JPH04324326A - 太陽光校正光学系 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は人工衛星に搭載される
地表観測用または惑星観測用光学機器の太陽光校正光学
系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、人工衛星によって多くの地表
観測用または惑星観測用光学機器が宇宙空間に打ち出さ
れ、様々なリモートセンシングのデータが地上に送信さ
れ、地球資源の開発や天体観測等において、めざましい
成果をあげてきた。しかし、そうした成果の陰には、そ
れらの光学機器を宇宙空間という過酷な環境下において
、長期間にわたり安定して機能させるための様々な工夫
があった。そのような工夫の一つに、光学的校正技術が
ある。

【０００３】光学的構成技術というのは、高真空、高放
射線量、高紫外線量、そして激しい温度変化等といった
過酷な環境条件に対して、観測用光学機器の性能が万が
一、劣化するなどの変化をしたとしても、観測データを
常に信頼性のあるものとして保障するための技術である
。

【０００４】この様な光学的校正技術の一つに、光源と
して太陽光を用いる方法がある。

【０００５】図３はそのような太陽光を用いた校正光学
系（以後、太陽光校正光学系という）の構成の一例であ
る。この従来例においては、太陽光Ｓを導入する入射光
学系１と、導入された光を後方に配置された観測用望遠
鏡等から構成される光学機器に向かって射出する射出光
学系２と、前記射出光学系２に光を伝送するための伝達
光学系３とからなりたっている。図には示さないが、こ
のような構成を持った太陽光校正光学系を観測用望遠鏡
を有する光学機器に搭載し、入射光学系をほぼ太陽の方
角に向ける。射出光学系２は図４に示すような状態に設
置される。図４において、ポインティングミラー４とは
、地表の様々な位置を観測するために角度を変え、観測
用望遠鏡５に、その地表からの映像または光を導き入れ
るためのものである。通常、ポインティングミラー４は
地表を観測するように点線のような状態で使用されてい
るが、校正を実施するときは実線で示された状態に傾け
られ、射出光学系２からの太陽光を観測用望遠鏡５に導
き入れる働きをする。

【０００６】太陽光校正光学系の機能は、ポインティン
グミラー４や観測用望遠鏡５等の光学機器を構成する全
ての光学部分を透過もしくは反射してきた光を、観測用
望遠鏡５等の光学機器の終端または地表像の結像面に設
置された検出器６の全域で検知して、光学機器の光エネ
ルギー伝送効率の劣化及び検出器６の検出感度の劣化を
検出するものである。

【０００７】そのため、太陽光校正光学系の性能として
、 （Ｒ１）．照射される光エネルギー分布が検出器６上で
一様となるような校正光学系でなければならないこと。 （Ｒ２）．校正光学系への太陽光の入射角度が季節変化
等によって変動したとしても検出器６上に照射される光
エネルギー分布の一様に影響しないこと。の２点が要求
される。

【０００８】（Ｒ１）の要求を満足させるためには、射
出光学系２の物体面、つまり図３の場合には光ファイバ
ーの射出端が一様な輝度を持った面光源でなければなら
ず、（Ｒ２）の要求を満足させるためには、その輝度の
一様性が太陽光の入射角で変化しないことが必要である
。

【０００９】そこで、従来においては図３に示されるよ
うに、伝達光学系３に光ファイバーを用い、光エネルギ
ー分布が一様になるようにし、それでも尚、一様化が不
十分な場合には、例えば光ファイバーの入射端の近傍に
拡散板７を配設するなどの工夫をして、光エネルギー分
布の一様性に対する目的を達成してきた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の太陽
光校正光学系は前記２点の要求性能を満足させるため、
前述のように、光を拡散板７で散乱させるという手段を
用いており、光エネルギーの利用効率がきわめて悪かっ
た。その結果、検出器６で十分なＳ／Ｎが得られるよう
に光エネルギーを採り込むためには、入射光学系１の有
効径を大きくしなければならなくなり、太陽光校正光学
系の質量が増大するという問題が生じた。こうした質量
の像かは人工衛星の搭載機器によってはきわめて重大な
問題であって、解決されなければならない課題である。

【００１１】この発明は、従来の太陽光校正光学系の抱
える上記の如き課題を解決せんがためになされたもので
あって、この発明の目的は、前記要求性能を満足するも
のであって、前記問題を発生しない、光エネルギーの利
用効率の高い太陽光校正光学系を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係る太陽光校
正光学系は要求性能の（Ｒ１）及び（Ｒ２）を満たすた
めに、入射光学系１を伝達光学系３または射出光学系２
の入射端の近傍に像側焦点を置いたコンデンサーレンズ
と、その前方に配設されたフライアイレンズから構成し
たものである。

【００１３】

【作用】この発明におけるフライアイレンズを構成する
ロッドレンズはそれぞれほぼ等しい角型の開口径を有し
、太陽光をその開口面で波面分割する。そして、各ロッ
ドレンズはその焦点上に微小な太陽の二次光源を生成し
、その結果、フライアイレンズ全体として、網の目上に
分布した等輝度微小光源群を構成する。その等輝度微小
光源群より発した光束を、後方のコンデンサーレンズに
より寄せ集め、コンデンサーレンズの後方に配置された
伝達光学系３または射出光学系２の入射端上で混合する
。

【００１４】

【実施例】以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明に係る太陽光校正光学系の入射光
学系である。伝達光学系３及び射出光学系２は従来と同
様であってもよく、ここでは図示しない。フライアイレ
ンズ８に入射する太陽光は、フライアイレンズ８を構成
する各ロッドレンズ９によって、ロッドレンズ９の後面
（第２面）上にあるロッドレンズ９の像側焦点上に結像
される。これらの像は新たに二次光源として後方のコン
デンサーレンズ１０によって寄せ集められる。

【００１５】一方、ロッドレンズ９の像側焦点はロッド
レンズ９の前面（第１面）上にあるため、ロッドレンズ
９の前面の開口の像はコンデンサーレンズ１０の像側焦
点上に結ばれる。つまり、ロッドレンズ９の前面の開口
とコンデンサーレンズ１０の像側焦点とは、ロッドレン
ズ及びコンデンサーレンズに関して共役である。

【００１６】従って、コンデンサーレンズ１０の像側焦
点上には全てのロッドレンズ９の前面開口像が重畳して
結像されることになり、その場合に伝達光学系３の入射
端ＳＴを設置すれば、全てのフライアイレンズを透過し
てきた光を一定の面積領域内に集めることができ、しか
もその一定の面積領域に向かって、光が集中する前記し
た等輝度微小光源群からなる面光源が存在するに等しく
、従来のように伝達光学系３の入射端ＳＴ近傍に拡散板
７を設置したのと同様に、一様な拡散効果が得られ、し
かも拡散板７のように光を入射側に反射するなどという
、光エネルギーの利用効率を著しく低下させるような散
乱減少がないため、きわめてエネルギー利用効率の高い
光学系となっている。以上により、（Ｒ１）の要求が満
足させることが示された。

【００１７】次に、図２に示されるように各ロッドレン
ズ９によって結像された二次光源は、太陽光の入射角の
変動ψがある範囲内に限定されているかぎり、ロッドレ
ンズ９後面の開口面内に留まるように設計することが可
能である。もし、変動ψがその後面の開口面内に留まれ
ない場合には、隣のロッドレンズ内に光が進行し、輝度
の一様性が変化してしまう。一方、変動ψに対して二次
光源がロッドレンズ９の後面の開口面内に留まれるとい
う条件下においては、太陽光の入射角が変動しても伝達
光学系３の入射端での入射角度の変化はわずかなものと
なり、拡散効果の一様化にほとんど影響を与えない。

【００１８】すなわち、太陽光の入射角の季節変化等に
よる変動ψが、

【００１９】

【数２】

【００２０】なる不等式を満たすように、ロッドレンズ
９の長さｄ及び有効半径ｒを決定すれば、前述の「変動
ψに対して二次光源がロッドレンズ９の後面の開口面内
に留まれるという条件」を満たすことが出来る。ここで
、ｎはロッドレンズ９の屈折率であり、有効半径ｒはロ
ッドレンズが円柱状を想像させるが、先にも述べた角型
のものに対しても適用できることは明かである。上式は
ロッドレンズの前面を絞りとした入射角ψの主光線に対
して屈折の式を適用すれば容易に求められる。

【００２１】太陽光の二次光源がロッドレンズ９の後面
の開口面内を動いたときの伝達光学系３の入射端出の入
射角度の変化θは、ｆをコンデンサーレンズ８の焦点距
離としたとき、光軸近辺で、高々 θ＝ａｒｃｔａｎ（ｒ／ｆ） で与えられる。ｒは２．３ｍｍ程度の値であってｆは一
般に数十乃至数百ｍｍといった大きな値となるので、θ
は十分に小さい値となる。従って、光エネルギー分布の
一様性にはほとんど影響しない。つまり、別な表現をす
れば入射角度の変化θはロッドレンズ９とコンデンサー
レンズ１０の合成倍率の逆数倍に変動が圧縮されてしま
い、光エネルギー分布の一様性への影響もほぼ同じ割合
で押さえ込まれる。以上により、（Ｒ２）の要求が満足
されることが示された。

【００２２】尚、実施例の説明において、入射光学系１
の直後の光学系を伝達光学系３として説明を進めたが、
伝達光学系３の代わりに、射出光学系２が直後に配置さ
れてもよい。また、伝達光学系３が光ファイバーでなく
てもよい。いずれの変形例もこの発明の範囲内にある。 更に、この発明の全体を通して使用された用語「入射端
」は、伝達光学系３及び射出光学系２の光学構成によっ
て、ある時は「入射瞳」を指し、ある時は光学系内のい
わゆる「中間結像画」を指す。そして、光ファイバー等
の場合には、光ファイバーの入射端そのものを指す。 従って、その指し示すところは、伝達光学系３及び射出
光学系２のエネルギー伝送効率上の有効性によって決定
されるものであって、この発明は、それによって決定さ
れたいかなる「入射端」に対しても適用されるものであ
り、「入射端」の解釈によって制限を受けるものではな
い。

【００２３】

【発明の効果】以上のようにこの発明は、少なくともフ
ライアイレンズ８と、そのフライアイレンズ８の後方に
配設されたコンデンサーレンズ１０とから構成され、コ
ンデンサーレンズ１０の像側焦点の近傍に、伝達光学系
３または射出光学系２の入射端を配設した入射光学系１
とすることにより、照射される光エネルギー分布は検出
器６上で一様となることが保障されるとともに、拡散板
７を用いた場合のように、光を入射側に反射するなどと
いう、光エネルギーの利用効率を著しく低下させるよう
な散乱現象がないため、きわめてエネルギー利用効率が
高く、小型・軽量な光学系が実現されている。

【００２４】更に、フライアイレンズ８を構成するロッ
ドレンズ９の有効半径をｒと長さｄを、太陽光校正光学
系に入射する太陽光の入射角度の変動ψに対して、

【０
０２５】

【数３】

【００２６】なる不等式を満たすように定めることによ
って、校正光学系への太陽光の入射角度が季節変化等に
よって変動したとしても検出器６上に照射される光エネ
ルギー分布の一様性にほとんど影響を与えないような光
学系を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る太陽光校正光学系の入射光学系
を示す図。

【図２】ロッドレンズにおける太陽光の入射角変動と二
次光源の振舞いを説明するための図。

【図３】従来の太陽光校正光学系の構成図。

【図４】太陽光校正光学系の運用状態を説明するための
図。

【符号の説明】

１　　入射光学系 ２　　射出光学系 ３　　伝達光学系 ４　　ポインティングミラー ５　　観測用望遠鏡 ６　　検出器 ７　　拡散板 ８　　フライアイレンズ ９　　ロッドレンズ １０　　コンデンサーレンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　少なくともフライアイレンズと、この
   フライアイレンズの後方に配設されたコンデンサーレン
   ズとから構成され、上記コンデンサーレンズの像側焦点
   の近傍に、伝達光学系または射出光学系の入射端を有す
   ることを特徴とする入射光学系を含んで成る太陽光校正
   光学系。
2. 【請求項２】　　フライアイレンズを構成するロッドレ
   ンズの有効半径ｒと長さｄは、太陽光校正光学系に入射
   する太陽光の入射角度の変動ψ対して、 【数１】 なる不等式を満たすように定められることを特徴とする
   請求項１記載の太陽光校正光学系。