JPH075363A - 非同軸共焦点多面反射光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多くの枚数の反射面の組合せを可能とし、多
くの変化させられるパラメータを導入でき、点としての
焦点を持つ有焦点２次曲面の組み合わせを用いて、広視
野高分解能の反射光学系を提供する。 【構成】 入射面としての第１面Ｓ1 は回転放物面で構
成され、第２面Ｓ2 は回転楕円面、第３面Ｓ3 は回転双
曲面で構成される。第１面Ｓ1 の射出焦点Ｆ1'と第２面
Ｓ2 の入射焦点Ｆ2 の位置、第２面Ｓ2 の射出焦点Ｆ2'
と第３面Ｓ3 の入射焦点Ｆ3 の位置は、同一位置で共焦
点な関係にある。また、各面Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 の回転対
称軸Ｆ1 −Ｆ1'，Ｆ2 −Ｆ2'，Ｆ3 −Ｆ3'は、同軸でな
く、非同軸に配置されている。そして、十分遠方からの
光が第１面Ｓ1 の回転放物面に軸外しで入射されると、
光学像は第３面Ｓ3 の射出焦点Ｆ3'近傍に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は広視野高分解能の反射光
学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】結像光学系は、物体から反射する太陽
光、あるいは物体自身から放出している赤外光を集光
し、光の像を作る作用を持っている。また、アフォーカ
ル光学系は、何らかの結像光学系と合わせて用いられ、
結像光学系と同様に、物体の光の像を作る作用を持って
いる。

【０００３】そして、この種の光学系としては、視野が
広く、高分解能で、波長範囲も広く、大口径で、明る
く、加工容易で、かつ平面直線像ができるものが、長く
求められてきた。

【０００４】ところで、光学系には、レンズ等の屈折材
料を用いる屈折光学系と、金属等の反射面を用いる反射
光学系に大きく分けられる。

【０００５】ここで、屈折光学系と反射光学系との長所
短所の比較を表１に示す。

【０００６】

【表１】

【０００７】この表から解るように、反射光学系には多
くの長所があるにもかかわらず、天体望遠鏡のように、
視野の狭い（例えば１度以下）特殊な用途にしか用いら
れておらず、カメラ等の多くは屈折光学系である。この
原因は単に反射光学系の視野の狭さにあると考えられ
る。

【０００８】では、何故反射光学系の視野は狭く、屈折
光学系の視野は広く設計できるのであろうか。これにつ
いては、次のように考えられる。

【０００９】屈折光学系では、光軸に沿って１方向に光
が進み、多くのレンズの組み合わせ構成が容易にでき、
よって、曲率の異なる多くの球面（あるいは球面を基本
とした非球面）の組み合わせ、種々の面間隔の組み合わ
せ、及び屈折率の異なる材料の組み合わせ等の多種で多
量のパラメータの組み合わせが可能なため、多くの変化
させられるパラメータが存在し、組み合わせをうまく設
計すれば、周辺でもボケの無い広いイメージフォーマッ
ト面が作られ、広い視野に渡り高分解能な光学系が実現
できる。

【００１０】これに対し、反射光学系は、反射現象のた
め、光線は光軸に沿って一方向に進まず、反射の度に逆
方向に進み、ニュートン、カセグレン、グレゴリー式反
射光学系等で代表されるように、従来の同軸配置では、
多くの面の組み合わせができず、せいぜい２枚の組み合
わせしかできなかった。このため、変化させられるパラ
メータが少なく、イメージフォーマット面の広い範囲に
渡って収差の補正ができず、広視野反射光学系の設計が
できないわけである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上まとめると、反射
光学系は多くの利点を有するが、従来の光軸を有する同
軸配置では、多くの面の構成ができないため、変化させ
られるパラメータが少なく、収差の補正ができなかっ
た。そのため、光軸付近の高分解能な領域だけしか使用
できず、狭視野となり、特殊な用途にしか用いられない
と言える。

【００１２】従って、従来の反射光学系は、反射面が同
軸に配置されて用いられているため、せいぜい数枚程度
の組み合わせしかできず、収差を補正した加工容易な広
視野高分解能の反射光学系の設計ができなかった。

【００１３】そこで、本発明は、これまでの同軸（光
軸）を無くすことにより、多くの枚数の反射面の組み合
わせを可能とし、これにより、多くの変化させられるパ
ラメータを導入でき、かつ指導原理として、任意の曲面
でなく、使用する反射曲面として、点としての焦点を持
つ回転放物面、回転楕円面、回転２葉双曲面、球面、平
面（以下、有焦点２次曲面という）の組み合わせを用い
て、広視野高分解能の反射光学系を提供することを目的
としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載した非同軸共焦点多面反射光学系
は、焦点を持つ曲面を複数枚用い、かつその曲面の一部
を反射面とし、各々の反射面は回転対称軸を持ち、その
個々の回転対称軸のうちの少なくとも１つは、ある１つ
の固定された直線上に置かない配置で、かつ任意のある
曲面の焦点とその前後の曲面の焦点とを同一位置に置い
たことを特徴としている。また、請求項２では、曲面の
最初の入射面を回転放物面としている。さらに、請求項
３のアフォーカル反射光学系では、曲面の最初の入射面
及び最後の射出面を回転放物面としている。また、請求
項４では、曲面が、焦点を持つ面形状を基本として、そ
の面から微小に変形している。

【００１５】

【作用】本発明の曲面として用いられる回転楕円面、回
転２葉双曲面の片方の面には、２つの異なる、点として
の焦点があることは良く知られている。また、回転放物
面にも通常の焦点以外に、無限遠にもう一つの焦点が有
ると考えれば、結局２つの異なる焦点を持つ面と考えら
れる。さらに、球面は１つの焦点を持ち、平面は至ると
ころが焦点と考えられる。ここで、焦点とは、実あるい
は虚の点光源が、反射面により、幾何光学的な意味で、
厳密に実あるいは虚の点像になるような、その反射面に
固有の点を言う。

【００１６】そして、ある有焦点２次曲面の焦点近傍に
物体が有るとすれば、その光学像は、実像及び虚像を含
めて、やはりその曲面のもう一つの焦点近傍にできるは
ずである。なぜなら、まったく厳密な意味で、焦点から
出た光束または焦点に向かう光束は、もう一つの焦点に
集光あるいは焦点から発散する、すなわち、実あるいは
虚の厳密な点像ができるからであり、また、この作用は
連続的になされるので、物体側焦点と像側焦点で厳密な
点像の対応が有るのであれば、焦点近傍でも、ボケの度
合いを考えなければ、やはり像は焦点近傍にできるから
である。この像のボケの無い近傍がかなり広くなれば、
収差の補正ができたことになり、広視野性が達成でき
る。なお、収差の補正とは、光学系が使用される用途に
応じて、それぞれ許容範囲が示されるものであり、一般
的かつ厳密に決められるものではなく、ある許容範囲を
必ず含むものである。

【００１７】以上、単一面で考えたが、多数の有焦点２
次曲面を、前後の面と焦点を合わせながら構成すれば、
以上の議論はそのまま成立する。すなわち、共焦点にす
ることにより、狭義の意味での球面収差は完全に除かれ
た反射光学系の構成が保証でき、像の生成作用は連続的
に行われるため、入射焦点近傍の物体は、射出焦点近傍
に光の像ができ、このボケの無い近傍を、多くのパラメ
ータを変化させて広げる設計が可能となる。また、多く
のパラメータを変化できるには、反射面を非同軸にすれ
ば容易に可能である。本発明では、焦点を持つ多くの反
射面を前後で共焦点に配置し、しかも、非同軸な配置を
行うことにより、広視野高分解能の反射光学系を構成し
ている。ここで、非同軸な配置とは、各面は回転対称軸
を持つが、その回転対称軸の１つでもある１つの直線と
一致しない配置を言う。

【００１８】なお、参考までに、上記で述べたニュート
ン、カセグレン、グレゴリ−式反射光学系は、共焦点光
学系であるが、非同軸ではなく、光軸の存在する同軸光
学系であることを付け加えておく。

【００１９】屈折光学系において、凸レンズまたは凹レ
ンズだけで収差の補正はできないことは経験的に知られ
ている。互いに反対の作用を持つ凸レンズと凹レンズと
の組み合わせることで、初めて、収差の補正は可能とな
る。発明者等の理論的解析によると、楕円面の内側反射
と双曲面の外側反射は同じ作用をし、この作用と逆の作
用をする面は、楕円面の外側反射と双曲面の内側反射で
あることが解っている。すなわち、楕円面と双曲面の内
外の面を反射面として多数組み合わせることにより、収
差の補正が可能である。

【００２０】十分遠方に物体が有る場合には、焦点が無
限遠に有ると考えられる放物面を入射面とすべきであ
り、又、アフォーカル系では、入射面と射出面が回転放
物面で構成されている。

【００２１】反射シュミット光学系の入射面に用いられ
る曲面のように、回転対称軸の無い非球面加工は現代に
おいても加工困難であるが、焦点を持つ曲面として本発
明に用いられる放物面、楕円面、双曲面は非球面である
が、回転対称軸を有し、その軸からかなり離れた面の加
工でさえ、ダイヤモンドターニング等の超精密加工技術
が成熟してきた現代においては、加工容易である。

【００２２】屈折光学系で面を減らすために、小数の面
に球面を基本とした非球面の導入がよく行われている
が、本発明では、この考えを適用して反射光学系を構成
する曲面の枚数を減少させることができる。

【００２３】

【実施例】図１は本発明による３面構成の結像型非同軸
共焦点反射光学系の一実施例を示す。

【００２４】この実施例による反射光学系は、焦点を持
つ３つの有焦点２次曲面で構成されており、図におい
て、Ｓ1 は入射面であり、かつ第１面である回転放物
面、Ｓ2は第２面の回転楕円面、Ｓ3 は第３面の回転双
曲面である。また、Ｆ1 は無限遠に存在する第１面Ｓ1
の入射焦点、Ｆ1'は第１面Ｓ1 の射出焦点である。同様
に、Ｆ2 は第２面Ｓ2 の入射焦点、Ｆ2'は第２面Ｓ2 の
射出焦点、Ｆ3 は第３面Ｓ3 の入射焦点、Ｆ3'は第３面
Ｓ3 の射出焦点である。

【００２５】第１面Ｓ1 の射出焦点Ｆ1'と第２面Ｓ2 の
入射焦点Ｆ2 の位置は同じ位置にある。同様に、第２面
Ｓ2 の出射焦点Ｆ2'と第３面Ｓ3 の入射焦点Ｆ3 の位置
も同じ位置にあって共焦点な関係にあり、光学像は第３
面Ｓ3 の射出焦点Ｆ3'近傍に形成されるようになってい
る。

【００２６】回転対称軸は第１面の放物面Ｓ1 でＦ1 −
Ｆ1'、第２面の楕円面Ｓ2 でＦ2 −Ｆ2'、第３面の双曲
面Ｓ3 でＦ3 −Ｆ3'であり、これらの軸は同軸でなく、
非同軸に配置されている。また、βjiはｉ面（ｉは整
数）とこのｉ面に続くｊ面の回転対称軸の成す角であ
る。

【００２７】なお、楕円面の内側反射と双曲面の外側反
射は同じ作用をし、この作用と逆の作用をする面は、楕
円面の外側反射と双曲面の内側反射であることが解って
いることから、楕円面と双曲面の内外の面を反射面とし
て多数組み合わせることにより、収差の補正を可能とし
ている。その組み合わせとしては、２枚構成の場合、楕
円面の内側反射と楕円面の外側反射、双曲面の内側反射
と双曲面の外側反射、楕円面の内側反射と双曲面の内側
反射、楕円面の外側反射と双曲面の外側反射の４通りが
考えられる。

【００２８】上記のように構成された反射光学系におい
て、十分遠方からの光（平行光）は、第１面の回転放物
面Ｓ1 に軸外しで入射した後、放物面Ｓ1 の射出焦点Ｆ
1'に集光される。この射出焦点Ｆ1'と第２面の回転楕円
面Ｓ2 の入射焦点Ｆ2 は同位置に置かれており、光は楕
円面Ｓ2 で反射し、楕円面Ｓ2 のもう一つの焦点である
射出焦点Ｆ2'に集まろうとする。

【００２９】一方、第３面の回転双曲面Ｓ3 の外側焦点
でかつ入射焦点であるＦ3 は楕円面Ｓ2 の射出焦点Ｆ2'
と同一位置に置かれており、集まろうとする光束は楕円
面Ｓ2 で集光される前に双曲面Ｓ3 の内側で反射され、
双曲面Ｓ3 の内側焦点でかつ射出焦点であるＦ3'で結像
する。

【００３０】通常、光軸があれば、像は光軸に垂直にで
きるが、本実施例では非同軸のため、像がある軸に垂直
にできるとは一概に言えない。

【００３１】一般に、有焦点２次曲面の曲面形状は、焦
点を原点とした曲座標で、 ρ（θ）＝Ｌ／（１＋ε・ｃｏｓ（θ）） と表される。ここで、Ｌは垂直長（内側反射か外側反射
かを決定し、かつ曲面の大きさを表すパラメータ）、ε
は離心率（曲面の種類及び内側反射か外側反射を決定す
るもの）である。

【００３２】そして、本実施例では、３つの曲面を非同
軸で共焦点な関係に多面配置しているので、各面の離心
率及び垂直長を変化できるだけでなく、軸と軸の成す角
度βji（屈折光学系の面間隔に相当するもの）も変化さ
せることができる。

【００３３】また、反射シュミット光学系の入射面に用
いられる曲面のように、回転対称軸の無い非球面加工は
現代においても加工困難であるが、焦点を持つ曲面とし
て本実施例に用いられる放物面、楕円面、双曲面は非球
面であるが、回転対称軸を有し、その軸からかなり離れ
た面の加工でさえ、ダイヤモンドターニング等の超精密
加工技術を用いることによって容易に加工することがで
きる。

【００３４】さらに、従来の同軸に配置されたニュート
ン式等の反射光学系では、第２反射面及びその支持体が
遮光板として働き、赤外線領域のイメージャとして不具
合であったが、本実施例の反射光学系では、各曲面が非
同軸に配置されているので、全光束中に光を遮る支持体
等がなく、赤外線イメージャ用にも最適である。

【００３５】なお、十分遠方に物体が有る場合には、焦
点が無限遠に有ると考えられる放物面を入射面とする必
要があり、又、アフォーカル系の反射光学系では、入射
面と射出面が回転放物面で構成されている。

【００３６】また、屈折光学系で面の数を減らすため
に、小数の面に球面を基本とした非球面の導入がよく行
われているが、本実施例では、この考えを適用し、焦点
を持つ面形状、すなわち、有焦点２次曲面：回転放物
面、回転楕円面、回転２葉双曲面、球面、平面を基本と
して、その面から微小に変形して反射光学系を構成する
ことにより、曲面の枚数を減少させることができる。

【００３７】ところで、本実施例では、使用される曲面
が３面構成であるが、曲面を上述した非同軸共焦点配置
とすれば、何面でも構成することができ、それに伴って
変化させられるパラメータの数も増加し、イメージフォ
ーマット面周辺まで収差の無い反射光学系を設計するこ
とができる。

【００３８】また、本実施例では、３本の回転対称軸
は、全て２次元の平面内（本紙面）に含まれているが、
各回転対称軸を３次元的に配置してもよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、光軸を持たない非同軸
のため、多くの面が導入でき、焦点を持つ反射面を前後
の面で共焦点配置することにより、狭義の意味の球面収
差が完全に除かれた光学系の構成が保証される。また、
変化させられるパラメータが多く取れ、広視野高分解能
の反射光学系が設計でき、反射型のため、当然、使用で
きる波長範囲は広く、大口径にも加工容易であり、パラ
メータを適切に選ぶことにより、明るく、かつ平面直線
像が得られるアナスチグマート反射光学系の設計もでき
る。

【００４０】また、本発明で用いる面は、全て回転対称
軸を持っているので、非球面と言えども、現代の超精密
加工技術を用いれば容易に加工できる。

【００４１】さらに、従来のニュートン式等の反射光学
系は、同軸のため、第２反射面及びその支持体が遮光板
として働き、赤外線領域のイメージャとしては不具合が
有ると言われているが、本発明の反射光学系では、非同
軸のため、全光束中に光を遮る支持体等がなく、赤外線
イメージャ用にも最適である。

【００４２】また、焦点を持つ面形状を基本として、そ
の面から微小に変形させることにより、使用させる曲面
を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による３面構成の結像型非同軸共焦点多
面反射光学系の一実施例を示す図

【符号の説明】

Ｓ1 …回転放物面（第１面）、Ｓ2 …回転楕円面（第２
面）、Ｓ3 …回転双曲面（第３面）、Ｆ1 …第１面の入
射焦点、Ｆ1'…第１面の射出焦点、Ｆ2 …第２面の入射
焦点、Ｆ2'…第２面の射出焦点、Ｆ3 …第３面の入射焦
点、Ｆ3'…第３面の射出焦点、Ｆ1 −Ｆ1'…第１面の回
転対称軸、Ｆ2 −Ｆ2'…第２面の回転対称軸、Ｆ3 −Ｆ
3'…第３面の回転対称軸。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 焦点を持つ曲面を複数枚用い、かつその
   曲面の一部を反射面とし、各々の反射面は回転対称軸を
   持ち、その個々の回転対称軸のうちの少なくとも１つ
   は、ある１つの固定された直線上に置かない配置で、か
   つ任意のある曲面の焦点とその前後の曲面の焦点とを同
   一位置に置いたことを特徴とする非同軸共焦点多面反射
   光学系。
2. 【請求項２】 前記曲面の最初の入射面を回転放物面と
   した請求項１記載の非同軸共焦点多面反射光学系。
3. 【請求項３】 前記曲面の最初の入射面及び最後の射出
   面を回転放物面とした請求項１記載の非同軸共焦点多面
   反射光学系。
4. 【請求項４】 前記曲面は、焦点を持つ面形状を基本と
   して、その面から微小に変形した請求項１記載の非同軸
   共焦点多面反射光学系。