JP2006113248A - 偏心反射光学系およびそれを用いた光学システム - Google Patents
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Abstract
【課題】 偏心反射光学系およびそれを用いた光学システムにおいて、略平行光を入力光とする実質的なアフォーカル光学系を含み、光路内に射出瞳を形成し、例えば射出瞳の瞳位置、瞳径、像側ＮＡや角倍率などを可変して入力光を像面に導くことにより、高効率で受光面に結合することができるようにする。
【解決手段】 略平行光の入力光２０を、正のパワーを有する反射ミラー１、負のパワーを有する反射ミラー２で収束させて中間像１２を形成してから正のパワーを有する反射ミラー３で略平行光を形成し、ガルバノミラー４で略平行光を集光レンズ５の光軸に沿って入射させ像面６に結像する偏心反射光学系５０を構成する。そして、反射ミラー１に対して、反射ミラー２を平行移動して、中間像１２の位置を可変し、それに応じて反射ミラー３を移動して反射ミラー１、２、３で構成されるアフォーカル光学系の角倍率を可変する。
【選択図】 図１
【解決手段】 略平行光の入力光２０を、正のパワーを有する反射ミラー１、負のパワーを有する反射ミラー２で収束させて中間像１２を形成してから正のパワーを有する反射ミラー３で略平行光を形成し、ガルバノミラー４で略平行光を集光レンズ５の光軸に沿って入射させ像面６に結像する偏心反射光学系５０を構成する。そして、反射ミラー１に対して、反射ミラー２を平行移動して、中間像１２の位置を可変し、それに応じて反射ミラー３を移動して反射ミラー１、２、３で構成されるアフォーカル光学系の角倍率を可変する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、偏心反射光学系およびそれを用いた光学システムに関し、例えば、望遠鏡、光通信、光情報記録等で焦点面にフォーカスを行う際に用いられる偏心反射光学系およびそれを用いた光学システムに関するものである。
小型の表示装置や撮像装置、天文学分野、空間の光通信分野等においては、反射光学系は屈折光学系に比べて優れた特性を有することが知られている。長所としては、色収差の発生がなく、反射分光特性が許容できる反射素材、反射膜であれば、非常に広い帯域をカバーすることができることが挙げられる。また、反射によって光路を折り畳むために光学系全体がコンパクトになり、同じ曲率であればパワーが屈折面の４倍になるため、曲率を小さくでき、収差の発生も抑えることが可能である。
例えば天文学分野等では、主鏡と副鏡の組み合わせを用いたカセグレン型、グレゴリアン型等の反射光学系が有名であるが、これらのミラーは共軸上に配置されているため、副鏡部分が遮蔽されてしまい、エネルギーのロスが避けられない。そこで、これらの反射面を互いに偏心または傾けて組み合わせたタイプの偏心反射光学系が考案されている。
このような偏心反射光学系は、複数の反射面が偏心または傾いて配置されるため、共軸光学系に比べて配置が複雑になっている。そのため、各反射面を精度よく設けられた基準面に突き当てて固定したものが知られている。
例えば、特許文献１には、プリズムの外周面に反射面を設けて複数の偏心反射面を一体化することで、互いの配置が固定された光学素子が記載されている。そして、この光学素子に基準面を設けて保持部材に対し位置決めすることが記載されている。
またこの光学素子をビデオカメラやスチールビデオカメラ、および複写機等に好適に用いることができることが記載されている。
特開平１０−６２６９０号公報（第６−１０頁、図１−３）
例えば天文学分野等では、主鏡と副鏡の組み合わせを用いたカセグレン型、グレゴリアン型等の反射光学系が有名であるが、これらのミラーは共軸上に配置されているため、副鏡部分が遮蔽されてしまい、エネルギーのロスが避けられない。そこで、これらの反射面を互いに偏心または傾けて組み合わせたタイプの偏心反射光学系が考案されている。
このような偏心反射光学系は、複数の反射面が偏心または傾いて配置されるため、共軸光学系に比べて配置が複雑になっている。そのため、各反射面を精度よく設けられた基準面に突き当てて固定したものが知られている。
例えば、特許文献１には、プリズムの外周面に反射面を設けて複数の偏心反射面を一体化することで、互いの配置が固定された光学素子が記載されている。そして、この光学素子に基準面を設けて保持部材に対し位置決めすることが記載されている。
またこの光学素子をビデオカメラやスチールビデオカメラ、および複写機等に好適に用いることができることが記載されている。
しかしながら、上記のような従来の偏心反射光学系およびそれを用いた光学システムには以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、偏心反射面をプリズムに一体化するので、製造時の配置精度を保持することができるものの、製造時の配置誤差もそのまま保持され、光学系の性能がすべて製造時に決まってしまうという問題がある。すなわち、そのような光学素子を他の装置や光学システムに取り付ける場合、相手の装置や光学システムの必要に応じて光学系の性能を可変することができないという問題がある。
例えば、空間光通信装置では良好な通信を行うために、光アンテナで受光される受光光を受光器や受光側の光ファイバに向けて正確に導き、高効率で結合する必要がある。
また、アフォーカル光学系を用いて光路中に射出瞳を形成する場合には、瞳位置、瞳径、像側ＮＡや角倍率などを、受光光を結合する光ファイバ径や追尾機構など装置の構成に応じて適宜可変できることが好ましい。
特許文献１に記載の光学素子では、製造誤差による結像性能の劣化を補正したり、取り付ける装置の構成に応じて瞳位置、瞳径、像側ＮＡや角倍率などを可変したりできないという問題がある。
特許文献１に記載の技術では、偏心反射面をプリズムに一体化するので、製造時の配置精度を保持することができるものの、製造時の配置誤差もそのまま保持され、光学系の性能がすべて製造時に決まってしまうという問題がある。すなわち、そのような光学素子を他の装置や光学システムに取り付ける場合、相手の装置や光学システムの必要に応じて光学系の性能を可変することができないという問題がある。
例えば、空間光通信装置では良好な通信を行うために、光アンテナで受光される受光光を受光器や受光側の光ファイバに向けて正確に導き、高効率で結合する必要がある。
また、アフォーカル光学系を用いて光路中に射出瞳を形成する場合には、瞳位置、瞳径、像側ＮＡや角倍率などを、受光光を結合する光ファイバ径や追尾機構など装置の構成に応じて適宜可変できることが好ましい。
特許文献１に記載の光学素子では、製造誤差による結像性能の劣化を補正したり、取り付ける装置の構成に応じて瞳位置、瞳径、像側ＮＡや角倍率などを可変したりできないという問題がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、略平行光を入力光とする実質的なアフォーカル光学系を含み、光路内に射出瞳を形成し、例えば射出瞳の瞳位置、瞳径、像側ＮＡや角倍率などを可変して入力光を像面に導くことにより、高効率で受光面に結合することができる偏心反射光学系およびそれを用いた光学システムを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の偏心反射光学系は、略平行光を入力光として中間像を形成する実質的なアフォーカル光学系を有する偏心反射光学系であって、偏心または傾いて配置された、パワーを有する複数の反射面を有し、該複数の反射面の少なくとも１つに、該反射面の偏心量および傾き量の少なくともいずれかを可変する移動機構を備えた構成とする。
このような構成によれば、移動機構により反射面の偏心量および傾き量の少なくともいずれかを可変することにより、反射面の配置誤差を修正して偏心収差を良好なものとしたり、反射面の位置、姿勢に依存する光学特性、例えば、射出瞳の瞳位置、瞳径やアフォーカル光学系の角倍率などを可変したりして、入力光を像面に導くことができる。
このような構成によれば、移動機構により反射面の偏心量および傾き量の少なくともいずれかを可変することにより、反射面の配置誤差を修正して偏心収差を良好なものとしたり、反射面の位置、姿勢に依存する光学特性、例えば、射出瞳の瞳位置、瞳径やアフォーカル光学系の角倍率などを可変したりして、入力光を像面に導くことができる。
また、本発明の偏心反射光学系では、前記アフォーカル光学系が、前記入力光の軸上主光線に対して偏心または傾いて配置された、正のパワーを有する第１反射素子と、該第１反射素子により反射された前記軸上主光線に対して偏心または傾いて配置された、負のパワーを有する第２反射素子とを備えた構成とされることが好ましい。
この場合、第１反射素子、第２反射素子により光路を折り畳んでコンパクトなアフォーカル光学系を形成することができる。
この場合、第１反射素子、第２反射素子により光路を折り畳んでコンパクトなアフォーカル光学系を形成することができる。
また、本発明の偏心反射光学系のうち、前記第１反射素子と前記第２反射素子とを備える構成では、前記アフォーカル光学系が、前記第２反射素子の像側に正のパワーを有する光学素子を備え、前記中間像が前記第２反射素子と前記光学素子との間に形成され、前記光学素子により射出瞳が形成される構成とされ、前記移動機構が、前記第１反射素子、前記第２反射素子および前記光学素子のうち少なくとも２つを、それぞれの所定方向に向けて平行移動するように構成されることが好ましい。
この場合、アフォーカル光学系からの出射光を光学素子により像面に集光する光学系とすることができる。そして、第１反射素子、第２反射素子および光学素子のうち少なくとも２つをそれぞれの所定方向に向けて平行移動するという簡単な移動機構を備えることで、射出瞳の瞳径およびアフォーカル光学系の角倍率を容易かつ高精度に可変することができる。
この場合、アフォーカル光学系からの出射光を光学素子により像面に集光する光学系とすることができる。そして、第１反射素子、第２反射素子および光学素子のうち少なくとも２つをそれぞれの所定方向に向けて平行移動するという簡単な移動機構を備えることで、射出瞳の瞳径およびアフォーカル光学系の角倍率を容易かつ高精度に可変することができる。
また、本発明の偏心反射光学系のうち、前記第１反射素子、前記第２反射素子および前記光学素子のうち少なくとも２つを、それぞれの所定方向に向けて平行移動する移動機構を備える構成では、前記移動機構が、前記第２反射素子と前記光学素子とを、その間の光路の軸上主光線に沿って相対的に平行移動可能に保持する第１移動ユニットと、該第１移動ユニットまたは前記第１反射素子を相対的に平行移動可能に保持する第２移動ユニットとからなる構成とすることが好ましい。
この場合、第２移動ユニットを平行移動することにより、第１反射素子と、第１移動ユニットに含まれる第２反射素子との素子間隔を変更することで、中間像の形成位置を可変できる。そして、第１移動ユニットにより、第２反射素子に対して光学素子を軸上主光線に沿って平行移動することにより、光学素子の焦点位置を中間像の移動位置に合致させる。それにより、射出瞳の瞳径およびアフォーカル光学系の角倍率を容易かつ高精度に可変することができる。
この場合、第２移動ユニットを平行移動することにより、第１反射素子と、第１移動ユニットに含まれる第２反射素子との素子間隔を変更することで、中間像の形成位置を可変できる。そして、第１移動ユニットにより、第２反射素子に対して光学素子を軸上主光線に沿って平行移動することにより、光学素子の焦点位置を中間像の移動位置に合致させる。それにより、射出瞳の瞳径およびアフォーカル光学系の角倍率を容易かつ高精度に可変することができる。
また、本発明の偏心反射光学系では、前記移動機構により、前記アフォーカル光学系の射出瞳の瞳径および角倍率を可変できるようにした構成とすることが好ましい。
この場合、射出瞳の瞳径を可変できるため、射出瞳位置に、例えば光偏向手段や集光手段などを配置する場合に、ケラレなどが起こらないようにすることができる。また、角倍率を可変できるため、像側のＮＡを変えることができ、例えば光ファイバなどの受光面に入力光を結合する際、集光手段のＮＡを変えることなく高効率に結合することができる。
この場合、射出瞳の瞳径を可変できるため、射出瞳位置に、例えば光偏向手段や集光手段などを配置する場合に、ケラレなどが起こらないようにすることができる。また、角倍率を可変できるため、像側のＮＡを変えることができ、例えば光ファイバなどの受光面に入力光を結合する際、集光手段のＮＡを変えることなく高効率に結合することができる。
また、本発明の偏心反射光学系では、前記アフォーカル光学系の射出瞳の近傍に回動可能な反射面が設けられている構成とすることが好ましい。
この場合、射出瞳の近傍を通る光を回動可能な反射面により偏向することができ、光の出射方向を変えたり、像面の位置を変えたりすることができる。そのため、例えば入力光に画角変動がある場合などであっても、画角変化を打ち消す方向に偏向方向を可変することで、像面における像高を一定に保つことができる。
この場合、射出瞳の近傍を通る光を回動可能な反射面により偏向することができ、光の出射方向を変えたり、像面の位置を変えたりすることができる。そのため、例えば入力光に画角変動がある場合などであっても、画角変化を打ち消す方向に偏向方向を可変することで、像面における像高を一定に保つことができる。
本発明の光学システムでは、少なくとも外部からの略平行光を入力光として受光する受光装置を含む光学システムであって、前記受光装置が本発明の偏心反射光学系を備える構成とする。
このような構成によれば、本発明の偏心反射光学系を受光装置に備えるようにしたので、本発明の偏心反射光学系と同様の作用効果を有する光学システムとなる。このような光学システムとしては、例えば、追尾機能を有する空間光通信の受光装置または送光装置を兼ねた受光装置、望遠鏡、焦点面にフォーカスを行う観察システムなどを挙げることができる。
このような構成によれば、本発明の偏心反射光学系を受光装置に備えるようにしたので、本発明の偏心反射光学系と同様の作用効果を有する光学システムとなる。このような光学システムとしては、例えば、追尾機能を有する空間光通信の受光装置または送光装置を兼ねた受光装置、望遠鏡、焦点面にフォーカスを行う観察システムなどを挙げることができる。
本発明の偏心反射光学系およびそれを用いた光学システムによれば、反射面の配置誤差を補正して結像性能の劣化を防止したり、反射面の位置、姿勢に依存する光学特性、例えば、射出瞳の瞳位置、瞳径やアフォーカル光学系の角倍率などを可変したりして、入力光を像面に導くことができるので、光学性能の劣化が少なく、高効率で受光面に結合することができるという効果を奏する。
以下では、本発明の実施の形態の詳細について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る偏心反射光学系について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る偏心反射光学系について説明するための軸上主光線を含む断面の構成および光路を説明する模式光路図である。図１（ｂ）は、同じく本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の移動機構を動作させたときの光路の一例について説明するため模式光路図である。なお、図１（ａ）、（ｂ）は、模式図のため、光を通すために必要な開口や部材の取付部などの図示は省略している。
本発明の第１の実施形態に係る偏心反射光学系について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る偏心反射光学系について説明するための軸上主光線を含む断面の構成および光路を説明する模式光路図である。図１（ｂ）は、同じく本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の移動機構を動作させたときの光路の一例について説明するため模式光路図である。なお、図１（ａ）、（ｂ）は、模式図のため、光を通すために必要な開口や部材の取付部などの図示は省略している。
本実施形態の偏心反射光学系５０は、図１に示すように、反射ミラー１（第１反射素子）、反射ミラー２（第２反射素子）、反射ミラー３（光学素子）、ガルバノミラー４（回動可能な反射面）、集光レンズ５からなり、入射瞳となる開口絞り１０により光束径が規制された略平行光である入力光２０を像面６上に結像する結像光学系を形成している。
以下、説明の便宜上、後述する数値実施例に採用するＸＹＺ直角座標系を参照して方向を表す場合がある。このＸＹＺ直角座標系は、開口絞り１０の中心を原点Ｏとして、原点Ｏを通り、開口絞り１０に直交する軸上主光線２０ａが進む方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするものである。
以下、説明の便宜上、後述する数値実施例に採用するＸＹＺ直角座標系を参照して方向を表す場合がある。このＸＹＺ直角座標系は、開口絞り１０の中心を原点Ｏとして、原点Ｏを通り、開口絞り１０に直交する軸上主光線２０ａが進む方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とするものである。
反射ミラー１は、軸上主光線２０ａに対して偏心または傾いて配置された反射面１ａを有する反射光学素子であり、開口絞り１０とともに第１反射素子保持部１１に固定されている。
反射面１ａは、正のパワーを有しており、入力光２０を入射方向に対して斜め方向に反射し、収束光とする反射面となっている。反射面１ａの面形状は、偏心収差を低減するために適宜の自由曲面で構成される。例えば、傾斜方向に非対称とされた回転非対称面などが好適に採用できる。
反射面１ａは、正のパワーを有しており、入力光２０を入射方向に対して斜め方向に反射し、収束光とする反射面となっている。反射面１ａの面形状は、偏心収差を低減するために適宜の自由曲面で構成される。例えば、傾斜方向に非対称とされた回転非対称面などが好適に採用できる。
反射ミラー２は、反射ミラー１で反射された軸上主光線２０ａに対して偏心または傾いて配置された反射面２ａを有する反射光学素子であり、第２反射素子保持部８に固定されている。
反射面２ａは、負のパワーを有しており、反射ミラー１で反射された光を略Ｚ軸方向に反射して光路を折り畳む反射面となっている。そして、反射面２ａで反射された光は、中間像１２として結像される。
偏心反射光学系では、偏心または傾いて配置されたパワーを有する反射面により、偏心収差として、例えば非点収差、コマ収差などが発生し、偏心収差独特の弓形や台形のディストーション（像歪み）が生じる。本実施形態では、反射面２ａに負のパワーを持たせることにより、これらの収差を補正することが可能となり、結像性能の良好な中間像１２を形成できるようになっている。
反射面２ａの面形状は、収差補正を良好に行うために、適宜の自由曲面で構成される。例えば、偏心収差を良好に補正するためには、傾斜方向に非対称とされた回転非対称面などが好適に採用できる。
反射面２ａは、負のパワーを有しており、反射ミラー１で反射された光を略Ｚ軸方向に反射して光路を折り畳む反射面となっている。そして、反射面２ａで反射された光は、中間像１２として結像される。
偏心反射光学系では、偏心または傾いて配置されたパワーを有する反射面により、偏心収差として、例えば非点収差、コマ収差などが発生し、偏心収差独特の弓形や台形のディストーション（像歪み）が生じる。本実施形態では、反射面２ａに負のパワーを持たせることにより、これらの収差を補正することが可能となり、結像性能の良好な中間像１２を形成できるようになっている。
反射面２ａの面形状は、収差補正を良好に行うために、適宜の自由曲面で構成される。例えば、偏心収差を良好に補正するためには、傾斜方向に非対称とされた回転非対称面などが好適に採用できる。
反射ミラー３は、正のパワーを有し、反射ミラー２で反射された軸上主光線２０ａに対して偏心または傾いて配置される。そして、中間像１２を形成してから発散する光を斜め方向に反射するとともに、略平行光に収束し、射出瞳１３を形成する光学素子である。
このような反射ミラー１、２、３は、入力光２０を縮径された略平行光にする実質的なアフォーカル光学系を形成している。
このような反射ミラー１、２、３は、入力光２０を縮径された略平行光にする実質的なアフォーカル光学系を形成している。
射出瞳１３の近傍には、反射ミラー３で反射された光の軸上主光線２０ａを所定方向に向けるためのガルバノミラー４が設けられている。
ガルバノミラー４は、平面である反射面４ａを不図示の回動制御部により回動させ、反射ミラー３により反射された光を集光レンズ５の光軸に沿って入射できるようにした光偏向素子である。
集光レンズ５は、ガルバノミラー４で反射された略平行光を像面６に結像するための正のパワーを有する光学素子である。
反射ミラー３、集光レンズ５の位置と、ガルバノミラー４の回動中心位置は、集光光学系保持部９に対して固定されている。
ガルバノミラー４は、平面である反射面４ａを不図示の回動制御部により回動させ、反射ミラー３により反射された光を集光レンズ５の光軸に沿って入射できるようにした光偏向素子である。
集光レンズ５は、ガルバノミラー４で反射された略平行光を像面６に結像するための正のパワーを有する光学素子である。
反射ミラー３、集光レンズ５の位置と、ガルバノミラー４の回動中心位置は、集光光学系保持部９に対して固定されている。
第２反射素子保持部８と集光光学系保持部９とは、１軸方向に移動して、相対的な距離を可変できるように、第１移動ユニット７に設置されている。
本実施形態では、第２反射素子保持部８の位置が第１移動ユニット７に固定され、集光光学系保持部９が第１移動ユニット７に設けられた、例えば不図示の直動ステージなどの移動機構に保持されてＺ軸方向（図示左右方向）に移動できるように構成されている。
第１移動ユニット７は、第２移動ユニット１４を介して第１反射素子保持部１１と結合されている。
第２移動ユニット１４は、第１反射素子保持部１１に固定されたベース１４ｃ上に図示Ｙ軸方向に移動可能とされたスライダ１４ｂが設けられ、スライダ１４ｂ上に、図示Ｚ軸方向に移動可能とされたスライダ１４ａが設けられた構成とされる。そして、スライダ１４ｂ、１４ｃを適宜距離移動させることで、ＹＺ平面内で、第１反射素子保持部１１に対して第１移動ユニット７を平行移動することができるようになっている。そしてそれぞれの間の相対距離を可変することができるようになっている。
第２移動ユニット１４、集光光学系保持部９の移動は、手動で行うようにしてもよいし、適宜のアクチュエータ、モータなどにより自動で行うようにしてもよい。
本実施形態では、第２反射素子保持部８の位置が第１移動ユニット７に固定され、集光光学系保持部９が第１移動ユニット７に設けられた、例えば不図示の直動ステージなどの移動機構に保持されてＺ軸方向（図示左右方向）に移動できるように構成されている。
第１移動ユニット７は、第２移動ユニット１４を介して第１反射素子保持部１１と結合されている。
第２移動ユニット１４は、第１反射素子保持部１１に固定されたベース１４ｃ上に図示Ｙ軸方向に移動可能とされたスライダ１４ｂが設けられ、スライダ１４ｂ上に、図示Ｚ軸方向に移動可能とされたスライダ１４ａが設けられた構成とされる。そして、スライダ１４ｂ、１４ｃを適宜距離移動させることで、ＹＺ平面内で、第１反射素子保持部１１に対して第１移動ユニット７を平行移動することができるようになっている。そしてそれぞれの間の相対距離を可変することができるようになっている。
第２移動ユニット１４、集光光学系保持部９の移動は、手動で行うようにしてもよいし、適宜のアクチュエータ、モータなどにより自動で行うようにしてもよい。
次に、本実施形態の偏心反射光学系５０の作用について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る偏心反射光学系の変倍時の軸上主光線を含む断面の光路図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、後述する第１数値実施例のアフォーカル光学系の角倍率をそれぞれ、９．３、８．５、７．５に可変した場合に対応する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る偏心反射光学系の変倍時の軸上主光線を含む断面の光路図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、後述する第１数値実施例のアフォーカル光学系の角倍率をそれぞれ、９．３、８．５、７．５に可変した場合に対応する。
偏心反射光学系５０は、反射ミラー１で反射された軸上主光線２０ａに沿って反射ミラー２を平行移動することにより、それらの合成焦点距離を変え、反射ミラー２で反射された軸上主光線２０ａ上で中間像１２の位置を移動することができる。
そして、中間像１２との相対距離を変えないように、反射ミラー２で反射された軸上主光線２０ａ上で反射ミラー３を移動する。それにより中間像１２を形成した後の発散光を反射ミラー３により収束して略平行光にすることができる。また、この略平行光により射出瞳１３が形成される。
このとき、中間像１２を形成する反射ミラー１、２の合成焦点距離が可変されているので、アフォーカル光学系の角倍率が可変される。
例えば、図２（ａ）の状態から、反射面２ａを反射ミラー１で反射された軸上主光線２０ａに沿って図示矢印方向（Ｙ軸負方向かつＺ軸負方向）に移動するものとする。
このとき、図２（ｂ）に示すように、反射ミラー１からより離れた位置で反射ミラー２の負のパワーが作用するので、反射ミラー１、２による合成焦点距離は小さくなる。このため、中間像１２は、図示Ｚ軸負方向に移動してより反射ミラー２に近づいた位置に、より像高の小さな像として形成される。そのため、中間像１２から発散する光の発散角が増大し、所定距離だけ離れた反射面３ａ上での光束径が大きくなり、反射面３ａにより形成される略平行光の光束径が大きくなる。したがって角倍率が低下し射出瞳径が大きくなるものである。
また、図２（ｃ）に示すように、さらに反射ミラー２を移動すると、その傾向が顕著となる。
そして、中間像１２との相対距離を変えないように、反射ミラー２で反射された軸上主光線２０ａ上で反射ミラー３を移動する。それにより中間像１２を形成した後の発散光を反射ミラー３により収束して略平行光にすることができる。また、この略平行光により射出瞳１３が形成される。
このとき、中間像１２を形成する反射ミラー１、２の合成焦点距離が可変されているので、アフォーカル光学系の角倍率が可変される。
例えば、図２（ａ）の状態から、反射面２ａを反射ミラー１で反射された軸上主光線２０ａに沿って図示矢印方向（Ｙ軸負方向かつＺ軸負方向）に移動するものとする。
このとき、図２（ｂ）に示すように、反射ミラー１からより離れた位置で反射ミラー２の負のパワーが作用するので、反射ミラー１、２による合成焦点距離は小さくなる。このため、中間像１２は、図示Ｚ軸負方向に移動してより反射ミラー２に近づいた位置に、より像高の小さな像として形成される。そのため、中間像１２から発散する光の発散角が増大し、所定距離だけ離れた反射面３ａ上での光束径が大きくなり、反射面３ａにより形成される略平行光の光束径が大きくなる。したがって角倍率が低下し射出瞳径が大きくなるものである。
また、図２（ｃ）に示すように、さらに反射ミラー２を移動すると、その傾向が顕著となる。
像側ＮＡをＮＡＩＭとすると、集光レンズ５により構成される結像光学系の焦点距離ｆとアフォーカル光学系で形成された射出瞳径ｄとの間には、以下の関係がある。
ＮＡＩＭ≒（ｄ／２）／ｆ ・・・（１）
ここで、焦点距離ｆは固定のため、アフォーカル光学系の射出瞳径を可変とすることで、像側ＮＡを変更することが可能となる。
例えば、像面に光ファイバを設置した場合、光ファイバは固有のＮＡを持っているが、像側ＮＡをこの光ファイバのＮＡより小さくすることにより光ファイバのＮＡによる光量損失をなくすことができ、結合効率を向上することができる。したがって、設置する光ファイバに応じて最適な像側ＮＡになるように、アフォーカル光学系の射出瞳径を設定することで、様々な光ファイバに対して結合効率の高い光学系を設定することが可能となる。
例えば、後述する第１数値実施例のような構成とすれば、射出瞳での角倍率が９．３〜７．５の範囲で可変することにより、像側ＮＡを０．１３５〜０．１６８（集光レンズ５の焦点距離が１２ｍｍの場合）に可変できる偏心反射光学系が実現できる。
ＮＡＩＭ≒（ｄ／２）／ｆ ・・・（１）
ここで、焦点距離ｆは固定のため、アフォーカル光学系の射出瞳径を可変とすることで、像側ＮＡを変更することが可能となる。
例えば、像面に光ファイバを設置した場合、光ファイバは固有のＮＡを持っているが、像側ＮＡをこの光ファイバのＮＡより小さくすることにより光ファイバのＮＡによる光量損失をなくすことができ、結合効率を向上することができる。したがって、設置する光ファイバに応じて最適な像側ＮＡになるように、アフォーカル光学系の射出瞳径を設定することで、様々な光ファイバに対して結合効率の高い光学系を設定することが可能となる。
例えば、後述する第１数値実施例のような構成とすれば、射出瞳での角倍率が９．３〜７．５の範囲で可変することにより、像側ＮＡを０．１３５〜０．１６８（集光レンズ５の焦点距離が１２ｍｍの場合）に可変できる偏心反射光学系が実現できる。
像側ＮＡを変更するには、集光レンズ２５の焦点距離を変えてもよいことは言うまでもない。ただし、集光レンズ２５の焦点距離を変える場合、レンズ交換で対応すると像面６へのアライメントが必要になり、ズーム光学系を採用すると、レンズ枚数が増えてそれだけ光量が低下するものである。アフォーカル光学系だけで変更する場合には、このような問題は全く発生しないという利点がある。
なお、アフォーカル光学系の角倍率変更と、集光レンズ２５の焦点距離の変更とを併用すれば、像側ＮＡの可変範囲をより容易に広げることができるという利点がある。
なお、アフォーカル光学系の角倍率変更と、集光レンズ２５の焦点距離の変更とを併用すれば、像側ＮＡの可変範囲をより容易に広げることができるという利点がある。
反射ミラー２の移動は、第２移動ユニット１４を用いて第１移動ユニット７を移動することにより行う。また、反射ミラー３の移動は第１移動ユニット７内で集光光学系保持部９を移動することにより行う。したがって、反射ミラー３、ガルバノミラー４、集光レンズ５は互いの相対的な位置関係を保った状態で移動される。
そのため、集光光学系保持部９を移動しても像面６上に入力光２０の像が形成された状態とされる。入力光２０の入射画角が変わる場合には、ガルバノミラー４を回動させることにより、反射ミラー３からの反射光を集光レンズ５の光軸に沿う方向に反射して、像面６上の一定位置に像を形成することができる。
そのため、集光光学系保持部９を移動しても像面６上に入力光２０の像が形成された状態とされる。入力光２０の入射画角が変わる場合には、ガルバノミラー４を回動させることにより、反射ミラー３からの反射光を集光レンズ５の光軸に沿う方向に反射して、像面６上の一定位置に像を形成することができる。
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る偏心反射光学系について説明するための軸上主光線を含む断面の構成および光路を説明する模式光路図である。図３（ｂ）は、同じく本発明の第１の実施形態の変形例に係る偏心光学系の移動機構を動作させたときの光路の一例について説明するため模式光路図である。なお、図３（ａ）、（ｂ）は、模式図のため、光を通すために必要な開口や部材の取付部などの図示を省略している。
図３（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る偏心反射光学系について説明するための軸上主光線を含む断面の構成および光路を説明する模式光路図である。図３（ｂ）は、同じく本発明の第１の実施形態の変形例に係る偏心光学系の移動機構を動作させたときの光路の一例について説明するため模式光路図である。なお、図３（ａ）、（ｂ）は、模式図のため、光を通すために必要な開口や部材の取付部などの図示を省略している。
本変形例の偏心反射光学系５１は、上記実施形態の光学素子としてレンズを用いたものであり、本実施形態の偏心反射光学系５０の反射ミラー１、反射ミラー２、反射ミラー３、集光レンズ５に代えて、反射ミラー２１（第１反射素子）、反射ミラー２２（第２反射素子）、集光レンズ２３（光学素子）を備える。
反射ミラー２１、反射ミラー２２は、反射ミラー１、反射ミラー２と略同様に配置され、それぞれ正、負のパワーを有する自由曲面からなる反射面２１ａ、２２ａが形成されている。反射面２１ａ、２２ａの面形状は、全光学系の収差を最適化するための形状に設定されている。そして、これら反射ミラーにより、反射ミラー２２と集光レンズ２３との間の光路上に中間像１２が形成されるようになっている。
集光レンズ２３は、正のパワーを有する両凸レンズであり、凸面２３ａ、２３ｂはそれぞれ非球面から構成されている。そして、反射ミラー２２により反射された軸上主光線２０ａと光軸が一致するように集光光学系保持部９に配置される。そのため、集光光学系保持部９の位置を第１移動ユニット７内で移動することで、集光レンズ２３の焦点位置を中間像１２に一致させることができる。それにより、中間像１２を形成した後の発散光を略平行光とすることができるようになっている。すなわち、反射ミラー２１、２２、集光レンズ２３は実質的なアフォーカル光学系を構成している。
反射ミラー２１、反射ミラー２２は、反射ミラー１、反射ミラー２と略同様に配置され、それぞれ正、負のパワーを有する自由曲面からなる反射面２１ａ、２２ａが形成されている。反射面２１ａ、２２ａの面形状は、全光学系の収差を最適化するための形状に設定されている。そして、これら反射ミラーにより、反射ミラー２２と集光レンズ２３との間の光路上に中間像１２が形成されるようになっている。
集光レンズ２３は、正のパワーを有する両凸レンズであり、凸面２３ａ、２３ｂはそれぞれ非球面から構成されている。そして、反射ミラー２２により反射された軸上主光線２０ａと光軸が一致するように集光光学系保持部９に配置される。そのため、集光光学系保持部９の位置を第１移動ユニット７内で移動することで、集光レンズ２３の焦点位置を中間像１２に一致させることができる。それにより、中間像１２を形成した後の発散光を略平行光とすることができるようになっている。すなわち、反射ミラー２１、２２、集光レンズ２３は実質的なアフォーカル光学系を構成している。
集光レンズ２３により略平行とされた光は、集光レンズ２３の略後側焦点位置に射出瞳１３を形成する。そして、射出瞳１３の近傍に配置されたガルバノミラー４により集光レンズ２５の光軸に沿う方向に光路を折り曲げられる。本変形例では、集光レンズ２５の光軸は、略Ｙ軸方向に沿う方向に配置されている。
集光レンズ２５は、ガルバノミラー４で反射された略平行光を集光して像面６に導くものである。
集光レンズ２５は、ガルバノミラー４で反射された略平行光を集光して像面６に導くものである。
本変形例によれば、反射ミラー３に代えて集光レンズ２３を用いるので、集光光学系保持部９内の光路が上記実施形態とは異なるものの、上記実施形態と同様の作用効果を備える。
図４は、本変形例の偏心反射光学系の変倍時の軸上主光線を含む断面の光路図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、後述する第２数値実施例のアフォーカル光学系の角倍率をそれぞれ、９．９、７．７、６．８に可変した場合に対応する。
例えば、後述する第２数値実施例のような構成とすれば、射出瞳での角倍率が９．９〜６．８の範囲で可変することにより、像側ＮＡを０．０６４〜０．０８６（集光レンズ２５の焦点距離が２０ｍｍの場合）に可変できる偏心反射光学系が実現できる。
図４は、本変形例の偏心反射光学系の変倍時の軸上主光線を含む断面の光路図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、後述する第２数値実施例のアフォーカル光学系の角倍率をそれぞれ、９．９、７．７、６．８に可変した場合に対応する。
例えば、後述する第２数値実施例のような構成とすれば、射出瞳での角倍率が９．９〜６．８の範囲で可変することにより、像側ＮＡを０．０６４〜０．０８６（集光レンズ２５の焦点距離が２０ｍｍの場合）に可変できる偏心反射光学系が実現できる。
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る偏心反射光学系について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る偏心反射光学系について説明するための軸上主光線を含む断面の構成および光路を説明する模式光路図である。なお、図中のＸＹＺ直角座標系は、第１の実施形態の場合と同様に定義される座標系である。
本発明の第２の実施形態に係る偏心反射光学系について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る偏心反射光学系について説明するための軸上主光線を含む断面の構成および光路を説明する模式光路図である。なお、図中のＸＹＺ直角座標系は、第１の実施形態の場合と同様に定義される座標系である。
本実施形態の偏心反射光学系５２は、図５に示すように、第１の実施形態の偏心反射光学系５０の反射ミラー１、２、３、集光レンズ５に代えて、反射ミラー６０（第１反射素子）、反射ミラー６１（第２反射素子）、反射ミラー６２（光学素子）、集光レンズ６４を備え、入射瞳となる開口絞り１０により光束径が規制された略平行光である入力光２０を像面６上に結像するように構成されている。反射ミラー６０、６１、６２は、実質的なアフォーカル光学系を構成している。
反射ミラー６０、６１、６２、集光レンズ６４は、第１の実施形態と同様の構成を有するので、説明は省略する。そして、第１の実施形態とは、反射ミラー６０、６１、６２のそれぞれに移動機構７０が設けられている点が異なっている。なお、符号３２は、ガルバノミラー４を回動させるための回動制御部である。
反射ミラー６０、６１、６２、集光レンズ６４は、第１の実施形態と同様の構成を有するので、説明は省略する。そして、第１の実施形態とは、反射ミラー６０、６１、６２のそれぞれに移動機構７０が設けられている点が異なっている。なお、符号３２は、ガルバノミラー４を回動させるための回動制御部である。
移動機構７０は、反射ミラー６０、６１、６２を、それぞれ独立に平行移動および回動移動の少なくともいずれかを可能とすることで、それぞれの配置位置および姿勢を可変するための機構である。そして、必要に応じて適宜の方向への平行移動、回動移動ができるようになっている。例えば、それぞれＹ軸およびＺ軸方向への平行移動と、Ｘ軸中心の回動移動とが可能となっている。
このような移動機構７０は、例えば種々のステージ機構を組み合わせることで、適宜構成することができる。以下、そのような構成例について簡単に説明する。
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ−１）は、このような移動機構７０を構成するための移動機構の例について説明するための正面説明図である。図６（ｄ−２）は、図６（ｄ−２）の側面説明図である。
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ−１）は、このような移動機構７０を構成するための移動機構の例について説明するための正面説明図である。図６（ｄ−２）は、図６（ｄ−２）の側面説明図である。
２軸ステージ６６（図６（ａ）参照）は、送り機構６６ａ、６６ｂにより反射面６５を直交する２軸方向に移動するための機構である。送り機構６６ａ、６６ｂとしては、メカニカルステージやアクチュエータなどを採用することができる。
傾斜ステージ６７（図６（ｂ）参照）は、送り機構６６ａにより、ベース６７ｃに対するステージ６７ｂの傾斜角度を可変することで、ステージ６７ｂに設けられた反射面６５を紙面に直交する軸を中心として回動できるようにしたものである。
１軸移動傾斜ステージ６８（図６（ｃ）参照）は、図示上下方向に移動可能な１軸送り機構６８ｂ上に傾斜機構６８ａが設けられ、傾斜機構６８ａ上に反射面６５が設けられたものである。傾斜機構６８ａは、例えば円弧状の摺動面を有するゴニオステージ機構を採用することができる。
１軸移動傾斜ステージ６９は、反射面６５を保持する傾斜台６９ｂが、支持台６９ｃ上でそれぞれ独立に駆動可能な４つのアクチュエータ６９ａにより保持された機構である。そして、アクチュエータ６９ａの図示水平方向の繰り出し量を可変することにより、反射面６５の図示水平方向への平行移動可能とするとともに、傾斜角度を可変できるようになっている。
傾斜ステージ６７（図６（ｂ）参照）は、送り機構６６ａにより、ベース６７ｃに対するステージ６７ｂの傾斜角度を可変することで、ステージ６７ｂに設けられた反射面６５を紙面に直交する軸を中心として回動できるようにしたものである。
１軸移動傾斜ステージ６８（図６（ｃ）参照）は、図示上下方向に移動可能な１軸送り機構６８ｂ上に傾斜機構６８ａが設けられ、傾斜機構６８ａ上に反射面６５が設けられたものである。傾斜機構６８ａは、例えば円弧状の摺動面を有するゴニオステージ機構を採用することができる。
１軸移動傾斜ステージ６９は、反射面６５を保持する傾斜台６９ｂが、支持台６９ｃ上でそれぞれ独立に駆動可能な４つのアクチュエータ６９ａにより保持された機構である。そして、アクチュエータ６９ａの図示水平方向の繰り出し量を可変することにより、反射面６５の図示水平方向への平行移動可能とするとともに、傾斜角度を可変できるようになっている。
本実施形態の偏心反射光学系５２によれば、移動機構７０…により、反射ミラー６０、６１、６２をそれぞれ独立に平行移動したり、回動移動したりすることができるので、それぞれの反射面に配置誤差があっても、移動機構７０…により位置を補正することができる。そのため、像面での結像性能を向上し、像位置、瞳位置を変更することができる。
また、移動機構７０…により、中間像１２の位置を移動し、中間像１２の位置に併せて反射ミラー６２を移動することで、第１の実施形態と同様にアフォーカル光学系の角倍率を可変することもできる。また、第１の実施形態の各反射ミラーの移動ユニット取付部に採用することもできる。
また、移動機構７０…により、中間像１２の位置を移動し、中間像１２の位置に併せて反射ミラー６２を移動することで、第１の実施形態と同様にアフォーカル光学系の角倍率を可変することもできる。また、第１の実施形態の各反射ミラーの移動ユニット取付部に採用することもできる。
このように本実施形態によれば、偏心反射光学系５２内の光学素子の位置関係を移動機構７０…により補正したり調整したりすることができるので、組立誤差による光学性能の劣化を改善したり、他の装置に組み込む場合に装置に併せて像面６の位置や像側ＮＡを調整するなどして、偏心反射光学系５２からの出射光を装置側に高効率に結合することができる。
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光学システムについて説明する。本実施形態の光学システムは、本発明の第１、２の実施形態に係る偏心反射光学系を用いた光学システムであり、例えば、光捕捉追尾機能を有する空間光通信装置として用いることができるものである。このような装置は、光源を備え偏心反射光学系を送受光に共用することで送受光可能な装置として容易に構成することができるが、以下では、簡単のために、受光装置部分のみについて説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光学システムの一例の概略構成について説明するための断面模式図である。
本発明の第３の実施形態に係る光学システムについて説明する。本実施形態の光学システムは、本発明の第１、２の実施形態に係る偏心反射光学系を用いた光学システムであり、例えば、光捕捉追尾機能を有する空間光通信装置として用いることができるものである。このような装置は、光源を備え偏心反射光学系を送受光に共用することで送受光可能な装置として容易に構成することができるが、以下では、簡単のために、受光装置部分のみについて説明する。
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光学システムの一例の概略構成について説明するための断面模式図である。
本発明の第３の実施形態に係る光追尾装置１００（光学システム）について説明する。光追尾装置１００は、略平行な入力光を追尾可能に送受光する装置であって、特に空間光通信分野において好適に用いることができる装置である。
光追尾装置１００の受光装置部分の概略構成は、筐体３６、偏心反射光学系５１、方向ずれ検知手段３３、回動制御部３２、追尾台３５、粗追尾制御部３４および受光部３１からなる。
光追尾装置１００の受光装置部分の概略構成は、筐体３６、偏心反射光学系５１、方向ずれ検知手段３３、回動制御部３２、追尾台３５、粗追尾制御部３４および受光部３１からなる。
筐体３６は、後述する各部材を一体に保持する保持部材と外装部材とを兼ねた部材であり、例えば、箱形などの適宜形状とされている。そして、その外表面の一部に入力光２０の入射瞳となる開口部である開口絞り１０が設けられている。
開口絞り１０は、筐体３６と別部材で形成されてもよく、また厳密に筐体３６の外表面に設ける必要もない。例えば、フレア光の入射を防止するフードなどが開口絞り１０の周りに設けられていてもよい。また、開口絞り１０は、光学的に開口していればよく、例えば集光に必要な波長光を透過させるカバーガラスなどで覆ってもよい。
開口絞り１０は、筐体３６と別部材で形成されてもよく、また厳密に筐体３６の外表面に設ける必要もない。例えば、フレア光の入射を防止するフードなどが開口絞り１０の周りに設けられていてもよい。また、開口絞り１０は、光学的に開口していればよく、例えば集光に必要な波長光を透過させるカバーガラスなどで覆ってもよい。
偏心反射光学系５１は、第１の実施形態の変形例に係る偏心反射光学系である。図７では、図示を省略しているが、図３に示すような第１移動ユニット７、第２移動ユニット１４を備えており、アフォーカル光学系の角倍率を可変できるようになっている。
反射面２２ａと中間像１２との間には、反射面２２ａで反射された光の光路を分岐するためのビームスプリッタ２６が設けられ、中間像１２と略共役な位置に入力光２０の入射方向ずれを検出するための位置検出器２７が設けられている。
位置検出器２７としては、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割ＰＤなど、受光位置を検出可能な位置検出センサが採用できる。
なお、ビームスプリッタ２６、位置検出器２７は、図３に示す第２反射素子保持部８に固定されており、位置検出器２７は、反射ミラー２２の移動とともに変化する中間像１２の位置に追従して、受光面を移動できるようになっている。
反射面２２ａと中間像１２との間には、反射面２２ａで反射された光の光路を分岐するためのビームスプリッタ２６が設けられ、中間像１２と略共役な位置に入力光２０の入射方向ずれを検出するための位置検出器２７が設けられている。
位置検出器２７としては、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割ＰＤなど、受光位置を検出可能な位置検出センサが採用できる。
なお、ビームスプリッタ２６、位置検出器２７は、図３に示す第２反射素子保持部８に固定されており、位置検出器２７は、反射ミラー２２の移動とともに変化する中間像１２の位置に追従して、受光面を移動できるようになっている。
ガルバノミラー４と集光レンズ２５との間には、略平行光の光路を分岐するためのビームスプリッタ２８が設けられている。
ビームスプリッタ２６、２８は、例えばハーフミラーコーティングを施したビームスプリッタプリズム、ハーフミラーや、偏光特性により光路を分岐する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、波長特性により光路を分岐する光学素子などが採用できる。
ビームスプリッタ２６、２８は、例えばハーフミラーコーティングを施したビームスプリッタプリズム、ハーフミラーや、偏光特性により光路を分岐する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、波長特性により光路を分岐する光学素子などが採用できる。
ビームスプリッタ２８で分岐された光の光路上には、正のパワーを有する集光レンズ２９が配置され、位置検出器３０上に所定光束径で集光できるようになっている。
位置検出器３０は、ガルバノミラー４で反射された略平行光の方向ずれを検出するためのもので、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割ＰＤなど、受光位置を検出可能な位置検出センサが採用できる。
なお、ビームスプリッタ２８、集光レンズ２９、位置検出器３０は、図３に示す集光光学系保持部９に固定され、集光レンズ２３、ガルバノミラー４、集光レンズ２５に対する位置関係を保って移動できるようになっている。
位置検出器３０は、ガルバノミラー４で反射された略平行光の方向ずれを検出するためのもので、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割ＰＤなど、受光位置を検出可能な位置検出センサが採用できる。
なお、ビームスプリッタ２８、集光レンズ２９、位置検出器３０は、図３に示す集光光学系保持部９に固定され、集光レンズ２３、ガルバノミラー４、集光レンズ２５に対する位置関係を保って移動できるようになっている。
方向ずれ検知手段３３は、位置検出器２７、３０により光束の受光位置−の位置ずれとして検出された検出出力を入射光の方向ずれ量に変換し、光追尾制御を行うためのものである。
すなわち、位置検出器２７から送られた検出出力を方向ずれ量に換算して、その方向ずれを解消するために筐体３６を移動させる制御信号を粗追尾制御部３４に送ることとで、粗追尾制御を行い、位置検出器３０から送られた検出出力を方向ずれ量に換算して、その方向ずれを解消するためにガルバノミラー４を回動させる制御信号を回動制御部３２に送ることで、精追尾制御を行うことができるようになっている。
すなわち、位置検出器２７から送られた検出出力を方向ずれ量に換算して、その方向ずれを解消するために筐体３６を移動させる制御信号を粗追尾制御部３４に送ることとで、粗追尾制御を行い、位置検出器３０から送られた検出出力を方向ずれ量に換算して、その方向ずれを解消するためにガルバノミラー４を回動させる制御信号を回動制御部３２に送ることで、精追尾制御を行うことができるようになっている。
追尾台３５は、筐体３６を２軸方向に姿勢制御可能に保持する移動機構であり、ティルト駆動部３５ａおよび水平回転駆動部３５ｂが支持台３５ｃ上に保持されてなる。
水平回転駆動部３５ｂとティルト駆動部３５ａとは、それぞれ鉛直軸回りの回転と水平軸回りの所定角の回転とが可能とされ、それぞれの回転角を制御する制御モータ（不図示）などの機構により駆動される。それぞれの回転角は、粗追尾制御部３４からの制御信号により制御されるようになっている。
粗追尾制御部３４は、方向ずれ検知手段３３が生成した制御信号に基づき、ティルト駆動部３５ａ、水平回転駆動部３５ｂの回転駆動量を算出して、所定の回転駆動を行うための手段である。
水平回転駆動部３５ｂとティルト駆動部３５ａとは、それぞれ鉛直軸回りの回転と水平軸回りの所定角の回転とが可能とされ、それぞれの回転角を制御する制御モータ（不図示）などの機構により駆動される。それぞれの回転角は、粗追尾制御部３４からの制御信号により制御されるようになっている。
粗追尾制御部３４は、方向ずれ検知手段３３が生成した制御信号に基づき、ティルト駆動部３５ａ、水平回転駆動部３５ｂの回転駆動量を算出して、所定の回転駆動を行うための手段である。
受光部３１は、偏心反射光学系５１の像面６に結像された光を外部に装置外部に送出するためのもので、本実施形態では、装置外部に接続された光ファイバのファイバ端面である。
本実施形態の光追尾装置１００の受光装置部分によれば、入力光２０の入射方向が適切な範囲にあれば、入力光２０が開口絞り１０に入射する。入力光２０は、開口絞り１０に比べて大きな光束径を有しており、通常の使用範囲では入射画角が変動しても開口絞り１０が光束径の内部に位置する。そこで、開口絞り１０に入射した入力光２０は、偏心反射光学系５１内の光路をたどって像面に結像し、受光部３１に結合される。
そして、ビームスプリッタ２８により分岐された光を位置検出器３０により受光して、位置検出する。方向ずれ検知手段３３は、位置検出器３０の検出信号により、ガルバノミラー４で反射された光の方向ずれを検知し、その反射光が集光レンズ２５の光軸に沿って入射するように、精追尾制御部３２に制御信号を送出する。これにより、ガルバノミラー４の回動角度が制御され、反射光が受光部３１の受光面の一定位置に結像されるように精追尾制御される。
また、位置検出器２７により、入力光２０の画角変化が検出されれば、方向ずれ検知手段３３から、粗追尾制御部３４に制御信号が送出され、追尾台３５の姿勢が入力光２０の入射方向に向けて制御される（粗追尾）。
このようにして、入力光２０が光追尾され、受光部３１により入力光２０が受光される。したがって、受光部３１が、例えばコア径１０μｍ以下のきわめて細径化されている受光面を有する場合でも、常に安定した受光を行うことができる。
そして、ビームスプリッタ２８により分岐された光を位置検出器３０により受光して、位置検出する。方向ずれ検知手段３３は、位置検出器３０の検出信号により、ガルバノミラー４で反射された光の方向ずれを検知し、その反射光が集光レンズ２５の光軸に沿って入射するように、精追尾制御部３２に制御信号を送出する。これにより、ガルバノミラー４の回動角度が制御され、反射光が受光部３１の受光面の一定位置に結像されるように精追尾制御される。
また、位置検出器２７により、入力光２０の画角変化が検出されれば、方向ずれ検知手段３３から、粗追尾制御部３４に制御信号が送出され、追尾台３５の姿勢が入力光２０の入射方向に向けて制御される（粗追尾）。
このようにして、入力光２０が光追尾され、受光部３１により入力光２０が受光される。したがって、受光部３１が、例えばコア径１０μｍ以下のきわめて細径化されている受光面を有する場合でも、常に安定した受光を行うことができる。
また、本実施形態では、偏心反射光学系５１に含まれるアフォーカル光学系の角倍率を可変できるので、像側ＮＡを適宜可変して、受光部３１のＮＡより小さくすることにより、光量損失なく入力光２０を受光部３１に結像することができるものである。
したがって、例えば、受光部３１を複数用意して入力光２０の結合先を変更できるようにする場合など、受光部３１のファイバＮＡが異なってもそれぞれに応じて像側ＮＡを可変することで、いずれの結合先に対しても高効率の光結合を行うことができる。
したがって、例えば、受光部３１を複数用意して入力光２０の結合先を変更できるようにする場合など、受光部３１のファイバＮＡが異なってもそれぞれに応じて像側ＮＡを可変することで、いずれの結合先に対しても高効率の光結合を行うことができる。
なお、上記の第３の実施形態の説明では、光追尾装置１００の受光装置部分について説明したが、送光装置部分は、例えば、略平行光の送光光を発生する光源と、送光光を偏心反射光学系５１の軸上主光線上に合成するためのビームスプリッタを集光レンズ２５とビームスプリッタ２８との間の光路上に設けることで容易に構成できる。この場合、偏心反射光学系５１は送光光を拡径する送光光学系を兼ねているものである。
また、上記の第３の実施形態の説明では、光学システムの受光装置を空間光通信装置の受光装置部分の例で説明したが、光学システムは、空間光通信装置に限定されるものではない。例えば、望遠鏡や光情報記録など、焦点面にフォーカスを行うための受光装置であれば、どのような装置であってものよい。例えば、空間光通信装置であっても、受光部３１を精追尾の位置検出器３０の受光部として用いることで、受光装置部分を精追尾機構のみに用い、光通信は送光装置部分のみで行うことで、追尾機能付き送光装置を構成するものであってもよい。
また、上記の第３の実施形態の説明では、第１の実施形態の変形例の偏心反射光学系を用いた光学システムの例について説明したが、第１、２の実施形態の偏心反射光学系であれば、他の構成を採用してもよく、その場合、それぞれの実施形態の作用効果を備える光学システムとすることができる。
また、上記の説明では、第１、２反射素子が正、負のパワーを有する反射ミラーである例で説明したが、反射型の回折光学素子（ＤＯＥ）、反射型のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）などの反射素子を用いてもよい。
また、上記の説明では、実質的なアフォーカル光学系が第１、第２反射素子を備える例で説明したが、実質的にアフォーカル光学系であり、パワーを有する複数の反射面により構成されるものであれば、このような構成に限定されるものではない。
また、上記の説明では、第２反射素子の像側に正のパワーを有する光学素子を設けることにより射出瞳が形成される例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
また、上記の説明では、第２反射素子の像側に正のパワーを有する光学素子を設けることにより射出瞳が形成される例で説明したが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心反射光学系の第１数値実施例を、図２を参照して説明する。
下記に第１数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図２（ａ）に表記されたｒｉ、ｄｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉに対応する。
ここで、以下に用いる座標系と自由曲面式について説明する。
座標系は、図２（ａ）に示したように、物体側から開口絞り１０、反射ミラー３に向う光線追跡で、入射側光軸を、軸上主光線２０ａのうち絞り面を形成する開口絞り１０の中心に直交し、反射ミラー３に向かう光線として定義する。そして光線追跡において、開口絞り１０の中心を偏心反射光学系５０の偏心光学面の原点Ｏとして（ただし、図示の座標軸は光路との重なりを避けるために原点位置をずらしている）、入射側光軸に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から偏心光学系の開口絞り１０に向かう方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
下記に第１数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図２（ａ）に表記されたｒｉ、ｄｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉに対応する。
ここで、以下に用いる座標系と自由曲面式について説明する。
座標系は、図２（ａ）に示したように、物体側から開口絞り１０、反射ミラー３に向う光線追跡で、入射側光軸を、軸上主光線２０ａのうち絞り面を形成する開口絞り１０の中心に直交し、反射ミラー３に向かう光線として定義する。そして光線追跡において、開口絞り１０の中心を偏心反射光学系５０の偏心光学面の原点Ｏとして（ただし、図示の座標軸は光路との重なりを避けるために原点位置をずらしている）、入射側光軸に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から偏心光学系の開口絞り１０に向かう方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
傾き角は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする傾き角をそれぞれα、β、γとしたとき、傾き角αとβの正はそれぞれＸ軸、Ｙ軸の正方向に対して反時計回りを、傾き角γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りの角度と定義する。
そして、各光学作用面を座標系で表す場合、軸上主光線２０ａを物体から像面に向かう方向で順光線追跡し、光学作用面と軸上主光線２０ａが交差する点を原点として、Ｘ軸を紙面垂直方向に保って、Ｚ軸が軸上主光線２０ａに一致するように、Ｙ、Ｚ軸を回転させたローカル座標系で表す。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
そして、各光学作用面を座標系で表す場合、軸上主光線２０ａを物体から像面に向かう方向で順光線追跡し、光学作用面と軸上主光線２０ａが交差する点を原点として、Ｘ軸を紙面垂直方向に保って、Ｚ軸が軸上主光線２０ａに一致するように、Ｙ、Ｚ軸を回転させたローカル座標系で表す。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
本実施例で用いられる回転非対称の曲面の形状は、例えば、下記の式（ａ）により定義される自由曲面式で表現される。式（ａ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。球面項中、Ｒは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）であり、ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）である。
自由曲面項は、
ただし、Ｃｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本実施形態ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
また、本実施形態に用いられる非球面は、以下の定義式（ｂ）で与えられる回転対称非球面である。
ここで、ｈ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）であり、ｃは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次、…の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
偏心の表示におけるα、β、γは、それぞれ上記に傾き角の方向として説明した方向の角度を示す。長さの単位は（ｍｍ）、角度の単位は（°）である。また、偏心の原点および回転中心は、データ中に適宜注記している。
また自由曲面（ＦＦＳ面）、非球面は、上記に説明した式（ａ）で与えられる。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。
偏心の表示におけるα、β、γは、それぞれ上記に傾き角の方向として説明した方向の角度を示す。長さの単位は（ｍｍ）、角度の単位は（°）である。また、偏心の原点および回転中心は、データ中に適宜注記している。
また自由曲面（ＦＦＳ面）、非球面は、上記に説明した式（ａ）で与えられる。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 絞り面 d1 =40.00
2 FFS[1] d2 = 0.00 偏心[1]
3 ∞ d3 (Zoom) 偏心[2]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[3]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[4]
6 FFS[3] d6 = 0.00 偏心[5]
7 ∞ d7 = 0.00 偏心[6]
8 ∞ d8 = 5.00 偏心[7]
9 f12理想レンズ d9 =12.00
像 面 ∞ d10= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.8092x10-3 Ｃ6 -3.4297x10-3 Ｃ8 8.0193x10-6
Ｃ10 7.1693x10-6 Ｃ11 -8.2051x10-9 Ｃ13 -2.3187x10-8
Ｃ15 -7.8537x10-9
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -8.3015x10-3 Ｃ6 -7.4334x10-3 Ｃ8 7.3943x10-5
Ｃ10 6.2105x10-5 Ｃ11 2.0113x10-6 Ｃ13 4.2940x10-6
Ｃ15 3.2207x10-6
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -1.2857x10-2 Ｃ6 -1.2473x10-2 Ｃ8 -1.1496x10-4
Ｃ10 -1.1743x10-4 Ｃ11 8.9483x10-8 Ｃ13 -4.5646x10-6
Ｃ15 -9.2413x10-6 Ｃ17 -1.0209x10-8
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 18.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 36.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.02 Ｚ 0.32
α -18.06 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ y1(Zoom) Ｚ z1(Zoom)
α -18.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 19.94
α 15.32 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -12.75 Ｚ -1.57
α a1(Zoom) β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ -12.75 Ｚ 18.43
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
ＺＯＯＭ ＤＡＴＡ
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
面間隔 d3 -50.00 -51.20 -53.00
偏心[4] y1 -15.45 -13.20 -10.53
偏心[4] z1 47.42 40.64 32.36
偏心[6] a1 15.36 15.31 15.34
物体面 ∞ ∞
1 絞り面 d1 =40.00
2 FFS[1] d2 = 0.00 偏心[1]
3 ∞ d3 (Zoom) 偏心[2]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[3]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[4]
6 FFS[3] d6 = 0.00 偏心[5]
7 ∞ d7 = 0.00 偏心[6]
8 ∞ d8 = 5.00 偏心[7]
9 f12理想レンズ d9 =12.00
像 面 ∞ d10= 0.00
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -3.8092x10-3 Ｃ6 -3.4297x10-3 Ｃ8 8.0193x10-6
Ｃ10 7.1693x10-6 Ｃ11 -8.2051x10-9 Ｃ13 -2.3187x10-8
Ｃ15 -7.8537x10-9
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -8.3015x10-3 Ｃ6 -7.4334x10-3 Ｃ8 7.3943x10-5
Ｃ10 6.2105x10-5 Ｃ11 2.0113x10-6 Ｃ13 4.2940x10-6
Ｃ15 3.2207x10-6
ＦＦＳ[3]
Ｃ4 -1.2857x10-2 Ｃ6 -1.2473x10-2 Ｃ8 -1.1496x10-4
Ｃ10 -1.1743x10-4 Ｃ11 8.9483x10-8 Ｃ13 -4.5646x10-6
Ｃ15 -9.2413x10-6 Ｃ17 -1.0209x10-8
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 18.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 36.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.02 Ｚ 0.32
α -18.06 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ y1(Zoom) Ｚ z1(Zoom)
α -18.01 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 19.94
α 15.32 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -12.75 Ｚ -1.57
α a1(Zoom) β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ -12.75 Ｚ 18.43
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
ＺＯＯＭ ＤＡＴＡ
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
面間隔 d3 -50.00 -51.20 -53.00
偏心[4] y1 -15.45 -13.20 -10.53
偏心[4] z1 47.42 40.64 32.36
偏心[6] a1 15.36 15.31 15.34
ここで、ズーム位置Ｚａ、Ｚｂ、Ｚｃは、それぞれ図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の位置関係に対応する面間隔および偏心を示す。構成パラメータをこれらZOOM DATAのように可変したとき、射出瞳径、角倍率、像側ＮＡは次のようになる。ただし、角倍率、像側ＮＡは、Ｙ軸方向の値を示す。また、像側ＮＡの計算の際には、集光レンズ５に対応して焦点距離ｆ＝１２ｍｍの理想レンズが配置されたものとして計算している。
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
射出瞳径 φ３．２７ φ３．５９ φ４．０４
角倍率（Ｙ） ９．３ ８．５ ７．５
像側ＮＡ（Ｙ） ０．１３５ ０．１４８ ０．１６８
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
射出瞳径 φ３．２７ φ３．５９ φ４．０４
角倍率（Ｙ） ９．３ ８．５ ７．５
像側ＮＡ（Ｙ） ０．１３５ ０．１４８ ０．１６８
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心反射光学系の変形例に対応する第２数値実施例を、図３を参照して説明する。
下記に第２数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図３（ａ）に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。座標系その他は実施例１と同様である。
下記に第２数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。図３（ａ）に表記されたｒｉ、ｄｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータの曲率半径、面間隔ｄｉ、屈折率ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。座標系その他は実施例１と同様である。
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 絞り面 d1 =28.00
2 FFS[1] d2 = 0.00 偏心[1]
3 ∞ d3 (Zoom) 偏心[2]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[3]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[4]
6 非球面[1] d6 = 2.10 偏心[5] n1 = 1.5163 ν1 = 64.1
7 非球面[2] d7 =18.75
8 ∞ d8 = 5.00
9 f20理想レンズ d9 =20.00 偏心[6]
像 面 ∞ d10= 0.00
非球面[1]
曲率半径 13.58
ｋ 0.00
Ａ -8.0354x10-4 Ｂ 9.4459x10-5 Ｃ -1.6708x10-6
非球面[2]
曲率半径 -17.36
ｋ 0.0
Ａ -6.2668x10-4 Ｂ 9.4619x10-5 Ｃ -1.5552x10-6
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -2.6012x10-3 Ｃ6 -2.3721x10-3 Ｃ8 5.2657x10-6
Ｃ10 4.7703x10-6 Ｃ11 -7.2125x10-9 Ｃ13 -1.8918x10-8
Ｃ15 -1.5547x10-8 Ｃ68 7.0000x10-1
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -6.1697x10-3 Ｃ6 -5.6068x10-3 Ｃ8 5.4946x10-5
Ｃ10 4.7946x10-5 Ｃ11 6.9109x10-7 Ｃ13 1.5606x10-6
Ｃ15 7.7369x10-8 Ｃ68 7.0000x10-1
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 17.21 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 34.43 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.08 Ｚ -0.18
α -17.57 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ y1(Zoom) Ｚ z1(Zoom)
α -17.21 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 15.32
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
ＺＯＯＭ ＤＡＴＡ
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
面間隔 d3 -34.92 -36.87 -38.02
偏心[4] y1 -13.17 -8.72 -6.93
偏心[4] z1 42.42 28.19 22.45
物体面 ∞ ∞
1 絞り面 d1 =28.00
2 FFS[1] d2 = 0.00 偏心[1]
3 ∞ d3 (Zoom) 偏心[2]
4 FFS[2] d4 = 0.00 偏心[3]
5 ∞ d5 = 0.00 偏心[4]
6 非球面[1] d6 = 2.10 偏心[5] n1 = 1.5163 ν1 = 64.1
7 非球面[2] d7 =18.75
8 ∞ d8 = 5.00
9 f20理想レンズ d9 =20.00 偏心[6]
像 面 ∞ d10= 0.00
非球面[1]
曲率半径 13.58
ｋ 0.00
Ａ -8.0354x10-4 Ｂ 9.4459x10-5 Ｃ -1.6708x10-6
非球面[2]
曲率半径 -17.36
ｋ 0.0
Ａ -6.2668x10-4 Ｂ 9.4619x10-5 Ｃ -1.5552x10-6
ＦＦＳ[1]
Ｃ4 -2.6012x10-3 Ｃ6 -2.3721x10-3 Ｃ8 5.2657x10-6
Ｃ10 4.7703x10-6 Ｃ11 -7.2125x10-9 Ｃ13 -1.8918x10-8
Ｃ15 -1.5547x10-8 Ｃ68 7.0000x10-1
ＦＦＳ[2]
Ｃ4 -6.1697x10-3 Ｃ6 -5.6068x10-3 Ｃ8 5.4946x10-5
Ｃ10 4.7946x10-5 Ｃ11 6.9109x10-7 Ｃ13 1.5606x10-6
Ｃ15 7.7369x10-8 Ｃ68 7.0000x10-1
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 17.21 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 34.43 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ -0.08 Ｚ -0.18
α -17.57 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ y1(Zoom) Ｚ z1(Zoom)
α -17.21 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 15.32
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 0.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
ＺＯＯＭ ＤＡＴＡ
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
面間隔 d3 -34.92 -36.87 -38.02
偏心[4] y1 -13.17 -8.72 -6.93
偏心[4] z1 42.42 28.19 22.45
ここで、ズーム位置Ｚａ、Ｚｂ、Ｚｃは、それぞれ図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の位置関係に対応する面間隔および偏心を示す。構成パラメータをこれらZOOM DATAのように可変したとき、射出瞳径、角倍率、像側ＮＡは次のようになる。ただし、角倍率、像側ＮＡは、Ｙ軸方向の値を示す。また、像側ＮＡの計算の際には、集光レンズ２５に対応して焦点距離ｆ＝２０ｍｍの理想レンズが配置されたものとして計算している。
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
射出瞳径 φ２．４ φ３．１ φ３．５
角倍率（Ｙ） ９．９ ７．７ ６．８
像側ＮＡ（Ｙ） ０．０６４ ０．０７７ ０．０８６
ズーム位置 Ｚａ Ｚｂ Ｚｃ
射出瞳径 φ２．４ φ３．１ φ３．５
角倍率（Ｙ） ９．９ ７．７ ６．８
像側ＮＡ（Ｙ） ０．０６４ ０．０７７ ０．０８６
１、２１、６０ 反射ミラー（第１反射素子）
１ａ、２ａ、３ａ、２１ａ、２２ａ、６０ａ、６１ａ、６２ａ 反射面
２、２２、６１ 反射ミラー（第２反射素子）
３、６２ 反射ミラー（光学素子）
４ ガルバノミラー（回動可能な反射面）
５、２５、６４ 集光レンズ
６ 像面
７ 第１移動ユニット
８ 第２反射素子保持部
９ 集光光学系保持部
１０ 開口絞り
１１ 第１反射素子保持部
１２ 中間像
１３ 射出瞳
１４ 第２移動ユニット
２０ 入力光
２３ 集光レンズ（光学素子）
２６、２８ ビームスプリッタ
２７、３０ 位置検出器
３１ 受光部
３２ 回動制御部
３３ 方向ずれ検知手段
３４ 粗追尾制御部
３５ 追尾台
５０、５１、５２ 偏心反射光学系
７０ 移動機構
１００ 光追尾装置（光学システム）
１ａ、２ａ、３ａ、２１ａ、２２ａ、６０ａ、６１ａ、６２ａ 反射面
２、２２、６１ 反射ミラー（第２反射素子）
３、６２ 反射ミラー（光学素子）
４ ガルバノミラー（回動可能な反射面）
５、２５、６４ 集光レンズ
６ 像面
７ 第１移動ユニット
８ 第２反射素子保持部
９ 集光光学系保持部
１０ 開口絞り
１１ 第１反射素子保持部
１２ 中間像
１３ 射出瞳
１４ 第２移動ユニット
２０ 入力光
２３ 集光レンズ（光学素子）
２６、２８ ビームスプリッタ
２７、３０ 位置検出器
３１ 受光部
３２ 回動制御部
３３ 方向ずれ検知手段
３４ 粗追尾制御部
３５ 追尾台
５０、５１、５２ 偏心反射光学系
７０ 移動機構
１００ 光追尾装置（光学システム）
Claims (7)
- 略平行光を入力光として中間像を形成する実質的なアフォーカル光学系を有する偏心反射光学系であって、
偏心または傾いて配置された、パワーを有する複数の反射面を有し、該複数の反射面の少なくとも１つに、該反射面の偏心量および傾き量の少なくともいずれかを可変する移動機構を備えたことを特徴とする偏心反射光学系。 - 前記アフォーカル光学系が、
前記入力光の軸上主光線に対して偏心または傾いて配置された、正のパワーを有する第１反射素子と、
該第１反射素子により反射された前記軸上主光線に対して偏心または傾いて配置された、負のパワーを有する第２反射素子とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の偏心反射光学系。 - 前記アフォーカル光学系が、
前記第２反射素子の像側に正のパワーを有する光学素子を備え、
前記中間像が前記第２反射素子と前記光学素子との間に形成され、前記光学素子により射出瞳が形成される構成とされ、
前記移動機構が、
前記第１反射素子、前記第２反射素子および前記光学素子のうち少なくとも２つを、それぞれの所定方向に向けて平行移動するように構成されたことを特徴とする請求項２に記載の偏心反射光学系。 - 前記移動機構が、
前記第２反射素子と前記光学素子とを、その間の光路の軸上主光線に沿って相対的に平行移動可能に保持する第１移動ユニットと、
該第１移動ユニットまたは前記第１反射素子を相対的に平行移動可能に保持する第２移動ユニットとからなることを特徴とする請求項２または３のいずれかに記載の偏心反射光学系。 - 前記移動機構により、前記アフォーカル光学系の射出瞳の瞳径および角倍率を可変できるようにしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の偏心反射光学系。
- 前記アフォーカル光学系の射出瞳の近傍に回動可能な反射面が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の偏心反射光学系。
- 少なくとも外部からの略平行光を入力光として受光する受光装置を含む光学システムであって、
前記受光装置が請求項１〜６のいずれかに記載の偏心反射光学系を備えることを特徴とする光学システム。
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| JP2004299819A JP2006113248A (ja) | 2004-10-14 | 2004-10-14 | 偏心反射光学系およびそれを用いた光学システム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2004
- 2004-10-14 JP JP2004299819A patent/JP2006113248A/ja not_active Withdrawn
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