JP6184166B2 - 結像性能評価装置 - Google Patents

Description

この発明は、撮像光学系の結像性能を低下させる光学収差を判別する結像性能評価装置に関するものである。

以下の特許文献１には、光学系内の光学素子が偏心することで発生した収差により、光学系の結像性能が低下すると、光学系内の波面センサが波面収差を測定し、その測定結果に基づいて光学系内の光学素子を駆動して、光学系の結像性能を回復させる光学系調整装置が開示されている。
この光学系調整装置では、撮像光学系で発生している収差を判別するために、撮像光学系の検出器面と異なる結像面の収差（撮像領域外の収差）を検出する波面センサを実装している。
したがって、この光学系調整装置では、撮像光学系とは別に、波面センサの光学系を設ける必要があるため、装置が大型化し、搭載スペースや使用電力に制限がある光学センサシステムでは実現することが困難である。

以下の特許文献２には、撮像光学系と別に波面センサの光学系を実装することなく、光学収差を判別することが可能な結像性能評価装置が開示されている。
この結像性能評価装置では、点状光源から放射された光を一様な強度分布を有する平行光に拡大し、その平行光を光学系によって集光することでビームスポットを結像し、そのビームスポットの強度分布に基づいて、光学系で発生している収差量を算出するようにしている。
即ち、ビームスポットの強度分布には、０次ピーク（強度が大きいピーク）と、１次ピーク（強度が小さいピーク）が発生するが、強度が小さい１次ピークの強度情報からコマ収差を算出している。
なお、ビームスポットの強度分布を検出するために、光学系のビームスポットを拡大してＣＣＤカメラに結像させる拡大光学系を実装しており、この拡大光学系は、光学系の試験や組立調整段階では使用することができるが、光学系が完成した後の運用段階では使用することができない。

特開２０１２−１６３８９９号公報（段落番号［０００８］、図１） 特開平１０−９０１１９号公報（段落番号［０００９］、図１）

従来の結像性能評価装置は以上のように構成されているので、ビームスポットの強度分布から、強度が小さい１次ピークの強度情報を検出して、その強度情報からコマ収差を算出しているが、１次ピークは光検出器のノイズレベルの強度である。そのため、０次ピークに対する１次ピークの比が大きいので、広いダイナミックレンジを有する光検出器を用いなければ、１次ピークを検出することができず、広いダイナミックレンジを有する光検出器を用いることが困難な場合、１次ピークの検出精度が低く、高精度に収差を判別することができない課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、広いダイナミックレンジを有する光検出器を用いることなく、高精度に収差を判別することができる結像性能評価装置を得ることを目的とする。

この発明に係る結像性能評価装置は、矩形ビームを放射する矩形ビーム発生装置と、矩形ビーム発生装置から放射された矩形ビームを結像して、点像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された点像を検出して、その点像の強度分布を示す強度分布信号を出力する光検出器と、光検出器より出力された強度分布信号から強度分布画像を生成し、その強度分布画像を解析して、撮像光学系で発生している収差を検出する収差検出手段とを備え、矩形ビーム発生装置から、光軸に対する角度が異なる矩形ビームが撮像光学系に放射されるようにしたものである。
また、矩形ビーム発生装置が、撮像光学系の光軸回りに矩形ビームを回転させるビーム回転手段を備えており、ビーム回転手段によって矩形ビームが回転された際に、矩形ビームの回転が停止される位置が収差検出手段による収差の検出処理毎に異なるようにしたものである。

この発明によれば、矩形ビーム発生装置から、光軸に対する角度が異なる矩形ビームが撮像光学系に放射されるように構成したので、広いダイナミックレンジを有する光検出器を用いることなく、高精度に収差を判別することができる効果がある。

この発明の実施の形態１による結像性能評価装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１による結像性能評価装置の矩形ビーム発生装置１の構成例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による結像性能評価装置の矩形ビーム発生装置１の構成例を示す斜視図である。 カセグレン光学系の撮像光学系２を示す構成図である。 特許文献２の結像性能評価装置が、設計値（無収差）のカセグレン光学系に適用されている場合において、カセグレン光学系の開口径の全域に、点状光源から放射された無限遠光が入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。 図５の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 カセグレン光学系が図５の強度分布を持つ場合のＭＴＦを示す説明図である。 特許文献２の結像性能評価装置が、コマ収差が発生しているカセグレン光学系に適用されている場合において、カセグレン光学系の開口径の全域に、点状光源から放射された無限遠光が入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。 図８の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 カセグレン光学系が図８の強度分布を持つ場合のＭＴＦを示す説明図である。 特許文献２の結像性能評価装置が、非点収差が発生しているカセグレン光学系に適用されている場合において、カセグレン光学系の開口径の全域に、点状光源から放射された無限遠光が入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。 図１１の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 カセグレン光学系が図１１の強度分布を持つ場合のＭＴＦを示す説明図である。 実施の形態１の結像性能評価装置において、カセグレン光学系が設計値（無収差）である場合に、２０００ｍｍ×２００ｍｍの矩形ビームが入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。 図１４の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 実施の形態１の結像性能評価装置において、カセグレン光学系でコマ収差が発生している場合（２次鏡２２が光軸に垂直な方向に０．１ｍｍ並進して、コマ収差が発生している場合）に、２０００ｍｍ×２００ｍｍの矩形ビームが入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。 図１６の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 実施の形態１の結像性能評価装置において、カセグレン光学系で非点収差が発生している場合（１次鏡２１にアスが発生し、１次鏡面２１内で互いに直交する方向間で曲率半径にλ／４（λ＝５４６ｎｍ）相当の差が生じることで、非点収差が発生している場合）に、２０００ｍｍ×２００ｍｍの矩形ビームが入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。 図１８の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 図１６及び図１８の強度分布を観測する場合の矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係を示す斜視図である。 図２０の矩形ビームを撮像光学系２の光軸回りに９０°回転させた場合の矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係を示す斜視図である。 矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係が図２１であるときに、カセグレン光学系でコマ収差が発生している場合（２次鏡２２が光軸に垂直な方向に０．１ｍｍ並進して、コマ収差が発生している場合）の強度分布を示す説明図である。 矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係が図２１であるときに、カセグレン光学系で非点収差が発生している場合（１次鏡２１にアスが発生し、１次鏡面２１内で互いに直交する方向間で曲率半径にλ／４（λ＝５４６ｎｍ）相当の差が生じることで、非点収差が発生している場合）の強度分布を示す説明図である。 矩形ビーム発生装置１と撮像光学系２の位置合わせの様子を示す説明図である。 複数の矩形ビーム発生装置１が順番に矩形ビームを撮像光学系２に放射する様子を示す説明図である。 矩形ビーム発生装置1の射出面における矩形ビームの強度分布を示す説明図である。 図２６の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 距離５００ｋｍの位置に存在している人工衛星のカセグレン光学系の開口面に入射される矩形ビームの強度分布を示す説明図である。 図２８の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 図２８の強度分布がカセグレン光学系の開口面に入射された場合の光検出器３の検出面での強度分布を示す説明図である。 距離３０００ｋｍの位置に存在している人工衛星のカセグレン光学系の開口面に入射される矩形ビームの強度分布を示す説明図である。 図３１の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。 図３１の強度分布がカセグレン光学系の開口面に入射された場合の光検出器３の検出面での強度分布を示す説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による結像性能評価装置を示す構成図である。
図１において、矩形ビーム発生装置１は矩形ビームを撮像光学系２に放射する装置であり、矩形ビーム発生装置１は撮像光学系２の光軸回りに矩形ビームを回転させるビーム回転手段を実装している。
なお、ビーム回転手段は、矩形ビーム発生装置１の全体を撮像光学系２の光軸回りに回転させる回転機構であってもよいし、図２に示すように、矩形ビームを形成する矩形スリット１３だけを回転させる回転機構１４であってもよい。

撮像光学系２は矩形ビーム発生装置１から放射された矩形ビームを結像して、点像を形成する処理を実施する。
撮像光学系２としては、例えば、２枚の反射鏡で構成されたカセグレン光学系（望遠鏡光学系）を用いることができる。
光検出器３は例えばＣＣＤカメラなどから構成されており、撮像光学系２により形成された点像（ＰＳＦ：Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を検出して、その点像の強度分布を示す強度分布信号（電気信号）を出力する処理を実施する。
画像表示装置４は例えばＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や液晶ディスプレイなどから構成されており、光検出器３から出力された強度分布信号から点像の強度分布画像を生成し、その強度分布画像をディスプレイに表示する装置である。

光学シミュレーション部５は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、撮像光学系２で想定される光学素子の変異や変形を考慮して、撮像光学系２が無収差である場合の強度分布画像、撮像光学系２でコマ収差が発生している場合の強度分布画像、撮像光学系２で非点収差が発生している場合の強度分布画像をそれぞれシミュレーションし、それらの強度分布画像をデータベースに保存する処理を実施する。
ここでは、光学シミュレーション部５が、シミュレーションによって、各種の収差に対応する強度分布画像を取得しているものを示しているが、外部から各種の収差に対応する強度分布画像が与えられるものであってもよい。

画像マッチング部６は例えばＣＰＵを実装している半導体集積回路、あるいは、ワンチップマイコンなどから構成されており、画像表示装置４により生成された強度分布画像と、光学シミュレーション部５のデータベースに保存されている各種の収差に対応する強度分布画像との間の画像マッチングを実施して、撮像光学系２における収差の有無及び撮像光学系２に生じている収差の種類を判別する処理を実施する。
なお、画像表示装置４、光学シミュレーション部５及び画像マッチング部６から収差検出手段が構成されている。

図２はこの発明の実施の形態１による結像性能評価装置の矩形ビーム発生装置１の構成例を示す斜視図である。
図２において、点状光源１１は、例えば波長６３０ｎｍの単波長の光を放射する光源である。
コリメータ１２は点状光源１１から放射された光を無限遠光に変換する光学部品である。
矩形スリット１３は矩形の開口（例えば、２０００ｍｍ×２００ｍｍの開口）が施されており、コリメータ１２から出力された無限遠光を、開口部分を通過させることで矩形ビームを形成する部品である。
回転機構１４は例えばサーボモータなどから構成されており、矩形スリット１３を撮像光学系２の光軸回りに回転させる機構である。なお、回転機構１４はビーム回転手段を構成している。

図２では、矩形スリット１３が無限遠光から矩形ビームを形成している矩形ビーム発生装置１の例を示しているが、図３に示すように、矩形ビームを放射する小型の矩形開口コリメータ２０を複数個一列に配置して、所望の矩形ビームを形成するようにしてもよい。

図４はカセグレン光学系の撮像光学系２を示す構成図である。
図４のカセグレン光学系は、矩形ビーム発生装置１との距離が５０００ｍｍ、開口径がφ２０００ｍｍ、Ｆ値が１２であり、矩形ビーム発生装置１から放射された矩形ビームを反射する１次鏡２１と、１次鏡２１により反射された矩形ビームを光検出器３に向けて反射する２次鏡２２とから構成されている。

ただし、撮像光学系２は、図４に示すようなカセグレン光学系に限らず、複数のレンズやミラーなどの光学素子で構成されているものであってもよい。
撮像光学系２では、レンズやミラー単体が設計値通り製造されているとしても、撮像光学系２の組立時における最終評価段階や運用時で発生する光学収差は、光学素子の配置ずれによるコマ収差と、レンズやミラーを機械的に固定する際に加わる圧力によって発生するレンズやミラー面の歪み（アス）に起因する非点収差が主である。
図１の結像性能評価装置が判別する収差は、上記のコマ収差と非点収差である。

この実施の形態１による結像性能評価装置の効果を明らかにするため、上記の特許文献２に開示されている結像性能評価装置が、図４のカセグレン光学系に適用されている場合について説明する。
図５は特許文献２の結像性能評価装置が、設計値（無収差）のカセグレン光学系に適用されている場合において、カセグレン光学系の開口径（φ２０００ｍｍ）の全域に、点状光源から放射された無限遠光が入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。
また、図６は図５の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図６の例では、強度分布の中央部分には、大きな強度を持つ成分（０次ピーク）が存在し、その中央部分の周辺部分には、小さな強度を持つ成分（１次ピーク）が存在している。
図７はカセグレン光学系が図５の強度分布を持つ場合のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）を示す説明図である。
カセグレン光学系が無収差である場合、ＭＴＦは、図７に示すように、右下がりの直線状の特性を有する。

次に、図４のカセグレン光学系において、２次鏡２２が光軸に垂直な方向に０．１ｍｍ並進して、コマ収差が発生している場合を説明する。
図８は特許文献２の結像性能評価装置が、上記のコマ収差が発生しているカセグレン光学系に適用されている場合において、カセグレン光学系の開口径（φ２０００ｍｍ）の全域に、点状光源から放射された無限遠光が入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。
また、図９は図８の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図９（ａ）に示すＸ軸での強度断面は、無収差の場合とほぼ同様であるが（図６（ａ）を参照）、図９（ｂ）に示すＹ軸での強度断面は、無収差の場合と比べて（図６（ｂ）を参照）、１次ピークの強度が僅かに増加している。ただし、強度分布は大きく崩れてはいない。

図１０はカセグレン光学系が図８の強度分布を持つ場合のＭＴＦを示す説明図である。
図１０に示すように、コマ収差が発生している場合、無収差の場合と比べて（図７を参照）、解像力が大きく低下している。
このように、コマ収差が発生している場合、強度分布の崩れは僅かでも、解像力の低下が大きいことが分かる。
以上より、特許文献２の結像性能評価装置が、強度分布の変動からコマ収差を検出するには、元々強度が小さい１次ピークの僅かな変化を検知する必要があり、光検出器にノイズが加わると、検出が困難であることが分かる。

次に、図４のカセグレン光学系において、１次鏡２１にアスが発生し、１次鏡面２１内で互いに直交する方向間で曲率半径にλ／４（λ＝５４６ｎｍ）相当の差が生じることで、非点収差が発生している場合を説明する。
図１１は特許文献２の結像性能評価装置が、上記の非点収差が発生しているカセグレン光学系に適用されている場合において、カセグレン光学系の開口径（φ２０００ｍｍ）の全域に、点状光源から放射された無限遠光が入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。
また、図１２は図１１の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図１２（ａ）に示すＸ軸での強度断面は、無収差の場合とほぼ同様であるが（図６（ａ）を参照）、図１２（ｂ）に示すＹ軸での強度断面は、無収差の場合と比べて（図６（ｂ）を参照）、１次ピークの強度が僅かに増加している。ただし、強度分布は大きく崩れてはいない。

図１３はカセグレン光学系が図１１の強度分布を持つ場合のＭＴＦを示す説明図である。
図１３に示すように、非点収差が発生している場合、無収差の場合と比べて（図７を参照）、解像力が大きく低下している。
このように、非点収差が発生している場合、コマ収差が発生している場合と同様に、強度分布の崩れは僅かでも、解像力の低下が大きいことが分かる。
以上より、特許文献２の結像性能評価装置が、強度分布の変動から非点収差を検出するには、元々強度が小さい１次ピークの僅かな変化を検知する必要があり、光検出器にノイズが加わると、検出が困難であることが分かる。

図１４は実施の形態１の結像性能評価装置において、カセグレン光学系が設計値（無収差）である場合に、２０００ｍｍ×２００ｍｍの矩形ビームが入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。
また、図１５は図１４の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図１４の強度分布は、図５の強度分布と比べて、Ｘ軸方向に広がっている。これは矩形ビームによる回折によって強度分布が広がっているためである。

図１６は実施の形態１の結像性能評価装置において、カセグレン光学系でコマ収差が発生している場合（２次鏡２２が光軸に垂直な方向に０．１ｍｍ並進して、コマ収差が発生している場合）に、２０００ｍｍ×２００ｍｍの矩形ビームが入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。
また、図１７は図１６の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図１７（ｂ）に示すＹ軸での強度断面は、無収差の場合のＹ軸での強度断面（図１５（ｂ）を参照）と比べて、コマ収差の影響で１次ピークの強度が変化している。その変化量は、特許文献２に開示されている結像性能評価装置と比べて大きく（図９（ｂ）を参照）、コマ収差の判別性が向上していることが分かる。

図１８は実施の形態１の結像性能評価装置において、カセグレン光学系で非点収差が発生している場合（１次鏡２１にアスが発生し、１次鏡面２１内で互いに直交する方向間で曲率半径にλ／４（λ＝５４６ｎｍ）相当の差が生じることで、非点収差が発生している場合）に、２０００ｍｍ×２００ｍｍの矩形ビームが入射されたときのカセグレン光学系の光軸焦点位置における強度分布を示す説明図である。
また、図１９は図１８の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図１９（ａ）に示すＸ軸での強度断面は、無収差の場合のＸ軸での強度断面（図１５（ａ）を参照）と比べて、強度分布の幅が狭くなっている。
一方、図１９（ｂ）に示すＹ軸での強度断面は、無収差の場合のＹ軸での強度断面（図１５（ｂ）を参照）と比べて、非点収差の影響で１次ピークの強度が変化している。その変化量は、特許文献２に開示されている結像性能評価装置と比べて大きく（図１２（ｂ）を参照）、非点収差の判別性が向上していることが分かる。

ただし、撮像光学系２における光学素子の配置ずれは、常に一定の方向に生じる訳ではなく、光軸に垂直な面内のあらゆる方向に発生する。光学素子の変形による屈折面や反射面のアスも同様に、光軸に垂直な面内のあらゆる方向に発生する。
よって、光検出器３の検出面上のコマ収差や非点収差による強度分布の崩れも、検出面内のあらゆる方向に生じることになる。
このようにランダムな方向に生じる強度分布の崩れに対して、撮像光学系２の光軸に対する矩形ビームの角度が固定されている場合、収差の向きによっては、強度分布の崩れの判別が困難になり、収差の判別性が低下することがある。
以下、その具体例を挙げる。

図２０は図１６及び図１８の強度分布を観測する場合の矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係を示す斜視図である。
図２１は図２０の矩形ビームを撮像光学系２の光軸回りに９０°回転させた場合の矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係を示す斜視図である。
図２２は矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係が図２１であるときに、カセグレン光学系でコマ収差が発生している場合（２次鏡２２が光軸に垂直な方向に０．１ｍｍ並進して、コマ収差が発生している場合）の強度分布を示す説明図である。
この場合、図１６では確認可能な１次ピークの変化を確認することができない。このため、無収差と判別されて、カセグレン系で生じているコマ収差を見逃す可能性がある。

図２３は矩形ビームとカセグレン光学系の配置関係が図２１であるときに、カセグレン光学系で非点収差が発生している場合（１次鏡２１にアスが発生し、１次鏡面２１内で互いに直交する方向間で曲率半径にλ／４（λ＝５４６ｎｍ）相当の差が生じることで、非点収差が発生している場合）の強度分布を示す説明図である。
この場合、図１８では確認可能な１次ピークの変化を確認することができない。このため、無収差と判別されて、カセグレン系で生じている非点収差を見逃す可能性がある。
そこで、この実施の形態１では、矩形ビームを撮像光学系２の光軸回りに０〜１８０°の範囲で回転させることができるようにして、ある角度では確認が困難な収差を検出できるようにしている。

次に動作について説明する。
まず、矩形ビーム発生装置１は、矩形ビームを撮像光学系２に放射する。
矩形ビーム発生装置１から放射される矩形ビームは、回転機構１４によって、撮像光学系２の光軸回りに回転させられる。
回転機構１４による矩形ビームの回転は、後述する画像マッチング部６が収差の判別処理を実施する毎に行われ、収差の判別処理中は、任意の回転位置で停止される。
回転位置としては、例えば、０°の位置、４５°の位置、９０°の位置、１３５°の位置などが考えられる。ただし、この回転位置は、あくまでも一例である。
また、回転機構１４による矩形ビームの回転を連続的に行って、後述する画像表示装置４により表示される強度分布画像が連続的に変化するようにしてもよい。この場合、ユーザは、強度分布画像の変化を確認することで、強度分布の崩れが最も大きい回転位置を確認することができる。

撮像光学系２は、図４に示すようなカセグレン光学系で構成されており、カセグレン光学系の１次鏡２１が矩形ビーム発生装置１から放射された矩形ビームを反射し、２次鏡２２が１次鏡２１により反射された矩形ビームを光検出器３に向けて反射する。
光検出器４は、撮像光学系２の２次鏡２２により反射された矩形ビームが検出面上に結像され、その結像されている点像を検出して、その点像の強度分布を示す強度分布信号（電気信号）を画像表示装置４に出力する。
画像表示装置４は、光検出器３から強度分布信号を受けると、その強度分布信号から点像の強度分布画像を生成し、その強度分布画像をディスプレイに表示する。また、その強度分布画像を画像マッチング部６に出力する。

光学シミュレーション部５は、撮像光学系２で想定される光学素子の変異や変形を考慮して（例えば、２次鏡２２が光軸に垂直な方向に０．１ｍｍ並進する状況や、１次鏡面２１内で互いに直交する方向間で曲率半径にλ／４（λ＝５４６ｎｍ）相当の差が生じる状況などを考慮する）、撮像光学系２が無収差である場合の強度分布画像、撮像光学系２でコマ収差が発生している場合の強度分布画像、撮像光学系２で非点収差が発生している場合の強度分布画像をそれぞれシミュレーションし、それらの強度分布画像をデータベースに保存する。
これらの強度分布画像は、矩形ビームの回転位置毎にシミュレーションされてデータベースに保存される。
シミュレーションによって強度分布画像を生成する処理自体は公知の技術であるため詳細な説明は省略する。

画像マッチング部６は、光学シミュレーション部５のデータベースに保存されている各種の収差に対応する強度分布画像のうち、現在の矩形ビームの回転位置に対応する各収差の強度分布画像（無収差である場合の強度分布画像、コマ収差が発生している場合の強度分布画像、非点収差が発生している場合の強度分布画像）を取得する。
画像マッチング部６は、光学シミュレーション部５のデータベースから現在の矩形ビームの回転位置に対応する各収差の強度分布画像を取得すると、各収差の強度分布画像と画像表示装置４から出力された強度分布画像との間の画像マッチングを実施して、撮像光学系２における収差の有無及び撮像光学系２に生じている収差の種類を判別する。
即ち、画像マッチング部６は、各収差の強度分布画像と画像表示装置４から出力された強度分布画像との間の画像マッチングを実施することで、各収差の強度分布画像の中で、画像表示装置４から出力された強度分布画像と最も類似している画像を特定し、その画像に対応する収差の種類を判別する。

例えば、最も類似している画像が、撮像光学系２が無収差である場合の強度分布画像であれば、撮像光学系２で収差が発生していないと判別し、最も類似している画像が、撮像光学系２でコマ収差が発生している場合の強度分布画像であれば、撮像光学系２でコマ収差が発生していると判別する。
また、最も類似している画像が、撮像光学系２で非点収差が発生している場合の強度分布画像であれば、撮像光学系２で非点収差が発生していると判別する。

ただし、収差の向きによっては、強度分布の崩れの判別が困難になり、カセグレン系で生じているコマ収差や非点収差を見逃す可能性がある。
このため、回転位置が、例えば、０°の位置では、無収差であると判別されても、９０°の位置では、コマ収差や非点収差が検出されることがある。
そこで、画像マッチング部６は、例えば、０°の位置では、無収差であると判別しても、９０°の位置で、コマ収差（または、非点収差）であると判別すると、コマ収差（または、非点収差）が発生している旨を示す判別結果を出力する。
なお、強度分布画像の画像マッチング処理自体は公知の技術であるため詳細な説明は省略する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、矩形ビーム発生装置１から、光軸に対する角度が異なる矩形ビームが撮像光学系２に放射されるように構成したので、広いダイナミックレンジを有する光検出器を用いることなく、高精度に収差を判別することができる効果を奏する。
なお、光検出器３の他に、収差を判別するために別の光学系に設ける必要がないため、特許文献１と比べて、光学システムのリソースを増加させなくて済む効果もある。

この実施の形態１では、強度分布が鮮明に現れるようにするため、矩形ビーム発生装置１の点状光源１１が波長６３０ｎｍの単波長の光を放射するものを示したが、波長幅が狭い単波長であれば、強度分布が鮮明に現れるため、６３０ｎｍ以外の単波長の光を放射するものであってもよい。
この実施の形態１では、特に言及していなかったが、矩形ビーム発生装置１が、遠方に存在している撮像光学系２に対して矩形ビームを入射させる場合、伝搬中に大気の散乱（レイリー散乱）を受けて、矩形ビームの強度の低下やノイズ成分が発生し、光検出器３の検出面上における強度分布の強度分布の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が低下して、収差の判別性が低下する可能性がある。
大気の散乱は、波長が長くなる程、少なくなるので、矩形ビーム発生装置１の点状光源１１は、光検出器３の分光感度における長波長側の波長（検出が可能な波長範囲内で、最も長い波長）と一致する波長の光を放射することが好ましい。

この実施の形態１では、撮像光学系２がカセグレン光学系である例を示したが、カセグレン光学系に限るものではなく、他の光学系であってもよい。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、矩形ビーム発生装置１から放射された矩形ビームが撮像光学系２に入射されるものを示したが、例えば、撮像光学系２が移動体に搭載されており、移動体の移動に伴って、矩形ビーム発生装置１と撮像光学系２の位置が相対的に変化する場合、矩形ビーム発生装置１から放射された矩形ビームが撮像光学系２の開口部に入射されるようにするためには、矩形ビーム発生装置１と撮像光学系２の位置合わせを行う必要がある。
矩形ビーム発生装置１と撮像光学系２の位置合わせを行うには、図２４に示すように、矩形ビーム発生装置１の開口面（矩形のスリット）の周囲に点状光源３１，３２を配置し、光検出器３が、点状光源３１，３２から放射される光（エイミング光）を検出し、移動体が、光検出器３の検出結果を参照しながら、点状光源３１，３２をターゲットにして、進行方向を調整することで、撮像光学系２の開口部に矩形ビームを入射させることができる。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、矩形ビーム発生装置１の開口面の周囲に点状光源３１，３２が配置されているように構成したので、矩形ビーム発生装置１と撮像光学系２の位置が相対的に変化する場合でも、矩形ビーム発生装置１から放射された矩形ビームが撮像光学系２の開口部に入射されるように、矩形ビーム発生装置１と撮像光学系２の位置を合わせることができる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態２では、移動体が、光検出器３の検出結果を参照しながら、点状光源３１，３２をターゲットにして、進行方向を調整するものを示したが、矩形ビーム発生装置１から放射される矩形ビームが、撮像光学系２の開口部に入射されている位置に移動体が存在している間に、回転機構１４が、矩形ビームを撮像光学系２の光軸回りに回転させる必要がある。
このため、移動体が高速に移動している場合、矩形ビームの回転が完了する前に、矩形ビームが撮像光学系２の開口部に入射されない位置に去ってしまって、撮像光学系２の収差を検出することができない場合がある。

そこで、この実施の形態３では、移動体が高速に移動している場合でも、回転位置が異なる矩形ビームが撮像光学系２の開口部に入射されるようにするため、図２５に示すように、撮像光学系２の光軸に対する角度が相互に異なっている複数の矩形ビーム発生装置１を移動体の進行方向（撮像光学系２の進行方向）に一列に配置するようにしている。
撮像光学系２が通過する際に、各矩形ビーム発生装置１が、光軸に対する角度が異なる矩形ビームを撮像光学系２に放射することで、回転機構１４が、矩形ビームを撮像光学系２の光軸回りに回転させる場合と同じ効果が得られる。

実施の形態４．
運用中である撮像光学系２の結像性能を評価する際、ユーザが、撮像光学系２の傍に行って作業する事が困難な場合、遠方から矩形ビームを撮像光学系２へ入射させる場合がある。
例えば、撮像光学系２が人工衛星に搭載される場合、高い山の山頂に設置されて、リモートで運用される望遠鏡光学系（撮像光学系２）などが挙げられる。
矩形ビーム発生装置１が、遠方の撮像光学系２に対して矩形ビームを放射する場合、矩形ビーム発生装置1の射出面では、矩形ビームの強度分布が均一であっても、伝搬距離が長くなるほど、回折の影響により矩形ビームの強度分布が一様でなくなる。

この回折により変化する強度分布は、波長、矩形開口径及び伝搬距離の関係により、フレネル回折、フラウンホーファー回折に分類される。
大まかに分類すると、矩形開口径に対して伝搬距離が短い場合はフレネル回折領域になり、矩形開口径に対して伝搬距離が長い場合はフラウンホーファー回折領域になる。
実験や研究の結果、図１４に示すような矩形ビームによる強度分布の広がり効果は、フラウンホーファー回折では得られず、フレネル回折であれば得られることが分かっている。
以下、撮像光学系２であるカセグレン光学系が人工衛星搭載光学系であるとき、矩形ビーム発生装置１と人工衛星間の距離が５００ｋｍである場合と、３０００ｋｍである場合とについて説明する。

図２６は矩形ビーム発生装置1の射出面における矩形ビームの強度分布を示す説明図である。
図２７は図２６の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。図２７より、矩形ビーム発生装置1の射出面での矩形ビームの強度分布は均一である。
図２８は距離５００ｋｍの位置に存在している人工衛星のカセグレン光学系の開口面に入射される矩形ビームの強度分布を示す説明図である。
図２９は図２８の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図２９より、射出面では均一な強度分布であった矩形ビームが、５００ｋｍを伝搬する中で、回折によって、Ｘ軸断面及びＹ軸断面の強度分布の均一性が失われていることが分かる。

図２９（ａ）に示すＸ軸断面は、矩形ビームの短径方向の回折による強度分布であり、凸状分布を示している。
図２９（ｂ）に示すＹ軸断面は、矩形ビームの長径方向の回折による強度分布であり、凸凹状分布を示している。
回折理論によれば、図２９（ａ）に示すＸ軸断面の凸型強度分布はフラウンホーファー回折であり、図２９（ｂ）に示すＹ軸断面の凸凹強度分布はフレネル回折である。
図３０は図２８の強度分布がカセグレン光学系の開口面に入射された場合の光検出器３の検出面での強度分布を示す説明図である。
図３０の強度分布は、上記実施の形態１と同様に、Ｘ軸方向に広がった強度分布になっており、上記実施の形態１と同様の収差判別が可能である。

図３１は距離３０００ｋｍの位置に存在している人工衛星のカセグレン光学系の開口面に入射される矩形ビームの強度分布を示す説明図である。
図３２は図３１の強度分布におけるＸ軸及びＹ軸での強度断面を示す説明図である。
図３２（ａ）に示すＸ軸断面は、矩形ビームの短径方向の回折による強度分布であり、フラットな分布を示している。
図３２（ｂ）に示すＹ軸断面は、矩形ビームの長径方向の回折による強度分布であり、凸状分布を示している。
回折理論によれば、Ｘ軸断面及びＹ軸断面は共に、フラウンホーファー回折である。
図３３は図３１の強度分布がカセグレン光学系の開口面に入射された場合の光検出器３の検出面での強度分布を示す説明図である。
図３３の強度分布は、Ｘ軸方向に広がった強度分布になっていない。よって、上記実施の形態１と同様の収差判別はできず、特許文献２に開示されている結像性能評価装置と同じ条件になる。

このため、矩形ビーム発生装置１が、遠方の撮像光学系２に対して矩形ビームを放射して、上記実施の形態１と同様の収差判別を行うには、撮像光学系２の開口部に入射される矩形ビームの長径方向の強度分布がフレネル回折である必要がある。
撮像光学系２の開口部に入射される矩形ビームの長径方向の強度分布がフレネル回折となる条件は、下記の式（１）が成立することであり、矩形ビーム発生装置１は、下記の式（１）が成立する矩形ビームを放射するようにする。

式（１）において、ＤＡは矩形ビームの長径幅、λは矩形ビームの波長、Ｈは矩形ビーム発生装置１から撮像光学系２までの距離、ｍは０．４未満のパラメータである。

一方、矩形ビームの短径方向の強度分布に着目すると、図３３に示すフラウンホーファー回折パターンは、強度分布が撮像光学系２の開口径以上に広がっており、光量ロスが生じていることが分かる。
よって、フラウンホーファー回折の第一暗帯が、撮像光学系２の開口径以下であれば、矩形ビームの短径方向の回折光の光量ロスを少なくすることができる。
この場合、撮像光学系２の開口直径がＲであるとき、矩形ビーム発生装置１での矩形ビームの短径幅ＤＢが下記の式（２）を満足する矩形ビームを放射するようにする。

以上で明らかなように、この実施の形態４によれば、矩形ビーム発生装置１が、遠方の撮像光学系２に対して矩形ビームを放射する場合でも、上記実施の形態１と同様の収差判別を行うことができ、撮像光学系２の開口部に入射させる矩形ビームのエネルギーロスを少なくすることができる。

なお、矩形ビーム発生装置１が、遠方に存在している撮像光学系２に対して矩形ビームを入射させる場合、伝搬中に大気の散乱（レイリー散乱）を受けて、矩形ビームの強度の低下やノイズ成分が発生し、光検出器３の検出面上における強度分布の強度分布の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が低下して、収差の判別性が低下する可能性がある。
大気の散乱は、波長が長くなる程、少なくなるので、矩形ビーム発生装置１の点状光源１１は、光検出器３の分光感度における長波長側の波長（検出が可能な波長範囲内で、最も長い波長）と一致する波長の光を放射することが好ましい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 矩形ビーム発生装置、２ 撮像光学系、３ 光検出器、４ 画像表示装置（収差検出手段）、５ 光学シミュレーション部（収差検出手段）、６ 画像マッチング部（収差検出手段）、１１ 点状光源、１２ コリメータ、１３ 矩形スリット、１４ 回転機構（ビーム回転手段）、２０ 矩形開口コリメータ、２１ １次鏡、２２ ２次鏡。

Claims (9)

1. 矩形ビームを放射する矩形ビーム発生装置と、
   上記矩形ビーム発生装置から放射された矩形ビームを結像して、点像を形成する撮像光学系と、
   上記撮像光学系により形成された点像を検出して、上記点像の強度分布を示す強度分布信号を出力する光検出器と、
   上記光検出器より出力された強度分布信号から強度分布画像を生成し、上記強度分布画像を解析して、上記撮像光学系で発生している収差を検出する収差検出手段とを備え、
   上記矩形ビーム発生装置は、上記撮像光学系の光軸回りに上記矩形ビームを回転させるビーム回転手段を備えており、
   上記ビーム回転手段によって上記矩形ビームが回転された際に、上記矩形ビームの回転が停止される位置が上記収差検出手段による収差の検出処理毎に異なることを特徴とする結像性能評価装置。
2. 矩形ビームを放射する複数の矩形ビーム発生装置と、
   移動体に搭載されており、上記矩形ビーム発生装置から放射された矩形ビームを結像して、点像を形成する撮像光学系と、
   上記撮像光学系により形成された点像を検出して、上記点像の強度分布を示す強度分布信号を出力する光検出器と、
   上記光検出器より出力された強度分布信号から強度分布画像を生成し、上記強度分布画像を解析して、上記撮像光学系で発生している収差を検出する収差検出手段とを備え、
   上記複数の矩形ビーム発生装置が上記移動体の進行方向と平行に一列に配置されており、
   上記複数の矩形ビーム発生装置から、上記撮像光学系の光軸回りの回転角が異なる矩形ビームが上記撮像光学系に放射されることを特徴とする結像性能評価装置。
3. 上記矩形ビーム発生装置は、
   光を放射する点状光源と、
   上記点状光源から放射された光を無限遠光に変換するコリメータと、
   上記コリメータにより変換された無限遠光の一部を通過させる矩形スリットとを備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の結像性能評価装置。
4. 矩形ビームを発生する複数の矩形開口コリメータが一列に配置されることで、上記矩形ビーム発生装置が構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の結像性能評価装置。
5. 上記矩形ビーム発生装置における矩形ビームの放射口である開口面の周囲に点状光源が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の結像性能評価装置。
6. 上記矩形ビーム発生装置は、単波長の矩形ビームを放射することを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の結像性能評価装置。
7. 上記矩形ビーム発生装置は、上記光検出器の分光感度における長波長側の波長と一致する波長の矩形ビームを放射することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の結像性能評価装置。
8. 上記矩形ビーム発生装置から放射される矩形ビームの長径方向の強度分布がフレネル回折であり、上記矩形ビームの長径幅がＤＡ、上記矩形ビームの波長がλ、上記矩形ビーム発生装置から上記撮像光学系までの距離がＨ、パラメータｍの値が０．４より小さいとき、下記の式が成立することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の結像性能評価装置。
   

   
9. 上記矩形ビーム発生装置から放射される矩形ビームの短径方向の強度分布がフラウンホーファー回折であり、上記矩形ビームの短径幅がＤＢ、上記撮像光学系の開口直径がＲ、上記矩形ビームの波長がλ、上記矩形ビーム発生装置から上記撮像光学系までの距離がＨであるとき、下記の式が成立することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の結像性能評価装置。
   

   

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