JPH08247846A

JPH08247846A - 光学装置

Info

Publication number: JPH08247846A
Application number: JP7047176A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Tange; 義夫丹下; Yuji Miyaji; 雄二宮地; Koichi Inoue; 浩一井上; Toshiyuki Namikawa; 敏之浪川; Masato Shibuya; 眞人渋谷; Osamu Shindo; 修進藤; Takashi Kadowaki; 隆門脇
Original assignee: National Space Development Agency of Japan; Nikon Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: National Space Development Agency of Japan; Nikon Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-03-07
Filing date: 1995-03-07
Publication date: 1996-09-27

Abstract

(57)【要約】【目的】人工衛星搭載用光学装置におけるフレア光を
低減することを目的とする。【構成】結像光学系とこの結像光学系により形成され
た像を検知する画像センサとの間に、複数の分光フィル
タが配置された光学観測装置において、それら分光フィ
ルタを楔形状分光フィルタ７となし、かつ楔形状分光フ
ィルタ７と組み合わされて全体としては平行平面板とし
て作用するように楔形状分光フィルタ７の間に複数の楔
ガラス８を併置した。【効果】光学性能に及ぼす影響を最小限に止めつつフ
レア光の低減を行うことができ、性能が向上するという
効果がある。

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搭載用光学観
測装置に関するものであって、特に光学性能に影響を与
えるフレア光を低減するための光学系に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】広帯域の波長を利用する分光放射計等の
人工衛星搭載用光学観測装置の結像光学系としては、従
来より反射光学系が多く用いられている。中でもカセグ
レン系等の中抜け反射系が用いられることが多い。反射
系で現れる上記中抜けを、通常光学分野では中心遮蔽と
呼ぶため以後その呼称を用いる。

【０００３】カセグレン系１を結像光学系とする光学観
測装置の従来例を図６に示す。主鏡１ａ、副鏡１ｂと、
順次反射されて射出した光２はダイクロイックプリズム
３により光路分割と同時に波長分割され、目標の波長帯
域よりやや広い、複数の波長帯域を得る。カセグレン系
１の焦点面上には画像センサ４が置かれ、上記のやや広
い、複数の波長帯域をさらに狭い波長帯域にまで分光し
て利用するため、画像センサ４の前方に、光の透過する
光学面が光軸５に対し垂直になるように光学面が互いに
平行な平行平面分光フィルタ６を設置していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
においては、単一または複数の平行平面分光フィルタ６
を、光学面が光軸５に対し垂直となるように配置してい
たため、図７に示されるように、平行平面分光フィルタ
６の後方に配置された画像センサ４の表面から反射した
光が平行平面分光フィルタ６で再び反射され画像センサ
４に入射し、あたかも画像を白いベールで覆ったような
フレア光が発生して、解像力等の光学性能を劣化させる
とともに、放射計としてのラジオメトリック性能を劣化
させるという問題点があった。

【０００５】この発明は、このような従来の問題点に鑑
みてなされたもので、上記フレア光を低減する光学装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は光学観測装置
が一面のみ所定以上の反射率を有する単一の分光フィル
タで構成される場合には、その面を光軸に対し斜面とな
るように楔形状となし、さらに楔ガラスを併置して、併
せて平行平面板として働くように構成したものである。

【０００７】またこの発明は、両面が所定以上の反射率
を有する単一の分光フィルタで構成される場合には、両
面を光軸に対し斜面となるように楔形状となし、さらに
その前後に楔ガラスを併置して、併せて平行平面板とし
て働くように構成したものである。

【０００８】この発明は複数の分光フィルタからなる場
合には、各分光フィルタを楔形状とし、各楔形状分光フ
ィルタの間に全体として平行平面板として働くように複
数の楔ガラスを配置したものである。

【０００９】さらにこの発明は複数の分光フィルタから
なる場合には、各分光フィルタの所定以上の反射率をも
つ面の内、反射波長帯域に共通の波長領域をもたない面
どうしを対向させ、かつ傾斜面とするように構成したも
のである。

【００１０】またこの発明は分光フィルタの楔形状を決
定する際には、その頂角は結像光学系の開口数とフレア
の関与する立体角から得られる開口数とから所定の式を
満たすように定めたものである。

【００１１】この発明は、結像光学系が中心遮蔽をもつ
場合には、中心遮蔽が関与する立体角から得られる開口
数も考慮して、分光フィルタの楔形状の頂角を決定する
ようにしたものである。

【００１２】

【作用】この発明は光学観測装置が一面のみ所定以上の
反射率を有する単一の分光フィルタで構成される場合に
は、その面を光軸に対し傾けることにより、その面と分
光フィルタ以外の光学要素との多重反射光が画像センサ
の感光領域に入らないよう作用するためフレアが低減す
る。さらに楔ガラスを併置して、併せて平行平面板とし
て働くように構成することで、分光フィルタを楔形状と
することによって発生する収差を低減する。

【００１３】また両面が所定以上の反射率を有する単一
の分光フィルタで構成される場合には、両面を光軸に対
し傾斜させることにより、両面と分光フィルタ以外の光
学要素との多重反射光が画像センサの感光領域に入らな
いよう作用するためフレアが低減する。さらにその前後
に楔ガラスを併置して、併せて平行平面板として働くよ
うに構成することで分光フィルタを楔形状としたことに
よって発生する収差を低減する。

【００１４】複数の分光フィルタからなる場合には、各
分光フィルタを楔形状とすることにより、各楔形状分光
フィルタの斜面と分光フィルタ以外の光学要素との多重
反射光が画像センサの感光領域に入らないよう作用する
ためフレアが低減する。さらに各楔形状分光フィルタの
間に全体として平行平面板として働くように複数の楔ガ
ラスを配置することで分光フィルタを楔形状としたこと
によって発生する収差を低減する。

【００１５】また複数の分光フィルタからなる場合に
は、上記のごとき構成を採ることによってフレアの低減
並びに収差の低減が図れるが、さらに各分光フィルタの
所定以上の反射率をもつ面の内、反射波長帯域に共通の
波長領域をもたない面どうしを対向させ、かつ傾斜面と
するように構成することにより、向かい合った斜面間の
反射による干渉縞の発生を防ぐことができる。

【００１６】楔形状の分光フィルタの頂角を結像光学系
の開口数とフレアの関与する立体角から得られる開口数
とから、互いの開口数が重なり合わないように所定の式
を用いて定めることにより、必要最小限の頂角でフレア
を低減させることができ、それと同時に、頂角に依存す
る収差の発生量を抑えることができる。

【００１７】また結像光学系が中心遮蔽をもつ場合に、
中心遮蔽が関与する立体角から得られる開口数も考慮し
て分光フィルタの頂角を決定することにより、頂角の必
要最小限の角度を前述よりさらに抑えられる可能性が生
じ、頂角に依存する収差の発生量をいっそう抑える作用
をする。

【００１８】

【実施例】

実施例１．図１はこの発明の第一の実施例を示す図であ
り、一面のみが所定以上の反射率をもつ一枚の分光フィ
ルタからなる場合で、楔形状化された楔形状分光フィル
タ７と楔ガラス８とからなり、互いの傾斜面が対向する
よう組み合わされ、全体が平行平面板として作用するよ
うに構成されている。

【００１９】図１を説明する前に分光フィルタが平行平
面板の場合の図６、図７に基づいてフレア光を除去する
方法を説明する。図６において、中心遮蔽を像面から見
込んだ時の開口数（ＮＡ）をＮＡ_C 、結像光学系のＮＡ
をＮＡ_S とする。更に図７に示すようにすべての画角を
考えた時に、フレア光に関与する平行平面分光フィルタ
６上の領域を像面から見込んだ場合の最大の立体角とな
るＮＡをＮＡ_F とする。平行平面分光フィルタ６と画像
センサ４との間で反射された光がフレア光となる様子を
示した図７において、画像センサ４に入射した光が反射
して戻り平行平面分光フィルタ６で反射後、フレア光と
して再び画像センサ４に入射、感光領域９にフレア光と
して関与する。フレア光として関与する光線は、反射領
域１０より内側で反射された光線のみであることは明ら
かである。同時にこれに対応する平行平面分光フィルタ
６上の一部領域１１でのみ反射したものしか関与しな
い。これらＮＡの関係を示したものが図３である。

【００２０】図３では画像センサをＹ方向に伸びる一次
元のラインセンサと仮定しているためＮＡ_F は略楕円形
をしている。さてＹ方向のフレアのＮＡが大きいので分
光フィルタの一面はＺ方向に傾斜させるものとする。こ
の時、フレア光の光束範囲１２は軸外にずれ、分光フィ
ルタの傾斜角θ_Z が”数３”を満足すれば図４に示され
るように、フレア光は有効径外に去り、完全に消失する
ことになる。もしＹ方向にずらすと、そのずらし量は大
きくしなくてはならず実現性がない。

【００２１】

【数３】

【００２２】図５は、一例としてＮＡ_S を０．２，ＮＡ
_C を０．０５，またはＮＡ_F を０．０２とし、ＳＩＮ
（２θ_Z ）＝θとしたときのフレア光量の変化を示して
いる。フレア光を完全に除去するにはθは０．２２より
大きくなければならない。

【００２３】ＮＡ_S とＮＡ_C で挟まれた領域とフレア光
の光束範囲１２との共通領域がフレア光を発生させる領
域となるので、図３と図４を比較すると、両図で示され
た状態の中間に、フレア光を最大にする傾斜角θ_Z が存
在することが判る。また”数３”の右辺にはＮＡ_C が含
まれていないことから、中心遮蔽のない一般の屈折光学
系に対しても同様に成り立つことは明らかである。中心
遮蔽のない場合最大のフレア光を発生させる状態はフレ
ア光の光束範囲１２の中心が図３のように座標原点にあ
るとき、つまり分光フィルタの面に傾斜がない場合であ
る。ＮＡ_F は平行平面分光フィルタと画像センサの間で
発生するフレア光であるが、実際の光学系では、平行平
面分光フィルタの前方にある結像光学系を構成する光学
部材も関係する。ＮＡ_F はこれらの光学部材も含めた領
域を像面から見込んで最大の立体角となるＮＡとして選
ばれなければならないことはいうまでもない。

【００２４】ところが”数３”に従って、フレア光を完
全に消失させるように傾斜角θ_Z を求めようとした時、
その傾斜角が大きくなりすぎて現実的ではなくなること
がある。中心遮蔽を有する光学系の場合には、ＮＡ_F と
ＮＡ_C の大小関係によって適当な傾斜角θ_Z を求めるこ
とができる。ＮＡ_F がＮＡ_C より小さいときはフレアは
ないが、傾斜角θ_Z が”数４”を満たさないと逆にフレ
ア光が発生する。

【００２５】

【数４】

【００２６】さらに詳しく述べると、”数５”を満足す
る範囲ではフレア光が生じてしまい、傾斜角θ_Z に応じ
てフレア光量が変化する。

【００２７】

【数５】

【００２８】またＮＡ_F がＮＡ_C より大きいか等しい場
合には、”数３”が成立しない範囲でフレア光が生じ、
傾斜角θ_Z に応じフレア光量が変化する。

【００２９】上述した様に、中心遮蔽を有する光学系の
場合には、フレア光を防止するために、必ずしも”数
３”が成り立つように傾斜角θ_Z を求める必要のないこ
とが判る。ただこれまでの不等式で明らかなように、傾
斜角θ_Z は一意的には解が求まらない。傾斜角θ_Z の解
の範囲をさらに限定するのは分光フィルタの光学面を傾
斜させることによって生じる光学系の収差劣化である。

【００３０】一般に、収束光に対し平行平面分光フィル
タを傾斜させると非点収差が発生し、その非点収差量ｄ
Ｚは、”数６”の式で与えられる。

【００３１】

【数６】

【００３２】ここでフィルタの厚さをｄ、屈折率をｎ、
主光線のフィルタへの入射角をθ、屈折角をθ’として
いる。さてこのｄＺは光学系として許容される非点収差
量を越えてはならないから、その許容量から許容される
平行平面分光フィルタへの入射角θが決定される。つま
り互いに平行な媒質の境界面の光軸に対する傾斜角は非
点収差の許容量に制限され、フレア除去のための傾斜角
を拘束する。

【００３３】さて、これまでの説明では分光フィルタの
傾斜角θ_Z は分光フィルタを平行平面板と考えた角度で
あった。本実施例では平行平面分光フィルタを楔形状分
光フィルタとして用いる。そこで、同じフレア光除去の
効果をもつ裏面反射面の傾斜角θ_Z の関係を求めると、
分光フィルタの屈折率をｎとしたとき、”数７”で表さ
れる。

【００３４】

【数７】

【００３５】さて以上の説明に基づいて図１を説明す
る。まず分光フィルタが一枚からなり、一面のみが有害
なフレア光となるに十分な所定以上の反射率を持ち、他
方の面は所定以下の反射率であるものとする。フレア光
を除去するには、所定以上の反射率をもつ面を斜面とす
るようにその分光フィルタを楔形状とする。その際、頂
角は”数３”及び”数７”で決定されるものとする。さ
らに全体として平行平面板となるように頂角が同じであ
る一枚の楔ガラスを追加する。この場合、楔ガラスの両
面は、通常、反射防止膜が施される。この時、楔形分光
フィルタ７と楔ガラス８とを傾斜方向に沿って移動させ
る機構を設ければ、光路長を変えることが可能となるの
で焦点調整用としての役割を持たせることもできる。

【００３６】楔形状分光フィルタ７と楔ガラス８の傾斜
面は互いに平行となるように向かい合わされ、その最前
面と最後面を光軸に垂直かつ互いに平行な平行平面板と
して構成しているため、非点収差の発生を抑えてい
る。”数６”より明らかなように非点収差量はフィルタ
の厚さに比例するが、平行平面分光フィルタを傾ける場
合には、構造上ならびに加工上、ガラスの厚みを数ミリ
以下に薄くできないことから必然的に抑えられる非点収
差発生量には限界があるのに対し、分光フィルタの楔化
によって面を傾ける場合は、傾斜する面の隙間の媒質は
空気または真空となるため、その隙間を数十ミクロンま
で薄くすることができ、さらにオプティカルコンタクト
すれば発生する収差を完全に抑えることができる。

【００３７】実施例２．次にこの発明の第二の実施例に
ついて説明する。図２（ａ）は両面が所定以上の反射率
の楔形状分光フィルタ７を用いた場合の実施例を示した
ものである。まず楔の頂角は”数３”及び”数７”でα
の２倍として求められ、楔形状分光フィルタ７の傾斜面
は互いに反対方向に傾斜させられている。この楔形状分
光フィルタ７の前後を、全体として平行平面板となるよ
うに楔ガラス８で挟み込まれている。第一の実施例同様
に発生する非点収差量を少なくしているが、２組の向か
い合った傾斜面が互い違いの傾斜方向となっているので
コマ収差の発生が抑制されているため、光学性能の劣化
がより防がれている。

【００３８】実施例３．図２（ｂ）はこの発明の第三の
実施例を示す。この実施例は３枚の楔形状分光フィルタ
７からなる場合であるが、２枚以上の分光フィルタから
なる場合は第二の実施例の構成を繰り返し適用すること
でフレアを除去することができる。つまり各楔形状分光
フィルタ７の間に楔ガラス８を挿入すればよい。しか
し、もし一面が所定以下の反射率となる楔形状分光フィ
ルタ７が含まれていれば、その面と他の楔形状分光フィ
ルタ７の面を対向させ斜面としても、フレアを低減する
効果に変わりはない。

【００３９】さらに楔形状分光フィルタ７の向かい合っ
た傾斜面の反射波長帯域に万一共通範囲がある場合に
は、互いの間隔は数十ミクロン程度であるため、相互の
面反射によってニュートンリングと呼ばれる干渉縞が発
生してしまい、ゴーストの発生となる。これを防ぐため
には、もし他の楔形状分光フィルタ７の傾斜面の反射波
長帯域に共通範囲がない面１３があれば、その楔形状分
光フィルタ７の面と対向させ斜面とすることで解決でき
る。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、この発明は所定以上の反
射率の面が一面のみの分光フィルタが一枚からなる場合
には、分光フィルタを楔化するとともに楔ガラスを追加
し、全体が平行平面板として作用するように構成するこ
とにより、光学性能に及ぼす影響を最小限に止めつつフ
レア光の低減を行うことができる。

【００４１】また両面が所定以上の反射率をもつ一枚の
分光フィルタからなる場合には、その分光フィルタを楔
化するとともに、全体として平行平面板として作用する
よう、分光フィルタを前後から楔ガラスで挟み込んだ構
成とすることにより、光学性能に及ぼす影響を最小限に
止めつつフレア光の低減を行うことができる。

【００４２】さらに複数の分光フィルタからなる場合に
は、前記一枚の分光フィルタに対して成り立つ構成を基
本として、全体として平行平面板として作用するよう、
各楔形状分光フィルタの間に複数の楔ガラスを配置する
ことにより、光学性能に及ぼす影響を最小限に止めつつ
フレア光の低減を行うことができる。

【００４３】もし所定以上の反射率の反射波長帯域に共
通範囲が存在しない分光フィルタであれば、楔ガラスを
挟まずに直接向かい合わせにしても同等の効果が得られ
る。

【００４４】そして各楔形状分光フィルタ及び楔ガラス
の頂角を、一般に”数３”及び”数７”により決定する
ことでフレア光を除去できる。

【００４５】もし結像光学系が反射系で中心遮蔽がある
ならば、”数３”で決定される頂角以下であってもフレ
アを低減できる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の第一の実施例である。

【図２】（ａ）は本発明による装置の第二の実施例で
ある。（ｂ）は本発明による装置の第三の実施例であ
る。

【図３】フレア光発生を説明する図。

【図４】分光フィルタの傾斜に伴うフレア光除去を説
明する図。

【図５】傾斜角度によるフレア光量変化のグラフ。

【図６】従来の結像光学系の構成を説明する図。

【図７】フレア光の発生原理を説明する図。

【符号の説明】

１カセグレン系、１ａ主鏡、１ｂ副鏡、２カセ
グレン系を射出する光、３ダイクロイックプリズム、
４画像センサ、５光軸、６平行平面分光フィル
タ、７楔形状分光フィルタ、８楔ガラス、９感光
領域、１０反射領域、１１分光フィルタ上の一部領
域、１２フレア光の光束範囲、１３反射波長帯域に
共通範囲を持たない膜面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮地雄二東京都港区浜松町一丁目29番６号宇宙開発事業団内 (72)発明者井上浩一東京都港区浜松町一丁目29番６号宇宙開発事業団内 (72)発明者浪川敏之東京都千代田区丸の内三丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者渋谷眞人東京都千代田区丸の内三丁目２番３号株式会社ニコン内 (72)発明者進藤修鎌倉市上町屋325番地三菱電機株式会社鎌倉製作所内 (72)発明者門脇隆鎌倉市上町屋325番地三菱電機株式会社鎌倉製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結像光学系とこの結像光学系により形成
された像を検知する画像センサとの間に、一面のみが所
定以上の反射率をもつ一枚の分光フィルタが配置された
光学装置において、前記分光フィルタの前記所定以上の
反射率をもつ面を光軸に対し傾斜させ前記分光フィルタ
の断面形状を楔形状となし、かつ前記分光フィルタと組
み合わされて全体としては平行平面板として作用するよ
うに楔ガラスを併置したことを特徴とする光学装置。
【請求項２】結像光学系とこの結像光学系により形成
された像を検知する画像センサとの間に、両面が所定以
上の反射率をもつ一枚の分光フィルタが配置された光学
装置において、前記分光フィルタの両面を光軸に対し傾
斜させ前記分光フィルタの断面形状を楔形状となし、か
つ前記分光フィルタと組み合わされて全体としては平行
平面板として作用するように前記分光フィルタの前後か
ら挟み込むように楔ガラスを併置したことを特徴とする
光学装置。
【請求項３】結像光学系とこの結像光学系により形成
された像を検知する画像センサとの間に、複数の分光フ
ィルタが配置された光学装置において、前記分光フィル
タの断面形状をそれぞれ楔形状となし、かつ前記分光フ
ィルタと組み合わされて全体としては平行平面板として
作用するように前記分光フィルタの間に複数の楔ガラス
を併置したことを特徴とする光学装置。
【請求項４】反射波長帯域に共通する波長領域をもた
ない分光フィルタの所定以上の反射率をもつ面どうしを
光軸に対し傾斜させ、かつ向かい合わせて組み合わせた
ことを特徴とする請求項３記載の光学装置。
【請求項５】結像光学系の開口数をＮＡ_S 、フレア光
に関与する結像光学系の光学面上の領域または分光フィ
ルタ面上の領域を像面から見て最大の立体角となる開口
数をＮＡ_F 、及び分光フィルタの屈折率をｎとしたと
き、以下の式を満たす様に分光フィルタの頂角αが定め
られたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の光
学装置。【数１】【数２】
【請求項６】結像光学系が中心遮蔽を持つ反射光学系
で形成されたとき、前記中心遮蔽率に応じて、分光フィ
ルタの楔の頂角が決定されることを特徴とする請求項１
〜４いずれか記載の光学装置。