JP2017529563A - 無人航空機の探査用対物レンズ - Google Patents

Abstract

本発明の無人航空機の探査用対物レンズは、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズを含む。前記第一レンズは両凸型のレンズであり、前記第二レンズは両凹型のレンズであり、前記第三レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第四レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第五レンズはメニスカス状のレンズである。前記第一レンズと前記第二レンズは互いに接着され、前記第四レンズと前記第五レンズは互いに接着されている。前記無人航空機の探査用対物レンズは、正／負のジオプトリを有している第一レンズないし第五レンズを適当に配置することにより、従来の無人航空機の探査用対物レンズでは大きい視野角、高い解像度、少ない変形を容易に獲得することができない技術的課題を解決した。【選択図】図１

Description

本発明は、光学技術に関し、特に、無人航空機の低空探査用対物レンズに関するものである。

現在、無人航空機は色々な分野に用いられている。無人航空機は飛行士が要らないので、危険な任務を担当することができる。無人航空機は探査、捜索の分野に幅広く用いられている。すなわち、空中においてターゲットを撮影した後、これを地面に即時送信することにより、ターゲットの状況を把握することができる。

無人航空機を軍用の探査に用いることができる。例えば、戦場を探査、監視すること、射撃の位置の設定、破壊状況の把握、電子戦争などに用いることができる。無人航空機を民用の探査に用いることもできる。例えば、辺境のパトロール、核輻射の探測、空中の撮影、鉱山の試掘、被害の監視、交通のパトロール、治安の監視などに用いることができる。

空中探査の相違点により探査を低空探査、中空探査および高空探査に分けることができる。いずれの探査も１つの重要な技術、すなわち空中撮像を用いる必要がある。しかしながら、従来の無人航空機の光学鏡筒は、視野角が小さく、解像度が低く、変形が多いという欠点などを有している。

本発明の目的は、解像度が高く、変形が少ない無人航空機の探査用対物レンズを提供することにある。

無人航空機の探査用対物レンズは、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズを含み、前記第一レンズは両凸型のレンズであり、前記第二レンズは両凹型のレンズであり、前記第三レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第四レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第五レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第一レンズと前記第二レンズは互いに接着され、前記第四レンズと前記第五レンズは互いに接着されており、
前記第一レンズは第一曲面と第二曲面とを含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面とを含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面とを含み、前記第四レンズは第七曲面と第八曲面とを含み、前記第五レンズは第九曲面と第十曲面とを含み、前記第一曲面ないし第十曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列されており、
前記第一曲面ないし第十曲面の曲率半径は順に、１１２、−１５０、−１５０、２５０、６４、１５０、−３１、−６０、−６０、−５０であり、
前記第一レンズないし第五レンズの中心の厚さは順に、１２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍである

本発明の一実施例の前記第一レンズないし第五レンズにおいて、各レンズの屈折率とアッベ数の比例は順に、１．５／６４、１．７／３２、１．６３／６２、１．６／６０、１．６／４０である。

本発明の一実施例において、前記第二レンズと第三レンズとの間の距離は０．５ｍｍであり、前記第三レンズと第四レンズとの間の距離は８０ｍｍである。

本発明の一実施例において、前記第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズの外径は順に、７０ｍｍ、７０ｍｍ、６０ｍｍ、２０ｍｍ、２０ｍｍである。

本発明の一実施例において、無人航空機の探査用対物レンズはアパーチャーを更に含み、該アパーチャーは、前記第四レンズの物体側に設けられ、第四レンズに入射する光線量を制御することに用いられる。

本発明の一実施例において、前記曲率半径、中心の厚さ、屈折率とアッベ数の比例および前記距離の公差範囲はいずれも±５％である。

本発明の無人航空機の探査用対物レンズは、正／負のジオプトリを有している第一レンズないし第五レンズを適当に配置することにより、従来の無人航空機の探査用対物レンズでは大きい視野角、高い解像度、少ない変形を容易に獲得することができない技術的課題を解決した。前記無人航空機の探査用対物レンズは、体積が小さく、撮像の幅が広く、像質がよく、解像度が高く、変形が少なく、視野角が大きいという利点を有しており、かつ獲得できる情報が多く、使用上の効率がよく、使用上のコストを有効に低減することができるという利点も有している。

図面に示された本発明の好適な実施例の技術的事項によって本発明を具体的に説明することにより、本発明の目的、特徴および発明の効果をよく理解してもらうことができる。図面において、同様な符号は同様な部分を示す。下記図面は、実際の製品のサイズの比例によって画いたものではなく、本発明の趣旨をよく表すことができるように画かれている。
本発明の一実施例の無人航空機の探査用対物レンズの構造を示す図である。 本発明の一実施例の無人航空機の探査用対物レンズの変調伝達関数の特徴を示す曲線図である。 本発明の一実施例の無人航空機の探査用対物レンズの幾何収差を示す図である。 本発明の一実施例の無人航空機の探査用対物レンズの像面湾曲の特徴を示す曲線図である。 本発明の一実施例の無人航空機の探査用対物レンズの変形の特徴を示す曲線図である。

本発明の目的、特徴および発明の効果をより詳細に理解してもらうため、以下、図面により本発明の具体的な実施例をより詳細に説明する。下記実施例に示される具体的な技術的事項により、本発明を充分に理解してもらうことができる。明細書には本発明の好適な実施例が示されているが、本発明はそれらと異なる他の実施形態によって実施されることができる。すなわち、本技術分野の技術者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な設計の変更などをすることができ、本発明は下記実施例の構成にのみ限定されるものではない。

図１を参照すると、本発明の一実施例の無人航空機の探査用対物レンズ１００は、主として無人航空機の中、低空探査に用いられ、入射光の伝播方向に沿って同軸に配列される第一レンズＬ１、第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、第四レンズＬ４および第五レンズＬ５を含む。

第一レンズＬ１は、両凸型のレンズであり、物体側へ突出している第一曲面Ｓ１と撮像側へ突出している第二曲面Ｓ２とを含む。第一曲面Ｓ１の曲率半径は１１２ｍｍであり、第二曲面Ｓ２の曲率半径は−１５０ｍｍである（本文において、光の伝播方向は図面の左側から右側に向かう。レンズの曲率半径の正負は球面と光軸の交差点によって決められ、球面の球心が前記交差点の左側に位置するとき、曲率半径は負数になり、逆に、球面の球心が前記交差点の右側に位置するとき、曲率半径は正数になる。以下同様）。第一レンズＬ１の中心の厚さ、すなわち第一レンズＬ１の光軸上の厚さｄ１は１２ｍｍである。第一レンズＬ１の外径（直径）Φは７０ｍｍである。第一レンズＬ１の屈折率Ｎｄ１とアッベ数Ｖｄ１の比例は１．５／６４である。前記各パラメーターは希望値であり、いずれも±５％の公差を有することができる。すなわち、前記各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

第二レンズＬ２は、両凹型のレンズであり、第一レンズＬ１と接着したことにより１つの接着式レンズ組を形成する。第二レンズＬ２は撮像側へ窪んでいる第三曲面Ｓ３と物体側へ窪んでいる第四曲面Ｓ４とを含む。第三曲面Ｓ３の曲率半径は−１５０ｍｍであり、第四曲面Ｓ４の曲率半径は２５０ｍｍである。第二レンズＬ２の中心の厚さｄ２は４ｍｍである。第二レンズＬ２の外径Φは７０ｍｍである。第二レンズＬ２の屈折率Ｎｄ２とアッベ数Ｖｄ２の比例は１．７／３２である。前記各パラメーターは希望値であり、いずれも±５％の公差を有することができる。すなわち、前記各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

第三レンズＬ３はメニスカス状のレンズである。第三レンズＬ３は物体側へ突出している第五曲面Ｓ５と物体側へ窪んでいる第六曲面Ｓ６とを含む。第五曲面Ｓ５の曲率半径は６４ｍｍであり、第六曲面Ｓ６の曲率半径は１５０ｍｍである。第三レンズＬ３の中心の厚さｄ３は８ｍｍである。第三レンズＬ３の外径Φは６０ｍｍである。第三レンズＬ３の屈折率Ｎｄ３とアッベ数Ｖｄ３の比例は１．６３／６２である。第三レンズＬ３と第二レンズＬ２との間の距離Ｔ１、すなわち第五曲面Ｓ５と第四曲面Ｓ４との間の光軸上の距離は０．５ｍｍである。前記各パラメーターは希望値であり、いずれも±５％の公差を有することができる。すなわち、前記各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

探査用対物レンズ１００はアパーチャーＡを更に含む。アパーチャーＡは第三レンズＬ３と第四レンズＬ４との間に位置しかつ第四レンズＬ４側に近い。アパーチャーＡにより第四レンズＬ４に入射する光線量を制御することができる。

第四レンズＬ４はメニスカス状のレンズである。第四レンズＬ４は撮像側へ窪んでいる第七曲面Ｓ７と撮像側へ突出している第八曲面Ｓ８とを含む。第七曲面Ｓ７の曲率半径は−３１ｍｍであり、第八曲面Ｓ８の曲率半径は−６０ｍｍである。第四レンズＬ４の中心の厚さｄ４は２ｍｍである。第四レンズＬ４の外径Φは２０ｍｍである。第四レンズＬ４の屈折率Ｎｄ４とアッベ数Ｖｄ４の比例は１．６／６０である。第四レンズＬ４と第三レンズＬ３との間の距離Ｔ２、すなわち第七曲面Ｓ７と第六曲面Ｓ６との間の光軸上の距離は８０ｍｍである。前記各パラメーターは希望値であり、いずれも±５％の公差を有することができる。すなわち、前記各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

第五レンズＬ５は、メニスカス状のレンズであり、第四レンズＬ４と接着したことにより１つの接着式レンズ組が形成される。第五レンズＬ５は撮像側へ窪んでいる第九曲面Ｓ９と撮像側へ窪んでいる第十曲面Ｓ１０とを含む。第九曲面Ｓ９の曲率半径は−６０ｍｍであり、第十曲面Ｓ１０の曲率半径は−５０ｍｍである。第五レンズＬ５の中心の厚さｄ５は４ｍｍである。第五レンズＬ５の外径Φは２０ｍｍである。第五レンズＬ５の屈折率Ｎｄ５とアッベ数Ｖｄ５の比例は１．６／４０である。前記各パラメーターは希望値であり、いずれも±５％の公差を有することができる。すなわち、前記各パラメーターは希望値の±５％の範囲内で変化することができる。

前記探査用対物レンズ１００は次のようなパラメーターを有している。すなわち、ｆ＝２００ｍｍ、Ｄ／ｆ＝１：３．５である。

本実施例において、光線は、物体側から第一レンズＬ１に入射し、かつ第二レンズＬ２、第三レンズＬ３、アパーチャーＡ、第四レンズＬ４および第五レンズＬ５を順に通過した後撮像面Ｂに集光される。イメージセンサ（図示せず）、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）または相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）を設けることにより、前記撮像面Ｂに撮像システムを構成することができる。

図２〜図５はそれぞれ、無人航空機の探査用対物レンズの伝達関数のＭ．Ｔ．Ｆ図、幾何収差、像面湾曲および変形の特徴を示す曲線図である。図に示されるとおり、解像度が５０ラインペア／ｍｍにであるとき、Ｍ.Ｔ.Ｆは０．４になっており、理想的な状態に達することができる。スポットのサイズは約ΔΦ≒０．０１５になっており、理想的な状態に達することができる。すなわち、細い光束の収差または色収差は全部補正されており、変形は小さい範囲内に控えられているので、変形に対する低空探査の要求を満たすことができる。

前記無人航空機の探査用対物レンズは、体積が小さく、撮像の幅が広く、像質がよく、解像度が高く、変形が少なく、視野角が大きいという利点を有しており、かつ獲得できる情報が多く、使用上の効率がよく、使用上のコストを有効に低減することができるという利点も有している。

以上、上述した複数の実施例により本発明の好適な実施例を詳述してきたが、本発明の構成は前記実施例にのみ限定されるものでない。本技術分野の当業者は本発明の要旨を逸脱しない範囲内で設計の変換等を行うことができ、このような設計の変更等があっても本発明に含まれることは勿論である。本発明の保護範囲は後述する特許請求の範囲が定めたことを基準にする。

Claims (6)

1. 無人航空機の探査用対物レンズであって、入射光の伝播方向に沿って順に同軸に配列される第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズを含み、前記第一レンズは両凸型のレンズであり、前記第二レンズは両凹型のレンズであり、前記第三レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第四レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第五レンズはメニスカス状のレンズであり、前記第一レンズと前記第二レンズは互いに接着され、前記第四レンズと前記第五レンズは互いに接着されており、
   前記第一レンズは第一曲面と第二曲面とを含み、前記第二レンズは第三曲面と第四曲面とを含み、前記第三レンズは第五曲面と第六曲面とを含み、前記第四レンズは第七曲面と第八曲面とを含み、前記第五レンズは第九曲面と第十曲面とを含み、前記第一曲面ないし第十曲面は入射光の伝播方向に沿って順に配列されており、
   前記第一曲面ないし第十曲面の曲率半径は順に、１１２、−１５０、−１５０、２５０、６４、１５０、−３１、−６０、−６０、−５０であり、
   前記第一レンズないし第五レンズの中心の厚さは順に、１２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍであることを特徴とする無人航空機の探査用対物レンズ。
2. 前記第一レンズないし第五レンズにおいて、各レンズの屈折率とアッベ数の比例は順に、１．５／６４、１．７／３２、１．６３／６２、１．６／６０、１．６／４０であることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の探査用対物レンズ。
3. 前記第二レンズと第三レンズとの間の距離は０．５ｍｍであり、前記第三レンズと第四レンズとの間の距離は８０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の探査用対物レンズ。
4. 前記第一レンズ、第二レンズ、第三レンズ、第四レンズおよび第五レンズの外径は順に、７０ｍｍ、７０ｍｍ、６０ｍｍ、２０ｍｍ、２０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の探査用対物レンズ。
5. アパーチャーを更に含み、該アパーチャーは、前記第四レンズの物体側に設けられ、第四レンズに入射する光線量を制御することに用いられることを特徴とする請求項１に記載の無人航空機の探査用対物レンズ。
6. 前記曲率半径、中心の厚さ、屈折率とアッベ数の比例および前記距離の公差範囲はいずれも±５％であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の無人航空機の探査用対物レンズ。