JPH01241516A - 平行ビームを走査する光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光学機械的スキャナを用いた電子光学装置に
関し、更に詳細には、このようなスキャナのデユーティ
サイクルを増すなめ、光学機械的スキャナとともに使用
する光学装置に関している。

〔従来技術〕

光学機械的走査装置は、景色を観察したシ、または、感
光性材料を照射するのに、光平行（光学的にコリメート
嘔れた）ビームを走査する高性能な用途において使用さ
れている。代表的な用途には、赤外線（ＩＲ）スキャナ
や、前方観察赤外線スキャナ（ＦＬＩＲ８）や、レーザ
・プリンタがある。

幅広く使用されている形式の光学機械的スキャナにおい
て、回転多角形部材の反射面は、光またはＩＲエネルギ
の平行ビームを通過する。第１図は、このタイプの走査
装置の概要図であり、本発明の技術は、この種のスキャ
ナに対して容易に適用できる。

当業者には明らかなように、実際の光学的および機械的
な限界によシ、平行エネルギ・ビームの大きさに対する
走査部材の大きさは制限されている。ビームが走査面に
全体的に存在する々らば、装置は、ビームを有効的に走
査できるので、隣接する反射面間の境界が平行ビームを
通過する時、ビームがリトレースされている間に１走査
サイクルの一部があるようＫしている。代表的な装置の
走査デユーティサイクルは、５０〜８０パーセントの範
囲の比較的低い値である。

おる赤外線情報収集用途、たとえば、低空偵察航空機の
ＩＲスキャナにおいては、はぼ１８０度の地平線から地
平線をカバーすることが要求されている。しかし、他方
の地平線を走査する前に一方の地平線からの全てのエネ
ルギを阻止しなければならず、また、適当な大きさの走
査部材を使用しなければならないにもかかわらず、平行
ビームが走査部材の隣接面間の境界を通過する全インタ
ーバルを、地平線間の帰線が占めるので、これら装置の
走査範囲は、１８０度未満に限定されていた。

機械的スキャナを用いている他の装置には、シー１’−
フ’リンクがあるが、ここでは、スループットを最大限
に増加し、かつバッファ記憶を最小、または、なくすた
め、実際にほぼ１００％近くのデユーティサイクルを有
していることが非常に望まれている。

〔発明の課題〕

本発明の目的は、走査の間中、光学的アパーチュアを一
定に維持しながら、スキャナのデユーティサイクルを増
すため、電子光学的スキャナとともに使用する改良され
た光学装置を提供することである。

〔解決手段〕

すなわち、本発明は、スキャナと電子光学的トランスデ
ユーサ間に２つの光路を有する光学装置を提供する。高
速マルチプレクサは、スキャナの回転と同期して、２つ
の光路間で切υ換えを行なうので、一方の光路からのビ
ームは、常に完全に走査部材の表面を回旋することがで
きる。

〔実施例〕

以下、添付の図面に基づいて、本発明の実施例に関して
説明するが、本発明の説明の前に先ず従来技術を第１図
を参照して説明する。

第１図に示すように、従来技術において幅広く使用され
ているスキャナは、４つの反射面１２とエツジすなわち
境界２２とを備えた定速回転する多角形部材１０から成
っている。対物レンズ１４は、電気光学トランスデユー
サ１６と光ディフレクタすなわちスキャナ１０との間に
光路を形成する。レンズ１４は、スキャナの反射面１２
が通過する光エネルギの平行ビーム１８を形成する。レ
ンズ１４は、平行ビームの大きさに比べて小さい有効ア
パーチュアを有するトランスデユーサ１６にビームを集
光する。なお、トランスデユーサは、輻射エネルギ・ビ
ーム１８のセンサまたはソースのいずれでもよい。

実際の走査装置では、ビームの大きさは、たとえば、２
０％から場合によっては５０％はど、走査部材の面のか
なりの部分を覆っている。２つの連続する走査部材１２
０間の境界２２がビーム１８を通過するのに要する時間
は、走査の帰線インターバルを決定する。スキャナのデ
ユーティサイクルは、スキャナの完全な１回転にかかる
全時間の１周期における、ビームが走査面を完全に回旋
する時間比である。

第２図は、第１図と同様の、定速回転する方形走査部材
１０とトランスデユーサ１６を有する本発明を示してい
る。本発明では、走査部材とトランスデユーサとの間に
、２つの光路Ａ、Ｂがある。

一方の光路は、対物レンズ２４と、光マルチプレクサ２
６と、楕円集光ミラー２８を有している。

他方の光路も、同様に、対物レンズ３２と、同様のマル
チプレクサ２６と、楕円ミラー３４を含んでいる。

光マルチプレクサ２６は、交互に１一方の光路に沿った
輻射エネルギを阻止し、また他方の光路に沿ったエネル
ギを伝送して、電気光学トランスデユーサ部材１６の画
像を、２つの対物レンズ２４または３２の一方に交互に
送る高速光学スイッチである。マルチプレクサ２６の切
り換えは、スキャナ１０の回転と同期している。レンズ
２４．３２は、マルチプレクサにおいてビームを集光す
る。

このように、ビームのエネルギが集中されると、スキャ
ナ１０と同期して回転する機械的チョッパ２６によυ、
これらをすばやく切り換えることができる。したがって
、チョッパの各エツジが、チョッパ２６において集中さ
れたビームのトランスデユーサ１６の画倫を横切るのに
要する時間まで、帰線時間を減少することにより、高い
デユーティサイクルを得ることができる。

本実施例では、平行レンズ２４．３２は、走査部材１２
の境界２２間の距離の半分だけ、走査方向に互いに離間
されていることが望ましい。マルチプレクサは、境界２
２が、ビームＡおよびＢを通過する時、ビームを切り換
える。スキャナ１０の面１２を完全に回旋するビームは
、マルチプレクサ２６により選択される。

スキャナ１０と同期して回転する機械的チョッパのエツ
ジは、全走査期間の１優未満の、集光されたトランスデ
ユーサ画像を横切るにすぎないので、９９％程度のデユ
ーティサイクルを得ることができ、したがって、一方の
光路が、走査面を常に全体的に回旋する。

本発明の実施例においては、機械的チョッパが使用され
ているが、本発明を具体化する場合、他の適当な高速動
作マルチプレクサを使用してもよい。機械的チョッパと
スキャナは、この分野において周知の様々な技術によシ
、その回転を同期し得る回転部材に、扇形に配列するの
が望ましい。

たとえば、回転部材は、直接的に、または航空機の横転
を補償するＩＲスキャナにおけるように、可変整相が要
求されている場合には、差動装置によシ、互いに機械的
に取シ付けられる。光マルチプレクサ部材を支持してい
る回転部材は、走査部材に光ピツクアップを有する位相
ロック・ループによシ制御されるが、精度上、走査部材
自身により行なわれる方が望ましい。また、光マルチプ
レクサ部材と走査部材を、同じ回転部材に同心円に配列
して、部材間の光路を、プリズム、ミラー、または他の
適当な光リレ一部材で折シ返すようにしてもよい。

第３ａ図および第３ｃ図は、地平線の右と左の間で１８
０°走査する三面ミラー４４を使用した赤外線スキャナ
を示している。光マルチプレクサすなわちスキャナ４４
は、正三角形で、軸４６の回りを一定の角速度で回転す
る。一対の楕円ミラー４８．５０は、回転ミラーの左側
からと右側からの２つの光路に沿ったビームをそれぞれ
、共通主要結像面５２に投影するように配置されている
。

第３ｂ図に示した光マルチプレクサ５４は、その周囲く
交互に反射および伝達するセクタ５γ、５５を備えた薄
いディスクを有している。反射および伝達路は、共通結
像面５２を通過する。ディスクは、サーボΦモータ５６
によシ駆動され、モータの回転速度は、走査ミラー４４
の回転速度に位相ロックされている。両方の光路に共通
の楕円リレー・ミラー５Ｂは、ＩＲディテクタまたはデ
ィテクタやアレイ５９にビームを再集光する。

光路間の切り換えは、光マルチプレクサの反射および伝
達セクタ間の境界が、マルチプレクサに集光されたディ
テクタ５９の画像を通過する時に生じる。この点におい
て、ディテクタの画像は、非常に小さく、またビームの
エネルギは集中されているので、切シ換えは、１８０度
の走査に要する時間の１％未満で行なうことができる。

マルチプレクサの回転は、スキャナの回転と同期してい
るので、切り換えは、地平および大底において、９０度
ごとに生じる。

発光ダイオード６２、レンズ６４、レンズ６６、および
ディテクタεＴは、走査ミラーの位姪を光学的に検出し
、かつ位相ロック拳ループの制御サーボ・モータ５６に
一連の基準パルスを供給する。

走査装置自身の動作を補償するため、光マルチプレクサ
の電子制御により、切り換えの位相調整を行なうことが
できる。したがって、自動操縦または慣性航行装置から
の信号は、赤外線画像装置を搭載している航空機の横揺
れを補償するのに使用できる。同様に１走査ミラーおよ
び光マルチプレクサの７ヤ７ト間の差動装置は、切り換
えの機械的位相調整するのに使用できる。

第３ａ図に示した実施例において、反射レンズは、広帯
域赤外線オペレーションを供給するのに使用される。ま
た、必要とされるオプティカル構造は、反射部材やミラ
ーで構成することができる。

第４ａ図および第４ｂ図は、レーザ・プリンタにおいて
使用する本発明の原理を示している。動作において、レ
ーザ・プリンタは、目標の画像を生じるため変調される
電子的に制御されるレーザ・ダイオードのような、オプ
ティカル・エネルギの点源の画像のライン走査で、可動
フォトセンシティブ・フィルムまたはドラムを感光する
。走査は、代表的には、両方向に行なわれ、また走査デ
ィスクに配置された反射またはホログラフィック・オプ
ティカル部材によセ行なうことができる。所定のディス
ク速度では、画像平面において、単一の部材を用いるの
ではなく、多くの走査部材を使用することによシ、有効
走査速度を高めることができる。これによシ、低めのシ
ャフト速度に高い書込み速度を供給することができる。

本発明の技術においては、画像発生レーザと走査装置の
間に２つの光路が存在し、高速マルチプレクサは、この
光路を切り換えて、スキャナに高いデューテイサイクル
を与える。

本発明の実施例において、スキャナは、一定の角速度で
回転するディスク６３において一連のホログラフィック
・セグメント６０を有している。

ホログラフィック走査セグメント６０は、ディスク６３
の内側環状リング１００内に設けられている。

外側リング１０２は、交互に伝達および反射セクタ６７
．６５を有し、それぞれ光マルチプレクサを形成してい
る。

レーザ・ダイオード・アレイ６９と走査セグメント６０
との間の光路は、交互に伝達セクタ６Ｔと反射セクタ６
５を有する外側リング１０２にダイオード・プレイの画
像を集光するリレー・レンズ８０を含んでいる。リレー
・レンズ８０は、両方の光路に共通である。マルチプレ
クサを通る伝達路は、折り返しミラー６８と平行レンズ
７２と、平行ビームをホログラフィック・スキャナΦセ
グメント６０に送る他の折シ返しミラーＴ４を有してい
る。

反射路は、リレー・レンズ８０の他、折シ返しミラー７
５と、平行レンズ７６と、平行ビームをホログラフィッ
ク・スキャナ・セグメント６０に送る一対の折夛返しミ
ラー７８．８２を有している。

ミラーと平行レンズ７２．７４とを位置決めするととＫ
よシ、ホログラフィック走査セグメント６０の共通半径
方向であって異なる接線方向位置において、光路におよ
び「が形成される。第４ｂ図に示すように、２つの光路
により形成されたビームにおよび「は、セクタの境界エ
ツジ８４．８６０間の同じ接線に沿って測定されたホロ
グラフィック走査セクタの期間の半分だけ、ディスク６
３に正接する方向に離間されている。ま九、第４ｂ図に
示すように、ホログラフィック−セクタ対につき１つの
伝達セクタ６７と１つの反射セクタ６５がある。したが
って、オプティカル・チョッパは、これらがホログラフ
ィック部材のエツジと中心から同じ距離に６る時、光路
を切り換える。

一対のレンズ８８．９０は、可動感光性フィルム１０４
にそれぞれ光路Ａ′およびビのビームを集光する。

光路におよびＷは、接線方向に加えて、または接線方向
の代シに、半径方向に差動的に移動することができ、ま
たホログラフィックΦセクタは、差動接線方向の間隔を
要する時、同心リングに配置できる。

第５図に関して説明する。第３ａ図に示すような赤外線
走査装置において、地平線の重畳、校正のためのウオー
ム・リファレンス（ｗａｒｍ　ｒ＠ｆｅｒ＠ｎ（！ｅ）
、およびコールド・スパイク（ｃｏｌｄ　５ｐｉｋ・）
・リファレンスを必要とせずに、高速地平線−地平線リ
トレースを行なうことが望ましいことは、当業者には明
白であろう。これらは、コールドφスパイク逆屈曲ミラ
ー９７により離間された光学的チョッパの反射セクタの
一部に、黒体ストライプ９３．９５を配置することによ
り行なうことができる。第°１黒体ストライプ９３と第
２黒体ストライプ９５は、地平線の輻射線から絶縁され
たウオーム・す７アレンスを与える。ミラー・ストライ
プ９γは、コールド・スパイクを与える。

第６ａ図および第６ｂ図においては、第３ａ図の実施例
と同様の部材には、説明上、同じ参照番号を付けている
。第６＆図および第６ｂ図の実施例は、第３＆図の実施
例の他、従来のものよシも走査効率が改善されている。

基本的には、三面スキャナ４４は、ベアリング１１２．
１１４によシ支持されている平坦で円形の走査ミラー１
１０に置換えられている。走査ミラー１１０は、ミラー
１１０と楕円ミラー４８．５０の中心を通る回転軸１１
８に関し回転する。ミラー１１０の表面は、互いに平行
で、それらの面は、回転軸から約４５度、傾斜している
。中空軸駆動モータ１２０は、走査ミラー１１０を駆動
する。中空軸構成部材は、駆動モータ１２０、リファレ
ンス・エンコーダ１２２（同期モータに結合されている
）、およびペアリン１１２を含み、ミラー１１０から反
射された円形光束を、減少することなく楕円ミラー４８
．５Ｇに送ることができる。

オプティカル・チョッパ・ブレード１２４（第６ｂ図）
は、ミラー１１０が、第６＆図に示した位置から９０度
の位置に至ると、ミラー４８から光マルチプレクサ５４
′によシ受けた光線を、ミラー５０からの光線に切シ換
える。光マルチプレクサの平面５２におけるディテクタ
・アレイ画像が非常に小さいので、切シ換え時間は、非
常に速い。走査期間の０．４パ一セント程度の切シ換え
時間は、代表的な用途において容易に得られ、したがっ
て、９９．６バーセントの走査効率が得られる。

なお、上述した実施例は、本発明の思想から離れること
なく、様々に改変できる。たとえば、スキャナの面の数
は、マルチプレクサの伝達および反射またはその一方の
セグメントの数または対に限定されない。また、スキャ
ナおよびマルチプレクサまたはその一方は、必ずしも回
転する必要はなく、たとえば、線形並進、またはそれら
の組合せくより、移動してもよい。さらに、スキャナ１
０の４５度の角度は、用途に応じて他の角度に変えても
よい。また、本発明の思想の範囲内において、２つより
多い光路を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術において一般に使用されている形式の
スキャナの簡略化した概要図、第２図は本発明に基いて
形成した走査装置の簡略化した概要図、第３ａ図は本発
明による赤外線スキャナの実施例を示す図、第３ｂ図は
第３ａｔｘの実施例において使用される機械的光マルチ
プレクサの平面図、第３ｃ図は第３＆図の実施例の斜視
図、第４＆図はレーザ・１りン夕に関する本発明の実施
例を示す図、第４ｂ図は第４＆図におけるマルチプレク
サの概要図、第５図は、第３ａ図および第４ａ図の実施
例において使用されるマルチプレクサの概要図、第６ａ
図および第６ｂ図は、第３ａ図の実施例の代りに使用さ
れる赤外線スキャナと、ｇ　３　ａ図の実施例を使用す
る他の適用例を示す図である。 １０・・Ｏ・スキャナ、１２・・拳・反射面、１４．２
４．３２・・・拳対物レンズ、１６・・参〇トランスデ
ユーサ、１８・・参・平行ヒーム、２２・・・・エツジ
、２６．５４・・・・光マルチプレクサ、４４・・・・
走査ミラー、５Ｇ・・・−サーボ・モータ、６２・・優
艶発光ダイオード、６０・・・・ホログラフィック自セ
グメント、６３φ・・・ディスク、１ｏ４・・・・　感
光フィルム、１１０修・・・走査ミラー、１１２．１１
４　　・・・・ベアリング、１２０・・・・駆動モータ
、１２４・響・・オグティカル・チ田ツバ・ブレード。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）可動装置と、 それぞれ、境界により隣接する面から分離されて形成さ
   れた複数の走査面を有し、上記可動装置により運動でき
   るように結合された光偏向装置と、トランスデューサ装
   置と、 上記トランスデューサ装置と上記偏向装置との間の第１
   光路と、 上記偏向装置に第１平行ビームを形成し、かつ上記トラ
   ンスデューサ装置に上記平行ビームを集光する、上記第
   １光路中の装置と、 上記トランスデューサ装置と上記偏向装置との間の第２
   光路と、 上記偏向装置に第２平行ビームを形成し、かつ上記トラ
   ンスデューサ装置に上記第２平行ビームを集光する、上
   記第２光路中の装置と、 伝達路の一方の平行ビームが、所定量だけ上記偏向装置
   の面を回旋するよう、交互に、上記光路の一方を阻止し
   かつ他方に沿つて伝達するため、上記偏向装置の運動と
   同期して動作する光マルチプレクサと、 を備えることを特徴とする、平行ビームを走査する光学
   装置。
2. （２）それぞれ境界により隣接する面から分離されて形
   成された複数の走査面を有する回転光偏向装置と、 電気光学的トランスデューサと、 上記トランスデューサ装置と上記偏向装置との間の第１
   光路と、 上記偏向装置に第１平行ビームを形成し、かつ上記トラ
   ンスデューサ装置において、および上記偏向装置と上記
   トランスデューサ装置との間に介在する点において、上
   記第１平行ビームを集光する、上記第１光路中の装置と
   、 上記トランスデューサ装置と上記偏向装置との間の第２
   光路と、 上記偏向装置に第２平行ビームを形成し、かつ上記トラ
   ンスデューサ装置において、および上記偏向装置と上記
   トランスデューサ装置との間に介在する点において、上
   記第２平行ビームを集光する、上記第２光路中の装置と
   、 伝達路からのビームが、上記偏向装置の面を常に完全に
   回旋するよう、交互に、上記光路の一方を阻止しかつ他
   方に沿つて伝達するため、上記偏向装置の回転と同期し
   て動作する、上記第１および第２光路の中間焦点におけ
   る光マルチプレクサと、 を備えることを特徴とする、平行ビームを走査する光学
   装置。
3. （３）境界により隣接する面から分離して形成された複
   数の走査面を有する回転光偏向装置と、電気光学的トラ
   ンスデューサと、 上記トランスデューサ装置と上記偏向装置との間の第１
   光路と、 上記偏向装置の第１位置に第１平行ビームを形成し、か
   つ上記トランスデューサ装置において、および上記偏向
   装置と上記トランスデューサ装置との間に介在する焦点
   において、上記第１平行ビームを集光する、上記第１光
   路における装置と、上記トランスデューサ装置と上記偏
   向装置との間の第２光路と、 上記境界間の距離のほぼ半分の距離だけ上記第１位置か
   ら離間した上記偏向装置の第２位置に第２平行ビームを
   形成し、かつ上記トランスデューサ装置において、およ
   び上記偏向装置と上記トランスデューサ装置との間に介
   在する焦点において、上記第１平行ビームを集光する、
   上記第２光路における装置と、 上記伝達路からのビームが、上記偏向装置の面を常に完
   全に回旋するよう、交互に、上記光路の一方を阻止しか
   つ他方に沿つて伝達するため、上記偏向装置の回転と同
   期して上記焦点を通過する伝達および反射セグメントを
   交互に有する、上記中間焦点に配置された光マルチプレ
   クサと、を備えることを特徴とする、平行ビームを走査
   する光学装置。