特許 7170401 光源角度測定装置、光源位置検出装置、並びに人工衛星

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-04

(45)【発行日】2022-11-14

(54)【発明の名称】光源角度測定装置、光源位置検出装置、並びに人工衛星

(51)【国際特許分類】

   G01C 1/00 20060101AFI20221107BHJP

   B64G 1/36 20060101ALI20221107BHJP

   G03B 11/00 20210101ALI20221107BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20221107BHJP

   G02B 5/00 20060101ALI20221107BHJP

【ＦＩ】

G01C1/00 A

B64G1/36 100

B64G1/36 300

G03B11/00

G02B13/00

G02B5/00 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018024463

(22)【出願日】2018-02-14

(65)【公開番号】P2019138854

(43)【公開日】2019-08-22

【審査請求日】2021-02-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000104652

【氏名又は名称】キヤノン電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123788

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 昭夫

(74)【代理人】

【識別番号】100127454

【弁理士】

【氏名又は名称】緒方 雅昭

(72)【発明者】

【氏名】米山 修二

(72)【発明者】

【氏名】千田 大

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 積利

【審査官】山▲崎▼ 和子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－０４３１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０４８５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０７６０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１３９２４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１８５５５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３１１０３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５８０６３１６（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０９１６２８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １／００－１／１４

５／００－１５／１４

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０２Ｂ ５／００－５／１３６

９／００－１７／０８

２１／０２－２１／０４

２５／００－２５／０４

Ｇ０３Ｂ １１／００－１１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有することを特徴とする光源角度測定装置。

【請求項2】

測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有し、
前記光学系は、平面が前記光源側を向くようにされた平凹レンズが最も前記光源側に配置されていることを特徴とする、光源角度測定装置。

【請求項3】

測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有し、
前記光学系は縮小倍率を持つアフォーカル系であることを特徴とする光源角度測定装置。

【請求項4】

前記光学系は２枚の負レンズからなる、請求項１に記載の光源角度測定装置。

【請求項5】

測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有し、
前記光学系は２枚の負レンズからなり、
前記２枚の負レンズは互いに同一形状であり、前記２枚の負レンズは、それぞれが平凹レンズであり、２枚とも平面が光源側を向くようにして重ね合わされていることを特徴とする、光源角度測定装置。

【請求項6】

測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有し、
前記光学系と前記ピンホールとによる射影方式が、等距離射影方式に対するディストーションが±１０％以内であることを特徴とする、光源角度測定装置。

【請求項7】

測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有し、
最も光源側に、中心から径方向に距離が離れるに従って光学濃度が連続的または段階的に低くなるＮＤフィルタを有することを特徴とする光源角度測定装置。

【請求項8】

前記ＮＤフィルタは、前記光学系を構成するレンズのうち最も光源側のレンズに設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の光源角度測定装置。

【請求項9】

位置検出対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、
前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系と、を備える
ことを特徴とする光源位置検出装置。

【請求項10】

請求項１～８のいずれか１項に記載の光源角度測定装置、または、請求項９に記載の光
源位置検出装置を備えたことを特徴とする人工衛星。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光源の角度を二次元で測定する光源角度測定装置、光源位置検出装置、並びに人工衛星に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、スリットやピンホール等で光源からの光束を制限し、その光束をフォトダイオードやＣＣＤ等のセンサで受光して光源の角度を検出する光源角度測定装置が知られている。特許文献１には、ピンホールによって制限された光束を電荷結合素子にて受光し、電荷結合素子の受光位置に応じて蓄積された電荷を用いて太陽の角度を検出する太陽角度測定装置が開示されている。また、特許文献２には、ピンホールの代わりに集光レンズを用いて太陽光を撮像素子の受光面に集光し、光源となる太陽の位置を検出する光源位置検出装置が開示されている。また、位置検出の対象とする光源として、太陽以外の恒星と、恒星の光を反射して光っている惑星や衛星も角度測定の対象とすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開昭５６－０６４６１１号公報

【文献】国際公開第２０１４／０９１６２８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されたもののように、スリットやピンホールと受光素子とを用いた測定装置においては、測定可能な視野角が、スリットと受光素子またはピンホールと受光素子との間隔で決まってしまう。ところが、フォトダイオードやＣＣＤ等の受光素子は、素子を保護するためにセラミックや樹脂等のパッケージに収納されており、さらに、受光素子のスリットやピンホール側には、通常カバーガラスが配置されて封入されているため、スリットと受光素子またはピンホールと受光素子との間隔は物理的に制限され、ある程度以上は短くできず、それにより、測定可能な光源の角度が制限されてしまい、広角化することが困難である。

【0005】

また、特許文献２には、集光レンズに広角レンズを用いることで広角化する技術が開示されているが、その角度は片側５０度であり、充分とは言えない。

【0006】

上述したような光源角度測定装置を、例えば人工衛星の姿勢検出に用いる場合、光源として太陽を用いることができ、太陽の位置から人工衛星の姿勢を検出することができる。しかしながらその場合、宇宙空間に浮かんでいる人工衛星では、あらゆる方向において光源からの光を死角なく受光する必要があり、そのためには光源角度測定装置をいくつも取り付けなければならない。そのため、人工衛星の限られた体積を占めてしまうとともに、コストも掛かってしまうという問題点がある。

【0007】

本発明は、上述したような問題点に鑑みてなされたものであり、光源角度測定装置の測定可能な光源の角度を広角化する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために本発明の光源角度測定装置は、
測定対象である光源から照射される光を制限して通過させるピンホールと、前記ピンホールを通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を出力する受光素子と、前記受光素子から出力された情報に基づいて前記光源の角度を算出する演算部と、を有する光源角度測定装置において、
前記ピンホールの前記光源側に、少なくとも１枚の負レンズを含む光学系を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、測定可能な光源の角度を広角化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の光源角度測定装置の基本構成例を示す図である。

【図2】本発明の光源角度測定装置の第１実施例の断面を示す図である。

【図3】図２に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図4】本発明の光源角度測定装置の第２実施例の断面を示す図である。

【図5】図４に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図6】本発明の光源角度測定装置の第３実施例の断面を示す図である。

【図7】図６に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図8】本発明の光源角度測定装置の第４実施例の断面を示す図である。

【図9】図１０に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図10】本発明の光源角度測定装置の第５実施例の断面を示す図である。

【図11】図１０に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図12】本発明の光源角度測定装置の第６実施例の断面を示す図である。

【図13】図１２に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図14】本発明の光源角度測定装置の第７実施例の断面を示す図である。

【図15】図１４に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図16】本発明の光源角度測定装置の第８実施例の断面を示す図である。

【図17】図１６に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図18】本発明の光源角度測定装置の第９実施例の断面を示す図である。

【図19】図１８に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図20】本発明の光源角度測定装置の第１０実施例の断面を示す図である。

【図21】図２０に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図22】本発明の光源角度測定装置の第１１実施例の断面を示す図である。

【図23】図２２に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【図24】本発明の光源角度測定装置の光学系における透過率、周辺光量比、及び透過率と周辺光量比とを掛けたものと測定視野角との関係の一例を示す図である。

【図25】本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタの測定視野角に対する透過率分布の一例を示す図である。

【図26】本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタの測定視野角に対する濃度分布の一例を示す図である。

【図27】本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタの構成例を示す図である。

【図28】本発明の光源角度測定装置の実施の一形態における機能を示すシステムブロック図である。

【図29】図２８に示したプロセッサの機能を示す機能ブロック図である。

【図30】図２８に示したプロセッサにおける入射角度の算出処理を説明するためのフローチャートである。

【図31】図２９に示した角度計算手段における光源のＸＹ方向の入射角の求め方の一例を説明するための図である。

【図32】本発明に係る光源角度測定装置を備えた人工衛星を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

【0012】

図１は、本発明の光源角度測定装置の基本構成例を示す図である。

【0013】

本発明の光源角度測定装置は図１に示すように、測定対象の光源１から照射される光を光学制御部２及びピンホール４を介して受光素子５にて受光し、受光素子５から信号として出力された情報に基づいて演算部６にて光源１の角度を算出、測定するものである。位置検出の対象とする光源１は、光量の大きさから太陽が好ましいが、太陽以外の恒星や、恒星の光を反射して光っている惑星や衛星も角度測定の対象とすることができる。

【0014】

光学制御部２は、縮小倍率を持つアフォーカル系または負のパワーを持つレンズからなる光学系３を有し、光源１から照射された光を屈折させてピンホール４に導く。

【0015】

ピンホール４は、光が通過する小さな径の孔からなり、入射した光を制限することで通過する光束をごく細くする。

【0016】

受光素子５は、ピンホール４を通過した光を受光し、受光位置に応じた情報を信号として演算部６に出力する。

【0017】

演算部６は、受光素子５から出力された情報に基づいて光源１の角度を算出、測定する。なお、角度の算出については、受光素子５の受光位置に応じた情報を外部装置に送信して演算してもよい。その場合は、光源の位置を検出する光源位置検出装置とすることができる。

【0018】

上記のように構成された光源角度測定装置においては、光源１から照射された光が光学制御部２に入射すると、光源１から照射された光が光源制御部２にて屈折してピンホール４に導かれる。その際、光学制御部２が、縮小倍率を持つアフォーカル系または負のパワーを持つレンズからなる光学系３を有しているため、光学制御部２に大きな角度で入射した光も屈折してピンホール４に導かれることになり、光源１の測定角を広くすることができる。また、光源制御部２には、ＮＤフィルタを設けることができる。ＮＤフィルタは、光学系３に設けてもよいし光学系３の光源１側に設けてもよい。ＮＤフィルタとしては、中心から距離が離れるに従って光学濃度が低くなるものを用いることが考えられる。その場合、光源１から照射された光の光量が、入射高さに応じたＮＤフィルタの光学濃度によって減衰されて調節されることになるが、ＮＤフィルタへの入射角に応じてピンホール４を通過可能な光の入射高さが決まるため、ＮＤフィルタへの入射角が狭い光と入射角が広い光とで、ＮＤフィルタを透過した光の光量、すなわち、受光素子５への照射強度が大きく異なってしまうことがない。ピンホール４に導かれた光は、ピンホール４によってその光束がごく細くされ、それにより、受光素子５の受光面に照射光による小さなスポットが形成される。その後、受光素子５から、形成されたスポットの位置に応じた情報が信号として演算部６に出力され、演算部６において、受光素子５から出力された情報に基づいてスポットの位置が検出され、その検出結果を用いて光源１の角度が算出される。この際、演算部６での演算は、光源１からの光の入射角と受光素子５の受光面上の中心からの距離との関係を表す射影方式に則って行われる。射影方式は、以下に示す各実施例の光学系によって異なる。

【0019】

以下に、上述した光源角度測定装置の実施例について説明する。なお、以下の実施例における図面を参照した説明においては、図中左方が測定対象となる光源側（物体側）（前方）で、図中右方が受光素子側（像側）（後方）である。

【実施例1】

【0020】

図２は、本発明の光源角度測定装置の第１実施例の断面を示す図であり、図３は、図２に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0021】

本実施例における光源角度測定装置は図２に示すように、図１に示した光学系３に相当する、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３とからなる光学系Ｌと、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、光源側からこの順で配置されて構成される。

【0022】

レンズＬ１，Ｌ２は互いに同一形状を有し、レンズＬ１は、光源側に平面を向けた負レンズとなる平凹レンズであり、レンズＬ２は、光源側に凹面を向けた負レンズとなる凹平レンズであり、レンズＬ１とレンズＬ２とは、凹面が対向するようにして重ね合わされている。レンズＬ３は、両面が同じ曲率半径を持つ正レンズとなる両凸レンズであり、レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群とレンズＬ３とから、角倍率が縮小倍率となるアフォーカル系を構成している。

【0023】

ピンホールＰＨは、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。このように、ピンホールＰＨを、ガラス基板の表面に蒸着膜を成膜することで形成することにより、金属板等に開けられたピンホールよりも薄くでき、光学系Ｌによって広角化されたことによって大きな角度で光束が入射してもピンホールＰＨ自体によって光束が蹴られ難くなる。

【0024】

カバーガラスＣＧは、受光面Ｓに取り付けられている。

【0025】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。また、レンズＬ１の光源側に、ＮＤフィルタを配置している。
焦点距離：102.754
第１面から受光面Ｓまでの距離：16.050
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0026】

【表1】

【0027】

測定視野角は、光学系Ｌが無い場合には受光素子の大きさと受光面ＳからピンホールＰＨまでの距離とで決まるが、上記のように、ピンホールＰＨの光源側に、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３からなる光学系Ｌを配置することで、測定可能な光源の角度をおよそ１６０度まで広角化することができる。その際、本形態においては、レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群の受光素子側に正レンズとなるレンズＬ３を配置し、角倍率が縮小倍率となるアフォーカル系を構成することで、ビデオカメラ等に用いられる所謂フロントワイドコンバータと同じ働きを生じさせ、測定視野角が広がることになる。また、本実施例においては、レンズＬ１，Ｌ２が互いに同一形状を有するものであることにより、製造コストを低く抑えることができる。

【0028】

本実施例における光源角度測定装置においては、図３に示すように、射影方式がｆｓｉｎθで表される正射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例2】

【0029】

図４は、本発明の光源角度測定装置の第２実施例の断面を示す図であり、図５は、図４に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0030】

本実施例における光源角度測定装置は図４に示すように、図１に示した光学系３に相当する、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３とからなる光学系Ｌと、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、光源側からこの順で配置されて構成される。

【0031】

レンズＬ１は、光源側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、レンズＬ２は、光源側に凹面を向けた凹平レンズであり、レンズＬ１とレンズＬ２とは、凹面が対向するようにして重ね合わされている。レンズＬ３は、両面が同じ曲率半径を持つ正レンズとなる両凸レンズであり、レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群とレンズＬ３とから、角倍率が縮小倍率となるアフォーカル系を構成している。

【0032】

ピンホールＰＨは、第１実施例に示したものと同様に、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。カバーガラスＣＧは、受光面Ｓに対向するように配置されている。

【0033】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-133.497
第１面から受光面Ｓまでの距離：37.300
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563

【0034】

【表2】

【0035】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、レンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３からなる光学系Ｌを配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。その際、本形態においても、レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群の受光素子側に正レンズとなるレンズＬ３を配置し、角倍率が縮小倍率となるアフォーカル系を構成することで、ビデオカメラ等に用いられる所謂フロントワイドコンバータと同じ働きを生じさせ、測定視野角が広がることになる。

【0036】

本実施例における光源角度測定装置においては、図５に示すように、射影方式がｆｓｉｎθで表される正射影方式となっている。

【実施例3】

【0037】

図６は、本発明の光源角度測定装置の第３実施例の断面を示す図であり、図７は、図６に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0038】

本実施例における光源角度測定装置は図６に示すように、図１に示した光学系３に相当する第１のレンズＬ１からなる光学系Ｌと、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、光源側からこの順で配置されて構成される。

【0039】

レンズＬ１は、光源側の面が像側より曲率半径が小さな負レンズとなる両凹レンズである。ピンホールＰＨは、０．０３ｍｍの厚みを有する金属板等に形成された貫通孔によって構成されている。このように、ピンホールＰＨにガラス基板を用いなくても、０．０３ｍｍ程度の厚みとすることで、光学系Ｌによって広角化されたことによって大きな角度で光束が入射してもピンホールＰＨ自体によって光束が蹴られ難くなる。

【0040】

ここで、通常の結像レンズ系を広角化する場合は、アフォーカル系であるフロントワイドコンバータを組み合わせないと結像レンズ系の収差やピント位置が大きく変化してしまう。しかし、本発明では、結像レンズではなく、ピンホールＰＨにワイドコンバータの働きをする光学系Ｌを組み合わせて広角化を実現している。ピンホールＰＨは、収差やピント位置とはほとんど関係がないため、アフォーカル系でなくても広角化の目的には問題なく使用できる。そのため、本実施例のように光学系Ｌを１枚の両凹レンズから構成し、光学系Ｌの構成を簡略化できる。

【0041】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-5.482
第１面から受光面Ｓまでの距離：1.930
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0042】

【表3】

【0043】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、負レンズとなるレンズＬ１を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、１枚のレンズＬ１で光学系Ｌを構成することにより、アフォーカル系の光学系に比べて装置全体を小型化でき、また、コストも低く抑えることができる。

【0044】

本実施例における光源角度測定装置においては、図７に示すように、射影方式が２ｆｓｉｎ（θ／２）で表される等立体角射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例4】

【0045】

図８は、本発明の光源角度測定装置の第４実施例の断面を示す図であり、図９は、図８に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0046】

本実施例における光源角度測定装置は図８に示すように、図１に示した光学系３に相当する、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２とからなる光学系Ｌと、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、光源側からこの順で配置されて構成される。

【0047】

レンズＬ１は、光源側に凹面を向けた負メニスカスレンズであり、レンズＬ２は、両凹レンズである。ピンホールＰＨは、第３実施例に示したものと同様に、０．０３ｍｍの厚みを有する金属板等に形成された貫通孔によって構成されている。

【0048】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-3.716
第１面から受光面Ｓまでの距離：2.300
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0049】

【表4】

【0050】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、負レンズとなるレンズＬ１，Ｌ２を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、２枚のレンズＬ１，Ｌ２で光学系Ｌを構成することにより、レンズＬ１，Ｌ２それぞれのパワーを緩くすることができ、レンズＬ１，Ｌ２の形状を加工しやすいものとすることができる。

【0051】

本実施例における光源角度測定装置においては、図９に示すように、射影方式が２ｆｓｉｎ（θ／２）で表される等立体角射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例5】

【0052】

図１０は、本発明の光源角度測定装置の第５実施例の断面を示す図であり、図１１は、図１０に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0053】

本実施例における光源角度測定装置は図１０に示すように、図１に示した光学系３に相当する第１のレンズＬ１からなる光学系Ｌと、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、光源側からこの順で配置されて構成される。

【0054】

レンズＬ１は、光源側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。ピンホールＰＨは、第３実施例で示したものと同様に、０．０３ｍｍの厚みを有する金属板等に形成された貫通孔によって構成されている。

【0055】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-0.980
第１面から受光面Ｓまでの距離：1.930
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0056】

【表5】

【0057】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、負レンズとなるレンズＬ１を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、１枚のレンズＬ１で光学系Ｌを構成することにより、アフォーカル系の光学系に比べて装置全体を小型化でき、また、コストも低く抑えることができる。

【0058】

本実施例における光源角度測定装置においては、第３実施例に示したものとは異なり、光学系Ｌを構成するレンズＬ１をメニスカス形状とすることで、図１１に示すように、光学系とピンホールとによる射影方式が、ｆθ（ｆは光学系の焦点距離相当、θは入射角）で表される等距離射影方式に従うものとなっている。ここで、ピンホールのみや収差の補正された通常の結像レンズで光源角度測定装置を構成した場合、受光素子で検出する像高Ｙと入射角θとの関係は中心射影方式と呼ばれ、以下の式で表される射影方式となる。

【0059】

Ｙ＝ｆＴａｎθ
上式より角度θを求めるには、
θ＝Ｔａｎ＾－１（Ｙ／ｆ）
を計算することになる。これに対し等距離射影方式においては、上述したように以下の式になる。

【0060】

Ｙ＝ｆθ
そのため、射影方式が等距離射影の場合の入射角は、以下の計算によって算出されることになる。

【0061】

θ＝Ｙ／ｆ
このように、光学系とピンホールとによる射影方式を等距離射影方式に従う構成とすれば、入射角を容易に算出することができる
なお、受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例6】

【0062】

図１２は、本発明の光源角度測定装置の第６実施例の断面を示す図であり、図１３は、図１２に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0063】

本実施例における光源角度測定装置は図１２に示すように、図１に示した光学系３に相当する第１のレンズＬ１からなる光学系Ｌを有するとともに、図１に示した光学制御部２の構成要素として、レンズＬ１の光源側にフィルタガラスからなるＮＤフィルタＦが配置されており、レンズＬ１の光源とは反対側に、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、この順で配置されて構成される。

【0064】

光源角度測定装置を例えば人工衛星の姿勢検出に用いた場合、光源として太陽が使われる場合があるが、太陽のように非常に明るい光源においては、光学系に入射する光の光量を少なくすることが好ましい。そこで、本実施例で示すように、レンズＬ１の光源側にＮＤフィルタＦを配置することで、太陽のように非常に明るい光源を用いた場合でも、レンズに入射する光の光量を少なくすることができる。

【0065】

レンズＬ１は、第５実施例で示したものと同様に、光源側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。ピンホールＰＨは、第３実施例で示したものと同様に、０．０３ｍｍの厚みを有する金属板等に形成された貫通孔によって構成されている。

【0066】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-1.366
第１面から受光面Ｓまでの距離：3.530
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0067】

【表6】

【0068】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、負レンズとなるレンズＬ１を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、上述したように、レンズＬ１の光源側にＮＤフィルタＦを配置することで、太陽のように非常に明るい光源を用いた場合でも、レンズＬ１に入射する光の光量を少なくすることができる。

【0069】

本実施例における光源角度測定装置においても、光学系Ｌが１枚の負メニスカスレンズＬ１から構成されていることで、図１３に示すように、射影方式がｆθで表される等距離射影方式となっており、入射角の計算を簡略化することができる。なお、受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例7】

【0070】

図１４は、本発明の光源角度測定装置の第７実施例の断面を示す図であり、図１５は、図１４に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0071】

本実施例における光源角度測定装置は図１４に示すように、図１に示した光学系３に相当する第１のレンズＬ１からなる光学系Ｌを有するとともに、図１に示した光学制御部２の構成要素として、レンズＬ１の光源側にＮＤフィルタＦが配置されており、レンズＬ１の光源とは反対側に、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、この順で配置されて構成される。

【0072】

レンズＬ１は、第５実施例で示したものと同様に、光源側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。

【0073】

ピンホールＰＨは、第１実施例で示したものと同様に、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。ここで、ピンホールＰＨと受光面Ｓとの距離が近い方が、ピンホールＰＨを介して受光面Ｓの端に入射する光の角度が大きくなるため、負レンズのパワーを弱くでき広角化に有利になる。本実施例のように、ガラス基板に蒸着膜を成膜すること等によって形成されたピンホールＰＨにおいては、ガラス基板の厚さは空間を代わりに埋めるだけでピンホールＰＨ自体には事実上厚さが無いためカバーガラスＣＧに密着するまで近づけることができ、広角化に有利となる。

【0074】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-4.340
第１面から受光面Ｓまでの距離 ：5.050
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0075】

【表7】

【0076】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、負レンズとなるレンズＬ１を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、本実施例における光源角度測定装置においても、光学系Ｌが１枚の負メニスカスレンズＬ１から構成されていることで、図１５に示すように、射影方式がｆθで表される等距離射影方式となっており、入射角の計算を簡略化することができる。なお、受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例8】

【0077】

図１６は、本発明の光源角度測定装置の第８実施例の断面を示す図であり、図１７は、図１６に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0078】

本実施例における光源角度測定装置は図１６に示すように、図１に示した光学系３に相当する第１のレンズＬ１からなる光学系Ｌを有するとともに、図１に示した光学制御部２の構成要素として、レンズＬ１の光源側にＮＤフィルタＦが配置されており、レンズＬ１の光源とは反対側に、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、この順で配置されて構成される。

【0079】

レンズＬ１は、光源側が平面となる平凹レンズである。ここで、平凹レンズは、片面のみがパワーを持つため、加工が可能な形状を保つとパワーをあまり強くできずにやや大きくなってしまうものの、平面は加工が容易でメニスカスよりも平凹の方が加工しやすい。そのため、第１レンズＬ１を平凹レンズで構成することで、安価な構成とすることができる。

【0080】

ピンホールＰＨは、第１実施例で示したものと同様に、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。

【0081】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-6.002
第１面から受光面Ｓまでの距離：8.765
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0082】

【表8】

【0083】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、負レンズとなるレンズＬ１を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。

【0084】

本実施例における光源角度測定装置においては、図１７に示すように、射影方式が２ｆｓｉｎ（θ／２）で表される等立体角射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例9】

【0085】

図１８は、本発明の光源角度測定装置の第９実施例の断面を示す図であり、図１９は、図１８に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0086】

本実施例における光源角度測定装置は図１８に示すように、図１に示した光学系３に相当する、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２とからなる光学系Ｌを有するとともに、図１に示した光学制御部２の構成要素として、光学系Ｌの光源側にＮＤフィルタＦが配置されており、光学系Ｌの光源とは反対側に、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、この順で配置されて構成される。

【0087】

レンズＬ１，Ｌ２は互いに同一形状を有する負レンズとなる平凹レンズであり、光源側に平面を向けた状態で重ね合わされている。ここで、平凹レンズにおいては、片面のみでパワーを負担することになるため、加工しやすい形状を保つためにはあまりパワーを強くできない。そこで、本実施例の光源角度測定装置のように、２枚の平凹レンズＬ１，Ｌ２を重ね合わせて光学系Ｌを構成することで、光学系Ｌ全体としては所望のパワーを有しながらもレンズＬ１，Ｌ２それぞれを加工しやすい形状とすることができる。その際、レンズＬ１，Ｌ２が同一形状のものであることで、レンズを加工する加工治具が１種類となり、２枚のレンズＬ１，Ｌ２を加工する場合でも加工治具費に係るコストが大幅に増大してしまうことが回避される。

【0088】

ピンホールＰＨは、第１実施例で示したものと同様に、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。

【0089】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-6.972
第１面から受光面Ｓまでの距離：5.900
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0090】

【表9】

【0091】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、２枚の平凹レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。

【0092】

本実施例における光源角度測定装置においては、図１９に示すように、射影方式が２ｆｓｉｎ（θ／２）で表される等立体角射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例10】

【0093】

図２０は、本発明の光源角度測定装置の第１０実施例の断面を示す図であり、図２１は、図２０に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0094】

本実施例における光源角度測定装置は図２０に示すように、図１に示した光学系３に相当する、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２とからなる光学系Ｌを有するとともに、図１に示した光学制御部２の構成要素として、光学系Ｌの光源側にＮＤフィルタＦが配置されており、光学系Ｌの光源とは反対側に、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、この順で配置されて構成される。

【0095】

本実施例におけるレンズＬ１，Ｌ２は、第９実施例にて示したものと同様に、互いに同一形状を有する負レンズとなる平凹レンズであり、光源側に平面を向けた状態で重ね合わされているが、第９実施例に示したものに対して、曲率半径が大きくなっている。

【0096】

ピンホールＰＨは、第１実施例で示したものと同様に、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。

【0097】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-9.581
第１面から受光面Ｓまでの距離：6.930
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0098】

【表10】

【0099】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、２枚の平凹レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、第９実施例に示したものに対して、レンズＬ１，Ｌ２の曲率半径を大きくすることで、レンズＬ１，Ｌ２の加工がしやすくなり、製造コストが安価なものとなる。

【0100】

本実施例における光源角度測定装置においては、図２１に示すように、射影方式が２ｆｓｉｎ（θ／２）で表される等立体角射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【実施例11】

【0101】

図２２は、本発明の光源角度測定装置の第１１実施例の断面を示す図であり、図２３は、図２２に示した光源角度測定装置のディストーションを示すグラフである。

【0102】

本実施例における光源角度測定装置は図２２に示すように、図１に示した光学系３に相当する、第１のレンズＬ１と第２のレンズＬ２とからなる光学系Ｌを有するとともに、図１に示した光学制御部２の構成要素として、光学系Ｌの光源側にＮＤフィルタＦが配置されており、光学系Ｌの光源とは反対側に、図１に示したピンホール４に相当するピンホールＰＨと、カバーガラスＣＧと、図１に示した受光素子５の受光面Ｓとが、この順で配置されて構成される。

【0103】

レンズＬ１，Ｌ２は互いに同一形状を有し、レンズＬ１は、光源側に平面を向けた負レンズとなる平凹レンズであり、レンズＬ２は、光源側に凹面を向けた負レンズとなる凹平レンズであり、レンズＬ１とレンズＬ２とは、凹面が対向するようにして重ね合わされている。

【0104】

ピンホールＰＨは、第１実施例で示したものと同様に、ガラス基板の表面に、ピンホールＰＨ以外の領域に蒸着膜を成膜することで形成されている。

【0105】

上記のような構成を、以下に示すパラメータで実現した。なお、Ｎｄは、ｄ線における屈折率、Ｖｄは、アッベ数である。
焦点距離：-8.432
第１面から受光面Ｓまでの距離：7.760
使用波長（μm）：0.4358,0.4861,0.5461,0.5876,0.6563,0.7500,0.8500,0.9500

【0106】

【表11】

【0107】

上記のように構成された本実施例においても、ピンホールＰＨの光源側に、２枚の平凹レンズＬ１，Ｌ２からなる負レンズ群を配置することで、測定可能な光源の角度を広角化することができる。また、２枚の平凹レンズＬ１，Ｌ２が、凹面が対向するようにして重ね合わされて光学系Ｌが構成されているため、光学系Ｌの光源側及びそれとは反対側のいずれもが平面となり、光源角度測定装置の鏡筒への組み付けが簡単となって安定する。

【0108】

本実施例における光源角度測定装置においては、図２３に示すように、射影方式が２ｆｓｉｎ（θ／２）で表される等立体角射影方式となっている。受光面Ｓの中心から離れるにつれて増大するひずみは、演算部６で補正すればより測定精度を高くすることができる。

【0109】

以下に、上述した光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタについて説明する。

【0110】

図２４は、本発明の光源角度測定装置の光学系における透過率、周辺光量比、及び透過率と周辺光量比とを掛けたものと測定視野角との関係の一例を示す図である。

【0111】

上述したように本発明の光源角度測定装置においては、測定可能な光源の角度を１６０度まで広角化することができるが、測定視野角が片側で８０度という超広角になった場合、図２４中破線で示すように周辺光量も大きく低下してしまう。ここまで広角になると、ほとんど魚眼レンズと同様となるので中心射影方式は不可能で、等距離射影、正射影、または等立体角射影となり、コサイン４乗則には従わないが、光量はかなり低下している。また、光源から照射された光がレンズに対しても大きな角度で入射するため、図２４中実線で示すように、レンズにおける透過率も入射角が大きくなるにつれて低下していく。そのため、周辺光量と透過率とを掛け合わせると、図２４中一点鎖線で示すように、入射角が大きな場合に非常に小さなものとなり、測定視野角が８０度に近い場合は、１０％を切ってしまい、受光素子の諧調範囲を越えてしまう。

【0112】

そこで、上述したような広角化によって生じる問題をＮＤフィルタで解決することが考えられる。

【0113】

図２５は、本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタの測定視野角に対する透過率分布の一例を示す図である。図２６は、本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタの測定視野角に対する濃度分布の一例を示す図である。

【0114】

上述したように本発明の光源角度測定装置においては、測定視野角が大きくなると、周辺の光量とレンズにおける透過率とがそれぞれ低下することで、周辺光量と透過率とを掛け合わせた値が小さくなってしまう。そこで、図２５に示すように、周辺に行くにつれて透過率が上がるような分布を持つＮＤフィルタを用いれば、光量を測定視野角に対して均一にすることができる。その際、図２４に示した光量と逆の分布を持ち最周辺の透過率が１００％になるような分布を持つＮＤフィルタを用いればよい。

【0115】

そのためには、図２６に示すように、周辺に行くにつれて光学濃度が低くなる分布を持つＮＤフィルタを用いることが考えられる。このように周辺に行くにつれて光学濃度が低くなる分布を持つＮＤフィルタにおいては、中央部分においては、光学濃度が高いために入射した光の透過率が低くなり、周辺部においては、光学濃度が低いために入射した光の透過率が高くなり、それにより、図２４に示したような透過率の低下を相殺することができる。その際、光源が太陽のように明るい場合は、ＮＤフィルタで光量が減っても問題にならない。

【0116】

図２７は、本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタの構成例を示す図である。

【0117】

本発明の光源角度測定装置に用いられるＮＤフィルタとしては、例えば、図２７（ａ）に示すように、その光学濃度が中心から径方向に連続的に低くなるものが考えられる。

【0118】

しかしながら、実際にはこのように光学濃度が連続的に変化するＮＤフィルタを作製するのは難しい。そこで、作製を容易にするために、図２７（ｂ）に示すように、光学濃度が中心から径方向に段階的に低くなる構成としてもよい。これは、光学濃度を連続的に変化させた場合の近似となる。その場合、図２７（ｂ）に示すように、周辺部の透過率を１００％とし、光学濃度が中心から径方向に２段階で低くなる構成とすれば、作製が最も容易となる。

【0119】

さらに、受光素子によっては、２段階では諧調範囲を越えてしまう場合もあるため、図２７（ｃ）に示すように、周辺部の透過率を１００％とし、光学濃度が中心から径方向に３段階で低くなる構成とすれば、近似精度と作製の容易さのバランスが良い。

【0120】

本発明の光源角度測定装置においては、ＮＤフィルタを用いる場合は、最も光源側にＮＤフィルタを配置することが好ましい。光源から照射された光は、ピンホールが光学系の絞りとなってその光束が絞られることになるため、ピンホールから離れるにつれて画角に伴う入射高さが高くなる。そのため、ＮＤフィルタを最も光源側に配置し、ピンホールから離れさせることによってＮＤフィルタの径を大きくすることができる。上述したような濃度分布を持ったＮＤフィルタを作るには、径が大きな方が、小さい範囲に分布を作るよりも作りやすい。このようなＮＤフィルタＦの径は負レンズよりも大きな径となり、濃度分布が緩やかになる。ＮＤフィルタＦの中心の濃度一定の部分は、ピンホールの径よりも大きい。

【0121】

また、このようなＮＤフィルタは、第６～第１１実施例に示したようにレンズとは別個にフィルタガラスを配置することによって構成するのでなく、光学系を構成するレンズに設けても良い。その場合、上述した理由から、光学系が複数のレンズから構成されている場合、ＮＤフィルタを設けるレンズは最も光源側のレンズとなり、例えば、最も光源側のレンズの光源側の面に蒸着によってＮＤフィルタを設けることが考えられる。その際、第１、第８～第１１実施例にて示したもののように、最も光源側のレンズの光源側の面が平面であれば、蒸着がしやすい。また、最も光源側のレンズのガラス中に色素等を分散させることで、レンズをＮＤフィルタとすることもできる。第４実施例の第１レンズＬ１のようにパワーの弱いレンズはこのようなＮＤフィルタとするのに最適である。

【0122】

以下に、上述した光源角度測定装置の機能及び動作について説明する。

【0123】

（システム）
図２８は、本発明の光源角度測定装置の実施の一形態における機能を示すシステムブロック図である。

【0124】

本実施形態の光源角度測定装置は図２８に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６と、プロセッサ１０１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０３と、通信ＩＣ１０４と、外部ＩＦ（インターフェース）コネクタ１０５とを有しており、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６が図１に示した受光素子５となるものであり、また、プロセッサ１０１が図１に示した演算部６の役割を果たす。

【0125】

上記のように構成された光源角度測定装置においては、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６が、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６に接続されたプロセッサ１０１の指示により画像を読み取り、プロセッサ１０１に送信する。プロセッサ１０１は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６から送信されてきた画像データを、プロセッサ１０１に接続されたＲＡＭ１０２に記憶させる。ＣＭＯＳイメージセンサ１０６等を駆動するためのプログラムは、プロセッサ１０１に接続されたＲＯＭ１０３に記憶されており、プロセッサ１０１によって読み出されてＲＡＭ１０２に展開される。プロセッサ１０１は、ＲＡＭ１０２に展開されたプログラムを読み出して実行することにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６等を制御する。

【0126】

プロセッサ１０１は、通信ＩＣ１０４を介して情報出力手段である外部ＩＦコネクタ１０５に接続されており、外部ＩＦコネクタ１０５を介して入力された指示に従って動作する。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６で読み取られ、ＲＡＭ１０２に記憶された画像データは、プロセッサ１０１内で画像処理され、例えば、入射角度等のデータは、プロセッサ１０１から通信ＩＣ１０４を介して外部ＩＦコネクタ１０５に送られる。

【0127】

（プロセッサ）
図２８に示したプロセッサ１０１の内部処理について詳細に説明する。

【0128】

図２９は、図２８に示したプロセッサ１０１の機能を示す機能ブロック図である。図３０は、図２８に示したプロセッサ１０１における入射角度の算出処理を説明するためのフローチャートである。

【0129】

図２８に示したプロセッサ１０１は図２９に示すように、撮影処理と、重心計算処理と、入射角計算処理とを実行する。

【0130】

プロセッサ１０１は入射角の算出を開始するとまず、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６をＯＮ状態とし（ステップ１０１）、予め設定されたゲイン値や露光時間等の撮影パラメータに基づいて、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６を制御し、画像の撮影を行う（ステップ１０２）。

【0131】

次に、プロセッサ１０１は、画像取得手段１０１１において、撮影処理として、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６から撮影パラメータに基づいて撮影した画像データを受け取る（ステップ１０３）。その後、プロセッサ１０１は、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６をＯＦＦ状態とする（ステップ１０４）。なお、ここでは、プロセッサ１０１は、１つの画像データを取得するたびにＣＭＯＳイメージセンサ１０６をＯＮ／ＯＦＦ状態としたが、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６を常にＯＮ（起動）状態としてもよい。

【0132】

次に、プロセッサ１０１は、重心計算処理として、輝度値変換手段１０１２が画像取得手段１０１１から画像データ（画像のＲＧＢ信号値）を受け取り、所定の変換条件に従って、画像データを画像の輝度値に変換する（ステップ１０５）。

【0133】

次に、輝度値変換手段１０１２に接続された点像抽出手段１０１３が、輝度値変換手段１０１２にて画像データから変換された画像の輝度値に対して点像抽出を実行する。なお、この点像抽出は、所定の閾値を基準として、閾値よりも大きな輝度値を有する画素を抽出することにより行う。次に、抽出した画素に基づいて、点像の輝度値を抽出し、これを次の点像重心の計算に用いる。つまり、点像の重心計算は、事前に抽出した点像に対してのみ行う。仮に、点像が抽出されなかった場合（全てのピクセルに対応する輝度値が閾値より小さなものであった場合）には、点像の重心計算を行わない。したがって、点像抽出手段１０１３は、画像データの輝度値に基づいて、所定の輝度条件を満たす点像を抽出する抽出手段としての役割がある。

【0134】

次に、重心計算手段１０１４は、点像抽出手段１０１３にて抽出された点像のＸＹ重心座標を求める（ステップ１０６）。重心計算手段１０１４にて求められた点像のＸＹ重心座標（点像座標）は、重心計算手段１０１４から角度計算手段（入射角取得手段）１０１５に送られる。

【0135】

次に、プロセッサ１０１は、入射角計算処理として、角度計算手段１０１５において、予め求めておいた構造パラメータ（アパーチャとカバーガラス間の距離、カバーガラスの厚み、ピクセルサイズ、カバーガラスの屈折率、光学系の射影方式）と、重心計算手段１０１４から送られてきた点像のＸＹ重心座標とを用いて、光源となる太陽光のＸＹ方向の入射角を求める（ステップ１０７）。

【0136】

プロセッサ１０１は、光源となる太陽光のＸＹ方向の入射角を求めたら、求めた角度を通信ＩＣ１０４を介して外部ＩＦコネクタ１０５から外部に出力する（ステップ１０８）。その後、プロセッサ１０１は、光源角度測定装置の出力周期が一定になるように、指定された時間が経過するまで待機する（ステップ１０９）。そして、入射角度算出終了の要求があるまで、上述したような、光源から照射された光の入射角度算出のフローを繰り返す（ステップ１１０）。

【0137】

ここで、角度計算手段１０１５における光源のＸＹ方向の入射角の求め方について説明する。

【0138】

図３１は、図２９に示した角度計算手段１０１５における光源のＸＹ方向の入射角の求め方の一例を説明するための図である。

【0139】

プロセッサ１０１においては、例えば図３１に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１０６の受光面をマトリックス状に複数の領域に分割し、その複数の領域毎の輝度値に基づいて点像の重心座標を計算し、その重心座標を示すアドレスをテーブルとしてメモリに格納しておき、その後、角度計算手段１０１５において、そのテーブルを参照することで、点像のＸ座標及びＹ座標に対応する入射角を求めることが考えられる。

【0140】

また、点像のＸ座標及びＹ座標に対応する入射角は光学系Ｌの射影方式に応じて異なる計算式が用いられ、各計算式は以下の様になる。

【0141】

等距離射影方式 Ｙ＝ｆθ の場合
θ＝Ｙ／ｆ
正射影方式 Ｙ＝ｆｓｉｎθ の場合
θ＝ｓｉｎ＾－１（Ｙ／ｆ）
等立体角射影方式 Ｙ＝２ｆｓｉｎ（θ／２）の場合
θ＝２ｓｉｎ＾－１（Ｙ／２ｆ）
図３２は、本発明に係る光源角度測定装置を搭載した航行体の一例としての人工衛星を示す図である。

【0142】

図３２に示すように、人工衛星は、衛星本体１３１に通信アンテナ１３２、太陽電池パネル１３３、光学系１３４、スラスタ１３５等が搭載されている。

【0143】

この光源角度測定装置を人工衛星（ここでは衛星本体１３１）に対して搭載する際には、光源角度測定装置の基準面を人工衛星の基準面と一致するようにして搭載することによって、光源角度測定装置の検出角度を良好に保つことができる。人工衛星の基準面としては、人工衛星に搭載される他のセンサにおける基準面と一致していても良い。

【符号の説明】

【0144】

１ 光源
２ 光学制御部
３，Ｌ 光学系
４，ＰＨ ピンホール
５ 受光素子
６ 演算部
１０１ プロセッサ
１０２ ＲＡＭ
１０３ ＲＯＭ
１０４ 通信ＩＣ
１０５ 外部ＩＦコネクタ
１０６ ＣＭＯＳイメージセンサ
Ｆ ＮＤフィルタ
ＣＧ カバーガラス
Ｓ 受光面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】