JPS61502985A - 特に情報伝達装置及び光学的レ−ダ−のための選択式光学的検知装置 - 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】 特に情報伝達装置及び光学的レーダー のための選択式光学的検知装置 本発明は、空間的に伝播する光束が平行でもしくは平行光束に変換可能で且つほ ぼ単色光である場合に光学的信号の受信に適している選択式光学的検知装置に関 するものである。ここでいう検知装置とは、狭い波長範囲へ入射する光だけを検 知し、この波長範囲外の光に対しては検知しないような検知装置のことである。

レーダー、情報伝達装置及び他の特殊な測定装置の稼働周波数を光学的領域へ伝 播させるための研究は世界中で行われている。

空間的に伝播する弱い直接信号又は反射信号／宇宙信号、大気圏信号、水中信号 ／を受信する光電装置及び測定装置においては、検知面に当たる背景光及び障害 光によって受信機の感度が著しく低下する。背景光や障害光が受信機の有効角度 で入射すると、受信機内の電子的構成要素の感度を十分に利用することができな い、このため上記の装置では、性能及び有効範囲が昼と夜に対して別々に記載さ れることがある。この種の光電装置の受信機の機能は、通常スペクトルが狭い光 学的信号を受信することにある。また検知要素は、比較的幅の広いスペクトルの 受信に適し且つ固有の選択機能を持たない光子増倍手段或いは受光半導体手段で あるのが通常である。従来公知の光電装置では、受信機の有効角度／視野角／を 狭め且つ選択フィルタまたは色フィルタを使用することによって背景光及び障害 光の影響を回避していた。

この解決法の欠点は、受信機の有効角度が狭すぎることである。これは１つには 、技術的な限界／調整、即ち照準合せ及び位置決定の安定性／に起因しているが 、他方伝達媒体の異質性、光束の不安定性にも起因している。

光電装置の場合、検知されるべきスペクトルの選択、背景光及び障害光の低減は フィルタを使用することによって行われる。比較的好都合にスペクトルの選択を 行うには、帯域幅の狭い干渉フィルタが用いられる。干渉フィルタのスペクトル 幅は、５５−２０ｎであるにの種の干渉フィルタはいくつかの公知の光電装置の 受信機に使用されている。それらの共通の欠点は、その使用方法に原因がある付 加的な伝送損である。この種の使用方法に関しては、専門文献に多数の例が見出 される。

Ｂ、Ｇ、キング、Ｐ、Ｊ、フィッツジェラルド、Ｈ９Ａ、スタイント″大気圏に おける光学的伝送の実験的研究”　／　Ｔｈｅ　Ｂｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅ ｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｖｏｌ、６２．Ｎｏ。

３．１９８３／では、通信実験用の光学的受信機のなかに３ｄＢの伝送損を引き 起こす狭帯域フィルタが使用される。

フィルタのほかにも、背景光や障害光の影響を低減するため一連の解決法が適用 される。例えば、光学系の前に遮蔽カセットを取付けて、受信機の有効角度を制 限する方法がある。Ｍ、Ｊ、グリーン″空中走査システムにおける光学的データ リンクの応用”　／Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　５ｃｉｅｎ−ｔｉｆｉｃ　Ｉｎｓｔｒ ｕｍｅｎｔｓ、第５３巻、　Ｎｏ、８．１９８２．第１２７８−１２８０頁／に よる光学的受信機では、可視光をフィルタリングするため赤外線フィルタが使用 される。しかしこの赤外線フィルタは特別有益なものではない。

Ｇ、ミヒャエル　ラウハム“空車のレーザー通信による空間測定ユニット”　／ ＣＨ１９３９−６／８０．１９８０　Ｉｅｅｅ　２７．２゜１、−２７．２．３ ．／による光学系では、受信機が狭帯域フィルタ／干渉フィルタ／を具備してい る。

トーマス　Ｆ、ヴイーナーは、゛′戦絡路用レーザー通信／ＣＨ１５３９−６／ ８０　ＩＥＥＥ　２７．４．１．−２７．４．５／のなかで、屋外受信機の基本 的問題は適当なフィルタを使用することにあると述べ、高複合性の結晶物理学的 フィルタの取り付けを提案している。この種のフィルタの概略は、Ｅｌｅｃｔｒ ｏ−ｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ、１９７９年の秋季版に掲載されている”ＥＯＴＦＩ ｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｌｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌｓ　Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ 　１ｉｎｅＩＩｉｄｔｈ”に説明されている。

しかしながら、干渉フィルタ及び同様の機能原理に基づいている共鳴・狭帯域フ ィルタの使用には一連の問題がある。そのうち主なものを以下に列挙する。

−干渉フィルタの製造には複雑なテクノロジーを要し、精度上のかなり厳しい条 件が満たされねばならない。

従ってコスｌ〜高となり、大量生産での製造はかなり困薙である。

一干渉フィルタには選択性があるので、比較的利用価値があるが、反面かなりの ロスも予想される。というのも有効信号がかなりの程度減衰するからである。つ まり、装置に固定して取付ける場合、もし障害光と背景光がなければ（従って選 択の必要はない）、この場合フィルタがなくとも信号／障害信号比が感度を限定 しないにもかかわらず、受信機の感度が落ちてしまうのである。

一干渉フィルタを光学系の受信機側に取付けるのが困難である。これは、干渉フ ィルタのろ過作用が主に軸方向に作用し、即ち光学系の光軸に対して平行な光束 に作用し、他の角度で光軸に入射する光束は共鳴して他の波長に変わるからであ る。付加的な光学要素を取付ければ誤差補正ができるが、光学要素の数量が増え でしまう。これに関連して光学的境界面の数が増えるのでロスが生じ、伝送損が 増大する。

−干渉フィルタは特定の波長に対して製造されるものであって、同調させること はできない。従って、受信機を検知されるべき光の波長に調整することはできな い。

つまり、透過波範囲はテクノロジーの結果として決定され、光学系に干渉フィル タを取付けた後に透過波範囲を変えることはできない。一方、送信手段として用 いられる光源からでた波長は散乱し、高速で運動するー例えば宇宙的一対象物に あたってずれを起こす。

このように干渉フィルタには限界があるので、他の解決法も試みられた。例えば 二重屈折結晶体を使用し、音響波と電場によって同調可能なフィルタが開発され た。

しかしこのフィルタは、干渉フィルタよりも複雑であり。

その使用にあたってはかなりの付加的伝送損を生じさせる。

このような問題があるため、光電的屋外装置を簡潔に構成するにあたっては干渉 フィルタも或いは選択性の高い他のフィルタも使用されない。その代わり、選択 性がもっと低い材質から成る色フィルタが使用される。この色フィルタは選択性 が低いために、信号／障害信号比をあまり増大させないが、有用な信号を弱めて しまう。この色フィルタを使用することの主な利点は、特に集中的な背景光や障 害光の熱作用から検知要素をある程度保護することである。シャンドル　タカチ ュ／ブダペスト工科大学／“光学的領域における広帯域・情報伝達実験”／　Ｈ ｉｒａｄ６ｓｔｅｃｈｎｉｋａ、１９８０．第３５０頁／による情報伝達装置で は１周囲光を遮断するための保護手段は設けられていない。ハンガリー特許第６ ２５９２３号公報による受信機にも、背景光の影響を防止する手段は設けられて いない。

本発明の目的は、特に光学的情報伝達装置及びレーダーに使用される選択式光学 的検知装置を改善することであり。

−ある一定の透過波範囲で到来した光を集光装置の伝送損以上に減衰させないよ うにすること、或いは高々小程度に減衰させること、 一背景光及び障害光のオーダーに比べて強度が数オーダーだけ低い有効光の選択 と検知を可能にすること、場合によっては、 一所望の波長への検知装置の間開を可能にすること、−選択帯域幅の１１整を可 能にすること。

−受信方向特性の調整を可能゛にすることである。

上記の目的は、本発明によれば、特にスペクトル帯域幅の小さな光束又は単色光 を検知するための次のような選択式光学的検知装置を用いて達成され、即ち光学 的情報伝達装置又はレーダーに適し、且つ点状に集光可能な光を所定の波長範囲 で且つ視野角で検出するために使用される選択式光学的検知装置を用いて達成さ れることができる。この場合選択式光学的検知装置は、所定の波長範囲にある光 を透過させる材料から成っている集光系と検知要素とを具備し、そして本発明に よれば、所定の波長範囲に属している焦点面は、この所定の波長範囲外にある波 長に属している焦点面からずれた位置にあり、検知要素は、前記所定の波長範囲 に属する焦点面内にあるアパーチャーを介して集光系と光学的に連結されている 。

アパーチャーの大きさはほぼ、所定の視野角で入射し且つ所定の波長範囲内にあ る光に属する焦点面の大きさと一致している。

検知要素が受光面を具備し、且つ集光系とともに、反射の少ない光学的に閉じた ケーシング内に配置され、受光面が遮光面内の背後にして該遮光面のアパーチャ ーを貫通する光の光路内に配置され、焦点距離が波長に依存して、検出されるべ き光波長の範囲限界にて変化するのが有利である。集光系と検知要素の受光面の 間には、アパーチャーを具備する遮光面が配置され、その際アパーチャーの大き さは、検知されるべき光波長に属する焦点面の大きさにほぼ同じであるか、又は それよりも大きく、遮光面に形成されるアパーチャーは、検知されるべき光の波 長に関係づけられる焦点の面内に配置されている。

アパーチャーの大きさが可変であるのが合目的である。

これにより１選択式光学的検知装置の有効角度が調整可能になる。

検知された光学的信号を簡単に処理するために、検知要素が光電的変換器である のが有利である。

過負荷を避けるため、特に熱的過負荷を避けるため、色フィルタを付加的に使用 するのが有利である。他の有利な構成は、実施態様項に記載されている。

光は、必要であれば他の光学的手段、ファイバーオプティックス等の光誘漂体を 用いて偏向させ、整列化させることかできる６有利には、アパーチャーと検知要 素とが、或いは検知要素がない場合には適当な大きさの検知面が、波長に依存し て得られる結像点の軌道に対応して移動可能に形成されているのが、従って光学 系が同調可能に形成されているのがよい。光が複数方向から入射する場合には、 個々の方向にそれぞれ１つのアパーチャーを設けることができる。

ここで注意すべきことは、アパーチャーとは、光を検知要素に到達させることが できるような面のことである。

例えばアパーチャーは、光誘導体の入射面であることができる。一方遮光面は、 光誘導体の非受光部分である。

検知要素が適当な大きさと形状をもっていれば、アパーチャーは検知要素の活動 面であり、一方検知要素の非活動面は遮光面の役割をする。

さらに、アパーチャーの形状が可変であるのが有利であるにのようにすると、ア パーチャーの形状に対応して、種々の方向から入射する光に対し種々の帯域幅特 性を形成することができるからである。

この構成は、伝達路のばらつき或いは受光体の機械的振動が有利な方向を有して いれば特に有利である。

補助信号を接続したり分離したりする場合には、補助ミラーを使用する必要があ る。上記解決法によれば、同じ集光系で方向探知及び／または接続を２方向で行 うことができる。

集光系と７パーチヤーを具備する遮光面の間に付加的なカバー要素Ｇが配置され ているのが有利である。このようにすると、軸方向に入射しほとんど屈折しない 光束がろ過作用なしにアパーチャーを貫通することが阻止される。このような手 段によって、検知要素に関連した検知軌跡の横傾斜を増大させることができる。

この種のカバー要素は、集光系の前にも配置することができる。

次に、本発明による選択式光学的検知装置の有利な実施例を添付の図面を用いて 説明する。

添付の図面において。

第１図は　本発明による選択式光学的検知装置の有利な実施例、 第２図は　第１図の実施例の減衰・波長特性を示している。

第１図に示した実施例でｆ工、ｆ、、ｆは焦点距離、ａ−ａは集光系Ａの主平面 である。集光系Ａは、異なる波長に対して互いにずれた焦点ｆ’、ｆ、ｆ”を有 している。

集光系Ａの球形成誤差及び他のひずみのために、検知されるべき波長に対して得 られる焦点面の大きさは、遮光面Ｂのアパーチャーよりも小さい。他方ろ過作用 は、付加的に減光することによってのみ得られる。また、付加的に同時に減光す るときだけ選択性を焦点面の強度分布に依存して高めることができる。遮光面Ｂ 上にあるアパーチャーＦは；検知されるべき光の波長に対応する結像点に配置さ れている。検知されるべき光の光路内には、遮光面Ｂのうしろに検知要素Ｃが配 置されている。アパーチャーＦを通過した光は、必要であれば他の光学的手段、 ファイバーオプティックス等の光誘導体を用いて偏向させ、整列化させることが できる。有利には、アパーチャーＦと検知要素Ｃとが、或いは検知要素Ｃがない 場合には適当な大きさの検知面が、波長に依存して得られる結像点の軌道に対応 して移動可能に形成されているのが、従って光学系が同調可能に形成されている のがよい。

光が複数方向から入射する場合には、個々の方向にそれぞれ１つのアパーチャー Ｆを設けることができる。

第１図に図示した集光系Ａは、実際にはレンズ系として形成するのが通常である 。集光系Ａは、大きな色収差に対応してそのサイズを決定される歪の少ない光学 系である。この場合、検知されるべき波長に対応する焦点面内には、アパーチャ ーＦを具備した遮光面Ｂが配置され。

一方遮光面Ｂの後方には検知要素Ｃが配置されている。

検知要素Ｃは公知の光電的変換器、例えばＰＩＮ−ダイオードである。所定の波 長をもつ検知されるべき光の焦点面内に配置される遮光面ＢのアパーチャーＦを 光束は選択された波長で且つ減衰されずに通過し、検知要素Ｃの受光面に入射す る。この過程を、第１図では受信波長りの光路によって示した。他の波長にはそ れぞれ１つの焦点ｆが関係づけられ、焦点ｆ、ｆ’　、ｆ”は、波長に依存して 光軸ｂ−ｂでずれている。従って、波長の異なる光は焦点面Ｂ内にあるアパーチ ャーＦで比較的大きな光点を生じさせる。この過程を、第１図では受信されるべ きでない波長Ｅの光路によって示した。本発明による検知要素Ｃの減衰特性は、 アパーチャーＦの大きさと該アパーチャーＦの面内に生じる光点の大きさとの比 から波長に依存して得られる。

さらに第１図には可能な解決法として、ファイバーオプティックスＫに取付けら れた検知要素Ｃ′が図示されている。この検知要素Ｃ′は、検知要素Ｃとは独立 に、焦点ｆ′に属する波長をもった光を検知する。

−例として第２図には、この種の集光系Ａを用いて試験した場合の減衰特性が図 示されている。使用した集光系Ａは１球形成誤差を厳密に補正した三レンズ構成 系である。球形成誤差から生じる焦点面の大きさは、適当に補正した結果２０． ｕ＠である。レンズは、色ばかしがかなり自由なＳＦ　６０型の重いフリントガ ラスである。

使用した集光系Ａの焦点距離は８０ｍｍで、光度は１である。波長が８２０ｎｍ 付近での焦点距離・波長のコントラストは９　、４　／ｕｍ／ｎｍである。遮光 面Ｂに形成されるアパーチャーＦの直径は１曲線Ｉの場合３００ｕｎ＋で、曲線 ■の場合５０．ｕｎである。この例かられかるように。

実現可能な手段を用いた本発明による解決法では、系に付加的な伝送損が生じる ことなく他の領域で調整可能な選択性を得ることができる。

本発明による選択式光学的検知装置を、デジタル伝送用に開発された光学的情報 伝達装置の受信機に使用した。

受信装置は、波長が約８２０ｎｍの光学的信号を受信するために形成されている 。はぼ単色光の光源として半導体レーザーを送信機に組み込んだ。検知要素とし ては、アバランシュフォトダイオードを用いた。検知要素Ｃの有効面積は、０． ２ｍ＋＋”であった。本発明による検知要素Ｃを具備する光電式情報伝達装置を 用いると、反射及び散乱並びに色収差、そして少サイズのアパーチャーＦに起因 して生じ波長に依存する伝達の減損の結果として、他のパラメータを変えずに有 効距離を１日につき２−３−から１０−１５−に増大させることができた。夜間 での有効距離は、背景光と障害光がない場合不変であった。

即ち本来の値である１Ｏ−１５Ｉ＠ｌにとどまった。

本発明による解決法は、帯域幅の小さな第−次信号又は第二次信号の作用に基づ いている他の能動的又は受動的光電式装置／レーザー距離測定機、レーザーレー ダー、受動的赤外線レーダー、能動的赤外線望遠鏡／に対しても同様の結果を期 待することができる。

本発明による装置は、使用に際し他種類の色フィルタと組合せることができる。

その際特に、とりわけ遮光面を熱から保護するために材料を色付けしたフィルタ を使用するのが有利である。

総括すると１本発明による選択式光学的検知装置は次のような利点をもっている ニ ー干渉フィルタとさらに複雑な結晶物理学的フィルタを使用する必要がない。

一利用価値が高く、付加的な伝送損が生じない。

−製造が簡単で、コス１〜が安く、特殊な技術を要しない。

一本発明による装置は、検知されるべき波長に調整することができる。

一検知されるべき帯域幅を調整できる。

−光電装置の方向特性が可変である。

一本発明を適用することにより、光電式屋外装置の有効距離及び感度を著しく増 大させることができる。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．所定の波長範囲にある光を透過させる材料から成っている集光系と受光的検 知要素とを具備した、点状に集光可能な光を所定の波長範囲と視野角で検知する ための選択式光学的検知装置において、所定の波長範囲内では、集光系（Ａ）の 焦点（ｆ）がこの波長範囲外の波長に対して特徴的な焦点（ｆ′，ｆ′′）から 離隔し、且つ検知要素（Ｃ）が所定の波長範囲に属する焦点面（ｆ）内に形成さ れるアパーチャー（Ｆ）を介して集光系（Ａ）と光学的に連結されていることと 、アパーチャー（Ｆ）の大きさが、所定の視野角で入射し且つ所定の波長範囲内 にある光に属する焦点面の大きさに対応していることとを特徴とする選択式光学 的検知装置。
2. ２．特許請求の範囲第１項に記載の選択式光学的検知装置であって、特にスペク トル帯域幅が小さな光束又は単色光を検知するための光学的情報伝達装置及び光 学的レーダーのための選択式光学的検知装置において、検知されるべき光束の方 向に指向した集光系（Ａ）と受光面を具備する検知要素（Ｃ）とが、反射の少な い光学的に閉じたケーシング内に配置されていることと、該ケーシング内の検知 要素（Ｃ）の受光面が、遮光面（Ｂ）の背後にして該遮光面（Ｂ）のアパーチャ ー（Ｆ）を貫通する光の光路内に配置され、焦点距離・波長関数が検知されるべ き所望の光の波長限界にて変化し、アパーチャー（Ｆ）の大きさが、検知される べき光波長に属する焦点面の大きさにぼぼ同じであるか、又はそれよりも大きく ・遮光面（Ｂ）に形成されるアパーチャー（Ｆ）が、検知されるべき光の波長に 関係づけられる焦点（ｆ）の面内に配置されていることとを特徴とする選択式光 学的検知装置。
3. ３．アパーチャー（Ｆ）が、焦点（ｆ）の検知されるべき光波長に依存する軌道 上を移動可能に配置されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項及び第 ２項に記載の選択式光学的検知装置。
4. ４．アパーチャー（Ｆ）の大きさが可変であることを特徴とする、特許請求の範 囲第１項から第３項までのいずれか１つに記載の選択式光学的検知装置。
5. ５．アパーチャーの形状が可変であることを特徴とする、特許請求の範囲第１項 から第４項までのいずれか１つに記載の選択式光学的検知装置。
6. ６．付加的な接続ミラー及び／または分離ミラーが設けられていることを特徴と する、特許請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１つに記載の選択式光学 的検知装置。
7. ７．集光系（Ａ）とアパーチャー（Ｆ）の間に付加的なカバー要素（Ｇ）が配置 されていることを特徴とする、特許請求の範囲第１項から第６項までのいずれか １つに記載の選択式光学的検知装置。
8. ８．集光系（Ａ）の前に付加的なカバー要素（Ｇ）が配置されていることを特徴 とする、特許請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１つに記載の選択式光 学的検知装置。
9. ９．検知要素（Ｃ）が光電的変換器であることを特徴とする、特許請求の範囲第 １項から第８項までのいずれか１つに記載の選択式光学的検知装置。
10. １０．集光系（Ａ）と検知要素（Ｃ）との間に、選択式光学的検知装置の光軸上 に配置され、且つ検知要素（Ｃ）に指向している光束の中心を覆う付加的なカバ ー要素（Ｇ）が設けられ、検知要素（Ｃ）の活動面がほぼアパーチャー（Ｆ）の 所定の大きさと一致していることを特徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の 選択式光学的検知装置。
11. １１．付加的な色フィルタが設けられていることを特徴とする、特許請求の範囲 第１項から第１０項までのいずれか１つに記載の選択式光学的検知装置。