JPH0214685B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光学装置に関するものであり、とくに
兵器効果シミユレータに用いる光学装置に関する
ものである。

訓練のために兵器の模擬操作中に電磁波（とく
にレーザから）のビームを用いることは知られて
いる。ある種の装置（英国特許第1228143，
1228144，1439612，1451192号）では、照準合わ
せを行つてから、弾丸の発射時に兵器（たとえば
銃）と同じ向きに電磁波ビームが放射される。別
の種類の装置では（英国特許第1300941，1300942
号）、弾（たとえばミサイル）が実際の発射でた
どる弾道に絶えず交差するようにして電磁波ビー
ムが発射される。いずれの場合でも、弾が的の附
近に達した時にその弾が占める空間内の点に電磁
波ビームが向けられる結果となる。

また、上記のような第１の種類の装置では、弾
が的から外れた場合に外れの種類（上、下、左、
右）についての情報を得るためにビームａを水平
方向と鉛直方向に走査することも知られている。

これらの装置に対する１つの要求は、全体とし
て射距離とは独立している、あるいは少くとも射
距離には比例しないような「幅」をビームが有す
ることが理想的であることである（たとえば、射
距離が８倍の範囲で変化した時にビーム幅の変化
が２倍以下）。この場合に「幅」という用語は、
輝度（すなわち、ビーム中のエネルギー密度）が
ある所定のしきい値を有する２つの点におけるビ
ームの横方向の拡がりを意味するものであり、こ
れら２つの点の間においては輝度はこのしきい値
またはこのしきい値より高く、２つの点の外側で
は輝度はこの値より低い。射距離とは無関係に弾
の（一定）殺傷範囲を表すにはビームの幅が一定
であることが望ましい。

本発明の目的は、従来の装置と比較して、ビー
ム幅が射距離に関係する度合の小さい電磁波ビー
ムを供給する光学装置を提供することである。

本発明によれば、少なくとも１つの機能レンズ
素子群が最小化されないように選択された球面収
差を有するようなレンズ系と、所定の寸法と所定
の形を有し、所定の照度分布を与えるように構成
された可視光または、例えば赤外線のような近可
視光の光源と、レンズ系の光軸を横切つて光源と
レンズ系との間に配置され、光源から放たれる光
線の空間伝播分布を制御するための制御要素とを
備える光学装置が得られる。

含まれる球面収差は重要である。各機能レンズ
素子群は球面収差が最小となるように調節される
ことはなく、また、装置内のいずれの場所でも球
面収差は全く補償されない。

光源はレーザまたはレーザ・スタツク（たとえ
ばひ化ガリウム系の）構成され、前記所定の照度
分布を与える要素を含む。この要素は光積分器と
光拡散器を有し、これらの光積分器と光拡散器は
前記寸法と前記形を決定することもできる。ある
いは、前記寸法と前記形はレーザまたはレーザス
タツクの形状構成により、またはそれとマスクと
の組合わせにより決定することもできる。また可
視光または赤外線等の近可視光の光源であれば、
いずれの光源であつてもレンズに対して適用する
ことができるため、用いることができる。

制御要素はマスク、たとえば穴あきマスクある
いは可変密度マスクを備える。

機能レンズ素子群の球面収差の大きさと符号を
適切に選択することにより、および制御要素を適
切に選択することによつて、この装置により発生
される光ビームの照度分布を操作することが可能
である。たとえば、単純な円対称のレンズから横
断面がほぼ長方形で、幅がほぼ一様のビームのよ
うな円対称でないビームを発生することが可能で
ある。

本発明の第２の面によれば可視光または近可視
光の光源と、光源の実効寸法と実効形状を決定
し、所定の照度分布を与えるように構成された要
素と、レンズ系の光軸を横切つて光源とレンズ系
との間に配置され、光源から放たれる光線の空間
伝播分布を制御するための制御要素と、第１の機
能レンズ素子群とを備え、この第１の機能レンズ
素子群においては、第１の素子が適度の負倍率と
最小でない負の球面収差とを有し、第２の素子が
前記負の倍率よりも絶対値が大きい正の倍率と前
記負の球面収差よりも絶対値が小さい正の球面収
差とを有することを特徴とする光学装置が得られ
る。

また、本発明の第３の面によれば、可視光また
は近可視光の光源と、この光源の実効寸法と実効
形状を決定し、かつ所定の照度分布を与えるよう
に構成された要素と、レンズ系の光軸を横切つて
光源とレンズ系との間に配置され、光源から放た
れる光線の空間伝播分布を制御するための制御要
素と、全面的な最小化されない正の球面収差およ
び正の倍率を有する第１の機能レンズ素子群と、
全面的な正の球面収差と正の倍率とを有する第２
の機能的なレンズ素子群とを備えることを特徴と
する光学装置が得られる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

以下に説明する本発明は兵器効果シミユレータ
に用いるレーザビームを提供するものである。こ
のシミユレータの有効範囲は通常は数百メートル
から数キロメートルである。ビームはたとえば戦
車乗員または手持ち式ミサイルの発射員の訓練中
に、弾やミサイルを表すために用いられる。的に
はそれに入射する光ビームを検出して、それを指
示するための光検出器が設けられる。たとえば、
弾の命中および的の近くへの着弾を行わせたり、
ミサイルの飛行をシミユレートするためにビーム
を正確に用いる方法につては、前記英国特許明細
書に詳しく開示されている。

ビームは各辺の寸法が数メートルのほぼ長方形
の横断面を有することが望ましい。この寸法は最
小射程と最大射程の間であまり大幅に変つてはな
らない。そのようなビームを発生する簡単なコリ
メータは直径が数メートルのレンズを必要とする
が、たとえば最大射程で希望の幅まで拡がり、近
距離では幅の狭いビームを発生するように構成さ
れたレンズでははるかに小型であることに注意さ
れたい。

まず第１図を参照して、本発明の光学装置の第
１の実施例は、レーザ１１を有する光源１０と、
光積分器１２と、光拡散器１３とを含む。レーザ
１１は数個のひ化ガリウム接合ダイオード・レ…
ザ素子を含み、それらの素子の発光部から光積分
器１２の一端の長方形の領域まで光フアイバが延
びている。光積分器１２は光フアイバの内面全反
射で個々の光フアイバの中を伝わつてきた光線を
混合するように機能する。光積分器１２は横断面
が正方形または長方形の細くて短かいガラス棒か
ら作られ、その端部は第２図に示すようにその長
手軸に対して互いに90度だけよじられている。ひ
化ガリウムレーザ自体から発生されるビームは扇
状であり、１つの平面内では大きな角度で拡がる
が、その平面に直交する平面内での拡がり角度は
小さい。光積分器１２をよじることにより、発生
されたレーザ光の角度発散のこのような非対称性
は小さくなる。

光積分器１２の他端部１２ａから出た光は光拡
散器１３を通る。光積分器１２の他端部１２ａの
横断面は正方形で、大きさは通常0.1mm×0.16mm
である。光拡散器１３はシヨツト・ブラストされ
たパースペツクス樹脂で作られ、端面１２ａがレ
ンズにより装置内で結像させることができる光源
１０の唯一の部分であるようにするために含ませ
られる。拡散器１３がないと光積分器１２の内部
の反射（一種の鏡の間効果）のために、レーザ１
１の近くの光積分器１２の端部の平面内の点に望
ましくない映像が現われるおそれがある。それに
より装置からのビーム中にホツト・スポツト（高
密度の点）が生ずる。

拡散器１３を出た光は組合わせレンズ１５の前
方のマスク１４を通る。

この組合わせレンズ１５は凹凸レンズ１６と、
その後の平凸レンズ１７との２つのレンズより成
る。平凸レンズ１７の曲率は大きな（正）倍率
（ジオプトリで測つて）と、最小に近い（正の）
球面収差を有する。ように選ばれる。また、凹凸
レンズ１６は中間（負の）倍率と、比較的大きな
（負の）球面収差を有するように選ばれる。した
がつて、レンズ１６と１７は全体として中間の値
（正で収束）の倍率と、最小でない負の球面収差
とを有する機能群を構成する。これは、球面収差
をなくすか、あるいは他の収差を最小にするので
あれば少くとも球面収差を最小にするようにレン
ズ素子を選択する正統的な光学機器のやり方とは
反対である。

その結果、第１図の代表的な２本の光線で示さ
れているように、光軸に対して小さな角度をなし
て拡散器１３の中心から出た光線１８は組合わせ
レンズの中心部を通り、光軸に対して小さな角度
（ほぼ平行）を続けるように屈折させられる。し
かし、光軸に対して大きな角度をなす光線１９
（この光線は通常の収束レンズでは光軸に平行と
なるように屈折させられる）は、光軸に少し近づ
く向きに屈折させられるだけであるから、大きく
発散する光路をたどる。そのために、光源から遠
く離れた場所ではビームは光軸に対して小さな角
度で拡散器１３から出た光線１８だけで構成され
ることになる。最大距離（すなわち、それ以上で
は照度があるしきい値Ｔをこえるようなビームを
横切つて測定した距離）におけるビームの幅Ｗ
（と高さ）は、端面１２ａの幅（と高さ）および
組合わせレンズ１５の倍率により制御される。

近い場所（レンジの下端部）では、光線１８は
細くて強いビームを生ずる（第４図）。しかし、
拡散する光線１９が光線１８の周囲で余分の放射
エネルギーを与えるから、照度は希望の幅Ｗを横
切るしきい値Ｔよりも高いままである。第４図に
示すように、近い場所でのビームの照度はビーム
の中心におけるＴよりも十分に高い。しかし、こ
れは重要ではない。照度が希望の幅Ｗにまたがつ
てしきい値Ｔ以下であつてはならないことが必要
なだけである。

前記したように、遠い場所でのビームの幅と高
さは、中心部の光線１８が端面１２ａの概略の映
像を生ずるから、端面１２ａの形に関連する。し
かし、近い場所では端の光線１９もビームの構成
にあずかる。これらの端の光線はレンズ１５の円
対称の球面収差により制御されるから、横断面が
円形のビームを発生する傾向がある。これを避け
るためにマスク１４を用いて、端の光線１９によ
り発生されるビームの形を希望するほぼ長方形と
する。

最も簡単な場合には、マスク１４は、第５図に
示すように、長方形の穴２０をあけた板で構成で
きる。しかし、近い場所でより本当の長方形状の
ビームを発生するために、第６図に示すようなも
つと複雑な形を用いることが可能である。

可変密度マスクを用いてビームの形をもつと厳
密に制御することもできる。その可変密度マスク
ではその中の小さな各領域内での光の減衰が完全
透過と完全しや断との中間の値を有する。マスク
１４として使用できる可変密度マスクの１つの可
能なパターンを第７図に示す。この可変密度マス
クは各点に希望の密度を有する写真感光乳剤を塗
布されたガラス板で構成できる。このマスクの光
透過領域２１は中央の透明な部分２２と、照射さ
れるビームの所要の隅の部分に対応する４つの透
明なアーム２３とを有する。このマスクの上部と
下部には、縁部が低密度で、中心部２５へ近づく
につれて密度が次第に高くなる円弧状の領域２４
が設けられる。また、マスクの各側面には高密度
の細長い領域が設けられる。

可変密度マスクは、たとえば、寸法と間隔が
種々であるドツトを適切なパターンとなるように
してコンピユータ制御プロツタで描くことにより
作られたマスクから、写真技術によつて作ること
ができる。あるいは、１つの密度の領域の形を持
つた部分を、その密度に適切な一様な寸法と間隔
を有する予めドツトがプリントされているシート
から切り抜き、それから隣りの領域に必要な密度
を有するドツトがプリントされているシートから
切り抜かれた他の部分の上に重ねて所要のマスタ
を作ることもできる。

マスク１４の機能はその平面中を通る光線の透
過の空間分布を制御することである。穴があけら
れているマスクの場合には（第５，６図）、透過
の可能な値としては完全透過と零透過の２つがあ
る。可変密度マスクの場合には中間透過値が可能
である。

マスクとその形およびレンズ１５の球面収差値
との選択は場合に応じて異なる。

次に第８図を参照する。この図には比較的一定
な幅のビームを発生するために、収差の小さい良
く修正された対物レンズ（図示せず）とともに用
いる、本発明の光学装置の第２の実施例を示す。

この光学装置は第１図に示す光源１０に類似の
光源１００を含み、この光源から出た光は長方形
の穴を有するマスク１０１を通つて、２枚の収束
レンズ１０３，１０４より成る第１の機能群１０
２に入射する。これらのレンズ１０３，１０４の
曲率は、機能群１０２の倍率を正とするととも
に、適度の正の球面収差を持たせるように選択さ
れる。第２のレンズ１０４から出た光は２枚のフ
イールドレンズ１０６，１０７より成る第２の機
能群１０５に入射する。この第２の機能群も大き
な正の球面収差を有し、レンズ１０６の面は対物
レンズの焦点面１０８の附近で機能群１０２に隣
接する。

光源１００の与えられた点から出て光軸に対し
て小さな角度を成す光線１０９のような光線は、
機能群１０２によつて焦点面１０８に収束させら
れる。しかし、光軸に対して大きな角度を成すよ
うにして光源１００から出た光線１１０は、機能
群１０２の正の球面収差のために大きく屈折させ
られ、機能群１０２と１０５の中間の面に収束さ
せられる。いいかえれば、この光線１１０は焦点
面１０８には収束させられない。そのために、焦
点面１０８上における輝度分布は光軸の一方の側
から他方の側へかけて第９図に示すようなものと
なり、レーザ光源１００の収束された映像である
非常に明るい中心部と、大きく屈折させられた光
線１１０により生じた、前記中心部を囲む光の輪
とが生ずる。

第８図からわかるように、光線１１０は光軸に
対してかなり大きな角度をなして焦点面１０８に
達する。したがつて、フイールドレンズ１０６，
１０７の目的はそれらの光線１１０が対物レンズ
に到達できるほど十分にそれらの光線を屈折させ
ることである。機能群１０５の正の球面収差は、
光軸からの距離が大きくなるにつれて実効倍率が
高くなるようなフイールドレンズを用いることに
より、これを容易にするように選択される。

第２の実施例を組込んだ完全な装置を第１０図
に示す。この図は各部品の相対的な配置を示すだ
けであることに注意すべきである。焦点面１０８
から出るように示されている光線は、実際には第
２の機能群１０５から出るものである。それらの
光線の間隔は非常に拡大して描いてある。１１１
は対物レンズであり、Ａ，Ｂ，Ｃは装置からそれ
ぞれ６，３，１Kmの距離の場所に光軸から等距離
の点に設けられた検出器を示す。良く修正されて
いるレンズ１１１の焦点面内の１点からの光線は
互いにほぼ平行となつてレンズから出ることは良
く知られている。したがつて、検出器Ａはレンズ
１１１から平行光線だけを受けるから、この検出
器Ａは焦点面１０８中のA′点からの光線だけを
受ける。同様に、検出器Ｂ，Ｃは焦点面１０８内
の点B′，C′から出た光線だけをそれぞれ受ける。
レンズ１０３，１０４の曲率は、点B′，C′におけ
る輝度がA′点における輝度のそれぞれ1/4，1/36
であるような輝度分布（第９図）を与えるように
選択される（実際にはそれらの分数値は、長距離
の時に大気による大きな吸収を補償するために、
これらの理論値よりも小さくなる）。したがつて、
検出器Ａ，Ｂ，Ｃにおける照度は同じとなる。検
出器Ｃにおける照度が近い場所のビーム（一部は
マスク１０１の寸法により制御される）の縁部を
定めるしきい値であるとすると、検出器Ａ，Ｂも
同様にビームの縁部にあたることになる（光軸か
ら同じ距離にあるから）。したがつて、ビームの
幅（しきい値の照度を受ける点の間で光軸を横切
る距離）は距離によらず比較的一定である。

第１図に示す光学装置のように、光軸上の照度
は、とくに検出器Ｃの距離において、しきい値を
こえるが、幅が制御されるビームの発生において
はほとんど重要ではない。このビームではビーム
の縁部における照度が重要なパラメータである。

光積分器１２と拡散器１３はある場合には用い
なくともよい。その場合には、光源からのビーム
の寸法、形および照度分布は、レーザの構成また
はレーザの直前のマスクにより決定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例の光線図、第
２図は第１図に示す光積分器の概略斜視図、第３
図は第１図の装置により発生されたビームの遠距
離における照度分布図、第４図はビームの近距離
における照度分布図、第５，６，７図は第１図の
装置で用いるマスクの各種の例を示す平面図、第
８図は本発明の装置の第２の実施例の光線図、第
９図は第８図の平面−における光の輝度分布
図、第１０図は第８図に示す装置を使用している
時の光線図である。 １０，１００…光源、１２…光積分器、１３…
拡散器、１４…マスク、１５，１０２，１０５…
組合わせレンズ、１６，１７，１０３，１０４，
１０６，１０７…レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも１つの機能レンズ素子群１５；１０
   ２が最小化されずに選択された球面収差を有する
   ようなレンズ系と、所定の寸法と所定の形を有
   し、所定の照度分布を与えるように構成された可
   視光または近可視光の光源１０；１００と、前記
   レンズ系の光軸を横切つて前記光源と前記レンズ
   系との間に配置され、前記光源から放たれる光線
   の空間伝播分布を制御するための制御要素１４；
   １０１とを備えることを特徴とする光学装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の装置におい
   て、光源はレーザすなわちレーザ・スタツク１
   １；１００を備えることを特徴とする装置。 ３ 特許請求の範囲の第２項または第３項に記載
   の装置において、光源は前記所定の照度分布を与
   える要素を含むことを特徴とする装置。 ４ 特許請求の範囲の第３項に記載の装置におい
   て、前記所定の照度分布を与える要素は光積分器
   １２と拡散器１３とを含むことを特徴とする装
   置。 ５ 特許請求の範囲の第４項に記載の装置におい
   て、前記積分器と前記拡散器は前記寸法と前記形
   を決定することを特徴とする装置。 ６ 特許請求の範囲の第１〜５項のいずれかに記
   載の装置において、前記制御要素はマスクを備え
   ることを特徴とする装置。 ７ 特許請求の範囲の第６項に記載の装置におい
   て、前記マスクは穴あきマスクであることを特徴
   とする装置。 ８ 特許請求の範囲の第６項に記載の装置におい
   て、前記マスクは可変密度マスクであることを特
   徴とする装置。 ９ 可視光または近可視光の光源１１と、光源の
   実効寸法と実効形状を決定し、所定の照度分布を
   与えるように構成された要素１２，１３と、前記
   レンズ系の光軸を横切つて前記光源と前記レンズ
   系との間に配置され、前記光源から放たれる光線
   の空間伝播分布を制御するための制御要素１４
   と、第１の機能レンズ素子群１５とを備え、この
   第１の機能レンズ素子群においては、第１の素子
   １６が適度の負倍率と最小でない負の球面収差と
   を有し、第２の素子１７が前記負の倍率よりも絶
   対値が大きい正の倍率と前記負の球面収差よりも
   絶対値が小さい正の球面収差とを有することを特
   徴とする光学装置。 １０ 可視光または近可視光の光源１００と、こ
   の光源の実効寸法と実効形状を決定し、かつ所定
   の照度分布を与えるように構成された要素と、前
   記レンズ系の光軸を横切つて前記光源と前記レン
   ズ系との間に配置され、前記光源から放たれる光
   線の空間伝播分布を制御するための制御要素１０
   １と、全面的な最小化されない正の球面収差およ
   び正の倍率を有する第１の機能レンズ素子群１０
   ２と、全面的な正の球面収差と正の倍率とを有す
   る第２の機能的なレンズ素子群１０５とを備える
   ことを特徴とする光学装置。