JP2010243158A

JP2010243158A - 波面計測装置

Info

Publication number: JP2010243158A
Application number: JP2009088650A
Authority: JP
Inventors: Saori Sakamoto; さおり坂元; Hideki Kuge; 英樹久家; Satoshi Wakabayashi; 諭若林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】人工衛星搭載地球観測光学センサの光学系の通過波面を地球観測時と同様の環境条件化で測定する。
【解決手段】非干渉方式波面計測部３は、地上試験において測定対象光学系２で集光された光に基づく複数の集光スポットの各重心位置を基準重心位置とし記憶している。非干渉方式波面計測部３は、宇宙空間において測定対象光学系２が地球の地表面に配置された高輝度点光源１０１の発する光を集光した光を入力し、地上試験の場合と同様に、衛星軌道上において複数の集光スポット像を撮像する。非干渉方式波面計測部３は、地球側の高輝度点光源１０１の光から得られた複数の集光スポットの各集光スポットの重心位置を衛星軌道上重心位置として算出し、それぞれの衛星軌道上重心位置と、それぞれの衛星軌道上重心位置に対応する基準重心位置とに基づいて、波面の歪を算出する。
【選択図】図２

Description

この発明は衛星搭載光学センサの光学系の歪を軌道上で計測する波面計測装置に関する。

光学センサの光学系は所要の結像性能を満たすように設計、製造されるが、使用中に温度環境や重力環境等が変化すると結像性能が低下する。この対策として、能動光学系では波面センサによって波面の歪を計測し、これを補正するように光学系を構成する鏡面を複数のアクチュエータによって変形させている。

このような波面センサの一例として、光の干渉現象を用いずに波面計測する非干渉方式波面センサが知られている（例えば、特許文献１）。

特開平８−８６６８９号公報

波面センサによって波面を計測するためには信号源として点光源が必要である。地上に設置される天体望遠鏡用波面センサでは点光源として恒星等天空の星が用いられる。恒星は観測対象でもあり、観測するときの環境条件で波面計測を行うことができる。

しかし、人工衛星に搭載される地球観測用光学センサでは、恒星を光源とすると波面計測時と、地球観測時とで環境条件が大きく変わることになる。即ち、地球観測時には地球からの熱輻射によって光学系は暖められているが、波面計測のために光学系を恒星に向けると極低温の深宇宙が背景となるために光学系が急速に冷却される。すると光学系の熱歪が地球観測時と異なったものとなり、本来計測したい観測時の波面歪を計測することが困難であった。

この対策として観測対象である地球上に点光源を求めることが考えられるが、地球の輝度分布は一定ではなく複雑な景色で覆われているために、この複雑な背景の影響で波面を正確に計測できないという課題があった。

この発明は、人工衛星搭載の地球観測光学センサの光学系の通過波面を、地球観測時と同様の環境条件化で測定可能な波面計測装置の提供を目的とする。

この発明の波面計測装置は、
測定対象となる測定対象光学系が集光した光を入力し、入力した光を平行光に変換する平行光発生部と、
前記平行光を入力して複数の集光スポット像を結像する結像部と、
前記結像部の設計上の像面に設置され、前記複数の集光スポット像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記複数の集光スポットに基づいて、前記測定光学対象系の影響による波面の歪を算出する演算部と
を備えたことを特徴とする。

この発明により、人工衛星搭載の地球観測光学センサの光学系の通過波面を、地球観測時と同様の環境条件化で測定可能な波面計測装置を提供できる。

実施の形態１における非干渉方式波面計測部３の構成図。実施の形態１における非干渉方式波面計測部３の動作フロー。実施の形態１における高輝度点光源１０１の構成、使用方法を示す図。実施の形態２における高輝度点光源１０２の構成、使用方法を示す図。実施の形態３における高輝度点光源１０３の構成、使用方法を示す図。

実施の形態１．
図１〜図３を参照して実施の形態１を説明する。図１は実施の形態１の波面センサ（波面計測装置）の構成を示している。図１は、非干渉方式波面センサの代表例としてシャックハルトマンセンサを用いる場合の説明図である。

波面センサ３（非干渉方式波面計測部あるいは波面計測装置という）は、コリメータレンズ４、マイクロレンズアレイ５、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒ）６、露光時間設定部７、演算部８を備えている。
（１）コリメータレンズ４は平行光発生部の一例であり、測定対象光学系２によって集光された入射光１を入力して平行光にする。
（２）マイクロレンズアレイ５は結像部の一例であり、平行光発生部からの平行光を入力して複数の集光スポット像を結像する。
（３）ＣＣＤ６は撮像部の一例であり、結像部の設計上の像面に設置され、前記複数の集光スポット像を撮像する。
（４）露光時間設定部７は、撮像部の露光時間を設定する。
（５）演算部８は、重心位置測定部・波面傾き演算部の機能を有し、撮像部により撮像された前記複数の集光スポットに基づいて、測定光学対象系の影響による波面の歪を算出する。

測定対象光学系２は地球を観測するための望遠鏡であり、図１には、望遠鏡主鏡１１と副鏡１２を示した。測定対象光学系２の焦点面には地球観測用のＣＣＤ等の撮像部が設置されるが、これらはこの本発明の範囲外であるので図１では省略している。

（集光スポット）
コリメータレンズ４によって平行光に変換された入射光１の波面はマイクロレンズアレイ５により、複数の集光スポット像としてＣＣＤ６上に結像される。すなわち、レンズアレイを構成するレンズごとにスポットが結像される。

図２は、波面計測の手順を説明するフローチャートである。図２を参照して説明する。

（地上試験）
（１）まず地上における試験において測定対象光学系２に平行光１を入射させて、ＣＣＤ６によって複数の集光スポットを撮像する（Ｓ１１）。
（２）そして、演算部８はそれぞれのスポットの重心位置を算出し、各スポットの重心位置を、スポット重心位置の基準位置として記憶装置（図示していない）に記憶する（Ｓ１２）。

（衛星軌道上）
（３）次に、衛星軌道上において測定対象光学系２を地上に設置した高輝度点光源（図１には示していない）に向け（Ｓ１３）、
（４）地上試験の場合と同様に、それぞれの集光スポットを撮像する（Ｓ１４）。このとき集光スポット像が飽和することなく検出できるよう露光時間設定部７によってＣＣＤ６の露光時間を設定する。高輝度点光源の輝度を背景に比べて十分に高くとっておくことにより、スポット重心位置の計測に悪影響を及ぼす背景からの信号を抑圧することができる。

（５）地上試験と同様に軌道上においても演算部８はそれぞれのスポット重心位置を算出すると共に、記憶装置に記憶（Ｓ１２）している基準位置からの、各スポットごとの変化量（後述する式１のΔｘ_ｉ）を算出する（Ｓ１５）。

（６）マイクロレンズアレイ５のｉ番目のレンズによる集光スポットの、その基準位置からの移動量をΔｘ_ｉ、マイクロレンズ焦点距離をｆとすると、このレンズの有効開口内の波面の傾きΔＷ_ｉは、次の（式１）で求めることができる（Ｓ１６）。
ΔＷ_ｉ＝Δｘ_ｉ／ｆ（式１）
このように、全集光スポットの移動量の解析を行うことにより波面の傾きΔＷ_ｉを求めることで、測定対象光学系２による波面の歪、ひいては測定対象光学系の歪が測定できる。

（高輝度点光源：Ｓ１３の動作）
図３は、実施の形態１による高輝度点光源１０１の構成と波面計測運用状況を示す図である。簡単のため、測定対象光学系２が搭載される人工衛星は図示していない。高輝度点光源１０１の構成要素である凸面鏡２１は、例えばカーブミラーのような凸面鏡であり、地球２２上に設置される。波面センサ３（非干渉方式波面計測部）の視野内に凸面鏡２１が入るように測定対象光学系２を凸面鏡２１の方向に向ける。太陽２３から放射された太陽光２４は凸面鏡２１で反射され測定対象光学系２に入射し（Ｓ１３）、波面センサ３において波面の歪が測定される。

太陽の反射光の輝度は十分に高く、商用衛星画像においては自動車の窓ガラスの残留反射によってさえＣＣＤにブルーミングが発生することがしばしばある。従って、凸面鏡２１の太陽反射光を高輝度点光源とすることで、スポット重心位置の計測において背景の影響を抑圧することが可能となる。

太陽光２４の広がり角は０．５度程度である。従って反射鏡が平面鏡のときは太陽の反射光が測定対象光学系２に入射するのは、
（ｉ）太陽２３、平面鏡、測定対象光学系２とが同一平面内に位置し、
（ｉｉ）平面鏡垂線に対する太陽２３の角度と測定対象光学系２の角度とが約０．５度以内で等しくなるという条件に限られるため、波面計測の機会に大きな制約が加わることになる。

しかし、凸面鏡２１を用いると太陽反射光の広がり角が拡大されるので、太陽反射光が測定対象光学系２に入射するために必要な太陽２３、凸面鏡２１、測定対象光学系２の相対位置関係が緩和され、波面計測の機会に対する制約を緩和できるという効果がある。

以上の実施の形態１では、
ａ）測定対象光学系で集光された入射光を平行光に変換する平行光発生手段、
ｂ）上記平行光を空間的に分割して結像する結像手段、
ｃ）上記結像手段の像面に設置された撮像手段、
ｄ）上記撮像手段の露光時間を設定する手段、
ｅ）上記撮像手段による画像から集光スポット位置を求めて波面の傾き量を求める演算手段を有する非干渉方式波面計測手段を人工衛星に備え、地表面に高輝度点光源を設置した波面計測システムを説明した。

以上の実施の形態１では、
凸面鏡で構成した高輝度点光源１０１を説明した。

実施の形態２．
図４を用いて実施の形態２における高輝度点光源１０２を説明する。図４は、実施の形態２による高輝度点光源１０２の構成と波面計測運用状況を示す図である。簡単のため測定対象光学系２が搭載される人工衛星は図示していない。高輝度点光源１０２は、反射鏡３１と太陽・衛星追尾装置３２（反射鏡方向制御部）とを備えている。反射鏡３１は太陽光２４を反射する。太陽・衛星追尾装置３２は反射鏡３１による太陽反射光が測定対象光学系２に入射するように反射鏡３１の角度を制御する。

太陽・衛星追尾装置３２は、太陽と人工衛星の位置を求め、反射鏡３１の垂線が両者の中央を向くように反射鏡３１の角度を制御する。太陽と人工衛星の位置の検出は、例えばミサイル追尾装置のような光学センサを用いても良いし、太陽と人工衛星の軌道予測精度が太陽反射光の広がり角に比べて小さければ軌道予測値を用いても良い。

太陽・衛星追尾装置３２が反射鏡３１による太陽反射光を常に測定対象光学系２に向けて制御するため、反射鏡３１の曲率を小さくしても波面計測の機会を損なうことはない。反射鏡３１の曲率を小さくすることができるとマイクロレンズアレイ５のスポット信号強度を増加することができ、スポット重心位置計測に及ぼす背景信号の影響をより抑圧することができる。

以上の実施の形態２では、
高輝度点光源を、
ａ）反射鏡と
ｂ）前記反射鏡による太陽反射光を前記測定対象光学系に照射する太陽・衛星追尾装置と
で構成した高輝度点光源１０２を説明した。

実施の形態３．
図５を用いて実施の形態３における高輝度点光源１０３を説明する。図５は実施の形態３による高輝度点光源１０３の構成と波面計測運用状況を示す図である。簡単のため測定対象光学系２が搭載される人工衛星は図示していない。高輝度点光源１０３は、レーザ放射器４１と衛星追尾装置４２（レーザ光線方向制御部）とを備えている。レーザ放射器４１は高強度のレーザ光を放射する。衛星追尾装置４２は、レーザ放射器４１から放射されるレーザ光が測定対象光学系２に入射するようにレーザ放射器４１の角度を制御する。

衛星追尾装置４２による人工衛星の追尾は、例えばミサイル追尾装置のような光学センサを用いても良いし、人工衛星の軌道予測精度がレーザ光の広がり角に比べて小さければ軌道予測値を用いても良い。

衛星追尾装置４２がレーザ光を常に測定対象光学系２にむけて制御するため、レーザ光の広がり角を小さくしても波面計測の機会を損なうことはない。レーザ光の広がり角を小さくすることでマイクロレンズアレイ５のスポット信号強度を増加することができ、スポット重心位置計測に及ぼす背景信号の影響をより抑圧することができる。

以上の実施の形態３では、
高輝度点光源を、
ａ）レーザ放射器と
ｂ）前レーザ放射器のレーザ光を前記測定対象光学系に照射する衛星追尾装置と
で構成した高輝度点光源１０３を説明した。

２測定対象光学系、３非干渉方式波面計測部、４コリメータレンズ、５レンズアレイ、６ＣＣＤ、７露光時間設定部、８演算部、２１凸面鏡、２２地球、２３太陽、２４太陽光、３１反射鏡、３２太陽・衛星追尾装置、４１レーザ放射器、４２衛星追尾装置、１０１，１０２，１０３高輝度点光源。

Claims

測定対象となる測定対象光学系が集光した光を入力し、入力した光を平行光に変換する平行光発生部と、
前記平行光を入力して複数の集光スポット像を結像する結像部と、
前記結像部の設計上の像面に設置され、前記複数の集光スポット像を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された前記複数の集光スポットに基づいて、前記測定光学対象系の影響による波面の歪を算出する演算部と
を備えたことを特徴とする波面計測装置。
前記波面計測装置は、
前記測定対象光学系と共に同一の人工衛星に配置され、
前記演算部は、
地上試験において前記測定対象光学系で集光された光に基づく前記複数の集光スポットの各集光スポットの重心位置を各集光スポットの基準重心位置とし記憶する前記基準重心位置記憶部を備え、
前記平行光発生部は、
宇宙空間の軌道に存在する前記人工衛星に配置された前記測定対象光学系が地球の地表面に配置された点光源の発する光を集光した光を入力し、入力した光を平行光に変換し、
前記結像部は、
前記平行光を入力して複数の集光スポット像を結像し、
前記撮像部は、
前記複数の集光スポット像を撮像し、
前記演算部は、
前記撮像部により撮像された地球側の前記点光源から得られた前記複数の集光スポットの各集光スポットの重心位置を各集光スポットの衛星軌道上重心位置として算出し、算出したそれぞれの前記衛星軌道上重心位置と、それぞれの前記衛星軌道上重心位置に対応する前記基準重心位置記憶部に記憶されたそれぞれの前記基準重心位置とに基づいて、前記波面の歪を算出することを特徴とする請求項１記載の波面計測装置。
前記地表面に配置された点光源は、
太陽光を反射する凸面鏡により前記人工衛星にむけて光を発することを特徴とする請求項２記載の波面計測装置。
前記地表面に配置された点光源は、
太陽光を反射する反射鏡と
前記反射鏡による太陽反射光が前記衛星軌道上の前記人工衛星の方向に反射するように前記反射鏡の向きを制御する反射鏡方向制御部と
を備えたことを特徴とする請求項２記載の波面計測システム
前記地表面に配置された点光源は、
レーザ光線を発するレーザ放射器と
前記レーザ光線が前記衛星軌道上の前記人工衛星の方向に発射されるように前記レーザ光線の向きを制御するレーザ光線方向制御部と
を備えたことを特徴とする請求項２記載の波面計測装置。