の経年変化が小さい校正を実現することが可能である。

ここで、この発明の実施の形態１による光学センサ装置におけるピンホール構造部３の構造パラメータは、回折作用による拡散光の光量が地球観測時の光量とほぼ同程度となるように決定する。すなわち、ピンホール径ｗとピンホール間隔ｈは、太陽光線１の波長をλ、センサ光学系６のＦ値をＦ、検出器７の１画素の大きさをｘと表すとき、次式（１）を満たすように決定する。
１０^−６≦（ｗ・ｘ）／（λ・Ｆ・ｈ）≦１０^−１ （１）
例えば、λ＝０．６μｍ、Ｆ＝１００、ｘ＝１０μｍであるとき、ｗ＝１５０μｍ、ｈ＝３０００μｍと決定するようにすれば良い。

また、スクリーン２のピンホール構造部３の出射面１２に反射率が小さくなる材料や構造の部材を設けることでピンホール構造部３の出射面１２の表面で起こる散乱を抑制することができる。これにより、ピンホール構造部３での反射光による基準光量変化が抑制され、光学センサ５の校正精度に与える影響を低減させることができる。例えば、反射率が０．２以下と小さくなる材料として、反射率が０．０５〜０．１となる黒色めっきがある。また、反射率が小さくなる部材の材料として、黒色ペイント、黒色アルマイトなどを使用することができ、反射率が小さくなる部材の構造として微細エンボス構造、サンドブラスト面、バッフル構造などを使用することができる。

また、校正時の基準光量であるスクリーン２のピンホール構造部３を通過する拡散光線４の光量はピンホール径ｗに依存する。ここで、スクリーン２のピンホール構造部３の入射面１１に反射率が大きくなる部材を設けることで太陽光線１の吸収を小さくし、長時間の校正時に起こるピンホール構造部３の熱変形を抑制することができる。これにより、ピンホール構造部３の熱変形による校正時の基準光量の変化を抑制することができ、校正精度の低下を抑制することができる。例えば、反射率が０．７以上と大きくなる部材として、反射率が０．７〜０．９となるアルミニウムめっきがある。また、反射率が大きくなる部材の材料として、アルミニウム、銀、金、スズ、ニッケル、銅などの金属類を使用することができる。

なお、スクリーン２のピンホール構造部３を厚くすると、ピンホール１０の側壁で反射した光線の入射による校正精度の低下が無視できない場合がある。例えばピンホール１０の側壁で反射した光線が入射することによって光量はスクリーンのピンホール径ｗとピンホール間隔ｈで決まる光量より増加するために誤差となる。また、ピンホール１０の側壁での反射率はピンホール構造部３の材料の誘電率で決まるため、ピンホール１０の側壁で反射する光線の光量は経年変化を起こす。そのため、ピンホール１０の側壁で反射した太陽光線１が光学センサ５に入射しないようなピンホール構造にする方が好ましい。例えば、光学センサ５側からピンホール１０の側壁が見えないようなピンホール構造にすることで、ピンホール構造部３に入射した光線がピンホール１０の側壁で反射して検出器７に入射することを抑制することができる。これにより、校正精度の低下を防ぐことが可能となる。このような構造は、例えば、図３に示すような、光線入射面１１の方が光線出射面１２よりもピンホール径ｗが大きくなるようにすることで実現可能となる。

また、ピンホール径ｗを小さくするほど太陽光線１の回折作用による広がりが大きくなり、光学センサ５全体に照射する拡散光線４の光量をより均一にすることが可能となる。

また、ピンホール構造部３内におけるピンホール１０の位置が拡散光線４に与える影響はほとんど無いため、図２に示すようにピンホール間隔ｈを均一にする必要はなく、ランダムに配置しても同様の効果が得られる。ランダムに配置した場合でも、ピンホール構造部３に対するピンホール１０の面積比が等しければ、ピンホール構造部３を通過する太陽光線１の光量は等しくなる。このように、ピンホール１０をランダムに配置することにより、加工精度の制約を小さくすることができる。

次に、図４は、この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図４において、１３はシールドである。例えば、図４に示すようなシールド１３で覆うように、光学センサ装置を反射率が小さい部材で覆うことで、周囲環境からの迷光によって起こる校正時の基準光量変化を抑制することができる。これにより、校正精度の低下を抑制することができる。例えば、反射率が小さい部材の材料として黒色ペイント、黒色アルマイトなどを使用することができ、反射率が小さい部材の構造として微細エンボス構造、サンドブラスト面、バッフル構造などを使用することができる。

また、光学センサ装置の内部に反射率が小さい部材を用いることで、スクリーン２のピンホール構造部３を通過した拡散光線４が光学センサ５の内面で反射して検出器７に入射することで起こる校正時の基準光量変化を抑制することができる。これにより、校正精度の低下を抑制することができる。例えば、反射率が小さい部材の材料として黒色ペイント、黒色アルマイトなどを使用することができ、反射率が小さい部材の構造として微細エンボス構造、サンドブラスト面、バッフル構造などを使用することができる。

以上のように、この発明の実施の形態１による光学センサ装置においては、複数のピンホールによる回折作用で太陽光線を拡散させるピンホール構造部を、校正時にセンサ光学系の入射側に配置するようにしている。これにより、例えば宇宙環境のような厳しい使用条件の場合にもピンホールの幾何学的な形状はほとんど変化せず、太陽校正光としての拡散光の光量が変化しないため、校正精度の低下を抑え、高い校正精度が維持されるようにすることができるという効果を奏する。

また、この発明の実施の形態１による光学センサ装置においては、ピンホール構造部の出射面に反射率が小さい材料や構造を用いることで散乱を抑制することができる。これにより、ピンホール構造部での反射光による校正光の光量の変化が抑制され、高い校正精度が維持されるようにすることができるという効果を奏する。

また、この発明の実施の形態１による光学センサ装置においては、ピンホール構造部の入射面に反射率が大きい部材を用いることで太陽光線の吸収を小さくし、ピンホール構造部の熱変形を抑制することができる。これにより、ピンホール構造部の熱変形による校正光の光量の変化が抑制され、高い校正精度が維持されるようにすることができるという効果を奏する。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による光学センサ装置は、校正時に温度センサでピンホール構造部の温度を計測し、ピンホール構造部の熱変形に起因する回折作用による拡散光の光量変化を補正するように構成したものである。これにより、温度変化がある場合にも、高い校正精度が維持されるようにすることができる。

上述の実施の形態１では、スクリーン２のピンホール構造部３で太陽光線１を拡散させ、拡散光線４を基準光量として光学センサ５に導入して校正を行った。このとき、ピンホール構造部３が周囲環境や太陽光線１の影響によって熱変形すると、校正時の基準光量が変化するため、校正精度が低下する場合がある。次に、実施の形態２として、スクリーン２のピンホール構造部３の熱変形によって生じる太陽光線１の拡散光量変動を補正して基準光量を一定にするようにしたものを示す。

図５は、この発明の実施の形態２による光学センサ装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図５において、１〜１３は、図４に示した実施の形態１の構成と同様であり、１４は温度センサである。

次に動作について説明する。この発明の実施の形態２による光学センサ装置は、実施の形態１の校正処理に加えてスクリーン２のピンホール構造部３の熱変形による影響を補正する。熱変形による影響は主にスクリーン２のピンホール構造部３の熱膨張または熱収縮によるピンホール径ｗの拡大または縮小に起因するものである。これに起因する回折作用による拡散光の光量変化は計算により求めることができる。また、あらかじめ計測したデータを用いて補正しても良い。

図５において、校正時に温度センサ１４でスクリーン２のピンホール構造部３に対応する温度を計測することで、信号処理部８がピンホール構造部３の熱変形による光量変化を補正する。この補正はあらかじめデータ蓄積部９に蓄えられていた透過率の補正用データを用いても良いし、信号処理部８で計算したピンホール構造部３の形状変化量に基づいて補正を行っても良い。

以上のように、この発明の実施の形態２による光学センサ装置においては、校正時に温度センサでピンホール構造部の温度を計測し、信号処理部がピンホール構造部の熱変形による光量変化を補正するように構成した。これにより、熱変形による光量変化がある場合にも、高い校正精度が維持されるという効果を奏する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による光学センサ装置は、複数のピンホールによる回折作用で太陽光線を拡散させるピンホール構造部で絶対校正した後、拡散板を用いて相対校正を行うように構成したものである。これにより、大面積な拡散板を用いて、高い校正精度が維持されるようにすることができる。

上述の実施の形態１、２では、太陽光線１をピンホール構造部３で拡散させ、拡散光線４を基準光量として光学センサ５に導入して校正を実施した。しかし、光学センサ５の検出器７を大面積化しようとするとき、より均一かつ広範囲に広がった拡散光線４を得ることができるピンホール構造部３を設計することは難易度が高い場合がある。一方、より均一かつ広範囲に広がった拡散光線を得ることができる拡散板を設計することは比較的容易である。

ここで、ピンホール構造部３を用いた校正では、上述のように拡散光の光量が変化しないため、光学センサ５の感度を絶対校正することができる。一方、拡散板を用いた校正では、従来例のように反射率の経年変化により光学センサ５の感度を絶対校正することは困難であるが、相対校正することはできる。そこで、ピンホール構造部３を用いて光学センサ５の一部を絶対校正した後、この校正結果を用いて拡散板で光学センサ５の全体を相対校正することで、光学センサ５全体を絶対校正するのと同様の機能を得ることができる。次に、この発明の実施の形態３によるピンホール構造部３を用いた校正に加えて拡散板による校正を実施する光学センサ装置を示す。

図６は、この発明の実施の形態３による光学センサ装置を示す構成図である。なお、各図において、同一符号は同一または相当部分を示す。図６において、１〜１４は、図５に示した実施の形態２の構成と同様であり、１５は拡散板、１６は制御部である。

次に動作について説明する。図６において、まず、光学センサ５の一部を実施の形態１または２に示すスクリーン２のピンホール構造部３を用いた校正装置で、光学センサ５の一部を絶対校正する。このとき得られた校正用データとしての絶対校正の補正値をデータ蓄積部９に蓄積する。次に、拡散板１５を用いた校正装置で光学センサ５の全体を相対校正する。

図６において、拡散板１５を用いた校正装置は拡散板１５に入射した太陽光線１を拡散して反射する。光学センサ５に照射された拡散光線４はセンサ光学系６で集光される。そして、集光された光線は検出器７で光量に応じて電気信号に変換され、信号処理部８で処理される。このとき、上述の絶対校正の補正値を利用して、等しい入射光線光量からは常に等しい電気信号に変換されるように検出器７の受光感度やオフセットの変動を補正して抑制するための校正用データとしての相対校正の補正値を求める。そして、この相対校正の補正値をデータ蓄積部９に蓄積する。

この２段階の校正により、光学センサ装置全体を絶対校正するのと同様の結果を得ることができる。２つの校正用データによるデータ処理では、例えばピンホール構造部３を用いて絶対校正した結果と拡散板１５を用いて相対校正した結果が一致するように、相対校正の補正値にオフセットを加えるようにすれば良い。

なお、この２段階の校正は、スクリーン２のピンホール構造部３と拡散板１５を置き換えるか、もしくは光学センサ５の向きを変えることで実施可能となる。例えば図６に示すように、制御部１６を光学センサ５に取り付けて、ピンホール構造部３と拡散板１５を用いた各校正時に、光学センサ５の向きを変化させることで実施することができる。

また、この２段階の校正は、同じ周期で実施しても良いし、また、拡散板１５の反射率の経年変化が想定される長い周期でピンホール構造部３を用いた絶対校正を実施し、通常の短い周期では拡散板１５を用いた相対校正を実施するようにしても良い。

以上のように、この発明の実施の形態３による光学センサ装置においては、複数のピンホールによる回折作用で太陽光線を拡散させるピンホール構造部で絶対校正した拡散板を用いて相対校正を行うように構成した。これにより、大面積な拡散板を用いて、高い校正精度が維持されるという効果を奏する。

この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図 この発明の実施の形態１による光学センサ装置を示す構成図 この発明の実施の形態２による光学センサ装置を示す構成図 この発明の実施の形態３による光学センサ装置を示す構成図

符号の説明

３ ピンホール構造部
６ センサ光学系
７ 検出器
８ 信号処理部
９ データ蓄積部
１０ ピンホール
１１ ピンホール構造部の入射面
１２ ピンホール構造部の出射面
１４ 温度センサ
１５ 拡散板

Claims (5)

1. 入射した光を集光するセンサ光学系と、
   前記センサ光学系で集光した光を電気信号に変換する検出器と、
   前記検出器で変換した電気信号に対する補正用データを求める校正としての信号処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部による校正で求めた前記補正用データを蓄積するデータ蓄積部と、
   前記信号処理部による校正時に前記センサ光学系の入射側に配置され、前記センサ光学系に入射する光を複数のピンホールによる回折作用で拡散させるピンホール構造部と、
   を備えたことを特徴とする光学センサ装置。
2. 前記ピンホール構造部の出射面に反射率が小さくなる部材を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学センサ装置。
3. 前記ピンホール構造部の入射面に反射率が大きくなる部材を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学センサ装置。
4. 前記ピンホール構造部の温度を測定する温度センサと、を備え、
   前記信号処理部は、前記温度センサで測定した温度に基づいて、前記補正用データを求める校正としての信号処理を行うことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学センサ装置。
5. 前記ピンホール構造部の代わりに前記センサ光学系の入射側に配置され、前記センサ光学系に入射する光を反射して拡散させる拡散板と、を備え、
   前記信号処理部は、前記ピンホール構造部および前記拡散板を用いて前記補正用データを求める校正としての信号処理を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学センサ装置。

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