JP6879723B2

JP6879723B2 - カタディオプトリック光学系、撮像装置および人工衛星

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Publication number: JP6879723B2
Application number: JP2016234123A
Authority: JP
Inventors: 米山　修二; 修二米山
Original assignee: Canon Electronics Inc
Current assignee: Canon Electronics Inc
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2036-12-01
Also published as: JP2018091956A

Description

本発明は、凹面反射鏡からなる主鏡部と、凸平または正メニスカスレンズと平凹または負メニスカスレンズと凸面反射鏡からなる副鏡部と、主鏡と副鏡部の結像性能を補正する屈折部からなり、反射面は全て球面で構成されたカタディオプトリック光学系、またはこれを用いた撮像装置、またはこれを搭載する人工衛星に関する。

天体観測や撮影等に用いられる反射光学系では、特に全長を小さくできるカセグレン・タイプがしばしば使われる。古典的なカセグレン光学系は主鏡が放物面、副鏡が双曲面と２つの非球面からなる。このカセグレン光学系を改良したリッチー・クレチャン光学系では更に収差を補正し視野を広げるため主鏡、副鏡とも双曲面であり、より正確には高次の非球面が用いられる。しかし、これらの非球面は球面に比べて製作が難しく、また、形状の測定も難しい。そのため、加工に時間が掛かったり、加工、測定の費用が高くなったりする。

また、主鏡、副鏡による残存収差を、副鏡と像面の間に配置した光学系により補正する技術も知られている。

特許文献２ではリッチー・クレチャン光学系またはカセグレン光学系に組み合わせるロスの補正レンズが開示されている。ロス・レンズは正レンズと負レンズの２枚からなりコマ及び非点収差を補正するもので球面収差は補正しない。従って、主・副鏡系で少なくとも球面収差は補正されていなければならないので、主・副鏡のどちらかには非球面を用いなければならない。

特許文献３は主鏡が放物面で副鏡が双曲面である古典的カセグレン光学系にレンズ３枚からなる補正系を組み合わせた例が開示されている。しかし、鏡面は非球面であり、収差を補正する３枚のレンズ系が開示されているが、レンズ枚数と面の凹凸のみが示され、具体的なデータは無く、どの収差がどの程度補正されているのかは分からない。

特開昭５９−２２２８０９号公報特開２０１５−４５８８７号公報特開２０１６−３５４９９号公報

All-Spherical Catadioptric System for 0.8 m F/4.5 Astronomical Telescope: Can We Compete With the Ritchey-Chretien Design? (Mehdi Bahrami, Alexander V. Goncharov, and Christopher Dainty, International Optical Design Conference 2010)

上述のように非球面を用いることが製作を困難にしているので球面のみで構成できれば良い。

非特許文献１のＢａｈｒａｍｉ等の論文ではこの問題を回避するため球面のみの望遠鏡が検討されている。この論文では、地上で使われる望遠鏡は大気の揺らぎにより像がぼけるため、大気の揺らぎで決まる像のぼけ量程度に収差が補正されていれば良いとし、通常必要となる回折限界の性能が出ていない。

また、副鏡が平面鏡であり全長が十分に小型になっていないという問題もある。

特許文献１は、凸面鏡である副鏡の非球面の製作の困難性に言及しており球面化しているが、主鏡は非球面としている。望遠鏡は口径が大きいほど分解能が高くなるため、主鏡は年々大型化する傾向がある。非球面の加工は、大型になるほど困難性が増すので主鏡が非球面のままでは加工の困難性が回避されたとは言い難い。

非特許文献１、特許文献１、２及び３には副鏡と像面の間に配置される補正光学系も示されている。しかし、いずれも非球面の反射鏡と組み合わせて用いられており反射鏡の球面化には十分とは言えない。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、反射鏡が球面のみからなり、カセグレン・タイプを採用し小型で、回折限界を満足する高性能なカタディオプトリック光学系を提供することを目的とする。

本発明のカタディオプトリック光学系は、物体側から、光の通る順に、物体側に凹面を向けた球面の凹面鏡からなる主鏡部、前記主鏡部に対し物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡を持つ副鏡部、前記副鏡部と像面との間に配置され拡大倍率を持つ屈折部からなり、前記副鏡部は、前記凸面鏡の像側に配置され、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズと、前記凸平またはメニスカスの正レンズと間隔を隔てて配置され、像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズとからなり、前記正レンズ及び前記負レンズには、前記主鏡部からの光線が通過後、前記凸面鏡で反射した光線が再度通過することを特徴としている。

本発明によれば、反射鏡が２面とも球面であり、そのため製作や測定が非球面に比べて容易で、その結果製作費も安く抑えられた、焦点距離に対し小型で、回折限界の性能を持つカタディオプトリック光学系が得られる。

実施例１の光路図である。実施例１のレンズ断面図である。実施例１の球面収差図である。実施例１の非点収差図である。実施例１のディストーション図である。実施例２のレンズ断面図である。実施例２の球面収差図である。実施例２の非点収差図である。実施例２のディストーション図である。実施例３のレンズ断面図である。実施例３の球面収差図である。実施例３の非点収差図である。実施例３のディストーション図である。実施例４のレンズ断面図である。実施例４の球面収差図である。実施例４の非点収差図である。実施例４のディストーション図である。本発明の撮像装置の概略図である。本発明の光学系を搭載する人工衛星の概略図である。

以下、図面を用いて本発明のカタディオプトリック光学系の実施例について説明する。

本発明のカタディオプトリック光学系は、物体側に凹面を向けた凹球面鏡からなる主鏡部と、主鏡の物体側に配置され、主鏡から反射してきた光を像面側に折り返す副鏡部Ｍｓと、副鏡部と像面の間に配置され、主鏡と副鏡部での残存収差を補正する屈折部Ｄ１を有する。

副鏡部Ｍｓは物体側から順に像面側に凸面を向けた凸球面鏡である副鏡と物体側に凸面を向けた凸平または正メニスカスレンズのＬ１と、像側に凹面を向けた平凹または負メニスカスレンズのＬ２からなる。

また、副鏡部Ｍｓは主鏡Ｍ１から反射してきた光が像側から物体側に向けて通り、副鏡Ｍｓで反射され再び２枚のレンズを光が物体側から像側に向けて通過するので、副鏡部Ｍｓの２枚のレンズは光が往復で通過することになる。

屈折部Ｄ１は拡大倍率を有し、屈折部Ｄ１内の最大間隔で前群Ｄｆと後群Ｄｒに分けられ、前群Ｄｆは少なくとも１枚の正レンズからなり、後群Ｄｒは負レンズと正レンズからなる。後群Ｄｒの負レンズと正レンズは異なる光学材料からなる。

図１は、本発明の実施例１のカタディオプトリック光学系の光路図である。
本発明は所謂カセグレン・タイプを採用しているので光は２度折り返される。このときの光の通過経路を説明するためのものである。

物体からの光は主鏡Ｍ１で反射され物体側に折り返される。主鏡Ｍ１で折り返され物体側に向かう光は、まず副鏡部Ｍｓの平凹または負メニスカスレンズＬ２に入射し、次に凸平または正メニスカスレンズＬ１を通過し、凸面鏡である副鏡Ｍ２で再び反射され像側に折り返される。

副鏡Ｍ２で像側に折り返された光は、再び凸平または正メニスカスレンズＬ１、平凹または負メニスカスレンズＬ２の順に通過する。このため、副鏡部Ｍｓの正レンズＬ１と負レンズＬ２は往復で光が２度通過することになる。副鏡部Ｍｓを出た光は副鏡部Ｍｓと像面の間に配置された屈折部Ｄ１を通り像面に至る。

以下、他の実施例も、光は同様の経路を通る。
図２は、本発明の実施例１の光学系の光学配置の説明図である。図においてＭ１が主鏡、Ｍ２が副鏡、Ｌ１、Ｌ２が副鏡部のレンズ、Ｌ３からＬ８が屈折部であり、Ｌ３からＬ６が前群、Ｌ７、Ｌ８が後群である。

主鏡Ｍ１は球面からなる凹面鏡である。副鏡Ｍ２は球面からなる凸面鏡である。実施例１では屈折部はＬ３からＬ８までの６枚のレンズからなっている。更に前群は正レンズのＬ３、正レンズのＬ４、負レンズのＬ５、負レンズのＬ６からなっている。後群は負レンズのＬ７、正レンズのＬ８からなっている。

図３は実施例１における球面収差図でｄ−Ｌｉｎｅ、Ｃ−Ｌｉｎｅ、ｇ−Ｌｉｎｅの各スペクトルの球面収差を示している。図４は実施例１におけるｄ−Ｌｉｎｅでの非点収差図である。点線がタンジェンシャル、実線がサジタルの像面を示す。図５は実施例１におけるｄ−Ｌｉｎｅでのディストーションを示している。

図６は、本発明の実施例２の光学系の光学配置の説明図である。図においてＭ１が主鏡、Ｍ２が副鏡、Ｌ１、Ｌ２が副鏡部のレンズ、Ｌ３からＬ７が屈折部であり、Ｌ３からＬ５が前群、Ｌ６、Ｌ７が後群である。主鏡Ｍ１は球面からなる凹面鏡である。

副鏡Ｍ２は球面からなる凸面鏡である。実施例２では屈折部はＬ３からＬ７までの５枚のレンズからなっている。更に前群は正レンズのＬ３、負レンズのＬ４、負レンズのＬ５からなっている。後群は負レンズのＬ６、正レンズのＬ７からなっている。

図７は実施例２における球面収差図でｄ−Ｌｉｎｅ、Ｃ−Ｌｉｎｅ、ｇ−Ｌｉｎｅの各スペクトルの球面収差を示している。図８は実施例２におけるｄ−Ｌｉｎｅでの非点収差図である。点線がタンジェンシャル、実線がサジタルの像面を示す。図９は実施例２におけるｄ−Ｌｉｎｅでのディストーションを示している。

図１０は、本発明の実施例３の光学系の光学配置の説明図である。図においてＭ１が主鏡、Ｍ２が副鏡、Ｌ１、Ｌ２が副鏡部のレンズ、Ｌ３からＬ６が屈折部であり、Ｌ３、Ｌ４が前群、Ｌ５、Ｌ６が後群である。主鏡Ｍ１は球面からなる凹面鏡である。副鏡Ｍ２は球面からなる凸面鏡である。

実施例３では屈折部はＬ３からＬ６までの４枚のレンズからなっている。更に前群は正レンズのＬ３、負レンズのＬ４からなっている。後群は負レンズのＬ５、正レンズのＬ６からなっている。

図１１は実施例３における球面収差図でｄ−Ｌｉｎｅ、Ｃ−Ｌｉｎｅ、ｇ−Ｌｉｎｅの各スペクトルの球面収差を示している。図１２は実施例３におけるｄ−Ｌｉｎｅでの非点収差図である。点線がタンジェンシャル、実線がサジタルの像面を示す。図１３は実施例３におけるｄ−Ｌｉｎｅでのディストーションを示している。

図１４は、本発明の実施例４の光学系の光学配置の説明図である。図においてＭ１が主鏡、Ｍ２が副鏡、Ｌ１、Ｌ２が副鏡部のレンズ、Ｌ３からＬ５が屈折部であり、Ｌ３が前群、Ｌ４、Ｌ５が後群である。主鏡Ｍ１は球面からなる凹面鏡である。副鏡Ｍ２は球面からなる凸面鏡である。

実施例４では屈折部はＬ３からＬ５までの３枚のレンズからなっている。更に前群は正レンズのＬ３からなっている。後群は負レンズのＬ４、正レンズのＬ５からなっている。

図１５は実施例４における球面収差図でｄ−Ｌｉｎｅ、Ｃ−Ｌｉｎｅ、ｇ−Ｌｉｎｅの各スペクトルの球面収差を示している。図１６は実施例４におけるｄ−Ｌｉｎｅでの非点収差図である。点線がタンジェンシャル、実線がサジタルの像面を示す。図１７は実施例４におけるｄ−Ｌｉｎｅでのディストーションを示している。

本発明のカタディオプトリック光学系は、例えば撮像装置や、人工衛星に搭載され地球や他の天体を撮像する装置などの光学機器に適用可能である。

本発明は、カセグレン・タイプの光学系を採用し、その主鏡、副鏡を両方とも球面として、製造を容易にしたことで低コスト化を図りつつ、副鏡部を構成する副鏡レンズ群に関して、最も物体側に配置された副鏡は像側に凸面を向けた球面とし、この副鏡の像側に、物体側に凸面を向けた凸平、または、正メニスカスレンズを第１レンズとして配置し、更に第１レンズの像側に、像側に凹面を向けた平凹、または、負メニスカスレンズを第２レンズとして配置することで、球面鏡で発生する球面収差とコマを補正し、また、このようなレンズ構成の副鏡部と像面との光路間に、拡大倍率を持つ屈折部を配置することで、主に画角に伴って発生する非点収差等を補正し、同時に、主鏡部と副鏡部で形成される光学系を縮小して全体の光学系の更なる小型化を図りつつ、所望の回折限界を満足する高性能なカタディオプトリック光学系を実現するものである。

上述のように本発明は、主鏡、副鏡とも球面で構成している。そのため主鏡、副鏡で球面収差が大きく発生する。この球面収差を補正するため、副鏡部Ｍｓに正、負、２枚のレンズＬ１、Ｌ２を配置している。そして、この２枚のレンズの形状をそれぞれ、Ｌ１は物体側に凸面を向けた凸平、または正メニスカスレンズ、Ｌ２は像側に凹面を向けた平凹、または負メニスカスレンズとしている。

これは球面収差を補正するための配置と形状で、比較的Ｆｎｏ．が小さく明るい主鏡Ｍ１の負の球面収差をＬ２の像側凹面の正の球面収差で補正している。更にＬ１と組み合わせることでコマも補正している。

副鏡部Ｍｓのレンズは往復で２回光が通過するが主鏡Ｍ１からの光線の球面収差とコマを補正した後、副鏡Ｍ２で反射され折り返された光が再びＬ１、Ｌ２を通過するとき余計な収差を発生しないように、副鏡Ｍ２で反射して集光する光の焦点に対してコンセントリックに近い形状をとっている。

これにより、副鏡部ＭｓのレンズＬ１、Ｌ２は主鏡Ｍ１からの光が通過するときは大きな正の球面収差で主鏡Ｍ１の収差を補正しながら副鏡Ｍ２からの光が通過するときは比較的小さな収差しか発生せずトータルで主鏡Ｍ１と副鏡Ｍ２の収差を補正している。更に詳しくは、Ｌ１、Ｌ２の各レンズは以下の条件を満足すような形状を持つことが好ましい。

１．０＜ＳＦｐ＜５．０・・・（３）
−５．０＜ＳＦｎ＜ −１．０・・・（４）
−０．５＜ＳＦｐ＋ＳＦｎ＜０．５・・・（５）

ただし上記のＳＦはシェイプファクターであり、レンズの物体側の曲率半径をｒ１、像側の曲率半径をｒ２とするとき以下の式で表される。
ＳＦ＝（ｒ２＋ｒ１）／（ｒ２−ｒ１）

条件式（３）のＳＦｐは正レンズであるＬ１のシェイプファクター示す。条件式（４）のＳＦｎは負レンズであるＬ２のシェイプファクターを示す。条件式（５）はＬ１とＬ２のシェイプファクターの和である。

条件式（３）の下限を越えるとＬ１の形状が両凸レンズになってしまい副鏡Ｍ２を反射した後の復路の光束でＬ１の像側面で正の球面収差を発生してしまい全系の球面収差を適切に留めることが出来なくなる。

また、条件式（３）の上限を越えると曲率が強くなり過ぎ、主鏡Ｍ１と副鏡部Ｍｓからなる系の焦点に対するコンセントリックから離れすぎてしまい負の球面収差を発生し、やはり全系の球面収差を適切に留めることが出来なくなってしまう。

条件式（４）の上限を越えるとＬ２の形状が両凹レンズとなってしまい副鏡Ｍ２を反射した後の復路の光束でＬ２の物体側面で正の球面収差を発生してしまい全系の球面収差を適切に留めることが出来なくなる。

条件式（４）の下限を越えると曲率が強くなり過ぎ、主鏡Ｍ１と副鏡部Ｍｓからなる系の焦点に対するコンセントリックから離れすぎてしまい負の球面収差を発生し、やはり全系の球面収差を適切に留めることが出来なくなってしまう。

条件式（５）はＬ１とＬ２、両方の形状を規定し、両レンズのシェイプファクターの和が０付近にあるということを表す。これはＬ１の物体側面とＬ２の像側面、つまりＬ１とＬ２の外側の面とＬ１とＬ２の間の内側の面がそれぞれ近い曲率を持つことを表す。

つまり、Ｌ１とＬ２は合わせるとパワーの弱いメニスカスレンズの様な形状になる。球面主鏡の物体側に、物体側に凹面を向けたパワーの弱いメニスカスレンズを持つ、所謂マクストフ光学系で一般に知られているようにパワーの弱いメニスカスレンズは凹球面鏡と反対の球面収差とコマを持つ。

本発明でもこれと同じ原理で球面鏡の球面収差を補正している。しかし、パワーの弱いメニスカスレンズはＺ値が小さく心取りが難しい。また、球面収差とコマの補正も十分とは言えない。そこで、本発明ではパワーの弱いメニスカスレンズを正メニスカスレンズと負メニスカスレンズの２つに分割している。

これにより、パワーの弱いメニスカスレンズの製作の困難さを避け、また、２つのレンズの内側面の曲率と材料の自由度により、球面収差とコマを高度に補正することが出来たものである。

条件式（５）の上下限のどちらを外れても、同心メニスカスの条件から離れてしまいＬ１、Ｌ２の外側面、または内側面、またはすべての面から球面収差とコマを発生し、全系の収差を適切に留めることが出来なくなる。

更に各実施例は副鏡部Ｍｓと像面の間に配置された屈折部Ｄ１を持っている。この屈折部Ｄ１は、主鏡Ｍ１と副鏡部Ｍｓで球面収差とコマを補正した後、残りの、主に画角に対して発生する非点収差と像面湾曲を補正する視野補正系として働いている。

屈折部Ｄ１は各実施例で異なるレンズ枚数で構成されているが全系の像面の収差を補正し且つ色収差を補正しようとすると最低３枚は必要になる。

さらに屈折部Ｄ１は拡大倍率を持つことで、必要な焦点距離にたいして主鏡Ｍ１と副鏡部Ｍｓからなる系を縮小でき、全長の小型化にも寄与している。このため屈折部Ｄ１は次の条件式（１）を満足する。
１．０＜Ｍｄ＜１．５・・・（１）

条件式（１）のＭｄは屈折部Ｄ１の倍率を表し、条件式の下限は拡大倍率という意味でこれを下回ると全長を小さくする効果がなくなり、むしろ大きくなってしまう。条件式の上限を越えて倍率が高くなると主鏡Ｍ１と副鏡部Ｍｓからなる系の焦点距離が短くなりＦｎｏ．が小さくなってしまい球面収差等の発生が大きくなり過ぎ、全系の収差を適切に留めることが出来なくなる。また、屈折部Ｄ１もパワーが強くなり色収差等が発生してしまい全系の収差を保てなくなる。

更に屈折部Ｄ１は屈折部内の最大間隔で前群Ｄｆ、後群Ｄｒに分けられる。前群Ｄｆは少なくとも１枚の正レンズからなり、後群Ｄｒは少なくとも負レンズと正レンズからなる。この後群Ｄｒも拡大倍率を持ち、望遠タイプのように全長を小さくし、全系の全長を小さくすることに寄与している。

実際には副鏡部Ｍｓからの収束光束中に置かれているため、平行光束に対する一般的な望遠タイプとはやや異なるが、前群Ｄｆからの収束光を後群Ｄｒで拡大するので望遠タイプと同様に全長が小さくなる。

前群Ｄｆは副鏡部Ｍｓからの光束を収束させるので少なくとも１枚の正レンズを持たなければならない。後群は拡大倍率を持ち負レンズ系となるが倍率がやや高い場合もあり、色収差補正等を考えると少なくとも１枚の負レンズと１枚の正レンズが必要となる。ここで後群Ｄｒは以下の条件式（２）を満足する。
１．０５＜Ｍｒ＜４．０・・・（２）

条件式（２）のＭｒは後群Ｄｒの倍率を表し、条件式（２）の下限を越えて倍率が小さくなると全長を小さくする効果が無くなってしまう。条件式（２）の上限を越えて倍率が大きくなると、後群Ｄｒのパワーが強くなり過ぎ、色収差等の全系の収差を適切に保てなくなる。

ここで、色収差を補正するためには後群Ｄｒの材料を以下の条件を満足するように選ぶと良い。
１．０＜Ｖｄｐ - Ｖｄｎ＜２０・・・（６）

ここで、Ｖｄｐは後群Ｄｒの正レンズのアッベ数、Ｖｄｎは負レンズのアッベ数を表す。例えば特開２０１６−３５４９９号公報では、レンズ３枚からなる補正光学系を同一硝材としている。しかし、主なパワーを反射鏡が担っているとはいえ、実際には可視光域で使えるようにするためには、わずかでもアッベ数の異なる材料を組み合わせなければ色収差を十分に補正することはできない。

条件式（６）の下限を越えてアッベ数の差が小さくなると色消しにならず、Ｃ−Ｌｉｎｅからｇ−Ｌｉｎｅまでの幅が大きくなり過ぎ回折限界の性能を満足できなくなる。条件式（６）の上限を越えてアッベ数の差が大きくなると色収差が過剰補正となってしまう。

ここまで説明したように屈折部Ｄ１を構成すれば回折限界の性能を満足する光学系が得られるが、各実施例は屈折部Ｄ１のレンズ枚数が異なり、実際には収差補正の程度は異なる。レンズ枚数が減ると、やはり収差補正能力は下がり、その分を主鏡Ｍ１と副鏡部Ｍｓからなる系で発生する収差を小さくしておきたい。

具体的には屈折部Ｄ１のレンズ枚数が減るにつれ、わずかずつ主鏡Ｍ１の焦点距離を長くしＦｎｏ．を大きくすることによって主鏡Ｍ１で発生する球面収差を小さくしている。しかし、そのままでは主鏡Ｍ１の焦点距離を長くした分全長が長くなってしまうので副鏡部Ｍｓの負レンズＬ２とＬ１の間隔を大きくして主鏡Ｍ１とＬ２で望遠系を構成し全長を抑えている。同時にＬ２への入射高さを高くしＬ２で発生する正の球面収差を大きくし全系の球面収差を抑えている。

この条件を表したものが以下の条件式（７）である。
−０．０１６Ｎ＋０．１１２＜ｄ／Ｌ＜−０．０１６Ｎ＋０．１２８・・・（７）

副鏡部ＭｓのレンズＬ１とＬ２の間隔ｄを副鏡部Ｍｓの負レンズＬ２の凹面から屈折部Ｄ１の最も物体側の面の頂点までの間隔Ｌで割ったものである。Ｎは屈折部Ｄ１のレンズ枚数である。

条件式（７）の下限を越えるとＬ１とＬ２の間隔が小さくなり主鏡Ｍ１と合わせた望遠系のＬ２の倍率が小さくなり全長を抑える効果が小さくなり、全長が大きくなってしまう。また、Ｌ２の像側凹面への入射高さが低くなり球面収差の補正効果が小さくなってしまい全系の収差を適切に留めることが出来なくなる。

条件式（７）の上限を越えると、Ｌ２の像側凹面への入射高さが大きくなり過ぎ正の球面収差が発生し全系の球面収差を適切に留めることが出来なくなってしまう。

以下、各実施例における光学系の構成について説明する。
実施例１は物体側から、光の通る順に物体側に凹面を向けた球面鏡Ｍ１と、主鏡の物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡Ｍ２と２枚のレンズを持つ副鏡部Ｍｓ、副鏡部Ｍｓと像面の間に配置され拡大倍率を持つ屈折部Ｄ１からなり、副鏡部Ｍｓは凸面鏡の像側に、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズＬ１、間隔を隔てて配置され像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズＬ２からなる。

正レンズＬ１、負レンズＬ２の形状は条件式（３）、（４）および（５）を満足しており、これにより球面鏡である主鏡Ｍ１と副鏡Ｍ２で発生する球面収差とコマを良好に補正している。また、正レンズＬ１と負レンズＬ２の間隔ｄは条件式（７）を満足しており、これにより屈折部Ｄ１の構成にかかわらず全長の小型化と回折限界の性能を達成している。

屈折部Ｄ１は屈折部Ｄ１内の最大レンズ間隔で分けられた前群Ｄｆと後群Ｄｒからなる。前群Ｄｆは物体側から順に、正レンズのＬ３、正レンズのＬ４，負レンズのＬ５、負レンズのＬ６からなり、後群Ｄｒは物体側から順に、負レンズのＬ７、正レンズのＬ８から構成されている。

これらの構成により、主に画角に伴って発生する非点収差、像面湾曲を補正し、回折限界の性能を満足している。屈折部Ｄ１は拡大倍率を持ち、条件式（１）を満足しており、それにより光学系の全長を短くする効果を得ている。更に後群Ｄｒの倍率は条件式（２）を満足しており、これにより光学系の全長を小さく保っている。

後群Ｄｒを構成する負レンズＬ７と正レンズＬ８は異なる材料からなり、そのアッベ数は条件式（６）を満足しており、全系の色収差等を良好に保っている。

実施例２は物体側から、光の通る順に物体側に凹面を向けた球面鏡Ｍ１と、主鏡の物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡Ｍ２と２枚のレンズを持つ副鏡部Ｍｓ、副鏡部Ｍｓと像面の間に配置され拡大倍率を持つ屈折部Ｄ１からなり、副鏡部Ｍｓは凸面鏡の像側に、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズＬ１、間隔を隔てて配置され像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズＬ２からなる。

屈折部Ｄ１は屈折部Ｄ１内の最大レンズ間隔で分けられた前群Ｄｆと後群Ｄｒからなる。前群Ｄｆは物体側から順に、正レンズのＬ３、負レンズのＬ４，負レンズのＬ５からなり、後群Ｄｒは物体側から順に、負レンズのＬ６、正レンズのＬ７から構成されている。

これらの構成により、主に画角に伴って発生する非点収差、像面湾曲を補正し、回折限界の性能を満足している。屈折部Ｄ１は拡大倍率を持ち、条件式（１）を満足しており、それにより光学系の全長を短くする効果を得ている。

更に後群Ｄｒの倍率は条件式（２）を満足しており、これにより光学系の全長を小さく保っている。後群Ｄｒを構成する負レンズＬ６と正レンズＬ７は異なる材料からなり、そのアッベ数は条件式（６）を満足しており、全系の色収差等を良好に保っている。

実施例３は物体側から、光の通る順に物体側に凹面を向けた球面鏡Ｍ１と、主鏡の物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡Ｍ２と２枚のレンズを持つ副鏡部Ｍｓ、副鏡部Ｍｓと像面の間に配置され拡大倍率を持つ屈折部Ｄ１からなり、副鏡部Ｍｓは凸面鏡の像側に、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズＬ１、間隔を隔てて配置され像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズＬ２からなる。

屈折部Ｄ１は屈折部Ｄ１内の最大レンズ間隔で分けられた前群Ｄｆと後群Ｄｒからなる。前群Ｄｆは物体側から順に、正レンズのＬ３、負レンズのＬ４からなり、後群Ｄｒは物体側から順に、負レンズのＬ５、正レンズのＬ６から構成されている。

更に後群Ｄｒの倍率は条件式（２）を満足しており、これにより光学系の全長を小さく保っている。後群Ｄｒを構成する負レンズＬ５と正レンズＬ６は異なる材料からなり、そのアッベ数は条件式（６）を満足しており、全系の色収差等を良好に保っている。

実施例４は物体側から、光の通る順に物体側に凹面を向けた球面鏡Ｍ１と、主鏡の物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡Ｍ２と２枚のレンズを持つ副鏡部Ｍｓ、副鏡部Ｍｓと像面の間に配置され拡大倍率を持つ屈折部Ｄ１からなり、副鏡部Ｍｓは凸面鏡の像側に、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズＬ１、間隔を隔てて配置され像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズＬ２からなる。

屈折部Ｄ１は屈折部Ｄ１内の最大レンズ間隔で分けられた前群Ｄｆと後群Ｄｒからなる。前群Ｄｆは物体側から順に、正レンズのＬ３からなり、後群Ｄｒは物体側から順に、負レンズのＬ４、正レンズのＬ５から構成されている。

更に後群Ｄｒの倍率は条件式（２）を満足しており、これにより光学系の全長を小さく保っている。後群Ｄｒを構成する負レンズＬ４と正レンズＬ５は異なる材料からなり、そのアッベ数は条件式（６）を満足しており、全系の色収差等を良好に保っている。

図１８は本発明の光学系を撮像装置として用いた場合を示している。像面には、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の、光学系によって形成される像を受光する固体撮像素子（光電変換素子）や銀塩フィルムが配置される。実施例１から４にて説明した利益は本実施例に開示したような撮像装置において効果的に享受される。

また、図１９は本発明の光学系を撮像装置として人工衛星に搭載した場合を示している。本発明の光学系を撮像装置に適用したものを、宇宙空間から地球や他の天体を観察、撮像する人工衛星に搭載しても良い。実施例１から４にて説明した利益は人工衛星に搭載した場合においても効果的に享受される。

本発明の光学系を人工衛星に搭載する場合には、主鏡Ｍ１、副鏡Ｍ２の材料に低熱膨張材料を選ぶとよい。宇宙では空気が無いため太陽に照らされた場合と太陽が当たらない場合で大きな温度差が起こるため、温度変化でミラーが変形すればピントずれや収差が変化して求める性能が得られない場合が生じてしまう。具体的には線膨張係数が１０×１０＾−６以下が望ましい。

また、本発明の光学系を人工衛星に搭載する場合には、副鏡部Ｍｓ中のレンズＬ１、Ｌ２や、屈折部Ｄ１に、比較的低屈折率材料を選ぶとよい。宇宙では地球上よりも放射線の強度が強く、通常のガラスはガンマ線などの放射線を浴び続けると着色してしまうことが知られている。これにより人工衛星の耐用時間が短くなってしまう。

これを避けるには耐放射線ガラスを用いればよいが特殊用途のため、通常の光学ガラスに比べて種類が少ない。しかも、ガラスの屈折率−アッベ数マップの所謂日本海側には屈折率の低い硝材が多い。そこで、より具体的には屈折率が１．７以下の材料を選んで設計することが望ましい。特に直接宇宙空間に曝される副鏡部Ｍｓ中のレンズと屈折部Ｄ１の最も物体側のレンズを低い屈折率にすることが必要である。

以上、本発明の好ましいズームレンズの実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されないことは言うまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

以下に実施例１乃至４に対応する数値実施例を示す。各数値実施例においてｉは物体面からの面の順番を示す。数値実施例においてＲはレンズ面の曲率半径、Ｄはレンズ厚及びレンズ間隔、ＮｄとＶｄは各々レンズの材料のｄ−Ｌｉｎｅにおける屈折率とアッベ数である。

尚、以下に記載する数値実施例１から４のレンズデータに基づく、各条件式の計算結果を表５に示す。

＜実施例１＞

＜実施例２＞

＜実施例３＞

＜実施例４＞

Claims

物体側から、光の通る順に、
物体側に凹面を向けた球面の凹面鏡からなる主鏡部、
前記主鏡部に対し物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡を持つ副鏡部、
前記副鏡部と像面との間に配置され拡大倍率を持つ屈折部
からなり、
前記副鏡部は、
前記凸面鏡の像側に配置され、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズと、
前記凸平またはメニスカスの正レンズと間隔を隔てて配置され、像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズと
からなり、
前記正レンズ及び前記負レンズには、前記主鏡部からの光線が通過後、前記凸面鏡で反射した光線が再度通過することを特徴とするカタディオプトリック光学系。
前記屈折部は、前記屈折部内における最大レンズ間隔で隔てられた前群と後群からなり、前記前群は少なくとも１枚の正レンズを含み、前記後群は少なくとも負レンズと正レンズからなることを特徴とする請求項１に記載のカタディオプトリック光学系。
前記屈折部の拡大倍率をＭｄとすると、
１．０＜Ｍｄ＜１．５
を満足することを特徴とする請求項１または２に記載のカタディオプトリック光学系。
前記屈折部の前記後群の倍率をＭｒとすると、
１．０５＜Ｍｒ＜４．０
を満足することを特徴とする請求項２に記載のカタディオプトリック光学系。
物体側から、光の通る順に、
物体側に凹面を向けた球面の凹面鏡からなる主鏡部、
前記主鏡部に対し物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡を持つ副鏡部、
前記副鏡部と像面との間に配置され拡大倍率を持つ屈折部
からなり、
前記副鏡部は、
前記凸面鏡の像側に配置され、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズと、
前記凸平またはメニスカスの正レンズと間隔を隔てて配置され、像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズと
からなり、
レンズの物体側の曲率半径をｒ１、像側の曲率半径をｒ２とするとき、
ＳＦ＝（ｒ２＋ｒ１）／（ｒ２−ｒ１）
で表されるシェイプファクターＳＦに対し、
前記副鏡部の正レンズのシェイプファクターをＳＦｐ、負レンズのシェイプファクターをＳＦｎとすると、
１．０＜ＳＦｐ＜５．０
−５．０＜ＳＦｎ＜ −１．０
−０．５＜ＳＦｐ＋ＳＦｎ＜０．５
を満足することを特徴とするカタディオプトリック光学系。
物体側から、光の通る順に、
物体側に凹面を向けた球面の凹面鏡からなる主鏡部、
前記主鏡部に対し物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡を持つ副鏡部、
前記副鏡部と像面との間に配置され拡大倍率を持つ屈折部
からなり、
前記副鏡部は、
前記凸面鏡の像側に配置され、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズと、
前記凸平またはメニスカスの正レンズと間隔を隔てて配置され、像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズと
からなり、
前記屈折部は、前記屈折部内における最大レンズ間隔で隔てられた前群と後群からなり、前記前群は少なくとも１枚の正レンズを含み、前記後群は少なくとも負レンズと正レンズからなり、
前記屈折部の後群の負レンズのアッベ数をＶｄｎ、正レンズのアッベ数をＶｄｐとすると、
１．０＜Ｖｄｐ − Ｖｄｎ＜２０
を満足することを特徴とするカタディオプトリック光学系。
物体側から、光の通る順に、
物体側に凹面を向けた球面の凹面鏡からなる主鏡部、
前記主鏡部に対し物体側に配置され像側に凸面を向けた球面の凸面鏡を持つ副鏡部、
前記副鏡部と像面との間に配置され拡大倍率を持つ屈折部
からなり、
前記副鏡部は、
前記凸面鏡の像側に配置され、物体側に凸面を向けた凸平またはメニスカスの正レンズと、
前記凸平またはメニスカスの正レンズと間隔を隔てて配置され、像側に凹面を向けた平凹またはメニスカスの負レンズと
からなり、
前記屈折部のレンズ枚数をＮ、前記副鏡部の正、負レンズの間隔をｄ、前記副鏡部の負レンズの凹面から前記屈折部の最も物体側の面の頂点までの間隔をＬとすると、
ｄ／Ｌは、
−０．０１６Ｎ＋０．１１２＜ｄ／Ｌ＜−０．０１６Ｎ＋０．１２８
を満足することを特徴とするカタディオプトリック光学系。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のカタディオプトリック光学系と、前記カタディオプトリック光学系によって形成される像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のカタディオプトリック光学系を搭載した人工衛星であって、
前記副鏡部と、前記屈折部の最も物体側のレンズの屈折率が１．７以下であることを特徴とする人工衛星。