JP3804579B2 - 恒星センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、恒星センサは、人工衛星に搭載され、その三軸姿勢安定制御を行う上で必要な恒星の位置情報を取得するために用いられる。恒星センサは、その基本構成として、外部光源の光を集光する光学レンズ系と、この光学レンズ系から光を受光して画像を生成する二次元撮像素子とを有しており、恒星等の星の光を撮像素子に結像させて、画像を生成することが可能である。この画像からは恒星の位置情報が取得され、この位置情報に基づき、人工衛星の姿勢が制御される。
【０００３】
ところで、恒星センサにおいては、測定対象とする恒星以外の光源からの光がセンサに入射し、測定データにノイズをもたらすことがある。これを抑制するために、従来では、筒状に形成され、光学レンズ系の前方側に配置されて、不要な光を遮る遮光部材（所謂バッフル）を設けることが知られている。かかる遮光部材は、例えば特開平５−２１３２８６号公報や特開平１０−１３２５５６号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構成では、特に暗い恒星(例えば５等星)を測定対象とする場合、例えば５等星の５×１０１２倍の明るさを有する太陽光等の、明るい光源からのノイズ光を十分に抑制するには、遮光部材を前方側に延長するように大型化せざるを得ず、それにより、遮光部材の長さおよび体積が恒星センサの大部分を占めることになっていた。人工衛星に搭載される機器は小型であればあるほど望ましいが、恒星センサに関しては、従来、上記のような理由から小型化が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、不要な光に対する遮光性能を確保しつつ小型である恒星センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る恒星センサは、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が上記遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してαよりも大きい角度範囲に配置されているものである。
【０００７】
また、本発明に係る恒星センサは、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材は互いに隣接する前方側遮光部材および後方側遮光部材の複数段式の構造を有し、上記前方側遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が上記前方側または後方側遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記前方側遮光部材は、上記光学レンズ系の光軸および方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側から遮光部材外部へ逃がす形状を有しており、上記後方側遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されているものである。
【０００８】
さらに、上記集光レンズがほぼ半球形状を備えているものである。
【０００９】
さらに、上記遮光部材の内壁面は、それが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されているものである。
【００１０】
さらに、上記集光レンズの後方側には、上記光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、恒星センサにおける各構成の位置関係を記述する上で、外部光源に対して近い側を「前方側」といい、遠い側を「後方側」という。
【００１２】
実施の形態１．
図１および図２は本発明の実施の形態１による恒星センサの要部を示す断面説明図である。恒星センサは、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成するものであり、その基本構成として、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系１と、該光学レンズ系１からの光を受光して画像を生成するＣＣＤ等の撮像素子４と、光学レンズ系１の前方側で該光学レンズ系１の光軸を取り囲む壁部５０ａを備え、その前方側で開口する遮光部材（以下、バッフルと言うこともある。）５０とを有している。
【００１３】
光学レンズ系１は、その最も前方側に配置され、その光軸Ｓ方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズ２と、撮像素子４の前方側に配置され、同じ光軸Ｓを有する複数のレンズからなる結像レンズ系３とから構成されている。また、これら集光レンズ２および結像レンズ系３は、それらが共に同じ光軸Ｓを有するように位置決めされている。
【００１４】
これら集光レンズ２と結像レンズ系３との間には、孔部５ａと該孔部５ａの周辺をなす平面部５ｂとを備えたアパーチャ部材５が設けられている。アパーチャ部材５は、集光レンズ２の後方側に隣接しつつ、その孔部５ａの中心が光軸Ｓ上に位置するように配置され、集光レンズ２の後方側から出射する光を通過させる。
【００１５】
この実施の形態１では、集光レンズ２が、例えば合成石英等のガラス材料から形成され、アパーチャ部材５に対向する後方側で平面をなしたほぼ半球形状を有している。集光レンズ２では、その光軸Ｓの方向に対して所定α以上の角度で入射された光が、後方側の内面で全反射される。すなわち、集光レンズ２では、光軸Ｓの方向に対して所定以下の角度で入射される光のみを、その後方側から出射可能とすることで、測定対象とする光源以外からの不要な光（例えば太陽光）を遮光するようになっている。
【００１６】
以下、図３を基に集光レンズ２の作用について詳細に説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、集光レンズ２の光軸Ｓの方向に対して所定α以上の角度で入射する光線、および、集光レンズ２の光軸Ｓの方向に対して所定α未満の角度で入射する光線をあらわしている。ここで、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度をθ1 ０とする。また、集光レンズ２の後方面の中心を点Ｐとする。集光レンズ２に入射した光線は、その集光レンズ２内に透過する。この光線は、点Ｐに向かうように、集光レンズ２の前方面に対して垂直に入射し、集光レンズ２内に透過する場合にも角度を変えない。そして、この実施の形態１では、集光レンズ２の後方面が平面をなしているため、集光レンズ２の後方側の内面における光線の入射角度θ２０は、その前方側での光軸Ｓの方向に対する入射角度θ1 ０と等しくなる（θ1 ０＝θ２０）。なお、入射角度θ２０は、より詳しくは、集光レンズ２の後方面に垂直である方向（すなわち光軸Ｓの方向）に対する光線の入射角度である。
【００１７】
集光レンズ２のガラス材料として、例えば合成石英を用いた場合について考察する。合成石英の屈折率はｎ＝１．４６であり、全反射の臨界角αは、α＝Ａｒｃｓｉｎ(１／ｎ)＝４３．３°である。つまり、集光レンズ２内で、後方側の内面に、４３．３°以上の入射角で入射する光線は全反射される。その結果、図３（ａ）に示されるように、θ20＞α（すなわちθ10＞α）となる光線は、集光レンズ２の後方側から出射されず、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができない。これにより、恒星センサの視野角の範囲外の角度で入射する太陽光などの測定対象以外の光源からの光線を、遮光することができる。
【００１８】
他方、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度θ10が全反射臨界角α未満である場合、図３（ｂ）に示されるように、光線は、集光レンズ２の後方側から出射され、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができる。これにより、恒星センサの視野角の範囲内の角度で入射する恒星の光などの測定対象の光源からの光線を、集光レンズ２の後方側から出射させ、更に、結像レンズ系３へ入射させることができる。
【００１９】
なお、上記図３では、集光レンズ２が半球形状を備えている場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示されるような形状であってもよく、要するにほぼ半球形状であればよい。図４（ａ）に示す集光レンズ２は、球の一片のような形状を有し、また、図４（ｂ）に示す集光レンズ２は、釣鐘形状を有し、更に、図４（ｃ）に示す集光レンズ２は、半球の両側の一部が切り欠かれてなるような形状を有している。かかる形状を備えた集光レンズを用いた場合にも、所定以下の角度で入射された光線のみを後方側から出射させることができる。この実施の形態１では、図４（ａ）に示した球の一片のような形状を有する集光レンズ２を用いており、ガラス材料として合成石英を用い、半径が３０ｍｍ、中心厚が２０ｍｍである場合の全反射の臨界角αは、５０°である。
【００２０】
バッフル５０は、ほぼラッパ状に形成されるものであり、光学レンズ系１の前方側にその光軸Ｓを取り囲む壁部５０ａを備え、その前方側で開口する。５０ｂは前方側開口部である。また、バッフル５０の内壁は黒塗りされている。この恒星センサでは、バッフル５０による不要光の減衰および集光レンズ２による遮光からなる２段階の作用により、太陽光などの比較的明るい光源からの光を十分に減衰させることができる。
なお、この実施の形態１では、図１および図２に示すように、バッフル５０の内壁面は、その傾斜が２段階になるように形成されている。
【００２１】
集光レンズ２に直接に太陽光が入射されると、レンズ表面若しくはレンズ内部でのわずかな散乱光が恒星の画像に対するノイズとなることがある。これを防止すべく、図１に示すように、バッフル５０の前方側開口部５０ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が、バッフル５０の内壁５０ａに直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。この実施の形態１では、太陽光の除去範囲の仕様を、例えば６０°以上に設定される。つまり、集光レンズ２の光軸Ｓに対する光線の角度が６０°（＝θ１）以上である場合に、集光レンズ２に直接入射できないように、前方側開口部５０ｂの開口径および光軸Ｓに沿った方向における位置（バッフル長）が設定されている。
更に、バッフル５０の内壁は黒塗りされているため、太陽光の大部分（好ましくは９５％以上）の光量は吸収される。
【００２２】
バッフル長Ｌbaffleとバッフル前面開口の半径Ｒbaffleの関係は、半径Ｒlensの半球レンズの場合には、下式（１）のような不等式で表される。
Ｌbaffle＞Ｒbaffle／ｔａｎθ１＋Ｒlens／ｔａｎθ１ （１）
仮に、Ｒlens＝３０ｍｍ、θ１＝６０°とすると、
Ｌbaffle＞０．５７７・Ｒbaffle＋１７．３ （２）
である。
なお、上記関係式（１）は集光レンズ２が半球形状の場合にのみ成立するものであるが、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示したような他の形状の場合にも同様な考えにより集光レンズ２に太陽光が直射しないようにバッフル５０の前方側開口部５０ａを形成することができる。
【００２３】
上記のように、バッフル５０の前方側開口部５０ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定θ１（＝６０°）以上の角度で入射する光線が、バッフル５０の内壁５０ａに直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。しかしながら、例えば図２に示すように、バッフル５０の前方側５０ｂを規定する縁部（エッジ）に当たると、種々の角度の散乱光が少なからず生じる。
この実施の形態１では、これに対処すべく、図２に示すように、バッフル５０の壁部５０ａは、光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるαよりも大きい角度範囲に配置されている。なお、図２に示した球の一片のような形状を有する集光レンズ２の全反射の臨界角αは、上述したように、集光レンズ２のガラス材料として合成石英を用いた場合には、５０°である。
【００２４】
このように、この実施の形態１では、バッフル５０の壁部５０ａ（前方側開口部５０ｂの縁部）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるα（＝５０°）よりも大きい角度範囲に配置されているので、上記のようにエッジで散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角はα（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。
なお、図２ではバッフル５０の前方側開口部５０ｂのエッジでの散乱光について示しているが、エッジに限らずバッフル５０の内壁面での散乱光についても同様のことが言える。
【００２５】
上記のように、バッフル５０の壁部５０ａは光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるαよりも大きい角度範囲に配置されているので、エッジなどで散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角はα（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。しかし、例えばエッジでの散乱光のうち、図２において集光レンズ２の後方面の中心点Ｐよりも左側へ入射する光線の入射角は５０°よりも小さい場合もあり、この光線は集光レンズ２後方側の内面で全反射されずにアパーチャ部材５を通過してしまう場合も考えられる。
【００２６】
そこで、この実施の形態１では、アパーチャ部材５（以下、第１のアパーチャ部材という）に対向して、所定径の孔部４５ａを備えた第２のアパーチャ部材４５が、結像レンズ系３の前方側に設けられている。また、第１のアパーチャ部材５と第２のアパーチャ部材４５との間には、光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部４７ａを備えた光減衰部材（以下、ダンパー部材と言うこともある。）４７が設けられている。この光減衰部材４７は、その内壁が黒塗りされるもので、第１のアパーチャ部材５を通過した後に散乱する光を吸収減衰させる。
【００２７】
この構成によれば、集光レンズ２の内部で全反射されない光線、すなわち、上述のような、αよりも小さい入射角度で集光レンズ２の後方側の内面に入射した光線についても、ある角度βよりも大きな入射角度であれば、光減衰部材４７でその光線を吸収減衰させることが可能である。
この理由について、図５を基に説明する。
【００２８】
図５（ａ）で示したように、集光レンズ２の前方側に入射する角度θ10と集光レンズ２の後方側の内面に入射する角度θ20とは、集光レンズ２が半球形状である場合にはθ10＝θ20となる。集光レンズ２の後方面からの出射角θ30は、
ｓｉｎθ30＝ｎ・ｓｉｎθ20
から求まる。その入射角θ20と出射角θ30との関係をグラフにすると、集光レンズ２のガラス材料として合成石英(ｎ＝１．４６)を使用した場合には、図６のようになる。すなわち、出射角θ30＞入射角θ20であるので、θ10（≒θ20）が大きいほど、第２のアパーチャ部材４５の外側へ光線が出射され、その光線を蹴ることができる。ここで、第２のアパーチャ部材４５で光線を完全に蹴ることができる最小の集光レンズ２の前方面への入射角をβとする。第２のアパーチャ部材４５で蹴られた光線は、ダンパー部材４７の内壁にて吸収減衰される。このダンパー部材４７の内壁は黒塗りされるので、光線は効率良く吸収減衰させることができる。なお、上記角度βは、第２のアパーチャ部材４５の孔部４５ａの径、ダンパー部材４７の光学レンズ系１の光軸Ｓ方向の長さなどを調整することにより、所望の値とすることができる。
【００２９】
以上のように、この実施の形態１では、不要光線（太陽光などの測定対象以外の光源からの光線）をバッフル５０によって減衰させ、バッフル５０で減衰しきれなかった不要光線を集光レンズ２での全反射によって遮光させ、さらに、集光レンズ２で全反射しきれなかった不要光線をダンパー部材４７によって吸収減衰させることが可能であるため、バッフル５０を大型化することなく、小型で、角度θ１以上で入射する不要光線を全て遮光することが可能な恒星センサを得ることができる。
【００３０】
なお、第２のアパーチャ部材４５および光減衰部材４７は必ずしも無くてもよく、その場合にも、集光レンズ２による遮光作用と共にバッフル５０による十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル５０自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。したがって、小型で、角度θ１以上で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図７〜図１０は本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、図７〜図９はそれぞれ光学レンズ系の光軸方向に対して５０°、６０°および７０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示し、図１０は前方側バッフルと後方側バッフルとを連通する連通開口部を規定する縁部で生じた散乱光の様子を示している。
図７〜図１０において、上記実施の形態１で説明したのと同様のものには同一符号を付しており、その説明を省略する。
【００３２】
上記実施の形態１では、集光レンズ２の全反射の臨界角αが例えば５０°であり、測定対象とする光源以外からの不要な光（太陽光など）の除去角（θ１）の仕様が例えば６０°以上と除去角の仕様の方が大きかった。これに対して、この実施の形態２では、測定対象とする光源以外からの不要な光（太陽光など）の除去角（θ２）の仕様が例えば３５°以上であり、集光レンズ２の全反射の臨界角α（５０°）の方が大きい。
【００３３】
以下では、主に、上記実施の形態１と異なる点について説明する。
この実施の形態２では、光学レンズ系１の前方側で光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部を備え、その前方側で開口するバッフルは、互いに隣接する前方側バッフル５２および後方側バッフル５１からなる２段式の構造を備えるもので、全体としてほぼラッパ状に形成され、光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲むように配置されている。５２ｂは前方側バッフル５２の前方側に形成された前方側開口部であり、５１ｂは前方側バッフル５２と後方側バッフル５１とを連通する連通開口部である。
なお、この実施の形態２では、図７〜図１０に示すように、前方側バッフル５２および後方側バッフル５１の内壁面は、それぞれその傾斜が２段階になるように形成されている。
【００３４】
集光レンズ２に直接に太陽光が入射されると、レンズ表面若しくはレンズ内部でのわずかな散乱光が恒星の画像に対するノイズとなることがある。これを防止すべく、前方側バッフル５２に形成された前方側開口部５２ｂの開口径および光軸Ｓに沿った方向における位置は、光軸Ｓの方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が、前方側バッフル５２または後方側バッフル５１の内壁に直接入射（最初に入射）されるように、すなわち、集光レンズ２に対して直接に入射できないように設定されている。この実施の形態２では、太陽光の除去範囲の仕様を、例えば３５°以上に設定される。つまり、集光レンズ２の光軸Ｓに対する入射光線の角度が３５°（＝θ２）以上である場合に、集光レンズ２に直接入射できないように、前方側バッフル５２の前方側開口部５２ｂが形成されている。
【００３５】
さらに、前方側バッフル５２の内壁面および後方側バッフル５１の内壁面は、それぞれが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されるものであり、この実施の形態２では、それらの内壁面に光沢の有る黒色塗料が塗布されている。このような黒色塗料としては、例えば、ロード社Ａｅｒｏｇｌａｚｅ Ｚ３０２を用いることができる。なお、前方側バッフル５２の内壁面および後方側バッフル５１の内壁面における光吸収率は９０％以上であるのが望ましく、正反射方向への反射を含まない光反射率が４％以下となるのが望ましい。
【００３６】
続いて、光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフル５１、５２の内壁面についての特性（光吸収性および光反射率）に関して、光沢のない黒色塗料のみが塗布されたバッフル９２の内壁面についての特性と比較しながら検討する。図１１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、光沢のない黒色塗料および光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフルの内壁面に光が入射した様子を示す説明図である。
【００３７】
図１１（ａ）から分かるように、光沢のない黒色塗料のみが塗布されたバッフル９２の内壁面に入射した光は、その内壁面で反射されると、各方向に散乱する傾向にある。他方、図３（ｂ）から分かるように、光沢の有る黒色塗料が塗布された後方側および前方側バッフル５１、５２の内壁面に入射した光は、その内壁面で反射される場合に、正反射方向に反射される傾向にある。
このように、光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフル５１、５２の内壁面で反射光の散乱成分が少ないことから、予期しない散乱光の光学レンズ系１への入射を抑制することができ、不要な光に対する優れた遮光性が得られる。
【００３８】
なお、上記実施の形態１においても、バッフル５０の内壁面に光沢の有る黒色塗料を塗布してもよい。
【００３９】
また、この実施の形態２では、前方側バッフル５２は、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側からバッフル外部へ逃がす形状を有している。一例として、図７〜図９に、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して５０°、６０°、および７０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフル５２での反射の様子を示す。図７〜図９より、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して５０°、６０°、および７０°の角度でその前方側より入射したそれぞれの光を、１〜３回の反射によって、その前方側から前方側バッフル５２外部へ逃がしていることが分かる。このような機能を有する前方側バッフル５２の形状（内壁面の傾斜角度や前方側開口部５２ｂの大きさなど）は、例えばコンピュータによる光追跡シミュレーションにより反射方向を計算し、最適化することにより求められる。
【００４０】
上記のように、前方側バッフル５２は、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ３（例えば５０°）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側からバッフル外部へ逃がす形状を有しており、さらに、前方側バッフル５２の前方側開口部５２ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定θ２（例えば３５°）以上の角度で入射する光線が、バッフル５０の内壁に直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。しかしながら、たとえバッフル５１、５２の内壁面を光沢の有る黒色塗料を塗布して表面処理していても、例えば図１０に示すように、前方側バッフル５２と後方側バッフル５１とを連通する連通開口部５１ｂを規定する縁部（エッジ）に当たると、種々の角度の散乱光が生じることがある。
【００４１】
この実施の形態２では、これに対処すべく、後方側バッフル５１の壁部５１ａ（連通開口部５１ｂを規定する縁部も含まれる。）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されている。なお、図７〜図１０に示した球の一片のような形状を有する集光レンズ２の全反射の臨界角αは、実施の形態１で述べたように、集光レンズ２のガラス材料として例えば合成石英を用いた場合には、５０°である。また、θ２（測定対象とする光源以外からの不要な光の除去角）の仕様は、例えば３５°である。
【００４２】
このように、この実施の形態２では、後方側バッフル５１の壁部５１ａ（連通開口部５１ｂを規定する縁部を含む。）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるα（＝５０°）よりも大きい角度範囲に配置されているので、上記のように縁部（エッジ）で散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角は、α（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。
なお、図１０では連通開口部５１ｂを規定するエッジでの散乱光について示しているが、エッジに限らず後方側バッフル５１の内壁面での散乱光についても同様のことが言える。
【００４３】
上記のように、後方側バッフル５１の壁部５１ａ（連通開口部５１ｂを規定する縁部を含む。）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるαよりも大きい角度範囲に配置されているので、エッジなどで散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角はα（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。しかし、例えばエッジでの散乱光のうち図１０において集光レンズ２の後方面の中心点Ｐよりも左側へ入射する光線の入射角は５０°よりも小さい場合もあり、この光線は集光レンズ２後方側の内面で全反射されずに第１のアパーチャ部材５を通過してしまう場合も考えられる。
【００４４】
そこで、この実施の形態２では、上記実施の形態１の場合と同様に、第１のアパーチャ部材５に対向して、所定径の孔部４５ａを備えた第２のアパーチャ部材４５が、結像レンズ系３の前方側に設けられている。また、第１のアパーチャ部材５と第２のアパーチャ部材４５との間には、光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部４７ａを備えた光減衰部材４７が設けられている。この光減衰部材４７は、その内壁が黒塗りされるもので、第１のアパーチャ部材５を通過した後に散乱する光を吸収減衰させる。
【００４５】
この構成によれば、集光レンズ２の内部で全反射されない光線、すなわち、上述のような、αよりも小さい入射角度で集光レンズ２の後方側の内面に入射した光線についても、光減衰部材４７でその光線を吸収減衰させることが可能である。
この理由は、上記実施の形態１で述べた通りである。
【００４６】
以上のように、この実施の形態２では、不要光線（太陽光などの測定対象以外の光源からの光線）をバッフル５１、５２によって減衰させ、バッフル５１、５２で減衰しきれなかった不要光線を集光レンズ２での全反射によって遮光させ、さらに、集光レンズ２で全反射しきれなかった光線をダンパー部材４７によって吸収減衰させることが可能であるため、バッフル５１、５２を大型化することなく、小型で、角度θ２以上で入射する不要光線を全て遮光することが可能な恒星センサを得ることができる。
【００４７】
なお、第２のアパーチャ部材４５および光減衰部材４７は必ずしも無くてもよく、その場合にも、集光レンズ２による遮光作用と共にバッフル５１、５２による十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル５１、５２自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。したがって、小型で、角度θ２以上で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００４８】
さらに、バッフルを互いに隣接する前方側バッフル５２および後方側バッフル５１の複数段式としているので、集光レンズ２を使う場合のバッフルの設計方針が明確になり、集光レンズ２の全反射遮光効果をより有効に利用できる遮光設計が容易となる。
また、前方側バッフルの前方側開口部５２ｂは、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が、前方側または後方側バッフル５２または５１の内壁に直接入射され、集光レンズ２に直接入射できないように形成されており、かつ、前方側バッフル５２は、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側からバッフル外部へ逃がす形状を有しており、しかも、後方側バッフル５１の壁部５１ａは光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されているので、大型化することなく、角度θ２以上で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が上記遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してαよりも大きい角度範囲に配置されているので、小型で、光学レンズ系の光軸方向に対してθ１以上の角度で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００５０】
また、本発明によれば、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材は互いに隣接する前方側遮光部材および後方側遮光部材の複数段式の構造を有し、上記前方側遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が上記前方側または後方側遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記前方側遮光部材は、上記光学レンズ系の光軸および方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側から遮光部材外部へ逃がす形状を有しており、上記後方側遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されているので、小型で、光学レンズ系の光軸方向に対してθ２以上の角度で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００５１】
さらに、上記集光レンズがほぼ半球形状を備えているので、集光レンズの後方側の内面での光線の入射角度を、その前方面での光軸の方向に対する入射角度とほぼ等しくすることが可能で、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光を確実に全反射することができる。
【００５２】
さらに、上記遮光部材の内壁面は、それが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されているので、散乱光の発生を抑制することができ、不要な光に対する優れた遮光性が得られる。
【００５３】
さらに、上記集光レンズの後方側には、上記光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられているので、遮光部材および集光レンズによる遮光に加え、集光レンズを出射した後での不要光を減衰させることが可能であり、より大きな遮光性能をもつ恒星センサを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による恒星センサの要部を示す断面説明図である。
【図２】 本発明の実施の形態１による恒星センサの要部を示す断面説明図である。
【図３】 図１の集光レンズの作用を説明する断面説明図であり、（ａ）は半球形状の集光レンズに対して光線が所定α以上の角度で入射する様子を示し、（ｂ）は光線が所定α未満の角度で入射する様子を示している。
【図４】 本発明の実施の形態１で用いられるほぼ半球形状の集光レンズの一例を示す正面図である。
【図５】 図１の光減衰部材の作用を説明する断面説明図であり、（ａ）は光線が所定β以上の角度で入射する様子を示し、（ｂ）は光線が所定β以下の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
【図６】 図１の集光レンズにおける光線の入射角と出射角との対応関係を示すグラフである。
【図７】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系の光軸方向に対して５０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示している。
【図８】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系の光軸方向に対して６０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示している。
【図９】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系の光軸方向に対して７０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示している。
【図１０】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、前方側バッフルと後方側バッフルとを連通する連通開口部を規定する縁部で生じた散乱光の様子を示している。
【図１１】 本発明の実施の形態２による恒星センサで用いられるバッフルの作用を説明する図であり、（ａ）は光沢のない黒色塗料のみが塗布されたバッフルの内壁面に光が入射する様子を示し、（ｂ）は光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフルの内壁面に光が入射する様子を示している。
【符号の説明】
１ 光学レンズ系、２ ほぼ半球形状の集光レンズ、３ 結像レンズ系、４ 撮像素子、５ 第１のアパーチャ部材、４５ 第２のアパーチャ部材、４７ 光減衰部材（ダンパー部材）、５０ 遮光部材（バッフル）、５１ 後方側遮光部材（後方側バッフル）、５２ 前方側遮光部材（前方側バッフル）、５０ａ、５１ａ、５２ａ 壁部、５０ｂ、５２ｂ 前方側開口部、５１ｂ 連通開口部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、恒星センサは、人工衛星に搭載され、その三軸姿勢安定制御を行う上で必要な恒星の位置情報を取得するために用いられる。恒星センサは、その基本構成として、外部光源の光を集光する光学レンズ系と、この光学レンズ系から光を受光して画像を生成する二次元撮像素子とを有しており、恒星等の星の光を撮像素子に結像させて、画像を生成することが可能である。この画像からは恒星の位置情報が取得され、この位置情報に基づき、人工衛星の姿勢が制御される。
【０００３】
ところで、恒星センサにおいては、測定対象とする恒星以外の光源からの光がセンサに入射し、測定データにノイズをもたらすことがある。これを抑制するために、従来では、筒状に形成され、光学レンズ系の前方側に配置されて、不要な光を遮る遮光部材（所謂バッフル）を設けることが知られている。かかる遮光部材は、例えば特開平５−２１３２８６号公報や特開平１０−１３２５５６号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構成では、特に暗い恒星(例えば５等星)を測定対象とする場合、例えば５等星の５×１０１２倍の明るさを有する太陽光等の、明るい光源からのノイズ光を十分に抑制するには、遮光部材を前方側に延長するように大型化せざるを得ず、それにより、遮光部材の長さおよび体積が恒星センサの大部分を占めることになっていた。人工衛星に搭載される機器は小型であればあるほど望ましいが、恒星センサに関しては、従来、上記のような理由から小型化が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記のような従来のものの問題点を解決するためになされたものであり、不要な光に対する遮光性能を確保しつつ小型である恒星センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る恒星センサは、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が上記遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してαよりも大きい角度範囲に配置されているものである。
【０００７】
また、本発明に係る恒星センサは、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材は互いに隣接する前方側遮光部材および後方側遮光部材の複数段式の構造を有し、上記前方側遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が上記前方側または後方側遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記前方側遮光部材は、上記光学レンズ系の光軸および方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側から遮光部材外部へ逃がす形状を有しており、上記後方側遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されているものである。
【０００８】
さらに、上記集光レンズがほぼ半球形状を備えているものである。
【０００９】
さらに、上記遮光部材の内壁面は、それが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されているものである。
【００１０】
さらに、上記集光レンズの後方側には、上記光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられているものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、恒星センサにおける各構成の位置関係を記述する上で、外部光源に対して近い側を「前方側」といい、遠い側を「後方側」という。
【００１２】
実施の形態１．
図１および図２は本発明の実施の形態１による恒星センサの要部を示す断面説明図である。恒星センサは、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成するものであり、その基本構成として、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系１と、該光学レンズ系１からの光を受光して画像を生成するＣＣＤ等の撮像素子４と、光学レンズ系１の前方側で該光学レンズ系１の光軸を取り囲む壁部５０ａを備え、その前方側で開口する遮光部材（以下、バッフルと言うこともある。）５０とを有している。
【００１３】
光学レンズ系１は、その最も前方側に配置され、その光軸Ｓ方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズ２と、撮像素子４の前方側に配置され、同じ光軸Ｓを有する複数のレンズからなる結像レンズ系３とから構成されている。また、これら集光レンズ２および結像レンズ系３は、それらが共に同じ光軸Ｓを有するように位置決めされている。
【００１４】
これら集光レンズ２と結像レンズ系３との間には、孔部５ａと該孔部５ａの周辺をなす平面部５ｂとを備えたアパーチャ部材５が設けられている。アパーチャ部材５は、集光レンズ２の後方側に隣接しつつ、その孔部５ａの中心が光軸Ｓ上に位置するように配置され、集光レンズ２の後方側から出射する光を通過させる。
【００１５】
この実施の形態１では、集光レンズ２が、例えば合成石英等のガラス材料から形成され、アパーチャ部材５に対向する後方側で平面をなしたほぼ半球形状を有している。集光レンズ２では、その光軸Ｓの方向に対して所定α以上の角度で入射された光が、後方側の内面で全反射される。すなわち、集光レンズ２では、光軸Ｓの方向に対して所定以下の角度で入射される光のみを、その後方側から出射可能とすることで、測定対象とする光源以外からの不要な光（例えば太陽光）を遮光するようになっている。
【００１６】
以下、図３を基に集光レンズ２の作用について詳細に説明する。図３（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、集光レンズ２の光軸Ｓの方向に対して所定α以上の角度で入射する光線、および、集光レンズ２の光軸Ｓの方向に対して所定α未満の角度で入射する光線をあらわしている。ここで、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度をθ1 ０とする。また、集光レンズ２の後方面の中心を点Ｐとする。集光レンズ２に入射した光線は、その集光レンズ２内に透過する。この光線は、点Ｐに向かうように、集光レンズ２の前方面に対して垂直に入射し、集光レンズ２内に透過する場合にも角度を変えない。そして、この実施の形態１では、集光レンズ２の後方面が平面をなしているため、集光レンズ２の後方側の内面における光線の入射角度θ２０は、その前方側での光軸Ｓの方向に対する入射角度θ1 ０と等しくなる（θ1 ０＝θ２０）。なお、入射角度θ２０は、より詳しくは、集光レンズ２の後方面に垂直である方向（すなわち光軸Ｓの方向）に対する光線の入射角度である。
【００１７】
集光レンズ２のガラス材料として、例えば合成石英を用いた場合について考察する。合成石英の屈折率はｎ＝１．４６であり、全反射の臨界角αは、α＝Ａｒｃｓｉｎ(１／ｎ)＝４３．３°である。つまり、集光レンズ２内で、後方側の内面に、４３．３°以上の入射角で入射する光線は全反射される。その結果、図３（ａ）に示されるように、θ20＞α（すなわちθ10＞α）となる光線は、集光レンズ２の後方側から出射されず、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができない。これにより、恒星センサの視野角の範囲外の角度で入射する太陽光などの測定対象以外の光源からの光線を、遮光することができる。
【００１８】
他方、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度θ10が全反射臨界角α未満である場合、図３（ｂ）に示されるように、光線は、集光レンズ２の後方側から出射され、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができる。これにより、恒星センサの視野角の範囲内の角度で入射する恒星の光などの測定対象の光源からの光線を、集光レンズ２の後方側から出射させ、更に、結像レンズ系３へ入射させることができる。
【００１９】
なお、上記図３では、集光レンズ２が半球形状を備えている場合について説明したが、これに限るものではなく、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示されるような形状であってもよく、要するにほぼ半球形状であればよい。図４（ａ）に示す集光レンズ２は、球の一片のような形状を有し、また、図４（ｂ）に示す集光レンズ２は、釣鐘形状を有し、更に、図４（ｃ）に示す集光レンズ２は、半球の両側の一部が切り欠かれてなるような形状を有している。かかる形状を備えた集光レンズを用いた場合にも、所定以下の角度で入射された光線のみを後方側から出射させることができる。この実施の形態１では、図４（ａ）に示した球の一片のような形状を有する集光レンズ２を用いており、ガラス材料として合成石英を用い、半径が３０ｍｍ、中心厚が２０ｍｍである場合の全反射の臨界角αは、５０°である。
【００２０】
バッフル５０は、ほぼラッパ状に形成されるものであり、光学レンズ系１の前方側にその光軸Ｓを取り囲む壁部５０ａを備え、その前方側で開口する。５０ｂは前方側開口部である。また、バッフル５０の内壁は黒塗りされている。この恒星センサでは、バッフル５０による不要光の減衰および集光レンズ２による遮光からなる２段階の作用により、太陽光などの比較的明るい光源からの光を十分に減衰させることができる。
なお、この実施の形態１では、図１および図２に示すように、バッフル５０の内壁面は、その傾斜が２段階になるように形成されている。
【００２１】
集光レンズ２に直接に太陽光が入射されると、レンズ表面若しくはレンズ内部でのわずかな散乱光が恒星の画像に対するノイズとなることがある。これを防止すべく、図１に示すように、バッフル５０の前方側開口部５０ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が、バッフル５０の内壁５０ａに直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。この実施の形態１では、太陽光の除去範囲の仕様を、例えば６０°以上に設定される。つまり、集光レンズ２の光軸Ｓに対する光線の角度が６０°（＝θ１）以上である場合に、集光レンズ２に直接入射できないように、前方側開口部５０ｂの開口径および光軸Ｓに沿った方向における位置（バッフル長）が設定されている。
更に、バッフル５０の内壁は黒塗りされているため、太陽光の大部分（好ましくは９５％以上）の光量は吸収される。
【００２２】
バッフル長Ｌbaffleとバッフル前面開口の半径Ｒbaffleの関係は、半径Ｒlensの半球レンズの場合には、下式（１）のような不等式で表される。
Ｌbaffle＞Ｒbaffle／ｔａｎθ１＋Ｒlens／ｔａｎθ１ （１）
仮に、Ｒlens＝３０ｍｍ、θ１＝６０°とすると、
Ｌbaffle＞０．５７７・Ｒbaffle＋１７．３ （２）
である。
なお、上記関係式（１）は集光レンズ２が半球形状の場合にのみ成立するものであるが、例えば図４（ａ）〜（ｃ）に示したような他の形状の場合にも同様な考えにより集光レンズ２に太陽光が直射しないようにバッフル５０の前方側開口部５０ａを形成することができる。
【００２３】
上記のように、バッフル５０の前方側開口部５０ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定θ１（＝６０°）以上の角度で入射する光線が、バッフル５０の内壁５０ａに直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。しかしながら、例えば図２に示すように、バッフル５０の前方側５０ｂを規定する縁部（エッジ）に当たると、種々の角度の散乱光が少なからず生じる。
この実施の形態１では、これに対処すべく、図２に示すように、バッフル５０の壁部５０ａは、光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるαよりも大きい角度範囲に配置されている。なお、図２に示した球の一片のような形状を有する集光レンズ２の全反射の臨界角αは、上述したように、集光レンズ２のガラス材料として合成石英を用いた場合には、５０°である。
【００２４】
このように、この実施の形態１では、バッフル５０の壁部５０ａ（前方側開口部５０ｂの縁部）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるα（＝５０°）よりも大きい角度範囲に配置されているので、上記のようにエッジで散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角はα（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。
なお、図２ではバッフル５０の前方側開口部５０ｂのエッジでの散乱光について示しているが、エッジに限らずバッフル５０の内壁面での散乱光についても同様のことが言える。
【００２５】
上記のように、バッフル５０の壁部５０ａは光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるαよりも大きい角度範囲に配置されているので、エッジなどで散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角はα（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。しかし、例えばエッジでの散乱光のうち、図２において集光レンズ２の後方面の中心点Ｐよりも左側へ入射する光線の入射角は５０°よりも小さい場合もあり、この光線は集光レンズ２後方側の内面で全反射されずにアパーチャ部材５を通過してしまう場合も考えられる。
【００２６】
そこで、この実施の形態１では、アパーチャ部材５（以下、第１のアパーチャ部材という）に対向して、所定径の孔部４５ａを備えた第２のアパーチャ部材４５が、結像レンズ系３の前方側に設けられている。また、第１のアパーチャ部材５と第２のアパーチャ部材４５との間には、光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部４７ａを備えた光減衰部材（以下、ダンパー部材と言うこともある。）４７が設けられている。この光減衰部材４７は、その内壁が黒塗りされるもので、第１のアパーチャ部材５を通過した後に散乱する光を吸収減衰させる。
【００２７】
この構成によれば、集光レンズ２の内部で全反射されない光線、すなわち、上述のような、αよりも小さい入射角度で集光レンズ２の後方側の内面に入射した光線についても、ある角度βよりも大きな入射角度であれば、光減衰部材４７でその光線を吸収減衰させることが可能である。
この理由について、図５を基に説明する。
【００２８】
図５（ａ）で示したように、集光レンズ２の前方側に入射する角度θ10と集光レンズ２の後方側の内面に入射する角度θ20とは、集光レンズ２が半球形状である場合にはθ10＝θ20となる。集光レンズ２の後方面からの出射角θ30は、
ｓｉｎθ30＝ｎ・ｓｉｎθ20
から求まる。その入射角θ20と出射角θ30との関係をグラフにすると、集光レンズ２のガラス材料として合成石英(ｎ＝１．４６)を使用した場合には、図６のようになる。すなわち、出射角θ30＞入射角θ20であるので、θ10（≒θ20）が大きいほど、第２のアパーチャ部材４５の外側へ光線が出射され、その光線を蹴ることができる。ここで、第２のアパーチャ部材４５で光線を完全に蹴ることができる最小の集光レンズ２の前方面への入射角をβとする。第２のアパーチャ部材４５で蹴られた光線は、ダンパー部材４７の内壁にて吸収減衰される。このダンパー部材４７の内壁は黒塗りされるので、光線は効率良く吸収減衰させることができる。なお、上記角度βは、第２のアパーチャ部材４５の孔部４５ａの径、ダンパー部材４７の光学レンズ系１の光軸Ｓ方向の長さなどを調整することにより、所望の値とすることができる。
【００２９】
以上のように、この実施の形態１では、不要光線（太陽光などの測定対象以外の光源からの光線）をバッフル５０によって減衰させ、バッフル５０で減衰しきれなかった不要光線を集光レンズ２での全反射によって遮光させ、さらに、集光レンズ２で全反射しきれなかった不要光線をダンパー部材４７によって吸収減衰させることが可能であるため、バッフル５０を大型化することなく、小型で、角度θ１以上で入射する不要光線を全て遮光することが可能な恒星センサを得ることができる。
【００３０】
なお、第２のアパーチャ部材４５および光減衰部材４７は必ずしも無くてもよく、その場合にも、集光レンズ２による遮光作用と共にバッフル５０による十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル５０自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。したがって、小型で、角度θ１以上で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００３１】
実施の形態２．
図７〜図１０は本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、図７〜図９はそれぞれ光学レンズ系の光軸方向に対して５０°、６０°および７０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示し、図１０は前方側バッフルと後方側バッフルとを連通する連通開口部を規定する縁部で生じた散乱光の様子を示している。
図７〜図１０において、上記実施の形態１で説明したのと同様のものには同一符号を付しており、その説明を省略する。
【００３２】
上記実施の形態１では、集光レンズ２の全反射の臨界角αが例えば５０°であり、測定対象とする光源以外からの不要な光（太陽光など）の除去角（θ１）の仕様が例えば６０°以上と除去角の仕様の方が大きかった。これに対して、この実施の形態２では、測定対象とする光源以外からの不要な光（太陽光など）の除去角（θ２）の仕様が例えば３５°以上であり、集光レンズ２の全反射の臨界角α（５０°）の方が大きい。
【００３３】
以下では、主に、上記実施の形態１と異なる点について説明する。
この実施の形態２では、光学レンズ系１の前方側で光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部を備え、その前方側で開口するバッフルは、互いに隣接する前方側バッフル５２および後方側バッフル５１からなる２段式の構造を備えるもので、全体としてほぼラッパ状に形成され、光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲むように配置されている。５２ｂは前方側バッフル５２の前方側に形成された前方側開口部であり、５１ｂは前方側バッフル５２と後方側バッフル５１とを連通する連通開口部である。
なお、この実施の形態２では、図７〜図１０に示すように、前方側バッフル５２および後方側バッフル５１の内壁面は、それぞれその傾斜が２段階になるように形成されている。
【００３４】
集光レンズ２に直接に太陽光が入射されると、レンズ表面若しくはレンズ内部でのわずかな散乱光が恒星の画像に対するノイズとなることがある。これを防止すべく、前方側バッフル５２に形成された前方側開口部５２ｂの開口径および光軸Ｓに沿った方向における位置は、光軸Ｓの方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が、前方側バッフル５２または後方側バッフル５１の内壁に直接入射（最初に入射）されるように、すなわち、集光レンズ２に対して直接に入射できないように設定されている。この実施の形態２では、太陽光の除去範囲の仕様を、例えば３５°以上に設定される。つまり、集光レンズ２の光軸Ｓに対する入射光線の角度が３５°（＝θ２）以上である場合に、集光レンズ２に直接入射できないように、前方側バッフル５２の前方側開口部５２ｂが形成されている。
【００３５】
さらに、前方側バッフル５２の内壁面および後方側バッフル５１の内壁面は、それぞれが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されるものであり、この実施の形態２では、それらの内壁面に光沢の有る黒色塗料が塗布されている。このような黒色塗料としては、例えば、ロード社Ａｅｒｏｇｌａｚｅ Ｚ３０２を用いることができる。なお、前方側バッフル５２の内壁面および後方側バッフル５１の内壁面における光吸収率は９０％以上であるのが望ましく、正反射方向への反射を含まない光反射率が４％以下となるのが望ましい。
【００３６】
続いて、光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフル５１、５２の内壁面についての特性（光吸収性および光反射率）に関して、光沢のない黒色塗料のみが塗布されたバッフル９２の内壁面についての特性と比較しながら検討する。図１１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、光沢のない黒色塗料および光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフルの内壁面に光が入射した様子を示す説明図である。
【００３７】
図１１（ａ）から分かるように、光沢のない黒色塗料のみが塗布されたバッフル９２の内壁面に入射した光は、その内壁面で反射されると、各方向に散乱する傾向にある。他方、図３（ｂ）から分かるように、光沢の有る黒色塗料が塗布された後方側および前方側バッフル５１、５２の内壁面に入射した光は、その内壁面で反射される場合に、正反射方向に反射される傾向にある。
このように、光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフル５１、５２の内壁面で反射光の散乱成分が少ないことから、予期しない散乱光の光学レンズ系１への入射を抑制することができ、不要な光に対する優れた遮光性が得られる。
【００３８】
なお、上記実施の形態１においても、バッフル５０の内壁面に光沢の有る黒色塗料を塗布してもよい。
【００３９】
また、この実施の形態２では、前方側バッフル５２は、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側からバッフル外部へ逃がす形状を有している。一例として、図７〜図９に、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して５０°、６０°、および７０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフル５２での反射の様子を示す。図７〜図９より、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して５０°、６０°、および７０°の角度でその前方側より入射したそれぞれの光を、１〜３回の反射によって、その前方側から前方側バッフル５２外部へ逃がしていることが分かる。このような機能を有する前方側バッフル５２の形状（内壁面の傾斜角度や前方側開口部５２ｂの大きさなど）は、例えばコンピュータによる光追跡シミュレーションにより反射方向を計算し、最適化することにより求められる。
【００４０】
上記のように、前方側バッフル５２は、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ３（例えば５０°）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側からバッフル外部へ逃がす形状を有しており、さらに、前方側バッフル５２の前方側開口部５２ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定θ２（例えば３５°）以上の角度で入射する光線が、バッフル５０の内壁に直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。しかしながら、たとえバッフル５１、５２の内壁面を光沢の有る黒色塗料を塗布して表面処理していても、例えば図１０に示すように、前方側バッフル５２と後方側バッフル５１とを連通する連通開口部５１ｂを規定する縁部（エッジ）に当たると、種々の角度の散乱光が生じることがある。
【００４１】
この実施の形態２では、これに対処すべく、後方側バッフル５１の壁部５１ａ（連通開口部５１ｂを規定する縁部も含まれる。）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されている。なお、図７〜図１０に示した球の一片のような形状を有する集光レンズ２の全反射の臨界角αは、実施の形態１で述べたように、集光レンズ２のガラス材料として例えば合成石英を用いた場合には、５０°である。また、θ２（測定対象とする光源以外からの不要な光の除去角）の仕様は、例えば３５°である。
【００４２】
このように、この実施の形態２では、後方側バッフル５１の壁部５１ａ（連通開口部５１ｂを規定する縁部を含む。）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるα（＝５０°）よりも大きい角度範囲に配置されているので、上記のように縁部（エッジ）で散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角は、α（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。
なお、図１０では連通開口部５１ｂを規定するエッジでの散乱光について示しているが、エッジに限らず後方側バッフル５１の内壁面での散乱光についても同様のことが言える。
【００４３】
上記のように、後方側バッフル５１の壁部５１ａ（連通開口部５１ｂを規定する縁部を含む。）は光学レンズ系１の光軸Ｓ方向に対して集光レンズ２の全反射の臨界角であるαよりも大きい角度範囲に配置されているので、エッジなどで散乱し集光レンズ２にその前方側から入射するほぼ全ての光の入射角はα（＝５０°）以上となり、後方側の内面で全反射される。しかし、例えばエッジでの散乱光のうち図１０において集光レンズ２の後方面の中心点Ｐよりも左側へ入射する光線の入射角は５０°よりも小さい場合もあり、この光線は集光レンズ２後方側の内面で全反射されずに第１のアパーチャ部材５を通過してしまう場合も考えられる。
【００４４】
そこで、この実施の形態２では、上記実施の形態１の場合と同様に、第１のアパーチャ部材５に対向して、所定径の孔部４５ａを備えた第２のアパーチャ部材４５が、結像レンズ系３の前方側に設けられている。また、第１のアパーチャ部材５と第２のアパーチャ部材４５との間には、光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部４７ａを備えた光減衰部材４７が設けられている。この光減衰部材４７は、その内壁が黒塗りされるもので、第１のアパーチャ部材５を通過した後に散乱する光を吸収減衰させる。
【００４５】
この構成によれば、集光レンズ２の内部で全反射されない光線、すなわち、上述のような、αよりも小さい入射角度で集光レンズ２の後方側の内面に入射した光線についても、光減衰部材４７でその光線を吸収減衰させることが可能である。
この理由は、上記実施の形態１で述べた通りである。
【００４６】
以上のように、この実施の形態２では、不要光線（太陽光などの測定対象以外の光源からの光線）をバッフル５１、５２によって減衰させ、バッフル５１、５２で減衰しきれなかった不要光線を集光レンズ２での全反射によって遮光させ、さらに、集光レンズ２で全反射しきれなかった光線をダンパー部材４７によって吸収減衰させることが可能であるため、バッフル５１、５２を大型化することなく、小型で、角度θ２以上で入射する不要光線を全て遮光することが可能な恒星センサを得ることができる。
【００４７】
なお、第２のアパーチャ部材４５および光減衰部材４７は必ずしも無くてもよく、その場合にも、集光レンズ２による遮光作用と共にバッフル５１、５２による十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル５１、５２自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。したがって、小型で、角度θ２以上で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００４８】
さらに、バッフルを互いに隣接する前方側バッフル５２および後方側バッフル５１の複数段式としているので、集光レンズ２を使う場合のバッフルの設計方針が明確になり、集光レンズ２の全反射遮光効果をより有効に利用できる遮光設計が容易となる。
また、前方側バッフルの前方側開口部５２ｂは、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が、前方側または後方側バッフル５２または５１の内壁に直接入射され、集光レンズ２に直接入射できないように形成されており、かつ、前方側バッフル５２は、光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側からバッフル外部へ逃がす形状を有しており、しかも、後方側バッフル５１の壁部５１ａは光学レンズ系１の光軸Ｓの方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されているので、大型化することなく、角度θ２以上で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が上記遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してαよりも大きい角度範囲に配置されているので、小型で、光学レンズ系の光軸方向に対してθ１以上の角度で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００５０】
また、本発明によれば、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、上記遮光部材は互いに隣接する前方側遮光部材および後方側遮光部材の複数段式の構造を有し、上記前方側遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が上記前方側または後方側遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記前方側遮光部材は、上記光学レンズ系の光軸および方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側から遮光部材外部へ逃がす形状を有しており、上記後方側遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されているので、小型で、光学レンズ系の光軸方向に対してθ２以上の角度で入射する不要光に対する遮光性能に優れた恒星センサを得ることができる。
【００５１】
さらに、上記集光レンズがほぼ半球形状を備えているので、集光レンズの後方側の内面での光線の入射角度を、その前方面での光軸の方向に対する入射角度とほぼ等しくすることが可能で、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光を確実に全反射することができる。
【００５２】
さらに、上記遮光部材の内壁面は、それが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されているので、散乱光の発生を抑制することができ、不要な光に対する優れた遮光性が得られる。
【００５３】
さらに、上記集光レンズの後方側には、上記光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられているので、遮光部材および集光レンズによる遮光に加え、集光レンズを出射した後での不要光を減衰させることが可能であり、より大きな遮光性能をもつ恒星センサを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１による恒星センサの要部を示す断面説明図である。
【図２】 本発明の実施の形態１による恒星センサの要部を示す断面説明図である。
【図３】 図１の集光レンズの作用を説明する断面説明図であり、（ａ）は半球形状の集光レンズに対して光線が所定α以上の角度で入射する様子を示し、（ｂ）は光線が所定α未満の角度で入射する様子を示している。
【図４】 本発明の実施の形態１で用いられるほぼ半球形状の集光レンズの一例を示す正面図である。
【図５】 図１の光減衰部材の作用を説明する断面説明図であり、（ａ）は光線が所定β以上の角度で入射する様子を示し、（ｂ）は光線が所定β以下の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
【図６】 図１の集光レンズにおける光線の入射角と出射角との対応関係を示すグラフである。
【図７】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系の光軸方向に対して５０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示している。
【図８】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系の光軸方向に対して６０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示している。
【図９】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、θ３＝５０°である場合に、光学レンズ系の光軸方向に対して７０°の角度でその前方側より入射した光の前方側バッフルでの反射の様子を示している。
【図１０】 本発明の実施の形態２による恒星センサの要部を示す断面説明図であり、前方側バッフルと後方側バッフルとを連通する連通開口部を規定する縁部で生じた散乱光の様子を示している。
【図１１】 本発明の実施の形態２による恒星センサで用いられるバッフルの作用を説明する図であり、（ａ）は光沢のない黒色塗料のみが塗布されたバッフルの内壁面に光が入射する様子を示し、（ｂ）は光沢の有る黒色塗料が塗布されたバッフルの内壁面に光が入射する様子を示している。
【符号の説明】
１ 光学レンズ系、２ ほぼ半球形状の集光レンズ、３ 結像レンズ系、４ 撮像素子、５ 第１のアパーチャ部材、４５ 第２のアパーチャ部材、４７ 光減衰部材（ダンパー部材）、５０ 遮光部材（バッフル）、５１ 後方側遮光部材（後方側バッフル）、５２ 前方側遮光部材（前方側バッフル）、５０ａ、５１ａ、５２ａ 壁部、５０ｂ、５２ｂ 前方側開口部、５１ｂ 連通開口部。
Claims (5)
- その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、
上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、
上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、
人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、
上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、
上記遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ１（α＜θ１）以上の角度で入射する光が上記遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してαよりも大きい角度範囲に配置されていることを特徴とする恒星センサ。 - その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、
上記光学レンズ系の前方側で該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を有し、その前方側で開口する遮光部材と、
上記光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを備え、
人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、
上記光学レンズ系には、その光軸方向に対して所定α以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられており、
上記遮光部材は互いに隣接する前方側遮光部材および後方側遮光部材の複数段式の構造を有し、
上記前方側遮光部材の前方側開口部は、上記光学レンズ系の光軸方向に対して所定θ２以上の角度でその前方側より入射する光が上記前方側または後方側遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されており、かつ、上記前方側遮光部材は、上記光学レンズ系の光軸および方向に対して所定θ３（θ２＜θ３）以上の角度でその前方側より入射する光を、その内壁面における所定回数内での反射によって、その前方側から遮光部材外部へ逃がす形状を有しており、
上記後方側遮光部材の壁部は上記光学レンズ系の光軸方向に対してα（α＞θ２）よりも大きい角度範囲に配置されていることを特徴とする恒星センサ。 - 上記集光レンズがほぼ半球形状を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の恒星センサ。
- 上記遮光部材の内壁面は、それが所定以上の光吸収率および正反射方向への光反射率をもつべく、光沢を有し暗色を帯びるように表面処理されていることを特徴とする請求項１または２記載の恒星センサ。
- 上記集光レンズの後方側には、上記光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の恒星センサ。
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