JP4212721B2

JP4212721B2 - 広角反射光学系

Info

Publication number: JP4212721B2
Application number: JP16381399A
Authority: JP
Inventors: 貴敬中野; 恭久玉川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-06-10
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2019-06-10
Also published as: EP1061397A2; DE60025661T2; EP1061397A3; JP2000352668A; EP1061397B1; DE60025661D1; US6850361B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、観測や監視などを用途とした広角の視野を持つカメラに用いられ、被写体の像を結ぶ広角反射光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カメラに用いられる光学系に求められる機能は、光の屈折作用によって光を曲げ、被写体の像を検出器上に結像することである。このような屈折作用を持つ光学素子として、例えば屈折率の違いを利用して光を曲げるレンズや、反射を利用して光を曲げる反射鏡が挙げられる。
【０００３】
レンズは内部を光が透過するため、所望の波長帯に対して透過率の十分大きい材料を用いる必要がある。また、紫外線や赤外線など特殊な波長帯によっては材料が高価なものに限られ、コストの面で問題となる。さらに、レンズの材料の屈折率は一般に光の波長によって大きさが異なる色収差があるため、広い波長帯にわたって一定の結像性能を得るには波長に対する屈折率変化の違うレンズを２枚以上組み合わせるなどの複雑な補正、いわゆる色消しを行わなければならない。
【０００４】
反射鏡は反射面さえ十分な性能を持つ反射材でコーティングすることができればその材料は問わないため、どの波長帯に対しても低価格な光学系を得ることができる。また、反射作用は光の波長に依存しないので反射鏡は色収差を持たず、広い波長帯域に対して一定の結像性能を持つ光学系を容易に得ることができる。
【０００５】
しかし、反射光学系では反射鏡への入射光線とその反射光線が反射鏡に対して同じ側に現れるため、次面の反射鏡位置も入射光線と同じ側になる。このため、次面の反射鏡が入射光線を遮る現象、いわゆるケラレが起こりやすく、ケラレが起こると入射光線の光量が減少するため明るい光学系が得られない。
【０００６】
ケラレを避けるには、例えば入射光線を光学系の軸に対して傾けて用い、光線が入射してくる方向と出射していく方向に角度を付ける方法がある。次面の反射鏡は当然光線が出射していく方向に配置されるため、光線が入射してくる方向と出射していく方向に角度を付けて方向を変えることで、次面の反射鏡が入射光線と重ならず、ケラレも起こらない。
【０００７】
ところが、光学系は一般的に入射光線と光学系の軸が平行な時に成り立つ近軸結像をもとに設計されるため、入射光線を光学系の軸に傾けて用いると近軸結像に対するずれが生じる。このずれが収差を増大させ、収差が大きくなると像にボケが生じ画質が劣化する。
【０００８】
図５は、例えばＵＳＰ４，５９８，９８１の”WIDE-ANGLE FLAT FIELD TELESCOPE”に示された従来の広角反射光学系である。Ｆ／４の明るさで、３０゜×２０゜の画角を持っている。図５の光学系において、１は第一面反射鏡であり、凸の球面形状をしている。２は第二面反射鏡であり、凹の回転楕円面の形状をしている。３は第三面反射鏡であり、凹の球面形状をしている。４は円形形状の絞りで第一面反射鏡１の近傍に位置している。
【０００９】
また、５は第一面反射鏡１への入射光線の光束であり、６は第二面反射鏡２からの出射光線の光束である。７は光学系の軸で、第一面反射鏡１と第二面反射鏡２の曲率中心を結ぶ直線である。第三面反射鏡３の曲率中心と絞り４の中心も光学系の軸７上にあり、共軸な構造になっている。入射光線を光学系の軸７に対して傾けて用いることで、光線の重なりにより生じるケラレをなくしている。
【００１０】
反射光学系において、像の画質を劣化させる主な収差は、球面収差、コマ収差、像面弯曲、非点収差である。上記の広角反射光学系は反射鏡の持つ曲率半径や面間隔などのパラメータを以下の方針で設定することにより、各収差を低減している。
【００１１】
球面収差は、中心光線の焦点位置に対して周辺光線の焦点位置がずれるために生じる。上記の広角反射光学系では第二面反射鏡２による周辺光線の焦点位置のずれと第三面反射鏡３のによる周辺光線の焦点位置のずれが逆方向でほぼ同じ大きさを持つように光学系のパラメータを決めることで、ずれを互いに打ち消し合い球面収差を小さくしている。したがって、第一面反射鏡１による球面収差は残っている。
【００１２】
コマ収差は、光学系の軸７と角度をもって入射してきた光に対して、中心光線の焦点位置と周辺光線の焦点位置がずれるために生じる。上記の広角反射光学系では第一面反射鏡１、第二面反射鏡２、第三面反射鏡３の３枚全てでずれを打ち消し合うように光学系のパラメータを決めることで、コマ収差を小さくしている。
【００１３】
像面弯曲は、像面が曲率を持って湾曲する現象で、その曲率半径はペツバル和と呼ばれる量で表される。上記の広角反射光学系ではペツバル和が０となるように第一面反射鏡１、第二面反射鏡２、第三面反射鏡３の曲率半径を設定することで、像面の曲率を０とし、像面弯曲をなくしている。
【００１４】
非点収差は、光学系の軸７と角度をもって入射してきた光に対して、反射鏡の形状が子午的な方向と球欠的な方向で異なるために生じ、像面の子午的な方向と球欠的な方向の曲率半径の差となって現れる。上記の広角反射光学系では第一面反射鏡１で生じる像面の曲率半径の差と第三面反射鏡３生じる像面の曲率半径の差が逆方向でほぼ同じ大きさを持つように光学系のパラメータを決めることで、互いに打ち消し合って非点収差を小さくしている。したがって、第二面反射鏡２による非点収差は残っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような広角反射光学系でＦ値が小さい明るい光学系を得るには、絞り４の径を大きくして入射光量を増やす必要がある。しかし、絞り４の径を大きくすることで光束が太くなるので、ケラレが起こりやすい。特に、第一面反射鏡１への入射光線の光束５と第二面反射鏡２からの出射光線の光束６は接近しており、光束が太くなることでこの２つの光束に重なりが生じれば、その重なる部分でケラレが起こる。
【００１６】
ケラレを避けるためには、入射光線を光学系の軸に対して大きな角度を持たせる必要がある。ところが、入射光線と光学系の軸７の間の角度が大きいと収差も大きくなり、画質が著しく劣化する。このことから、従来の広角反射光学系では明るい光学系が得られないという問題があった。
【００１７】
この発明は上記のような問題点を解決するためなされたもので、像の画質を劣化させることがない明るい広角反射光学系を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る広角反射光学系は、凹面の第二面反射鏡と、凸面の第一面反射鏡と、凹面の第三面反射鏡とを被写体側より順次配置し、被写体側から入射した光束を第一面反射鏡、第二面反射鏡、第三面反射鏡の順に反射して結像を得る光学系において、第一面反射鏡の曲率中心と第二面反射鏡の曲率中心を結んでできる直線を光学系の軸とし、第一面反射鏡の近傍に光学系の軸が中心を通る様に配設された絞りを備え、第三面反射鏡は、第三面反射鏡に対して入射する光束が垂直となる方向に偏心配置したものである。
【００１９】
また、第三面反射鏡は、光学系の軸に直交する面に対して平行移動されて、曲率中心を上記光学系の軸から偏心されている。
【００２０】
また、第三面反射鏡は、反射面を光学系の軸に直交する面から傾いて配設されている。
【００２１】
また、第三面反射鏡は、曲率中心が光学系の軸上にあり、反射面を光学系の軸に直交する面から傾いて配設されている。
【００２２】
また、第一面反射鏡、第二面反射鏡、第三面反射鏡の少なくとも１つが非球面形状である。
【００２３】
また、絞りの近傍に球面収差を減少させる収差補正板をさらに備えている。
【００２４】
また、絞りが非円形形状である。
【００２５】
また、絞りが第二面反射鏡と一体成形されている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の広角反射光学系を示す断面図である。図１において、１は第一面反射鏡であり、凸の球面形状をしている。２は第二面反射鏡であり、凹の球面形状をしている。３は第三面反射鏡であり、凹の球面形状をしている。４は円形形状の絞りで第一面反射鏡１の近傍に位置している。
【００２７】
また、５は第一面反射鏡１への入射光線の光束であり、６は第二面反射鏡２からの出射光線の光束である。７は光学系の軸で、第一面反射鏡１と第二面反射鏡２の曲率中心を結ぶ直線である。絞り４の中心は光学系の軸７上にあるが、第三面反射鏡３の曲率中心は光学系の軸７を通らない、偏心した構造をしている。
【００２８】
第三面反射鏡３を平行移動する方向を図１の矢印ｙ方向（ｙ方向は、光学系の軸７を含み第三面反射鏡３によって光束がふられる平面内において、軸７に直交する方向）、ｙ方向と光学系の軸７に垂直な方向をｘ方向とする。入射光線を光学系の軸７に対してｙ方向に傾けて用いることで、光線の重なりにより生じるケラレをなくす。
【００２９】
上記の広角反射光学系の明るさを表すＦ値は、絞り４の径の大きさに反比例し、焦点距離に比例する。したがって、Ｆ値の小さい明るい光学系を得るには絞り４の径を大きくするか、焦点距離を短くすればよい。ところが、絞り４の径を広げると光束が太くなるため、第一面反射鏡１への入射光線の光束５と第二面反射鏡２からの出射光線の光束６の間で重なりが生じ、ケラレが起こる。したがって、上記の広角反射光学系では焦点距離を短くすることで明るい光学系を得ることができる。
【００３０】
反射光学系の焦点距離を短くするには、例えば正のパワーを持つ反射鏡のパワーを大きく、負のパワーを持つ反射鏡のパワーを小さくすればよい。つまり、上記の広角反射光学系では第一面反射鏡１のパワーを小さく、第二面反射鏡２と第三面反射鏡３のパワーを大きくすればよい。ところが、絞り４より光路上で前方にある第一面反射鏡１と第二面反射鏡２のパワーを変えると、第一面反射鏡１への入射光線の光束５が広がるので、第二面反射鏡２からの出射光線の光束６との間で光線の重なりが生じ、ケラレが起こる。したがって、上記の広角反射光学系では第三面反射鏡３の曲率半径を小さくし、パワーを大きくすることで、光学系の焦点距離が短い、明るい光学系を得ることができる。
【００３１】
反射光学系において、像の画質を劣化させる主な収差は、球面収差、コマ収差、像面弯曲、非点収差である。上記の広角反射光学系は反射鏡の持つ曲率半径や面間隔などのパラメータを以下の方針で設定することにより、各収差を低減している。
【００３２】
球面収差は中心光線の焦点位置に対して周辺光線の焦点位置がずれるために生じる。上記の広角反射光学系では第一面反射鏡１、第二面反射鏡２、第三面反射鏡３の３枚全てで周辺光線の焦点位置のずれが互いに打ち消し合うように光学系のパラメータを決めることで、球面収差を許容できる量に抑えている。
【００３３】
コマ収差は、光学系の軸７と角度をもって入射してきた光に対して、中心光線の焦点位置と周辺光線の焦点位置がずれるために生じる。コマ収差は上記の球面収差と光学系の瞳の位置に関係しており、球面収差が存在するときには瞳の位置でコマ収差の大きさが変化する。上記の広角反射光学系では、上述のように許容できる量だけ残した球面収差に対して適切な位置に瞳を置くことで、コマ収差を打ち消す。
【００３４】
像面弯曲は、像面が曲率を持って湾曲する現象で、その曲率半径はペツバル和と呼ばれる量で表される。上記の広角反射光学系では像面がほぼ平面となるようにペツバル和を小さくし、さらに弯曲に合わせて像面を傾けることで補正する。
【００３５】
上記の広角反射光学系では光学系を明るくするために第三面反射鏡３の曲率半径を小くするため、非点収差が特に問題となる。非点収差は入射光線に対して反射鏡の形状が子午的な方向と球欠的な方向で同じではないために生じる。つまり、反射鏡に対して垂直に入射する光に対しては非点収差は０となり、斜めに入射するときにはその角度が大きいほど非点収差が大きくなる。
【００３６】
また、反射鏡の曲率半径が小さいほど、非点収差は大きくなる。上記の広角反射光学系では第三面反射鏡３の曲率半径が小さいため、非点収差が第三面反射鏡３上で大きくなる。非点収差は像面の曲率半径の子午的な方向と球欠的な方向の差となって現れる。
【００３７】
上記の広角反射光学系では第一面反射鏡１、第二面反射鏡２、第三面反射鏡３の３枚全てで曲率半径の差を打ち消し合い、さらに第三面反射鏡３をｙ方向に平行移動することで、反射鏡に対して入射する光を垂直に近づけ非点収差を非常に小さくする。また、非点収差は、反射鏡に入射する光線の角度の２乗に比例して大きくなるので、例えば第三面反射鏡３を非点収差が小さくなる方向、即ち、入射する光が垂直に近づく方向に傾けて、入射する光線の角度を小さくすれば非点収差を小さくすることができる。
【００３８】
なお、上記の広角反射光学系では、第三面反射鏡３をｙ方向に平行移動する構造としたが、第三面反射鏡３を非点収差が小さくなる方向に傾けることでも同様の効果が得られる。また、当然第三面反射鏡３をｙ方向に平行移動したうえで、さらに非点収差が小さくなる方向に傾けてもよい。
【００３９】
なお、本実施の形態では第一面反射鏡１、第二面反射鏡２、第三面反射鏡３はすべて球面形状であるが、非球面球状としてもよい。反射鏡を非球面形状とすることにより、例えば光学系を明るくしたときに発生する球面収差などをより高精度に補正することができる。球面収差は反射面が球面形状であることから起こる収差であり、球面形状の反射鏡だけでは十分に補正できない場合がある。非球面形状は、第一面反射鏡１、第二面反射鏡２、第三面反射鏡３のいずれかにしてもよいし、また、複数の面を非球面形状としてもよい。
【００４０】
また、上記のように反射鏡の形状を非球面形状とするのに加えて、あるいは代わりに絞り４近傍に収差補正板を設けてもよい。図２は光の屈折作用を利用した透過型の収差補正板を挿入した広角反射光学系を示したもので、図において符号１から８は図１と同様のものである。９は収差補正板で、絞り４の近傍に配設されている。
【００４１】
この収差補正板９は、特に球面収差を高精度に補正することに効果がある。収差補正板９は収差の補正を目的としており、光を曲げる屈折作用は小さいので、色収差のある材料でも画質の劣化は小さい。したがって、所望の波長の光を透過する材料ならば収差補正板９として用いることができる。尚、収差補正板９は光の屈折作用を利用した透過型であるが、同様に収差を補正する機能があれば収差補正板は反射鏡であってもよい。
【００４２】
図３は、本実施の形態における広角反射光学系のＭＴＦ（Modulation Transfer Function）を示したもので、入射光線の基準波長は１０μmである。広角反射光学系は焦点距離を２５ｍｍ、画角３０゜×２２゜、Ｆ／２．５とした。入射光線は光学系の軸７に対してｙ方向に４４゜±１１゜の角度をもって入射する。なお、Ｆ／２．５は光学系の軸７上での値である。上述のように入射光線が光学系の軸７に対して角度をもっているため、実質的なＦ値は２．７である。図３より、設計上はほぼ回折限界に近い結像性能が得られることが分かる。
【００４３】
実施の形態２．
実施の形態１では絞り４の形状は円形であった。ｙ方向に絞りを広げると光束が広がるため、第一面反射鏡１への入射光線の光束５と第二面反射鏡６からの出射光線の光束６との間で重なりが生じ、ケラレが起こる。一方、ｘ方向に絞りを広げても光束の重なりは生じないので、ケラレは起こらない。したがって、絞りを非円形形状、例えばｘ方向に長軸を持った楕円形状とし、ｘ方向に光束を広げることでケラレを発生させずに明るい光学系を得ることができる。
【００４４】
実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３の広角反射光学系の要部を示す断面図である。１０は反射鏡の基板で、第一面反射鏡１の基板の部分と絞り４が一体成形されている。１１は反射部材で、第一面反射鏡１の反射面となる。他の構成部品は実施の形態１と同様である。
【００４５】
このような構成によれば、第一面反射鏡１及び絞り４が一体化されているため、部品点数を削減することができ、部品の製造工程及び組立工程を減少させることができる。また、一体化した部品間では組立時に生じる公差がないため、広角反射光学系全体の組立が容易になる。
【００４６】
【発明の効果】
この発明に係る広角反射光学系は、凹面の第二面反射鏡と、凸面の第一面反射鏡と、凹面の第三面反射鏡とを被写体側より順次配置し、被写体側から入射した光束を第一面反射鏡、第二面反射鏡、第三面反射鏡の順に反射して結像を得る光学系において、第一面反射鏡の曲率中心と第二面反射鏡の曲率中心を結んでできる直線を光学系の軸とし、第一面反射鏡の近傍に光学系の軸が中心を通る様に配設された絞りを備え、第三面反射鏡は、第三面反射鏡に対して入射する光束が垂直となる方向に偏心配置している。そのため、非点収差を小さくすることができ像の画質を劣化させることがない。
【００４７】
また、第三面反射鏡は、光学系の軸に直交する面に対して平行移動されて、曲率中心を上記光学系の軸から偏心されている。そのため、非点収差を小さくすることができ像の画質を劣化させることがない。
【００４８】
また、第三面反射鏡は、反射面を光学系の軸に直交する面から傾いて配設されている。そのため、非点収差をさらに小さくすることができ像の画質を劣化させることがない。
【００４９】
また、第三面反射鏡は、曲率中心が光学系の軸上にあり、反射面を光学系の軸に直交する面から傾いて配設されている。そのため、非点収差を小さくすることができ像の画質を劣化させることがない。
【００５０】
また、第一面反射鏡、第二面反射鏡、第三面反射鏡の少なくとも１つが非球面形状である。そのため、光学系を明るくしたときに発生する球面収差などをより高精度に補正することができる。
【００５１】
また、絞りの近傍に球面収差を減少させる収差補正板をさらに備えている。そのため、球面収差を高精度に補正することができる。
【００５２】
また、絞りが非円形形状である。そのため、光束を広げることができ、ケラレを発生させずに明るい光学系を得ることができる。
【００５３】
また、絞りが第二面反射鏡と一体成形されている。そのため、部品点数を削減することができ、部品の製造工程及び組立工程を減少させることができる。また、一体化した部品間では組立時に生じる公差がないため、広角反射光学系全体の組立が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の広角反射光学系を示す断面図である。
【図２】光の屈折作用を利用した透過型の収差補正板を挿入した例を示す断面図である。
【図３】実施の形態１における広角反射光学系のＭＴＦを示したグラフである。
【図４】この発明の実施の形態３の広角反射光学系の要部を示す断面図である。
【図５】従来の広角反射光学系を示す断面図である。
【符号の説明】
１第一面反射鏡、２第二面反射鏡、３第三面反射鏡、４絞り、７光学系の軸、９収差補正板。

Claims

凹面の第二面反射鏡と、凸面の第一面反射鏡と、凹面の第三面反射鏡とを被写体側より順次配置し、被写体側から入射した光束を該第一面反射鏡、該第二面反射鏡、該第三面反射鏡の順に反射して結像を得る光学系において、
上記第一面反射鏡の曲率中心と上記第二面反射鏡の曲率中心を結んでできる直線を光学系の軸とし、上記第一面反射鏡の近傍に上記光学系の軸が中心を通る様に配設された絞りを備え、上記第三面反射鏡上での非点収差を小さくするために、上記第三面反射鏡に対して入射する光束が上記第三面反射鏡表面に対して垂直に近づく方向に上記第三面反射鏡の曲率中心を上記光学系の軸から外すように上記第三面反射鏡を配置した
ことを特徴とする広角反射光学系。
上記第三面反射鏡は、上記光学系の軸に直交する面に対して平行移動されて、曲率中心を上記光学系の軸から偏心されている
ことを特徴とする請求項１記載の広角反射光学系。
上記第三面反射鏡は、反射面を上記光学系の軸に直交する面から傾いて配設されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の広角反射光学系。
上記第一面反射鏡、上記第二面反射鏡、上記第三面反射鏡の少なくとも１つが非球面形状である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の広角反射光学系。
上記絞りの近傍に球面収差を減少させる収差補正板をさらに備えている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の広角反射光学系。
上記絞りが非円形形状である
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の広角反射光学系。
上記絞りが上記第一面反射鏡と一体成形されている
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の広角反射光学系。