JP2014074704A - Composite optical system - Google Patents

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Ryohei Matsumoto
諒平 松本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image capturing system for flying objects having an optical system that allows various sensors to be provided along optical axes thereof and a communication system for transmitting/receiving data and control commands, which are combined into a mechanically and optically simple and compact configuration.SOLUTION: A composite optical system has a beam splitter which splits multi-wavelength image that enters the beam splitter through an optical system into a P-polarized light component and an S-polarized light component with a predetermined intensity ratio or in accordance with different wavelength regions. One of the split image components is reflected by a reflective mirror, which is located at a focal position and is orthogonal to a main optical axis, and re-enters the beam splitter to be re-split and guided to the next optical system.

Description

本発明は、入射した画像を複数の受像カメラに分配する複合光学システムに関する。  The present invention relates to a compound optical system that distributes an incident image to a plurality of image receiving cameras.

各種の画像センサー、光学センサーの著しい発展により、カメラ撮影された光学的画像情報をデジタル処理することで、民生分野のみならず科学分野でもより高度な情報分析が可能となっている。  Thanks to the remarkable development of various image sensors and optical sensors, more advanced information analysis is possible not only in the consumer field but also in the scientific field by digitally processing optical image information captured by the camera.

光学技術とデジタル技術の融合分野では、従前多くの場合ではデジタルカメラの如く撮像された画像データをそのまま記録・再生することに利用されてきたが、より分析的な光学機構を導入することで、入射される画像の特定波長の光だけを分離したうえでデジタルデータ化したり、画像を複数に分割したうえでデジタル技術を活用してそれぞれの光学的な分析を行い画像情報に付加したりすることが行われている。  In the fusion field of optical technology and digital technology, in many cases, it has been used for recording and reproducing image data captured like a digital camera as it is, but by introducing a more analytical optical mechanism, Separating only light of a specific wavelength in the incident image and converting it into digital data, or dividing the image into multiple parts, and using digital technology to perform each optical analysis and add it to the image information Has been done.

近年では、医療用等の接写分野だけでなく、環境分野や航空宇宙分野、防災分野などで航空機や人工衛星などの飛翔体からの広域観測分野において、可視光領域での画像のみならず、可視光線領域の画像情報に赤外線など不可視光領域でのセンシングデータや、分光スペクトルの二次元データをリンクして利用・分析する需要が高まっている。  In recent years, not only in the field of medical close-up, but also in the environmental field, aerospace field, disaster prevention field, etc. There is an increasing demand for using and analyzing sensing information in the invisible light region such as infrared rays and two-dimensional data of the spectral spectrum by linking the image information in the light region.

このため、望遠鏡などレンズ系や反射光学系を通して入射した多波長画像を、主には複数に分割して、それぞれの分割画像面を目的に応じた光学的分析及び画像センシングが複合されるものとなり光学系及びセンサー系の機構・装置が複雑化している。  For this reason, a multi-wavelength image incident through a lens system such as a telescope or a reflective optical system is mainly divided into a plurality of parts, and optical analysis and image sensing according to the purpose are combined for each divided image plane. The mechanisms and devices of the optical system and sensor system are complicated.

そうした飛翔体に搭載されて取得したセンシングデータは、記憶装置にデータ保存をするものの、膨大なデータ量保存及びリアルタイム観測性、さらには人工衛星など原則的に地上への帰還がない飛翔体からのデータ取得の需要から、蓄積データあるいはリアルタイム情報を受信基地に送信するデータ通信システムも備えなければならなくなっており、それら機構システムのコンパクト化が求められている。  Sensing data acquired by mounting on such a flying object is stored in a storage device, but it can be stored from a flying object that does not return to the ground in principle, such as a huge amount of data storage and real-time observability. Due to the demand for data acquisition, a data communication system for transmitting stored data or real-time information to a receiving base has to be provided, and the mechanism system is required to be compact.

これに対して、光学的機構、例えばスリット−ミラー機構や、偏向ビームスプリッター等により、よりコンパクトな機構によって撮像画像を分割して複数の画像センシングを行う技術が知られている(例えば、特許文献1又は特許文献2参照。)。  On the other hand, a technique is known in which a sensed image is divided into a plurality of images by an optical mechanism, for example, a slit-mirror mechanism, a deflection beam splitter, or the like, by a more compact mechanism (for example, Patent Documents). 1 or Patent Document 2).

特開2000−36793号公報  JP 2000-36793 A 特開2012−98050号公報  JP 2012-98050 A

特許文献1の公知技術では、レンズ系から入射した光軸に対して斜めに横断するようにミラー(反射領域)が形成されて、該ミラーには光透過領域としてのスリット部が形成されて、ミラー反射系の延長光軸に二次元画像センサーが配され、スリット透過光軸の延長に分光センシング機器が配される構成となっている。  In the known technique of Patent Document 1, a mirror (reflection area) is formed so as to obliquely cross the optical axis incident from the lens system, and a slit portion as a light transmission area is formed in the mirror, A two-dimensional image sensor is arranged on the extension optical axis of the mirror reflection system, and a spectral sensing device is arranged on the extension of the slit transmission optical axis.

これにより、コンパクトな装置構成にて、ミラー反射系より獲得される二次元画像データと、スリット透過系より得られる分光データとをリンクさせることができるものとなっているが、二次元画像データには、スリット部の実像が黒く表示されてその部分についての画像が欠落するものとなっている。このため、スリット−ミラーの反射系の画像情報は、その後分割をして他のセンシングを行う場合も、全てスリット部のデータ欠落を伴わざるを得なかった。  As a result, the two-dimensional image data obtained from the mirror reflection system and the spectral data obtained from the slit transmission system can be linked with a compact apparatus configuration. In this case, the real image of the slit portion is displayed in black, and the image for that portion is missing. For this reason, the image information of the reflection system of the slit-mirror is inevitably accompanied by missing data in the slit portion even when the image is divided and other sensing is performed thereafter.

一方、特許文献2の公知技術は、レーザー光を利用した通信システムとしてではあるが、偏向ビームスプリッター(プリズム型)である中心部リズムと補助プリズムとを接着して複数の光軸系に分割するものとなっている。  On the other hand, the known technique of Patent Document 2 is a communication system using laser light, but a central rhythm that is a deflecting beam splitter (prism type) and an auxiliary prism are bonded and divided into a plurality of optical axis systems. It has become a thing.

レーザー光受信のための光学系と、レーザー光発信のための光学系を同一としている点は注目されるものの、観測画像情報の分割センシングについての技術思想の開示はなく、レーザー送受信系以外に多波長画像の分割センシングのためには、さらに別の光学系機構を設けなければならないものとなっていた。  Although it is noticed that the optical system for receiving laser light and the optical system for transmitting laser light are the same, there is no disclosure of the technical idea of split sensing of observation image information, and there are many other than laser transmitting and receiving systems. For the divisional sensing of the wavelength image, another optical system mechanism has to be provided.

人工衛星からの大量のデータ送信については、電波を利用する場合には国際ルールに則って現実的に逼迫したなかで周波数帯の割当てを受けなければならず、さらにはそのデータ送信量も物理的に限界がある。  For large amounts of data transmitted from satellites, when using radio waves, frequency bands must be allocated in a realistic manner in accordance with international rules. There is a limit.

このため特許文献2に開示される光通信系と、望遠鏡などレンズ系や反射光学系を通して入射した多波長画像のセンシング系とを、簡素な構成により同時に実現する必要があるものの、特許文献1に開示される技術では、望遠鏡などレンズ系や反射光学系を通して入射した多波長画像が直ちにスリット−ミラー機構によりスリット部の画像を欠落されてしまうために、これらの公知技術等からは、コンパクトでかつ複数の画像センシングを行えて、さらにそれらの光通信をも複合化させることのできる複合光学システムを実現することはできなかった。  For this reason, although it is necessary to simultaneously realize the optical communication system disclosed in Patent Document 2 and a sensing system for a multi-wavelength image incident through a lens system such as a telescope or a reflective optical system, with Patent Document 1, In the disclosed technology, since the multi-wavelength image incident through a lens system such as a telescope or a reflection optical system is immediately lost by the slit-mirror mechanism, the image of the slit portion is lost. It has not been possible to realize a composite optical system capable of performing a plurality of image sensing and further combining those optical communications.

観測衛星等の飛翔体の撮像システムは、目的に応じて複数の各種光学的センサーを分割光路上に配置できる光学系システムと、センシングデータや制御指令を送受信するための通信システムを、機械的・光学的な設備構成をできるだけ簡素・小型で、セッティングが容易にして実現することが求められているが、従来技術ではそれぞれのための専用光学系を構成するために複合化が困難であった。  The imaging system of a flying object such as an observation satellite has an optical system that can arrange a plurality of various optical sensors on a divided optical path according to the purpose, and a communication system for sending and receiving sensing data and control commands. Although it is required to realize an optical equipment configuration that is as simple and compact as possible and easy to set up, it is difficult in the prior art to compose a dedicated optical system for each.

本願発明者は、上記の課題を克服すべく鋭意研究を行い、簡素な構成により画像情報を複雑に分配し、かつ同時にレーザー光通信の光学系を容易に付加することができる複合光学システムを発明するに至った。  The inventor of the present application has conducted intensive research to overcome the above-mentioned problems, and invented a complex optical system that can distribute image information in a complicated manner with a simple configuration and at the same time easily add an optical system for laser light communication. It came to do.

本願発明の中心的技術思想は、ビームスプリッタにより分割されるP偏光とS偏光の光軸延長のいずれかの焦点位置に配された反射ミラーにより反射されて再びビームスプリッターに入射して、さらに分割されるようにして、キュービック或いは長方体の形状となる1つのビームスプリッターの前後左右4面を光入反射に利用可能とするものである。  The central technical idea of the present invention is that it is reflected by a reflection mirror arranged at the focal position of either the P-polarized light or the S-polarized optical axis that is split by the beam splitter, and then enters the beam splitter again, and further splits. As described above, the front, rear, left and right four surfaces of one beam splitter having a cubic or rectangular parallelepiped shape can be used for light incident and reflection.

すなわち、本願請求項1の発明は、レンズ系や反射光学系を通して入射した多波長画像を複数の光学的センサーに分配する複合光学システムであって、入射した多波長画像は、ビームスプリッターによりP偏光とS偏光に所定の強度比で分割、あるいは異なる波長領域に分割され、分割された上記分割画像面のうち、一方の画像は焦点位置に配された主光軸に直行する反射ミラーにより反射されて再びビームスプリッターに入射してビームスプリッターの上記特性に応じて再び分割され、次の光学系に伝搬することを特徴とする複合光学システムである。  That is, the invention of claim 1 of the present application is a composite optical system that distributes a multi-wavelength image incident through a lens system or a reflective optical system to a plurality of optical sensors, and the incident multi-wavelength image is converted into P-polarized light by a beam splitter. One of the divided image planes is divided by a reflection mirror that is perpendicular to the main optical axis arranged at the focal position. Then, the light is again incident on the beam splitter, is divided again according to the above characteristics of the beam splitter, and propagates to the next optical system.

本願請求項2の発明は、反射ミラーは、入射した多波長画像に対して強度あるいは波長領域で所定の透過反射率を持ったハーフミラーであることを特徴とする請求項1に記載の複合光学システムである。  According to a second aspect of the present invention, the reflecting mirror is a half mirror having a predetermined transmission reflectance in the intensity or wavelength region with respect to an incident multi-wavelength image. System.

請求項3の発明は、反射ミラーの所定の部位にはスリットが形成されており、上記分割画像面のうちスリットを透過した画像情報を、上記全反射ミラーの裏面側に設置した光学的センサーに導入することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の複合光学システムである。  According to a third aspect of the present invention, a slit is formed in a predetermined portion of the reflection mirror, and image information transmitted through the slit of the divided image surface is transmitted to an optical sensor installed on the back surface side of the total reflection mirror. The composite optical system according to claim 1, wherein the composite optical system is introduced.

請求項4の発明は、ビームスプリッターにより分割されたそれぞれの分割画像に対して、個別にスリットを配置して、それぞれの分割画像から個別にスリット画像を得ることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の複合光学システムである。  The invention of claim 4 is characterized in that a slit is individually arranged for each divided image divided by the beam splitter, and a slit image is individually obtained from each divided image. Item 4. The composite optical system according to Item 3.

請求項5の発明は、レンズ系や反射光学系の光軸延長にはレーザー発振器及び受光センサーがさらに配されて、多波長画像の分配と同一光学系を介してレーザーを送受信することを特徴とする請求項1乃至請求項4に記載の複合光学システムである。  The invention according to claim 5 is characterized in that a laser oscillator and a light receiving sensor are further arranged for extending the optical axis of the lens system and the reflection optical system, and the laser is transmitted and received through the same optical system as the multi-wavelength image distribution. The composite optical system according to any one of claims 1 to 4.

請求項6の発明は、ビームスプリッターにより分割されたそれぞれの分割画像に対して光軸延長に配される光学的センサーが、可視光二次元イメージセンサー又は不可視光二次元イメージセンサーのいずれかであり、スリット光の光軸延長に配される光学的センサーが、結像光学系を有するリニアイメージセンサー又は分光センサーのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の複合光学システムである。  According to a sixth aspect of the present invention, the optical sensor arranged in the optical axis extension for each divided image divided by the beam splitter is either a visible light two-dimensional image sensor or an invisible light two-dimensional image sensor, and the slit 6. The composite according to claim 1, wherein the optical sensor arranged for extending the optical axis of the light is either a linear image sensor or a spectroscopic sensor having an imaging optical system. It is an optical system.

請求項7の発明は、ビームスプリッターに設置する反射ミラーの素材に異なる金属材料を用いることで反射ミラーの反射波長特性を調製することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の複合光学システムである。  The invention of claim 7 is characterized in that the reflection wavelength characteristic of the reflection mirror is adjusted by using a different metal material for the material of the reflection mirror installed in the beam splitter. It is a compound optical system.

請求項8の発明は、ビームスプリッターに入射する画像に対して、色収差などを補正する光学系を用いてビームスプリッターにて発生する色収差を補正することを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の複合光学システムである。  According to an eighth aspect of the present invention, the chromatic aberration generated in the beam splitter is corrected using an optical system that corrects chromatic aberration or the like for an image incident on the beam splitter. A composite optical system according to any one of the above.

請求項9の発明は、レンズ系や反射光学系を機械的あるいは光学的に微調整して、光の入射角度あるいは放出角度を微調整することを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の複合光学システムである。  The invention according to claim 9 is characterized in that a lens system or a reflection optical system is finely adjusted mechanically or optically to finely adjust an incident angle or an emission angle of light. A compound optical system according to claim 1.

請求項10の発明は、光学特性を安定化させるために温度センサーと温度コントロール用の熱源をさらに備えていることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の複合光学システムである。  The invention according to claim 10 is the composite optical system according to any one of claims 1 to 9, further comprising a temperature sensor and a heat source for temperature control in order to stabilize optical characteristics. is there.

また、本願発明者は、上記の請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の複合光学システムは、非常にコンパクトな光学的構成を中心として実現が可能となるため、上空又は宇宙空間で飛翔観測を行うテレスコープへの適用が非常に好適であることも見出し、本願の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープを発明した。  Further, the inventor of the present application can realize the composite optical system according to any one of claims 1 to 10 centering on a very compact optical configuration. The present inventors also found that application to a telescope that performs observation is very suitable, and invented a remote telescope equipped with the composite optical system of the present application.

すなわち、本願請求項11の発明は、請求項1乃至請求項10のいずれかに記載の複合光学システムを搭載して上空又は宇宙空間で飛翔観測を行うテレスコープであって、ビームスプリッターを経た画像を少なくとも2種類以上の光学的観測情報としてデジタル情報化して記憶装置に保存して、保存した観測情報は、通信手段により地上の基地に情報転送することを特徴とする複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  That is, the invention of claim 11 of the present application is a telescope that carries the flight observation in the sky or space by mounting the composite optical system according to any one of claims 1 to 10, and is an image that has passed through a beam splitter. A remote control equipped with a composite optical system characterized in that at least two types of optical observation information are converted into digital information and stored in a storage device, and the stored observation information is transferred to a ground base by communication means Telescope.

請求項12の発明は、デジタル情報化、記憶装置への保存、及び保存情報の送信の情報処理操作は、地上の基地からレーザー通信あるいは電波通信により遠隔操作して行うことを特徴とする請求項11に記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  The invention of claim 12 is characterized in that digital information processing, storage in a storage device, and transmission of stored information are performed remotely from a ground base by laser communication or radio wave communication. 11 is a remote telescope equipped with the composite optical system according to 11.

請求項13の発明は、レーザー通信に用いる光として、可視光または不可視な赤外線光を用いて通信を行うリモートテレスコープであって、地上での光強度が人体器官に損傷を与えない程度に弱い光であることを特徴とする請求項11又は請求項12のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  The invention of claim 13 is a remote telescope that performs communication using visible light or invisible infrared light as light used for laser communication, and the light intensity on the ground is weak enough not to damage the human organs. It is a light, It is a remote telescope which mounts the compound optical system in any one of Claim 11 or Claim 12.

請求項14の発明は、地上からの通信手段に用いる光源の特定の波長以外の光を遮断又は減衰させるフィルター又はシャッターを受光センサー手前に配することを特徴とする請求項11又は請求項13のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  The invention of claim 14 is characterized in that a filter or shutter for blocking or attenuating light other than a specific wavelength of the light source used for the communication means from the ground is arranged in front of the light receiving sensor. A remote telescope equipped with any one of the composite optical systems.

請求項15の発明は、地上に設置した特定の波長の光源の位置を感知するセンサーを搭載し、地上からの通信に基づきその光源の近傍にレーザー通信光を放出できることを特徴とする請求項11又は請求項14のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  The invention of claim 15 is equipped with a sensor for detecting the position of a light source of a specific wavelength installed on the ground, and can emit laser communication light in the vicinity of the light source based on communication from the ground. Or it is a remote telescope which mounts the compound optical system in any one of Claim 14.

請求項16の発明は、搭載したコンピュータにより入射光の取り込み角度や装置温度などを自動制御させることを特徴とする請求項11乃至請求項15のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  According to a sixteenth aspect of the present invention, an incident light capturing angle, an apparatus temperature, and the like are automatically controlled by a mounted computer. Scope.

請求項17の発明は、大気や宇宙環境での温度差により発生する観測画像の歪みを自動補正する空間光変調素子をさらに備えていることを特徴とする請求項11乃至請求項16のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープである。  The invention of claim 17 further comprises a spatial light modulator for automatically correcting distortion of an observed image caused by a temperature difference in the atmosphere or space environment. A remote telescope equipped with the composite optical system described in 1.

本願発明によれば、ビームスプリッターと反射ミラーを容易な構成で複合させることで1つのビームスプリッターによる画像光を多分割するとともに、反射ミラーに機能性を持たせることで特定波長の分離や、分光センシング等の複合光学分析システムを単純な光学系構成で実現することができる。  According to the present invention, by combining the beam splitter and the reflection mirror with an easy configuration, the image light by one beam splitter is divided into multiple parts, and the function of the reflection mirror is provided to separate specific wavelengths and to perform spectroscopic analysis. A complex optical analysis system such as sensing can be realized with a simple optical system configuration.

また同時に、本願発明の光学系及び反射系は、同一の構成を利用してレーザー光通信等の送受信に使用することができるため、観測データを適宜遠隔受信基地に送信することができるため、複数の二次元系データとして、リアルタイム又は短時間間隔での取得される大量のセンシングデータを効率的に送信することができる。  At the same time, since the optical system and the reflection system of the present invention can be used for transmission / reception such as laser light communication using the same configuration, observation data can be appropriately transmitted to a remote receiving base. As the two-dimensional system data, a large amount of sensing data acquired in real time or at short time intervals can be efficiently transmitted.

さらに、本願発明の上記の効果により、例えば小型人工衛星など空間的制約が著しい飛翔体では、観測機器構成の簡素化と小型化が可能となり、同時に大量データ通信を実現するための光通信系の機器も一体的に複合化させることが可能となる。  Furthermore, due to the above-described effects of the present invention, for a flying object with significant spatial restrictions, such as a small artificial satellite, the observation equipment configuration can be simplified and miniaturized, and at the same time, an optical communication system for realizing mass data communication. Devices can also be combined together.

本願請求項1の発明の光学システムを示した図である。  It is the figure which showed the optical system of invention of Claim 1 of this application. 本願請求項3の発明の光学システムを示した図である。  It is the figure which showed the optical system of invention of Claim 3 of this application.

図1により本願請求項1の発明を説明する。レンズ系や反射光学系を通して入射した多波長画像、例えば反射望遠鏡により入射した画像光は、まずビームスプリッターによりP偏光とS偏光に所定の強度比で分割、あるいは異なる波長領域に分割される。  The invention of claim 1 will be described with reference to FIG. A multi-wavelength image that has entered through a lens system or a reflective optical system, for example, image light that has entered through a reflecting telescope, is first divided into a P-polarized light and an S-polarized light at a predetermined intensity ratio by a beam splitter, or divided into different wavelength regions.

このとき、ビームスプリッターに画像光の全光束が入射するものであれば、ビームスプリッター手前での光学系は任意の構成とすることが可能である。  At this time, the optical system in front of the beam splitter can be arbitrarily configured as long as the total light flux of the image light is incident on the beam splitter.

ビームスプリッターは、光束を二つに分割する光学装置であって、入射した光束の一部は透過し(P偏光)、一部は反射する(S偏光)ものであり、プリズム材料の屈折率や接合面のコーティング等によって、強度を分割したり、波長領域等を偏光分割したりすることができる簡素な構成を持つ一般的な装置である。  A beam splitter is an optical device that divides a light beam into two, and transmits a part of the incident light beam (P-polarized light) and reflects a part (S-polarized light). This is a general apparatus having a simple configuration that can divide the intensity and polarization-divide the wavelength region etc. by coating the bonding surface.

本願では、ビームスプリッターの形状(例えばキューブ型、プレート型等)や材質、分光角度(通常は90度)さらにプリズム接合面への機能性コーディングは任意の設計事項として特定あるいは限定するものではない。  In the present application, the shape (for example, cube type, plate type, etc.), material, spectral angle (usually 90 degrees) of the beam splitter, and functional coding on the prism joint surface are not specified or limited as arbitrary design items.

本願では、ビームスプリッターを透過したP偏光、又は反射したS偏光の焦点位置に主光軸に直行した反射ミラーが配設されており、ミラーによって反射された光束は、ビームスプリッターの反射偏光面まで同じ光路を経て到達し、光学系からの入射画像のS偏光方向と180度の角度で、ビームスプリッターの特性に応じてさらに反射又は透過されるようになっている。  In the present application, a reflection mirror orthogonal to the main optical axis is disposed at the focal position of P-polarized light or reflected S-polarized light transmitted through the beam splitter, and the light beam reflected by the mirror reaches the reflective polarization plane of the beam splitter. It arrives through the same optical path and is further reflected or transmitted according to the characteristics of the beam splitter at an angle of 180 degrees with the S-polarization direction of the incident image from the optical system.

反射ミラーは、ビームスプリッターと分離していてもよいし、ビームスプリッターに密着されていてもよい。ビームスプリッターへのミラーの密着は、ビームスプリッターのプリズム端面に金属材料を蒸着(真空蒸着)して金属薄膜コートを精密に行うことで一体となったミラー面が形成できるので、ビームスプリッター周辺機器構成を更に簡素化できて好適である。  The reflection mirror may be separated from the beam splitter or may be in close contact with the beam splitter. The mirror is in close contact with the beam splitter. A metal mirror is deposited on the prism end face of the beam splitter (vacuum deposition) and the metal mirror coating is precisely applied to form an integrated mirror surface. Can be further simplified.

また、ミラーの材質の選択により、反射される光束の波長特性を選択した反射ミラーを調製することが可能である。本願請求項2の発明のように、例えば誘電体多層膜コーティングによるホットミラー、コールドミラー等の一部波長透過型のハーフミラーを形成することや、本願請求項7の発明のように、反射ミラーの素材金属(例えば、アルミニウム、金、プラチナ、シリコン、ロジウム等)を選択することでミラーの反射波長特性(反射と吸収)を調製することで、反射ミラー自体の機能化を図ることができる。  Further, it is possible to prepare a reflection mirror in which the wavelength characteristic of the reflected light beam is selected by selecting the material of the mirror. As in the invention of claim 2 of the present application, for example, a half-wavelength transmission type half mirror such as a hot mirror or a cold mirror with a dielectric multilayer coating is formed, or a reflection mirror as in the invention of claim 7 of the present application. By selecting the material metal (for example, aluminum, gold, platinum, silicon, rhodium, etc.), the reflection wavelength characteristics (reflection and absorption) of the mirror can be adjusted, so that the function of the reflection mirror itself can be achieved.

本願発明のビームスプリッターと反射ミラーとの複合化により、ビームスプリッターの分割特性に加えて、透過する光束あるいは反射のうえミラーで反射されさらにビームスプリッターを透過していく光速と、さらには各ミラーを透過する光速とを、目的に応じて強度あるいは波長により分割することが可能となり、またその光軸もビームスプリッターのS偏光方向の180度反対方向に伸ばすことも可能となる。  By combining the beam splitter and the reflecting mirror of the present invention, in addition to the splitting characteristics of the beam splitter, the light flux that is transmitted or reflected is reflected by the mirror, and the speed of light that is further transmitted through the beam splitter. The transmitted light speed can be divided according to the intensity or wavelength according to the purpose, and the optical axis can also be extended 180 degrees opposite to the S-polarization direction of the beam splitter.

例えば、ビームスプリッターの反射偏光面と向き合ったキュービック端面全てを、光束の入射・発射双方向の端面とすることが可能となり、それぞれの光軸延長に各種のセンシング機構或いは光送受信(レーザー通信等)機構を配すること(請求項5の発明)が可能となって、1つのビームスプリッターを中心とした多機能な複合光学システムを構築することが可能となる。  For example, it is possible to make all the cubic end faces facing the reflection polarization plane of the beam splitter as end faces for both incident and emission of light beams, and various sensing mechanisms or optical transmission / reception (laser communication etc.) for each optical axis extension It is possible to arrange a mechanism (the invention of claim 5), and it is possible to construct a multifunctional composite optical system centered on one beam splitter.

本願請求項1の発明のビームスプリッター−反射ミラー系の光学システムでは、請求項3の発明のように、同時に反射ミラー面にスリットを構成することで、スリット透過画像光を、当該反射ミラーの裏面側に設置した光学センサーに導入してセンシングすることが可能となる。  In the optical system of the beam splitter-reflecting mirror system of the invention of claim 1 of the present application, as in the invention of claim 3, by simultaneously forming a slit on the reflecting mirror surface, the slit transmission image light is transmitted to the back surface of the reflecting mirror. It is possible to sense by introducing it into an optical sensor installed on the side.

また、請求項4の発明のように、ビームスプリッターにより分割されたそれぞれの分割画像光に対してそれぞれスリットを配置して、それぞれの分割画像から個別にスリット画像光を得ることができる。  In addition, as in the fourth aspect of the present invention, it is possible to individually provide slit image light from each divided image by arranging a slit for each divided image light divided by the beam splitter.

当然このときには、目的によってスリットは請求項3の発明の反射ミラーに形成するスリットだけではなく、反射防止特性を有するコーティングが施された遮光スリットが配置或いは端面に形成されてもよい。  Naturally, in this case, depending on the purpose, the slit may be formed not only on the reflecting mirror of the invention of claim 3 but also on the end face or a light shielding slit provided with a coating having an antireflection characteristic.

以上の請求項1乃至請求項4の構成の発明に対して、請求項6の発明により、分割画像光の光軸延長に、二次元イメージセンサー、リニアイメージセンサー、分光センサー等のセンシングの目的を異にした光学的センサーを配した構成とすることができるため、極めて簡素な光学的・機械的構成により、撮像データ系、光学分析データ系の多様な観測データを相互のデータが関係付けて取得することができる。  In contrast to the above-described inventions according to claims 1 to 4, according to the invention of claim 6, the purpose of sensing such as a two-dimensional image sensor, a linear image sensor, and a spectroscopic sensor can be used to extend the optical axis of the divided image light. Since it can be configured with different optical sensors, various observation data of the imaging data system and optical analysis data system can be obtained by relating each other's data with an extremely simple optical and mechanical configuration. can do.

特許文献2に開示された公知技術では、ビームスプリッターの反射面にスリット−ミラーを形成するために、前述したように、それに続く光路上のセンシングでは、スリット部分の画像光が欠落したままとなるために、本願発明のような自由で多様な撮像−光学分析系の複合光学システムを実現することは困難である。  In the known technique disclosed in Patent Document 2, since the slit mirror is formed on the reflection surface of the beam splitter, as described above, in the subsequent sensing on the optical path, the image light in the slit portion remains missing. Therefore, it is difficult to realize a free and diverse composite optical system of an imaging-optical analysis system as in the present invention.

なお、同文献ではスリット部分の欠落画像光の情報は、異なる時間に撮像された当該欠落相当部分の画像を埋め込む(貼り付ける)ことで補正可能としているが、単純な画像情報としては補正されるとはいえ、厳密な二次元センシング(例えば赤外線等不可視画像センシング)では時間差による欠落部とその他の部分とのデータの整合性が図られない問題が生じる。  In this document, the information on the missing image light in the slit portion can be corrected by embedding (pasting) the image corresponding to the missing portion captured at different times, but it is corrected as simple image information. However, in strict two-dimensional sensing (for example, invisible image sensing such as infrared rays), there is a problem that data consistency between a missing part and other parts due to a time difference cannot be achieved.

これに対して本願発明では、ビームスプリッターの反射系を正面からの入射光だけでなく、透過光のミラー反射光がビームスプリッター裏面からの入射し、それをさらに分割することにより複数の光束系に分割することができ、それぞれの反射あるいは透過、スリット透過を反射ミラーの特性を素材的あるいはスリッティング方法により調整すること可能なため、従来にない多様な光学的センシングが可能となっている。  On the other hand, in the present invention, not only the incident light from the front but also the reflected light of the mirror is incident from the back surface of the beam splitter, and further splits it into a plurality of light flux systems. Since each reflection or transmission and slit transmission can be adjusted with respect to the characteristics of the reflection mirror by the material or slitting method, various optical sensing that has not been possible in the past is possible.

とりわけ、ビームスプリッターの端面に反射ミラーを接着あるいはコーティングして、ビームスプリッターと反射ミラーを一体化させることが本願の複合光学システムを簡素・小型化するために極めて有効である。  In particular, bonding or coating a reflecting mirror on the end face of the beam splitter to integrate the beam splitter and the reflecting mirror is extremely effective for simplifying and reducing the size of the composite optical system of the present application.

本願のビームスプリッターは反射偏向面が一面であるキュービック型あるいはプレート型のものを想定しているが、観測光学系より入射する多波長画像光の強度が十分確保されるときは、二つ以上のビームスプリッターが直列(透過光方向)に接着一体化されて、さらに複数の画像光束に分割させていくことも可能である。  The beam splitter of the present application is assumed to be a cubic type or a plate type with a single reflection deflection surface. However, when sufficient intensity of the multi-wavelength image light incident from the observation optical system is secured, two or more A beam splitter can be bonded and integrated in series (in the direction of transmitted light) and further divided into a plurality of image light beams.

そのときはそれぞれのビームスプリッターの反射光(S偏光)方向を同一とすることも可能であるし、それぞれのS偏光軸を90度、180度、270度回転させることも可能となる。  At that time, the reflected light (S-polarized light) directions of the respective beam splitters can be made the same, and the respective S-polarized axes can be rotated by 90 degrees, 180 degrees, and 270 degrees.

結合ビームスプリッターの場合であっても、それら結合されたビームスプリッターの端面に連続して画像光の焦点位置(領域)に反射ミラーが形成又は配置され、再びビームスプリッターに入射される構成であれば、いずれの場合も本願発明の範囲に含まれるものである。  Even in the case of a combined beam splitter, a reflection mirror is formed or arranged at the focal position (region) of the image light continuously on the end face of the combined beam splitter and is incident on the beam splitter again. Both cases are included in the scope of the present invention.

本願発明の複合光学システムは、請求項8乃至請求項10の発明のとおり、当然に光学的な調整・補正機構を備えることを予定している。これらの調整・補正機構は公知の技術を利用するものであっても構わない。  The composite optical system according to the present invention is naturally provided with an optical adjustment / correction mechanism as in the inventions of claims 8 to 10. These adjustment / correction mechanisms may use known techniques.

次に、本願請求項5の複合光学システムは、レーザー光の受発信をさらに複合させるものである。レンズ系や反射光学系の光軸延長にレーザー発振器及び受光センサーがさらに配されて、多波長画像の分配と同一光学系を介してレーザーを送受信することができる。  Next, the composite optical system according to claim 5 of the present application further combines reception and transmission of laser light. A laser oscillator and a light receiving sensor are further arranged on the optical axis extension of the lens system and the reflection optical system, so that the laser can be transmitted and received through the same optical system as the multi-wavelength image distribution.

本願発明では、観測のための光学系・反射系の同一構成をレーザー受発信のため用いて地上の基地との通信手段とすることで、極めて簡易かつ小型な機器構成で、請求項11及び請求項12の発明のように小型のリモートスペーステレスコープ(観測衛星)を実現することが可能である。当然に本願発明のリモートテレスコープには制御のためのコンピュータが搭載されている。  In the present invention, the same configuration of the optical system and the reflection system for observation is used for laser transmission / reception, and is used as a communication means with the ground base, so that the apparatus configuration is extremely simple and small. As in the invention of Item 12, a small remote space telescope (observation satellite) can be realized. Naturally, the remote telescope of the present invention is equipped with a computer for control.

本願発明のリモートテレスコープにより、例えば地表面等を撮像してその多波長画像の多面的なセンシングを行い、宇宙空間からその膨大なデータを地上の基地にレーザー通信で送信する場合、請求項13の発明のように、可視光または不可視な赤外線光を用いて通信を行ううえで、地上での光強度が人体器官に損傷を与えない程度に弱い光とすることが望ましい。  For example, when the remote telescope of the present invention images, for example, the ground surface, performs multi-faceted sensing of the multi-wavelength image, and transmits a huge amount of data from outer space to a ground base by laser communication, claim 13. As in this invention, when performing communication using visible light or invisible infrared light, it is desirable that the light intensity on the ground be weak enough that the human organs are not damaged.

また、リモートスペーステレスコープの場合、レーザー受信部への光路には、通信レーザーと多波長画像光、さらには他者の発したレーザー光が混在して入射しうる可能性があり、誤作動等のトラブルが生じる危険性がある。このため、請求項14の発明では、光源の特定の波長以外の光を遮断又は減衰させるフィルター又はシャッターを受光センサー手前に配して、目的とする通信レーザーのみを受信するものである。  In the case of a remote space telescope, there is a possibility that a communication laser, multi-wavelength image light, and laser light emitted by another person may enter the optical path to the laser receiver. There is a risk of trouble occurring. For this reason, in the invention of claim 14, a filter or shutter for blocking or attenuating light other than a specific wavelength of the light source is disposed in front of the light receiving sensor, and only the intended communication laser is received.

さらに請求項15の発明のリモートテレスコープでは、地上の基地の位置を特定するために、地上に設置した特定の波長の光源の位置を感知するセンサーを複合光学システムに搭載し、地上からの通信に基づき、基地を特定したうえでその光源の近傍にリモートテレスコープ側からレーザー通信光を放出できるようになっており、データ通信のみならず、地上の基地の位置の把握も電波通信によらずレーザー光通信で行うことができる。  Furthermore, in the remote telescope of the invention of claim 15, in order to specify the position of the base on the ground, a sensor for detecting the position of the light source having a specific wavelength installed on the ground is mounted on the composite optical system, and communication from the ground is performed. Based on the above, it is possible to emit laser communication light from the remote telescope side in the vicinity of the light source after identifying the base, not only for data communication but also for grasping the position of the ground base by radio communication Laser light communication can be used.

この他、宇宙空間では太陽光の照射状況により200℃前後の温度差が繰り返し生じるために、リモートテレスコープの光学系機構はこの温度による影響を受ける。請求項16、請求項17の発明では、リモートテレスコープに搭載されるコンピュータにより、入射光の取り込み角度調整のみならず、装置温度の調整、さらには温度差による観測画像の歪みを自動補正する機構を搭載するようになっている。  In addition, since a temperature difference of around 200 ° C. repeatedly occurs in outer space depending on the sunlight irradiation condition, the optical system mechanism of the remote telescope is affected by this temperature. In the inventions according to claims 16 and 17, not only the incident angle adjustment of the incident light but also the adjustment of the apparatus temperature, and further the automatic correction of the observation image distortion due to the temperature difference by the computer mounted on the remote telescope. Is supposed to be installed.

本願発明は、上記の説明に限定されるものではなく、特許請求の範囲にかかる如何なる実施の形態も本願発明に含まれるものである。  The present invention is not limited to the above description, and any embodiment according to the scope of claims is included in the present invention.

本願発明の複合光学システムは、その簡素で小型、かつ多種の光学センシング及び光通信機構の複合可能性により、小型人工衛星(マイクロスペーステレスコープ)の非常に好適に利用され、わが国及び世界の航空宇宙産業における超小型化の需要に応える可能性があると思料される。  The composite optical system of the present invention is very suitable for small satellites (microspace telescopes) because of its simple and small size and the possibility of combining various optical sensing and optical communication mechanisms. It seems that there is a possibility of meeting the demand for ultra-miniaturization in the space industry.

10 光学系
20 ビームスプリッター
25 ビームスプリッターの反射偏光領域
30 反射ミラー
35 スリット
40 光学的センサー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Optical system 20 Beam splitter 25 Reflection polarization area of beam splitter 30 Reflection mirror 35 Slit 40 Optical sensor

Claims (17)

レンズ系や反射光学系を通して入射した多波長画像を複数の光学的センサーに分配する複合光学システムであって、
上記光学系より入射した多波長画像は、ビームスプリッターによりP偏光とS偏光に所定の強度比で分割、あるいは異なる波長領域に分割され、
分割された上記分割画像面のうち、一方の画像は焦点位置に配された主光軸に直行する反射ミラーにより反射されて再びビームスプリッターに入射してビームスプリッターの上記特性に応じて再び分割され、次の光学系に伝搬することを特徴とする
複合光学システム
A compound optical system that distributes a multi-wavelength image incident through a lens system or a reflective optical system to a plurality of optical sensors,
The multi-wavelength image incident from the optical system is divided into P-polarized light and S-polarized light at a predetermined intensity ratio by a beam splitter, or divided into different wavelength regions,
Of the divided image planes, one image is reflected by a reflecting mirror orthogonal to the main optical axis arranged at the focal position, is incident on the beam splitter again, and is divided again according to the characteristics of the beam splitter. , Propagating to the next optical system
反射ミラーは、入射した多波長画像に対して強度あるいは波長領域で所定の透過反射率を持ったハーフミラーであることを特徴とする
請求項1に記載の複合光学システム
2. The composite optical system according to claim 1, wherein the reflecting mirror is a half mirror having a predetermined transmission reflectance in the intensity or wavelength region with respect to the incident multi-wavelength image.
反射ミラーの所定の部位にはスリットが形成されており、上記分割画像面のうちスリットを透過した画像情報を、上記全反射ミラーの裏面側に設置した光学的センサーに導入することを特徴とする
請求項1又は請求項2に記載の複合光学システム
A slit is formed in a predetermined part of the reflection mirror, and image information transmitted through the slit among the divided image surfaces is introduced into an optical sensor installed on the back side of the total reflection mirror. The composite optical system according to claim 1 or 2.
ビームスプリッターにより分割されたそれぞれの分割画像に対して、個別にスリットを配置して、それぞれの分割画像から個別にスリット画像を得ることを特徴とする
請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の複合光学システム
4. A slit image is individually arranged for each divided image divided by the beam splitter, and a slit image is individually obtained from each divided image. Composite optical system
レンズ系や反射光学系の光軸延長にはレーザー発振器及び受光センサーがさらに配されて、多波長画像の分配と同一光学系を介してレーザーを送受信することを特徴とする
請求項1乃至請求項4に記載の複合光学システム
A laser oscillator and a light receiving sensor are further provided for extending the optical axis of the lens system and the reflection optical system, and the laser is transmitted and received through the same optical system as that for multi-wavelength image distribution. 4. Compound optical system according to
ビームスプリッターにより分割されたそれぞれの分割画像に対して光軸延長に配される光学的センサーが、可視光二次元イメージセンサー又は不可視光二次元イメージセンサーのいずれかであり、
スリット光の光軸延長に配される光学的センサーが、結像光学系を有するリニアイメージセンサー又は分光センサーのいずれかであることを特徴とする
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の複合光学システム
The optical sensor arranged in the optical axis extension for each divided image divided by the beam splitter is either a visible light two-dimensional image sensor or an invisible light two-dimensional image sensor,
6. The optical sensor arranged in the extension of the optical axis of the slit light is either a linear image sensor or a spectroscopic sensor having an imaging optical system. Compound optical system
ビームスプリッターに設置する反射ミラーの素材に異なる金属材料を用いることで反射ミラーの反射波長特性を調製することを特徴とする
請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の複合光学システム
7. The composite optical system according to claim 1, wherein the reflection wavelength characteristic of the reflection mirror is adjusted by using a different metal material as a material of the reflection mirror installed in the beam splitter.
ビームスプリッターに入射する画像に対して、色収差などを補正する光学系を用いてビームスプリッターにて発生する色収差を補正することを特徴とする
請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の複合光学システム
8. The composite optical system according to claim 1, wherein chromatic aberration generated in the beam splitter is corrected with respect to an image incident on the beam splitter using an optical system that corrects chromatic aberration and the like. system
レンズ系や反射光学系を機械的あるいは光学的に微調整して、光の入射角度あるいは放出角度を微調整することを特徴とする
請求項1乃至請求項8のいずれかに記載の複合光学システム
9. The compound optical system according to claim 1, wherein a lens system or a reflection optical system is finely adjusted mechanically or optically to finely adjust an incident angle or an emission angle of light.
光学特性を安定化させるために温度センサーと温度コントロール用の熱源をさらに備えていることを特徴とする
請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の複合光学システム
10. The composite optical system according to claim 1, further comprising a temperature sensor and a heat source for temperature control in order to stabilize the optical characteristics.
請求項5乃至請求項10のいずれかに記載の複合光学システムを搭載して上空又は宇宙空間で飛翔観測を行うテレスコープであって、ビームスプリッターを経た画像を少なくとも2種類以上の光学的観測情報としてデジタル情報化して記憶装置に保存して、保存した観測情報は、通信手段により地上の基地に情報転送することを特徴とする
複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
A telescope that carries the combined optical system according to any one of claims 5 to 10 and performs flight observation in the sky or in outer space, and at least two types of optical observation information on an image that has passed through a beam splitter. Remote telescope equipped with a composite optical system characterized in that it is converted into digital information and stored in a storage device, and the stored observation information is transferred to a ground base by communication means
デジタル情報化、記憶装置への保存、及び保存情報の送信の情報処理操作は、地上の基地からレーザー通信あるいは電波通信により遠隔操作して行うことを特徴とする
請求項11に記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
12. The composite optical system according to claim 11, wherein the information processing operations of digitalization, storage in a storage device, and transmission of stored information are performed remotely from a ground base by laser communication or radio wave communication. Remote telescope equipped with
レーザー通信に用いる光として、可視光または不可視な赤外線光を用いて通信を行うリモートテレスコープであって、地上での光強度が人体器官に損傷を与えない程度に弱い光であることを特徴とする
請求項11又は請求項12のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
It is a remote telescope that communicates using visible light or invisible infrared light as light used for laser communication, characterized in that the light intensity on the ground is weak enough not to damage human organs A remote telescope equipped with the composite optical system according to claim 11 or 12
地上からの通信手段に用いる光源の特定の波長以外の光を遮断又は減衰させるフィルター又はシャッターを受光センサー手前に配することを特徴とする
請求項11又は請求項13のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
14. The compound optical according to claim 11, wherein a filter or a shutter for blocking or attenuating light other than a specific wavelength of a light source used for communication means from the ground is arranged in front of the light receiving sensor. Remote telescope with system
地上に設置した特定の波長の光源の位置を感知するセンサーを搭載し、地上からの通信に基づきその光源の近傍にレーザー通信光を放出できることを特徴とする
請求項11又は請求項14のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
The sensor for detecting the position of a light source having a specific wavelength installed on the ground is mounted, and laser communication light can be emitted in the vicinity of the light source based on communication from the ground. Telescope equipped with the compound optical system described in
搭載したコンピュータにより入射光の取り込み角度や装置温度などを自動制御させることを特徴とする
請求項11乃至請求項15のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
16. A remote telescope equipped with a composite optical system according to claim 11, wherein an incident light capturing angle, an apparatus temperature, and the like are automatically controlled by a mounted computer.
大気や宇宙環境での温度差により発生する観測画像の歪みを自動補正する空間光変調素子をさらに備えていることを特徴とする
請求項11乃至請求項16のいずれかに記載の複合光学システムを搭載したリモートテレスコープ
The composite optical system according to any one of claims 11 to 16, further comprising a spatial light modulation element that automatically corrects distortion of an observation image caused by a temperature difference in the atmosphere or space environment. Onboard remote telescope
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