JP2003215458A - 反射屈折光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成要素を抑えつつ広角化の可能な反射屈折
光学系を提供することを目的とする。 【解決手段】 凸の反射面を有する反射部材と、凹の反
射面を有する反射部材とを、それら反射面を内側に向け
て配置し、前記反射部材の少なくとも一方は、屈折部材
の一方の屈折面の一部に裏面反射用の反射面を形成して
なる反射屈折部材であり、かつその反射面の形成部分及
び非形成部分が、それぞれ裏面鏡及び屈折部材として結
像光束に寄与することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、凸の反射面を有す
る反射部材と凹の反射面を有する反射部材とを、それら
反射面を向かい合わせて配置した反射屈折光学系に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星や航空機に搭載されるカメラに
は、一般に小型であり軽量であることが要求される。よ
って、このようなカメラの光学系には、少ない構成要素
で所望の結像性能を達成できるという利点から、多くの
場合反射光学系が採用されている。

【０００３】さらに、そのカメラにより大気観測を行う
場合には、その反射光学系は広角でありかつ短焦点であ
ることが望まれる。このような反射光学系としては、図
７（ａ）に示されるシュワルツシルド光学系が挙げられ
る。シュワルツシルド光学系は、２枚構成であり、物体
側からの入射光束が凸面鏡７１、凹面鏡７２に順に反射
して、凹面鏡７２の焦点の近傍に像を形成する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このシ
ュワルツシルド光学系において、広角を実現しつつ良像
を得ることは難しい。なぜなら、像面彎曲を十分に小さ
くするためには、ペツバール和を０とするべく２つの反
射面７１ａ、７２ａの曲率半径をほぼ同じにしなければ
ならないが、それと同時に、球面収差、コマ収差、非点
収差、歪曲収差を補正することはできないからである。

【０００５】なお、シュワルツシルド光学系において
は、反射面７１ａ、７２ａを非球面形状とすることで収
差を補正することができるが、反射面が２枚しかないた
めに、補正の自由度が低く、実際に補正できるのは５収
差のうち一部に過ぎず、収差が残存する。参考のため、
従来のシュワルツシルド光学系のレンズデータの１例を
表１に、このシュワルツシルド光学系の画角２０°、２
２°、２４°、２６°でのスポットダイヤグラムを、図
７（ｂ）にそれぞれ示す。なお、表１中の面番号に添え
た括弧内の符号は、図７（ａ）において対応する面の符
号である。

【表１】 また、図７（ａ）に示したシュワルツシルド光学系は、
結像光束が、斜め方向から入射したもののみとされ、像
の中心が光軸から外れた位置に形成されるような所謂
「軸外し光学系」である。このようなシュワルツシルド
光学系は、広角化及び短焦点化するのに好適な光学系で
ある。この光学系で、遮蔽がなく明るい系を実現するた
めには、軸外し量を大きくする必要があるが、入射角度
の大きい光線を結像に使用することになるので、残存収
差が大きいという上記問題は、深刻である。

【０００６】本発明は、以上の問題に鑑みてなされたも
ので、構成要素の数を抑えながら残存収差を小さくする
ことのできる反射屈折光学系を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の反射屈
折光学系は、凸の反射面を有する反射部材と、凹の反射
面を有する反射部材とを、それら反射面を向かい合わせ
て配置し、前記反射部材の少なくとも一方は、屈折部材
の一方の屈折面の一部に裏面反射用の反射面を形成して
なる反射屈折部材であり、その反射面の形成部分及び非
形成部分がそれぞれ裏面鏡及び屈折レンズとして結像光
束に寄与することを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の反射屈折光学系は、前記
結像光束による像の中心が光軸から外れた位置に形成さ
れる軸外し光学系である請求項１に記載の反射屈折光学
系である。請求項３に記載の反射屈折光学系は、少なく
とも１つの光学面は、非球面形状となっている請求項１
又は請求項２に記載の反射屈折光学系である。

【０００９】請求項４に記載の反射屈折光学系は、前記
光学面は、気体媒質側に凹となった光学面である請求項
３に記載の反射屈折光学系である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施形態について説明する。

【００１１】［第１実施形態］図１、図２、表２、表３
に基づいて本発明の第１実施形態について説明する。図
１は、本実施形態の反射屈折光学系の構成を示す図であ
る。この反射屈折光学系は、図７（ａ）に示した従来の
シュワルツシルド光学系と同様、凸の反射面１１ａを有
する反射鏡１１と、凹の反射面１２ａを有する反射鏡１
２とを、それら反射面１１ａ、１２ａを内側に向けて配
置している。なお、反射鏡１２には、結像光束を反射面
１１ａに入射させるための開口部１２ｃが設けられてい
る。

【００１２】但し、本実施形態の反射屈折光学系では、
反射鏡１１は、裏面鏡である部分（裏面鏡部分）１１Ａ
と屈折レンズ（メニスカスレンズ）である部分（レンズ
部分）１１Ｂとの２つの部分からなる。このような反射
鏡１１は、凹面を有した屈折レンズ（メニスカスレン
ズ）の凹面（気体媒質（空気）の側から見て凹となった
面）の一部に、裏面反射用の反射面１１ａが形成された
ものである。その反射面１１ａの形成部分が凸の反射面
を有した裏面鏡（裏面鏡部分１１Ａ）となり、非形成部
分が屈折レンズ（レンズ部分１１Ｂ）となるのである。

【００１３】この反射屈折光学系において、物体から発
した光束は、反射鏡１２の開口部１２ｃを介して反射鏡
１１の方向へ入射し、面１１ａ’から裏面鏡部分１１Ａ
に入射し、その後、反射面１１ａにおいて反射され、そ
の後、面１１ａ’から射出して反射鏡１２の方向へ進
む。その後、光束は、反射鏡１２の反射面１２ａにおい
て反射され、反射鏡１１のレンズ部分１１Ｂの２つの面
１１ｂ、１１ｂ’を経由して像面Ｉに結像する。

【００１４】また、本実施形態の反射屈折光学系は、図
１にも示すように、軸外し光学系であるから、遮蔽が無
く光量ロスがない。先ず、反射鏡１１は、単なる反射鏡
ではなく、裏面鏡部分１１Ａを有しているので、結像光
束は、反射面１１ａに対して入射及び射出する際に、裏
面鏡部分１１Ａの面１１ａ’において屈折する。

【００１５】さらに、反射鏡１１は、レンズ部分１１Ｂ
も有しているので、結像光束は、像面Ｉに入射する際
に、このレンズ部分１１Ｂの２つの面１１ｂ、１１ｂ’
において屈折する。

【００１６】すなわち、本実施形態の反射屈折光学系
は、従来のシュワルツシルド光学系と比較すると、３つ
の屈折面が追加され、４回屈折する。したがって、収差
補正の自由度は増加し、その分だけ収差補正は良好にな
され、その結果、この光学系の良像範囲を広げることが
可能となる。しかも、屈折面が３つ増えても、光学部材
の枚数は従来のシュワルツシルド光学系と同じく２枚の
ままである。

【００１７】したがって、本実施形態の反射屈折光学系
は、構成要素の数を抑えながら残存収差を小さくするこ
とが可能である。因みに、本実施形態の反射屈折光学系
では、従来のシュワルツシルド光学系と同様、光学部材
の枚数が２であるので、製造時の組立調整箇所は最小限
度に抑えられる。

【００１８】また、本実施形態の反射屈折光学系におい
ては、１つの光学部材（反射鏡１１）に２つの部分（裏
面鏡部分１１Ａ及び屈折レンズ部分１１Ｂ）を形成する
必要がある。しかし、裏面鏡部分１１Ａの面１１ａと屈
折レンズ部分１１Ｂの面１１ｂ’は連続面なので、面１
１ａに反射膜コーティングを施し、面１１ｂ’に反射防
止膜コーティングを施すという簡単な作業で実現できる
（なお、反射防止膜は形成しなくてよい場合もある）。

【００１９】さらに、本実施形態の反射屈折光学系にお
いては、より良好に収差補正をするために、少なくとも
１つの光学面が非球面形状となっていることが好まし
い。また、非球面形状とすべき面は、凹面（空気側から
見て凹となった面）であることが好ましい。なぜなら、
非球面は、球面と比較するとその形状測定が困難である
が、凹面の非球面は、凸面の非球面と比較するとその形
状測定が容易だからである（これは、面形状測定のため
の干渉計において、凸面の非球面に最適な測定系を構成
するよりも、凹面の非球面に最適な測定系を構成する方
が、容易だからである。）。

【００２０】よって、本実施形態の反射屈折光学系にお
いて非球面形状とするのは、反射鏡１１の凹面（１１
ａ，１１ｂ’）、及び、反射鏡１２の凹面（１２ａ）で
あることが好ましい。なお、図１の反射屈折光学系にお
いては、反射鏡１１が開口絞りの機能を有しているの
で、反射鏡１１の凹面（１１ａ、１１ｂ’）を非球面形
状とすることで、主に球面収差を補正し、反射鏡１２の
凹面（１２ａ）を非球面形状とすることで、主に非点収
差・コマ収差を補正することができる。

【００２１】（第１実施形態の具体例）表２、表３、図
２に、本実施形態の反射屈折光学系の具体例を挙げる。
表２、表３は、本具体例の反射屈折光学系のレンズデー
タである。

【表２】

【表３】 なお、表２中の面番号に添えた括弧内の符号は、図１に
おいて対応する面の符号である。また、表２中、ｆは焦
点距離、Φは入射瞳径である。

【００２２】また、表３には、第２面、第４面、第６面
の非球面データを示した。なお、非球面形状は、非球面
データにより以下の式で表される。因みに、Ｚは光軸方
向に平行な面のサグ量、ｃは面頂点での曲率（曲率半径
の逆数）、ｋは円錐係数、ｈは光軸より垂直方向の高
さ、Ａは４次の非球面係数、Ｂは６次の非球面係数であ
る（このことは、後述する第２実施形態、第３実施形態
における非球面についても同様に当てはまる。）。

【数１】 また、図２は、この反射屈折光学系の波長範囲６００ｎ
ｍ〜７５０ｎｍ、画角２０°、２２°、２４°、２６°
でのスポットダイヤグラムである。 ［第２実施形態］図３、図４、表４、表５に基づいて本
発明の第２実施形態について説明する。

【００２３】図３は、本実施形態の反射屈折光学系の構
成を示す図である。なお、ここでは、図１に示す第１実
施形態の反射屈折光学系との相違点についてのみ説明す
る。本実施形態の反射屈折光学系は、第１実施形態の反
射屈折光学系において、凹の反射面を有する反射鏡２２
が、開口部１２ｃの代わりに屈折レンズ（メニスカスレ
ンズ）である部分（レンズ部分）２２Ａを有したもので
ある。

【００２４】このような反射鏡２２は、凹面を有した屈
折レンズ（メニスカスレンズ）の凹面（空気側から見て
凹となった面）の一部に、反射面２２ｂが形成されたも
のである。その反射面２２ｂの形成部分が反射鏡（反射
鏡部分２２Ｂ）となり、非形成部分が屈折レンズ（レン
ズ部分２２Ａ）となるのである。この反射屈折光学系に
おいて、結像光束は、反射鏡２２のレンズ部分２２Ａを
介して、反射鏡２１へ入射する。

【００２５】すなわち、本実施形態の反射屈折光学系
は、第１実施形態と比較すると、屈折面がさらに２つ増
えている（反射鏡２２のレンズ部分２２Ａの面２２ａ、
２２ａ’である。）。したがって、収差補正の自由度は
さらに増加する。しかも、屈折面が２つ増えても、光学
部材の枚数は第１実施形態の反射屈折光学系と同じく２
枚のままである。

【００２６】また、本実施形態の反射屈折光学系におい
ては、反射鏡２２に２つの部分（反射鏡部分２２Ｂ及び
レンズ部分２２Ａ）を形成する必要があるが、それは、
上記したように、反射鏡部分２２Ｂの面２２ｂに反射膜
コーティングを施し、レンズ部分２２Ａの面２２ａ’に
反射防止膜コーティングを施すという簡単な作業で実現
できる（なお、反射防止膜は形成しなくてよい場合もあ
る）。

【００２７】なお、本実施形態の反射屈折光学系におい
ても、反射鏡２１の凹面（２１ａ，２１ｂ’）、及び反
射鏡２２の凹面（２２ａ’、２２ｂ）を非球面形状とす
ることが好ましい。

【００２８】なお、図３の反射屈折光学系においては、
反射鏡２１が開口絞りの機能を有しているので、反射鏡
２１の凹面（２１ａ、２１ｂ’）を非球面形状とするこ
とで、主に球面収差を補正し、反射鏡２２の凹面（２２
ａ’、２２ｂ）を非球面形状とすることで、主に非点収
差・コマ収差を補正することができる。 （第２実施形態の具体例）表４、表５、図４に、本実施
形態の反射屈折光学系の具体例を挙げる。

【００２９】表４、表５は、本具体例の反射屈折光学系
のレンズデータである。

【表４】

【表５】 なお、表４中の面番号に添えた括弧内の符号は、図３に
おいて対応する面の符号である。また、表４中、ｆは焦
点距離、Φは入射瞳径である。

【００３０】また、表５には、第２面、第４面、第６
面、第８面の非球面データを示した。また、図４は、こ
の反射屈折光学系の波長範囲６００ｎｍ〜７５０ｎｍ、
画角２０°、２２°、２４°、２６°でのスポットダイ
ヤグラムである。 ［第３実施形態］図５、図６、表６、表７に基づいて本
発明の第３実施形態について説明する。

【００３１】図５は、本実施形態の反射屈折光学系の構
成を示す図である。なお、ここでは、図３に示す第２実
施形態の反射屈折光学系との相違点についてのみ説明す
る。本実施形態の反射屈折光学系は、第２実施形態の反
射屈折光学系において、凹の反射面を有する反射鏡３２
の反射鏡部分３２Ｂの代わりに、裏面鏡（裏面鏡部分３
２Ｂ）を有したものである。

【００３２】このような反射鏡３２は、屈折レンズ（メ
ニスカスレンズ）の凸面（空気側から見て凸となった
面）の一部に、反射面３２ｂが形成されたものである。
その反射面３２ｂの形成部分が裏面鏡（裏面鏡部分３２
Ｂ）となり、非形成部分が屈折レンズ（レンズ部分３２
Ａ）となるのである。

【００３３】この反射屈折光学系において、凸の反射面
３１ａを有した反射鏡３１からこの反射鏡３２へと向か
う結像光束は、反射面３２ｂに入射する前後に、面３２
ｂ’を経由する。すなわち、本実施形態の反射屈折光学
系は、第２実施形態と比較すると、屈折面がさらに２つ
増えている。

【００３４】しかも、屈折面が２つ増えても、光学部材
の枚数は第２実施形態の反射屈折光学系と同じく２枚の
ままである。また、本実施形態の反射屈折光学系におい
ても、反射鏡３２に２つの部分（裏面鏡部分３２Ｂ及び
レンズ部分３２Ａ）を形成する必要があるが、それは、
上記したように、裏面鏡部分３２Ｂの面３２ｂに反射膜
コーティングを施し、レンズ部分３２Ａの面３２ａに反
射防止膜コーティングを施すという簡単な作業で実現で
きる（なお、反射防止膜は形成しなくてよい場合もあ
る）。

【００３５】なお、本実施形態の反射屈折光学系におい
ても、反射鏡３１の凹面（３１ａ，３１ｂ’）を非球面
形状とすることが好ましい。また、反射鏡３２の凸面
（空気側から見て凸となった面；符号３２ａ、３２ｂ）
を非球面形状としてもよい。なお、図５の反射屈折光学
系においては、反射鏡３１が開口絞りの機能を有してい
るので、反射鏡３１の凹面（３１ａ、３１ｂ’）を非球
面形状とすることで、主に球面収差を補正し、反射鏡３
２の凸面（３２ａ、３２ｂ）を非球面形状とすること
で、主に非点収差・コマ収差を補正することができる。

【００３６】（第３実施形態の具体例）表６、表７、図
６に、本実施形態の反射屈折光学系の具体例を挙げる。
表６、表７は、本具体例の反射屈折光学系のレンズデー
タである。

【表６】

【表７】 なお、表６中の面番号に添えた括弧内の符号は、図５に
おいて対応する面の符号である。また、表６中、ｆは焦
点距離、Φは入射瞳径である。また、表７には、第１
面、第４面、第７面、第１０面の非球面データを示し
た。また、図６は、この反射屈折光学系の波長範囲６０
０ｎｍ〜７５０ｎｍ、画角２０°、２２°、２４°、２
６°でのスポットダイヤグラムである。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
構成要素の数を抑えながら残存収差を小さくすることの
できる反射屈折光学系が実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、第１実施形態の反射屈折光学系の構成
を示す図である。

【図２】図２は、第１実施形態の反射屈折光学系の具体
例の波長範囲６００ｎｍ〜７５０ｎｍ、画角２０°、２
２°、２４°、２６°でのスポットダイヤグラムであ
る。

【図３】図３は、第２実施形態の反射屈折光学系の構成
を示す図である。

【図４】図４は、第２実施形態の反射屈折光学系の具体
例の波長範囲６００ｎｍ〜７５０ｎｍ、画角２０°、２
２°、２４°、２６°でのスポットダイヤグラムであ
る。

【図５】図５は、第３実施形態の反射屈折光学系の構成
を示す図である。

【図６】図６は、第３実施形態の反射屈折光学系の具体
例の波長範囲６００ｎｍ〜７５０ｎｍ、画角２０°、２
２°、２４°、２６°でのスポットダイヤグラムであ
る。

【図７】図７（ａ）は、従来のシュワルツシルド光学系
の構成を示す図である。図７（ｂ）は、従来のシュワル
ツシルド光学系の具体例の波長範囲６００ｎｍ〜７５０
ｎｍ、画角２０°、２２°、２４°、２６°でのスポッ
トダイヤグラムである。

【符号の説明】

１１，２１，３１ 凸の反射面を有した反射鏡 １２，２２，３２ 凹の反射面を有した反射鏡 １１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ｂ，３１ａ，３２ｂ，７
１ａ，７２ａ 反射面１２ｃ 開口部 １１ａ’１１ｂ，１１ｂ’，２２ａ，２２ａ’，２１
ａ’，２１ｂ，２１ｂ’，３２ａ，３２ａ’，３１
ａ’，３２ｂ’，３１ｂ，３１ｂ’ 面（屈折面） ７１ 凸面鏡 ７２ 凹面鏡

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凸の反射面を有する反射部材と、凹の反
   射面を有する反射部材とを、それら反射面を向かい合わ
   せて配置し、 前記反射部材の少なくとも一方は、 屈折部材の一方の屈折面の一部に裏面反射用の反射面を
   形成してなる反射屈折部材であり、その反射面の形成部
   分及び非形成部分がそれぞれ裏面鏡及び屈折レンズとし
   て結像光束に寄与することを特徴とする反射屈折光学
   系。
2. 【請求項２】 前記結像光束による像の中心が光軸から
   外れた位置に形成される軸外し光学系であることを特徴
   とする請求項１に記載の反射屈折光学系。
3. 【請求項３】 少なくとも１つの光学面は、非球面形状
   となっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載の反射屈折光学系。
4. 【請求項４】 前記光学面は、気体媒質側に凹となった
   光学面であることを特徴とする請求項３に記載の反射屈
   折光学系。