JP2002214530A

JP2002214530A - 軸外し反射光学系

Info

Publication number: JP2002214530A
Application number: JP2001011888A
Authority: JP
Inventors: Hironobu Sakuta; 博伸作田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2002-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】諸収差が良好に補正されたマルチバンド観測用
の軸外し反射光学系を提供すること。【解決手段】中央部に光通過部ＡＰ１を有する凹面の第
１反射鏡１０１と、第１反射鏡１０１よりも物体側に配
置され、第１反射鏡１０１により反射された物体からの
光を反射して、第１反射鏡１０１の光通過部ＡＰ１を通
過させて物体の中間像を形成する凸面の第２反射鏡１０
２と、第1反射鏡１０1と第２反射鏡１０２により結像さ
れた中間像を最終像面１０６に再結像させる凹面の第３
反射鏡１０４とを有する軸外し反射光学系において、中
間像と第３反射鏡１０４との間の光路中に折返し反射鏡
１０３をさらに有し、前記最終像面１０６には複数の１
次元センサＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３，ＬＳ４を並列に配
置し、前記複数のラインセンサの位置に対応して、折返
し反射鏡１０３の反射面には複数の帯状のバンドパス反
射膜ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３，ＢＰ４が形成されてい
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、反射光学系、特
に、地表面等の２次元画像を、複数の観測波長域で取得
するために好適な軸外し反射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】人工衛星から地表面を観測する方式とし
て、光学系の像面に１次元ラインセンサを配置し、この
ラインセンサの長手方向と直交する方向に人工衛星を移
動することで地表面の２次元画像を得る、いわゆるプッ
シュブルーム方式がある。観測波長域が広帯域のパンク
ロマチックバンドの場合は、１つのラインセンサが設け
られる。これに対して、分光反射特性を観測するマルチ
バンドの場合には、複数の観測波長域に対応して複数の
ラインセンサが設けられている。

【０００３】また、人工衛星に搭載されるカメラは、色
収差や温度条件等の利点から多くの場合は反射光学系が
採用されている。さらに、近年の地球観測用の光学系に
は広角かつ高分解能が要求されることが多い。このよう
な光学系は、例えば、米国特許第４，１０１，１９５号
公報に提案されている。

【０００４】図６は、上記公報に開示されている３枚の
反射鏡からなる光学系の構成を示す図である。不図示の
物体からの略平行光は、凹面の１次鏡１に入射する。１
次鏡１で反射された光は凸面の２次鏡２に入射する。２
次鏡２で反射された光は、１次鏡の中央に形成されてい
る開口部ＡＰを通過して物体の中間像を形成する。次
に、折返し鏡３は、中間像からの光を３次鏡４の方向へ
偏向する。そして、３次鏡４は、物体の最終像を１次元
ラインセンサ５上に形成する。このように、１次鏡１と
２次鏡２とで構成されるテレフォト部に凹面の３次鏡４
を組合せた基本構成を有している。

【０００５】また、この光学系では、球面収差，コマ収
差，非点収差などの諸収差を補正するために、３枚の反
射鏡は非球面を採用している。各非球面の形状は、１次
鏡１と３次鏡４とが回転楕円面、２次鏡２は回転双曲面
である。なお、光軸上の光束を考えた場合、３次鏡４で
折り返された像点は、３次鏡４に入射する光束と光軸上
で重なり合ってしまう。このため、光軸から僅かに傾い
た光束を利用し、光軸から離れた像面位置に１次元ライ
ンセンサ５を配置する、いわゆる軸外し系とすることで
光束がケラレないように構成される。

【０００６】上記光学系では、ペッツヴァール和を小さ
くできるため、像面の平坦性に優れている。また、広画
角・高分解能を達成できる代表的な反射光学系である。
さらに、光学系の径方向のサイズは、１次鏡１の大きさ
で略決定される。また、折返し鏡３を配置することで光
学系の全長を短くすることができる。このため、他のタ
イプの３枚反射鏡光学系に比べて光学系全体がコンパク
トに構成できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の反射光
学系は、物体（例えば、地表面）からの光を色分解する
ことを想定していない。このため、観測波長域が広帯域
の、いわゆるパンクロマチックバンドで採用されてい
る。これに対して、地表面の複数の観測波長域の分光反
射特性を観測する、いわゆるマルチバンドの観測を行う
場合がある。マルチバンドで観測する場合の光学系は、
一般にダイクロイックプリズムやバンドパスフィルタ等
の屈折光学素子を利用して色分解するため、そこで発生
する色収差を主に補正するレンズを有したカタジオプト
リック（反射屈折）系が採用されることが多い。従来技
術のような反射光学素子により構成された光学系による
マルチバンド観測は上述のような問題から容易ではなか
った。

【０００８】また、上記従来技術の反射鏡光学系は、構
成要素が３枚の反射系であるためザイデルの５収差（球
面収差・コマ収差・非点収差・像面湾曲・歪曲収差）の
全てを補正することは原理的に不可能である。特に、歪
曲収差が大きく残留してしまう問題がある。このため、
地表のフットプリント、すなわち１次元ラインセンサの
地表面投影像に歪みが生じる。このため、画像の歪みに
対しては信号処理による補正を行っている。

【０００９】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、諸収差が良好に補正され、全て反射光学素子に
より構成されたマルチバンド観測用の軸外し反射光学系
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段を、実施の形態を示す添付図面に対応づけて説明
すると、本発明は、中央部に第１光通過部ＡＰ１を有す
る凹面の第１反射鏡１０１と、前記第１反射鏡１０１よ
りも物体側に配置され、前記第１反射鏡１０１により反
射された前記物体からの光を反射して、前記第１反射鏡
１０１の前記第１光通過部ＡＰ１を通過させて前記物体
の中間像を形成する凸面の第２反射鏡１０２と、前記第
１反射鏡１０１と前記第２反射鏡１０２により結像され
た中間像を最終像面１０６に再結像させる凹面の第３反
射鏡１０４とを有する軸外し反射光学系において、前記
中間像と前記第３反射鏡１０４との間の光路中に折返し
反射鏡１０３をさらに有し、前記最終像面１０６には複
数の１次元センサＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３，ＬＳ４を並
列に配置し、各１次元ラインセンサの位置に対応して、
前記折返し反射鏡１０３の反射面には複数の帯状のバン
ドパス反射膜ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３，ＢＰ４が形成さ
れていることを特徴とする軸外し反射光学系を提供す
る。

【００１１】また、本発明の好ましい態様によれば、前
記最終像面１０６の近傍に非球面光学素子２０５をさら
に有することが望ましい。なお、本発明の構成を説明す
る上記課題を解決するための手段の項では、本発明を分
かり易くするために発明の実施の形態の図を用いたが、
これにより本発明が実施の形態に限定されるものではな
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて本発明
の実施例を説明する。（第１実施例）図１は、本発明の第１実施例にかかる軸
外し反射光学系の構成を示す図である。不図示の物体か
らの略平行光Ｌは、中央部に開口部ＡＰ１を有する凹面
の１次反射鏡１０１に入射する。１次反射鏡１０１で反
射された光は、該反射鏡１０１よりも物体側に配置され
ている凸面の２次反射鏡１０２に入射する。２次反射鏡
１０２で反射された光は、１次反射鏡１０１の中央に形
成されている開口部ＡＰ１を通過して物体の中間像を形
成する。次に、折返し反射鏡１０３は、中間像からの光
を３次反射鏡１０４の方向へ偏向する。折返し反射鏡１
０３の構成については後述する。そして、３次反射鏡１
０４は、平面反射鏡１０５を介して、物体の中間像をリ
レーして複数の１次元ラインセンサ部１０６上に最終像
を再結像する。

【００１３】本実施例では、光軸上の光束を考えた場
合、３次反射鏡１０４で折り返された像点は、３次反射
鏡１０４に入射する光束と光軸上で重なり合ってしま
う。このため、光軸から僅かに傾いた光束を利用し、光
軸から離れた像面位置に１次元ラインセンサ部１０６を
配置する、いわゆる軸外し系とすることで光束がケラレ
ないように構成される。

【００１４】図２（ａ）は、１次元ラインセンサ部１０
６を光軸方向から見た構成を示す図である。また、図２
（ｂ）は、折返し反射鏡１０３を反射面法線方向から見
た構成を示す図である。図２（ａ）から明らかなよう
に、１次元ラインセンサ部１０６は、４つのラインセン
サＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３，ＬＳ４を並列に並べて配置
することで構成されている。また、折返し反射鏡１０３
の反射面には、図２（ｂ）に示すように、４つの１次元
センサＬＳ１，ＬＳ２，ＬＳ３，ＬＳ４の位置に対応し
て、各ラインセンサに達する光束が通る位置に帯状に複
数の帯状のバンドパス反射膜ＢＰ１，ＢＰ２，ＢＰ３，
ＢＰ４がコーティングにより形成されている。ここで、
ラインセンサＬＳ１〜ＬＳ４は同一の分光感度特性を有
するものでもよいし、観測波長域に適した別々の分光感
度特性を有するものでもよい。バンドパス反射膜ＢＰ１
〜ＢＰ４の分光反射特性は、所望の観測波長帯に対応し
た特性を有している。

【００１５】また、システムのＳ/Ｎ等から、バンドパ
ス反射膜の観測波長帯の反射率を最適な反射率とするこ
とが望ましい。かかる構成により反射光学素子のみで構
成されたマルチバンド観測用光学系が実現される。本実
施例では、１次元ラインセンサが並列して配置されてお
り、分光画像データを重ね合わせることで、検出波長帯
と異なる波長帯の画像を得ることもできる。ただし、光
学系に歪曲収差が残存するため、信号処理による歪み補
正を行う必要がある。

【００１６】以下の表１に本実施例にかかる軸外し反射
光学系の諸元値を掲げる。諸元値表において、非球面は
次式で表される。

【００１７】

【数１】Ｚ＝（ｙ²／ｒ）／[１＋｛１−（１＋κ）・ｙ
²／ｒ²｝^1/2]＋Ａ・ｙ⁴＋Ｂ・ｙ⁶＋Ｃ・ｙ⁸＋Ｄ・ｙ¹⁰

【００１８】但し、ｙは光軸に垂直な方向の高さ、Ｚは
非球面の頂点における接平面から高さｙにおける非球面
上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）、ｒは中心
曲率半径、κは円錐係数、Ａ〜Ｄはｎ次の非球面係数を
それぞれ示している。さらに、諸元表における非球面係
数の「Ｅ−ｎ」は「×１０^-n」を示している。なお、以
下すべての実施例の諸元値において同様の符号、非球面
式を用いる。

【００１９】また、諸元表の焦点距離、曲率半径、面間
隔その他の長さの単位は一般に「ｍｍ」が使われるが、
光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が
得られるので、これに限られるものではない。

【００２０】

【表１】（全体諸元）焦点距離ｆ＝１００００入射瞳径φ＝７００視野角０．１０度×１．２度（レンズデータ）面番号曲率半径面間隔硝材１ -2471.056 -1012.160 反射面２ -554.180 1213.341 反射面３ ∞（平面） -520.000 反射面（偏心量：48.0度）４ 710.000 760.000 反射面５ ∞（平面） -152.062 反射面６ ∞（平面） 0.000 像面（非球面データ）（第１面） κ＝-0.978430 A=0.0 B=0.0 C=0.0 D=0.0 （第２面） κ＝-1.981892 A=0.0 B=0.0 C=0.0 D=0.0 （第４面） κ＝-0.571719 A=0.0 B=0.0 C=0.0 D=0.0

【００２１】（第２実施例）図３は、本発明の第２実施
例にかかる軸外し反射光学系の構成を示す図である。非
球面反射鏡２０５を用いている点が上記第１実施例と異
なる。その他の構成は上記第１実施例と同様であるので
同一部分には同一符号を付す。

【００２２】不図示の物体からの略平行光Ｌは、中央部
に開口部ＡＰ１を有する凹面の１次反射鏡１０１に入射
する。１次反射鏡１０１で反射された光は、該反射鏡１
０１よりも物体側に配置されている凸面の２次反射鏡１
０２に入射する。２次反射鏡１０２で反射された光は、
１次反射鏡１０１の中央に形成されている開口部ＡＰ１
を通過して物体の中間像を形成する。次に、折返し反射
鏡１０３は、中間像からの光を３次反射鏡１０４の方向
へ偏向する。そして、３次反射鏡１０４は、非球面反射
鏡２０５を介して、物体の中間像をリレーして複数の１
次元ラインセンサ部１０６上に最終像を再結像する。

【００２３】本実施例では、光軸上の光束を考えると、
３次反射鏡１０４で折り返された像点は、３次反射鏡１
０４に入射する光束と光軸上で重なり合ってしまう。こ
のため、光軸から僅かに傾いた光束を利用し、光軸から
離れた像面位置に１次元ラインセンサ部１０６を配置す
る、いわゆる軸外し系とすることで光束がケラレないよ
うに構成される。

【００２４】また、本実施例の折返し反射鏡１０３の構
成、及び１次元ラインセンサ部１０６の構成は上記第１
実施例と同様（図２（ａ）,図２（ｂ）参照）であるの
で重複する説明は省略する。本実施例の構成によれば、
反射光学素子のみで構成されたマルチバンド観測用光学
系が実現される。また、本実施例では、１次元ラインセ
ンサが並列して配置されており、分光画像データを重ね
合わせることで、検出波長帯と異なる波長帯の画像を得
ることもできる。ここで、本実施例では、光学系の歪曲
収差が非球面反射面２０５により良好に補正されている
ため、信号処理による歪み補正を行う必要がない。以下
の表２に本実施例の諸元値を掲げる。

【００２５】

【表２】（全体諸元）焦点距離ｆ＝１００００入射瞳径φ＝７００視野角０．１０度×１．２度（レンズデータ）面番号曲率半径面間隔硝材１ -2042.383 -812.492 反射面２ -523.141 1076.771 反射面３ ∞（平面） -490.100 反射面（偏心量：４５．０度）４ 710.000 823.896 反射面５ ∞（平面） -233.765 反射面６ ∞（平面） 0.000 像面（非球面データ）（第１面） κ＝-0.975060 A=0.0 B=0.0 C=0.0 D=0.0 （第２面） κ＝-2.045217 A=0.0 B=0.0 C=0.0 D=0.0 （第４面） κ＝-0.653403 A=0.0 B=0.0 C=0.0 D=0.0 （第５面） κ＝0.000000 A＝-0.714670E-9 B＝ 0.410496E-14 C＝-0.214832E-18 D＝ 0.0

【００２６】図４は、本実施例の縦収差を示す図であ
る。また、図５にスポットダイアグラムを示す。スポッ
トダイアグラムの横軸はデフォーカス量（単位：ｍ
ｍ）、縦軸は視野位置（単位：度）を示している。図
４，５から明らかなように、諸収差、特に歪曲収差が格
段に補正され、かつ視野全体にわたり良好な収差特性を
有していることがわかる。

【００２７】なお、本発明は上述の実施の形態に限定さ
れることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の
構成を取り得ることはいうまでもない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
諸収差が良好に補正された、全て反射光学素子により構
成されたマルチバンド観測用の軸外し反射光学系を提供
することができる。また、本発明の好ましい態様によれ
ば、更に非球面鏡を像面近傍に配置することにより特に
歪曲収差の補正された歪み補正信号処理の不要なマルチ
バンド観測用の軸外し反射光学系を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる軸外し反射光学系
の構成を示す図である。

【図２】（ａ）はラインセンサの構成、（ｂ）は折返し
反射鏡の構成をそれぞれ示す図である。

【図３】本発明の第２実施例にかかる軸外し反射光学系
の構成を示す図である。

【図４】上記第２実施例にかかる軸外し反射光学系の諸
収差を示す図である。

【図５】上記第２実施例にかかる軸外し反射光学系のス
ポットダイアグラムを示す図である。

【図６】従来の軸外し反射光学系の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１０１１次反射鏡２，1０２２次反射鏡ＡＰ，ＡＰ１開口部３，１０３折返し反射鏡４，１０４３次反射鏡１０５平面反射鏡２０５非球面反射鏡５，１０６１次元ラインセンサ部ＬＳ１〜ＬＳ４ラインセンサＢＰ１〜ＢＰ４バンドパス反射膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央部に光通過部を有する凹面の第１反
射鏡と、前記第１反射鏡よりも物体側に配置され、前記第１反射
鏡により反射された前記物体からの光を反射して、前記
第１反射鏡の前記光通過部を通過させて前記物体の中間
像を形成する凸面の第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡により結像された中間
像を最終像面に再結像させる凹面の第３反射鏡とを有す
る軸外し反射光学系において、前記中間像と前記第３反射鏡との間の光路中に折返し平
面鏡をさらに有し、前記最終像面には複数の１次元センサを並列に配置し、
前記各１次元センサの位置に対応して、前記折返し平面
鏡の反射面には複数の帯状のバンドパス反射膜が形成さ
れていることを特徴とする軸外し反射光学系。
【請求項２】前記最終像面の近傍に非球面光学素子を
さらに有することを特徴とする請求項１に記載の軸外し
反射光学系。