JP3624978B2

JP3624978B2 - 分光光学系

Info

Publication number: JP3624978B2
Application number: JP29786895A
Authority: JP
Inventors: 博伸作田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2015-10-20
Also published as: JPH09116915A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は分光光学系に関し、特に対物光学系の収れん光束中に分光光学素子を配置し、光束を各波長バンド毎に分光して複数の物体像を形成する分光光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
対物光学系を介して対象物体の１次元像を形成し、この１次元像情報に基づいてプッシュブルーム方式の走査により対象物体の２次元画像を得る技術が知られている。この場合、対物光学系を介した光束を分光光学素子を用いて各波長バンド毎に分光し、分光された各波長バンドの光束に基づいて複数の１次元像を形成する分光光学系が用いられる。
【０００３】
図４は、従来の分光光学系の構成を概略的に示す図である。
図４の分光光学系では、対物光学系１２の像面上に並列配置された３つのラインセンサ（または点状センサ）１４Ａ〜１４Ｃ上に対象物体の像を形成する。なお、図示を省略したが、各センサ１４Ａ〜１４Ｃの前方（図中左側すなわち対物光学系１２側）には、互いに異なる波長バンドの光束だけを透過する３つのフィルタがそれぞれ配置されている。したがって、３つのセンサ１４Ａ〜１４Ｃでは、互いに異なる波長バンドの光束に基づいて形成された物体像をそれぞれ検出する。
【０００４】
図５は、従来のもう１つの分光光学系の構成を概略的に示す図である。
図５の分光光学系では、対物光学系１３の収れん光束中にダイクロイックプリズム１５が配置されている。したがって、対物光学系１３を介した光束は、ダイクロイックプリズム１５によって各波長バンド毎に３つの光束に分光される。そして、分光された各波長バンドの光束に基づいて、３つの１次元像が形成される。３つの１次元像は、対物光学系１３の像面に配置された３つのセンサ１６Ａ〜１６Ｃによってそれぞれ検出される。
【０００５】
図４および図５の分光光学系は、たとえば人工衛星や航空機のプラットホーム上に搭載される。そして、プラットホームの所定方向に沿った移動に伴って、すなわち物体と分光光学系との相対走査により、物体の２次元画像を得ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図６は、図４の分光光学系によって形成される像の歪みを説明する図である。上述したように、図４の分光光学系では３つのセンサが同軸上に配置されていないので、各波長バンドにおいて像の検出時間に差がある。換言すれば、同時刻において、３つのセンサはそれぞれ物体上の互いに異なる位置を検出している。
【０００７】
したがって、図６に示すように、対象物体の表面に凹凸がある場合、時間ｔ０において２つの互いに異なる波長バンドのセンサがそれぞれ検出する位置の間隔がａであるのに対して、時間ｔ１ではその間隔がｂに変化する。その結果、異なる波長バンドの光束に基づいてそれぞれ形成される像の間で歪みが発生し、その補正には画像処理が必要になってしまう。
ちなみに、図５の分光光学系では３つのセンサが同軸上に配置されているので、上述の像の歪みは生じない。
【０００８】
また、赤外線域のセンサを用いる場合、対象物体以外からの放射光をできるだけ受けないように、センサは冷却手段を必要とするのでセンサのパッケージが大きくなる。したがって、センサパッケージ同士の干渉を避けるために、特に図４の分光光学系のような構成では、対物光学系に対して結像性能が良好な広いイメージエリアが求められる。したがって、現実の対物光学系の結像性能が良好なイメージエリアでは、所望の数の波長バンドに分光し、いわゆる多波長バンド（マルチバンド）の分光画像を得ることができないことがあった。
【０００９】
また、図５の分光光学系のような構成においても、センサパッケージ同士の干渉を避けるとともにダイクロイックプリズムの挿入のために、かなり長いバックフォーカスを必要とする。したがって、現実の対物光学系のバックフォーカスでは、所望の数の波長バンドに分光し、いわゆる多波長バンドの分光画像を得ることができないことがあった。
【００１０】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、所望数の多波長バンドの良好な分光画像を得ることのできる分光光学系を提供することを目的とする。
【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、本発明においては、物体からの光に基づいて前記物体の像を形成するための対物光学系と、該対物光学系を介した光束をそれぞれ所定の波長バンドを有する複数の光束に分光するための分光手段と、該分光手段を介して分光された複数の光束に基づいて形成された複数の像をそれぞれ検出するための複数のセンサ手段とを備えた分光光学系において、
前記分光手段を介して形成された前記複数の像のうち少なくとも１つの像からの光に基づいて前記物体の像を再形成するための再結像光学系と、
前記再結像光学系を介した光束をそれぞれ所定の波長バンドを有する複数の光束に分光するための第２分光手段と、
前記第２分光手段を介して分光された複数の光束に基づいて形成された複数の像をそれぞれ検出するための複数の第２センサ手段とを備え、
前記再結像光学系は、等倍のオフナー型の反射光学系であることを特徴とする分光光学系を提供する。
【００１２】
本発明の好ましい態様によれば、前記対物光学系は、像側にテレセントリックな光学系であり、前記再結像光学系は、両側にテレセントリックな光学系である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明では、対物光学系を介して形成された像からの光を、それぞれ所定の波長バンドを有する複数の光束に分光する。そして、これら複数の光束に基づいて複数の像を再形成する。したがって、対物光学系を介した収れん光束中および再結像光学系を介した収れん光束中に数多くの分光光学素子（分光手段）を配置することができる。その結果、それぞれ所定の波長バンドを有する像を数多く形成し、所望数の多波長バンドの分光画像を得ることができる。
【００１４】
具体的には、たとえば対物光学系を介して形成された３つの像のうちの２つの像を検出し、残りの像からの光に基づいて再結像光学系により３つの像を形成してそれぞれ検出すれば、合計で５つの波長バンドに基づく物体像を検出することができる。この場合、対物光学系を介した収れん光束および再結像光学系を介した収れん光束を用いて、それぞれ３つの像を形成しているにすぎない。したがって、対物光学系および再結像光学系に対して、特に長いバックフォーカスや特に広いイメージエリアを求めることなく、多波長バンドの良好な分光画像を得ることができる。
【００１５】
なお、本発明では、対物光学系が像側にテレセントリックで、再結像光学系が両側にテレセントリックであることが好ましい。そして、対物光学系と再結像光学系との間でいわゆる瞳をマッチングさせることによって中間像をリレーし、合成光学系はほぼ像側にテレセントリックであるため、分光光学素子にコートされるダイクロイック膜の作用による画角の中心と周辺とでの色ズレをすべてのバンドについて抑えることができる。
本発明では、光学系が完全にテレセントリックでなくても、最終的に得られる像が不鮮明とならない範囲でほぼテレセントリックであればよい。
【００１６】
また、再結像光学系は、等倍のオフナー型の反射光学系であることが好ましい。オフナー型の反射光学系はほぼ無収差であるため、像の再形成に際して光学性能を劣化させることなく、十分なスペースで波長分割（分光）することができる。
【００１７】
本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施例にかかる分光光学系の構成を概略的に示す図である。
図１において、対物光学系１を介した対象物体からの収れん光束中には、ダイクロイックミラー４および５が設けられている。したがって、ダイクロイックミラー４で反射された所定波長バンドの光束は、物体の中間像２を形成する。なお、対物光学系１は、像側にテレセントリックな光学系である。そして、対象物体からの軸外光束に基づいて、メリジオナル像面とサジタル像面とがほぼ一致する非点隔差の少ない軸外の円環状フィールドに１次元の良像を中間像２として形成する。
【００１８】
また、ダイクロイックミラー４および５をそれぞれ透過した所定波長バンドの光束は、ラインセンサ１０Ｂ上に物体の１次元像を形成する。
さらに、ダイクロイックミラー４を透過しダイクロイックミラー５で反射された所定波長バンドの光束は、ラインセンサ１０Ａ上に物体の１次元像を形成する。なお、ダイクロイックミラー５とラインセンサ１０Ａとの間の光路中には、補正板８が設けられている。補正板８は、ダイクロイックミラー４により発生する収差を補正している。
【００１９】
中間像２からの光は、再結像光学系３を介して、非点隔差の少ない軸外の円環状フィールドに物体の像を再形成する。なお、再結像光学系３は、互いに対向した反射面を有する凹面鏡３ａと凸面鏡３ｂとで構成された両側にテレセントリックな等倍のオフナー型反射光学系である。
再結像光学系３を介した中間像２からの収れん光束中には、ダイクロイックミラー６および７が設けられている。したがって、ダイクロイックミラー６で反射された所定波長バンドの光束は、ラインセンサ１０Ｃ上に物体の１次元像を形成する。
【００２０】
また、ダイクロイックミラー６および７をそれぞれ透過した所定波長バンドの光束は、ラインセンサ１０Ｅ上に物体の１次元像を形成する。
さらに、ダイクロイックミラー６を透過しダイクロイックミラー７で反射された所定波長バンドの光束は、ラインセンサ１０Ｄ上に物体の１次元像を形成する。なお、ダイクロイックミラー７とラインセンサ１０Ｄとの間の光路中には、補正板９が設けられている。補正板９は、ダイクロイックミラー６により発生する収差を補正している。
【００２１】
このように、互いに波長感度の異なる５つのラインセンサ１０Ａ〜１０Ｅにおいて、それぞれ波長バンドの異なる光束に基づく物体１次元像を検出することができる。
図１の分光光学系は、例えば人工衛星や航空機などのプラットフォームに搭載される。そして、プラットフォームの移動によるプッシュブルーム方式の走査によって、各波長バンドの２次元画像を得ることができる。
【００２２】
なお、上述したように、対物光学系１は像側にテレセントリックであり、再結像光学系３は両側にテレセントリックである。そして、対物光学系１と再結像光学系３との間でいわゆる瞳をマッチングさせるように配置している。したがって、合成光学系は像側にほぼテレセントリックであるため、ダイクロイックミラー４、５、６および７の作用により、画角の中心と周辺とですべてのバンドについて色ズレを生ずることがない。
また、上述したように、再結像光学系３は、等倍のオフナー型の反射光学系である。オフナー型の反射光学系はほぼ無収差であるため、像の再形成に際して光学性能を劣化させることがほとんどない。
【００２３】
なお、再結像光学系３を構成する反射光学系の加工誤差（面精度）やアライメント誤差を考慮すると、再結像光学系３を介した像を検出するためのセンサ１０Ｃ〜１０Ｅがセンサ１０Ａおよび１０Ｂよりも長い波長バンドの像を検出する方が良い。したがって、再結像光学系３に向かって光束を分光するダイクロイックミラー４は、短波長光を透過して長波長光を反射する特性を有することが好ましい。
【００２４】
図２は、図１の分光光学系に用いられる赤外線用センサの構成を概略的に示す図である。
図２に示すように、図１の分光光学系において赤外線用センサを用いる場合、ラインセンサ１８の各素子の前方（物体側）にそれぞれ個別のコールドアパーチャ１７を設けて、対象物体以外からの放射光をできるだけ受けないようにすることができる。
このように、第１実施例では、それぞれ所定の波長バンドを有する歪みのない像を数多く形成し、多波長バンドの良好な分光画像を得ることができる。
【００２５】
図３は、本発明の第２実施例にかかる分光光学系の構成を概略的に示す図である。第１実施例の対物光学系１では物体からの軸外光束に基づいて非点隔差の少ない軸外の円環状フィールドに中間像２を形成しているのに対し、第２実施例の対物光学系１１では通常の光学系と同様に光軸を含んだ円形フィールドに中間像２を形成している点だけが相違している。したがって、図３において、図１の構成要素と基本的に同じ機能を有する要素には同じ参照符号を付している。以下、第１実施例との相違点に着目して、第２実施例を説明する。
【００２６】
図３において、対物光学系１１を介した対象物体からの収れん光束は、ダイクロイックミラー４で反射され、光軸を含んだ円形フィールドに物体の中間像２を形成する。なお、対物光学系１１は、第１実施例と同様に、像側にテレセントリックな光学系である。また、ダイクロイックミラー４および５の作用により、ラインセンサ１０Ａおよび１０Ｂ上には各所定波長バンドの物体の１次元像が形成される。
【００２７】
中間像２からの光は、第１実施例と同様に、両側にテレセントリックな等倍のオフナー型反射光学系からなる再結像光学系３を介して、非点隔差の少ない軸外の円環状フィールドに物体の像を再形成する。
再結像光学系３を介した中間像２からの収れん光束は、ダイクロイックミラー６および７の作用によって、ラインセンサ１０Ｃ〜１０Ｅ上に各所定波長バンドの物体の１次元像を形成する。
【００２８】
なお、第２実施例においても、対物光学系１１は像側にテレセントリックであり、再結像光学系３は両側にテレセントリックである。そして、中間像をリレーするために、対物光学系１１と再結像光学系３との間でいわゆる瞳をマッチングさせ、互いに偏心して配置している。したがって、合成光学系は像側にほぼテレセントリックであるため、ダイクロイックミラー４、５、６および７の作用により画角の中心と周辺とですべてのバンドについて色ズレを生ずることがない。
【００２９】
このように、第２実施例においても、互いに波長感度の異なる５つのラインセンサ１０Ａ〜１０Ｅにおいて、それぞれ波長バンドの異なる光束に基づく物体１次元像を検出することができる。そして、図３の分光光学系を例えば人工衛星や航空機などのプラットフォームに搭載し、プラットフォームの移動によるプッシュブルーム方式の走査によって、各波長バンドの２次元画像を得ることができる。
【００３０】
なお、上述の各実施例では、光束をそれぞれ所定の波長バンドを有する複数の光束に分光する分光光学素子として板状のダイクロイックミラーを用いた例を示している。しかしながら、適用が可能な範囲内において、たとえばダイクロイックプリズムやグレーティングを本発明の分光光学素子として用いることもできる。
【００３１】
また、対物光学系として、反射型光学系、反射屈折型光学系または屈折型光学系を適宜選択して使用することができる。対物光学系の選択に際して、必要とされる収差、視界、センサーが要求する透過率、明るさ等が考慮されることは言うまでもない。
【００３２】
さらに、本発明の分光光学系は、航空機や人工衛星などのプラットホームに搭載されるばかりでなく、たとえば自動車や電車などのプラットホームに搭載してもよい。
また、対物光学系の前方（物体側）に走査鏡（スキャナー）を設置し、物体からの光束を走査鏡で所定方向に走査することによって、２次元画像を得ることができる。
【００３３】
【効果】
以上説明したように、本発明によれば、対物光学系による像からの光に基づいて物体像を再形成する。したがって、対物光学系を介した収れん光束中および再結像光学系を介した収れん光束中にそれぞれ数多くの分光光学素子を配置することによって所定の波長バンドを有する像を数多く形成し、多波長バンドの分光画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる分光光学系の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の分光光学系に用いられる赤外線用センサの構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の第２実施例にかかる分光光学系の構成を概略的に示す図である。
【図４】従来の分光光学系の構成を概略的に示す図である。
【図５】従来のもう１つの分光光学系の構成を概略的に示す図である。
【図６】図４の分光光学系によって形成される像の歪みを説明する図である。
【符号の説明】
１，１１対物光学系
２中間像
３再結像光学系
４〜７ダイクロイックミラー
８，９補正板
１０ラインセンサ
１２，１３対物光学系
１４，１６センサ
１５ダイクロイックプリズム
１７コールドアパーチャ
１８ラインセンサ

Claims

物体からの光に基づいて前記物体の像を形成するための対物光学系と、該対物光学系を介した光束をそれぞれ所定の波長バンドを有する複数の光束に分光するための分光手段と、該分光手段を介して分光された複数の光束に基づいて形成された複数の像をそれぞれ検出するための複数のセンサ手段とを備えた分光光学系において、
前記分光手段を介して形成された前記複数の像のうち少なくとも１つの像からの光に基づいて前記物体の像を再形成するための再結像光学系と、
前記再結像光学系を介した光束をそれぞれ所定の波長バンドを有する複数の光束に分光するための第２分光手段と、
前記第２分光手段を介して分光された複数の光束に基づいて形成された複数の像をそれぞれ検出するための複数の第２センサ手段とを備え、
前記再結像光学系は、等倍のオフナー型の反射光学系であることを特徴とする分光光学系。
前記対物光学系は、像側にテレセントリックな光学系であり、
前記再結像光学系は、両側にテレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項１に記載の分光光学系。