JPH1042172A - 広視野広波長域撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系を切り換える機構を必要とせず、かつ
比較的簡単な構成で大きな焦点面に見合う光電変換素子
を得ることが可能な広視野広波長域撮像装置の提供。 【解決手段】 光学系を色収差の生じない反射鏡１〜３
のみで構成したため広波長域の確保ができ、かつ反射鏡
１〜３を非球面鏡で構成したため球面収差等の補正が可
能となりもって広視野の確保もできる。さらに、複数個
の電荷結合素子を一次元又は二次元に配列させて光電変
換部５を構成したため、比較的簡単な構成で大きな焦点
面に見合う光電変換素子を得ることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は広視野広波長域撮像
装置に関し、特にリモートセンシングシステム等に用い
られる広視野広波長域撮像装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より光学系にはレンズ系と反射鏡系
とがある。レンズ系は色収差が生じるため波長域が狭く
なるという欠点があるが広視野が可能という利点があ
る。一方、反射鏡系は波長域が広いという利点があるが
視野が狭いという欠点がある。

【０００３】反射鏡系は反射鏡の中心軸上では高性能で
あるが、中心軸外では球面収差、非点収差及びコマ収差
が生じるため視野が狭くなるのである。

【０００４】このように従来の撮像系において広視野と
広波長域は両立しなかった。

【０００５】そこで、従来は、光学系にレンズと反射鏡
の両者を用いた屈折光学系又は反射屈折系が用いられて
いた。

【０００６】しかし、この屈折光学系又は反射屈折系で
は屈折レンズを使用しているため広視野の撮像が可能で
あったが、色収差が生じるため撮像し得る波長域が狭く
なるという欠点があった。

【０００７】そこで、この広波長域を実現するため特開
昭６３−７８１１６号公報に、波長域により光学系を切
り換えて撮像するようにした撮像装置が開示されてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６３−
７８１１６号公報に開示された撮像装置は、光学系を切
り換える機構等が必要となるため構成が複雑になるとい
う欠点があった。

【０００９】又、広視野でかつ高分解能を有する撮像装
置では焦点面が大きくなるため、この焦点面の大きさに
見合う光電変換素子が必要になるという欠点があった。

【００１０】そこで本発明の目的は、光学系を切り換え
る機構を必要とせず、かつ比較的簡単な構成で大きな焦
点面に見合う光電変換素子を得ることが可能な広視野広
波長域撮像装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に本発明は、入射した光を反射し、その反射した光を入
射しさらに反射するよう順次配列されたｎ（ｎは２以上
の整数）個の非球面鏡と、ｎ番目の非球面鏡で反射した
光を電気信号に変換する電気信号変換手段とを含むこと
を特徴とする。

【００１２】さらに他の発明は、電気信号変換手段を複
数の光電変換素子を用いて一枚の画像を電気信号に変換
する手段で構成したことを特徴とする。

【００１３】本発明によれば、非球面鏡のみの構成によ
り広視野広波長域の撮像が可能となる。

【００１４】さらに他の発明によれば、比較的簡単な構
成で大きな焦点面に見合う光電変換素子を得ることが可
能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しながら説明する。図１は本発明に係
る広視野広波長域撮像装置の最良の実施の形態の構成図
である。

【００１６】広視野広波長域撮像装置は、光線１００が
入射する第１の凹面鏡１と、この第１の凹面鏡１で反射
された光線１００が入射する凸面鏡２と、この凸面鏡２
で反射された光線１００が入射する第２の凹面鏡３と、
この第２の凹面鏡３で反射された光線１００が異なる波
長域に分光される分光ミラー４と、この分光ミラー４を
透過した光線１００ａが入射する第１の光電変換部５
と、この分光ミラー４で反射された光線１００ｂが入射
する第２の光電変換部６とからなる。

【００１７】これらの凹面鏡１，３及び凸面鏡２は非球
面鏡で構成されている。非球面鏡とは、たとえば２次式
以上で表現される回転放物面及び３次式以上で表現され
る回転双曲面の形状をなす鏡をいう。

【００１８】このように、非球面鏡で光学系を構成する
ことにより、１つの面で集光、散光を行うのに加えて球
面収差、非点収差及びコマ収差等の収差の補正を夫々の
鏡に分担させることが可能となる。

【００１９】従って、中心軸外での球面収差、非点収差
及びコマ収差が減少するため視野が広くなるのである。

【００２０】一方、従来の鏡及びレンズは単純な１次式
で表現できる球面で構成されている。

【００２１】又、凹面鏡１，３は球面の中心軸に対して
非対称又は中心軸を含まない（以下、軸はずしとい
う。）形状に形成され、凸面鏡２は中心軸に対称の形状
に形成されている。

【００２２】ここで，軸はずしについて説明する。ま
ず、従来の光学系の構成から説明する。図１４は従来の
レンズ系の構成図、図１５は従来の反射鏡系の構成図で
ある。

【００２３】図１４においては光線１００は凸レンズ１
０１、凹レンズ１０２、凹レンズ１０３、凸レンズ１０
４を介して焦点Ｆを結ぶ。又、Ｃはレンズの中心軸を表
す。

【００２４】図１５においては光線１００は凹面鏡１０
５ａ，１０５ｂ及び凸面鏡１０６を介して焦点Ｆを結
ぶ。又、Ｃはレンズの中心軸を表す。

【００２５】このように従来の光学系はいずれも中心軸
Ｃに対して回転対称に配置されている。

【００２６】次に、本発明の光学系について説明する。
図２は軸はずしレンズ系の構成図、図３は軸はずし反射
鏡系の構成図である。

【００２７】図２においては光線１００は凸レンズ１１
０、凹レンズ１１１、凹レンズ１１２、凸レンズ１１３
を介して焦点Ｆを結ぶ。又、Ｃはレンズの中心軸を表
す。

【００２８】図３においては光線１００は凹面鏡１１５
及び凸面鏡１１６を介して焦点Ｆを結ぶ。又、Ｃはレン
ズの中心軸を表す。

【００２９】このように、レンズ１１０〜１１３及び鏡
１１５，１１６は中心軸を含まない形状に形成されてい
る。

【００３０】このように光学系を軸はずしレンズ系又は
反射鏡系で構成することにより配置の自由度が増す。本
発明は反射鏡のうち凹面鏡１，３を軸はずしで構成した
ものである。

【００３１】特に、反射鏡については同軸光学系（回転
対称の光学系）では１〜２面の配置しかできない（図１
５参照）のに対し、軸はずしとすることにより３面以上
の配置が可能となる（図１，３参照）。

【００３２】又、同軸光学系では、図１５を参照すると
遮光部１０６が生じるが、軸はずしにするとこのような
遮光部１０６をなくすことができる（図１，３参照）。

【００３３】図４は中心軸Ｃを含まない軸はずし凹面鏡
１１５の断面図、図５は中心軸Ｃに対して非対称の軸は
ずし凹面鏡１１７の断面図である。このように軸はずし
には２とおりの形態が存在する。本発明では凹面鏡１１
５，１１７のいずれでも構成することができる。

【００３４】図１に戻り、凹面鏡１，３及び凸面鏡２は
凸面鏡２の中心軸Ｃに対して対称に配置されている。次
に、この対称配置について説明する。

【００３５】図６は光学系の対称配置の一例の構成図で
ある。この例は中心軸Ｃ対称の凸レンズ１２０、凹レン
ズ１２１及び凸レンズ１２２で光学系を構成したもので
ある。このように中心軸Ｃに対してレンズ１２０〜１２
２を対称に配置することにより、各レンズ１２０〜１２
２による収差が相殺されるため、ほとんど収差をなくす
ことができる。従って、非対称配置に比べ、対称配置に
近い方が収差の補正は容易となる。

【００３６】本発明はこのレンズ１２０〜１２２と同様
の構成を凹面鏡１，３及び凸面鏡２でとったものであ
る。この凹、凸、凹の反射面（１，２，３）の構成によ
り収差は相殺され、対称性からはずれた成分で発生する
収差は各鏡面の面を調整することにより補正が可能であ
る。

【００３７】次に、光電変換部５，６について説明す
る。この光電変換部５，６の構成は同一であるので光電
変換部５について説明する。

【００３８】光電変換部５は多素子検出器（例えば、電
荷結合素子；ＣＣＤ）を複数個配列したものを含み構成
される。図７は電荷結合素子を一次元に配列した場合の
構成図、図８は電荷結合素子を二次元に配列した場合の
構成図である。

【００３９】図７に示すように電荷結合素子１２１を一
次元に配列した場合、画像は１走査ずつ電気信号に変換
され、一画面分の走査により一画面の電気信号が生成さ
れる。

【００４０】又、図８に示すように電荷結合素子１２１
を二次元に配列した場合、画像は一画面単位に電気信号
に変換される。

【００４１】このように、電荷結合素子１２１を複数個
配列したもので光電変換部５を構成することにより、広
視野に対応することができ、又、焦点面が湾曲している
場合も、この電荷結合素子１２１の並びをその湾曲の形
状に合わせることにより歪みの補正が可能となる。

【００４２】この構成により、紫外線から熱赤外線の波
長域において、６度以上の高分解能な撮像が可能とな
る。

【００４３】尚、本実施例ではこの電荷結合素子１２１
を分光ミラー４を介して配置したが、分光ミラー４を介
さずに光電変換することももちろん可能である。

【００４４】次に、光電変換部５の構成について説明す
る。図９は光電変換部の構成の模式説明図である。

【００４５】光電変換部５は、光線１００を２分割する
プリズム１３０と、２個の電荷結合素子群１３１，１３
２とにより構成され、プリズム１３０内に設けたハーフ
ミラー面１３０ａで光線１００が光線１００ａと光線１
００ｂとに分割される。

【００４６】このプリズム１３０は分光ミラー４とは異
なり、異なる波長域に分光するものではなく、光線１０
０を２分する機能のみを有する。

【００４７】従って、電荷結合素子群１３１，１３２夫
々に入射する画像は同一である。次に、これらの電荷結
合素子群１３１，１３２による画像の合成について説明
する。

【００４８】図１０〜１２は画像の合成の過程を示す模
式説明図である。図１０〜１２は入射光による全体画像
１３５を示している。

【００４９】この全体画像１３５のうち、図１０の斜線
部１３６は電荷結合素子群１３１が電気信号に変換する
領域であり、図１１の斜線部１３７は電荷結合素子群１
３２が電気信号に変換する領域である。そして、この電
荷結合素子群１３１，１３２で電気信号に変換された２
つの領域１３６，１３７が光電変換部５内に設けた不図
示の信号合成部で合成され、図１２に示す１枚の画像
（領域１３６＋領域１３７）が生成される。

【００５０】これにより、電荷結合素子群を複数個用い
ることによりさらに広視野な画像の光電変換を行うこと
が可能となる。

【００５１】この光電変換部５以降には増幅回路及び信
号処理回路が設けられるが、これらを含む全体の構成に
ついて最後に説明する。

【００５２】図１３は広視野広波長域撮像装置の全体構
成図である。広視野広波長域撮像装置は光線１００が入
力される反射鏡部１〜３と、これら反射鏡部１〜３で反
射した光線１００を異なる波長域に分光する分光ミラー
４と、分光された一方の光線１００ａが入力される光電
変換部５と、光電変換部５の出力信号を増幅する増幅回
路７と、分光された他方の光線１００ｂが入力される光
電変換部６と、光電変換部６の出力信号を増幅する増幅
回路８と、増幅回路７，８の出力信号を合成して伝送可
能な信号１４０へ変換する信号処理回路９とにより構成
される。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、入射した光を反射し、
その反射した光を入射しさらに反射するよう順次配列さ
れたｎ（ｎは２以上の整数）個の非球面鏡と、ｎ番目の
非球面鏡で反射した光を電気信号に変換する電気信号変
換手段とを含むため、光学系を切り換える機構を設けな
くても広視野広波長域の撮像が可能となる。

【００５４】さらに他の発明によれば、電気信号変換手
段を複数の光電変換素子を用いて一枚の画像を電気信号
に変換する手段で構成したため、比較的簡単な構成で大
きな焦点面に見合う光電変換素子を得ることが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る広視野広波長域撮像装置の最良の
実施の形態の構成図である。

【図２】軸はずしレンズ系の構成図である。

【図３】軸はずし反射鏡系の構成図である。

【図４】中心軸を含まない軸はずし凹面鏡の断面図であ
る。

【図５】中心軸に対して非対称の軸はずし凹面鏡の断面
図である。

【図６】光学系の対称配置の一例の構成図である。

【図７】電荷結合素子を一次元に配列した場合の構成図
である。

【図８】電荷結合素子を二次元に配列した場合の構成図
である。

【図９】光電変換部の構成の模式説明図である。

【図１０】画像の合成の過程を示す模式説明図である。

【図１１】画像の合成の過程を示す模式説明図である。

【図１２】画像の合成の過程を示す模式説明図である。

【図１３】広視野広波長域撮像装置の全体構成図であ
る。

【図１４】従来のレンズ系の構成図である。

【図１５】従来の反射鏡系の構成図である。

【符号の説明】

１ 第１の凹面鏡 ２ 凸面鏡 ３ 第２の凹面鏡 ４ 分光ミラー ５ 第１の光電変換部 ６ 第２の光電変換部 １２１ 電荷結合素子 １３０ プリズム １３０ａ ハーフミラー面 １３１，１３２ 電荷結合素子群

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した光を反射し、その反射した光を
   入射しさらに反射するよう順次配列されたｎ（ｎは２以
   上の整数）個の非球面鏡と、ｎ番目の非球面鏡で反射し
   た光を電気信号に変換する電気信号変換手段とを含むこ
   とを特徴とする広視野広波長域撮像装置。
2. 【請求項２】 前記奇数番目の非球面鏡は凹面鏡で構成
   され、前記偶数番目の非球面鏡は凸面鏡で構成されるこ
   とを特徴とする請求項１記載の広視野広波長域撮像装
   置。
3. 【請求項３】 前記奇数番目の非球面鏡は球面の中心軸
   に対して非対称又は前記中心軸を含まない形状に形成さ
   れ、前記偶数番目の非球面鏡は中心軸対称に形成される
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の広視野広波長域
   撮像装置。
4. 【請求項４】 前記電気信号変換手段は複数の光電変換
   素子を用いて一枚の画像を電気信号に変換する手段であ
   ることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の広視
   野広波長域撮像装置。
5. 【請求項５】 前記電気信号変換手段は、前記ｎ番目の
   非球面鏡で反射した光を異なる波長域に分光する分光手
   段をさらに有し、この分光手段で分光された光が夫々の
   前記複数の光電変換素子に入力されることを特徴とする
   請求項４記載の広視野広波長域撮像装置。
6. 【請求項６】 前記電気信号変換手段は、前記ｎ番目の
   非球面鏡で反射した光を２方向に屈折させる屈折手段
   と、この屈折手段で得られた２つの画像の夫々異なる部
   分を光電変換する２組の前記複数の光電変換素子と、こ
   れらの複数の光電変換素子より得られた電気信号を合成
   して一枚の画像信号を生成する信号合成手段とからなる
   ことを特徴とする請求項４記載の広視野広波長域撮像装
   置。
7. 【請求項７】 前記複数の光電変換素子は一次元に配列
   されることを特徴とする請求項４〜６いずれかに記載の
   広視野広波長域撮像装置。
8. 【請求項８】 前記複数の光電変換素子は二次元に配列
   されることを特徴とする請求項４〜６いずれかに記載の
   記載の広視野広波長域撮像装置。