JPH04501171A - 電磁放射の伝送兼受信装置 - 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】 電磁放射の伝送兼受信装置 技術分野 本発明は、電磁放射を伝送すると共に受信する伝送兼受信部と、電磁放射を透過 させる媒体を通過して伝送されてくる電磁放射を前記伝送兼受信部に向けて反射 する反射部とを具える電磁放射を伝送し受信する装置に関するものである。この 伝送兼受信部は電磁放射源と、伝送及び受信に共通の主凹面反射体を含んでいる 。

従来の技術 電磁放射の伝送及び受信は、例えば大気汚染測定、距離測定等の多くの用途に重 要である。この場合、可視光又は非可視光が用いられ、例えば光は測定距離に亘 って伝播し、その後集光されて分析される。光を長距離に亘ってほとんど損失せ ずに伝送するため、望遠鏡が用いられる。この場合、光源が放物鏡又は球面鏡の 焦点の近傍に近接して配置される。ミラーで反射した後、平行ビームの形態の光 が伝送される。大気中を通過した後、ビームの一部は同様に構成された受光用望 遠鏡で集光され、直接又は光ファイバを介してスペクトロメータに集束される。

直接集束させる場合、例えば受光用ミラーの前面に角度を以って配置したミラー を有するいわゆるニュートン装置が用いられる。

伝送器及び受光器を測定区域のいずれかの端部に配置する場合、ミラーを介して 放射を測定区域に再度戻す必要がある。この場合、伝送器及び受光器は互いに隣 接して配置されるため、システム中の全ての構成素子を正確に整列させる必要が あり、この結果ミラーで反射した放射を伝送される放射とは異なる方向に進行さ せる必要がある。

測定区域の遠く離れた端部に配置される反射体の好適な型式のものはいわゆるレ トロリフレクタである。このレトロリフレクタは、入射した光を正規の方向から ある範囲に亘って偏位させて反射方向に反射させる多数の反射区域が形成されて いる光学素子である。一般的にレトロリフレクタは比較的大きな角度公差を有し ているから、整列性及び安定性を維持するための要件は比較的低くてすむ。しか しながら、伝送器と受光器が並んで配置されている上述した既知の装置にレトロ リフレクタを用いる場合、依然として解決すべき課題がある０例えば、実際には 反射光の最大強度の部分が伝送用の望遠鏡に戻ってしまい、反射光のうちわずか な量しか受光器に入射しなくなってしまう。

発明の概要 本発明の目的は、伝送器及び受信器（受光器）が同一位置に位置決めされ容易に 整列して組み立てられる電磁放射の伝送兼受信装置を提供することにある。

この目的は本発明による装置によって達成され、本発明による装置は、前記伝送 兼受信部が、電磁放射源と、伝送及び受信に共用される主凹面反射体とを含む電 磁放射の伝送兼受信装置において、前記伝送兼受信部が電磁放射源と主凹面反射 体との間に配置した第２の反射体を有し、この第２の反射体が、前記電磁放射源 から主凹面反射体に向けて伝送される電磁放射に対して主凹面反射体の反射領域 の一部を遮蔽して主凹面反射体の反射領域上に影となる区域を形成すると共に、 主凹面反射体で反射された反射放射の一部を受けてこの反射放射を検出器に向け て反射し、前記形となる区域が、主凹面反射体に入射し前記第２の反射体を経て 前記検出器に向けて反射される電磁放射に対して反射性受信区域を構成し、主凹 面反射体の反射領域の伝送されてくる放射に対して影の区域とならない残りの部 分が、前記放射源から発生し主凹面反射体で反射される放射に対して伝送区域を 形成することを特徴とする。

図面のリスト 以下本発明を添付図面を参照しながら図示の実施例を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明による装置を伝送される放射の光路と共に線図的に示す。

第２図は本発明による装置を入射する放射の光路と共に線図的に示す。

第３図は放射の伝送に際して用いられる主反射体の反射区域を示す。

第４図は入射放射の受信に際して用いられる主反射体の反射区域を示す。

好適実施例 図示の実施例は大気汚染を測定する装置を示す。この装置では、光は例えば１０ ０ｍ〜１０ｍの測定距離を通過し、その後集光されて分光装置により分析される 。この関係において、伝送器と受光器との間で所定のガスの吸収スペクトルが選 択され、スペクトロメータは受光した光の強度を所定波長域の波長光の関数とし て測定する。図示の実施例においては光の波長域にある！磁放射が用いられ、こ のｔＴｒ１１放射は可視域又は非可視域のものとすることができる。このため、 本発明による伝送兼受信装置は結合した伝送兼受信部１と反射部２とを有し、こ の反射部２は伝送兼受信部１から距離を以って位置する個別のユニットで構成さ れ、これら伝送兼受信部１と反射部２との間に分析されるべきガス媒体が存在す る。伝送兼受信部１は凹面鏡の形態の主反射体３を有し、この凹面鏡は放物面状 又は球面状のミラー面４を有している。ランプの形態をした光源５を光軸１３上 の凹面鏡３の焦点近傍に配置する。光源５と凹面鏡３との間に第２の反射体６を 位置決めする。この第２の反射体６は伝送兼受信部１の一部を構成し、その反射 面７を凹面鏡３の反射面に対向させる。図示の例において、第２の反射体６は平 面鏡とする。さらに、凹面鏡３及び平面鏡６は円形に、すなわち外縁が円形とな るように設定する。平面鏡６の曲率半径は凹面鏡３の曲率半径よりも小さくする 。すなわち、平面鏡６の反射領域を凹面鏡３の反射領域よりも相当小さくする。

寸法関係の例として、反射部２までの距離が約１に−の場合以下のように設定す る。放射源５と凹面鏡３との間の光軸方向の距離は１．２ｍとし、凹面鏡３と平 面鏡６との間の距離は０．９ｍとし、放射源５と平面鏡との間の距離は０．３ｍ とする。凹面鏡３の外周縁までの直径は例えば０．３　ｍとし、この関係におい て平面鏡６の直径は約０．０５　ｍとする。

反射部２は円形にするのが好ましく、その直径は例えば０．１５ｍとする。原理 的には、反射部２は平面鏡で構成できるが、入射光を入射角に対して所定の角度 範囲内で入射光に平行に反対方向に反射するレトロリフレクタで構成することも できる。このように構成することにより、反射部を正確に整列させる必要がなく なる。

第１図において、図面を明瞭にするため、伝送光の光路及びこれに作用する部材 だけを図示する。この関係において、放射源５は凹面鏡３の焦点近傍に配置され 、実際には放射源５を焦点に正確に位置決めする必要はなく、凹面鏡３によって 反射された光線が光軸に完全に平行にならなくてもよい。このため、反射部２は 無限位置に位置決めされず、伝送ビームはわずかに集束する光線８．９を有する 。一方、このずれは極めて微小であるから、放射源はほぼ焦点領域に位置決めさ れているとみなすことができ、また凹面鏡３からの透過光は本質的に平行光であ るとみなすことができる。

第２図は、第１図と対応するように、反射部２で反射し伝送兼受信部ｌに入射す る光線９．１１についての光路だけを示す。

ビーム用の集光素子が光軸１３上の凹面鏡３と平面鏡６との間に配置され、この 集光素子は伝送兼受信部ｌの受光素子を構成する。この集光素子は、集光された 光をスペクトルに分析するスペクトロメータまで導く光ガイドで構成することが できる。

上述した構成の本発明による装置においては、より小さい平面鏡６が放射源５と より大きい凹面鏡３との間に凹面鏡３と対向するように配置されると共に、より 小さい平面鏡３の大きさはこの平面鏡の配置位置がより大きい凹面鏡３の大きさ との関連において選択されるので、放射源から放出されより大きな凹面鏡３に入 射する光をより小さい平面鏡が部分的にさえぎると共に、このより小さい平面鏡 によって、より大きい凹面鏡３に入射しこの凹面鏡３で反射したほぼ平行な光の 一部だけが受光されることになる。この状態は第１図及び第２図の両方に示され ており、さらに第３図及び第４図に線図的に一層明瞭に図示する。この第３図及 び第４図は、より小さい平面鏡６の作用により分割された凹面鏡３の種々の領域 を示す。

凹面鏡３のミラー面４は３個の区域に分割されることができる。すなわち、第１ の区域１４は図示の例では環状をなすと共に伝送区域を構成し第３図において斜 線で図示されている。第２の区域１５も同様に環状をなすると共に受信区域を構 成し第４図において斜線で図示されている。第３の区域１６も環状区域をなし、 入射光線に対して影となり用いられない、これらの区域の形状は２個のミラー３ ，６の形状及び相対位置によって決定され、図示の実施例において、これらミラ ーは円形の外形を有すると共に光軸１３に対して位置決めされている。本発明で は、受信区域１５は、放射源５から放出され凹面鏡３に入射する放射光に対して 影となる区域１７を同時に形成する区域内に存在する。

本発明による装置は以下のように作動する。はじめに、第１図に示す伝送される 放射光について説明する。光ビームのほとんどは放射源５から凹面鏡３に向く方 向に放射される。ミラー面４はより小さい平面鏡６により入射ビームに対して影 の区域１７が形成されるようにさえぎられるので、光ビームは凹面鏡３の第１の 区域１４すなわち伝送区域１４に入射する。放射源５は凹面鏡３の焦点区域に位 置するので、この環状ビームは凹面鏡３で反射してほぼ平行なビームとなり、分 析されるべきガス状媒体中を伝播する０回折、収差、再生成の効果並びに反射部 ２における適当な平行偏位により、環状断面の光ビームは融合した状態になり、 反射部２で反射した後集光した光ビームとして戻る。放射源５からガス状媒体を 通過して反射部２に到る上述した光路を第１図に示す、市販されているレトロリ フレクタのような型式の適切な反射体を用いることにより、反射部２において平 行偏位が発生する。適切なレトロリフレクタは、例えば米国のプリシジョン　ラ ッピング　オプティカル社から市販されている０反射部２における平行偏位を利 用することにより、光ビームは、反射に際して反射体の構成によって決定される 距離に亘って平行偏位を受け、この平行偏位は環状光ビームが融合状態になるこ とに対して作用することになる。平行偏位の程度は、受信区域１５及び伝送区域 １４の半径寸法に対して適合させる。

反射体２で反射した後の光路を第２図に基いて説明する。反射ビーム１０．１１ はガス状媒体中をほぼ平行光線として通過し再び凹面鏡３のミラー面４に入射す る。この際、入射光ビームのうち平面鏡６に入射する光はこの平面鏡によってさ えぎられ、この結果入射ビームに対して影の区域１６が形成される。

一方、凹面鏡３に入射しこの凹面鏡で反射する光ビームの全ては平面鏡６のミラ ー面７に入射しない。この入射光量は、２個のミラーの大きさと、放射源と凹面 鏡３との間のより小さい平面鏡６の位置との関係に依存する。このように構成す ることにより、受信区域１５が形成され、この受信区域は入射する光ビームに対 する影の区域１５内に形成され、この結果形の区域１７と伝送光に対する伝送区 域１４との間並びに入射光に対する受信区域１５と凹面鏡３のミラー面の最外区 域１９との間に共通の円形境界線１８が形成される。区域１９では平面鏡６の外 縁の外側を通る光ビームが反射する。凹面鏡３に入射し反射部２で反射した光ビ ームが境界線１８の内側の広い区域すなわち受信区域１５に入射することは、上 述したように、一方においては光学素子の不完全性及びガス状媒体中における屈 折現象に依存し、他方においては図示の実施例では反射部における平行偏位に依 存する。この平行偏位により光ビームは選択された平行偏位を有する受信区域１ ５に対して偏位させられる。平面鏡６のミラー面に入射した光ビームは、このミ ラー面７で点１２すなわち集光素子に向けて集束するように反射し、例えば光ガ イド又は入射ビームの外側に向くようにある角度を以って配置したミラーを経て 分光分析用のスペクトロメータに入射する。

上述した構成の装置では、伝送兼受信部を並置せず同一位置に配置することがで き、これにより以下に述べる多数の利点が達成される。

・１個の素子だけを安定な方法で正確に整列させる必要がある。

・全ての複雑な素子が同一点に位置する。

・１点だけに電力を供給すればよい。

・長距離に亘る測定を経済的に行なうことができる。

・測定に用いられる放射源と同一の放射源を、装置の因子の補償用キャリブレー ションに用いることができる。

・同一の感度を得る場合測定長を半分にすることができる。

本発明は上述した図示の実施例だけに限定されず、請求の範囲に記載された範囲 内において種々の変更が可能である。例えば、平面鏡６は光軸に対して対称的に 配置する必要はなく、光ビーム中に部分的に突出し光ビームをさえぎるように配 置することもできる。ミラーの光軸方向の配置位置に拘わらず、すなわち受信区 域１５が伝送光ビームに対して生ずる影の区域内に形成される限り同一の効果を 達成できる。また、放射源５は光軸上以外の位置に配置することもできる。さら に、反射鏡は円形に形成する必要はなく、別の形状とすることもできる。より小 さいミラー６は必ずしも平面鏡とする必要はなく、凹面鏡又は凸面鏡とすること もできる。別の型式の望遠鏡の原理を用いることも可能であり、例えば集束点１ ２が凹面鏡３の背後に位置するカセグレニアン型の望遠鏡の原理を利用すること もできる。この場合、凹面鏡に開口部を形成してより小さいミラーで反射した光 の光路を形成する。

図示の実施例においては、大気汚染を分光分析により測定する装置について説明 した。集束点１２で集束された後の構成及び作用は通常の型式のものとすること ができるので、この部分の詳細な説明は不要のものと考える。スペクトロメータ に関連する部分を除いて同一の構成の装置を距離測定用に用いることもでき、こ の場合、例えばパルス状の光源から放射された光と受光された光との間の時間遅 延を測定し放射光の伝播速度を用いて距離を簡単に決定することができる。或は 、単色伝送光の位相偏位を測定することにより距離を決定することもできる。

本発明による装置は完全に相異する目的にも用いることができ、この関連におい ては例えばマイクロ波又はラジオ波のような別の電磁放射と協働させて用いるこ ともできる。例えば超音波ｐような音波のように波長域が全く異なる放射を用い ることも可能であるも想到し得る。また、光ビームが通過する媒体は液体又は固 体とすることも可能である。

集光素子は、凹面鏡３に入射する光ビームの光路の外部に位置させることもでき る。この場合、より小さい方のミラー６は、スペクトロメータの光入力部を構成 する集光素子に対して例えば４５°の角度を以って配置してこの小さいミラー６ に入射する光ビームを９０°の角度偏向させる。

反射部２は簡単な平面鏡で構成することもできる。平行偏位を発生させるレトロ リフレクタを用いることは本発明に必要な要件ではなく、有用な実施例にすぎな い。

請求の範囲において、検出器の位置決めについて言及している。集光された光ビ ームを別の位置まで伝送する集光素子は、検出器という用語と同等のものとする 。

多くの光学装置と同様に、基本的作用を維持しつつ光路を反転させることが可能 である。これとの関連において、放射源５と集光素子すなわち検出器は位相を変 換する必要がある。従つて、放射源は主反射体である凹面鏡３と第２の反射体と の間に配置され、集光素子すなわち検出器は図示の反射体６を超えて主反射体の 焦点に位置決めされる。図示の実施例において、放射源は、主反射体３と第２反 射体６との間の距離と第２反射体２と放射源との間の距離との和が主反射体の焦 点距離に等しくなるように位置決めされている。さら比、これら反射体の大きさ 及び位置は、放射源から発生した放射が第２反射体６で反射した後主反射体の全 部ではなく一部に入射するように適切に選択する。主反射体の電磁放射が入射す る部分は伝送区域を構成し、主反射体の残りの部分はレトロリフレクタ２から戻 る電磁放射の受信区域を構成する。受信区域に入射する戻り放射の一部は集光素 子１２に集束する。反射体６は放射源からの直接的放射又は反射した放射（レト ロリフレクタからではない）に対してさえぎる特性を有している。

国際調査報告 国際調査報告　ρＣＴ／ＳＥ　８９１００５６６□

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．電磁放射を伝送すると共に受信する伝送兼受信部（１）と、電磁放射を透過 させる媒体を通過して伝送されてくる電磁放射を前記伝送兼受信部に向けて反射 する反射部（２）とを具え、前記伝送兼受信部が、電磁放射源（５）と、伝送及 び受信に共用される主凹面反射体（３）とを含む電磁放射の伝送兼受信装置にお いて、前記伝送兼受信部が電磁放射源（５）と主凹面反射体（３）との間に配置 した第２の反射体（６）を有し、この第２の反射体が、前記電磁放射源から主凹 面反射体に向けて伝送される電磁放射に対して主凹面反射体の反射領域の一部を 遮蔽して主凹面反射体の反射領域上に影となる区域（１７）を形成すると共に、 主凹面反射体で反射された反射放射の一部を受けてこの反射放射を検出器（１２ ）に向けて反射し、前記影となる区域が、主凹面反射体に入射し前記第２の反射 体を経て前記検出器に向けて反射される電磁放射に対して反射性受信区域（１５ ）を構成し、主凹面反射体の反射領域の伝送されてくる放射に対して影の区域と ならない残りの部分が、前記放射源から発生し主凹面反射体で反射される放射に 対して伝送区域（１４）を形成することを特徴とする電磁放射の伝送兼受信装置 。
2. ２．電磁放射を伝送すると共に受信する伝送兼受信部（１）と、電磁放射を透過 させる媒体を通過して伝送されてくる電磁放射を前記伝送兼受信部に向けて反射 する反射部（２）とを具え、前記伝送兼受信部が、電磁放射源（５）と、伝送及 び受信に共用される主凹面反射体（３）とを含む電磁放射の伝送兼受信装置にお いて、前記伝送兼受信部が、前記主凹面反射体（３）とこの主凹面反射体の焦点 面との間に配置され、主凹面反射体と対向する反射区域を有する第２の反射体（ ６）を有し、前記電磁放射源（５）が主凹面反射体（３）と第２の反射体（６） との間に配置され、前記第２の反射体が、電磁放射源から伝送される放射を前記 主凹面反射体の反射性区域の一部に入射させると共に電磁放射源からの放射に対 して前記検出器を遮蔽するように配置され、前記主凹面反射体の反射性区域の一 部が、伝送されてくる放射に対して伝送区域を構成し、前記反射性区域の残りの 部分が、この反射性区域で検出器（１２）に向けて反射される放射に対する受信 区域を構成することを特徴とする電磁放射の伝送兼受信装置。
3. ３．前記電磁放射源（５）が光源で構成され、前記主凹面反射体（３）及び第２ の反射体（６）がミラーで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記 載の電磁放射の伝送兼受信装置。
4. ４．前記主凹面反射体（３）と第２の反射体との間の距離と第２の反射体と電磁 放射源（５）との間の距離との和を前記主凹面反射体（３）の焦点距離に等しく して、主凹面反射体の伝送区域（１４）からほぼ平行なビームを伝送し、前記反 射部（２）をほぼ平行なビームを反射するように配置し、前記ビームが主凹面反 射体によってその焦点区域に向けて反射され、前記主凹面反射体と第２の反射体 との間の距離と第２の反射体と前記検出器との間の距離との和が前記主凹面反射 体の焦点距離に等しくなるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記 載の電磁放射の伝送兼受信装置。
5. ５．前記反射部（２）を、入射ビームに平行なビームを入射角に対して所定の角 度範囲で反射するように配置されているレトロリフレクタとしたことを特徴とす る請求項４に記載の電磁放射の伝送兼受信装置。
6. ６．前記第２の反射体（６）を、前記伝送区域（１４）及び受信区域（１５）が ほぼ同一の大きさとなるように位置決めすると共に主凹面反射体（３）に対して 適切な大きさとしたことを特徴とする請求項４に記載の電磁放射の伝送兼受信装 置。
7. ７．前記反射部（２）が、反射する際光線が、前記伝送区域（１４）及び受信区 域（１５）の径方向の寸法に依存する平行偏位を受けるように配置されているこ とを特徴とする請求項１，２，４又は５に記載の電磁放射の伝送兼受信装置。
8. ８．前記主凹面反射体（３）及び第２の反射体（６）がほぼ円形の形状を有し、 前記第２の反射体が、前記光源（５）からこの光源から主凹面反射体までの距離 のほぼ１／４に相当する距離だけ離間して配置されていることを特徴とする請求 項５に記載の電磁放射の伝送兼受信装置。
9. ９．前記第２の反射体（６）が、光軸上に光軸と直交するように配置した平面鏡 で構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁放射の伝送兼受 信装置。
10. １０．前記第２の反射体（６）が、光軸上に対称的に配置されると共に、主凹面 反射体の直径の０．１５〜０．２０倍の直径を有することを特徴とする請求項７ に記載の電磁放射の伝送兼受信装置。
11. １１．媒体中に光ビームを通過させ、この媒体中の成分を測定分析することを特 徴とする請求項１又は２に記載の装置の使用方法。
12. １２．前記光ビームを前記検出器に集光させ、この検出器が、分光分析を行なう スペクトロメータの一部を構成することを特徴とする請求項１１に記載の使用方 法。