(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、
その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、該光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを有しており、
上記光学レンズ系には、光軸方向に対して所定以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられていることを特徴とする恒星センサ。
【請求項２】
上記集光レンズが半球形状を備えていることを特徴とする請求項１記載の恒星センサ。
【請求項３】
更に、上記光学レンズ系の前方側には、該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備え、その前方側で開口する遮光部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の恒星センサ。
【請求項４】
上記遮光部材の前方側開口部は、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光が上記遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されていることを特徴とする請求項３記載の恒星センサ。
【請求項５】
更に、上記集光レンズの後方側には、該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の恒星センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の通り、恒星センサは、人工衛星に搭載され、その三軸姿勢安定制御を行う上で必要な恒星の位置情報を取得するために用いられる。恒星センサは、その基本構成として、外部光源の光を集光する光学レンズ系と、該光学レンズ系から光を受光して画像を生成する二次元撮像素子とを有しており、恒星等の星の光を撮像素子に結像させて、画像を生成することが可能である。この画像からは恒星の位置情報が取得され、この位置情報に基づき、人工衛星の姿勢が制御される。
【０００３】
ところで、恒星センサにおいては、測定対象とする恒星以外の光源からの光がセンサに入射し、測定データにノイズをもたらすことがある。これを抑制するために、従来では、筒状に形成され、光学レンズ系の前方側に配置されて、不要な光を遮る遮光部材（所謂バッフル）を設けることが知られている。かかる遮光部材は、例えば特開平５−２１３２８６号公報や特開平１０−１３２５５６号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる構成では、特に暗い恒星(例えば５等星)を測定対象とする場合、例えば５等星の５×１０１２倍の明るさを有する太陽光等の、明るい光源からのノイズ光を十分に抑制するには、遮光部材を前方側に延長するように大型化せざるを得ず、それにより、遮光部材の長さ及び体積が恒星センサの大部分を占めることになっていた。人工衛星に搭載される機器は小型であればあるほど望ましいが、恒星センサに関しては、従来、上記のような理由から小型化が困難であった。
【０００５】
本発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、不要な光に対する遮光性能を有するとともに、小型である恒星センサを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本願の第１の発明は、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、該光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを有しており、上記光学レンズ系には、光軸方向に対して所定以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられていることを特徴としたものである。
【０００７】
また、本願の第２の発明は、第１の発明において、上記集光レンズが半球形状を備えていることを特徴としたものである。
【０００８】
更に、本願の第３の発明は、第１又は２の発明において、上記光学レンズ系の前方側には、該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備え、その前方側で開口する遮光部材が設けられていることを特徴としたものである。
【０００９】
また、更に、本願の第４の発明は、第３の発明において、上記遮光部材の前方側開口部は、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光が該遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されていることを特徴としたものである。
【００１０】
また、更に、本願の第５の発明は、第１〜４の発明のいずれか一において、上記集光レンズの後方側に、該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられていることを特徴としたものである。
【００１１】
【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。なお、以下の説明では、恒星センサにおける各構成の位置関係を記述する上で、外部光源に対して近い側を「前方側」といい、遠い側を「後方側」という。
実施の形態１．
図１の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る恒星センサの断面説明図である。恒星センサ１０は、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成するもので、その基本構成として、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系１と、該光学レンズ系からの光を受光して画像を生成するＣＣＤ等の撮像素子４とを有している。
【００１２】
光学レンズ系１は、その最も前方側に配置された集光レンズ２と、撮像素子４の前方側に配置され、同じ光軸Ｓを有する複数のレンズからなる結像レンズ系３とから構成されている。また、これら集光レンズ２及び結像レンズ系３は、それらが共に同じ光軸Ｓを有するように位置決めされている。
【００１３】
これら集光レンズ２と結像レンズ系３との間には、孔部５ａと該孔部５ａの周辺をなす平面部５ｂとを備えたアパーチャ部材５が設けられている。アパーチャ部材５は、集光レンズ２の後方側に隣接しつつ、その孔部の中心が光軸Ｓ上に位置するように配置され、集光レンズ２の後方側から出射する光を通過させる。
【００１４】
この実施の形態１では、集光レンズ２が、例えば合成石英等のガラス材料から形成され、アパーチャ部材５に対向する後方側で平面をなした半球形状を有している。集光レンズ２では、その光軸Ｓの方向に対して所定以上の角度で入射された光が、後方側の内面で全反射される。すなわち、集光レンズ２では、光軸Ｓの方向に対して所定以下の角度で入射される光のみを、その後方側から出射可能とすることで、測定対象とする光源以外からの不要な光（例えば太陽光）を遮光するようになっている。
【００１５】
図１の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、集光レンズ２の光軸Ｓの方向に対して所定以上の角度で入射する光線、及び、集光レンズ２の光軸Ｓの方向に対して所定以下の角度で入射する光線をあらわしている。ここで、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度をθ１とする。また、集光レンズ２の後方面の中心を点Ｐとする。集光レンズ２に入射した光線は、その集光レンズ２内に透過する。この光線は、点Ｐに向かうように、集光レンズ２の前方面に対して垂直に入射し、集光レンズ２内に透過する場合にも角度を変えない。そして、この実施の形態１では、集光レンズ２の後方面が平面をなしているため、集光レンズ２の後方側の内面における光線の入射角度θ２は、その前方側での光軸Ｓの方向に対する入射角度θ1と等しくなる（θ１＝θ２）。なお、入射角度θ２は、より詳しくは、集光レンズ２の後方面に垂直である方向（すなわち光軸Ｓの方向）に対する光線の入射角度である。
【００１６】
集光レンズ２のガラス材料として、例えば合成石英を用いた場合について考察する。合成石英の屈折率はｎ＝１．４６であり、全反射の臨界角θcは、θc＝Ａｒｃｓｉｎ(１／ｎ)＝４３．３°である。つまり、集光レンズ２内で、後方側の内面に、４３．３°以上の入射角で入射する光線は全反射される。その結果、図１の（ａ）に示されるように、θ２＞θｃ（すなわちθ１＞θｃ）となる光線は、集光レンズ２の後方側から出射されず、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができない。これにより、恒星センサ１０の視野角の範囲外の角度で入射する太陽光などの測定対象以外の光源からの光線を、遮光することができる。
【００１７】
他方、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度θ１が全反射臨界角θｃ以下である場合、図１の（ｂ）に示されるように、光線は、集光レンズ２の後方側から出射され、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができる。これにより、恒星センサ１０の視野角の範囲内の角度で入射する恒星の光などの測定対象の光源からの光線を、集光レンズ２の後方側から出射させ、更に、結像レンズ系３へ入射させることができる。
【００１８】
また、結像レンズ系３の設計により、集光レンズ２から出射された光線の収差を補正し、所望の焦点距離をもたせることが可能である。なお、集光レンズ２の半径があまりに小さい場合には、その収差を結像レンズ系３にて補正することが難しくなるため、集光レンズ２の曲率は、例えば曲率２０ｍｍ以上に設定される。
【００１９】
以上のように、集光レンズ２が、上記のような半球形状を有することにより、集光レンズ２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角が所定以上である光を、全反射の効果によって遮光することが可能である。その結果、光学レンズ系１の前方側に配置されて、不要な光を遮る遮光部材を設ける必要がなく、恒星センサ１０の小型化を実現することができる。
【００２０】
続いて、本発明の他の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上記実施の形態１における場合と同じものについては、同一の符号を付し、それ以上の説明を省略する。
実施の形態２．
図２の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る恒星センサ２０の断面説明図である。恒星センサ２０は、上記実施の形態１における場合と略同じ構成を有しており、この実施の形態２では、光学レンズ系２１を構成するレンズのうちの最も前方側に配置された集光レンズ２２が、アパーチャ部材５に対向する後方側で所定曲率の湾曲面をなした略半球形状を有している。
【００２１】
図２の（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、集光レンズ２２の光軸Ｓの方向に対して所定以上の角度で入射する光線、及び、集光レンズ２２の光軸Ｓの方向に対して所定以下の角度で入射する光線をあらわしている。この場合にも、集光レンズ２２の全反射臨界角をθｃとすると、図２の（ａ）に示されるように、集光レンズ２２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度θ１が、ほぼθ１＞θｃである場合に、その光線は、集光レンズ２２の後方側から出射されず、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができない。これにより、恒星センサ２０の視野角の範囲外の角度で入射する太陽光などの測定対象以外の光源からの光線を、遮光することができる。
【００２２】
他方、集光レンズ２２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光線の入射角度θ１が全反射臨界角θｃ以下である場合、図２の（ｂ）に示されるように、光線は、集光レンズ２の後方側から出射され、アパーチャ部材５の孔部５ａを通過することができる。これにより、恒星センサ２０の視野角の範囲内の角度で入射する恒星の光などの測定対象の光源からの光線を、集光レンズ２２の後方側から出射させ、更に、結像レンズ系３へ入射させることができる。
【００２３】
以上のように、集光レンズ２２がほぼ半球形状を有することにより、集光レンズ２２の前方面での光軸Ｓの方向に対する光の入射角が所定以上である光を、全反射の効果によって遮光することが可能である。その結果、光学レンズ系２１の前方側に配置されて、不要な光を遮る遮光部材を設ける必要がなく、恒星センサ２０の小型化を実現することができる。
【００２４】
前述した実施の形態１及び２では、光学レンズ系の最も前方側に配置される集光レンズとして、半球形状又は略半球形状のものが用いられていたが、これに限定されることなく、所定以下の角度で入射された光線のみを後方側から出射させることが可能であれば、いかなる形状のものを用いてもよい。図３の（ａ）〜（ｃ）には、それぞれ、前述した実施の形態１及び２における場合とは異なる形状を備えた集光レンズを示す。
【００２５】
図３の（ａ）に示す集光レンズ２５は、球の一片のような形状を有し、また、図３の（ｂ）に示す集光レンズ２６は、釣鐘形状を有し、更に、図３の（ｃ）に示す集光レンズ２７は、半球の両側の一部が切り欠かれてなるような形状を有している。かかる形状を備えた集光レンズを用いた場合にも、所定以下の角度で入射された光線のみを後方側から出射させることができる。
特に、図３の（ｃ）に示す集光レンズ２７では、光が入射する主領域を残して、半球の両側の一部が切り欠かれてなる形状を有するため、レンズ自体の小型化を図ることができ、これにより、恒星センサ２０を一層小型化することができる。
【００２６】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係る恒星センサ３０を示す断面説明図である。恒星センサ３０は、上記実施の形態１における場合とほぼ同じ構成を有しており、この実施の形態３では、上記実施の形態１及び２における場合よりも更に高い遮光性能を得るために、バッフル３１が取り付けられている。このバッフル３１は、ほぼラッパ状に形成されるもので、光学レンズ系１の前方側にその光軸Ｓの取り囲む壁部３１ａを備え、その前方側で開口する。また、バッフル３１の内壁は黒塗りされている。この恒星センサ３０では、バッフル３１による不要光の減衰および集光レンズ２による遮光からなる２段階の作用により、太陽光などの比較的明るい光源からの光を十分に減衰させることができる。
【００２７】
集光レンズ２に直接に太陽光が入射されると、レンズ表面若しくはレンズ内部でのわずかな散乱光が恒星の画像に対するノイズとなることがある。これを防止すべく、バッフル３１の前方側開口部３１ｂが、光軸Ｓの方向に対して所定以上の角度で入射する光が、バッフル３１の内壁に直接入射するように、すなわち、集光レンズ２に直接入射できないように形成されている。この実施の形態３では、太陽光の除去範囲の仕様を、例えば±４０°以上に設定される。つまり、集光レンズ２の光軸Ｓに対する光線の角度θｓが４０°以上である場合に、集光レンズ２に直接入射できないように、前方側開口部３１ｂが形成されている。
【００２８】
更に、バッフル３１の内壁は黒塗りされているため、太陽光の大部分（好ましくは９５％以上）の光量は吸収され、残りの反射成分のうち全反射臨界角θｃ以上の角度で集光レンズ２に入射する光線は、全反射の効果によって集光レンズ２の後方側から出射することができない。なお、バッフル３１の内壁で１回反射された後に集光レンズ２に入射する光線をできる限り抑制するようにバッフル３１の形状を工夫すると、より大きな遮光性能が得られる。
【００２９】
このように、バッフル３１による不要光の減衰および集光レンズ２による遮光からなる２段階の作用により、より大きな遮光性能をもつ恒星センサ３０を構成することができる。また、集光レンズ２による遮光作用とともに十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル３１自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。
【００３０】
実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４に係る恒星センサ４０を示す断面説明図である。恒星センサ４０は、上記実施の形態１における場合とほぼ同じ構成を有しており、この実施の形態４では、アパーチャ部材５（以下、第１のアパーチャ部材という）に対向して、所定径の孔部４５ａを備えた第２のアパーチャ部材４５が、結像レンズ系３の前方側に設けられている。また、第１のアパーチャ部材５と第２のアパーチャ部材４５との間には、該光学レンズ系１の光軸Ｓを取り囲む壁部４７ａを備えたダンパー部材４７が設けられている。このダンパー部材４７は、その内壁が黒塗りされるもので、第１のアパーチャ部材５を通過した後に散乱する光を吸収減衰させる。
【００３１】
この構成によれば、集光レンズ２の内部で全反射されない光線、すなわち、θ２＜θｃの入射角度で集光レンズ２の後方側の内面に入射した光線についても、ある角度αよりも大きな入射角度であれば（θ２＞α）、ダンパー部材４７でその光線を吸収減衰させることが可能である。この理由は、以下の通りである。
【００３２】
集光レンズ２の前方側に入射する角度θ１と集光レンズ２の後方側の内面に入射する角度θ２が、集光レンズ２が半球形状であることによりθ１＝θ２となる。なお、上記実施の形態２のように、集光レンズ２２が略半球形状の集光レンズ２２を用いる場合には、θ1≒θ２となる。集光レンズ２の後方面からの出射角θ３は、
ｓｉｎθ３＝ｎ・ｓｉｎθ２
から求まる。その入射角θ２と出射角θ３との関係をグラフにすると、集光レンズ２のガラス材料として合成石英(ｎ＝１．４６)を使用した場合には、図６のようになる。すなわち、出射角θ３＞入射角θ２であるので、θ１（≒θ２）が大きいほど、第２のアパーチャ部材４５の外側へ光線が出射され、その光線を蹴ることができる。ここで、第２のアパーチャ部材４５で光線を完全に蹴ることができる最小の集光レンズ２の前方面への入射角をαとする。第２のアパーチャ部材４５で蹴られた光線は、ダンパー部材４７の内壁にて吸収減衰される。このダンパー部材４７の内壁は黒塗りされるので、光線は効率良く吸収減衰させることができる。
【００３３】
以上のように、この実施の形態４では、集光レンズ２で全反射しきれない角度（α＜θ1＜θｃ）で集光レンズ２の前方面に入射する光線をダンパー部材４７で吸収減衰させることが可能であるため、恒星センサ４０としては、角度α以上で入射する光線を全て遮光することができる。
【００３４】
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る恒星センサ５０を示す断面説明図である。恒星センサ５０は、上記実施の形態４における場合とほぼ同じ構成を有しており、この実施の形態５では、上記実施の形態４における場合よりも更に高い遮光性能を得るために、バッフル５１が取り付けられている。このバッフル５１は、ほぼラッパ状に形成されるもので、光学レンズ系１の前方側にその光軸Ｓの取り囲む壁部５１ａを備え、その前方側で開口する。また、バッフル５１の内壁は黒塗りされている。この恒星センサ５０では、バッフル５１による不要光の減衰，集光レンズ２による遮光、及び、ダンパー部材４７による減衰からなる３段階の作用により、太陽光などの比較的明るい光源からの光を十分に減衰させることができる。
【００３５】
この実施の形態５では、上記実施の形態３において説明したように、バッフル５１の前方側開口部５１ｂが、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光がバッフル５１の内壁に直接入射されるように、すなわち、集光レンズ２に直接入射しないように形成されている。
【００３６】
また、外部光源からの光線が、バッフル５１の前方側開口部５１ｂを規定する縁部に当たると、種々の角度の散乱光が少なからず生じるが、これに対処すべく、バッフル５１の前方側開口部５１ｂは、更に、その縁部にて生じた散乱光が集光レンズ２に入射する角度が、上記実施の形態４で定義された角度α以上となるように形成されている。角度α以上で集光レンズ２に入射する散乱光は、集光レンズ２の後方側から出射した後、ダンパー部材４７により吸収減衰されることになる。
【００３７】
このように、バッフル５１による不要光の減衰，集光レンズ２による遮光、及び、ダンパー部材４７による減衰からなる３段階の作用により、一層大きな遮光性能をもつ恒星センサ５０を構成することができる。また、集光レンズ２による遮光作用とともに十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル５１自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。
【００３８】
なお、本発明は、例示された実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
本願の第１の発明によれば、人工衛星に搭載され、恒星からの光に基づき、該人工衛星の姿勢制御に用いられる恒星の画像を生成する恒星センサにおいて、その前方側より入射される外部光源の光を集光する光学レンズ系と、該光学レンズ系からの光を受光して画像を生成する撮像素子とを有しており、上記光学レンズ系には、光軸方向に対して所定以上の角度でその前方側より入射する光を、後方側の内面にて全反射する集光レンズが設けられているので、光軸方向に対して所定以下の角度で入射する光のみを撮像素子側へ出射させることができる。その結果、光学レンズ系の前方側に配置されて、不要な光を遮る遮光部材を設ける必要がなく、恒星センサの小型化を実現することができる。
【００４０】
また、本願の第２の発明によれば、上記集光レンズが半球形状を備えているので、該集光レンズの後方側の内面での光線の入射角度が、その前方面での光軸の方向に対する入射角度と等しくすることが可能で、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光を確実に全反射することができる。
【００４１】
更に、本願の第３の発明によれば、上記光学レンズ系の前方側には、該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備え、その前方側で開口する遮光部材が設けられているので、遮光部材による不要光の減衰および集光レンズによる遮光からなる２段階の作用により、より大きな遮光性能をもつ恒星センサを構成することができる。また、集光レンズによる遮光作用と共に十分な遮光性能を実現しつつ、バッフル自体のサイズを従来のタイプに比べてより小型化することができる。
【００４２】
また、更に、本願の第４の発明によれば、上記遮光部材の前方側開口部は、光軸方向に対して所定以上の角度で入射する光が該遮光部材の内壁に直接入射されるように形成されているので、光軸方向に対して所定以下の角度で入射する光のみを、集光レンズに直接入射させることが可能であり、より大きな遮光性能をもつ恒星センサを構成することができる。
【００４３】
また、更に、本願の第５の発明によれば、上記集光レンズの後方側に、該光学レンズ系の光軸を取り囲む壁部を備えた光減衰部材が設けられているので、集光レンズによる遮光に加え、集光レンズを出射した後での不要光を減衰させることが可能であり、より大きな遮光性能をもつ恒星センサを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）本発明の実施の形態１に係る恒星センサに対して、光線が所定以上の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
（ｂ）上記実施の形態１に係る恒星センサに対して、光線が所定以下の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
【図２】  （ａ）本発明の実施の形態２に係る恒星センサに対して、光線が所定以上の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
（ｂ）上記実施の形態２に係る恒星センサに対して、光線が所定以下の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
【図３】  （ａ）恒星センサにおける集光レンズの第１の変形例を示す。
（ｂ）恒星センサにおける集光レンズの第２の変形例を示す。
（ｃ）恒星センサにおける集光レンズの第３の変形例を示す。
【図４】  本発明の実施の形態３に係る恒星センサを示す断面説明図である。
【図５】  （ａ）本発明の実施の形態４に係る恒星センサに対して、光線が所定以上の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
（ｂ）上記実施の形態４に係る恒星センサに対して、光線が所定以下の角度で入射する様子を示す断面説明図である。
【図６】  上記実施の形態４に係る恒星センサにおける光線の入射角と出射角との対応関係を示すグラフである。
【図７】  本発明の実施の形態５に係る恒星センサを示す断面説明図である。
【符号の説明】
１，２１  光学レンズ系，２，２２  集光レンズ，３  結像レンズ系，４  撮像素子，５  アパーチャ部材，１０，２０，３０，４０，５０  恒星センサ，３１，５１  バッフル，３１ａ，５１ａ  バッフルの壁部，３１ｂ，５１ｂ  バッフルの前方側開口部，４７  ダンパー部材，Ｓ  光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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