JPH0659126A - 広角光学系 - Google Patents

広角光学系

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JPH0659126A
JPH0659126A JP4305996A JP30599692A JPH0659126A JP H0659126 A JPH0659126 A JP H0659126A JP 4305996 A JP4305996 A JP 4305996A JP 30599692 A JP30599692 A JP 30599692A JP H0659126 A JPH0659126 A JP H0659126A
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optical
mirror
optical fiber
optical system
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JP4305996A
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Inventor
Arthur H Vaughan
エッチ ボーガン アーサー
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National Aeronautics and Space Administration NASA
Original Assignee
National Aeronautics and Space Administration NASA
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 広角ストリップ結像光学系の提供 【構成】 光学系10は広角光学系に特有の収差効果を
除去するために“仮想”光ストッパを有する。この系は
目標物の像の180°のストリップまたは弧からの光を
受けるための球形ミラー部分12を含む。この球形ミラ
ー部分12に入った光は円錐台形ミラー部分16に反射
されて一列となった光ファイバ20にそれから再反射さ
れる。夫々の光ファイバ20は受けた光の一部を検出器
28に送る。この光学系は光ファイバに関連した狭い受
光コーンを用いて広角系に特有のビネット効果を実質的
に除去する。更に、この光学系はその受光コーンを用い
て球面収差を実質的に制限する。この光学系は180°
のストリップ像を検出すべき応用面に特に適しており、
宇宙探査のような厳しい環境での使用に適している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般にストリップ結像光
学系に関し、詳細には目標画像の広角ストリップから光
を受けそしてその光を検出器に接続する光ファイバーへ
と反射させるための弧状の球面ミラーを有する結像系に
関する。
【0002】
【従来の技術】種々の分野では180°の視野をもつス
トリップ画像を得る必要がある。その例は地図の作成、
海洋研究、惑星調査、雲の研究、噴霧質の双方向性反射
分布測定等である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】そのような分野につい
ては、魚眼レンズがしばしば用いられている。しかしな
がら、180°の視野を有する魚眼レンズは歪み及び色
収差が大きいという欠点がある。更にそのような光学系
はその構成要素の不均一な膨脹あるいは収縮により生じ
る熱歪をしばしば受ける。
【0004】あるいは1個の狭い視野の光学装置を18
0°回転させて完全に180°の視野を順次走査するよ
うにしてもよい。このような回転型の光学装置は重量、
コスト、信頼性の点で問題がある。更に、そのような装
置は180°の視野全体を同時に結像しないから、画像
状態が急速に変化する場合、あるいはその装置自体が、
航空機、衛生または宇宙船等に搭載されて移動するもの
である場合には適当でない。
【0005】従って、目標像の180°の視野を同時に
カバーすることのできる改良されたストリップ結像方式
の必要がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は目標物を結像す
るための広角結像手段とその手段の収差の効果を打ち消
すための仮想ストッパ手段を有する光学系を提供する。
【0007】
【作用】一実施例においては、この光学系は結像手段と
検出器を含み、この結像手段が目標物からの一つの画像
を複数の像部分に分割し、予め限定された部分と一致す
る像部分のみがその検出器により検出されるようにす
る。
【0008】他の実施例では弧状の球形ミラー部分を用
いて広角ストリップ像からの光学面に沿った光を受け、
その光を一列となった光ファイバに与えそしてそれら光
ファイバによりその光を検出器に送るようになってい
る。
【0009】この実施例によればこの光学系は更に円錐
台形ミラー部分を含み、この部分が弧状ミラー部分で反
射した光を受けて再びそれを反射して上記光ファイバ列
に入射するようにする。
【0010】この実施例では弧状ミラー部分と円錐台形
ミラー部分は共にこの系の方位軸について対称である。
【0011】更に、この弧状ミラー部分の球形反射面を
有し、この反射曲面の中心が方位軸上に置かれている。
そしてこの弧状ミラー部分はこの方位軸に対し直角とな
る光学面に沿って整合されている。この弧状ミラー部分
は方位軸に沿って上記の曲率中心からオフセットされて
おり、入射光がこの円錐台状ミラー部分により干渉され
ないようにしている。
【0012】これら光ファイバは円錐台状ミラー部分に
沿った夫々の点に接近配置される。夫々の光ファイバの
入口は限定されたコーンの形とされ、そのコーン形部分
内で光ファイバに入る光のみが光ファイバ内で伝送され
るようになっている。
【0013】好適には弧状ミラー部分は180°の視野
を与えるように180°の弧を含んでいる。これら光フ
ァイバの受光コーンにより、各ファイバはこの系にはじ
めに入る光の一部のみを伝送する。詳細に述べると、各
光ファイバは円錐台ミラー部分に沿ったそれ自体の方位
角のところに配置される。このように、各光ファイバは
夫々のファイバの夫々の方位角をもって方位軸を通る限
定され、コリメートされたビーム内でこの系にはじめに
入る光のみを伝送する。
【0014】本発明のこの好適な実施例はこの光ファイ
バの限定された受光コーンが事実上仮想ストッパを夫々
のファイバについての球形ミラーの曲率中心に限定しよ
うとするものである。球形ミラーは軸を持たないから、
軸ずれ収差は存在しない。180°の視野の両端でのビ
ネットを除き、任意のファイバに入る光の部分はその視
野内のファイバに入る部分と同じである。機械的ストッ
パは必要でないから、この光学系は、180°の球形ミ
ラー部分の光路に機械的ストッパを置く必要がある場合
には困難あるいは不可能である180°の視野を与える
ものである。
【0015】本発明は更に球形ミラーの色収差はないと
いう事実を利用する。このように、本発明を使用しうる
波長の範囲は光ファイバが光を伝送しうる波長範囲によ
ってのみ制限されることになる。
【0016】従って、180°の球面ミラー部分と限定
された受光コーンを有する光ファイバの組み合せによ
り、これまで不可能あるいは実用的でなかった180°
の視野をもつ全整色結像が可能となる。
【0017】
【実施例】図1及び図2に本発明によるストリップ結像
光学系10を示す。水平すなわち“基準”面XYと垂直
すなわち“方位”軸Zを有する直交座標系XYZを用い
て光学系10を説明する。
【0018】この実施例では光学系10反射面14を有
する主ミラーエレメント12を含む。反射面14は球形
ミラー面の180°の部分であり、そのミラー面の曲率
中心は方位軸Zに沿った基準面からの距離h5のところ
にある。反射面14は基準面と平行な“光学面”に沿っ
て配向されているが距離h3だけ方位軸Zに沿ってオフ
セットされた一つの球の180°の弧状部分により限定
される。
【0019】反射面14はこの光学面の180°の弧
(図示せず)から光を受ける。従って主ミラーエレメン
ト12はその光学面の正のXドメインに沿って一般に配
置される目標物の全視野から光を受ける。
【0020】図2の実施例では球形反射面14に入る光
は一般に円錐台形反射面18を有する副ミラーエレメン
ト16に向けて下向きに傾斜して反射される。この“円
錐台”形とはこの副ミラーエレメント16が円錐の一部
を含み、例えば双曲線、放物線あるいは楕円のような円
錐部分の回転体ではないことを意味する。
【0021】主ミラーエレメント12はそれに入る光が
円錐台ミラー16により干渉されないように方位軸Zに
沿って上向きにオフセットされている。主エレメント1
2は背面30を含む。
【0022】図2に示すように、副ミラーエレメント1
6の反射面18は、主ミラー12で反射して副ミラー1
6に向かう光が方位軸+Zに平行に垂直方向下向きに再
び反射されるように、軸Zと整合している。
【0023】図1において、複数の光ファイバ20がそ
の入力端22を反射面18から下向きに反射する光を受
光するように反射面18に隣接させて配置されている。
一列となったN本のそのような光ファイバが反射面18
の180°の弧と整合する弧内に設けられている。各光
ファイバ20は更に副ミラーエレメント16から離れて
配置された出力端24を含む。
【0024】円錐台状ミラー16は、光ファイバ20の
入力端22の部分を容易に装着しうるように受けた光の
光路を再配向するためのものである。
【0025】後述するように、各光ファイバ20は主ミ
ラーエレメント12に入り、それに反射し、そして副ミ
ラーエレメント16により再反射した光の一部を受け、
そしてその光の部分を入力端22から出力端24に送り
検出に供する。
【0026】図1の実施例では光ファイバ20の出力端
24は検出器28に光を送るために一つの直線列として
整合されている。検出器28は、例えばカメラ、写真
板、CCD、スペクトログラフ等のような光を検出する
に適した任意の検出器でよい。検出器の設計及び使用法
は全く従来と同じであるから、これ以上の説明は行わな
い。
【0027】図1と図2の実施例の利点を有する他の実
施例を図3に示す。図3の実施例は副ミラーエレメント
16がない点を除き図1の実施例と同じである。光ファ
イバ20は入力端22が主ミラー12で反射した光を直
接受けるように配置される。この構成は副ミラー16を
つくる必要がないという利点を有すると共に、円錐台面
18からの光の再反射による光学的な歪みを避けてい
る。しかしながら、円錐台ミラー16がないため、光フ
ァイバ20の装着は多少不便となるがこれはそれらファ
イバが垂直ではなく、ファン状に配向されるためであ
る。
【0028】図4及び5に本発明の他の実施例を示す。
図4及び5の実施例は、光ファイバ20がファイバクラ
ンプリング15を介して角度をもって装着される点を除
き図1の実施例と同じである。リング15はそれぞれ分
離した上下の部分151と152を含む。部分152はベ
ース32と一体に形成するとよい。
【0029】部分151の下面と部分152の上面は、部
分151を部分152の上に装着する時、光ファイバ20
を受け入れるための一連の孔をつくるように相補的な整
合溝を含んでいる。これらの溝は図5に示すように放射
状のパターンをつくる。使用に当たっては光ファイバ2
0を下側部分152の溝に入れる。次に上側部分151
部分152に固定し、それにより光ファイバ20は、そ
れらの入力端22を円錐台ミラー16の反射面18に接
近配置して放射状に発散する形で固定される。上側部分
151を下側部分152に接着するとよい。
【0030】一般に17で示す一組のアクセス穴が主エ
レメント12の反射面14の下側に形成されている。ア
クセス穴17は光ファイバ20をクランプリング15か
ら検出ユニット28に接続しうるようにするものであ
る。図5に示すように、各アクセス穴17は光ファイバ
20の束を受け入れる。図4と5の実施例は図1の実施
例にはない利点、すなわち、多数の孔ではなく比較的少
数のアクセス穴17を形成すればよいという利点を有す
る。
【0031】クランプリング15は光ファイバ20を円
錐台ミラー16に隣接して装着させるものであるが、こ
のリング15は図3の実施例において光ファイバ20を
主ミラー12から、光を直接受けるように装着するため
にも用いることができる。
【0032】光学系10を図6〜8について説明する。
これら図は図3の実施例の上面を示している。便宜上、
代表的なファイバ201、202、203を図6〜8に示
してある。また、XY面に平行に入るコリメートされた
光ビームもこれら図に示してある。
【0033】図6〜8においては断面で示す各光ビーム
は、はじめは直径dの光束である。図2に示すように、
入力ビームは基準XY面に平行な光学面に中心をもつ
が、量h3だけZ軸に沿ってオフセットされている。図
6〜8に示すように、これらビームは種々の方位角Θで
この系に入る。方位角Θは基準XY面内の角度であり、
Θ=0が+X軸に沿ったものである。
【0034】上述のように、光学系10は+X軸の方向
からこの光学面に一般に中心をもつ180°の弧(図示
せず)から光を受ける。+90°より大きくあるいは−
90°より小さいΘ角で入る光束は主ミラー12の背面
30に当たり、それゆえ最後反射と検出器28への伝送
のための反射面14には達しない。+X軸に中心をもつ
180°の弧内に入る光束のみが面14で反射する。
【0035】しかしながら、広角ミラーであるから反射
面14は部分的“ビネット”の影響を受ける。すなわ
ち、反射面14は同軸光より軸ずれ光に対してより狭い
反射断面を与える。言い換えると、反射面14は同軸光
より軸ずれ光に対しより小さい実効開口を与える。軸ず
れ光は量cos(Θ)だけビネットを受けることは明ら
かである。このいわゆる“ビネット”効果は多くの広角
光学系では重大な問題であるが、本発明の光学系ではそ
の光ファイバ20の構成配置によりこの問題はほぼ完全
に解決されている。
【0036】各光ファイバ20は球形反射面14の半径
に沿って整合しそして反射面14に沿った固有の位置L
1、L2、L3に夫々指向する。各光ファイバ20は短点
線で示す限られた、受光コーンCを有する。夫々の受光
コーンC内に入る光のみが光ファイバ20を通り伝送さ
れる。光ファイバ20に受光コーンC内に含まれるより
大きい角度で入る光はそれら光ファイバ内で内部的に反
射されずにそのファイバのクラッディングを通り漏出し
そのファイバの出力端には達しない。光ファイバ20の
受光コーンCはその円形部分に沿って反射面14と交わ
る。
【0037】図6において、光束Aは方位角Θ=0で光
学面内でこの光学系10に入る。光束Aは方位軸Zを直
接に通過し、そして反射面14の一部分L1で反射され
そして光ファイバ201へと再方向づけされる。光束A
は方位軸Zを通るから、光ファイバ201と半径方向で
整合する。それ故光束Aは反射面14により光ファイバ
201の受光コーンへと反射される。
【0038】光束Aは、光ファイバ201内での反射が
生じるように十分に浅い角度でファイバ201に入る。
光束Aはそれ故光ファイバ201により検出器28へと
送られる。
【0039】また図6において第2の光束Axも方位角
Θ=0で光学面内で光学系10に入る。しかしながら、
光束Aとは異なり、Axは−Y軸に沿ってオフセットさ
れており、それ故方位軸Zを通らない。光束Axは反射
面14の部分L1 xで反射されて光ファイバ202を含む
光ファイバ20に向けられる。
【0040】図6に示すように光束Ax内の光線は光フ
ァイバ202に鋭角に入る。このため、光束Ax内の光は
光ファイバ202の受光コーンC2には入らない。光束A
x内の光は光ファイバ202の入力端22には入りうる
が、そのファイバ内では反射されない。更に、光束Ax
内の他の光部分は光ファイバ202に隣接した他の光フ
ァイバ(図示せず)に入りうるが、それらが内部反射に
は鋭角過ぎる角度で入ることになる。
【0041】勿論、光束AとAxはX軸に平行に光学系
10に入る光の代表例に過ぎない。しかしながら、X軸
に平行に入るすべての光について、受光コーンC1と整
合した光束A内にある光のみが検出器28に送られる。
光束Axに含まれるようなX軸に平行に入る他の光のす
べては光ファイバ20による伝送には鋭角過ぎる角度で
反射面14により反射される。
【0042】図7において、光束Bは約45°の方位角
Θで光学系10に入る。図6に示す光束についてと同様
に光束Bは光学面内でこの系に入りそして反射面14の
部分L2から反射する。光束Bは反射面14の半径に沿
って方位軸Zを通る。光ファイバ202は反射面14の
その半径に沿って整合しそして反射面14に指向する受
光コーンC2を有する。図7に示すように、光束B内に
入る光は反射面14の部分L2から受光コーンC2内で光
ファイバ202に向けて反射される。このように、光束
B内に入る光は検出器28へと光ファイバ202内を伝
送される。
【0043】また、図7の光束Bxは光束Bと同様に約
45°の方位角をもって光学面に沿って系10に入る。
しかしながら、光束Bxは方位軸Zを通らず、+Y軸に
沿ってオフセットされる。
【0044】その結果、光束Bxは反射面14の半径に
整合しない。それ故、光束Bx内の光の一部は光ファイ
バ202へと反射されるが、その光は鋭角で光ファイバ
202に入りそして検出器28へは送られない。光束Bx
内の他の光は他の光ファイバ(図示せず)へと反射され
る。しかしながらそのような光は内部反射には鋭角すぎ
る角度でそれらの光ファイバに入ることになる。
【0045】その結果、約45°の方位角で入る光の内
の方位軸Zを通る光束内の光のみが検出器28による検
出のために光ファイバ202の受光コーンC2へと反射さ
れる。
【0046】一般に、方位角Θで反射面14の半径RΘ
に沿って整合する光ファイバ20Θは角度Θで方位軸Z
を通る光束内で系に入る光のみを受けて伝送する。方位
角Θでこの系に入る他の光は光ファイバ20Θ内での伝
送用に反射されることはない。更にΘ以外の角度で光学
系10に入る光は光ファイバ20Θに入り伝送されるこ
とはない。
【0047】言い換えると、方位軸Zを通る光束内以外
のこの系に入る光はこの系では検出されない。
【0048】この実施例において、各光ファイバ20は
同一の寸法及び組成のものであり、それ故同一の受光コ
ーンを有する。更に、各光ファイバ20は焦点21に沿
って半径方向に整合する。このように、X軸から角度Θ
で入る光よりも大きな率でX軸に平行な光が系に入る
が、各光ファイバ20Θは軸Xに対し他の角度で配置さ
れた他の光ファイバと同一の光を受けて伝送する。等量
の光がすべての角度からこの系10に入ると仮定する
と、各光ファイバ20は方位角には無関係に等量の光を
受けて伝送する。各光ファイバは等量の光を受けて伝送
するのであるからビネットはほぼ回避される。
【0049】しかしながら、Y軸にほぼ平行に入る光束
については少量のビネットが生じる。これを図8に光束
Dで示す。この光束Dは主ミラー12の背面30により
部分的に阻止または干渉される。このように、Y軸にほ
ぼ平行に入る光は部分的に不鮮明となり、そして光ファ
イバ203はY軸から更にずれた光ファイバより少ない
量の光を受ける。最大ビネット量は180°の視野の両
端でY軸に隣接した光ファイバについて50%である。
【0050】以上、要するに、この実施例の光学系10
は、光束が方位軸Zに対してなす角度Θにより、検出器
エレメントを選択的に照明するために、光ファイバ20
の受光角を狭くして用いる。
【0051】180°の視野を結像する手段を副ミラー
すなわち円錐台形ミラーを用いない実施例について説明
したが、この原理は同じ効果をもって円錐台形ミラー1
6を有する実施例にも適用されることは明らかである。
円錐台形反射面18は受光コーンが主ミラー12へと伸
びてその円形部分に沿った反射面14と交わるように、
各光ファイバの受光コーンを曲げるだけである。
【0052】勿論、コーン面18は焦点21よりも反射
面14に僅かに近いところに配置され、それ故、反射面
14で反射した光はコーン面18により光ファイバ20
へと反射された後でなければ焦点に達しない。このよう
に、各光ファイバ20は実効焦点に配置されて、光学面
に入りそして前述の図3の実施例におけるごとくに方位
軸Zを通る点のみを受ける。
【0053】光ファイバ20の限られた受光コーンは更
に球面収差を最少にする効果を有する。そのような収差
は広角系でない系では球形反射面の曲率中心に機械的ス
トッパを置くことで制限できる。
【0054】機械的ストッパは一般に円形の開口を有す
るプレートを含む。このプレートは球形ミラーの曲率中
心に配置されてこの開口を通る光以外のすべての光を阻
止する。このストッパはこのようにして入射光を比較的
狭い光束に制限する。このような系では球形反射面の限
られた部分のみが利用される程度に球面収差が制限され
る。
【0055】しかしながら不可能ではないにしても広角
光学系に機械的ストッパを当てることは困難である。そ
のようなストッパは球形反射面の曲率中心に配置しなけ
ればならず、広角視野の全角度に対し同時に指向しなく
てはならない。このようにストッパは狭視野光学系につ
いてのみ有効である。
【0056】しかしながら本発明の系では各光ファイバ
20の限られた受光コーンの夫々が曲率中心に配置され
て光ファイバ20と整合する実際の機械的ストッパと等
価な“仮想”ストッパを与える。この仮想ストッパは、
各光ファイバ20が系の方位軸を通る比較的狭い光束と
して入る光のみを伝送するために実現されるものであ
る。各光ファイバは一つの光学的ストッパをもち、比較
的狭い光束のみが系に入りうるようにする。このように
各光ファイバ20は球面収差の少ない光を伝送する。
【0057】図1及び2について、反射面14は中心を
座標系(X、Y、Z)の原点(O、O、O)とする切頭
球形反射面14となっている。球形反射面14の境界は
面YZ、及びXY面に平行な第1及び第2面(図示せ
ず)により限定される。図2で断面で示すように、反射
面24の使用しうる部分はXY軸に平行であるがそれか
ら量h1だけオフセットした面によりその底部が切り取
られている。h1より下の反射面の部分から反射した光
は検出されない。反射面14の上部はXY軸に平行であ
るがそれから量h2だけオフセットした面で切り取られ
る。このように、反射面14は“円錐台”部分となる。
【0058】Z軸に沿った反射面14の使用可能な部分
の高さはh2−h1で表され、これが像を含む光束の直径
dである。
【0059】副ミラー16はZ軸に沿った軸を有し、基
準XY面、ZY面及びXY面に平行な面により切り取ら
れそして高さh4だけそこからオフセットした円錐台形
ミラーである。h4はh1より小であるから副ミラー16
は光学面に沿ってそこから入る光に干渉しない。主ミラ
ー12と副ミラー16は平らなディスク形のベースプレ
ート32で接続される。光のファイバ20はプレート3
2の穴を通りプレート32内に垂直に固定される。
【0060】好適には主ミラー12、副ミラー16及び
ベースプレート32は1個の構造材から一体的に形成さ
れる。従来のダイアモンド回転法(diamond t
urning method)を用いて一つの金属部材
を図1に示すように主ミラー12、副ミラー、及びベー
スプレート32の組合せに加工することができる。
【0061】この実施例の光学系10の光学的なパラメ
ータを表Iに示す。
【0062】表Iのパラメータにより光学系10の光学
特性と設計条件を次に述べる。特に系10の解像角を代
表的なパラメータに基づき計算する。
【0063】一般に光学系10の最大視野はβ=180
°(πラジアン)について実現される。
【0064】図8について述べたように、視野は僅かに
ビネット効果を受ける。β=180°ではビネット効果
を受けない(ぼけない)視野はSIN(U)<<1とす
れば180°より、角度d/R=d/(2f)=SIN
(U)ラジアンだけ小さい。代表的な光ファイバについ
てSIN(U)=0.1である。従って残りのビネット
効果を受けない視野はほぼ(π−0.1)ラジアンすな
わち174°である。このように、使用可能な視野は方
位角Θ≒±90°ではいく分(最大で50%)のビネッ
ト効果を伴えば180°まで拡大する。
【0065】図3の実施例に関しては、光ファイバ20
が直径dにコリメートされたビームを阻害しないとすれ
ば、球形ミラー12を少なくともd/2である距離h3
だけオフセットしその幅h2−h1を少なくともdとしな
ければならない。
【0066】図1、2の実施例では、円錐台形ミラー1
6の幅を考えるとオフセットh3はd/2より大でなく
てはならない。この余分のオフセットh4はファイバ2
0の太さに近いものとすべきである。図2ではオフセッ
トh4が便宜上誇張されて示されている。
【0067】図2、3、4の実施例の夫々において、反
射面14の曲率中心は方位軸上で基準XY面よりh5
高さのところにある。
【0068】図3の実施例では光ファイバ20の受光端
22は曲率中心から距離Rのところで基準XY面から高
さh5のところにある。このようにすると、受光端22
は反射面24の焦点となる。勿論、種々の方位角でN本
のそのような光ファイバが配置される。
【0069】図2の実施例では、受光端22が“実際
の”焦点ではなく有効焦点に置かれるように円錐台形ミ
ラー16が光路を曲げている。従って、図2の実施例で
は受光端22はh5よりいく分低い高さh6のところに置
かれる。光をZ軸に平行に下向きに反射するに必要な円
錐形の反射面18は光学的な原理から容易に計算でき
る。
【0070】図4の実施例では受光端22は同様にして
系の“有効”焦点に置かれる。しかしながら円錐台形の
面18は、光が垂直下向きではなく半径方向外向きに反
射されるように角度をつけられている。従って受光端2
2は図2のh6とはいく分異なる高さh7に置かれる。
【0071】光をそのように配置された光ファイバ20
に反射するための円錐面18の角度は基本的な光学原理
から容易に計算できる。
【0072】以上、三つの実施例のすべてについて、焦
点21の周辺に配置しうる光ファイバ20の最大数Nは
次で示される: N=πf/w=πR/2w。
【0073】サンプリングインターバルα0はπ/N
(ラジアン)すなわち180/N(度)である。実際に
はこのサンプリングインターバルα0は180°の円弧
に沿って配置されるN本のファイバで達成可能な最良の
分解能と等価である。
【0074】原理的にサンプリングインターバルα0
すなわち角度分解能、は充分細いファイバを選ぶかある
いは面14の曲率半径を充分大きく選ぶことにより、所
望のように小さくできる。しかしながら実際には達成可
能な分解能は球形ミラー14の補正されていない球面収
差により制限される。
【0075】光学系10は修正レンズを含まないから、
ミラー12の最小錯乱円の角度直径(ラジアル)は式
αsph=(1/32)[k*SIN(U)]2 で表され
る。
【0076】この式はk=1とすると、一般に主光線に
中心をもつ円形開口を有する球形ミラーに適用しうる。
しかしながら上述のようにミラー12の有効円形開口は
少なくともd/2だけ中心がずれている。その結果、実
際の開口は直径2dの円形開口の一部となる。この中心
のずれた開口の球面収差はそのため直径dの中心ずれの
ない開口のそれより大である。それ故、はじめにコリメ
ートされた光線の一部は直径2dの開口の周辺部の光線
程度に歪む。従って、系10の解像度についての球面収
差の影響の近似ではあるが内輪の見積りを得るためには
k=2が合理的である。
【0077】系10の分解能がミラー12の球面収差に
より劣化されるべきでない場合には系10の幾何構成は αsph<α0 の条件を満足しなければならず、従って N = 32π/[k*SIN(U)]2 (式1) である。
【0078】次に示す2つの例は上記の式をファイバ2
0の直系を10ミクロン及び200ミクロンとしたとき
に適用する場合を示している。 例1: SIN(U) = 0.1,k = 2 W = 0.010 MM であれば N = 2513 (式1から) α0 = 0.072度 = 4.3分 R = Nw/π = 8 MM d = R SIN(U) = 0.8 MM 例2: SIN(U) = 0.1,k = 2 w = 0.200 MM とすれば N = 2513 (式1から) α0 = 0.072度 = 4.3分 R = Nw/π = 160 MM d = R SIN(U) = 16 MM
【0079】例1と2は、人間の目のそれに近い角度分
解能、すなわち1分、が原理的には系10で達成可能で
ありそして従来の光ファイバではミラー部分12の総合
直径が好適には16MMから32CMの範囲であること
を示している。
【0080】多くの場合、最良の角度分解能を達成する
必要はない。そのような場合には式1から計算される光
ファイバの数より少ないファイバを用いるか、あるいは
球面収差で生じる最少錯乱円より大きい直径を持つ光フ
ァイバを用いることが出来る。
【0081】実際には、使用される光ファイバの実際の
開口数は上記の例で与えられた値SIN(U)=0.1
とは異なることがある。
【0082】従って、図1、2に示す光学系はビネット
効果を伴うことなくかつ人間の目に等しい分解能に対す
る色収差を伴うことなく、目標の像の180°のストリ
ップを結像することの出来るストリップ結像光学系を与
えるものである。
【0083】いずれの実施例においても、すべての反射
光学エレメントは反射表面をダイアモンド回転機械によ
り形成したアルミニウムで構成するとよい。それら光学
エレメントアルミニウムを用いることにより、この系は
実質的に温度依存性がなく、すなわち、これら光学要素
は不均一な加熱や冷却により生じる歪みに対し比較的に
不感性である。それ故、この光学系は室温で構成して
も、温度がそれより極めて高くなったり低くなったりす
るような環境でも高い信頼性をもって動作することが出
来る。しかもアルミニウムは比較的安価である。
【0084】勿論、当業者には明らかなように、これら
光学エレメントを他の金属、ガラス、結晶体などを含む
任意の適当な素材を用いて構成することが出来る。ま
た、当業者では明らかなように、円錐台形反射エレメン
ト18を、同様にして主エレメント12で反射した光を
受けてそれを光ファイバ20に反射するように置かれた
複数の小さい平面反射エレメントで置き換えてもよい。
そのような小さい平面群を含む副ミラーエレメントは円
錐台形面により生じる歪みをほぼ除去出来るという利点
を有する。同様に光ファイバ20を限られた受光コーン
を有する任意の光伝送手段で置き換えて、前述の仮想光
ストッパを作ってもよい。
【0085】以上述べた光学系は目標物の像の180°
のストリップを検出しなければならないような応用面に
ついて理想的である。更に、2個のそのような光学装置
を背中合わせとし全周360°の視野が同時に検出でき
るように逆方向に整合させて装着してもよい。上記計算
したように、この実施例の光学系10の分解能は従来の
光ファイバを用いて人間の目に等しいものであり、それ
故そのような分解能で充分であるような任意の応用面に
使用しうる。
【0086】使用に当たっては、全方向における完全球
状視野が順次結像され、走査されあっては検出されるよ
うに、この光学系10をY軸に関し回転させることが出
来る。あるいはこの光学系10を地表上で水平方向に動
かし、像の各エレメントが水平線上でその地形の180
°のストリップを含むようにしてその地形の広い地表を
順次結像あるいは検出することが出来る。
【0087】また、この光学系10は寸法が小さく且つ
信頼性が高いために宇宙関係に使用して特に有利であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例により構成されたストリップ
結像光学系の部分的に概略で示される斜視図である。
【図2】図1のXZ面での図1の光学系の一部の側断面
図である。
【図3】円錐台形ミラー部のない本発明の他の実施例の
一部の側断面図である。
【図4】光ファイバクランプスプリングを有する他の実
施例の一部の側断面図である。
【図5】図4の実施例の一部の上面図である。
【図6】図1の光学系の一部の上面図であって、この系
に入る一対のコリメートされた光ビームを示す図であ
る。
【図7】図1の光学系の一部の上面図であって、この系
に角度をもって入る一対のコリメートされた光ビームを
示す図である。
【図8】図1の光学系の一部の上面図であってこの系に
入る一本のコリメートされた光ビームを示す図である。
【符号の説明】
10 光学系 12 主ミラーエレメント 14 反射面 15 クランプリング 16 副ミラーエレメント 17 アクセス穴 18 円錐台形反射面 20 光ファイバ 22 受光端 24 放光端 28 検出器

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結像手段と検出器を含み、この結像手段
    が目標物からの像を複数の像部分に分割しそして予定の
    受光部分と一致する像部分のみが上記検出器により検出
    されうるようにすることを特徴とする光学系。
  2. 【請求項2】 前記像部分は前記目標物から入る光束で
    あり、前記受光部分は検出ゾーンを限定する受光コーン
    であり、更に前記結像手段と前記検出器の間に光路を与
    える複数の光ファイバを含み、夫々の光ファイバが一つ
    の受光コーンを限定し、夫々の受光コーンが上記結像手
    段の仮想ストッパを限定するごとくなったことを特徴と
    する請求項1の光学系。
  3. 【請求項3】 前記結像手段は結像光を前記光ファイバ
    へと反射するための円錐台状ミラーを含むことを特徴と
    する請求項2の光学系。
  4. 【請求項4】 前記結像手段は球形ミラーを含み、上記
    球形ミラーの弧状部分は方位軸を限定し、そして検出さ
    れるべき前記像からの光を、上記方位軸を通り前記受光
    コーンに沿ってそれに入る光のみを前記検出器に導くよ
    うに受けることを特徴とする請求項2の光学系。
  5. 【請求項5】 下記要件を含む広角ストリップ結像光学
    系:目標物の像の広角ストリップからの光を受けて反射
    するための球形反射面を有する弧状ミラー部分;上記弧
    状ミラー部分から反射された光を受けそしてそれを複数
    の光ファイバへと再び反射するための円錐台形ミラー部
    分;上記光を受けそして上記目標物の像を検出するため
    の検出器に送るための複数の光ファイバ。
  6. 【請求項6】 前記複数の光ファイバは、前記弧状ミラ
    ー部分と前記円錐台形ミラー部分が前記球形反射面の曲
    率中心を通る方位軸に関し一般に対称となるように、上
    記円錐台形ミラー部分に沿った夫々の点に接近配置され
    た受光端を有し、上記弧状ミラー部分は一つの光学面に
    沿って配向され、上記光学面は上記曲率中心から上記方
    位軸上でオフセットされており、上記光ファイバは上記
    方位軸に関し夫々の方位角に沿って配向されており、夫
    々の光ファイバは系の方位軸を通るコリメートされたビ
    ーム内の、はじめにこの系に夫々の光ファイバの方位角
    で入る光のみを伝送することを特徴とする請求項5の光
    学系。
  7. 【請求項7】 目標物の像の、系の方位軸に直角のその
    系の光学面に沿った向きを有するストリップを受けて検
    出するための、下記要件を含むストリップ結像光学系:
    目標物の像からの光を受けて反射するための主ミラーで
    あって、その反射面が光学面に沿って整合する一つの球
    の一般に弧状の部分を含み、この弧状部分の曲率中心が
    上記光学面に直角の方位軸上にあり、この光学面が上記
    曲率中心から上記方位軸上でオフセットされているごと
    くなった、主ミラー;上記反射面で反射された光を受け
    てそれを検出するための検出手段に送るための、上記反
    射面の半径方向に沿って夫々の方位角をもって配置され
    る複数の光ファイバ;夫々の光ファイバが系の方位軸を
    通り、夫々の光ファイバの方位角で入る夫々のコリメー
    トされたビーム内の光のみを受けて伝送すること。
  8. 【請求項8】 前記光ファイバは前記反射面の光学的焦
    点弧に沿って配置される受光端を有することを特徴とす
    る請求項7の光学系。
  9. 【請求項9】 前記光ファイバの受光端は系の方位軸に
    沿った軸を有するコーンの形で整合されることを特徴と
    する請求項7の光学系。
  10. 【請求項10】 前記弧状ミラー部分は180°の視野
    を与えるべく180°の弧を含むことを特徴とする請求
    項7の光学系。
JP4305996A 1991-11-01 1992-10-19 広角光学系 Pending JPH0659126A (ja)

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US07/786,618 US5266795A (en) 1991-11-01 1991-11-01 Wide-angle imaging system with fiberoptic components providing angle-dependent virtual material stops
US07/786618 1991-11-01

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