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液晶光学計測装置及びそれを用いた光学計測測定システム

国内特許コード P04A006935
整理番号 KN000540
掲載日 2005年3月18日
出願番号 特願2002-012232
公開番号 特開2003-215530
登録番号 特許第3613578号
出願日 平成14年1月21日(2002.1.21)
公開日 平成15年7月30日(2003.7.30)
登録日 平成16年11月12日(2004.11.12)
発明者
  • 新宮 博公
  • 本間 幸造
  • 黒崎 裕久
  • 鈴木 孝雄
出願人
  • 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
発明の名称 液晶光学計測装置及びそれを用いた光学計測測定システム
発明の概要 【課題】 液晶同調フィルタへの入射光を平行光とし、液晶同調フィルタを任意角度に回転することにより、液晶同調フィルタを通過した偏波光のCCDカメラへ精度良く結像させる液晶光学計測装置及び光学計測システムを提供する。
【解決手段】 液晶同調フィルタ20の光軸前後には、リレーレンズ4,5が配設されているので、液晶同調フィルタ20への入射光及び透過光が平行束となり、CCDカメラ6への結像を精度良く行って特徴抽出の精度を向上できる。また、液晶同調フィルタ20を回転機構25によってカメラ筐体7内で回転することにより、液晶同調フィルタ20の偏光角度(透過光の偏波面の角度)を任意位置に設定することができる。液晶光学計測装置1を航空機、宇宙機等の移動体に搭載したり地上に設置することで、地球環境のリモートセンシングに応用できる。
従来技術、競合技術の概要


地球環境問題に対して衛星や航空機、地上、海上などで各種観測が多方面でなされている。このような状況下で環境計測を行うための各種センサが使用されているが、光学センサの一つとして液晶同調フィルタ(Liquid Crys-tal Tunable Filter、以下この欄において、「LCTF」と略す)、対物レンズ及びCCD検出素子から成る光学センサがある。この光学センサは、直線偏光子の機能を有するLCTFを用いた光学センサであり、LCTFに印加される直流電圧によって透過光の波長を任意に選択可能にする性能を有している。この光学センサは、LCTFに印加する直流電圧を変化させることで透過光の波長について連続分光を行うことができるので、連続分光/偏光可能な放射計であり、LCTF分光偏光放射計と称されている。



この光学センサは、その分光特性からして、特に可視城中心での観測、即ち太陽光の被反射対象物の観測に適している。太陽光の被反射対象物としては、湖水、海、河川、森林等の自然対象物が考えられ、特に、植物に含まれる葉緑素(クロロフィル)等からの光の分光特性の観測を満足するものである。葉緑素(クロロフィル)等の分光偏光特性を把握すれば、被反射対象物の分光偏光特性を測定することで、地上における植物の繁茂の程度及び分布、湖水や海洋における植物プランクトンの繁殖の程度及び分布を観測することが可能となり、植物相の観点から地球環境観測用として用いることができる。これらの自然対象物は、地上や海上に設置したり或いは車両や船舶に搭載して直接に観測することができるのは勿論のこと、光学センサを航空機や宇宙機に搭載することにより、短時間で且つ広範囲に観測することもできる。



放射計の中心部分を構成するLCTFの原理を、図5に基づいて簡単に説明する。図5に示されるように、LCTF20は、構造的には、入力偏光子21と出力偏光子24との2枚の偏光子の間で複屈折結晶板22と液晶素子23とを前後を平行に挟んだサンドイッチ構造を用いている。LCTF20は、そのようなサンドイッチ構造を複数層にして重ね合わせたものであり、各層は液晶位相器(遅相器)の要素を挟んだ、互いに平行な直線偏光子から成っている。



液晶同調フィルタLCTFは、透過波長を電子的に制御できるバンドパスフィルタであり、リオフィルタ(Lyot Filter)の設計に基づいている。図5において左からの入射光は、入力偏光子21を通り、次に偏光子の偏光軸に対して結晶軸が45度に設置された複屈折結晶板22でそれぞれ位相速度の異なった常光、異常光の2成分に等量に分割される。液晶素子23に加える電圧(V)により、液晶結晶軸の一方の屈折係数が変化するので、一方の光は他方に光に比較して遅延する。このように、結晶素子23は、液晶遅相器としての働きをする。結晶素子23を出た2つの成分は出力偏光子24で合成されるが、干渉により波長に関して周期的な透過特性となる。これらを1ステージとして、次々に複屈折結晶板22の厚さが前段の2倍になるステージを重ねることで、入射光の最終透過特性は狭帯域となる。



LCTF20によっては、出力偏光子22が入力偏光子21に対して偏光軸が互いに垂直になるように配置されているので、類似の分光フィルタリングが生じる。こうした設計がされたLCTF20は、応用先を選択する際に、あるパスバンド形状を達成するため、又はバンド外光を除くために利用される。このようなLCTF20は、可動部分が無く、液晶素子23に印加する電圧を変えることで任意の波長に分光できるという特長を有している。



図5に示すLCTF20を用いた従来型のLCTF分光計28は、図6に示されるブロック図のように左から対物レンズ(カメラレンズ)2、LCTF20及び受光部としてのCCDカメラ6から構成されている。対物レンズ2及びCCDカメラ6はカメラ筐体7の外部に配置され、LCTF20はカメラ筐体7の内部において固定配置されている。LCTF分光計28の動作原理としては、図の左側から入射した被写体(対象物)からの反射光が対物レンズ2で集光され、LCTF20で各波長に分光・偏光され、CCDカメラ6で受光され、最終的に結像される。このCCDカメラ6からの撮像画像を処理することによって対象物の特徴を抽出することができる。LCTF20にはドライバコントロール(図示せず)から各種電圧を与えられるが、その電圧を変えることにより選択される波長が変化する。従って、LCTF20は、選択波長を連続して高速可変でき、設定した分光光を出射する。



しかしながら、従来型のLCTF分光計28では、図5に示すLCTF20がカメラ筐体7に固定されており、リレーレンズも用いられていない。また、LCTF20がカメラ筐体7に固定されたままであるので、透過する光の振動面(偏波面)が固定され、その結果、センサへの入射光束の中から所望の偏光を計測することができない。このような従来型の光学センサ(LCTF分光計28)を地球観測等に用いた場合、対象物からの太陽反射光に含まれる特定方向の偏光特性が観測されるのみであり、また、対象物の特徴抽出もある特定方向の偏光画像からなされるのみである。従って、多種方向の偏光画像から特徴抽出を行うことができず、抽出精度の向上に自ずと限界が生じていた。



また、LCTF20では、その屈折特性からして、入射平行光線束に対して出力光を平行光線束にすることは可能であるが、一般に、入射光が平行光線束でなければ光学センサの対物レンズ2を透過した後の光は平行光線束であるとは限らない。従って、従来型の光学センサでは、LCTF20を透過後の光(非平行光線束)をカメラ筐体7内の任意の位置でCCD面に結像画像として捉えることが不可能である。その結果、従来型の光学センサでは、その出力(対象物の画像データ)の計測精度が低下し、対象物の特徴抽出の精度も低下するという不都合があった。

産業上の利用分野


この発明は、対象物からの反射光の分光偏光特性を利用して、対象物の認識や特徴を抽出する光学計測分野に属し、特に葉緑素(クロロフィル)等の分光偏光特性を観測することができる液晶光学計測装置及びそれを用いた光学計測システムに関する。

特許請求の範囲 【請求項1】対物レンズ、液晶同調フィルタ、及びCCD検出素子を入射光の通過順に配置して成り、前記液晶同調フィルタと前記対物レンズ及び前記CCD検出素子との間にそれぞれリレーレンズを配置すると共に、前記液晶同調フィルタを前記入射光の光軸回りに回転可能としたことから成る液晶光学計測装置。
【請求項2】前記液晶同調フィルタは、筐体に回転自在に支持された回転体に取り付けられており、前記筐体に配設された駆動源によって回転されることから成る請求項1に記載の液晶光学計測装置。
【請求項3】前記回転体は内部に前記液晶同調フィルタを取り付けた歯車であり、前記駆動源はステッピングモータであり、前記ステッピングモータの出力軸に取り付けられている小歯車が前記歯車と噛み合い係合していることから成る請求項2に記載の液晶光学計測装置。
【請求項4】前記対物レンズ及び前記CCD検出素子は、それぞれ、前記筐体の外部に配置されており、異機種と交換可能であることから成る請求項2に記載の液晶光学計測装置。
【請求項5】請求項1~4のいずれか1項に記載の前記液晶光学計測装置と、前記液晶光学計測装置の前記液晶同調フィルタの回転制御及び前記液晶光学計測装置からの画像データの取得制御を含む制御を行うパーソナルコンピュータとを備えたことから成る光学計測システム。
【請求項6】前記CCD検出素子が検出した画像データは、前記パーソナルコンピュータの付属モニタ又は前記パーソナルコンピュータに接続される外部モニタによって観察可能であることから成る請求項5に記載の光学計測システム。
【請求項7】前記CCD検出素子が検出した画像データは、前記パーソナルコンピュータの内部記憶装置又は前記パーソナルコンピュータに接続される外部記憶装置に記録されることから成る請求項5に記載の光学計測システム。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2002012232thum.jpg
出願権利状態 登録
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