(57)【要約】【課題】大型の機器を用いることなく、撮像素子が組み込まれた光学センサにおける撮像素子の撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれを定量的に検出することが可能な光学センサの焦点検出システム、およびそれを備える光学センサ装置を得ることを目的とする。【解決手段】集光光学系５からの光を集光光学系５に反射可能に配設された平面ミラー１１ａと、撮像素子９の撮像面を含む平面上に配置され、所定形状の光透過領域を有するパターン平板２５、パターン平板２５を照明する光源２４、及び集光光学系５によりパターン平板２５の像が焦点位置の評価面１５に結像され、位相差検出方式により撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量に関する情報を出力する焦点情報取得手段１３を備える焦点情報取得装置２１Ａと、ずれ量に関する情報に基づいて、撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を演算するマイコン２０と、を備えている。【選択図】図１
2010049013.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子、及び該撮像素子の撮像面上に結像する集光光学系を備えた光学センサにおける上記撮像面と上記集光光学系の焦点位置とのずれ量を検出する光学センサの焦点検出システムであって、
上記集光光学系の観測対象側に上記集光光学系からの光を該集光光学系に反射可能に配設された平面ミラーと、
上記撮像面を含む平面上に、かつ、上記撮像素子と異なる位置に配置され、所定形状の光透過領域を有するパターン光形成手段、該パターン光形成手段を照明するための光源、及び焦点位置の評価面が上記撮像面を含む平面上に、かつ、上記撮像素子及び上記パターン光形成手段と異なる位置に、上記平面ミラーで反射されて上記集光光学系で集光されるパターン光が入射されるように配置され、位相差検出方式により上記撮像面と上記集光光学系の焦点位置とのずれ量に関する情報を出力する焦点情報取得手段を備える焦点情報取得装置と、
上記焦点情報取得手段からの上記ずれ量に関する情報を入力可能に構成され、該ずれ量に関する情報に基づいて、上記撮像面と上記集光光学系の焦点位置とのずれ量を演算する演算制御手段と、
を備えることを特徴とする光学センサの焦点検出システム。
【請求項２】
撮像素子、及び該撮像素子の撮像面上に結像する集光光学系を備えた光学センサにおける上記撮像面と上記集光光学系の焦点位置とのずれ量を検出する光学センサの焦点検出システムであって、
上記集光光学系の観測対象側に上記集光光学系からの光を該集光光学系に反射可能に配設された平面ミラーと、
上記撮像面と光学的に等価となるミラー共役面を形成する共役面形成手段と、
上記撮像面を含む平面上に、かつ、上記撮像素子と異なる位置に、または上記ミラー共役面上に配置され、所定形状の光透過領域を有するパターン光形成手段、該パターン光形成手段を照明するための光源、及び焦点位置の評価面が上記撮像面を含む平面上に、かつ、上記撮像素子および上記パターン光形成手段と異なる位置に、または上記ミラー共役面上に配置され、上記平面ミラーで反射されて上記集光光学系で集光されるパターン光が入射されるように配置され、位相差検出方式により上記撮像面と上記集光光学系の焦点位置とのずれ量に関する情報を出力する焦点情報取得手段を備える焦点情報取得装置と、
上記焦点情報取得手段からの上記ずれ量に関する情報を入力可能に構成され、該ずれ量に関する情報に基づいて、上記撮像面と上記集光光学系の焦点位置とのずれ量を演算する演算制御手段と、
を備えることを特徴とする光学センサの焦点検出システム。
【請求項３】
上記平面ミラーは、上記集光光学系の開口径より小さいことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光学センサの焦点検出システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学センサの焦点検出システムを有する光学センサ装置であって、
上記撮像素子、上記焦点情報取得手段、及び上記パターン光形成手段は、互いの間の光学的な相対位置関係が維持されるように配設され、
上記集光光学系を構成する光学素子を移動させる、または上記撮像素子、上記焦点情報取得手段、及び上記パターン光形成手段の互いの間の光学的な相対位置関係を維持したまま該撮像素子、該焦点情報取得手段、及び該パターン光形成手段を該集光光学系の光軸方向に移動させる移動手段を備え、
上記演算制御手段は、演算した上記ずれ量が所定の許容範囲外であると判断すると、該ずれ量を上記許容範囲内とする方向に上記集光光学系を構成する光学素子、または上記撮像素子、上記焦点情報取得手段、及び上記パターン光形成手段を移動させるように上記移動手段の駆動を制御することを特徴とする光学センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、人工衛星に搭載される光学センサの焦点検出システム、及びそれを備える光学センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計を用いた従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
以下、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置について、図面を参照しつつ説明する。
図５は従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置の概略構成図である。
図５において、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置５０は、望遠鏡光学系５１（集光光学系５１）の像面側から集光光学系５１に収束光を入射可能に配置された干渉計５２、集光光学系５１の観測対象側（開口側）と相対するように配設された平面ミラー５３、干渉計５２が搭載され、集光光学系５１の光軸方向に移動可能に構成されたステージ５５、及び干渉計５２から入力された信号の解析やステージ５５の移動制御を行う演算制御装置５６を有している。
【０００４】
そして、干渉計５２から出射された収束光（干渉計５２からの収束光）は、集光光学系５１に入射され、集光光学系５１から平面ミラー５３に向かう。平面ミラー５３で反射された光は、再び集光光学系５１を経由して、干渉計５２に戻るようになっている。
図示しないが、干渉計５２の内部では、所定位置に配置された基準面に反射させた参照光と集光光学系５１を経由して戻ってきた光とを干渉させた光を電気変換して干渉縞データを得ている。
【０００５】
さらに、干渉計５２からの収束光は、干渉計５２の配置位置に応じて位置が変化する集光点を有している。そして、集光光学系５１の焦点位置の検出は、以下のように行われる。
すなわち、ステージ５５を干渉計５２とともに光軸方向に移動させて、干渉計５２からの収束光の集光点の位置を移動させつつ得られる干渉縞データを演算制御装置５６で解析する。特許文献１には詳細に記載されていないが、干渉縞データを解析して得られる周知のゼルニケ多項式のＺ３項は、集光光学系５１の焦点位置と干渉計５２からの収束光の集光点とが近づくほど小さくなる。つまり、ゼルニケ多項式のＺ３項は、集光光学系５１の焦点位置と収束光の集光点とが一致したときに最小となり、演算制御装置５６は、Ｚ３項が最少となったときの干渉計５２の位置から、集光光学系５１の焦点位置を検出することが可能となる。
【０００６】
そして、光学センサは、集光光学系５１と、検出した焦点位置を基準とした所望の位置に撮像面が一致するよう配設した撮像素子（図示せず）と、により構成される。
【０００７】
ここで、人工衛星に搭載される光学センサの多くは、集光光学系の焦点距離に対して十分遠方にある（無限遠近傍の）観測対象を撮像するものである。このとき、無限遠近傍の観測対象の一点から集光光学系５１に入射される光は、略平行な光線となっている。また、ゼルニケ多項式のＺ３項が最少となったときの干渉計５２の位置において、集光光学系５１と平面ミラー５３との間を往復する光は平行な光線となるため、平面ミラー５３で反射された光は、無限遠近傍の観測対象からの光とみなすことができる。つまり、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置５０で検出される集光光学系５１の焦点位置は、無限遠近傍の観測対象から集光光学系５１に入射される光に対する集光光学系５１の焦点位置に一致する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３０３８０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
人工衛星などに搭載される高分解能（狭瞬時視野）の光学センサの集光光学系５１には、長焦点距離で、観測対象からの光の入射面積が大きなもの（大口径なもの）が必要となる。そして、詳細には図示しないが、光学センサは、集光光学系５１を保持させる保持機構などを有している。
【００１０】
このとき、集光光学系５１は、大口径の大型のものであるので重く、地上における重力歪みが無視できない場合がある。そして、光学センサを搭載した人工衛星が宇宙空間に移動すると、光学センサが無重力環境に置かれるため、宇宙空間における集光光学系５１の焦点位置が、重力負荷のある地上で検出した集光光学系５１の焦点位置からずれてしまう場合がある。また、例えば光学センサの製造、試験等において、集光光学系５１の保持機構に歪みが生じると、集光光学系５１の焦点位置は、集光光学系５１単体で検出した焦点位置からずれてしまう可能性がある。
【００１１】
撮像素子の配設後、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置５０で、再度集光光学系５１の焦点位置を検出しようとする場合、干渉計５２からの収束光が、撮像素子の配置領域を除く焦点面を通過するように干渉計５２を配置する必要がある。しかし、干渉計５２やステージ５５が大型であり、干渉計５２からの収束光を、撮像素子の配置領域を除く焦点面を通過させるように干渉計５２やステージ５５を配置させることが困難である。つまり、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置５０では、撮像素子が組みこまれた光学センサにおける集光光学系５１の焦点位置を再度検出することが困難となる。このため、光学センサの組み立て後の集光光学系５１の焦点位置が、撮像素子の撮像面からずれているか否かを判断することができないという問題があった。
【００１２】
ここで、撮像素子が組み込まれた光学センサに対し、以下のように干渉計５２からの収束光を集光光学系５１に入射させ、集光光学系５１の焦点位置を検出することも考えられる。つまり、集光光学系５１の光路に平面鏡、ハーフミラー等を配置して焦点面と光学的に等価なミラー共役面（等価面）を形成し、ミラー共役面側から平面鏡、ハーフミラー等に向けて出射するように干渉計５２を配設する。これにより、干渉計５２から出射されて平面鏡、ハーフミラー等に到達した収束光が集光光学系５１に入射される。つまり、焦点面を通過して集光光学系５１に入射される収束光と等価な条件で集光光学系５１に収束光を入射させることができる。これにより、撮像素子９の配置後の焦点位置を検出することができる。しかし、干渉計５２が大きいため、望遠鏡光学系の焦点位置調整装置５０とともに光学センサを人工衛星に搭載する場合には、光学センサの配置位置に制約が生じてしまう。
【００１３】
この発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、撮像素子が組み込まれた光学センサに対し、干渉計のような大型の機器を用いることなく、撮像素子の撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれを定量的に検出することが可能な光学センサの焦点検出システム、およびそれを備える光学センサ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
撮像素子、及び撮像素子の撮像面上に結像する集光光学系を備えた光学センサにおける撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれ量を検出する光学センサの焦点検出システムにおいて、集光光学系の観測対象側に集光光学系からの光を該集光光学系に反射可能に配設された平面ミラーと、撮像面を含む平面上に、かつ、撮像素子と異なる位置に配置され、所定形状の光透過領域を有するパターン光形成手段、パターン光形成手段を照明するための光源、及び焦点位置の評価面が撮像面を含む平面上に、かつ、撮像素子及びパターン光形成手段と異なる位置に、平面ミラーで反射されて集光光学系で集光されるパターン光が入射されるように配置され、位相差検出方式により撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれ量に関する情報を出力する焦点情報取得手段を備える焦点情報取得装置と、焦点情報取得手段からのずれ量に関する情報を入力可能に構成され、ずれ量に関する情報に基づいて、撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれ量を演算する演算制御手段と、を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
この発明による光学センサの焦点検出システムは、位相差検出方式を利用して撮像素子の撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれ量に関する情報を取得する焦点情報取得手段、光源、パターン光形成手段、平面ミラー、及び演算制御手段により構成されている。撮像素子の近傍に配設が必要となるのは焦点情報取得手段、パターン光形成手段、及び光源であるが、これらを撮像素子の近傍にコンパクトに配設することができる。
従って、焦点情報取得手段の焦点位置の評価面とパターン光形成手段を撮像素子の撮像面と異なる焦点面内の位置に配置させることが可能となる。これにより、光学センサの焦点検出システムは、撮像素子の配設後でも、撮像素子の撮像面と集光光学系の焦点位置とのずれ量を定量的に検出することができる。また、光学センサの焦点検出システムとともに光学センサを人工衛星などに搭載する際、光学センサの配置位置の自由度を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る焦点検出システムを有する光学センサ装置の構成図、図２はこの発明の実施の形態１に係る焦点検出システムの焦点情報取得手段の構成図である。
【００１７】
図１において、光学センサ装置１Ａは、撮像素子９、及び撮像素子９の撮像面上に結像する集光光学系５を有する光学センサ４と、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量に関する情報を得るための焦点情報取得ユニット１２Ａ、及び焦点情報取得ユニット１２Ａで得られたずれ量に関する情報に基づいて撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を演算する演算制御手段としてのマイコン２０を有する光学センサの焦点検出システム１０Ａと、を備える。
【００１８】
さらに、光学センサ装置１Ａは、マイコン２０からの制御信号に基づいて、集光光学系５を構成する光学素子を移動させる移動手段３０と、マイコン２０を含み、マイコン２０からの制御信号に基づいて、以下に説明するように焦点情報取得ユニット１２Ａの平面ミラー１１ａを焦点検出モード位置及び観測モード位置のいずれかに移動させる平面ミラー移動手段３４と、を有する。
以下、集光光学系５の観測対象側からの光の入射面を開口側入射面とする。
【００１９】
集光光学系５は、図示しないが、レンズやミラーにより構成される。このとき、集光光学系５におけるレンズやミラーの組み合わせは特に限定されるものではなく、単体の集光レンズを用いて構成されていたり、複数のミラーやレンズを組み合わせて構成されていたりするものでもよい。
【００２０】
マイコン２０は、各種演算を行うＣＰＵ（図示せず）、ＣＰＵが演算を行う際にワーキングエリアとして用いられたり、一時的にデータを記憶したりするためのＲＡＭ（図示せず）、及びＣＰＵに所定の演算を行わせるためのプログラムが格納されたＲＯＭ（図示せず）などを有している。
【００２１】
焦点情報取得ユニット１２Ａは、集光光学系５の観測側対象側に集光光学系５と相対可能に配置され、集光光学系５と相対したときに、集光光学系５からの光を集光光学系５に反射する平面ミラー１１ａ、及び集光光学系５の焦点面に対応して配置された焦点情報取得装置２１Ａを備えている。
【００２２】
焦点情報取得装置２１Ａは、撮像素子９の撮像面を含む平面上に、かつ、撮像素子９と異なる位置に配置され、所定形状の光透過領域としてのパターン開口を有するパターン光形成手段としてのパターン平板２５、撮像素子９の撮像面を含む平面に対応して配設された焦点情報取得手段１３、及びパターン平板２５を照明するための光源２４を備えている。
【００２３】
パターン平板２５のパターン開口の形状は、特に限定されるものではないが、ここではスリットにより構成されている。
【００２４】
次いで、焦点情報取得手段１３の詳細について説明する。
焦点情報取得手段１３は、図示しない任意の集光光学系（被検光学系）に対する焦点位置に関する情報を位相差検出方式によって取得可能に構成されている。
図２において、焦点情報取得手段１３は、焦点位置の評価面（一次結像面）１５、焦点位置の評価面１５と相対する二次結像面１６、二次結像面１６に配置された焦点検出用撮像素子１４、焦点位置の評価面１５と焦点検出用撮像素子１４との間に配設されたコンデンサレンズ１８、及びコンデンサレンズ１８と焦点検出用撮像素子１４との間に配設された一対のセパレータレンズ１９ａ，１９ｂを有している。このとき、セパレータレンズ１９ａ，１９ｂは、コンデンサレンズ１８の光軸に直交する同一面上に位置をずらして焦点検出用撮像素子１４と相対するように配置されている。
【００２５】
そして、被検光学系による被写体像（図示せず）が、焦点位置の評価面１５で結像したときに、略相似する二つの被写体像が、二次結像面１６で再結像されるようになっている。
このとき、焦点検出用撮像素子１４で撮像された撮像データにおいて、二つの被写体像の離間距離をｓ０とする。被検光学系による被写体象の結像位置が、焦点位置の評価面１５からずれていると、被写体像の結像位置と焦点位置の評価面１５とのずれ量、言い換えれば、被検光学系の焦点位置と焦点位置の評価面１５とのずれ量に応じて、二つの被写体像の離間距離がｓ０から変化する。このように、被検光学系の焦点位置と焦点位置の評価面１５とのずれ量に関する情報を焦点情報取得手段１３から取得することができる。
【００２６】
上記のように構成された焦点情報取得手段１３は、焦点位置の評価面１５が撮像面を含む平面上に、かつ、撮像素子９及びパターン平板２５と異なる位置に、平面ミラー１１ａで反射されて集光光学系５で集光されるパターン光が入射されるように配置されている。
つまり、焦点情報取得手段１３は、集光光学系５を被検光学系の対象として配設されている。
なお、光学センサ４の組み立て時、撮像素子９は、その撮像面が集光光学系５の焦点面７内に位置するように配置するが、このとき、焦点位置の評価面１５及びパターン平板２５も焦点面７内に配置させている。
【００２７】
焦点位置の評価面１５が、撮像素子９の撮像面を含む平面上に配置されているので、焦点情報取得手段１３が取得する集光光学系５の焦点位置と焦点位置の評価面１５とのずれ量は、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量と同じとなる。そして、撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量に関する情報は、焦点検出用撮像素子１４から出力される撮像データに含まれる。
【００２８】
また、マイコン２０が、焦点検出用撮像素子１４と電気的に接続され、焦点検出用撮像素子１４によって撮像された撮像データは、マイコン２０に入力可能になっている。つまり、マイコン２０は、撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量に関する情報を入力可能に構成されている。
【００２９】
また、平面ミラー１１ａの大きさは、集光光学系５の開口径を包含するものが用いられている。そして、平面ミラー１１ａは、図１中の実線で示されるように、集光光学系５からのパターン光を反射し、焦点情報取得手段１３に入射することが可能な焦点検出モード位置と、図１中の点線で示されるように、無限遠近傍の観測対象からの光を集光光学系５に入射させることが可能な観測モード位置と、を移動可能に構成されている。
【００３０】
また、移動手段３０は、モータ３２ａ、集光光学系５を構成する光学素子を保持する台座３１、及びモータ３２ａの回転力を台座３１を移動させる移動力に変換する動力変換手段３３により構成されている。
そして、マイコン２０がモータ３２ａの駆動を制御可能にモータ３２ａに電気的に接続されている。
モータ３２ａはステッピングモータであり、マイコン２０は、モータ３２ａの各相のモータコイル（図示せず）に流すパルス電流のパターンによってモータ３２ａの駆動を制御することが可能となっている。そして、マイコン２０は、モータ３２ａの駆動に連動して台座３１の移動距離を認識することができるようになっている。
【００３１】
平面ミラー移動手段３４は、モータ３２ａと同様のモータ３２ｂ、及びモータ３２ｂの駆動を制御可能にモータ３２ｂに電気的に接続されたマイコン２０を有している。
そして、モータ３２ｂは、その回転力を平面ミラー１１ａに伝達可能に平面ミラー１１ａに連結されている。
【００３２】
そして、マイコン２０が、無限遠近傍の観測対象を撮像するときには、平面ミラー１１ａを観測モード位置に、焦点検出システム１０Ａにより撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を検出するときには、平面ミラー１１ａを焦点検出モード位置に移動させるように、モータ３２ｂの駆動を制御する。
【００３３】
次いで、光学センサの焦点検出システム１０Ａによる撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量の検出について説明する。
光源２４から出射され、パターン平板２５を通過した光は、図１の点線で示されるように、集光光学系５に入射される。さらに、集光光学系５に入射されたパターン光は、開口側入射面に導かれ、当該開口側入射面から平面ミラー１１ａに向かい、平面ミラー１１ａで反射される。このとき、平面ミラー１１ａは、平面ミラー１１ａで反射されたパターン光が、図１の実線で示されるように、再び集光光学系５を経由して焦点情報取得手段１３に入射されるように配置されている。
【００３４】
平面ミラー１１ａから集光光学系５へ向った光は、焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５にパターン平板２５の像を形成する。焦点情報取得手段１３に入射されたパターン光は、コンデンサレンズ１８、及びセパレータレンズ１９ａ，１９ｂのそれぞれを透過する。そして、セパレータレンズ１９ａ，１９ｂを透過したパターン光のそれぞれが、二次結像面１６においてパターン平板２５の像を再結像する。つまり、焦点位置の評価面１５で結像されたパターン平板２５の像と略相似する二つのパターン平板２５の像が、二次結像面１６で再結像される。
【００３５】
そして、マイコン２０は、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量ΔＺを、以下の式（１）に従って演算することができる。
ΔＺ＝Ｗ（ｄ−ｄ０）／２・・・（１）
【００３６】
但し、ｄは二次結像面１６に配置された焦点検出用撮像素子１４により撮像された２つのパターン平板２５の像の離間距離、ｄ０はΔＺ＝０におけるｄ、Ｗは焦点情報取得手段１３の構成により決定される定数である。以下、ｄ０を基準離間距離とする。
また、ΔＺの符号は、撮像素子９に対して、集光光学系５の焦点位置が集光光学系５側にずれた場合に負となり、撮像素子９に対して集光光学系５と反対側にずれた場合に正となる。
【００３７】
また、マイコン２０のプログラムには、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量の許容範囲が設定されており、マイコン２０は、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量が許容範囲外であると判断すると、ΔＺを許容範囲内で適宜設定される目標値とする方向に集光光学系５を構成する光学素子を移動させるようにモータ３２ａの駆動を制御する。
【００３８】
なお、光学センサ４の組み立て時、焦点情報取得装置２１Ａ、及び撮像素子９の集光光学系５に対する最初の配置は、例えば、以下のように行われる。
焦点情報取得手段１３を含む焦点情報取得装置２１Ａ及び撮像素子９は、集光光学系５の焦点面７に対応させて配置する前に、一体に移動するように一体ユニットとしておく。このとき、焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５、パターン平板２５、及び撮像素子９の撮像面を同一平面内に配置しておく。
【００３９】
また、焦点情報取得手段１３は、光学センサ４の組み立て前に、単体で、集光光学系５の焦点位置と焦点位置の評価面１５とのずれ量と、二つのスリットパターン像の離間距離ｄとの関係を測定しておくことができる。
例えば、被検光学系として試験用集光光学系を用意し、既知のパターンを試験用集光光学系により結像し、パターン像を焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５に結像させる。そして、焦点情報取得手段１３を試験用集光光学系の光軸方向にずらしつつ二次結像面１６で再結像する略相似する二つの像（パターン像）をマイコン２０などで解析すれば、焦点位置の評価面１５と試験用集光光学系の焦点位置のずれ量と二つのパターン像の離間距離ｄの関係を予め測定しておくことができる。焦点位置のずれ量と二つのパターン像の離間距離ｄの関係は、焦点情報取得手段１３の構成によって定まるため、被検光学系が集光光学系５となった場合でも同じである。
【００４０】
そして、焦点情報取得手段１３を含む焦点情報取得装置２１Ａ及び撮像素子９の一体ユニットを集光光学系５の焦点面７に配設する。このとき、撮像素子９の撮像面は、集光光学系５の光軸方向に直交するように配置する。これにより、同時に焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５とパターン平板２５も集光光学系５の光軸方向と直交するように配置される。
【００４１】
この実施の形態１の光学センサの焦点検出システム１０Ａは、位相差検出方式を利用して撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量に関する情報を取得する焦点情報取得手段１３、光源２４、パターン平板２５、平面ミラー１１ａ、及びマイコン２０により構成されている。焦点情報取得手段１３はコンデンサレンズ１８、セパレータレンズ１９ａ，１９ｂ、及び焦点検出用撮像素子１４で構成可能されるのでコンパクトに構成できる。また、パターン平板２５についても簡易なスリット形状のパターン開口を形成するだけであるのでコンパクトに構成できる。
従って、撮像面が集光光学系５の焦点面７内に位置するときに、撮像面を含む平面上に配置される焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５やパターン平板２５を、撮像素子９と異なる焦点面７内の位置に配置させることが可能となる。これにより、撮像素子９の配設後でも、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を定量的に検出することができる。
【００４２】
また、光学センサの焦点検出システム１０Ａは、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置のように、大型な干渉計を配設することなくコンパクトに構成可能であるので、光学センサの焦点検出システム１０Ａとともに光学センサを人工衛星に搭載する際、光学センサ４の配置位置の自由度を広げることができる。
【００４３】
また、光学センサ装置１Ａは、マイコン２０からの制御信号に基づいて、集光光学系５を構成する光学素子を移動させる移動手段３０を備えている。つまり、マイコン２０は、演算したずれ量が所定の許容範囲外であると判断すると、ずれ量が許容範囲となる方向に集光光学系５を構成する光学素子を移動させるように移動手段３０の駆動を制御することができる。これにより、光学センサ４、及び光学センサの焦点検出システム１０Ａを人工衛星に搭載可能な形に組み立てた後や、人工衛星に組み込んだ後に、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とがずれた場合でも、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とを自動的に調整することができる。
【００４４】
なお、実施の形態１では、移動手段３０が集光光学系５を構成する光学素子を移動させることが可能に構成され、集光光学系５を構成する光学素子の位置を調節することにより、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とを調整するものとして説明した。しかし、焦点位置の調整方法は特に限定されるものではなく、その他の方法を用いてもよい。例えば、撮像素子９、焦点情報取得手段１３、及びパターン平板２５を、互いの間の光学的な相対配置が維持されたまま移動させることができるように構成し、さらに、移動手段３０が撮像素子９、焦点情報取得手段１３、及びパターン平板２５を移動させることが可能に構成されているものでもよい。つまり、撮像素子９、焦点情報取得手段１３、及びパターン平板２５を互いの間の光学的な相対配置を維持しつつ、撮像素子９、焦点情報取得手段１３、及びパターン平板２５の集光光学系５の光軸方向に移動させることにより、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とを調整するものとしてもよい。
【００４５】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る焦点検出システムを有する光学センサ装置の構成図である。
なお、上記実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００４６】
図３において、光学センサ装置１Ｂの焦点検出システム１０Ｂは、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量に関する情報を得るための焦点情報取得ユニット１２Ｂを備えている。
焦点情報取得ユニット１２Ｂは、平面ミラー１１ａ、及び焦点情報取得装置２１Ｂにより構成されている。
そして、焦点情報取得装置２１Ｂは、焦点情報取得手段１３、光源２４、パターン平板２５、及び集光光学系５の光路に配置され、焦点面７と光学的に等価なミラー共役面（等価面）８を形成する共役面形成手段としてのハーフミラー２６を備えている。
【００４７】
そして、パターン平板２５がミラー共役面８に配置され、光源２４がパターン平板２５を照明するように配設されている。
【００４８】
次いで、光学センサの焦点検出システム１０Ｂによる撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量の検出について説明する。
光源２４から出射され、パターン平板２５を通過した光は、ハーフミラー２６に入射される。ハーフミラー２６に入射されたパターン光は、所定の比率で分割され、分割されたパターン光の一方が集光光学系５に入射される。
【００４９】
集光光学系５に入射されたパターン光は、さらに、集光光学系５から平面ミラー１１ａに向かい、平面ミラー１１ａで反射される。平面ミラー１１ａで反射されたパターン光は、再び集光光学系５を経由してハーフミラー２６に戻る。
【００５０】
さらに、集光光学系５を経由してハーフミラー２６に戻ったパターン光は、所定の比率で分割され、分割されたパターン光の一方が焦点情報取得手段１３に入射される。
これにより、焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５で結像された像（パターン平板２５の像）と略相似する二つのパターン平板２５の像が、二次結像面１６で再結像される。
従って、マイコン２０は、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量ΔＺを、上述の式（１）に従って演算することができる。
【００５１】
つまり、光学センサの焦点検出システム１０Ｂにおいて、マイコン２０は、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を定量的に検出することができる。
【００５２】
なお、焦点情報取得装置２１Ｂ及び撮像素子９の集光光学系５に対する最初の配置は、例えば、以下のように行う。
ハーフミラー２６に対する焦点情報取得手段１３及びパターン平板２５の位置関係がハーフミラー２６を介してミラー共役となるように、焦点情報取得装置２１Ｂは、集光光学系５に対して所定位置に配置する前にユニット化しておく。さらに、焦点情報取得装置２１Ｂ及び撮像素子９を一体に移動可能な一体ユニットとしておく。
以下、上記実施の形態１と同様に、集光光学系５の焦点面７内に焦点情報取得手段１３及び撮像素子９を配置する。
【００５３】
この実施の形態２の光学センサの焦点検出システム１０Ｂは、集光光学系５の光路に配置され、焦点面７と光学的に等価となるミラー共役面８を形成するハーフミラー２６を備えている。
【００５４】
これにより、例えば、焦点面７にパターン平板２５を配置できない場合でも、マイコン２０が撮像素子９の配設後に、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を定量的に検出することができる。さらに、光学センサの焦点検出システム１０Ｂの焦点情報取得手段１３、光源２４、パターン平板２５、及びハーフミラー２６は、従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置５０のように、大型な干渉計５２を配設することなくコンパクトに構成できるので、光学センサの焦点検出システム１０Ｂとともに光学センサ４を人工衛星に搭載する際、光学センサ４の配置位置の自由度を広げることができる。
【００５５】
なお、上記実施の形態２では、撮像面を含む平面上に、かつ、撮像素子９と異なる位置に焦点位置の評価面１５が配置されるように焦点情報取得手段１３を配設し、パターン平板２５をミラー共役面８に配設するものとして説明した。しかし、パターン平板２５を、撮像素子９の撮像面を含む平面上に配設したり、焦点位置の評価面１５がミラー共役面８に一致するように焦点情報取得手段１３を配設したりしてもよい。また、パターン平板２５及び、焦点情報取得手段１３の焦点位置の評価面１５をいずれもミラー共役面８に一致するように配設してもよい。
【００５６】
また、共役面形成手段は、ハーフミラー２６であるものとして説明したが、共役面形成手段は、折り返し鏡（Ｆｏｌｄｉｎｇ  Ｍｉｒｒｏｒ）として作用する平面鏡などで構成してもよい。
【００５７】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３に係る焦点検出システムを有する光学センサ装置の構成図である。
なお、図４において、上記実施の形態１と同一、または相当部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００５８】
図４において、光学センサ装置１Ｃにおける焦点検出システム１０Ｃの焦点情報取得ユニット１２Ｃは、平面ミラー１１ｂを有している。平面ミラー１１ｂには、集光光学系５の開口径を完全に包含しない小さなものが用いられ、平面ミラー１１ｂは、集光光学系５の開口側入射面の一部からのパターン光を反射するように構成されている。
【００５９】
焦点検出システム１０Ｃによる撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量の検出は、平面ミラー１１ａに代え平面ミラー１１ｂで反射されるパターン光を利用する他は、上記実施の形態１と同様に説明できる。ただし、平面ミラー１１ｂで反射され、集光光学系５、及びハーフミラー２６を介して焦点情報取得手段１３に入射されるパターン光の強度が弱くなる。このとき、焦点検出用撮像素子１４で撮像される撮像データが鮮明でなくなる場合には、光源２４から出射する光の強度を強くするなどの配慮が必要となる。
【００６０】
以上のように、光学センサの焦点検出システム１０Ｃでは、平面ミラー１１ａより反射面の面積の小さな平面ミラー１１ｂで反射されるパターン光に基づいて、撮像素子９の撮像面と集光光学系５の焦点位置とのずれ量を定量的に検出することができる。平面ミラー１１ｂの大きさを集光光学系５の開口径より小さくすることによって、平面ミラー１１ｂを製造しやすくなる。
つまり、この実施の形態３によれば、実施の形態１に加え、平面ミラー１１ｂの部材コスト、および製造コストの２つの観点から光学センサの焦点検出システム１０Ｃの製造コストを削減できる。また、平面ミラー１１ｂの重量を下げることができるので、光学センサ装置１Ｃを搭載した人工衛星の打ち上げ時に人工衛星にかかる重力負荷を軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明の実施の形態１に係る焦点検出システムを有する光学センサ装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る焦点検出システムの焦点情報取得手段の構成図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る焦点検出システムを有する光学センサ装置の構成図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る焦点検出システムを有する光学センサ装置の構成図である。
【図５】従来の望遠鏡光学系の焦点位置調整装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１Ａ〜１Ｃ  光学センサ装置、４  光学センサ、５  集光光学系、９  撮像素子、１０Ａ〜１０Ｃ  焦点検出システム、１１ａ〜１１ｃ  平面ミラー、２５  パターン平板（パターン光形成手段）、２１Ａ，２１Ｂ  焦点情報所得装置、１３  焦点情報取得手段、１５  焦点位置の評価面、２０  マイコン（演算制御手段）、２４  光源、２６  ハーフミラー（共役面形成手段）、３０  移動手段。
【図１】
2010049013.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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